采煤机先导回路故障模式及影响分析

宁海栋

(山西长平煤业有限责任公司， 山西 晋城 048400)

0 引言

电牵引采煤机是煤矿井下综采工作面最重要的机电设备，用于工作面的破煤和装煤作业，其可靠性和安全性直接决定了煤炭产量和生产安全[1-2]。煤矿井下开采条件恶劣，采煤机在使用过程中出现故障是不可避免的。配置TDECS电控系统的天地电牵引采煤机接通动力电源前，先导回路会对采煤机控制系统进行系统自检，确定系统无重大安全问题后，先导开关控制顺槽磁力启动器或组合开关给采煤机供电。这是启动采煤机的一个重要步骤。

先导回路故障影响采煤机的正常启动运行，进而影响煤炭开采时间及产量。因此，对先导回路故障进行分析显得尤为重要。本文利用系统安全分析方法中的故障模式及影响分析方法，对配置TDECS电控系统的天地采煤机典型先导回路的故障进行了分析。

1 故障模式及影响分析方法介绍

故障模式及影响分析(failure modes and effect analysis,FMEA)是一种前瞻性的可靠性分析和安全性评估方法，该方法在预防事故的保护机制系统中被广泛使用[3]。FMEA是从基本单元的故障特征和系统的功能结构出发，分析相应系统中各种潜在的故障模式,并确定不同故障模式对系统所产生的影响，为制定系统改进措施提供支持。

故障模式及影响分析方法适用于电气、机械、液压等技术领域。在以上领域,该方法可用于研究相应系统中不同组成部件或元器件的故障。FMEA可用于评价和论证所设计的系统是否达到相关标准或规范，也可以用来识别生产和安装期间的工艺过程控制和检查试验的重点,并可以为故障诊断和维修提供重要的信息。本文利用该方法对先导回路故障进行了分析并给出了预防措施。

2 先导回路故障与分析

采煤机先导回路异常断开可分为两类:一类为采煤机中安装的传感器检测到相应参数异常(即工况异常)，引起采煤机保护动作，断开先导回路；另一类是先导回路各组成部分产生故障,导致先导回路异常断开。现利用FMEA方法对先导回路故障模式及影响进行分析。

先导回路一般分为两部分:一部分安装在采煤机内[4]，一部分安装在顺槽内。天地采煤机内部典型先导回路如图1所示。

图1 采煤机内部先导回路原理

天地采煤机内部典型先导回路主要包括主启按钮、主停按钮、隔离操作闭锁按钮、隔离开关辅助触点、启动预警器、主控模块、先导二极管、导线及压敏组件等。各组成部分配合使用，实现先导控制功能[5]。

采煤机启动时，闭合隔离开关，其辅助触点也应处于闭合状态。当按下主启按钮，一段延时后启动预警器中对应继电器吸合，其第3引脚和第4引脚导通。此时，主停按钮、隔离操作闭锁按钮、隔离开关辅助触点、启动预警器、先导二极管及外部的磁力启动器或组合开关构成回路。然后,主控模块自保节点吸合，JX2的第14引脚和第16引脚导通，且启动预警器对应继电器断开，其第3引脚、第4引脚不再导通。此时,主停按钮、隔离操作闭锁按钮、隔离开关辅助触点、JX2的第14引脚和第16引脚、先导二极管及外部的磁力启动器或组合开关构成回路，并控制组合开关或磁力启动器给采煤机供电。在先导回路无故障状态下，采煤机正常上电启动。

若先导回路中主启按钮出现故障，无法与启动预警器的第1引脚、第2引脚形成闭合回路，那么启动预警器中的继电器无法吸合，其第3引脚、第4引脚不导通，先导回路为断开状态。在主启按钮和线路正常的条件下，启动预警器的第3引脚、第4引脚导通后，与主停按钮、隔离操作闭锁按钮、隔离开关辅助触点、先导二极管、导线及采煤机外部磁力启动器或组合开关形成回路。若启动预警器故障，则此回路不成立，先导回路异常，采煤机启动失败。

隔离操作闭锁按钮起到安全防护作用，隔离开关合闸时需要按下此按钮，才能成功合闸；而隔离开关辅助触点是为了检测隔离开关是否闭合，只有隔离开关闭合，该触点才能使先导回路导通。

先导回路中的主停按钮在采煤机上电时需要拔出，否则采煤机无法上电，按下时使采煤机断电；先导二极管则利用了二极管的单向导通特性，只有当二极管正向导通时，先导回路才有效；压敏组件在电路承受过压时进行电压嵌位，吸收多余电流,以实现对后级先导电路的保护。

当先导回路中其他部件均无故障时，主控模块中的对应继电器或自保节点吸合，第14引脚、第16引脚导通，启动预警器对应继电器断开，先导回路正常导通，采煤机可正常上电启动。若该模块出现故障，则采煤机上电失败。

采煤机先导回路中的各组成部分出现故障，均有可能引起先导回路故障异常。利用FMEA从先导回路中的各组成部分故障分析先导回路故障模式及影响，如图2所示。

图2 先导回路各组成部件故障及影响流程

由图2可知，先导回路故障主要包括按钮本身故障、线路故障、启动预警器故障、隔离开关辅助触点故障、先导二极管故障、外部磁力启动器故障及主控模块故障等。以上故障均导致采煤机上电失败。

造成按钮故障的原因主要为按钮发生机械故障而卡主，为了避免该故障发生，应使用质量可靠的按钮。线路发生故障的原因多为接线不规范或接线头松动，导线发生断路、短路，生产和维修采煤机时应规范接线。启动预警器被水冲淋后进水可导致模块损坏，设计和生产采煤机时应尽量考虑避免该模块被水冲淋。隔离开关辅助触点可能因失去弹性而产生故障，不能使先导回路闭合，应选用高质量且可靠的隔离开关。先导二极管发生故障主要是反向电压过大导致其被击穿，选用合适的二极管可避免故障发生。主控模块发生故障的原因主要是模块自身损坏，无法执行相应控制操作，出厂前需要对模块进行测试，且注意规范接线，保证该模块能够正常运行。以上故障均需要人工进行排查。

图3为工况异常导致的先导回路故障及影响流程。在先导回路各部件均无故障且采煤机正常运行的前提下，判断主动模块自保节点是否因工况异常断开，导致先导回路断开，采煤机断电停机。其中异常工况主要包括牵引输出严重过载、牵引变压器过热、瓦斯浓度超限及截割电动机温度超限停机保护等。该故障可通过查看煤机故障记录及检查传感器是否正常进行排查。

图3 工况异常导致的先导回路故障及影响流程

综合采煤机在实际生产中的检修情况及利用FMEA方法对先导回路故障模式及影响分析的结果，如表1所示。表1中故障影响及等级列中数字1、2、3分别代表的影响等级为小、中等、严重；故障原因及频度列中数字1、2、3分别代表频度等级为低、中、高；检查方式及不可检测度列中数字1、2、3分别表示不可检测度为高、中、低。

3 结论

本文对FMEA方法进行了介绍，并利用该可靠性分析方法对配置TDECS电控系统的天地采煤机典型先导回路中各部件可能产生的故障、产生故障的原因、故障对先导回路功能的影响及应对措施进行了分析。该分析结果有助于相关技术人员优化产品设计，以及帮助维修人员快速定位问题并解决问题，减少采煤机故障排除过程中造成的生产时间浪费及产量损失。

表1 采煤机内部先导回路故障模式及影响分析