基于FMEA的起重機(jī)電氣系統(tǒng)的故障分析

王志杰,王 磊,李 娜,張 旭,丁克勤

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100013； 2.中國電子科技集團(tuán)公司 電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

起重機(jī)電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀況關(guān)系到起重機(jī)整體的工作性能，當(dāng)其中的一些關(guān)鍵部件發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)無法工作。通常情況下，電氣系統(tǒng)中某一個(gè)部件的故障可能導(dǎo)致多個(gè)子系統(tǒng)不能正常工作，在系統(tǒng)層面上則表現(xiàn)為幾種故障發(fā)生；或者幾個(gè)不同部件發(fā)生故障，可能導(dǎo)致系統(tǒng)表現(xiàn)為同一種故障現(xiàn)象。這樣的特點(diǎn)大大增加了系統(tǒng)故障診斷、故障處理的難度。本文將基于FMEA方法，對(duì)起重機(jī)電氣系統(tǒng)從下到上逐層進(jìn)行分析，分別對(duì)電氣系統(tǒng)的組成部件、子系統(tǒng)及系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式與影響分析。

1 基于FMEA的起重機(jī)電氣系統(tǒng)故障分析方法

完整的故障模式與影響分析(FMEA)內(nèi)容包括系統(tǒng)定義、故障模式分析、故障原因分析、故障影響及嚴(yán)酷度分析、故障檢測方法及補(bǔ)償措施分析等。本文主要進(jìn)行起重機(jī)電氣系統(tǒng)的故障模式、原因及后果的分析，目的是為了建立起重機(jī)各個(gè)故障模式與原因之間的邏輯關(guān)系。根據(jù)FMEA內(nèi)容，并結(jié)合起重機(jī)電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定故障分析的流程為：

(1) 確定系統(tǒng)的層次劃分和分析范圍,并按照一定的劃分原則將電氣系統(tǒng)劃分為若干層級(jí)。

(2) 對(duì)電氣系統(tǒng)的整體以及組成部件進(jìn)行故障模式分析，找出所劃分的各個(gè)層級(jí)可能出現(xiàn)的故障模式，然后針對(duì)每種故障模式進(jìn)行原因分析和影響分析，確定導(dǎo)致故障發(fā)生的原因以及可能產(chǎn)生的影響。

(3) 將所分析的各部件及子系統(tǒng)的故障模式、故障原因、故障影響填入FMEA表，如表1所示。

表1 起重機(jī)電氣系統(tǒng)FMEA分析表

2 起重機(jī)電氣系統(tǒng)的層次劃分

由于起重機(jī)電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性，倘若單一按照功能或組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次劃分，難以建立各個(gè)層級(jí)之間的邏輯關(guān)系，不利于系統(tǒng)的故障分析。因此本文在進(jìn)行系統(tǒng)層次劃分時(shí)，同時(shí)從功能和組成結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行考慮，具體的層次劃分方法如下：

(1) 根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能類別，將電氣系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng),即供配電與保護(hù)子系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)和照明采暖子系統(tǒng)。

(2) 根據(jù)子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，將各個(gè)子系統(tǒng)劃分為接觸器、繼電器、斷路器、電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC、主令控制器、按鈕、限位開關(guān)、端子和電纜等電氣部件的組合。

3 基于FMEA的電氣部件的故障分析

起重機(jī)電氣系統(tǒng)的組成部件類型主要為低壓電器部件以及電機(jī)、變頻器、控制器等。下面將分別對(duì)各類主要的電氣部件進(jìn)行故障分析。

3.1 斷路器的故障分析

斷路器的典型故障模式包括正常操作不能合閘、合閘后不能得電或缺相、誤分、拒分故障[1]。以供電回路斷路器為例，同一層次的故障影響為子系統(tǒng)無供電、子系統(tǒng)保護(hù)功能故障、斷路器無法接通、斷路器誤分閘電等。高一層次的故障影響為子系統(tǒng)無供電、子系統(tǒng)運(yùn)行中跳電、子系統(tǒng)保護(hù)功能故障。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的供配電與保護(hù)功能故障。

3.2 接觸器的故障分析

交流接觸器通常用于控制各工作機(jī)構(gòu)的主電機(jī)、制動(dòng)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。交流接觸器的典型故障模式為上電后無法接通或接觸不良、斷電后無法分?jǐn)?、輔助觸點(diǎn)反饋錯(cuò)誤[2]。以起升制動(dòng)器接觸器為例，同一層次故障影響為制動(dòng)電機(jī)無法接通供電、制動(dòng)電機(jī)無法斷電、動(dòng)作信號(hào)輸入有誤。高一層次故障影響為起升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)故障、制動(dòng)機(jī)構(gòu)制動(dòng)故障。最終表現(xiàn)為起升機(jī)構(gòu)控制故障。

3.3 繼電器的故障分析

繼電器常用于起重機(jī)電氣系統(tǒng)的輸出控制回路中。繼電器的典型故障模式有線圈開路、觸點(diǎn)粘連、結(jié)構(gòu)缺陷等[3]。以行走機(jī)構(gòu)制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的中間繼電器為例，同一層次故障影響為制動(dòng)器接觸器不吸合、制動(dòng)器接觸器不分?jǐn)?。高一層次故障影響為行走控制子系統(tǒng)啟動(dòng)故障、行走控制子系統(tǒng)制動(dòng)故障。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的行走控制故障。

3.4 電動(dòng)機(jī)的故障分析

電動(dòng)機(jī)是為起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的典型故障模式主要包括無法啟動(dòng)、帶正常負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速緩慢、電機(jī)過熱、電機(jī)振動(dòng)和噪聲大等[4]。以起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)主電機(jī)為例，同一層次故障影響為起升電機(jī)加電后不轉(zhuǎn)、起升電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢。高一層次故障影響為起升控制子系統(tǒng)啟動(dòng)故障、起升控制子系統(tǒng)調(diào)速故障。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的起升機(jī)構(gòu)控制故障。

3.5 變頻器的故障分析

變頻器是控制起重機(jī)各機(jī)構(gòu)電機(jī)的啟動(dòng)、停止，并調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作速度的關(guān)鍵裝置。變頻器的典型故障包括主電路過電壓、過電流、過負(fù)載、欠電壓、過熱以及熔斷器熔斷等[5]。以起升機(jī)構(gòu)變頻器為例，同一層次故障影響為變頻器過壓保護(hù)動(dòng)作、變頻器過流保護(hù)動(dòng)作、變頻器過載保護(hù)動(dòng)作、變頻器欠壓保護(hù)動(dòng)作、變頻器熔斷保護(hù)動(dòng)作。高一層次故障影響為起升控制子系統(tǒng)啟動(dòng)故障。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的起升控制功能故障。

3.6 PLC的故障分析

PLC在控制系統(tǒng)中主要完成輸入信號(hào)的采集、邏輯運(yùn)算與控制、控制信號(hào)的輸出以及與其他部件的通訊等功能。PLC的典型故障模式為信號(hào)輸入故障、信號(hào)輸出故障、邏輯運(yùn)算與控制故障、通訊故障[6]。以起升邏輯控制部分為例，同一層次故障影響為無輸入信號(hào)或有誤、無輸出信號(hào)或有誤、被控部件無動(dòng)作、無法實(shí)現(xiàn)邏輯控制、與變頻器無法通訊。高一層次故障影響為起升控制啟動(dòng)、調(diào)速故障。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的起升控制功能故障。

4 子系統(tǒng)的故障分析

起重機(jī)電氣系統(tǒng)一般可分為供配電與保護(hù)子系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)，其中，照明子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)起重機(jī)的工作及安全影響相對(duì)較小，本文僅對(duì)前兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式及影響分析。

4.1 供配電與保護(hù)子系統(tǒng)的故障分析

起重機(jī)電氣系統(tǒng)中，供配電子系統(tǒng)的主要任務(wù)為：提供動(dòng)力供電；提供控制子系統(tǒng)各部件的工作電源；提供照明排風(fēng)回路供電；實(shí)現(xiàn)動(dòng)力回路、控制回路、照明回路的欠壓、過壓、過載保護(hù)功能。同一層次故障影響為控制回路無供電、照明回路無供電。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的供配電與保護(hù)功能故障。

4.2 機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)的故障分析

機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)各工作機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速以及聯(lián)鎖動(dòng)作等的控制。在機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)中，操作主令控制器將控制信號(hào)輸入至PLC中進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后由PLC輸出至繼電器、接觸器或變頻器等，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)控制功能。以起升機(jī)構(gòu)為例，同一層次故障影響為機(jī)構(gòu)啟動(dòng)故障、機(jī)構(gòu)制動(dòng)故障、控制子系統(tǒng)無法完成控制功能。最終表現(xiàn)為電氣系統(tǒng)的起升控制功能故障。

5 系統(tǒng)的故障分析

由FMEA方法可知，系統(tǒng)的故障模式可從低一層的故障影響中總結(jié)獲得，其故障原因則為低一層的各個(gè)故障模式。根據(jù)前文對(duì)各組成部件和子系統(tǒng)的故障模式、原因及影響分析，確定起重機(jī)電氣系統(tǒng)的故障模式為兩大類：供配電與保護(hù)故障、機(jī)構(gòu)控制故障。其故障原因則為各子系統(tǒng)的故障模式，分別為：

(1) 供配電與保護(hù)故障。主要故障原因?yàn)閯?dòng)力回路無供電、動(dòng)力回路供電不正常、控制回路無供電、控制回路供電不正常。

(2) 機(jī)構(gòu)控制故障。主要故障原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)無法啟動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)行中停機(jī)、機(jī)構(gòu)無法制動(dòng)、機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)無法調(diào)速。

6 結(jié)論

本文對(duì)起重機(jī)電氣系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的故障分析研究。利用FMEA分析方法，對(duì)組成起重機(jī)電氣系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)、電氣部件進(jìn)行了故障模式與影響分析，獲得了系統(tǒng)故障與各個(gè)子系統(tǒng)故障、各個(gè)電氣部件故障之間的邏輯關(guān)系。該研究是起重機(jī)電氣運(yùn)行監(jiān)測及故障預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ)，是確定監(jiān)測對(duì)象與參數(shù)的指導(dǎo)原則，也是建立故障預(yù)報(bào)模型的主要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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