基于FMEA的起重机电气系统的故障分析

王志杰,王 磊,李 娜,张 旭,丁克勤

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100013； 2.中国电子科技集团公司 电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

起重机电气系统的运行状况关系到起重机整体的工作性能，当其中的一些关键部件发生故障时，会导致起重机的工作机构无法工作。通常情况下，电气系统中某一个部件的故障可能导致多个子系统不能正常工作，在系统层面上则表现为几种故障发生；或者几个不同部件发生故障，可能导致系统表现为同一种故障现象。这样的特点大大增加了系统故障诊断、故障处理的难度。本文将基于FMEA方法，对起重机电气系统从下到上逐层进行分析，分别对电气系统的组成部件、子系统及系统进行了故障模式与影响分析。

1 基于FMEA的起重机电气系统故障分析方法

完整的故障模式与影响分析(FMEA)内容包括系统定义、故障模式分析、故障原因分析、故障影响及严酷度分析、故障检测方法及补偿措施分析等。本文主要进行起重机电气系统的故障模式、原因及后果的分析，目的是为了建立起重机各个故障模式与原因之间的逻辑关系。根据FMEA内容，并结合起重机电气系统的特点，确定故障分析的流程为：

(1) 确定系统的层次划分和分析范围,并按照一定的划分原则将电气系统划分为若干层级。

(2) 对电气系统的整体以及组成部件进行故障模式分析，找出所划分的各个层级可能出现的故障模式，然后针对每种故障模式进行原因分析和影响分析，确定导致故障发生的原因以及可能产生的影响。

(3) 将所分析的各部件及子系统的故障模式、故障原因、故障影响填入FMEA表，如表1所示。

表1 起重机电气系统FMEA分析表

2 起重机电气系统的层次划分

由于起重机电气系统的复杂性，倘若单一按照功能或组成结构进行层次划分，难以建立各个层级之间的逻辑关系，不利于系统的故障分析。因此本文在进行系统层次划分时，同时从功能和组成结构两方面进行考虑，具体的层次划分方法如下：

(1) 根据系统实现的功能类别，将电气系统划分为3个子系统,即供配电与保护子系统、机构控制子系统和照明采暖子系统。

(2) 根据子系统的组成结构和工作原理，将各个子系统划分为接触器、继电器、断路器、电动机、变频器、PLC、主令控制器、按钮、限位开关、端子和电缆等电气部件的组合。

3 基于FMEA的电气部件的故障分析

起重机电气系统的组成部件类型主要为低压电器部件以及电机、变频器、控制器等。下面将分别对各类主要的电气部件进行故障分析。

3.1 断路器的故障分析

断路器的典型故障模式包括正常操作不能合闸、合闸后不能得电或缺相、误分、拒分故障[1]。以供电回路断路器为例，同一层次的故障影响为子系统无供电、子系统保护功能故障、断路器无法接通、断路器误分闸电等。高一层次的故障影响为子系统无供电、子系统运行中跳电、子系统保护功能故障。最终表现为电气系统的供配电与保护功能故障。

3.2 接触器的故障分析

交流接触器通常用于控制各工作机构的主电机、制动器执行机构的驱动电机。交流接触器的典型故障模式为上电后无法接通或接触不良、断电后无法分断、辅助触点反馈错误[2]。以起升制动器接触器为例，同一层次故障影响为制动电机无法接通供电、制动电机无法断电、动作信号输入有误。高一层次故障影响为起升机构启动故障、制动机构制动故障。最终表现为起升机构控制故障。

3.3 继电器的故障分析

继电器常用于起重机电气系统的输出控制回路中。继电器的典型故障模式有线圈开路、触点粘连、结构缺陷等[3]。以行走机构制动器驱动的中间继电器为例，同一层次故障影响为制动器接触器不吸合、制动器接触器不分断。高一层次故障影响为行走控制子系统启动故障、行走控制子系统制动故障。最终表现为电气系统的行走控制故障。

3.4 电动机的故障分析

电动机是为起重机各工作机构提供动力驱动。电动机的典型故障模式主要包括无法启动、带正常负载时转速缓慢、电机过热、电机振动和噪声大等[4]。以起升机构的驱动主电机为例，同一层次故障影响为起升电机加电后不转、起升电机转速缓慢。高一层次故障影响为起升控制子系统启动故障、起升控制子系统调速故障。最终表现为电气系统的起升机构控制故障。

3.5 变频器的故障分析

变频器是控制起重机各机构电机的启动、停止，并调节机构工作速度的关键装置。变频器的典型故障包括主电路过电压、过电流、过负载、欠电压、过热以及熔断器熔断等[5]。以起升机构变频器为例，同一层次故障影响为变频器过压保护动作、变频器过流保护动作、变频器过载保护动作、变频器欠压保护动作、变频器熔断保护动作。高一层次故障影响为起升控制子系统启动故障。最终表现为电气系统的起升控制功能故障。

3.6 PLC的故障分析

PLC在控制系统中主要完成输入信号的采集、逻辑运算与控制、控制信号的输出以及与其他部件的通讯等功能。PLC的典型故障模式为信号输入故障、信号输出故障、逻辑运算与控制故障、通讯故障[6]。以起升逻辑控制部分为例，同一层次故障影响为无输入信号或有误、无输出信号或有误、被控部件无动作、无法实现逻辑控制、与变频器无法通讯。高一层次故障影响为起升控制启动、调速故障。最终表现为电气系统的起升控制功能故障。

4 子系统的故障分析

起重机电气系统一般可分为供配电与保护子系统、机构控制子系统、照明子系统，其中，照明子系统发生故障时，对起重机的工作及安全影响相对较小，本文仅对前两个子系统进行了故障模式及影响分析。

4.1 供配电与保护子系统的故障分析

起重机电气系统中，供配电子系统的主要任务为：提供动力供电；提供控制子系统各部件的工作电源；提供照明排风回路供电；实现动力回路、控制回路、照明回路的欠压、过压、过载保护功能。同一层次故障影响为控制回路无供电、照明回路无供电。最终表现为电气系统的供配电与保护功能故障。

4.2 机构控制子系统的故障分析

机构控制子系统的主要任务是实现起重机各工作机构的启动、制动、调速以及联锁动作等的控制。在机构控制子系统中，操作主令控制器将控制信号输入至PLC中进行逻辑运算，然后由PLC输出至继电器、接触器或变频器等，实现机构控制功能。以起升机构为例，同一层次故障影响为机构启动故障、机构制动故障、控制子系统无法完成控制功能。最终表现为电气系统的起升控制功能故障。

5 系统的故障分析

由FMEA方法可知，系统的故障模式可从低一层的故障影响中总结获得，其故障原因则为低一层的各个故障模式。根据前文对各组成部件和子系统的故障模式、原因及影响分析，确定起重机电气系统的故障模式为两大类：供配电与保护故障、机构控制故障。其故障原因则为各子系统的故障模式，分别为：

(1) 供配电与保护故障。主要故障原因为动力回路无供电、动力回路供电不正常、控制回路无供电、控制回路供电不正常。

(2) 机构控制故障。主要故障原因为机构无法启动、机构运行中停机、机构无法制动、机构运行时无法调速。

6 结论

本文对起重机电气系统进行了详细的故障分析研究。利用FMEA分析方法，对组成起重机电气系统的各个子系统、电气部件进行了故障模式与影响分析，获得了系统故障与各个子系统故障、各个电气部件故障之间的逻辑关系。该研究是起重机电气运行监测及故障预报的重要基础，是确定监测对象与参数的指导原则，也是建立故障预报模型的主要依据。

参考文献：

[1] 王章启,刘全志,贾俊国,等.断路器电寿命预测中的实用电流采样算法及误差分析[J].高压电器,2000(2):22-25.

[2] 耿昕,刘跃鸣.电磁接触器线圈电流工况在线监测试验[J].机车电传动,2014,5(3):86-89.

[3] 陆俭国,金福群.国内外电磁继电器可靠性标准的分析[J].机床电器,1991(3):22-26.

[4] 吴国沛,任震.鼠笼异步电动机常见故障的分析与诊断[J].华南理工大学学报(自然科学版),1999,27(10):55-57.

[5] 黄庆成.一种变频控制器的故障诊断方法[J].维修技术,1998(4):42-43.

[6] 王东煜,宁甲焘.可编程序控制器可靠性研究——故障定性及定量分析法[J].东北电力技术，2001(5):11-14.