FTA在船舶分油機故障診斷中的應(yīng)用

李沁生

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院,江蘇南京 211170)

0 引言

分油機是船舶動力裝置中必不可少的輔助機械設(shè)備。目前大多數(shù)商船均以柴油機作為主機和發(fā)電機的原動機。船舶公司為了降低燃油成本,柴油機普遍采用低質(zhì)燃油。低質(zhì)燃油必須用分油機來凈化,以快速除去其中的水分和雜質(zhì)。此外船舶柴油機的曲軸箱滑油也需要分油機來凈化。燃油與滑油凈化質(zhì)量的好壞對柴油機工作的可靠性和使用壽命影響極大,所以分油機的正常運行成為船舶主機和發(fā)電柴油機安全運行的重要前提之一。由于分油機運行頻繁、故障率高、故障因素繁多且錯綜復(fù)雜,出現(xiàn)故障時,普遍采用憑經(jīng)驗拆解分油機來查找故障,這樣不但費時費力,而且常常會因為裝復(fù)不符合要求而引發(fā)新故障。因此對分油機進行故障診斷研究、快速定位故障、排除故障,對于保證船舶安全是十分必要的。

1 分油機工作原理與結(jié)構(gòu)簡介

在離心力場中,密度越大的物質(zhì)所受的離心力越大。分油機工作原理是:當污油被連續(xù)地供入高速旋轉(zhuǎn)的分離筒中并隨分離筒作高速旋轉(zhuǎn)時,密度較大的水滴和機械雜質(zhì)所受的離心力較大而被甩到外周,水被引出,雜質(zhì)則被定期通過排渣口清除;密度較小的油所受的離心力較小便向里流動,聚于轉(zhuǎn)軸附近,并從特設(shè)的出油口流出,從而得到凈油。在高速旋轉(zhuǎn) (10 000 r/min)的分離筒中,雜質(zhì)受到的離心慣性力將是其所受重力的幾千倍或更高。分油機正是利用離心分離的原理凈化污油的,其特點是凈化時間短,凈化過程連續(xù),分離量大,分離效率高。

分油機可分為分水機和分雜機兩種,分水機在船舶上應(yīng)用較廣泛。分離筒由電動機經(jīng)蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)驅(qū)動,中間設(shè)置了摩擦離合器以防過載。分離過程在分離筒內(nèi)進行,分離筒由水液壓控制滑動底盤上下進行自動密封和自動排渣,重力環(huán)內(nèi)徑大小決定了出水的流量,從而決定了分離筒中水封水的多少,以此控制油水分界面內(nèi)外移動。通過分析分油機的結(jié)構(gòu)特點可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的故障必然是由其組件故障引起的,而組件故障又必然是由次組件故障引起的,這樣依次類推地分析下去,故障必定是由一個或幾個元器件的失效造成的,為了便于操作,可以建立故障樹,用故障樹作為故障診斷的手段,緣圖索驥定位故障,及時、準確地排除故障。

2 故障樹分析法

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis,FTA)是一種目前國內(nèi)外公認的對復(fù)雜系統(tǒng)安全性、可靠性分析比較實用的方法,目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、電子、武器、機械、化工和采礦等領(lǐng)域。它采用自上而下逐層展開的圖形演繹分析方法,以系統(tǒng)或設(shè)備最不希望發(fā)生的事件為頂,向下逐層找出導(dǎo)致該事件發(fā)生的各種因素 (包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等),然后以一種特殊的倒立樹狀邏輯因果圖 (即故障樹)來表示其中的邏輯關(guān)系。對系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件,可進行由總體到部分地按樹狀逐級細分的分析,其目的是判明基本故障、確定故障原因、故障影響和發(fā)生概率等。故障樹本身也是一種形象化的技術(shù)資料,建立后,可對系統(tǒng)的管理和運行起到直觀教學和維修指南的作用,可用于故障診斷與檢修表的制定[2]。圖 1為FTA一般流程。

圖1 FTA一般流程

3 分油機故障樹的建立

分油機常見的故障有:運行中跑油、分離筒達不到規(guī)定轉(zhuǎn)速、進油困難或中斷、不能排渣、運行中異常振動噪音等。其中運行中跑油是分油機最常見的故障,主要有出水口跑油或排渣口跑油,或兩者兼有。本文以 “分油機跑油”為故障樹的頂事件。由于造成分油機故障的因素多且關(guān)系復(fù)雜,本文確定的模型邊界條件是從使用管理者的角度來分析研究分油機故障,故只針對運行中的分油機,不涉及設(shè)計、制造方面缺陷的影響因素。參照文獻[1]并結(jié)合實船工作經(jīng)驗情況列出如圖 2所示的故障樹。FTA常用符號有:?表示頂事件或中間事件,表示或門,表示與門,○表示底事件。

圖2 分油機跑油故障樹

4 故障樹定性分析

4.1 求最小割集

故障樹定性分析的目的是為了尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因和原因事件的組合,即最小割集。求出最小割集可以明確系統(tǒng)故障的各種可能途徑,為預(yù)防頂事件發(fā)生提供理論依據(jù)。最小割集越多,相對來說系統(tǒng)越危險[3]。

在故障樹中,若所有的基本事件全部發(fā)生,則頂事件必然發(fā)生。但在多數(shù)情況下,只要某個或某幾個基本事件發(fā)生,頂事件就會發(fā)生。通常把故障樹中使頂事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集;能使頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合稱為最小割集[4]。按照圖 2故障樹所示的各個事件之間的關(guān)系,運用下行法,根據(jù)邏輯運算求得所建故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的布爾代數(shù)表達式為:

T=X1+X2X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X 17+X18+X19+X 20+X21+X22。

由上式可知共有 21個最小割集: {X1};{X2X3};{X4};{X 5};{X6};{X7};{X8};{X9};{X10};{X11};{X12};{X13};{X14};{X15};{X16};{X17};{X18};{X19};{X20};{X21};{X22}。即導(dǎo)致分油機跑油的故障模式有 21種。

4.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度為某個底事件或最小割集在故障樹中所處位置的重要性的量度,與底事件或最小割集本身的故障概率無關(guān),是底事件或最小割集對系統(tǒng)故障貢獻大小的表征。一般遵循下述原則對底事件和最小割集進行比較[5]。

1)階數(shù)越小的最小割集越重要。

2)在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要。

3)階數(shù)相同時,在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)越多的底事件越重要。

本例中共 20個一階最小割集,為:

{X1}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19}、{X20}、{X21}、{X22}。

共 1個二階最小割集,為:{X2X3}。

其中,導(dǎo)致中間事件 E6發(fā)生的底事件{X10}、{X11}、{X12}重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)為 2,其余底事件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)為 1。各底事件依結(jié)構(gòu)重要度的排序為:

I(X10)=I(X11)=I(X12)＞I(X1)=I(X4)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)=I(X9)=I(X 13)=I(X14)=I(X15)=I(X16)=I(X17)=I(X18)=I(X19)=I(X20)=I(X21)=I(X22)＞I(X2)=I(X3)。

其中,由于 (X2,X4,X5,X6,X8,X9,X13)均為人因故障,并且導(dǎo)致中間事件 E6發(fā)生的 (X10)中也存在人因故障,可知在導(dǎo)致分油機跑油故障各因素中,人因故障是一個關(guān)鍵因素。

5 分油機跑油故障診斷的步驟

當分油機跑油故障發(fā)生時,首先結(jié)合現(xiàn)場運行情況,判明是出水口跑油,還是排渣口跑油,或者兼有。進一步查找分油機轉(zhuǎn)速是否正常,接著對上面提到的人因故障按操作規(guī)范進行逐一改正,最后沿著樹干向樹梢逐一確認其他故障所在。故障診斷程序可依據(jù)所建的故障樹,按照 “由頂至下、逐級分解、先重要后次要、先人因后硬件、先外圍后內(nèi)部”的原則對底事件一一進行排查。實踐證明,這樣做比盲目拆解分油機去查找故障,能夠大大提高查找故障的準確率,及時排除故障。

表1 故障樹符號說明

6 結(jié)論

以分油機跑油故障為頂事件,針對實際中分油機故障診斷困難的問題,建立了故障樹。對故障割集進行了定性分析,得到最小割集,并按照結(jié)構(gòu)重要度對底事件進行了排序,指出了故障診斷程序,為快速定位故障提供參考,分油機其他故障診斷程序也可參照本思路運用。此外,識別出了造成頂事件的一些人為因素,可通過加強培訓和制作合理的維修操作規(guī)范減低人因故障,提高分油機的可靠性。

[1]孫培廷.船舶柴油機 [M].大連海事大學出版社,2002.

[2]宋保維.系統(tǒng)可靠性設(shè)計與分析 [M].西北工業(yè)大學出版社,1999.

[3]李媛媛,等.激光雷達測量系統(tǒng)故障樹分析 [J].紅外與激光工程,2009,38(2):335-339.

[4]賈哲,等.FTA在機器人故障診斷中的應(yīng)用 [J].裝備制造技術(shù),2008(9):84-85;91.

[5]魏勇.船舶常規(guī)電站主開關(guān)跳閘的故障樹分析 [J].船海工程,2008,37(4):22-24.