大功率風電機用變槳距減速器的故障樹分析

何衛東，郭洪亮，李永華

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

風力發電是地球上最佳綠色能源，對保護環境和生態平衡，改善能源結構具有重要意義.大功率風力發電機用變槳距減速器是風力發電系統的關鍵部件之一，因為當自然界風速有各種變化時，它能適時調節安裝在風電機輪轂上的葉片的槳距角來有效的利用風源.該減速器的承載能力、機械性能、疲勞壽命及工作可靠性是影響風力發電機用變槳距減速器正常工作的極為主要的因素.本文主要通過對大功率風電機用變槳距減速器系統可靠性的研究，通過FTA分析找出該減速器的薄弱環節，提高該傳動系統可靠性的分析精度［1］.

FTA是系統可靠性、安全性分析和風險評價的重要方法之一.根據故障樹的分析，可以得出影響大功率風電機用變槳距減速器系統及子系統可靠性的關鍵零部件，從而提高關鍵零部件的可靠性，以達到提高系統可靠性的目的.FTA是一種圖形演繹方法，可以將系統故障的各種可能因素聯系起來而有利于弄清系統的故障模式、找出系統可靠性的薄弱環節，提高系統可靠性的分析精度.本文采用故障樹模擬技術進行大功率風電機用變槳距減速器的FTA分析，該方法突破了利用最小割集不交化來評定故障樹的思路，它以大數定理為理論依據，以抽樣結果來模擬系統狀態，通過對系統抽樣樣本的統計計算來獲得系統的可靠性參數［2］.

1 FTA建模

故障樹分析也是失效樹分析，簡稱FTA(fault Tree Analysis)，它以系統所不希望發生的事件(故障事件)作為分析的目標，先找出導致這一事件(頂事件)發生的可能的原因和直接因素，然后，把這些因素和原因作為第二級事件，再接著找出第二級事件發生的因素和可能的原因，按照此順序，逐級找下去，直到查到最原始的原因，用相應符號代表這些事件，再用事件相應的邏輯門符號把底事件、中間事件和頂事件聯系起來成倒立的樹形圖.這種樹形圖，成為故障樹，用來表示頂事件與下屬的子系統或者元器件的邏輯關系［2-3］.

本文以“大功率風電機用變槳距減速器不能正常工作”為頂事件建立其故障樹，按照大功率風電機用變槳距減速器功能對減速器的頂事件向下逐級分解其故障模式和邏輯關系，得到如圖(1～5)所示的故障樹.

建立大功率風電機用變槳距減速器系統故障樹如圖(1～5)所示［2，4］.

圖5 噪聲過大的故障樹圖

2 故障樹的簡化

故障樹由頂事件和構成它的全部底事件的邏輯關系連接而成，根據建樹規則建立起來的故障樹比較龐大和繁雜，層次過多和過細的故障樹對定性分析和定量計算都是不方便的，因此，在故障樹建成之后對該故障樹進行邏輯等效簡化，簡化故障樹應遵循以下原則［5］:

規則一:根據邏輯門等效規則，把原故障樹換成規范化故障樹;

規范化故障樹是只含與門、或門、非門以及結果事件和底事件的故障樹;

規則二:去除明顯多余事件;

也就是說，將那些不經過邏輯門直接相連的一串事件只保留最下面的一個事件;

規則三:去除明顯的邏輯多余門;

凡相鄰兩級邏輯門類型相同者均可簡化.若與(或)門之下有與(或)門，則下一級的與(或)門及其輸出事件均可去除，它們的輸入事件直接成為與(或)門的輸出事件［5］.

根據以上規則以及對大功率風電機用變槳距減速器故障樹結構函數進行簡化，得到大功率風電機用變槳距減速器的簡化故障樹如圖6所示.

圖6 簡化后減速器不能正常工作故障樹圖

3 FTA分析

CAFTA以系統故障樹為可靠性分析模型，采用了面向對象設計技術思想，順應圖形化建模的發展趨勢，以蒙特卡羅方法作分析手段，將故障樹可靠性模型的數據管理、分析運算、運算結果分析以及數據的安全管理等功能都集成在一個圖形化的操作平臺上.CAFTA系統可實現對包含多態事件的單調或非單調系統的可靠性預測分析任務，它所支持12種如與門或門異或門等常見的邏輯門模型，涵蓋了可靠性分析中大部分的應用，滿足工程實際所需［2］.

用CAFTA故障樹分析軟件對大功率風電機用變槳距減速器的簡化故障樹進行可靠性模擬分析，本文要求大功率風電機用變槳距減速器系統無維修壽命為20年，故可靠性模擬參數設定為:系統模擬次數為1 000次、有效失效時間上限為175 200 h、有效失效時間下限為0，如圖7所示.

圖7 可靠性模擬參數設定

表1 失效概率模擬結果(底事件)

本文設定底事件都假設服從正態分布［2］.分析處的結果數據見表1～3.

表2 失效模式模擬結果

表3 重要度模擬結果

通過失效概率模擬分析報告可以看出轉臂軸承、潤滑泵原動機故障、油泵故障和密閉失效發生的概率比較大，所以轉臂軸承、潤滑泵原動機故障、油泵故障和密閉失效為大功率風電機用變槳距驅動器的薄弱環節.同時潤滑泵原動機故障、油泵故障會導致大功率風電機用變槳距驅動器的溫度過高;密閉失效會導致大功率風電機用變槳距驅動器漏油.

4 結論

通過采用故障樹模擬技術可以直接清晰看到每個事件發生的概率和模式重要度.利用分析模擬結果找出了影響大功率風電機用變槳距減速器系統可靠性的關鍵零部件分別為轉臂軸承、潤滑泵原動機、油泵和密封件，為提高系統可靠性分析提供了強有力的依據.該方法具有通用性，可以推廣到其它類型的機械產品的FTA分析.

［1］劉天羽.風電高速發展下的中國風力發電機可靠性的研究［J］.上海電機學院學報，2010.

［2］董淑婧.環板式減速器的可靠性研究［D］.大連交通大學，2006:34-42.

［3］朱文予.機械可靠性設計［M］.上海:上海交通大學出版社，1992:89-91.

［4］何衛東.李力行，關天民，等.擺線針輪減速機的邏輯診斷與故障樹分析［J］.大連交通大學學報，1994，15(2):56-63.

［5］劉混舉.機械可靠性設計［M］.北京:國防工業出版社，2009:113-115.