柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式及影響分析

蔡芝明，金家善，何春雨

（海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

柴油機(jī)燃油供給系的功用，是根據(jù)柴油機(jī)工況要求，將精確計(jì)量的燃油在規(guī)定的時(shí)間以一定的壓力噴入到汽缸中。柴油機(jī)燃料供給系由兩部分組成：低壓部分和高壓部分。低壓部分主要使噴油泵的低壓腔充滿(mǎn)燃油并建立一定的壓力（0.15～0.3 MPa）。高壓部分對(duì)燃油進(jìn)一步加壓，并使燃油呈良好的霧狀噴入氣缸。

低壓部分包括：油箱、低壓油管、輸油泵、燃油濾清器、溢流閥和回油管。

高壓部分包括：噴油泵、高壓油管、噴油器。圖1所示是常見(jiàn)的一種柴油機(jī)燃油系統(tǒng)示意圖[1]。

圖1 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)示意圖

輸油泵從燃油箱吸取柴油并將其泵出，柴油經(jīng)燃油濾清器除雜質(zhì)后進(jìn)入噴油泵。自噴油泵輸出的高壓油，經(jīng)高壓油管和噴油器噴入氣缸。由于輸油泵的輸油量遠(yuǎn)大于噴油泵的噴油量，多余的燃油經(jīng)回油管回到油箱。

故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis,FMEA）是一種為開(kāi)展設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、品質(zhì)控制及服務(wù)的最廣泛使用的分析方法和有效工具[2]。進(jìn)行FMEA的目的，是幫助確定產(chǎn)品的潛在薄弱環(huán)節(jié)，根本上排除或使其影響為最小，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。FMEA常用的兩種基本方法，是功能分析法和硬件分析法[3]。考慮從硬件和功能FMEA入手，將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析。

1 分析方法

FMEA根據(jù)已有的資料，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，鑒別系統(tǒng)的每一個(gè)潛在的故障模式，針對(duì)可能引起燃油系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常功能的主要部件進(jìn)行分析，依次分析這些主要部件的失效模式、失效后果、失效機(jī)理、嚴(yán)酷度分類(lèi)、嚴(yán)重度、頻度數(shù)、不易探測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)等。按最終對(duì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的影響，對(duì)故障模式按嚴(yán)酷度劃分為4類(lèi)：I類(lèi)(災(zāi)難性)，II類(lèi)(致命性)，III類(lèi)(嚴(yán)重的)，c 類(lèi)(輕度的)。第 I類(lèi)和 II類(lèi)是應(yīng)該盡量避免的，第III類(lèi)和IV類(lèi)故障模式主要是做好預(yù)防維修工作。

（1）嚴(yán)重度（Severity，S）。是指產(chǎn)品潛在故障模式發(fā)生時(shí)，對(duì)系統(tǒng)影響后果的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，僅針對(duì)于故障的后果，嚴(yán)重度的判定準(zhǔn)則，是發(fā)生故障后果的嚴(yán)重程度，取值在1～10之間（見(jiàn)表1）。

表1 嚴(yán)重度劃分等級(jí)參考表

（2）頻度數(shù)（Occurrence，O）。是指某一特定故障起因或機(jī)理出現(xiàn)的可能性。描述頻度級(jí)別數(shù)著重內(nèi)在含義而不是具體的數(shù)值。一般可分為極高、高、中等、低等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間，表述所研究的元件在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)每100個(gè)或1000個(gè)元件中的累計(jì)故障數(shù)（Cumulative Number of Failures,CNF，分別對(duì)應(yīng)CNF/100或者CNF/1000）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查相關(guān)資料，可得到相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

表2 頻度數(shù)劃分等級(jí)參考表

（3）不易探測(cè)度(Detection，D)。是指發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障原因的難易程度，是探測(cè)故障模式/原因/機(jī)理的能力的指標(biāo)，一般分為極難、難、可能、能等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間，不易探測(cè)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，是利用現(xiàn)有的各種方法和手段找出故障存在的可能性（見(jiàn)表3）。

表3 不易探測(cè)度劃分等級(jí)參考表

（4）風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)。根據(jù)建立的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)FMEA分析表，估算故障發(fā)生時(shí)的嚴(yán)重度、頻度數(shù)、不易探測(cè)度等因素，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)（Risk Priority Number，RPN）值。

依據(jù)RPN值的大小，判斷是否有必要進(jìn)行改進(jìn)或確定改進(jìn)的輕重緩急程度，從而以較低的成本減少事后損失，提高系統(tǒng)的可靠性，然而不管RPN數(shù)值大小，當(dāng)失效模式嚴(yán)重度數(shù)大時(shí)，就應(yīng)引起特別重視。柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)（見(jiàn)表4）。

表4 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)FMEA分析表

2 危害度分析

對(duì)某種故障模式的后果及出現(xiàn)概率的綜合度量稱(chēng)為危害度[4]。

產(chǎn)品的危害度Cr是指產(chǎn)品在某一嚴(yán)酷度類(lèi)別下各故障模式危害度Cmj的總和，計(jì)算公式如下

其中n是該產(chǎn)品在相應(yīng)嚴(yán)酷度類(lèi)別下故障模式數(shù)。

查相關(guān)手冊(cè)或參考資料可得到λp（106h失效次數(shù)，見(jiàn)表5）。

表5 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)元件失效率

根據(jù)使用輸出數(shù)據(jù)和產(chǎn)品功能可得出產(chǎn)品故障模式頻數(shù)比dj；表示產(chǎn)品將以故障模式j(luò)發(fā)生故障的百分故比。如果列出的某產(chǎn)品所有故障模式，則所有這些故障模式對(duì)應(yīng)的dj總和等于1

故障影響概率βj可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到的，它是產(chǎn)品以故障模式j(luò)發(fā)生故障而導(dǎo)致系統(tǒng)任務(wù)喪失的條件概率，一般可根據(jù)表6確定。

表6 故障影響概率

工作時(shí)間t可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到，以該產(chǎn)品每次任務(wù)的工作小時(shí)數(shù)表示。燃油系統(tǒng)按每天工作16 h，1年工作256 d，即4096 h。

由FMEA分析表的分析結(jié)果和上述計(jì)算公式，得到該產(chǎn)品的II、III、IV類(lèi)嚴(yán)酷度的危害度分別為

CrⅡ=0.0080542；

CrⅢ=0.01910647；

CrⅣ=0.0118036。

從而可得到：該柴油機(jī)燃油系統(tǒng)III類(lèi)嚴(yán)酷度類(lèi)別的危害度最大，IV類(lèi)次之，II類(lèi)非常小。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)FMEA的分析結(jié)果，得知柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式危害性最大的是噴油器，而后是噴油泵、輸油泵、溢流閥、燃油濾清器、油管、油箱。

（2）通過(guò)產(chǎn)品危害度分析得出，III類(lèi)嚴(yán)酷度類(lèi)別的危害度最大，應(yīng)該重點(diǎn)防范；IV類(lèi)危害度次之，需要定期進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。

（3）通過(guò)FMEA分析，找到了柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在弱點(diǎn)，為接下來(lái)的操作、檢修和維護(hù)過(guò)程中改進(jìn)措施，防止或減少故障的發(fā)生提供依據(jù)。

[1]王文山，高曉波，髙 武，馮 岐.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]Relex Software Co&Intellect，Reliability.A practitioner’s guide[M].Beijing:Intellect and Relex Software Corporation,2003.

[3]吳德銘，李守仁，王 善，等.艦船產(chǎn)品可靠性工程可靠性設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1995.

[4]Beveling C E.An introduction to reliability and maintainability engineering[M].Massachusetts:McGraw-Hill Companies,Inc，1997.