船用空壓機可靠性試驗方法研究?

關 濤 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

船用空壓機可靠性試驗方法研究?

關 濤 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

針對目前船用空壓機沒有一種比較通用的可靠性試驗方法，研究船用空壓機可靠性試驗的基本流程和評估方法。首次提出了一套設計和開展船用空壓機可靠性試驗的基本方法，該方法包括船用空壓機功能和結構論述、故障模式分析、故障判決、可靠性試驗方案以及可靠性評估等。某型船用空壓機的競爭性試驗參考了論文所提出的船用空壓機可靠性試驗方法，應用表明該方法具有一定的工程應用參考價值，值得類似機電設備可靠性試驗借鑒。

可靠性試驗；空壓機；故障模式分析；可靠性評估

ClassNum ber TK229.7

1 引言

船用空壓機是船舶失事排水、啟動船舶主機和驅動氣動設備的關鍵設備，其可靠性的好壞直接影響了船舶生命力。但是，船用空壓機是典型的多部件可修機械設備，其故障模式多樣，壽命比較長，可靠性試驗費用高，國內開展船用空壓機可靠性試驗鮮有報道。目前，國內外還沒有針對空壓機可靠性試驗標準，有關企業一般參考IEC 60605《設備可靠性試驗》標準［1］和IEC60300-3-5《可信性管理 應用指南：可靠性試驗條件和統計試驗的原則》［2］等標準來自主開展空壓機可靠性試驗，但是各企業開展可靠性試驗的基本步驟和評估方法也不統一。為此，本文根據船用空壓機的特點和可靠性試驗的基本內容，提出了一套設計和開展船用空壓機可靠性試驗的基本方法，力圖能夠為船用空壓機可靠性試驗評估提供一種新穎且較統一的思路。

2 船用空壓機可靠性試驗的基本方法

2.1 基本流程

船用空壓機具有失效機理復雜、故障模式多樣、試驗周期長、試驗費用高、可靠性試驗標準匱乏等特點，為了減少試驗費用、提高可靠性試驗的效率和準確性，首先需要確定可靠性試驗的目的；其次，依據試驗目的，在充分了解船用空壓機的基本結構、基本功能、故障模式的基礎上，確定狀態評估指標、故障判據和試驗方案；最后，選取合適的可靠性評估方法，基于試驗數據開展船用空壓機可靠性評估。船用空壓機可靠性試驗的基本流程如圖1所示。

圖1 船用空壓機可靠性試驗基本流程

2.2 船用空壓機基本結構和原理

在設計可靠性試驗前，需要詳細描述要開展可靠性試驗的船用空壓機的基本結構和原理。從船用空壓機的基本功能、基本結構組成、基本工作原理以及工作環境來描述船用空壓機的基本情況，包括空壓機各主要部件的基本功能，壓縮級數以及壓縮空氣管路等信息。這是設計和開展可靠性試驗的基礎。

2.3 船用空壓機故障模式分析

船舶在航行中長期處于橫搖和縱搖的反復交替中，使得船用空壓機承受的外部影響更大，與此同時，船舶長期處于海上高鹽、高濕的環境，使得船用空壓機的故障模式有其自身的特點。因此，需要根據類似船用空壓機的基本結構、使用和維修信息，采用結構和功能分析相結合的方法來分析船用空壓機的故障模式。針對某船用三級往復式活塞空壓機，其故障模式主要有：進排閥門損壞、排氣量降低、排氣壓力不足、海水泵漏泄、冷卻效果不好、機體振動過大、滑油溫度高、安全閥沒有按規定自動啟動、空壓機無法啟動、排氣溫度高、曲軸箱或氣缸內有不正常聲音、滑油耗油量增加、滑油油壓達不到規定壓力等等，類似船用空壓機可作為參考。

2.4 確定船用空壓機技術狀態評估指標

確定技術狀態評估指標目的是明確船用空壓機的故障判據。不同型號船用空壓機有不同的的整機技術狀態評估指標和關鍵零部件指標。

某船用三級往復式活塞空壓機的整機技術狀態指標參數項目主要有：容積流量、軸功率、各級排氣壓力、潤滑油壓力、冷卻水壓力、各級安全閥起跳壓力、冷卻水出水溫度、壓縮機后冷卻器出口壓縮空氣溫度、潤滑油溫度、冷卻水泵流量、振動烈度、噪聲、潤滑油消耗量、空壓機運轉壽命、設計轉速等。其重要零部件主要有進氣閥、排氣閥、活塞環、氣缸、軸承、軸瓦、連桿、油壓控制器、壓力控制器、水壓控制器、冷卻器、海水泵、滑油泵、安全閥、油水分離器等。各零部件的整體要求是各種部件之間能夠相互配合，保證空壓機正常工作。有些零部件的技術狀態能夠采用定量描述，例如要求進氣閥的壽命不低于500小時；而有些零部件的壽命并沒有單獨定量規定，例如氣缸的壽命并沒有給出定量數值，其一般與整機的壽命相匹配。

2.5 確定船用空壓機故障判據

確定科學的故障判據是成功開展船用空壓機可靠性試驗的關鍵。可靠性試驗主要是根據空壓機的整機及關重件技術狀態來判斷空壓機是否發生故障。某型空壓機的主要故障現象有：充氣量不合格、滑油油耗過大、噪聲過大、振動過大、冷卻水量不夠、滑油溫度過高、滑油壓力不符合要求、各級排氣溫度過高、空壓機后冷凝出口壓縮空氣溫度過高、安全閥不起作用、油壓控制器故障、壓力控制器故障、水壓控制器故障、活塞環壽命不合格、進氣閥壽命不合格、排氣閥壽命不合格、空壓機不能起動、氣缸內壁磨損過快、曲軸箱滲油等故障現象。試驗過程中，如果出現上述現象，需要詳細分析引起該現象的原因，以便判斷該現象是否是故障，若是故障，則要判斷故障是否是由于生產廠家的原因造成的，若是，則定為責任故障，則記錄一次故障。有些故障現象并不一定是責任故障的，例如，由于冷卻水池漏泄而造成的冷卻水量不夠的故障現象，就不能認為是責任故障，這是試驗方沒有保障供應水的原因，并非空壓機制造商的責任。

2.6 確定船用空壓機可靠性試驗方案

確定可靠性試驗方案主要包括確定可靠性試驗樣本數量、可靠性試驗時間、試驗裝置和環境條件、可靠性試驗圖譜、試驗記錄數據表格等。

1）可靠性試驗樣本數量

可靠性試驗樣本數量可參考GJB 1491-92中性能試驗規定抽檢臺數和可靠性試驗的費用來權衡。抽檢臺數可參考表1所示。

表1 可靠性試驗參考抽檢臺數

2）可靠性試驗時間

參考空壓機的耐久性試驗時間，根據樣本數量和費用來權衡可靠性試驗的時間。考慮到船舶需要大約持續運行3個月的工作任務來推算，在經費允許條件下，可開展2000小時左右的可靠性試驗；若經費所限，則可開展1200小時左右的可靠性試驗，即大約50天左右的可靠性試驗。這個試驗時間超過了空壓機的耐久性試驗，能夠達到可靠性試驗的發現薄弱環節和改進可靠性的目的。

3）試驗裝置設計和確定試驗環境條件

一般采用充瓶法測量空壓機的容積流量。簡化的空壓機試驗裝置如圖2所示。所有管路、閥門以及附件均應進行密封性檢查，不得漏泄。空壓機向緩沖器充氣至公稱排氣壓力的時間應不少于30s；空壓機向儲氣罐充氣至公稱排氣壓力的時間應不少于5min。儲氣罐容積大小最好充水實測，測量相對誤差不大于0.2%。溫度計精度不低于0.5℃，壓力表精度不低于1級，計時器最小刻度不大于1s。

圖2 空壓機試驗裝置簡圖

4）可靠性試驗圖譜

空壓機可靠性試驗一般需要開展首次性能試驗、持續試驗、油耗試驗等項目。假設總試驗時間為1200小時，可靠性試驗圖譜可參考圖3所示的基本試驗圖譜。

圖3 空壓機可靠性試驗基本圖譜

5）試驗記錄數據表格

為了評價空壓機的性能和可靠性，試驗過程中需要記錄的信息主要有：試驗時間、潤滑油溫度、排氣溫度、充前瓶溫、充后瓶溫、充前瓶壓、充后瓶壓、氣瓶容積、充氣時間、各級安全閥起跳壓力、冷卻水壓力、進水溫度、出水溫度、轉速、電壓、電流、功率、大氣壓力、環境溫度等。試驗方可根據具體情況減少或增加的記錄參數項目。

2.7 確定可靠性評估方法

空壓機可靠性試驗是典型的小樣本試驗。選取合適的可靠性分布和可靠性評估方法是保證空壓機可靠性評估結果合理的關鍵。根據文獻［3］的研究結論，船用空壓機故障規律一般服從雙參數的威布爾分布，因此，可以采用威布爾分布來擬合可靠性試驗中空壓機的故障規律。由于可靠性試驗的樣機、費用和時間有限，故障樣本可能比較少，因此，選取適合于小樣本的參數估算方法。根據文獻［4］和［5］，對于故障規律服從威布爾分布的樣本數據，當樣本容量n≤25時，只需進行點估計即可，而最佳線性無偏估計是威布爾分布參數估計的最佳方法之一。因此，可以采用基于威布爾分布的船用空壓機可靠性評估方法，該方法通過小樣本數據來估計出威布爾分布的特征參數，比較適合于船用空壓機的可靠性試驗。

3 結語

針對船用空壓機可靠性特性和其可靠性試驗的現狀，首次提出了一套設計和開展船用空壓機可靠性試驗的基本方法，建立了適合于船用空壓機可靠性特點和其可靠性試驗現狀的可靠性評估方法。本文所建立的可靠性試驗方法在某型船用空壓機的競爭性試驗中得到應用，應用表明本方法的試驗設計思路清晰，尤其是針對船用空壓機可靠性試驗特點的可靠性評估方法可行，符合工程實際。可見，本文所構建的船用空壓機可靠性試驗方法值得在具有試驗樣品少、故障模式多樣、壽命長等特點的機械設備可靠性試驗評估中借鑒。

［1］IEC 60605-4-2001.Equipment Reliability Testing-Part 4：Statistical Procedures for Exponential Distribution-Point Estimates，Confidence Intervals，Prediction Intervalsand Tolerance Intervals［S］.

［2］IEC 60300-3-5-2001.Dependability Management-Application Guide-Reliability Test Conditions and Statistical TestPrinciples［S］.

［3］任明宏，耿俊豹.基于現場數據的船用空壓機可靠性研究［J］.艦船科學技術，2013，35（10）：92-95.

［4］White JS.The Moments of Log-Weibull Order Statistics［J］.Technometrics，1969（11）：374-386.

［5］茆詩松，湯銀才，王玲玲.可靠性統計［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Research on the Reliability Test of Boat Air Com pressor

GUAN Tao HUI Zhipeng
（Beijing 1303MailBox 14 Box，Beijing 100161）

The basic flow and evaluationmethod for the reliability testofboatair compressors are studied as there is one common reliabilitymethod for the boatair compressor.Abasicmethod for design and develop reliability test for the boatair compressor is put forward，including function and structure，failuremode effectanalysis，failure decision，reliability testplan，reliability evaluation and so on.Themethod in this paperhas been applied in one competition testofsome boatair compressor，which shows that the method has some engineering application value and isworth to be referred in some similar electro-mechanical equipment reliability test.

reliability test，air compressor，failuremode effectanalysis，reliability evaluation

TK229.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.024

2017年3月9日，

2017年4月26日

關濤，男，碩士，工程師，研究方向：艦船機電設備管理和設計技術。回志澎，男，工程師，研究方向：艦船機電設備管理和設計技術。