故障樹分析法在柴油發電機組教學中的應用

曹洪福 馬東冬

[摘 要] 柴油發電機組維修實訓教學中，學生排故思路不清，查找故障點效率低，導致學習進度緩慢和教學效果不理想等問題。故障樹分析法為學生快速定位故障原因、提高排故效率提供了有力工具，既促進教學目標的達成，又能增強學生診斷、分析故障問題的能力。

[關 鍵 詞] 故障樹；實訓教學；柴油發電機組

[中圖分類號] G712 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）13-0238-02

柴油發電機組結構復雜、涉及機械、電氣等多個領域，學生在初步掌握機組構造和工作原理階段，缺乏實踐經驗，對故障現象與原因之間的聯系還比較模糊，在機組維修實訓過程中，排查故障耗費時間多，導致教學進度緩慢、教學效果不理想。職業教育課堂上多采用案例式、問題引導式教學法，在啟發學生思考分析過程的同時，也需要配合講授科學有效的故障分析方法，幫助學生在機組常見故障維修過程中，逐步理順思路、規范處理流程、提高排故效率，強化教學效果。故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）在這方面提供了有力支持。故障樹分析法是指對所有可能造成系統故障的各種原因進行逐層分析，根據這些原因的邏輯關系建立從上至下的故障樹，通過故障樹反推導致系統故障的各種原因及其組合，可用于指導故障診斷。

一、故障樹分析法概述

故障樹分析法的基礎是以事件符號、邏輯門符號等為要素繪制出的故障樹模型。故障樹模型是一個基于研究對象結構、功能特征的模型，以系統最不希望發生事件為頂事件，以可能導致頂事件發生的其他事件作為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯系的一種倒樹狀結構。故障樹是一種體現故障傳播關系的有向圖，反映了系統故障（頂事件）與導致系統故障的諸因素（中間事件和底事件）之間的邏輯關系，因此是分析故障關系、查找系統故障單元的一種有效手段。圖1為一個簡單的故障樹模型。

故障樹分析法通常按照以下步驟進行：確定頂事件、建立故障樹、定性分析、定量分析及得出結論并確定改進措施。教學過程中僅借鑒故障樹建立過程的思考方法和定性分析的結論，而定量分析需要計算事件概率，暫不討論。

二、利用故障樹法分析的教學過程

（一）確定頂事件、建立故障樹

燒瓦是影響柴油發電組性能的嚴重故障，也是維修課程教學重點。發生燒瓦故障時，機組運轉吃力，甚至冒白煙，嚴重時發生抱軸，突然自行停機，停機后可發現油底殼機油內含有細顆粒手感的金屬粉末。

以燒瓦故障作為頂事件，找出直接導致頂事件的所有可能原因，確定第一級中間事件，再循跡找出導致上級事件發生的所有可能原因，以此循環類推，直至追尋到引起燒瓦故障的所有可能原因。用相應的代表符號和邏輯門將頂事件、中間事件、底事件連接起來，形成樹狀邏輯因果關系圖即故障樹。按照上述分析建立的故障樹如圖2所示，下頁表列出了所有事件及對應符號。

柴油發電機組的結構組成可簡要概括為“兩大機構、五大系統”，即曲軸連桿機構、配氣機構、燃油系統、潤滑系統、起動系統、進排氣系統、冷卻系統。故障樹建立過程中，引導學生從柴油發電機組的結構組成和工作原理出發思考可能引發燒瓦故障的大致方向，初步確定故障范圍，再向下逐層分析至底層的故障原因及其可能引發頂事件的組合關系，從中可發現以下具體信息：

1.從故障樹的結構上看，它清晰、直觀地反映出導致故障的因素及相互邏輯關系，軸頸是發生燒瓦故障的主要部位，軸頸錐度或與軸瓦配合間隙的大小是導致曲軸連桿故障的原因，機油數量、質量等問題是導致潤滑不暢的直接原因，起動前檢查不到位或未按規定起動機組時極易發生潤滑系統故障。以此為參照結合外部檢查，可快速定位故障，提高排故效率的同時，可加深學生對機組結構原理與故障之間關系的認識。

2.從故障樹的事件構成上看，潤滑系統導致燒瓦故障的因素最多，也最復雜，相關故障部位的拆裝和檢查方法應作為排故練習的重點內容。

3.從底事件的性質上看，多數是操作使用、維護保養等人為因素，這說明在柴油發電機組操作使用過程按照規范定期維護保養，起動前檢查到位，重點關注機油數量及質量，就能有效避免燒瓦故障的發生。

（二）定性分析

故障樹頂事件的發生與否是由構成故障樹各基本事件的狀態決定。當所有基本事件發生時，頂事件一定發生，但大多數情況下只要某些基本事件發生就可以導致頂事件的發生。在故障樹分析中，把引起頂事件發生的某些事件的集合稱為割集，一個故障樹的割集不止一個，這些割集中不包含其它割集的割集稱為最小割集，可由各事件的布爾代數運算簡化得到，每個最小割集是相互獨立的。最小割集的數量越多，組成最小割集的基本事件數量越少，頂事件發生的可能性就越大。在本例的故障樹中，最小割集是能引起柴油發電機組燒瓦故障的各事件邏輯組合。布爾代數運算的簡化結果如下：

TE=M1+M2

=B1+M3+M4+M5+M6

=B1+B2+B3+B4+M7+M8+M9

=B1+B2+B3+B4+B5+B6+B7+B8

從簡化結果看，故障樹有7個最小割集，其中一階割集6個，二階割集1個。B1-B6每個底事件獨立發生都能引發燒瓦故障，而底事件B7和B8同時發生才會。這說明引發柴油發電機組故障的可能性有7個，其中軸頸錐度或橢圓度過大、安裝時未按規定檢查、機油泵磨損導致間隙過大、起動后未按規定程序加負載、未定期更換機油、未根據機組使用特點選擇機油共6個基本事件是本故障樹的薄弱環節，最容易引起燒瓦故障。這些基本事件應作為排查故障原因時優先考慮的因素并在使用和維護過程中應給予重點關注，它們的頂事件應作為排查故障的優先考慮方向。通過比較不同故障的最小割集數量，也可幫助學生了解哪些是柴油發電機組的多發故障，哪些因素引發故障的可能性最大。

三、結論

從建立燒瓦故障樹的過程及其定性分析中可以看出，故障樹分析法在實訓教學中有以下優點：（1）故障樹的建立過程能直觀地反映出導致失效的部位、因素及其相互影響關系，幫助學生形成較為科學的思維方法，加深對系統結構組成和工作原理的認識，快速找到問題所在及解決途徑。（2）故障樹的事件分布反映了導致系統失效因素的分布情況，哪些事件的“或門分支”越多，就越容易引發系統失效，對突出教學訓練重點有明顯的指示作用。（3）最小割集代表導致系統失效的最直接原因，它的數量反映出系統失效的可能性；最小割集中基本事件的數量反映由該最小割集導致系統失效的可能性，能幫助學生發現多發故障及其最可能的誘因，對日常維護重點也有很好的提示作用。

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