基于FMECA和FTA的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備故障診斷方法*

□ 魯 順 □ 徐增丙1 □ 熊 文 □ 王志剛1

1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430081 2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430081 3.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200011

1 研究背景

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備正朝著內(nèi)部構(gòu)造更加復(fù)雜,自動(dòng)化程度不斷提高的方向發(fā)展,導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生故障的原因錯(cuò)綜復(fù)雜[1]。以大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備為例,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部件相互耦合性較高,工作環(huán)境相對(duì)較惡劣,導(dǎo)致故障頻繁發(fā)生,診斷維護(hù)較困難,嚴(yán)重影響機(jī)組可靠性,給企業(yè)和社會(huì)造成直接或間接損失。因此,旋轉(zhuǎn)機(jī)械可靠性問(wèn)題是目前國(guó)內(nèi)亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

故障模式影響與危害度分析(FMECA)和故障樹(shù)分析(FTA)相結(jié)合的方法,很早就引入旋轉(zhuǎn)機(jī)械的可靠性分析[2]。郭利鵬[3]應(yīng)用FMECA和FTA理論,開(kāi)發(fā)了航空渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)輔助研究軟件,進(jìn)而得到渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)頂事件的故障樹(shù)功能圖。顧煜炯等[4]應(yīng)用FMECA和FTA,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電設(shè)備故障信息的綜合分析,對(duì)造成固有風(fēng)險(xiǎn)故障的影響因素進(jìn)行了主次排序,為采取維修措施提供指導(dǎo)。雷啟龍等[5]應(yīng)用故障模式影響分析(FMEA)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和定量FTA方法,為風(fēng)電機(jī)組并發(fā)故障及單故障提供維修決策。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷維護(hù)困難、可靠性低的問(wèn)題,筆者以旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于FMECA和FTA,采用正向綜合分析方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理和故障分析,找出系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn),并開(kāi)發(fā)了FMECA和FTA系統(tǒng),輔助技術(shù)人員制訂相應(yīng)的維修決策,提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的可靠性。

2 FMECA

FMECA是一種系統(tǒng)故障分析方法[6],通過(guò)分析系統(tǒng)各組成單元在研發(fā)設(shè)計(jì)或制造生產(chǎn)中可能發(fā)生的故障模式,找出每一種故障模式的原因和產(chǎn)生后果的嚴(yán)重度,提出相應(yīng)的改進(jìn)和補(bǔ)償措施,使系統(tǒng)的可靠性得到提高。FMECA由FMEA和危害度分析組成[7],技術(shù)路線如圖1所示。

采用基于功能分析的FMEA對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障模式及影響進(jìn)行分析[8],將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的功能輸出分類逐項(xiàng)列出,對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析,獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的功能、功能故障、故障模式、故障影響等基本信息,對(duì)各故障模式所對(duì)應(yīng)的故障原因、故障征兆、預(yù)防措施等信息進(jìn)行分析。在FMEA的基礎(chǔ)上,進(jìn)行危害度分析,應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)R量化評(píng)價(jià)各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[9]。風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)影響因素包括嚴(yán)酷度等級(jí)S、發(fā)生度等級(jí)O、檢測(cè)度等級(jí)D,風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)R等于SOD。風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)越大,表示故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高,應(yīng)優(yōu)先采取補(bǔ)償和改進(jìn)措施。

嚴(yán)酷度等級(jí)表見(jiàn)表1,發(fā)生度等級(jí)表見(jiàn)表2,檢測(cè)度等級(jí)表見(jiàn)表3。

表1 嚴(yán)酷度等級(jí)表

表2 發(fā)生度等級(jí)表

表3 檢測(cè)度等級(jí)表

3 FTA

FTA廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性、安全性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10]。將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件——失效狀態(tài)作為故障樹(shù)的頂事件,找出導(dǎo)致這一故障發(fā)生的根本原因,并采用邏輯符號(hào)與樹(shù)狀圖形連接,直到確認(rèn)底事件為止。

FTA流程為:確定頂事件,查找相應(yīng)的故障原因,根據(jù)故障原因建立故障樹(shù)的每層事件,并用“與”和“或”邏輯符號(hào)將每層事件連接起來(lái),直至查找到故障樹(shù)的最小割集。FTA流程如圖2所示。

▲圖2 FTA流程

4 綜合分析方法

FMECA和FTA單獨(dú)使用,既有各自優(yōu)勢(shì),也存在一定不足[11]。一般而言,FMECA只考慮單個(gè)失效模式對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響,而系統(tǒng)某個(gè)故障模式的出現(xiàn)常常是多個(gè)部件同時(shí)失效的結(jié)果。不同層次的故障可以通過(guò)“與”和“或”邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián),這些邏輯關(guān)系在FMECA的研究中無(wú)法體現(xiàn),FTA則可以彌補(bǔ)這一不足。因此,筆者提出基于FMECA與FTA的正向綜合分析方法,對(duì)系統(tǒng)故障模式進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

正向綜合分析方法的基本原理是:定義研究對(duì)象,采用FMECA對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析;填寫(xiě)FMECA表,對(duì)嚴(yán)酷度等級(jí)進(jìn)行排序,選擇嚴(yán)酷度為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí),且風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)較大的故障模式導(dǎo)致的影響作為故障樹(shù)的頂事件;根據(jù)FTA建立完整的故障樹(shù),基于危害度分析結(jié)果對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析;綜合FMECA和FTA結(jié)果,對(duì)導(dǎo)致頂事件的故障信息進(jìn)行輸出,制訂維修決策。綜合分析流程如圖3所示。

▲圖3 綜合分析流程

5 實(shí)例分析

轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中最重要的組成部分,主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、軸承座、配重盤、軸承、軸、底座基礎(chǔ)組成,如圖4所示。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)分為兩跨,中間用聯(lián)軸器連接。轉(zhuǎn)子上安裝有三個(gè)配重盤,工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)子、軸承和三個(gè)配重盤轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能,將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)劃分為三個(gè)子系統(tǒng),分別為電機(jī)子系統(tǒng)、關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)、底座基礎(chǔ)子系統(tǒng)。其中,關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)包括軸承、聯(lián)軸器、軸、軸承座、密封圈、卡環(huán)。

▲圖4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)為研究對(duì)象,結(jié)合關(guān)鍵零部件轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),深入分析各部件的故障模式、故障原因及危害度,總結(jié)關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)的FMECA表,見(jiàn)表4。

嚴(yán)酷度等級(jí)最高為Ⅱ級(jí)事件,對(duì)Ⅱ級(jí)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)排序,推斷出軸承和軸為潛在危險(xiǎn)最大的部件。關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)中風(fēng)險(xiǎn)最大的故障模式為軸承疲勞損壞、磨損,以及軸疲勞裂紋,所導(dǎo)致的最終故障影響是機(jī)組運(yùn)行性能下降。將機(jī)組運(yùn)行性能下降作為故障樹(shù)的頂事件,創(chuàng)建故障樹(shù),如圖5所示。故障樹(shù)事件見(jiàn)表5。

通過(guò)定性FTA,得出導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行性能下降的原因集為交變載荷、軸偏心、軸承座變形、卡環(huán)失效、潤(rùn)滑不良、密封圈損壞、油液內(nèi)有雜質(zhì)、界面變化處有應(yīng)力集中、載荷過(guò)大。

表4 關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)FMECA表

表5 故障樹(shù)事件

▲圖5 機(jī)組運(yùn)行性能下降故障樹(shù)

對(duì)嚴(yán)酷度為Ⅱ級(jí)的事件的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)進(jìn)行排序,軸承>軸>軸承座。因此,應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)較大的故障模式采取優(yōu)先的改進(jìn)措施,如檢查軸承的潤(rùn)滑系統(tǒng)及密封裝置,嚴(yán)格遵守軸承的裝配規(guī)則,并加強(qiáng)對(duì)軸承的監(jiān)測(cè),以提高軸承運(yùn)行的可靠性。

6 軟件實(shí)現(xiàn)

所研發(fā)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)FMECA與FTA軟件由系統(tǒng)定義、FMECA、FTA、故障信息輸出和故障決策制訂四個(gè)主功能模塊組成。其中,FMECA包括FMECA表繪制、危害度分析兩部分。軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

▲圖6 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

6.1 系統(tǒng)定義模塊

系統(tǒng)定義界面如圖7所示,主要包括確定系統(tǒng)名稱,對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行定義等功能。

▲圖7 系統(tǒng)定義界面

6.2 FMECA模塊

FMECA表繪制界面如圖8所示,功能為對(duì)零部件的FMECA信息進(jìn)行添加。當(dāng)前界面為對(duì)軸承信息進(jìn)行添加。

危害度分析界面如圖9所示,主要功能為對(duì)FMECA表嚴(yán)酷度和風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)進(jìn)行排序,確定高危害性的故障模式。

▲圖8 FMECA表繪制界面

▲圖9 危害度分析界面

6.3 FTA模塊

FTA界面如圖10所示。

將FMECA表中高危害性的故障模式所造成的影響作為頂事件,軟件自動(dòng)檢索與該頂事件相匹配的事件,最終生成圖表式故障樹(shù)。當(dāng)前界面為機(jī)組運(yùn)行性能下降的故障樹(shù)。

▲圖10 FTA界面

6.4 故障信息輸出和故障決策制訂模塊

故障信息輸出和故障決策制訂界面如圖11所示。根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)危害性較高的部件故障信息進(jìn)行輸出,制訂維修決策。

當(dāng)前界面為對(duì)軸承的故障信息進(jìn)行輸出,并進(jìn)行維修決策制訂。

▲圖11 故障信息輸出和故障決策制訂界面

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者以轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)關(guān)鍵零部件子系統(tǒng)進(jìn)行FMECA和FTA,明確故障因果關(guān)系,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高故障的影響因素進(jìn)行主次排序,為預(yù)防性維修決策的制訂指提供參考。

同時(shí),筆者針對(duì)所提出的分析方法開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)FMECA和FTA軟件,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出管理,使分析過(guò)程更加規(guī)范,減輕了技術(shù)人員的負(fù)擔(dān),提高了分析效率。通過(guò)軟件的調(diào)試和運(yùn)行,證明了軟件的可行性和實(shí)用性。