FTA在船舶分油机故障诊断中的应用

李沁生

(江苏海事职业技术学院,江苏南京 211170)

0 引言

分油机是船舶动力装置中必不可少的辅助机械设备。目前大多数商船均以柴油机作为主机和发电机的原动机。船舶公司为了降低燃油成本,柴油机普遍采用低质燃油。低质燃油必须用分油机来净化,以快速除去其中的水分和杂质。此外船舶柴油机的曲轴箱滑油也需要分油机来净化。燃油与滑油净化质量的好坏对柴油机工作的可靠性和使用寿命影响极大,所以分油机的正常运行成为船舶主机和发电柴油机安全运行的重要前提之一。由于分油机运行频繁、故障率高、故障因素繁多且错综复杂,出现故障时,普遍采用凭经验拆解分油机来查找故障,这样不但费时费力,而且常常会因为装复不符合要求而引发新故障。因此对分油机进行故障诊断研究、快速定位故障、排除故障,对于保证船舶安全是十分必要的。

1 分油机工作原理与结构简介

在离心力场中,密度越大的物质所受的离心力越大。分油机工作原理是:当污油被连续地供入高速旋转的分离筒中并随分离筒作高速旋转时,密度较大的水滴和机械杂质所受的离心力较大而被甩到外周,水被引出,杂质则被定期通过排渣口清除;密度较小的油所受的离心力较小便向里流动,聚于转轴附近,并从特设的出油口流出,从而得到净油。在高速旋转 (10 000 r/min)的分离筒中,杂质受到的离心惯性力将是其所受重力的几千倍或更高。分油机正是利用离心分离的原理净化污油的,其特点是净化时间短,净化过程连续,分离量大,分离效率高。

分油机可分为分水机和分杂机两种,分水机在船舶上应用较广泛。分离筒由电动机经蜗轮蜗杆传动机构驱动,中间设置了摩擦离合器以防过载。分离过程在分离筒内进行,分离筒由水液压控制滑动底盘上下进行自动密封和自动排渣,重力环内径大小决定了出水的流量,从而决定了分离筒中水封水的多少,以此控制油水分界面内外移动。通过分析分油机的结构特点可以发现,系统的故障必然是由其组件故障引起的,而组件故障又必然是由次组件故障引起的,这样依次类推地分析下去,故障必定是由一个或几个元器件的失效造成的,为了便于操作,可以建立故障树,用故障树作为故障诊断的手段,缘图索骥定位故障,及时、准确地排除故障。

2 故障树分析法

故障树分析法 (Fault Tree Analysis,FTA)是一种目前国内外公认的对复杂系统安全性、可靠性分析比较实用的方法,目前已广泛应用于航空航天、核能、电子、武器、机械、化工和采矿等领域。它采用自上而下逐层展开的图形演绎分析方法,以系统或设备最不希望发生的事件为顶,向下逐层找出导致该事件发生的各种因素 (包括硬件、软件、环境、人为因素等),然后以一种特殊的倒立树状逻辑因果图 (即故障树)来表示其中的逻辑关系。对系统中发生的故障事件,可进行由总体到部分地按树状逐级细分的分析,其目的是判明基本故障、确定故障原因、故障影响和发生概率等。故障树本身也是一种形象化的技术资料,建立后,可对系统的管理和运行起到直观教学和维修指南的作用,可用于故障诊断与检修表的制定[2]。图 1为FTA一般流程。

图1 FTA一般流程

3 分油机故障树的建立

分油机常见的故障有:运行中跑油、分离筒达不到规定转速、进油困难或中断、不能排渣、运行中异常振动噪音等。其中运行中跑油是分油机最常见的故障,主要有出水口跑油或排渣口跑油,或两者兼有。本文以 “分油机跑油”为故障树的顶事件。由于造成分油机故障的因素多且关系复杂,本文确定的模型边界条件是从使用管理者的角度来分析研究分油机故障,故只针对运行中的分油机,不涉及设计、制造方面缺陷的影响因素。参照文献[1]并结合实船工作经验情况列出如图 2所示的故障树。FTA常用符号有:▭表示顶事件或中间事件,表示或门,表示与门,○表示底事件。

图2 分油机跑油故障树

4 故障树定性分析

4.1 求最小割集

故障树定性分析的目的是为了寻找导致顶事件发生的原因和原因事件的组合,即最小割集。求出最小割集可以明确系统故障的各种可能途径,为预防顶事件发生提供理论依据。最小割集越多,相对来说系统越危险[3]。

在故障树中,若所有的基本事件全部发生,则顶事件必然发生。但在多数情况下,只要某个或某几个基本事件发生,顶事件就会发生。通常把故障树中使顶事件发生的基本事件的集合称为割集;能使顶事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小割集[4]。按照图 2故障树所示的各个事件之间的关系,运用下行法,根据逻辑运算求得所建故障树结构函数的布尔代数表达式为:

T=X1+X2X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X 17+X18+X19+X 20+X21+X22。

由上式可知共有 21个最小割集: {X1};{X2X3};{X4};{X 5};{X6};{X7};{X8};{X9};{X10};{X11};{X12};{X13};{X14};{X15};{X16};{X17};{X18};{X19};{X20};{X21};{X22}。即导致分油机跑油的故障模式有 21种。

4.2 结构重要度分析

结构重要度为某个底事件或最小割集在故障树中所处位置的重要性的量度,与底事件或最小割集本身的故障概率无关,是底事件或最小割集对系统故障贡献大小的表征。一般遵循下述原则对底事件和最小割集进行比较[5]。

1)阶数越小的最小割集越重要。

2)在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要。

3)阶数相同时,在不同最小割集中重复出现次数越多的底事件越重要。

本例中共 20个一阶最小割集,为:

{X1}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19}、{X20}、{X21}、{X22}。

共 1个二阶最小割集,为:{X2X3}。

其中,导致中间事件 E6发生的底事件{X10}、{X11}、{X12}重复出现次数为 2,其余底事件重复出现次数为 1。各底事件依结构重要度的排序为:

I(X10)=I(X11)=I(X12)＞I(X1)=I(X4)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)=I(X9)=I(X 13)=I(X14)=I(X15)=I(X16)=I(X17)=I(X18)=I(X19)=I(X20)=I(X21)=I(X22)＞I(X2)=I(X3)。

其中,由于 (X2,X4,X5,X6,X8,X9,X13)均为人因故障,并且导致中间事件 E6发生的 (X10)中也存在人因故障,可知在导致分油机跑油故障各因素中,人因故障是一个关键因素。

5 分油机跑油故障诊断的步骤

当分油机跑油故障发生时,首先结合现场运行情况,判明是出水口跑油,还是排渣口跑油,或者兼有。进一步查找分油机转速是否正常,接着对上面提到的人因故障按操作规范进行逐一改正,最后沿着树干向树梢逐一确认其他故障所在。故障诊断程序可依据所建的故障树,按照 “由顶至下、逐级分解、先重要后次要、先人因后硬件、先外围后内部”的原则对底事件一一进行排查。实践证明,这样做比盲目拆解分油机去查找故障,能够大大提高查找故障的准确率,及时排除故障。

表1 故障树符号说明

6 结论

以分油机跑油故障为顶事件,针对实际中分油机故障诊断困难的问题,建立了故障树。对故障割集进行了定性分析,得到最小割集,并按照结构重要度对底事件进行了排序,指出了故障诊断程序,为快速定位故障提供参考,分油机其他故障诊断程序也可参照本思路运用。此外,识别出了造成顶事件的一些人为因素,可通过加强培训和制作合理的维修操作规范减低人因故障,提高分油机的可靠性。

[1]孙培廷.船舶柴油机 [M].大连海事大学出版社,2002.

[2]宋保维.系统可靠性设计与分析 [M].西北工业大学出版社,1999.

[3]李媛媛,等.激光雷达测量系统故障树分析 [J].红外与激光工程,2009,38(2):335-339.

[4]贾哲,等.FTA在机器人故障诊断中的应用 [J].装备制造技术,2008(9):84-85;91.

[5]魏勇.船舶常规电站主开关跳闸的故障树分析 [J].船海工程,2008,37(4):22-24.