基于FTA原理的MAN B＆W 50－90MC主机电气操纵系统故障停车研究

刘建安

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

基于FTA原理的MAN B＆W 50－90MC主机电气操纵系统故障停车研究

刘建安

(福建船政交通职业学院，福建福州 350007)

文章对于船舶MAN B＆W 50-90MC主机电气操纵系统故障停车问题，利用故障树分析 (FTA)原理进行定性和定量的可靠性分析，得出关于故障停车的底事件的重要度排序，明确此系统的可靠性薄弱环节，提出预防性建议，帮助船舶轮机管理和航运公司机务管理人员能迅速、可以准确利用系统的故障现象定位故障源并提出解决方案，从而使系统故障可以迅速排除并恢复系统正常功能。

故障树分析原理;故障停车;MAN B＆W 50-90MC主机电气控制系统;顶事件;底事件;结构重要度;最小割集

目前，大型远洋商船的主动力装置——船舶柴油主机，是船舶动力的核心，而船舶主机的遥控系统从其控制模式来看主要可分为两大主流:一类是以MAN B＆W机型为典型代表的气动或电-气操纵遥控系统，约占市场份额的70%;另一类是以SULZER机型为典型代表，还包含UEC、MARK等机型的电-气或电-气-液操纵遥控系统，约占市场份额的30%。在船舶专业技术人员的日常维护管理工作中，MAN B＆W 50-90MC气动控制系统的故障率最高，也是船上轮机管理工作的重点，其中，系统的突发故障停车——这一故障造成的船舶海损、机损影响最为深广，产生的后果最为严重。假想一下，在船舶关键或临界操作 (如船舶在靠、离码头，狭窄水域或雾天航行等)时，发生船舶主机系统的突发故障停车，此时可能会发生无法预料的不良后果。笔者曾在多艘MAN B＆W机型的船舶上工作，遇到过多起类似事件，本文就此问题利用FTA原理研究MAN B＆W 50-90MC主机电气操纵系统故障停车的故障排除和解决方案。

1 FTA原理

FTA［1］是故障树分析原理方法的英文简称，是一种目前在航空、航天、机械工程、自动控制、大型高效计算机系统等领域广泛使用的图形演绎分析方法，其特点是将系统故障原因进行定性的分析，采用倒型树状来表示和描述系统故障的因果关系，层层递进逐渐展开，进行可靠性分析，利用逻辑符号从系统到部件再到零件，自上而下找出导致该故障失效 (即为顶部事件)的各个方面的原因，并定量计算出各主要原因的发生概率，然后采用相应的解决方案来实现系统的最优化。

FTA方法首先将工程系统根本故障作为演绎图形的“顶部事件”，用明确的逻辑符号表示导致上一层事件的所有主要原因 (作为“中间事件”)，层层深入展开直到找出故障的所有最原始的直接原因 (作为“底部事件”)，并计算出事故发生的概率，找出最小割集，进行结构重要度分析，最终实现工程系统故障的准确、高效的排查和解决，避免凭主观经验和臆断解决问题的盲目性。

2 MAN B＆W 50－90MC主机系统故障停车基于FTA方法的建立

如图1所示为MAN B＆W 50-90MC主机电/气操纵系统气路原理图。MAN B＆W 50-90MC主机电/气操纵系统［2-3］，此系统为电气混合遥控，从驾驶台到集中控制室为SIMOS RCS51微机控制系统，而集中控制室采用MAN B＆W 50-90MC标准气动控制系统和SIMOS SUN51安保系统。

2.1 MAN B＆W 50－90MC 主机电/气操纵系统运行工况分析

2.1.1 集控运行工况

2.1.1.1 启动前停车工况

A:手动切断控制空气供给阀 (1)下位通，控制空气过阀 (1)后分为2路:一路至正车换向控制阀 (10)和倒车换向控制阀 (11)输入端等待;另一路通过储气瓶 (20)后分为3路:第一路:至盘车机啮合装置的二位三通阀 (115)输入端，盘车机脱开时导通，至二位三通阀 (33)输入端等待。第二路:至二位五通阀 (27)输入端等待，以控制主启动阀的开启;通往二位三通阀 (38)和 (25)的输入端，以控制停油;此外，控制空气还通往汽缸油系统和TCS系统。第三路:控制空气至REMOTE/LOCAL CONTROL转换阀 (100)、VIT调节机构的阀 (52)和(53)输入端等待。

B:REMOTE/LOCAL CONTROL转换阀 (100)手动处于REMOTE位置，控制空气进入集控室控制台，经过储气瓶 (74)后通过ERC-BRC转换阀 (80)，到达启动阀 (63)和停车阀 (64)的输入端。此时，阀 (64)导通，控制空气经过速放阀 (58)后分2路:一路过节流止回阀 (69)到车钟 (70)待命;另一路经双向止回阀 (85)到二位三通阀 (38)的控制端，导通阀 (38)，控制空气经双向止回阀 (23)再分2路:一路到二位三通阀 (117)的控制端，使空气分配器工作;另一路导通二位三通阀 (25)，控制空气经双向止回阀 (128)打开各缸燃油泵上的泄放阀，高压油泵停止供油。

图1 MAN B＆W 50－90MC主机电/气操纵系统气路原理图

2.1.1.2 主机正车运行工况

A:车钟手柄放在AHEAD位置，控制空气至双向止回阀 (87)和 (29)，导通二位三通阀(10)，于是控制空气通过阀 (10)后分为2路:一路经各缸的手动阀 (9)至燃油泵凸轮换向汽缸(13)进行正车换向;另一路经二位三通阀 (14)至空气分配器的换向汽缸 (57)，进行空气分配器凸轮换向，当空气分配器的换向汽缸 (57)换向到位后，连锁阀 (55)导通，控制空气通过该阀并经双向止回阀 (50)向二位三通阀 (37)供气，为主机启动做准备。

B:调速手柄从STOP位推到START位，阀(64)继续导通，与上述相同，一路去使空气分配器工作;另一路去使高压油泵停止供油。但此时，启动阀 (63)导通，控制空气经阀 (91)导通阀(37)，控制空气再经阀 (37)和阀 (31)去导通阀 (33)，再经阀 (33)分别导通阀 (26)、(14)、(15)和 (27)，二位三通阀 (26)导通后使空气分配器工作;二位三通阀 (14)和 (15)导通后锁住气路保证不执行换向操作;二位五通阀(27)导通后，主机启动阀和慢转阀开启，柴油机进行空气启动。

C:调速手柄从START位推到适当的转速设定位置，此时，停车阀 (64)复位，停车气路各阀控制空气泄放，空气分配器凸轮脱离，各缸高压油泵上部泄放阀关闭，主机供油。同时，启动阀(63)复位，启动气路各阀控制空气泄放，主机启动阀和空气分配器因单向节流阀 (32)延迟1 s泄放，使启动位置汽缸实现油气并进启动1 s，主机经启动后投入持续运行工况。

2.1.1.3 主机倒车运行工况

主机倒车启动到运行与主机正车启动运行过程完全相同。

2.1.2 驾控运行工况

在驾驶台控制情况下，主机的换向、启动和调速信号是由驾驶台车令给出，操作过程的控制逻辑命令和程序都是通过SIMOS RCS51计算机控制系统完成，该系统的输出通过控制二位三通电磁阀(84)、(86)、(88)、(90)和调速器系统配合实现各种控制操作，其换向、启动和调速程序与集控室控制完全相同。

2.2 主机运行(包括“驾控”、“集控”)中故障停车故障树的建立

故障树的建立边界为主机从正常启动到运行一段时间，或在正常运行过程中，不考虑环境的影响，不考虑系统电源故障，不考虑微机系统故障，各个管路和电路的连接工作正常，分析到阀件(含电气方面)的故障因素 (最终只考虑到机构或阀件故障为系统底事件)。参照文献［4］并结合实船工作经验列出如图2所示的故障树图和表1所示的事件说明表。

图2 MAN B＆W 50－90MC主机运行中故障停车故障树图

表1 故障树事件符号说明

2.3 运行主机故障停车故障树定性和定量分析［5］

2.3.1 最小割集分析

根据故障树分析图可得结构函数的布尔代数表达式:T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+B3+B5+B6+B8+B10+B11由上式可知共有18个最小割集，表示主机从正常启动到运行一段时间，或在正常运行过程中可能导致故障停车的途径有18种。

2.3 .2 最小径集和结构重要度分析

由上述表达式，根据对偶原理可得出此故障树的最小径集有7个，分别是:

结构重要度是指一个最小割集或基本事件对顶事件影响的重要程度。由上述表达式根据近似判别可得:①X2，X3，X4，X5，X6既在 P1最小径集内，又在P6最小径集内，其结构重要度相等并且要大于 X1。②最小径集 P2中含有 B3，X7，B5，X134个基本事件;最小径集 P4中含有 B8，X11，X123个基本事件，结构重要度I(P2) ＜I(P3)。③最小径集P3中的B6，X9以及最小径集P5中的B10，B11和最小径集P7中的X8，X10结构相似，都是在由2个基本事件组成的最小径集内，结构重要度应相等。

它们的结构重要度大致数值为:

所以可得出:I(B6) = I(X9) = I(B10)=I(B11) =I(X8) =I(X10) ＞I(X2) =I(X3)=I(X4)=I(X5)=I(X6) ＞I(B8)=I(X11) =I(X12) ＞I(B3) =I(X7) =I(B5) =I(13) ＞I(X1)。

从以上分析可以得出。

1)此主机电气遥控操纵系统运行中故障停车的主要可能性故障源，首先可能出现在机构传动系统和一些保护装置上，如操纵机构、安全保护系统和错向保护装置的故障，然后可能是停车系统和安保系统的控制阀件故障，如集控停车阀64，驾控停车阀84，机旁停车阀102和安全保护系统停车电磁阀127等，它们可能出现阀门卡阻、线圈烧蚀等导致的故障从而引起系统故障停车。船舶轮机管理和航运公司机务管理人员 可以参照此结构重要度大小进行优先检查故障源，从而迅速、准确地排除故障和恢复系统正常运行。

2)此系统中关于停车控制的关键气动阀件(如阀64、阀84、阀102和阀38等)功能失效也是主机运行中突发故障停车的重要原因之一，因此在平时的管理维护过程中也必须定期重点关注，这能有效减少主机故障停车的可能性，尽可能避免重大航运安全事故的发生。

3 结束语

本文应用FTA方法对MAN B＆W 50-90MC系统的主机运行停车故障进行定性和定量分析，发现了此系统的可能性薄弱环节，证明FTA的确是此故障定位和判别的一种高效方法，并提出预防性建议，这能帮助船上轮机管理和公司岸基机务管理人员对此故障现象进行快速分析和判断，迅速找出故障源的现场位置，高效解决问题和恢复系统正常，从而保证船舶的安全营运。

［1］冒天诚.故障树与船舶自动控制系统的故障诊断［M］.大连:大连海事大学出版社，2000.

［2］初忠.轮机自动化 ［M］.大连:大连海事大学出版社，2006.

［3］杜荣铭.船舶柴油机［M］.大连:大连海事大学出版社，2005.

［4］樊运晓，罗云.系统安全工程 ［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［5］王韶印.故障模式和影响分析 (FMECA)［M］.广州:中山大学出版社，2003.

Based on FTA theory，qualitatively and quantitatively，this article defines the concept of the faultshut-down for MAN B＆W 50-90 MC main engine electric-pneumatic remote control system，obtains the importance degree rank of the root event for the shut-down of main engine，knows about the weak links of system reliability and puts forward preventative proposal，which can offer the help for the ship engineers and the shipping company marine engine managers to locate the fault and resolve the problem quickly，and get the system back to its normal function accordingly.

failure tree analysis(FTA)theory;fault of shut-down;MANB＆W50-90 MC main engine control system;top event;root event;structural importance degree;minimum cutest

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.015

刘建安 (1977-)，男，安徽合肥人，高级轮机长，学士，主要从事船舶轮机工程方面的教学和研究工作。

2015-04-28