基于FMEA的波浪能发电水压传动系统可靠性分析

刘 华，王维俊，毛家蕙，毛龙波

（1.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401331； 2.军事科学院 系统工程研究院，北京 100166； 3.海军后勤部工程代建管理办公室，北京 100036）

0 引言

随着能源结构的升级换代和工业化进程的持续推进，可再生能源的开发利用越来越受到世界各国的重视[1]。 波浪能由于其可预测性好、储量丰富和能量密度高等特点成为未来几年最有发展潜力的可再生能源之一[2]。 水压传动系统是波浪能发电装置中的能量转换部件，其能够将海水作为力矩传递介质把能量捕获系统吸收的波浪能直接转换为水轮机的旋转机械能。 水压传动系统的大部分工作部件位于海水中，长期受到浪、流载荷和恶劣环境的侵蚀，其可靠性面临着严峻的考验。

目前，波浪能电站的研发还处于技术储备阶段，缺乏足够的施工案例和故障数据来支撑可靠性研究[3]。 考虑到波浪能发电装置和海上风机具有相同的外部环境载荷（极端风浪、高温、高湿、高盐雾和强紫外线）和故障后果（无人员伤亡风险和环境污染较小），因此，可以利用丰富的海上风机施工经验和运行数据来开展波浪能发电装置的可靠性研究[4]。

本文在广泛收集整理海上风机相关部件故障信息的基础上，类比分析了波浪能发电水压传动系统主要部件的故障模式和失效原因。 采用故障模式及影响分析 （Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）找到水压传动系统安装和运行中的潜在故障模式，制定切实可行的预防和改进措施，从而为水压传动系统的实海况运行和维护管理提供必要的理论依据。

1 故障模式及影响分析

FMEA 是一种进行系统可靠性分析的设计工具，其提供了从风险角度面向系统具体部件的分析方法。FMEA 本质上是进行概念和主观分析，用于系统地识别所有可能的故障模式和根本原因，并评估它们的风险和对系统所产生的影响，进而根据需要提出预防措施和改进设计意见。

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发生率是故障发生的根本原因出现的概率，以定性的方式进行描述，出现的概率越大其分值就越高。 修改后的发生率评价标准对故障根本原因发生的概率划分标准进行了修正，以适应波浪能发电装置高可靠性的要求。

之前就听同学说看见他在路边捡空瓶子，当时我还不信，没想到是真的，可能是他家里经济拮据吧，我能理解的，而且看他一脸的笑容，他好像并不担心让大家知道。

图1 水压传动系统的基本组成Fig.1 Basic components of water hydraulic drive system

FMEA 的过程如图2 所示。

1.1 FMEA过程

作者的父亲在上世纪90年代中期开始，就饱受阿尔茨海默氏病的折磨，病情逐渐加重后，子女们不能不请看护日夜照料他，并请假回老家陪伴他；连与父亲离婚多年的母亲，基于同情与责任，也回到老宅，替父亲整理堆积了几十年收藏与回忆的家，为他理发、剪指甲。

由于水压传动系统的结构组成比较复杂，本文从系统须要完成的任务出发，分析其故障模式和对系统功能的影响。 从图1 可以看出，水压传动系统主要由导流系统、 叶片系统、传动系统和齿轮箱组成。 其中，导流系统能够将具有一定势能和动能的海水引导进入水轮机转轮内；叶片系统负责将海水的能量转换为转轴的旋转机械能；传动系统和齿轮箱则起到传递转矩和增速的作用，以提高系统的能量转换效率。

图2 FMEA 的过程Fig.2 Process of FMEA

1.2 FMEA的主要参数

由美国国防部起草的美国军用标准MILSTD-1629A 是使用最为广泛的FMEA 标准，在该标准的分析过程中，使用严重度（Severity，S）、发生率（Occurrence，O）、不易探测度（Detection，D）和危险优先数（Risk Priority Number，RPN）等作为故障模式对系统功能影响的度量参数[6]。 为了使FMEA 方法更适用于水压传动系统的可靠性分析，本文在文献[6]的基础上对主要参数的评价标准进行了必要的修改，修改后的评价标准见表1。

不易探测度是指在采取现行的控制方法后故障能够被检测的难易程度，检测到潜在原因的可能性越小其分值越高。一般来说，发生率低的故障，不易探测度数也较小。由于对其它探测性的评判很难做出明确的区分，修改后的不易探测度评价标准使总体评价水平的数量减少至4 个。

水压传动系统的基本组成如图1 所示。

对任何一个故障模式的根本原因来说，其RPN 最小值为 1，最大值为 200。 只要选定的FMEA 程序的评价标准保持不变，就可以用来比较备选设计和识别关键组件。

目前，FMEA 已经在装备研制部门形成了一套科学而完整的分析方法，并得到了成功应用[5]，其具体过程包括：①全面分析系统或设计对象，按重要度考虑所有工作状态，并绘制系统可靠性框图；②分析每个部件的功能和参数，充分挖掘系统运行中潜在的故障模式； ③列出潜在故障模式对系统功能的影响，进行危险严重度量化评估；④确定故障发生的根本原因，评估其发生频率和不可测度； ⑤评定每个根本原因和潜在故障模式的危险优先级别；⑥提出修改和优化的建议，制定预防故障或降低故障危险性的必要措施； ⑦完成FMEA 报告。

严重度用来表示故障模式对系统最终影响的严重程度，分值越高表示故障对系统的影响越严重。修改后的严重度评价标准仅对判别标准进行了重新定义，以强调其对水压传动系统的影响。

5#竖井井挖采用4臂伞钻配HYD-200型液压凿岩机造孔，中深孔光面全断面爆破。CX55B型电动挖掘机配合HZ-6型中心回转式抓岩机将石渣装入吊桶。两套单钩提升，主提升采用2JKZ-3.6×1.85绞车，配4.0m3座钩式吊桶，主要用于提渣、混凝土吊桶和伞钻；副提升采用JKZ-2.8×2.2绞车，配4.0m3座钩式吊桶，主要用于提升人员，辅助提渣。吊桶将矸石提升至翻矸平台，通过翻矸台主、副溜槽将矸石溜至地面，ZL-50装载机装15t自卸汽车运至弃渣场。

表1 严重度/发生率/不易探测度的评价标准Table 1 Evaluation criteria of severity/occurrence/detection

2 水压传动系统的FMEA

2.1 导流系统的FMEA

导流系统的作用是把波浪能捕获装置捕获的能量以海水动能和势能的形式引入水压传动系统，导流系统主要由过滤支架、导流罩、导流支架、导流叶片、支撑轴承和外部筒体等部件组成。 导流系统是水压传动系统中直接遭受波浪和环境荷载的部件，所面临的故障模式和根本原因与海上风机的支撑平台类似，主要是由机械应力和材料退化所引起的。 导流系统的 FMEA 如表2 所示[7]～[10]。

表2 导流系统的FMEATable 2 FMEA on guide vanes system

2.2 叶片系统的FMEA

叶片系统是水压传动系统的核心部件，主要通过水轮机把海水的动能和势能转换为转轴的旋转能量，叶片系统由转子轮毂、转子叶片、叶片轴承、轮毂轴承和限位开关等部件组成。叶片系统主要遭受由于波浪的随机性而产生的疲劳荷载以及强腐蚀性环境，与海上风机叶片的失效模式和故障原因类似，但由于海水的密度是空气的800 多倍，波浪能发电叶片系统的工作环境比风机更为 恶劣。 叶片系统的FMEA 如表3 所示[7]～[12]。

表3 叶片系统的FMEATable 3 FMEA on blades system

2.3 传动系统的FMEA

传动系统是水压传动系统中的力矩传递部件，能够把水轮机产生的旋转机械能通过万向节和回转密封从海水环境传递到无水的发电舱内，传动系统主要由传动轴、万向铰、万向块、回转密封和离合器等部件组成。 传动系统主要受到扭转荷载、阻水密封和恶劣运行环境的影响，与海上风机转轴以及水下航行器动密封的故障模式类似。 传动系统的FMEA 如表4所 示[7]～[10]，[13]。

表4 传动系统的FMEATable 4 FMEA on drive system

2.4 齿轮箱的FMEA

齿轮箱的作用是将大扭矩转化为低扭矩，将主轴的低速转化为发电机的高速，齿轮箱主要由齿轮和轴承等部件组成。 齿轮箱在水压传动系统中处于无水的发电舱内，其失效模式和故障原因与海上风机的齿轮机构类似，受到主要威胁是三高环境（高温、高湿、高盐雾）对齿轮箱的侵蚀作用。 齿轮箱的 FMEA 如表5 所示[7]～[10]，[13]～[15]。

表5 齿轮箱的FMEATable 5 FMEA on gear box system

3 水压传动系统的可靠性分析

在分别分析各部件故障模式的基础上，综合上述FMEA 结果可以得到水压传动系统各子系统的危险优先等级，导流系统、叶片系统、传动系统和齿轮箱的危险优先数分别为382，879，417 和342。 由此可见，叶片系统水压传动系统中最容易发生故障的部分和薄弱环节，需要在设计制造和操作运行时重点关注。传动系统、导流系统和齿轮箱的危险优先数比较接近，说明三者发生故障的概率和危险性相差不多，在加强可靠性设计时应当兼顾考虑。

In order to evaluate the performance of the proposed photodetectors, we calculate the absorption coefficient α, a key parameter for determining the detection spectrum of the detector, by equation (1) 34:

随着 《地震震级的规定》（GB 17740-2017）（下文简称新规范）的颁布，震级中地方性震级ML的量取发生了一定的变化，新增的宽频带面波震级MS（BB）可以从速度值直接量取，且取代面波震级MS作为发布震级。这些改变在震级的变化上有一定的体现。在新规范颁布之前，刘瑞丰、陈运泰[2][3][4][5][6][7]对震级量取结果做了大量的分析对比，邻省台网的杨晶琼[8]、唐淋[9]也做了区域台网的震级对比分析工作。西藏地域广阔，地壳结构复杂，本文对新规范下的地方性震级ML和宽频带面波震级 MS（BB）在西藏的试用情况做了对比分析。

图3，4 分别给出了水压传动系统FMEA 中危险优先数排名前10 的故障模式和主要部件。从图3 可以看出，水压传动系统中最危险的故障模式是叶片结构损坏，因此，加强叶片疲劳强度和抗腐蚀能力是提高系统可靠性的关键。 从图4 可以看出，水压传动系统中最容易发生故障的部件是水轮机叶片，叶片系统三大部件的RPNs 数均排在前列，这主要是由于叶片系统的部件故障均具有较高的危险严重度，进一步说明叶片系统是造成整体系统故障的关键环节，在可靠性配置和运行维护管理过程中，应当重点对待和处理。

图3 水压传动系统FMEA 中危险优先数排名前10 的故障模式Fig.3 RPNs sequencing of the top 10 failure modes of water hydraulic drive system

图4 水压传动系统FMEA 中危险优先数排名前10 的主要部件Fig.4 RPNs sequencing of the top 10 main assemblies of water hydraulic drive system

确定最容易发生故障的部件和最危险的故障模式，将有利于系统的设计改进和维护优化。 基于常见故障模式的危险优先级列表，可以从减少水压传动系统故障的角度进行成本-效益分析，从而缩短产品研发周期和降低操作运行风险。

4 结论

本文在广泛收集类比海上风机失效数据和故障模式的基础上，按照任务功能分别对导流系统、叶片系统、传动系统和齿轮箱进行了故障模式及影响分析，找到了水压传动系统运行的关键部件和最危险的故障模式。 分析结果表明，叶片结构和齿轮轴承损坏是影响水压传动系统可靠性的最危险的故障模式，水轮机叶片是发生故障概率最高的关键部件，应当通过改进材料性能提高其抗疲劳和耐腐蚀能力，从而增强水压传动系统的可靠性。