矿用防爆柴油机保护系统可靠性研究

张福祥

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006；3.太原理工大学矿业工程学院， 山西 太原 030024）

0 引言

由于煤矿使用环境的特殊性， 对防爆柴油机提出了温度、阻燃等特殊限制，根据MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的要求，需要增加保护系统，监测各项温度、水位和瓦斯等指标，保证防爆柴油机在指标异常时及时停机[1-2]。 保护系统需要实现各项指标的监测和停机功能，目前主流的保护系统主要分为机油保护、气保护和电保护三大类[3]。

保护系统涉及到煤矿安全，要求有很高的可靠性。本文采用FMECA 方法， 以气保护系统为研究对象进行可靠性分析和评估，发现系统的薄弱环节，提出整改措施，以提高系统可靠性水平。

1 气保护系统FMECA 分析

FMECA （Failure Mode Effects and Criticality Analysis） 包括故障模式及影响分析 （FMEA） 和危害性分析（CA），针对产品所有可能的故障，逐一分析各组成部分的不同故障对系统工作的影响， 全面识别设计中的薄弱环节和关键项目， 并为评价和改进系统设计的可靠性提供基本信息[4-6]。

本文气保护系统的FMECA 分析， 将按照功能分析、可靠性框图、层次划分、故障模式、严酷度等级、发生概率等级、危害性分析的步骤展开[7]。 整理其中三种零部件可能产生的潜在故障模式， 并确定每一个故障模式的严酷度、发生概率等级，整理出最重要的几个故障模式，为系统设计可靠性提高提供支持和方向引导。

1.1 功能分析

功能分析是在不同任务剖面下，对系统主要功能、工作方式和工作时间等的分析。 气保护系统主要按照正常启动和指标异常保护两个任务剖面进行分析。

如图1 所示为气保护系统功能原理图， 主要分为3类元部件， 1 和2 位气路基本部件，3 和4 位柴油机停机执行部件，5-9 位温度、瓦斯和水位监测部件。

图1 系统功能原理图

正常启动时，气源通过空气处理单元①和节流阀②，打开燃油切断缸③和阻风门机构④， 保证防爆柴油机空气和柴油的供应，实现正常启动；同时气源流通到低水位保护结构⑤、瓦斯传感器⑥、防冻液温度传感器⑦、表面温度传感器⑧、排气温度传感器⑨，形成断路，保持系统气压，维持燃油切断缸③和阻风门机构④处于打开状态。

当有指标超标时，例如排气温度超标时。排气温度传感器⑨由于排温超标而换向， 系统中的空气由排气温度传感器⑨泄漏，同时由于单向节流阀②的作用，气源端无法及时补充空气，造成系统压力降低，燃油切断缸③和阻风门机构④关闭，从而实现防爆柴油机的及时停机。其它保护同上述原理。

1.2 功能框图和可靠性框图

框图是在系统原理图的基础上， 使用框图的形式表达系统中各零部件之间的逻辑顺序等关系。 根据气保护系统的功能原理图，绘制了系统功能框图和可靠性框图，见图2 和图3。

图2 功能框图

图3 可靠性框图

1.3 层次划分

根据系统特点和可靠性分析需求， 将分为初始约定层次、约定层次和最低约定层次三个层次，具体如下：

（1）初始约定层次为气路系统。

（2）约定层次为气保护系统。

（3）最低约定层次为空气处理单元①、节流阀②、燃油切断缸③、阻风门机构④、低水位保护结构⑤、瓦斯传感器⑥、防冻液温度传感器⑦、表面温度传感器⑧、排气温度传感器⑨。

1.4 故障模式

故障模式是对系统部件可能发生的所有故障的总结和分类。在分析时需要注意两个方面的问题。一是要考虑每个件的所有功能， 尽可能列出所有功能的所有故障模式；二是要关注一些潜在故障，比如气路的少量泄漏等问题，预示着发动机可能发生非正常停机等故障。

根据气保护系统设计分析， 并结合现场使用及故障情况，总结主要故障模式7 类，详见表1。

表1 故障模式分类

1.5 严酷度等级

严酷度是要分析每个故障模式所产生的影响， 确定其严重程度。一般按照局部影响、上一级影响和最终影响三个方面确定严酷度等级。

气保护系统各故障模式的严酷度按照影响程度分为三个等级，详见表2。

表2 严酷度等级

1.6 故障模式发生概率

气保护系统各故障模式的发生概率按照发生度分为五个等级，详见表3。

表3 发生概率等级

1.7 故障模式列举

以阻风门机构、排气温度传感器和空气处理单元为例，列举其主要故障模式及严酷度等级和发生概率等级，详见表4。

从表4 可见，空气处理单元故障模式共7 种，故障编号为101-107，其中严酷度等级Ⅰ级的有1 种，Ⅱ级的3种，Ⅲ级的3 种，发生概率C 级的1 种，D 级的3 种，E 级的3 种。 阻风门机构故障模式共8 种，故障编号为401-408，其中严酷度等级Ⅰ级的有2 种，Ⅱ级的2 种，Ⅲ级的4 种，发生概率C 级的3 种，D 级的2 种，E 级的3 种。 排气温度传感器故障模式共7 种， 故障编号为901-907，其中严酷度等级Ⅰ级的有3 种，Ⅱ级的1 种，Ⅲ级的3 种，发生概率C 级的1 种，D 级的4 种，E 级的2 种。 都没有A、B 级故障模式。

表4 故障模式列举

1.8 危害性分析

危害性分析主要是要综合考虑严酷度、 发生概率等因素，全面的评价故障模式对于系统的影响。目前常用的主要方法包含两种：风险优先数（RPN）方法和危害性矩阵分析法[8]。

风险优先数（RPN）方法的RPN 可用式（1）表示，它反映了故障发生的可能性及其后果严重性的综合度量，RPN 值越大，该故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D （1）其中：S-严重度，一般分为4 个等级；O-发生度，一般分为5 个等级；D-检测度，一般分为3 个等级。

危害性矩阵分析法又可以分为定性和定量。由于数据相对较少，本文选用定性危害性矩阵分析法，绘制矩阵图。

根据表4 绘制了列举故障模式的危害性矩阵图，见图4。

危害性矩阵图直观的展示了每个故障模式的综合影响程度，从每个故障模式区域中心点向对角线做垂线，垂足与原点的距离越远， 其危害性越大。 从图4 矩阵图可见，106 空气处理单元润滑失效、402 阻风门机构无法打开、403 阻风门机构关不严、901 排气温度传感器不动作、902 排气温度传感器不泄气，4 种故障模式综合影响度更高，是我们在设计和售后过程中需要特别关注的点。

图4 危害性矩阵图

2 结论

FMECA 可靠性分析方法可以应用在产品设计、生产、售后等全流程阶段，通过不断的细化、优化和迭代，最终实现产品可靠性的不断提高。本文以阻风门机构、排气温度传感器故障模式为例， 综合考虑严酷度和发生该率因素，分析确定了各故障模式的重要度，列出了最重要的故障模式。 按照类似的方法我们可以确定气保护系统每一项故障模式的危害性， 从而可以在设计早期有针对性的采取措施，在生产和售后环节重点关注、定期维护。 实现系统的可靠性不断提高， 保障气路系统和防爆柴油机的可靠安全运行。