自主行走输电线路铣削除冰装置可靠性分析

武龙飞，张晓龙，罗赢，黄旷，宋进，刘杰

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.中国人民解放军31638 部队）

0 引言

输电线路除冰装置通常在高海拔、低温地区运行，恶劣的工作环境下，除冰装置工作稳定性和可靠性就变得尤为重要[1-3]。如果除冰装置工作过程中发生故障，会给工作人员造成很大麻烦，故障机器很难收回，并且还会对后续工作造成影响[4]。

我国西部和北方寒冷地区因为输电线路结冰造成的灾难事件时常发生，尤其是我国西电东送项目在西部山区有大量的输电线路易结冰，对输电线路除冰装置有很大的需求，设计一款除冰高效、工作稳定的除冰装置很有必要[5-6]。目前世界上主流的除冰方法有热力融冰、机械除冰和被动除冰[7-9]。加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault 等人经过2 年研究设计的HQ LineROVer 遥控小车[10-11]，能在线上行驶，但不能实现越障；后来研制的机器人Line Scout mobile platform 初步具备了越障功能[12]。这些输电线路除冰装置通常在高寒地区悬空运行，如果出现故障将导致输电线路除冰装置滞留在电缆上，工作人员将很难把故障机器人收回。所以基于功能和工作环境对输电线路除冰装置的可靠性评估非常必要。在国内，2020 年昆明理工大学功能流体应用与矿山机电工程研究所运用模块化设计方法，设计的除冰装置带有防冻喷涂装置[13]，能够在一定程度上防止覆冰再生，并且通过有限元分析，对机构进行了优化。本文以昆明理工大学功能流体应用与矿山机电工程研究所设计的输电线路除冰装置为研究对象，对其零部件进行可靠性分析，并对易失效零部件提出维护和改进意见。

1 结构功能分析

输电线路除冰装置的结构如图1 所示，主体结构由除冰机构、行走机构、动力机构和外壳4 个部分组成。其中除冰机构为主要工作机构，起到输电线路覆冰的清除作用，包括安装在最前端的除冰铣刀和紧随其后的铲刀。行走机构主要功能是带动除冰装置在输电线路上行走，包括3 个行走轮、1 个辅轮和1 个压除轮，驱动装置自动行走。动力机构为整个除冰装置提供动力，包括蓄电池和若干线路，驱动除冰机构和行走机构持续正常工作。外壳部分起保护和固定内部各零件的作用。

图1 输电线路除冰装置结构图Fig.1 Structure diagram of deicing device for power transmission cable

2 输电线路除冰装置故障分析

2.1 FMECA 分析方法

故障模式、影响和危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis，简称FMECA）[14]是在工程实践中总结出来的，主要分析设备或系统内可能发生的故障模式以及产生的影响后果，并根据故障模式产生影响后果的严重程度及发生概率确定的危害度归纳综合分析的方法[15]，该方法在评估系统可靠性、产品可靠性设计及改进等应用广泛[16-17]。

2.1.1 FEMCA 分析

输电线路除冰装置主要分为4 部分：行走模块、除冰模块、供电模块[18]和外壳部分。对各个部分进行可靠性框图分析，如图2 所示。

图2 输电线路除冰装置主要组成结构Fig.2 Main structure of transmission cable deicing device

通过对输电线路除冰装置的结构和功能进行分析，绘制功能层次与结构层次的对应关系图，如图3 所示。

图3 输电线路除冰装置功能与结构层次对应关系Fig.3 Correspondence between functions and structural levels of deicing devices for transmission cables

输电线路除冰装置主要结构为串联配置，这将导致即使只有一个结构发生故障，也会使整个装置不能正常工作，可靠性关系框图如图4 所示。

图4 输电线路除冰装置可靠性关系Fig.4 Reliability relationship of transmission cable deicing device

2.1.2 故障分析

经分析，该机器主要组成机构中发生故障的部分主要分为4 个：行走机构、除冰机构、动力机构和外壳，主要故障模式汇总如表1 所示。

根据《故障模式、影响及危害性分析指南》，将故障模式造成的故障影响的严重程度进行严酷度级别划分，如表1 所示。

表1 严酷度等级表Tab.1 Severity ratings

可靠性分析已被广泛应用于众多行业领域，用于提高产品安全性和可靠性、优化维修策略和保障资源，并最终实现产品效能的提高和全寿命周期费用的降低。根据严酷度等级表和故障影响概率β值表，并运用软件对输电线路除冰装置建模并计算，可得到该机器的主要部件的故障率，将其故障信息进行归纳整理制成FMECA 分析表。输电线路除冰装置的FMECA 分析表如表2 所示。

根据表2，可明了输电线路除冰装置的各个零件故障模式、故障原因以及故障影响等，以便进行进一步的分析，明确每个故障原因的危害度、发生的故障率大小及所占的权重。将进一步分析的结果列出，如表3 和图5 所示。

图5 危害度矩阵图Fig.5 Criticality matrix

表2 故障分析表Tab.2 Failure analysis

表3 电缆除冰防冰装置FEMCA 分析表Tab.3 FEMCA analysis of cable deicing and anti-icing device

其中对于故障影响的概率β值，根据《故障模式、影响及危害性分析指南》，当影响结果为肯定损伤，β取值为1；当影响结果为可能损伤，β取值为0.5；当影响结果为很少可能损伤，β取值为0.1；当影响结果为无影响，β取值为0。

由表3 和图5 可知，严酷度级别最高为Ⅱ级事件且危害度最大，对系统伤害最高，所以为了进一步明确每一个Ⅱ级事件对电缆除冰防冰装置不能工作的相对重要度，以除冰防冰装置不能工作为顶事件0 进行故障树分析。

2.2 输电线路除冰装置的故障树分析

故障树分析（FTA）采用由上往下的演绎式失效分析法[19]，用于分析系统在工作中可能会出现的故障，然后通过故障找出系统失效的原因，主要用在安全工程以及可靠度工程的领域。定性分析各底事件对顶事件发生影响的组合方式和传播途径，识别可能的系统故障模式，以及定量计算这种影响的轻重程度，算出致使系统失效的概率，以方便对系统进行改进和对系统故障的预测。

本文对输电线路除冰装置进行故障树分析时，重点是对除冰模块进行故障分析。通过前文2.1 节分析可知，输电线路除冰装置故障模式中，输电线路除冰装置不能工作将无法对输电线路进行除冰，该机器就失去了它的作用。因此，将顶事件0 定为“输电线路除冰装置不工作”，下面将对顶事件0进行分析。

2.2.1 顶事件0 故障树的建立

根据前面FEMCA 分析可知，导致顶事件0“除冰装置不能工作”发生的第一层的直接原因有：行走机构不能工作、除冰机构不能工作、动力机构不能工作、除冰机零件散落、压除轮机构不能工作。顶事件0“除冰装置不能工作”的故障树如图6、图7 所示。

图6 顶事件0 第1 部分故障树（1）Fig.6 Top event 0,the first part of fault tree（1）

图7 顶事件0 第2 部分故障树（2）Fig.7 Top event 0,the second part of fault tree (2)

2.2.2 顶事件0 的定性分析

为了确定顶事件发生的所有可能的故障模式，即能够使得顶事件发生的若干底事件的集合，对其进行定性分析是很有必要的。定性分析的主要任务就是确定所有的最小割集，即包含了最小数量且为最必须的底事件集。根据2.2.1 所得到的故障树进行定性分析，最后得到顶事件0“除冰机构不能工作”的所有最小割集。关于顶事件0“除冰机构不能工作”总共有19 个最小割集。即使只有以上任一最小割集发生，顶事件就将发生。

2.2.3 顶事件0 的定量分析

为了进一步分析底事件发生之后对顶事件的影响的重要程度，需要对每个底事件进行定量分析，计算出每个底事件的相对概率重要度。相对概率重要度越大，说明该事件引起顶事件发生的可能性越大。

设底事件故障发生概率分别为q1，q2，…，qn，对于故障树所有底事件相互独立的情况，顶事件的发生概率是底事件发生概率的函数，称为故障概率函数，记为Q=Q（q1，q2，…，qn），则第i 个底事件的相对概率重要度Ic计算公式为

式中：r ——最小割集数；Ki——第i 个最小割集，P（Ki）——第i 个最小割集发生概率，设第i 个最小割集包含的底事件有（X1，X2，…，Xn），qxi是Xn的发生概率，并且各个底事件之间相互独立，则Q（q1，q2，…，qn）——第i 个底事件的概率重要度；P（T1）——顶事件0 发生的概率，是所有底事件P（X）发生概率之和。

计算得出顶事件0 的故障发生概率计算式：

顶事件0 的故障概率函数为

各割集的相对概率重要度可根据式（6）求得

每个底事件的相对概率重要度表示这个底事件发生概率微小的相对变化而导致顶事件发生概率的相对变化率。通过分析和计算，可以得到顶事件0“除冰装置不能工作”的底事件相对重要度的排行，如表4 所示。

表4 顶事件0 的底事件相对概率重要度排行表Tab.4 Relative probability and importance of bottom event of top event 0

3 分析结果及优化措施

通过FMECA 分析和故障树分析表以及上述分析可得出以下结论和优化措施：

（1）在输电线路除冰装置中，造成输电线路除冰装置故障的主要原因是除冰机构故障，造成故障的原因主要有传动齿轮松动、铲刀损坏、除冰刀损坏和传动齿轮损坏。除冰机构是输电线路除冰装置的核心机构，所以除冰机构损坏将导致输电线路除冰装置不能工作。

（2）对于传动齿轮松动问题，操作人员可在输电线路除冰装置工作前对其进行故障排查，保证传动齿轮的牢固性。对于铲刀损坏问题，由于铲刀体积小并且容易拆卸，可以随机器工作携带铲刀，定期做检查，对有安全隐患的铲刀进行更换。对于除冰刀损坏，需要对输电线路除冰装置定期进行检查，对除冰刀进行定期更换，以防止在工作时发生意外影响正常工作。对于传动齿轮损坏，需要操作人员定期对输电线路除冰装置进行清理，防止机器内部堆积大量灰尘。此外由于输电线路除冰装置工作环境在室外，需要对机器传动部分定期进行润滑，减少机器工作过程中的磨损。

4 结语

输电线路除冰装置工作环境复杂，是容易发生故障的机器。基于可靠性软件Isograph 对其进行FMECA 分析，和基于故障树的定性分析和定量分析，分析出在输电线路除冰装置中容易发生故障的结构和零件，并对输电线路除冰装置中容易发生故障的结构和零件的故障模式发生概率进行排序，并给出一定的解决措施，对提高输电线路除冰装置的可靠性提供了依据，对输电线路除冰装置的生产、使用和维护有很大的帮助。