調距槳液壓系統可靠性模型與故障樹分析

□ 曹召鋒 □ 闞樹林 □ 王錫雄

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

裝載調距槳的船舶能夠在主機轉向和轉速保持不變的情況下，通過調節槳葉螺距來改變螺旋槳的推力大小和方向，實現航速的改變、船舶的正車或倒車。相對于定距槳，調距槳巨大的靈活性和低能耗使其在船舶中應用越來越廣泛。調距槳液壓系統作為槳葉螺距調節的動力源，其結構組成復雜，運行環境惡劣，液壓系統的可靠性影響著船舶運行的安全性。本文在分析調距槳液壓系統原理的基礎上，建立了調距槳液壓系統可靠性框圖，根據液壓系統零部件的失效率數據，計算出液壓系統連續運行一個月（720h）的可靠度。針對液壓系統故障頻發的現象，建立了以調距槳液壓系統

“調距功能失效”為頂事件的故障樹，找出導致頂事件發生的所有最小割集并分析其概率重要度，為快速查找和定位調距槳液壓系統故障提供依據［1］。

1 調距槳液壓系統工作原理

調距槳液壓系統由主液壓回路、輔助液壓回路和布置于艙底的主油箱組成，圖1為液壓系統原理圖。

主液壓回路由備用泵P1（作為主泵P2的備用泵，在泵P2損壞的條件下投入使用）及附件、主泵P2及附件、電磁換向閥V1、比例換向閥V2組件、溢流閥V5、海水冷卻器C1等組成，其作用是將高壓油輸送到槳轂的相應油腔，并將槳轂中的低壓油引回到主油箱中，從而改變螺旋槳槳葉螺距。

主液壓回路根據電控系統輸入的螺距指令，調節換向閥V1或V2處于左位或右位并調定其閥芯開度，從而控制進入槳轂前后腔的壓力和流量。當沒有調距信號輸入時，換向閥V1或V2處于中位，泵P1（或P2）流出的液壓油經安全閥V5、背壓閥V6以及冷卻器C1流回主油箱。梭閥V3用于檢測比例閥V2的負載壓力值（也即比例閥的出口壓力）并輸出，作為安全閥V5開啟壓力的一部分，所以溢流閥V5的設定開啟壓力值（即比例閥進口壓力值）為先導閥V4的設定壓力+比例閥V2的負載壓力，這樣比例閥進出口壓差為先導閥V4的設定壓力這一恒定值。比例閥工作在一個恒定壓差中，形成比例閥負載敏感回路［2］。

輔助液壓回路主要包括提升泵P3、濾油器F3、手動換向閥V7、二級調壓閥組和重力油箱，其主要功能是向重力油箱加油，保持槳轂靜壓腔的壓力，從而防止海水滲入槳轂油腔。當主液壓回路損壞無法正常使用時，將手動換向閥V7處于左位或者右位機能，提升泵P3流出的油液經單向閥流入槳轂前后油腔中，使調距槳設定到全正車位置，從而起到應急調距的作用。

2 調距槳液壓系統可靠性模型

2．1 調距槳液壓系統可靠性框圖

液壓系統主液壓回路的作用是根據電控信號指令向槳轂油缸提供符合要求的液壓油，從而改變螺旋槳槳葉螺距。以“螺距能夠調節”為任務目標，建立調距槳液壓系統調距可靠性框圖。在正常工作條件下，向系統提供油液的是主泵P2及其附件，備用泵組件為主泵組件的冗余備件，在主泵組件無法正常工作的條件下投入使用，所以主泵組件與備用泵組件是相互并聯的關系。兩條回路都起到向液壓系統提供液壓油的功能，稱為供油回路。在螺距調節過程中，比例閥組件和電磁換向閥V1都可以改變油液的流向和流速大小，兩者在功能上也是并聯的關系，稱為換向回路。供油回路和換向回路相互串聯，并且與溢流閥V5、背壓閥V6、冷卻器C1共同串聯，組成調距槳液壓系統的可靠性框圖，如圖2所示。

▲圖2 調距槳液壓系統可靠性框圖

2．2 調距槳液壓系統可靠性數學模型

可靠性數學模型是在可靠性框圖的基礎上，用數學表達式表示出系統可靠性與各組成零部件之間的數學關系。在一般的工程分析中，作如下假設：系統是兩狀態可靠性模型；各組成單元是相互獨立的；各組成單元均服從指數分布［3］。

對于串聯系統，系統中任意一個單元故障都會導致系統的故障，故串聯系統的壽命取決于所有組成單元中壽命最短的那個單元。設串聯系統由n個單元組成，第 i個單元的壽命為 ti，串聯系統可靠度為 Rs1（t），則有：

對于并聯系統，只有當所有單元全部發生故障時，系統才會發生故障，因此并聯系統的壽命等于所有單元中壽命最長的那個單元的壽命。設并聯系統由n個單元組成，第i個單元的壽命為ti，并聯系統可靠度為Rs2（t），則有：

式中：λi為各組成單元失效率；t為系統運行時間。

由調距槳液壓系統可靠性框圖可知，該液壓系統是串聯關系和并聯關系的混合，組成關系復雜，首先將串聯部分的組成單元進行簡化，簡化后的框圖如圖3所示。

▲圖3 串聯單元簡化后框圖

LA回路由備用泵電機M1、備用泵P1、壓力濾油器F1、單向閥P1V串聯，則：

LB回路由主泵電機M2、主泵P2、壓力濾油器F2、單向閥P2V串聯，則：

LC回路由比例閥V2、梭閥V3、先導閥V4串聯，則：

LD回路為電磁換向閥V1，則：

LE回路由溢流閥V5、背壓閥V6、冷卻器C1串聯，則：

式中：各λi所對應的零部件名稱見表1。

繼續將系統并聯部分進行簡化，簡化后的可靠性框圖如圖4所示。

LF回路由備用泵回路LA、主泵回路LB并聯，則：

▲圖4 并聯單元簡化后框圖

LH回路由比例閥回路LC、電磁閥回路LD并聯，則：

調距槳液壓系統的可靠性框圖最終簡化為供油回路LF、換向回路LH和回油回路LE的串聯，則調距槳液壓系統的可靠度數學模型為，

2．3 調距槳液壓系統可靠性預計

可靠性預計是在產品可靠性模型的基礎上，根據同類或相似產品在研制過程及使用中所得到的故障數據和有關資料，預測產品及其單元在實際使用中所能達到的可靠性水平［4］。

根據搜集得到的現場使用數據和相關資料，得到調距槳液壓系統所有零部件的失效率，見表1。

表1 液壓系統調距單元零部件失效率

船舶連續出航一個月時間，即720h，根據式（3）～式（10）和表1中的各零部件失效率數據，可以計算出調距槳液壓系統在連續航行一個月的可靠度為：

3 調距槳液壓系統故障樹分析

3．1 液壓系統“調距功能失效”故障樹分析

故障樹分析方法是一種圖形演繹法，用來表明構成產品中那些組成部分故障會導致產品發生給定的失效模式。故障樹分析法以系統可能發生的某種故障模式作為頂事件，用規定的邏輯符號表示，找出導致這一頂事件發生的所有直接因素和原因，這些因素和原因是處于過渡狀態的中間事件，并由此逐步深入分析，直到找出事故的最基本原因，即故障樹的底事件為止［5］。

常用的邏輯門包括邏輯“與”門和邏輯“或”門。 “與”門是指當輸入事件（A和B）同時全部發生時，輸出事件C才發生；“或”門指任何一個輸入事件（A和B）發生，則輸出事件C發生。“與”門和“或”門的圖形符號如圖5所示。

▲圖5 邏輯門符號

調距槳液壓系統最主要的功能是根據電控系統的調距指令向槳轂油腔輸送高低壓油，從而改變槳葉螺距，因此調節螺距是液壓系統最重要的作用。以液壓系統“調距功能失效”作為頂事件T，以“換向回路故障”T1、“供油回路故障”T2、“回油回路故障”T3、“比例閥回路故障”T4、“主泵回路故障”T5和 “備用泵回路故障”T6作為中間事件進行故障樹分析。由調距槳液壓系統原理圖和系統可靠性框圖可知，換向回路由比例閥換向回路和電磁閥換向回路并聯組成，而電磁閥和比例閥經常會因為油液的污染產生卡滯現象，導致閥件無法換向；此外，比例閥、梭閥和先導閥三者組成一個負載敏感回路，梭閥和先導閥的故障也會導致比例閥不能正常工作。故“換向回路故障”中間事件T1的底事件有 “電磁閥V1卡死”、“比例閥V2卡死”、“梭閥V3失效”和“先導閥V4故障”。供油回路是“主供油回路”和“備用供油回路”并聯組成，在一條油路發生故障時，另外一條供油回路可以繼續工作，提高了供油回路的可靠性，X5～X12是導致“主供油回路故障”中間事件T2發生的所有底事件。回油回路主要包括溢流閥V5、背壓閥V6和冷卻器C1，“溢流閥不正常開啟”、“背壓閥閥芯卡死”和“冷卻器堵塞”是導致中間事件“回油回路故障”T3的底事件。“調距油壓不足”故障見圖6。

對于調距槳液壓系統，以“調距功能失效”作為頂事件的故障樹，其所有底事件集合見表2。

表2 液壓系統“調距功能失效”底事件

▲圖6 “調距油壓不足”故障樹

割集是故障樹中底事件的集合，當這些底事件同時發生時，頂事件T必然發生。若將割集中所含底事件任意去掉一個就不再是割集，這樣的割集就是最小割集，最小割集表明底事件的重要程度［6,7］。

根據故障樹分析的下行法，找出“調距功能失效”的所有最小割集。其中一階最小割集：｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝； 二階最小割集：｛X1X2｝，｛X1X3｝，｛X1X4｝，｛X5X9｝，｛X5X10｝，｛X5X11｝，｛X5X12｝，｛X6X9｝，｛X6X10｝，｛X6X11｝，｛X6X12｝，｛X7X9｝，｛X7X10｝，｛X7X11｝，｛X7X12｝，｛X8X9｝，｛X8X10｝，｛X8X11｝，｛X8X12｝。

二階最小割集是包含兩個底事件的最小割集，表示只有兩個底事件同時發生時，才會導致頂事件T的發生。故在底事件故障概率相同的情況下，一階最小割集的重要度要大于二階最小割集，在工程實踐中應該提高一階最小割集所涉及到的單元可靠度。

3．2 提高調距槳液壓系統可靠性的措施

（1）對回油回路單元設置冗余，形成并聯結構。并聯系統的可靠性要大于串聯系統，對回油回路上的溢流閥、背壓閥和冷卻器設置冗余單元，可以保證一條回路零部件存在故障時，備用回路可以繼續工作。

（2）選用質量更好的閥件，提高閥件可靠性。從工程現場和相關資料得到的數據顯示，閥件卡死是經常出現的故障。特別是比例換向閥和電磁換向閥，由于閥件結構復雜，閥芯精度較高，其失效率在所有組成元件中最高。所以，選用質量可靠的閥件對提高系統可靠性有重要作用。

（3）定期過濾和更換油液，清洗油管。閥件的卡死多數是因為雜質堵塞和磨損造成的，而油液是雜質的傳輸的載體，定期過濾和更換油液，清洗油管，保持油液的清潔度。

4 總結

（1） 可調距螺旋槳液壓系統組成結構復雜，運行環境惡劣，可調距任務能否實現關系到船舶運行的安全性。在仔細分析調距槳液壓系統調距原理的基礎上，建立液壓系統的可靠性框圖，并根據各組成零部件的失效率計算出系統連續運行一個月（720h）的可靠度，為船舶調距槳液壓系統的定時維護提供參考。

（2）針對調距槳液壓系統“調距功能失效”故障，利用故障樹分析方法，找出導致該頂事件發生的所有底事件并求出最小割集。在底事件發生概率相差不大的情況下，最小割集的階數越低，其導致頂事件發生的概率越高，即階數越小的最小割集重要度越高。所以應重點注意調距槳液壓系統回油回路上3個串聯單元的可靠性，在回油回路上設置冗余部件，提高最小割集的階數。

（3）針對液壓系統中閥件的高失效率，選用質量和工藝更好的元件。油液是雜質傳輸的載體，為保持油液清潔度，應定時過濾和更換油液，清洗油管。

［1］ 邱曉峰，陳昌鄂，侯秀舉．船舶主推調距槳方案設計與實現［J］．船海工程，2006（6）：23-25．

［2］ 張勁楓，易小冬．某型船調距槳液壓系統的設計與制造［J］．機電設備，2007（7）：14-17．

［3］ 曾聲奎．可靠性設計與分析［M］．北京：國防工業出版社，2011．

［4］ 牟致忠．機械可靠性——理論、方法、應用［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［5］ 趙靜一，姚成玉．液壓系統可靠性工程［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［6］ 吳嘉寧，閻紹澤，謝里陽．基于RBD與FTA的航天器太陽翼可靠性分析［J］．清華大學學報，2012，52（1）：15-20．

［7］ 梁光輝，李兆軍．液壓挖掘機回轉系統故障樹分析［J］．液壓與氣動，2012（4）：107-110．