船用開關故障模式及失效分布研究

譚登洪

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船用開關故障模式及失效分布研究

譚登洪

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

本文通過對船用開關在使用中的故障調查和型式試驗中的壽命試驗以及可靠性機械壽命試驗所獲得的故障數據進行整理和歸納，并通過故障數分析，得出了船用開關的主要故障模式。采用隨機截尾模型和可靠度函數圖形擬合法對船用開關的失效分布進行了研究，得出其壽命服從于雙參數指數分布，并分別用圖檢驗法和K—S檢驗法得到證明。船用開關的平均無故障工作次數和失效率不僅和船用開關的制造水平有關，而且與使用環境和維護保養有關。

船用開關 故障模式 故障樹分析

0 引言

在開展船用開關可靠性工作過程中，由于缺少有關基礎資料，如船用開關典型故障模式和失效分布類型，給可靠性工作帶來許多困難。本文就是期望通過對船用開關運行情況進行調研和開展必要的機械壽命試驗，在此基礎上通過歸納、分析研究，獲得其故障模式和失效分布類型。

1 船用開關的功能及故障定義

船用開關包含船用斷路器(俗稱自動開關)和船用轉換開關(俗稱非自動開關),均為可修復的產品。

1.1 船用斷路器的功能及故障定義

船用斷路器的主要功能是：保護電力推進設備（蓄電池組、充電發電機、推進電動機等）免受過電流的危害，以及對電路進行不頻繁的接通和斷開。

當斷路器出現下列情況之一時即為故障：

1） 電動或手動操作時斷路器不閉合；

2） 電動或手動操作時斷路器斷不開；

3） 當流經斷路器的電流超過過電流脫扣器

動作電流整定值以上時斷路器不能自動分斷(帶有延時動作者延時超過整定延時后)；

4） 誤動斷開。

1.2船用轉換開關的功能及故障定義

船用轉換開關僅具有轉換電路(接通和分斷)的功能。

用連桿傳動機構操作時, 轉換開關不能接通和分斷電路即為故障。

2 船用開關的故障模式及其分析

2.1船用斷路器的故障模式及其分析

根據斷路器的故障定義，從我國船用斷路器的水平來看,手、電動操作不斷開和過電流時拒動問題已基本上解決了。誤動斷開問題也比較少，我們在調研中僅發現DW9-442斷路器出現過一次誤動斷開，那是因為短路脫扣器整定值偏小而引起的，還有二次是發生在ZDW4-21斷路器沖擊試驗過程中，是分勵脫扣器銜鐵未校平衡和掣子間隙偏大引起的。因此，斷路器的主要故障是手動不閉合和電動不閉合。

手動不閉合集中發生在D9-430系列斷路器中，其主要故障模式是自由脫扣機構不又扣和又扣不可靠。其故障原因主要是制造缺陷引起的，其次是使用維護不當，對轉動、摩擦部位未定期添加潤滑脂。

電動不閉合發生在DW9-440、ZDW2-31、ZDW2-71及ZDW4-21斷路器上，這幾種型號的路器均為電動機傳動。其主要故障模式是：

1）伺服電動機燒壞；

2）伺服電動機不轉；

3）傳動凸輪與滾子錯位；

4）電動離合銷脫落；

5）分勵脫扣器不又扣。

此外，滅弧罩破損在ZDW2-31、ZDW2-71和ZDW4-21斷路器機械壽命試驗中發生較多，其故障原因主要是這批陶土滅弧罩耐沖擊性能不合格所造成的。這點已被對比試驗所證實。

綜上所述，我們在分析研究船用斷路器的失效分布類型時，應當以斷路器不閉合故障為主來進行。

我們根據多年來研究設計斷路器的經驗以及從型式試驗和調研中獲取的可靠性數據，對其進行故障樹分析，可以知道：造成斷路器不閉合的主要原因是電動機燒壞和自由脫扣機構不又扣。導致電動機燒壞的原因是減速器潤滑不良，從而引起電動機過載和電樞繞組過熱，縮短了電機絕緣壽命。導致自由脫扣機構不又扣的原因是軸承缺潤滑脂，從而引起脫扣軸不復位。因此，在使用過程中定期在轉動及摩擦部位添加潤滑脂可減少故障的發生，延長伺服電機的使用壽命；提高斷路器的平均無故障工作時間。

2.2船用轉換開關的故障模式及其分析

船用轉換開關的傳動機構較為簡單,它的傳動杠桿直接焊在觸頭軸上,可靠性較高；其弧觸頭燒傷和電磨損超標問題是由誤操作引起的。由于其觸頭系統和滅弧系統與船用斷路器完全相同，因此對其進失效分布研究就無必要了。

3 船用斷路器的失效分布研究

目前確定產品的失效分布類型的方法，一般是抽取一定數量的產品進行壽命試驗，從而獲取壽命試驗數據；或者在現場使用中收集失效數據，得到子樣觀察值，繪制可靠性函數圖形，與各種失效分布不同類型的可靠度函數圖形作比較，初步估計出其失效分布類型。然后用慨率紙特制的坐標紙作圖檢驗法和統計分析法進行檢驗，如X2檢驗法、K-S檢驗法。

由于船用斷路器批量生產數量少，而且價格高，不可能投入很多臺斷路器進行全壽命試驗，本研究所涉及的斷路器壽命試驗大部分是利用其型式試驗進行的。因此，在壽命數據處理時，我們采用的是隨機有替換定操作次數截尾壽命試驗模型。

在現場使用中所收集的失效數據，由于缺乏失效前操作次數數據，僅僅只提供了一個大概使用時間，因此無法用來作失效分布研究。本文只對電動傳動的斷路器進行失效分布研究。

3.1電動傳動斷路器的壽命試驗數據

電動傳動斷路器的壽命試驗數據匯總于表1。 有替換定操作次數截尾壽命試驗模型圖示如圖1。表1壽命試驗數據中未列入滅弧罩壽命試驗數據，理由是其產品本身質量不合格。

3.2電動傳動斷路器的失效分布研究

3.2.1繪制斷路器的可靠度函數圖形

1） 可靠度函數計算

按下式進行可靠度函數(t)計算，結果列于表2。

(t)=1-（-0.5）/n

式中：第個失效產品的壽命數據（=1、2···）；

n—參加試驗產品的總數（n=n+）；—試驗產品數；—失效產品數。

2） 繪制可靠函數圖形

根據表2（t(t)）在直角坐標紙上描點，繪制可靠度函數圖形示于圖2。從圖2可看出可靠度函數曲線近似為一條雙參數指數曲線，可初步估計電動傳動斷路器的壽命服從雙參數指數分布。

3.2.2 用圖檢驗法檢驗

用表2（t(t)）在單邊對數坐標紙上的-()坐標系描點，見圖3。從圖3可看出，所描各點近似呈一直線。故可以近似認為電動傳動斷路器的壽命服從雙參數指數分布。

3.2.3 用K-S檢驗法檢驗

1）因子樣數據少，不宜用X2檢驗法。假設

理論分布函數FO(X)的函數類型為雙參數指數分布。

2）根據圖2和表1的數據，用最大似然法，

求出子樣為指數分布的平均無故障工作次數（MTBF）的估計值。

求出子樣的失效率：=1/（+）=1/（4.545×103+0.1×103）=0.225×10-3次。

式中—參數指數分布的位置參數，0.1×103次，將它作為總體的失效率的估計值。

3）總體的失效分布函數()假設為H：()=F（）=1-e-0.000225×(t-0.0001)

4）根據表2數據按式(t)=1-(t),計算出經驗分布函數(t),其結果列于表3。

5）計算理論分布函數F(t)，所得結果亦列于表3。

6）計算理論分布函數與經驗分布函數的差異度=┃(t)-F(t)┃，其結果亦列于表3。

8）選取顯著水平=0.05，由置信度：

=1-=1-0.05=0.95查《低壓電器可靠性技術》[1]表3, 可λ=0.95=1.36則否定域為λλ=1.36。

4 結論

1) 船用斷路器的主要故障模式：對于手動傳動的斷路器是手動不閉合和自由脫扣機構不又扣；對于電動傳動的斷路器是電動不閉合和伺服電動機損壞；2) 船用轉換開關的故障模式是弧觸頭電磨損超標；3) 電動傳動斷路器的失效分布服從雙參數指數分布規律。其平均無故障工作操作次數與不同的使用環境及維護水平有關。

[1] 陸儉國.低壓電器可靠性技術.機械工業出版社，1986.

Research on Failure Type and Distribution of Marine Switch

Tan Denghong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM564

A

1003-4862（2015）01-0061-04

2014-09-03

譚登洪(1964-)，男，高級工程師。研究方向：電氣工程。