基于故障樹模型的全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)可靠性分析

劉學(xué)強，陳清彬，鄭振杰，黃步松

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350000)

全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)在港作拖輪、工程船舶等對機動性要求高的船舶上得到了廣泛的應(yīng)用。因該類型船舶作業(yè)要求舵槳設(shè)備具有更高的可靠性，例如港作拖輪在協(xié)助大船靠離碼頭時不允許出現(xiàn)故障，否則會導(dǎo)致大船發(fā)生碰撞事故，所以船東對全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)可靠性提出了更高的要求。舵槳液壓系統(tǒng)作為全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)的重要組成部分，對船舶的動力定位、航向控制等起著重要作用。由于工作環(huán)境復(fù)雜和運行工況多變等因素，舵槳液壓系統(tǒng)故障時有發(fā)生，如電磁閥卡死造成離合器合排、脫排失敗，液壓泵損壞造成轉(zhuǎn)舵失效等，因此有必要對舵槳液壓系統(tǒng)建立可靠性模型并進行可靠性評估和故障分析[1-3]。

1 工作原理

全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)主要由離合器控制回路和轉(zhuǎn)舵控制回路2部分回路組成；離合器用于控制舵槳的脫排動作，實現(xiàn)對舵槳的控制和動力的傳輸；轉(zhuǎn)舵控制回路用于控制舵槳的舵角，實現(xiàn)對船舶動力定位和航向的控制[4]。

1.1 離合器控制回路

離合器控制回路原理如圖1所示。離合器有3種工作狀態(tài)：脫排、合排和滑擦，其工作狀態(tài)系統(tǒng)由換向閥的閥芯位置決定。為減小對離合器的沖擊和潤滑的需要，離合器不會直接合排，而是經(jīng)滑擦后再合排。當(dāng)駕駛臺給出合排信號，Y353電磁換向閥2得電，延時1 s后，Y351電磁換向閥1得電，一部分液壓油經(jīng)溢流閥1泄壓后回油箱，另一部分經(jīng)減壓閥2降壓后送至離合器，因液壓油壓力低，離合器位于滑擦狀態(tài)，2 s后，Y353電磁換向閥2失電，油壓恢復(fù)正常，此時離合器完全合排。

1-離合器控制泵；2-濾器選擇閥；3-雙聯(lián)濾器1；4-減壓閥1；5-減壓閥2；6-電磁換向閥1；7-壓力傳感器；8-溢流閥1；9-電磁換向閥2；10-溢流閥2；11-冷卻器；12-油箱

1.2 轉(zhuǎn)舵控制回路

轉(zhuǎn)舵控制回路用于控制舵槳的回轉(zhuǎn)運動，其原理圖如圖2所示。主轉(zhuǎn)舵泵由比例換向閥來控制柱塞泵的斜盤角度實現(xiàn)變向、變量控制。液壓油經(jīng)主轉(zhuǎn)舵泵排出后分為2路各控制1個液壓執(zhí)行元件，當(dāng)系統(tǒng)壓力達到安全閥的設(shè)定壓力(30 MPa)后，或門梭形閥打開，使得溢流閥3開啟泄壓，斜盤恢復(fù)原位，主轉(zhuǎn)舵泵流量減小；當(dāng)系統(tǒng)壓力達到安全閥的設(shè)定壓力(32 MPa)后，安全閥1或安全閥2開啟泄壓，降低系統(tǒng)壓力，增壓泵主要用于補償主轉(zhuǎn)舵泵的內(nèi)部泄露，保持系統(tǒng)所需壓力。

1-主轉(zhuǎn)舵泵；2-或門梭形閥；3-溢流閥3；4-執(zhí)行元件1；5-執(zhí)行元件2；6-比例換向閥；7-安全閥1；8-雙聯(lián)濾器2；9-濾器選擇閥；10-增壓泵；11-油箱；12-溢流閥4；13-安全閥2

2 可靠性框圖及數(shù)學(xué)模型

舵槳液壓系統(tǒng)的功能是按照駕駛臺給定的信號完成離合器的脫排、合排動作和實現(xiàn)轉(zhuǎn)舵功能。以“舵槳液壓系統(tǒng)故障”為任務(wù)目標(biāo)，建立可靠性框圖。舵槳液壓系統(tǒng)由離合器控制回路和轉(zhuǎn)舵控制回路組成，在建立可靠性框圖時，可認(rèn)為2個控制回路為串聯(lián)系統(tǒng)，即離合器脫排、合排失敗，轉(zhuǎn)舵控制回路完好，也認(rèn)為舵槳液壓系統(tǒng)失效，原因是無法實現(xiàn)對船舶的操縱，反之亦然。

2.1 離合器控制回路可靠性框圖

在離合器控制回路正常工作時，除回路中雙聯(lián)濾器為冗余備件外，其余部件都是相互串聯(lián)，即某一部件失效，系統(tǒng)即失效，建立離合器控制回路的可靠性框圖如圖3所示。

圖3 離合器控制回路的可靠性框圖

2.2 轉(zhuǎn)舵控制回路可靠性框圖

由比例換向閥控制流量和方向的主轉(zhuǎn)舵泵提供的液壓油分2路各控制1個液壓執(zhí)行元件，2臺液壓執(zhí)行元件共同完成轉(zhuǎn)舵動作。根據(jù)建立的轉(zhuǎn)舵控制回路的可靠性框圖，如圖4所示。除補償回路中雙聯(lián)濾器和單向閥為并聯(lián)之外，其余部件與系統(tǒng)都可視為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，回路中配備2個液壓執(zhí)行元件，但如果其中1個執(zhí)行元件出現(xiàn)故障，會出現(xiàn)轉(zhuǎn)舵速度下降，轉(zhuǎn)舵時間延長，該種情況也視為轉(zhuǎn)舵功能失效。

圖4 轉(zhuǎn)舵控制回路的可靠性框圖

2.3 可靠性數(shù)學(xué)模型

根據(jù)前面建立的可靠性框圖可知，離合器控制回路和轉(zhuǎn)舵控制回路為串聯(lián)方式，在其單獨的回路中，系統(tǒng)部件之間既存在串聯(lián)方式又存在并聯(lián)方式。對于串聯(lián)方式的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)中任何一個部件出現(xiàn)故障，均可導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作，采用串聯(lián)方式系統(tǒng)的可靠度RS1(t)為：

(1)

對于并聯(lián)方式的系統(tǒng)，只有當(dāng)部件全部發(fā)生故障時，系統(tǒng)才發(fā)生故障，因此系統(tǒng)的壽命等于系統(tǒng)中壽命最長的那個部件，采用并聯(lián)方式系統(tǒng)的可靠度為RS2(t)為：

(2)

式中，n為系統(tǒng)中部件的個數(shù)；i為第i個部件；λi為各組成部件的失效率；t為系統(tǒng)運行時間；Ri(t)為第i個部件的可靠度。

對于系統(tǒng)并聯(lián)的部件互為備用功能，且部件的型號完全一致，理論壽命相等。系統(tǒng)中只有雙聯(lián)濾器為并聯(lián)部件；系統(tǒng)回路中的濾器選擇器為常開狀態(tài)，無需計入系統(tǒng)中的計算。離合器控制回路由11個部件組成，在計算可靠度時只需考慮10個部件即可，其可靠度為：

(3)

相比于離合器控制回路，轉(zhuǎn)舵控制回路中系統(tǒng)部件相對較多，更為復(fù)雜，回路中存在16個部件，但在計算時只需考慮15個部件即可，其可靠度為：

(4)

全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)可靠性可認(rèn)為由離合器控制回路和轉(zhuǎn)舵控制回路2部分串聯(lián)而成，因此舵槳液壓系統(tǒng)可靠度RS數(shù)學(xué)模型為:

RS=RSARSB。

(5)

3 基于故障樹的可靠性分析

故障樹分析是一種分析系統(tǒng)可靠性的有效手段[5-6]。在故障樹建立過程中，通過或門和與門的邏輯門，將頂層事件與底層事件聯(lián)系在一起。在轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)中，所有的系統(tǒng)部件均可視為串聯(lián)方式連接，若其中一個部件發(fā)生故障，整個轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)將無法進行工作，建立的故障樹如圖5所示，其相關(guān)對應(yīng)的事件名稱如表1所示。

3.1 舵槳液壓系統(tǒng)可靠性評估

對全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)的可靠度進行評估，根據(jù)某一港口全回轉(zhuǎn)拖輪的作業(yè)特點，可認(rèn)為拖輪工作時間為平均每天8 h，而每月有1～2 d的停航維修保養(yǎng)，因此在計算可靠度時，可只計算全回轉(zhuǎn)拖輪在連續(xù)工作30 d(240 h)的可靠度，結(jié)合對應(yīng)零件的失效率，根據(jù)式(5)，計算系統(tǒng)可靠度RS為：

圖5 舵槳液壓回路故障樹模型

表1 故障樹事件列表及零件失效率

RS=RSARSB=0.951 27。

由故障樹模型可知，舵槳液壓系統(tǒng)中有較多的閥件，按照多年從事拖輪管理經(jīng)驗來看，舵槳液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要原因為：電磁和比例換向閥因油液污染而導(dǎo)致閥件的卡死。為更加直觀體現(xiàn)底事件對頂事件的影響程度，采用故障樹分析的下行法，找出全回轉(zhuǎn)舵槳液壓系統(tǒng)故障的所有最小割集。從故障樹模型可以看出，系統(tǒng)中只存在一階最小割集：{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}。原因是系統(tǒng)中不存在備用回路。因此在實船舵槳液壓系統(tǒng)管理中，應(yīng)重視最小割集所包含的故障事件，且應(yīng)著重注意系統(tǒng)中液壓閥件的管理。

3.2 提高舵槳液壓系統(tǒng)可靠度的建議

1)按照可靠性理論，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度高于串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度。因此在設(shè)計時可通過增加系統(tǒng)中的冗余部件來提高系統(tǒng)的可靠度，對回路中失效率較高的部件增加備用部件，即一個部件失效后，另一部部件即可投入運行，這樣可保證系統(tǒng)更高的可靠度。

2)根據(jù)多年從事拖輪舵槳管理的經(jīng)驗來看，大多數(shù)故障是由閥件卡死引起的，引起閥件卡死的原因有多種，選取高質(zhì)量的閥件是目前降低閥件卡死行之有效的方法。

3)據(jù)統(tǒng)計，80%的液壓系統(tǒng)故障是油液污染引起的，定期清洗回路和更換油液可降低系統(tǒng)的故障率，也可將油液在線檢測技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中，實現(xiàn)對油液質(zhì)量的預(yù)警。