基于FMEA的波浪能發(fā)電水壓傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析

劉 華，王維俊，毛家蕙，毛龍波

（1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401331； 2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100166； 3.海軍后勤部工程代建管理辦公室，北京 100036）

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代和工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，可再生能源的開發(fā)利用越來越受到世界各國的重視[1]。 波浪能由于其可預(yù)測性好、儲(chǔ)量豐富和能量密度高等特點(diǎn)成為未來幾年最有發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉粗籟2]。 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)是波浪能發(fā)電裝置中的能量轉(zhuǎn)換部件，其能夠?qū)⒑Ｋ鳛榱貍鬟f介質(zhì)把能量捕獲系統(tǒng)吸收的波浪能直接轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的大部分工作部件位于海水中，長期受到浪、流載荷和惡劣環(huán)境的侵蝕，其可靠性面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

目前，波浪能電站的研發(fā)還處于技術(shù)儲(chǔ)備階段，缺乏足夠的施工案例和故障數(shù)據(jù)來支撐可靠性研究[3]。 考慮到波浪能發(fā)電裝置和海上風(fēng)機(jī)具有相同的外部環(huán)境載荷（極端風(fēng)浪、高溫、高濕、高鹽霧和強(qiáng)紫外線）和故障后果（無人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境污染較小），因此，可以利用豐富的海上風(fēng)機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)來開展波浪能發(fā)電裝置的可靠性研究[4]。

本文在廣泛收集整理海上風(fēng)機(jī)相關(guān)部件故障信息的基礎(chǔ)上，類比分析了波浪能發(fā)電水壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件的故障模式和失效原因。 采用故障模式及影響分析 （Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）找到水壓傳動(dòng)系統(tǒng)安裝和運(yùn)行中的潛在故障模式，制定切實(shí)可行的預(yù)防和改進(jìn)措施，從而為水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)海況運(yùn)行和維護(hù)管理提供必要的理論依據(jù)。

1 故障模式及影響分析

FMEA 是一種進(jìn)行系統(tǒng)可靠性分析的設(shè)計(jì)工具，其提供了從風(fēng)險(xiǎn)角度面向系統(tǒng)具體部件的分析方法。FMEA 本質(zhì)上是進(jìn)行概念和主觀分析，用于系統(tǒng)地識(shí)別所有可能的故障模式和根本原因，并評(píng)估它們的風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而根據(jù)需要提出預(yù)防措施和改進(jìn)設(shè)計(jì)意見。

左歸丸對(duì)免疫性卵巢早衰小鼠血清性激素及IL-6、IL-17水平的影響 …………… 江二喜(8):909

發(fā)生率是故障發(fā)生的根本原因出現(xiàn)的概率，以定性的方式進(jìn)行描述，出現(xiàn)的概率越大其分值就越高。 修改后的發(fā)生率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)故障根本原因發(fā)生的概率劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修正，以適應(yīng)波浪能發(fā)電裝置高可靠性的要求。

之前就聽同學(xué)說看見他在路邊撿空瓶子，當(dāng)時(shí)我還不信，沒想到是真的，可能是他家里經(jīng)濟(jì)拮據(jù)吧，我能理解的，而且看他一臉的笑容，他好像并不擔(dān)心讓大家知道。

圖1 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本組成Fig.1 Basic components of water hydraulic drive system

FMEA 的過程如圖2 所示。

1.1 FMEA過程

作者的父親在上世紀(jì)90年代中期開始，就飽受阿爾茨海默氏病的折磨，病情逐漸加重后，子女們不能不請(qǐng)看護(hù)日夜照料他，并請(qǐng)假回老家陪伴他；連與父親離婚多年的母親，基于同情與責(zé)任，也回到老宅，替父親整理堆積了幾十年收藏與回憶的家，為他理發(fā)、剪指甲。

由于水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，本文從系統(tǒng)須要完成的任務(wù)出發(fā)，分析其故障模式和對(duì)系統(tǒng)功能的影響。 從圖1 可以看出，水壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由導(dǎo)流系統(tǒng)、 葉片系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和齒輪箱組成。 其中，導(dǎo)流系統(tǒng)能夠?qū)⒕哂幸欢▌?shì)能和動(dòng)能的海水引導(dǎo)進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)；葉片系統(tǒng)負(fù)責(zé)將海水的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；傳動(dòng)系統(tǒng)和齒輪箱則起到傳遞轉(zhuǎn)矩和增速的作用，以提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖2 FMEA 的過程Fig.2 Process of FMEA

1.2 FMEA的主要參數(shù)

由美國國防部起草的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MILSTD-1629A 是使用最為廣泛的FMEA 標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)的分析過程中，使用嚴(yán)重度（Severity，S）、發(fā)生率（Occurrence，O）、不易探測度（Detection，D）和危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）等作為故障模式對(duì)系統(tǒng)功能影響的度量參數(shù)[6]。 為了使FMEA 方法更適用于水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分析，本文在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上對(duì)主要參數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了必要的修改，修改后的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

不易探測度是指在采取現(xiàn)行的控制方法后故障能夠被檢測的難易程度，檢測到潛在原因的可能性越小其分值越高。一般來說，發(fā)生率低的故障，不易探測度數(shù)也較小。由于對(duì)其它探測性的評(píng)判很難做出明確的區(qū)分，修改后的不易探測度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)使總體評(píng)價(jià)水平的數(shù)量減少至4 個(gè)。

水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的基本組成如圖1 所示。

對(duì)任何一個(gè)故障模式的根本原因來說，其RPN 最小值為 1，最大值為 200。 只要選定的FMEA 程序的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)保持不變，就可以用來比較備選設(shè)計(jì)和識(shí)別關(guān)鍵組件。

目前，F(xiàn)MEA 已經(jīng)在裝備研制部門形成了一套科學(xué)而完整的分析方法，并得到了成功應(yīng)用[5]，其具體過程包括：①全面分析系統(tǒng)或設(shè)計(jì)對(duì)象，按重要度考慮所有工作狀態(tài)，并繪制系統(tǒng)可靠性框圖；②分析每個(gè)部件的功能和參數(shù)，充分挖掘系統(tǒng)運(yùn)行中潛在的故障模式； ③列出潛在故障模式對(duì)系統(tǒng)功能的影響，進(jìn)行危險(xiǎn)嚴(yán)重度量化評(píng)估；④確定故障發(fā)生的根本原因，評(píng)估其發(fā)生頻率和不可測度； ⑤評(píng)定每個(gè)根本原因和潛在故障模式的危險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)別；⑥提出修改和優(yōu)化的建議，制定預(yù)防故障或降低故障危險(xiǎn)性的必要措施； ⑦完成FMEA 報(bào)告。

嚴(yán)重度用來表示故障模式對(duì)系統(tǒng)最終影響的嚴(yán)重程度，分值越高表示故障對(duì)系統(tǒng)的影響越嚴(yán)重。修改后的嚴(yán)重度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新定義，以強(qiáng)調(diào)其對(duì)水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。

5#豎井井挖采用4臂傘鉆配HYD-200型液壓鑿巖機(jī)造孔，中深孔光面全斷面爆破。CX55B型電動(dòng)挖掘機(jī)配合HZ-6型中心回轉(zhuǎn)式抓巖機(jī)將石渣裝入吊桶。兩套單鉤提升，主提升采用2JKZ-3.6×1.85絞車，配4.0m3座鉤式吊桶，主要用于提渣、混凝土吊桶和傘鉆；副提升采用JKZ-2.8×2.2絞車，配4.0m3座鉤式吊桶，主要用于提升人員，輔助提渣。吊桶將矸石提升至翻矸平臺(tái)，通過翻矸臺(tái)主、副溜槽將矸石溜至地面，ZL-50裝載機(jī)裝15t自卸汽車運(yùn)至棄渣場。

表1 嚴(yán)重度/發(fā)生率/不易探測度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation criteria of severity/occurrence/detection

2 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的FMEA

2.1 導(dǎo)流系統(tǒng)的FMEA

導(dǎo)流系統(tǒng)的作用是把波浪能捕獲裝置捕獲的能量以海水動(dòng)能和勢(shì)能的形式引入水壓傳動(dòng)系統(tǒng)，導(dǎo)流系統(tǒng)主要由過濾支架、導(dǎo)流罩、導(dǎo)流支架、導(dǎo)流葉片、支撐軸承和外部筒體等部件組成。 導(dǎo)流系統(tǒng)是水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中直接遭受波浪和環(huán)境荷載的部件，所面臨的故障模式和根本原因與海上風(fēng)機(jī)的支撐平臺(tái)類似，主要是由機(jī)械應(yīng)力和材料退化所引起的。 導(dǎo)流系統(tǒng)的 FMEA 如表2 所示[7]～[10]。

表2 導(dǎo)流系統(tǒng)的FMEATable 2 FMEA on guide vanes system

2.2 葉片系統(tǒng)的FMEA

葉片系統(tǒng)是水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，主要通過水輪機(jī)把海水的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)能量，葉片系統(tǒng)由轉(zhuǎn)子輪轂、轉(zhuǎn)子葉片、葉片軸承、輪轂軸承和限位開關(guān)等部件組成。葉片系統(tǒng)主要遭受由于波浪的隨機(jī)性而產(chǎn)生的疲勞荷載以及強(qiáng)腐蝕性環(huán)境，與海上風(fēng)機(jī)葉片的失效模式和故障原因類似，但由于海水的密度是空氣的800 多倍，波浪能發(fā)電葉片系統(tǒng)的工作環(huán)境比風(fēng)機(jī)更為 惡劣。 葉片系統(tǒng)的FMEA 如表3 所示[7]～[12]。

表3 葉片系統(tǒng)的FMEATable 3 FMEA on blades system

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的FMEA

傳動(dòng)系統(tǒng)是水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的力矩傳遞部件，能夠把水輪機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能通過萬向節(jié)和回轉(zhuǎn)密封從海水環(huán)境傳遞到無水的發(fā)電艙內(nèi)，傳動(dòng)系統(tǒng)主要由傳動(dòng)軸、萬向鉸、萬向塊、回轉(zhuǎn)密封和離合器等部件組成。 傳動(dòng)系統(tǒng)主要受到扭轉(zhuǎn)荷載、阻水密封和惡劣運(yùn)行環(huán)境的影響，與海上風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸以及水下航行器動(dòng)密封的故障模式類似。 傳動(dòng)系統(tǒng)的FMEA 如表4所 示[7]～[10]，[13]。

表4 傳動(dòng)系統(tǒng)的FMEATable 4 FMEA on drive system

2.4 齒輪箱的FMEA

齒輪箱的作用是將大扭矩轉(zhuǎn)化為低扭矩，將主軸的低速轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的高速，齒輪箱主要由齒輪和軸承等部件組成。 齒輪箱在水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中處于無水的發(fā)電艙內(nèi)，其失效模式和故障原因與海上風(fēng)機(jī)的齒輪機(jī)構(gòu)類似，受到主要威脅是三高環(huán)境（高溫、高濕、高鹽霧）對(duì)齒輪箱的侵蝕作用。 齒輪箱的 FMEA 如表5 所示[7]～[10]，[13]～[15]。

表5 齒輪箱的FMEATable 5 FMEA on gear box system

3 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分析

在分別分析各部件故障模式的基礎(chǔ)上，綜合上述FMEA 結(jié)果可以得到水壓傳動(dòng)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的危險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)，導(dǎo)流系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和齒輪箱的危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)分別為382，879，417 和342。 由此可見，葉片系統(tǒng)水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部分和薄弱環(huán)節(jié)，需要在設(shè)計(jì)制造和操作運(yùn)行時(shí)重點(diǎn)關(guān)注。傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)流系統(tǒng)和齒輪箱的危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)比較接近，說明三者發(fā)生故障的概率和危險(xiǎn)性相差不多，在加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)兼顧考慮。

In order to evaluate the performance of the proposed photodetectors, we calculate the absorption coefficient α, a key parameter for determining the detection spectrum of the detector, by equation (1) 34:

隨著 《地震震級(jí)的規(guī)定》（GB 17740-2017）（下文簡稱新規(guī)范）的頒布，震級(jí)中地方性震級(jí)ML的量取發(fā)生了一定的變化，新增的寬頻帶面波震級(jí)MS（BB）可以從速度值直接量取，且取代面波震級(jí)MS作為發(fā)布震級(jí)。這些改變?cè)谡鸺?jí)的變化上有一定的體現(xiàn)。在新規(guī)范頒布之前，劉瑞豐、陳運(yùn)泰[2][3][4][5][6][7]對(duì)震級(jí)量取結(jié)果做了大量的分析對(duì)比，鄰省臺(tái)網(wǎng)的楊晶瓊[8]、唐淋[9]也做了區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的震級(jí)對(duì)比分析工作。西藏地域廣闊，地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文對(duì)新規(guī)范下的地方性震級(jí)ML和寬頻帶面波震級(jí) MS（BB）在西藏的試用情況做了對(duì)比分析。

圖3，4 分別給出了水壓傳動(dòng)系統(tǒng)FMEA 中危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排名前10 的故障模式和主要部件。從圖3 可以看出，水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中最危險(xiǎn)的故障模式是葉片結(jié)構(gòu)損壞，因此，加強(qiáng)葉片疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。 從圖4 可以看出，水壓傳動(dòng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的部件是水輪機(jī)葉片，葉片系統(tǒng)三大部件的RPNs 數(shù)均排在前列，這主要是由于葉片系統(tǒng)的部件故障均具有較高的危險(xiǎn)嚴(yán)重度，進(jìn)一步說明葉片系統(tǒng)是造成整體系統(tǒng)故障的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在可靠性配置和運(yùn)行維護(hù)管理過程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)對(duì)待和處理。

圖3 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)FMEA 中危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排名前10 的故障模式Fig.3 RPNs sequencing of the top 10 failure modes of water hydraulic drive system

圖4 水壓傳動(dòng)系統(tǒng)FMEA 中危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排名前10 的主要部件Fig.4 RPNs sequencing of the top 10 main assemblies of water hydraulic drive system

確定最容易發(fā)生故障的部件和最危險(xiǎn)的故障模式，將有利于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和維護(hù)優(yōu)化。 基于常見故障模式的危險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)列表，可以從減少水壓傳動(dòng)系統(tǒng)故障的角度進(jìn)行成本-效益分析，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期和降低操作運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文在廣泛收集類比海上風(fēng)機(jī)失效數(shù)據(jù)和故障模式的基礎(chǔ)上，按照任務(wù)功能分別對(duì)導(dǎo)流系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和齒輪箱進(jìn)行了故障模式及影響分析，找到了水壓傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵部件和最危險(xiǎn)的故障模式。 分析結(jié)果表明，葉片結(jié)構(gòu)和齒輪軸承損壞是影響水壓傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性的最危險(xiǎn)的故障模式，水輪機(jī)葉片是發(fā)生故障概率最高的關(guān)鍵部件，應(yīng)當(dāng)通過改進(jìn)材料性能提高其抗疲勞和耐腐蝕能力，從而增強(qiáng)水壓傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。