基于FMECA和FTA的旋轉機械設備故障診斷方法*

2021-07-03 02:29:16徐增丙1王志剛1

機械制造 2021年5期

□ 魯順 □ 徐增丙1 □ 熊文 □ 王志剛1

1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室武漢 430081 2.武漢科技大學機械自動化學院武漢 430081 3.中國船舶工業集團公司第708研究所噴水推進技術重點實驗室上海 200011

1 研究背景

現代機械設備正朝著內部構造更加復雜,自動化程度不斷提高的方向發展,導致機組發生故障的原因錯綜復雜[1]。以大型旋轉機械設備為例,由于結構復雜,部件相互耦合性較高,工作環境相對較惡劣,導致故障頻繁發生,診斷維護較困難,嚴重影響機組可靠性,給企業和社會造成直接或間接損失。因此,旋轉機械可靠性問題是目前國內亟待解決的熱點問題之一。

故障模式影響與危害度分析(FMECA)和故障樹分析(FTA)相結合的方法,很早就引入旋轉機械的可靠性分析[2]。郭利鵬[3]應用FMECA和FTA理論,開發了航空渦輪風扇發動機輔助研究軟件,進而得到渦輪風扇發動機頂事件的故障樹功能圖。顧煜炯等[4]應用FMECA和FTA,實現了風電設備故障信息的綜合分析,對造成固有風險故障的影響因素進行了主次排序,為采取維修措施提供指導。雷啟龍等[5]應用故障模式影響分析(FMEA)風險評價和定量FTA方法,為風電機組并發故障及單故障提供維修決策。

針對旋轉機械診斷維護困難、可靠性低的問題,筆者以旋轉機械中的轉子系統為研究對象,基于FMECA和FTA,采用正向綜合分析方法實現設備的管理和故障分析,找出系統潛在的風險,并開發了FMECA和FTA系統,輔助技術人員制訂相應的維修決策,提高轉子系統的可靠性。

2 FMECA

FMECA是一種系統故障分析方法[6],通過分析系統各組成單元在研發設計或制造生產中可能發生的故障模式,找出每一種故障模式的原因和產生后果的嚴重度,提出相應的改進和補償措施,使系統的可靠性得到提高。FMECA由FMEA和危害度分析組成[7],技術路線如圖1所示。

采用基于功能分析的FMEA對轉子系統的故障模式及影響進行分析[8],將轉子系統的功能輸出分類逐項列出,對轉子系統的故障模式進行分析,獲取轉子系統的功能、功能故障、故障模式、故障影響等基本信息,對各故障模式所對應的故障原因、故障征兆、預防措施等信息進行分析。在FMEA的基礎上,進行危害度分析,應用風險順序數R量化評價各故障模式的風險等級[9]。風險順序數影響因素包括嚴酷度等級S、發生度等級O、檢測度等級D,風險順序數R等于SOD。風險順序數越大,表示故障的潛在風險等級越高,應優先采取補償和改進措施。

嚴酷度等級表見表1,發生度等級表見表2,檢測度等級表見表3。

表1 嚴酷度等級表

表2 發生度等級表

表3 檢測度等級表

3 FTA

FTA廣泛應用于系統可靠性、安全性分析及風險評價[10]。將轉子系統不希望發生的事件——失效狀態作為故障樹的頂事件,找出導致這一故障發生的根本原因,并采用邏輯符號與樹狀圖形連接,直到確認底事件為止。

FTA流程為:確定頂事件,查找相應的故障原因,根據故障原因建立故障樹的每層事件,并用“與”和“或”邏輯符號將每層事件連接起來,直至查找到故障樹的最小割集。FTA流程如圖2所示。

▲圖2 FTA流程

4 綜合分析方法

FMECA和FTA單獨使用,既有各自優勢,也存在一定不足[11]。一般而言,FMECA只考慮單個失效模式對系統可靠性的影響,而系統某個故障模式的出現常常是多個部件同時失效的結果。不同層次的故障可以通過“與”和“或”邏輯來實現關聯,這些邏輯關系在FMECA的研究中無法體現,FTA則可以彌補這一不足。因此,筆者提出基于FMECA與FTA的正向綜合分析方法,對系統故障模式進行準確分析。

正向綜合分析方法的基本原理是:定義研究對象,采用FMECA對系統進行分析;填寫FMECA表,對嚴酷度等級進行排序,選擇嚴酷度為Ⅰ級和Ⅱ級,且風險順序數較大的故障模式導致的影響作為故障樹的頂事件;根據FTA建立完整的故障樹,基于危害度分析結果對故障樹進行定性分析;綜合FMECA和FTA結果,對導致頂事件的故障信息進行輸出,制訂維修決策。綜合分析流程如圖3所示。

▲圖3 綜合分析流程

5 實例分析

轉子系統是旋轉機械中最重要的組成部分,主要由電機、聯軸器、軸承座、配重盤、軸承、軸、底座基礎組成,如圖4所示。轉子系統分為兩跨,中間用聯軸器連接。轉子上安裝有三個配重盤,工作時電機轉動,通過聯軸器帶動轉子、軸承和三個配重盤轉動。根據轉子系統要實現的功能,將轉子系統劃分為三個子系統,分別為電機子系統、關鍵零部件子系統、底座基礎子系統。其中,關鍵零部件子系統包括軸承、聯軸器、軸、軸承座、密封圈、卡環。