船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性分析及增長研究

江蘇兆勝空調(diào)有限公司 陳 兵

江蘇科技大學 王 剛

本文對船用空調(diào)系統(tǒng)的可靠性進行研究，通過建立總故障樹模型和簡化故障樹模型對各事件進行定量定性分析，并提出可靠性設(shè)計及可靠性增強的方法。充分利用數(shù)據(jù)對故障樹底事件進行分析計算，并給出合理的提升空調(diào)可靠性具體實施方法。

空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備是典型的機電設(shè)備，融合了機械和電氣專業(yè)技術(shù)，雖然基本原理、設(shè)計技術(shù)、生產(chǎn)工藝相對成熟，但是隨著空調(diào)系統(tǒng)集成技術(shù)及功能的擴展，空調(diào)系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)有機的協(xié)調(diào)運行，原來功能獨立的空調(diào)設(shè)備通過控制系統(tǒng)和優(yōu)化處理的控制策略聯(lián)合運行，也相對增加了空調(diào)系統(tǒng)的復雜性，由此增加的功能，如風量測量、送風控制、新風控制、溫度設(shè)定和調(diào)節(jié)等，也對空調(diào)系統(tǒng)的可靠性提出了挑戰(zhàn)。

依據(jù)大型空調(diào)高負荷特點，在工程重要節(jié)點引入可靠性指標，使得關(guān)鍵節(jié)點能夠得到有效的維護，在規(guī)劃中依據(jù)零部件易損程度，對整個系統(tǒng)的故障樹進行簡化，把易損的重要節(jié)點規(guī)劃進來，制作高可靠性的方案。Quanyu Yu對汽車空調(diào)系統(tǒng)建立故障樹模型，分析其失效的原因，其認為空調(diào)的制冷功能失效會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。空調(diào)制冷失效的原因是制冷劑缺失以及空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。Ilia Frenkel和Frenkel I.，Khvatskin建立了馬爾科夫模型對空調(diào)系統(tǒng)進行可靠性優(yōu)化。Ilia Frenkel分析在惡劣天氣下工作的空調(diào)系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)，并考慮發(fā)電機的狀態(tài)對空調(diào)系統(tǒng)影響程度，通過拉普拉斯變換和隨機失效方法對空調(diào)系統(tǒng)的可靠性進行優(yōu)化。

目前，國內(nèi)對空調(diào)可靠性研究主要通過仿真來實現(xiàn)，而零件失效的數(shù)據(jù)獲取途徑很少。本文將對船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性進行研究，通過對數(shù)據(jù)進行分析和故障樹的簡化以及對零部件失效原因進行分析，并提出提高空調(diào)可靠性的方法，從而有效的實現(xiàn)高可靠性的空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 空調(diào)系統(tǒng)故障樹分析模型

1.1 船用空調(diào)系統(tǒng)

船用空調(diào)系統(tǒng)主要是通過制冷、加熱、通風三種方式實現(xiàn)船舶空氣環(huán)境的控制，空調(diào)系統(tǒng)主要包括變風量布風器、變風量空調(diào)器、控制及監(jiān)控系統(tǒng)、分風管及其它系統(tǒng)組成。

船舶中空調(diào)系統(tǒng)是通過送風機從新風和回風吸口吸入外界空氣，然后將兩者混合后由空氣調(diào)節(jié)器進行處理，回風、新風進入空調(diào)器中，經(jīng)過加熱、除濕、過濾、加濕等處理后，經(jīng)由變頻離心風機輸送到靜壓箱，再通過風管送到艙室中的布風器，由布風器輸送到房間中，調(diào)節(jié)風量由變風空調(diào)器調(diào)節(jié)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)故障樹建立

為了能夠?qū)⒀芯砍晒谶h洋科考船上獲得應用，對空調(diào)系統(tǒng)進行可靠性分析研究。完整的空調(diào)系統(tǒng)包括含有低噪聲布風器的變風量末端裝置，安裝高速風機的變風量空調(diào)器，低阻力風管系統(tǒng)，集成擴展了故障預測和健康管理系統(tǒng)的空調(diào)控制和監(jiān)控系統(tǒng)。在研究空調(diào)系統(tǒng)前要對其系統(tǒng)進行故障模式分析，主要通過建立相關(guān)故障樹的方式進行分析研究。

故障樹分析法是一種以圖論表示的定性分析方法，該方法將系統(tǒng)最不愿意發(fā)生的故障作為頂事件，圍繞頂事件找出導致頂事件發(fā)生的中間事件，以此類推直到找到最終導致故障發(fā)生的底事件。

依據(jù)船用空調(diào)系統(tǒng)組成部件建立故障樹模型，并根據(jù)建立的故障樹的每個節(jié)點進行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)得到每個節(jié)點發(fā)生的概率，最終可求出整個系統(tǒng)的故障概率。如圖2所示空調(diào)系統(tǒng)故障樹，根節(jié)點為T，共有四大塊故障結(jié)點，制冷、制熱、通風和電氣控制系統(tǒng)故障；如圖3所示，制冷系統(tǒng)故障樹可再分為三部分故障結(jié)點和9個子結(jié)點；如圖4所示，通風系統(tǒng)故障樹可以分為兩部分故障樹結(jié)點和7個子結(jié)點；如圖5所示，電氣控制系統(tǒng)故障樹可分為6個子結(jié)點；如圖6所示，制熱系統(tǒng)故障樹可以分為兩部分故障樹結(jié)點和9個子結(jié)點。表1所示為空調(diào)系統(tǒng)的故障樹事件列表。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)故障樹

圖3 制冷系統(tǒng)故障樹

表1 空調(diào)系統(tǒng)故障樹事件表

圖4 通風系統(tǒng)故障樹

圖5 電氣控制系統(tǒng)故障樹

圖6 制熱系統(tǒng)故障樹

1.3 船用空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡化

通過對故障數(shù)進行審查、校對后，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實際應用中容易發(fā)生的故障制作故障樹簡圖。對故障進行簡化有利于對其進行定性、定量分析，簡化后的故障樹中底事件突出對頂事件影響較大和容易損壞部分，故障樹簡化可采用修剪法和模塊化進行分析。修剪法指得是根據(jù)制作好的故障樹，分析同一級別的故障結(jié)點，容易發(fā)生故障的保留下來，可靠性高的結(jié)點去除掉，這樣使得故障樹更具有合理性和直觀性。模塊法是通過把空調(diào)系統(tǒng)分為幾個模塊，模塊之間再進行分析，從而確定哪些模塊比較重要，比較容易發(fā)生故障。如圖7所示，為空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡圖。

圖7 空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡圖

2 船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性模型分析

2.1 定性分析

對于故障樹定性分析是定量分析的基礎(chǔ)，是對空調(diào)可靠性研究的前提。故障樹是由根節(jié)點和葉子節(jié)點組成，葉子節(jié)點也就是底事件，底事件嚴重影響整個系統(tǒng)的運行，分析底事件對頂事件的影響來設(shè)計可靠的方案，每個底事件都代表影響頂事件的故障模式，因此研究底事件則是空調(diào)系統(tǒng)可靠性分析重要一步。

對于底事件研究方法可由上而下。故障樹中節(jié)點有或門和與門關(guān)系，或門意味著其中一個事件發(fā)生不會對頂事件產(chǎn)生重大影響，屬于可替代關(guān)系。與門則是不可替代，與門中事件發(fā)生都會對頂事件產(chǎn)生重大影響。通過將與門事件列為一行，或門事件列為同列，由上而下尋找最終能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生重大影響的底事件。

2.2 定量分析

從數(shù)量中關(guān)系和特征對故障數(shù)中各節(jié)點進行分析是定量分析法中重要內(nèi)容，

在定量分析中計算各個底事件發(fā)生的關(guān)系，假設(shè)由n個底事件構(gòu)成故障樹，其計算方法為：

則頂事件T發(fā)生的概率Fs(t)為：

當割集之間不相容時：

當割集之間相容時：

其中K為割集。

故障樹的定量分析是利用最小割集計算事件發(fā)生的概率。這里底事件即是最小割集，底事件之間是相互獨立的，所有事件僅考慮正常和失效兩種狀態(tài)。

由定性分析知，12個單元組成串聯(lián)系統(tǒng)：

則頂事件發(fā)生的概率Q串為：

其中qi為底層事件出現(xiàn)故障的概率。

設(shè)備的可靠性是設(shè)計出來的，空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性分析的目的是找出可靠性的薄弱環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)問題，并在設(shè)計階段采取有效的措施和方法進行規(guī)避。只有這樣才能提高空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性及運行的穩(wěn)定性。

3 船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計要根據(jù)設(shè)備試驗時故障發(fā)生的數(shù)據(jù)來進行分析，其中要充分考慮平均無故障時間和平均修復時間來計算系統(tǒng)失效的概率。

空調(diào)系統(tǒng)的平均修復時間可以分為機械部分的修復時間和電氣部分的修復時間。根據(jù)空調(diào)的通風裝置的耐久性試驗，通風系統(tǒng)在運行過程中有可能出現(xiàn)的故障，各故障對通風裝置完成任務的影響程度不一樣分為一類故障和二類故障，對于影響通風系統(tǒng)正常運行和短時間不能解決，影響機組技術(shù)性能的故障稱為“一類故障”，對于不影響通風系統(tǒng)正常運行和通風裝置技術(shù)性能的故障，根據(jù)試驗時發(fā)生的情況，修復時間為機械部分2h內(nèi)，電氣部分0.5h內(nèi)的故障稱為“二類故障”。

船用空調(diào)系統(tǒng)的失效概率為：

根據(jù)表2中的各個基本事件失效概率進行分析，可知基本事件的失效概率從大到小依次為閥門故障(C1)、高溫保護器(C10)、調(diào)節(jié)機構(gòu)（C7）等部件，他們是影響空調(diào)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部件。經(jīng)過對比各個部件的組成部分，閥門故障原因主要為閥芯泄露、閥門氣芯泄露、是閥芯頂針周圍有雜質(zhì)或錐形橡膠密封圈老化等等。高溫保護器故障原因主要是三極管故障，三極管是通過小電流控制大電流，故障有極間短路、極間斷路、接觸不良、老化放大倍數(shù)變小等等。調(diào)節(jié)機構(gòu)故障的原因主要是指調(diào)節(jié)機構(gòu)變形和斷裂。所以針對這些故障原因，對空調(diào)系統(tǒng)進行改進，增加系統(tǒng)可靠性。

4 空調(diào)系統(tǒng)可靠性改進措施

調(diào)查分析結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)可靠性的影響因素很多，它與空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、安裝以及客戶的操作使用習慣都有一定的聯(lián)系。因此提高空調(diào)的可靠性必須要考慮多方面的因素，進行系統(tǒng)性增長研究。通過AMSAA可靠性增長模型數(shù)學分析來計劃可靠性增長的方案。

AMSAA強調(diào)要在可修系統(tǒng)進行可靠性增長試驗并且對故障采取即時糾正的規(guī)劃方式。

可修系統(tǒng)在開發(fā)期(0，t]內(nèi)的故障次數(shù)N(t)是具有均值函數(shù)：

當系統(tǒng)穩(wěn)定工作到達時刻T，之后對系統(tǒng)不需要對系統(tǒng)進行改進，則系統(tǒng)定型后其故障時間服從指數(shù)分布，即：

式中a、b分別是尺度參數(shù)和增長參數(shù)。

對系統(tǒng)失效進行統(tǒng)計，其在使用期內(nèi)的相繼故障時間為0=t0＜t1＜…＜tn。

則參數(shù)a，b的MLE為：

基于ASMAA可靠性模型預測步驟如下：

(1)根據(jù)試驗，得到各個時刻（t）的試驗數(shù)據(jù)。

(2)基于ASMAA模型進行解析，求得可靠性增長的參數(shù)（尺寸a、增長系數(shù)b、失效時刻tn以及MTBF的估值M）。

(3)計算出整個系統(tǒng)的平均壽命M，如果M小于預期值，則進行步驟4。否則，可停止檢驗。

(4)對下次故障發(fā)生時間tn+1進行預測。依據(jù)N(t)=atb計算出故障此時和時間的關(guān)系，并N(t)=n+1得到：

(5)由步驟4可計算出下次發(fā)生故障的時間，聯(lián)合已有的試驗數(shù)據(jù)可得到新的數(shù)據(jù)。

(6)依據(jù)步驟5更新試驗數(shù)據(jù)，并返回步驟1，用計算機進行計算，計算流程如圖8所示。

圖8 預測流程圖

通過故障樹分析底事件嚴重影響到整個系統(tǒng)的可靠性，對每個底事件進行分析是提高可靠性必要的條件。表2則是具體工程實施中進行可靠性增長具體實施方案。

表2 故障模式與提高可靠性方法

結(jié)語：空調(diào)系統(tǒng)可靠性對整個空調(diào)設(shè)計工程起著重要指導作用，對于空調(diào)可靠性分析要從實際工程經(jīng)驗出發(fā)，充分考慮到空調(diào)系統(tǒng)的機械和電氣部分。通過建立故障樹對空調(diào)系統(tǒng)可靠性進行定性定量分析。本文的空調(diào)系統(tǒng)可靠性研究會對空調(diào)的生產(chǎn)和維護具有一定的意義。