礦用防爆柴油機保護系統(tǒng)可靠性研究

張福祥

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006；3.太原理工大學礦業(yè)工程學院， 山西 太原 030024）

0 引言

由于煤礦使用環(huán)境的特殊性， 對防爆柴油機提出了溫度、阻燃等特殊限制，根據(jù)MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》的要求，需要增加保護系統(tǒng)，監(jiān)測各項溫度、水位和瓦斯等指標，保證防爆柴油機在指標異常時及時停機[1-2]。 保護系統(tǒng)需要實現(xiàn)各項指標的監(jiān)測和停機功能，目前主流的保護系統(tǒng)主要分為機油保護、氣保護和電保護三大類[3]。

保護系統(tǒng)涉及到煤礦安全，要求有很高的可靠性。本文采用FMECA 方法， 以氣保護系統(tǒng)為研究對象進行可靠性分析和評估，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出整改措施，以提高系統(tǒng)可靠性水平。

1 氣保護系統(tǒng)FMECA 分析

FMECA （Failure Mode Effects and Criticality Analysis） 包括故障模式及影響分析 （FMEA） 和危害性分析（CA），針對產(chǎn)品所有可能的故障，逐一分析各組成部分的不同故障對系統(tǒng)工作的影響， 全面識別設計中的薄弱環(huán)節(jié)和關鍵項目， 并為評價和改進系統(tǒng)設計的可靠性提供基本信息[4-6]。

本文氣保護系統(tǒng)的FMECA 分析， 將按照功能分析、可靠性框圖、層次劃分、故障模式、嚴酷度等級、發(fā)生概率等級、危害性分析的步驟展開[7]。 整理其中三種零部件可能產(chǎn)生的潛在故障模式， 并確定每一個故障模式的嚴酷度、發(fā)生概率等級，整理出最重要的幾個故障模式，為系統(tǒng)設計可靠性提高提供支持和方向引導。

1.1 功能分析

功能分析是在不同任務剖面下，對系統(tǒng)主要功能、工作方式和工作時間等的分析。 氣保護系統(tǒng)主要按照正常啟動和指標異常保護兩個任務剖面進行分析。

如圖1 所示為氣保護系統(tǒng)功能原理圖， 主要分為3類元部件， 1 和2 位氣路基本部件，3 和4 位柴油機停機執(zhí)行部件，5-9 位溫度、瓦斯和水位監(jiān)測部件。

圖1 系統(tǒng)功能原理圖

正常啟動時，氣源通過空氣處理單元①和節(jié)流閥②，打開燃油切斷缸③和阻風門機構④， 保證防爆柴油機空氣和柴油的供應，實現(xiàn)正常啟動；同時氣源流通到低水位保護結構⑤、瓦斯傳感器⑥、防凍液溫度傳感器⑦、表面溫度傳感器⑧、排氣溫度傳感器⑨，形成斷路，保持系統(tǒng)氣壓，維持燃油切斷缸③和阻風門機構④處于打開狀態(tài)。

當有指標超標時，例如排氣溫度超標時。排氣溫度傳感器⑨由于排溫超標而換向， 系統(tǒng)中的空氣由排氣溫度傳感器⑨泄漏，同時由于單向節(jié)流閥②的作用，氣源端無法及時補充空氣，造成系統(tǒng)壓力降低，燃油切斷缸③和阻風門機構④關閉，從而實現(xiàn)防爆柴油機的及時停機。其它保護同上述原理。

1.2 功能框圖和可靠性框圖

框圖是在系統(tǒng)原理圖的基礎上， 使用框圖的形式表達系統(tǒng)中各零部件之間的邏輯順序等關系。 根據(jù)氣保護系統(tǒng)的功能原理圖，繪制了系統(tǒng)功能框圖和可靠性框圖，見圖2 和圖3。

圖2 功能框圖

圖3 可靠性框圖

1.3 層次劃分

根據(jù)系統(tǒng)特點和可靠性分析需求， 將分為初始約定層次、約定層次和最低約定層次三個層次，具體如下：

（1）初始約定層次為氣路系統(tǒng)。

（2）約定層次為氣保護系統(tǒng)。

（3）最低約定層次為空氣處理單元①、節(jié)流閥②、燃油切斷缸③、阻風門機構④、低水位保護結構⑤、瓦斯傳感器⑥、防凍液溫度傳感器⑦、表面溫度傳感器⑧、排氣溫度傳感器⑨。

1.4 故障模式

故障模式是對系統(tǒng)部件可能發(fā)生的所有故障的總結和分類。在分析時需要注意兩個方面的問題。一是要考慮每個件的所有功能， 盡可能列出所有功能的所有故障模式；二是要關注一些潛在故障，比如氣路的少量泄漏等問題，預示著發(fā)動機可能發(fā)生非正常停機等故障。

根據(jù)氣保護系統(tǒng)設計分析， 并結合現(xiàn)場使用及故障情況，總結主要故障模式7 類，詳見表1。

表1 故障模式分類

1.5 嚴酷度等級

嚴酷度是要分析每個故障模式所產(chǎn)生的影響， 確定其嚴重程度。一般按照局部影響、上一級影響和最終影響三個方面確定嚴酷度等級。

氣保護系統(tǒng)各故障模式的嚴酷度按照影響程度分為三個等級，詳見表2。

表2 嚴酷度等級

1.6 故障模式發(fā)生概率

氣保護系統(tǒng)各故障模式的發(fā)生概率按照發(fā)生度分為五個等級，詳見表3。

表3 發(fā)生概率等級

1.7 故障模式列舉

以阻風門機構、排氣溫度傳感器和空氣處理單元為例，列舉其主要故障模式及嚴酷度等級和發(fā)生概率等級，詳見表4。

從表4 可見，空氣處理單元故障模式共7 種，故障編號為101-107，其中嚴酷度等級Ⅰ級的有1 種，Ⅱ級的3種，Ⅲ級的3 種，發(fā)生概率C 級的1 種，D 級的3 種，E 級的3 種。 阻風門機構故障模式共8 種，故障編號為401-408，其中嚴酷度等級Ⅰ級的有2 種，Ⅱ級的2 種，Ⅲ級的4 種，發(fā)生概率C 級的3 種，D 級的2 種，E 級的3 種。 排氣溫度傳感器故障模式共7 種， 故障編號為901-907，其中嚴酷度等級Ⅰ級的有3 種，Ⅱ級的1 種，Ⅲ級的3 種，發(fā)生概率C 級的1 種，D 級的4 種，E 級的2 種。 都沒有A、B 級故障模式。

表4 故障模式列舉

1.8 危害性分析

危害性分析主要是要綜合考慮嚴酷度、 發(fā)生概率等因素，全面的評價故障模式對于系統(tǒng)的影響。目前常用的主要方法包含兩種：風險優(yōu)先數(shù)（RPN）方法和危害性矩陣分析法[8]。

風險優(yōu)先數(shù)（RPN）方法的RPN 可用式（1）表示，它反映了故障發(fā)生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D （1）其中：S-嚴重度，一般分為4 個等級；O-發(fā)生度，一般分為5 個等級；D-檢測度，一般分為3 個等級。

危害性矩陣分析法又可以分為定性和定量。由于數(shù)據(jù)相對較少，本文選用定性危害性矩陣分析法，繪制矩陣圖。

根據(jù)表4 繪制了列舉故障模式的危害性矩陣圖，見圖4。

危害性矩陣圖直觀的展示了每個故障模式的綜合影響程度，從每個故障模式區(qū)域中心點向對角線做垂線，垂足與原點的距離越遠， 其危害性越大。 從圖4 矩陣圖可見，106 空氣處理單元潤滑失效、402 阻風門機構無法打開、403 阻風門機構關不嚴、901 排氣溫度傳感器不動作、902 排氣溫度傳感器不泄氣，4 種故障模式綜合影響度更高，是我們在設計和售后過程中需要特別關注的點。

圖4 危害性矩陣圖

2 結論

FMECA 可靠性分析方法可以應用在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、售后等全流程階段，通過不斷的細化、優(yōu)化和迭代，最終實現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的不斷提高。本文以阻風門機構、排氣溫度傳感器故障模式為例， 綜合考慮嚴酷度和發(fā)生該率因素，分析確定了各故障模式的重要度，列出了最重要的故障模式。 按照類似的方法我們可以確定氣保護系統(tǒng)每一項故障模式的危害性， 從而可以在設計早期有針對性的采取措施，在生產(chǎn)和售后環(huán)節(jié)重點關注、定期維護。 實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性不斷提高， 保障氣路系統(tǒng)和防爆柴油機的可靠安全運行。