電纜銑削除冰防凍裝置的可靠性分析

黃曠，張曉龍，羅贏，劉杰，宋進，武龍飛

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.中國人民解放軍31638 部隊）

0 引言

對于電力輸送系統，輸電線路覆冰一直是個很重要的問題。輸電線路覆冰會使線纜承受的負荷增大，可能導致輸電線路損壞或者壓塌輸電線塔，給人們生活以及經濟發展帶來巨大影響。近30 年來,大面積冰害事故在全國各地時有發生[1]，2008 年，許多地方出現了大范圍的電纜覆冰現象，處于雪災重災區的貴州頻頻發生電網斷線以及電塔倒塌事故，全省電網幾乎癱瘓。目前，國內外對輸電線路除冰裝置的研究很多，Debenest[2]等設計了一種強力震動除冰方案，通過在輸電線路上安裝震動裝置去除線纜上的覆冰；加拿大魁北克電力研究院研制的HQ LineROVer 除冰裝置，既可以在輸電線路上巡檢維護，也可以完成除冰任務，但是它沒有防凍噴涂裝置，無法噴涂防凍雪涂料[3]。在國外除冰裝置技術高速發展的同時，國內也對線纜除冰裝置開展了大量的研究。武漢大學的吳功平[4]發明了一款輸電線路巡檢裝置，該裝置可在輸電線路上自動行走，并且安裝有除冰機構，可對線纜進行除冰；隨后，研發人員又在該裝置上設計了越障機構。越來越多的大學正在研究除冰裝置，并取得了相當好的成效，如山東大學、吉林大學、國防科技大學等[5-7]。

目前為止，這些除冰裝置基本只執行除冰任務，除冰之后對電纜的保護措施被忽視。雖然達到了對電纜除冰的效果，但是無法避免導線再次覆冰，進而需要二次除冰。另外，由于電纜銑削除冰防凍裝置結構復雜，且在高空露天環境進行除冰工作，工作強度大、時間長，作業時機器發生故障，將會給工作人員維修帶來很大麻煩。本文以昆明理工大學功能流體應用與礦山機電工程研究所的電纜銑削除冰防凍裝置為研究對象，通過了解該裝置的結構和功能，基于FMECA 和FTA（故障樹）分析方法對電纜銑削除冰防凍裝置系統進行可靠性分析，明確了該裝置系統中嚴酷度較高、相對重要度較大的部位，并提出了相對應的解決措施。

1 結構功能分析

電纜銑削除冰防凍裝置三維結構如圖1 所示。該裝置主要可以分為3 個部分，分別是除冰機構、行走機構以及噴涂機構。在除冰的過程中，由行走機構為其提供向前的驅動力，并且在行走機構上安裝的有伸縮彈簧，可以保證在工作的過程中遇到微小障礙物時能順利通過，在行走機構的作用下，除冰機構向前移動并將輸電線纜表面的覆冰去除。最后，經過噴涂機構使用鋼絲刷來刷除之前除冰機構除冰后產生的殘渣以及其它雜物，利用涂料刷去除電纜表面的冰沫，最后將涂料瓶中的防凍液均勻涂抹在輸電線路上，防止進一步結冰，從而完成整個電纜銑削除冰防凍裝置的工作過程。為了保證電纜銑削除冰防凍裝置工作時的效率和質量，基于FMECA 和FTA（故障樹）分析方法對電纜銑削除冰防凍裝置系統進行可靠性分析是非常有必要的。

2 FMECA 和故障樹分析

2.1 FMECA 分析

故障模式、影響和危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis）是以故障模式為基礎，分析每一種故障模式的影響并將其匯總的分析方法。FMECA 分析能夠不依賴仿真結果找出產品在功能及硬件設計中可能存在的故障模式、原因及影響[8-9]，在機電產品可靠性分析中得到了廣泛應用[10-12]。

2.1.1 系統定義

電纜銑削除冰防凍裝置主要包括3 個模塊，分別為除冰機構、行走機構和噴涂機構。

對各部分進行功能及組成、可靠性框圖分析，該系統的定義如下：

（1）功能及組成：電纜銑削除冰防凍裝置的功能主要是對輸電線路上的覆冰進行去除以及預防其二次結冰，它主要由除冰機構、行走機構和噴涂機構等組成。

（2）約定層次：“初始約定層次”為該機構的功能?！凹s定層次”為除冰機構、行走機構和噴涂機構。“最低約定層次”為更低一級的組成部分，如圖2 所示。

功能層次與結構層次對應關系如圖3 所示。

通過分析，可靠性關系如圖4 所示。

2.1.2 故障分析

通過調查分析，該機器主要組成機構中，發生故障的機構主要分為3 個，分別是除冰機構、行走機構和噴涂機構。主要故障模式為電機短路、斷路及老化，銑刀桶磨損、破裂，除冰銑刀磨損、斷裂，行走輪組故障，軸的變形、斷裂，齒輪組的變形、斷裂、嚙合錯誤，涂料瓶損壞等。

根據GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》可將故障模式造成的故障影響的嚴重程度進行嚴酷度級別劃分如表1 所示，故障影響的概率β值如表2 所示。

表1 嚴酷度等級Tab.1 Severity grade

表2 GB/T 7826-2012 故障影響概率β 值Tab.2 GB/T 7826-2012 failure impact probability β value

通過以上分析，基于FMECA 方法對電纜銑削除冰防凍裝置的主要故障模式造成故障影響的嚴重程度進行嚴酷度級別分類。電纜銑削除冰防凍裝置的FMECA 分析表如表3 所示。

通過表3 可以清楚地了解到電纜銑削除冰防凍裝置的主要故障模式、故障原因以及對應的影響。為了進一步明確每個故障原因的危害度、發生的故障率大小及所占的權重?；贔MECA 方法分析計算，結果如表4 和圖5 所示。

表3 電纜銑削除冰防凍裝置FEMCA 分析Tab.3 FEMCA analysis of cable deicing and anti-freezing device

表4 故障分析結果Tab.4 Failure analysis results

（續表）

通過以上分析可以清楚地看到，嚴酷度級別最高為Ⅱ級事件且危害度最大，對系統的傷害最高。

為了進一步明確每一個Ⅱ級事件對電纜銑削除冰防凍裝置不能工作的相對重要度，以除冰防凍裝置不能工作為頂事件1 進行故障樹分析。

2.2 故障樹（FTA）分析

故障樹分析方法在系統可靠性、安全性分析及風險評價方面應用非常廣泛[13]。它是以系統的一個頂事件作為分析目標，逐層往下推測導致頂事件發生所有可能的原因以及它們之間的邏輯關系，建立一棵故障樹，再通過定性和定量分析，明確可能的故障模式，找到最小割集數并計算每個底事件對頂事件的影響程度。

本文對電纜銑削除冰防凍裝置進行故障樹分析時，重點對該裝置中Ⅱ級事件進行分析。由2.1節FEMCA 分析可知，電纜銑削除冰防凍裝置故障模式中，Ⅱ級事件發生產生的最終影響將導致該裝置無法工作。因此，將頂事件1 定為“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”，僅對頂事件1 進行分析。

2.2.1 頂事1 故障樹的建立

由上文FEMCA 分析可知，導致頂事件1“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”發生的直接原因有：（1）除冰機構不能工作；（2）行走機構不能工作。頂事件1“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”的故障樹如圖6、圖7 所示。

2.2.2 頂事件1 的定性分析

定性分析的目的是確定故障模式的最小割集數量。根據2.2.1 所得到的故障樹進行定性分析，最后得到頂事件1“除冰機構不能工作”的所有最小割集為：{事件X1}，{事件X2}，{事件X3}，{事件X4}，{事件X5}，{事件X6}，{事件X7}，{事件X8}，{事件X9}，{事件X10}，{事件X11}，{事件X12}，{事件X13}，{事件X14}，{事件X15}，{事件X16}，{事件X17}，{事件X18}，{事件X19}，當其中任意一個最小割集發生時，就會導致頂事件1 發生。

2.2.3 頂事件1 的定量分析

定量分析的目的是計算每個底事件的相對概率重要度，相對概率重要度值越大，表示對頂事件影響越大。

通過上文分析計算，設底事件發生概率分別為q1，q2，…，qn，對于所有底事件相互獨立的情況，則頂事件發生概率為Q=Q（q1，q2，…，qn），第i 個底事件相對概率重要度Ic計算公式如式（1）—式（3）。

式中：r ——最小割集數；Ki——第i 個最小割集；P（Ki）——第i 個最小割集發生概率，設第i 個最小割集包含的底事件有（X1，X2，…，Xn），是Xn的發生概率，則P（Ki）=qx1qx2…qxn；——第i 個底事件的概率重要度；P（T1）——頂事件1 發生的概率。

由式（2）、式（3）得：P（T1）=0.000 401 09。

頂事件1 的故障概率函數如式（4）—式（5）。

由式（2）—式（5）得：Q（T1）=0.999 959 731。

各個割集的相對概率重要度可以根據式（6）求得：

通過分析和計算，可以得到頂事件1“電纜除冰防凍不能工作”的底事件相對概率重要度的排行如表5 所示。

表5 頂事件1 的底事件相對概率重要度排行表Tab.5 Importance degree ranking of relative probability of bottom events of top event 1

由表3 可知，除冰銑刀松動和斷裂、行走輪破損、電機斷路及短路、銑刀桶松動相對概率重要度較大等因素是導致頂事件1 發生的主要原因。

3 分析結果及優化措施

通過上面的分析與計算可以得到以下結論：

（1）在電纜銑削除冰防凍裝置中，除冰機構故障對其影響最惡劣，造成除冰機構發生故障的主要故障原因有電機損壞、軸的破壞、傳動絲杠損壞、齒輪故障、銑刀桶損壞以及除冰銑刀損壞。這些原因導致了對輸電線纜的除冰不能進行或者除冰異常。

（2）在電纜銑削除冰防凍裝置的主要結構的故障模式中，除冰銑刀松動、斷裂，除冰電機短路及斷路和行走輪損壞對整個機構的影響最大。造成這些故障的原因分別是除冰銑刀不斷受力變形、電機進水及接觸不良、行走輪不斷受力磨損，產生的影響主要是不能對輸電線纜除冰和機構的行走。

（3）基于FMECA 和FTA 方法對該裝置的分析計算，可以清楚地知道電纜銑削除冰防凍裝置主要結構中每個故障模式的嚴酷度及危害度的大小，并得到嚴酷度級別較高的故障模式的相對重要度對該裝置的影響。從分析結果可知，除冰機構和行走機構發生故障嚴酷度等級最高，對該裝置的可靠性有重要的影響。

為了提高該機構的可靠性，在對電纜銑削除冰防凍裝置制定相應的維修措施時，應重點對故障模式發生對該裝置影響較大以及嚴酷度級別較高、危害度較大的部位制定預防檢測措施，具體措施如表6 所示。

表6 重要故障模式原因分析及措施Tab.6 Major failure mode cause analysis and measures

4 結論

電纜銑削除冰防凍裝置是一個相對復雜的機器，工作環境非常惡劣，一旦在工作中發生故障，維修工作難以及時進行，為了保證工作的效率和質量，對其進行可靠性分析是很有必要的。本文根據電纜銑削除冰防凍裝置的結構和功能分析，基于FMECA 和故障樹（FTA）分析方法，得到以下結論：

（1）通過FMECA 分析方法建立了電纜除冰裝置的層次結構功能圖、可靠性框圖及故障樹，對其故障模式進行了嚴酷度等級分類及分析計算，得到了電纜銑削除冰防凍裝置故障模式嚴酷度等級最高為Ⅱ級且危害度最大，并計算出了每個故障模式對應的危害度。

（2）通過故障樹的定性與定量分析，得到了對頂事件影響較大的故障模式為除冰銑刀故障、銑刀桶故障、除冰電機故障等，并對嚴酷度等級較高危害度較大的故障模式提出了優化措施，為電纜銑削除冰防凍裝置的可靠性設計提供了依據。