蔡芝明,金家善,何春雨
(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)
柴油機(jī)燃油供給系的功用,是根據(jù)柴油機(jī)工況要求,將精確計(jì)量的燃油在規(guī)定的時(shí)間以一定的壓力噴入到汽缸中。柴油機(jī)燃料供給系由兩部分組成:低壓部分和高壓部分。低壓部分主要使噴油泵的低壓腔充滿燃油并建立一定的壓力(0.15~0.3 MPa)。高壓部分對(duì)燃油進(jìn)一步加壓,并使燃油呈良好的霧狀噴入氣缸。
低壓部分包括:油箱、低壓油管、輸油泵、燃油濾清器、溢流閥和回油管。
高壓部分包括:噴油泵、高壓油管、噴油器。圖1所示是常見的一種柴油機(jī)燃油系統(tǒng)示意圖[1]。
圖1 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)示意圖
輸油泵從燃油箱吸取柴油并將其泵出,柴油經(jīng)燃油濾清器除雜質(zhì)后進(jìn)入噴油泵。自噴油泵輸出的高壓油,經(jīng)高壓油管和噴油器噴入氣缸。由于輸油泵的輸油量遠(yuǎn)大于噴油泵的噴油量,多余的燃油經(jīng)回油管回到油箱。
故障模式及影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)是一種為開展設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、品質(zhì)控制及服務(wù)的最廣泛使用的分析方法和有效工具[2]。進(jìn)行FMEA的目的,是幫助確定產(chǎn)品的潛在薄弱環(huán)節(jié),根本上排除或使其影響為最小,從而提高了產(chǎn)品的可靠性。FMEA常用的兩種基本方法,是功能分析法和硬件分析法[3]??紤]從硬件和功能FMEA入手,將兩者結(jié)合起來對(duì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行FMEA分析。
FMEA根據(jù)已有的資料,分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),鑒別系統(tǒng)的每一個(gè)潛在的故障模式,針對(duì)可能引起燃油系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)正常功能的主要部件進(jìn)行分析,依次分析這些主要部件的失效模式、失效后果、失效機(jī)理、嚴(yán)酷度分類、嚴(yán)重度、頻度數(shù)、不易探測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)等。按最終對(duì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的影響,對(duì)故障模式按嚴(yán)酷度劃分為4類:I類(災(zāi)難性),II類(致命性),III類(嚴(yán)重的),c 類(輕度的)。第 I類和 II類是應(yīng)該盡量避免的,第III類和IV類故障模式主要是做好預(yù)防維修工作。
(1)嚴(yán)重度(Severity,S)。是指產(chǎn)品潛在故障模式發(fā)生時(shí),對(duì)系統(tǒng)影響后果的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo),僅針對(duì)于故障的后果,嚴(yán)重度的判定準(zhǔn)則,是發(fā)生故障后果的嚴(yán)重程度,取值在1~10之間(見表1)。
表1 嚴(yán)重度劃分等級(jí)參考表
(2)頻度數(shù)(Occurrence,O)。是指某一特定故障起因或機(jī)理出現(xiàn)的可能性。描述頻度級(jí)別數(shù)著重內(nèi)在含義而不是具體的數(shù)值。一般可分為極高、高、中等、低等幾個(gè)等級(jí),取值在1~10之間,表述所研究的元件在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)每100個(gè)或1000個(gè)元件中的累計(jì)故障數(shù)(Cumulative Number of Failures,CNF,分別對(duì)應(yīng)CNF/100或者CNF/1000)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查相關(guān)資料,可得到相關(guān)數(shù)據(jù)(見表2)。
表2 頻度數(shù)劃分等級(jí)參考表
(3)不易探測(cè)度(Detection,D)。是指發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品故障原因的難易程度,是探測(cè)故障模式/原因/機(jī)理的能力的指標(biāo),一般分為極難、難、可能、能等幾個(gè)等級(jí),取值在1~10之間,不易探測(cè)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,是利用現(xiàn)有的各種方法和手段找出故障存在的可能性(見表3)。
表3 不易探測(cè)度劃分等級(jí)參考表
(4)風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)。根據(jù)建立的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)FMEA分析表,估算故障發(fā)生時(shí)的嚴(yán)重度、頻度數(shù)、不易探測(cè)度等因素,計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)(Risk Priority Number,RPN)值。
依據(jù)RPN值的大小,判斷是否有必要進(jìn)行改進(jìn)或確定改進(jìn)的輕重緩急程度,從而以較低的成本減少事后損失,提高系統(tǒng)的可靠性,然而不管RPN數(shù)值大小,當(dāng)失效模式嚴(yán)重度數(shù)大時(shí),就應(yīng)引起特別重視。柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)(見表4)。
表4 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)FMEA分析表
對(duì)某種故障模式的后果及出現(xiàn)概率的綜合度量稱為危害度[4]。
產(chǎn)品的危害度Cr是指產(chǎn)品在某一嚴(yán)酷度類別下各故障模式危害度Cmj的總和,計(jì)算公式如下
其中n是該產(chǎn)品在相應(yīng)嚴(yán)酷度類別下故障模式數(shù)。
查相關(guān)手冊(cè)或參考資料可得到λp(106h失效次數(shù),見表5)。
表5 柴油機(jī)燃油系統(tǒng)元件失效率
根據(jù)使用輸出數(shù)據(jù)和產(chǎn)品功能可得出產(chǎn)品故障模式頻數(shù)比dj;表示產(chǎn)品將以故障模式j(luò)發(fā)生故障的百分故比。如果列出的某產(chǎn)品所有故障模式,則所有這些故障模式對(duì)應(yīng)的dj總和等于1
故障影響概率βj可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到的,它是產(chǎn)品以故障模式j(luò)發(fā)生故障而導(dǎo)致系統(tǒng)任務(wù)喪失的條件概率,一般可根據(jù)表6確定。
表6 故障影響概率
工作時(shí)間t可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到,以該產(chǎn)品每次任務(wù)的工作小時(shí)數(shù)表示。燃油系統(tǒng)按每天工作16 h,1年工作256 d,即4096 h。
由FMEA分析表的分析結(jié)果和上述計(jì)算公式,得到該產(chǎn)品的II、III、IV類嚴(yán)酷度的危害度分別為
CrⅡ=0.0080542;
CrⅢ=0.01910647;
CrⅣ=0.0118036。
從而可得到:該柴油機(jī)燃油系統(tǒng)III類嚴(yán)酷度類別的危害度最大,IV類次之,II類非常小。
(1)通過FMEA的分析結(jié)果,得知柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式危害性最大的是噴油器,而后是噴油泵、輸油泵、溢流閥、燃油濾清器、油管、油箱。
(2)通過產(chǎn)品危害度分析得出,III類嚴(yán)酷度類別的危害度最大,應(yīng)該重點(diǎn)防范;IV類危害度次之,需要定期進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)。
(3)通過FMEA分析,找到了柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和潛在弱點(diǎn),為接下來的操作、檢修和維護(hù)過程中改進(jìn)措施,防止或減少故障的發(fā)生提供依據(jù)。
[1]王文山,高曉波,髙 武,馮 岐.柴油發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[2]Relex Software Co&Intellect,Reliability.A practitioner’s guide[M].Beijing:Intellect and Relex Software Corporation,2003.
[3]吳德銘,李守仁,王 善,等.艦船產(chǎn)品可靠性工程可靠性設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1995.
[4]Beveling C E.An introduction to reliability and maintainability engineering[M].Massachusetts:McGraw-Hill Companies,Inc,1997.