船用開關(guān)故障模式及失效分布研究

譚登洪

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船用開關(guān)故障模式及失效分布研究

譚登洪

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文通過對船用開關(guān)在使用中的故障調(diào)查和型式試驗中的壽命試驗以及可靠性機械壽命試驗所獲得的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸納，并通過故障數(shù)分析，得出了船用開關(guān)的主要故障模式。采用隨機截尾模型和可靠度函數(shù)圖形擬合法對船用開關(guān)的失效分布進(jìn)行了研究，得出其壽命服從于雙參數(shù)指數(shù)分布，并分別用圖檢驗法和K—S檢驗法得到證明。船用開關(guān)的平均無故障工作次數(shù)和失效率不僅和船用開關(guān)的制造水平有關(guān)，而且與使用環(huán)境和維護保養(yǎng)有關(guān)。

船用開關(guān) 故障模式 故障樹分析

0 引言

在開展船用開關(guān)可靠性工作過程中，由于缺少有關(guān)基礎(chǔ)資料，如船用開關(guān)典型故障模式和失效分布類型，給可靠性工作帶來許多困難。本文就是期望通過對船用開關(guān)運行情況進(jìn)行調(diào)研和開展必要的機械壽命試驗，在此基礎(chǔ)上通過歸納、分析研究，獲得其故障模式和失效分布類型。

1 船用開關(guān)的功能及故障定義

船用開關(guān)包含船用斷路器(俗稱自動開關(guān))和船用轉(zhuǎn)換開關(guān)(俗稱非自動開關(guān)),均為可修復(fù)的產(chǎn)品。

1.1 船用斷路器的功能及故障定義

船用斷路器的主要功能是：保護電力推進(jìn)設(shè)備（蓄電池組、充電發(fā)電機、推進(jìn)電動機等）免受過電流的危害，以及對電路進(jìn)行不頻繁的接通和斷開。

當(dāng)斷路器出現(xiàn)下列情況之一時即為故障：

1） 電動或手動操作時斷路器不閉合；

2） 電動或手動操作時斷路器斷不開；

3） 當(dāng)流經(jīng)斷路器的電流超過過電流脫扣器

動作電流整定值以上時斷路器不能自動分?jǐn)?帶有延時動作者延時超過整定延時后)；

4） 誤動斷開。

1.2船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的功能及故障定義

船用轉(zhuǎn)換開關(guān)僅具有轉(zhuǎn)換電路(接通和分?jǐn)?的功能。

用連桿傳動機構(gòu)操作時, 轉(zhuǎn)換開關(guān)不能接通和分?jǐn)嚯娐芳礊楣收稀?/p>

2 船用開關(guān)的故障模式及其分析

2.1船用斷路器的故障模式及其分析

根據(jù)斷路器的故障定義，從我國船用斷路器的水平來看,手、電動操作不斷開和過電流時拒動問題已基本上解決了。誤動斷開問題也比較少，我們在調(diào)研中僅發(fā)現(xiàn)DW9-442斷路器出現(xiàn)過一次誤動斷開，那是因為短路脫扣器整定值偏小而引起的，還有二次是發(fā)生在ZDW4-21斷路器沖擊試驗過程中，是分勵脫扣器銜鐵未校平衡和掣子間隙偏大引起的。因此，斷路器的主要故障是手動不閉合和電動不閉合。

手動不閉合集中發(fā)生在D9-430系列斷路器中，其主要故障模式是自由脫扣機構(gòu)不又扣和又扣不可靠。其故障原因主要是制造缺陷引起的，其次是使用維護不當(dāng)，對轉(zhuǎn)動、摩擦部位未定期添加潤滑脂。

電動不閉合發(fā)生在DW9-440、ZDW2-31、ZDW2-71及ZDW4-21斷路器上，這幾種型號的路器均為電動機傳動。其主要故障模式是：

1）伺服電動機燒壞；

2）伺服電動機不轉(zhuǎn)；

3）傳動凸輪與滾子錯位；

4）電動離合銷脫落；

5）分勵脫扣器不又扣。

此外，滅弧罩破損在ZDW2-31、ZDW2-71和ZDW4-21斷路器機械壽命試驗中發(fā)生較多，其故障原因主要是這批陶土滅弧罩耐沖擊性能不合格所造成的。這點已被對比試驗所證實。

綜上所述，我們在分析研究船用斷路器的失效分布類型時，應(yīng)當(dāng)以斷路器不閉合故障為主來進(jìn)行。

我們根據(jù)多年來研究設(shè)計斷路器的經(jīng)驗以及從型式試驗和調(diào)研中獲取的可靠性數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行故障樹分析，可以知道：造成斷路器不閉合的主要原因是電動機燒壞和自由脫扣機構(gòu)不又扣。導(dǎo)致電動機燒壞的原因是減速器潤滑不良，從而引起電動機過載和電樞繞組過熱，縮短了電機絕緣壽命。導(dǎo)致自由脫扣機構(gòu)不又扣的原因是軸承缺潤滑脂，從而引起脫扣軸不復(fù)位。因此，在使用過程中定期在轉(zhuǎn)動及摩擦部位添加潤滑脂可減少故障的發(fā)生，延長伺服電機的使用壽命；提高斷路器的平均無故障工作時間。

2.2船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障模式及其分析

船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的傳動機構(gòu)較為簡單,它的傳動杠桿直接焊在觸頭軸上,可靠性較高；其弧觸頭燒傷和電磨損超標(biāo)問題是由誤操作引起的。由于其觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)與船用斷路器完全相同，因此對其進(jìn)失效分布研究就無必要了。

3 船用斷路器的失效分布研究

目前確定產(chǎn)品的失效分布類型的方法，一般是抽取一定數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗，從而獲取壽命試驗數(shù)據(jù)；或者在現(xiàn)場使用中收集失效數(shù)據(jù)，得到子樣觀察值，繪制可靠性函數(shù)圖形，與各種失效分布不同類型的可靠度函數(shù)圖形作比較，初步估計出其失效分布類型。然后用慨率紙?zhí)刂频淖鴺?biāo)紙作圖檢驗法和統(tǒng)計分析法進(jìn)行檢驗，如X2檢驗法、K-S檢驗法。

由于船用斷路器批量生產(chǎn)數(shù)量少，而且價格高，不可能投入很多臺斷路器進(jìn)行全壽命試驗，本研究所涉及的斷路器壽命試驗大部分是利用其型式試驗進(jìn)行的。因此，在壽命數(shù)據(jù)處理時，我們采用的是隨機有替換定操作次數(shù)截尾壽命試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

在現(xiàn)場使用中所收集的失效數(shù)據(jù)，由于缺乏失效前操作次數(shù)數(shù)據(jù)，僅僅只提供了一個大概使用時間，因此無法用來作失效分布研究。本文只對電動傳動的斷路器進(jìn)行失效分布研究。

3.1電動傳動斷路器的壽命試驗數(shù)據(jù)

電動傳動斷路器的壽命試驗數(shù)據(jù)匯總于表1。 有替換定操作次數(shù)截尾壽命試驗?zāi)Ｐ蛨D示如圖1。表1壽命試驗數(shù)據(jù)中未列入滅弧罩壽命試驗數(shù)據(jù)，理由是其產(chǎn)品本身質(zhì)量不合格。

3.2電動傳動斷路器的失效分布研究

3.2.1繪制斷路器的可靠度函數(shù)圖形

1） 可靠度函數(shù)計算

按下式進(jìn)行可靠度函數(shù)(t)計算，結(jié)果列于表2。

(t)=1-（-0.5）/n

式中：第個失效產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)（=1、2···）；

n—參加試驗產(chǎn)品的總數(shù)（n=n+）；—試驗產(chǎn)品數(shù)；—失效產(chǎn)品數(shù)。

2） 繪制可靠函數(shù)圖形

根據(jù)表2（t(t)）在直角坐標(biāo)紙上描點，繪制可靠度函數(shù)圖形示于圖2。從圖2可看出可靠度函數(shù)曲線近似為一條雙參數(shù)指數(shù)曲線，可初步估計電動傳動斷路器的壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布。

3.2.2 用圖檢驗法檢驗

用表2（t(t)）在單邊對數(shù)坐標(biāo)紙上的-()坐標(biāo)系描點，見圖3。從圖3可看出，所描各點近似呈一直線。故可以近似認(rèn)為電動傳動斷路器的壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布。

3.2.3 用K-S檢驗法檢驗

1）因子樣數(shù)據(jù)少，不宜用X2檢驗法。假設(shè)

理論分布函數(shù)FO(X)的函數(shù)類型為雙參數(shù)指數(shù)分布。

2）根據(jù)圖2和表1的數(shù)據(jù)，用最大似然法，

求出子樣為指數(shù)分布的平均無故障工作次數(shù)（MTBF）的估計值。

求出子樣的失效率：=1/（+）=1/（4.545×103+0.1×103）=0.225×10-3次。

式中—參數(shù)指數(shù)分布的位置參數(shù)，0.1×103次，將它作為總體的失效率的估計值。

3）總體的失效分布函數(shù)()假設(shè)為H：()=F（）=1-e-0.000225×(t-0.0001)

4）根據(jù)表2數(shù)據(jù)按式(t)=1-(t),計算出經(jīng)驗分布函數(shù)(t),其結(jié)果列于表3。

5）計算理論分布函數(shù)F(t)，所得結(jié)果亦列于表3。

6）計算理論分布函數(shù)與經(jīng)驗分布函數(shù)的差異度=┃(t)-F(t)┃，其結(jié)果亦列于表3。

8）選取顯著水平=0.05，由置信度：

=1-=1-0.05=0.95查《低壓電器可靠性技術(shù)》[1]表3, 可λ=0.95=1.36則否定域為λλ=1.36。

4 結(jié)論

1) 船用斷路器的主要故障模式：對于手動傳動的斷路器是手動不閉合和自由脫扣機構(gòu)不又扣；對于電動傳動的斷路器是電動不閉合和伺服電動機損壞；2) 船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障模式是弧觸頭電磨損超標(biāo)；3) 電動傳動斷路器的失效分布服從雙參數(shù)指數(shù)分布規(guī)律。其平均無故障工作操作次數(shù)與不同的使用環(huán)境及維護水平有關(guān)。

[1] 陸儉國.低壓電器可靠性技術(shù).機械工業(yè)出版社，1986.

Research on Failure Type and Distribution of Marine Switch

Tan Denghong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM564

A

1003-4862（2015）01-0061-04

2014-09-03

譚登洪(1964-)，男，高級工程師。研究方向：電氣工程。