基于FTA原理的MAN B＆W 50－90MC主機電氣操縱系統(tǒng)故障停車研究

劉建安

(福建船政交通職業(yè)學院，福建福州 350007)

基于FTA原理的MAN B＆W 50－90MC主機電氣操縱系統(tǒng)故障停車研究

劉建安

(福建船政交通職業(yè)學院，福建福州 350007)

文章對于船舶MAN B＆W 50-90MC主機電氣操縱系統(tǒng)故障停車問題，利用故障樹分析 (FTA)原理進行定性和定量的可靠性分析，得出關于故障停車的底事件的重要度排序，明確此系統(tǒng)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)，提出預防性建議，幫助船舶輪機管理和航運公司機務管理人員能迅速、可以準確利用系統(tǒng)的故障現(xiàn)象定位故障源并提出解決方案，從而使系統(tǒng)故障可以迅速排除并恢復系統(tǒng)正常功能。

故障樹分析原理;故障停車;MAN B＆W 50-90MC主機電氣控制系統(tǒng);頂事件;底事件;結構重要度;最小割集

目前，大型遠洋商船的主動力裝置——船舶柴油主機，是船舶動力的核心，而船舶主機的遙控系統(tǒng)從其控制模式來看主要可分為兩大主流:一類是以MAN B＆W機型為典型代表的氣動或電-氣操縱遙控系統(tǒng)，約占市場份額的70%;另一類是以SULZER機型為典型代表，還包含UEC、MARK等機型的電-氣或電-氣-液操縱遙控系統(tǒng)，約占市場份額的30%。在船舶專業(yè)技術人員的日常維護管理工作中，MAN B＆W 50-90MC氣動控制系統(tǒng)的故障率最高，也是船上輪機管理工作的重點，其中，系統(tǒng)的突發(fā)故障停車——這一故障造成的船舶海損、機損影響最為深廣，產生的后果最為嚴重。假想一下，在船舶關鍵或臨界操作 (如船舶在靠、離碼頭，狹窄水域或霧天航行等)時，發(fā)生船舶主機系統(tǒng)的突發(fā)故障停車，此時可能會發(fā)生無法預料的不良后果。筆者曾在多艘MAN B＆W機型的船舶上工作，遇到過多起類似事件，本文就此問題利用FTA原理研究MAN B＆W 50-90MC主機電氣操縱系統(tǒng)故障停車的故障排除和解決方案。

1 FTA原理

FTA［1］是故障樹分析原理方法的英文簡稱，是一種目前在航空、航天、機械工程、自動控制、大型高效計算機系統(tǒng)等領域廣泛使用的圖形演繹分析方法，其特點是將系統(tǒng)故障原因進行定性的分析，采用倒型樹狀來表示和描述系統(tǒng)故障的因果關系，層層遞進逐漸展開，進行可靠性分析，利用邏輯符號從系統(tǒng)到部件再到零件，自上而下找出導致該故障失效 (即為頂部事件)的各個方面的原因，并定量計算出各主要原因的發(fā)生概率，然后采用相應的解決方案來實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化。

FTA方法首先將工程系統(tǒng)根本故障作為演繹圖形的“頂部事件”，用明確的邏輯符號表示導致上一層事件的所有主要原因 (作為“中間事件”)，層層深入展開直到找出故障的所有最原始的直接原因 (作為“底部事件”)，并計算出事故發(fā)生的概率，找出最小割集，進行結構重要度分析，最終實現(xiàn)工程系統(tǒng)故障的準確、高效的排查和解決，避免憑主觀經驗和臆斷解決問題的盲目性。

2 MAN B＆W 50－90MC主機系統(tǒng)故障停車基于FTA方法的建立

如圖1所示為MAN B＆W 50-90MC主機電/氣操縱系統(tǒng)氣路原理圖。MAN B＆W 50-90MC主機電/氣操縱系統(tǒng)［2-3］，此系統(tǒng)為電氣混合遙控，從駕駛臺到集中控制室為SIMOS RCS51微機控制系統(tǒng)，而集中控制室采用MAN B＆W 50-90MC標準氣動控制系統(tǒng)和SIMOS SUN51安保系統(tǒng)。

2.1 MAN B＆W 50－90MC 主機電/氣操縱系統(tǒng)運行工況分析

2.1.1 集控運行工況

2.1.1.1 啟動前停車工況

A:手動切斷控制空氣供給閥 (1)下位通，控制空氣過閥 (1)后分為2路:一路至正車換向控制閥 (10)和倒車換向控制閥 (11)輸入端等待;另一路通過儲氣瓶 (20)后分為3路:第一路:至盤車機嚙合裝置的二位三通閥 (115)輸入端，盤車機脫開時導通，至二位三通閥 (33)輸入端等待。第二路:至二位五通閥 (27)輸入端等待，以控制主啟動閥的開啟;通往二位三通閥 (38)和 (25)的輸入端，以控制停油;此外，控制空氣還通往汽缸油系統(tǒng)和TCS系統(tǒng)。第三路:控制空氣至REMOTE/LOCAL CONTROL轉換閥 (100)、VIT調節(jié)機構的閥 (52)和(53)輸入端等待。

B:REMOTE/LOCAL CONTROL轉換閥 (100)手動處于REMOTE位置，控制空氣進入集控室控制臺，經過儲氣瓶 (74)后通過ERC-BRC轉換閥 (80)，到達啟動閥 (63)和停車閥 (64)的輸入端。此時，閥 (64)導通，控制空氣經過速放閥 (58)后分2路:一路過節(jié)流止回閥 (69)到車鐘 (70)待命;另一路經雙向止回閥 (85)到二位三通閥 (38)的控制端，導通閥 (38)，控制空氣經雙向止回閥 (23)再分2路:一路到二位三通閥 (117)的控制端，使空氣分配器工作;另一路導通二位三通閥 (25)，控制空氣經雙向止回閥 (128)打開各缸燃油泵上的泄放閥，高壓油泵停止供油。

圖1 MAN B＆W 50－90MC主機電/氣操縱系統(tǒng)氣路原理圖

2.1.1.2 主機正車運行工況

A:車鐘手柄放在AHEAD位置，控制空氣至雙向止回閥 (87)和 (29)，導通二位三通閥(10)，于是控制空氣通過閥 (10)后分為2路:一路經各缸的手動閥 (9)至燃油泵凸輪換向汽缸(13)進行正車換向;另一路經二位三通閥 (14)至空氣分配器的換向汽缸 (57)，進行空氣分配器凸輪換向，當空氣分配器的換向汽缸 (57)換向到位后，連鎖閥 (55)導通，控制空氣通過該閥并經雙向止回閥 (50)向二位三通閥 (37)供氣，為主機啟動做準備。

B:調速手柄從STOP位推到START位，閥(64)繼續(xù)導通，與上述相同，一路去使空氣分配器工作;另一路去使高壓油泵停止供油。但此時，啟動閥 (63)導通，控制空氣經閥 (91)導通閥(37)，控制空氣再經閥 (37)和閥 (31)去導通閥 (33)，再經閥 (33)分別導通閥 (26)、(14)、(15)和 (27)，二位三通閥 (26)導通后使空氣分配器工作;二位三通閥 (14)和 (15)導通后鎖住氣路保證不執(zhí)行換向操作;二位五通閥(27)導通后，主機啟動閥和慢轉閥開啟，柴油機進行空氣啟動。

C:調速手柄從START位推到適當的轉速設定位置，此時，停車閥 (64)復位，停車氣路各閥控制空氣泄放，空氣分配器凸輪脫離，各缸高壓油泵上部泄放閥關閉，主機供油。同時，啟動閥(63)復位，啟動氣路各閥控制空氣泄放，主機啟動閥和空氣分配器因單向節(jié)流閥 (32)延遲1 s泄放，使啟動位置汽缸實現(xiàn)油氣并進啟動1 s，主機經啟動后投入持續(xù)運行工況。

2.1.1.3 主機倒車運行工況

主機倒車啟動到運行與主機正車啟動運行過程完全相同。

2.1.2 駕控運行工況

在駕駛臺控制情況下，主機的換向、啟動和調速信號是由駕駛臺車令給出，操作過程的控制邏輯命令和程序都是通過SIMOS RCS51計算機控制系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)的輸出通過控制二位三通電磁閥(84)、(86)、(88)、(90)和調速器系統(tǒng)配合實現(xiàn)各種控制操作，其換向、啟動和調速程序與集控室控制完全相同。

2.2 主機運行(包括“駕控”、“集控”)中故障停車故障樹的建立

故障樹的建立邊界為主機從正常啟動到運行一段時間，或在正常運行過程中，不考慮環(huán)境的影響，不考慮系統(tǒng)電源故障，不考慮微機系統(tǒng)故障，各個管路和電路的連接工作正常，分析到閥件(含電氣方面)的故障因素 (最終只考慮到機構或閥件故障為系統(tǒng)底事件)。參照文獻［4］并結合實船工作經驗列出如圖2所示的故障樹圖和表1所示的事件說明表。

圖2 MAN B＆W 50－90MC主機運行中故障停車故障樹圖

表1 故障樹事件符號說明

2.3 運行主機故障停車故障樹定性和定量分析［5］

2.3.1 最小割集分析

根據故障樹分析圖可得結構函數的布爾代數表達式:T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+B3+B5+B6+B8+B10+B11由上式可知共有18個最小割集，表示主機從正常啟動到運行一段時間，或在正常運行過程中可能導致故障停車的途徑有18種。

2.3 .2 最小徑集和結構重要度分析

由上述表達式，根據對偶原理可得出此故障樹的最小徑集有7個，分別是:

結構重要度是指一個最小割集或基本事件對頂事件影響的重要程度。由上述表達式根據近似判別可得:①X2，X3，X4，X5，X6既在 P1最小徑集內，又在P6最小徑集內，其結構重要度相等并且要大于 X1。②最小徑集 P2中含有 B3，X7，B5，X134個基本事件;最小徑集 P4中含有 B8，X11，X123個基本事件，結構重要度I(P2) ＜I(P3)。③最小徑集P3中的B6，X9以及最小徑集P5中的B10，B11和最小徑集P7中的X8，X10結構相似，都是在由2個基本事件組成的最小徑集內，結構重要度應相等。

它們的結構重要度大致數值為:

所以可得出:I(B6) = I(X9) = I(B10)=I(B11) =I(X8) =I(X10) ＞I(X2) =I(X3)=I(X4)=I(X5)=I(X6) ＞I(B8)=I(X11) =I(X12) ＞I(B3) =I(X7) =I(B5) =I(13) ＞I(X1)。

從以上分析可以得出。

1)此主機電氣遙控操縱系統(tǒng)運行中故障停車的主要可能性故障源，首先可能出現(xiàn)在機構傳動系統(tǒng)和一些保護裝置上，如操縱機構、安全保護系統(tǒng)和錯向保護裝置的故障，然后可能是停車系統(tǒng)和安保系統(tǒng)的控制閥件故障，如集控停車閥64，駕控停車閥84，機旁停車閥102和安全保護系統(tǒng)停車電磁閥127等，它們可能出現(xiàn)閥門卡阻、線圈燒蝕等導致的故障從而引起系統(tǒng)故障停車。船舶輪機管理和航運公司機務管理人員 可以參照此結構重要度大小進行優(yōu)先檢查故障源，從而迅速、準確地排除故障和恢復系統(tǒng)正常運行。

2)此系統(tǒng)中關于停車控制的關鍵氣動閥件(如閥64、閥84、閥102和閥38等)功能失效也是主機運行中突發(fā)故障停車的重要原因之一，因此在平時的管理維護過程中也必須定期重點關注，這能有效減少主機故障停車的可能性，盡可能避免重大航運安全事故的發(fā)生。

3 結束語

本文應用FTA方法對MAN B＆W 50-90MC系統(tǒng)的主機運行停車故障進行定性和定量分析，發(fā)現(xiàn)了此系統(tǒng)的可能性薄弱環(huán)節(jié)，證明FTA的確是此故障定位和判別的一種高效方法，并提出預防性建議，這能幫助船上輪機管理和公司岸基機務管理人員對此故障現(xiàn)象進行快速分析和判斷，迅速找出故障源的現(xiàn)場位置，高效解決問題和恢復系統(tǒng)正常，從而保證船舶的安全營運。

［1］冒天誠.故障樹與船舶自動控制系統(tǒng)的故障診斷［M］.大連:大連海事大學出版社，2000.

［2］初忠.輪機自動化 ［M］.大連:大連海事大學出版社，2006.

［3］杜榮銘.船舶柴油機［M］.大連:大連海事大學出版社，2005.

［4］樊運曉，羅云.系統(tǒng)安全工程 ［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.

［5］王韶印.故障模式和影響分析 (FMECA)［M］.廣州:中山大學出版社，2003.

Based on FTA theory，qualitatively and quantitatively，this article defines the concept of the faultshut-down for MAN B＆W 50-90 MC main engine electric-pneumatic remote control system，obtains the importance degree rank of the root event for the shut-down of main engine，knows about the weak links of system reliability and puts forward preventative proposal，which can offer the help for the ship engineers and the shipping company marine engine managers to locate the fault and resolve the problem quickly，and get the system back to its normal function accordingly.

failure tree analysis(FTA)theory;fault of shut-down;MANB＆W50-90 MC main engine control system;top event;root event;structural importance degree;minimum cutest

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.04.015

劉建安 (1977-)，男，安徽合肥人，高級輪機長，學士，主要從事船舶輪機工程方面的教學和研究工作。

2015-04-28