船舶柴油機(jī)故障實例統(tǒng)計與FMECA分析

賈廣付

摘 要：船舶柴油機(jī)故障數(shù)占船舶重大機(jī)損事故總量的比例非常大。本文以船舶柴油機(jī)故障實例統(tǒng)計為基礎(chǔ)，進(jìn)行FMECA分析，以期提高船舶柴油機(jī)的可靠性。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī);故障;FMECA

中圖分類號：TD528.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0052-03

Statistics and FMECA Analysis of Marine Diesel Engine Failures

JIA Guangfu

（Qingdao Ocean Shipping Mariners College，Qingdao Shandong 266071）

Abstract： The number of diesel engine failures in ships accounts for a large proportion of the total major accidents. Based on the statistics of failure examples of marine diesel engines， this paper performs FMECA analysis to improve the reliability of marine diesel engines.

Keywords： marine diesel engine;failure;FMECA

根據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，船舶柴油機(jī)發(fā)生的故障數(shù)占船舶重大機(jī)損事故總量的比例超過40%。船舶柴油機(jī)是機(jī)艙的重要組成部分，一旦在海上發(fā)生故障，對航行安全就會產(chǎn)生非常大的影響。當(dāng)前，人們要全面了解引發(fā)船舶柴油機(jī)故障的各種因素，把各種因素的組合羅列出來，通過定性與定量的分析，盡快查明已發(fā)生故障的成因，同時預(yù)測將來可能發(fā)生的故障，提前做好準(zhǔn)備。

1 船舶柴油機(jī)故障特性

柴油機(jī)使用期間，一直承受負(fù)載和周圍環(huán)境共同復(fù)雜的綜合作用，設(shè)備的各個部件會遭受一定程度的損傷。隨著時間的推移，損傷的程度不斷加深，導(dǎo)致柴油機(jī)各部件的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，使得各部件不能維持正常工作的穩(wěn)定性，造成柴油機(jī)運轉(zhuǎn)時達(dá)不到正常的輸出功率，同時各部件會出現(xiàn)不能正常工作的情況。柴油機(jī)故障的引發(fā)因素包含磨損、疲勞、老化以及腐蝕等[1-2]，具有五大突出特性。

1.1 漸發(fā)性

柴油機(jī)的很多故障不是突發(fā)的，而是隨著運轉(zhuǎn)時間和里程的增加，由量變引起質(zhì)變的。因此，各個零部件的性能會逐步惡化，這些變化都是可以通過各種檢測設(shè)備進(jìn)行檢測的。柴油機(jī)故障發(fā)生的概率與設(shè)備行駛里程是正相關(guān)的，行駛的里程越多，故障發(fā)生的概率就越高。

1.2 耗損性

柴油機(jī)各部件的損壞程度是不可逆的，其損壞程度只能隨著時間的增長而不斷加劇，柴油機(jī)出現(xiàn)故障的概率越來越高。柴油機(jī)各部件的損壞一直存在，并且各部件的損壞程度差異很大，導(dǎo)致柴油機(jī)故障的分布隨著時間的增長而變得更加復(fù)雜。

1.3 模糊性

柴油機(jī)各部件不是僅存在正常與故障兩種工況，在現(xiàn)實的使用中，柴油機(jī)各部件受材料、制造工藝、使用工況以及環(huán)境因素等的綜合作用，其所有極限值、損傷程度、輸出功率以及故障判別的標(biāo)準(zhǔn)不是一成不變的，而是存在隨機(jī)性和離散性。

1.4 多樣性

柴油機(jī)部件復(fù)雜，材料各異，工作環(huán)境有著巨大的差異，導(dǎo)致零部件的故障機(jī)理千差萬別，其表現(xiàn)形式也就不同。在解析柴油機(jī)故障時，人們應(yīng)該采用不同的模型。

1.5 潛在性

柴油機(jī)在設(shè)計時就會保有相當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，保障足夠的裕度。這樣一來，當(dāng)設(shè)備使用損害程度達(dá)到極限時，柴油機(jī)再也不會立即發(fā)生故障，而是存在一定的過渡階段，即故障存在一定的潛在性。

2 船舶柴油機(jī)故障分布統(tǒng)計

利用故障樹進(jìn)行柴油機(jī)故障分析時，故障分布情況和各故障的發(fā)生率是分析的基礎(chǔ)。要想獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，人們需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)調(diào)研。筆者通過收集網(wǎng)絡(luò)資料、研究專業(yè)期刊、整理某航運公司資料和對來青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院培訓(xùn)的大管輪和輪機(jī)長進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)出船舶柴油機(jī)故障實例500例，這些事故實例數(shù)據(jù)為下面研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 按柴油機(jī)故障性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計分析

按照故障性質(zhì)，本文把船舶柴油機(jī)故障分為設(shè)計故障、疲勞故障、磨損故障、腐蝕故障以及人為故障五種。在分析具體事故案例時，可能牽扯不止一種故障分類，包含兩種甚至多種，本文為了研究人為因素在預(yù)防故障方面的重要作用，按主要因素和綜合故障因素，對具體故障性質(zhì)進(jìn)行分類，最后進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表1、表2所示。

通過表1和表2分析可知，在致使船舶柴油機(jī)故障的因素中，按性質(zhì)劃分，比例最高的為疲勞故障，其次為人為故障，再次為磨損故障，最后為設(shè)計和腐蝕故障。從綜合故障性質(zhì)來看，占比最大的為人為因素，高達(dá)84%，從數(shù)量來看，人為因素引發(fā)的故障也超過了一半，因為除了設(shè)計、制造工藝以及一些偶然因素外，其他故障基本都可以通過提前檢修進(jìn)行防范。這些人為因素包含檢修不詳細(xì)、維修保養(yǎng)不到位、輪機(jī)人員管理失責(zé)以及操作失誤。

降低事故數(shù)量的有效方法就是減少人為因素導(dǎo)致的故障，當(dāng)前，人們要積極研究船舶柴油機(jī)故障的引發(fā)因素。輪機(jī)員要不斷學(xué)習(xí)，提高自身專業(yè)素質(zhì)，同時根據(jù)設(shè)備說明書和公司體系文件的要求，結(jié)合實際情況，合理制定與實施維修保養(yǎng)計劃，及時進(jìn)行維修保養(yǎng)。故障樹分析法是一種有效的故障定性定量分析方法，可以提升輪機(jī)員的故障診斷和解決能力，因此輪機(jī)員應(yīng)該掌握這種方法。

2.2 按柴油機(jī)故障系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計分析

柴油機(jī)主要系統(tǒng)組成如表3所示，人們可以按柴油機(jī)故障系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中，操縱系統(tǒng)的故障發(fā)生率最高。伴隨船舶柴油機(jī)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，自動控制技術(shù)在船舶柴油機(jī)中的使用已經(jīng)非常普遍，故障率也隨之提高，因此輪機(jī)員培訓(xùn)應(yīng)該更加注重自動化控制技術(shù)。燃油系統(tǒng)和換氣系統(tǒng)的故障率也挺高，這也是船舶柴油機(jī)一直以來發(fā)生故障較多的系統(tǒng)，輪機(jī)員要多總結(jié)以前的故障經(jīng)驗，做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。

2.3 按故障部件類型進(jìn)行統(tǒng)計分析

設(shè)備零部件分為固定件、運動件、附屬件以及精密儀器，人們可以按故障部件類型進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可以看出，故障主要集中在精密器件和運動件上，由于精密器件構(gòu)造比較復(fù)雜，精密度比較高，而機(jī)艙的工作環(huán)境差，震動大，溫度高，因此故障發(fā)生率高。而運動件一直相互作用，所以其故障率比固定件和附屬件高。輪機(jī)員在維修保養(yǎng)時要特別重視精密器件和運動件，同時不能忽視固定件與附屬件的維修保養(yǎng)。

3 船舶柴油機(jī)故障模式、影響和危害性分析（FMECA）

3.1 FMECA含義

故障模式及影響分析（FMEA）是指通過解析設(shè)備中故障發(fā)生的位置和原因，確定不同故障模式對產(chǎn)品功能的影響程度，從而識別產(chǎn)品中最需要改良的部件并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。它是一種由下向上的分析方法，屬于產(chǎn)品故障的事前預(yù)防技術(shù)手段。通過對產(chǎn)品各階段實施持續(xù)反復(fù)的FMEA分析，人們可以制定可行的預(yù)防性改進(jìn)措施，有效提升產(chǎn)品可靠性，使產(chǎn)品逐步趨于最佳。

危害性分析（CA）是FMEA工作的擴(kuò)張和深化，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及其可靠性參數(shù)的獲取情況，CA可以是定量分析或定性分析。CA定量分析時用到的事故數(shù)據(jù)可以通過試驗來取得，其可以采用系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，定性分析則不需要具體的故障率數(shù)據(jù)。有計劃、有目的地積累故障信息，是有效開展FMECA工作的基本保障。

3.2 故障等級劃分

危害度是指產(chǎn)品故障后果的嚴(yán)重程度，危害度分析的目的是盡量消除危害程度高的故障模式，盡量減少它的發(fā)生率。人們要做好故障危害度分析，明確故障嚴(yán)重程度和故障發(fā)生率。故障危害度劃分標(biāo)準(zhǔn)如表5所示，故障發(fā)生率等級劃分如表6所示。

各底事件的故障發(fā)生率是影響后面故障樹分析結(jié)果是否準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，現(xiàn)在比較常用的方法有三種，即實驗測定法、經(jīng)驗取值法以及數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計法。

實驗測定法需要以可靠性原理為基礎(chǔ)，通過各元件實驗測試來分析故障間隔，所得到的實驗數(shù)據(jù)具有一定的說服性。實際應(yīng)用受到工作環(huán)境的影響，如溫度、腐蝕以及震動等，因此實驗數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修正。數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計法需要建立大型事故的數(shù)據(jù)庫，以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來計算底事件的故障率，成本較高，適用于大企業(yè)或政府部門。經(jīng)驗取值法依據(jù)歷史的研究數(shù)據(jù)，同時對使用單位進(jìn)行調(diào)研，獲得各底事件故障率的估計值，受人為因素影響較大[3-4]。根據(jù)難易程度，故障檢測分為5個等級，如表7所示。

4 船舶柴油機(jī)故障FMECA分析

本研究對計算結(jié)果精度要求稍低，因此采用經(jīng)驗取值法。經(jīng)驗數(shù)據(jù)的主要來源包含前人的研究成果、某航運公司內(nèi)部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)、設(shè)備說明書以及對船舶輪機(jī)員的訪談?wù){(diào)研。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，整理歸納出船舶柴油機(jī)的部分故障類型，然后采用FMECA法對船舶柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行故障分析，結(jié)果如表8所示。

曲軸連桿機(jī)構(gòu)故障主要表現(xiàn)為連桿機(jī)構(gòu)故障、曲軸故障和主軸承故障。其中，連桿機(jī)構(gòu)故障主要表現(xiàn)為連桿斷裂、連桿螺栓斷裂、連桿大端軸承故障;曲軸故障主要表現(xiàn)為曲軸斷裂、曲軸紅套滑移、曲軸裂紋;主軸承故障主要表現(xiàn)為主軸承燒蝕、主軸承腐蝕、軸瓦劃傷。

柴油機(jī)故障種類非常多，并且產(chǎn)生故障的原因非常復(fù)雜，故障原因通常不止一項，同時故障影響的系統(tǒng)又不止一個。通過對船舶柴油機(jī)的FMECA分析，人們能夠?qū)Σ裼蜋C(jī)故障產(chǎn)生的原因、發(fā)生頻率、檢測難易程度有比較清楚的認(rèn)識。但是，僅僅采用FMECA分析法無法精準(zhǔn)對故障進(jìn)行定量分析。所以，在進(jìn)行FMECA分析的基礎(chǔ)上，人們需要繼續(xù)進(jìn)行故障樹分析，從而更好地制定維修保養(yǎng)計劃，提高船舶柴油機(jī)的可靠性。

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