基于故障樹的波浪能發(fā)電水壓傳動系統(tǒng)可靠性分析

劉 華，王維俊，毛龍波，米紅菊

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系，重慶 401331；2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100166)

0 引言

水壓傳動系統(tǒng)是波浪能發(fā)電裝置中的能量轉(zhuǎn)換部件。它直接將海水作為力矩傳遞介質(zhì)，其主要功能是把能量捕獲裝置吸收的波浪能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)動能傳遞給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境友好和成本低等優(yōu)勢，在振蕩浮子式[1](AquaBuOY)和收縮波道式[2](Wave Dragon)波浪能電站中得到了廣泛的應(yīng)用。水壓傳動系統(tǒng)的工作部件主要位于水下，長期受到波浪和洋流載荷的侵蝕，其可靠性面臨著巨大的考驗。

波浪能源行業(yè)目前還處于商業(yè)化前階段，對其進(jìn)行可靠性研究的工作仍缺乏足夠的案例和數(shù)據(jù)支撐[3]?？紤]到波浪能發(fā)電裝置的運(yùn)行環(huán)境和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)有諸多相似之處，兩者具有相同的外部環(huán)境載荷(極端風(fēng)浪、高溫、高濕、高鹽霧)和故障后果(無人員傷亡風(fēng)險、環(huán)境污染較小)[4]。因此，可以利用豐富的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)來評估波浪能發(fā)電裝置的可靠性。本文通過收集分析海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)部件的故障信息，類比得到了波浪能發(fā)電水壓傳動系統(tǒng)主要部件的故障數(shù)據(jù)，采用故障樹分析法尋找水壓傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和薄弱環(huán)節(jié)，對水壓傳動系統(tǒng)的實海況運(yùn)行和技術(shù)改進(jìn)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 故障樹模型建立

故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種分析可靠性和安全性的有效方法，由于其辨識關(guān)鍵部件和故障原因的可行性，已被廣泛應(yīng)用于可再生能源行業(yè)[5]。故障樹是一種由事件和邏輯門兩種類型的節(jié)點組成的圖形化設(shè)計方法，故障及其原因之間的邏輯連接用圖形表示，如圖1所示。

FTA本質(zhì)上是“自上而下”的演繹法，從頂事件(系統(tǒng)故障)開始，層層深入分析子系統(tǒng)、部件及零件的故障，以確定頂事件的根本原因[6]。對故障分析時，該方法能考慮人和環(huán)境因素相互組合對頂事件的影響，既可定性分析，又可定量分析。

1.1 水壓傳動系統(tǒng)

水壓傳動系統(tǒng)按照其功能特點可以分為導(dǎo)流系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和齒輪箱等四個部分，其任務(wù)剖面如圖2 所示。

圖1 故障樹基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of fault tree圖2 水壓傳動系統(tǒng)任務(wù)剖面Fig.2 Mission profile of water hydraulic drive system

導(dǎo)流系統(tǒng)的功能是把具有一定勢能和動能的海水引導(dǎo)進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)；葉片系統(tǒng)負(fù)責(zé)把海水的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；傳動系統(tǒng)和齒輪箱則起到傳遞轉(zhuǎn)矩和增速的作用，以提高系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。表1列出了組成水壓傳動系統(tǒng)的四個子系統(tǒng)及其代碼，可以認(rèn)為這是一個典型的串聯(lián)系統(tǒng)，其故障樹如圖3所示。

表1 水壓傳動系統(tǒng)基本組成

圖3 水壓傳動系統(tǒng)故障樹Fig.3 Fault tree of water hydraulic drive system

1.2 導(dǎo)流系統(tǒng)

導(dǎo)流系統(tǒng)的作用是把波浪能捕獲裝置得到的能量以海水動能和勢能的形式引導(dǎo)進(jìn)入水壓傳動系統(tǒng)，主要由過濾支架、導(dǎo)流罩、導(dǎo)流支架、導(dǎo)流葉片、支撐軸承和外部筒體等部件組成。導(dǎo)流系統(tǒng)是水壓傳動系統(tǒng)中直接遭受波浪和環(huán)境荷載的部件，所面臨的失效模式和故障原因與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的支撐平臺類似，主要是由機(jī)械應(yīng)力和材料退化所引起的。導(dǎo)流系統(tǒng)的主要事件、代碼及故障率信息如表2所示[5,7-9]，其故障樹模型如圖4所示。

表2 導(dǎo)流系統(tǒng)故障主要事件

1.3 葉片系統(tǒng)

葉片系統(tǒng)是水壓傳動系統(tǒng)的核心部件，通過水輪機(jī)把海水的動能和勢能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)能量，主要由轉(zhuǎn)子輪轂、轉(zhuǎn)子葉片、葉片軸承、輪轂軸承和限位開關(guān)等部件組成。轉(zhuǎn)子輪轂由鑄鐵制成，在葉片轉(zhuǎn)動時將葉片固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，它所承載的重載會導(dǎo)致間隙松動和表面粗糙度等故障。轉(zhuǎn)子葉片通過葉片軸承和限位開關(guān)連接到輪轂上，其故障模式主要由葉尖腐蝕和表面損傷組成。軸承用于承受各種力和載荷，可能因點蝕、磨損和潤滑失效產(chǎn)生過熱而損壞。

葉片系統(tǒng)主要遭受由于波浪的隨機(jī)性而產(chǎn)生的疲勞荷載以及高溫、高濕、高鹽霧等海洋環(huán)境造成的材料腐蝕，與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的失效模式和故障原因類似，但由于海水的密度是空氣的800倍左右，波浪能發(fā)電葉片系統(tǒng)的工作環(huán)境比風(fēng)力發(fā)電機(jī)更為惡劣。葉片系統(tǒng)的主要事件、代碼及故障率信息如表3所示[5，7-12]，其故障樹模型如圖5所示。

圖4 導(dǎo)流系統(tǒng)故障樹Fig.4 Fault tree of guide system圖5 葉片系統(tǒng)故障樹Fig.5 Fault tree of blade system

表3 葉片系統(tǒng)故障主要事件

Tab.3 Main event of blade system failure

中間事件代碼基本事件代碼故障率/h-1基本事件代碼故障率/h-1結(jié)構(gòu)故障g201葉片表面損傷e2014.20×10-5葉片軸承磨損e2094.16×10-5葉片軸承損壞g202葉片斷裂e2021.26×10-6葉片軸承點蝕e2101.80×10-5輪轂軸承損壞g203葉尖腐蝕e2036.00×10-5葉片劣質(zhì)潤滑油e2111.80×10-6葉片結(jié)構(gòu)損壞g204輪轂斷裂e2042.74×10-5葉片潤滑油變質(zhì)e2121.44×10-6輪轂損壞g205異常振動e2052.14×10-6輪轂軸承磨損e2136.93×10-6限位開關(guān)損壞g206螺栓斷裂e2063.00×10-5輪轂軸承點蝕e2143.00×10-6潤滑異常g207材料疲勞e2071.10×10-5輪轂劣質(zhì)潤滑油e2151.80×10-6變槳失效g208限位槽銹蝕e2083.23×10-5輪轂潤滑油變質(zhì)e2161.44×10-6

1.4 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)是水壓傳動系統(tǒng)中的力矩傳遞部件，把水輪機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能通過萬向節(jié)和動密封從海水環(huán)境傳遞到無水的發(fā)電艙內(nèi)，主要由傳動軸、萬向鉸、萬向塊、回轉(zhuǎn)密封和離合器等部件組成。利用萬向節(jié)的工作原理，可以消除由于波浪的隨機(jī)性造成的傳動軸位置誤差和方向誤差的影響。傳動系統(tǒng)主要受到扭轉(zhuǎn)荷載、阻水密封和惡劣運(yùn)行環(huán)境的影響，與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸以及水下航行器動密封的故障模式類似。傳動系統(tǒng)的主要事件、代碼及故障率信息如表4所示[5，8-10，13]，其故障樹模型如圖6所示。

表4 傳動系統(tǒng)故障主要事件

1.5 齒輪箱

齒輪箱的作用是將大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為小轉(zhuǎn)矩，將主軸的低速轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的高速，主要由齒輪和軸承等部件組成。齒輪箱故障是增速系統(tǒng)中最典型的故障之一，會導(dǎo)致較長的停機(jī)時間。在齒輪箱中，最不希望發(fā)生的故障類型是齒輪裂紋，因為它經(jīng)常導(dǎo)致齒輪單元的其它嚴(yán)重故障，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的故障。齒輪箱在水壓傳動系統(tǒng)中位于無水的發(fā)電艙內(nèi)，其失效模式和故障原因與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪機(jī)構(gòu)類似，主要威脅是三高環(huán)境(高溫、高濕、高鹽霧)對齒輪箱的侵蝕作用。齒輪箱的主要事件、代碼及故障率信息如表5所示[5，8-10，14-16]，其故障樹模型如圖7所示。

圖6 傳動系統(tǒng)故障樹Fig.6 Fault tree of transmission system圖7 齒輪箱故障樹Fig.7 Fault tree of gearbox

表5 齒輪箱故障主要事件

2 結(jié)果分析

故障樹中包含的基本事件對頂事件的影響程度可以用最小割集和重要度來衡量，伯恩鮑姆(Birnbaum)和富賽爾-費舍利(Fussell-Vesely)測度是兩種廣泛使用的重要度。當(dāng)故障樹中能夠直接引起系統(tǒng)故障的基本事件所占比例較大時，后者在區(qū)分基本事件重要度時更為敏感[17]。富賽爾-費舍利重要度計算公式為：

(1)

其中，I(i,t)表示基本事件i的重要度；P[Di(t)]表示至少有一個包含基本事件i的最小割集在t時刻失效的概率；P[C(t)]表示系統(tǒng)在t時刻失效的概率，n表示系統(tǒng)基本事件的總數(shù)量。

2.1 最小割集

系統(tǒng)的故障模式就是故障樹的割集，為了確定各個子系統(tǒng)的最小割集，本文采用“自頂向下”的矩陣分析法，從頂事件開始直至所有的邏輯門都得到求解，在此基礎(chǔ)上計算得到每個最小割集的故障率。水壓傳動系統(tǒng)的最小割集故障率排序如表6所示。

表6 最小割集故障率排序

Tab.6 Failure rate sorting of minimum cut sets

最小割集故障率/h-1基本事件集最小割集故障率/h-1基本事件集導(dǎo)流系統(tǒng)故障D14.07×10-5e109D115.00×10-6e103D21.30×10-5e116D125.00×10-6e108D31.10×10-5e104D133.00×10-6e112D41.00×10-5e110D143.00×10-6e117D58.65×10-6e107D153.00×10-6e118D67.00×10-6e106D162.14×10-6e105D77.00×10-6e115D171.80×10-6e113D86.93×10-6e111D181.44×10-6e114D96.00×10-6e101D197.80×10-11e119,e120D105.00×10-6e102葉片系統(tǒng)故障Y16.00×10-5e203Y92.14×10-6e205Y24.20×10-5e201Y101.80×10-6e211Y34.16×10-5e209Y111.80×10-6e215Y43.00×10-5e206Y121.44×10-6e212Y52.74×10-5e204Y131.44×10-6e216Y61.80×10-5e210Y141.26×10-6e202Y76.93×10-6e213Y153.55×10-10e207,e208Y83.00×10-6e214傳動系統(tǒng)故障C11.70×10-5e309C91.44×10-6e306C21.70×10-5e310C101.30×10-6e314C36.93×10-6e303C113.00×10-7e313C45.38×10-6e302C123.00×10-7e315傳動系統(tǒng)故障C53.00×10-6e301C132.40×10-7e311C63.00×10-6e304C142.40×10-7e316C73.00×10-6e312C153.84×10-8e307,e308C81.80×10-6e305齒輪箱故障B11.20×10-5e413B91.00×10-6e408B21.00×10-5e414B101.00×10-6e410B34.28×10-6e404B113.00×10-7e407B43.00×10-6e415B123.00×10-7e409B51.80×10-6e401B133.00×10-7e412B61.80×10-6e402B142.40×10-7e405B71.44×10-6e403B152.40×10-7e411B81.30×10-6e406

從表6可以看到，機(jī)械應(yīng)力和海洋環(huán)境腐蝕是造成導(dǎo)流系統(tǒng)故障的最主要原因，表明導(dǎo)流系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕能力方面重點改進(jìn)，這是由于導(dǎo)流系統(tǒng)直接承受波浪隨機(jī)載荷和惡劣的海洋環(huán)境；葉片系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子葉片是出現(xiàn)故障概率最大的部件，加強(qiáng)葉片的耐磨強(qiáng)度和葉尖抗腐蝕能力能夠提高葉片系統(tǒng)的使用壽命；回轉(zhuǎn)密封是制約傳動系統(tǒng)可靠工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加強(qiáng)裝置運(yùn)行中的動密封可以有效提高系統(tǒng)的可靠性；插銷腐蝕和軸承磨損是齒輪箱故障的兩個最重要的原因，軸承是齒輪箱中發(fā)生故障概率最高的部件，占據(jù)全部故障的50%以上，因此必須突出齒輪箱(特別是插銷)的防腐措施，以減少系統(tǒng)故障和經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 重要度

除了故障率外，重要度也是用于比較系統(tǒng)故障主要原因的關(guān)鍵參數(shù)。圖8-圖11列出了水壓傳動系統(tǒng)中四個子系統(tǒng)排名前10的基本事件重要度排序，可以看到引起導(dǎo)流系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和齒輪箱故障最重要的原因分別是由惡劣的海洋環(huán)境引起的異常應(yīng)力、葉尖腐蝕、回轉(zhuǎn)密封疲勞/腐蝕和插銷腐蝕。材料腐蝕對所有子系統(tǒng)的故障貢獻(xiàn)率都排在前列，這表明防腐措施的改進(jìn)對水壓傳動系統(tǒng)的可靠運(yùn)行特別重要。

圖8 導(dǎo)流系統(tǒng)基本事件重要度Fig.8 Basic event importance measures of guide system圖9 葉片系統(tǒng)基本事件重要度Fig.9 Basic event importance measures of blade system

2.3 可靠性分析

在分別研究各子系統(tǒng)故障模式的基礎(chǔ)上，綜合分析所有子系統(tǒng)故障信息可以得到整個水壓傳動系統(tǒng)的故障率。依據(jù)故障樹分析結(jié)果，推導(dǎo)得出水壓傳動系統(tǒng)和各子系統(tǒng)的故障信息如表7所示。

計算得到水壓傳動系統(tǒng)的預(yù)期故障率為4.79×104h-1，說明系統(tǒng)的平均故障間隔時間(MTBF)為2 088小時。因此，要維持水壓傳動系統(tǒng)持續(xù)可靠工作，計劃的維護(hù)檢修周期不能超過三個月。葉片系統(tǒng)的預(yù)期故障率為2.39×104h-1，是水壓傳動系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件和薄弱環(huán)節(jié)，需要在設(shè)計和制造時重點考慮。傳動系統(tǒng)和齒輪箱的故障率較為接近，重要程度僅次于導(dǎo)流系統(tǒng)。

圖10 傳動系統(tǒng)基本事件重要度Fig.10 Basic event importance measures of transmission system圖11 齒輪箱基本事件重要度Fig.11 Basic event importance measures of gearbox

表7 水壓傳動系統(tǒng)故障信息

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了波浪能發(fā)電水壓傳動系統(tǒng)的故障樹模型，在廣泛收集類比海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對故障樹進(jìn)行了定性和定量可靠性分析。為了找到水壓傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和薄弱環(huán)節(jié)，分析計算了導(dǎo)流系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和齒輪箱等子系統(tǒng)的最小割集和重要度。結(jié)果表明海洋環(huán)境腐蝕和極端海況引起的破壞性機(jī)械應(yīng)力是造成系統(tǒng)故障的主要原因，整個水壓傳動系統(tǒng)每年預(yù)計發(fā)生故障4.2次，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的計劃維護(hù)周期為87天。葉片系統(tǒng)是造成整體系統(tǒng)故障的關(guān)鍵部件，在可靠性配置和運(yùn)行維護(hù)管理過程中，應(yīng)當(dāng)重點對待和處理。

由于波浪能發(fā)電裝備實海運(yùn)行數(shù)據(jù)較少，缺乏真實有效的故障數(shù)據(jù)，本研究只能從運(yùn)行環(huán)境和故障后果類似的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)中收集相應(yīng)的故障信息。本文的研究只是對波浪能發(fā)電水壓傳動系統(tǒng)的實海況運(yùn)行進(jìn)行預(yù)期的故障狀態(tài)評估，旨在對系統(tǒng)的風(fēng)險設(shè)計、狀態(tài)檢測和以可靠性為中心的維修性設(shè)計提供必要的數(shù)據(jù)支撐。