基于FMEA 的煤礦用廢氣處理箱補水系統(tǒng)可靠性分析與評估

張福祥

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

上世紀90 年代，無軌輔助運輸在神東大柳塔煤礦和山東兗礦集團濟三煤礦開始使用[1]，由于其靈活、高效和安全的特點，快速在國內各大煤礦推廣應用[2]。 目前煤礦無軌輔助運輸車輛動力源仍然主要以防爆柴油機為主，由于煤礦井下瓦斯和粉塵較多，且環(huán)境相對封閉，因此在MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中明確要求防爆柴油機的排氣溫度不能超過70℃[3-4]。 2018 年，考慮到煤礦工人健康，煤炭行業(yè)采用了GB20891-2007《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》，進一步降低尾氣排放，其中對PM 污染物也提出了明確要求[5-7]。 而廢氣處理箱主要作用就是冷卻排氣溫度，在一定程度上降低PM 污染物[8-9]。而達到這一目的主要依靠消耗廢氣處理箱中的冷卻水完成[10]，因此需要設計專門的補水系統(tǒng)，保證廢氣處理箱的補給。

補水系統(tǒng)涉及到煤礦安全和工人的身體健康， 但是由于使用環(huán)境、振動和元部件質量問題，該系統(tǒng)的故障率相對較高。 本文采用FMEA 方法，對補水系統(tǒng)進行可靠性分析和評估，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出整改措施，以提高系統(tǒng)可靠性水平。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes ＆ Effects Analysis） 是根據基本故障判據或重要故障模式對特定單元做分析，辨識出所有故障模式及影響，支出如何消除或降低故障模式的影響，從而提高單元可靠性。

1 系統(tǒng)框圖及工作原理

如圖1 所示為補水系統(tǒng)相關原理框圖， 主要分為3各功能區(qū)，1～6 和水管組成水路系統(tǒng)，7～9 和氣管組成氣壓系統(tǒng)，6、10～12 和連接件組成廢氣處理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

水路系統(tǒng)中補水箱儲存冷卻水， 過濾器過濾水中雜質， 保護閥在柴油機熄火后阻斷水路， 閥門控制水路通斷，浮球閥補水并控制廢氣處理箱水位高度，廢氣處理箱為尾氣和反應容器。水路系統(tǒng)功能：補水箱中的水借助氣體壓力和重力，由補水箱流向廢氣處理箱，并通過浮球閥控制廢氣處理箱中水位高度。

氣路系統(tǒng)中儲氣罐儲存高壓氣體，調壓閥調整壓水氣體壓力，安全閥保護整個氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)功能：高壓氣體通過調壓閥進入補水箱，將冷卻水壓入廢氣處理箱。

廢氣處理系統(tǒng)中防爆柴油機提供動力產生尾氣，廢氣處理箱降低尾氣溫度并一定程度降低PM，排氣管將冷卻后的尾氣排向大氣，排溫傳感器監(jiān)測排氣溫度，超標停機。 廢氣處理系統(tǒng)功能：尾氣降溫和凈化。

2 FMEA 分析準備

2.1 故障判斷依據

本文只考慮整車運行時即補水系統(tǒng)運轉工況， 故障判據如下：

（1）不能完成補水功能。

（2）補水量不足。

（3）由于補水量過多或不足時，造成人員傷害或防爆柴油機和廢氣處理箱等故障。

2.2 評價準則

GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》規(guī)定的常用方法包括：風險優(yōu)先數（RPN）方法、危害性矩陣分析方法、定量危害性矩陣分析方法[11]。

本系統(tǒng)由于數據有限，選擇風險優(yōu)先數（RPN）方法進行評價。RPN 可用下式表示，它反映了故障發(fā)生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

其中：S—嚴重度，一般分為4 各等級，數值為1～10；O—發(fā)生度，一般分為5 各等級，數值為1～10；D—檢測度，一般分為3 各等級，數值為1～10。

3 故障模式與影響分析評估

故障模式的分析就是要找出系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有故障模式并分類，故障模式主要從以下5 個方面分類：提前工作、在規(guī)定的工作時間內不工作、在規(guī)定的非工作時間內工作、 間歇工作或工作不穩(wěn)定和工作中輸出消失或故障。 分類后再結合實際細化故障模式。

按照上述判斷依據和準則， 結合前期積累故障數據和設計預判，列出了補水系統(tǒng)所有故障模式，并詳細分析了每條故障的發(fā)生原因、影響程度和風險優(yōu)先數RPN，形成故障模式分析表，見表1。

通過表1 可知，在系統(tǒng)中，浮球閥的風險優(yōu)先數RPN值最大，其次是調壓閥、安全閥和過濾器。

表1 故障模式分析表

RPN 值前五位分別為：5.1 浮球閥浮球損壞、5.2 浮球閥水封損壞、8.3 調壓閥調壓高、9.2 安全閥失效、2.2 過濾器堵塞。 反應了上述配件故障是補水系統(tǒng)可靠性的主要隱患，也是提高系統(tǒng)可靠性的主要環(huán)節(jié)。

4 改進建議

4.1 浮球閥

從分析中可見浮球閥主要的故障是浮球損壞和水封損壞。浮球絕對不能使用市場上的工業(yè)浮球，需要自行設計并選用不銹鋼， 在保證浮力重量的前提下要盡量加大壁厚；水封需要選擇抗高溫和抗老化性能高的材料。同時建議在使用維護說明書增加相應維護保養(yǎng)條款， 定期保養(yǎng)，消除隱患。

4.2 調壓閥、安全閥

調壓閥和安全閥主要故障都為零件質量引起， 且為外購產品，市場可選型號較多，質量也參差不齊，主要控制選型，選用成熟度高、使用廣泛的型號。

4.3 過濾器

過濾器主要故障為堵塞，可選用成熟的產品，考慮冗余設計。 同時加強維護保養(yǎng)要求。

4.4 系統(tǒng)

增加補水箱和廢氣處理箱水位保護裝置。 增加廢氣處理箱表面溫度傳感器。

5 結束語

（1）補水系統(tǒng)是防爆柴油機正常工作的重要保障系統(tǒng)，且還涉及到整車安全性。 本文通過使用FMEA 分析方法，系統(tǒng)而全面的分析了主要故障模式和原因，經過分析發(fā)現(xiàn)浮球閥、調壓閥、安全閥和過濾器是對系統(tǒng)影響較大的四個部件。應加強對這些件的可靠性提高，從設計源頭、使用維護等方面著手，降低故障發(fā)生概率，提高系統(tǒng)可靠性。

（2）5.1 浮球閥浮球損壞、5.2 浮球閥水封損壞、8.3 調壓閥調壓高、9.2 安全閥失效、2.2 過濾器堵塞是影響最大的5 個故障模式，特別是浮球閥故障，應加強日常保養(yǎng)，提前解決故障隱患。

（3）本文通過分析給出了部分改進建議，但不全面，應通過FTA 和ETA 等方法進一步研究， 通過CAE 和Fluent 流體分析等進一步優(yōu)化， 并進行相應的可靠性增長試驗。