船海工程液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計*

陳長欽，王 琰，矯 艷，常百津，趙雷剛，丁洪志，李美玉

（1.海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300425；2.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

0 引言

液壓潛液泵系統(tǒng)作為船海工程化學(xué)品船、成品油船、FPSO用于將液貨艙內(nèi)的液貨向外部輸送的泵送設(shè)備，卸載介質(zhì)包括液態(tài)化學(xué)品、成品油、原油等。由于輸送介質(zhì)易燃易爆，其工作過程具有非常高的風(fēng)險性，同時其故障將導(dǎo)致液貨不能按時、正常卸載，對船舶經(jīng)營者將產(chǎn)生較大經(jīng)濟損失，要求液壓潛液泵系統(tǒng)設(shè)計壽命周期內(nèi)，不會出現(xiàn)I 類（引起人員死亡或產(chǎn)品毀壞、重大環(huán)境損害）、Ⅱ類（引起人員的嚴重傷害或重大經(jīng)濟損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗、產(chǎn)品嚴重損壞及嚴重環(huán)境損害）故障而影響外輸安全。潛液泵系統(tǒng)的使用環(huán)境，決定了其需具有非常高的工作可靠性，工作性能應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)得到保證，同時部件應(yīng)具有免維護性［1－2］。

潛液泵系統(tǒng)可靠性設(shè)計將針對潛液泵系統(tǒng)建立可靠性模型，制定可靠性指標，進行可靠性分析，消除潛液泵系統(tǒng)壽命薄弱環(huán)節(jié)，采用有效的科學(xué)性設(shè)計方法，減少產(chǎn)品故障的發(fā)生，最終實現(xiàn)可靠性的要求。

1 可靠性設(shè)計基本流程

1.1 系統(tǒng)組成

液壓潛液泵系統(tǒng)主要由4 部分組成：潛液泵、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、系統(tǒng)附件。潛液泵承擔(dān)液貨卸載，液壓系統(tǒng)為潛液泵提供驅(qū)動動力及液壓控制，電氣系統(tǒng)實現(xiàn)潛液泵、液壓系統(tǒng)監(jiān)測與控制，系統(tǒng)附件為潛液泵系統(tǒng)安裝、維護工具。如圖1所示。

圖1 液壓潛液泵系統(tǒng)

1.2 可靠性設(shè)計流程

液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性設(shè)計目標是在設(shè)計壽命周期內(nèi)，不會出現(xiàn)I 類、Ⅱ類（參考GJB1391 －2006 進行定義）故障而影響船海工程正常外輸［3］。結(jié)合液壓潛液泵系統(tǒng)產(chǎn)品特點，并依據(jù)可靠性設(shè)計相關(guān)標準規(guī)范、制定液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本流程，如圖2 所示［4－6］。

圖2 液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性設(shè)計基本流程

2 FMEA可靠性分析

2.1 FMEA分析步驟

FMEA即“故障模式和影響分析”，是生產(chǎn)過程中一項事前預(yù)防的分析手段。FMEA 方法以表格形式分析當系統(tǒng)最基本構(gòu)成零件或構(gòu)件發(fā)生故障時，會對上層子系統(tǒng)或系統(tǒng)造成何種影響。通過FMEA分析可以確定故障原因，并通過對策來消除故障原因，降低故障影響［7－8］。FMEA 的基本分析步驟如圖3所示。

圖3 FMEA分析步驟

2.2 液壓潛液泵系統(tǒng)FMEA分析

2.2.1 系統(tǒng)定義

系統(tǒng)定義主要包括確定產(chǎn)品的任務(wù)功能和工作方式、定義產(chǎn)品約定層次、制定產(chǎn)品的編碼體系、繪制產(chǎn)品方框圖、確定產(chǎn)品的故障判據(jù)等。

（1）確定產(chǎn)品的功能和工作方式

在進行系統(tǒng)定義時，應(yīng)對產(chǎn)品的功能進行準確描述。以系統(tǒng)中液壓潛液泵為例，其設(shè)計功能是采用液壓馬達將液體壓力能轉(zhuǎn)換成液體能量的機械，液壓潛液泵用來增加液體的位能、壓能、動能（高速液流），以獲得滿足設(shè)計要求的流量和揚程的液體。

（2）定義產(chǎn)品約定層次

定義產(chǎn)品的約定層次的過程實際上是建立產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹的過程。在FMEA 中的約定層次，劃分為“初始約定層次”、“約定層次” 和“最低約定層次”［9］。以潛液泵單元為例，經(jīng)過對潛液泵的功能和結(jié)構(gòu)分析，潛液泵單元主要包括泵頭組件、管柱組件和頂板組件3 部分。泵頭組件功能是將液壓動力轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動水力元件作功，向外輸送液貨介質(zhì)，其所包含的零件又可分為驅(qū)動軸系組件、水力執(zhí)行組件、泵罩組件、密封組件等。驅(qū)動軸系組件功能是通過液壓馬達的動力，帶動泵軸旋轉(zhuǎn)，泵軸通過輪轂帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，軸承用于支撐泵軸；水力執(zhí)行組件用于實現(xiàn)液貨介質(zhì)的輸送；密封組件實現(xiàn)液壓油、密封液、貨油介質(zhì)三者之間的有效隔離，并實現(xiàn)泵罩內(nèi)部的零部件與貨油介質(zhì)的隔離，實現(xiàn)密封、密封監(jiān)測、防腐耐蝕等功能；泵罩組件用于實現(xiàn)驅(qū)動軸系組件的有效支撐。

（3）制定產(chǎn)品的編碼體系

為了對產(chǎn)品的每個故障模式進行統(tǒng)計、分析、跟蹤和反饋，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的功能及結(jié)構(gòu)分解或所劃分的約定層次，制定編碼體系。以液壓潛液泵系統(tǒng)為例。首先定義液壓潛液泵系統(tǒng)編碼為000。液壓潛液泵系統(tǒng)包含的4 個組件潛液泵單元100、液壓系統(tǒng)200、電控系統(tǒng)300、系統(tǒng)附件400。下屬的組件、零件分別對應(yīng)增加為第三層編碼和第四層編碼。液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性編碼框圖如圖4 所示。

圖4 液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性方框圖

（4）確定產(chǎn)品的故障判據(jù)

故障判據(jù)是判別產(chǎn)品故障的界限，以潛液泵單元為例潛液泵單元的故障判據(jù)可根據(jù)基本參數(shù)要求和功能要求來確定，對應(yīng)的故障判據(jù)有以下幾點：①流量達不到規(guī)定值或流量超標，或流量不穩(wěn)定；②揚程達不到規(guī)定值或壓頭超標，或壓力不穩(wěn)定；③調(diào)速閥調(diào)節(jié)功能失效，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無極控制，或限速功能失效；④掃艙殘油量不符合設(shè)計要求；⑤密封出現(xiàn)泄漏；⑥泵單元不滿足貨油介質(zhì)防腐耐蝕要求，或不滿足海洋環(huán)境下的防腐蝕要求；⑦振動值不滿足JB／ T8097－1999；⑧噪聲不滿足標準JB／ T8098－1999 要求。

2.2.2 故障模式及影響分析

（1）故障模式分析故障模式是故障的表現(xiàn)形式。故障模式的獲取方法：在進行FMEA 時，一般可以通過統(tǒng)計、試驗、分析、預(yù)測等方法獲取故障模式。對采用現(xiàn)有的產(chǎn)品，可從該產(chǎn)品在過去的使用中所發(fā)生的故障模式為基礎(chǔ)；對采用新的產(chǎn)品，可根據(jù)該產(chǎn)品的功能原理和結(jié)構(gòu)特點進行分析、預(yù)測，或以與該產(chǎn)品具有相似功能和相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品所發(fā)生的故障模式作為基礎(chǔ)，如可以以多級葉輪式離心泵的故障模式作為基礎(chǔ)，來分析潛液泵的故障模式。

在進行故障模式分析時，應(yīng)注意區(qū)分兩類不同性質(zhì)的故障，即功能故障和潛在故障。功能故障是指產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能完成預(yù)定功能的事件或狀態(tài)。潛在故障是指產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分將不能完成預(yù)定功能的事件或狀態(tài)。圖5 所示為功能故障和潛在故障的關(guān)系，其中點A表示無故障；點B表示初始裂紋，不可見；點C表示潛在故障，裂紋可見；點D表示功能故障，斷裂。

圖5 功能故障和潛在故障的關(guān)系

在進行故障模式分析時還應(yīng)注意，應(yīng)確定和描述產(chǎn)品在每一種功能下的可能的故障模式，一個產(chǎn)品可能具有多種功能，而每一種功能又可能具有多種故障模式。在獲取潛液泵每個零件的故障模式時，可以參考已有的故障模式。如密封圈常見的故障模式為老化、塑性變形。泵軸的故障模式有：裂紋、疲勞斷裂、彎曲、塑性變形、腐蝕、磨損、振動。

（2）故障影響分析

故障影響指每一個故障模式可能造成的各種后果，這些后果既包括對產(chǎn)品本身的影響，也包括對操作和使用人員、公共設(shè)施、財產(chǎn)、環(huán)境等多方面的影響。在分析時，不僅需要確定對當前層次產(chǎn)品造成的影響，而且還要確定對其他層次產(chǎn)品的影響。GJB 1391 推薦的表格中，F(xiàn)MEA 應(yīng)確定的故障影響包括局部影響、高一層次影響和最終影響3 項。

（3）分析結(jié)果

依據(jù)液壓潛液泵系統(tǒng)以及各組成模塊的功能要求。查找相關(guān)液壓潛液泵系統(tǒng)故障資料，詳細分析統(tǒng)計液壓潛液泵系統(tǒng)以及各組成模塊的故障模式，結(jié)合故障模式初步判定故障影響，故障影響系指每個假設(shè)的故障模式對潛液泵使用、功能或狀態(tài)所導(dǎo)致的后果。并根據(jù)后果判定其故障類型。液壓潛液泵系統(tǒng)共計梳理出22 條故障模式、潛液泵單元共計梳理出19 條故障模式、液壓系統(tǒng)共計梳理出25 條故障模式、電控系統(tǒng)共計梳理出20 條故障模式。液壓潛液泵系統(tǒng)部分故障模式如表1所示。

表1 液壓潛液泵系統(tǒng)部分故障模式

故障原因分析的主要目的是找出每個故障模式產(chǎn)生的原因，進而采取針對性的有效改進措施，防止或減少故障模式發(fā)生的可能性。

針對液壓潛液泵系統(tǒng)、潛液泵單元、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)故障模式進行詳細分析，液壓潛液泵系統(tǒng)16 條故障模式共計梳理出33 條故障原因；潛液泵單元19 條故障模式共計梳理出90條故障原因；液壓系統(tǒng)22 條故障模式共計梳理出46 條故障原因；電控系統(tǒng)16 條故障模式共計梳理出48 條故障原因。最后形成液壓潛液泵系統(tǒng)FMEA 表。液壓潛液泵系統(tǒng)失效模式FMEA表如表2 所示。

表2 液壓潛液泵系統(tǒng)失效模式FMEA表示例

3 可靠性設(shè)計

依據(jù)FMEA表中的詳細分析，系統(tǒng)的梳理設(shè)計過程控制預(yù)防、設(shè)計過程控制探測等措施，并形成控制策略匯總表。針對液壓潛液泵系統(tǒng)、潛液泵單元、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)各個故障模式的各個故障原因進行了詳細控制策略分析，液壓潛液泵系統(tǒng)16 條故障模式共計梳理出33 條故障原因，33 條故障原因共計梳理出20 條控制策略?？刂撇呗灾饕獜娜哂嘣O(shè)計、降額設(shè)計、工藝控制、主動維保、系統(tǒng)監(jiān)測、備品備件等6 個方面進行梳理［10］。

4 可靠性試驗驗證

基于液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性分析和設(shè)計，依據(jù)可靠性驗證要求，對產(chǎn)品進行可靠性試驗驗證，包括整機和關(guān)鍵部件可靠性試驗如圖6～7 所示。產(chǎn)品已連續(xù)無故障運行168 h，累積無故障運行2000 h，調(diào)試閥經(jīng)過3000 次耐久性試驗驗證，經(jīng)驗證系統(tǒng)可靠性滿足要求［11－12］。

圖6 潛液泵系統(tǒng)整機可靠性驗證

圖7 潛液泵系統(tǒng)關(guān)鍵部件調(diào)速閥可靠性驗證

5 結(jié)束語

針對液壓潛液泵系統(tǒng)的高危險性使用環(huán)境和高可靠性使用要求，制定了系統(tǒng)可靠性設(shè)計目標。通過FMEA 可靠性分析，識別了液壓潛液泵系統(tǒng)各部套和零件故障模式、故障原因和影響，找出了液壓潛液泵系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，制定了基于可靠性分析的控制策略，包括系統(tǒng)冗余設(shè)計、降額設(shè)計、工藝控制、主動維保、備品備件以及系統(tǒng)監(jiān)控6 個方面的可靠性控制措施，有效地指導(dǎo)產(chǎn)品進行可靠性試驗，保證產(chǎn)品可靠性?？煽啃源胧嵤┖螅ㄟ^關(guān)鍵部件和整機可靠性試驗驗證，試驗結(jié)果合格，符合標準和使用要求，液壓潛液泵系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法合理，能夠滿足復(fù)雜工況高風(fēng)險的使用環(huán)境。