故障樹和灰色關(guān)聯(lián)度在船用發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用

何 彥，王優(yōu)強(qiáng)

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520)

船用發(fā)電機(jī)組是船舶輔助動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。隨著船舶朝著大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，船舶的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，電站容量不斷增大，對(duì)船舶電站的要求越來(lái)越高，并且海上工作環(huán)境惡劣，因此容易出現(xiàn)各種故障[1]。船用發(fā)電機(jī)組由柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分組成，其子系統(tǒng)復(fù)雜繁多，一旦中間某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，往往會(huì)造成整個(gè)發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，直接或間接造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成關(guān)鍵設(shè)備損壞，危及人身安全。由于機(jī)艙設(shè)計(jì)布局的緊湊性與設(shè)備零部件的精密性要求[2]，機(jī)艙現(xiàn)有維修條件不足以應(yīng)對(duì)某些設(shè)備故障，為了預(yù)防故障的出現(xiàn)，輪機(jī)員對(duì)設(shè)備的日常檢修與維護(hù)顯得極為重要。傳統(tǒng)的人工排查和現(xiàn)場(chǎng)維修方式已經(jīng)不能滿足設(shè)備的檢修與維護(hù)要求。

針對(duì)此問(wèn)題，王體坤[3]等人運(yùn)用故障樹分析法，建立了拖船柴油機(jī)故障診斷系統(tǒng)。林穎毅[4]等人也運(yùn)用了故障樹分析法對(duì)船舶柴油機(jī)進(jìn)行了故障分析，證明其能提高排障效率。嚴(yán)志軍[5]等人運(yùn)用關(guān)聯(lián)度分析研究了柴油機(jī)磨損模式識(shí)別方法。故障樹分析法已在船舶設(shè)備故障分析中廣泛運(yùn)用，但結(jié)合關(guān)聯(lián)度對(duì)故障模式分析較少。本文研究了船用發(fā)電機(jī)組的故障狀態(tài)及其原因，結(jié)合設(shè)備故障的歷史數(shù)據(jù)對(duì)其故障樹進(jìn)行了定性分析和定量的計(jì)算，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)其各種故障模式進(jìn)行分析，為輪機(jī)員對(duì)發(fā)電機(jī)組的日常檢修與維護(hù)提供了理論依據(jù)，也為提高船用發(fā)電機(jī)組的可靠性提供了參考。

1 故障樹分析

1.1 簡(jiǎn)介

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種用圖形表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)在聯(lián)系的圖形演繹法，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，在運(yùn)轉(zhuǎn)階段可以幫助管理人員進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，在檢修時(shí)可以幫助人員進(jìn)行故障診斷分析[6]。是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹狀逐級(jí)細(xì)化的系統(tǒng)分析方法，即圍繞特定的系統(tǒng)故障，層層細(xì)化，在故障樹圖形下形象地表達(dá)系統(tǒng)故障與其原因之間的聯(lián)系，從而有利于找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和故障。

1.2 故障樹的建立

故障樹的頂事件為不希望出現(xiàn)的狀態(tài)，即發(fā)電機(jī)組不能正常工作，用符號(hào)T表示。圍繞發(fā)電機(jī)不能正常工作對(duì)可能造成其狀態(tài)的因素進(jìn)行分析，本文只考慮其硬件因素。引起T狀態(tài)的主要原因是電氣系統(tǒng)故障與柴油機(jī)系統(tǒng)故障[7]，以這2個(gè)因素為中間事件，繼續(xù)對(duì)相應(yīng)的原因進(jìn)行分析，共考慮了10個(gè)中間事件，用符號(hào)Mi表示；30個(gè)基本影響因素，用符號(hào)Bi表示。發(fā)電機(jī)組不能正常工作的故障樹如圖1所示，由于篇幅限制，僅列舉M1～M10的主要中間事件。

圖1 發(fā)電機(jī)組不能正常工作的故障樹

其中符號(hào)含義如下。

中間事件：M1電氣系統(tǒng)故障、M2柴油機(jī)故障、M3發(fā)電機(jī)故障、M4發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)故障、M5燃油系統(tǒng)故障、M6滑油系統(tǒng)故障、M7冷卻水系統(tǒng)故障、M8壓縮空氣系統(tǒng)故障、M9渦輪增壓系統(tǒng)故障、M10燃油壓力低。

底事件：B1發(fā)電機(jī)無(wú)剩磁或剩磁太小、B2剩磁電壓與調(diào)壓器輸出勵(lì)磁電壓極性相反、B3調(diào)壓器部件之間的連線斷開、B4諧振電容器短路、B5移相電抗器無(wú)氣隙或氣隙太小、B6勵(lì)磁繞組短路、B7發(fā)電集電環(huán)銹蝕、B8調(diào)壓器整流元件被擊穿、B9保護(hù)裝置故障、B10負(fù)載太大、B11局部電力網(wǎng)短路、B12空氣開關(guān)故障、B13控制線路熔絲燒斷、B14噴油器堵塞、B15調(diào)速器失效、B16燃油油品變質(zhì)、B17滑油壓力低、B18滑油冷卻器失效、B19滑油油品變質(zhì)、B20淡水壓力低、B21水溫過(guò)高、B22壓縮空氣壓力低、B23配氣機(jī)構(gòu)故障、B24渦輪增壓器故障、B25中冷器故障、B26燃油濾器堵塞、B27高壓油管破裂、B28燃油日用柜溫度不當(dāng)、B29燃油供油泵故障、B30閥門故障。

1.3 定性分析

觀察故障樹，可以發(fā)現(xiàn)影響頂事件發(fā)生的底事件的可能有很多種不同組合，每一個(gè)組合稱之為一個(gè)割集[8]。其中最小割集是指導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的基本事件的最小限度集合，即當(dāng)最小割集中所有事件發(fā)生，則頂事件必然發(fā)生?？梢杂孟滦蟹ㄇ笞钚「罴丛谟龅竭壿嬇c門時(shí)只增大割集容量，在遇到邏輯或門時(shí)只增加割集數(shù)量。該故障樹包含邏輯或門，每個(gè)底事件為一個(gè)割集合。

1.4 定量分析

故障樹可用最小割集進(jìn)行有效描述，當(dāng)最小割集中包含與門，其概率Q為：

(1)

式中，Qi為底事件發(fā)生概率，n為事件個(gè)數(shù)。

當(dāng)最小割集中包含或門，其概率Qor為：

(2)

由公式(1)、(2)及定性分析，可得頂事件概率Qtop。由于本文分析的故障樹不含與門，則Qtop和Qor在計(jì)算方式上相同，即也為：

(3)

重要度是指當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)的割集發(fā)生失效時(shí)，對(duì)頂事件發(fā)生概率的貢獻(xiàn)。它在系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)、維修中都起著指導(dǎo)性作用。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改善時(shí)，概率重要度和關(guān)鍵重要度應(yīng)首先考慮[9]。

(4)

(5)

根據(jù)某型散貨船機(jī)艙警報(bào)歷史數(shù)據(jù)，得到各底事件的發(fā)生概率，Qi={ 0.001 0，0.000 1，0.000 8，0.000 2，0.000 1，0.000 6，0.001 0，0.000 1，0.000 6，0.000 5，0.000 2，0.001 0，0.001 0，0.000 9，0.000 2，0.000 2，0.005 0，0.002 0，0.005 0，0.006 9，0.024 7，0.002 4，0.000 3，0.000 5，0.000 6，0.009 0，0.000 6，0.000 8，0.001 3，0.000 4}。

1.5 結(jié)果討論

比較不同底事件的關(guān)鍵重要度，反映出底事件在該故障樹中的重要程度。該故障樹中B21關(guān)鍵重要度最高，其次是B26、B20、B17、B19等。使用發(fā)電機(jī)組前，這些重要度高的因素應(yīng)著重排查，預(yù)防事故。發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)優(yōu)先排查，也可以按照故障樹層層分析，細(xì)化故障排查過(guò)程，減少工作量。

2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

2.1 簡(jiǎn)介

灰色關(guān)聯(lián)度分析是灰色系統(tǒng)理論中一種數(shù)學(xué)分析方法，其能通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)不同狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，關(guān)聯(lián)性就是不同曲線間的差別，將曲線間的差值作為關(guān)聯(lián)程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)[10]。其分析方法如下。

設(shè)參考數(shù)列為x0=[x0(1),x0(2)，x0(3)，…，x0(n)]，比較數(shù)列為xi=[xi(1),xi(2)，…，xi(n)]。

關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式定義如下：

ζi(n)=

(6)

根據(jù)關(guān)聯(lián)空間所述，關(guān)聯(lián)度γi計(jì)算公式定義如下：

(7)

式中，βk為各因素的加權(quán)系數(shù)。

2.2 灰色關(guān)聯(lián)度在發(fā)電機(jī)組故障樹的應(yīng)用

該故障樹通過(guò)下行法求得共30個(gè)最小割集，每一個(gè)最小割集都是一種故障模式，底事件只可能存在2種狀態(tài)，即發(fā)生與不發(fā)生，記為1和0。令最小割集中包含的底事件為1，不包含的底事件為0，這樣由30個(gè)最小割集構(gòu)成了一個(gè)特征矩陣[x],即比較數(shù)列為30階單位矩陣：

(8)

由于特征矩陣為單位矩陣，易得出兩級(jí)最小差值0，兩級(jí)最大差值1。

由于船舶機(jī)艙中維修條件的限制，不同機(jī)械設(shè)備損壞帶來(lái)的維修難度是大不相同的。比如，淡水熱交換器發(fā)生故障與缸頭漏水，處理前者的時(shí)間和難度遠(yuǎn)小于后者，但前者的發(fā)生概率遠(yuǎn)高于后者。所以在設(shè)置參考數(shù)列時(shí)，不僅考慮底事件發(fā)生概率的影響，還應(yīng)考慮底事件本身對(duì)機(jī)艙運(yùn)維的影響。對(duì)事件指定評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用專家打分法給出各事件的權(quán)重[11]。底事件權(quán)重值：βk={0.035 750，0.035 750，0.035 750，0.053 625，0.053 625，…，0.002 250}。

由公式(6)、(7)解得，各故障模式關(guān)聯(lián)度γi={0.029 23，0.029 14，0.029 21，0.028 77，0.028 75，0.028 82，0.029 23，0.028 75，0.029 14，0.028 92，0.028 88，0.029 18，0.029 55，0.029 37，0.029 32，0.029 68，0.029 10，0.029 12，0.029 78，0.029 66，0.030 68，0.029 42，0.029 64，0.028 71，0.029 28，0.029 90，0.029 60，0.029 84，0.029 59，0.029 88}。

2.3 結(jié)果討論

結(jié)合維修難度的權(quán)重得到各故障模式關(guān)聯(lián)度，觀察權(quán)重表和關(guān)聯(lián)度表，可以發(fā)現(xiàn)某些部件權(quán)重值很高，但關(guān)聯(lián)度低，例如調(diào)壓器整流元件，這是由于其零部件的工作環(huán)境和工藝保證其在服役期間極少出現(xiàn)故障，所以關(guān)聯(lián)度低。排序后γ21、γ26、γ30、γ20、γ29數(shù)值最大，可以看出水溫過(guò)高、燃油濾器堵塞、閥門故障、燃油日用柜溫度不當(dāng)、燃油供油泵故障關(guān)聯(lián)度高，說(shuō)明這些部件或工質(zhì)在當(dāng)前環(huán)境中對(duì)發(fā)電機(jī)組不能正常工作的狀態(tài)有重大影響，是需要重點(diǎn)維護(hù)的對(duì)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)故障樹分析法對(duì)船用發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析，闡明了造成該船發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)故障的主要原因和其他次要原因，建立了發(fā)電機(jī)組故障樹。

2)運(yùn)用故障樹分析法與關(guān)聯(lián)度分析結(jié)合故障概率和實(shí)際工作環(huán)境，找出在發(fā)電機(jī)組日常維護(hù)中需重視的部件，和在當(dāng)前環(huán)境下對(duì)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行影響最大的故障模式。為輪機(jī)員對(duì)發(fā)電機(jī)組的日常檢修與維護(hù)提供了理論依據(jù)，對(duì)優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的檢修和維護(hù)具有指導(dǎo)意義，也為提高船用發(fā)電機(jī)組的可靠性提供了參考。