基于FTA的電磁鎖故障分析

柳明明，馮 軍，郭朝帽，王學(xué)良，文 巍，王麗紅

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所（真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），甘肅蘭州 730000；2.四川華都核設(shè)備有限公司，四川都江堰 611830）

0 引言

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是核能應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是控制棒組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要功能是：按照指令帶動(dòng)控制棒組件從堆芯抽出或快速插入堆芯，保證事故狀態(tài)下或反應(yīng)堆末期的安全停堆。電磁鎖是控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)抽出堆芯后鎖緊控制棒組件、解鎖控制棒組件并快速插入堆芯是通過電磁鎖的鎖緊和解鎖動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。

電磁鎖采用拍合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，吸力大、鎖緊力強(qiáng)，在有沖擊和振動(dòng)使用工況時(shí)不會(huì)發(fā)生意外脫鎖現(xiàn)象。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條運(yùn)動(dòng)到鎖緊位置時(shí)，電磁鎖加電，由線圈組件提供電磁力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)鐵芯組件和楔形環(huán)帶動(dòng)鋼珠運(yùn)動(dòng)，鋼珠被推進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條頭部的凹槽處，此時(shí)動(dòng)鐵芯組件、滾珠、楔形環(huán)、動(dòng)鐵芯組件、齒條組成的組件利用楔形環(huán)的推力推動(dòng)鋼珠阻止齒條向解鎖方向運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)歸位時(shí)，電磁鎖斷電，此時(shí)線圈組件不再提供電磁力，動(dòng)鐵芯組件在解鎖彈簧的彈簧力推動(dòng)下復(fù)位，同時(shí)鋼珠釋放，在動(dòng)鐵芯組件、楔形環(huán)和彈簧力及小彈簧和復(fù)位環(huán)推動(dòng)力下，將鋼珠推回原位，此時(shí)齒條解鎖。

在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)例行試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)為電磁鎖通電和斷電，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能鎖緊控制棒組件和解鎖控制棒組件，初步認(rèn)為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鎖緊和解鎖功能失效。為進(jìn)行故障定位，采用FTA（FaultTree Analysis，故障樹分析[1]）方法進(jìn)行故障分析和定位，并采取解決措施進(jìn)行故障排除。

1 故障現(xiàn)象

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能解鎖控制棒組件

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)控制棒組件運(yùn)轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置并鎖緊控制棒組件保持一定時(shí)間后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁鎖斷電，而驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制棒組件均保持在當(dāng)前位置，判斷認(rèn)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖控制棒組件功能失效。

1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不能鎖緊控制棒組件

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)按照指令將控制棒組件帶動(dòng)至目標(biāo)位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電磁鎖通電，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其他部組件斷電，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)控制棒組件快速運(yùn)行至初始位置，判斷認(rèn)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖緊控制棒組件功能失效。

2 故障樹分析技術(shù)

FTA技術(shù)是一種公認(rèn)的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性、安全性分析及預(yù)測的方法，在1961年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室H.A.W atson等人提出。它采用逆向邏輯的方法，將系統(tǒng)的故障現(xiàn)象（頂事件）與最基本的故障原因（底事件）[2]之間的內(nèi)在關(guān)系表示成樹形的網(wǎng)絡(luò)圖，各層事件之間通過“與”“或”“非”“異或”等邏輯關(guān)系相關(guān)聯(lián)。作為故障檢測與分析的重要方法，F(xiàn)TA能夠準(zhǔn)確有效定位故障。

3 FTA在電磁鎖故障分析中的應(yīng)用

3.1 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)由控制器、控制軟件、驅(qū)動(dòng)線纜和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。通過控制軟件發(fā)送指令、控制器響應(yīng)指令并驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成

3.2 FTA分析

故障樹如圖2所示，與控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊功能相關(guān)的主要有電磁鎖本身、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制器和控制軟件，因此造成電磁鎖故障的原因主要有4種可能：

圖2 故障樹分析

（1）電磁鎖故障，即事件M1。

（2）控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，即事件M2。

（3）控制器故障，即事件M3。

（4）控制軟件故障，即事件M4。

上述故障中，通過故障樹詳細(xì)分析故障情況如下：

事件M1（電磁鎖故障）包括：電磁鎖內(nèi)部鋼珠故障（事件X1），電磁鎖導(dǎo)向筒故障（事件X2）。

事件M2（控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障）包括：控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其余零部位故障（X3），控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條頭部故障（X4）。

事件M3（控制器故障）包括：驅(qū)動(dòng)線纜故障（X5），驅(qū)=動(dòng)模塊故障（X6）。

事件M4（控制軟件故障）包括：控制軟件故障（X7）。

4 故障排除試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)1

按照?qǐng)D2所示接線關(guān)系，用控制器上原有電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊控制兩臺(tái)新研制電磁鎖，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)新研制的電磁鎖可正常解鎖和鎖緊。通過試驗(yàn)1排除了控制器電磁鎖驅(qū)動(dòng)模塊故障，即事件X6導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障。

4.2 試驗(yàn)2

按照?qǐng)D2所示接線關(guān)系，在控制器上更換驅(qū)動(dòng)電纜進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁鎖仍無法鎖緊和解鎖。通過試驗(yàn)1、試驗(yàn)2排除了驅(qū)動(dòng)線纜故障，即事件X5導(dǎo)致的電磁鎖故障。

通過試驗(yàn)1、試驗(yàn)2同時(shí)排除了控制軟件故障，即事件X7導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障。

4.3 試驗(yàn)3

在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸上安裝光電編碼器，使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行至目標(biāo)位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)角度與光電編碼器運(yùn)行角度一致，此時(shí)電磁鎖加電，發(fā)現(xiàn)電磁鎖加電仍故障。通過試驗(yàn)3排除了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，即事件X3導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障。

4.4 試驗(yàn)4

電磁鎖結(jié)構(gòu)如圖3所示，電磁鎖在通電鎖緊時(shí)，是將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條頭部利用鋼珠鎖緊，更換新電磁鎖與齒條試驗(yàn)，可正常鎖緊和解鎖。通過試驗(yàn)4排除了控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條頭部故障，即事件X4導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障。

圖3 電磁鎖結(jié)構(gòu)圖

4.5 試驗(yàn)5

拆卸電磁鎖內(nèi)部鋼珠，用放大鏡觀察后發(fā)現(xiàn)，鋼珠表面無變形。為排除事件X1，更換電磁鎖內(nèi)部鋼珠后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障未排除。通過試驗(yàn)5可排除事件X1導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障。

4.6 試驗(yàn)6

電磁鎖導(dǎo)向筒與電磁鎖主殼體之間用螺紋連接緊固，而電磁鎖主殼體和導(dǎo)向筒與齒條同軸度要求很高。用圓跳動(dòng)對(duì)主殼體和導(dǎo)向筒進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)同軸度超差。將電磁鎖導(dǎo)向筒與主殼體在保證同軸度的前提下焊接，焊接完成后進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電磁鎖功能恢復(fù)正常，多次試驗(yàn)電磁鎖功能依然正常。將其余兩套電磁鎖按照上述方法焊接，完成后進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電磁鎖功能正常。因此將故障定位到電磁鎖導(dǎo)向筒上。通過試驗(yàn)6將故障定位在電磁鎖導(dǎo)向筒上，即事件X2是導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)解鎖和鎖緊故障的原因。

5 性能測試試驗(yàn)

通過對(duì)電磁鎖進(jìn)行故障排除，最終將故障定位在電磁鎖的導(dǎo)向筒上，現(xiàn)將改進(jìn)后的電磁鎖進(jìn)行性能測試。首先將電磁鎖安裝在試驗(yàn)工裝上，輸入DC 28 V電壓和0.8 A電流，在常溫和高溫下測試電磁鎖，試驗(yàn)表明電磁鎖功能正常。重復(fù)上述試驗(yàn)各60次，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 電磁鎖性能測試結(jié)果

將改進(jìn)后的電磁鎖通過焊接形式安裝在控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上，讓控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)控制棒組件運(yùn)轉(zhuǎn)至目標(biāo)位置后電磁鎖加電鎖緊，此時(shí)電磁鎖鎖緊功能正常；控制棒組件保持一定時(shí)間后電磁鎖斷電，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)控制棒組件快速運(yùn)行至初始位置表明電磁鎖解鎖功能正常。

6 結(jié)語

采用FTA故障樹分析法，針對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁鎖工作故障問題，對(duì)所涉及到的每項(xiàng)故障進(jìn)行詳細(xì)的分解，分析各底事件之間的邏輯關(guān)系，并對(duì)每項(xiàng)底事件開展故障排除試驗(yàn)，最終將故障定位在電磁鎖導(dǎo)向筒上，從而采取恰當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上更換改進(jìn)后的電磁鎖，經(jīng)過多次試驗(yàn)后電磁鎖工作正常，故障解決。