電纜銑削除冰防凍裝置的可靠性分析

黃曠，張曉龍，羅贏，劉杰，宋進(jìn)，武龍飛

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.中國(guó)人民解放軍31638 部隊(duì)）

0 引言

對(duì)于電力輸送系統(tǒng)，輸電線路覆冰一直是個(gè)很重要的問(wèn)題。輸電線路覆冰會(huì)使線纜承受的負(fù)荷增大，可能導(dǎo)致輸電線路損壞或者壓塌輸電線塔，給人們生活以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大影響。近30 年來(lái),大面積冰害事故在全國(guó)各地時(shí)有發(fā)生[1]，2008 年，許多地方出現(xiàn)了大范圍的電纜覆冰現(xiàn)象，處于雪災(zāi)重災(zāi)區(qū)的貴州頻頻發(fā)生電網(wǎng)斷線以及電塔倒塌事故，全省電網(wǎng)幾乎癱瘓。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電線路除冰裝置的研究很多，Debenest[2]等設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)力震動(dòng)除冰方案，通過(guò)在輸電線路上安裝震動(dòng)裝置去除線纜上的覆冰；加拿大魁北克電力研究院研制的HQ LineROVer 除冰裝置，既可以在輸電線路上巡檢維護(hù)，也可以完成除冰任務(wù)，但是它沒(méi)有防凍噴涂裝置，無(wú)法噴涂防凍雪涂料[3]。在國(guó)外除冰裝置技術(shù)高速發(fā)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)也對(duì)線纜除冰裝置開展了大量的研究。武漢大學(xué)的吳功平[4]發(fā)明了一款輸電線路巡檢裝置，該裝置可在輸電線路上自動(dòng)行走，并且安裝有除冰機(jī)構(gòu)，可對(duì)線纜進(jìn)行除冰；隨后，研發(fā)人員又在該裝置上設(shè)計(jì)了越障機(jī)構(gòu)。越來(lái)越多的大學(xué)正在研究除冰裝置，并取得了相當(dāng)好的成效，如山東大學(xué)、吉林大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等[5-7]。

目前為止，這些除冰裝置基本只執(zhí)行除冰任務(wù)，除冰之后對(duì)電纜的保護(hù)措施被忽視。雖然達(dá)到了對(duì)電纜除冰的效果，但是無(wú)法避免導(dǎo)線再次覆冰，進(jìn)而需要二次除冰。另外，由于電纜銑削除冰防凍裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在高空露天環(huán)境進(jìn)行除冰工作，工作強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)，作業(yè)時(shí)機(jī)器發(fā)生故障，將會(huì)給工作人員維修帶來(lái)很大麻煩。本文以昆明理工大學(xué)功能流體應(yīng)用與礦山機(jī)電工程研究所的電纜銑削除冰防凍裝置為研究對(duì)象，通過(guò)了解該裝置的結(jié)構(gòu)和功能，基于FMECA 和FTA（故障樹）分析方法對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，明確了該裝置系統(tǒng)中嚴(yán)酷度較高、相對(duì)重要度較大的部位，并提出了相對(duì)應(yīng)的解決措施。

1 結(jié)構(gòu)功能分析

電纜銑削除冰防凍裝置三維結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該裝置主要可以分為3 個(gè)部分，分別是除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及噴涂機(jī)構(gòu)。在除冰的過(guò)程中，由行走機(jī)構(gòu)為其提供向前的驅(qū)動(dòng)力，并且在行走機(jī)構(gòu)上安裝的有伸縮彈簧，可以保證在工作的過(guò)程中遇到微小障礙物時(shí)能順利通過(guò)，在行走機(jī)構(gòu)的作用下，除冰機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)并將輸電線纜表面的覆冰去除。最后，經(jīng)過(guò)噴涂機(jī)構(gòu)使用鋼絲刷來(lái)刷除之前除冰機(jī)構(gòu)除冰后產(chǎn)生的殘?jiān)约捌渌s物，利用涂料刷去除電纜表面的冰沫，最后將涂料瓶中的防凍液均勻涂抹在輸電線路上，防止進(jìn)一步結(jié)冰，從而完成整個(gè)電纜銑削除冰防凍裝置的工作過(guò)程。為了保證電纜銑削除冰防凍裝置工作時(shí)的效率和質(zhì)量，基于FMECA 和FTA（故障樹）分析方法對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析是非常有必要的。

2 FMECA 和故障樹分析

2.1 FMECA 分析

故障模式、影響和危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis）是以故障模式為基礎(chǔ)，分析每一種故障模式的影響并將其匯總的分析方法。FMECA 分析能夠不依賴仿真結(jié)果找出產(chǎn)品在功能及硬件設(shè)計(jì)中可能存在的故障模式、原因及影響[8-9]，在機(jī)電產(chǎn)品可靠性分析中得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。

2.1.1 系統(tǒng)定義

電纜銑削除冰防凍裝置主要包括3 個(gè)模塊，分別為除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)。

對(duì)各部分進(jìn)行功能及組成、可靠性框圖分析，該系統(tǒng)的定義如下：

（1）功能及組成：電纜銑削除冰防凍裝置的功能主要是對(duì)輸電線路上的覆冰進(jìn)行去除以及預(yù)防其二次結(jié)冰，它主要由除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)等組成。

（2）約定層次：“初始約定層次”為該機(jī)構(gòu)的功能。“約定層次”為除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)?！白畹图s定層次”為更低一級(jí)的組成部分，如圖2 所示。

功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3 所示。

通過(guò)分析，可靠性關(guān)系如圖4 所示。

2.1.2 故障分析

通過(guò)調(diào)查分析，該機(jī)器主要組成機(jī)構(gòu)中，發(fā)生故障的機(jī)構(gòu)主要分為3 個(gè)，分別是除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和噴涂機(jī)構(gòu)。主要故障模式為電機(jī)短路、斷路及老化，銑刀桶磨損、破裂，除冰銑刀磨損、斷裂，行走輪組故障，軸的變形、斷裂，齒輪組的變形、斷裂、嚙合錯(cuò)誤，涂料瓶損壞等。

根據(jù)GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》可將故障模式造成的故障影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行嚴(yán)酷度級(jí)別劃分如表1 所示，故障影響的概率β值如表2 所示。

表1 嚴(yán)酷度等級(jí)Tab.1 Severity grade

表2 GB/T 7826-2012 故障影響概率β 值Tab.2 GB/T 7826-2012 failure impact probability β value

通過(guò)以上分析，基于FMECA 方法對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置的主要故障模式造成故障影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行嚴(yán)酷度級(jí)別分類。電纜銑削除冰防凍裝置的FMECA 分析表如表3 所示。

通過(guò)表3 可以清楚地了解到電纜銑削除冰防凍裝置的主要故障模式、故障原因以及對(duì)應(yīng)的影響。為了進(jìn)一步明確每個(gè)故障原因的危害度、發(fā)生的故障率大小及所占的權(quán)重。基于FMECA 方法分析計(jì)算，結(jié)果如表4 和圖5 所示。

表3 電纜銑削除冰防凍裝置FEMCA 分析Tab.3 FEMCA analysis of cable deicing and anti-freezing device

表4 故障分析結(jié)果Tab.4 Failure analysis results

（續(xù)表）

通過(guò)以上分析可以清楚地看到，嚴(yán)酷度級(jí)別最高為Ⅱ級(jí)事件且危害度最大，對(duì)系統(tǒng)的傷害最高。

為了進(jìn)一步明確每一個(gè)Ⅱ級(jí)事件對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置不能工作的相對(duì)重要度，以除冰防凍裝置不能工作為頂事件1 進(jìn)行故障樹分析。

2.2 故障樹（FTA）分析

故障樹分析方法在系統(tǒng)可靠性、安全性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面應(yīng)用非常廣泛[13]。它是以系統(tǒng)的一個(gè)頂事件作為分析目標(biāo)，逐層往下推測(cè)導(dǎo)致頂事件發(fā)生所有可能的原因以及它們之間的邏輯關(guān)系，建立一棵故障樹，再通過(guò)定性和定量分析，明確可能的故障模式，找到最小割集數(shù)并計(jì)算每個(gè)底事件對(duì)頂事件的影響程度。

本文對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置進(jìn)行故障樹分析時(shí)，重點(diǎn)對(duì)該裝置中Ⅱ級(jí)事件進(jìn)行分析。由2.1節(jié)FEMCA 分析可知，電纜銑削除冰防凍裝置故障模式中，Ⅱ級(jí)事件發(fā)生產(chǎn)生的最終影響將導(dǎo)致該裝置無(wú)法工作。因此，將頂事件1 定為“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”，僅對(duì)頂事件1 進(jìn)行分析。

2.2.1 頂事1 故障樹的建立

由上文FEMCA 分析可知，導(dǎo)致頂事件1“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”發(fā)生的直接原因有：（1）除冰機(jī)構(gòu)不能工作；（2）行走機(jī)構(gòu)不能工作。頂事件1“電纜銑削除冰防凍裝置不能工作”的故障樹如圖6、圖7 所示。

2.2.2 頂事件1 的定性分析

定性分析的目的是確定故障模式的最小割集數(shù)量。根據(jù)2.2.1 所得到的故障樹進(jìn)行定性分析，最后得到頂事件1“除冰機(jī)構(gòu)不能工作”的所有最小割集為：{事件X1}，{事件X2}，{事件X3}，{事件X4}，{事件X5}，{事件X6}，{事件X7}，{事件X8}，{事件X9}，{事件X10}，{事件X11}，{事件X12}，{事件X13}，{事件X14}，{事件X15}，{事件X16}，{事件X17}，{事件X18}，{事件X19}，當(dāng)其中任意一個(gè)最小割集發(fā)生時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致頂事件1 發(fā)生。

2.2.3 頂事件1 的定量分析

定量分析的目的是計(jì)算每個(gè)底事件的相對(duì)概率重要度，相對(duì)概率重要度值越大，表示對(duì)頂事件影響越大。

通過(guò)上文分析計(jì)算，設(shè)底事件發(fā)生概率分別為q1，q2，…，qn，對(duì)于所有底事件相互獨(dú)立的情況，則頂事件發(fā)生概率為Q=Q（q1，q2，…，qn），第i 個(gè)底事件相對(duì)概率重要度Ic計(jì)算公式如式（1）—式（3）。

式中：r ——最小割集數(shù)；Ki——第i 個(gè)最小割集；P（Ki）——第i 個(gè)最小割集發(fā)生概率，設(shè)第i 個(gè)最小割集包含的底事件有（X1，X2，…，Xn），是Xn的發(fā)生概率，則P（Ki）=qx1qx2…qxn；——第i 個(gè)底事件的概率重要度；P（T1）——頂事件1 發(fā)生的概率。

由式（2）、式（3）得：P（T1）=0.000 401 09。

頂事件1 的故障概率函數(shù)如式（4）—式（5）。

由式（2）—式（5）得：Q（T1）=0.999 959 731。

各個(gè)割集的相對(duì)概率重要度可以根據(jù)式（6）求得：

通過(guò)分析和計(jì)算，可以得到頂事件1“電纜除冰防凍不能工作”的底事件相對(duì)概率重要度的排行如表5 所示。

表5 頂事件1 的底事件相對(duì)概率重要度排行表Tab.5 Importance degree ranking of relative probability of bottom events of top event 1

由表3 可知，除冰銑刀松動(dòng)和斷裂、行走輪破損、電機(jī)斷路及短路、銑刀桶松動(dòng)相對(duì)概率重要度較大等因素是導(dǎo)致頂事件1 發(fā)生的主要原因。

3 分析結(jié)果及優(yōu)化措施

通過(guò)上面的分析與計(jì)算可以得到以下結(jié)論：

（1）在電纜銑削除冰防凍裝置中，除冰機(jī)構(gòu)故障對(duì)其影響最惡劣，造成除冰機(jī)構(gòu)發(fā)生故障的主要故障原因有電機(jī)損壞、軸的破壞、傳動(dòng)絲杠損壞、齒輪故障、銑刀桶損壞以及除冰銑刀損壞。這些原因?qū)е铝藢?duì)輸電線纜的除冰不能進(jìn)行或者除冰異常。

（2）在電纜銑削除冰防凍裝置的主要結(jié)構(gòu)的故障模式中，除冰銑刀松動(dòng)、斷裂，除冰電機(jī)短路及斷路和行走輪損壞對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的影響最大。造成這些故障的原因分別是除冰銑刀不斷受力變形、電機(jī)進(jìn)水及接觸不良、行走輪不斷受力磨損，產(chǎn)生的影響主要是不能對(duì)輸電線纜除冰和機(jī)構(gòu)的行走。

（3）基于FMECA 和FTA 方法對(duì)該裝置的分析計(jì)算，可以清楚地知道電纜銑削除冰防凍裝置主要結(jié)構(gòu)中每個(gè)故障模式的嚴(yán)酷度及危害度的大小，并得到嚴(yán)酷度級(jí)別較高的故障模式的相對(duì)重要度對(duì)該裝置的影響。從分析結(jié)果可知，除冰機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)發(fā)生故障嚴(yán)酷度等級(jí)最高，對(duì)該裝置的可靠性有重要的影響。

為了提高該機(jī)構(gòu)的可靠性，在對(duì)電纜銑削除冰防凍裝置制定相應(yīng)的維修措施時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)故障模式發(fā)生對(duì)該裝置影響較大以及嚴(yán)酷度級(jí)別較高、危害度較大的部位制定預(yù)防檢測(cè)措施，具體措施如表6 所示。

表6 重要故障模式原因分析及措施Tab.6 Major failure mode cause analysis and measures

4 結(jié)論

電纜銑削除冰防凍裝置是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的機(jī)器，工作環(huán)境非常惡劣，一旦在工作中發(fā)生故障，維修工作難以及時(shí)進(jìn)行，為了保證工作的效率和質(zhì)量，對(duì)其進(jìn)行可靠性分析是很有必要的。本文根據(jù)電纜銑削除冰防凍裝置的結(jié)構(gòu)和功能分析，基于FMECA 和故障樹（FTA）分析方法，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)FMECA 分析方法建立了電纜除冰裝置的層次結(jié)構(gòu)功能圖、可靠性框圖及故障樹，對(duì)其故障模式進(jìn)行了嚴(yán)酷度等級(jí)分類及分析計(jì)算，得到了電纜銑削除冰防凍裝置故障模式嚴(yán)酷度等級(jí)最高為Ⅱ級(jí)且危害度最大，并計(jì)算出了每個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)的危害度。

（2）通過(guò)故障樹的定性與定量分析，得到了對(duì)頂事件影響較大的故障模式為除冰銑刀故障、銑刀桶故障、除冰電機(jī)故障等，并對(duì)嚴(yán)酷度等級(jí)較高危害度較大的故障模式提出了優(yōu)化措施，為電纜銑削除冰防凍裝置的可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。