自主行走輸電線路銑削除冰裝置可靠性分析

武龍飛，張曉龍，羅贏，黃曠，宋進(jìn)，劉杰

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

0 引言

輸電線路除冰裝置通常在高海拔、低溫地區(qū)運(yùn)行，惡劣的工作環(huán)境下，除冰裝置工作穩(wěn)定性和可靠性就變得尤為重要[1-3]。如果除冰裝置工作過程中發(fā)生故障，會給工作人員造成很大麻煩，故障機(jī)器很難收回，并且還會對后續(xù)工作造成影響[4]。

我國西部和北方寒冷地區(qū)因為輸電線路結(jié)冰造成的災(zāi)難事件時常發(fā)生，尤其是我國西電東送項目在西部山區(qū)有大量的輸電線路易結(jié)冰，對輸電線路除冰裝置有很大的需求，設(shè)計一款除冰高效、工作穩(wěn)定的除冰裝置很有必要[5-6]。目前世界上主流的除冰方法有熱力融冰、機(jī)械除冰和被動除冰[7-9]。加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault 等人經(jīng)過2 年研究設(shè)計的HQ LineROVer 遙控小車[10-11]，能在線上行駛，但不能實現(xiàn)越障；后來研制的機(jī)器人Line Scout mobile platform 初步具備了越障功能[12]。這些輸電線路除冰裝置通常在高寒地區(qū)懸空運(yùn)行，如果出現(xiàn)故障將導(dǎo)致輸電線路除冰裝置滯留在電纜上，工作人員將很難把故障機(jī)器人收回。所以基于功能和工作環(huán)境對輸電線路除冰裝置的可靠性評估非常必要。在國內(nèi)，2020 年昆明理工大學(xué)功能流體應(yīng)用與礦山機(jī)電工程研究所運(yùn)用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計的除冰裝置帶有防凍噴涂裝置[13]，能夠在一定程度上防止覆冰再生，并且通過有限元分析，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。本文以昆明理工大學(xué)功能流體應(yīng)用與礦山機(jī)電工程研究所設(shè)計的輸電線路除冰裝置為研究對象，對其零部件進(jìn)行可靠性分析，并對易失效零部件提出維護(hù)和改進(jìn)意見。

1 結(jié)構(gòu)功能分析

輸電線路除冰裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主體結(jié)構(gòu)由除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、動力機(jī)構(gòu)和外殼4 個部分組成。其中除冰機(jī)構(gòu)為主要工作機(jī)構(gòu)，起到輸電線路覆冰的清除作用，包括安裝在最前端的除冰銑刀和緊隨其后的鏟刀。行走機(jī)構(gòu)主要功能是帶動除冰裝置在輸電線路上行走，包括3 個行走輪、1 個輔輪和1 個壓除輪，驅(qū)動裝置自動行走。動力機(jī)構(gòu)為整個除冰裝置提供動力，包括蓄電池和若干線路，驅(qū)動除冰機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)持續(xù)正常工作。外殼部分起保護(hù)和固定內(nèi)部各零件的作用。

圖1 輸電線路除冰裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of deicing device for power transmission cable

2 輸電線路除冰裝置故障分析

2.1 FMECA 分析方法

故障模式、影響和危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis，簡稱FMECA）[14]是在工程實踐中總結(jié)出來的，主要分析設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生的故障模式以及產(chǎn)生的影響后果，并根據(jù)故障模式產(chǎn)生影響后果的嚴(yán)重程度及發(fā)生概率確定的危害度歸納綜合分析的方法[15]，該方法在評估系統(tǒng)可靠性、產(chǎn)品可靠性設(shè)計及改進(jìn)等應(yīng)用廣泛[16-17]。

2.1.1 FEMCA 分析

輸電線路除冰裝置主要分為4 部分：行走模塊、除冰模塊、供電模塊[18]和外殼部分。對各個部分進(jìn)行可靠性框圖分析，如圖2 所示。

圖2 輸電線路除冰裝置主要組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of transmission cable deicing device

通過對輸電線路除冰裝置的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，繪制功能層次與結(jié)構(gòu)層次的對應(yīng)關(guān)系圖，如圖3 所示。

圖3 輸電線路除冰裝置功能與結(jié)構(gòu)層次對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between functions and structural levels of deicing devices for transmission cables

輸電線路除冰裝置主要結(jié)構(gòu)為串聯(lián)配置，這將導(dǎo)致即使只有一個結(jié)構(gòu)發(fā)生故障，也會使整個裝置不能正常工作，可靠性關(guān)系框圖如圖4 所示。

圖4 輸電線路除冰裝置可靠性關(guān)系Fig.4 Reliability relationship of transmission cable deicing device

2.1.2 故障分析

經(jīng)分析，該機(jī)器主要組成機(jī)構(gòu)中發(fā)生故障的部分主要分為4 個：行走機(jī)構(gòu)、除冰機(jī)構(gòu)、動力機(jī)構(gòu)和外殼，主要故障模式匯總?cè)绫? 所示。

根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》，將故障模式造成的故障影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行嚴(yán)酷度級別劃分，如表1 所示。

表1 嚴(yán)酷度等級表Tab.1 Severity ratings

可靠性分析已被廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)領(lǐng)域，用于提高產(chǎn)品安全性和可靠性、優(yōu)化維修策略和保障資源，并最終實現(xiàn)產(chǎn)品效能的提高和全壽命周期費用的降低。根據(jù)嚴(yán)酷度等級表和故障影響概率β值表，并運(yùn)用軟件對輸電線路除冰裝置建模并計算，可得到該機(jī)器的主要部件的故障率，將其故障信息進(jìn)行歸納整理制成FMECA 分析表。輸電線路除冰裝置的FMECA 分析表如表2 所示。

根據(jù)表2，可明了輸電線路除冰裝置的各個零件故障模式、故障原因以及故障影響等，以便進(jìn)行進(jìn)一步的分析，明確每個故障原因的危害度、發(fā)生的故障率大小及所占的權(quán)重。將進(jìn)一步分析的結(jié)果列出，如表3 和圖5 所示。

圖5 危害度矩陣圖Fig.5 Criticality matrix

表2 故障分析表Tab.2 Failure analysis

表3 電纜除冰防冰裝置FEMCA 分析表Tab.3 FEMCA analysis of cable deicing and anti-icing device

其中對于故障影響的概率β值，根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》，當(dāng)影響結(jié)果為肯定損傷，β取值為1；當(dāng)影響結(jié)果為可能損傷，β取值為0.5；當(dāng)影響結(jié)果為很少可能損傷，β取值為0.1；當(dāng)影響結(jié)果為無影響，β取值為0。

由表3 和圖5 可知，嚴(yán)酷度級別最高為Ⅱ級事件且危害度最大，對系統(tǒng)傷害最高，所以為了進(jìn)一步明確每一個Ⅱ級事件對電纜除冰防冰裝置不能工作的相對重要度，以除冰防冰裝置不能工作為頂事件0 進(jìn)行故障樹分析。

2.2 輸電線路除冰裝置的故障樹分析

故障樹分析（FTA）采用由上往下的演繹式失效分析法[19]，用于分析系統(tǒng)在工作中可能會出現(xiàn)的故障，然后通過故障找出系統(tǒng)失效的原因，主要用在安全工程以及可靠度工程的領(lǐng)域。定性分析各底事件對頂事件發(fā)生影響的組合方式和傳播途徑，識別可能的系統(tǒng)故障模式，以及定量計算這種影響的輕重程度，算出致使系統(tǒng)失效的概率，以方便對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和對系統(tǒng)故障的預(yù)測。

本文對輸電線路除冰裝置進(jìn)行故障樹分析時，重點是對除冰模塊進(jìn)行故障分析。通過前文2.1 節(jié)分析可知，輸電線路除冰裝置故障模式中，輸電線路除冰裝置不能工作將無法對輸電線路進(jìn)行除冰，該機(jī)器就失去了它的作用。因此，將頂事件0 定為“輸電線路除冰裝置不工作”，下面將對頂事件0進(jìn)行分析。

2.2.1 頂事件0 故障樹的建立

根據(jù)前面FEMCA 分析可知，導(dǎo)致頂事件0“除冰裝置不能工作”發(fā)生的第一層的直接原因有：行走機(jī)構(gòu)不能工作、除冰機(jī)構(gòu)不能工作、動力機(jī)構(gòu)不能工作、除冰機(jī)零件散落、壓除輪機(jī)構(gòu)不能工作。頂事件0“除冰裝置不能工作”的故障樹如圖6、圖7 所示。

圖6 頂事件0 第1 部分故障樹（1）Fig.6 Top event 0,the first part of fault tree（1）

圖7 頂事件0 第2 部分故障樹（2）Fig.7 Top event 0,the second part of fault tree (2)

2.2.2 頂事件0 的定性分析

為了確定頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，即能夠使得頂事件發(fā)生的若干底事件的集合，對其進(jìn)行定性分析是很有必要的。定性分析的主要任務(wù)就是確定所有的最小割集，即包含了最小數(shù)量且為最必須的底事件集。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0“除冰機(jī)構(gòu)不能工作”的所有最小割集。關(guān)于頂事件0“除冰機(jī)構(gòu)不能工作”總共有19 個最小割集。即使只有以上任一最小割集發(fā)生，頂事件就將發(fā)生。

2.2.3 頂事件0 的定量分析

為了進(jìn)一步分析底事件發(fā)生之后對頂事件的影響的重要程度，需要對每個底事件進(jìn)行定量分析，計算出每個底事件的相對概率重要度。相對概率重要度越大，說明該事件引起頂事件發(fā)生的可能性越大。

設(shè)底事件故障發(fā)生概率分別為q1，q2，…，qn，對于故障樹所有底事件相互獨立的情況，頂事件的發(fā)生概率是底事件發(fā)生概率的函數(shù)，稱為故障概率函數(shù)，記為Q=Q（q1，q2，…，qn），則第i 個底事件的相對概率重要度Ic計算公式為

式中：r ——最小割集數(shù)；Ki——第i 個最小割集，P（Ki）——第i 個最小割集發(fā)生概率，設(shè)第i 個最小割集包含的底事件有（X1，X2，…，Xn），qxi是Xn的發(fā)生概率，并且各個底事件之間相互獨立，則Q（q1，q2，…，qn）——第i 個底事件的概率重要度；P（T1）——頂事件0 發(fā)生的概率，是所有底事件P（X）發(fā)生概率之和。

計算得出頂事件0 的故障發(fā)生概率計算式：

頂事件0 的故障概率函數(shù)為

各割集的相對概率重要度可根據(jù)式（6）求得

每個底事件的相對概率重要度表示這個底事件發(fā)生概率微小的相對變化而導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率的相對變化率。通過分析和計算，可以得到頂事件0“除冰裝置不能工作”的底事件相對重要度的排行，如表4 所示。

表4 頂事件0 的底事件相對概率重要度排行表Tab.4 Relative probability and importance of bottom event of top event 0

3 分析結(jié)果及優(yōu)化措施

通過FMECA 分析和故障樹分析表以及上述分析可得出以下結(jié)論和優(yōu)化措施：

（1）在輸電線路除冰裝置中，造成輸電線路除冰裝置故障的主要原因是除冰機(jī)構(gòu)故障，造成故障的原因主要有傳動齒輪松動、鏟刀損壞、除冰刀損壞和傳動齒輪損壞。除冰機(jī)構(gòu)是輸電線路除冰裝置的核心機(jī)構(gòu)，所以除冰機(jī)構(gòu)損壞將導(dǎo)致輸電線路除冰裝置不能工作。

（2）對于傳動齒輪松動問題，操作人員可在輸電線路除冰裝置工作前對其進(jìn)行故障排查，保證傳動齒輪的牢固性。對于鏟刀損壞問題，由于鏟刀體積小并且容易拆卸，可以隨機(jī)器工作攜帶鏟刀，定期做檢查，對有安全隱患的鏟刀進(jìn)行更換。對于除冰刀損壞，需要對輸電線路除冰裝置定期進(jìn)行檢查，對除冰刀進(jìn)行定期更換，以防止在工作時發(fā)生意外影響正常工作。對于傳動齒輪損壞，需要操作人員定期對輸電線路除冰裝置進(jìn)行清理，防止機(jī)器內(nèi)部堆積大量灰塵。此外由于輸電線路除冰裝置工作環(huán)境在室外，需要對機(jī)器傳動部分定期進(jìn)行潤滑，減少機(jī)器工作過程中的磨損。

4 結(jié)語

輸電線路除冰裝置工作環(huán)境復(fù)雜，是容易發(fā)生故障的機(jī)器?；诳煽啃攒浖蘒sograph 對其進(jìn)行FMECA 分析，和基于故障樹的定性分析和定量分析，分析出在輸電線路除冰裝置中容易發(fā)生故障的結(jié)構(gòu)和零件，并對輸電線路除冰裝置中容易發(fā)生故障的結(jié)構(gòu)和零件的故障模式發(fā)生概率進(jìn)行排序，并給出一定的解決措施，對提高輸電線路除冰裝置的可靠性提供了依據(jù)，對輸電線路除冰裝置的生產(chǎn)、使用和維護(hù)有很大的幫助。