李沁生

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 211170)

0 引言

分油機(jī)是船舶動(dòng)力裝置中必不可少的輔助機(jī)械設(shè)備。目前大多數(shù)商船均以柴油機(jī)作為主機(jī)和發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)。船舶公司為了降低燃油成本,柴油機(jī)普遍采用低質(zhì)燃油。低質(zhì)燃油必須用分油機(jī)來(lái)凈化,以快速除去其中的水分和雜質(zhì)。此外船舶柴油機(jī)的曲軸箱滑油也需要分油機(jī)來(lái)凈化。燃油與滑油凈化質(zhì)量的好壞對(duì)柴油機(jī)工作的可靠性和使用壽命影響極大,所以分油機(jī)的正常運(yùn)行成為船舶主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)安全運(yùn)行的重要前提之一。由于分油機(jī)運(yùn)行頻繁、故障率高、故障因素繁多且錯(cuò)綜復(fù)雜,出現(xiàn)故障時(shí),普遍采用憑經(jīng)驗(yàn)拆解分油機(jī)來(lái)查找故障,這樣不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且常常會(huì)因?yàn)檠b復(fù)不符合要求而引發(fā)新故障。因此對(duì)分油機(jī)進(jìn)行故障診斷研究、快速定位故障、排除故障,對(duì)于保證船舶安全是十分必要的。

1 分油機(jī)工作原理與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

在離心力場(chǎng)中,密度越大的物質(zhì)所受的離心力越大。分油機(jī)工作原理是:當(dāng)污油被連續(xù)地供入高速旋轉(zhuǎn)的分離筒中并隨分離筒作高速旋轉(zhuǎn)時(shí),密度較大的水滴和機(jī)械雜質(zhì)所受的離心力較大而被甩到外周,水被引出,雜質(zhì)則被定期通過排渣口清除;密度較小的油所受的離心力較小便向里流動(dòng),聚于轉(zhuǎn)軸附近,并從特設(shè)的出油口流出,從而得到凈油。在高速旋轉(zhuǎn) (10 000 r/min)的分離筒中,雜質(zhì)受到的離心慣性力將是其所受重力的幾千倍或更高。分油機(jī)正是利用離心分離的原理凈化污油的,其特點(diǎn)是凈化時(shí)間短,凈化過程連續(xù),分離量大,分離效率高。

分油機(jī)可分為分水機(jī)和分雜機(jī)兩種,分水機(jī)在船舶上應(yīng)用較廣泛。分離筒由電動(dòng)機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),中間設(shè)置了摩擦離合器以防過載。分離過程在分離筒內(nèi)進(jìn)行,分離筒由水液壓控制滑動(dòng)底盤上下進(jìn)行自動(dòng)密封和自動(dòng)排渣,重力環(huán)內(nèi)徑大小決定了出水的流量,從而決定了分離筒中水封水的多少,以此控制油水分界面內(nèi)外移動(dòng)。通過分析分油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)的故障必然是由其組件故障引起的,而組件故障又必然是由次組件故障引起的,這樣依次類推地分析下去,故障必定是由一個(gè)或幾個(gè)元器件的失效造成的,為了便于操作,可以建立故障樹,用故障樹作為故障診斷的手段,緣圖索驥定位故障,及時(shí)、準(zhǔn)確地排除故障。

2 故障樹分析法

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis,FTA)是一種目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)安全性、可靠性分析比較實(shí)用的方法,目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、電子、武器、機(jī)械、化工和采礦等領(lǐng)域。它采用自上而下逐層展開的圖形演繹分析方法,以系統(tǒng)或設(shè)備最不希望發(fā)生的事件為頂,向下逐層找出導(dǎo)致該事件發(fā)生的各種因素 (包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等),然后以一種特殊的倒立樹狀邏輯因果圖 (即故障樹)來(lái)表示其中的邏輯關(guān)系。對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生的故障事件,可進(jìn)行由總體到部分地按樹狀逐級(jí)細(xì)分的分析,其目的是判明基本故障、確定故障原因、故障影響和發(fā)生概率等。故障樹本身也是一種形象化的技術(shù)資料,建立后,可對(duì)系統(tǒng)的管理和運(yùn)行起到直觀教學(xué)和維修指南的作用,可用于故障診斷與檢修表的制定[2]。圖 1為FTA一般流程。

圖1 FTA一般流程

3 分油機(jī)故障樹的建立

分油機(jī)常見的故障有:運(yùn)行中跑油、分離筒達(dá)不到規(guī)定轉(zhuǎn)速、進(jìn)油困難或中斷、不能排渣、運(yùn)行中異常振動(dòng)噪音等。其中運(yùn)行中跑油是分油機(jī)最常見的故障,主要有出水口跑油或排渣口跑油,或兩者兼有。本文以 “分油機(jī)跑油”為故障樹的頂事件。由于造成分油機(jī)故障的因素多且關(guān)系復(fù)雜,本文確定的模型邊界條件是從使用管理者的角度來(lái)分析研究分油機(jī)故障,故只針對(duì)運(yùn)行中的分油機(jī),不涉及設(shè)計(jì)、制造方面缺陷的影響因素。參照文獻(xiàn)[1]并結(jié)合實(shí)船工作經(jīng)驗(yàn)情況列出如圖 2所示的故障樹。FTA常用符號(hào)有:?表示頂事件或中間事件,表示或門,表示與門,○表示底事件。

圖2 分油機(jī)跑油故障樹

4 故障樹定性分析

4.1 求最小割集

故障樹定性分析的目的是為了尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因和原因事件的組合,即最小割集。求出最小割集可以明確系統(tǒng)故障的各種可能途徑,為預(yù)防頂事件發(fā)生提供理論依據(jù)。最小割集越多,相對(duì)來(lái)說(shuō)系統(tǒng)越危險(xiǎn)[3]。

在故障樹中,若所有的基本事件全部發(fā)生,則頂事件必然發(fā)生。但在多數(shù)情況下,只要某個(gè)或某幾個(gè)基本事件發(fā)生,頂事件就會(huì)發(fā)生。通常把故障樹中使頂事件發(fā)生的基本事件的集合稱為割集;能使頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合稱為最小割集[4]。按照?qǐng)D 2故障樹所示的各個(gè)事件之間的關(guān)系,運(yùn)用下行法,根據(jù)邏輯運(yùn)算求得所建故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的布爾代數(shù)表達(dá)式為:

T=X1+X2X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X 17+X18+X19+X 20+X21+X22。

由上式可知共有 21個(gè)最小割集: {X1};{X2X3};{X4};{X 5};{X6};{X7};{X8};{X9};{X10};{X11};{X12};{X13};{X14};{X15};{X16};{X17};{X18};{X19};{X20};{X21};{X22}。即導(dǎo)致分油機(jī)跑油的故障模式有 21種。

4.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度為某個(gè)底事件或最小割集在故障樹中所處位置的重要性的量度,與底事件或最小割集本身的故障概率無(wú)關(guān),是底事件或最小割集對(duì)系統(tǒng)故障貢獻(xiàn)大小的表征。一般遵循下述原則對(duì)底事件和最小割集進(jìn)行比較[5]。

1)階數(shù)越小的最小割集越重要。

2)在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要。

3)階數(shù)相同時(shí),在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)越多的底事件越重要。

本例中共 20個(gè)一階最小割集,為:

{X1}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19}、{X20}、{X21}、{X22}。

共 1個(gè)二階最小割集,為:{X2X3}。

其中,導(dǎo)致中間事件 E6發(fā)生的底事件{X10}、{X11}、{X12}重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)為 2,其余底事件重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)為 1。各底事件依結(jié)構(gòu)重要度的排序?yàn)?

I(X10)=I(X11)=I(X12)＞I(X1)=I(X4)=I(X5)=I(X6)=I(X7)=I(X8)=I(X9)=I(X 13)=I(X14)=I(X15)=I(X16)=I(X17)=I(X18)=I(X19)=I(X20)=I(X21)=I(X22)＞I(X2)=I(X3)。

其中,由于 (X2,X4,X5,X6,X8,X9,X13)均為人因故障,并且導(dǎo)致中間事件 E6發(fā)生的 (X10)中也存在人因故障,可知在導(dǎo)致分油機(jī)跑油故障各因素中,人因故障是一個(gè)關(guān)鍵因素。

5 分油機(jī)跑油故障診斷的步驟

當(dāng)分油機(jī)跑油故障發(fā)生時(shí),首先結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況,判明是出水口跑油,還是排渣口跑油,或者兼有。進(jìn)一步查找分油機(jī)轉(zhuǎn)速是否正常,接著對(duì)上面提到的人因故障按操作規(guī)范進(jìn)行逐一改正,最后沿著樹干向樹梢逐一確認(rèn)其他故障所在。故障診斷程序可依據(jù)所建的故障樹,按照 “由頂至下、逐級(jí)分解、先重要后次要、先人因后硬件、先外圍后內(nèi)部”的原則對(duì)底事件一一進(jìn)行排查。實(shí)踐證明,這樣做比盲目拆解分油機(jī)去查找故障,能夠大大提高查找故障的準(zhǔn)確率,及時(shí)排除故障。

表1 故障樹符號(hào)說(shuō)明

6 結(jié)論

以分油機(jī)跑油故障為頂事件,針對(duì)實(shí)際中分油機(jī)故障診斷困難的問題,建立了故障樹。對(duì)故障割集進(jìn)行了定性分析,得到最小割集,并按照結(jié)構(gòu)重要度對(duì)底事件進(jìn)行了排序,指出了故障診斷程序,為快速定位故障提供參考,分油機(jī)其他故障診斷程序也可參照本思路運(yùn)用。此外,識(shí)別出了造成頂事件的一些人為因素,可通過加強(qiáng)培訓(xùn)和制作合理的維修操作規(guī)范減低人因故障,提高分油機(jī)的可靠性。

[1]孫培廷.船舶柴油機(jī) [M].大連海事大學(xué)出版社,2002.

[2]宋保維.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析 [M].西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[3]李媛媛,等.激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)故障樹分析 [J].紅外與激光工程,2009,38(2):335-339.

[4]賈哲,等.FTA在機(jī)器人故障診斷中的應(yīng)用 [J].裝備制造技術(shù),2008(9):84-85;91.

[5]魏勇.船舶常規(guī)電站主開關(guān)跳閘的故障樹分析 [J].船海工程,2008,37(4):22-24.