基于故障樹分析法船舶舵機故障診斷方法研究

李 雪，孫 崢，趙 尚

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 裝備保障系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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基于故障樹分析法船舶舵機故障診斷方法研究

李 雪，孫 崢，趙 尚

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 裝備保障系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

液壓舵機是船舶最重要的輔機之一，舵機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障繁多且不易排除。以“舵機不能轉(zhuǎn)動”故障為例，利用故障樹分析法建立故障樹模型，并進行定性和定量分析，得出故障樹最小割集和各底事件的概率重要度，將故障樹的分析結(jié)果應(yīng)用于故障的排查和分析，可以直觀、高效地解決問題。這種方法可以為舵機的維修和維護提供依據(jù)。

故障樹；液壓舵機；故障

液壓舵機是船舶重要甲板機械之一，其作用是改變和保持船舶航向。舵機工作直接關(guān)系船舶的航行安全。舵機是典型的機電液一體化產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障不容易查找[1]。針對船舶舵機的結(jié)構(gòu)及常見故障特點，利用故障樹分析法對船舶舵機故障進行分析，為船員進行設(shè)備維修、保養(yǎng)提供一種簡單可行的方法。

1 液壓舵機系統(tǒng)介紹

某型船舶采用的舵機為拔叉式電動液壓舵機，控制方式為電磁閥控制式。它由1套拔叉式推舵機構(gòu)、2套動力柜、1套備用油箱、操縱臺等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)駕駛臺給出與實際舵角不同的指令舵角時，電機12啟動，帶動定量泵11運轉(zhuǎn)，電磁換向閥9某側(cè)電磁線圈通電，閥芯偏離中位，液壓油經(jīng)電磁閥及專用閥8向轉(zhuǎn)舵油缸3某一油路供油，推動拔叉1擺動，進而通過連桿4帶動舵柄5和舵桿6轉(zhuǎn)動。當(dāng)舵轉(zhuǎn)至實際舵角與指令舵角相同時，電磁換向閥的電信號消失，閥芯回到中位，泵的排油經(jīng)電磁閥卸荷，轉(zhuǎn)舵油缸的油路被封閉，舵停轉(zhuǎn)。

本舵機配備2套互為備用的動力柜，用其中1套工作就能滿足船級社對船機的各項要求，另外1套備用[2]。

1. 拔叉 2. 柱塞 3. 油缸 4. 連桿 5. 舵柄 6. 舵桿 7. 安全閥 8. 換向閥 9. 電磁換向閥 10. 卸荷閥 11. 定量泵 12. 電機 13. 油箱 14. 備用動力柜 15. 備用油箱

圖1 閥控型液壓舵機系統(tǒng)原理圖

2 故障樹分析法

2.1 基本原理

故障樹分析法是一種將系統(tǒng)故障形成的原因作為總體至部分按樹枝狀逐級細化的分析方法，它可以圍繞一個或一些特定的故障模式進行層層追蹤。在清晰的故障樹下，可以表達系統(tǒng)故障事件的內(nèi)在聯(lián)系，提出單元故障之間的邏輯關(guān)系，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[3]。

2.2 分析步驟

2.2.1 選擇頂事件

頂事件是FTA所繪制的倒置樹形結(jié)構(gòu)中頂端的事件，也是故障樹分析的出發(fā)點。通常把產(chǎn)品最不希望發(fā)生的事件作為故障樹的頂事件[4]。

2.2.2 建造故障樹

工程中采用演繹法人工建樹，對于復(fù)雜問題，通常采用計算機輔助手段建樹。本研究采用計算機輔助手段來建樹。將畫好的故障樹進行規(guī)范化，使之成為僅含有底事件、結(jié)果事件，以及“與”“或”“非”3種邏輯門的故障樹。

2.2.3 定性分析

求出故障樹的所有最小割集，在沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)而無法進一步定量分析的情形下，可以僅作定性比較。

2.2.4 定量分析

在各個底事件相互獨立和已知其發(fā)生概率的條件下，求出故障樹頂事件發(fā)生概率和一些重要度指標(biāo)。

3 利用故障樹排除船舶舵機液壓系統(tǒng)故障

船舶舵機主要由液壓系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。每個系統(tǒng)都有可能發(fā)生故障，實踐表明，液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)比較容易出現(xiàn)故障。其中液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的故障有舵機不能轉(zhuǎn)動、滯舵、跑舵、單向舵等。本文以“舵機不能轉(zhuǎn)動”為例，詳細說明故障樹法在舵機故障診斷及排除中的應(yīng)用。

3.1 舵機不能轉(zhuǎn)動故障樹建立

導(dǎo)致船舶舵機不能轉(zhuǎn)動的原因主要有以下幾種：

1) 遙控系統(tǒng)失靈。如電源故障、保險絲熔斷、觸頭或連接接觸不良、電氣元件損壞等，還有可能是舵機間電氣遙控系統(tǒng)的受動元件或機構(gòu)故障，如電磁閥閥芯卡阻、傳動銷脫落等。

2) 主油泵不供油。若泵轉(zhuǎn)動但無油壓，可能是泵損壞；也可能是油箱油位過低或吸入側(cè)堵塞。

3) 主油路旁通或嚴重泄漏。主要原因可能是舵機負荷過大，使油壓高于正常值，安全閥開啟[5]，也可能是旁通閥開啟、安全閥開啟壓力過低或關(guān)閉不嚴，卸荷閥不能關(guān)閉等。

利用“故障樹計算機輔助分析軟件”建立船舶舵機不能轉(zhuǎn)動故障樹，如圖2所示。

圖2 舵機不能轉(zhuǎn)動故障樹

3.2 故障樹分析

3.2.1 故障樹的定性分析

利用“故障樹計算機輔助分析軟件”很容易對所建立的故障樹進行定性分析，求出全部最小割集，找出引起頂事件發(fā)生的所有可能故障模式。舵機不能轉(zhuǎn)動的最小割集為{Xi}，i=1，2，…,15，Xi為基本事件。

從故障樹的最小割集可以看出，這個故障樹共有15個最小割集，它們構(gòu)成了舵機不能轉(zhuǎn)動的所有故障模式；所有最小割集都是一階的，說明舵機系統(tǒng)是一個典型的串聯(lián)系統(tǒng)，每個最小割集中的故障發(fā)生，都會導(dǎo)致舵機不能轉(zhuǎn)動這個頂事件的發(fā)生。

3.2.2 故障樹的定量分析

根據(jù)各基本事件發(fā)生的概率，求出各基本事件的概率重要度，并根據(jù)概率重要度對基本事件進行排序，可以指導(dǎo)維修人員合理地安排故障排查的順序。

確定各基本事件的發(fā)生概率是進行定量分析的基礎(chǔ)，基本事件發(fā)生概率的確定方法主要有兩種，即故障統(tǒng)計分析法和經(jīng)驗法。故障統(tǒng)計分析法通過統(tǒng)計分析大量的故障數(shù)據(jù)得到基本事件發(fā)生的概率，其優(yōu)點是結(jié)果準確，缺點是數(shù)據(jù)不容易搜集。經(jīng)驗法比較容易實現(xiàn)，但結(jié)果沒有故障統(tǒng)計分析法準確。本文采用經(jīng)驗法，發(fā)放問卷調(diào)查，由各輪機長填寫各基本事件發(fā)生的概率，求平均值，得到各基本事件發(fā)生的概率。舵機不能轉(zhuǎn)動故障樹各基本事件發(fā)生的概率如表1所示。

表1 基本事件發(fā)生的概率

續(xù)表

利用“故障樹計算機輔助分析軟件”計算，得到各基本事件的概率重要度，如表2所示。表2中的數(shù)據(jù)表示，概率重要度大的基本事件比概率重要度小的基本事件發(fā)生故障的可能性大一些。

表2 基本事件概率重要度

3.2.3 利用故障樹排除“舵機不能轉(zhuǎn)動”故障

輪機管理人員根據(jù)經(jīng)驗和現(xiàn)場觀察檢測，利用建立的故障樹圖及故障樹的定性和定量分析結(jié)果，可以迅速找到故障點，避免從頭到尾查找一遍。下面以“舵機不能轉(zhuǎn)動”故障為例，說明利用故障樹排除故障的方法[6]。

從舵機不能轉(zhuǎn)動的故障樹可以看出，舵機不能轉(zhuǎn)動的中間事件主要有4個，即控制系統(tǒng)失靈、主泵不能供油、主油路不通、轉(zhuǎn)舵機構(gòu)受阻。

1) 控制系統(tǒng)失靈。用舵機艙的簡易操舵臺進行操舵，如果舵仍不能轉(zhuǎn)動，說明原因必在舵機上，應(yīng)對舵機進行詳細檢查，而不必去檢查控制系統(tǒng)下的各基本事件。若舵機運轉(zhuǎn)正常，說明原因在控制系統(tǒng)，那么應(yīng)參閱駕駛室控制系統(tǒng)的使用說明書，結(jié)合控制中間事件(系統(tǒng)失靈)下各基本事件的概率重要度，依次查找故障。

2) 轉(zhuǎn)舵機構(gòu)受阻?？梢愿鶕?jù)其下兩個基本事件的概率重要度，依次觀察轉(zhuǎn)舵機構(gòu)各構(gòu)件是否卡住。

3) 主油泵不供油。應(yīng)先檢查油箱的油位是否在液位計的正常范圍，若不在(過少)，則補油。檢查油液的清潔度和污染，污染嚴重則可能造成吸油管阻塞。觀察電機是否轉(zhuǎn)動，聯(lián)軸器是否損壞；觀察泵是否轉(zhuǎn)動，壓力表是否有油壓，如果主泵轉(zhuǎn)動無油壓，可能是泵損壞，換備用泵，如果正常，說明泵損壞。

4) 主油路不通。檢查安全閥預(yù)設(shè)定壓力是否太低，沒有達到規(guī)定要求。檢查截止閥是否關(guān)嚴。電磁閥故障的檢查：用手去推電磁閥兩端的手動應(yīng)急按鈕，舵轉(zhuǎn)動，說明電磁閥電源插座松脫；若舵仍不動，有可能主閥芯被垃圾、雜質(zhì)卡住，應(yīng)把閥拆下，清洗，重新裝上再試[7]。

3.2.4 舵機故障的預(yù)防措施

為了減少舵機故障發(fā)生，輪機管理部門必須嚴格落實舵機定期保養(yǎng)和維護制度，具體做到以下幾點[8]：

1) 日常保養(yǎng)時，仔細檢查舵機各運轉(zhuǎn)參數(shù)、運轉(zhuǎn)情況和潤滑情況，及時發(fā)現(xiàn)異常并糾正。

2) 對照液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)安裝使用說明書進行定期預(yù)防、維修。

3) 2臺液壓動力柜互為備用，每3 h左右互換，這樣既能均勻2臺設(shè)備的正常磨損，又能降低液壓油的油溫，使液壓系統(tǒng)處于較好的工作狀態(tài)。

4) 保持液壓油清潔，平時注意觀察濾油器前后的壓差，按要求及時清洗或更換濾芯。定期(一般不要超過2 a)采樣進行詳細的化學(xué)性能分析，必要時換油。此外，補油或換油時還應(yīng)避免液壓油混入空氣。

4 結(jié)束語

利用故障樹分析法對船舶舵機故障進行分析，通過建立舵機的故障樹，對故障樹進行定性分析和定量分析，求得故障樹的最小割集和各基本事件的概率重要度，形成供船員進行故障檢修的適用性指導(dǎo)文件，船員可以根據(jù)經(jīng)驗，結(jié)合指導(dǎo)文件迅速查找并排除舵機故障，為船舶搶修提供決策支持。

[1] 段世忠.關(guān)于船舶舵機的原理及故障分析與預(yù)防[J].民營科技,2012(1):27.

[2] 鄒志華.25KNm撥叉式電磁閥控電動液壓舵機使用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:5-10.

[3] 周海京.故障模式、影響及危害分析與故障樹分析[M].北京:航空工業(yè)出版社,2003:55-59.

[4] 詹志剛.故障樹分析技術(shù)在液壓舵機系統(tǒng)故障檢測中的應(yīng)用[J].武漢造船,2000(2):16-18.

[5] 陳華旺.基于故障樹法的舵機液壓系統(tǒng)故障分析及排除[J].九江學(xué)院學(xué)報,2014(1):45-47.

[6] 王孝霖.船用舵機液壓系統(tǒng)分析及典型故障處理[J].機床與液壓,2015,43(22):42-44.

[7] 李娟.淺談電動液壓舵機的常見故障及排除[J].科技信息,2008(23):80-81.

[8] 夏秀山.某型驅(qū)逐艦液壓舵機跑舵故障分析與排除[J].中國修船，2012，25(20)：36-38.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

A study on ship steering gear fault diagnosis method based on fault tree analysis

LI Xue， SUN Zheng， ZHAO Shang

(Department of Equipment Support, Zhenjiang Watercraft College of PLA， Zhenjiang 212003, China)

Hydraulic steering gear is the most important ship auxiliary machinery. Its structure is complicated with various faults and difficult to eliminate. This thesis sets up fault tree model based on fault tree analysis, taking the steering gear fault of not rotating as an example, and discusses the minimal cutest of fault and the probabilistic importance through the qualitative analysis and quantitative analysis. The trouble shooting analysis is conducted by the result. It can solve audio-visually and efficiently by this method, which provides references for repair and maintenance of ship steering gear system.

fault tree analysis; hydraulic steering; fault

2016-06-20

鎮(zhèn)江船艇學(xué)院2015年度學(xué)員創(chuàng)新實踐活動項目(院學(xué)150621號)

李 雪(1978—)，男，遼寧鞍山人，講師，碩士，主要從事船艇可靠性研究；孫 崢(1987—)，男，浙江寧波人，助教，主要從事精密加工技術(shù)研究。

U664.4

A

1008-8148(2016)04-0050-04