裝卸料機(jī)設(shè)備失效模式和影響分析

□馬禮兵

上海電氣核電設(shè)備有限公司上海201306

裝卸料機(jī)設(shè)備失效模式和影響分析

□馬禮兵

上海電氣核電設(shè)備有限公司上海201306

應(yīng)用失效模式和影響分析工具對(duì)裝卸料機(jī)零部件潛在的各種故障模式及影響進(jìn)行了分析，確定了設(shè)計(jì)特性及潛在的硬件失效模式，找出了裝卸料機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了相應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施。

裝卸料機(jī)是核電站換料系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于在反應(yīng)堆換料時(shí)將乏的堆芯組件從反應(yīng)堆堆芯移動(dòng)至轉(zhuǎn)運(yùn)室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)的換料操作區(qū)域，或?qū)⑿碌慕M件運(yùn)送至反應(yīng)堆中換料機(jī)的操作區(qū)域，還可以在反應(yīng)堆處于運(yùn)行工況時(shí)對(duì)工作人員進(jìn)行生物和熱屏蔽，實(shí)現(xiàn)回路對(duì)外部介質(zhì)的隔離密封[1-4]。

系統(tǒng)要求裝卸料機(jī)在運(yùn)行壽命內(nèi)盡可能少發(fā)生故障，為了減少裝卸料機(jī)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)發(fā)生的故障，筆者通過(guò)失效模式及影響分析（FMEA）工具[5-8]，對(duì)裝卸料機(jī)潛在失效問(wèn)題進(jìn)行有效預(yù)防性分析，找出相應(yīng)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施，以提高裝卸料機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

1 裝卸料機(jī)結(jié)構(gòu)概述

裝卸料機(jī)由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三級(jí)傳動(dòng)減速器、鏈輪副，最終帶動(dòng)吊桶（內(nèi)腔存放組件）滑架沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，并在行程的兩端與堆內(nèi)的換料機(jī)和堆外的轉(zhuǎn)運(yùn)室轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)配合來(lái)完成組件的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。

裝卸料機(jī)主要由塞體、帶法蘭的導(dǎo)軌、滑架、吊桶、鏈條移動(dòng)導(dǎo)管、拉桿、帶連桿的鏈條、帶電機(jī)的傳動(dòng)裝置等組成。

裝卸料機(jī)為完成換料工作而具備的功能包括提升、屏蔽、密封。

2 FMEA概述

由于在反應(yīng)堆運(yùn)行壽命期內(nèi)裝卸料機(jī)需要更換大量組件，系統(tǒng)要求裝卸料機(jī)的基本可靠性平均故障間隔時(shí)間≥570 h，因此需要對(duì)裝卸料機(jī)進(jìn)行潛在FMEA。通過(guò)FMEA工具，可對(duì)裝卸料機(jī)零部件存在的潛在失效問(wèn)題進(jìn)行有效分析和闡述。

FMEA指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，分析產(chǎn)品中每一個(gè)可能的故障模式[9-10]，并確定故障模式對(duì)該產(chǎn)品及上層產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響，同時(shí)將每一個(gè)故障模式按影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類，提出有效的改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品的可靠性。

在產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以系統(tǒng)地分析零件、元器件、設(shè)備分系統(tǒng)等產(chǎn)品各層次所有可能的故障模式、故障原因及后果，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，加以改進(jìn)，以達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

FMEA的分析結(jié)果是確定可靠性關(guān)鍵零部件的依據(jù)。

3 FMEA的應(yīng)用

根據(jù)分析對(duì)象所處的不同階段，F(xiàn)MEA的側(cè)重點(diǎn)也不同。技術(shù)設(shè)計(jì)階段，F(xiàn)MEA重點(diǎn)關(guān)注裝卸料機(jī)硬件。

3.1 系統(tǒng)定義

裝卸料機(jī)可靠性指標(biāo)如下：平均故障間隔時(shí)間為570 h，工作壽命為40年。

裝卸料機(jī)設(shè)備原理框圖如圖1所示。

圖1 裝卸料機(jī)設(shè)備原理框圖

裝卸料機(jī)功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 裝卸料機(jī)功能層次與結(jié)構(gòu)層次對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

裝卸料機(jī)基本可靠性框圖如圖3所示。

圖3 裝卸料機(jī)基本可靠性框圖

裝卸料機(jī)任務(wù)分為提升、屏蔽和密封。

提升任務(wù)方式下，所有部件都要工作，且為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任務(wù)可靠性框圖與圖3相同。

屏蔽任務(wù)方式下，只有兩個(gè)部件工作，且為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任務(wù)可靠性框圖如圖4所示。

圖4 裝卸料機(jī)屏蔽任務(wù)可靠性框圖

密封任務(wù)方式下，只有三個(gè)部件工作，且為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任務(wù)可靠性框圖如圖5所示。

圖5 裝卸料機(jī)密封任務(wù)下可靠性框圖

3.2 基本規(guī)則和假設(shè)

筆者所采用的分析方法為FMEA法，約定層次如圖6所示。

（1）初始約定層次。裝卸料機(jī)設(shè)備。

（2）第二約定層次。帶電機(jī)的傳動(dòng)裝置、鏈條移動(dòng)導(dǎo)管、帶連桿的鏈條、塞體、拉桿、滑架、吊桶、帶法蘭的導(dǎo)軌、電氣控制組件。

（3）第一約定層次。蝸輪減速器，殼、蓋、滑輪、塞等組件，以及管塞、螺栓、墊套等零件。

（4）最低約定層次?；?、套筒、扇形板等零件。

3.3 故障判據(jù)

（1）裝卸料機(jī)設(shè)備功能故障判據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)如下情況時(shí)，判斷為故障：裝卸料機(jī)設(shè)備不能正常提升；裝卸料機(jī)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)屏蔽；裝卸料機(jī)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)密封。

（2）裝卸料機(jī)設(shè)備性能故障判據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)輸入要求，列出裝卸料機(jī)設(shè)備故障判據(jù)。

（3）部件故障判據(jù)。列出每個(gè)部件的故障判據(jù)。

3.4 嚴(yán)酷度類別

嚴(yán)酷度類別是故障模式所產(chǎn)生后果的等級(jí)。對(duì)故障模式的嚴(yán)酷度類別進(jìn)行劃分，應(yīng)基于該故障模式對(duì)初始約定層次的最終影響程度。

圖6 約定層次示意圖

裝卸料機(jī)嚴(yán)酷度類別可按表1進(jìn)行劃分。

表1 嚴(yán)酷度類別表

3.5 發(fā)生概率等級(jí)

發(fā)生概率等級(jí)指設(shè)備或其組件的故障模式在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)的可能性，是一個(gè)相對(duì)值而非絕對(duì)值。根據(jù)已有的故障信息確定故障模式發(fā)生概率等級(jí)，當(dāng)無(wú)法獲取故障信息時(shí)，可以通過(guò)部件壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)、通用數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)或類似產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。

核電廠設(shè)備的故障模式發(fā)生概率等級(jí)見(jiàn)表2。

表2 核電廠設(shè)備故障模式發(fā)生概率等級(jí)表

3.6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是根據(jù)故障的后果和發(fā)生的可能性進(jìn)行的評(píng)估，以此為風(fēng)險(xiǎn)分析及采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施提供依據(jù)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣表見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣表

3.7 風(fēng)險(xiǎn)控制要求

根據(jù)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，規(guī)定了風(fēng)險(xiǎn)控制要求，見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)控制要求

3.8 故障模式影響分析

通過(guò)自下而上按約定層次分別對(duì)組件級(jí)、部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)設(shè)備進(jìn)行FMEA，直至約定層次為初始約定層次相鄰的下級(jí)。組件級(jí)和部件級(jí)FMEA本文不一一詳細(xì)列出，僅列出部分系統(tǒng)級(jí)FMEA，見(jiàn)表5。

表5 裝卸料機(jī)系統(tǒng)級(jí)FMEA

通過(guò)FMEA，共發(fā)現(xiàn)故障模式786種,其中嚴(yán)酷度Ⅰ級(jí)故障模式132種，嚴(yán)酷度Ⅱ級(jí)故障模式91種，嚴(yán)酷度Ⅲ級(jí)故障模式242種，嚴(yán)酷度Ⅳ級(jí)故障模式321種。確認(rèn)帶連桿的鏈條、拉桿、滑架、帶法蘭的導(dǎo)軌為可靠性關(guān)鍵產(chǎn)品。

4 改進(jìn)措施

通過(guò)FMWA，確認(rèn)帶連桿的鏈條、拉桿、滑架和導(dǎo)軌墊板為裝卸料機(jī)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。

為了預(yù)防薄弱環(huán)節(jié)故障模式的出現(xiàn)，建議在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采取如下措施。

（1）設(shè)計(jì)改進(jìn)帶連桿的鏈條。鏈條是易磨損件，一旦磨損將影響裝卸料機(jī)的定位精度，因此鏈條材料選擇38CrMoAl，表面滲氮處理[11]，提高鏈條的耐磨性,同時(shí)需要對(duì)鏈條壽命進(jìn)行部件驗(yàn)證試驗(yàn)。

（2）設(shè)計(jì)改進(jìn)拉桿。拉桿一端在高溫鈉蒸氣中，一端連接帶連桿的鏈條，兩端溫差較大，容易產(chǎn)生熱應(yīng)力變形，因此需要增加拉桿剛度防止變形。

（3）設(shè)計(jì)改進(jìn)滑架和導(dǎo)軌?；芤r墊與導(dǎo)軌墊板間為滑動(dòng)摩擦，工作在同一回路高溫鈉中，環(huán)境惡劣無(wú)法維修，一旦磨損將影響裝卸料機(jī)的提升功能，是影響裝卸料機(jī)工作壽命的主要因素，因此滑架襯墊和導(dǎo)軌墊板材料選擇W18Cr4V，并進(jìn)行表面氮化處理，以提高滑架襯墊的耐磨性。

5 結(jié)論

筆者應(yīng)用FMEA工具自下而上對(duì)裝卸料機(jī)進(jìn)行了分析，找出了裝卸料機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)和失效根源，并提出了設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，可供相關(guān)工作參考。

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（編輯：爾東）

Applied FMEA tool to analyse various potential fault modes of the parts of charging machine and the influences.Determined the design characteristics and potential hardware failure modes,found out the weak points of the charging machine，and proposed the correspondingpreventable and improvable measures.

裝卸料機(jī)；失效模式和影響分析；可靠性

Charging Machince;FMEA;Reliability

TH24

A

1672-0555（2017）02-065-05

2017年5月

馬禮兵（1983—），男，本科，工程師，主要從事核電設(shè)備設(shè)計(jì)與制造工作。