基于故障樹(shù)的吊放電纜常見(jiàn)故障分析

李瑞紅，張飛飛，趙申?yáng)|

（海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041）

航空吊放聲納是通過(guò)吊放電纜將水下分機(jī)放入水中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)。在整個(gè)搜潛過(guò)程中吊放電纜既需要靠本身的拉力來(lái)提升、下放和懸掛水下分機(jī)，又需要傳遞水下分機(jī)與機(jī)載設(shè)備之間的各種信號(hào)，是一個(gè)集機(jī)械和電氣性能于一體的高科技材料構(gòu)成的設(shè)備，在整個(gè)吊放聲納搜潛系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。吊放電纜的一點(diǎn)點(diǎn)故障都會(huì)對(duì)整個(gè)搜潛過(guò)程產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以，吊放電纜的維護(hù)與預(yù)防就顯得格外重要。

故障樹(shù)分析法也稱(chēng)故障樹(shù)診斷法，是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體到部件按樹(shù)枝狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法。故障樹(shù)分析法是“由果求因”的演繹分析方法，是一個(gè)根據(jù)故障尋求發(fā)生原因的過(guò)程，能夠找出系統(tǒng)內(nèi)部各種可能發(fā)生的設(shè)備失效、環(huán)境因素改變或者人為因素等各類(lèi)底事件與系統(tǒng)故障之間的邏輯關(guān)系[1-2]。

本文就吊放電纜的常見(jiàn)故障問(wèn)題，運(yùn)用故障樹(shù)的方法，對(duì)吊放電纜損傷的原因進(jìn)行分析，計(jì)算常見(jiàn)故障問(wèn)題發(fā)生的概率，并根據(jù)分析結(jié)果提出裝備故障問(wèn)題預(yù)防和優(yōu)化的建議。

1 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法，簡(jiǎn)稱(chēng)FTA法（Fault Tree Analysis），是分析大型復(fù)雜系統(tǒng)的安全性和可靠性的有效工具。其以簡(jiǎn)單的概率論、布爾代數(shù)和邏輯符號(hào)等為基礎(chǔ)，運(yùn)用從上到下的方法、生成的一個(gè)對(duì)系統(tǒng)可靠性定性與定量分析的邏輯模型[3]。

1.1 故障樹(shù)的定性分析

對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析的主要目的是為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，也即弄清系統(tǒng)（或設(shè)備）出現(xiàn)某種最不希望的故障事件有多少種可能性[1]，通過(guò)求得最小割集，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最薄弱環(huán)節(jié)，搜尋故障源，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)，或用于指導(dǎo)故障診斷，改進(jìn)運(yùn)行和維修方案[4-8]。

1.2 故障樹(shù)的定量分析

故障樹(shù)的定量分析是在求得最小割集之后，根據(jù)底事件的發(fā)生概率，運(yùn)用概率論的知識(shí)，計(jì)算頂事件的發(fā)生概率和各個(gè)底事件的重要程度，為有效地控制故障的發(fā)生概率以及更好地進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)提供依據(jù)[8-9]。

2 吊放電纜故障樹(shù)的建立

水下分機(jī)是執(zhí)行反潛任務(wù)的核心設(shè)備，搜潛效果的好壞主要取決于水下分機(jī)的質(zhì)量，所以用來(lái)承重吊掛水下分機(jī)并進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)牡醴烹娎|對(duì)于整個(gè)搜潛系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。但是由于受材料限制、惡劣的使用環(huán)境及使用過(guò)程中的人為因素的影響使得吊放電纜的損傷問(wèn)題較多。針對(duì)吊放電纜的損傷問(wèn)題，運(yùn)用故障樹(shù)的方法，對(duì)吊放電纜損傷的原因進(jìn)行分析，以期望對(duì)裝備的維護(hù)保養(yǎng)有一定的預(yù)防作用。

首先，考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)、保障和作業(yè)環(huán)境等因素，列出造成電纜損傷問(wèn)題的所有原因，定義各中間事件和底事件含義，見(jiàn)表1。

表1 吊放電纜損傷故障的原因

開(kāi)始建立故障樹(shù)，從頂事件開(kāi)始，逐級(jí)向下，直到底事件[10]。例如，“X5（遇到特殊情況時(shí)操作人員操作不當(dāng)）”“X6（直升機(jī)突然轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)）”“X7（風(fēng)浪過(guò)大）”這3個(gè)底事件只有同時(shí)發(fā)生，其中間事件“G3（吊放電纜受力過(guò)大）”才會(huì)發(fā)生，所以，3個(gè)底事件與中間事件之間應(yīng)該用邏輯與門(mén)連接；而“X1（吊放電纜材料老化）”“G4（吊放電纜設(shè)計(jì)不當(dāng)）”2個(gè)事件只要其中一件發(fā)生，其上級(jí)事件“G1（吊放電纜強(qiáng)度不足）”就會(huì)發(fā)生，所以這2個(gè)底事件與上級(jí)的中間事件用邏輯或門(mén)連接，通過(guò)順次這樣的演繹，一直將所有的原因全部找出來(lái)為止，就建立起如圖1所示的故障樹(shù)圖[11]。

圖1 吊放電纜損傷問(wèn)題故障樹(shù)圖

3 故障樹(shù)的定性分析

3.1 求最小割集

利用布爾代數(shù)法，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到最小割集

所以，最小割集為{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

電纜損傷故障一共有6個(gè)最小割集，也就是說(shuō)有6種途徑可以導(dǎo)致該故障的發(fā)生。其中最小割集只含有1個(gè)基本事件的有：{X1}、{X5}、{X6}、{X7}是一階最小割集，{X2X3}、{X3X4}中含有2個(gè)基本事件，屬于二階最小割集?？梢哉J(rèn)為事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X5（遇到特殊情況時(shí)操作人員操作不當(dāng)）、事件X6（直升機(jī)突然轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)）、事件X7（風(fēng)浪過(guò)大）這4個(gè)基本事件是重要事件，平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)電纜的維護(hù)保養(yǎng)和相關(guān)人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)工作。

3.2 求最小徑集

為求得最小割集，需建立成功樹(shù)，通過(guò)故障樹(shù)圖得出的成功樹(shù)圖如圖2所示。

圖2 吊放電纜損傷問(wèn)題成功樹(shù)圖

用布爾代數(shù)法來(lái)求取成功樹(shù)的最小割集，此時(shí)的最小割集即為最小徑集，如下

由上式得出最小徑集如下。

從最小徑集來(lái)看，一共有12個(gè)最小徑集，也就是說(shuō)要通過(guò)預(yù)防這12條途徑來(lái)預(yù)防故障的發(fā)生。例如，要想防止P1的發(fā)生，只需確保事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X2（設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足）、事件X3（對(duì)水下分機(jī)不夠了解）和事件X4（作業(yè)前檢查失誤）同時(shí)不發(fā)生即可。

4 故障樹(shù)的定量分析

4.1 電纜損傷發(fā)生概率的計(jì)算

定量分析的主要任務(wù)是在底事件相互獨(dú)立和已知其發(fā)生概率的條件下，計(jì)算頂事件的發(fā)生和底事件重要度等信息。根據(jù)底事件實(shí)際發(fā)生情況，假設(shè)底事件的發(fā)生概率已知，見(jiàn)表2。

表2 引起吊放電纜損傷的事件發(fā)生概率

設(shè)Y（x）是故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)，利用布爾值的頂事件概率公式為

式中：φ（x）表示頂事件的狀態(tài)值，為0或者1；xi為底事件的概率；yi表示底事件的狀態(tài)值，為0或者1。

即

式中：g1=1-（1-q1）（1-g4）；g2=q3q4；g3=q5q6q7；g4=q2q3。

Y（x）表示頂事件的發(fā)生概率；gi表示中間事件的發(fā)生概率；qi表示底事件的發(fā)生概率。

將數(shù)據(jù)帶入可得到吊放電纜損傷故障發(fā)生的概率為Y（x）=0.238。

4.2 概率重要度計(jì)算

在定性分析中有結(jié)構(gòu)重要度的概念，只是從結(jié)構(gòu)上對(duì)各個(gè)底事件的重要程度的定性分析。如果要進(jìn)一步研究底事件的發(fā)生概率對(duì)頂事件的發(fā)生概率的影響，需要及時(shí)了解事件發(fā)生的概率重要度。

概率重要度計(jì)算公式

式中：Ig(i)表示系統(tǒng)中基本事件的概率重要度；Y(i)表示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)；y(i)表示基本事件概率。

已知該故障樹(shù)的最小割集為{X1}、{X2X3}、{X3X4}、{X5}、{X6}、{X7}。

結(jié)構(gòu)函數(shù)為Y（x）＝X1∪X2X3∪X3X4∪X5∪X6∪X7。

根據(jù)公式概率重要度公式，將數(shù)據(jù)代入公式得

4.3 臨界重要度的計(jì)算

臨界重要度是底事件i故障發(fā)生概率的變化率與所引起的頂事件發(fā)生概率變化率之比。

臨界重要度的計(jì)算公式為

式中：C[ Ig( i )]是系統(tǒng)的底事件的臨界重要度；Y（i）為頂事件的發(fā)生概率。

根據(jù)上式，得出臨界重要度。整理得到概率重要度和臨界重要度表，見(jiàn)表3。

表3 引起吊放電纜損傷故障基本事件的概率重要度和臨界重要度表

將概率重要度由大到小排列：

將臨界重要度由大到小排列：

參考基本事件的重要度，從全局的角度來(lái)考慮預(yù)防系統(tǒng)發(fā)生故障失效的原則，重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象：事件X5（遇到特殊情況時(shí)操作人員操作不當(dāng)）、事件X1（吊放電纜材料老化）、事件X6（直升機(jī)突然轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)）和事件X7（風(fēng)浪過(guò)大），余下事件作為最后考慮。

5 結(jié)論與建議

利用故障樹(shù)不僅能夠分析出事故的直接原因，還能夠觀察到事故的潛在原因，通過(guò)故障樹(shù)的理論分析和對(duì)實(shí)際案例的整理，可確定整個(gè)吊放電纜系統(tǒng)的好壞與吊纜老化程度、使用環(huán)境及維護(hù)使用人員都有關(guān)系。因此在日常維護(hù)中應(yīng)加強(qiáng)電纜的日常檢查，規(guī)范人員的操作培訓(xùn)，以有效降低吊放電纜損傷故障的發(fā)生。

針對(duì)吊纜材料老化的問(wèn)題，在日常維護(hù)中應(yīng)嚴(yán)格遵循廠家的建議，在達(dá)到規(guī)定次數(shù)后及時(shí)更換；入水操作后應(yīng)及時(shí)清洗吊纜表面的海水結(jié)晶，并定期對(duì)外表涂抹硅脂，做好潤(rùn)滑工作，延緩老化，增長(zhǎng)使用時(shí)間；在排纜時(shí)，應(yīng)按照預(yù)先規(guī)定將吊放電纜纏繞在鼓輪上，避免吊放電纜互相重疊、排列疏松，導(dǎo)致表皮的損壞。

通過(guò)對(duì)吊放電纜損傷的故障樹(shù)分析可以看出，吊纜的損傷不僅與地勤人員的維護(hù)有關(guān)，同時(shí)受到空勤人員業(yè)務(wù)水平和應(yīng)變能力的影響。這就為設(shè)備維護(hù)和預(yù)防打開(kāi)了一個(gè)新的方向，既要加強(qiáng)地勤人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)水平，也要提高空勤人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)，只有維護(hù)與使用的整體提高，才能帶動(dòng)裝備的發(fā)展，從而減少故障發(fā)生的幾率。