大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器的故障樹(shù)分析

何衛(wèi)東，郭洪亮，李永華

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是地球上最佳綠色能源，對(duì)保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義.大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)用變槳距減速器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，因?yàn)楫?dāng)自然界風(fēng)速有各種變化時(shí)，它能適時(shí)調(diào)節(jié)安裝在風(fēng)電機(jī)輪轂上的葉片的槳距角來(lái)有效的利用風(fēng)源.該減速器的承載能力、機(jī)械性能、疲勞壽命及工作可靠性是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)用變槳距減速器正常工作的極為主要的因素.本文主要通過(guò)對(duì)大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器系統(tǒng)可靠性的研究，通過(guò)FTA分析找出該減速器的薄弱環(huán)節(jié)，提高該傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性的分析精度［1］.

FTA是系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要方法之一.根據(jù)故障樹(shù)的分析，可以得出影響大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器系統(tǒng)及子系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵零部件，從而提高關(guān)鍵零部件的可靠性，以達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的.FTA是一種圖形演繹方法，可以將系統(tǒng)故障的各種可能因素聯(lián)系起來(lái)而有利于弄清系統(tǒng)的故障模式、找出系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)可靠性的分析精度.本文采用故障樹(shù)模擬技術(shù)進(jìn)行大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器的FTA分析，該方法突破了利用最小割集不交化來(lái)評(píng)定故障樹(shù)的思路，它以大數(shù)定理為理論依據(jù)，以抽樣結(jié)果來(lái)模擬系統(tǒng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)抽樣樣本的統(tǒng)計(jì)計(jì)算來(lái)獲得系統(tǒng)的可靠性參數(shù)［2］.

1 FTA建模

故障樹(shù)分析也是失效樹(shù)分析，簡(jiǎn)稱FTA(fault Tree Analysis)，它以系統(tǒng)所不希望發(fā)生的事件(故障事件)作為分析的目標(biāo)，先找出導(dǎo)致這一事件(頂事件)發(fā)生的可能的原因和直接因素，然后，把這些因素和原因作為第二級(jí)事件，再接著找出第二級(jí)事件發(fā)生的因素和可能的原因，按照此順序，逐級(jí)找下去，直到查到最原始的原因，用相應(yīng)符號(hào)代表這些事件，再用事件相應(yīng)的邏輯門符號(hào)把底事件、中間事件和頂事件聯(lián)系起來(lái)成倒立的樹(shù)形圖.這種樹(shù)形圖，成為故障樹(shù)，用來(lái)表示頂事件與下屬的子系統(tǒng)或者元器件的邏輯關(guān)系［2-3］.

本文以“大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器不能正常工作”為頂事件建立其故障樹(shù)，按照大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器功能對(duì)減速器的頂事件向下逐級(jí)分解其故障模式和邏輯關(guān)系，得到如圖(1～5)所示的故障樹(shù).

建立大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器系統(tǒng)故障樹(shù)如圖(1～5)所示［2，4］.

圖5 噪聲過(guò)大的故障樹(shù)圖

2 故障樹(shù)的簡(jiǎn)化

故障樹(shù)由頂事件和構(gòu)成它的全部底事件的邏輯關(guān)系連接而成，根據(jù)建樹(shù)規(guī)則建立起來(lái)的故障樹(shù)比較龐大和繁雜，層次過(guò)多和過(guò)細(xì)的故障樹(shù)對(duì)定性分析和定量計(jì)算都是不方便的，因此，在故障樹(shù)建成之后對(duì)該故障樹(shù)進(jìn)行邏輯等效簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化故障樹(shù)應(yīng)遵循以下原則［5］:

規(guī)則一:根據(jù)邏輯門等效規(guī)則，把原故障樹(shù)換成規(guī)范化故障樹(shù);

規(guī)范化故障樹(shù)是只含與門、或門、非門以及結(jié)果事件和底事件的故障樹(shù);

規(guī)則二:去除明顯多余事件;

也就是說(shuō)，將那些不經(jīng)過(guò)邏輯門直接相連的一串事件只保留最下面的一個(gè)事件;

規(guī)則三:去除明顯的邏輯多余門;

凡相鄰兩級(jí)邏輯門類型相同者均可簡(jiǎn)化.若與(或)門之下有與(或)門，則下一級(jí)的與(或)門及其輸出事件均可去除，它們的輸入事件直接成為與(或)門的輸出事件［5］.

根據(jù)以上規(guī)則以及對(duì)大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器故障樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器的簡(jiǎn)化故障樹(shù)如圖6所示.

圖6 簡(jiǎn)化后減速器不能正常工作故障樹(shù)圖

3 FTA分析

CAFTA以系統(tǒng)故障樹(shù)為可靠性分析模型，采用了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)思想，順應(yīng)圖形化建模的發(fā)展趨勢(shì)，以蒙特卡羅方法作分析手段，將故障樹(shù)可靠性模型的數(shù)據(jù)管理、分析運(yùn)算、運(yùn)算結(jié)果分析以及數(shù)據(jù)的安全管理等功能都集成在一個(gè)圖形化的操作平臺(tái)上.CAFTA系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)包含多態(tài)事件的單調(diào)或非單調(diào)系統(tǒng)的可靠性預(yù)測(cè)分析任務(wù)，它所支持12種如與門或門異或門等常見(jiàn)的邏輯門模型，涵蓋了可靠性分析中大部分的應(yīng)用，滿足工程實(shí)際所需［2］.

用CAFTA故障樹(shù)分析軟件對(duì)大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器的簡(jiǎn)化故障樹(shù)進(jìn)行可靠性模擬分析，本文要求大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器系統(tǒng)無(wú)維修壽命為20年，故可靠性模擬參數(shù)設(shè)定為:系統(tǒng)模擬次數(shù)為1 000次、有效失效時(shí)間上限為175 200 h、有效失效時(shí)間下限為0，如圖7所示.

圖7 可靠性模擬參數(shù)設(shè)定

表1 失效概率模擬結(jié)果(底事件)

本文設(shè)定底事件都假設(shè)服從正態(tài)分布［2］.分析處的結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～3.

表2 失效模式模擬結(jié)果

表3 重要度模擬結(jié)果

通過(guò)失效概率模擬分析報(bào)告可以看出轉(zhuǎn)臂軸承、潤(rùn)滑泵原動(dòng)機(jī)故障、油泵故障和密閉失效發(fā)生的概率比較大，所以轉(zhuǎn)臂軸承、潤(rùn)滑泵原動(dòng)機(jī)故障、油泵故障和密閉失效為大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距驅(qū)動(dòng)器的薄弱環(huán)節(jié).同時(shí)潤(rùn)滑泵原動(dòng)機(jī)故障、油泵故障會(huì)導(dǎo)致大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距驅(qū)動(dòng)器的溫度過(guò)高;密閉失效會(huì)導(dǎo)致大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距驅(qū)動(dòng)器漏油.

4 結(jié)論

通過(guò)采用故障樹(shù)模擬技術(shù)可以直接清晰看到每個(gè)事件發(fā)生的概率和模式重要度.利用分析模擬結(jié)果找出了影響大功率風(fēng)電機(jī)用變槳距減速器系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵零部件分別為轉(zhuǎn)臂軸承、潤(rùn)滑泵原動(dòng)機(jī)、油泵和密封件，為提高系統(tǒng)可靠性分析提供了強(qiáng)有力的依據(jù).該方法具有通用性，可以推廣到其它類型的機(jī)械產(chǎn)品的FTA分析.

［1］劉天羽.風(fēng)電高速發(fā)展下的中國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)可靠性的研究［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010.

［2］董淑婧.環(huán)板式減速器的可靠性研究［D］.大連交通大學(xué)，2006:34-42.

［3］朱文予.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1992:89-91.

［4］何衛(wèi)東.李力行，關(guān)天民，等.擺線針輪減速機(jī)的邏輯診斷與故障樹(shù)分析［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，15(2):56-63.

［5］劉混舉.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2009:113-115.