引言
主泵,全稱為"反應(yīng)堆冷卻劑泵",是一種復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備,位于核電廠一回路的每個(gè)環(huán)路中。主泵是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備,如果主泵發(fā)生故障,有可能會(huì)導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏,同時(shí)也會(huì)造成反應(yīng)堆停堆檢修,嚴(yán)重影響核電廠運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此,主泵必須強(qiáng)調(diào)高可靠性,這就需要在研發(fā)過程中乃至整個(gè)壽命周期內(nèi)應(yīng)用嚴(yán)格的可靠性分析方法去控制主泵的可靠性。
可靠性在過去的幾十年里已經(jīng)被廣泛認(rèn)可為系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo),眾多學(xué)者對(duì)不同工程產(chǎn)品的可靠性做出了研究。學(xué)者EnricoZio總結(jié)道,可靠性工程主要解決三個(gè)問題:(1)為什么系統(tǒng)會(huì)失敗?(2)如何能設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)?(3)如何能在整個(gè)系統(tǒng)生命周期實(shí)現(xiàn)高運(yùn)行可靠性?
核電主泵屬于商業(yè)敏感信息且一些零部件樣品較少,所以國內(nèi)外對(duì)主泵可靠性進(jìn)行研究的公開文獻(xiàn)較少。國內(nèi)外對(duì)主泵的可靠性研究多集中在第一個(gè)問題上,即針對(duì)主泵某個(gè)故障去分析故障機(jī)理,youngLJ分析了軸套疲勞失效的主要故障原因是溫度波動(dòng):國內(nèi)毛文軍等人通過研究泄漏異常的故障模式,找出了故障原因并進(jìn)行處理,避免了非計(jì)劃停堆:主軸、葉輪等熱疲勞可靠性也有相應(yīng)研究。針對(duì)第二個(gè)問題,國內(nèi)最早關(guān)于主泵研發(fā)過程的可靠性設(shè)計(jì)分析是鄧禮平等人在主泵研發(fā)過程中使用的可靠性設(shè)計(jì)與分析方法:ZhengG等人拓展的主泵剖面劃分方法,提出了"最小相關(guān)子任務(wù)"(MAS)與"最小有效成分"(MEC)的概念:針對(duì)經(jīng)典的FMEA分析方法,何龍璋在傳統(tǒng)FMEA分析基礎(chǔ)上考慮主泵這類特殊產(chǎn)品維修性特點(diǎn),形成了FMEMA分析方法。本文對(duì)主泵研發(fā)過程的可靠性方法進(jìn)行研究,提出了一種主泵的可靠性綜合分析方法,解決了主泵可靠性信息匱乏、試驗(yàn)代價(jià)大的問題,能更有效地執(zhí)行主泵的可靠性分析工作。
1主泵故障模式
軸封型主泵(本文簡稱"主泵")是立式、單級(jí)、從底部吸入的軸密封混流泵機(jī)組,軸向吸入,徑向吐出,驅(qū)動(dòng)冷卻劑在回路中流動(dòng)。主泵主要是由電機(jī)模塊和水力機(jī)械模塊配合驅(qū)動(dòng)冷卻劑的流動(dòng),同時(shí)由軸封系統(tǒng)防止冷卻劑泄漏。主泵的簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
根據(jù)主泵各零部件的功能,對(duì)主泵進(jìn)行如圖2所示經(jīng)典的金字塔形結(jié)構(gòu)劃分。主泵系統(tǒng)整體可以看作是由泵本體、電機(jī)、輔助系統(tǒng)、儀控組成,其中泵本體模塊屬于機(jī)械設(shè)備零部件,相對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性研究不太成熟,同時(shí)也屬于小子樣、高可靠性機(jī)械設(shè)備的代表,對(duì)泵本體的可靠性試驗(yàn)需要時(shí)間和金錢。本文對(duì)主泵的可靠性研究即對(duì)泵本體的可靠性研究。
1.1機(jī)械設(shè)備的故障模式
故障模式,定義為故障的表現(xiàn)形式,一般是對(duì)產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或者測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范描述,由于受到觀測的現(xiàn)場條件限制,表現(xiàn)為不同的現(xiàn)象[5]。比如"主泵泄漏量大"來源于"靜壓軸封泄漏量大",繼續(xù)向下,以層級(jí)考慮,可能是密封端面出現(xiàn)裂紋,所以對(duì)于金字塔型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),不同層級(jí)之間的故障模式是具有因果關(guān)系的。復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的故障模式具有兩個(gè)特點(diǎn):(1)一個(gè)故障模式可能是由多個(gè)故障原因引起的:(2)故障模式在金字塔結(jié)構(gòu)中具有傳遞性,底層故障模式是上層故障模式的原因。
對(duì)于機(jī)械設(shè)備零部件故障模式的研究眾多,常見故障模式有變形失效、斷裂失效、磨損失效與腐蝕失效。比如泵軸在運(yùn)行中受到電機(jī)傳送的巨大彎矩和溫度的熱應(yīng)力沖擊出現(xiàn)變形、彎曲:靜環(huán)與軸之間形成密封作用,它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致磨損等。
接口是用來描述分析對(duì)象之間的交互作用的,常見的接口存在物理連接、材料交換、能量傳遞、信息交換等相互作用,可以從這四個(gè)方面去分析接口的故障。機(jī)械產(chǎn)品除自身的機(jī)械零部件故障之外,還存在兩個(gè)零件之間接口出現(xiàn)的故障。比如主泵軸承軸瓦自身質(zhì)量沒問題,但是由于潤滑介質(zhì)壓力不足,導(dǎo)致出現(xiàn)磨損故障:或者螺栓與螺帽安裝松動(dòng),導(dǎo)致定位不準(zhǔn),出現(xiàn)振動(dòng)異常等故障。
1.2主泵的故障模式
根據(jù)圖2,按照零部件與接口故障劃分,對(duì)泵本體各個(gè)子模塊的主要故障模式考慮如表1所示。
2主泵可靠性模型
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[6]。而從故障發(fā)生的角度來看,可靠性就是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi),沒有影響任務(wù)功能的故障模式出現(xiàn),所以對(duì)于產(chǎn)品的可靠性研究可以通過明確故障模式來提高對(duì)產(chǎn)品可靠性的認(rèn)識(shí)。先做出如下假設(shè):(1)產(chǎn)品的每種故障模式都會(huì)引起系統(tǒng)出現(xiàn)故障:(2)產(chǎn)品各故障模式之間獨(dú)立,且每次只有一個(gè)故障發(fā)生。這樣,產(chǎn)品在某一任務(wù)階段內(nèi)的可靠性如下:
式中,R(1)是產(chǎn)品的可靠性:1是產(chǎn)品正常運(yùn)行的時(shí)間:7是產(chǎn)品規(guī)定的時(shí)間。
產(chǎn)品的可靠性就是在時(shí)間1、規(guī)定條件(工作環(huán)境)C下完成規(guī)定功能F的能力,數(shù)學(xué)上就是一個(gè)概率,是關(guān)于1、C、F的一個(gè)函數(shù),在接受假設(shè)的條件下,也可以看作是每個(gè)故障模式發(fā)生概率PFMi的一個(gè)函數(shù)。
假設(shè)產(chǎn)品的可靠度服從指數(shù)分布,同時(shí)各故障模式出現(xiàn)的時(shí)間也服從指數(shù)分布,那么可以得到:
式中,k是產(chǎn)品所有的故障模式個(gè)數(shù):λ是產(chǎn)品的故障率。
考慮到研究人員對(duì)產(chǎn)品存在的故障模式認(rèn)知不全面,可能出現(xiàn)的故障模式范圍為[1,m],研究人員未考慮的故障模式范圍為[m＋1,k]。所以,想要降低產(chǎn)品的故障率,就需要遵守這兩個(gè)準(zhǔn)則:(1)發(fā)現(xiàn)更多的故障模式:(2)降低故障模式的發(fā)生概率。那么產(chǎn)品的最終故障率就會(huì)降低。
針對(duì)主泵結(jié)構(gòu)建立基本可靠性框圖模型,如圖3所示(圖中數(shù)字為編碼,方便記錄),是一個(gè)串聯(lián)模型。
圖中每個(gè)單元模型可根據(jù)式(1)和表1的故障模式建立,形成主泵的可靠性模型:
更為全面的故障模式信息可以根據(jù)后文FMEA分析確定每個(gè)單元所有可能的故障模式,建立更準(zhǔn)確的模型。
3主泵可靠性綜合分析
3.1FMEA分析
故障模式、影響及危害性分析(FailureModeS,EffectSandCriticalityAnalySiS,簡稱FMECA/FMEA)是一種"自下而上"對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的故障分析。我們可以識(shí)別出底層零件的故障模式,并確定對(duì)高一層級(jí)模塊的影響,那么故障模式就影響到了一個(gè)較高的層級(jí),在較高層級(jí)上形成了故障模式,再這樣迭代下去最終確定了最低層故障模式對(duì)最高層級(jí)的影響。在FMEA分析中,產(chǎn)品故障模式既可以利用產(chǎn)品在實(shí)際中發(fā)生的故障數(shù)據(jù),也可以分析假想產(chǎn)品的故障。進(jìn)行危害性分析時(shí),根據(jù)故障模式頻率、影響后果等來分配一個(gè)權(quán)重衡量危害性,然后可以根據(jù)權(quán)重的優(yōu)先級(jí)消除危害性大的故障模式。所以,一般的FMEA分析流程大多先劃分產(chǎn)品結(jié)構(gòu),然后分析底層故障模式影響,最終進(jìn)行危害性分析,并確定糾正措施。具體細(xì)節(jié)步驟及表格可以參考《故障模式、影響及危害性分析指南》。
通過對(duì)主泵的FMEA分析,圖2所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)每個(gè)零部件的故障模式就被明確清楚地分析出來了,根據(jù)第2節(jié)主泵可靠性模型可知,主泵可靠性模型中各單元的可靠性就是該單元故障模式的函數(shù)。所以,通過FMEA分析就可以得到主泵及各零部件的可靠性模型,以故障模式為基礎(chǔ)的可靠性模型就是對(duì)FMEA分析結(jié)果的抽象。同時(shí)FMEA分析得越準(zhǔn)確,糾正措施制定得越合理,滿足了第2節(jié)的兩個(gè)準(zhǔn)則,產(chǎn)品可靠性就得到了提高。
3.2可靠性增長
可靠性增長從實(shí)踐來說就是要永久地消除某種故障模式,使產(chǎn)品可靠性得到提高。實(shí)現(xiàn)可靠性增長的主要方法就是試驗(yàn)一分析一糾正(TeStAnalyzeandFix,TAAF),主泵在方案制定時(shí),往往會(huì)確定出一個(gè)明確的可靠性指標(biāo),在整個(gè)研制與生產(chǎn)過程中為了讓可靠性指標(biāo)達(dá)到要求,就需要不斷地設(shè)計(jì)、更改,使可靠性不斷增長,使主泵的設(shè)計(jì)成熟,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)定型,所以可靠性增長對(duì)保障主泵的可靠性意義十分重大。
AMSAA(ArmyMaterielSyStemSAnalySiSActiⅤity)是國際上常用的可靠性增長模型,基本假設(shè)如下:
(1)產(chǎn)品在開發(fā)階段(0,t]內(nèi)的總故障次數(shù)N(t)服從非齊次PoiSSon過程,均值函數(shù)是EN(t)=atb,瞬時(shí)強(qiáng)度入(t)=dEN(t)/dt=abt(b-1)。
(2)等到產(chǎn)品在T時(shí)刻生成定型后,后續(xù)若不做出改進(jìn),那么系統(tǒng)之后的故障時(shí)間服從指數(shù)分布:
式中,N(t)為故障的累計(jì)次數(shù):a是尺度參數(shù):b是形狀參數(shù)。
那么在(0,t]階段的執(zhí)行可靠性增長就可以通過AMSAA模型進(jìn)行分析。
主泵在試驗(yàn)過程中解決出現(xiàn)的故障,按照可靠性增長管理手冊的內(nèi)容,使用AMSAA模型對(duì)可靠性增長進(jìn)行估計(jì)的步驟如圖4所示,一定時(shí)間后可以預(yù)估出主泵的可靠性是否達(dá)到了目標(biāo)值,如果沒有就仍需要繼續(xù)驗(yàn)證。
3.3FRACAS閉環(huán)糾錯(cuò)
FRACAS(FailureReporting,AnalySiSandCorrectiⅤeActionSyStem),全稱為"故障報(bào)告、分析與糾正措施系統(tǒng)",是一種基于故障信息的閉環(huán)流動(dòng)的管理系統(tǒng),又稱"閉環(huán)糾錯(cuò)系統(tǒng)",如圖5所示。該系統(tǒng)的目的是在產(chǎn)品試驗(yàn)中及時(shí)報(bào)告產(chǎn)品出現(xiàn)的故障并進(jìn)行解決,防止故障再現(xiàn),保證產(chǎn)品在出廠后的可靠性。在主泵研發(fā)過程中,不同零部件的可靠性試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的故障信息,因此根據(jù)國軍標(biāo)的內(nèi)容,采用FRACAS對(duì)主泵研發(fā)過程的故障信息進(jìn)行閉環(huán)管理。
在主泵的可靠性工作中,FRACAS是一個(gè)對(duì)主泵進(jìn)行可靠性控制的很好的工作項(xiàng)目,它能保證所有的故障報(bào)告都進(jìn)入這個(gè)閉環(huán)流程。主泵的設(shè)計(jì)制造是一個(gè)聯(lián)合研發(fā)過程,良好的FRACAS設(shè)計(jì)適用于這種協(xié)同合作,可以讓資深的專家去執(zhí)行故障分析,根據(jù)故障原因,由不同職責(zé)或部門的人員執(zhí)行不同的故障處理流程。
3.4主泵可靠性綜合分析
小子樣、高可靠性產(chǎn)品的可靠性研究比較困難之處在于沒有足夠的可靠性數(shù)據(jù)累積,同時(shí)如果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn),那么試驗(yàn)代價(jià)高,需要大量時(shí)間和金錢。而FRACAS作為在研發(fā)階段就能對(duì)產(chǎn)品實(shí)際的故障信息進(jìn)行獲取的可靠性方法,能夠得到十分寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。利用FRACAS閉環(huán)信息形成的產(chǎn)品故障閉環(huán)信息知識(shí)庫可以反饋給其他可靠性工作內(nèi)容,形成主泵可靠性綜合分析方法,如圖6所示。利用FRACAS閉環(huán)流程清零試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障,校正FMEA分析得到的故障原因:同時(shí),判斷主泵可靠性模型是否遺漏該故障模式與該故障模式的概率。當(dāng)經(jīng)歷過長期試驗(yàn)糾正后,可靠性實(shí)現(xiàn)了增長,利用可靠性增長模型,判斷是否達(dá)到主泵可靠性的目標(biāo)值。
如果可靠性綜合分析方法已經(jīng)被廣泛使用,那么之后在一個(gè)新主泵的研發(fā)制造過程中可以執(zhí)行以下可靠性綜合分析方法,具體流程如下:
(1)主泵初步設(shè)計(jì)結(jié)束后進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分與功能分析。
(2)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行FMEA分析,在考慮FMEA故障時(shí),可以根據(jù)同類型主泵的故障閉環(huán)信息知識(shí)庫,參考可能的故障模式。
(3)建立主泵的可靠性框圖,對(duì)主泵進(jìn)行建模,每個(gè)單元的可靠性與該單元故障模式的發(fā)生概率有關(guān)。
(4)對(duì)主泵各個(gè)零部件、模塊執(zhí)行加工制造,并執(zhí)行零部件與整機(jī)的可靠性試驗(yàn),試驗(yàn)中的故障使用FRACAS進(jìn)行閉環(huán)管理,并將故障模式的數(shù)據(jù)存入故障閉環(huán)知識(shí)庫中。針對(duì)產(chǎn)品出現(xiàn)的故障模式,去校正FMEA分析內(nèi)容與主泵的可靠性模型。
(5)在研發(fā)試驗(yàn)或使用階段,持續(xù)使用FRACAS進(jìn)行故障閉環(huán)管理,長時(shí)間后可以根據(jù)AMSAA可靠性增長模型,對(duì)主泵的可靠性進(jìn)行估計(jì),確定是否達(dá)到了可靠性目標(biāo)值。
3.5實(shí)踐
在主泵軸封模塊的性能鑒定試驗(yàn)中,某零件出現(xiàn)了磨損,利用主泵可靠性綜合分析方法進(jìn)行分析。
執(zhí)行FRACAS閉環(huán)糾錯(cuò),通過故障報(bào)告,分析與糾正解決了該故障。該故障形成故障模式知識(shí)庫的一部分,故障模式是副密封O型圈無法定心支撐:故障原因是材料某元素比例錯(cuò)誤:糾正措施是提高O型圈的回彈率和精度。利用知識(shí)庫內(nèi)容進(jìn)行綜合分析。
在設(shè)計(jì)階段執(zhí)行FMEA沒有考慮到,將故障模式反饋給FMEA分析,按照FMEA表格增加該故障模式的分析內(nèi)容,同時(shí)在軸封模塊的可靠性模型中也增加了該故障模式的影響。在可靠性增長方面,等更長的試驗(yàn)時(shí)間和更多的故障出現(xiàn)后就可以利用增長模型估計(jì)出是否達(dá)到目標(biāo)值。
4結(jié)論
本文通過對(duì)主泵可靠性分析方法的研究,探討了主泵(泵本體)的主要故障模式,并建立了相應(yīng)的模型。同時(shí)利用FRACAS閉環(huán)管理流程,將發(fā)現(xiàn)的故障模式等信息反饋到FMEA分析、可靠性模型、可靠性增長試驗(yàn)中,形成主泵可靠性綜合分析方法(圖6),最終可以有以下結(jié)論:
(1)FRACAS作為主泵可靠性分析的優(yōu)選方法,可將試驗(yàn)中的故障信息反饋給FMEA分析,更新可靠性模型,實(shí)現(xiàn)主泵的可靠性增長,這樣主泵的試驗(yàn)信息就能被充分利用起來,提高了可靠性設(shè)計(jì)分析工作內(nèi)容的有效性,形成了主泵綜合分析方法。同時(shí),該綜合分析方法不僅能用于主泵,還可用于小子樣、高可靠性的其他產(chǎn)品。
(2)本文研究了主泵的故障模式,提出了以故障模式為基礎(chǔ)的可靠性模型,得到了提高產(chǎn)品可靠性的兩個(gè)準(zhǔn)則一發(fā)現(xiàn)更多的故障模式和降低故障模式的發(fā)生概率,這也是產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)與分析的方向。
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