譚登洪

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船用開關(guān)故障模式及失效分布研究

譚登洪

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

本文通過對(duì)船用開關(guān)在使用中的故障調(diào)查和型式試驗(yàn)中的壽命試驗(yàn)以及可靠性機(jī)械壽命試驗(yàn)所獲得的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和歸納，并通過故障數(shù)分析，得出了船用開關(guān)的主要故障模式。采用隨機(jī)截尾模型和可靠度函數(shù)圖形擬合法對(duì)船用開關(guān)的失效分布進(jìn)行了研究，得出其壽命服從于雙參數(shù)指數(shù)分布，并分別用圖檢驗(yàn)法和K—S檢驗(yàn)法得到證明。船用開關(guān)的平均無故障工作次數(shù)和失效率不僅和船用開關(guān)的制造水平有關(guān)，而且與使用環(huán)境和維護(hù)保養(yǎng)有關(guān)。

船用開關(guān) 故障模式 故障樹分析

0 引言

在開展船用開關(guān)可靠性工作過程中，由于缺少有關(guān)基礎(chǔ)資料，如船用開關(guān)典型故障模式和失效分布類型，給可靠性工作帶來許多困難。本文就是期望通過對(duì)船用開關(guān)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)研和開展必要的機(jī)械壽命試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上通過歸納、分析研究，獲得其故障模式和失效分布類型。

1 船用開關(guān)的功能及故障定義

船用開關(guān)包含船用斷路器(俗稱自動(dòng)開關(guān))和船用轉(zhuǎn)換開關(guān)(俗稱非自動(dòng)開關(guān)),均為可修復(fù)的產(chǎn)品。

1.1 船用斷路器的功能及故障定義

船用斷路器的主要功能是：保護(hù)電力推進(jìn)設(shè)備（蓄電池組、充電發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)等）免受過電流的危害，以及對(duì)電路進(jìn)行不頻繁的接通和斷開。

當(dāng)斷路器出現(xiàn)下列情況之一時(shí)即為故障：

1） 電動(dòng)或手動(dòng)操作時(shí)斷路器不閉合；

2） 電動(dòng)或手動(dòng)操作時(shí)斷路器斷不開；

3） 當(dāng)流經(jīng)斷路器的電流超過過電流脫扣器

動(dòng)作電流整定值以上時(shí)斷路器不能自動(dòng)分?jǐn)?帶有延時(shí)動(dòng)作者延時(shí)超過整定延時(shí)后)；

4） 誤動(dòng)斷開。

1.2船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的功能及故障定義

船用轉(zhuǎn)換開關(guān)僅具有轉(zhuǎn)換電路(接通和分?jǐn)?的功能。

用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)操作時(shí), 轉(zhuǎn)換開關(guān)不能接通和分?jǐn)嚯娐芳礊楣收稀?/p>

2 船用開關(guān)的故障模式及其分析

2.1船用斷路器的故障模式及其分析

根據(jù)斷路器的故障定義，從我國船用斷路器的水平來看,手、電動(dòng)操作不斷開和過電流時(shí)拒動(dòng)問題已基本上解決了。誤動(dòng)斷開問題也比較少，我們?cè)谡{(diào)研中僅發(fā)現(xiàn)DW9-442斷路器出現(xiàn)過一次誤動(dòng)斷開，那是因?yàn)槎搪访摽燮髡ㄖ灯《鸬?，還有二次是發(fā)生在ZDW4-21斷路器沖擊試驗(yàn)過程中，是分勵(lì)脫扣器銜鐵未校平衡和掣子間隙偏大引起的。因此，斷路器的主要故障是手動(dòng)不閉合和電動(dòng)不閉合。

手動(dòng)不閉合集中發(fā)生在D9-430系列斷路器中，其主要故障模式是自由脫扣機(jī)構(gòu)不又扣和又扣不可靠。其故障原因主要是制造缺陷引起的，其次是使用維護(hù)不當(dāng)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、摩擦部位未定期添加潤滑脂。

電動(dòng)不閉合發(fā)生在DW9-440、ZDW2-31、ZDW2-71及ZDW4-21斷路器上，這幾種型號(hào)的路器均為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。其主要故障模式是：

1）伺服電動(dòng)機(jī)燒壞；

2）伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；

3）傳動(dòng)凸輪與滾子錯(cuò)位；

4）電動(dòng)離合銷脫落；

5）分勵(lì)脫扣器不又扣。

此外，滅弧罩破損在ZDW2-31、ZDW2-71和ZDW4-21斷路器機(jī)械壽命試驗(yàn)中發(fā)生較多，其故障原因主要是這批陶土滅弧罩耐沖擊性能不合格所造成的。這點(diǎn)已被對(duì)比試驗(yàn)所證實(shí)。

綜上所述，我們?cè)诜治鲅芯看脭嗦菲鞯氖Х植碱愋蜁r(shí)，應(yīng)當(dāng)以斷路器不閉合故障為主來進(jìn)行。

我們根據(jù)多年來研究設(shè)計(jì)斷路器的經(jīng)驗(yàn)以及從型式試驗(yàn)和調(diào)研中獲取的可靠性數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行故障樹分析，可以知道：造成斷路器不閉合的主要原因是電動(dòng)機(jī)燒壞和自由脫扣機(jī)構(gòu)不又扣。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞的原因是減速器潤滑不良，從而引起電動(dòng)機(jī)過載和電樞繞組過熱，縮短了電機(jī)絕緣壽命。導(dǎo)致自由脫扣機(jī)構(gòu)不又扣的原因是軸承缺潤滑脂，從而引起脫扣軸不復(fù)位。因此，在使用過程中定期在轉(zhuǎn)動(dòng)及摩擦部位添加潤滑脂可減少故障的發(fā)生，延長伺服電機(jī)的使用壽命；提高斷路器的平均無故障工作時(shí)間。

2.2船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障模式及其分析

船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡單,它的傳動(dòng)杠桿直接焊在觸頭軸上,可靠性較高；其弧觸頭燒傷和電磨損超標(biāo)問題是由誤操作引起的。由于其觸頭系統(tǒng)和滅弧系統(tǒng)與船用斷路器完全相同，因此對(duì)其進(jìn)失效分布研究就無必要了。

3 船用斷路器的失效分布研究

目前確定產(chǎn)品的失效分布類型的方法，一般是抽取一定數(shù)量的產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，從而獲取壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)；或者在現(xiàn)場使用中收集失效數(shù)據(jù)，得到子樣觀察值，繪制可靠性函數(shù)圖形，與各種失效分布不同類型的可靠度函數(shù)圖形作比較，初步估計(jì)出其失效分布類型。然后用慨率紙?zhí)刂频淖鴺?biāo)紙作圖檢驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)分析法進(jìn)行檢驗(yàn)，如X2檢驗(yàn)法、K-S檢驗(yàn)法。

由于船用斷路器批量生產(chǎn)數(shù)量少，而且價(jià)格高，不可能投入很多臺(tái)斷路器進(jìn)行全壽命試驗(yàn)，本研究所涉及的斷路器壽命試驗(yàn)大部分是利用其型式試驗(yàn)進(jìn)行的。因此，在壽命數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們采用的是隨機(jī)有替換定操作次數(shù)截尾壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

在現(xiàn)場使用中所收集的失效數(shù)據(jù)，由于缺乏失效前操作次數(shù)數(shù)據(jù)，僅僅只提供了一個(gè)大概使用時(shí)間，因此無法用來作失效分布研究。本文只對(duì)電動(dòng)傳動(dòng)的斷路器進(jìn)行失效分布研究。

3.1電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總于表1。 有替換定操作次數(shù)截尾壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D示如圖1。表1壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)中未列入滅弧罩壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，理由是其產(chǎn)品本身質(zhì)量不合格。

3.2電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的失效分布研究

3.2.1繪制斷路器的可靠度函數(shù)圖形

1） 可靠度函數(shù)計(jì)算

按下式進(jìn)行可靠度函數(shù)(t)計(jì)算，結(jié)果列于表2。

(t)=1-（-0.5）/n

式中：第個(gè)失效產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)（=1、2···）；

n—參加試驗(yàn)產(chǎn)品的總數(shù)（n=n+）；—試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)；—失效產(chǎn)品數(shù)。

2） 繪制可靠函數(shù)圖形

根據(jù)表2（t(t)）在直角坐標(biāo)紙上描點(diǎn)，繪制可靠度函數(shù)圖形示于圖2。從圖2可看出可靠度函數(shù)曲線近似為一條雙參數(shù)指數(shù)曲線，可初步估計(jì)電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布。

3.2.2 用圖檢驗(yàn)法檢驗(yàn)

用表2（t(t)）在單邊對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上的-()坐標(biāo)系描點(diǎn)，見圖3。從圖3可看出，所描各點(diǎn)近似呈一直線。故可以近似認(rèn)為電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的壽命服從雙參數(shù)指數(shù)分布。

3.2.3 用K-S檢驗(yàn)法檢驗(yàn)

1）因子樣數(shù)據(jù)少，不宜用X2檢驗(yàn)法。假設(shè)

理論分布函數(shù)FO(X)的函數(shù)類型為雙參數(shù)指數(shù)分布。

2）根據(jù)圖2和表1的數(shù)據(jù)，用最大似然法，

求出子樣為指數(shù)分布的平均無故障工作次數(shù)（MTBF）的估計(jì)值。

求出子樣的失效率：=1/（+）=1/（4.545×103+0.1×103）=0.225×10-3次。

式中—參數(shù)指數(shù)分布的位置參數(shù)，0.1×103次，將它作為總體的失效率的估計(jì)值。

3）總體的失效分布函數(shù)()假設(shè)為H：()=F（）=1-e-0.000225×(t-0.0001)

4）根據(jù)表2數(shù)據(jù)按式(t)=1-(t),計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)(t),其結(jié)果列于表3。

5）計(jì)算理論分布函數(shù)F(t)，所得結(jié)果亦列于表3。

6）計(jì)算理論分布函數(shù)與經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的差異度=┃(t)-F(t)┃，其結(jié)果亦列于表3。

8）選取顯著水平=0.05，由置信度：

=1-=1-0.05=0.95查《低壓電器可靠性技術(shù)》[1]表3, 可λ=0.95=1.36則否定域?yàn)?i>λλ=1.36。

4 結(jié)論

1) 船用斷路器的主要故障模式：對(duì)于手動(dòng)傳動(dòng)的斷路器是手動(dòng)不閉合和自由脫扣機(jī)構(gòu)不又扣；對(duì)于電動(dòng)傳動(dòng)的斷路器是電動(dòng)不閉合和伺服電動(dòng)機(jī)損壞；2) 船用轉(zhuǎn)換開關(guān)的故障模式是弧觸頭電磨損超標(biāo)；3) 電動(dòng)傳動(dòng)斷路器的失效分布服從雙參數(shù)指數(shù)分布規(guī)律。其平均無故障工作操作次數(shù)與不同的使用環(huán)境及維護(hù)水平有關(guān)。

[1] 陸儉國.低壓電器可靠性技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

Research on Failure Type and Distribution of Marine Switch

Tan Denghong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM564

A

1003-4862（2015）01-0061-04

2014-09-03

譚登洪(1964-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：電氣工程。