關(guān) 濤 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)方法研究?

關(guān) 濤 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

針對目前船用空壓機(jī)沒有一種比較通用的可靠性試驗(yàn)方法，研究船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本流程和評估方法。首次提出了一套設(shè)計(jì)和開展船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本方法，該方法包括船用空壓機(jī)功能和結(jié)構(gòu)論述、故障模式分析、故障判決、可靠性試驗(yàn)方案以及可靠性評估等。某型船用空壓機(jī)的競爭性試驗(yàn)參考了論文所提出的船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)方法，應(yīng)用表明該方法具有一定的工程應(yīng)用參考價值，值得類似機(jī)電設(shè)備可靠性試驗(yàn)借鑒。

可靠性試驗(yàn)；空壓機(jī)；故障模式分析；可靠性評估

ClassNum ber TK229.7

1 引言

船用空壓機(jī)是船舶失事排水、啟動船舶主機(jī)和驅(qū)動氣動設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性的好壞直接影響了船舶生命力。但是，船用空壓機(jī)是典型的多部件可修機(jī)械設(shè)備，其故障模式多樣，壽命比較長，可靠性試驗(yàn)費(fèi)用高，國內(nèi)開展船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)鮮有報(bào)道。目前，國內(nèi)外還沒有針對空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)企業(yè)一般參考IEC 60605《設(shè)備可靠性試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)［1］和IEC60300-3-5《可信性管理 應(yīng)用指南：可靠性試驗(yàn)條件和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的原則》［2］等標(biāo)準(zhǔn)來自主開展空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)，但是各企業(yè)開展可靠性試驗(yàn)的基本步驟和評估方法也不統(tǒng)一。為此，本文根據(jù)船用空壓機(jī)的特點(diǎn)和可靠性試驗(yàn)的基本內(nèi)容，提出了一套設(shè)計(jì)和開展船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本方法，力圖能夠?yàn)榇每諌簷C(jī)可靠性試驗(yàn)評估提供一種新穎且較統(tǒng)一的思路。

2 船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本方法

2.1 基本流程

船用空壓機(jī)具有失效機(jī)理復(fù)雜、故障模式多樣、試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)費(fèi)用高、可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)匱乏等特點(diǎn)，為了減少試驗(yàn)費(fèi)用、提高可靠性試驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性，首先需要確定可靠性試驗(yàn)的目的；其次，依據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，在充分了解船用空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、基本功能、故障模式的基礎(chǔ)上，確定狀態(tài)評估指標(biāo)、故障判據(jù)和試驗(yàn)方案；最后，選取合適的可靠性評估方法，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展船用空壓機(jī)可靠性評估。船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本流程如圖1所示。

圖1 船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)基本流程

2.2 船用空壓機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理

在設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)前，需要詳細(xì)描述要開展可靠性試驗(yàn)的船用空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理。從船用空壓機(jī)的基本功能、基本結(jié)構(gòu)組成、基本工作原理以及工作環(huán)境來描述船用空壓機(jī)的基本情況，包括空壓機(jī)各主要部件的基本功能，壓縮級數(shù)以及壓縮空氣管路等信息。這是設(shè)計(jì)和開展可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)。

2.3 船用空壓機(jī)故障模式分析

船舶在航行中長期處于橫搖和縱搖的反復(fù)交替中，使得船用空壓機(jī)承受的外部影響更大，與此同時，船舶長期處于海上高鹽、高濕的環(huán)境，使得船用空壓機(jī)的故障模式有其自身的特點(diǎn)。因此，需要根據(jù)類似船用空壓機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、使用和維修信息，采用結(jié)構(gòu)和功能分析相結(jié)合的方法來分析船用空壓機(jī)的故障模式。針對某船用三級往復(fù)式活塞空壓機(jī)，其故障模式主要有：進(jìn)排閥門損壞、排氣量降低、排氣壓力不足、海水泵漏泄、冷卻效果不好、機(jī)體振動過大、滑油溫度高、安全閥沒有按規(guī)定自動啟動、空壓機(jī)無法啟動、排氣溫度高、曲軸箱或氣缸內(nèi)有不正常聲音、滑油耗油量增加、滑油油壓達(dá)不到規(guī)定壓力等等，類似船用空壓機(jī)可作為參考。

2.4 確定船用空壓機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)

確定技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)目的是明確船用空壓機(jī)的故障判據(jù)。不同型號船用空壓機(jī)有不同的的整機(jī)技術(shù)狀態(tài)評估指標(biāo)和關(guān)鍵零部件指標(biāo)。

某船用三級往復(fù)式活塞空壓機(jī)的整機(jī)技術(shù)狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)項(xiàng)目主要有：容積流量、軸功率、各級排氣壓力、潤滑油壓力、冷卻水壓力、各級安全閥起跳壓力、冷卻水出水溫度、壓縮機(jī)后冷卻器出口壓縮空氣溫度、潤滑油溫度、冷卻水泵流量、振動烈度、噪聲、潤滑油消耗量、空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)壽命、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速等。其重要零部件主要有進(jìn)氣閥、排氣閥、活塞環(huán)、氣缸、軸承、軸瓦、連桿、油壓控制器、壓力控制器、水壓控制器、冷卻器、海水泵、滑油泵、安全閥、油水分離器等。各零部件的整體要求是各種部件之間能夠相互配合，保證空壓機(jī)正常工作。有些零部件的技術(shù)狀態(tài)能夠采用定量描述，例如要求進(jìn)氣閥的壽命不低于500小時；而有些零部件的壽命并沒有單獨(dú)定量規(guī)定，例如氣缸的壽命并沒有給出定量數(shù)值，其一般與整機(jī)的壽命相匹配。

2.5 確定船用空壓機(jī)故障判據(jù)

確定科學(xué)的故障判據(jù)是成功開展船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的關(guān)鍵?？煽啃栽囼?yàn)主要是根據(jù)空壓機(jī)的整機(jī)及關(guān)重件技術(shù)狀態(tài)來判斷空壓機(jī)是否發(fā)生故障。某型空壓機(jī)的主要故障現(xiàn)象有：充氣量不合格、滑油油耗過大、噪聲過大、振動過大、冷卻水量不夠、滑油溫度過高、滑油壓力不符合要求、各級排氣溫度過高、空壓機(jī)后冷凝出口壓縮空氣溫度過高、安全閥不起作用、油壓控制器故障、壓力控制器故障、水壓控制器故障、活塞環(huán)壽命不合格、進(jìn)氣閥壽命不合格、排氣閥壽命不合格、空壓機(jī)不能起動、氣缸內(nèi)壁磨損過快、曲軸箱滲油等故障現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中，如果出現(xiàn)上述現(xiàn)象，需要詳細(xì)分析引起該現(xiàn)象的原因，以便判斷該現(xiàn)象是否是故障，若是故障，則要判斷故障是否是由于生產(chǎn)廠家的原因造成的，若是，則定為責(zé)任故障，則記錄一次故障。有些故障現(xiàn)象并不一定是責(zé)任故障的，例如，由于冷卻水池漏泄而造成的冷卻水量不夠的故障現(xiàn)象，就不能認(rèn)為是責(zé)任故障，這是試驗(yàn)方?jīng)]有保障供應(yīng)水的原因，并非空壓機(jī)制造商的責(zé)任。

2.6 確定船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)方案

確定可靠性試驗(yàn)方案主要包括確定可靠性試驗(yàn)樣本數(shù)量、可靠性試驗(yàn)時間、試驗(yàn)裝置和環(huán)境條件、可靠性試驗(yàn)圖譜、試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)表格等。

1）可靠性試驗(yàn)樣本數(shù)量

可靠性試驗(yàn)樣本數(shù)量可參考GJB 1491-92中性能試驗(yàn)規(guī)定抽檢臺數(shù)和可靠性試驗(yàn)的費(fèi)用來權(quán)衡。抽檢臺數(shù)可參考表1所示。

表1 可靠性試驗(yàn)參考抽檢臺數(shù)

2）可靠性試驗(yàn)時間

參考空壓機(jī)的耐久性試驗(yàn)時間，根據(jù)樣本數(shù)量和費(fèi)用來權(quán)衡可靠性試驗(yàn)的時間?？紤]到船舶需要大約持續(xù)運(yùn)行3個月的工作任務(wù)來推算，在經(jīng)費(fèi)允許條件下，可開展2000小時左右的可靠性試驗(yàn)；若經(jīng)費(fèi)所限，則可開展1200小時左右的可靠性試驗(yàn)，即大約50天左右的可靠性試驗(yàn)。這個試驗(yàn)時間超過了空壓機(jī)的耐久性試驗(yàn)，能夠達(dá)到可靠性試驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)可靠性的目的。

3）試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和確定試驗(yàn)環(huán)境條件

一般采用充瓶法測量空壓機(jī)的容積流量。簡化的空壓機(jī)試驗(yàn)裝置如圖2所示。所有管路、閥門以及附件均應(yīng)進(jìn)行密封性檢查，不得漏泄?？諌簷C(jī)向緩沖器充氣至公稱排氣壓力的時間應(yīng)不少于30s；空壓機(jī)向儲氣罐充氣至公稱排氣壓力的時間應(yīng)不少于5min。儲氣罐容積大小最好充水實(shí)測，測量相對誤差不大于0.2%。溫度計(jì)精度不低于0.5℃，壓力表精度不低于1級，計(jì)時器最小刻度不大于1s。

圖2 空壓機(jī)試驗(yàn)裝置簡圖

4）可靠性試驗(yàn)圖譜

空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)一般需要開展首次性能試驗(yàn)、持續(xù)試驗(yàn)、油耗試驗(yàn)等項(xiàng)目。假設(shè)總試驗(yàn)時間為1200小時，可靠性試驗(yàn)圖譜可參考圖3所示的基本試驗(yàn)圖譜。

圖3 空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)基本圖譜

5）試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)表格

為了評價空壓機(jī)的性能和可靠性，試驗(yàn)過程中需要記錄的信息主要有：試驗(yàn)時間、潤滑油溫度、排氣溫度、充前瓶溫、充后瓶溫、充前瓶壓、充后瓶壓、氣瓶容積、充氣時間、各級安全閥起跳壓力、冷卻水壓力、進(jìn)水溫度、出水溫度、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率、大氣壓力、環(huán)境溫度等。試驗(yàn)方可根據(jù)具體情況減少或增加的記錄參數(shù)項(xiàng)目。

2.7 確定可靠性評估方法

空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)是典型的小樣本試驗(yàn)。選取合適的可靠性分布和可靠性評估方法是保證空壓機(jī)可靠性評估結(jié)果合理的關(guān)鍵。根據(jù)文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)論，船用空壓機(jī)故障規(guī)律一般服從雙參數(shù)的威布爾分布，因此，可以采用威布爾分布來擬合可靠性試驗(yàn)中空壓機(jī)的故障規(guī)律。由于可靠性試驗(yàn)的樣機(jī)、費(fèi)用和時間有限，故障樣本可能比較少，因此，選取適合于小樣本的參數(shù)估算方法。根據(jù)文獻(xiàn)［4］和［5］，對于故障規(guī)律服從威布爾分布的樣本數(shù)據(jù)，當(dāng)樣本容量n≤25時，只需進(jìn)行點(diǎn)估計(jì)即可，而最佳線性無偏估計(jì)是威布爾分布參數(shù)估計(jì)的最佳方法之一。因此，可以采用基于威布爾分布的船用空壓機(jī)可靠性評估方法，該方法通過小樣本數(shù)據(jù)來估計(jì)出威布爾分布的特征參數(shù)，比較適合于船用空壓機(jī)的可靠性試驗(yàn)。

3 結(jié)語

針對船用空壓機(jī)可靠性特性和其可靠性試驗(yàn)的現(xiàn)狀，首次提出了一套設(shè)計(jì)和開展船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)的基本方法，建立了適合于船用空壓機(jī)可靠性特點(diǎn)和其可靠性試驗(yàn)現(xiàn)狀的可靠性評估方法。本文所建立的可靠性試驗(yàn)方法在某型船用空壓機(jī)的競爭性試驗(yàn)中得到應(yīng)用，應(yīng)用表明本方法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路清晰，尤其是針對船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)特點(diǎn)的可靠性評估方法可行，符合工程實(shí)際?？梢姡疚乃鶚?gòu)建的船用空壓機(jī)可靠性試驗(yàn)方法值得在具有試驗(yàn)樣品少、故障模式多樣、壽命長等特點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備可靠性試驗(yàn)評估中借鑒。

［1］IEC 60605-4-2001.Equipment Reliability Testing-Part 4：Statistical Procedures for Exponential Distribution-Point Estimates，Confidence Intervals，Prediction Intervalsand Tolerance Intervals［S］.

［2］IEC 60300-3-5-2001.Dependability Management-Application Guide-Reliability Test Conditions and Statistical TestPrinciples［S］.

［3］任明宏，耿俊豹.基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的船用空壓機(jī)可靠性研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35（10）：92-95.

［4］White JS.The Moments of Log-Weibull Order Statistics［J］.Technometrics，1969（11）：374-386.

［5］茆詩松，湯銀才，王玲玲.可靠性統(tǒng)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Research on the Reliability Test of Boat Air Com pressor

GUAN Tao HUI Zhipeng
（Beijing 1303MailBox 14 Box，Beijing 100161）

The basic flow and evaluationmethod for the reliability testofboatair compressors are studied as there is one common reliabilitymethod for the boatair compressor.Abasicmethod for design and develop reliability test for the boatair compressor is put forward，including function and structure，failuremode effectanalysis，failure decision，reliability testplan，reliability evaluation and so on.Themethod in this paperhas been applied in one competition testofsome boatair compressor，which shows that the method has some engineering application value and isworth to be referred in some similar electro-mechanical equipment reliability test.

reliability test，air compressor，failuremode effectanalysis，reliability evaluation

TK229.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.024

2017年3月9日，

2017年4月26日

關(guān)濤，男，碩士，工程師，研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備管理和設(shè)計(jì)技術(shù)?；刂九?，男，工程師，研究方向：艦船機(jī)電設(shè)備管理和設(shè)計(jì)技術(shù)。