（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 機(jī)械工業(yè)機(jī)械密封工程技術(shù)研究中心，合肥 230031）

0 引言

機(jī)械密封是用來解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械的工作介質(zhì)沿旋轉(zhuǎn)軸泄漏的裝置，是保障旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵零部件。機(jī)械密封在服役過程中，由于工況參數(shù)和服役條件復(fù)雜多變，內(nèi)外環(huán)境因素影響眾多，造成機(jī)械密封失效機(jī)理和原因復(fù)雜多樣，機(jī)械密封失效的隨機(jī)性和偶發(fā)性增大［1-9］，因此給機(jī)械密封的可靠性分析和研究帶來了很大的困難。為了減少機(jī)械密封失效事故，必須加大機(jī)械密封的運(yùn)行維護(hù)研究，提高機(jī)械密封運(yùn)行可靠性。

本文采用故障樹分析方法［10］，基于故障與失效分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法和模糊數(shù)學(xué)理論［11-14］，對故障樹分析的基本事件進(jìn)行定量分析，并采用求取最小割集，獲得機(jī)械密封故障樹基本事件重要度，給出故障與失效后果嚴(yán)重度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，求得機(jī)械密封故障與失效危害度，制定機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)的策略和方法［15-18］；旨在大量缺失或很難獲得機(jī)械密封故障與失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，為機(jī)械密封的研究和工程應(yīng)用提供一種方法參考。

1 機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)

機(jī)械密封的基本構(gòu)成包括動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、密封環(huán)輔助密封件、軸套輔助密封件、彈性元件、密封端蓋、固定環(huán)、軸（或軸套）、彈簧座等，每一結(jié)構(gòu)件的故障或失效，都將導(dǎo)致機(jī)械密封的失效，造成超標(biāo)泄漏。

2 機(jī)械密封故障與失效分析

2.1 機(jī)械密封失效故障樹

機(jī)械密封失效的基本事件發(fā)生原因比較復(fù)雜，基于本文重點(diǎn)研究基于故障與失效分析的機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)方法，通過對接觸式機(jī)械密封的故障與失效原因分析，機(jī)械密封失效（T）作為頂事件初步建立如圖1所示故障樹。

圖1 機(jī)械密封失效故障樹

故障樹的各中間事件A1～A14和基本事件X1～X9分別為：A1為摩擦副失效，A2為輔助密封件失效，A3為彈性元件失效，A4為金屬結(jié)構(gòu)件失效，A5為動(dòng)環(huán)失效，A6為靜環(huán)失效，A7為密封環(huán)輔助密封件失效，A8為軸套輔助密封件失效，A9為彈簧失效，A10為波紋管失效，A11為密封端蓋失效，A12為固定環(huán)失效，A13為軸或軸套失效，A14為彈簧座失效，X1為制造缺陷，X2為安裝不當(dāng)，X3為主機(jī)振動(dòng)、軸承損壞，X4為選材不當(dāng)，X5為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，X6為緊固件預(yù)緊不當(dāng)，X7為密封輔助系統(tǒng)失靈，X8為頻繁開停機(jī)，X9為藝介質(zhì)發(fā)生變化，X10為超壓，X11為超溫。

2.2 基本事件失效概率計(jì)算分析

針對低頻失效的機(jī)械密封場合，選用有經(jīng)驗(yàn)的專家組成專家團(tuán)隊(duì)，對評估事件的失效可能性做出判斷，并結(jié)合模糊集合數(shù)學(xué)理論對故障樹進(jìn)行定性和定量分析，用模糊數(shù)表達(dá)專家的自然語言，并把模糊可能性值轉(zhuǎn)化為模糊失效概率，模糊數(shù)的自然語言表達(dá)式見圖2所示。

圖2 代表自然語言的模糊數(shù)表達(dá)形式

以機(jī)械密封的基本事件“制造缺陷”為例，計(jì)算基本事件模糊失效概率：

（1）選擇不同層次的技術(shù)專家組成10人專家組，對“制造缺陷”做出主觀判斷，給出的意見是較小、很大、中等、較小、小、小、小、很小、中等和小。

（2）根據(jù)圖2采用模糊數(shù)轉(zhuǎn)化自然語言，給出其隸屬度函數(shù)表達(dá)式：

采用模糊集的 α 截集和權(quán)重法來綜合處理不同的專家意見，獲得平均模糊數(shù)W的關(guān)系函數(shù)為：

基于左右模糊數(shù)排序法把模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能性值［3］，并將模糊可能性值轉(zhuǎn)化為模糊失效概率，計(jì)算可得“制造缺陷”的發(fā)生概率為1.873×10-3。

2.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度是故障樹分析中的一個(gè)重要的數(shù)量指標(biāo)，它表示基本事件在故障樹結(jié)構(gòu)中所占地位造成的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度越大，由它造成系統(tǒng)故障的可能性越大。根據(jù)建立的故障樹以及割集、最小割集的定義，利用Semanderes算法算得最小割集。

用最小割集求結(jié)構(gòu)重要度的表達(dá)式為：

式中 Iφ（i）——結(jié)構(gòu)重要度；

nφ（i）—— 基本事件Xi發(fā)生而引起頂事件發(fā)生的次數(shù)；

n ——基本事件的個(gè)數(shù)。

通過計(jì)算分析可以求解得出的基本事件結(jié)構(gòu)重要度和概率模糊重要度見表1，2。

表1 基本事件結(jié)構(gòu)重要度

表2 基本事件概率模糊重要度

由表2可知，基本事件的概率模糊重要度排列順序?yàn)椋?/p>

2.4 故障模式與影響評價(jià)分析

以機(jī)械密封動(dòng)環(huán)失效為例，開展失效影響分析評價(jià)，其分析評價(jià)結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)環(huán)故障與失效模式影響分析評價(jià)

2.5 結(jié)構(gòu)故障與失效危害度分析

對機(jī)械密封結(jié)構(gòu)故障與失效危害度進(jìn)行定量分析時(shí)，可以將各故障與失效模式下的危害度定義為故障與失效模式重要度、故障與失效后果嚴(yán)重度、故障與失效檢測難易系數(shù)的乘積：

式中 RIφ（i）——故障與失效模式重要度；

Fφ（i）——故障與失效后果嚴(yán)重度；

Dφ（i）—— 故障與失效模式檢測難易系數(shù)。對于易檢測的故障與失效模式，取Dφ（i）=1；對于難以檢測的故障與失效模式，取Dφ（i）=2。

表4 故障與失效后果嚴(yán)重度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以動(dòng)環(huán)為例，逐一識(shí)別表3中的各故障與失效模式的產(chǎn)生后果，根據(jù)表4中故障與失效后果嚴(yán)重度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別故障與失效后果的嚴(yán)重度，得到故障與失效模式的危害度見表5。

表5 動(dòng)環(huán)故障與失效危害度

3 機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)策略

機(jī)械密封是主機(jī)配件中的關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件，在進(jìn)行機(jī)械密封的運(yùn)行維護(hù)決策分析時(shí)，主要依據(jù)兩條準(zhǔn)則來確定維修策略：

（1）適用性準(zhǔn)則：維修活動(dòng)需要具有預(yù)防故障與失效后果的有效性，即維修活動(dòng)能夠消除或避免故障與失效，或?qū)⒐收吓c失效發(fā)生概率降低到可接受水平。

（2）有效性準(zhǔn)則：維修活動(dòng)的有效性與經(jīng)濟(jì)后果有關(guān)，即維修的費(fèi)用不應(yīng)大于故障與失效損失費(fèi)。

因此，機(jī)械密封的運(yùn)行維護(hù)策略要求主動(dòng)防御，避免被動(dòng)維修，減少預(yù)防維修，致力于主動(dòng)維修。根據(jù)故障與失效危害度，以動(dòng)環(huán)為例，制定動(dòng)環(huán)的運(yùn)行與維護(hù)策略見表6。

表6 動(dòng)環(huán)運(yùn)行維護(hù)策略

4 結(jié)語

基于對機(jī)械密封的故障與失效分析，建立機(jī)械密封故障與失效故障樹，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)法和模糊集數(shù)學(xué)理論，定量計(jì)算出在機(jī)械密封故障失效低頻事件中的故障樹基本事件失效模糊概率；以機(jī)械密封動(dòng)環(huán)為例，利用Semanderes算法求取故障樹最小割集，并獲得建立的機(jī)械密封故障樹基本事件結(jié)構(gòu)重要度和概率模糊重要度；給出故障與失效后果嚴(yán)重度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，從而得到機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件的故障與失效危害度；依據(jù)危害度，制定機(jī)械密封運(yùn)行維護(hù)的策略。該方法旨在解決在大量缺失或很難獲得機(jī)械密封故障與失效統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，為機(jī)械密封的研究和工程應(yīng)用提供一種方法參考，同時(shí)亦可為其他類似領(lǐng)域的研究，提供一種研究思路。