張福祥

（1.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006； 2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

上世紀(jì)90 年代，無軌輔助運(yùn)輸在神東大柳塔煤礦和山東兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦開始使用[1]，由于其靈活、高效和安全的特點(diǎn)，快速在國內(nèi)各大煤礦推廣應(yīng)用[2]。 目前煤礦無軌輔助運(yùn)輸車輛動(dòng)力源仍然主要以防爆柴油機(jī)為主，由于煤礦井下瓦斯和粉塵較多，且環(huán)境相對(duì)封閉，因此在MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中明確要求防爆柴油機(jī)的排氣溫度不能超過70℃[3-4]。 2018 年，考慮到煤礦工人健康，煤炭行業(yè)采用了GB20891-2007《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）》，進(jìn)一步降低尾氣排放，其中對(duì)PM 污染物也提出了明確要求[5-7]。 而廢氣處理箱主要作用就是冷卻排氣溫度，在一定程度上降低PM 污染物[8-9]。而達(dá)到這一目的主要依靠消耗廢氣處理箱中的冷卻水完成[10]，因此需要設(shè)計(jì)專門的補(bǔ)水系統(tǒng)，保證廢氣處理箱的補(bǔ)給。

補(bǔ)水系統(tǒng)涉及到煤礦安全和工人的身體健康， 但是由于使用環(huán)境、振動(dòng)和元部件質(zhì)量問題，該系統(tǒng)的故障率相對(duì)較高。 本文采用FMEA 方法，對(duì)補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析和評(píng)估，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出整改措施，以提高系統(tǒng)可靠性水平。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes ＆ Effects Analysis） 是根據(jù)基本故障判據(jù)或重要故障模式對(duì)特定單元做分析，辨識(shí)出所有故障模式及影響，支出如何消除或降低故障模式的影響，從而提高單元可靠性。

1 系統(tǒng)框圖及工作原理

如圖1 所示為補(bǔ)水系統(tǒng)相關(guān)原理框圖， 主要分為3各功能區(qū)，1～6 和水管組成水路系統(tǒng)，7～9 和氣管組成氣壓系統(tǒng)，6、10～12 和連接件組成廢氣處理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

水路系統(tǒng)中補(bǔ)水箱儲(chǔ)存冷卻水， 過濾器過濾水中雜質(zhì)， 保護(hù)閥在柴油機(jī)熄火后阻斷水路， 閥門控制水路通斷，浮球閥補(bǔ)水并控制廢氣處理箱水位高度，廢氣處理箱為尾氣和反應(yīng)容器。水路系統(tǒng)功能：補(bǔ)水箱中的水借助氣體壓力和重力，由補(bǔ)水箱流向廢氣處理箱，并通過浮球閥控制廢氣處理箱中水位高度。

氣路系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存高壓氣體，調(diào)壓閥調(diào)整壓水氣體壓力，安全閥保護(hù)整個(gè)氣路系統(tǒng)。氣路系統(tǒng)功能：高壓氣體通過調(diào)壓閥進(jìn)入補(bǔ)水箱，將冷卻水壓入廢氣處理箱。

廢氣處理系統(tǒng)中防爆柴油機(jī)提供動(dòng)力產(chǎn)生尾氣，廢氣處理箱降低尾氣溫度并一定程度降低PM，排氣管將冷卻后的尾氣排向大氣，排溫傳感器監(jiān)測(cè)排氣溫度，超標(biāo)停機(jī)。 廢氣處理系統(tǒng)功能：尾氣降溫和凈化。

2 FMEA 分析準(zhǔn)備

2.1 故障判斷依據(jù)

本文只考慮整車運(yùn)行時(shí)即補(bǔ)水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)工況， 故障判據(jù)如下：

（1）不能完成補(bǔ)水功能。

（2）補(bǔ)水量不足。

（3）由于補(bǔ)水量過多或不足時(shí)，造成人員傷害或防爆柴油機(jī)和廢氣處理箱等故障。

2.2 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

GJB/Z 1391-2006《故障模式、影響及危害性分析指南》規(guī)定的常用方法包括：風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）方法、危害性矩陣分析方法、定量危害性矩陣分析方法[11]。

本系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)有限，選擇風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。RPN 可用下式表示，它反映了故障發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

其中：S—嚴(yán)重度，一般分為4 各等級(jí)，數(shù)值為1～10；O—發(fā)生度，一般分為5 各等級(jí)，數(shù)值為1～10；D—檢測(cè)度，一般分為3 各等級(jí)，數(shù)值為1～10。

3 故障模式與影響分析評(píng)估

故障模式的分析就是要找出系統(tǒng)可能出現(xiàn)的所有故障模式并分類，故障模式主要從以下5 個(gè)方面分類：提前工作、在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)不工作、在規(guī)定的非工作時(shí)間內(nèi)工作、 間歇工作或工作不穩(wěn)定和工作中輸出消失或故障。 分類后再結(jié)合實(shí)際細(xì)化故障模式。

按照上述判斷依據(jù)和準(zhǔn)則， 結(jié)合前期積累故障數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)預(yù)判，列出了補(bǔ)水系統(tǒng)所有故障模式，并詳細(xì)分析了每條故障的發(fā)生原因、影響程度和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN，形成故障模式分析表，見表1。

通過表1 可知，在系統(tǒng)中，浮球閥的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN值最大，其次是調(diào)壓閥、安全閥和過濾器。

表1 故障模式分析表

RPN 值前五位分別為：5.1 浮球閥浮球損壞、5.2 浮球閥水封損壞、8.3 調(diào)壓閥調(diào)壓高、9.2 安全閥失效、2.2 過濾器堵塞。 反應(yīng)了上述配件故障是補(bǔ)水系統(tǒng)可靠性的主要隱患，也是提高系統(tǒng)可靠性的主要環(huán)節(jié)。

4 改進(jìn)建議

4.1 浮球閥

從分析中可見浮球閥主要的故障是浮球損壞和水封損壞。浮球絕對(duì)不能使用市場(chǎng)上的工業(yè)浮球，需要自行設(shè)計(jì)并選用不銹鋼， 在保證浮力重量的前提下要盡量加大壁厚；水封需要選擇抗高溫和抗老化性能高的材料。同時(shí)建議在使用維護(hù)說明書增加相應(yīng)維護(hù)保養(yǎng)條款， 定期保養(yǎng)，消除隱患。

4.2 調(diào)壓閥、安全閥

調(diào)壓閥和安全閥主要故障都為零件質(zhì)量引起， 且為外購產(chǎn)品，市場(chǎng)可選型號(hào)較多，質(zhì)量也參差不齊，主要控制選型，選用成熟度高、使用廣泛的型號(hào)。

4.3 過濾器

過濾器主要故障為堵塞，可選用成熟的產(chǎn)品，考慮冗余設(shè)計(jì)。 同時(shí)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)要求。

4.4 系統(tǒng)

增加補(bǔ)水箱和廢氣處理箱水位保護(hù)裝置。 增加廢氣處理箱表面溫度傳感器。

5 結(jié)束語

（1）補(bǔ)水系統(tǒng)是防爆柴油機(jī)正常工作的重要保障系統(tǒng)，且還涉及到整車安全性。 本文通過使用FMEA 分析方法，系統(tǒng)而全面的分析了主要故障模式和原因，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)浮球閥、調(diào)壓閥、安全閥和過濾器是對(duì)系統(tǒng)影響較大的四個(gè)部件。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些件的可靠性提高，從設(shè)計(jì)源頭、使用維護(hù)等方面著手，降低故障發(fā)生概率，提高系統(tǒng)可靠性。

（2）5.1 浮球閥浮球損壞、5.2 浮球閥水封損壞、8.3 調(diào)壓閥調(diào)壓高、9.2 安全閥失效、2.2 過濾器堵塞是影響最大的5 個(gè)故障模式，特別是浮球閥故障，應(yīng)加強(qiáng)日常保養(yǎng)，提前解決故障隱患。

（3）本文通過分析給出了部分改進(jìn)建議，但不全面，應(yīng)通過FTA 和ETA 等方法進(jìn)一步研究， 通過CAE 和Fluent 流體分析等進(jìn)一步優(yōu)化， 并進(jìn)行相應(yīng)的可靠性增長試驗(yàn)。