江蘇兆勝空調(diào)有限公司 陳 兵

江蘇科技大學(xué) 王 剛

本文對船用空調(diào)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，通過建立總故障樹模型和簡化故障樹模型對各事件進(jìn)行定量定性分析，并提出可靠性設(shè)計及可靠性增強(qiáng)的方法。充分利用數(shù)據(jù)對故障樹底事件進(jìn)行分析計算，并給出合理的提升空調(diào)可靠性具體實(shí)施方法。

空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備是典型的機(jī)電設(shè)備，融合了機(jī)械和電氣專業(yè)技術(shù)，雖然基本原理、設(shè)計技術(shù)、生產(chǎn)工藝相對成熟，但是隨著空調(diào)系統(tǒng)集成技術(shù)及功能的擴(kuò)展，空調(diào)系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)有機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，原來功能獨(dú)立的空調(diào)設(shè)備通過控制系統(tǒng)和優(yōu)化處理的控制策略聯(lián)合運(yùn)行，也相對增加了空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜性，由此增加的功能，如風(fēng)量測量、送風(fēng)控制、新風(fēng)控制、溫度設(shè)定和調(diào)節(jié)等，也對空調(diào)系統(tǒng)的可靠性提出了挑戰(zhàn)。

依據(jù)大型空調(diào)高負(fù)荷特點(diǎn)，在工程重要節(jié)點(diǎn)引入可靠性指標(biāo)，使得關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能夠得到有效的維護(hù)，在規(guī)劃中依據(jù)零部件易損程度，對整個系統(tǒng)的故障樹進(jìn)行簡化，把易損的重要節(jié)點(diǎn)規(guī)劃進(jìn)來，制作高可靠性的方案。Quanyu Yu對汽車空調(diào)系統(tǒng)建立故障樹模型，分析其失效的原因，其認(rèn)為空調(diào)的制冷功能失效會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。空調(diào)制冷失效的原因是制冷劑缺失以及空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。Ilia Frenkel和Frenkel I.，Khvatskin建立了馬爾科夫模型對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性優(yōu)化。Ilia Frenkel分析在惡劣天氣下工作的空調(diào)系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)，并考慮發(fā)電機(jī)的狀態(tài)對空調(diào)系統(tǒng)影響程度，通過拉普拉斯變換和隨機(jī)失效方法對空調(diào)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化。

目前，國內(nèi)對空調(diào)可靠性研究主要通過仿真來實(shí)現(xiàn)，而零件失效的數(shù)據(jù)獲取途徑很少。本文將對船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和故障樹的簡化以及對零部件失效原因進(jìn)行分析，并提出提高空調(diào)可靠性的方法，從而有效的實(shí)現(xiàn)高可靠性的空調(diào)系統(tǒng)方案。

1 空調(diào)系統(tǒng)故障樹分析模型

1.1 船用空調(diào)系統(tǒng)

船用空調(diào)系統(tǒng)主要是通過制冷、加熱、通風(fēng)三種方式實(shí)現(xiàn)船舶空氣環(huán)境的控制，空調(diào)系統(tǒng)主要包括變風(fēng)量布風(fēng)器、變風(fēng)量空調(diào)器、控制及監(jiān)控系統(tǒng)、分風(fēng)管及其它系統(tǒng)組成。

船舶中空調(diào)系統(tǒng)是通過送風(fēng)機(jī)從新風(fēng)和回風(fēng)吸口吸入外界空氣，然后將兩者混合后由空氣調(diào)節(jié)器進(jìn)行處理，回風(fēng)、新風(fēng)進(jìn)入空調(diào)器中，經(jīng)過加熱、除濕、過濾、加濕等處理后，經(jīng)由變頻離心風(fēng)機(jī)輸送到靜壓箱，再通過風(fēng)管送到艙室中的布風(fēng)器，由布風(fēng)器輸送到房間中，調(diào)節(jié)風(fēng)量由變風(fēng)空調(diào)器調(diào)節(jié)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)原理圖

1.2 空調(diào)系統(tǒng)故障樹建立

為了能夠?qū)⒀芯砍晒谶h(yuǎn)洋科考船上獲得應(yīng)用，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析研究。完整的空調(diào)系統(tǒng)包括含有低噪聲布風(fēng)器的變風(fēng)量末端裝置，安裝高速風(fēng)機(jī)的變風(fēng)量空調(diào)器，低阻力風(fēng)管系統(tǒng)，集成擴(kuò)展了故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)的空調(diào)控制和監(jiān)控系統(tǒng)。在研究空調(diào)系統(tǒng)前要對其系統(tǒng)進(jìn)行故障模式分析，主要通過建立相關(guān)故障樹的方式進(jìn)行分析研究。

故障樹分析法是一種以圖論表示的定性分析方法，該方法將系統(tǒng)最不愿意發(fā)生的故障作為頂事件，圍繞頂事件找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的中間事件，以此類推直到找到最終導(dǎo)致故障發(fā)生的底事件。

依據(jù)船用空調(diào)系統(tǒng)組成部件建立故障樹模型，并根據(jù)建立的故障樹的每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)據(jù)得到每個節(jié)點(diǎn)發(fā)生的概率，最終可求出整個系統(tǒng)的故障概率。如圖2所示空調(diào)系統(tǒng)故障樹，根節(jié)點(diǎn)為T，共有四大塊故障結(jié)點(diǎn)，制冷、制熱、通風(fēng)和電氣控制系統(tǒng)故障；如圖3所示，制冷系統(tǒng)故障樹可再分為三部分故障結(jié)點(diǎn)和9個子結(jié)點(diǎn)；如圖4所示，通風(fēng)系統(tǒng)故障樹可以分為兩部分故障樹結(jié)點(diǎn)和7個子結(jié)點(diǎn)；如圖5所示，電氣控制系統(tǒng)故障樹可分為6個子結(jié)點(diǎn)；如圖6所示，制熱系統(tǒng)故障樹可以分為兩部分故障樹結(jié)點(diǎn)和9個子結(jié)點(diǎn)。表1所示為空調(diào)系統(tǒng)的故障樹事件列表。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)故障樹

圖3 制冷系統(tǒng)故障樹

表1 空調(diào)系統(tǒng)故障樹事件表

圖4 通風(fēng)系統(tǒng)故障樹

圖5 電氣控制系統(tǒng)故障樹

圖6 制熱系統(tǒng)故障樹

1.3 船用空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡化

通過對故障數(shù)進(jìn)行審查、校對后，根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生的故障制作故障樹簡圖。對故障進(jìn)行簡化有利于對其進(jìn)行定性、定量分析，簡化后的故障樹中底事件突出對頂事件影響較大和容易損壞部分，故障樹簡化可采用修剪法和模塊化進(jìn)行分析。修剪法指得是根據(jù)制作好的故障樹，分析同一級別的故障結(jié)點(diǎn)，容易發(fā)生故障的保留下來，可靠性高的結(jié)點(diǎn)去除掉，這樣使得故障樹更具有合理性和直觀性。模塊法是通過把空調(diào)系統(tǒng)分為幾個模塊，模塊之間再進(jìn)行分析，從而確定哪些模塊比較重要，比較容易發(fā)生故障。如圖7所示，為空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡圖。

圖7 空調(diào)系統(tǒng)故障樹簡圖

2 船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性模型分析

2.1 定性分析

對于故障樹定性分析是定量分析的基礎(chǔ)，是對空調(diào)可靠性研究的前提。故障樹是由根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)組成，葉子節(jié)點(diǎn)也就是底事件，底事件嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，分析底事件對頂事件的影響來設(shè)計可靠的方案，每個底事件都代表影響頂事件的故障模式，因此研究底事件則是空調(diào)系統(tǒng)可靠性分析重要一步。

對于底事件研究方法可由上而下。故障樹中節(jié)點(diǎn)有或門和與門關(guān)系，或門意味著其中一個事件發(fā)生不會對頂事件產(chǎn)生重大影響，屬于可替代關(guān)系。與門則是不可替代，與門中事件發(fā)生都會對頂事件產(chǎn)生重大影響。通過將與門事件列為一行，或門事件列為同列，由上而下尋找最終能夠?qū)ο到y(tǒng)產(chǎn)生重大影響的底事件。

2.2 定量分析

從數(shù)量中關(guān)系和特征對故障數(shù)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析是定量分析法中重要內(nèi)容，

在定量分析中計算各個底事件發(fā)生的關(guān)系，假設(shè)由n個底事件構(gòu)成故障樹，其計算方法為：

則頂事件T發(fā)生的概率Fs(t)為：

當(dāng)割集之間不相容時：

當(dāng)割集之間相容時：

其中K為割集。

故障樹的定量分析是利用最小割集計算事件發(fā)生的概率。這里底事件即是最小割集，底事件之間是相互獨(dú)立的，所有事件僅考慮正常和失效兩種狀態(tài)。

由定性分析知，12個單元組成串聯(lián)系統(tǒng)：

則頂事件發(fā)生的概率Q串為：

其中qi為底層事件出現(xiàn)故障的概率。

設(shè)備的可靠性是設(shè)計出來的，空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性分析的目的是找出可靠性的薄弱環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)問題，并在設(shè)計階段采取有效的措施和方法進(jìn)行規(guī)避。只有這樣才能提高空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性及運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 船用空調(diào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)可靠性設(shè)計要根據(jù)設(shè)備試驗時故障發(fā)生的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，其中要充分考慮平均無故障時間和平均修復(fù)時間來計算系統(tǒng)失效的概率。

空調(diào)系統(tǒng)的平均修復(fù)時間可以分為機(jī)械部分的修復(fù)時間和電氣部分的修復(fù)時間。根據(jù)空調(diào)的通風(fēng)裝置的耐久性試驗，通風(fēng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中有可能出現(xiàn)的故障，各故障對通風(fēng)裝置完成任務(wù)的影響程度不一樣分為一類故障和二類故障，對于影響通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行和短時間不能解決，影響機(jī)組技術(shù)性能的故障稱為“一類故障”，對于不影響通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行和通風(fēng)裝置技術(shù)性能的故障，根據(jù)試驗時發(fā)生的情況，修復(fù)時間為機(jī)械部分2h內(nèi)，電氣部分0.5h內(nèi)的故障稱為“二類故障”。

船用空調(diào)系統(tǒng)的失效概率為：

根據(jù)表2中的各個基本事件失效概率進(jìn)行分析，可知基本事件的失效概率從大到小依次為閥門故障(C1)、高溫保護(hù)器(C10)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（C7）等部件，他們是影響空調(diào)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部件。經(jīng)過對比各個部件的組成部分，閥門故障原因主要為閥芯泄露、閥門氣芯泄露、是閥芯頂針周圍有雜質(zhì)或錐形橡膠密封圈老化等等。高溫保護(hù)器故障原因主要是三極管故障，三極管是通過小電流控制大電流，故障有極間短路、極間斷路、接觸不良、老化放大倍數(shù)變小等等。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障的原因主要是指調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)變形和斷裂。所以針對這些故障原因，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加系統(tǒng)可靠性。

4 空調(diào)系統(tǒng)可靠性改進(jìn)措施

調(diào)查分析結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)可靠性的影響因素很多，它與空調(diào)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、安裝以及客戶的操作使用習(xí)慣都有一定的聯(lián)系。因此提高空調(diào)的可靠性必須要考慮多方面的因素，進(jìn)行系統(tǒng)性增長研究。通過AMSAA可靠性增長模型數(shù)學(xué)分析來計劃可靠性增長的方案。

AMSAA強(qiáng)調(diào)要在可修系統(tǒng)進(jìn)行可靠性增長試驗并且對故障采取即時糾正的規(guī)劃方式。

可修系統(tǒng)在開發(fā)期(0，t]內(nèi)的故障次數(shù)N(t)是具有均值函數(shù)：

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作到達(dá)時刻T，之后對系統(tǒng)不需要對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，則系統(tǒng)定型后其故障時間服從指數(shù)分布，即：

式中a、b分別是尺度參數(shù)和增長參數(shù)。

對系統(tǒng)失效進(jìn)行統(tǒng)計，其在使用期內(nèi)的相繼故障時間為0=t0＜t1＜…＜tn。

則參數(shù)a，b的MLE為：

基于ASMAA可靠性模型預(yù)測步驟如下：

(1)根據(jù)試驗，得到各個時刻（t）的試驗數(shù)據(jù)。

(2)基于ASMAA模型進(jìn)行解析，求得可靠性增長的參數(shù)（尺寸a、增長系數(shù)b、失效時刻tn以及MTBF的估值M）。

(3)計算出整個系統(tǒng)的平均壽命M，如果M小于預(yù)期值，則進(jìn)行步驟4。否則，可停止檢驗。

(4)對下次故障發(fā)生時間tn+1進(jìn)行預(yù)測。依據(jù)N(t)=atb計算出故障此時和時間的關(guān)系，并N(t)=n+1得到：

(5)由步驟4可計算出下次發(fā)生故障的時間，聯(lián)合已有的試驗數(shù)據(jù)可得到新的數(shù)據(jù)。

(6)依據(jù)步驟5更新試驗數(shù)據(jù)，并返回步驟1，用計算機(jī)進(jìn)行計算，計算流程如圖8所示。

圖8 預(yù)測流程圖

通過故障樹分析底事件嚴(yán)重影響到整個系統(tǒng)的可靠性，對每個底事件進(jìn)行分析是提高可靠性必要的條件。表2則是具體工程實(shí)施中進(jìn)行可靠性增長具體實(shí)施方案。

表2 故障模式與提高可靠性方法

結(jié)語：空調(diào)系統(tǒng)可靠性對整個空調(diào)設(shè)計工程起著重要指導(dǎo)作用，對于空調(diào)可靠性分析要從實(shí)際工程經(jīng)驗出發(fā)，充分考慮到空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)械和電氣部分。通過建立故障樹對空調(diào)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定性定量分析。本文的空調(diào)系統(tǒng)可靠性研究會對空調(diào)的生產(chǎn)和維護(hù)具有一定的意義。