劉玉奇，楊 誠，彭 迪，李 飛

(中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院 船舶質(zhì)量與可靠性研究中心，北京 100081)

0 引言

高功率密度發(fā)電機相比于傳統(tǒng)發(fā)電機具有體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強、輸出功率或力矩大等諸多優(yōu)點，在艦船綜合電力系統(tǒng)、魚雷動力系統(tǒng)等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[1]。高功率密度發(fā)電機作為動力系統(tǒng)的重要組成部分，其測試性水平直接影響著艦船裝備的維修保障性能,提升其測試性水平有助于提升裝備全生命周期內(nèi)的戰(zhàn)備完好性和實戰(zhàn)適用性。

測試性分析是根據(jù)系統(tǒng)的相關(guān)模型，開展一系列的測試性分析與計算，獲得系統(tǒng)的測試性指標(biāo)(故障檢測率、隔離率等)、冗余測試、模糊組等，是實現(xiàn)檢測并隔離內(nèi)部故障的必要手段?？赏ㄟ^測試性水平預(yù)計為設(shè)計人員提供設(shè)計方案參考依據(jù),可分析的測試性參數(shù)包括故障檢測覆蓋率、故障隔離覆蓋率、虛警率、最大/最小模糊組等，通過提升故障檢測率和隔離率，有利于發(fā)電機故障檢修，縮短維修時間。

當(dāng)前美英等國在永磁電機、燃?xì)廨啓C等的測試性分析方面做了很多研究。我國針對高功率密度發(fā)電機的測試性研究主要包括性能改進[2-3]、故障診斷方法[4]、發(fā)電機磁/熱物理特性研究[5]。并且，相比針對傳統(tǒng)發(fā)電機的測試性建模分析[6-8]，基于多信號流圖的故障診斷技術(shù)研究[9-10]可在裝備完成設(shè)計后建立可視化模型，利用列表示測試能檢測和隔離的故障，行表示故障能被檢測到，從而得到故障與測試之間的關(guān)系，通過開展分析改進，避免設(shè)備實裝后存在不可檢測故障。還有學(xué)者基于測試性D矩陣研究了多個故障的診斷策略，縮短故障診斷所需時間。采用信息熵理論的D矩陣故障診斷方法，通過故障尋優(yōu)可以取得更高的故障診斷效率。針對復(fù)雜系統(tǒng)可以將D矩陣進行層次化和模塊化處理，然后采用故障-測試相關(guān)性故障合并算法得到整個系統(tǒng)的D矩陣，降低測試性建模的難度，提高可行性。

本研究針對高功率密度發(fā)電機多信號流模型測點改進問題，首先給出了測試性改進的優(yōu)化流程。同時，也對高功率發(fā)電機開展了測試性建模分析，給出了其典型故障模式，列舉了兩種常見故障事件下的典型故障模式。與此同時，為提升故障模式的檢測率和隔離率，給出了基于D矩陣優(yōu)化的測點改進方法，包括故障檢測用測點的優(yōu)化和故障隔離用測點的優(yōu)化方法。最后，通過開展測試性建模預(yù)計和測試性分析，驗證了測點改進方法對測試性指標(biāo)提升的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試性優(yōu)化流程

高功率密度永磁發(fā)電機以十二相整流高速永磁同步發(fā)電機為例，其結(jié)構(gòu)包括軸承、端蓋、定子鐵芯、定子繞組、多相整流模塊、冷卻器、基座、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體、風(fēng)扇、測速傳感器、測溫傳感器等。該發(fā)電機永磁體固定在轉(zhuǎn)子上，采用高強度、高耐溫粘合灌注為一體，定子上固定繞組，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線使得定子繞組產(chǎn)生交流感應(yīng)電動勢。

圖1 高功率密度發(fā)電機系統(tǒng)主要組成框圖

發(fā)電機的測試性設(shè)計需要針對各故障模式選擇測點。測點選擇的優(yōu)劣直接影響設(shè)備的測試性水平，如故障檢測率和故障隔離率。針對測試集的優(yōu)化可減少冗余測點，提升故障模式的覆蓋率。結(jié)合高功率密度發(fā)電機結(jié)構(gòu)及運行特點，分析系統(tǒng)的故障特征和失效規(guī)律。在基于故障模式分析結(jié)果基礎(chǔ)上，通過配置模塊、測點、測試、冗余節(jié)點、開關(guān)節(jié)點等模型要素實現(xiàn)對發(fā)電機測試性模型的建模。利用量化的測試性分析方法，預(yù)估測試性設(shè)計指標(biāo)，生成分析結(jié)果。模塊節(jié)點設(shè)計考慮基本屬性、端口、故障影響及危害度、機內(nèi)測試、維修等因素。連線關(guān)系的設(shè)計考慮電氣、機械、邏輯的傳遞關(guān)系，通過連線連接模塊，不僅可以實現(xiàn)系統(tǒng)信息的流向、故障的傳遞還能保證功能可以沿著連接線進行傳遞。

測試性優(yōu)化的流程主要包括三部分內(nèi)容：故障模式分析、測試性設(shè)計分析改進和測試性仿真驗證。測試性故障模式分析可以通過針對各部件薄弱環(huán)節(jié)的詳細(xì)分析得到潛在的故障模式，為后續(xù)的測點設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。測試性設(shè)計分析改進是一個測試集優(yōu)化的過程，通過建模得到故障模式與測試的關(guān)系矩陣，針對該關(guān)系矩陣加以優(yōu)化，基于減少測試時間、降低測試成本和測試難度的原則，通過改進測點的設(shè)置改善測設(shè)備的測試性水平。測試性仿真驗證與分析通過測試性預(yù)計仿真試驗得到測試性指標(biāo)水平，驗證測試集改進的效果，進一步分析為后續(xù)的測試性改進提供依據(jù)。

2 高功率密度發(fā)電機故障模式分析

發(fā)電機設(shè)計時通過測點設(shè)計可提高發(fā)電機的故障檢測率和隔離率，方便故障定位與維修。為使測點設(shè)計覆蓋更多的故障模式，提高發(fā)電機故障檢測率，首先對潛在的故障模式開展分析。根據(jù)發(fā)電機功能特性可將發(fā)電機典型的頂層故障事件劃分為兩類：發(fā)電機故障性停機和發(fā)電機輸出電能品質(zhì)下降。

2.1 發(fā)電機停機故障模式

首先，針對發(fā)電機停機故障事件，通過調(diào)研、故障模式收集等方式得到了導(dǎo)致發(fā)電機不能輸出電能的故障模式，主要包括定子繞組短路故障、定子繞組斷路故障、轉(zhuǎn)子繞組短路故障、轉(zhuǎn)子繞組斷路故障、勵磁裝置失磁、整流裝置失效、勵磁裝置過勵保護等。由于這些故障模式中任一故障發(fā)生均能導(dǎo)致發(fā)電機不能工作，因此也是開展發(fā)電機測試性設(shè)計分析時需要重點關(guān)注的故障模式。

圖2 發(fā)電機停機故障模式分析

2.2 發(fā)電機輸出電能品質(zhì)下降故障模式

導(dǎo)致發(fā)電機輸出電能品質(zhì)下降的故障模式主要包括定子系統(tǒng)故障、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障、勵磁裝置故障、整流裝置故障和冷卻系統(tǒng)故障。其中定子系統(tǒng)故障包括繞組絕緣故障、匝間短路、繞組多相開路、繞組接頭故障等；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)故障包括轉(zhuǎn)子匝間短路、各種機械故障、異常接地等；勵磁系統(tǒng)故障包括起勵失敗、滅磁失效、勵磁不穩(wěn)定、過勵保護等；整流裝置故障包括短路故障、斷路故障、過熱故障等，冷卻系統(tǒng)故障包括溫度失常、系統(tǒng)漏水等。

由于缺少可靠性驗證試驗因此沒有可信的部件故障率數(shù)據(jù)，只能結(jié)合過去歷史故障率數(shù)據(jù)或經(jīng)驗的大概量級的故障率數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)收集得到了發(fā)電機的故障模式及故障率如表1所示。

表1 高功率密度發(fā)電機部分故障模式及故障率

3 測試性設(shè)計改進

3.1 高功率密度發(fā)電機故障檢測參數(shù)

首先，故障檢測用測點改進需檢測的物理量主要包括電壓、電流、絕緣阻值、溫度、振動等。高功率密度發(fā)電機相比傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)上采用一體化設(shè)計降低機械結(jié)構(gòu)故障，但采用新型的絕緣材料降低發(fā)電機體積和重量，因此絕緣電阻阻值測量對于發(fā)電機性能至關(guān)重要。其次，由于發(fā)電機功率密度大因此散熱性能對設(shè)備的可靠性影響較大，因此檢測各關(guān)鍵部件的熱參數(shù)對于檢測高功率密度發(fā)電機的故障具有更加重要的作用。

詳細(xì)的故障檢測參數(shù)信息見表2。

表2 高功率密度發(fā)電機故障檢測參數(shù)

3.2 發(fā)電機測試性模型

根據(jù)發(fā)電機組成、故障模式分析結(jié)果和初步確定的測試信息可構(gòu)建出發(fā)電機的多信號流測試性模型。多信號流圖測試性建模方法利用分層有向圖表示被測對象的組成單元、測試以及被測對象性能特征之間的相關(guān)關(guān)系[19-21]。D矩陣模型作為相關(guān)性模型的表達方式，是以“0”“1”構(gòu)成的測試-故障相關(guān)性矩陣，其中“0”表示測試與故障不相關(guān)，“1”表示測試與故障相關(guān)。構(gòu)建的相關(guān)性矩陣是對設(shè)備進行測試性分析的基礎(chǔ)?？稍跇?gòu)建的相應(yīng)測試性模型基礎(chǔ)上，識別模型圖中各節(jié)點之間的連接關(guān)系，得到故障-測試相關(guān)矩陣。針對完全故障和功能性故障，基于多信號流模型的結(jié)構(gòu)，從根節(jié)點遍歷形成相關(guān)性矩陣。

圖3 輸出電能品質(zhì)下降故障模式

3.3 簡化D矩陣

簡化D矩陣可以減少工作量，識別冗余測試點和故障隔離的模糊組，因此在建立了D矩陣模型之后，應(yīng)首先進行減化。

1)首先，比較D矩陣的各列，如果存在某兩列的元素相等，則該兩列所表示的測試點互為冗余測試點，應(yīng)合理的刪除其中一個測試點，可依據(jù)成本和易實現(xiàn)性進行篩選；

2)然后，比較D矩陣的各行，如果存在兩行的元素相等，則代表該兩行檢測的故障難以區(qū)分，可將兩行元素當(dāng)作一個故障隔離模糊組，在D矩陣中對其進行合并處理。

完全故障相關(guān)性矩陣DG表示故障源與測試點的位置可達性。求取以故障源和測點為節(jié)點的可達性矩陣，然后以可達性矩陣故障源對應(yīng)的行，測點對應(yīng)的列組成新的矩陣即為所求的完全故障相關(guān)性矩陣。可達性矩陣的求取采用鄰接矩陣的方法。假設(shè)有向圖G有n個節(jié)點V={v1,v2,…,vn}，則n階方陣AG=(aij)可看作G的鄰接矩陣。當(dāng)vi與vj鄰接時，aij=1；當(dāng)vi與vj不鄰接或i=j時，aij=0。

若建模的模塊存在阻斷信號集，則對相關(guān)性矩陣進行修整。針對阻斷信號相關(guān)性矩陣DF首先構(gòu)造故障源列表SC和測試集合，阻斷信號集合。然后判斷故障源SC(i)，其中i取值0≤i≤N，取i=0，若有阻斷信號集元素存在則使鄰接矩陣A中故障源對應(yīng)的列置為0，下一步，定義j取值范圍0≤j≤M，取j=0，k取值范圍0≤k≤N，取k=0，當(dāng)阻斷信號相關(guān)性矩陣DF(k，j)=1時，則DG對應(yīng)的鄰接矩陣AG相應(yīng)aij賦值0。然后根據(jù)可達性矩陣求和方法計算得到矩陣Db。

3.4 基于D矩陣的故障檢測點優(yōu)化

將簡化后的D矩陣表示為D=[dij]m×n則考慮可靠性參數(shù)的第j個測試點的故障檢測權(quán)值(表示提供檢測有用信息多少的相對度量)WFD可用下式計算：

(1)

(2)

式中，WFDj為第j個測點的故障檢測權(quán)值；αi表示第i個部件發(fā)生故障的頻數(shù)比；dij表示被測單元D矩陣模型中的第i行第j列元素；λi表示第i個部件的故障率；m表示待分析的相關(guān)矩陣行數(shù)。

假設(shè)簡化后的D矩陣模型為D=[dij]m×n，則第j個測試點的故障檢測權(quán)值(表示提供檢測有用信息多少的相對度量)WFDj可用下式計算：

(3)

計算出測試點的WFD后，選用其中WFD取值最大的作為第一個測試點，則對應(yīng)的列矩陣可表示為：

Tj=[d1j,d2j,…,dmj]T

(4)

用Tj將矩陣D劃分為兩個子矩陣：

(5)

(6)

若需要增加測試點還需進行測試性類型分析，即論證該測試點的測試類型，如設(shè)計為BIT測試、外部測試設(shè)備測試、人工測試等，通過各類型測試的可行性分析，確定測試點最終設(shè)計方案。

3.5 基于D矩陣的故障隔離測點優(yōu)化

分別計算各測試點的故障隔離權(quán)值，然后對隔離權(quán)值進行比較，從而篩選出測試點。

(7)

式中,WFIj表示第j個測試點的隔離權(quán)值；Z表示矩陣數(shù)。

選取權(quán)值WFIj最大的測試點作為第一個故障隔離測試點，用Tj把矩陣D分解為兩個子矩陣：

(8)

(9)

分別計算兩個子矩陣的故障隔離權(quán)值并相加，比較所有測試點的權(quán)值，選擇最大的權(quán)值對應(yīng)的測試點作為第2個故障隔離測試點。依次類推，直至找到所有的故障隔離測試點。

故障隔離用測點若需增加測點同樣需進行測試性類型分析，論證新增測試點的測試類型，開展各類型測試的可行性分析，從而確定測試點的設(shè)計方案。

4 測試性仿真驗證與分析

為驗證以上測點改進方法對提升測試性指標(biāo)的效果，開展測試性指標(biāo)預(yù)計，得到了測點改進前后發(fā)電機故障檢測率和故障隔離率。

由表3和4仿真結(jié)果可知，優(yōu)化后故障檢測率和故障隔離率均有提升，證明D矩陣所表達的測點與故障模式的關(guān)系能夠準(zhǔn)確反映故障與測點之間的傳遞關(guān)系。其次，通過改進D矩陣優(yōu)化測點的方法可以有效改善對故障模式的覆蓋率以及去除冗余測點。假設(shè)系統(tǒng)的某故障從模型的某節(jié)點出發(fā)，經(jīng)過一個路徑返回該節(jié)點則存在一個故障環(huán)路，從而導(dǎo)致模糊組的存在。因此優(yōu)化測點后得到故障檢測率和隔離率水平均有一定提升。

表3 測點改進前的測試性指標(biāo)

表4 測點改進后的測試性指標(biāo)

由測試性指標(biāo)預(yù)計結(jié)果可知，基于D矩陣的測點集優(yōu)化方法可以有效改善測試性水平，通過測試性預(yù)計仿真得到的故障檢測率和故障隔離率驗證了方法的可行性，可有效改善高功率密度發(fā)電機的故障檢測率和隔離率水平。

5 結(jié)束語

通過故障模式分析總結(jié)了高功率密度發(fā)電機測試性設(shè)計過程中的潛在故障模式，為測試性設(shè)計改進提供基本輸入。進一步針對發(fā)電機的測點給出了基于D矩陣的測點改進方案，包括故障檢測測點改進方法和故障隔離測點改進方法。并通過測試性建模預(yù)計對比了測點改進前后的故障檢測率和故障隔離率指標(biāo)，仿真結(jié)果驗證了測點改進方案對提升測試性水平的有效性，為高功率密度發(fā)電機的測試性優(yōu)化設(shè)計提供了有效方案。