趙宸翦，張 權(quán)，李昕玨

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用柴油發(fā)電機(jī)組[3]是船舶電力系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，其運(yùn)行是否平穩(wěn)可靠是電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定可靠供電的關(guān)鍵因素，因此其可靠性指標(biāo)備受關(guān)注。

設(shè)備在研制初期，其可靠性都不會(huì)立即達(dá)到所規(guī)定的指標(biāo)，必須反復(fù)經(jīng)過(guò)“試驗(yàn)-改進(jìn)-再試驗(yàn)”的過(guò)程，其可靠性才能不斷提高。在這個(gè)過(guò)程中，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造工藝、操作方法等不斷地暴露出缺陷，經(jīng)分析改進(jìn)，產(chǎn)品不斷完善，可靠性不斷提高，這是可靠性增長(zhǎng)過(guò)程。

本文結(jié)合某型船用柴油發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)情況，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，收集可靠性信息，對(duì)關(guān)鍵零部件、整機(jī)可靠性水平進(jìn)行綜合評(píng)估。

1 受試設(shè)備組成

某型柴油發(fā)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱“機(jī)組”）基本結(jié)構(gòu)為：柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)分別與公共底座剛性地聯(lián)接成一體（其軸系為彈性聯(lián)接），并與罩內(nèi)空氣冷卻裝置、消防設(shè)備、電氣設(shè)備和附屬系統(tǒng)組成機(jī)組。隔聲罩、公共底座以及二者之間的密封墊構(gòu)成一個(gè)密閉的空間，將機(jī)組封閉在其中，公共底座通過(guò)減振器與浮筏聯(lián)接，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組組成示意圖

2 試驗(yàn)故障統(tǒng)計(jì)原則

試驗(yàn)過(guò)程中，只有責(zé)任故障才能作為判定受試設(shè)備合格與否的依據(jù)。故障應(yīng)按以下原則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

1）當(dāng)可證實(shí)多個(gè)故障現(xiàn)象由同一原因引起時(shí)，可計(jì)為一次故障。

2）有多個(gè)零部件在試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)失效時(shí)，當(dāng)不能證明是一個(gè)零部件失效引起另一些零部件失效時(shí)，每個(gè)零部件的失效計(jì)為一次獨(dú)立的故障；若可證明是一個(gè)零部件失效引起另一些零部件失效時(shí)，則所有失效零部件合計(jì)為一次故障。

3）已經(jīng)報(bào)告過(guò)的由同一原因引起的同一部位發(fā)生的獨(dú)立故障，由于未能真正排除而再次出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)和原來(lái)報(bào)告過(guò)的故障合計(jì)為一次故障，其間試驗(yàn)時(shí)間無(wú)效。

4）若不能確定故障發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)刻，則有效試驗(yàn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)追溯到上一檢測(cè)點(diǎn)時(shí)間，即上一檢測(cè)點(diǎn)至發(fā)現(xiàn)故障檢測(cè)點(diǎn)之間的試驗(yàn)時(shí)間無(wú)效。

5）在試驗(yàn)后的功能檢查和性能測(cè)試中若出現(xiàn)故障，則對(duì)故障的判定、統(tǒng)計(jì)等與試驗(yàn)中出現(xiàn)故障作相同處理。

6）在故障檢測(cè)和修理期間，若發(fā)現(xiàn)受試設(shè)備還存在其它故障而不能確定為是由原有故障引起的，則應(yīng)將其視為單獨(dú)的責(zé)任故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

柴油發(fā)電機(jī)組典型責(zé)任故障見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組典型責(zé)任故障

3 監(jiān)測(cè)參數(shù)的特征值選擇

3.1 測(cè)試參數(shù)的分類

可靠性試驗(yàn)期間柴油發(fā)電機(jī)組測(cè)試參數(shù)從其特點(diǎn)劃分可以分為以下幾類：

1）環(huán)境條件測(cè)量參數(shù)，主要包括：環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力。環(huán)境條件參數(shù)主要為記錄受試機(jī)組外部環(huán)境的變化，以便判斷受試機(jī)組是否工作在允許的環(huán)境條件下并有助于區(qū)別故障是否由環(huán)境因素造成。

2）試驗(yàn)給定參數(shù)，主要包括排氣背壓、進(jìn)氣真空度和負(fù)載（以功率表示）等，這類參數(shù)是輸入的給定值。

3）受試機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)，這類參數(shù)是通過(guò)傳感器等手段直接監(jiān)測(cè)受試樣機(jī)反饋的狀態(tài)參數(shù)，是被動(dòng)測(cè)量值，能夠反應(yīng)受試機(jī)組狀態(tài)，是本分析的重點(diǎn)。

按照監(jiān)測(cè)參數(shù)是否有門限值又可以分為有閾值監(jiān)測(cè)參數(shù)和無(wú)閾值監(jiān)測(cè)參數(shù)。

1）有閾值監(jiān)測(cè)參數(shù)，這類參數(shù)包括：柴油機(jī)各缸排氣溫度、渦輪前溫度、渦輪后排溫、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、柴油機(jī)燃油壓力、柴油機(jī)冷卻水壓力、柴油機(jī)海水壓力、柴油機(jī)冷卻水溫度、增壓器滑油進(jìn)油溫度、柴油機(jī)滑油溫度、柴油機(jī)滑油壓力、柴油機(jī)活塞冷卻油壓力、發(fā)電機(jī)繞組溫度、發(fā)電機(jī)前后軸承溫度、發(fā)電機(jī)軸承供油溫度和罩內(nèi)溫度等。

針對(duì)此類參數(shù)，一方面觀測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的參數(shù)是否滿足閾值要求，如不滿足，則進(jìn)一步分析超出閾值的原因，另一方面分析監(jiān)測(cè)參數(shù)變化趨勢(shì)，為試驗(yàn)故障的判斷和可靠性提高提供參考。

2）無(wú)閾值監(jiān)測(cè)參數(shù)，這類參數(shù)包括：機(jī)組功率、頻率、功率因數(shù)、電壓、電流、柴油機(jī)燃油齒條位置、柴油機(jī)海水泵后溫度、柴油機(jī)中冷后壓力、增壓空氣中冷前溫度、增壓空氣中冷后溫度、增壓器滑油進(jìn)油壓力、發(fā)電機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫度等。

針對(duì)此類參數(shù)，主要是分析監(jiān)測(cè)參數(shù)變化趨勢(shì)，為機(jī)組的使用和可靠性提高提供參考。

3.2 參數(shù)特征值的選擇

根據(jù)上述參數(shù)的特點(diǎn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)[1]的需求，主要分析參數(shù)的以下特征值：

1）均值，即參數(shù)算術(shù)平均值。

2）最大值，主要分析參數(shù)序列在不同負(fù)載工況下的最大值。

3）最小值，主要分析參數(shù)序列在不同負(fù)載工況下的最小值。

4）波動(dòng)范圍，表征參數(shù)序列波動(dòng)的相對(duì)大小，計(jì)算方式是（最大值-最小值）/均值。

5）離散度，表征測(cè)試結(jié)果的離散程度的相對(duì)大小，又稱變異系數(shù)，計(jì)算方式是均方差/均值。

6）線性斜率，表征參數(shù)序列在試驗(yàn)過(guò)程中的宏觀變化趨勢(shì)，計(jì)算方式是先將x軸和y軸進(jìn)行歸一化（x軸采用x/(xmax-xmin)歸一化，y軸采用y/yavg歸一化），然后采用線性模型擬合歸一化后的參數(shù)序列，求得該線性擬合模型在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中不同負(fù)載工況下的變化比率。

3.3 參數(shù)特征值的區(qū)間劃分

1）波動(dòng)程度。按波動(dòng)范圍和離散度劃分，大（|波動(dòng)范圍|≥30%或|離散度|≥10%）、中（|波動(dòng)范圍|≥15%或|離散度|≥5%）、小（|波動(dòng)范圍|<15%且|離散度|<5%）（如柴油機(jī)轉(zhuǎn)速等另有規(guī)定的參數(shù)除外）。

2）變化趨勢(shì)。按線性斜率劃分，大(|線性斜率|≥15%)、中(|線性斜率|≥5%)、小(|線性斜率|<5%)。

3）裕度。根據(jù)測(cè)試參數(shù)均值、波動(dòng)程度與閾值進(jìn)行比較，將參數(shù)與閾值相比的裕度定性分為大、中、小3種；綜合考慮不同工況的結(jié)果，將波動(dòng)程度和變化趨勢(shì)定性分為大、中、小3種。

4 可靠性試驗(yàn)異常監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

4.1 有閾值異常監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

1）柴油機(jī)A4缸排溫異常上升

對(duì)比柴油機(jī)A列和B列各缸排氣溫度，可以明顯發(fā)現(xiàn)0%額定負(fù)載和20%額定負(fù)載的A4缸排溫在試驗(yàn)中間異常上升（如圖2中的圈所示），并使得0%額定負(fù)載和20%額定負(fù)載的排溫波動(dòng)范圍和離散度顯著大于其他工況。除A4缸外的A列其他缸和B列缸排溫均無(wú)此異常上升（圖3給出A1缸結(jié)果為例），且所有缸的排溫未超過(guò)閾值。

圖2 柴油機(jī)A4 缸排氣溫度

圖3 柴油機(jī)A1 缸排氣溫度

經(jīng)分析該現(xiàn)象由A4缸排氣搖臂球座損壞引起，更換后A4缸排溫恢復(fù)正常，表明A4缸排溫異常原因定位準(zhǔn)確，見(jiàn)表2。

表2 柴油機(jī)A4 缸排氣溫度數(shù)據(jù)分析

2）柴油機(jī)燃油壓力多次超出閾值

柴油機(jī)燃油壓力絕大部分監(jiān)測(cè)結(jié)果均在閾值之內(nèi)，但出現(xiàn)多次超出閾值情況（如圖4中圓圈所示）。不同工況下的柴油機(jī)燃油壓力最小值多次超出閾值0.08 MPa?？煽啃澡b定試驗(yàn)電壓U見(jiàn)圖5。

圖4 柴油機(jī)燃油壓力

經(jīng)分析，機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，燃油濾芯會(huì)逐漸堵塞，需定時(shí)或者不定時(shí)（即燃油壓力低時(shí)）進(jìn)行更換，因此燃油壓力低意味著柴油機(jī)或場(chǎng)地燃油濾器需更換或者清洗。建議根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定合理的預(yù)防性維修計(jì)劃，明確燃油濾芯更換周期，以便指導(dǎo)后續(xù)設(shè)備使用。見(jiàn)表3和表4。

表4 可靠性鑒定試驗(yàn)柴油機(jī)燃油壓力數(shù)據(jù)分析

4.2 無(wú)閾值異常監(jiān)測(cè)參數(shù)分析

1）電壓異常升高

發(fā)電機(jī)三相電壓（U、V、W）（圖5給出電壓U為例）在某次試驗(yàn)工況時(shí)電壓遠(yuǎn)高于正常電壓（圖5中圓圈所示）。經(jīng)分析，這是由于發(fā)電機(jī)AVR測(cè)量回路變壓器C相電纜線頭和線鼻大部分?jǐn)嗔褜?dǎo)致的，修復(fù)后電壓恢復(fù)正常。

2）柴油機(jī)滑油和冷卻水溫度發(fā)散性變化

如圖6所示，柴油機(jī)滑油溫度波動(dòng)范圍約5%，離散度約1%，波動(dòng)很小。高負(fù)載的線性斜率為正值（80%負(fù)載以上約3%），溫度隨時(shí)間有一定的上升趨勢(shì)；低負(fù)載的線性斜率為負(fù)值（約-5%），溫度隨時(shí)間有一定的下降趨勢(shì)。發(fā)電機(jī)電壓U數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖5，滑油溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 柴油機(jī)滑油溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

表5 發(fā)電機(jī)電壓U 數(shù)據(jù)分析

表6 柴油機(jī)滑油溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

如圖7所示，柴油機(jī)冷卻水溫度均值隨負(fù)載的增大而增大。

圖7 柴油機(jī)冷卻水溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

柴油機(jī)滑油溫度波動(dòng)范圍約5%，離散度約1%，波動(dòng)很小。高負(fù)載的線性斜率為正值（80%負(fù)載以上約2%），低負(fù)載的線性斜率為負(fù)值（約-7%），見(jiàn)表7。

表7 柴油機(jī)冷卻水溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

柴油機(jī)滑油和冷卻水溫度均低于閾值。柴油機(jī)冷卻水用于冷卻柴油機(jī)滑油，因此冷卻水溫度變化趨勢(shì)與柴油機(jī)滑油溫度變化有相同趨勢(shì)。

柴油機(jī)滑油和冷卻水溫度均低于閾值。柴油機(jī)冷卻水用于冷卻柴油機(jī)滑油，因此冷卻水溫度變化趨勢(shì)與柴油機(jī)滑油溫度變化有相同趨勢(shì)。

1）可靠性指標(biāo)的計(jì)算方法

柴油發(fā)電機(jī)組可靠性MTBF區(qū)間估計(jì)的單側(cè)置信下限為

式中：T為總試驗(yàn)時(shí)間或次數(shù)；γ為責(zé)任故障數(shù)，γ=1-β為置信水平。

2）置信水平的選取

參照GJB 899A—2009相關(guān)規(guī)定，使用方實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)β=33.3%，置信水平γ=1-β=0.667。

表8 各階段可靠性試驗(yàn)情況

在第1階段可靠性試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生2次責(zé)任故障，則柴油發(fā)電機(jī)組壽命單側(cè)置信下限為θL=337.68 h。

柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，在第2階段可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)期間未發(fā)生責(zé)任故障。即柴油發(fā)電機(jī)組壽命單側(cè)置信下限為θL=1 011.28 h。

5 結(jié)論

柴油發(fā)電機(jī)組在試驗(yàn)過(guò)程中不斷暴露的設(shè)計(jì)缺陷，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)的結(jié)果反饋，柴油發(fā)電機(jī)組的可靠性得到很大程度的提升，表明相關(guān)改進(jìn)設(shè)計(jì)充分有效，現(xiàn)行的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有一定的工程參考意義。