引言

主泵,全稱為"反應(yīng)堆冷卻劑泵",是一種復(fù)雜的機電設(shè)備,位于核電廠一回路的每個環(huán)路中。主泵是核電廠的關(guān)鍵設(shè)備,如果主泵發(fā)生故障,有可能會導(dǎo)致放射性物質(zhì)泄漏,同時也會造成反應(yīng)堆停堆檢修,嚴(yán)重影響核電廠運行的安全性與經(jīng)濟性。因此,主泵必須強調(diào)高可靠性,這就需要在研發(fā)過程中乃至整個壽命周期內(nèi)應(yīng)用嚴(yán)格的可靠性分析方法去控制主泵的可靠性。

可靠性在過去的幾十年里已經(jīng)被廣泛認可為系統(tǒng)的一個重要指標(biāo),眾多學(xué)者對不同工程產(chǎn)品的可靠性做出了研究。學(xué)者EnricoZio總結(jié)道,可靠性工程主要解決三個問題:(1)為什么系統(tǒng)會失敗?(2)如何能設(shè)計可靠的系統(tǒng)?(3)如何能在整個系統(tǒng)生命周期實現(xiàn)高運行可靠性?

核電主泵屬于商業(yè)敏感信息且一些零部件樣品較少,所以國內(nèi)外對主泵可靠性進行研究的公開文獻較少。國內(nèi)外對主泵的可靠性研究多集中在第一個問題上,即針對主泵某個故障去分析故障機理,youngLJ分析了軸套疲勞失效的主要故障原因是溫度波動:國內(nèi)毛文軍等人通過研究泄漏異常的故障模式,找出了故障原因并進行處理,避免了非計劃停堆:主軸、葉輪等熱疲勞可靠性也有相應(yīng)研究。針對第二個問題,國內(nèi)最早關(guān)于主泵研發(fā)過程的可靠性設(shè)計分析是鄧禮平等人在主泵研發(fā)過程中使用的可靠性設(shè)計與分析方法:ZhengG等人拓展的主泵剖面劃分方法,提出了"最小相關(guān)子任務(wù)"(MAS)與"最小有效成分"(MEC)的概念:針對經(jīng)典的FMEA分析方法,何龍璋在傳統(tǒng)FMEA分析基礎(chǔ)上考慮主泵這類特殊產(chǎn)品維修性特點,形成了FMEMA分析方法。本文對主泵研發(fā)過程的可靠性方法進行研究,提出了一種主泵的可靠性綜合分析方法,解決了主泵可靠性信息匱乏、試驗代價大的問題,能更有效地執(zhí)行主泵的可靠性分析工作。

1主泵故障模式

軸封型主泵(本文簡稱"主泵")是立式、單級、從底部吸入的軸密封混流泵機組,軸向吸入,徑向吐出,驅(qū)動冷卻劑在回路中流動。主泵主要是由電機模塊和水力機械模塊配合驅(qū)動冷卻劑的流動,同時由軸封系統(tǒng)防止冷卻劑泄漏。主泵的簡要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)主泵各零部件的功能,對主泵進行如圖2所示經(jīng)典的金字塔形結(jié)構(gòu)劃分。主泵系統(tǒng)整體可以看作是由泵本體、電機、輔助系統(tǒng)、儀控組成,其中泵本體模塊屬于機械設(shè)備零部件,相對電子產(chǎn)品的可靠性研究不太成熟,同時也屬于小子樣、高可靠性機械設(shè)備的代表,對泵本體的可靠性試驗需要時間和金錢。本文對主泵的可靠性研究即對泵本體的可靠性研究。

1.1機械設(shè)備的故障模式

故障模式,定義為故障的表現(xiàn)形式,一般是對產(chǎn)品所發(fā)生的、能被觀察或者測量到的故障現(xiàn)象的規(guī)范描述,由于受到觀測的現(xiàn)場條件限制,表現(xiàn)為不同的現(xiàn)象[5]。比如"主泵泄漏量大"來源于"靜壓軸封泄漏量大",繼續(xù)向下,以層級考慮,可能是密封端面出現(xiàn)裂紋,所以對于金字塔型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),不同層級之間的故障模式是具有因果關(guān)系的。復(fù)雜機械設(shè)備的故障模式具有兩個特點:(1)一個故障模式可能是由多個故障原因引起的:(2)故障模式在金字塔結(jié)構(gòu)中具有傳遞性,底層故障模式是上層故障模式的原因。

對于機械設(shè)備零部件故障模式的研究眾多,常見故障模式有變形失效、斷裂失效、磨損失效與腐蝕失效。比如泵軸在運行中受到電機傳送的巨大彎矩和溫度的熱應(yīng)力沖擊出現(xiàn)變形、彎曲:靜環(huán)與軸之間形成密封作用,它們之間的相對運動可能導(dǎo)致磨損等。

接口是用來描述分析對象之間的交互作用的,常見的接口存在物理連接、材料交換、能量傳遞、信息交換等相互作用,可以從這四個方面去分析接口的故障。機械產(chǎn)品除自身的機械零部件故障之外,還存在兩個零件之間接口出現(xiàn)的故障。比如主泵軸承軸瓦自身質(zhì)量沒問題,但是由于潤滑介質(zhì)壓力不足,導(dǎo)致出現(xiàn)磨損故障:或者螺栓與螺帽安裝松動,導(dǎo)致定位不準(zhǔn),出現(xiàn)振動異常等故障。

1.2主泵的故障模式

根據(jù)圖2,按照零部件與接口故障劃分,對泵本體各個子模塊的主要故障模式考慮如表1所示。

2主泵可靠性模型

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力[6]。而從故障發(fā)生的角度來看,可靠性就是指在規(guī)定時間內(nèi),沒有影響任務(wù)功能的故障模式出現(xiàn),所以對于產(chǎn)品的可靠性研究可以通過明確故障模式來提高對產(chǎn)品可靠性的認識。先做出如下假設(shè):(1)產(chǎn)品的每種故障模式都會引起系統(tǒng)出現(xiàn)故障:(2)產(chǎn)品各故障模式之間獨立,且每次只有一個故障發(fā)生。這樣,產(chǎn)品在某一任務(wù)階段內(nèi)的可靠性如下:

式中,R(1)是產(chǎn)品的可靠性:1是產(chǎn)品正常運行的時間:7是產(chǎn)品規(guī)定的時間。

產(chǎn)品的可靠性就是在時間1、規(guī)定條件(工作環(huán)境)C下完成規(guī)定功能F的能力,數(shù)學(xué)上就是一個概率,是關(guān)于1、C、F的一個函數(shù),在接受假設(shè)的條件下,也可以看作是每個故障模式發(fā)生概率PFMi的一個函數(shù)。

假設(shè)產(chǎn)品的可靠度服從指數(shù)分布,同時各故障模式出現(xiàn)的時間也服從指數(shù)分布,那么可以得到:

式中,k是產(chǎn)品所有的故障模式個數(shù):λ是產(chǎn)品的故障率。

考慮到研究人員對產(chǎn)品存在的故障模式認知不全面,可能出現(xiàn)的故障模式范圍為[1,m],研究人員未考慮的故障模式范圍為[m＋1,k]。所以,想要降低產(chǎn)品的故障率,就需要遵守這兩個準(zhǔn)則:(1)發(fā)現(xiàn)更多的故障模式:(2)降低故障模式的發(fā)生概率。那么產(chǎn)品的最終故障率就會降低。

針對主泵結(jié)構(gòu)建立基本可靠性框圖模型,如圖3所示(圖中數(shù)字為編碼,方便記錄),是一個串聯(lián)模型。

圖中每個單元模型可根據(jù)式(1)和表1的故障模式建立,形成主泵的可靠性模型:

更為全面的故障模式信息可以根據(jù)后文FMEA分析確定每個單元所有可能的故障模式,建立更準(zhǔn)確的模型。

3主泵可靠性綜合分析

3.1FMEA分析

故障模式、影響及危害性分析(FailureModeS,EffectSandCriticalityAnalySiS,簡稱FMECA/FMEA)是一種"自下而上"對產(chǎn)品進行的故障分析。我們可以識別出底層零件的故障模式,并確定對高一層級模塊的影響,那么故障模式就影響到了一個較高的層級,在較高層級上形成了故障模式,再這樣迭代下去最終確定了最低層故障模式對最高層級的影響。在FMEA分析中,產(chǎn)品故障模式既可以利用產(chǎn)品在實際中發(fā)生的故障數(shù)據(jù),也可以分析假想產(chǎn)品的故障。進行危害性分析時,根據(jù)故障模式頻率、影響后果等來分配一個權(quán)重衡量危害性,然后可以根據(jù)權(quán)重的優(yōu)先級消除危害性大的故障模式。所以,一般的FMEA分析流程大多先劃分產(chǎn)品結(jié)構(gòu),然后分析底層故障模式影響,最終進行危害性分析,并確定糾正措施。具體細節(jié)步驟及表格可以參考《故障模式、影響及危害性分析指南》。

通過對主泵的FMEA分析,圖2所示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)每個零部件的故障模式就被明確清楚地分析出來了,根據(jù)第2節(jié)主泵可靠性模型可知,主泵可靠性模型中各單元的可靠性就是該單元故障模式的函數(shù)。所以,通過FMEA分析就可以得到主泵及各零部件的可靠性模型,以故障模式為基礎(chǔ)的可靠性模型就是對FMEA分析結(jié)果的抽象。同時FMEA分析得越準(zhǔn)確,糾正措施制定得越合理,滿足了第2節(jié)的兩個準(zhǔn)則,產(chǎn)品可靠性就得到了提高。

3.2可靠性增長

可靠性增長從實踐來說就是要永久地消除某種故障模式,使產(chǎn)品可靠性得到提高。實現(xiàn)可靠性增長的主要方法就是試驗一分析一糾正(TeStAnalyzeandFix,TAAF),主泵在方案制定時,往往會確定出一個明確的可靠性指標(biāo),在整個研制與生產(chǎn)過程中為了讓可靠性指標(biāo)達到要求,就需要不斷地設(shè)計、更改,使可靠性不斷增長,使主泵的設(shè)計成熟,實現(xiàn)生產(chǎn)定型,所以可靠性增長對保障主泵的可靠性意義十分重大。

AMSAA(ArmyMaterielSyStemSAnalySiSActiⅤity)是國際上常用的可靠性增長模型,基本假設(shè)如下:

(1)產(chǎn)品在開發(fā)階段(0,t]內(nèi)的總故障次數(shù)N(t)服從非齊次PoiSSon過程,均值函數(shù)是EN(t)=atb,瞬時強度入(t)=dEN(t)/dt=abt(b-1)。

(2)等到產(chǎn)品在T時刻生成定型后,后續(xù)若不做出改進,那么系統(tǒng)之后的故障時間服從指數(shù)分布:

式中,N(t)為故障的累計次數(shù):a是尺度參數(shù):b是形狀參數(shù)。

那么在(0,t]階段的執(zhí)行可靠性增長就可以通過AMSAA模型進行分析。

主泵在試驗過程中解決出現(xiàn)的故障,按照可靠性增長管理手冊的內(nèi)容,使用AMSAA模型對可靠性增長進行估計的步驟如圖4所示,一定時間后可以預(yù)估出主泵的可靠性是否達到了目標(biāo)值,如果沒有就仍需要繼續(xù)驗證。

3.3FRACAS閉環(huán)糾錯

FRACAS(FailureReporting,AnalySiSandCorrectiⅤeActionSyStem),全稱為"故障報告、分析與糾正措施系統(tǒng)",是一種基于故障信息的閉環(huán)流動的管理系統(tǒng),又稱"閉環(huán)糾錯系統(tǒng)",如圖5所示。該系統(tǒng)的目的是在產(chǎn)品試驗中及時報告產(chǎn)品出現(xiàn)的故障并進行解決,防止故障再現(xiàn),保證產(chǎn)品在出廠后的可靠性。在主泵研發(fā)過程中,不同零部件的可靠性試驗和整機試驗可能會出現(xiàn)產(chǎn)品的故障信息,因此根據(jù)國軍標(biāo)的內(nèi)容,采用FRACAS對主泵研發(fā)過程的故障信息進行閉環(huán)管理。

在主泵的可靠性工作中,FRACAS是一個對主泵進行可靠性控制的很好的工作項目,它能保證所有的故障報告都進入這個閉環(huán)流程。主泵的設(shè)計制造是一個聯(lián)合研發(fā)過程,良好的FRACAS設(shè)計適用于這種協(xié)同合作,可以讓資深的專家去執(zhí)行故障分析,根據(jù)故障原因,由不同職責(zé)或部門的人員執(zhí)行不同的故障處理流程。

3.4主泵可靠性綜合分析

小子樣、高可靠性產(chǎn)品的可靠性研究比較困難之處在于沒有足夠的可靠性數(shù)據(jù)累積,同時如果對產(chǎn)品進行試驗,那么試驗代價高,需要大量時間和金錢。而FRACAS作為在研發(fā)階段就能對產(chǎn)品實際的故障信息進行獲取的可靠性方法,能夠得到十分寶貴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。利用FRACAS閉環(huán)信息形成的產(chǎn)品故障閉環(huán)信息知識庫可以反饋給其他可靠性工作內(nèi)容,形成主泵可靠性綜合分析方法,如圖6所示。利用FRACAS閉環(huán)流程清零試驗中出現(xiàn)的故障,校正FMEA分析得到的故障原因:同時,判斷主泵可靠性模型是否遺漏該故障模式與該故障模式的概率。當(dāng)經(jīng)歷過長期試驗糾正后,可靠性實現(xiàn)了增長,利用可靠性增長模型,判斷是否達到主泵可靠性的目標(biāo)值。

如果可靠性綜合分析方法已經(jīng)被廣泛使用,那么之后在一個新主泵的研發(fā)制造過程中可以執(zhí)行以下可靠性綜合分析方法,具體流程如下:

(1)主泵初步設(shè)計結(jié)束后進行結(jié)構(gòu)劃分與功能分析。

(2)對產(chǎn)品進行FMEA分析,在考慮FMEA故障時,可以根據(jù)同類型主泵的故障閉環(huán)信息知識庫,參考可能的故障模式。

(3)建立主泵的可靠性框圖,對主泵進行建模,每個單元的可靠性與該單元故障模式的發(fā)生概率有關(guān)。

(4)對主泵各個零部件、模塊執(zhí)行加工制造,并執(zhí)行零部件與整機的可靠性試驗,試驗中的故障使用FRACAS進行閉環(huán)管理,并將故障模式的數(shù)據(jù)存入故障閉環(huán)知識庫中。針對產(chǎn)品出現(xiàn)的故障模式,去校正FMEA分析內(nèi)容與主泵的可靠性模型。

(5)在研發(fā)試驗或使用階段,持續(xù)使用FRACAS進行故障閉環(huán)管理,長時間后可以根據(jù)AMSAA可靠性增長模型,對主泵的可靠性進行估計,確定是否達到了可靠性目標(biāo)值。

3.5實踐

在主泵軸封模塊的性能鑒定試驗中,某零件出現(xiàn)了磨損,利用主泵可靠性綜合分析方法進行分析。

執(zhí)行FRACAS閉環(huán)糾錯,通過故障報告,分析與糾正解決了該故障。該故障形成故障模式知識庫的一部分,故障模式是副密封O型圈無法定心支撐:故障原因是材料某元素比例錯誤:糾正措施是提高O型圈的回彈率和精度。利用知識庫內(nèi)容進行綜合分析。

在設(shè)計階段執(zhí)行FMEA沒有考慮到,將故障模式反饋給FMEA分析,按照FMEA表格增加該故障模式的分析內(nèi)容,同時在軸封模塊的可靠性模型中也增加了該故障模式的影響。在可靠性增長方面,等更長的試驗時間和更多的故障出現(xiàn)后就可以利用增長模型估計出是否達到目標(biāo)值。

4結(jié)論

本文通過對主泵可靠性分析方法的研究,探討了主泵(泵本體)的主要故障模式,并建立了相應(yīng)的模型。同時利用FRACAS閉環(huán)管理流程,將發(fā)現(xiàn)的故障模式等信息反饋到FMEA分析、可靠性模型、可靠性增長試驗中,形成主泵可靠性綜合分析方法(圖6),最終可以有以下結(jié)論:

(1)FRACAS作為主泵可靠性分析的優(yōu)選方法,可將試驗中的故障信息反饋給FMEA分析,更新可靠性模型,實現(xiàn)主泵的可靠性增長,這樣主泵的試驗信息就能被充分利用起來,提高了可靠性設(shè)計分析工作內(nèi)容的有效性,形成了主泵綜合分析方法。同時,該綜合分析方法不僅能用于主泵,還可用于小子樣、高可靠性的其他產(chǎn)品。

(2)本文研究了主泵的故障模式,提出了以故障模式為基礎(chǔ)的可靠性模型,得到了提高產(chǎn)品可靠性的兩個準(zhǔn)則一發(fā)現(xiàn)更多的故障模式和降低故障模式的發(fā)生概率,這也是產(chǎn)品進行可靠性設(shè)計與分析的方向。