大功率风电机用变桨距减速器的故障树分析

2011-06-11何卫东郭洪亮李永华

大连交通大学学报 2011年6期

何卫东，郭洪亮，李永华

(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028)

0 引言

风力发电是地球上最佳绿色能源，对保护环境和生态平衡，改善能源结构具有重要意义.大功率风力发电机用变桨距减速器是风力发电系统的关键部件之一，因为当自然界风速有各种变化时，它能适时调节安装在风电机轮毂上的叶片的桨距角来有效的利用风源.该减速器的承载能力、机械性能、疲劳寿命及工作可靠性是影响风力发电机用变桨距减速器正常工作的极为主要的因素.本文主要通过对大功率风电机用变桨距减速器系统可靠性的研究，通过FTA分析找出该减速器的薄弱环节，提高该传动系统可靠性的分析精度［1］.

FTA是系统可靠性、安全性分析和风险评价的重要方法之一.根据故障树的分析，可以得出影响大功率风电机用变桨距减速器系统及子系统可靠性的关键零部件，从而提高关键零部件的可靠性，以达到提高系统可靠性的目的.FTA是一种图形演绎方法，可以将系统故障的各种可能因素联系起来而有利于弄清系统的故障模式、找出系统可靠性的薄弱环节，提高系统可靠性的分析精度.本文采用故障树模拟技术进行大功率风电机用变桨距减速器的FTA分析，该方法突破了利用最小割集不交化来评定故障树的思路，它以大数定理为理论依据，以抽样结果来模拟系统状态，通过对系统抽样样本的统计计算来获得系统的可靠性参数［2］.

1 FTA建模

故障树分析也是失效树分析，简称FTA(fault Tree Analysis)，它以系统所不希望发生的事件(故障事件)作为分析的目标，先找出导致这一事件(顶事件)发生的可能的原因和直接因素，然后，把这些因素和原因作为第二级事件，再接着找出第二级事件发生的因素和可能的原因，按照此顺序，逐级找下去，直到查到最原始的原因，用相应符号代表这些事件，再用事件相应的逻辑门符号把底事件、中间事件和顶事件联系起来成倒立的树形图.这种树形图，成为故障树，用来表示顶事件与下属的子系统或者元器件的逻辑关系［2-3］.

本文以“大功率风电机用变桨距减速器不能正常工作”为顶事件建立其故障树，按照大功率风电机用变桨距减速器功能对减速器的顶事件向下逐级分解其故障模式和逻辑关系，得到如图(1～5)所示的故障树.

建立大功率风电机用变桨距减速器系统故障树如图(1～5)所示［2，4］.

图5 噪声过大的故障树图

2 故障树的简化

故障树由顶事件和构成它的全部底事件的逻辑关系连接而成，根据建树规则建立起来的故障树比较庞大和繁杂，层次过多和过细的故障树对定性分析和定量计算都是不方便的，因此，在故障树建成之后对该故障树进行逻辑等效简化，简化故障树应遵循以下原则［5］:

规则一:根据逻辑门等效规则，把原故障树换成规范化故障树;

规范化故障树是只含与门、或门、非门以及结果事件和底事件的故障树;

规则二:去除明显多余事件;

也就是说，将那些不经过逻辑门直接相连的一串事件只保留最下面的一个事件;

规则三:去除明显的逻辑多余门;

凡相邻两级逻辑门类型相同者均可简化.若与(或)门之下有与(或)门，则下一级的与(或)门及其输出事件均可去除，它们的输入事件直接成为与(或)门的输出事件［5］.

根据以上规则以及对大功率风电机用变桨距减速器故障树结构函数进行简化，得到大功率风电机用变桨距减速器的简化故障树如图6所示.

图6 简化后减速器不能正常工作故障树图

3 FTA分析

CAFTA以系统故障树为可靠性分析模型，采用了面向对象设计技术思想，顺应图形化建模的发展趋势，以蒙特卡罗方法作分析手段，将故障树可靠性模型的数据管理、分析运算、运算结果分析以及数据的安全管理等功能都集成在一个图形化的操作平台上.CAFTA系统可实现对包含多态事件的单调或非单调系统的可靠性预测分析任务，它所支持12种如与门或门异或门等常见的逻辑门模型，涵盖了可靠性分析中大部分的应用，满足工程实际所需［2］.

用CAFTA故障树分析软件对大功率风电机用变桨距减速器的简化故障树进行可靠性模拟分析，本文要求大功率风电机用变桨距减速器系统无维修寿命为20年，故可靠性模拟参数设定为:系统模拟次数为1 000次、有效失效时间上限为175 200 h、有效失效时间下限为0，如图7所示.

图7 可靠性模拟参数设定

表1 失效概率模拟结果(底事件)

本文设定底事件都假设服从正态分布［2］.分析处的结果数据见表1～3.

表2 失效模式模拟结果

表3 重要度模拟结果

通过失效概率模拟分析报告可以看出转臂轴承、润滑泵原动机故障、油泵故障和密闭失效发生的概率比较大，所以转臂轴承、润滑泵原动机故障、油泵故障和密闭失效为大功率风电机用变桨距驱动器的薄弱环节.同时润滑泵原动机故障、油泵故障会导致大功率风电机用变桨距驱动器的温度过高;密闭失效会导致大功率风电机用变桨距驱动器漏油.