柴油机燃油系统故障模式及影响分析

蔡芝明，金家善，何春雨

（海军工程大学船舶与动力工程学院，湖北 武汉 430033）

柴油机燃油供给系的功用，是根据柴油机工况要求，将精确计量的燃油在规定的时间以一定的压力喷入到汽缸中。柴油机燃料供给系由两部分组成：低压部分和高压部分。低压部分主要使喷油泵的低压腔充满燃油并建立一定的压力（0.15～0.3 MPa）。高压部分对燃油进一步加压，并使燃油呈良好的雾状喷入气缸。

低压部分包括：油箱、低压油管、输油泵、燃油滤清器、溢流阀和回油管。

高压部分包括：喷油泵、高压油管、喷油器。图1所示是常见的一种柴油机燃油系统示意图[1]。

图1 柴油机燃油系统示意图

输油泵从燃油箱吸取柴油并将其泵出，柴油经燃油滤清器除杂质后进入喷油泵。自喷油泵输出的高压油，经高压油管和喷油器喷入气缸。由于输油泵的输油量远大于喷油泵的喷油量，多余的燃油经回油管回到油箱。

故障模式及影响分析（Failure Mode and Effects Analysis,FMEA）是一种为开展设计、生产、品质控制及服务的最广泛使用的分析方法和有效工具[2]。进行FMEA的目的，是帮助确定产品的潜在薄弱环节，根本上排除或使其影响为最小，从而提高了产品的可靠性。FMEA常用的两种基本方法，是功能分析法和硬件分析法[3]。考虑从硬件和功能FMEA入手，将两者结合起来对柴油机燃油系统进行FMEA分析。

1 分析方法

FMEA根据已有的资料，分析系统的结构，鉴别系统的每一个潜在的故障模式，针对可能引起燃油系统无法实现正常功能的主要部件进行分析，依次分析这些主要部件的失效模式、失效后果、失效机理、严酷度分类、严重度、频度数、不易探测度、风险综合指数等。按最终对柴油机燃油系统的影响，对故障模式按严酷度划分为4类：I类(灾难性)，II类(致命性)，III类(严重的)，c 类(轻度的)。第 I类和 II类是应该尽量避免的，第III类和IV类故障模式主要是做好预防维修工作。

（1）严重度（Severity，S）。是指产品潜在故障模式发生时，对系统影响后果的严重程度的评价指标，仅针对于故障的后果，严重度的判定准则，是发生故障后果的严重程度，取值在1～10之间（见表1）。

表1 严重度划分等级参考表

（2）频度数（Occurrence，O）。是指某一特定故障起因或机理出现的可能性。描述频度级别数着重内在含义而不是具体的数值。一般可分为极高、高、中等、低等几个等级，取值在1～10之间，表述所研究的元件在设计寿命周期内每100个或1000个元件中的累计故障数（Cumulative Number of Failures,CNF，分别对应CNF/100或者CNF/1000）。根据经验和查相关资料，可得到相关数据（见表2）。

表2 频度数划分等级参考表

（3）不易探测度(Detection，D)。是指发现产品故障原因的难易程度，是探测故障模式/原因/机理的能力的指标，一般分为极难、难、可能、能等几个等级，取值在1～10之间，不易探测度评价准则，是利用现有的各种方法和手段找出故障存在的可能性（见表3）。

表3 不易探测度划分等级参考表

（4）风险综合指数。根据建立的柴油机燃油系统FMEA分析表，估算故障发生时的严重度、频度数、不易探测度等因素，计算风险综合指数（Risk Priority Number，RPN）值。

依据RPN值的大小，判断是否有必要进行改进或确定改进的轻重缓急程度，从而以较低的成本减少事后损失，提高系统的可靠性，然而不管RPN数值大小，当失效模式严重度数大时，就应引起特别重视。柴油机燃油系统的风险综合指数（见表4）。

表4 柴油机燃油系统FMEA分析表

2 危害度分析

对某种故障模式的后果及出现概率的综合度量称为危害度[4]。

产品的危害度Cr是指产品在某一严酷度类别下各故障模式危害度Cmj的总和，计算公式如下

其中n是该产品在相应严酷度类别下故障模式数。

查相关手册或参考资料可得到λp（106h失效次数，见表5）。

表5 柴油机燃油系统元件失效率

根据使用输出数据和产品功能可得出产品故障模式频数比dj；表示产品将以故障模式j发生故障的百分故比。如果列出的某产品所有故障模式，则所有这些故障模式对应的dj总和等于1

故障影响概率βj可根据经验判断得到的，它是产品以故障模式j发生故障而导致系统任务丧失的条件概率，一般可根据表6确定。

表6 故障影响概率

工作时间t可根据经验判断得到，以该产品每次任务的工作小时数表示。燃油系统按每天工作16 h，1年工作256 d，即4096 h。

由FMEA分析表的分析结果和上述计算公式，得到该产品的II、III、IV类严酷度的危害度分别为

CrⅡ=0.0080542；

CrⅢ=0.01910647；

CrⅣ=0.0118036。

从而可得到：该柴油机燃油系统III类严酷度类别的危害度最大，IV类次之，II类非常小。

3 结束语

（1）通过FMEA的分析结果，得知柴油机燃油系统故障模式危害性最大的是喷油器，而后是喷油泵、输油泵、溢流阀、燃油滤清器、油管、油箱。

（2）通过产品危害度分析得出，III类严酷度类别的危害度最大，应该重点防范；IV类危害度次之，需要定期进行监控和维护。

（3）通过FMEA分析，找到了柴油机燃油系统的薄弱环节和潜在弱点，为接下来的操作、检修和维护过程中改进措施，防止或减少故障的发生提供依据。

[1]王文山，高晓波，髙 武，冯 岐.柴油发动机管理系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]Relex Software Co&Intellect，Reliability.A practitioner’s guide[M].Beijing:Intellect and Relex Software Corporation,2003.

[3]吴德铭，李守仁，王 善，等.舰船产品可靠性工程可靠性设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1995.

[4]Beveling C E.An introduction to reliability and maintainability engineering[M].Massachusetts:McGraw-Hill Companies,Inc，1997.