船用开关故障模式及失效分布研究

谭登洪



船用开关故障模式及失效分布研究

谭登洪

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

本文通过对船用开关在使用中的故障调查和型式试验中的寿命试验以及可靠性机械寿命试验所获得的故障数据进行整理和归纳，并通过故障数分析，得出了船用开关的主要故障模式。采用随机截尾模型和可靠度函数图形拟合法对船用开关的失效分布进行了研究，得出其寿命服从于双参数指数分布，并分别用图检验法和K—S检验法得到证明。船用开关的平均无故障工作次数和失效率不仅和船用开关的制造水平有关，而且与使用环境和维护保养有关。

船用开关 故障模式 故障树分析

0 引言

在开展船用开关可靠性工作过程中，由于缺少有关基础资料，如船用开关典型故障模式和失效分布类型，给可靠性工作带来许多困难。本文就是期望通过对船用开关运行情况进行调研和开展必要的机械寿命试验，在此基础上通过归纳、分析研究，获得其故障模式和失效分布类型。

1 船用开关的功能及故障定义

船用开关包含船用断路器(俗称自动开关)和船用转换开关(俗称非自动开关),均为可修复的产品。

1.1 船用断路器的功能及故障定义

船用断路器的主要功能是：保护电力推进设备（蓄电池组、充电发电机、推进电动机等）免受过电流的危害，以及对电路进行不频繁的接通和断开。

当断路器出现下列情况之一时即为故障：

1） 电动或手动操作时断路器不闭合；

2） 电动或手动操作时断路器断不开；

3） 当流经断路器的电流超过过电流脱扣器

动作电流整定值以上时断路器不能自动分断(带有延时动作者延时超过整定延时后)；

4） 误动断开。

1.2船用转换开关的功能及故障定义

船用转换开关仅具有转换电路(接通和分断)的功能。

用连杆传动机构操作时, 转换开关不能接通和分断电路即为故障。

2 船用开关的故障模式及其分析

2.1船用断路器的故障模式及其分析

根据断路器的故障定义，从我国船用断路器的水平来看,手、电动操作不断开和过电流时拒动问题已基本上解决了。误动断开问题也比较少，我们在调研中仅发现DW9-442断路器出现过一次误动断开，那是因为短路脱扣器整定值偏小而引起的，还有二次是发生在ZDW4-21断路器冲击试验过程中，是分励脱扣器衔铁未校平衡和掣子间隙偏大引起的。因此，断路器的主要故障是手动不闭合和电动不闭合。

手动不闭合集中发生在D9-430系列断路器中，其主要故障模式是自由脱扣机构不又扣和又扣不可靠。其故障原因主要是制造缺陷引起的，其次是使用维护不当，对转动、摩擦部位未定期添加润滑脂。

电动不闭合发生在DW9-440、ZDW2-31、ZDW2-71及ZDW4-21断路器上，这几种型号的路器均为电动机传动。其主要故障模式是：

1）伺服电动机烧坏；

2）伺服电动机不转；

3）传动凸轮与滚子错位；

4）电动离合销脱落；

5）分励脱扣器不又扣。

此外，灭弧罩破损在ZDW2-31、ZDW2-71和ZDW4-21断路器机械寿命试验中发生较多，其故障原因主要是这批陶土灭弧罩耐冲击性能不合格所造成的。这点已被对比试验所证实。

综上所述，我们在分析研究船用断路器的失效分布类型时，应当以断路器不闭合故障为主来进行。

我们根据多年来研究设计断路器的经验以及从型式试验和调研中获取的可靠性数据，对其进行故障树分析，可以知道：造成断路器不闭合的主要原因是电动机烧坏和自由脱扣机构不又扣。导致电动机烧坏的原因是减速器润滑不良，从而引起电动机过载和电枢绕组过热，缩短了电机绝缘寿命。导致自由脱扣机构不又扣的原因是轴承缺润滑脂，从而引起脱扣轴不复位。因此，在使用过程中定期在转动及摩擦部位添加润滑脂可减少故障的发生，延长伺服电机的使用寿命；提高断路器的平均无故障工作时间。

2.2船用转换开关的故障模式及其分析

船用转换开关的传动机构较为简单,它的传动杠杆直接焊在触头轴上,可靠性较高；其弧触头烧伤和电磨损超标问题是由误操作引起的。由于其触头系统和灭弧系统与船用断路器完全相同，因此对其进失效分布研究就无必要了。

3 船用断路器的失效分布研究

目前确定产品的失效分布类型的方法，一般是抽取一定数量的产品进行寿命试验，从而获取寿命试验数据；或者在现场使用中收集失效数据，得到子样观察值，绘制可靠性函数图形，与各种失效分布不同类型的可靠度函数图形作比较，初步估计出其失效分布类型。然后用慨率纸特制的坐标纸作图检验法和统计分析法进行检验，如X2检验法、K-S检验法。

由于船用断路器批量生产数量少，而且价格高，不可能投入很多台断路器进行全寿命试验，本研究所涉及的断路器寿命试验大部分是利用其型式试验进行的。因此，在寿命数据处理时，我们采用的是随机有替换定操作次数截尾寿命试验模型。

在现场使用中所收集的失效数据，由于缺乏失效前操作次数数据，仅仅只提供了一个大概使用时间，因此无法用来作失效分布研究。本文只对电动传动的断路器进行失效分布研究。

3.1电动传动断路器的寿命试验数据

电动传动断路器的寿命试验数据汇总于表1。 有替换定操作次数截尾寿命试验模型图示如图1。表1寿命试验数据中未列入灭弧罩寿命试验数据，理由是其产品本身质量不合格。

3.2电动传动断路器的失效分布研究

3.2.1绘制断路器的可靠度函数图形

1） 可靠度函数计算

按下式进行可靠度函数(t)计算，结果列于表2。

(t)=1-（-0.5）/n

式中：第个失效产品的寿命数据（=1、2···）；

n—参加试验产品的总数（n=n+）；—试验产品数；—失效产品数。

2） 绘制可靠函数图形

根据表2（t(t)）在直角坐标纸上描点，绘制可靠度函数图形示于图2。从图2可看出可靠度函数曲线近似为一条双参数指数曲线，可初步估计电动传动断路器的寿命服从双参数指数分布。

3.2.2 用图检验法检验

用表2（t(t)）在单边对数坐标纸上的-()坐标系描点，见图3。从图3可看出，所描各点近似呈一直线。故可以近似认为电动传动断路器的寿命服从双参数指数分布。

3.2.3 用K-S检验法检验

1）因子样数据少，不宜用X2检验法。假设

理论分布函数FO(X)的函数类型为双参数指数分布。

2）根据图2和表1的数据，用最大似然法，

求出子样为指数分布的平均无故障工作次数（MTBF）的估计值。

求出子样的失效率：=1/（+）=1/（4.545×103+0.1×103）=0.225×10-3次。

式中—参数指数分布的位置参数，0.1×103次，将它作为总体的失效率的估计值。

3）总体的失效分布函数()假设为H：()=F（）=1-e-0.000225×(t-0.0001)

4）根据表2数据按式(t)=1-(t),计算出经验分布函数(t),其结果列于表3。

5）计算理论分布函数F(t)，所得结果亦列于表3。

6）计算理论分布函数与经验分布函数的差异度=┃(t)-F(t)┃，其结果亦列于表3。

8）选取显著水平=0.05，由置信度：

=1-=1-0.05=0.95查《低压电器可靠性技术》[1]表3, 可λ=0.95=1.36则否定域为λλ=1.36。

4 结论

1) 船用断路器的主要故障模式：对于手动传动的断路器是手动不闭合和自由脱扣机构不又扣；对于电动传动的断路器是电动不闭合和伺服电动机损坏；2) 船用转换开关的故障模式是弧触头电磨损超标；3) 电动传动断路器的失效分布服从双参数指数分布规律。其平均无故障工作操作次数与不同的使用环境及维护水平有关。

[1] 陆俭国.低压电器可靠性技术.机械工业出版社，1986.

Research on Failure Type and Distribution of Marine Switch

Tan Denghong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM564

A

1003-4862（2015）01-0061-04

2014-09-03

谭登洪(1964-)，男，高级工程师。研究方向：电气工程。