船用空压机可靠性试验方法研究∗

关 涛 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

船用空压机可靠性试验方法研究∗

关 涛 回志澎

（北京1303信箱14分箱 北京 100161）

针对目前船用空压机没有一种比较通用的可靠性试验方法，研究船用空压机可靠性试验的基本流程和评估方法。首次提出了一套设计和开展船用空压机可靠性试验的基本方法，该方法包括船用空压机功能和结构论述、故障模式分析、故障判决、可靠性试验方案以及可靠性评估等。某型船用空压机的竞争性试验参考了论文所提出的船用空压机可靠性试验方法，应用表明该方法具有一定的工程应用参考价值，值得类似机电设备可靠性试验借鉴。

可靠性试验；空压机；故障模式分析；可靠性评估

ClassNum ber TK229.7

1 引言

船用空压机是船舶失事排水、启动船舶主机和驱动气动设备的关键设备，其可靠性的好坏直接影响了船舶生命力。但是，船用空压机是典型的多部件可修机械设备，其故障模式多样，寿命比较长，可靠性试验费用高，国内开展船用空压机可靠性试验鲜有报道。目前，国内外还没有针对空压机可靠性试验标准，有关企业一般参考IEC 60605《设备可靠性试验》标准［1］和IEC60300-3-5《可信性管理 应用指南：可靠性试验条件和统计试验的原则》［2］等标准来自主开展空压机可靠性试验，但是各企业开展可靠性试验的基本步骤和评估方法也不统一。为此，本文根据船用空压机的特点和可靠性试验的基本内容，提出了一套设计和开展船用空压机可靠性试验的基本方法，力图能够为船用空压机可靠性试验评估提供一种新颖且较统一的思路。

2 船用空压机可靠性试验的基本方法

2.1 基本流程

船用空压机具有失效机理复杂、故障模式多样、试验周期长、试验费用高、可靠性试验标准匮乏等特点，为了减少试验费用、提高可靠性试验的效率和准确性，首先需要确定可靠性试验的目的；其次，依据试验目的，在充分了解船用空压机的基本结构、基本功能、故障模式的基础上，确定状态评估指标、故障判据和试验方案；最后，选取合适的可靠性评估方法，基于试验数据开展船用空压机可靠性评估。船用空压机可靠性试验的基本流程如图1所示。

图1 船用空压机可靠性试验基本流程

2.2 船用空压机基本结构和原理

在设计可靠性试验前，需要详细描述要开展可靠性试验的船用空压机的基本结构和原理。从船用空压机的基本功能、基本结构组成、基本工作原理以及工作环境来描述船用空压机的基本情况，包括空压机各主要部件的基本功能，压缩级数以及压缩空气管路等信息。这是设计和开展可靠性试验的基础。

2.3 船用空压机故障模式分析

船舶在航行中长期处于横摇和纵摇的反复交替中，使得船用空压机承受的外部影响更大，与此同时，船舶长期处于海上高盐、高湿的环境，使得船用空压机的故障模式有其自身的特点。因此，需要根据类似船用空压机的基本结构、使用和维修信息，采用结构和功能分析相结合的方法来分析船用空压机的故障模式。针对某船用三级往复式活塞空压机，其故障模式主要有：进排阀门损坏、排气量降低、排气压力不足、海水泵漏泄、冷却效果不好、机体振动过大、滑油温度高、安全阀没有按规定自动启动、空压机无法启动、排气温度高、曲轴箱或气缸内有不正常声音、滑油耗油量增加、滑油油压达不到规定压力等等，类似船用空压机可作为参考。

2.4 确定船用空压机技术状态评估指标

确定技术状态评估指标目的是明确船用空压机的故障判据。不同型号船用空压机有不同的的整机技术状态评估指标和关键零部件指标。

某船用三级往复式活塞空压机的整机技术状态指标参数项目主要有：容积流量、轴功率、各级排气压力、润滑油压力、冷却水压力、各级安全阀起跳压力、冷却水出水温度、压缩机后冷却器出口压缩空气温度、润滑油温度、冷却水泵流量、振动烈度、噪声、润滑油消耗量、空压机运转寿命、设计转速等。其重要零部件主要有进气阀、排气阀、活塞环、气缸、轴承、轴瓦、连杆、油压控制器、压力控制器、水压控制器、冷却器、海水泵、滑油泵、安全阀、油水分离器等。各零部件的整体要求是各种部件之间能够相互配合，保证空压机正常工作。有些零部件的技术状态能够采用定量描述，例如要求进气阀的寿命不低于500小时；而有些零部件的寿命并没有单独定量规定，例如气缸的寿命并没有给出定量数值，其一般与整机的寿命相匹配。

2.5 确定船用空压机故障判据

确定科学的故障判据是成功开展船用空压机可靠性试验的关键。可靠性试验主要是根据空压机的整机及关重件技术状态来判断空压机是否发生故障。某型空压机的主要故障现象有：充气量不合格、滑油油耗过大、噪声过大、振动过大、冷却水量不够、滑油温度过高、滑油压力不符合要求、各级排气温度过高、空压机后冷凝出口压缩空气温度过高、安全阀不起作用、油压控制器故障、压力控制器故障、水压控制器故障、活塞环寿命不合格、进气阀寿命不合格、排气阀寿命不合格、空压机不能起动、气缸内壁磨损过快、曲轴箱渗油等故障现象。试验过程中，如果出现上述现象，需要详细分析引起该现象的原因，以便判断该现象是否是故障，若是故障，则要判断故障是否是由于生产厂家的原因造成的，若是，则定为责任故障，则记录一次故障。有些故障现象并不一定是责任故障的，例如，由于冷却水池漏泄而造成的冷却水量不够的故障现象，就不能认为是责任故障，这是试验方没有保障供应水的原因，并非空压机制造商的责任。

2.6 确定船用空压机可靠性试验方案

确定可靠性试验方案主要包括确定可靠性试验样本数量、可靠性试验时间、试验装置和环境条件、可靠性试验图谱、试验记录数据表格等。

1）可靠性试验样本数量

可靠性试验样本数量可参考GJB 1491-92中性能试验规定抽检台数和可靠性试验的费用来权衡。抽检台数可参考表1所示。

表1 可靠性试验参考抽检台数

2）可靠性试验时间

参考空压机的耐久性试验时间，根据样本数量和费用来权衡可靠性试验的时间。考虑到船舶需要大约持续运行3个月的工作任务来推算，在经费允许条件下，可开展2000小时左右的可靠性试验；若经费所限，则可开展1200小时左右的可靠性试验，即大约50天左右的可靠性试验。这个试验时间超过了空压机的耐久性试验，能够达到可靠性试验的发现薄弱环节和改进可靠性的目的。

3）试验装置设计和确定试验环境条件

一般采用充瓶法测量空压机的容积流量。简化的空压机试验装置如图2所示。所有管路、阀门以及附件均应进行密封性检查，不得漏泄。空压机向缓冲器充气至公称排气压力的时间应不少于30s；空压机向储气罐充气至公称排气压力的时间应不少于5min。储气罐容积大小最好充水实测，测量相对误差不大于0.2%。温度计精度不低于0.5℃，压力表精度不低于1级，计时器最小刻度不大于1s。

图2 空压机试验装置简图

4）可靠性试验图谱

空压机可靠性试验一般需要开展首次性能试验、持续试验、油耗试验等项目。假设总试验时间为1200小时，可靠性试验图谱可参考图3所示的基本试验图谱。

图3 空压机可靠性试验基本图谱

5）试验记录数据表格

为了评价空压机的性能和可靠性，试验过程中需要记录的信息主要有：试验时间、润滑油温度、排气温度、充前瓶温、充后瓶温、充前瓶压、充后瓶压、气瓶容积、充气时间、各级安全阀起跳压力、冷却水压力、进水温度、出水温度、转速、电压、电流、功率、大气压力、环境温度等。试验方可根据具体情况减少或增加的记录参数项目。

2.7 确定可靠性评估方法

空压机可靠性试验是典型的小样本试验。选取合适的可靠性分布和可靠性评估方法是保证空压机可靠性评估结果合理的关键。根据文献［3］的研究结论，船用空压机故障规律一般服从双参数的威布尔分布，因此，可以采用威布尔分布来拟合可靠性试验中空压机的故障规律。由于可靠性试验的样机、费用和时间有限，故障样本可能比较少，因此，选取适合于小样本的参数估算方法。根据文献［4］和［5］，对于故障规律服从威布尔分布的样本数据，当样本容量n≤25时，只需进行点估计即可，而最佳线性无偏估计是威布尔分布参数估计的最佳方法之一。因此，可以采用基于威布尔分布的船用空压机可靠性评估方法，该方法通过小样本数据来估计出威布尔分布的特征参数，比较适合于船用空压机的可靠性试验。

3 结语

针对船用空压机可靠性特性和其可靠性试验的现状，首次提出了一套设计和开展船用空压机可靠性试验的基本方法，建立了适合于船用空压机可靠性特点和其可靠性试验现状的可靠性评估方法。本文所建立的可靠性试验方法在某型船用空压机的竞争性试验中得到应用，应用表明本方法的试验设计思路清晰，尤其是针对船用空压机可靠性试验特点的可靠性评估方法可行，符合工程实际。可见，本文所构建的船用空压机可靠性试验方法值得在具有试验样品少、故障模式多样、寿命长等特点的机械设备可靠性试验评估中借鉴。

［1］IEC 60605-4-2001.Equipment Reliability Testing-Part 4：Statistical Procedures for Exponential Distribution-Point Estimates，Confidence Intervals，Prediction Intervalsand Tolerance Intervals［S］.

［2］IEC 60300-3-5-2001.Dependability Management-Application Guide-Reliability Test Conditions and Statistical TestPrinciples［S］.

［3］任明宏，耿俊豹.基于现场数据的船用空压机可靠性研究［J］.舰船科学技术，2013，35（10）：92-95.

［4］White JS.The Moments of Log-Weibull Order Statistics［J］.Technometrics，1969（11）：374-386.

［5］茆诗松，汤银才，王玲玲.可靠性统计［M］.北京：高等教育出版社，2008.

Research on the Reliability Test of Boat Air Com pressor

GUAN Tao HUI Zhipeng
（Beijing 1303MailBox 14 Box，Beijing 100161）

The basic flow and evaluationmethod for the reliability testofboatair compressors are studied as there is one common reliabilitymethod for the boatair compressor.Abasicmethod for design and develop reliability test for the boatair compressor is put forward，including function and structure，failuremode effectanalysis，failure decision，reliability testplan，reliability evaluation and so on.Themethod in this paperhas been applied in one competition testofsome boatair compressor，which shows that the method has some engineering application value and isworth to be referred in some similar electro-mechanical equipment reliability test.

reliability test，air compressor，failuremode effectanalysis，reliability evaluation

TK229.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.024

2017年3月9日，

2017年4月26日

关涛，男，硕士，工程师，研究方向：舰船机电设备管理和设计技术。回志澎，男，工程师，研究方向：舰船机电设备管理和设计技术。