基于故障树的波浪能发电水压传动系统可靠性分析

刘 华，王维俊，毛龙波，米红菊

(1.陆军勤务学院 军事设施系，重庆 401331；2.军事科学院 系统工程研究院，北京 100166)

0 引言

水压传动系统是波浪能发电装置中的能量转换部件。它直接将海水作为力矩传递介质，其主要功能是把能量捕获装置吸收的波浪能转换为旋转动能传递给发电机系统，具有结构简单、环境友好和成本低等优势，在振荡浮子式[1](AquaBuOY)和收缩波道式[2](Wave Dragon)波浪能电站中得到了广泛的应用。水压传动系统的工作部件主要位于水下，长期受到波浪和洋流载荷的侵蚀，其可靠性面临着巨大的考验。

波浪能源行业目前还处于商业化前阶段，对其进行可靠性研究的工作仍缺乏足够的案例和数据支撑[3]。考虑到波浪能发电装置的运行环境和海上风力发电机有诸多相似之处，两者具有相同的外部环境载荷(极端风浪、高温、高湿、高盐雾)和故障后果(无人员伤亡风险、环境污染较小)[4]。因此，可以利用丰富的海上风力发电机运行数据来评估波浪能发电装置的可靠性。本文通过收集分析海上风力发电机相关部件的故障信息，类比得到了波浪能发电水压传动系统主要部件的故障数据，采用故障树分析法寻找水压传动系统的关键部件和薄弱环节，对水压传动系统的实海况运行和技术改进具有一定的指导作用。

1 故障树模型建立

故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)是一种分析可靠性和安全性的有效方法，由于其辨识关键部件和故障原因的可行性，已被广泛应用于可再生能源行业[5]。故障树是一种由事件和逻辑门两种类型的节点组成的图形化设计方法，故障及其原因之间的逻辑连接用图形表示，如图1所示。

FTA本质上是“自上而下”的演绎法，从顶事件(系统故障)开始，层层深入分析子系统、部件及零件的故障，以确定顶事件的根本原因[6]。对故障分析时，该方法能考虑人和环境因素相互组合对顶事件的影响，既可定性分析，又可定量分析。

1.1 水压传动系统

水压传动系统按照其功能特点可以分为导流系统、叶片系统、传动系统和齿轮箱等四个部分，其任务剖面如图2 所示。

图1 故障树基本结构Fig.1 Basic structure of fault tree图2 水压传动系统任务剖面Fig.2 Mission profile of water hydraulic drive system

导流系统的功能是把具有一定势能和动能的海水引导进入水轮机转轮内；叶片系统负责把海水的能量转换为转轴的旋转机械能；传动系统和齿轮箱则起到传递转矩和增速的作用，以提高系统的能量转换效率。表1列出了组成水压传动系统的四个子系统及其代码，可以认为这是一个典型的串联系统，其故障树如图3所示。

表1 水压传动系统基本组成

图3 水压传动系统故障树Fig.3 Fault tree of water hydraulic drive system

1.2 导流系统

导流系统的作用是把波浪能捕获装置得到的能量以海水动能和势能的形式引导进入水压传动系统，主要由过滤支架、导流罩、导流支架、导流叶片、支撑轴承和外部筒体等部件组成。导流系统是水压传动系统中直接遭受波浪和环境荷载的部件，所面临的失效模式和故障原因与海上风力发电机的支撑平台类似，主要是由机械应力和材料退化所引起的。导流系统的主要事件、代码及故障率信息如表2所示[5,7-9]，其故障树模型如图4所示。

表2 导流系统故障主要事件

1.3 叶片系统

叶片系统是水压传动系统的核心部件，通过水轮机把海水的动能和势能转换为转轴的旋转能量，主要由转子轮毂、转子叶片、叶片轴承、轮毂轴承和限位开关等部件组成。转子轮毂由铸铁制成，在叶片转动时将叶片固定在适当的位置，它所承载的重载会导致间隙松动和表面粗糙度等故障。转子叶片通过叶片轴承和限位开关连接到轮毂上，其故障模式主要由叶尖腐蚀和表面损伤组成。轴承用于承受各种力和载荷，可能因点蚀、磨损和润滑失效产生过热而损坏。

叶片系统主要遭受由于波浪的随机性而产生的疲劳荷载以及高温、高湿、高盐雾等海洋环境造成的材料腐蚀，与海上风力发电机叶片的失效模式和故障原因类似，但由于海水的密度是空气的800倍左右，波浪能发电叶片系统的工作环境比风力发电机更为恶劣。叶片系统的主要事件、代码及故障率信息如表3所示[5，7-12]，其故障树模型如图5所示。

图4 导流系统故障树Fig.4 Fault tree of guide system图5 叶片系统故障树Fig.5 Fault tree of blade system

表3 叶片系统故障主要事件

Tab.3 Main event of blade system failure

中间事件代码基本事件代码故障率/h-1基本事件代码故障率/h-1结构故障g201叶片表面损伤e2014.20×10-5叶片轴承磨损e2094.16×10-5叶片轴承损坏g202叶片断裂e2021.26×10-6叶片轴承点蚀e2101.80×10-5轮毂轴承损坏g203叶尖腐蚀e2036.00×10-5叶片劣质润滑油e2111.80×10-6叶片结构损坏g204轮毂断裂e2042.74×10-5叶片润滑油变质e2121.44×10-6轮毂损坏g205异常振动e2052.14×10-6轮毂轴承磨损e2136.93×10-6限位开关损坏g206螺栓断裂e2063.00×10-5轮毂轴承点蚀e2143.00×10-6润滑异常g207材料疲劳e2071.10×10-5轮毂劣质润滑油e2151.80×10-6变桨失效g208限位槽锈蚀e2083.23×10-5轮毂润滑油变质e2161.44×10-6

1.4 传动系统

传动系统是水压传动系统中的力矩传递部件，把水轮机产生的旋转机械能通过万向节和动密封从海水环境传递到无水的发电舱内，主要由传动轴、万向铰、万向块、回转密封和离合器等部件组成。利用万向节的工作原理，可以消除由于波浪的随机性造成的传动轴位置误差和方向误差的影响。传动系统主要受到扭转荷载、阻水密封和恶劣运行环境的影响，与海上风力发电机转轴以及水下航行器动密封的故障模式类似。传动系统的主要事件、代码及故障率信息如表4所示[5，8-10，13]，其故障树模型如图6所示。

表4 传动系统故障主要事件

1.5 齿轮箱

齿轮箱的作用是将大转矩转化为小转矩，将主轴的低速转化为发电机的高速，主要由齿轮和轴承等部件组成。齿轮箱故障是增速系统中最典型的故障之一，会导致较长的停机时间。在齿轮箱中，最不希望发生的故障类型是齿轮裂纹，因为它经常导致齿轮单元的其它严重故障，从而导致系统的故障。齿轮箱在水压传动系统中位于无水的发电舱内，其失效模式和故障原因与海上风力发电机齿轮机构类似，主要威胁是三高环境(高温、高湿、高盐雾)对齿轮箱的侵蚀作用。齿轮箱的主要事件、代码及故障率信息如表5所示[5，8-10，14-16]，其故障树模型如图7所示。

图6 传动系统故障树Fig.6 Fault tree of transmission system图7 齿轮箱故障树Fig.7 Fault tree of gearbox

表5 齿轮箱故障主要事件

2 结果分析

故障树中包含的基本事件对顶事件的影响程度可以用最小割集和重要度来衡量，伯恩鲍姆(Birnbaum)和富赛尔-费舍利(Fussell-Vesely)测度是两种广泛使用的重要度。当故障树中能够直接引起系统故障的基本事件所占比例较大时，后者在区分基本事件重要度时更为敏感[17]。富赛尔-费舍利重要度计算公式为：

(1)

其中，I(i,t)表示基本事件i的重要度；P[Di(t)]表示至少有一个包含基本事件i的最小割集在t时刻失效的概率；P[C(t)]表示系统在t时刻失效的概率，n表示系统基本事件的总数量。

2.1 最小割集

系统的故障模式就是故障树的割集，为了确定各个子系统的最小割集，本文采用“自顶向下”的矩阵分析法，从顶事件开始直至所有的逻辑门都得到求解，在此基础上计算得到每个最小割集的故障率。水压传动系统的最小割集故障率排序如表6所示。

表6 最小割集故障率排序

Tab.6 Failure rate sorting of minimum cut sets

最小割集故障率/h-1基本事件集最小割集故障率/h-1基本事件集导流系统故障D14.07×10-5e109D115.00×10-6e103D21.30×10-5e116D125.00×10-6e108D31.10×10-5e104D133.00×10-6e112D41.00×10-5e110D143.00×10-6e117D58.65×10-6e107D153.00×10-6e118D67.00×10-6e106D162.14×10-6e105D77.00×10-6e115D171.80×10-6e113D86.93×10-6e111D181.44×10-6e114D96.00×10-6e101D197.80×10-11e119,e120D105.00×10-6e102叶片系统故障Y16.00×10-5e203Y92.14×10-6e205Y24.20×10-5e201Y101.80×10-6e211Y34.16×10-5e209Y111.80×10-6e215Y43.00×10-5e206Y121.44×10-6e212Y52.74×10-5e204Y131.44×10-6e216Y61.80×10-5e210Y141.26×10-6e202Y76.93×10-6e213Y153.55×10-10e207,e208Y83.00×10-6e214传动系统故障C11.70×10-5e309C91.44×10-6e306C21.70×10-5e310C101.30×10-6e314C36.93×10-6e303C113.00×10-7e313C45.38×10-6e302C123.00×10-7e315传动系统故障C53.00×10-6e301C132.40×10-7e311C63.00×10-6e304C142.40×10-7e316C73.00×10-6e312C153.84×10-8e307,e308C81.80×10-6e305齿轮箱故障B11.20×10-5e413B91.00×10-6e408B21.00×10-5e414B101.00×10-6e410B34.28×10-6e404B113.00×10-7e407B43.00×10-6e415B123.00×10-7e409B51.80×10-6e401B133.00×10-7e412B61.80×10-6e402B142.40×10-7e405B71.44×10-6e403B152.40×10-7e411B81.30×10-6e406

从表6可以看到，机械应力和海洋环境腐蚀是造成导流系统故障的最主要原因，表明导流系统应当在机械强度和抗腐蚀能力方面重点改进，这是由于导流系统直接承受波浪随机载荷和恶劣的海洋环境；叶片系统中转子叶片是出现故障概率最大的部件，加强叶片的耐磨强度和叶尖抗腐蚀能力能够提高叶片系统的使用寿命；回转密封是制约传动系统可靠工作的关键环节，加强装置运行中的动密封可以有效提高系统的可靠性；插销腐蚀和轴承磨损是齿轮箱故障的两个最重要的原因，轴承是齿轮箱中发生故障概率最高的部件，占据全部故障的50%以上，因此必须突出齿轮箱(特别是插销)的防腐措施，以减少系统故障和经济损失。

2.2 重要度

除了故障率外，重要度也是用于比较系统故障主要原因的关键参数。图8-图11列出了水压传动系统中四个子系统排名前10的基本事件重要度排序，可以看到引起导流系统、叶片系统、传动系统和齿轮箱故障最重要的原因分别是由恶劣的海洋环境引起的异常应力、叶尖腐蚀、回转密封疲劳/腐蚀和插销腐蚀。材料腐蚀对所有子系统的故障贡献率都排在前列，这表明防腐措施的改进对水压传动系统的可靠运行特别重要。

图8 导流系统基本事件重要度Fig.8 Basic event importance measures of guide system图9 叶片系统基本事件重要度Fig.9 Basic event importance measures of blade system

2.3 可靠性分析

在分别研究各子系统故障模式的基础上，综合分析所有子系统故障信息可以得到整个水压传动系统的故障率。依据故障树分析结果，推导得出水压传动系统和各子系统的故障信息如表7所示。

计算得到水压传动系统的预期故障率为4.79×104h-1，说明系统的平均故障间隔时间(MTBF)为2 088小时。因此，要维持水压传动系统持续可靠工作，计划的维护检修周期不能超过三个月。叶片系统的预期故障率为2.39×104h-1，是水压传动系统中最为关键的部件和薄弱环节，需要在设计和制造时重点考虑。传动系统和齿轮箱的故障率较为接近，重要程度仅次于导流系统。

图10 传动系统基本事件重要度Fig.10 Basic event importance measures of transmission system图11 齿轮箱基本事件重要度Fig.11 Basic event importance measures of gearbox

表7 水压传动系统故障信息

3 结论

本文构建了波浪能发电水压传动系统的故障树模型，在广泛收集类比海上风力发电机故障数据的基础上，对故障树进行了定性和定量可靠性分析。为了找到水压传动系统的关键部件和薄弱环节，分析计算了导流系统、叶片系统、传动系统和齿轮箱等子系统的最小割集和重要度。结果表明海洋环境腐蚀和极端海况引起的破坏性机械应力是造成系统故障的主要原因，整个水压传动系统每年预计发生故障4.2次，保证系统安全运行的计划维护周期为87天。叶片系统是造成整体系统故障的关键部件，在可靠性配置和运行维护管理过程中，应当重点对待和处理。

由于波浪能发电装备实海运行数据较少，缺乏真实有效的故障数据，本研究只能从运行环境和故障后果类似的海上风力发电机中收集相应的故障信息。本文的研究只是对波浪能发电水压传动系统的实海况运行进行预期的故障状态评估，旨在对系统的风险设计、状态检测和以可靠性为中心的维修性设计提供必要的数据支撑。