基于故障分析的调速型液力偶合器可靠性研究.pdf

104研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09（上）数，有效抑制了并网电流谐波，提高了系统稳态性能。本文给出了系统稳定的充分条件，依据稳定性条件给出控制器参数设计的过程。对复合控制策略在弱电网下的稳定性进行理论分析。最后，通过仿真对本文采用的控制策略进行验证，结果表明，所采用控制策略具有较强的动态性能和稳态性能，不仅能在弱电网下有较好的稳定性，且并网电流质量好，谐波含有率低。参考文献：1 曾成碧,汪素羽,任栎澄.基于定子串电阻的 DFIG 联合故障穿越方法研究 J.重庆理工大学学报(自然科学)，2020,34(05):214-219.2 王力为,李茜.风电接入区域电网的静态稳定分析 J.中国设备工程，2021(03):90-91.3喻婷,曾成碧.计及联合效益的分布式光伏并网接纳能力研究J.液力偶合器具有较高的传动效率、能源消耗量低等优势。我国现阶段的研究主要集中在理论研究、设计、制造等方面，针对使用过程中的可靠性研究较少。现阶段的可靠性研究中主要集中在调控功能、流场研究、强度分析等方面，在运维阶段的因故障数据资料较少，故相关研究无法开展。我国的相关研究开展得较晚，经调查发现，国产的液力偶合器在使用过程中故障频繁维修工作量大，延误工期，故可靠性的研究工作刻不容缓。本文研究的调速型液力偶合器是一个机械与液压集成的复杂系统，通过故障模式、影响、危害分析方法分析，确定每个子系统的影响及故障模式。通过 Petri 网模型分析故障模式 RPN 较大的环节，从而制定相应的对策。1 可靠性分析办法1.1 故障模式、影响及危害性分析故障模式、影响及危害性分析是一种通过汇总各个单因素的分析方式。该分析通过分析所有可能出现的故障形式及其产生的危害，并根据各自的发生概率和危害轻重进行划分。通过分析系统的各个组件，辨识系统的潜在故障模式，列出有可能引起故障的因素，形成故障模式统计表格，之后经过统计学方法分析，故障发生的频率、严重度及不易探测度，得出风险有限度。故障模式、影响及危害性分析方法主要是通过检查后，反馈结果至基于故障分析的调速型液力偶合器可靠性研究何新兴，崔斌，张继梁（中国石油集团济柴动力有限公司，山东 济南 250300）摘要：节约能源助力“3060”碳达峰、碳中和目标的实现，调速型液力偶合器作为一种节约能源显著的技术，提高液力偶合器的可靠性具有重要意义。本文以 YOTGC450B 型电机驱动液力偶合器为例展开可靠性研究，通过故障模式、影响、危害分析方法分析，确定每个子系统的影响及故障模式，对故障模式的影响和危害进行分析，对于存在产生重大安全隐患的故障模式通利用Petri网模型，开展定性分析，找出最小割集找出系统的问题环节，并制定对策，从而使系统在可靠性指标下，高效稳定地运行。关键词：调速型液力耦合器；故障模式、影响、危害分析方法；Petri 网模型；可靠性中图分类号：TQ520.5;TP301.1 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2023）09（上）-0104-03设计阶段，通过优化设计，提高系统的可靠性。1.2 Petri 网模型分析Petri 网模型分析是一种评价系统可靠性的方法。Petri 网模型中将系统中不期待出现的事件定义为顶库所，中间库和底库所是逐层列出对有可能导致事件发生的各种因素。通过对系统故障进行 Petri 分析，可对事故起因做出详尽分析，制定相应对策。2 调速型液力耦合器故障模式、影响及危害性分析2.1 液力偶合器的组成本文分析的 YOGC450B 型液力偶合器是用于焦化厂中电机与鼓风机中间的一种液力传动零件，主要作用是输送焦炉煤气。此偶合器是集成机、液、电一体的系统，主要由旋转组件、调速装置、供油组件、排油组件和辅助系统组成。旋转组件作为偶合器的核心部位，主要由输入轴、输出轴、背壳、外壳、泵轮、涡轮和轴承组成。其主要作用是通过工作液压能转换为机械能，实现电机的传输。调速装置的主要由电动执行局和连杆机构组成。电动执行器通过控制连杆机构，实现对偶合器输出转数的调节。供油组件主要由工作油泵、油泵驱动齿轮副、吸油重庆理工大学学报(自然科学)，2022,36(01):187-193.4 王力为.弱电网下光伏并网逆变器稳定运行组合控制策略 J.太阳能学报，2022,43(07):86-92.5 朱胤杰,苗虹,曾成碧.弱电网下 LCL 型并网逆变器的自适应控制策略 J.电力电子技术，2022,56(09):105-1106 曾成碧,苗虹,王健波.控制输入跟踪算法和测试衍生算法 J.系统工程与电子技术，2000(12):19-20+40.7TangT,XieS,XuJ.Evaluationsofcurrentcontrolinweakgridcaseforgrid-connectedLCL-filteredinverterJ.IetPowerElectronics,2013,6(2):227-234.8 杭丽君,李宾,黄龙,姚文熙,吕征宇.一种可再生能源并网逆变器的多谐振 PR 电流控制技术 J.中国电机工程学报，2012,32(12):51-58.9 李卓雅,曾成碧,苗虹,李仁杰.基于双谐波注入的电网阻抗检测方法研究 J.中国设备工程，2022(15):192-194.设备9上.indd 1042023/8/30 14:32:27105中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09（上）管和滤油器组成。通过油泵传输，把油传到工作腔。排油组件主要由勺管壳体、排油管、勺管组成。主要作用是把工作腔内的油排至油箱。辅助系统主要由监控仪器、检测仪表、加热器和冷却器组成。冷却器主要控制工作过程中油温的升高，通过冷却器对其冷却。加热器是当油温小于 5时，电加热器加热使其油温升高至 5。仪表系统主要由传感元件、二次仪表和随机显示仪表。对系统的油温、压力、振幅、转数等数据进行监测。2.2 故障数据采集故障数据的来源主要有内部与外部两种，内部是收集使用过程中产生的数据，外部是通过进行可信度分析做出的推断和预见。本文主要收集了焦化厂中 9 台偶合器的故障数据共计 135 条，通过分类整理为 5 类，详见表 1。表 1 液力偶合器故障频次及次数故障模式故障次数故障频次/%破损型2619.26退化型4331.85淤塞或渗漏型3928.89失调型12 8.89失灵型1511.112.3 故障模式及影响分析首先，专家组成员通过故障模式及影响分析方法，建立相应的分析表格；其次，专家通过对各个子系统的故障模式、原因及对局部和整体的故障影响进行评估，对探测度、危害度及故障频数进行评分，计算出 RPN 风险系数。旋转组件中 RPN 风险系数最高的为 140，主要是轴承故障。故障频率最高和严重程度最高的为骨架密封损坏导致的漏油和轴承损坏导致的振动变大。针对以上出现的故障，需要提高泵轮的热处理工艺水平；另外，降低系统长时间的高负荷运转；轴承选用进口轴承，保证有足够的强度。供油组件中 RPN 风险系数最高的为 108，主要原因是传动齿磨损造成的传递效率降低。主要是输入轴中主动轮与从动轮相互啮合过程中容易出现故障。齿轮磨损会产生噪音、震动、产品寿命降低、油泵油压下降等状况。因此，通过仪表系统检车油泵的油压和观测齿轮运转声音。故障频率最高的为漏油，密封元件的使用寿命为1年，若长时间使用仅能使用半年。因此，应监测系统检测到温度值超过一定数值时，系统应提示报警，关机检测查明原因。此外，定期清理滤芯和滤网，核查油品的品质。排油组件中的主要故障为导管漏油和窜动，主要是由齿轮缝隙太大引发的导管窜动，油温过高导致的弯曲走样，另外，密封垫破损导致的漏油。要改善以上状况，主要从检查油管接头的密闭性、检查密封垫的严密性、更换油管。调速装置中 RPN 最高的为连杆机构，各个联结点要调试合理方可方便使用。辅助系统的仪表系统主要由测速仪、温度计和压力表组成，监测系统由温度变送器、压力变送器和震动变送器组成。RPN 系数较低，对偶合器的使用影响较小，需要日常维护过程多加注意。通过对以上各个子系统的故障模式及影响分析，克制 RPN 最高的为漏油、油温过高、油压低及振幅上升。2.4 危害性分析 （1）p为根据可信度推断的产品故障率，MTBF 是无障碍时间，本文取值为 7200h，则p相应为 MTBF 的倒数，故为 0.000139；j零件以故障模式 j 发生故障的概率比；该故障模式占总故障模式的百分比j零件以故障模式 j 发生故障进而造成系统工作丢失的条件概率；t产品的持续工作时间，取值为 16000h。根据公式 1 和采集数据计算得出旋转组件的危害度为1RC=93.74，根据采样数据分析，漏油和振幅增大产生的危害度最高，油温过高发生频率高但危害度较低，此结果与 RPN 系数一致。同理，供油组件的危害度2RC=31.63，油泵齿轮损坏导致的供油不足危害度较高。排油组件的危害度3RC=17.46，油温或高造成导管曲率变形产生的危害度和发生频率均较高。调速装置的危害度4RC=3.3，调速装置是各个子系统中故障率和危害度最低的系统。辅助系统的危害度5RC=22.08，结果显示危害度不高，但发生频率较高。以上计算结果与 RPN 系数吻合。=93.74+31.63+17.46+3.3+22.08=168.21根据以上结果表明，危害度从大到小依次为旋转组件、供油组件、辅助系统、排油组件和调速装置。根据故障模式、影响及危害性分析可得，核心的故障模式主要由油温过高、漏油和振幅升高。3 调速型液力耦合器Petri 网模型分析3.1 振幅过高的故障模式 Petri 网模型（图 1）P1 P13 为基本库所，P14 P19 为中间库所。P20 为顶库所，P1 冷却水流量过低；P2 地脚螺栓松动；P3 荷载偏高；P4 高负荷运转；P5 油管不通；P6 回油口堵塞；P7 油管泄漏；P8 泵轮外壳变形；P9 涡轮外壳变形；P10 超使用周期；P11 安装尺寸有误；P12 电机振动；P13 风机振动；P14 叶片断裂；P15 润滑不良；P16 异心安装；P17 内部转子失效；P18 轴承失效；P19 从动机构振动；P20 振幅过高。针对以上故障采取的改进措施主要有保证轴承的质量和品牌，同时加强定期的维护检查；控制风机风量在额定范围内，切换风机时尽快过渡出喘振区；时刻监测风机、电机的振幅。3.2 漏油的故障模式 Petri 网模型（图 2）P1 P8 为基本库所，P9 P12 为中间库所，P13设备9上.indd 1052023/8/30 14:32:27106研究与探索Research and Exploration 工艺流程与应用中国设备工程 2023.09（上）为顶库所。P1 螺栓松动；P2 法兰密封垫损坏；P3 骨架密封破损；P4 轴存在划痕；P5 油位偏低；P6 两侧挡墙螺栓松动；P7 密封垫损坏；P8 焊口泄漏；P9 法兰泄漏；P10 轴端漏油；P11 箱体漏；P12 管路漏油；P13 漏油。针对以上故障采取的改进措施，主要有加强定期的维护检查，及时更换密封件；轴磨损立即处理；明确油压过大的原因；螺栓松动及时检查修复。图 2 漏油故障的 Petri 网模型3.3 油温过高的故障模式 Petri 网模型（图 3）P1 P12 为基本库所，P13 P18 为中间库所，P19 为顶库所。P1 管路堵塞；P2 冷却水阀门故障；P3转子磨损；P4齿轮磨损；P5选型过小；P6冷却水量不足；P7 换热器堵塞；P8 泵轮轴承损坏；P9 涡轮轴承损坏；P10 铸造缺陷；P11 工作油进水；P12 工作油混入粉尘等杂质；P13 出口油压偏低；P14 冷却器换热效率低；P15转子故障；P16 工作油有杂质；P17 油位过低；P18 油位过高；P19 温度过高。针对以上故障采取的改进措施，主要有冷却器部分冲洗换热器、更换管道阀门；转子故障需加强对轴承的振动声音进行检查避免；油位根据液位显示及时添加。4 基于 Concept 软件制定液力耦合器故障监测手段Concept 是施耐德公司的一种通用的编程环境，最主要为了减少编程的工作量与后期维护。根据主要的故障模式为振幅过大、漏油和油温过高。通过编制监测系统需要监测的数据主要有油压报警限值、油温进油和出油报警值及报警停机值、轴承报警值及联锁停机值、轴承温度报警值及联锁停机值。油压量程为 0 600kPa，当油压大于 400kPa 和小于 50kPa 时报警，油压 30kPa 时输出停机信号。进口油温 65时报警，出口油温 90时报警，95时联锁停机。轴承振幅 100m 时报警，106m 时联锁停机。5 结语通过对 YOTGC450B 型电机驱动液力偶合器系统进行故障模式的影响和危害分析和 Petri 网模型分析，主要得到了以下结论：（1）故障模式的影响分析结果显示，振幅升高、漏油及温度过高为此系统中 RPN 最高的。（2）危害分析显示危害度较高的是振幅升高、漏油及温度过高，此结果与故障模式的影响分析结果一致，通过对各个子系统危害度进行比较，发现旋转组件是危害最高的子系统。（3）通过对以上三个故障模式进行 Petri 网模型分析：振幅过高的原因主要是由于轴承损害、内部转子失效、从动机构振动；漏油主要的原因是由密封失效、导管变形，工作过程油温升高；温度过高的原因是供油泵油的品质及换热器的效率。参考文献：1 张德生,赵继云,陆文城等.液力偶合器的研究现状及发展趋势J.机床与液压,2010,38(24):89-91.2 陈保家,陈雪峰,张周锁.基于加工质量信息的机床刀具可靠性预测方法 C.第十二届全国设备故障诊断学术会议论文集,2010.3GJB1391-92,故障模式、影响及危害性分析程序 S.北京:国防科学技术工业委员会，1992.7.4 吴哲辉.Petri 网导论 M.北京:机械工业出版社,2006.图 1 振幅过高故障的 Petri 网模型图 3 温度过高故障得的 Petri 网模型设备9上.indd 1062023/8/30 14:32:28