（电力电子与电力传动专业论文）aeg船舶电站轴带发电机系统的可靠性研究.pdf

t h er e l i a b i l i t yr e s e a r c ho ft h es h a f tg e n e r a t o rs y s t e mo ft h ea e g s h i p s e l e c t r i c i t ys t a t i o n a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gi san e w l ya r i s e ne n g i n e e r i n gc o u r s e ，a ni m p o r t a n t b r a n c ho fs y s t e me n g i n e e r i n g t h er e l i a b i l i t yo ft h ep r o d u c th a sb e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n ti n d e xs i g no fm e a s u r i n gt h ep r o d u c tq u a n t i t i e s t h er e l i a b i l i t yr e s e a r c ho ft h e p r o d u c th a st h ec o u n tf o rm u c hm e a n i n g f a u l tt r e ea n a l y s i si so n eo ft h ei m p o r t a n ta n a l y s i sm e t h o do ft h er e l i a b i l i t y r e s e a r c h ，i th a v es o m ea d v a n t a g ea sb e l o w ：i ti sv e r yv i v i d ；d on o tl i m i tt ot h es y s t e m r e l i a b i l i t ya n a l y s i sg e n e r a l l y ； i ti sak i n do fs k e t c ht od e d u c et h em e t h o d ，a nl o g i c a n a l y s i sm e t h o df o rf a u l t a f f a i r su n d e rs o m ec e r t a i nt e r m ； i tc a na n a l y s i ss o m e p a r t i c u l a rf a u l ta p p e a r a n c ei nm u l t i p l el a y e r s t h i sp a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fr e l i a b i l i t yi nd e t a i l ，i t sd e f i n i t i o n ， c h a r a c t e r ，t h er e s e a r c hc o n t e n t s ，i m p o r t a n tm e a n i n ga n ds o m eb a s i ct h e o r i e so ff a u l t t r e ea n a l y s i s ，t h e np u tg r e a te m p h a s i so nt ot a k et h eg e n e r a t o rs y s t e mt oc a r r yo nt h e p o w e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ed e t a i l e dr e s e a r c hi np r i n c i p l et ot h ea e g s h i p s e l e c t r i c i t ys t a t i o ni nd e e p s e ac o n v e y a n c ei nn a n j i n gi n c o r p o r a t e dc o m p a n yo f g a t h e r t oc e l e b r a t ed o o r ”r o u n d o nt h eb a s i so ft h eh e r e i n b e f o r ea n a l y s i sa n d i n v e s t i g a t i o n e s t a b l i s h e st h et o pe v e n ta n dt a k e saf a u l tt r e e a n a l y s i sf o ri t a f t e rc o n s i d e r i n g p r o d u c t i o np r a c t i c ea n ds oo n a f t e re s t a b l i s h i n gt h eo r i g i n a lf a u l tt r e em a n u a l l y , i n v e s t i g a t i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h e nt h et r e ew a sc o m p i l e di n t op r o g r a m si n v c + + l a n g u a g ea n dp u ti n t oc o m p u t e rt om a k eaq u a l i t a t i v e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i st o o b t a i nt h em i n i m a lc u ts e t s ，t h es y s t e mm e a nt i m eb e t w e e n f a u l t s ，t h ep r o b a b i l i t vo ft h e o c c u r r e n c eo ft h et o pe v e n ta n dr e l i a b i l i t ya n du n i tc r i t i c a li m p o r t a n c e 1 a s t l y ，o nt h e b a s i so ft h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i s ，a na p p l i c a t i o nt r e ew a sf o r m e da f t e rs o m ea l t e r a t i o no f t h eo r i g i n a lf a u l tt r e e o nt h eb a s i so ft h eq u a n t i t a t i v e ，t h i sp a p e ra l s op r o c e s st h e i n t e n d i n go ft h er e l i a b i l i t ya n da s c e r t a i nt h eq u a n t i t yo ft h es p a r ee l e m e n t s 、s p a r eb o a r d s a n dt h ep e r i o do fm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t y ；f a u l tt r e ea n a l y s i s ；g e n e r a t o r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：缱q 艘照里站毡董筮鱼扭丕统的亘塞蛙婴窥： 。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：套i1 格砝刁月副响 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“” ) 论文作者签名：李i y 牿 号师签名：立。夫名 日期：州年弓月z 厂同 引言 可靠性工程是近年来发展起来的一门综合性应用的新型学科，是系统工程的 一个重要分支。它的任务是研究系统或设备，在设计、生产和使用的各阶段可靠 性、定性定量分析、控制、评估和改进提高系统或设备的可靠性。并在设计、制 造时，达到可靠性与经济性的综合平衡。 随着科技的发展，越来越多的人关注、重视可靠性工程的研究和发展。因为 人们发现，产品的质量关系到军事上的成败、企业的生死存亡，使用者的经济利 益和人身安全，特别是在军事、航空航天工业等方面，质量成为首要的问题。而 提高质量的重要方面是提高系统、产品的可靠性。 在全世界都以发展经济为主导地位的今天，提高可靠性也要和经济性结合起 来。如果不管其重要度的大小而一味盲目地要求系统、产品不发生故障，高可靠 性，必然提高成本，这是生产者和使用者都不愿意看到的。因此可靠性工程还强 调维修性。如果系统中重要度不大的部件或单元，以及低值元件，出现故障能够 及时维修，使其恢复功能，这方面的花费往往要比高可靠性要求的花费少得多， 而且易于实现。当然对于系统的关键部件，还是要以提高可靠性来满足要求。所 以在系统的设计时要分析系统的关键重要度，在系统的生产制造时要根据重要度 进行可靠性分配。在使用过程中，要按不同的重要度实施不同的维护方案，出现 故障时要能及时排除，这样才能使得可靠性与经济性很好的结合起来。 故障树理论能够很好地解决以上问题。在设计阶段，故障树可以帮助分析系 统的重要度；生产阶段按其重要度大小进行可靠性分配；使用保养时按其重要度 不同采取不同的维护方案。特别是在出现故障时，使用实用树可以快速查找故障 源，缩短维修时间。另外，还可以通过故障树分析找出系统的薄弱环节，从而提 供对现有系统进行改进的方案。总之，故障树分析法有很广泛的应用前景。 本文是根据企业的需要，对a e g 船舶电站轴带发电机系统，建立故障树，然 后对其进行简化和定性定量分析，最后得出实用树、关键重要度并研究其可靠性。 使企业能够对该系统更好地更科学地管理和维护，出现故障能迅速排除，保证船 舶的f 常营运，提高企业的经济效益。本故障树的对象是已定型使用中的系统， 其作用主要表现在对系统的维护、维修以及改进等方面。 本文主要阐述了可靠性的基本理论；故障树的基本理论；总结了建树的规则 和指南；对a e g 船舶电站轴带发电机系统进行了分析。 本文的核心是利用故障树分析法( f t a ) 对a e g 船舶电站轴带发电机系统进行 可靠性分析，给出了系统的故障树图以及定性和定量分析结果。 众所周知，如果轴带发电机出现停电事故将会对船舶造成极大的影响。因此， 轴带发电机的可靠性显得十分重要。对其进行故障树分析将会有助于使用这套系 统的人员更好地了解这套系统，开展维修、保养工作，从而保证和提高该系统的 使用可靠性。 2 第1 章可靠性的基本理论 1 1 可靠性的发展概况 可靠性是 门新兴的工稃学科。产品的可靠性已成为衡量产品质最的重要指 标之一。近年来，世界各发达国家已把可靠性技术和全面质量管理紧密地结合起 来，有力地提高r 产品的可靠性水平。 可靠性工稗的诞牛于2 0 世纪4 0 年代即第二次世界大站期间。到了2 0 世 纪5 0 年代初期，美国为了发展军事的需要，投入了大量的人力、物力对可靠性 进行研究。1 9 5 7 年6 月4h ，美国的“电子设备可靠性顾问委员会”发布了军 用电子设备可靠性报告。这就是著名的“a g r e e ”报告。这一报告提出了可靠 性是可建立的、可分配的及可验证的，从而为可靠性学科的发展提出了初步框架。 2 0 世纪8 0 年代初，我国掀起了电子倚l p 可靠性1 ：程和管理的第一个高潮。 1 9 8 4 年组建了全国统一的电子产品可靠性信息交换网，并颁布了g j b 2 9 98 7 电子设备可靠性预计于册，有力地推动了我国电子产品可靠性工作。同时还 组纵制定了一系列有关可靠性的国家标准、国家军用标准和寺、i k 标准，使可靠性 管理v i ：( 作纳入标准化轨道。 2 0 世纪9 0 年代初，电子工业部提出了“以科技为先导，以质量为主线”， 沿着管起来摔制好一 水平的发展模式丌展可靠件工作，兴起了我田第二次呵 靠性工作的高潮，取得了较大的成绩【l j 。 综上所述，可靠性工程的诞生、发展是社会的需要与科学技术的芨展尤其 与电子技术的发展是分不丌的。虽然可靠性1 _ ：程起源丁军事领域，仇从它的推广 应用和给企业与社会带来的巨大经济效益的事实中，人们更加认识到提高产品可 靠性的重要性。世界各国纷纷投入大量人力、物力进行研究，并在更广泛的领域 罩推广应用。 1 2 可靠性的基本概念 1 21 可靠性的定性定义 根据国家标准规定，产品一j 靠性的定义是指产品在规定的时期内，卉。规定的 条件下，在规定的时间内完成抛定功能的能力。这罩的产品，是指作为单独研究 条件下，在规定的时间内完成舭定功能的能力。这旱的产品，是指作为单独研究 和分别试验的对象的任何元器件、设备和系统。 规定的条件是指产品所处的使用环境和维护条件，包括机械条件、气候条件、 生物条件、物理条件和使用维护条件等。这是对可靠性附加的第一种约束条件。 规定的时期是指产品储存期，规定的时间是指产品执行任务的时问，这是对 可靠性附加的第二种约束条件，也是最重要的约束条件。由于产品交付使用后， 会受到各种环境应力的影响，可靠性随着时间的延长而逐步下降。不同的时期和 不同的时间，对产品失效的影响也不相同。 规定的功能是指产品设计文件上对产品规定的技术性能，这是对可靠性附加 的第三种约束条件。完成规定的能力，通常表示可靠性的定性要求。完成功能的 概率，通常表示可靠性的定量要求，是可靠性大小的量度【引。 1 2 2 可靠性的定量定义 可靠性就是一个系统在时间t 内不失效的概率p ( t ) 。无故障工作概率的含义 是指：在规定的条件及规定的时间内不发生故障概率。设t 为需要确定的无故障 工作概率的时间，t 为系统从开始工作到首次发生故障的概率，那么，我们有下 式： p ( t ) = p ( t t )( 1 1 ) 即无故障工作的概率是指系统从开始工作到首次发生故障的时间t 大于待确定无 故障工作概率的时间t 这一时间发生的概率。 定量研究可靠性，首先，认识到可靠性所具有的时间特性。产品的可靠性是 一个与时间有密切关系的属性，使用时间越长，就越不可靠。其次，要认识到可 靠性所具有的统计特性，建立概率统计的观点。最后，要认识到可靠性具有综合 性的特点。产品的可靠性不是从某一个侧面来衡量产品的优劣的。而是从整体上 看产品能否完成预期的功能。 总而言之，可靠性有其可定量的概率统计特性，在设计中可以预计，在实验 中可以测定，在生产中可以保证，在使用中可以保持，在整个寿命周期内可以控 制。在研究产品可靠性问题时，必须注意可靠性的三大要素，即条件、时问和功 能，建立一个基本的观点，即概率统计的观点，并充分认识可靠性具有的时间性、 统计性和综合性的特点。 4 1 3 基本可靠性指标 1 3 1 可靠度与不可靠度 可靠度：指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。 产品寿命t 是随机变量，可靠度r ( t ) 为： r ( t ) = p ( t t )( 1 2 ) 式中，t 是规定时间。 显然t 时刻可靠度，指产品在 0 ，t 内完成规定功能的概率。 不可靠度f ( t ) 为： f ( t ) = p ( t t )( 1 3 ) 即t 时刻不可靠度，表示产品在 0 ，t 内发生故障的概率。 于是有如下等式： r ( t ) + f ( t ) = 1( 1 4 ) 对于有限样本，设产品总数目为n 。，经过t 时间故障数目为r ( t ) ，则可靠度 和不可靠度的估计值为： r ( t ) ：n o - r ( t ) o f ( t ) ：塑 n 3 随着时间增大，可靠度由开始的r ( 0 ) = 1 逐渐降低( r ( o o ) - - 0 ) ，不可靠度 由开始的f ( 0 ) = 1 逐渐增加( f ( ) = 1 ) 。 1 3 2 故障概率密度函数 故障概率密度函数f ( t ) 是不可靠度的导数，即： 厂( f ) ：_ d f ( t ) ( 1 5 ) d t 对于有限样本，设产品总数目为n 帆经过th e f h j 故障数目为r ( t ) ，经过t 十 t 时间故障数目为r ( t + at ) ，则故障概率密度函数估计值为： f ( t ) 2 警( 1 6 ) 即故障概率密度函数的物理意义，是表示任意时刻t ，产品总数目中单位时 间内发生故障的概率。 1 3 3 故障率 故障率：指任意时刻t 尚未发生故障产品，在单位时间内发生故障的概率。 对于有限样本，设产品总数目为n 。经过t 时间故障数目为r ( t ) ，经过t + at 时间故障数目为r ( t + at ) ，则故障率估计值为： 抛，= 蹴 7 ， 即故障率2 ( t ) 的物理意义，是表示任意时刻t ，尚未发生故障的产品在单位 时间内发生故障的概率。 当考察的产品总数目足够多( 。寸) ，考察时间足够短( 出寸0 ) 时，则： r 0 + a t ) 一r ( f ) 见“) = l i m 、7 ，_ o o _ o 。 ：盟：巡( k1 8 ) = 一= 一j n ， 1 一，( f )r ( f ) 1 3 4 可靠度、不可靠度、故障概率密度和故障率之间的关系 在可靠度、不可靠度、故障概率密度和故障率中，只要知道其中一个指标， 就可以确定另外3 个指标。 一、己知可靠度和不可靠度情形 已知产品的可靠度为r ( t ) ，则产品不可靠度为： f ( t ) = 1 一r ( t )( 1 9 ) 由式( 1 5 ) 和式( 1 8 ) 可知，故障概率密度函数f ( t ) 和故障率兄( f ) 分别为： f ( t ) = 百d f ( t ) = 一警 ( 1 1 0 ) 或故障率旯( f ) 为： 圳：丝2 ：! 一d f ( t ) ( 1 11 ) 一 1 一f ( f )1 一f ( f ) d t 盏 为： 硼，= 嚣一击警 二、已知故障概率密度情形 已知产品的故障概率密度函数为厂( f ) ，则不可靠度f ( t ) 和可靠度r ( t ) ，分别 故障率兄( f ) 为： f ( f ) = 工饨) d t r ( f ) = 1 一f ( f ) = ff ( t ) d t ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) ，= 羔= 器 三、已知故障率情形 已知产品的故障率为2 ( t ) ，式( 1 1 2 ) 两边积分得： 当t = o 时，r ( o ) = 1 ，得： 衍= 一f 击掣西 = 一d 1 n r o ) 】= 一1 n 尺o ) + 1 n r ( o ) r ( r ) = e x p 一f 见o ) 以 ( 1 1 6 ) 刖= 1 - e x p j ：_ a ( 啪 ( 1 由式( 1 8 ) 得，故障概率密度函数f ( t ) 为： 厂q ) = 旯o ) e x p 一i 兄。) 出 ( 1 1 8 ) 1 3 5 平均寿命 平均寿命是产品寿命的平均值。对于不可修复的产品，指产品平均失效前工 作时间，通常记为m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) 。对于可修复产品，指平均故 障问隔时间，记为m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。 一、平均失效前工作时间( m t t f ) 设。个不可修复产品在相同条件下进行试验，测得寿命数据为t 1t ：，人，t 0 ， 则其平均失效前工作时间的估计值为： m f = 击善r ， 当寿命是连续型随机变量时，平均失效前工作时间为： 椰f = d t = 叶警 = 一l r ( o o + f r ( t ) d t = f r ( t ) d t ( 1 2 0 ) 二、平均故障间隔时间( m t b f ) 设一个可修产品在使用期间，发生了。次故障，每次故障修复后，又继续投 入工作，工作时间分别为t it ：，人，t o ，则其平均故障间隔时间为： 1 o m t b f = f f ( 1 2 1 ) n 、鲁l 产品修复后和崭新的产品没有任何区别，称为完全修复。对于完全修复的产 品，每次修复后继续工作时，与新产品投入使用完全一样。所以，寿命是连续型 随机变量时，平均故障间隔时间可用式( 1 2 0 ) 表示为： m t b f 2jr ( t ) d t ( 1 2 2 ) 显然，可靠度、不可靠度、故障概率密度函数、故障率只要知道其中任何一 个，就能确定平均寿命 3 1 。 1 4 可靠性的研究内容 可靠性作为一门工程学科，它有自己的体系、方法和技术。主要包括相互关 联的三个方面。 1 4 。1 可靠性工程 可靠性工程是指为了保证产品在设计、生产及使用过程中达到预定的可靠性 指标，应该采取的技术及组织管理措施。 门边缘学科，具有技术与管理的双重性。 段的应用目的和任务是： 它是介于固有技术和管理科学之间的一 可靠性技术在产品全寿命周期的各个阶 ( 1 ) 可靠性设计：通过设计奠定产品的可靠性基础。研究在设计阶段如何预 测和预防各种可能发生的故障和隐患，以及确保产品的维修性。 ( 2 ) 可靠性试验：通过试验测定和验证产品的可靠性。研究在有限的样本、 时间和使用费用下，如何获得合理的评定结果，找出薄弱环节，提出改进措施， 以提高产品的可靠性。 ( 3 ) 制造阶段的可靠性：通过制造实现产品的可靠性。研究制造偏差的控制、 缺陷的处理和早期故障的排除，保证设计目标的实现。 ( 4 ) 使用阶段的可靠性：通过使用维持产品的可靠性。研究产品运行中的可 靠性监视、诊断、预测，以及采用售后服务及维修策略，防止可靠性劣化。 产品全寿命周期中的可靠性管理的目的是：以较少的费用、时间实现产品计 划所要求的定量可靠性，其任务是对各个阶段的所有可靠性工程技术活动进行规 划、组织、协调、控制与监督【钔。 1 4 2 可靠性分析 通过可靠性试验，发现产品的薄弱环节，研究导致薄弱环节的内因和外因， 研究导致薄弱环节的机理，找出规律，提出改进措施，这些工作称为可靠性分析。 1 4 3 可靠性数学 研究产品故障的统计规律，研究产品的可靠性设计、分析、预测、分配、评 估、验收和抽样等技术的数理统计学方法，都属于可靠性数学研究的内容。 可靠性技术应用于相关领域，可以解决产品的可靠性问题。通过对故障物理、 试验技术的研究，提供有关产品故障的机理分析、检测、诊断和设训预防技术； 应用数理统计评定技术和现场使用信息反馈等手段，使设计、试验、制造和使用 形成一个可靠性保证的循环技术管理体系，通过管理指导技术的合理使用，最终 实现可靠性目标【5 】。 1 5 可靠性研究的重意义 对于产品来说，可靠性问题和人身安全、经济效益密切相关。因此，研究产 品的可靠性问题，显得十分重要，非常迫切。 提高产品的可靠性有以下几方面的重要意义。 1 、提高产品的可靠性，可以预防故障和事故的发生，尤其是避免灾难性的事 故发生，从而保证人们生命财产安全。 2 、提高产品的可靠性，能使产品总的费用降低。 3 、对于企业来讲，提高产品的可靠性，可以改善企业信誉，增强竞争力，扩 大产品销路，从而提高经济效益。 4 、提高产品的可靠性，可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其它处理产 品事故费用的支出，避免不必要的经济损失【6 】。 为了提高产品的可靠性，必须在生产的各个环节上做出努力，但最重要的是 设计阶段，如果设计不合理，想通过事后的修理来达到所期望的可靠性，这几乎 是不可能的。因为从事仪器研制和系统设计的科研人员，应该熟悉和掌握保证可 靠性的各种方法与手段。 第2 章故障树分析法理论 故障树分析法( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) ，简称故障树法，记作f t a 。这种方 法已在航天工业、电子设备、化学工业、机械制造、核电站及一般电站的可靠性 分析中得到广泛应用，并且取得了不少成果。这种方法形象直观，并且能为使用 单位提供明确的改进信息，所以为广大的工程技术人员所欢迎。 2 1 故障树及故障树分析法的定义 我们将系统的最不希望发生的顶事件作为故障分析的目标。用逻辑演绎法先 找出顶事件发生的直接原因( 中问事件或基本事件) ，再进一步跟踪追迹找出导致 这些中间事件的所有直接原因，一直找到全部发生故障的基本原因( 基本事件) 。 用相应的符号和逻辑门把顶事件、中间事件和基本事件联结成树形图，并称此图 为所研究系统的故障树【7 】。 用故障树对系统的故障进行定性分析和定量计算的方法称为故障树分析法。 2 2 故障树分析法的基本概念 2 2 1 事件 正常事件：如果系统或元、部件，能够完成指定功能，则称为正常事件。 故障事件：如果系统或元、部件，不能完成指定功能，则称为故障事件。 2 2 2 部件 凡是能产生故障事件的元、部件及设备、子系统、环境条件、人为因素等， 在故障树中定义为部件。 2 2 3 故障分类 部件的故障按其产生原因分为3 类： ( 1 ) 一次故障( 原发性故障) ：由于部件的内在原因( 自身原因) 而产生的 故障； ( 2 ) 二次故障( 诱发故障) ：由于部件的外在原因( 环境影响等) 造成的故 障。 ( 3 ) 受控故障：由于系统中其它部件影响而产生的故障【8 1 。 这样，把部件自身原因影响、系统中其它部件影响、部件外在原因影响，进 行了合理的分类。一般受控故障，根据系统的工作原理和功能关系，进行进一步 细化分类【8 1 。 2 3 故障树分析法的步骤 故障树分析法一般可以分成三大步骤。首先要明确分析的对象，提出待解决 的问题，即要明确研究的系统，并从中找出最关键的顶事件；其次是建立模型， 即建立故障树图示模型；最后进行可靠性定性和定量分析，即故障树的评价。( 考 虑到企业的需要和实用性，在这晕增加了第四步，即实用树的编制与应用。) 第一步熟悉消化系统，确定顶事件，作好准备工作 ( 1 ) 熟悉消化系统。对于已经确定的系统要进行深入的调查研究，了解其构 成、性能、操作、维修情况，必要时根据系统的工艺、操作内容画出工艺流程图 及布置图。这项工作是编制故障树的基础。只有熟悉消化了系统，爿能做出切合 实际的分析。 ( 2 ) 广泛收集调查系统的各类故障。从生产单位收集调查所要分析系统的故 障维修记录，同时还要收集调查本单位与外单位，国内与国外同类系统曾发生过 的故障。这项工作是全面掌握系统故障的基础和依据，有利于确定故障类型，并 可作为检验故障树的依据。 ( 3 ) 收集各元器件的失效率数据及模型。根据不同的失效模型，对元器件的 失效率进行分配，这样分析的结果更精确，更接近实际值。 ( 4 ) 确定顶事件。经过仔细研究并与生产单位广泛讨论，确定所要分析的系 统故障树的顶事件。就系统而言，根据故障发生的可能性与故障发生后对系统的 危害程度两个方面的因素，选择易于发生且结果严重的故障作为故障树分析的对 象。但有时也只考虑一个因素，例如把不容易发生，但如果发生后果非常严重的 故障作为分析对象；或结果虽不太严重但极易发生的故障作为分析对象。这要根 据实际情况和需要来确定。 第二步编制故障树 这是故障树分析法的主要步骤。把故障树的顶事件与引起顶事件的原因事件 用各种逻辑门符号，按照一定的逻辑关系连接起来，但是不得构成环路。在分析 的时候一次只能走一步，切勿跨越任何中问事件。 第三步故障树的评价 建立故障树以后，就可以根据故障树对整个系统进行评价，从中得出定性和 定量的结果。 1 、故障树的定性分析 定性分析是故障树分析的核心内容。其目的是分析某故障的发生规律及特点， 找出控制消除该故障的可行方案，并从故障树结构上分析各基本原因事件的重要 程度，以便按轻重缓急分别采取对策。 2 、故障树的定量分析 定量分析是故障树分析的最终目的，是求出系统可靠性的定量结果 第四步实用树的编制 根据定性分析和定量分析的结果，即根据部件的定性重要度和定量重要度， 1 2 结合实际工作经验，编制出实用故障树。实用故障树主要用来快速查找故障点， 适用于不熟悉该系统的人员维修管理使用，也用于同类系统的集中管理 9 【10 1 。 2 4 故障树分析法( f t a ) 的优缺点 故障树分析法是可靠性工程的一种重要分析方法，有以下几个优点： 1 、具有很大的灵活性，它不局限于对系统可靠性作一般的分析，可分析系统 的各种故障状态，不仅可分析某些元器件故障对系统的影响，还可以对导致这些 元器件故障的特殊原因( 如环境的，甚至人为因素) 进行分析。 2 、f t a 是一种图形演绎方法。f t a 是故障事件在一定条件下的逻辑推理方 法，它可以围绕某些特定的故障状态做层层深入的分析，因而在清晰的故障树图 形下，表达了系统内在的联系，并指出元器件故障与系统故障之间的逻辑关系， 找出系统的薄弱环节。 3 、通过故障树可以定量地计算复杂系统的故障概率及其它可靠性参数，为改 善和评估系统可靠性提供定量数据。 4 、进行f t a 的过程是一个对系统更深入认识的过程。它要求分析人员把握 系统的内在联系，弄清各种潜在因素引发的故障发生的途径和程度，从而提高了 系统的可靠性。 5 、故障树的定性定量分析结果可以为设计、使用和维修管理人员提供一种改 进系统设计的方案【1 l 】。 故障树分析法也有其自身的局限性，存在以下的缺点： 1 、故障树分析需要花费大量的人力、物力和时间。 2 、有时会发生遗漏和逻辑推理的缺点和错误。 3 、由于元件失效率的近似性、大小概率事件的取舍在一定程度上影响了故障 树的准确性。 4 、f t a 的工作量很大，对分析人员的要求也比较高。 5 、对于多态事件较难处理。 第3 章建立故障树的规则及注意事项 3 1 故障树采用的基本符号及其含义 故障树是一种图示模型，它的构造是使用逻辑门按照系统与元件的因果关系 组合而成的，即从顶事件出发，通过中间事件到各个有关的基本事件有机地连成 一棵倒置的事件树，可见故障树本身只是表明一种事件的联系，也就是一个定性 的模型。如果要把这些事件发生的概率联系起来，则需进行定量分析。 在讨论建树之前，先列出在故障树中经常使用的各种符号。 3 1 1 门的符号及其含义 逻辑门按照因果关系将各个有关事件连接起来，各种逻辑门的符号如下表3 1 所示。一个门可以有一个或几个输入事件，但只能有一个输出事件。 与门和或门都可以有任意多个输入事件。与门表示所有输入事件同时发生才 有输出事件发生；或门表示至少有一个输入事件发生( 多者不限) ，输出事件就发 生。与门和或门的因果关系是可以完全确定的，因为它们的输出事件完全取决于 输入事件。 禁止门用一个六边形符号表示，下端是输入事件，侧端是条件事件，仅当输 入事件和条件事件都发生时，输出事件才发生，也就是说，输入事件引起输出事 件要以条件事件发生为前提，有时为了方便起见，禁止门可用与门代替。 顺序与门( 优先与f - i ) 在逻辑上等效一个与门，但各个输入事件的表现要依 一个特定的先后顺序，即当各输入事件从左至右依次发生时才输出，否则没有输 出。 异或门表示当只有一个输入事件发生时，输出事件才发生，它是或门的特殊 情况，否则没有输出。 m n 表决f - i ( 即n 中取m 的表决门) 共有n 个输入事件，其中至少有r n 个输 入事件发生时，才有输出。比如2 3 表决门，其中任何两个或三个输入事件发生， 都将有输出产生。2 3 表决门有时也可以用一个或门串联三个与门代替。 非门表示输出事件是输入事件的对立事件旧。 1 4 表3 1 逻辑门符号 t a b 3 1s y m b o lo f l o g i cg a t e 序号门的符号 门的名称因果关系 i 输出 仅当所有输入事件同时发 1 n 与门 可 生时，输出事件才发生 输入 至少有一个输入事件发生 2 甫 或门 时，输出事件就发生 八 当条件事件( 右边线表示) 3 l 条件 禁止门 u 发生时，输入事件引起输出事件 当输入事件从左至右依次 4 杰 顺序与门 蝌 发生时，输出事件才发生 当只有一个输入事件发生 5 态 异或门 时，输出事件才发生 n 个输入事件中只要有m ( m 6 杏 m n 表决门 n ) 个发生，输出事件就发生 n 输入 输出事件是输入事件的对 7 非门 立事件 3 1 2 事件符号及其含义 事件是故障树图形中的主体，各种事件的代表符号如下表3 2 所示。按照事 件的性质不同，其符号可大致分为三类： 第一类为初级事件符号，下表中序号1 4 的事件符号均属于这一类。初级事 件是指那些不需要再分解或由于种种原因不能再做进一步分解的事件。如果要计 算顶事件发生的概率，就必须给出这些初级事件发生的概率。其中，序号1 中的 圆形表示基本事件，它不需要做进一步分析，但在定量分析时需要给出可靠性数 据；序号2 中的菱形表示未做进一步分解的事件，这是由于事件本身不明或缺少 有关信息；序号3 中的椭圆形表示条件事件，常用做逻辑f - j ( 如禁止门或顺序与 门) 的特定条件或限制；序号4 中的房形为外部事件( 触发事件) 它是用来表示 期望发生的事件，其本身无事故，如动态系统中的状态变化。 第二类为中间事件符号，表中只有一个序号5 的长方形用来表示各种逻辑门 输出的结果事件。 第三类为转称符号，表中序号6 和7 中的三角形均为此类符号。6 中三角形 顶角上的一条直线表示输入，7 中三角形侧面的一条横线表示输出。对于一些大 型复杂系统，其故障树若画在一张图上可能会显得很复杂，为简化起见，可以分 出若干子故障树，利用转移符号，就可以把子故障树与主故障树联结起来【13 1 。 表3 2 事件符号 t a b 3 2e v e n ts y m b o l 序号 事件符号符号的含义事件类 别 1 6 基本事件( 附有数据) 初级 2 未做进一步分解的事件初级 3 飞 条件事件( 用于禁止门)初级 i 4 白 外部事件( 触发事件)初级 5 串 逻辑门的输出事件( 结果事件) 中间 6 转入符号转移 7 坚 转出符号 转移 3 2 建立故障树的规则及指南 故障树实际上就是系统故障的图示模型，绘制故障树时，首先要按照系统的 定义确定一个顶事件，然后使用有关符号，从顶事件出发，分级分路通过有关逻 辑门及中问事件，直到基本事件，从而给出一棵倒立的树。这里必须注意，只能 一次走一步，切勿跨越任何中间事件，否则会带来错误的模型，导致错误结论。 3 2 1 建立故障树的规则 ( 1 ) 找直接原因规则 在建立故障树的时候，切忌有跳跃的情况，即要找出导致顶事件出现的直接 原因，并不是顶事件的基本原因。然后将直接原因看作是次级顶事件，再找出它 的直接原因，依次找下去。 ( 2 ) 事件故障状态区分原则 如果事件可以由部件失效组成，则将这个事件归为“部件故障状态”。在这个 事件下加一个或门，并寻找其部件本身失效和受控失效模式。如果事件不是由部 件失效组成，则将此事件归为系统故障状态，再找其直接原因。一般来讲，如果 能量来源于部件外的一点，那么这个事件就归为“系统状态”。 ( 3 ) 无奇迹规则： 若一个部件正常工作传递了一个故障后果，而当它故障时却止住了该故障结 果的传递。那么，在分析时就假定这个部件是工作正常的，让故障后果传递下去。 在系统分析过程中，可能会发现，一个特殊故障后果的传递会意外地被某个 完全意想不到的部件失效所止住。此时要假定该部件正常工作，这样才会使故障 后果能够传递下去。因为，如果一个部件的正常工作能阻止一个故障后果的传递， 那么只要故障继续留在树上，其正常工作肯定要被故障破坏。这种情况，可以用 一禁门或者与门加以表示。 ( 4 ) 完整门规则： 对于某个门的所有输入在着手对它进行分析之前必须对它给予完整的定义。 ( 5 ) 避免门连门规则： 门的所有输入都应当是正确定义了的故障事件，任何门不能与其他门相连。 3 2 2 建立故障树的一些指南 ( 1 ) 用比较具体的事件代替比较抽象的事件。例如：“马达工作时间过长” 用“给马达通电的时间过长”代替。 ( 2 ) 将事件划分为更基本事件。例如：“给继电器通电，常丌触电不能闭合” 用“继电器线圈开路”和“触电粘附断开”来代替。 ( 3 ) 找出导致事件的不同原因。 ( 4 ) 将触发事件同无保护动作配合起来。 ( 5 ) 找到互相起促进作用的原因。 ( 6 ) 事件说明要全面，可以用词简洁，但不能省略主要概念。 ( 7 ) 建树初期要避免门连门，门的输入要完整，不能有遗漏1 4 】。 第4 章a e 6 船舶电站轴带发电机系统分析 4 1a e g 船舶电站轴带发电机系统装置简介 a e g 船舶电站轴带发电机组成框图如图4 。1 所示。整个系统从其功能上可分 为两个部分：无功功率发生、传递及电压自动调整部分和有功功率发生、传递及 频率自动控制部分。无功功率发生、传递及电压自动调整部分是由同步补偿器4 、 驱动同步补偿器的三相异步电动机1 0 及电压控制环节组成。该部分主要任务是产 生无功功率，供给全船负荷及可控硅逆变器有源逆变过程中所需的无功功率，并 且通过电压控制环节自动调整保持电压恒定。有功功率发生、传递及频率自动控 制部分由轴带发电机1 、晶体管断路器2 、可控硅逆变器3 、交流电抗器5 、谐波 滤波器6 、主开关7 励磁可控硅整流器8 及其控制子系统组成。它的主要任务是 供给全船负荷及同步补偿器所消耗的有功功率f l5 i 。 图4 1 a e g 船舶电站轴带发电机控制系统方框图 f i g 4 1p a n ec h a r to f t h es h a f tg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e mo f t h ea e gs h i p p i n gp o w e rs t a t i o n 图4 1a e g 船舶电站轴带发电机控制系统方框图 f i g 4 1p a n ec h a r to ft h es h a f tg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e mo ft h ea e gs h i p p i n gp o w e rs t a t i o n 1 轴带发电机2 断路器 3 逆变器4 同步补偿器5 系统电抗器6 谐波滤 波器7 主开关8 励磁可控硅整流器9 、1 1 控制开关 1 0 三相异步电动机 1 2 同步补偿器的励磁电路1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 、1 9 电压控制器2 0 测速发电机 2 1 、2 2 速度调节器2 3 、2 4 、2 7 、2 8 、2 9 电流调整器 2 5 、2 6 逆变角极限值控制器 3 0 逆变器触发角控制器3 1 、3 2 逆变器触发器3 3 脉冲封锁控制器3 4 、3 5 频 率极限值控制器3 6 、3 7 、3 8 、3 9 、4 0 频率凋侈器4 1 电流凋整器4 2 、4 3 励 磁可控硅整流器触发器 4 4 电流调整器锁定控制器 4 5 、4 6 、4 7 、4 8 、4 9 、5 0 、5 1 、 5 2 、5 3 、5 4 频率监测环? 仃5 5 励磁电流监测5 6 同步补偿器相电流监测5 7 负载l 乜 流监测5 8 、5 9 电压监测5 8 、6 0 频率监；! | 1 1 06 l 、6 2 轴发速度监测6 3 、6 4 、6 5 直 流电流监测6 6 、6 7 、6 8 、6 9 直流电压监测7 0 、7 1 、7 2 、7 3 、7 4 、7 5 、7 6 轴发功 率控制环节监测7 7 、7 8 、7 9 、8 0 、8 1 主发动机控制环一i 了监测 2 l 4 2a e g 船舶电站轴带发电机系统工作原理 a e g 船舶电站轴带发电机系统的控制的主要任务就是当主机转速变化过程 中，应保证船舶电网电压、频率恒定。换言之，它应当按照轴带发电机装置的输 出频率特性，实现其控制。 电压的恒定由同步补偿器的电压自动调整器进行调节，它和一般船舶电站电 压调节的原理相同。 4 2 1a e i 船舶电站轴带发电机装置的功率输出特性 域： a e g 船舶电站轴带发电机装置的功率输出特性如图4 2 所示：共分为三个区 1 额定功率输出区域( 区域i ) ： 主机转速由1 0 0 n 降至7 5 九时，轴带发电机装置以额定功率输出。此 区域的面积愈大则轴带发电机的尺寸、重量将会增加。 2 输出功率递减区域( 区域i i ) ： 主机转速由7 5 n 降至4 0 n 时，输出功率线性下降。轴带发电机装置若 仍可以向船舶电网供电，只有其功率线性减少。此时，船舶电站自动卸去次要负 荷并启动辅助柴油发电机。根据实践经验，启动过程一般需时8 1 0 秒。即主机 发出停车指令，其转速由7 5 n 降至4 0 n 输出功率递减的过程应保证8 1 0 秒。否则柴油发电机未及时启动、并车并转移负载，以致全船停电。 3 轴带发电机停止运转区域( 区域i i i ) ： 当主机转速降至4 0 ，z 以下时轴带