沉降离心机故障树法可靠性分析

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沉降离心机是-种机电-体化的关键设备，该设备在满足核安全、远距离拆卸、料液分离等方面要求严格，它是-种非标设备，专业性较强，呈立式倒杯结构 ，主要用来处理核动力堆中含有- 定数量的不溶物。该离心机结构复杂，发生故障时具有隐蔽性和偶然性，据不完全统计，转鼓、主轴和轴承发生的故障对离心机的可靠性影响较大。随着沉降离心机的使用寿命的缩短，它不可避免的会出现主轴、转鼓磨损等故障情况，导致沉降离心机的安全f生和可靠性降低，同时其工作的环境苛刻，系统运动部件多，振动大，直接影响着整机系统的工作效率和安全性 。

目前沉降离心机主要处在调试阶段，且运行时间不长，该离心机零部件大多数具有-定的故障率，对沉降离心机的研究上只限于可靠性建模和分析算法[6-7]。为了找出系统的薄弱环节，改善离心机的设计，提高运行的可靠性，减少特殊环境下高额维修费用等问题，有必要对其进行可靠性研究，所以决定利用故障模式与影响分析及故障树法对离心机进行可靠性分析，并建立了完善的 FMEA表格和故障树，对相关薄弱环节提出设计与改进措施，为建立高可靠性运行的大型后处理厂设备和进行有效的维修提供理论依据。故障模式与影响分析 (Failure Mode and EfectsAnalysis，简记为 FMEA)，它主要研究产品的每个组成部分可能存在的故障模式，并确定各个故障模式对产品其他组成部分和产品要求功能影响的-种定性的可靠性分析方法。故障树分析方法(FTA)，美国 HA.Walson首先提出，它是-种系统可靠性分析方法，同时也是-种图形演绎方法，它可以找到潜在的故障并进行故障诊断。两种分析方法在核电的安全分析及宇航、电子等工业中已广泛应用，是分析设备可靠性的有效方法I8]。

2沉降离心机故障模式影响分析沉降离心机故障模式影响分析 (FMEA)具体包括：定义故障判据，根据故障判据确定各零部件的故障模式，根据故障影响严重程度定义严酷度类别，定义故障发生概率等级，制定FMEA分析表格，确定关键零部件。

2.1故障及原因判断故障及原因判断 下几点：(1)转鼓的脆性破坏、裂纹，主要原因为转鼓所用材料晶粒来稿日期：2012-10-14基金项目：国防基雌研基金资助项目(2011GHN02-Z03)作者简介：周其旺，(1986-)男，湖北黄冈人，硕士研究生，主要研究方向：机械设备可靠性研究；邹树梁，(1956-)男，江西吉安，教授，博士，博士生导师，主要研究方向：机械故障诊断与可靠性研究第8期 周其旺等：沉降离心机故障树法可靠性分析 201粗大，组织不均匀；(2)轴承温度控制经常出现问题 ，主要原因为系统误报，轴承漏油；(3)主轴疲劳断裂，主要原因为强度和耐磨性不够，应力集中；(4)螺栓脱落，主要原因为离心振动偏心导致螺栓松动脱落；(5)沉降离心机在空载和加水实验中出现振动、杂音、振幅偏大现象，主要原因为系统动不平衡；(6)离心机进料管频繁断裂，主要原因为高压积料堵塞；(7)联轴节橡胶柱磨损，紧固件松动，密封圈磨损，排渣系统出现故障，主要原因为震动加剧；(8)离心机机架松动，造成离心机系统运行震动加剧 ，主要原因为高速旋转造成整个机架筋板疲劳破坏；2.2沉降离心机严酷度定义、故障模式发生概率等级定义、FMEA表格严酷度类别是产品故障造成的最坏潜在后果的量度表示；故障模式发生概率等级是零部件发生故障的概率大小的度量∩以将每-故障模式和每-个被分析的产品按损失程度进行分类，严酷度-般分为四类：I类(灾难的)、Ⅱ类(致命 )、Ⅲ类(临界的)和Ⅳ类 (轻度的)。依据严酷度定义该沉降离心机故障严酷度定义，如表 1所示；沉降离心机故障模式发生概率等级定义，如表 2所示。

表 1沉降离心机严酷度定义Tab.1 The Severe Degree Definitionof Reprocessing Centrifuge严酷度类别 严重程度定义I类(灾难的) 嫠 会导致沉降离心机系统损坏，并导致核辐射人员Ⅱ类(致命) 篥 系统严重损坏不能完成基本m类c临界的 萋震 嚣 骗 法完成为Ⅳ类(轻度的) 薯 嘉 系统功能无影响'但轻度的 铲表 2沉降离心机故障模式发生概率等级定义Tab.2 The Occurence Rrobability Level Definition ofthe Failure Mode of ReDrOcessina Centrifuqe等级 定义 模 舞征 严重程度定义对沉降离心机的各个零部件进行全面分析，得出了沉降离心机的 FMEA表格，如表 3所示。由于分析的零部件比较多，仅列举轴承、主轴、转鼓 、机架四类主要零部件的故障模式与影响、设计改进措施、补偿措施等。

表 3沉降离心机 FMEA表格Tab.3 The FMEA Table of Reprocessing Centrifuge故障影响标志功能 嫠 麓星器攀 攀 变形脆裂攀c蔡攀晶粒z转鼓 罄 c 攀不均控制转速及其他动不平衡的影响改善加工提高性能s轴 糯攀鬟缀 譬c 攀 攀 麓矩 度4 黔学攀 攀 4 麓群具有 I、Ⅱ类故障且故障发生频率为曰级以上的零部件为关键件，依据沉降离心机 FMEA的表3得出：(1)关键零部件为：机架、套筒、上轴、转鼓、轴承、座体、密封环、密封联接环、板毂、开槽平端紧定螺钉、密封套 、底锥等。

(2)电机运转通过调频加速的过程中，运转较为平稳 ，但开始加料时，振幅偏转较大，主要因为加料喷到转鼓及散液板表面导致系统动不平衡，此外在-定的条件下，离心机径向最大速度和供料速度影响其温度的变化，而供料量对离心机轴向速度分布有着很大影响，同时整个离心机系统存在共振区，这些因素的存在-定程度上会导致振幅偏大的现象。

(3)电机减速到-定转速的时候 ，振动的次数较多 ，振动频繁，主要原因为渣水和清液分离装置的高速旋转导致了转鼓质量分布不均，低速动载的动不平衡现象；可以通过改进清液分离装置来解决这-问题。

(4)依据 FMEA分析结果，要重点改进关键零部件的设计 ，例如优化转鼓结构设计，增加系统的安全裕度，降低顶事件的发生概率。

3故障树分析(FTA)3.1建立沉降离心机故障树为了正确建立离心机故障树应该选择好顶事件，确定建树流，处理好产品系统及部件的边界条件。因此，在故障模式与影响分析得出结果的基础上，以离心机主轴不转”和转鼓损坏”为故障树的顶事件，建立沉降离心机故障树，并作如下假设：(1)离心机其它系统相关部件无失效；(2)不考虑人为和环境因素以免故障树过于庞大和繁琐；机械 设 计与 制造No.8Aug.2013(3)因为部件和组件多为串联系统，故以主要零件代表底事件不再向下发展；根据以上假设，对离心机故障逐-分解，画出故障树图，如图 1、图2所示。

图 1沉降离心机转鼓故障树Fig.1 The Fault Tree of Reprocessing Centrifuge Drum图2沉降离心机主轴故障树Fig.2 Th e Fault Tree of Reprocessing Centrifuge Shaft3.2沉降离心机故障树定性分析利用故障树分析法对沉降离心机进行定向和定量分析。由于沉降离心机的运行时间不长，且到目前为止，沉降离心机机械零部件大多数有-定的故障概率，考虑到在强辐射的环境下，故障树的分析只针对于故障发生的前、中阶段进行研究。采用故障树的定向分析，研究所有可能导致沉降离心机顶事件发生的故障模式，也就是最小割集。根据最小割集的阶数(最小割集中的所含底事件个数)进行比较，依据阶数越低，重要性越高”来判断得出最小割集重要程度。采用故障树下行法(Fussel-vesely法)，即从顶事件逐渐向下分析，根据逻辑关系分行表示，若是或门，则将输入事件排列不同行，若是与门，则将输入事件排列同-行。以此分解，直至找到不能再分的基本事件为止。依据该方法对沉降离心机主轴疲劳断裂”和离心机转鼓损坏”两个顶事件进行分析，得出了结果。如表 4、表5所示。

表 4离心机主轴不转分析结果Tab.4 The Results for Failure of Centrifuge Spindle表5离心机转鼓损坏分析结果Tab.5 The Results of Drum DamageAnalysis of Centrifuge根据上述表4、表5的数据计算结果，分析结果如下：(1)离心机主轴疲劳断裂故障树中有 12个-阶最小割集，占所有最小割集体的46.2%；(2)离心机转鼓损坏故障树中有 1 1个-阶最小割集，占所有最小割集体的61%；(3)因此为了提高离心机的可靠性，应在设计旧能的减少-阶最小割集，即减少 .， ，. X ，X ，X ，X ，X ，X ，X 基本事件的发生；主轴疲劳断裂中也应该减少 1， 2，X6，X7，X9，X10，Xl5Xl6'X。7，XlR，X2I这些基本事件的发生；(4)事故发生率尽量控制在最低点，如减震弹簧、螺母紧固件、轴承、传感器、转鼓、主轴、锥底、垫圈在维修及检测过程中要进行预防性工作；(5)除了构成-阶最小割集的基本事件可导致沉降离心机的主轴和转鼓的故障之外，其它事件不会直接导致故障的发生，要有-定的条件，且故障过程较为缓慢，因此采认适的措施可以减少故障的发生。

4结论利用故障模式与影响分析和故障树分析相结合的方法对沉降离心机的潜在故障进行分析，确定了各个零部件的故障模式，揭示了影响沉降离心机可靠性的主要因素，找到系统的薄弱环节，因而对离心机安全性的提高和故障诊断具有重要意义。同时利用故障树得出了沉降离心机的最小割集，可以通过改进设计减小最小割集的数目，即减少关键零部件故障，通过控制这些关键零部件的可靠度提高沉降离心机系统的可靠性 ，为后处理建立高效、稳定、可靠的沉降离心机提供可行的理论依据。