基于数理统计的柴油发电机组可靠性试验

赵宸翦，张 权，李昕珏

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

船用柴油发电机组[3]是船舶电力系统的重要组成设备，其运行是否平稳可靠是电力系统是否能够稳定可靠供电的关键因素，因此其可靠性指标备受关注。

设备在研制初期，其可靠性都不会立即达到所规定的指标，必须反复经过“试验-改进-再试验”的过程，其可靠性才能不断提高。在这个过程中，产品的设计、制造工艺、操作方法等不断地暴露出缺陷，经分析改进，产品不断完善，可靠性不断提高，这是可靠性增长过程。

本文结合某型船用柴油发电机组的试验情况，基于数理统计的方法，收集可靠性信息，对关键零部件、整机可靠性水平进行综合评估。

某型柴油发电机组（简称“机组”）基本结构为：柴油机和发电机分别与公共底座刚性地联接成一体（其轴系为弹性联接），并与罩内空气冷却装置、消防设备、电气设备和附属系统组成机组。隔声罩、公共底座以及二者之间的密封垫构成一个密闭的空间，将机组封闭在其中，公共底座通过减振器与浮筏联接，整体结构见图1。

图1 柴油发电机组组成示意图

试验过程中，只有责任故障才能作为判定受试设备合格与否的依据。故障应按以下原则进行统计：

1）当可证实多个故障现象由同一原因引起时，可计为一次故障。

2）有多个零部件在试验过程中同时失效时，当不能证明是一个零部件失效引起另一些零部件失效时，每个零部件的失效计为一次独立的故障；
若可证明是一个零部件失效引起另一些零部件失效时，则所有失效零部件合计为一次故障。

3）已经报告过的由同一原因引起的同一部位发生的独立故障，由于未能真正排除而再次出现时，应和原来报告过的故障合计为一次故障，其间试验时间无效。

4）若不能确定故障发生的准确时刻，则有效试验时间的统计追溯到上一检测点时间，即上一检测点至发现故障检测点之间的试验时间无效。

5）在试验后的功能检查和性能测试中若出现故障，则对故障的判定、统计等与试验中出现故障作相同处理。

6）在故障检测和修理期间，若发现受试设备还存在其它故障而不能确定为是由原有故障引起的，则应将其视为单独的责任故障进行统计。

柴油发电机组典型责任故障见表1。

表1 机组典型责任故障

3.1 测试参数的分类

可靠性试验期间柴油发电机组测试参数从其特点划分可以分为以下几类：

1）环境条件测量参数，主要包括：环境温度、湿度和大气压力。环境条件参数主要为记录受试机组外部环境的变化，以便判断受试机组是否工作在允许的环境条件下并有助于区别故障是否由环境因素造成。

2）试验给定参数，主要包括排气背压、进气真空度和负载（以功率表示）等，这类参数是输入的给定值。

3）受试机组状态监测参数，这类参数是通过传感器等手段直接监测受试样机反馈的状态参数，是被动测量值，能够反应受试机组状态，是本分析的重点。

按照监测参数是否有门限值又可以分为有阈值监测参数和无阈值监测参数。

1）有阈值监测参数，这类参数包括：柴油机各缸排气温度、涡轮前温度、涡轮后排温、柴油机转速、柴油机燃油压力、柴油机冷却水压力、柴油机海水压力、柴油机冷却水温度、增压器滑油进油温度、柴油机滑油温度、柴油机滑油压力、柴油机活塞冷却油压力、发电机绕组温度、发电机前后轴承温度、发电机轴承供油温度和罩内温度等。

针对此类参数，一方面观测试验过程中监测的参数是否满足阈值要求，如不满足，则进一步分析超出阈值的原因，另一方面分析监测参数变化趋势，为试验故障的判断和可靠性提高提供参考。

2）无阈值监测参数，这类参数包括：机组功率、频率、功率因数、电压、电流、柴油机燃油齿条位置、柴油机海水泵后温度、柴油机中冷后压力、增压空气中冷前温度、增压空气中冷后温度、增压器滑油进油压力、发电机进出风温度等。

针对此类参数，主要是分析监测参数变化趋势，为机组的使用和可靠性提高提供参考。

3.2 参数特征值的选择

根据上述参数的特点和数理统计[1]的需求，主要分析参数的以下特征值：

1）均值，即参数算术平均值。

2）最大值，主要分析参数序列在不同负载工况下的最大值。

3）最小值，主要分析参数序列在不同负载工况下的最小值。

4）波动范围，表征参数序列波动的相对大小，计算方式是（最大值-最小值）/均值。

5）离散度，表征测试结果的离散程度的相对大小，又称变异系数，计算方式是均方差/均值。

6）线性斜率，表征参数序列在试验过程中的宏观变化趋势，计算方式是先将x轴和y轴进行归一化（x轴采用x/(xmax-xmin)归一化，y轴采用y/yavg归一化），然后采用线性模型拟合归一化后的参数序列，求得该线性拟合模型在整个试验过程中不同负载工况下的变化比率。

3.3 参数特征值的区间划分

1）波动程度。按波动范围和离散度划分，大（|波动范围|≥30%或|离散度|≥10%）、中（|波动范围|≥15%或|离散度|≥5%）、小（|波动范围|<15%且|离散度|<5%）（如柴油机转速等另有规定的参数除外）。

2）变化趋势。按线性斜率划分，大(|线性斜率|≥15%)、中(|线性斜率|≥5%)、小(|线性斜率|<5%)。

3）裕度。根据测试参数均值、波动程度与阈值进行比较，将参数与阈值相比的裕度定性分为大、中、小3种；
综合考虑不同工况的结果，将波动程度和变化趋势定性分为大、中、小3种。

4.1 有阈值异常监测参数分析

1）柴油机A4缸排温异常上升

对比柴油机A列和B列各缸排气温度，可以明显发现0%额定负载和20%额定负载的A4缸排温在试验中间异常上升（如图2中的圈所示），并使得0%额定负载和20%额定负载的排温波动范围和离散度显著大于其他工况。除A4缸外的A列其他缸和B列缸排温均无此异常上升（图3给出A1缸结果为例），且所有缸的排温未超过阈值。

图2 柴油机A4 缸排气温度

图3 柴油机A1 缸排气温度

经分析该现象由A4缸排气摇臂球座损坏引起，更换后A4缸排温恢复正常，表明A4缸排温异常原因定位准确，见表2。

表2 柴油机A4 缸排气温度数据分析

2）柴油机燃油压力多次超出阈值

柴油机燃油压力绝大部分监测结果均在阈值之内，但出现多次超出阈值情况（如图4中圆圈所示）。不同工况下的柴油机燃油压力最小值多次超出阈值0.08 MPa。可靠性鉴定试验电压U见图5。

图4 柴油机燃油压力

经分析，机组长时间运行，燃油滤芯会逐渐堵塞，需定时或者不定时（即燃油压力低时）进行更换，因此燃油压力低意味着柴油机或场地燃油滤器需更换或者清洗。建议根据试验结果制定合理的预防性维修计划，明确燃油滤芯更换周期，以便指导后续设备使用。见表3和表4。

表4 可靠性鉴定试验柴油机燃油压力数据分析

4.2 无阈值异常监测参数分析

1）电压异常升高

发电机三相电压（U、V、W）（图5给出电压U为例）在某次试验工况时电压远高于正常电压（图5中圆圈所示）。经分析，这是由于发电机AVR测量回路变压器C相电缆线头和线鼻大部分断裂导致的，修复后电压恢复正常。

2）柴油机滑油和冷却水温度发散性变化

如图6所示，柴油机滑油温度波动范围约5%，离散度约1%，波动很小。高负载的线性斜率为正值（80%负载以上约3%），温度随时间有一定的上升趋势；
低负载的线性斜率为负值（约-5%），温度随时间有一定的下降趋势。发电机电压U数据分析见图5，滑油温度监测结果数据见图6。

图6 柴油机滑油温度监测结果

表5 发电机电压U 数据分析

表6 柴油机滑油温度监测结果数据分析

如图7所示，柴油机冷却水温度均值随负载的增大而增大。

图7 柴油机冷却水温度监测结果

柴油机滑油温度波动范围约5%，离散度约1%，波动很小。高负载的线性斜率为正值（80%负载以上约2%），低负载的线性斜率为负值（约-7%），见表7。

表7 柴油机冷却水温度监测结果数据分析

柴油机滑油和冷却水温度均低于阈值。柴油机冷却水用于冷却柴油机滑油，因此冷却水温度变化趋势与柴油机滑油温度变化有相同趋势。

柴油机滑油和冷却水温度均低于阈值。柴油机冷却水用于冷却柴油机滑油，因此冷却水温度变化趋势与柴油机滑油温度变化有相同趋势。

1）可靠性指标的计算方法

柴油发电机组可靠性MTBF区间估计的单侧置信下限为

式中：T为总试验时间或次数；
γ为责任故障数，γ=1-β为置信水平。

2）置信水平的选取

参照GJB 899A—2009相关规定，使用方实际风险β=33.3%，置信水平γ=1-β=0.667。

表8 各阶段可靠性试验情况

在第1阶段可靠性试验过程中，发生2次责任故障，则柴油发电机组寿命单侧置信下限为θL=337.68 h。

柴油发电机组经过相关改进设计后，在第2阶段可靠性试验，试验期间未发生责任故障。即柴油发电机组寿命单侧置信下限为θL=1 011.28 h。

柴油发电机组在试验过程中不断暴露的设计缺陷，通过改进设计，结合数理统计的结果反馈，柴油发电机组的可靠性得到很大程度的提升，表明相关改进设计充分有效，现行的可靠性评估标准有一定的工程参考意义。

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