船用空调系统可靠性分析及增长研究

江苏兆胜空调有限公司 陈 兵

江苏科技大学 王 刚

本文对船用空调系统的可靠性进行研究，通过建立总故障树模型和简化故障树模型对各事件进行定量定性分析，并提出可靠性设计及可靠性增强的方法。充分利用数据对故障树底事件进行分析计算，并给出合理的提升空调可靠性具体实施方法。

空调系统及设备是典型的机电设备，融合了机械和电气专业技术，虽然基本原理、设计技术、生产工艺相对成熟，但是随着空调系统集成技术及功能的扩展，空调系统作为整个系统有机的协调运行，原来功能独立的空调设备通过控制系统和优化处理的控制策略联合运行，也相对增加了空调系统的复杂性，由此增加的功能，如风量测量、送风控制、新风控制、温度设定和调节等，也对空调系统的可靠性提出了挑战。

依据大型空调高负荷特点，在工程重要节点引入可靠性指标，使得关键节点能够得到有效的维护，在规划中依据零部件易损程度，对整个系统的故障树进行简化，把易损的重要节点规划进来，制作高可靠性的方案。Quanyu Yu对汽车空调系统建立故障树模型，分析其失效的原因，其认为空调的制冷功能失效会对整个系统产生重大影响。空调制冷失效的原因是制冷剂缺失以及空调结构设计不合理。Ilia Frenkel和Frenkel I.，Khvatskin建立了马尔科夫模型对空调系统进行可靠性优化。Ilia Frenkel分析在恶劣天气下工作的空调系统失效数据，并考虑发电机的状态对空调系统影响程度，通过拉普拉斯变换和随机失效方法对空调系统的可靠性进行优化。

目前，国内对空调可靠性研究主要通过仿真来实现，而零件失效的数据获取途径很少。本文将对船用空调系统可靠性进行研究，通过对数据进行分析和故障树的简化以及对零部件失效原因进行分析，并提出提高空调可靠性的方法，从而有效的实现高可靠性的空调系统方案。

1 空调系统故障树分析模型

1.1 船用空调系统

船用空调系统主要是通过制冷、加热、通风三种方式实现船舶空气环境的控制，空调系统主要包括变风量布风器、变风量空调器、控制及监控系统、分风管及其它系统组成。

船舶中空调系统是通过送风机从新风和回风吸口吸入外界空气，然后将两者混合后由空气调节器进行处理，回风、新风进入空调器中，经过加热、除湿、过滤、加湿等处理后，经由变频离心风机输送到静压箱，再通过风管送到舱室中的布风器，由布风器输送到房间中，调节风量由变风空调器调节。系统原理图如图1所示。

图1 空调系统原理图

1.2 空调系统故障树建立

为了能够将研究成果在远洋科考船上获得应用，对空调系统进行可靠性分析研究。完整的空调系统包括含有低噪声布风器的变风量末端装置，安装高速风机的变风量空调器，低阻力风管系统，集成扩展了故障预测和健康管理系统的空调控制和监控系统。在研究空调系统前要对其系统进行故障模式分析，主要通过建立相关故障树的方式进行分析研究。

故障树分析法是一种以图论表示的定性分析方法，该方法将系统最不愿意发生的故障作为顶事件，围绕顶事件找出导致顶事件发生的中间事件，以此类推直到找到最终导致故障发生的底事件。

依据船用空调系统组成部件建立故障树模型，并根据建立的故障树的每个节点进行分析，根据数据得到每个节点发生的概率，最终可求出整个系统的故障概率。如图2所示空调系统故障树，根节点为T，共有四大块故障结点，制冷、制热、通风和电气控制系统故障；如图3所示，制冷系统故障树可再分为三部分故障结点和9个子结点；如图4所示，通风系统故障树可以分为两部分故障树结点和7个子结点；如图5所示，电气控制系统故障树可分为6个子结点；如图6所示，制热系统故障树可以分为两部分故障树结点和9个子结点。表1所示为空调系统的故障树事件列表。

图2 空调系统故障树

图3 制冷系统故障树

表1 空调系统故障树事件表

图4 通风系统故障树

图5 电气控制系统故障树

图6 制热系统故障树

1.3 船用空调系统故障树简化

通过对故障数进行审查、校对后，根据空调系统实际应用中容易发生的故障制作故障树简图。对故障进行简化有利于对其进行定性、定量分析，简化后的故障树中底事件突出对顶事件影响较大和容易损坏部分，故障树简化可采用修剪法和模块化进行分析。修剪法指得是根据制作好的故障树，分析同一级别的故障结点，容易发生故障的保留下来，可靠性高的结点去除掉，这样使得故障树更具有合理性和直观性。模块法是通过把空调系统分为几个模块，模块之间再进行分析，从而确定哪些模块比较重要，比较容易发生故障。如图7所示，为空调系统故障树简图。

图7 空调系统故障树简图

2 船用空调系统可靠性模型分析

2.1 定性分析

对于故障树定性分析是定量分析的基础，是对空调可靠性研究的前提。故障树是由根节点和叶子节点组成，叶子节点也就是底事件，底事件严重影响整个系统的运行，分析底事件对顶事件的影响来设计可靠的方案，每个底事件都代表影响顶事件的故障模式，因此研究底事件则是空调系统可靠性分析重要一步。

对于底事件研究方法可由上而下。故障树中节点有或门和与门关系，或门意味着其中一个事件发生不会对顶事件产生重大影响，属于可替代关系。与门则是不可替代，与门中事件发生都会对顶事件产生重大影响。通过将与门事件列为一行，或门事件列为同列，由上而下寻找最终能够对系统产生重大影响的底事件。

2.2 定量分析

从数量中关系和特征对故障数中各节点进行分析是定量分析法中重要内容，

在定量分析中计算各个底事件发生的关系，假设由n个底事件构成故障树，其计算方法为：

则顶事件T发生的概率Fs(t)为：

当割集之间不相容时：

当割集之间相容时：

其中K为割集。

故障树的定量分析是利用最小割集计算事件发生的概率。这里底事件即是最小割集，底事件之间是相互独立的，所有事件仅考虑正常和失效两种状态。

由定性分析知，12个单元组成串联系统：

则顶事件发生的概率Q串为：

其中qi为底层事件出现故障的概率。

设备的可靠性是设计出来的，空调系统及设备的可靠性分析的目的是找出可靠性的薄弱环境，提前发现问题，并在设计阶段采取有效的措施和方法进行规避。只有这样才能提高空调系统及设备的可靠性及运行的稳定性。

3 船用空调系统可靠性设计

空调系统可靠性设计要根据设备试验时故障发生的数据来进行分析，其中要充分考虑平均无故障时间和平均修复时间来计算系统失效的概率。

空调系统的平均修复时间可以分为机械部分的修复时间和电气部分的修复时间。根据空调的通风装置的耐久性试验，通风系统在运行过程中有可能出现的故障，各故障对通风装置完成任务的影响程度不一样分为一类故障和二类故障，对于影响通风系统正常运行和短时间不能解决，影响机组技术性能的故障称为“一类故障”，对于不影响通风系统正常运行和通风装置技术性能的故障，根据试验时发生的情况，修复时间为机械部分2h内，电气部分0.5h内的故障称为“二类故障”。

船用空调系统的失效概率为：

根据表2中的各个基本事件失效概率进行分析，可知基本事件的失效概率从大到小依次为阀门故障(C1)、高温保护器(C10)、调节机构（C7）等部件，他们是影响空调系统可靠性的关键部件。经过对比各个部件的组成部分，阀门故障原因主要为阀芯泄露、阀门气芯泄露、是阀芯顶针周围有杂质或锥形橡胶密封圈老化等等。高温保护器故障原因主要是三极管故障，三极管是通过小电流控制大电流，故障有极间短路、极间断路、接触不良、老化放大倍数变小等等。调节机构故障的原因主要是指调节机构变形和断裂。所以针对这些故障原因，对空调系统进行改进，增加系统可靠性。

4 空调系统可靠性改进措施

调查分析结果表明，空调系统可靠性的影响因素很多，它与空调的结构设计、生产工艺、安装以及客户的操作使用习惯都有一定的联系。因此提高空调的可靠性必须要考虑多方面的因素，进行系统性增长研究。通过AMSAA可靠性增长模型数学分析来计划可靠性增长的方案。

AMSAA强调要在可修系统进行可靠性增长试验并且对故障采取即时纠正的规划方式。

可修系统在开发期(0，t]内的故障次数N(t)是具有均值函数：

当系统稳定工作到达时刻T，之后对系统不需要对系统进行改进，则系统定型后其故障时间服从指数分布，即：

式中a、b分别是尺度参数和增长参数。

对系统失效进行统计，其在使用期内的相继故障时间为0=t0＜t1＜…＜tn。

则参数a，b的MLE为：

基于ASMAA可靠性模型预测步骤如下：

(1)根据试验，得到各个时刻（t）的试验数据。

(2)基于ASMAA模型进行解析，求得可靠性增长的参数（尺寸a、增长系数b、失效时刻tn以及MTBF的估值M）。

(3)计算出整个系统的平均寿命M，如果M小于预期值，则进行步骤4。否则，可停止检验。

(4)对下次故障发生时间tn+1进行预测。依据N(t)=atb计算出故障此时和时间的关系，并N(t)=n+1得到：

(5)由步骤4可计算出下次发生故障的时间，联合已有的试验数据可得到新的数据。

(6)依据步骤5更新试验数据，并返回步骤1，用计算机进行计算，计算流程如图8所示。

图8 预测流程图

通过故障树分析底事件严重影响到整个系统的可靠性，对每个底事件进行分析是提高可靠性必要的条件。表2则是具体工程实施中进行可靠性增长具体实施方案。

表2 故障模式与提高可靠性方法

结语：空调系统可靠性对整个空调设计工程起着重要指导作用，对于空调可靠性分析要从实际工程经验出发，充分考虑到空调系统的机械和电气部分。通过建立故障树对空调系统可靠性进行定性定量分析。本文的空调系统可靠性研究会对空调的生产和维护具有一定的意义。