基于故障与失效分析的机械密封运行维护方法研究

（合肥通用机械研究院有限公司 机械工业机械密封工程技术研究中心，合肥 230031）

0 引言

机械密封是用来解决旋转机械的工作介质沿旋转轴泄漏的装置，是保障旋转机械安全、可靠运行的关键零部件。机械密封在服役过程中，由于工况参数和服役条件复杂多变，内外环境因素影响众多，造成机械密封失效机理和原因复杂多样，机械密封失效的随机性和偶发性增大［1-9］，因此给机械密封的可靠性分析和研究带来了很大的困难。为了减少机械密封失效事故，必须加大机械密封的运行维护研究，提高机械密封运行可靠性。

本文采用故障树分析方法［10］，基于故障与失效分析，结合专家经验法和模糊数学理论［11-14］，对故障树分析的基本事件进行定量分析，并采用求取最小割集，获得机械密封故障树基本事件重要度，给出故障与失效后果严重度评价标准，求得机械密封故障与失效危害度，制定机械密封运行维护的策略和方法［15-18］；旨在大量缺失或很难获得机械密封故障与失效统计数据时，为机械密封的研究和工程应用提供一种方法参考。

1 机械密封基本结构

机械密封的基本构成包括动环、静环、密封环辅助密封件、轴套辅助密封件、弹性元件、密封端盖、固定环、轴（或轴套）、弹簧座等，每一结构件的故障或失效，都将导致机械密封的失效，造成超标泄漏。

2 机械密封故障与失效分析

2.1 机械密封失效故障树

机械密封失效的基本事件发生原因比较复杂，基于本文重点研究基于故障与失效分析的机械密封运行维护方法，通过对接触式机械密封的故障与失效原因分析，机械密封失效（T）作为顶事件初步建立如图1所示故障树。

图1 机械密封失效故障树

故障树的各中间事件A1～A14和基本事件X1～X9分别为：A1为摩擦副失效，A2为辅助密封件失效，A3为弹性元件失效，A4为金属结构件失效，A5为动环失效，A6为静环失效，A7为密封环辅助密封件失效，A8为轴套辅助密封件失效，A9为弹簧失效，A10为波纹管失效，A11为密封端盖失效，A12为固定环失效，A13为轴或轴套失效，A14为弹簧座失效，X1为制造缺陷，X2为安装不当，X3为主机振动、轴承损坏，X4为选材不当，X5为结构设计不当，X6为紧固件预紧不当，X7为密封辅助系统失灵，X8为频繁开停机，X9为艺介质发生变化，X10为超压，X11为超温。

2.2 基本事件失效概率计算分析

针对低频失效的机械密封场合，选用有经验的专家组成专家团队，对评估事件的失效可能性做出判断，并结合模糊集合数学理论对故障树进行定性和定量分析，用模糊数表达专家的自然语言，并把模糊可能性值转化为模糊失效概率，模糊数的自然语言表达式见图2所示。

图2 代表自然语言的模糊数表达形式

以机械密封的基本事件“制造缺陷”为例，计算基本事件模糊失效概率：

（1）选择不同层次的技术专家组成10人专家组，对“制造缺陷”做出主观判断，给出的意见是较小、很大、中等、较小、小、小、小、很小、中等和小。

（2）根据图2采用模糊数转化自然语言，给出其隶属度函数表达式：

采用模糊集的 α 截集和权重法来综合处理不同的专家意见，获得平均模糊数W的关系函数为：

基于左右模糊数排序法把模糊数转化为模糊可能性值［3］，并将模糊可能性值转化为模糊失效概率，计算可得“制造缺陷”的发生概率为1.873×10-3。

2.3 结构重要度分析

结构重要度是故障树分析中的一个重要的数量指标，它表示基本事件在故障树结构中所占地位造成的影响程度。结构重要度越大，由它造成系统故障的可能性越大。根据建立的故障树以及割集、最小割集的定义，利用Semanderes算法算得最小割集。

用最小割集求结构重要度的表达式为：

式中 Iφ（i）——结构重要度；

nφ（i）—— 基本事件Xi发生而引起顶事件发生的次数；

n ——基本事件的个数。

通过计算分析可以求解得出的基本事件结构重要度和概率模糊重要度见表1，2。

表1 基本事件结构重要度

表2 基本事件概率模糊重要度

由表2可知，基本事件的概率模糊重要度排列顺序为：

2.4 故障模式与影响评价分析

以机械密封动环失效为例，开展失效影响分析评价，其分析评价结果见表3。

表3 动环故障与失效模式影响分析评价

2.5 结构故障与失效危害度分析

对机械密封结构故障与失效危害度进行定量分析时，可以将各故障与失效模式下的危害度定义为故障与失效模式重要度、故障与失效后果严重度、故障与失效检测难易系数的乘积：

式中 RIφ（i）——故障与失效模式重要度；

Fφ（i）——故障与失效后果严重度；

Dφ（i）—— 故障与失效模式检测难易系数。对于易检测的故障与失效模式，取Dφ（i）=1；对于难以检测的故障与失效模式，取Dφ（i）=2。

表4 故障与失效后果严重度评价标准

以动环为例，逐一识别表3中的各故障与失效模式的产生后果，根据表4中故障与失效后果严重度评价标准识别故障与失效后果的严重度，得到故障与失效模式的危害度见表5。

表5 动环故障与失效危害度

3 机械密封运行维护策略

机械密封是主机配件中的关键基础零部件，在进行机械密封的运行维护决策分析时，主要依据两条准则来确定维修策略：

（1）适用性准则：维修活动需要具有预防故障与失效后果的有效性，即维修活动能够消除或避免故障与失效，或将故障与失效发生概率降低到可接受水平。

（2）有效性准则：维修活动的有效性与经济后果有关，即维修的费用不应大于故障与失效损失费。

因此，机械密封的运行维护策略要求主动防御，避免被动维修，减少预防维修，致力于主动维修。根据故障与失效危害度，以动环为例，制定动环的运行与维护策略见表6。

表6 动环运行维护策略

4 结语

基于对机械密封的故障与失效分析，建立机械密封故障与失效故障树，并结合专家经验法和模糊集数学理论，定量计算出在机械密封故障失效低频事件中的故障树基本事件失效模糊概率；以机械密封动环为例，利用Semanderes算法求取故障树最小割集，并获得建立的机械密封故障树基本事件结构重要度和概率模糊重要度；给出故障与失效后果严重度评价标准，从而得到机械密封结构件的故障与失效危害度；依据危害度，制定机械密封运行维护的策略。该方法旨在解决在大量缺失或很难获得机械密封故障与失效统计数据时，为机械密封的研究和工程应用提供一种方法参考，同时亦可为其他类似领域的研究，提供一种研究思路。