故障树分析法在柴油发电机组教学中的应用

曹洪福 马东冬

[摘 要] 柴油发电机组维修实训教学中，学生排故思路不清，查找故障點效率低，导致学习进度缓慢和教学效果不理想等问题。故障树分析法为学生快速定位故障原因、提高排故效率提供了有力工具，既促进教学目标的达成，又能增强学生诊断、分析故障问题的能力。

[关 键 词] 故障树；实训教学；柴油发电机组

[中图分类号] G712 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）13-0238-02

柴油发电机组结构复杂、涉及机械、电气等多个领域，学生在初步掌握机组构造和工作原理阶段，缺乏实践经验，对故障现象与原因之间的联系还比较模糊，在机组维修实训过程中，排查故障耗费时间多，导致教学进度缓慢、教学效果不理想。职业教育课堂上多采用案例式、问题引导式教学法，在启发学生思考分析过程的同时，也需要配合讲授科学有效的故障分析方法，帮助学生在机组常见故障维修过程中，逐步理顺思路、规范处理流程、提高排故效率，强化教学效果。故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）在这方面提供了有力支持。故障树分析法是指对所有可能造成系统故障的各种原因进行逐层分析，根据这些原因的逻辑关系建立从上至下的故障树，通过故障树反推导致系统故障的各种原因及其组合，可用于指导故障诊断。

一、故障树分析法概述

故障树分析法的基础是以事件符号、逻辑门符号等为要素绘制出的故障树模型。故障树模型是一个基于研究对象结构、功能特征的模型，以系统最不希望发生事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件作为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。故障树是一种体现故障传播关系的有向图，反映了系统故障（顶事件）与导致系统故障的诸因素（中间事件和底事件）之间的逻辑关系，因此是分析故障关系、查找系统故障单元的一种有效手段。图1为一个简单的故障树模型。

故障树分析法通常按照以下步骤进行：确定顶事件、建立故障树、定性分析、定量分析及得出结论并确定改进措施。教学过程中仅借鉴故障树建立过程的思考方法和定性分析的结论，而定量分析需要计算事件概率，暂不讨论。

二、利用故障树法分析的教学过程

（一）确定顶事件、建立故障树

烧瓦是影响柴油发电组性能的严重故障，也是维修课程教学重点。发生烧瓦故障时，机组运转吃力，甚至冒白烟，严重时发生抱轴，突然自行停机，停机后可发现油底壳机油内含有细颗粒手感的金属粉末。

以烧瓦故障作为顶事件，找出直接导致顶事件的所有可能原因，确定第一级中间事件，再循迹找出导致上级事件发生的所有可能原因，以此循环类推，直至追寻到引起烧瓦故障的所有可能原因。用相应的代表符号和逻辑门将顶事件、中间事件、底事件连接起来，形成树状逻辑因果关系图即故障树。按照上述分析建立的故障树如图2所示，下页表列出了所有事件及对应符号。

柴油发电机组的结构组成可简要概括为“两大机构、五大系统”，即曲轴连杆机构、配气机构、燃油系统、润滑系统、起动系统、进排气系统、冷却系统。故障树建立过程中，引导学生从柴油发电机组的结构组成和工作原理出发思考可能引发烧瓦故障的大致方向，初步确定故障范围，再向下逐层分析至底层的故障原因及其可能引发顶事件的组合关系，从中可发现以下具体信息：

1.从故障树的结构上看，它清晰、直观地反映出导致故障的因素及相互逻辑关系，轴颈是发生烧瓦故障的主要部位，轴颈锥度或与轴瓦配合间隙的大小是导致曲轴连杆故障的原因，机油数量、质量等问题是导致润滑不畅的直接原因，起动前检查不到位或未按规定起动机组时极易发生润滑系统故障。以此为参照结合外部检查，可快速定位故障，提高排故效率的同时，可加深学生对机组结构原理与故障之间关系的认识。

2.从故障树的事件构成上看，润滑系统导致烧瓦故障的因素最多，也最复杂，相关故障部位的拆装和检查方法应作为排故练习的重点内容。

3.从底事件的性质上看，多数是操作使用、维护保养等人为因素，这说明在柴油发电机组操作使用过程按照规范定期维护保养，起动前检查到位，重点关注机油数量及质量，就能有效避免烧瓦故障的发生。

（二）定性分析

故障树顶事件的发生与否是由构成故障树各基本事件的状态决定。当所有基本事件发生时，顶事件一定发生，但大多数情况下只要某些基本事件发生就可以导致顶事件的发生。在故障树分析中，把引起顶事件发生的某些事件的集合称为割集，一个故障树的割集不止一个，这些割集中不包含其它割集的割集称为最小割集，可由各事件的布尔代数运算简化得到，每个最小割集是相互独立的。最小割集的数量越多，组成最小割集的基本事件数量越少，顶事件发生的可能性就越大。在本例的故障树中，最小割集是能引起柴油发电机组烧瓦故障的各事件逻辑组合。布尔代数运算的简化结果如下：

TE=M1+M2

=B1+M3+M4+M5+M6

=B1+B2+B3+B4+M7+M8+M9

=B1+B2+B3+B4+B5+B6+B7+B8

从简化结果看，故障树有7个最小割集，其中一阶割集6个，二阶割集1个。B1-B6每个底事件独立发生都能引发烧瓦故障，而底事件B7和B8同时发生才会。这说明引发柴油发电机组故障的可能性有7个，其中轴颈锥度或椭圆度过大、安装时未按规定检查、机油泵磨损导致间隙过大、起动后未按规定程序加负载、未定期更换机油、未根据机组使用特点选择机油共6个基本事件是本故障树的薄弱环节，最容易引起烧瓦故障。这些基本事件应作为排查故障原因时优先考虑的因素并在使用和维护过程中应给予重点关注，它们的顶事件应作为排查故障的优先考虑方向。通过比较不同故障的最小割集数量，也可帮助学生了解哪些是柴油发电机组的多发故障，哪些因素引发故障的可能性最大。

三、结论

从建立烧瓦故障树的过程及其定性分析中可以看出，故障树分析法在实训教学中有以下优点：（1）故障树的建立过程能直观地反映出导致失效的部位、因素及其相互影响关系，帮助学生形成较为科学的思维方法，加深对系统结构组成和工作原理的认识，快速找到问题所在及解决途径。（2）故障树的事件分布反映了导致系统失效因素的分布情况，哪些事件的“或门分支”越多，就越容易引发系统失效，对突出教学训练重点有明显的指示作用。（3）最小割集代表导致系统失效的最直接原因，它的数量反映出系统失效的可能性；最小割集中基本事件的数量反映由该最小割集导致系统失效的可能性，能帮助学生发现多发故障及其最可能的诱因，对日常维护重点也有很好的提示作用。

参考文献：

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