張峰，何英勇，任憲常，楊錦春，鄭之壽

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518172)

0 引言

在核電廠放射性固體廢物處理過程中，設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。特別是核心關(guān)鍵設(shè)備出現(xiàn)故障，將有可能導(dǎo)致輻射劑量超標(biāo)，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。將可靠性理論引入核電設(shè)備的設(shè)計(jì)中，對提高產(chǎn)品的可靠性和核電廠的安全性具有重要意義［1-2］。

自動(dòng)開封蓋裝置是核電廠固體廢物處理系統(tǒng)(solid waste treatment system)的核心設(shè)備，用于對貯存中、低放射性廢物的400 L 金屬桶進(jìn)行開蓋和封蓋，是復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，設(shè)備整體可靠性不能簡單地歸結(jié)為提高零部件的可靠性和制造工藝水平，而應(yīng)從提高系統(tǒng)可靠性的角度進(jìn)行全面的考慮［3-4］。

故障模式及影響分析(failure modes and effects analysis，F(xiàn)MEA)是進(jìn)行系統(tǒng)故障分析最有效的一種可靠性分析方法［5］。利用FMEA 方法對自動(dòng)開封蓋裝置系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行分析，可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就找出可能發(fā)生的故障及其原因。通過把每一個(gè)潛在故障模式按其嚴(yán)酷程度分類，找出產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，從避免嚴(yán)重故障發(fā)生和提高系統(tǒng)可靠性的角度，提出設(shè)計(jì)預(yù)防和改進(jìn)措施，以提高其安全性和可靠性，也為整個(gè)放射性固體廢物處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 FMEA 分析方法

FMEA 分析方法是很多可靠性分析方法的基礎(chǔ)［5-6］。在工程實(shí)踐中，已形成一套科學(xué)而完整的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［7-8］。

1.1 FMEA 分析方法的用途

1)找出產(chǎn)品的所有可能的故障模式及其影響，進(jìn)行定性分析，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。

2)為確定嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單和單點(diǎn)故障模式清單提供定性依據(jù)。

3)作為維修性、安全性、測試性、保障性設(shè)計(jì)與分析的輸入。

4)為確定可靠性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)的產(chǎn)品項(xiàng)目清單提供依據(jù)。

1.2 FMEA 分析方法的主要步驟(圖1)

1)分析對象定義是FMEA 分析的前提，通過對功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，繪制系統(tǒng)框圖，約定分析層次，明確分析對象。

圖1 FMEA 分析方法的主要步驟

2)建立可靠性模型，包括可靠性框圖及其相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，評價(jià)系統(tǒng)可靠度。

3)故障模式分析，定義故障判據(jù)，找出系統(tǒng)所有可能的失效模式。

4)故障原因分析，找出失效原因。

5)故障影響及嚴(yán)酷度分析，對失效的影響和嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)及評價(jià)，找出它們之間相對的重要性和順序。

6)設(shè)計(jì)改進(jìn)和措施分析，找出預(yù)防措施，防止嚴(yán)重故障發(fā)生。

7)FMEA 報(bào)告，對分析過程的記錄和說明。

2 自動(dòng)開封蓋裝置功能分析

400 L 金屬桶采用10 個(gè)M12 螺釘實(shí)現(xiàn)法蘭連接(圖2)。當(dāng)金屬桶被輥道傳輸線運(yùn)到自動(dòng)開封蓋裝置下方，并進(jìn)行定位、抱緊后，自動(dòng)開封蓋裝置將根據(jù)遠(yuǎn)程控制命令自動(dòng)完成開蓋或封蓋流程。

圖2 400 L 金屬桶法蘭連接圖

開蓋時(shí)，開封蓋裝置先找準(zhǔn)輥道傳輸線上金屬桶的位置。然后，開封蓋裝置的力矩扳手與金屬桶上螺釘對中，并對螺釘進(jìn)行拆卸。螺釘拆卸完成后，將桶蓋和螺釘一起提升，使金屬桶與桶蓋分離。去蓋的金屬桶運(yùn)往后續(xù)工位。

從金屬桶上取下的桶蓋，暫存在開封蓋裝置的桶蓋存放架上，以便連續(xù)對多個(gè)金屬桶進(jìn)行開蓋和封蓋。存放架上可存放8 個(gè)桶蓋。

封蓋時(shí)，開封蓋裝置先找準(zhǔn)存放架上桶蓋的位置，并將桶蓋抓取到桶的正上方，然后開封蓋裝置調(diào)整桶蓋角度，使桶蓋上的螺釘與桶上的螺紋孔對中，完成后將桶蓋裝配到桶上，并按設(shè)定扭矩?cái)Q緊螺釘，最后開封蓋裝置與金屬桶脫離接觸，完成封蓋操作。

3 自動(dòng)開封蓋裝置結(jié)構(gòu)(圖3)與原理分析(圖4)

自動(dòng)開封蓋裝置依靠平移機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)擰緊機(jī)頭進(jìn)行水平、垂直和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 自動(dòng)開封蓋裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動(dòng)開封蓋裝置原理圖

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方連接擰緊機(jī)頭，由抓取桶蓋的抓具、擰螺釘?shù)?0 個(gè)力矩扳手和定位裝置組成。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方是兩個(gè)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，可現(xiàn)實(shí)x、y 兩個(gè)方向的浮動(dòng)和鎖定。

定位裝置以桶蓋法蘭外圓周為基準(zhǔn)，在夾緊桶蓋的過程中，借助浮動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擰緊機(jī)頭與金屬桶中心的自動(dòng)對中。擰緊機(jī)頭在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，通過傳感器尋找到螺釘，實(shí)現(xiàn)力矩扳手與螺釘中心的對中。

4 自動(dòng)開封蓋裝置故障分析

4.1 分析對象定義

自動(dòng)開封蓋裝置的電氣、氣動(dòng)、控制與操作系統(tǒng)采用成熟模塊，在控制室可進(jìn)行檢修，而機(jī)械系統(tǒng)采用大量非標(biāo)件，易出故障，所在區(qū)域有受到輻射的風(fēng)險(xiǎn)，維修困難。因此，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性是研究的重點(diǎn)。如圖5所示。

根據(jù)FMEA 方法，以自動(dòng)開封蓋裝置機(jī)械系統(tǒng)為分析的初始約定層次。自動(dòng)開封蓋裝置包括平移運(yùn)動(dòng)、上下運(yùn)動(dòng)、x 方向浮動(dòng)、y 方向浮動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和存放桶蓋幾個(gè)機(jī)械功能模塊。按照開蓋或封蓋流程，自動(dòng)完成所有動(dòng)作。

圖5 自動(dòng)開封蓋裝置機(jī)械系統(tǒng)框圖

4.2 可靠性模型

設(shè)備的可靠性分為任務(wù)可靠性和基本可靠性。前者表征設(shè)備完成任務(wù)的可靠度，后者表征設(shè)備壽命期內(nèi)的可靠度。根據(jù)自動(dòng)開封蓋裝置的功能要求，保障設(shè)備的任務(wù)可靠性是TES 系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

為了描述系統(tǒng)組成單元之間的故障邏輯關(guān)系，根據(jù)自動(dòng)開封蓋裝置系統(tǒng)框圖(圖5)和產(chǎn)品原理建立任務(wù)可靠性框圖(圖6)。

圖6 自動(dòng)開封蓋裝置任務(wù)可靠性框圖

根據(jù)系統(tǒng)可靠性框圖(圖6)，建立任務(wù)可靠性模型，以表示系統(tǒng)組成單元之間的可靠性函數(shù)關(guān)系。由于系統(tǒng)的所有組成單元中任何單元的故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障，為串連模型［7］，其數(shù)學(xué)模型為:

式中:Rs(t)——系統(tǒng)的可靠度;

Ri(t)——單元的可靠度;

n——組成系統(tǒng)的單元數(shù)。

從式(1)中可見，自動(dòng)開封蓋裝置系統(tǒng)的可靠度是各單元可靠度的乘積。

4.3 故障模式及影響分析

故障判據(jù):根據(jù)產(chǎn)品功能要求，定義故障判據(jù)為:如果任何一個(gè)功能模塊未按指令要求動(dòng)作，或未達(dá)到要求位置視為運(yùn)動(dòng)功能失效故障。

故障影響分級(jí)(表1):按約定層次劃分，將自動(dòng)開封蓋裝置故障模式分為局部影響、高一層次影響和最終影響。

表1 故障影響分級(jí)表

嚴(yán)酷度(表2):根據(jù)產(chǎn)品故障模式所產(chǎn)生的最終影響的嚴(yán)重程度劃分自動(dòng)開封蓋裝置的嚴(yán)酷度。

表2 嚴(yán)酷度類別劃分表

FMEA 分析:根據(jù)自動(dòng)開封蓋裝置的系統(tǒng)框圖以及功能要求和故障判據(jù)，找出所有可能的故障模式和原因，并按其嚴(yán)酷程度對故障模式進(jìn)行分類。自動(dòng)開封蓋裝置FMEA 分析如表3 所示。

表3 FMEA 分析表

5 設(shè)計(jì)缺陷與薄弱環(huán)節(jié)

通過FEMA 分析，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)開封蓋裝置發(fā)生故障造成的最嚴(yán)重影響為Ⅱ類嚴(yán)酷度，這將導(dǎo)致TES 系統(tǒng)無法運(yùn)行或設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，引起輻射劑量超標(biāo)。

引起嚴(yán)重故障發(fā)生的原因主要有兩個(gè)方面:

1)平移、提升和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能失效，導(dǎo)致自動(dòng)開封蓋裝置的擰緊機(jī)頭無法移動(dòng)，不能與金屬桶保持一定安全距離，妨礙金屬桶的運(yùn)輸。

2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的抓具不動(dòng)作，導(dǎo)致在開蓋過程中，無法抓取桶蓋或抓取桶蓋不牢，致使桶蓋有滑落風(fēng)險(xiǎn)，影響TES 系統(tǒng)運(yùn)行安全;或在封蓋過程中，無法松開桶蓋，致使擰緊機(jī)頭無法脫離金屬桶，影響金屬桶的運(yùn)輸。

因此，要避免嚴(yán)酷度為Ⅱ類的故障模式發(fā)生，保證TES 系統(tǒng)安全運(yùn)行，要求自動(dòng)開封蓋裝置無論出現(xiàn)什么故障，都不能影響TES 系統(tǒng)正常運(yùn)行，將裝有放射性廢物的金屬桶運(yùn)輸?shù)桨踩恢?，即要制定相?yīng)措施，保證自動(dòng)開封蓋裝置的任何部件不影響金屬桶在輥道傳輸線上的運(yùn)輸。

6 設(shè)計(jì)預(yù)防與改進(jìn)措施

從兩個(gè)方面考慮提高自動(dòng)開封蓋裝置的可靠性:

1)提高自動(dòng)開封蓋裝置抗故障的能力和任務(wù)可靠性，保證系統(tǒng)能成功完成任務(wù)。

2)避免嚴(yán)重故障發(fā)生，保障廢物桶封裝過程的安全性，以及TES 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

措施一:提高任務(wù)可靠性。

從式(1)中可見，自動(dòng)開封蓋裝置的可靠性模型為串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠度是各單元可靠度的乘積，單元越多，系統(tǒng)可靠度越小。從可靠性設(shè)計(jì)方面考慮，要提高串連系統(tǒng)的可靠度，可采取如下措施:

1)盡可能減少自動(dòng)開封蓋裝置系統(tǒng)單元數(shù)目，即進(jìn)行簡化設(shè)計(jì);

2)盡可能提高自動(dòng)開封蓋裝置各組成單元的可靠性，采用成熟產(chǎn)品，降低其故障率;

3)對影響安全和執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)的單元采用降額設(shè)計(jì)，特別是各種結(jié)構(gòu)件和電器元件，應(yīng)降低其額定負(fù)荷，以保證有足夠的安全余量，降低工作失效概率。

措施二:避免嚴(yán)重故障發(fā)生。

冗余設(shè)計(jì)是提升產(chǎn)品容錯(cuò)能力的一種重要手段。通過冗余設(shè)計(jì)，增加非工作貯備單元，即使工作單元出現(xiàn)故障，也可通過切換接到另一個(gè)單元繼續(xù)工作，直到所有單元都失效時(shí)系統(tǒng)才會(huì)失效。采用冗余設(shè)計(jì)后，任務(wù)可靠性模型為旁聯(lián)模型［7］。

假設(shè)切換裝置可靠度為常數(shù)RD，對于壽命服從指數(shù)分布的兩個(gè)單元任務(wù)故障率分別為λ1，λ2;系統(tǒng)的可靠度為:

系統(tǒng)的平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間為:

從式(2)和式(3)中可見，非工作貯備的優(yōu)點(diǎn)是能大大提高系統(tǒng)的可靠度，但由于增加了切換裝置，系統(tǒng)的復(fù)雜度也加大了，其基本可靠性將會(huì)降低。因此，冗余設(shè)計(jì)僅針對嚴(yán)重故障模式是比較合理的選擇。

通過FMEA 分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致自動(dòng)開封蓋裝置出現(xiàn)嚴(yán)重故障的關(guān)鍵因素是平移、提升和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)故障影響大小，判斷出電機(jī)失效是最為重要的故障模式，因此在平移、提升和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上設(shè)置備用電機(jī)將是避免嚴(yán)重故障發(fā)生的一種有效手段。

7 結(jié)語

自動(dòng)開封蓋裝置是核電廠一種復(fù)雜的機(jī)電一體化設(shè)備，它的可靠性對TES 系統(tǒng)運(yùn)行安全至關(guān)重要。因此對自動(dòng)開封蓋裝置進(jìn)行系統(tǒng)的故障分析是一項(xiàng)非常重要的工作。

通過對自動(dòng)開封蓋裝置功能、結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行分析，利用FMEA 方法，找出了自動(dòng)開封蓋裝置系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了設(shè)計(jì)預(yù)防和改進(jìn)措施，可以有效提高其系統(tǒng)可靠性，為自動(dòng)開封蓋裝置成功完成任務(wù)，以及TES 系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障，有一定現(xiàn)實(shí)意義。

另外，將可靠性分析方法引入到核電設(shè)備設(shè)計(jì)中，對設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出所有可能的故障模式，確定其影響和嚴(yán)酷度，不僅可以提高設(shè)備的可靠性，評價(jià)系統(tǒng)可靠度，還有利于設(shè)備的后續(xù)維護(hù)和改進(jìn)設(shè)計(jì)，對今后進(jìn)行類似的設(shè)計(jì)研究也有很大的啟發(fā)。

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