黄旷，张晓龙，罗赢，刘杰，宋进，武龙飞

（1.650093 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.中国人民解放军31638 部队）

0 引言

对于电力输送系统，输电线路覆冰一直是个很重要的问题。输电线路覆冰会使线缆承受的负荷增大，可能导致输电线路损坏或者压塌输电线塔，给人们生活以及经济发展带来巨大影响。近30 年来,大面积冰害事故在全国各地时有发生[1]，2008 年，许多地方出现了大范围的电缆覆冰现象，处于雪灾重灾区的贵州频频发生电网断线以及电塔倒塌事故，全省电网几乎瘫痪。目前，国内外对输电线路除冰装置的研究很多，Debenest[2]等设计了一种强力震动除冰方案，通过在输电线路上安装震动装置去除线缆上的覆冰；加拿大魁北克电力研究院研制的HQ LineROVer 除冰装置，既可以在输电线路上巡检维护，也可以完成除冰任务，但是它没有防冻喷涂装置，无法喷涂防冻雪涂料[3]。在国外除冰装置技术高速发展的同时，国内也对线缆除冰装置开展了大量的研究。武汉大学的吴功平[4]发明了一款输电线路巡检装置，该装置可在输电线路上自动行走，并且安装有除冰机构，可对线缆进行除冰；随后，研发人员又在该装置上设计了越障机构。越来越多的大学正在研究除冰装置，并取得了相当好的成效，如山东大学、吉林大学、国防科技大学等[5-7]。

目前为止，这些除冰装置基本只执行除冰任务，除冰之后对电缆的保护措施被忽视。虽然达到了对电缆除冰的效果，但是无法避免导线再次覆冰，进而需要二次除冰。另外，由于电缆铣削除冰防冻装置结构复杂，且在高空露天环境进行除冰工作，工作强度大、时间长，作业时机器发生故障，将会给工作人员维修带来很大麻烦。本文以昆明理工大学功能流体应用与矿山机电工程研究所的电缆铣削除冰防冻装置为研究对象，通过了解该装置的结构和功能，基于FMECA 和FTA（故障树）分析方法对电缆铣削除冰防冻装置系统进行可靠性分析，明确了该装置系统中严酷度较高、相对重要度较大的部位，并提出了相对应的解决措施。

1 结构功能分析

电缆铣削除冰防冻装置三维结构如图1 所示。该装置主要可以分为3 个部分，分别是除冰机构、行走机构以及喷涂机构。在除冰的过程中，由行走机构为其提供向前的驱动力，并且在行走机构上安装的有伸缩弹簧，可以保证在工作的过程中遇到微小障碍物时能顺利通过，在行走机构的作用下，除冰机构向前移动并将输电线缆表面的覆冰去除。最后，经过喷涂机构使用钢丝刷来刷除之前除冰机构除冰后产生的残渣以及其它杂物，利用涂料刷去除电缆表面的冰沫，最后将涂料瓶中的防冻液均匀涂抹在输电线路上，防止进一步结冰，从而完成整个电缆铣削除冰防冻装置的工作过程。为了保证电缆铣削除冰防冻装置工作时的效率和质量，基于FMECA 和FTA（故障树）分析方法对电缆铣削除冰防冻装置系统进行可靠性分析是非常有必要的。

2 FMECA 和故障树分析

2.1 FMECA 分析

故障模式、影响和危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis）是以故障模式为基础，分析每一种故障模式的影响并将其汇总的分析方法。FMECA 分析能够不依赖仿真结果找出产品在功能及硬件设计中可能存在的故障模式、原因及影响[8-9]，在机电产品可靠性分析中得到了广泛应用[10-12]。

2.1.1 系统定义

电缆铣削除冰防冻装置主要包括3 个模块，分别为除冰机构、行走机构和喷涂机构。

对各部分进行功能及组成、可靠性框图分析，该系统的定义如下：

（1）功能及组成：电缆铣削除冰防冻装置的功能主要是对输电线路上的覆冰进行去除以及预防其二次结冰，它主要由除冰机构、行走机构和喷涂机构等组成。

（2）约定层次：“初始约定层次”为该机构的功能。“约定层次”为除冰机构、行走机构和喷涂机构。“最低约定层次”为更低一级的组成部分，如图2 所示。

功能层次与结构层次对应关系如图3 所示。

通过分析，可靠性关系如图4 所示。

2.1.2 故障分析

通过调查分析，该机器主要组成机构中，发生故障的机构主要分为3 个，分别是除冰机构、行走机构和喷涂机构。主要故障模式为电机短路、断路及老化，铣刀桶磨损、破裂，除冰铣刀磨损、断裂，行走轮组故障，轴的变形、断裂，齿轮组的变形、断裂、啮合错误，涂料瓶损坏等。

根据GJB/Z 1391-2006《故障模式、影响及危害性分析指南》可将故障模式造成的故障影响的严重程度进行严酷度级别划分如表1 所示，故障影响的概率β值如表2 所示。

表1 严酷度等级Tab.1 Severity grade

表2 GB/T 7826-2012 故障影响概率β 值Tab.2 GB/T 7826-2012 failure impact probability β value

通过以上分析，基于FMECA 方法对电缆铣削除冰防冻装置的主要故障模式造成故障影响的严重程度进行严酷度级别分类。电缆铣削除冰防冻装置的FMECA 分析表如表3 所示。

通过表3 可以清楚地了解到电缆铣削除冰防冻装置的主要故障模式、故障原因以及对应的影响。为了进一步明确每个故障原因的危害度、发生的故障率大小及所占的权重。基于FMECA 方法分析计算，结果如表4 和图5 所示。

表3 电缆铣削除冰防冻装置FEMCA 分析Tab.3 FEMCA analysis of cable deicing and anti-freezing device

表4 故障分析结果Tab.4 Failure analysis results

（续表）

通过以上分析可以清楚地看到，严酷度级别最高为Ⅱ级事件且危害度最大，对系统的伤害最高。

为了进一步明确每一个Ⅱ级事件对电缆铣削除冰防冻装置不能工作的相对重要度，以除冰防冻装置不能工作为顶事件1 进行故障树分析。

2.2 故障树（FTA）分析

故障树分析方法在系统可靠性、安全性分析及风险评价方面应用非常广泛[13]。它是以系统的一个顶事件作为分析目标，逐层往下推测导致顶事件发生所有可能的原因以及它们之间的逻辑关系，建立一棵故障树，再通过定性和定量分析，明确可能的故障模式，找到最小割集数并计算每个底事件对顶事件的影响程度。

本文对电缆铣削除冰防冻装置进行故障树分析时，重点对该装置中Ⅱ级事件进行分析。由2.1节FEMCA 分析可知，电缆铣削除冰防冻装置故障模式中，Ⅱ级事件发生产生的最终影响将导致该装置无法工作。因此，将顶事件1 定为“电缆铣削除冰防冻装置不能工作”，仅对顶事件1 进行分析。

2.2.1 顶事1 故障树的建立

由上文FEMCA 分析可知，导致顶事件1“电缆铣削除冰防冻装置不能工作”发生的直接原因有：（1）除冰机构不能工作；（2）行走机构不能工作。顶事件1“电缆铣削除冰防冻装置不能工作”的故障树如图6、图7 所示。

2.2.2 顶事件1 的定性分析

定性分析的目的是确定故障模式的最小割集数量。根据2.2.1 所得到的故障树进行定性分析，最后得到顶事件1“除冰机构不能工作”的所有最小割集为：{事件X1}，{事件X2}，{事件X3}，{事件X4}，{事件X5}，{事件X6}，{事件X7}，{事件X8}，{事件X9}，{事件X10}，{事件X11}，{事件X12}，{事件X13}，{事件X14}，{事件X15}，{事件X16}，{事件X17}，{事件X18}，{事件X19}，当其中任意一个最小割集发生时，就会导致顶事件1 发生。

2.2.3 顶事件1 的定量分析

定量分析的目的是计算每个底事件的相对概率重要度，相对概率重要度值越大，表示对顶事件影响越大。

通过上文分析计算，设底事件发生概率分别为q1，q2，…，qn，对于所有底事件相互独立的情况，则顶事件发生概率为Q=Q（q1，q2，…，qn），第i 个底事件相对概率重要度Ic计算公式如式（1）—式（3）。

式中：r ——最小割集数；Ki——第i 个最小割集；P（Ki）——第i 个最小割集发生概率，设第i 个最小割集包含的底事件有（X1，X2，…，Xn），是Xn的发生概率，则P（Ki）=qx1qx2…qxn；——第i 个底事件的概率重要度；P（T1）——顶事件1 发生的概率。

由式（2）、式（3）得：P（T1）=0.000 401 09。

顶事件1 的故障概率函数如式（4）—式（5）。

由式（2）—式（5）得：Q（T1）=0.999 959 731。

各个割集的相对概率重要度可以根据式（6）求得：

通过分析和计算，可以得到顶事件1“电缆除冰防冻不能工作”的底事件相对概率重要度的排行如表5 所示。

表5 顶事件1 的底事件相对概率重要度排行表Tab.5 Importance degree ranking of relative probability of bottom events of top event 1

由表3 可知，除冰铣刀松动和断裂、行走轮破损、电机断路及短路、铣刀桶松动相对概率重要度较大等因素是导致顶事件1 发生的主要原因。

3 分析结果及优化措施

通过上面的分析与计算可以得到以下结论：

（1）在电缆铣削除冰防冻装置中，除冰机构故障对其影响最恶劣，造成除冰机构发生故障的主要故障原因有电机损坏、轴的破坏、传动丝杠损坏、齿轮故障、铣刀桶损坏以及除冰铣刀损坏。这些原因导致了对输电线缆的除冰不能进行或者除冰异常。

（2）在电缆铣削除冰防冻装置的主要结构的故障模式中，除冰铣刀松动、断裂，除冰电机短路及断路和行走轮损坏对整个机构的影响最大。造成这些故障的原因分别是除冰铣刀不断受力变形、电机进水及接触不良、行走轮不断受力磨损，产生的影响主要是不能对输电线缆除冰和机构的行走。

（3）基于FMECA 和FTA 方法对该装置的分析计算，可以清楚地知道电缆铣削除冰防冻装置主要结构中每个故障模式的严酷度及危害度的大小，并得到严酷度级别较高的故障模式的相对重要度对该装置的影响。从分析结果可知，除冰机构和行走机构发生故障严酷度等级最高，对该装置的可靠性有重要的影响。

为了提高该机构的可靠性，在对电缆铣削除冰防冻装置制定相应的维修措施时，应重点对故障模式发生对该装置影响较大以及严酷度级别较高、危害度较大的部位制定预防检测措施，具体措施如表6 所示。

表6 重要故障模式原因分析及措施Tab.6 Major failure mode cause analysis and measures

4 结论

电缆铣削除冰防冻装置是一个相对复杂的机器，工作环境非常恶劣，一旦在工作中发生故障，维修工作难以及时进行，为了保证工作的效率和质量，对其进行可靠性分析是很有必要的。本文根据电缆铣削除冰防冻装置的结构和功能分析，基于FMECA 和故障树（FTA）分析方法，得到以下结论：

（1）通过FMECA 分析方法建立了电缆除冰装置的层次结构功能图、可靠性框图及故障树，对其故障模式进行了严酷度等级分类及分析计算，得到了电缆铣削除冰防冻装置故障模式严酷度等级最高为Ⅱ级且危害度最大，并计算出了每个故障模式对应的危害度。

（2）通过故障树的定性与定量分析，得到了对顶事件影响较大的故障模式为除冰铣刀故障、铣刀桶故障、除冰电机故障等，并对严酷度等级较高危害度较大的故障模式提出了优化措施，为电缆铣削除冰防冻装置的可靠性设计提供了依据。