故障樹分析法在PTC水壓層壓機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

張文朋

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所石家莊050051)

PTC水壓層壓機(jī)和一般國產(chǎn)層壓機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)參數(shù)多的特點(diǎn)，在沒有經(jīng)驗(yàn)的情況下，很難對其發(fā)生的故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，而且由于它也是一種液壓系統(tǒng)，在故障判斷不準(zhǔn)的情況下容易出現(xiàn)原有的故障沒能排除，反而引發(fā)出系統(tǒng)泄漏，壓力保持不住等情況，造成多動(dòng)多錯(cuò)，越修越差的狀況，因此要求我們盡可能的一次判斷準(zhǔn)故障點(diǎn)，不走彎路的解決問題。

設(shè)備維修一般經(jīng)歷三大過程：故障后維修，定期檢修及預(yù)知維護(hù)保養(yǎng)。故障診斷技術(shù)也經(jīng)歷了巨大變化，由原來的以經(jīng)驗(yàn)為主到以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合為主。現(xiàn)在，提高維修效率和降低維修成本是故障診斷及設(shè)備維修優(yōu)化的重要目標(biāo)。諸多學(xué)者也提出了如故障樹、信息融合技術(shù)、智能專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等有效的理論和方法[1]。

1 故障樹分析法簡介

故障樹分析法是一種對系統(tǒng)可靠性和可用性預(yù)測的主要方法，廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中。它是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過對可能造成系統(tǒng)失效的各種因素，如硬件、軟件、環(huán)境、人為等因素進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖，即故障樹，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，以計(jì)算系統(tǒng)失效概率，并采取相應(yīng)的糾正措施以提高系統(tǒng)可靠性、安全性的一種設(shè)計(jì)分析方法和評估方法[2]。

故障樹以圖形化的形式表現(xiàn)了系統(tǒng)故障和其他事件間的交互關(guān)系。底事件通過邏輯符號(hào)連接到一個(gè)或者多個(gè)頂事件。頂事件往往都是指對系統(tǒng)安全或者功能造成影響的因素，底事件往往都表示元件故障或是操作人員失誤。經(jīng)常使用的邏輯符號(hào)包括“與門”和“或門”（見圖1）。

圖1 邏輯門符號(hào)

本文以故障樹分析法對PTC水壓層壓機(jī)的主要故障進(jìn)行分析研究，并將其繪制成故障圖，從而達(dá)到找出故障原因，提高設(shè)備故障診斷速度和準(zhǔn)確性的目的。

2 故障樹分析法的應(yīng)用

水壓層壓機(jī)是在半導(dǎo)體工藝中對產(chǎn)品完成層壓工藝的重要設(shè)備，其中液壓系統(tǒng)是水壓層壓機(jī)的重要組成部分，如果層壓機(jī)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會(huì)直接影響到層壓工藝中產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至?xí)巩a(chǎn)品報(bào)廢。在PTC水壓層壓機(jī)中經(jīng)常遇到的故障多為液壓系統(tǒng)故障，因此在這里我們主要針對其液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。水壓層壓機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由水箱、加壓艙、加壓泵、低壓端單向閥、高壓端單向閥、氣動(dòng)泄壓閥、安全閥、壓力傳感器組成。圖2為液壓系統(tǒng)示意圖。

圖2 液壓系統(tǒng)示意圖

PTC水壓層壓機(jī)的液壓系統(tǒng)故障有多種表現(xiàn)形式，如系統(tǒng)加壓緩慢、不能升壓、壓力不能保持、加壓泵過于頻繁啟動(dòng)、排氣消音器噴水等。

2.1 建立故障樹

PTC水壓層壓機(jī)的液壓系統(tǒng)有眾多元件，任何一個(gè)出現(xiàn)問題均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障的發(fā)生，而故障現(xiàn)象和故障起因并不是一一對應(yīng)的，在很多情況下，故障的現(xiàn)象是相似的，很多元件的故障均會(huì)造成同樣的故障，還有可能不止一個(gè)部分有問題，具有因果的多層次性，形成一連串的因果鏈，產(chǎn)生一果多因或一因多果的情況，必須從層壓機(jī)系統(tǒng)表現(xiàn)出的各種故障現(xiàn)象進(jìn)行逆向推理，分析編寫出相對應(yīng)的故障樹。因?yàn)閷訅簷C(jī)液壓系統(tǒng)故障絕大多數(shù)都與系統(tǒng)壓力有關(guān)，在此以較易發(fā)生的液壓系統(tǒng)故障為頂事件，邊界條件是液壓系統(tǒng)正常工作，分析層壓機(jī)液壓系統(tǒng)只有正常工作和故障兩種狀態(tài)，各個(gè)元件故障相互都是獨(dú)立的。以手工方法建立故障樹，由頂事件分解到底事件為止。

建立層壓機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹分析圖如圖3所示。

2.2 定性分析故障樹

主要從最小割集、最小徑集以及結(jié)構(gòu)重要度三個(gè)方面進(jìn)行故障樹的定性分析。

分析故障樹時(shí)，如果故障樹的某幾個(gè)底事件同時(shí)發(fā)生會(huì)引起頂事件的發(fā)生，那么這些底事件的集合就成為割集，割集是引起系統(tǒng)故障的一種模式。最小割集就是會(huì)引起系統(tǒng)故障發(fā)生的最小故障模式的集合。也就是說，最小割集是導(dǎo)致頂事件的必須的且數(shù)量最少的底事件的集合，同樣也就是說這是在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)根據(jù)故障狀態(tài)所需要檢查的最基本的故障點(diǎn)。

圖3 PTC水壓層壓機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹分析圖

可以用行列式法、布爾代數(shù)法等方法求取最小割集，現(xiàn)在也有用來求取最小割集和最小徑集的計(jì)算機(jī)軟件。PTC水壓層壓機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹中的邏輯門全都是或門，最小割集也就是變量的邏輯和，液壓系統(tǒng)中的各個(gè)元件又是互相之間有一定的關(guān)系，不能獨(dú)立對待，因此采用布爾代數(shù)化簡法最為簡單。

最小割集為 {X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}。求出最小割集可以幫助我們更好地掌握發(fā)生故障的各種可能，有效地縮短故障判斷所需要的時(shí)間。

每個(gè)最小割集都是會(huì)導(dǎo)致頂事件發(fā)生的一種可能，所以，有多少最小割集，就有多少可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生。

在求出的最小割集的過程中可以直觀地看出，{X1}也就是高壓端單向閥導(dǎo)致故障引起的現(xiàn)象最為復(fù)雜頻繁，其次就是{X2}，也就是加壓泵。通過分析最小割集，就可以找到系統(tǒng)較易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)措施，比如更換質(zhì)量更好、可靠性更高的高壓端單向閥，加壓泵的活塞密封圈才用更好的更耐磨的材質(zhì)，來使設(shè)備故障率下降，延長系統(tǒng)的有效運(yùn)行時(shí)間。

3 故障樹分析法和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合

通過故障樹分析圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)某個(gè)元件可以引起什么樣的故障現(xiàn)象，而且在求取最小割集的過程可以大概了解其發(fā)生的概率。在工作中遇到的現(xiàn)象往往是有所關(guān)聯(lián)的，不一定是某一種現(xiàn)象單獨(dú)發(fā)生，如果結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，就可以容易地判斷出故障點(diǎn)，比如在工作中經(jīng)常遇到的系統(tǒng)不加壓，往往還伴隨著加壓泵的異常聲音，這時(shí)基本就可以判斷加壓泵有問題，如果還有排氣消音器噴水現(xiàn)象，還需要進(jìn)一步觀察加壓泵的活塞取出后是否有水溢出，如果沒有則只是加壓泵故障，需要對泵進(jìn)行清洗，并更換活塞密封圈，如果有水溢出，則需要對高壓端單向閥和低壓端單向閥進(jìn)行維修。

4 結(jié) 論

通過對PTC水壓層壓機(jī)的液壓系統(tǒng)建立故障樹分析圖，列出了其發(fā)生故障的主要原因，有助于掌握PTC水壓層壓機(jī)液壓系統(tǒng)故障的規(guī)律和特征，并結(jié)合實(shí)際故障情況，進(jìn)行元件級的分析，從而簡化故障點(diǎn)的判斷，縮短維修周期，或選用更合適的配件，減少設(shè)備的故障率，有效延長設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間。

[1]姚剛.故障樹分析法在半導(dǎo)體設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用[M].半導(dǎo)體技術(shù)，2007（3）：03

[2]肖貴平，朱曉寧.交通安全工程[M].北京：中國鐵道出版社，2003.