基于故障樹的橋式起重機主鉤電氣故障分析

(1.海軍航空工程學院，山東煙臺 264001;2.91515部隊，海南三亞 572016)

(1.海軍航空工程學院，山東煙臺 264001;2.91515部隊，海南三亞 572016)

橋式起重機各部分動作都是通過電氣進行控制的。利用故障樹分析法對20/5 t橋式起重機主鉤電氣線路進行故障診斷，通過建立故障樹，對其進行定性定量分析，得出影響主鉤電氣線路正常工作的主要因數，為日常維護保養和維修提供參考，提高維護修理效率。

故障樹;橋式起重機;電氣故障

0 前言

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹狀級細化的分析方法。因為方法簡單，概念清晰，易被人們接受，所以故障樹分析法是對動態系統的設計、工廠試驗或對現場設備工況狀態分析的一種有效的工具。

橋式起重機是所有起重設備中使用范圍最廣泛、生產數量最多的一種，由于其作業環境復雜、工作方式特殊，所以發生故障的概率很高。再加上重載下頻繁起動、制動、反轉、變速等操作，對起重機的控制電路沖擊比較大，大大提高了電氣線路的故障。應用故障樹分析法對電氣回路故障進行分析研究，建立故障樹，從而可以看出事件的成因與形成過程以及各故障發生概率大小，方便地發現潛在的問題，有利于起重機電氣故障的預防、預測和控制，提高起重機運行的可靠性和在線率。

1 故障樹分析法

故障樹分析法是美國貝爾電話實驗室于1962年為研究民兵式導彈發射控制系統的安全性問題而研究開發的，為解決導彈系統偶然事件的預測問題做出了貢獻［1］。故障樹分析法是把要分析的目標函數作為故障樹的頂事件，以方框符號表示;經分析找出導致頂事件發生的所有直接原因，作為中間事件，以方框符號表示;作為邏輯門輸人信號，將邏輯門輸出信號與頂事件相連接形成因果關系，再跟蹤找出導致每個中間事件發生的所有直接原因作為下一級中間事件，用邏輯門與上一級中間事件連接;以此程序直追溯到導致組成系統所有部件故障發生的全部直接原因，作為故障樹的底事件，以圓形符號表示，用邏輯門與上一級中間事件相連接，最終形成倒置的樹狀邏輯圖［2］。求出故障樹的最小割集，可得引起頂事件發生的若干故障模式;求出故障樹的底事件結構重要度，可知底事件對頂事件的影響程度;計算頂事件失效概率，可預測系統的設計可靠性。

故障樹分析的基本步驟:確定頂事件-確定底事件-調查事故原因-確定目標值-構造故障樹-定性評價-定量評價-制定預防事故(改進系統)的措施。故障樹分析流程見圖1。

圖1 故障樹分析流程Fig.1Analysis procedure of fault tree

故障樹分析法能對各種系統的危險性進行識別評價，體現了以系統工程方法研究安全問題的系統性、準確性和預測性。該法應用比較廣，非常適合于重復性大的系統。不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入提示事故的潛在原因，因此在工程設計階段、事故查詢或編制新的操作方法時，都可以使用這個方法對其安全性做出評價。

2 根據實際對象建立故障樹

對橋式起重機主鉤故障建立故障樹的步驟［3］:

(1)選擇和確定頂事件。在分析該故障時，主鉤故障是最不希望看見的事件，所以指定此事件為進行邏輯分析時的頂事件。

(2)分析頂事件，找出中間事件。尋找引起頂事件發生的直接的必要和充分的原因。將頂事件作為輸出事件，將所有直接原因作為輸入事件，并根據這些事件實際的邏輯關系用適當的邏輯門相聯系。如果該事件還能進一步分解，則將其作為下一級的輸出事件，像分析頂事件一樣進行更加深入地分析，得出與該事件直接相連的下一層事件，只要還能進行下一步分析的事件都為中間事件。

(3)確定底事件。重復上述步驟，逐級向下分解，直到所有的輸入事件不能再分解或不必要再分解為止，得到一系列的基本事件，即底事件。分析結束后，得到一棵倒置的故障樹。

由于工作環境惡劣、負荷很大以及動作頻繁，主鉤經常性發生故障，從而降低生產率，并帶來不必要的損失;另外，對于橋式起重機而言，主副鉤、大小車的故障樹分析方式都是相似的，所以研究其它三個可以依照主鉤的研究方式進行進一步的分析，從而得到橋式起重機電氣線路故障樹分析。在建立故障樹之前，首先對橋式起重機主鉤的電氣線路圖2［3］逐步逐塊分析，得到主鉤故障的主要模式以及相應的原因。

圖2 20/5t橋式起重機主鉤電氣線路圖Fig.2Electric circuit of 20/5t bridge crane main hook

分析主鉤電氣線路主要包括保護電路、主鉤主電路、主鉤檔位控制線路等三部分。經過對三部分電路的分析，把主鉤的故障主要分為不動作、單方向動作、檔位異常，并得到圖3和圖4的故障樹圖。圖中KM為主交流接觸器;AC4為主鉤主令控制器;KM4、KM5為反接電阻切除接觸器;KM6～KM9為調速電阻切除接觸器; YB5、YB6為主鉤電磁抱閘制動器;KM1、KM2為主鉤正反轉交流接觸器;KM3為主鉤抱閘接觸器;AC(1-3)-7為副鉤、大車、小車零伴隨聯鎖觸頭。

圖3 主鉤故障的故障樹1Fig.3Fault tree 1 of hook electrical accident

圖4 主鉤故障的故障樹2Fig.4Fault tree 2 of hook electrical accident

3 分析建立的故障樹

建造故障樹的目的是通過建樹過程系統地了解系統，找出薄弱環節，以便改造系統設計、運行和維修，從而提高系統的可靠性、維修性和安全性。故障樹分析，包括定性分析和定量分析兩種方法。在定性分析中，主要包括最小割集、最小徑集和重要度分析。定量分析主要有兩方面的內容:一是由輸入系統各單元(底事件)的失效概率求出系統的失效概率;二是求出各單元(底事件)的結構重要度、概率重要度和關鍵重要度，最后可根據概率重要度的大小排序出最佳故障診斷和修理順序，同時也可作為首先改善相對不大可靠的單元的數據［4］。

3.1 定性分析

本文進行定性分析時只分析引起故障的最小割集。圖3和圖4故障樹定性分析結果見表1，列出了對頂事件影響比較大的23種可能，表示了橋式起重機主鉤電氣線路發生故障的主要途徑。

表中的每一行都是一個最小割集。根據故障樹最小割集的定義，表中的任一行都是橋式起重機主鉤電氣線路發生故障的途徑。當主鉤上出現電氣故障時，就可以按表1逐項檢查并加以排除。

表1 失效模式模擬結果Tab.1Simulation results of failure mode

3.2 定量分析

頂事件發生率決定于故障樹的結構和各基本事件的不可靠度。在進行故障樹分析時，各基本事件的不可靠度均設為Q=0.001，并設置模擬次數位10 000次。表2是主鉤故障樹各基本事件概率重要度和模式重要度的計算結果，此處主要對概率重要度進行分析。

表2 重要度模擬結果Tab.2Simulation results of importance

按概率重要度的大小順序，各基本事件對主鉤電氣故障的影響大小為:(46)＞(6、33、35、39)＞(1、31、38、45)＞(4、30)＞(5、7、11、27、32)＞(13、44、48)＞(15)＞(12、19、34)＞(47)＞(14)＞(10)＞(24)。概率重要度值越大，說明它對頂事件的影響也越大，應是著重考慮的因數。因此，要減少主鉤的電氣故障，應從提高具有較大概率重要度的基本事件可靠度人手。同時，當系統故障出現時，也應按其大小順序尋找并排除故障原因。另外，可以看到這些基本事件的概率重要度相差不大，這也從一個方面體現出電氣故障的特點:一旦回路中某一部件產生故障，系統將立即失效，而不會等到另一部件產生故障后與之共同作用導致系統失效。

4 多次模擬結果分析

為進一步分析建立的故障樹，對故障樹另外進行了兩次模擬，一次模擬次數為1 000次，另一次為5 000次，分別得到兩組不同的模擬結果，兩組重要度模擬結果分析對比見表3。

從表3的數據可以看出，模擬5 000次的地事件發生的概率與模擬1 000次的相近，而模擬1 000次的與其它兩個數據相差稍微大一點，說明隨著模擬次數的增加，模擬結果趨于穩定，這也說明了模擬結果的可行性，因為在故障樹分析中，模擬的次數表示隨機抽樣的次數，如果只針對一臺設備，則反映的是該設備的工作時間，模擬次數多，工作時間長，則設備故障模式就趨于穩定。另外，對于底事件比較多的系統，模擬的次數越多，得到的結果越詳細，包涵的情況也會越多，但是，由于到達一定的模擬次數后，模擬結果就基本穩定，再增加模擬的次數就沒有必要。

5 結論

通過利用故障樹對橋式起重機主鉤故障的建樹分析，得到各部件對主鉤影響的大小程度，從故障樹可以清晰看到影響頂事件的因數，在定位故障點時可以有章可循，方便快捷地查出故障點。另外，在運用故障樹時，合理地選擇模擬次數是事關重要的，好的選擇能夠得到理想的結果。

［1］劉鐵民，張興凱，劉功智.安全評價方法應用指南［M］.北京:化學工業出版社，2005.

［2］鄧慶松.故障樹的編制與應用［M］.北京:北京科學技術出版社，1989(5).

［3］田景亮.橋式起重機構造與檢修［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［4］朱繼洲.故障樹原理和應用［M］.西安:西安交通大學出版社，1989.

基于故障樹的橋式起重機主鉤電氣故障分析

張利1，王義軍2，許宜賀1，趙立方2

Hook electrical accident analysis on bridge crane based on fault tree

ZHANG Li1，WANG Yi-jun2，XU Yi-he1，ZHAO Li-fang2
(1.Naval Aeronautical Engineering Institue，Yantai 26400 China; 2.91515 PLA Troops，Sanya 572016，China)

The action of each part of bridge crane is operated by electric control.Fault electric circuit of 20/5t bridge crane main hook is diagnosed in fault tree analysis method.Through building the fault tree，then qualitative and quantitative analysis the faults，the main factor of affecting the hook electric circuit normal work is obtained.Which provides reference for daily maintenance and repair，and improves its efficiency.

fault tree;bridge crane;electrical accident

TH215

A

1001-196X(2014)05-0051-05

2014-05-15;

2014-08-16

張利(1963-)，男，海軍航空工程學院副教授。

設計計算