故障樹分析法在翻車機液壓系統故障診斷中的應用

(神華黃驊港務有限責任公司, 河北 滄州 061113)

引言

現代大型機械系統是機電液集成在一起的復雜系統，系統中任何一個元件發生故障都會影響整個系統正常運行。液壓元件發生故障的概率雖然沒有電氣元件發生故障的概率高，但是液壓元件一旦發生故障，排查困難，維修周期長，常常嚴重影響生產。所以對大型機械系統進行在線狀態監測和故障診斷對生產實際有著重要意義。

故障樹分析法是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹狀逐級細化的分析方法，常用它對復雜系統進行故障診斷[1]。故障樹分析的目的在于尋找導致頂事件發生的原因和原因組合，識別導致頂事件發生的所有故障模式，也就是求出故障樹的全部最小割集。本研究應用故障樹分析法對黃驊港C80型翻車機開式側液壓系統進行故障診斷分析，其本質是在對翻車機液壓系統工作原理的理解和液壓行業長期的工作經驗基礎上由故障現象逐步尋找故障原因的邏輯思維過程。

1 翻車機液壓系統工作原理

C型回轉式翻車機最大翻卸角度可達175°，可以方便迅速的將敞車內的散料卸出，是散料運轉的重要工具。由于其生產效率高、自動化程度高，被廣泛應用在港口、電廠和冶金等企業之中[2]。

翻車機液壓系統分為開式側和閉式側兩部分，開式側設置了4個并聯壓車缸，閉式側設置了6個并聯壓車缸和8個并聯靠車缸。整個工作過程中壓車缸組共完成三個動作，即壓下、保壓和抬升。將壓車缸壓下過程定義為準備階段，壓車缸抬升過程定義為結束階段。在準備階段中壓車缸組壓下，將車廂夾緊在鐵軌上。在保壓階段，壓車缸有桿腔出口處的液控單向閥保持關閉狀態，將油液鎖在缸中，使壓車梁保持原位，同時翻車機完成翻轉卸料動作，由壓車梁把車廂托住，以免車廂脫軌。在結束階段壓車缸組返回到原始位置，以便將空車廂推出。

翻車機開式側液壓系統如圖1所示。圖1中4個并聯的液壓缸即為壓車缸8.1～8.4。每個壓車缸有桿腔出口接液控單向閥7.1～7.4，單向閥的主要作用是在保壓階段將油液鎖在缸內。4個液控單向閥的控制油路兩兩并聯在一起，分別由2個電磁換向閥5.1～5.2控制。壓車缸無桿腔出口的調速閥6.1～6.4用來控制缸的運動速度。液壓缸4稱為補償缸，在翻車機從0°翻轉到90°的過程中，由于散料逐漸卸出，車廂重量減輕，車廂支撐彈簧伸長，使壓車缸略微抬起。在該過程中，依靠補償缸的動作使油液補充到壓車缸無桿腔，避免吸空的發生。電液換向閥1控制壓車缸組的伸縮，閥1的A、B口接液控單向閥2，在保壓階段單向閥2都是關閉的，閥2的X口由換向閥3控制。

圖1 翻車機開式側液壓系統原理圖

2 故障樹的建立與定性分析

故障樹分析(FTA)方法，即利用故障樹將系統故障原因自頂向下逐級進行分析，估計頂事件的發生概率和底事件重要度，是系統可靠性分析、故障檢測與診斷常用的一種分析方法[3]。故障樹由故障頂事件、中間事件、底事件、邏輯與門和邏輯或門等元素組成。故障頂事件是系統故障分析的目標事件，它通常是液壓執行元件未完成規定動作的現象。底事件或基本事件是故障樹分析法所要尋找的故障原因。最小割集是導致頂事件發生的數目不可再少的底事件的集合[4]。故障樹中各個事件是由邏輯門聯系在一起，邏輯門主要有與門和或門。

翻車機開式側液壓系統故障現象主要有三種形式，即“壓車缸未壓下”、“壓車缸未保壓”和“壓車缸未抬升”。本研究應用故障樹分析法對“壓車缸未壓下”故障現象進行了分析，建立的故障樹如圖2所示。

圖2 壓車缸未壓下故障樹

圖2中，頂事件T表示壓車缸不能壓下。中間事件M1表示全部壓車缸都不壓下；M2表示單個壓車缸不壓下；M3表示供油系統故障；M4表示該進油支路存在故障。底事件X1表示換向閥1不能左位工作；X2表示溢流閥9處在常開啟狀態；X3表示總進油管路泄漏；X4表示溢流閥10常開啟狀態；X5表示換向閥3未換向；X6表示油箱油量不足；X7表示泵故障；X8表示濾油器堵塞；X9表示泵源出口溢流閥處于常開啟狀態；X10表示電機故障；X11表示未動作壓車缸支路上的調速閥6.1～6.4堵塞；X12表示壓車橫梁被卡住；X13表示壓車缸未壓下支路上的液控單向閥7故障；X14表示該支路進油管路泄漏。

由于上例故障樹中的邏輯門都為或門，則任意一個底事件發生都會導致“壓車缸未壓下”故障。所以，該頂事件共有14種最小割集，它們分別是{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}，并且都為一階最小割集。每一種最小割集代表一種故障模式，最小割集越多系統越容易發生故障。

故障樹定性分析只能羅列出引發此類故障現象的多種可能原因，即最小割集，而不能直接找到導致該故障的根源。但是有些故障原因可以通過觀察直接排除，如X3總進油管路泄漏、X14支路進油管路泄漏和X12壓車梁被卡住。有些故障原因發生也會同時導致閉式側液壓系統故障，如X6油箱油量不足、X10電機故障和X8濾油器堵塞，如果閉式側液壓系統工作正常，便可以排除這3種故障原因。剩下的8種故障原因可以通過故障樹定量分析確定各底事件即液壓部件的重要度，再按照重要度從大到小的順序依次檢查各液壓部件的工作狀態。

3 故障樹定量分析

障樹定量分析包括求頂事件的發生概率和各底事件的重要度。

3.1 頂事件發生概率

頂事件的發生概率即為系統失效概率，它是評價系統可靠性的重要指標。在“壓車缸未壓下”故障樹中，各底事件是相互獨立的，可以由獨立事件和的概率公式計算頂事件的發生概率[5]：

(1)

其中，Qs(t)為故障樹頂事件在時間t內的發生概率；n為故障樹最小割集的個數，在“壓車缸未壓下” 故障樹中最小割集個數等于底事件的個數；Qi(t)為底事件i在時間t內的發生概率。在一般情況下，液壓元件的壽命服從指數分布，則Qi(t)計算式[6]：

Qi(t)=1-e-λi·t

(2)

其中，λi為底事件的失效率，具體數值[7]如表1所示。

表1 故障樹各底事件失效率及發生概率

其中，t為底事件工作時間，根據黃驊港翻車機實際運行情況，在一年時間內，壓車缸壓下過程的時間約為511 h。經過計算得出故障樹中各底事件發生概率，如表1所示。代入式(1)，計算得出“壓車缸未壓下”頂事件在一年時間內發生的概率為2.7%。

3.2 底事件重要度

重要度是一個部件或系統的割集發生故障時對頂事件發生概率的貢獻程度，它是時間、部件可靠性參數及系統結構的函數[7]。重要度主要分為部件概率重要度和部件關鍵重要度，部件即為故障樹中的底事件。

1) 底事件概率重要度

底事件概率重要度表示底事件i對頂事件狀態的影響程度，其定義式[7]：

其中，Q(t)為除底事件i外其他底事件的故障概率。1i表示底事件i故障；0i表示底事件i正常。從定義式可知，概率重要度是部件i發生故障時頂事件發生概率和部件i正常時頂事件發生概率的值之差。

因為“壓車缸未壓下”故障樹為或門結構，將式(1)和式(2)代入式(3)中，并求偏導可得：

(4)

將各底事件失效率和工作時間代入式(4)，計算出底事件概率重要度，如表2。

表2 故障樹各底事件概率重要度及關鍵重要度

2) 底事件關鍵重要度

底事件關鍵重要度是一個變化率的比。它與概率重要度的主要區別在于，底事件關鍵重要度考慮了第i個底事件發生故障的概率占整個系統發生故障概率的比重，其定義式[7]：

(5)

關鍵重要度是工程實際中普遍采用的評價元件對系統可靠性影響的指標，它與底事件概率重要度成正比。將底事件和頂事件的發生概率及底事件概率重要度代入式(5)，計算出故障樹中各底事件的關鍵重要度，如表2。

為了方便比較將底事件關鍵重要度計算結果顯示在柱狀圖3中，橫坐標表示不同的底事件，縱坐標為關鍵重要度的計算結果。可見，液壓泵的關鍵重要度最高，節流閥次之。所以，在液壓系統故障診斷時應首先檢查泵的工作狀態。

圖3 液壓元件關鍵重要度

4 結論

應用故障樹分析法對翻車機液壓系統的開式側部分“壓車缸未壓下” 的故障進行了診斷分析。 找出了導致“壓車缸未壓下”故障的所有最小割集， 計算出該故障在一年內發生的概率為2.7%，在此基礎上求出各底事件的關鍵重要度。所得結果可以指導維修人員確定故障排查順序，避免盲目拆裝液壓系統，提高了故障診斷效率。

參考文獻：

[1] 何慶飛,王漢功,陳小虎.故障樹分析法在汽車起重機 液壓系統故障診斷中的應用[J].機床與液壓,2008,36(2):196-198.

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