基于故障樹的盾構機液壓缸推進無力故障的可靠性分析

邵成猛

(中國鐵建十六局集團有限公司，北京 101100)

0 引 言

盾構機是一種用于隧道掘進的專用工程機械，目前在地鐵建設、市政和水電隧道等領域被廣泛應用。在使用過程中盾構機不僅要承受惡劣環境的影響(如地底濕度、粉塵等)，還將承受土層壓力的作用，使得盾構機液壓推進系統故障頻發[1-5]。由于盾構機在工作過程中需要根據工況完成姿態調整、頂進和換向等任務，如果液壓推進系統發生故障將嚴重影響施工進度，造成巨大損失。

故障樹分析方法作為一種重要的可靠性分析方法，目前已經成為復雜系統可靠性分析的重要技術[6-11]。黃洪鐘[12]采用模糊集理論對太陽翼驅動機構進行故障樹分析，發現軸承及諧波減速器為系統中的關鍵部件。Choi[13]采用故障樹方法對海底儲罐的可靠性和可用性進行評估，獲得系統的總失效率和可用度。Nguyen[14]提出一種Petri網的擴展故障樹分析方法，并成功應用于可修復多態系統的可靠性分析。潘波[15]采用模糊理論對飛機結構腐蝕損傷進行故障樹分析，通過模糊關系變化得到環境腐蝕影響的權重度。盾構機的故障分析目前主要以經驗分析為主，耗時長且維修成本高，而故障樹分析法可對系統進行可靠性分析，從而確定出最佳故障診斷策略和系統改進方案。

針對盾構機液壓缸推進無力故障，本文將故障樹分析方法用于液壓缸推進系統分析中，通過定性和定量分析，發現系統可靠性的薄弱環節，為快速故障診斷和可靠性提高提供依據。

1 故障樹分析原理

故障樹以系統不希望發生的、作為系統失效判據的頂事件作為分析目標，然后一步步尋找每一個事件的直接原因，找出與頂事件發生有關的硬件失效、軟件差錯、人為和環境因素等，將這些因素作為故障樹的中間事件和底事件，建立系統故障樹模型；通過故障樹分析求出系統失效概率和故障模式的危害程度，從而對系統可靠性和薄弱環節進行判定。圖1為故障樹分析的一般流程。

圖1 故障樹分析的一般流程

2 盾構機液壓推進系統的工作原理

由于盾構機推進系統的液壓缸數量較多，為降低成本，提高控制效率，一般采用分組控制方式，即分別對每組推進液壓缸進行控制。每個液壓缸的控制模塊都相同，由比例溢流閥、比例調速閥、電磁換向閥等元件組成，圖2為盾構機液壓推進系統。

由圖2所示，控制盾構機向前推進時，首先使三位四通電磁閥工作在右位，二位四通電磁閥工作在左位。油泵電機啟動，液壓油經吸油過濾器、單向閥、二位四通閥左位進入比例調速閥，再通過三位四通閥右位經過液壓鎖進入液壓缸的無桿腔中，有桿腔中的油液經三位四通閥右位流入過濾器中流回油箱，液壓缸向前動作，完成推進工作。液壓缸的工作壓力由壓力傳感器實時監測，當監測到系統壓力高于設定值時，控制比例溢流閥加大開口，自動調節負載壓力的大小。當位移傳感器監測到推進速度過快時，控制比例溢流閥自動調節開口大小，滿足恒定工作速度的需要。

圖2 盾構機液壓推進系統

當需要收縮液壓缸時，控制三位四通電磁閥在左位，二位四通電磁閥通電，液壓泵油液經二位四通電磁閥和三位四通電磁閥左位進入無桿腔。液壓缸有桿腔油液經三位四通電磁閥左位流回油箱，液壓缸實現快退。

圖3 盾構機液壓缸推進無力故障樹

3 盾構機液壓缸推進無力故障樹分析

3.1 故障樹的建立

根據盾構機液壓推進系統的原理，同時參考《故障樹分析程序》(GB 7829—1987)，建立盾構機液壓缸推進無力故障樹，如圖3所示。盾構機液壓缸推進無力故障樹是通過6個中間事件、13個底事件和若干個邏輯門“或門”和“與門”進行連接。通過對盾構機維修日志中的故障數據進行統計，得出故障樹底事件的發生概率，如表1所示。

表1 故障樹底事件及其發生率

3.2 故障樹分析

3.2.1 故障樹定性分析

故障樹定性分析的主要目的是找出導致故障樹頂事件發生的所有可能故障模式，即求出故障樹的最小割集。割集是導致頂事件發生的基本事件的集合，最小割集是引起頂事件發生必須的最低限度割集。

通過布爾運算對圖3故障樹進行分析，得到最小割集12個，分別為{E1}、{E2}、{E3}、{E4}、{E5}、{E6}、{E7}、{E8E9}、{E10}、{E11}、{E12}和{E13}。其中一階最小割集共11個，分別是：{E1}、{E2}、{E3}、{E4}、{E5}、{E6}、{E7}、{E10}、{E11}、{E12}和{E13}；二階最小割集1個，即{E8E9}。

對于故障樹而言，最小割集的階數越小，一階最小割集數量越多，則故障樹頂事件發生的可能性越大。通過一階最小割集分析可知，盾構機液壓缸推進無力故障主要與五類元件有關：油泵、傳感器、溢流閥、液壓缸和液力鎖。任意一種元件出現故障，都有可能造成液壓缸推進系統故障，所以應重點關注這5種元件的維護和改進。其次是注意環境和人為故障，克服惡劣環境影響以及加強盾構機液壓推進系統的日常維護工作是必要的。

3.2.2 故障樹定量分析

故障樹定量分析的主要目的是求出故障樹頂事件的發生概率以及故障樹中各底事件的重要度，根據重要度的大小排序確定故障診斷和維護順序。

若故障樹有n個最小割集，分別為E1，E2，…，En，則故障樹頂事件T的發生概率

(1)

對式(1)進行運算，代入各最小割集的發生率，即可求出故障樹頂事件的發生率。圖4為盾構機液壓缸推進無力故障發生率隨工作時間的變化趨勢。

圖4 盾構機液壓缸推進無力故障發生率隨時間的變化趨勢

從圖4中可以看出，隨工作時間的增加，盾構機液壓缸推進無力故障的發生率呈線性上升趨勢，工作時間為100 h，故障發生率為0.003，當工作時間為1 000 h，液壓缸推進無力故障的發生率為0.03，即工作到1 000 h時，在100臺盾構機中將會有3臺出現液壓缸推進無力故障，故障發生率較高。因此，在工作1 000 h時應重點對液壓推進系統進行檢查和維護，如油壓檢查、噪聲檢查和泄露檢查。

故障樹重要度分析是研究底事件發生對頂事件發生的貢獻大小，得到不同底事件的重要度排序。故障樹重要度包括概率重要度Ip和關鍵重要度IC，如式(2)和式(3)所示。

式中：Q為頂事件的不可靠度；qi為第i個底事件的發生率。

盾構機液壓缸推進無力故障樹的底事件重要度如表2所示。從表2可知，除底事件E8和E9外，其余底事件的概率重要度相同，都為1，可看出，故障樹中“或門”連接的底事件概率一旦發生變化，必然會導致頂事件發生率出現變化。底事件E8和E9的概率重要度相對較小，說明“與門”連接的底事件故障率發生變化時，對頂事件發生率的影響不大。

當底事件的概率重要度區別不大時，應對關鍵重要度進行重點分析。圖5為故障樹底事件的關鍵重要度排序。

表2 故障樹底事件重要度

圖5 故障樹底事件關鍵重要度排序

從圖5中可看出，關鍵重要度排名前三位的底事件分別是E10、E2和E12，對應的故障模式分別是液壓缸密封圈泄露、油泵內泄漏、液力鎖單向閥磨損。從式(3)可知，底事件的關鍵重要度越大，說明底事件發生引發故障樹頂事件發生的可能性越大，根據關鍵重要度的排序可對系統故障的診斷順序進行確定。

通過實地調研發現，液壓缸密封圈泄露大多是活塞桿密封圈處發生漏油引起，從現場維修件發現主要是密封圈磨損和破壞。活塞桿密封圈故障主要是由于油缸存在設計或制造缺陷，或是使用不當造成。防止液壓缸密封圈的泄露可從以下三方面進行改進：活塞桿密封槽的尺寸公差和表面粗糙度應根據設計嚴格控制；裝入限位器或支撐環以限制密封圈的微動；在密封圈旁設置緩沖部件，以降低密封圈的負載，延長密封圈壽命。

針對油泵運行不良故障，在檢修過程中發現主要原因是泵側板磨損嚴重，導致軸向間隙過大，從而引起嚴重內泄漏。降低油泵端面泄漏，一方面可對端面進行間隙補償，在齒輪和蓋板之間增加一個補償零件，如浮動軸套或浮動側板等；也可采用減磨性能好的青銅合金制造側板，合理配置齒輪和泵體的材質，從而提高泵的使用壽命。

液力鎖單向閥磨損故障主要是由于閥芯受到污染造成疲勞磨損，引起閥體內泄漏，使進油壓力降低。閥芯磨損一般會隨著油液污染度的增大而急劇增大，嚴格定期檢查和更換油液制度，保證油液清潔度，可提高液力鎖的使用壽命。

4 結 語

針對盾構機中頻發的液壓缸推進無力故障，本文采用故障樹分析法對盾構機液壓推進系統進行可靠性研究。

研究發現，隨著盾構機工作時間的增加，液壓缸推進無力故障的發生概率呈線性上升趨勢，建議以1 000 h為時間間隔進行系統維護，以降低故障損失。分析顯示液壓缸推進無力故障大多由單點故障引起，說明液壓缸推進系統存在較多的薄弱環節。為了避免故障頻發，建議日常重點加強油泵、傳感器、溢流閥、液壓缸、液力鎖這五類液壓元件的維護和改進。當液壓缸發生推進無力故障時，停機時間較長，建議在故障發生時，優先對液壓缸密封圈泄露、油泵內泄漏、液力鎖單向閥磨損故障進行排查，以提高檢修效率。同時，可分別從元件的補償設計、工藝改進、提高油液清潔度等方面改善液壓系統的健康情況，增強盾構機液壓推進系統的可靠性。為了提高故障樹的運算精度，同時全面擴展底事件數量，可進一步考慮故障樹的模糊算法。

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