解析工程機械維修中故障樹分析法應用

王祥軍

（湖南中鐵五新鋼模有限責任公司 湖南長沙 410100）

1 引言

當前，作為大型施工項目所必需的設備與器具，工程機械對我國的基礎設施建設起到了至關重要的作用。在工程機械發生故障后，通過故障樹分析方法對工程機械開展全面的分析，以找到其故障原因和問題所在，進而有針對性的開展維修工作。工程機械的維修自身便是較大的一項工程，發生的故障也是各式各樣，在故障診斷時若發生失誤，將引起極大的物力、人力、財力損失，并且還不能完成維修工作。在某些大型項目中，工程機械維修工作如果一旦沒做好，則將嚴重影響施工進度和質量，從而導致公司的經濟和社會效益都將受到重大損失。

2 故障樹分析法及工程概述

2.1 故障樹分析法概述

故障樹分析是一種分析安全性與可靠性的系統工具，1961年在美國的貝爾實驗室產生，其主要采用邏輯門符號、事件符號及轉移符號等形式對系統內各類事件因果聯系進行描述。故障樹分析方法是將分析系統中最不希望出現的故障情況當作故障的研究目標，進而找到直接引發此故障的所有因素，接著再找到引起下級事件的所有直接性因素，直到無需再查找原因為止。故障樹分析法基于故障樹，對系統中導致故障產生的各類途徑與因素進行分析，并在系統維修環節，可以有助于診斷的故障及維修方案的改進工作。

2.2 工程概述

在西安至成都高鐵隧道施工項目中，采用CHP25B混凝土濕噴機工程機械，混凝土噴射量為25m3/h，是該項施工中的重點機械設備。此濕噴機包括主體結構（由前、后支腿，前、后支腿和副車架組成）、機械手系統（由液壓油缸、傳感器、結構件等組成）、智能控制系統及液壓系統等部分。其中，機械手系統是濕噴機的一個核心部件，主要承擔噴射混凝土的空間布料、混凝土速凝劑的添加、壓縮空氣混合等主要功能，主要由回轉系統、大臂、小臂、伸縮臂總成、噴頭總成等構成。回轉系統主要結構由回轉減速機、小齒輪、回轉支撐、回轉臺等部件組成，其中回轉減速機包含角度傳感器和液壓制動器等。伸縮臂總成由伸縮油缸、滑板、小臂、前伸縮臂、后伸縮臂等結構組成。噴頭總成由360°擺動油缸、240°擺動油缸、360°刷動馬達、噴嘴等組成。在工程施工進程中，機械手動作靈敏度低的問題，原因為智能控制系統計算時間長、液壓延時、結構剛度低等。由于混凝土噴射方量大，機械手動作靈敏度低會造成混凝土的堆積，影響噴射面的平整度和對后續防水板的鋪設照成困難。會產生極大危害，所以必須要及時處理此故障。

3 創建故障樹

創建故障樹主要是利用建立過程以對系統實施更進一步的了解，進而找到易于出現故障的部位和環節，從而利于維修工作的更好開展，同時為故障樹的定性研究提供條件。

3.1 建樹方法與流程

故障樹建立前，需收集和研究有關的技術資料，存在許多建立方法，針對該案例中故障，選擇演繹法實施人工建樹過程。演繹法要求由頂事件起，從上至下，循序漸進的逐層建樹，主要流程包括：①頂事件分析，找到引發頂事件的直接性因素，把頂事件當作輸出性事件，并把全部的直接因素當作輸入性事件，然后按照該事件的實際邏輯聯系以適宜的邏輯門進行關聯。②對每個和頂事件存在直接關聯的輸入事件進行分析。若此事件還可以進一步被分解，那么將它當作下一級輸出事件，按第一步流程對該事件實施處理。③重復以上過程，向下逐層進行分解，直至輸入事件全部都不再可以被分解或是無需再進行分解停止。該類輸入事件便是故障樹系統底事件。

3.2 故障樹的建立

本文針對機械手動作靈敏度低的故障，采取故障樹分析方法展開系統研究，構建故障樹以迅速的找出問題原因，從而使此問題得到及時處理。先假定以下條件：各個底事件間互相獨立；事件都有二值性，并且外界不對其產生干擾；各接頭連接與管路狀況完好。故障樹系統中，底事件、中間事件與頂事件分別以符號X、M、T表示，且樹系統中每個符號含義為：①頂事件T：機械手動作靈敏度低；②中間事件M：M1表示控制系統計算時間長，M2表示液壓系統反應靈敏度低，M3表示結構件剛度低，M4表示各臂架見間隙大，M5表示伸縮臂滑板強度低，M6表示前后伸縮臂的外形尺寸出現偏差，M7表示液壓油缸出現內外泄；③底事件X：X1表示控制器程序沉余嚴重，X2表示控制程序量太大，X3表示結構件應力大，X4表示臂架見間隙設計過大，X5表示伸縮臂滑板強度設計不到位，X6表示前后伸縮臂制造工藝出現偏差，X7表示液壓系統控制油量過少，X8表示密封圈受損，X9表示液壓缸出現變形，X10表示液壓缸出現劃痕，X11表示缸體和柱塞配合發生重大磨損。

4 故障樹分析過程

4.1 故障樹定性分析

定性分析的目的為：找出與系統相關的且不希望出現的事件因素及因素組合，簡言之，就是要找到造成頂事件的全部故障形式，明辨潛在問題事故。樹系統最小割集即表示一個故障類型，故障樹的定性分析便是找到所有故障樹的最小割集。常用的最小割集計算方式包括上行法與下行法等。對于本案例故障，采取“下行法”進行最小割集求解。因該故障樹都通過或門組成，所以其最小割集可用{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}，即此類事件若發生 1 個，便會引發頂事件，因此，在故障診斷時，應按照具體工況逐個開展判斷分析。

4.2 故障診斷

從故障樹系統可知，此故障原因可通過排除法進行排查，步驟如下：

（1）通過觀察引起M1控制系統計算時間長的全部底事件X1、X2可知，控制系統程序沒有沉余，且程序量不大，所以控制系統計算時間長不存在，可以排除{X1}、{X2}。

（2）對M7液壓油缸發生外泄，經外部觀察檢測未發現缸體出現漏油情況，可以排除{X8}、{X9}。對M7油缸發生內泄，使機械手各個油缸全部運動到極限位置并持續供油，觀察回油鋼管是否有液壓油流出，表明液壓油缸沒有發生內泄，排除{X10}、{X11}。

（3）對M3結構件剛度問題，通過有限元軟件仿真，判斷出結構件變形較小。并設計專用變形測試系統進行實際測試表明有限元計算與實際測試結果相似變形都比較小。可將因素{X3}排除。

（4）通過對液壓系統控制油量的測試發現，該油量與元件樣本流量相符合，但與液壓系統設計油量相比過少，通過與液壓元件的廠家多方溝通、分析、試驗并定制液壓元件閥芯，使之滿足濕噴機機械手這種特殊工況下的控制油量的需求。在完成裝配后再重新啟動液壓系統，通過運行試驗可看到機械手的動作靈敏度得到大幅度的提升，因此可明確故障因素是X7。

5 結束語

綜上所述，機械工程對于項目工程建設發揮著重大作用，可以有效推動企業的發展，為國家經濟社會發展提供了重要條件。所以，應高度重視工程機械的維修工作，并采取合理、有效的故障樹分析方法開展故障分析，從而不斷提升機械設備的維修工作效率。利用故障樹的定性分析，能夠快速找到故障產生原因，從而避免了許多無必要性的工作，節約了時間，并得到了良好的診斷效果。