基于FTA的煤礦液壓支架乳化液泵故障分析

薄一龍

（同煤國電同忻煤礦維修隊， 山西　大同　037001）

引言

隨著我國煤礦企業向著高產高效的方向不斷前進，對綜采工作面主要支護設備的液壓支架的要求也變得越來越高，特別是在其可靠性與安全性方面。液壓支架的廣泛使用大大降低了井下礦工的工作強度，提高了工作的安全保障性和生產效率。

根據現場對液壓支架使用過程中的故障統計，發現其故障主要來源是液壓系統。因此，為了確保液壓支架的正常運行，減少維護與維修的費用，對其液壓系統進行故障預測和分析是非常有必要的。

20世紀60年代，故障樹分析法被美國的貝爾實驗室首先提出。故障樹分析法是基于圖形演繹的邏輯分析方法。通過故障樹分析方便、迅速、準確地找到系統故障的主要原因，發現薄弱壞節，同時還可以利用數學計算來確定故障的發生概率，以此作為科學、客觀判斷故障原因、選擇故障處理方法的理論依據[1]。

1　液壓支架泵站液壓系統故障樹的建立

1.1　液壓支架泵站液壓系統故障分析

生產實踐表明，液壓支架發生故障多數是由液壓系統所造成。而整個液壓系統的“心臟”則是乳化液。乳化液泵的工作特點是擁有較大的傳動功率、較好的抗沖擊能力和較強的抗污染性能。但是，綜采工作面煤塵粉塵嚴重，地質條件復雜，使得在這種惡劣條件下運行的液壓支架乳化液泵經常出現故障。當乳化液泵由于零部件損壞或者功能出現問題時就認為其發生故障并失效[2]。

通過查閱資料并結合現場經驗來看，乳化液泵出現故障時往往有兩個比較明顯的現象，一方面是容積效率下降，泵壓不足導致支架無動作或者運行速度減慢；另一方面則是出現較大的振動和噪聲，乳化液溫度也增加。造成第一種現象的原因有：由于缸體、配油盤配合表面磨損或者質量問題導致泵缸體與配油盤間隙過大；由于密封老化或者密封件損壞導致的密封失效問題；柱塞與缸體配合面磨損嚴重，使得乳化液大量泄漏。造成第二種現象的原因有：乳化液里混入空氣、液面過低或補液量不足導致的主油泵空吸；乳化液量不足或者安裝時出現問題。

1.2　故障樹的建立

根據前面對乳化液泵故障的分析，建立液壓支架乳化液泵故障樹。頂事件即乳化液泵故障，現象包括容積效率下降，泵壓不足以及振動、噪聲、溫度加劇。通過不斷分析和完善，可以建立最終的故障樹體系。該體系包括6個邏輯或門和9個底事件構成。其故障樹示意圖如圖1所示[3]。

圖1　煤礦液壓支架乳化液泵故障樹示意圖

2　液壓支架泵站液壓系統故障樹分析

2.1　定性分析

對圖1所示煤礦液壓支架乳化液泵故障樹進行定性分析，得出該故障樹的最小割集，以此判斷相關底事件對與頂事件的影響。通過簡單的布爾運算可以求得系統最小割集。通過邏輯分析，由于故障樹中每個底事件均為邏輯“或”，因此最小割集為：

從式（1）可以看出，煤礦液壓支架乳化液泵故障樹的最小割集為{x1}{x2}{x3}{x4}{x5}{x6}{x7}{x8}{x9}。也就是說，故障樹分析中，所有底事件均為頂事件的最小割集，那么每一個因素的出現都可能導致整個系統的故障，該系統可靠性較低。

2.2　定量計算

運用CAFTA軟件對上頁圖1所示煤礦液壓支架乳化液泵故障樹進行定量計算。CAFTA軟件是用于系統可靠性分析的專業工具，能夠根據建立的圖形模型，配合給定的參數實現數據管理、運算分析、結果分析等功能。將上頁圖1故障樹繪制如CAFTA軟件，同時根據查閱資料獲得的故障間隔時間（如表1所示）輸入每個底事件。在系統中設置參數，其中模擬次數為3 000次，有效時間區間為（0，350 00）。之后進行運算得到各底事件的失效概率和模式重要度，分析結果如表1所示。其中模式重要度均為1，與定性分析結果一致[4]。

表1　各底事件故障間隔時間與分析結果表

根據CAFTA軟件的計算結果，進行頂事件的發生概率計算。算法如下式2所示：

則 ：P=1-（1-x1）（1-x2）（1-x3）…（1-x8）（1-x9）=0.295 334 043≈29.53%。

即煤礦液壓支架乳化液泵故障概率為29.5%，系統可靠性為70.5%。

3　液壓支架泵站液壓系統故障樹結果分析

1）從故障樹定性分析與定量計算可以看出，各底事件模式重要度為1，說明每個底事件都有導致頂事件發生的可能。因此，對每個底事件都要引起足夠的重視。

2）配油盤加工精度不夠、中心球鉸安裝問題、配油盤磨損以及密封件磨損失效概率較大，屬于液壓系統的薄弱環節。為了解決這些問題，要注重設備的加工工藝與精度，加強質量監管，完善管理制度。盡可能避免質量問題造成的液壓支架乳化液泵故障。

3）利用CAFTA軟件進行進一步分析，繪制系統的可靠度直方圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，液壓支架乳化液泵在使用初期沒有故障發生，當運行得到1 500 h左右時，可靠性開始下降，當運行到3 000 h左右的時候，可靠性變得非常低。這時需要對液壓支架乳化液泵進行大修[5]。

圖2　煤礦液壓支架乳化液泵可靠度直方圖

4）從結果分析來看，故障樹分析法以及CAFTA軟件的運行能夠對煤礦液壓支架乳化液泵進行比較客觀、科學的故障分析，結果與實際比較接近，可以作為故障診斷、故障檢修的理論依據。具有較好的科學性和實踐性。

4　結論

1）通過對煤礦液壓支架乳化液泵進行故障分析，建立了由6個邏輯或門、9個底事件構成的故障樹。對建立的故障樹進行了定性分析并利用CAFTA軟件進行了定量計算和可靠度直方圖模擬。

2）分析結果顯示，系統可靠性為70.5%，其中每個底事件都可能導致系統故障的發生。另外，初期沒有故障發生，當運行得到1 500 h左右時，可靠性開始下降，當運行到3 000 h左右的時候，可靠性變得非常低。

[1]趙亮培.基于故障樹分析的液壓系統故障診斷研究[J].機床與液壓，2009，37（2）：199-200.

[2]李為行.綜采工作面液壓支架液壓系統的故障診斷與分析[D].青島：山東科技大學，2009.

[3]劉鵬，朱命怡，李長勝，等.帶式輸送機新型托輥管體實驗研究[J].礦山機械，2009，37（17）：53-55

[4]韓偉紅，李興書，呂勇慶，等.故障樹分析法在帶式輸送機可靠性分析的應用[J].煤礦機電，2011（4）：79-81

[5]張紅光，陳金剛.綜采工作面液壓支架液壓系統的故障診斷與分析[J].工藝設計改造與檢測檢修，2012（21）：84.