基于FMEA和FTA的液壓支架掩護梁可靠性分析

盧肖琳

(同煤集團機電裝備力泰有限責任公司)

目前，綜合機械化采煤工藝已經成為當前的主要采煤技術。在綜采工藝中，液壓支架是工作面“三機”之一，其發展水平和先進性代表著煤機裝備的現代化程度，其性能與可靠性則決定著煤炭開采的效率與安全性[1-3]。因此如何判斷液壓支架的可靠性，提出具有針對性的改善措施非常必要。

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)是一種從下到上、從因到果、從系統底層開始分析的方法；故障樹(Fault Tree Analysis，FTA)則是一種從上到下、從果到因、從系統頂層開始分析的方法。FMEA主要是對故障模式和嚴酷度進行研究分析，而FTA可以對人—機—環境等各類因素進行分析，兩者之間可以相互彌補，提高分析結果的全面性、完整性和可靠性。為提高液壓支架掩護梁在可靠性，采用FMEA和FTA方法對存在的可靠性問題進行分析研究，以得出科學、合理、客觀的結論，提出具體改進措施。

1 液壓支架掩護梁可靠性FMEA分析

1.1 FMEA分析方法

FMEA的研究對象是系統中的各個零部件，通過重點判斷零部件可能發生的故障模式、嚴重程度、發生頻率和發現難易度來判斷其對整個系統產生的影響大小(風險度大小)，進行風險評定，從而準確判斷系統弱點，進而進行針對性的改進，消除不良影響[4]。因此FMEA是對未發生故障的預測，是將預想分析盡可能科學化、合理化的一種方法。FMEA主要分析步驟見圖1。

1.2 分析步驟

(1)嚴酷度劃分。嚴酷度是指故障類型發生后，對整個設備系統產生的影響與危害大小。液壓支架掩護梁故障嚴酷度劃分等級見表1。

圖1 FMEA主要分析步驟

表1 液壓支架掩護梁故障嚴酷度劃分等級

(2)發生概率劃分。發生概率指故障發生的可能性，取值可根據發生可能性的高低從表2中選擇。

表2 液壓支架掩護梁故障發生概率取值

(3)發現難易程度劃分。發現難易程度是指故障出現時，能否及時發現和采取相應的操作。發現難易程度劃分見表3。

表3 液壓支架掩護梁故障發現難易程度劃分

(4)風險性評價。風險性評價是對系統風險性的綜合判斷，是對嚴酷度、發生概率及發現難易程度的綜合考慮。計算方法見式(1)。

RPN=S×O×D ,

(1)

式中，S為嚴酷度；O為發生概率；D為找到故障原因的難易程度。

1.3 故障類型分析

根據FMEA基本原理，對液壓支架掩護梁常見的開裂、變形、斷裂3大故障類型對進行分析。

表4 液壓支架掩護梁FMEA分析結果

由表4可見，變形故障模式的RPN值最大，因此在支架使用和維護過程中要特別注意這一故障模式，及時采取相應措施進行控制，以降低該故障模式下的風險性。嚴酷度等級最高的是斷裂故障模式，在液壓支架掩護梁使用中必須避免該故障出現。

2 液壓支架掩護梁可靠性FTA分析

FMEA是一種判斷故障模式對系統影響大小的方法，但不能進行故障因素的具體分析，因此可以結合其他可靠性分析方法進行綜合研究。故障樹(FTA)就是分析某一事件發生的全部因素，并通過樹形結構羅列各因素之間的關系從而進行定量和定性分析的手段[5]。通過FTA分析發現，液壓支架掩護梁開焊、變形、斷裂的主要原因為焊工技術差、焊接工藝不當、材料質量差、設計缺陷導致強度不足、材料熱處理不當等。以此建立故障樹，見圖2，圖中各參數說明見表5。

圖2 液壓支架掩護梁故障樹

參數說明參數說明參數說明T掩護梁故障x1載荷過大x4材料處理不當M1質量問題x2設計問題,強度不足x5焊接工藝問題M2焊接問題x3材料質量差x6焊工技術差

對故障樹進行布爾運算，邏輯關系均為“或”門，計算式：

T=x1+x2+x3+x3+x4+x5+x6.

(2)

因此系統最小割集有6個，且都是一階割集，只要有1個發生故障就會導致整個系統故障，系統可靠性較差。

3 提高液壓支架掩護梁可靠性

綜合FMEA和FTA分析結果，制定提高液壓支架掩護梁可靠性的措施，主要從以下幾個方面進行。

(1)確保材料滿足要求。對材料和焊接工藝操作進行分析，通過成分化驗和性能試驗檢查其是否滿足工作要求，同時定期抽查檢查結果記錄。

(2)確保結構件焊后尺寸。為確保結構件不會發生變形，必須保證結構件焊后尺寸正確，板材連接點需采用剛性拉筋進行加固。焊接后，拉筋要磨平。

(3)確保焊接質量。在焊接前要清除兩端銹漬、油污或其他雜質。為確保焊接性能，還要預熱板材并控制好焊接溫度，防止因溫度不適宜導致焊接變形。在焊接過程中，還要注意合理選擇焊接工藝和焊接順序，先焊接四周主筋板再焊接其他筋板，按從里到外、先縱后橫順序進行。結構件采用平焊。凡是有橫筋和縱筋的位置蓋板均應塞焊，確保焊接后強度。焊縫間隙小于1 mm，尺寸要均勻，表面要光滑。焊接質量要依據相關行業標準進行檢驗。由于焊接過程會產生一定的內應力，因此焊接后需進行退火處理。

(4)對操作工進行培訓。在作業過程中，工人誤操作會對液壓支架造成一定的損壞，因此要加強對操作工的培訓，使其充分掌握相關知識和操作技能，降低人為因素影響。加強對支架的日常巡檢和維護，保證支架良好的工作狀態，確保工作面高效安全生產。

4 結 論

(1)通過對液壓支架掩護梁可靠性進行FMEA分析，可以判斷掩護梁常見的故障模式，并對嚴酷度、發生概率和發現難易程度進行取值，進而計算出各故障模式的RPN值，并據此確定控制重點。

(2)壓支架掩護梁故障系統有6個最小割集組成，且均為一階割集，只要有1個發生故障就會導致掩護梁故障。

(3)針對性液壓支架掩護梁故障，提出了從材料質量、焊接質量、操作和維護等方面提高液壓支架的可靠性措施，保證其良好的工作狀態，確保煤炭開采順利進行。