基于故障樹的液壓系統故障診斷

張文亮

（武漢船用機械有限責任公司， 湖北 武漢 430084）

引言

挖泥船是航道疏浚生產作業中的重要工程船舶，通常配置液壓驅動類抓斗。該設備在一般情況下，都可保持穩定的狀態，但是作為直接與工作面接觸的設備，其液壓系統在設備全壽命工作運行周期中，會受到自身因素和環境因素的綜合影響，故障率通常明顯高于船上的其他設備。想要在其運行周期中獲得理想的工作效率、運轉水平，一方面可以采取縮短維護檢修間隔周期的方法來降低故障率，另一方面必須加強故障診斷水平，并在診斷的效率上不斷作出提升，從而降低平均維修時間。

與機械類故障和電氣類故障診斷相比，液壓類故障的平均診斷時間要遠遠高于前兩者[1]。這是因為大多數機械類故障指向性較強，通常能夠快速確定故障部位，然后通過目視的方式基本確認故障點；電氣類故障隱蔽性較強，但是電氣系統對檢測儀表更加友好，易于利用電氣儀表進行故障定位；而液壓系統在出現故障后，維修工作時間中超過1/2 的時間用于故障部位的查找。

本文采用故障樹理論作為故障診斷的基礎，從對象的工作原理出發，通過對分析對象在故障樹分支點的表現來確定分支方向，逐步縮小故障范圍，最后從部件拆裝診斷代價、不同部件的平均失效率等因素綜合考慮，確定范圍內部件排查順序，從而最終完成故障診斷。這種診斷方式即能節約診斷時間，又能夠盡可能降低診斷成本，具有較強的工程實用性。本文以抓斗液壓系統出現概率最高的故障——開合動作故障為案例，采用上述方法進行故障分析診斷。

1 故障樹的建立

故障樹分析法（Fault Tree Analysis）通常簡稱為FTA，于1962 年由美國貝爾電話實驗室（AT&T Bell Laboratories）開發，它采用邏輯的方法，通過事件符號、邏輯門符號以及轉移符號，來表示事故或者故障事件發生的原因及其邏輯關系，從頂事件出發，設想可能發生的各種部件缺陷和人為因素，向下推導故障發生的各種可能途徑（因果鏈），逐級分解形成中間事件，直到出現不能或不需要分解的基本事件（即底事件），最終形成一份包含多個事件邏輯因果關系的倒立樹狀的圖，即該頂事件的故障樹[2-3]。

某型挖泥船抓斗具有開合與俯仰兩種動作功能，其液壓系統的工作原理如圖1 所示。

圖1 液壓系統工作原理

依據該設備歷史維修記錄分析，選擇出現頻率較高的“開合動作故障”作為頂事件T1 建立故障樹。根據設備的工作原理，逐級分析故障事件因果關系，包括中間事件E1～E5共計5 項、底事件X1～X13共計13項的故障樹圖，整體故障樹如下頁圖2 所示，事件內容見下頁表1。

表1 故障事件內容

圖2 整體故障樹

2 故障診斷思路

根據上文所得的故障樹可知，引起該項故障頂事件發生的可能原因共有13 個底事件。如果依次對13個底事件進行故障排查，將耗費較大的人工和時間，因此需要先根據設備的工作原理，針對故障樹涉及的關聯性底事件表現進行分類評估，縮小診斷范圍，然后按照故障概率、經濟性代價和診斷難度選擇排查順序，從而盡量減少故障診斷的時間、人工成本。

2.1 縮小診斷范圍

觀察抓斗液壓系統的其他功能工作能力是否正常，通過增加限制條件的方法先縮小底事件的排查范圍。通過現場設備試操作發現，抓斗臂架的俯仰功能可正常工作。

根據設備原理分析，中間事件E3系統供油壓力不足和E4液壓回路故障兩項事件向下分解的部分涉及與俯仰功能共用液壓回路的底事件可排除，即X3～X9共計7 項底事件可從故障懷疑對象中剔除，診斷范圍縮小至{X1，X2，X10～X13}。

2.2 目視檢查優先

針對 X1、X2、X10～X13這 6 項底事件進行分析，其中X11管接頭漏油泄壓底事件的診斷工作最簡單易行，時間性和經濟性代價最低，采用目視的方式就可實現排查，因此首先安排目視檢查管接頭漏油現象，經檢查無漏油現象，可排除底事件X11，診斷范圍再次縮小至{X1，X2，X10，X12，X13}。

2.3 易損先檢

在排查范圍無法繼續縮小的情況下，則需要根據診斷過程的難易程度及故障概率的情況來確定逐個排查的次序。對于不同類型的排查對象，應遵循易損先檢的排序原則，根據本設備故障維修歷史數據和該類元器件的平均失效率確定各底事件發生的概率，對發生故障概率大的底事件優先診斷。然后根據難易程度，按照先易后難的排序原則，對排查程序簡單、易于開展排查工作的底事件優先診斷；綜合考慮上述2 個原則的排序結果，同時兼顧現場工具工裝的齊備性、檢修班組的專業資質及停工代價等內外因素影響，并征得現場專/兼職安全員的同意后，確定科學、合理、安全的診斷次序。

針對本故障，查閱設備維修履歷表可知，系統內無修復后繼續投入使用的元器件，因此主要根據元件失效率進行排查排序。根據生產廠家提供的數據資料，本故障涉及的液壓系統內主要元器件的平均失效率如表2 所示。

表2 主要元器件的平均失效率

根據表2 數據可知，診斷范圍內剩余的底事件發生概率從小到大依次排序為X1＜X2＜X13＜X10＜X12。據此確定優先排查對象為換向閥，其次為單向節流閥，最后為油缸及其密封。按照上述分析的結論，依次對上述元件開展拆檢排查工作，最終發現單向節流閥的閥芯部位出現卡滯，流道開啟過小。經過更換閥芯后復裝試驗，該故障排除。

3 結語

針對出現概率較大的故障，將其作為頂事件預先完成故障樹繪制，能夠有效地提高故障維修水平，減少時間、人工成本。在根據故障樹開展診斷的過程中，采取縮小診斷范圍、目視檢查優先和易損先檢的工作方式能夠盡快排除無關底事件，確定合理的排查拆檢順序，具有較強的實用性。