故障樹(shù)分析法在翻車(chē)機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用

(神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司, 河北 滄州 061113)

引言

現(xiàn)代大型機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電液集成在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中任何一個(gè)元件發(fā)生故障都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。液壓元件發(fā)生故障的概率雖然沒(méi)有電氣元件發(fā)生故障的概率高，但是液壓元件一旦發(fā)生故障，排查困難，維修周期長(zhǎng)，常常嚴(yán)重影響生產(chǎn)。所以對(duì)大型機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有著重要意義。

故障樹(shù)分析法是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹(shù)狀逐級(jí)細(xì)化的分析方法，常用它對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷[1]。故障樹(shù)分析的目的在于尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因和原因組合，識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式，也就是求出故障樹(shù)的全部最小割集。本研究應(yīng)用故障樹(shù)分析法對(duì)黃驊港C80型翻車(chē)機(jī)開(kāi)式側(cè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷分析，其本質(zhì)是在對(duì)翻車(chē)機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理的理解和液壓行業(yè)長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上由故障現(xiàn)象逐步尋找故障原因的邏輯思維過(guò)程。

1 翻車(chē)機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理

C型回轉(zhuǎn)式翻車(chē)機(jī)最大翻卸角度可達(dá)175°，可以方便迅速的將敞車(chē)內(nèi)的散料卸出，是散料運(yùn)轉(zhuǎn)的重要工具。由于其生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高，被廣泛應(yīng)用在港口、電廠(chǎng)和冶金等企業(yè)之中[2]。

翻車(chē)機(jī)液壓系統(tǒng)分為開(kāi)式側(cè)和閉式側(cè)兩部分，開(kāi)式側(cè)設(shè)置了4個(gè)并聯(lián)壓車(chē)缸，閉式側(cè)設(shè)置了6個(gè)并聯(lián)壓車(chē)缸和8個(gè)并聯(lián)靠車(chē)缸。整個(gè)工作過(guò)程中壓車(chē)缸組共完成三個(gè)動(dòng)作，即壓下、保壓和抬升。將壓車(chē)缸壓下過(guò)程定義為準(zhǔn)備階段，壓車(chē)缸抬升過(guò)程定義為結(jié)束階段。在準(zhǔn)備階段中壓車(chē)缸組壓下，將車(chē)廂夾緊在鐵軌上。在保壓階段，壓車(chē)缸有桿腔出口處的液控單向閥保持關(guān)閉狀態(tài)，將油液鎖在缸中，使壓車(chē)梁保持原位，同時(shí)翻車(chē)機(jī)完成翻轉(zhuǎn)卸料動(dòng)作，由壓車(chē)梁把車(chē)廂托住，以免車(chē)廂脫軌。在結(jié)束階段壓車(chē)缸組返回到原始位置，以便將空車(chē)廂推出。

翻車(chē)機(jī)開(kāi)式側(cè)液壓系統(tǒng)如圖1所示。圖1中4個(gè)并聯(lián)的液壓缸即為壓車(chē)缸8.1～8.4。每個(gè)壓車(chē)缸有桿腔出口接液控單向閥7.1～7.4，單向閥的主要作用是在保壓階段將油液鎖在缸內(nèi)。4個(gè)液控單向閥的控制油路兩兩并聯(lián)在一起，分別由2個(gè)電磁換向閥5.1～5.2控制。壓車(chē)缸無(wú)桿腔出口的調(diào)速閥6.1～6.4用來(lái)控制缸的運(yùn)動(dòng)速度。液壓缸4稱(chēng)為補(bǔ)償缸，在翻車(chē)機(jī)從0°翻轉(zhuǎn)到90°的過(guò)程中，由于散料逐漸卸出，車(chē)廂重量減輕，車(chē)廂支撐彈簧伸長(zhǎng)，使壓車(chē)缸略微抬起。在該過(guò)程中，依靠補(bǔ)償缸的動(dòng)作使油液補(bǔ)充到壓車(chē)缸無(wú)桿腔，避免吸空的發(fā)生。電液換向閥1控制壓車(chē)缸組的伸縮，閥1的A、B口接液控單向閥2，在保壓階段單向閥2都是關(guān)閉的，閥2的X口由換向閥3控制。

圖1 翻車(chē)機(jī)開(kāi)式側(cè)液壓系統(tǒng)原理圖

2 故障樹(shù)的建立與定性分析

故障樹(shù)分析(FTA)方法，即利用故障樹(shù)將系統(tǒng)故障原因自頂向下逐級(jí)進(jìn)行分析，估計(jì)頂事件的發(fā)生概率和底事件重要度，是系統(tǒng)可靠性分析、故障檢測(cè)與診斷常用的一種分析方法[3]。故障樹(shù)由故障頂事件、中間事件、底事件、邏輯與門(mén)和邏輯或門(mén)等元素組成。故障頂事件是系統(tǒng)故障分析的目標(biāo)事件，它通常是液壓執(zhí)行元件未完成規(guī)定動(dòng)作的現(xiàn)象。底事件或基本事件是故障樹(shù)分析法所要尋找的故障原因。最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的數(shù)目不可再少的底事件的集合[4]。故障樹(shù)中各個(gè)事件是由邏輯門(mén)聯(lián)系在一起，邏輯門(mén)主要有與門(mén)和或門(mén)。

翻車(chē)機(jī)開(kāi)式側(cè)液壓系統(tǒng)故障現(xiàn)象主要有三種形式，即“壓車(chē)缸未壓下”、“壓車(chē)缸未保壓”和“壓車(chē)缸未抬升”。本研究應(yīng)用故障樹(shù)分析法對(duì)“壓車(chē)缸未壓下”故障現(xiàn)象進(jìn)行了分析，建立的故障樹(shù)如圖2所示。

圖2 壓車(chē)缸未壓下故障樹(shù)

圖2中，頂事件T表示壓車(chē)缸不能壓下。中間事件M1表示全部壓車(chē)缸都不壓下；M2表示單個(gè)壓車(chē)缸不壓下；M3表示供油系統(tǒng)故障；M4表示該進(jìn)油支路存在故障。底事件X1表示換向閥1不能左位工作；X2表示溢流閥9處在常開(kāi)啟狀態(tài)；X3表示總進(jìn)油管路泄漏；X4表示溢流閥10常開(kāi)啟狀態(tài)；X5表示換向閥3未換向；X6表示油箱油量不足；X7表示泵故障；X8表示濾油器堵塞；X9表示泵源出口溢流閥處于常開(kāi)啟狀態(tài)；X10表示電機(jī)故障；X11表示未動(dòng)作壓車(chē)缸支路上的調(diào)速閥6.1～6.4堵塞；X12表示壓車(chē)橫梁被卡??；X13表示壓車(chē)缸未壓下支路上的液控單向閥7故障；X14表示該支路進(jìn)油管路泄漏。

由于上例故障樹(shù)中的邏輯門(mén)都為或門(mén)，則任意一個(gè)底事件發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致“壓車(chē)缸未壓下”故障。所以，該頂事件共有14種最小割集，它們分別是{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}，并且都為一階最小割集。每一種最小割集代表一種故障模式，最小割集越多系統(tǒng)越容易發(fā)生故障。

故障樹(shù)定性分析只能羅列出引發(fā)此類(lèi)故障現(xiàn)象的多種可能原因，即最小割集，而不能直接找到導(dǎo)致該故障的根源。但是有些故障原因可以通過(guò)觀(guān)察直接排除，如X3總進(jìn)油管路泄漏、X14支路進(jìn)油管路泄漏和X12壓車(chē)梁被卡住。有些故障原因發(fā)生也會(huì)同時(shí)導(dǎo)致閉式側(cè)液壓系統(tǒng)故障，如X6油箱油量不足、X10電機(jī)故障和X8濾油器堵塞，如果閉式側(cè)液壓系統(tǒng)工作正常，便可以排除這3種故障原因。剩下的8種故障原因可以通過(guò)故障樹(shù)定量分析確定各底事件即液壓部件的重要度，再按照重要度從大到小的順序依次檢查各液壓部件的工作狀態(tài)。

3 故障樹(shù)定量分析

障樹(shù)定量分析包括求頂事件的發(fā)生概率和各底事件的重要度。

3.1 頂事件發(fā)生概率

頂事件的發(fā)生概率即為系統(tǒng)失效概率，它是評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。在“壓車(chē)缸未壓下”故障樹(shù)中，各底事件是相互獨(dú)立的，可以由獨(dú)立事件和的概率公式計(jì)算頂事件的發(fā)生概率[5]：

(1)

其中，Qs(t)為故障樹(shù)頂事件在時(shí)間t內(nèi)的發(fā)生概率；n為故障樹(shù)最小割集的個(gè)數(shù)，在“壓車(chē)缸未壓下” 故障樹(shù)中最小割集個(gè)數(shù)等于底事件的個(gè)數(shù)；Qi(t)為底事件i在時(shí)間t內(nèi)的發(fā)生概率。在一般情況下，液壓元件的壽命服從指數(shù)分布，則Qi(t)計(jì)算式[6]：

Qi(t)=1-e-λi·t

(2)

其中，λi為底事件的失效率，具體數(shù)值[7]如表1所示。

表1 故障樹(shù)各底事件失效率及發(fā)生概率

其中，t為底事件工作時(shí)間，根據(jù)黃驊港翻車(chē)機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，在一年時(shí)間內(nèi)，壓車(chē)缸壓下過(guò)程的時(shí)間約為511 h。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出故障樹(shù)中各底事件發(fā)生概率，如表1所示。代入式(1)，計(jì)算得出“壓車(chē)缸未壓下”頂事件在一年時(shí)間內(nèi)發(fā)生的概率為2.7%。

3.2 底事件重要度

重要度是一個(gè)部件或系統(tǒng)的割集發(fā)生故障時(shí)對(duì)頂事件發(fā)生概率的貢獻(xiàn)程度，它是時(shí)間、部件可靠性參數(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的函數(shù)[7]。重要度主要分為部件概率重要度和部件關(guān)鍵重要度，部件即為故障樹(shù)中的底事件。

1) 底事件概率重要度

底事件概率重要度表示底事件i對(duì)頂事件狀態(tài)的影響程度，其定義式[7]：

其中，Q(t)為除底事件i外其他底事件的故障概率。1i表示底事件i故障；0i表示底事件i正常。從定義式可知，概率重要度是部件i發(fā)生故障時(shí)頂事件發(fā)生概率和部件i正常時(shí)頂事件發(fā)生概率的值之差。

因?yàn)椤皦很?chē)缸未壓下”故障樹(shù)為或門(mén)結(jié)構(gòu)，將式(1)和式(2)代入式(3)中，并求偏導(dǎo)可得：

(4)

將各底事件失效率和工作時(shí)間代入式(4)，計(jì)算出底事件概率重要度，如表2。

表2 故障樹(shù)各底事件概率重要度及關(guān)鍵重要度

2) 底事件關(guān)鍵重要度

底事件關(guān)鍵重要度是一個(gè)變化率的比。它與概率重要度的主要區(qū)別在于，底事件關(guān)鍵重要度考慮了第i個(gè)底事件發(fā)生故障的概率占整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障概率的比重，其定義式[7]：

(5)

關(guān)鍵重要度是工程實(shí)際中普遍采用的評(píng)價(jià)元件對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的指標(biāo)，它與底事件概率重要度成正比。將底事件和頂事件的發(fā)生概率及底事件概率重要度代入式(5)，計(jì)算出故障樹(shù)中各底事件的關(guān)鍵重要度，如表2。

為了方便比較將底事件關(guān)鍵重要度計(jì)算結(jié)果顯示在柱狀圖3中，橫坐標(biāo)表示不同的底事件，縱坐標(biāo)為關(guān)鍵重要度的計(jì)算結(jié)果。可見(jiàn)，液壓泵的關(guān)鍵重要度最高，節(jié)流閥次之。所以，在液壓系統(tǒng)故障診斷時(shí)應(yīng)首先檢查泵的工作狀態(tài)。

圖3 液壓元件關(guān)鍵重要度

4 結(jié)論

應(yīng)用故障樹(shù)分析法對(duì)翻車(chē)機(jī)液壓系統(tǒng)的開(kāi)式側(cè)部分“壓車(chē)缸未壓下” 的故障進(jìn)行了診斷分析。 找出了導(dǎo)致“壓車(chē)缸未壓下”故障的所有最小割集， 計(jì)算出該故障在一年內(nèi)發(fā)生的概率為2.7%，在此基礎(chǔ)上求出各底事件的關(guān)鍵重要度。所得結(jié)果可以指導(dǎo)維修人員確定故障排查順序，避免盲目拆裝液壓系統(tǒng)，提高了故障診斷效率。

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