張小波，陸 遠(yuǎn)，胡 瑩，顧 嘉

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

基于動(dòng)態(tài)故障樹分析法的全自動(dòng)液壓機(jī)故障分析

張小波，陸 遠(yuǎn)，胡 瑩，顧 嘉

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031)

為了提高全自動(dòng)液壓機(jī)的安全性和可靠性，某型號(hào)全自動(dòng)液壓機(jī)控制系統(tǒng)采用了一定的冗余設(shè)計(jì)。鑒于動(dòng)態(tài)故障樹分析法特別適合于具有冗余設(shè)計(jì)的設(shè)備故障建模，故采用動(dòng)態(tài)故障樹分析法對(duì)該型號(hào)全自動(dòng)液壓機(jī)進(jìn)行故障建模與分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。試驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建的故障模型以及提出的改進(jìn)措施對(duì)該型號(hào)全自動(dòng)液壓機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、使用、維護(hù)以及提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益都具有重要的參考價(jià)值。

動(dòng)態(tài)故障樹分析法(DFTA);故障建模與分析;冗余設(shè)計(jì)

0 引言

在現(xiàn)代化的制造企業(yè)中，生產(chǎn)方式已經(jīng)從人工生產(chǎn)逐漸發(fā)展為自動(dòng)化流水線的生產(chǎn)，一些關(guān)鍵設(shè)備一旦發(fā)生故障就會(huì)對(duì)整條流水線造成極大的影響并成為制約企業(yè)生產(chǎn)效率的一個(gè)重要因素［1］。全自動(dòng)液壓機(jī)是某制造企業(yè)自動(dòng)化流水線中的關(guān)鍵設(shè)備，為了提高其控制系統(tǒng)［2］的可靠性，在控制系統(tǒng)中采用了一定程度的冗余設(shè)計(jì)。全自動(dòng)液壓機(jī)要完成壓制、脫模等各種功能就需要不同的模塊實(shí)現(xiàn)，而全自動(dòng)液壓機(jī)的可靠性直接取決于各模塊的可靠性。因此，對(duì)全自動(dòng)的液壓機(jī)各模塊的故障分析就顯得尤為必要。本文在結(jié)合大量歷史故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)全自動(dòng)液壓機(jī)的機(jī)械、油路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分利用動(dòng)態(tài)故障樹分析法，建立故障模型，然后對(duì)其進(jìn)行可靠性分析并提出基于可靠性與維修性的改進(jìn)措施。

1 可靠性建模方法的選取

全自動(dòng)液壓機(jī)可靠性模型建立的方法和模型建立的好壞，直接影響著模型對(duì)象的故障提取、故障分析［3］的科學(xué)程度。建立可靠性模型的方法有傳統(tǒng)的故障樹分析法［4］(FTA)、二元決策圖法［5］(BDD)、馬爾可夫鏈法［6］(Markov Chains)和動(dòng)態(tài)故障樹分析法［7］(DFTA)。FTA是一種采用割集(單調(diào)系統(tǒng))或蘊(yùn)含集(非單調(diào)系統(tǒng))概念描述并基于靜態(tài)故障機(jī)理或靜態(tài)邏輯的分析方法，但它對(duì)具有動(dòng)態(tài)隨機(jī)性故障的容錯(cuò)系統(tǒng)、具有冗余設(shè)計(jì)以及具有順序相關(guān)性或狀態(tài)依賴性等特點(diǎn)的系統(tǒng)，不能提供合適的定性概念，也不能準(zhǔn)確描述部件對(duì)系統(tǒng)可靠性的定量分析;BDD僅適用于靜態(tài)故障樹分析;Markov Chains模型雖然可以解決動(dòng)態(tài)問題，但即使對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，Markov Chains模型的建立和求解也非常繁瑣，有時(shí)甚至由于計(jì)算量巨大而無(wú)法求解;DFTA綜合了傳統(tǒng)的故障樹分析法和馬爾可夫鏈法兩者的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)引入表征動(dòng)態(tài)特性的新的邏輯門類型，并建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)故障樹，進(jìn)行動(dòng)態(tài)故障樹分析，是解決具有動(dòng)態(tài)特性的全自動(dòng)液壓機(jī)故障分析的有效方法。

動(dòng)態(tài)故障樹分析法特別適用于具有動(dòng)態(tài)隨機(jī)性故障的容錯(cuò)系統(tǒng)、公用資源庫(kù)系統(tǒng)、冗余(或冷、熱備份)系統(tǒng)以及順序相關(guān)性或狀態(tài)依賴性系統(tǒng)的可靠性建模和分析。

動(dòng)態(tài)故障樹分析法分析過(guò)程分以下幾步:

①建立待分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)故障樹。在動(dòng)態(tài)故障樹中，除了傳統(tǒng)故障樹中的圖形符號(hào)邏輯門表示靜態(tài)關(guān)系外，還引入了一些特殊的邏輯門表示動(dòng)態(tài)關(guān)系。冷備份門(CSP)有一個(gè)基本輸入和一個(gè)以上的可選擇輸入，所有的輸入事件都是基本事件，基本輸入一開始就進(jìn)入工作狀態(tài)，而可選輸入一開始不工作只是作為基本輸入的替代備件，所有輸入事件都發(fā)生后，冷備份門的輸出事件才發(fā)生。功能相關(guān)門(FDEP)表示系統(tǒng)中某個(gè)部件發(fā)生故障(稱其為激發(fā)事件)可能會(huì)導(dǎo)致與其相關(guān)的其他部件無(wú)法進(jìn)入工作狀態(tài)或者故障。優(yōu)先與門(PAND)表示在容錯(cuò)系統(tǒng)的可靠性分析中，系統(tǒng)的故障模式不僅與基本事件的組合有關(guān)，而且與基本事件的先后順序有關(guān)。順序相關(guān)門(SEQ)表示最左邊的事件必須在靠近它的右邊的事件之前發(fā)生，而后在又必須在靠近他的右邊的事件之前發(fā)生，以此類推，只有這樣順序相關(guān)的輸出事件才會(huì)發(fā)生，輸出事件才發(fā)生，否則輸出事件不發(fā)生，第一個(gè)輸入可以是基本事件或者是某個(gè)門的輸出事件，而其他事件只能是基本事件。

②將動(dòng)態(tài)故障樹模塊化，分解成獨(dú)立的靜態(tài)子樹和動(dòng)態(tài)子樹。

動(dòng)態(tài)故障樹模塊化算法:對(duì)動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行兩次深度優(yōu)先遍歷，第一次對(duì)搜索到的故障樹中的底事件和中間事件設(shè)置三個(gè)標(biāo)記:標(biāo)記1表示第一次搜索到該事件所用的步數(shù);標(biāo)記2表示第二次搜索到該事件所用的步數(shù);標(biāo)記3表示最后一次搜索到該事件所用的步數(shù)。對(duì)于底事件，顯然有標(biāo)記1≡標(biāo)記2，然后再對(duì)動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行第二次遍歷，對(duì)每一個(gè)中間事件，計(jì)算與其相連接的所有下層事件中，標(biāo)記1的最小值和標(biāo)記3的最大值，分別用Min和Max表示。當(dāng)滿足下述條件時(shí)，節(jié)點(diǎn)N為獨(dú)立子樹:與其相連接的所有下層事件中，標(biāo)記1的最小值Min比節(jié)點(diǎn)N的標(biāo)記1的值大;與其相連接的所有下層事件中，標(biāo)記3的最大值Max比節(jié)點(diǎn)N的標(biāo)記2的值小。

③利用二元決策圖法和馬爾可夫理論相關(guān)方法對(duì)模塊化后獨(dú)立的靜態(tài)子樹和動(dòng)態(tài)子樹分別進(jìn)行定性和定量分析。

④綜合②、③步對(duì)各獨(dú)立子樹的分析結(jié)果，形成對(duì)整體系統(tǒng)故障分析。將子模塊看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以②或③對(duì)子樹的分析結(jié)果為輸出，用這個(gè)節(jié)點(diǎn)取代它所對(duì)應(yīng)的整個(gè)子樹，然后循環(huán)②、③步就可以得到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分析結(jié)果。

2 基于動(dòng)態(tài)故障樹的全自動(dòng)液壓機(jī)故障建模

結(jié)合全自動(dòng)液壓機(jī)設(shè)計(jì)原理和大量歷史故障數(shù)據(jù)，在不失一般性且簡(jiǎn)化分析的基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)故障樹分析法建立其故障模型如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)液壓機(jī)故障模型

其中T表示全自動(dòng)液壓機(jī)停機(jī)故障，G1表示機(jī)械故障，G2表示脫模故障，G3表示壓制故障，G4表示油路系統(tǒng)故障，G5表示控制系統(tǒng)失效，G6表示主控制系統(tǒng)故障，E1表示中框模塊故障，E2表示比例閥失效，E3表示模具故障，E4表示氣壓不足，E5表示橫梁進(jìn)給異常，E6表示油溫異常，E7表示漏油，E8表示變換器故障，E9表示輔助逆變器故障，E10表示電機(jī)故障，E11表示傳感器故障。

3 基于動(dòng)態(tài)故障樹的全自動(dòng)液壓機(jī)故障分析

根據(jù)動(dòng)態(tài)故障樹分析法原理，將液壓機(jī)動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行模塊化，得到動(dòng)態(tài)故障樹模塊化深度優(yōu)先遍歷表，如表1所示。其中，M1代表標(biāo)記1，也就是第一次搜索該事件所經(jīng)歷的步數(shù);M2代表標(biāo)記2，也就是第二次搜索該事件所經(jīng)歷的步數(shù);M3代表標(biāo)記3，也就是第三次搜索該事件所經(jīng)歷的步數(shù)，Min代表與該中間事件相連接的所有下層事件中，標(biāo)記1的最小值;Max代表與該中間事件相連接的所有下層事件中，標(biāo)記3的最大值;Y/N中的Y代表該事件可以看做一個(gè)模塊的頂事件，N代表該事件不可以看做某個(gè)模塊的頂事件;S/D中的S代表以該事件為頂事件的模塊為靜態(tài)模塊，D代表以該事件為頂事件的模塊為動(dòng)態(tài)模塊。

一般情況下，在模塊化過(guò)程中，當(dāng)遇到動(dòng)態(tài)邏輯門時(shí)，不再對(duì)動(dòng)態(tài)子模塊進(jìn)行細(xì)分。從表1中，我們可以看出全自動(dòng)液壓機(jī)動(dòng)態(tài)故障樹的模塊為{T，G1，G2，G3，G4，G5}，其中{G1，G2，G3，G4}為為靜態(tài)子模塊，{G5}為動(dòng)態(tài)子模塊，T可以看作是G1、G4、G5為底事件的靜態(tài)模塊，G1可看作是G2、G3、E3為底事件的靜態(tài)模塊。因此故障樹模塊{T，G1，G2，G3，G4}用二元決策圖法進(jìn)行求解;故障樹模塊G5用馬爾可夫鏈法進(jìn)行求解。

表1 動(dòng)態(tài)故障樹模塊化深度優(yōu)先遍歷表

設(shè)各底事件是獨(dú)立的，全自動(dòng)液壓機(jī)工作小時(shí)為100h，根據(jù)技術(shù)相關(guān)資料，可知其可靠性數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各底事件可靠性數(shù)據(jù)

3.1 基于馬爾可夫鏈的動(dòng)態(tài)故障樹定性和定量分析

動(dòng)態(tài)故障樹模塊G5對(duì)應(yīng)的Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移［8］圖如圖2所示，其中Fa表示控制系統(tǒng)故障。

圖2 G5對(duì)應(yīng)的Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

對(duì)于狀態(tài)較多的復(fù)雜設(shè)備的動(dòng)態(tài)故障樹進(jìn)行定量分析可以將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖分解成若干條狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈，根據(jù)不同的鏈長(zhǎng)，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈通用計(jì)算公式［7］計(jì)算。nn

對(duì)Markov狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖進(jìn)行定量分析并利用上述公式可計(jì)算得動(dòng)態(tài)故障子樹G5發(fā)生的概率為0.009。

3.2 基于二元決策圖法的靜態(tài)故障樹定性和定量分析

故障樹模塊{T，G1，G2，G3，G4} 對(duì)應(yīng)的二元決策圖如圖3所示。

圖3 靜態(tài)故障樹模塊對(duì)應(yīng)的二元決策圖

對(duì)二元決策圖進(jìn)行定性分析得靜態(tài)故障樹的割集為{G1，G2，G3}，{G4}，{G5}。

利用二元決策圖求各頂事件發(fā)生的概率步驟分為幾步:

①采用深度優(yōu)先的方式，從根節(jié)點(diǎn)開始向下搜索;

②經(jīng)過(guò)一個(gè)非葉節(jié)點(diǎn)Ei時(shí)，往左分支記為此節(jié)點(diǎn)的正事件，用Ei表示;往右分支記為此節(jié)點(diǎn)的逆事件，用表示。

③記下所有節(jié)點(diǎn)為1的路徑，這些路徑用Pi(i=1，2，…，m)(m為路徑數(shù)) 表示，ni為路徑i所含的節(jié)點(diǎn)數(shù);

采用二元決策圖法對(duì)該靜態(tài)故障樹模塊進(jìn)行定量分析并利用上述計(jì)算公式，求得頂事件G1發(fā)生的概率是0.370，頂事件G2發(fā)生的概率是0.520，頂事件G3發(fā)生的概率是0.038，頂事件G4發(fā)生的概率是0.09。最后可求得該靜態(tài)故障樹模塊頂事件發(fā)生概率為0.133。

3.3 結(jié)果分析

基于上述結(jié)果，可得到如下結(jié)論:

①三個(gè)頂事件G1，G4和G5中，G1具有較高的概率重要度，而在G1頂事件中，頂事件G2具有相當(dāng)高的概率重要度。因此，在設(shè)備改進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)保障G2的可靠性。

②從各頂事件相對(duì)于系統(tǒng)的重要度的結(jié)果可以看出:具有冗余設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的概率重要度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)備中其他不具有冗余設(shè)計(jì)的部件，這驗(yàn)證了冗余設(shè)計(jì)的加入提高了系統(tǒng)可靠性這一結(jié)論。

4 基于可靠性與維修性的改進(jìn)措施

根據(jù)對(duì)全自動(dòng)液壓機(jī)故障分析，在基于可靠性與維修性［9］的基礎(chǔ)上提出以下改進(jìn)措施:

①在設(shè)備改進(jìn)過(guò)程中，對(duì)造成G2頂事件的部件進(jìn)行重新或修改設(shè)計(jì)并在制造、原材料選取方面進(jìn)行試驗(yàn)并進(jìn)行技術(shù)鑒定，以提高其可靠性;

②在設(shè)備使用過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)備故障率浴盆曲線，設(shè)備在不同階段應(yīng)實(shí)施不同的故障改進(jìn)與預(yù)防措施，圖4給出了在設(shè)備故障率浴盆曲線下，不同階段的不同故障處理對(duì)策;

③提高全自動(dòng)液壓機(jī)的自動(dòng)化、信息化和智能化程度，對(duì)其或者其關(guān)鍵部件進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行情況再結(jié)合大量歷史故障數(shù)據(jù)建立一套完善的故障預(yù)警、故障診斷和故障統(tǒng)計(jì)分析體系［10］。

5 結(jié)束語(yǔ)

將上述知識(shí)運(yùn)用于國(guó)內(nèi)某一相關(guān)制造業(yè)企業(yè)，并結(jié)合該企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行適當(dāng)修正。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)該型號(hào)全自動(dòng)液壓機(jī)故障建模基本正確，故障分析與其實(shí)際生產(chǎn)狀況基本吻合，采用相關(guān)改進(jìn)措施后，因故障產(chǎn)生的停機(jī)時(shí)間大概降低了48.5%，因故障產(chǎn)生的維修費(fèi)用降低了30.98%，生產(chǎn)效率提高了30.26%，直接帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益提高了二十六個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 設(shè)備故障率浴盆曲線和處理對(duì)策

［1］王文耀，涂海寧，陸遠(yuǎn)，等.基于制造企業(yè)關(guān)鍵設(shè)備維修周期的預(yù)測(cè)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(7):3.

［2］魏勝.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)原理分析與性能調(diào)整［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(5):5.

［3］張君一，謝里陽(yáng).基于隨機(jī)Petri網(wǎng)的基本加工單元故障分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(9):4.

［4］全達(dá)，孫秀芳，王緬，等.基于故障樹分析法的識(shí)別單元可靠性分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2012(4):122－126.

［5］于捷，石耀霖，申桂香.基于二元決策圖的數(shù)控機(jī)床轉(zhuǎn)塔刀架系統(tǒng)重要度分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(3):5.

［6］季會(huì)媛.動(dòng)態(tài)故障樹分析方法研究［D］.2002.

［7］劉文彬.基于模塊化思想的動(dòng)態(tài)故障樹分析方法研究［D］.2009.

［8］劉璧怡，吳智博，景維鵬.基于Markov鏈的容錯(cuò)系統(tǒng)可靠性評(píng)估［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，51(S1):1414－1417.

［9］埃貝靈.可靠性與維修性工程概論［M］.北京.清華大學(xué)出版社，2010.

［10］Kharoufeh JP，Cox SM，Oxley ME.Reliability ofmanufacturing equipment in complex environments［J］.Annals of Operations Research，2011(10):5－8.

(編輯 李秀敏)

Fault Analysis of Full Automatic Hydraulic Machine Based on Dynam ic Fault Tree Analysis

ZHANG Xiao-bo，LU Yuan，HU Ying，GU Jia
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China)

In order to improve the security and reliability of full automatic hydraulicmachine，the control system of a certain type of full automatic hydraulic machine adopts a certain degree of redundancy design.Because dynam ic fault tree analysis is especially suitable formachinemodeling of failure of redundancy design，dynam ic fault tree analysis is used to model and analyze of failure on full automatic hydraulic machine and the correspondingmeasures for improvement are proposed.The results show that the constructed model and the proposed corresponding measures have important value to the design，manufacture，use，maintain of full automatic hydraulicmachine and to improve the enterprise’s econom ic efficiency.

Dynamic Fault Tree Analysis(DFTA);modeling and analyzing of failure;redundancy design

TH16;TG65

A

1001－2265(2013)03－0074－03

2012－09－11;

2012－09－28

張小波(1988—)，男，江西撫州人，南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生，主要從事CAD/CAM制造業(yè)信息化研究，(E－mail)sczxb1988@126.com。