(1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001;2.91515部隊(duì)，海南三亞 572016)

(1.海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264001;2.91515部隊(duì)，海南三亞 572016)

橋式起重機(jī)各部分動(dòng)作都是通過電氣進(jìn)行控制的。利用故障樹分析法對(duì)20/5 t橋式起重機(jī)主鉤電氣線路進(jìn)行故障診斷，通過建立故障樹，對(duì)其進(jìn)行定性定量分析，得出影響主鉤電氣線路正常工作的主要因數(shù)，為日常維護(hù)保養(yǎng)和維修提供參考，提高維護(hù)修理效率。

故障樹;橋式起重機(jī);電氣故障

0 前言

故障樹分析法(Fault Tree Analysis，簡稱FTA)是一種將系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹狀級(jí)細(xì)化的分析方法。因?yàn)榉椒ê唵?，概念清晰，易被人們接受，所以故障樹分析法是?duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工廠試驗(yàn)或?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備工況狀態(tài)分析的一種有效的工具。

橋式起重機(jī)是所有起重設(shè)備中使用范圍最廣泛、生產(chǎn)數(shù)量最多的一種，由于其作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、工作方式特殊，所以發(fā)生故障的概率很高。再加上重載下頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、變速等操作，對(duì)起重機(jī)的控制電路沖擊比較大，大大提高了電氣線路的故障。應(yīng)用故障樹分析法對(duì)電氣回路故障進(jìn)行分析研究，建立故障樹，從而可以看出事件的成因與形成過程以及各故障發(fā)生概率大小，方便地發(fā)現(xiàn)潛在的問題，有利于起重機(jī)電氣故障的預(yù)防、預(yù)測和控制，提高起重機(jī)運(yùn)行的可靠性和在線率。

1 故障樹分析法

故障樹分析法是美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室于1962年為研究民兵式導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的安全性問題而研究開發(fā)的，為解決導(dǎo)彈系統(tǒng)偶然事件的預(yù)測問題做出了貢獻(xiàn)［1］。故障樹分析法是把要分析的目標(biāo)函數(shù)作為故障樹的頂事件，以方框符號(hào)表示;經(jīng)分析找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有直接原因，作為中間事件，以方框符號(hào)表示;作為邏輯門輸人信號(hào)，將邏輯門輸出信號(hào)與頂事件相連接形成因果關(guān)系，再跟蹤找出導(dǎo)致每個(gè)中間事件發(fā)生的所有直接原因作為下一級(jí)中間事件，用邏輯門與上一級(jí)中間事件連接;以此程序直追溯到導(dǎo)致組成系統(tǒng)所有部件故障發(fā)生的全部直接原因，作為故障樹的底事件，以圓形符號(hào)表示，用邏輯門與上一級(jí)中間事件相連接，最終形成倒置的樹狀邏輯圖［2］。求出故障樹的最小割集，可得引起頂事件發(fā)生的若干故障模式;求出故障樹的底事件結(jié)構(gòu)重要度，可知底事件對(duì)頂事件的影響程度;計(jì)算頂事件失效概率，可預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性。

故障樹分析的基本步驟:確定頂事件-確定底事件-調(diào)查事故原因-確定目標(biāo)值-構(gòu)造故障樹-定性評(píng)價(jià)-定量評(píng)價(jià)-制定預(yù)防事故(改進(jìn)系統(tǒng))的措施。故障樹分析流程見圖1。

圖1 故障樹分析流程Fig.1Analysis procedure of fault tree

故障樹分析法能對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別評(píng)價(jià)，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測性。該法應(yīng)用比較廣，非常適合于重復(fù)性大的系統(tǒng)。不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入提示事故的潛在原因，因此在工程設(shè)計(jì)階段、事故查詢或編制新的操作方法時(shí)，都可以使用這個(gè)方法對(duì)其安全性做出評(píng)價(jià)。

2 根據(jù)實(shí)際對(duì)象建立故障樹

對(duì)橋式起重機(jī)主鉤故障建立故障樹的步驟［3］:

(1)選擇和確定頂事件。在分析該故障時(shí)，主鉤故障是最不希望看見的事件，所以指定此事件為進(jìn)行邏輯分析時(shí)的頂事件。

(2)分析頂事件，找出中間事件。尋找引起頂事件發(fā)生的直接的必要和充分的原因。將頂事件作為輸出事件，將所有直接原因作為輸入事件，并根據(jù)這些事件實(shí)際的邏輯關(guān)系用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T相聯(lián)系。如果該事件還能進(jìn)一步分解，則將其作為下一級(jí)的輸出事件，像分析頂事件一樣進(jìn)行更加深入地分析，得出與該事件直接相連的下一層事件，只要還能進(jìn)行下一步分析的事件都為中間事件。

(3)確定底事件。重復(fù)上述步驟，逐級(jí)向下分解，直到所有的輸入事件不能再分解或不必要再分解為止，得到一系列的基本事件，即底事件。分析結(jié)束后，得到一棵倒置的故障樹。

由于工作環(huán)境惡劣、負(fù)荷很大以及動(dòng)作頻繁，主鉤經(jīng)常性發(fā)生故障，從而降低生產(chǎn)率，并帶來不必要的損失;另外，對(duì)于橋式起重機(jī)而言，主副鉤、大小車的故障樹分析方式都是相似的，所以研究其它三個(gè)可以依照主鉤的研究方式進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而得到橋式起重機(jī)電氣線路故障樹分析。在建立故障樹之前，首先對(duì)橋式起重機(jī)主鉤的電氣線路圖2［3］逐步逐塊分析，得到主鉤故障的主要模式以及相應(yīng)的原因。

圖2 20/5t橋式起重機(jī)主鉤電氣線路圖Fig.2Electric circuit of 20/5t bridge crane main hook

分析主鉤電氣線路主要包括保護(hù)電路、主鉤主電路、主鉤檔位控制線路等三部分。經(jīng)過對(duì)三部分電路的分析，把主鉤的故障主要分為不動(dòng)作、單方向動(dòng)作、檔位異常，并得到圖3和圖4的故障樹圖。圖中KM為主交流接觸器;AC4為主鉤主令控制器;KM4、KM5為反接電阻切除接觸器;KM6～KM9為調(diào)速電阻切除接觸器; YB5、YB6為主鉤電磁抱閘制動(dòng)器;KM1、KM2為主鉤正反轉(zhuǎn)交流接觸器;KM3為主鉤抱閘接觸器;AC(1-3)-7為副鉤、大車、小車零伴隨聯(lián)鎖觸頭。

圖3 主鉤故障的故障樹1Fig.3Fault tree 1 of hook electrical accident

圖4 主鉤故障的故障樹2Fig.4Fault tree 2 of hook electrical accident

3 分析建立的故障樹

建造故障樹的目的是通過建樹過程系統(tǒng)地了解系統(tǒng)，找出薄弱環(huán)節(jié)，以便改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修，從而提高系統(tǒng)的可靠性、維修性和安全性。故障樹分析，包括定性分析和定量分析兩種方法。在定性分析中，主要包括最小割集、最小徑集和重要度分析。定量分析主要有兩方面的內(nèi)容:一是由輸入系統(tǒng)各單元(底事件)的失效概率求出系統(tǒng)的失效概率;二是求出各單元(底事件)的結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度和關(guān)鍵重要度，最后可根據(jù)概率重要度的大小排序出最佳故障診斷和修理順序，同時(shí)也可作為首先改善相對(duì)不大可靠的單元的數(shù)據(jù)［4］。

3.1 定性分析

本文進(jìn)行定性分析時(shí)只分析引起故障的最小割集。圖3和圖4故障樹定性分析結(jié)果見表1，列出了對(duì)頂事件影響比較大的23種可能，表示了橋式起重機(jī)主鉤電氣線路發(fā)生故障的主要途徑。

表中的每一行都是一個(gè)最小割集。根據(jù)故障樹最小割集的定義，表中的任一行都是橋式起重機(jī)主鉤電氣線路發(fā)生故障的途徑。當(dāng)主鉤上出現(xiàn)電氣故障時(shí)，就可以按表1逐項(xiàng)檢查并加以排除。

表1 失效模式模擬結(jié)果Tab.1Simulation results of failure mode

3.2 定量分析

頂事件發(fā)生率決定于故障樹的結(jié)構(gòu)和各基本事件的不可靠度。在進(jìn)行故障樹分析時(shí)，各基本事件的不可靠度均設(shè)為Q=0.001，并設(shè)置模擬次數(shù)位10 000次。表2是主鉤故障樹各基本事件概率重要度和模式重要度的計(jì)算結(jié)果，此處主要對(duì)概率重要度進(jìn)行分析。

表2 重要度模擬結(jié)果Tab.2Simulation results of importance

按概率重要度的大小順序，各基本事件對(duì)主鉤電氣故障的影響大小為:(46)＞(6、33、35、39)＞(1、31、38、45)＞(4、30)＞(5、7、11、27、32)＞(13、44、48)＞(15)＞(12、19、34)＞(47)＞(14)＞(10)＞(24)。概率重要度值越大，說明它對(duì)頂事件的影響也越大，應(yīng)是著重考慮的因數(shù)。因此，要減少主鉤的電氣故障，應(yīng)從提高具有較大概率重要度的基本事件可靠度人手。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)時(shí)，也應(yīng)按其大小順序?qū)ふ也⑴懦收显?。另外，可以看到這些基本事件的概率重要度相差不大，這也從一個(gè)方面體現(xiàn)出電氣故障的特點(diǎn):一旦回路中某一部件產(chǎn)生故障，系統(tǒng)將立即失效，而不會(huì)等到另一部件產(chǎn)生故障后與之共同作用導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

4 多次模擬結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析建立的故障樹，對(duì)故障樹另外進(jìn)行了兩次模擬，一次模擬次數(shù)為1 000次，另一次為5 000次，分別得到兩組不同的模擬結(jié)果，兩組重要度模擬結(jié)果分析對(duì)比見表3。

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，模擬5 000次的地事件發(fā)生的概率與模擬1 000次的相近，而模擬1 000次的與其它兩個(gè)數(shù)據(jù)相差稍微大一點(diǎn)，說明隨著模擬次數(shù)的增加，模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，這也說明了模擬結(jié)果的可行性，因?yàn)樵诠收蠘浞治鲋校M的次數(shù)表示隨機(jī)抽樣的次數(shù)，如果只針對(duì)一臺(tái)設(shè)備，則反映的是該設(shè)備的工作時(shí)間，模擬次數(shù)多，工作時(shí)間長，則設(shè)備故障模式就趨于穩(wěn)定。另外，對(duì)于底事件比較多的系統(tǒng)，模擬的次數(shù)越多，得到的結(jié)果越詳細(xì)，包涵的情況也會(huì)越多，但是，由于到達(dá)一定的模擬次數(shù)后，模擬結(jié)果就基本穩(wěn)定，再增加模擬的次數(shù)就沒有必要。

5 結(jié)論

通過利用故障樹對(duì)橋式起重機(jī)主鉤故障的建樹分析，得到各部件對(duì)主鉤影響的大小程度，從故障樹可以清晰看到影響頂事件的因數(shù)，在定位故障點(diǎn)時(shí)可以有章可循，方便快捷地查出故障點(diǎn)。另外，在運(yùn)用故障樹時(shí)，合理地選擇模擬次數(shù)是事關(guān)重要的，好的選擇能夠得到理想的結(jié)果。

［1］劉鐵民，張興凱，劉功智.安全評(píng)價(jià)方法應(yīng)用指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］鄧慶松.故障樹的編制與應(yīng)用［M］.北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社，1989(5).

［3］田景亮.橋式起重機(jī)構(gòu)造與檢修［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［4］朱繼洲.故障樹原理和應(yīng)用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1989.

基于故障樹的橋式起重機(jī)主鉤電氣故障分析

張利1，王義軍2，許宜賀1，趙立方2

Hook electrical accident analysis on bridge crane based on fault tree

ZHANG Li1，WANG Yi-jun2，XU Yi-he1，ZHAO Li-fang2
(1.Naval Aeronautical Engineering Institue，Yantai 26400 China; 2.91515 PLA Troops，Sanya 572016，China)

The action of each part of bridge crane is operated by electric control.Fault electric circuit of 20/5t bridge crane main hook is diagnosed in fault tree analysis method.Through building the fault tree，then qualitative and quantitative analysis the faults，the main factor of affecting the hook electric circuit normal work is obtained.Which provides reference for daily maintenance and repair，and improves its efficiency.

fault tree;bridge crane;electrical accident

TH215

A

1001-196X(2014)05-0051-05

2014-05-15;

2014-08-16

張利(1963-)，男，海軍航空工程學(xué)院副教授。

設(shè)計(jì)計(jì)算