邵成猛

(中國鐵建十六局集團有限公司，北京 101100)

0 引 言

盾構(gòu)機是一種用于隧道掘進的專用工程機械，目前在地鐵建設、市政和水電隧道等領域被廣泛應用。在使用過程中盾構(gòu)機不僅要承受惡劣環(huán)境的影響(如地底濕度、粉塵等)，還將承受土層壓力的作用，使得盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)故障頻發(fā)[1-5]。由于盾構(gòu)機在工作過程中需要根據(jù)工況完成姿態(tài)調(diào)整、頂進和換向等任務，如果液壓推進系統(tǒng)發(fā)生故障將嚴重影響施工進度，造成巨大損失。

故障樹分析方法作為一種重要的可靠性分析方法，目前已經(jīng)成為復雜系統(tǒng)可靠性分析的重要技術[6-11]。黃洪鐘[12]采用模糊集理論對太陽翼驅(qū)動機構(gòu)進行故障樹分析，發(fā)現(xiàn)軸承及諧波減速器為系統(tǒng)中的關鍵部件。Choi[13]采用故障樹方法對海底儲罐的可靠性和可用性進行評估，獲得系統(tǒng)的總失效率和可用度。Nguyen[14]提出一種Petri網(wǎng)的擴展故障樹分析方法，并成功應用于可修復多態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析。潘波[15]采用模糊理論對飛機結(jié)構(gòu)腐蝕損傷進行故障樹分析，通過模糊關系變化得到環(huán)境腐蝕影響的權重度。盾構(gòu)機的故障分析目前主要以經(jīng)驗分析為主，耗時長且維修成本高，而故障樹分析法可對系統(tǒng)進行可靠性分析，從而確定出最佳故障診斷策略和系統(tǒng)改進方案。

針對盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障，本文將故障樹分析方法用于液壓缸推進系統(tǒng)分析中，通過定性和定量分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為快速故障診斷和可靠性提高提供依據(jù)。

1 故障樹分析原理

故障樹以系統(tǒng)不希望發(fā)生的、作為系統(tǒng)失效判據(jù)的頂事件作為分析目標，然后一步步尋找每一個事件的直接原因，找出與頂事件發(fā)生有關的硬件失效、軟件差錯、人為和環(huán)境因素等，將這些因素作為故障樹的中間事件和底事件，建立系統(tǒng)故障樹模型；通過故障樹分析求出系統(tǒng)失效概率和故障模式的危害程度，從而對系統(tǒng)可靠性和薄弱環(huán)節(jié)進行判定。圖1為故障樹分析的一般流程。

圖1 故障樹分析的一般流程

2 盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)的工作原理

由于盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的液壓缸數(shù)量較多，為降低成本，提高控制效率，一般采用分組控制方式，即分別對每組推進液壓缸進行控制。每個液壓缸的控制模塊都相同，由比例溢流閥、比例調(diào)速閥、電磁換向閥等元件組成，圖2為盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)。

由圖2所示，控制盾構(gòu)機向前推進時，首先使三位四通電磁閥工作在右位，二位四通電磁閥工作在左位。油泵電機啟動，液壓油經(jīng)吸油過濾器、單向閥、二位四通閥左位進入比例調(diào)速閥，再通過三位四通閥右位經(jīng)過液壓鎖進入液壓缸的無桿腔中，有桿腔中的油液經(jīng)三位四通閥右位流入過濾器中流回油箱，液壓缸向前動作，完成推進工作。液壓缸的工作壓力由壓力傳感器實時監(jiān)測，當監(jiān)測到系統(tǒng)壓力高于設定值時，控制比例溢流閥加大開口，自動調(diào)節(jié)負載壓力的大小。當位移傳感器監(jiān)測到推進速度過快時，控制比例溢流閥自動調(diào)節(jié)開口大小，滿足恒定工作速度的需要。

圖2 盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)

當需要收縮液壓缸時，控制三位四通電磁閥在左位，二位四通電磁閥通電，液壓泵油液經(jīng)二位四通電磁閥和三位四通電磁閥左位進入無桿腔。液壓缸有桿腔油液經(jīng)三位四通電磁閥左位流回油箱，液壓缸實現(xiàn)快退。

圖3 盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障樹

3 盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障樹分析

3.1 故障樹的建立

根據(jù)盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)的原理，同時參考《故障樹分析程序》(GB 7829—1987)，建立盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障樹，如圖3所示。盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障樹是通過6個中間事件、13個底事件和若干個邏輯門“或門”和“與門”進行連接。通過對盾構(gòu)機維修日志中的故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出故障樹底事件的發(fā)生概率，如表1所示。

表1 故障樹底事件及其發(fā)生率

3.2 故障樹分析

3.2.1 故障樹定性分析

故障樹定性分析的主要目的是找出導致故障樹頂事件發(fā)生的所有可能故障模式，即求出故障樹的最小割集。割集是導致頂事件發(fā)生的基本事件的集合，最小割集是引起頂事件發(fā)生必須的最低限度割集。

通過布爾運算對圖3故障樹進行分析，得到最小割集12個，分別為{E1}、{E2}、{E3}、{E4}、{E5}、{E6}、{E7}、{E8E9}、{E10}、{E11}、{E12}和{E13}。其中一階最小割集共11個，分別是：{E1}、{E2}、{E3}、{E4}、{E5}、{E6}、{E7}、{E10}、{E11}、{E12}和{E13}；二階最小割集1個，即{E8E9}。

對于故障樹而言，最小割集的階數(shù)越小，一階最小割集數(shù)量越多，則故障樹頂事件發(fā)生的可能性越大。通過一階最小割集分析可知，盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障主要與五類元件有關：油泵、傳感器、溢流閥、液壓缸和液力鎖。任意一種元件出現(xiàn)故障，都有可能造成液壓缸推進系統(tǒng)故障，所以應重點關注這5種元件的維護和改進。其次是注意環(huán)境和人為故障，克服惡劣環(huán)境影響以及加強盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)的日常維護工作是必要的。

3.2.2 故障樹定量分析

故障樹定量分析的主要目的是求出故障樹頂事件的發(fā)生概率以及故障樹中各底事件的重要度，根據(jù)重要度的大小排序確定故障診斷和維護順序。

若故障樹有n個最小割集，分別為E1，E2，…，En，則故障樹頂事件T的發(fā)生概率

(1)

對式(1)進行運算，代入各最小割集的發(fā)生率，即可求出故障樹頂事件的發(fā)生率。圖4為盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障發(fā)生率隨工作時間的變化趨勢。

圖4 盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障發(fā)生率隨時間的變化趨勢

從圖4中可以看出，隨工作時間的增加，盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障的發(fā)生率呈線性上升趨勢，工作時間為100 h，故障發(fā)生率為0.003，當工作時間為1 000 h，液壓缸推進無力故障的發(fā)生率為0.03，即工作到1 000 h時，在100臺盾構(gòu)機中將會有3臺出現(xiàn)液壓缸推進無力故障，故障發(fā)生率較高。因此，在工作1 000 h時應重點對液壓推進系統(tǒng)進行檢查和維護，如油壓檢查、噪聲檢查和泄露檢查。

故障樹重要度分析是研究底事件發(fā)生對頂事件發(fā)生的貢獻大小，得到不同底事件的重要度排序。故障樹重要度包括概率重要度Ip和關鍵重要度IC，如式(2)和式(3)所示。

式中：Q為頂事件的不可靠度；qi為第i個底事件的發(fā)生率。

盾構(gòu)機液壓缸推進無力故障樹的底事件重要度如表2所示。從表2可知，除底事件E8和E9外，其余底事件的概率重要度相同，都為1，可看出，故障樹中“或門”連接的底事件概率一旦發(fā)生變化，必然會導致頂事件發(fā)生率出現(xiàn)變化。底事件E8和E9的概率重要度相對較小，說明“與門”連接的底事件故障率發(fā)生變化時，對頂事件發(fā)生率的影響不大。

當?shù)资录母怕手匾葏^(qū)別不大時，應對關鍵重要度進行重點分析。圖5為故障樹底事件的關鍵重要度排序。

表2 故障樹底事件重要度

圖5 故障樹底事件關鍵重要度排序

從圖5中可看出，關鍵重要度排名前三位的底事件分別是E10、E2和E12，對應的故障模式分別是液壓缸密封圈泄露、油泵內(nèi)泄漏、液力鎖單向閥磨損。從式(3)可知，底事件的關鍵重要度越大，說明底事件發(fā)生引發(fā)故障樹頂事件發(fā)生的可能性越大，根據(jù)關鍵重要度的排序可對系統(tǒng)故障的診斷順序進行確定。

通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，液壓缸密封圈泄露大多是活塞桿密封圈處發(fā)生漏油引起，從現(xiàn)場維修件發(fā)現(xiàn)主要是密封圈磨損和破壞?；钊麠U密封圈故障主要是由于油缸存在設計或制造缺陷，或是使用不當造成。防止液壓缸密封圈的泄露可從以下三方面進行改進：活塞桿密封槽的尺寸公差和表面粗糙度應根據(jù)設計嚴格控制；裝入限位器或支撐環(huán)以限制密封圈的微動；在密封圈旁設置緩沖部件，以降低密封圈的負載，延長密封圈壽命。

針對油泵運行不良故障，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)主要原因是泵側(cè)板磨損嚴重，導致軸向間隙過大，從而引起嚴重內(nèi)泄漏。降低油泵端面泄漏，一方面可對端面進行間隙補償，在齒輪和蓋板之間增加一個補償零件，如浮動軸套或浮動側(cè)板等；也可采用減磨性能好的青銅合金制造側(cè)板，合理配置齒輪和泵體的材質(zhì)，從而提高泵的使用壽命。

液力鎖單向閥磨損故障主要是由于閥芯受到污染造成疲勞磨損，引起閥體內(nèi)泄漏，使進油壓力降低。閥芯磨損一般會隨著油液污染度的增大而急劇增大，嚴格定期檢查和更換油液制度，保證油液清潔度，可提高液力鎖的使用壽命。

4 結(jié) 語

針對盾構(gòu)機中頻發(fā)的液壓缸推進無力故障，本文采用故障樹分析法對盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)進行可靠性研究。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著盾構(gòu)機工作時間的增加，液壓缸推進無力故障的發(fā)生概率呈線性上升趨勢，建議以1 000 h為時間間隔進行系統(tǒng)維護，以降低故障損失。分析顯示液壓缸推進無力故障大多由單點故障引起，說明液壓缸推進系統(tǒng)存在較多的薄弱環(huán)節(jié)。為了避免故障頻發(fā)，建議日常重點加強油泵、傳感器、溢流閥、液壓缸、液力鎖這五類液壓元件的維護和改進。當液壓缸發(fā)生推進無力故障時，停機時間較長，建議在故障發(fā)生時，優(yōu)先對液壓缸密封圈泄露、油泵內(nèi)泄漏、液力鎖單向閥磨損故障進行排查，以提高檢修效率。同時，可分別從元件的補償設計、工藝改進、提高油液清潔度等方面改善液壓系統(tǒng)的健康情況，增強盾構(gòu)機液壓推進系統(tǒng)的可靠性。為了提高故障樹的運算精度，同時全面擴展底事件數(shù)量，可進一步考慮故障樹的模糊算法。

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