張春輝，徐陽生，趙靜一，秦亞璐，韓培培

1河北港口集團港口機械有限公司 河北秦皇島 066000

2燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室 河北秦皇島 066004

3燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 河北秦皇島 066004

曹 妃甸煤 2 期碼頭工程采用了 O 形轉(zhuǎn)子式三翻式翻車機，它通過靠車板、壓車梁等液壓控制裝置將待翻卸的 3 節(jié)重車在翻車機內(nèi)固定，要實現(xiàn)整個翻車機的可靠運行首先要保證液壓站中每個控制元件的可靠性。

模糊診斷方法利用模糊邏輯來描述故障原因與故障現(xiàn)象之間的模糊關系，通過隸屬度函數(shù)和模糊關系方程解決故障原因與狀態(tài)識別問題，是一種基于知識的智能診斷方法。在故障與征兆之間的關系很難用精確的數(shù)學模型表示的情況下，較其他方法來說，故障診斷的機理非常適合用模糊規(guī)則來描述[1-2]。

針對重載試運行中發(fā)現(xiàn)的翻車機液壓系統(tǒng)無法保壓給設備帶來極大的安全隱患問題，通過采用梯形模糊數(shù)算術運算的模糊故障樹分析方法找出設計和使用中存在的問題，通過定量分析零部件的故障概率，快速鎖定故障元件，為提高系統(tǒng)可靠性提供了定量依據(jù)。

1 翻車機液壓系統(tǒng)故障樹的建立

1.1 翻車機液壓系統(tǒng)工作原理

翻車機壓車與靠車功能均由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)，其工作原理如圖 1 所示。該液壓系統(tǒng)由閉式油箱為其提供液壓油，主要由泵站、靠車控制閥組、壓車控制閥組、靠車板液壓缸、壓車梁液壓缸、呼吸控制系統(tǒng)及管路附件等組成[3]。

當泵站電動機啟動后，雙聯(lián)葉片泵 11 泵出的液壓油通過二級調(diào)壓板式插裝閥 9 和 10 以及總回油管回到油箱。當發(fā)出壓車梁壓下指令時，控制閥的電磁鐵得電使其動作，為系統(tǒng)建立起相應的壓力，同時壓車控制閥組相應的電磁閥得電，控制對應的壓車梁液壓缸壓下或者升起。

1.2 “壓車梁液壓缸無法保壓”故障樹模型建立

圖1 翻車機液壓系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic system of car dumper

故障樹分析 (FTA) 便于進行定性分析和定量計算。在設計階段，F(xiàn)TA 可以幫助人們尋找潛在故障；在使用階段可以幫助人們進行故障診斷，為系統(tǒng)的設計改進提供定量依據(jù)。頂事件是故障樹的入口，指人們不希望發(fā)生的顯著影響產(chǎn)品安全性和任務可靠性的故障事件[4]。根據(jù)翻車機液壓系統(tǒng)的工作原理，以壓車梁液壓缸無法保壓作為頂事件建立故障樹，如圖 2所示。

圖2 “壓車梁液壓缸無法保壓”故障樹Fig.2 Fault tree of 'cylinder of the dumper-locking beam failing to keep pressure'

圖2 中各故障代碼的含義為：X1—管路泄漏，X2—缸內(nèi)密封件損壞，X3—端面連接不緊，X4—回油管路細，X5—止回閥壓力高，X6—Y 型電磁閥堵塞，X7—錐閥芯磨損，X8—錐閥芯卡滯，X9—油液顆粒物過多，X10—呼吸控制閥動作時序錯誤，X11—油液中氣體溶解過多，X12—呼吸氣囊損壞。

2 模糊故障樹分析

通過以壓車梁液壓缸無法保壓為頂事件的故障樹，分析翻車機壓車梁液壓缸無法保壓的原因，以及系統(tǒng)是否存在設計缺陷和故障隱患。由于液壓系統(tǒng)各底事件及中間事件發(fā)生的概率不容易判斷以及可靠性數(shù)據(jù)不容易建立，可以采用模糊故障樹分析法對故障樹進行定量分析，以便精確獲得各元件的故障概率。頂事件的故障概率和底事件的重要度都可以通過模糊數(shù)的運算進行估計[5]。

2.1 模糊數(shù)及其歸一化

由于梯形模糊數(shù)為線性隸屬函數(shù)，其代數(shù)運算較為簡單，其他形式的模糊數(shù)也很容易轉(zhuǎn)化為梯形模糊數(shù)，且梯形模糊數(shù)直觀，因此采用梯形模糊數(shù)進行研究。這里使用語言值集合 {非常低，低，比較低，中等，比較高，高，非常高} (英文簡稱為 {VL，L，F(xiàn)L，M，F(xiàn)H，H，VH}) 作為故障概率的語言評價。對于語言值，可根據(jù)語言值對應的隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的梯形模糊數(shù)，如對應故障概率比較低 FL，其梯形模糊數(shù)q=(0.2，0.3，0.4，0.5)。

對于該翻車機液壓系統(tǒng)來說，如評價“缸內(nèi)密封損壞”這一底事件，可選擇相關領域的若干名有經(jīng)驗的專家 (這里取 10 位) 組成評估組，對這一底事件的可能性作主觀判斷；然后，通過語言值的隸屬函數(shù)表達式，對專家評估意見進行綜合處理[7]。利用模糊數(shù)的代數(shù)運算求得 10 位專家意見的平均模糊數(shù)

式中：Ri為重要度。

由模糊集的擴展理論知，N也為模糊集。令

則α分別為

因此，平均模糊數(shù)的關系函數(shù)為

根據(jù)模糊數(shù)歸一化方法，結(jié)合實際經(jīng)驗、人為估算和資料數(shù)據(jù)，得到底事件發(fā)生概率評估結(jié)果及其歸一化結(jié)果，如表 1 所列。

2.2 頂事件發(fā)生概率

由此可知頂事件模糊概率仍可用模糊數(shù)來近似表示。顯然，其結(jié)果可認為是頂事件發(fā)生概率大約在 13.73% 和 15.12% 之間且其可能性最大，其隸屬度為 1。根據(jù)頂事件發(fā)生概率的模糊數(shù)，還可直接用與之重心距離最近的語言值給出評價，得到語言值為“較高”。

表1 底事件發(fā)生概率評估結(jié)果及其歸一化結(jié)果Tab.1 Evaluation results of occurrence probability of bottom events and normalization results

2.3 模糊重要度分析

從物理意義上來講，模糊重要度是指由于部件i的不可靠，導致系統(tǒng)模糊不可靠度的上升，其升值反映了部件i對整個系統(tǒng)不可靠度的貢獻和影響，即反映了部件i對整個系統(tǒng)可靠性的重要程度[8]。經(jīng)計算得到各底事件的模糊重要度如表 2 所列。

表2 底事件模糊重要度Tab.2 Fuzzy importance of bottom events

將表 2 中各底事件的模糊重要度進行排序，可知RX7>RX10>RX2>RX8>RX11>RX9>RX1>RX12>RX3>RX5>RX4>RX6。其中，錐閥芯磨損、呼吸控制閥動作時序錯誤、缸內(nèi)密封件損壞這 3 項底事件的模糊重要度相對較高，是導致頂事件發(fā)生的主要原因。因此，頂事件發(fā)生的原因可根據(jù)底事件模糊重要度大小的順序進行排查。

3 翻車機現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

3.1 翻車機液壓系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測

翻車機液壓系統(tǒng)中的 12 個壓車梁的有桿腔均設置有壓力傳感器，用于監(jiān)測壓車梁壓下時是否壓緊車廂。當任意壓車梁的壓力低于下限值時，在上位機中顯示的壓車梁就會閃爍，如圖 3 所示。

圖3 上位機壓車系統(tǒng)顯示界面Fig.3 Display interface of dumper locking system in upper computer

當 3 節(jié)車廂中任意一節(jié)車廂中的任意 2 個壓車梁的壓力達不到設定值而閃爍時，系統(tǒng)不允許進行翻卸作業(yè)，如果出現(xiàn)在作業(yè)過程中，會使系統(tǒng)停機。而該翻車機在重載試驗中壓車梁壓下后，12 個壓車梁先后均出現(xiàn)了掉壓，直至降到下限值并閃爍的情況。根據(jù)以上對模糊故障樹分析中模糊重要度的分析，分別對液壓鎖的閥芯以及呼吸系統(tǒng)進行了檢查。

3.2 液壓鎖故障診斷

將一組壓車梁液壓缸控制閥中的液壓鎖進行拆解，拆解后的結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，未發(fā)現(xiàn)有明顯的磨損。為了更好地進行對比，更換該液壓鎖并進行試驗，從上位機中壓車梁的監(jiān)測畫面觀察到壓車梁的保壓情況并未得到改善。

圖4 液壓鎖結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of hydraulic lock

3.3 呼吸系統(tǒng)故障診斷

在靠車板和壓車梁液壓缸動作時，全封閉油箱中油液體積發(fā)生變化，油液上部的空氣在動作過程中有時會出現(xiàn)正壓，有時會形成真空，從而使油箱液面上的壓力不穩(wěn)定。呼吸系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題，不僅對液壓泵產(chǎn)生直接影響，還會通過液壓系統(tǒng)的回油管路對液壓控制閥的壓力和流量產(chǎn)生很大的影響，最終導致液壓控制閥動作紊亂[9]。呼吸系統(tǒng)工作原理如圖 5 所。檢查該系統(tǒng)后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的原控制程序存在設計缺陷。

圖5 呼吸系統(tǒng)工作原理Fig.5 Working principle of respiratory system

原呼吸系統(tǒng)控制程序框圖如圖 6 所示。從圖 6 可以看到，翻車機翻轉(zhuǎn)角度θ為 10°～50°時，呼吸控制電磁閥 2 才開始動作，此時，由于壓車梁和靠車板液壓缸動作引起油箱液面變化，而未能及時和呼吸皮囊 3 進行氣體交換，從而引起油箱內(nèi)溶解氣體的變化，經(jīng)過長時間工作，“氣泡油”在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖6 原呼吸系統(tǒng)控制程序框圖Fig.6 Block diagram of original control program of respiratory system

對呼吸系統(tǒng)控制程序進行改進，改進后的呼吸系統(tǒng)控制程序框圖如圖 7 所示。當滿載煤炭的車廂由定位車牽引到位后，壓車梁與靠車板動作，呼吸控制電磁閥 2 得電，此時靠車板伸出靠緊車廂，壓車梁壓下壓緊車廂，由此引起的油箱中氣體體積變化量可以通過呼吸皮囊 3 得到補充；當 10°＜θ＜50°時，呼吸控制電磁閥 2 仍然得電，當θ＞ 50°時，呼吸控制電磁閥 2 失電關閉，油箱與呼吸皮囊 3 阻斷，直至煤傾倒干凈后再返回至 50°位置，呼吸控制電磁閥 2 再次得電；返回到水平位置后，壓車梁抬起到中位，靠車板收回，呼吸控制電磁閥 2 繼續(xù)得電，與呼吸皮囊 3 進行氣體交換，完成一個控制循環(huán)，油箱內(nèi)的氣壓始終保持動態(tài)平衡的狀態(tài)。

圖7 改進后呼吸系統(tǒng)控制程序框圖Fig.7 Block diagram of improved control program of respiratory system

4 結(jié)論

(1) 提出了以翻車機重載試車中出現(xiàn)的壓車梁液壓缸無法保壓作為頂事件的故障樹，通過模糊故障樹分析法得出了底事件和頂事件的發(fā)生概率，并分析了各底事件的模糊重要度，確定了關鍵底事件對頂事件發(fā)生的危害程度。

(2) 通過翻車機液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測，將危害程度最高的底事件即“液壓鎖閥芯磨損”、“呼吸系統(tǒng)故障”做為重點故障診斷對象，進行現(xiàn)場改進和試驗，最終發(fā)現(xiàn)呼吸系統(tǒng)設計中存在的缺陷，繼而對控制程序進行改進，完成了呼吸系統(tǒng)的改進。狀態(tài)監(jiān)測表明，改進后效果良好，消除了安全隱患，為系統(tǒng)設計和維護中薄弱環(huán)節(jié)的改進和評價提供了重要的依據(jù)。