基于故障树的液压系统故障诊断

张文亮

（武汉船用机械有限责任公司， 湖北 武汉 430084）

引言

挖泥船是航道疏浚生产作业中的重要工程船舶，通常配置液压驱动类抓斗。该设备在一般情况下，都可保持稳定的状态，但是作为直接与工作面接触的设备，其液压系统在设备全寿命工作运行周期中，会受到自身因素和环境因素的综合影响，故障率通常明显高于船上的其他设备。想要在其运行周期中获得理想的工作效率、运转水平，一方面可以采取缩短维护检修间隔周期的方法来降低故障率，另一方面必须加强故障诊断水平，并在诊断的效率上不断作出提升，从而降低平均维修时间。

与机械类故障和电气类故障诊断相比，液压类故障的平均诊断时间要远远高于前两者[1]。这是因为大多数机械类故障指向性较强，通常能够快速确定故障部位，然后通过目视的方式基本确认故障点；电气类故障隐蔽性较强，但是电气系统对检测仪表更加友好，易于利用电气仪表进行故障定位；而液压系统在出现故障后，维修工作时间中超过1/2 的时间用于故障部位的查找。

本文采用故障树理论作为故障诊断的基础，从对象的工作原理出发，通过对分析对象在故障树分支点的表现来确定分支方向，逐步缩小故障范围，最后从部件拆装诊断代价、不同部件的平均失效率等因素综合考虑，确定范围内部件排查顺序，从而最终完成故障诊断。这种诊断方式即能节约诊断时间，又能够尽可能降低诊断成本，具有较强的工程实用性。本文以抓斗液压系统出现概率最高的故障——开合动作故障为案例，采用上述方法进行故障分析诊断。

1 故障树的建立

故障树分析法（Fault Tree Analysis）通常简称为FTA，于1962 年由美国贝尔电话实验室（AT&T Bell Laboratories）开发，它采用逻辑的方法，通过事件符号、逻辑门符号以及转移符号，来表示事故或者故障事件发生的原因及其逻辑关系，从顶事件出发，设想可能发生的各种部件缺陷和人为因素，向下推导故障发生的各种可能途径（因果链），逐级分解形成中间事件，直到出现不能或不需要分解的基本事件（即底事件），最终形成一份包含多个事件逻辑因果关系的倒立树状的图，即该顶事件的故障树[2-3]。

某型挖泥船抓斗具有开合与俯仰两种动作功能，其液压系统的工作原理如图1 所示。

图1 液压系统工作原理

依据该设备历史维修记录分析，选择出现频率较高的“开合动作故障”作为顶事件T1 建立故障树。根据设备的工作原理，逐级分析故障事件因果关系，包括中间事件E1～E5共计5 项、底事件X1～X13共计13项的故障树图，整体故障树如下页图2 所示，事件内容见下页表1。

表1 故障事件内容

图2 整体故障树

2 故障诊断思路

根据上文所得的故障树可知，引起该项故障顶事件发生的可能原因共有13 个底事件。如果依次对13个底事件进行故障排查，将耗费较大的人工和时间，因此需要先根据设备的工作原理，针对故障树涉及的关联性底事件表现进行分类评估，缩小诊断范围，然后按照故障概率、经济性代价和诊断难度选择排查顺序，从而尽量减少故障诊断的时间、人工成本。

2.1 缩小诊断范围

观察抓斗液压系统的其他功能工作能力是否正常，通过增加限制条件的方法先缩小底事件的排查范围。通过现场设备试操作发现，抓斗臂架的俯仰功能可正常工作。

根据设备原理分析，中间事件E3系统供油压力不足和E4液压回路故障两项事件向下分解的部分涉及与俯仰功能共用液压回路的底事件可排除，即X3～X9共计7 项底事件可从故障怀疑对象中剔除，诊断范围缩小至{X1，X2，X10～X13}。

2.2 目视检查优先

针对 X1、X2、X10～X13这 6 项底事件进行分析，其中X11管接头漏油泄压底事件的诊断工作最简单易行，时间性和经济性代价最低，采用目视的方式就可实现排查，因此首先安排目视检查管接头漏油现象，经检查无漏油现象，可排除底事件X11，诊断范围再次缩小至{X1，X2，X10，X12，X13}。

2.3 易损先检

在排查范围无法继续缩小的情况下，则需要根据诊断过程的难易程度及故障概率的情况来确定逐个排查的次序。对于不同类型的排查对象，应遵循易损先检的排序原则，根据本设备故障维修历史数据和该类元器件的平均失效率确定各底事件发生的概率，对发生故障概率大的底事件优先诊断。然后根据难易程度，按照先易后难的排序原则，对排查程序简单、易于开展排查工作的底事件优先诊断；综合考虑上述2 个原则的排序结果，同时兼顾现场工具工装的齐备性、检修班组的专业资质及停工代价等内外因素影响，并征得现场专/兼职安全员的同意后，确定科学、合理、安全的诊断次序。

针对本故障，查阅设备维修履历表可知，系统内无修复后继续投入使用的元器件，因此主要根据元件失效率进行排查排序。根据生产厂家提供的数据资料，本故障涉及的液压系统内主要元器件的平均失效率如表2 所示。

表2 主要元器件的平均失效率

根据表2 数据可知，诊断范围内剩余的底事件发生概率从小到大依次排序为X1＜X2＜X13＜X10＜X12。据此确定优先排查对象为换向阀，其次为单向节流阀，最后为油缸及其密封。按照上述分析的结论，依次对上述元件开展拆检排查工作，最终发现单向节流阀的阀芯部位出现卡滞，流道开启过小。经过更换阀芯后复装试验，该故障排除。

3 结语

针对出现概率较大的故障，将其作为顶事件预先完成故障树绘制，能够有效地提高故障维修水平，减少时间、人工成本。在根据故障树开展诊断的过程中，采取缩小诊断范围、目视检查优先和易损先检的工作方式能够尽快排除无关底事件，确定合理的排查拆检顺序，具有较强的实用性。