故障树分析法在起重机械领域应用研究进展*

陈 敏,黄国健,刘 金,彭启凤,王新华

(广州特种机电设备检测研究院研发中心,广东广州 510663)

故障树分析法在起重机械领域应用研究进展*

陈 敏,黄国健,刘 金,彭启凤,王新华

(广州特种机电设备检测研究院研发中心,广东广州 510663)

起重机械是工业生产中的重要工具,其故障和事故高居八大特种设备之首。鉴于故障树分析法作为可靠性理论的一种分析方法,已经在各行各业广泛应用,从故障树分析法在起重机械领域的应用展开研究,着重探讨故障树分析法对起重机械事故分析、故障诊断等方面的分析技术。通过综述研究可以看出,对于起重机械事故反演等复杂问题的探索,故障树分析法有着自身的不足,但可结合计算机仿真分析,对事故原因进行综合判断。

起重机;故障树分析;事故反演

0 引 言

起重机械在国民经济的各个部门中应用较广泛,是工业生产的重要工具[1]。随着科技的进步和发展,起重机械朝着大型化、连续化和自动化方向发展,但随之而来的事故也越来越多。根据相关资料显示,起重机械作业引起的伤亡事故占高居八大类特种设备中的第一位,这一调查结果引起国家质检总局的高度重视,强调将起重机械作为年度“三项行动”的重中之重进行整治,进一步降低机械造成的人员伤亡事故[2]。因此,研究起重机械事故发生的原因,对避免事故重复发生具有很大的必要性。

故障树分析法是在一定条件下用演绎推理的方法,由总体至局部,按树形结构,自上而下逐层细化,画出逻辑框图(即故障树),从而确定系统故障原因的各种组合方式和发生概率,并采取相应的改进措施,提高系统可靠性的分析方法。它是系统安全工程重要的分析方法之一,是可靠性工程的重要分支[3]。故障树分析法应用于各行各业,如汽车、起重机械、铁路、航天等。应用故障树分析法确定起重机械事故发生的各类因素,结合计算机仿真技术,确定起重机械事故发生的原因,再现事故发生的状态,可有效减少和避免起重机械事故的发生。

1 故障树分析法研究基础

故障树分析法是基于可靠性理论提出的一种分析方法,它以故障模式影响与后果分析法为基础,是对系统故障形成的原因采用从整体至局部按树枝状逐渐细化分析的方法[4]。可靠性工程学成立于20世纪50年代,美国成立了电子设备可靠性顾问委员会,由此奠定了发展基础,20世纪60、70年代,可靠性工程得到了快速发展,并日趋成熟[5]。

基于可靠性工程这一理论,国内外专家学者对故障树分析法已开展了广泛深入的研究。

早在1965年,由波音公司和华盛顿大学就明确提出故障树分析法,引起人们的广泛重视。在1974年,美国的原子能委员会发表了核电站安全评价报告,其中涉及的核心技术便是事件树分析技术与故障树分析技术。1975年,在美国加里福尼亚召开的可靠性学会上,将可靠性理论和故障树分析技术并列为两大进展,认为故障树分析技术与可靠性理论有着相同的实质。我国故障树分析技术起步较晚,在20世纪80年代才开始有大量的学术探讨,之后相继制定了各工业领域的一系列的国家标准和军事标准[6]。

同时,国内外专家学者对故障树分析法在各个领域的应用展开了大量的研究。例如王轶、冯晓云等人通过运用故障树分析法分析系统的薄弱环节和完成系统的最优化来实现对机械设备故障的预测和诊断,对于系统故障的预测、预防、分析和控制取得了显著的效果。耿宏、樊建梅等人结合故障树诊断技术和专家经验诊断,对波音777飞机进行故障诊断,快速准确地确定飞机的故障部位,提高机务维修效率[7]。西南交通大学的Huang Hongzhong等人以机械传动系统为研究对象,提出基于模糊故障树理论的机械传动系统的故障诊断方法,分析系统的故障形式,进行了量化分析和算法研究[8]。

2 故障树分析法在起重机上的应用

随着国内外学者对故障树分析法研究的深入和日渐成熟,且起重机作业引起的故障和事故居高不下,故障树分析法应用于起重机上的研究也逐渐增多。在对起重机的事故分析、故障诊断、机构的可靠性分析、安全评估以及控制系统等各个方面均有诸多的研究成果。

2.1 事故分析

起重机械的作业环境以及作业工况复杂多变,由于受到人为、设备以及环境因素的影响,以往调查和分析事故发生的原因较为困难。近年来,越来越多的研究人员采用故障树分析法分析起重机发生的事故。

起重机械的吊物脱钩导致货物坠落是较为常见的一种事故。中国地质大学付尽芳等人利用故障树分析法分析某一起重机吊物坠落事故的原因。该团队计算所建立的故障树模型的最小径集,对其进行定性分析,获取引起事故的各类事件的重要度顺序,对防止事故再次发生提供了可靠的依据[9]。南方电网的余珂针对电力企业的门座起重机脱钩事故,利用故障树分析法计算故障树底事件的重要度,判断故障模式的可能性顺序,为电力企业的门座起重机脱钩故障原因排查提供帮助[10]。东北大学的王福成研究团队以故障树分析法为基础,并利用计算机程序对吊物坠落事故进行分析计算,提出防止该事故发生的预防措施[11]。

中国特检院的丁克勤教授以及武汉工程大学舒安庆教授等人运用故障树分析法对一门座式起重机的臂架折断事故进行定性分析和定量分析[12],计算各底事件的临界重要度,并提出了相对应的策略。江苏省特检院的张志斌利用故障树分析法对起重机的断绳事故进行分析,计算了各基本事件的结构的重要度顺序,并提出了预防对策[13]。

2.2 故障诊断和维修

在起重机械发生的故障中,系统及各零部件发生故障也极为常见。中核工业的贾雪峰研究员针对门式起重机在日常维修过程中的重点项目,利用故障树分析法对其进行故障诊断分析,通过定性和定量分析,计算出长时间运行后门式起重机的故障概率,为日常维护提供很大的帮助[14]。上海海事大学的张伟、黄建忠教授针对上海外高桥的超巴拿马型集装箱装卸桥,建立故障树,进行故障诊断,实现对集装箱装卸桥运行数据实时收集、反馈,帮助管理人员对故障进行分析,迅速搜索出导致系统失效的故障源,提供修复方法,是系统恢复正常[15]。

重庆交通大学的罗天洪教授利用故障树分析法和神经网络络相结合,建立汽车起重机液压系统的故障专家系统,运用模糊神经网络自学机制,确保液压系统故障树内容的更新和扩充,有效地提高了故障查找的准确率[16]。第二炮兵工程学院的何庆飞教授等人针以汽车起重机液压系统的某一典型故障为例,运用故障树分析法对其进行定性分析,查找出故障源为液压泵,真实有效的解决了实际问题[17]。

2.3 其他方向的应用

近年来,在起重机械的使用过程中,对其整机以及各机构的安全评价逐渐受到重视,于是对安全评价的方法研究一直是近年来研究的热点之一。运用故障树分析法研究起重机械的安全评价方法也是研究的重点。武汉理工大学的黄海博士运用故障树法分析港口门座起重机金属结构的安全评价方法[18]。根据建立的门座起重机故障树模型以及贝叶斯网络故障模型,分析系统故障的发生率,再配合有限元计算和贝叶斯网络分析结果,确定金属结构的薄弱部位。

在对起重机的几大机构的可靠性分析的研究中,太原科技大学的杨恒运用故障树法对桥式起重机起升机构的可靠性进行研究。而太原科技大学的梁晨、高崇仁教授运用故障树法研究桥式起重机运行机构的可靠性[19]。这些研究均是以桥式起重机起升机构、运行机构的组成部件为失效部件,统计其失效数据,建立故障树,计算机构的失效概率,得出整体的可靠度。

在起重机的控制系统方面,也有运用故障树分析法进行研究的进展。天津理工大学的袁松涛、冷建伟教授研究团队对某车间集中监控的双台桥式起重机的控制系统进行改造,并提出运用故障树分析法对其可靠性进行分析[20]。利用所建立的控制系统故障树,定性和定量分析得出系统的可靠性参数,经实践证实,该系统研究对设备使用和维修提供了帮助。

3 结 语

随着社会进步和发展,人们对起重机械的可靠性和安全性有了更高的要求。面对起重机械众多而复杂的故障和事故,人们不断的探索更好、更高效的研究方法来解决问题。如上所述,故障树分析法的研究已有相当一段时间,运用故障树分析法对起重机械整机、各机构以及部件的研究已日趋成熟。即便如此,它也有一定的不足或缺陷。

(1)运用故障树分析法要求分析人员必须非常熟悉所分析的对象系统,能准确和熟练地应用分析方法,避免出现不同分析人员绘制的故障树和分析结果不同的现象。

(2)对于复杂的系统,绘制的故障树步骤多、数量庞大,计算复杂,给定性、定量分析带来困难。

(3)对系统进行定量分析,必须事先确定所有各基本事件发生的概率,而这些概率又受到数据统计的影响,因此定量分析往往不是非常准确。

由于故障树分析法存在某些不足,因此在对起重机械的事故分析尤其是在事故反演的研究上,可考虑在定性分析获得的各底事件重要度的基础上,采用与计算机仿真相结合的方法,通过与有限元分析的结果相比对,对起重机事故发生的原因进行综合判断,推导引起事故的主要因素。

[1] 石 峰.国内外起重机制动技术现状及发展趋势[J].山西冶金,2008(2):51-53.

[2] 刘 金.起重机参数化技术应用研究综述[J].自动化与信息工程,2013,34(5):7-11.

[3] 朱大奇.基于故障树最小割集的故障诊断方法研究[J].数据采集与处理,2002,17(3):341-344.

[4] Singer D.A fuzzy Set Approach to Fault Trees and Relia-bility A-nalysis[J].Fuzzy Sets and Systems,1990(34):145-155.

[5] 胡昌寿.可靠性工程-设计试验、分析、管理[M].北京:宇航出版社,1989.

[6] Weber,D.P.Fuzzy Fault Tree Analysis[J].Fuzzy Systems,1994 (3):1899-1904.

[7] 耿 宏,樊建梅.基于故障树模型的波音777故障诊断专家系统[J].自动化与仪表,2005(4):65-68.

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[9] 付尽芳.起重机吊物坠落情况的事故树分析[J].起重运输机械,2006(5):56-59.

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[13] 张志斌.起重机断绳事故FTA及对策[J].起重运输机械,2008 (1):81-82.

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[15] 张 伟.基于故障树分析法的集装箱装卸桥的故障诊断[D].上海:上海海事大学,2006.

[16] 罗天洪,杨彩霞.基于故障树的汽车起重机液压故障诊断专家系统[J].机械科学与技术,2013,32(4):538-544.

[17] 何庆飞,王汉功.故障树分析法在汽车起重机液压系统故障诊断中的应用[J].机床与液压,2008,36(2):196-198.

[18] 黄 海.港口起重机金属结构安全性评价方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[19] 杨 恒.基于故障树方法的起重机起升机构模糊可靠性分析[D].太原:太原科技大学,2008.

[20] 袁松涛.双台桥式起重机控制系统的研究及可靠性分析[D].天津:天津理工大学,2013.

Application Research on the Fault Tree Analysis in Hoisting Machinery Field CHEN Min,HUANG Guo-jian,LIU Jin,PENG Qi-feng,WANG Xin-hua

(Research and Development Center,Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection
&Testing,Guangzhou Guangdong 510663,China)

Lifting machinery is an important tool in industrial production,its failures and accidents rank the first among all eight special equipments.As an analytical method for reliability theory,the fault tree analysis method has been widely applied in all walks of life.In this paper,the fault tree analysis method studies in depth in terms of lifting machinery accident analysis,fault diagnosis,maintenance,security and reliability analysis.It is shown that the fault tree analysis has its own deficiencies for the study of complex problems like lifting machinery accident inversion,but it can be combined with the computer simulation analysis to analyze the causes of accidents.

crane;fault tree analysis(FTA);accident inversion

TH165.3

A

1007-4414(2015)05-0205-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.076

2015-08-20

特种设备科技协作平台科技计划项目(编号:2014SEK003);广东省质量监督技术局科技项目(编号:20149702)

陈 敏(1988-),男,福建福州人,工程师,研究方向:特种设备仿真分析与风险研究,起重机械安全评估技术研究。