故障树在提升机钢丝绳故障分析中的应用

温振龙

(大同市煤矿安全监管大队，山西　大同　037034)



·技术经验·

故障树在提升机钢丝绳故障分析中的应用

温振龙

(大同市煤矿安全监管大队，山西大同037034)

矿井提升机运转情况的好坏对煤矿生产和安全有着重要的作用，但是由于任务重、提升速度快、升级频繁等因素导致提升系统故障频发。本文分析了提升机钢丝绳的主要故障种类和原因，并根据分析结果，建立了由5个逻辑或门和8个底事件所构成的故障树。通过对故障树的定性和定量分析，得出了结论：各故障原因都可能独立导致钢丝绳系统故障，故障率约为0.11%.同时，根据分析结果提出了故障判断、检修方案，以提高设备的可靠性。

故障树；提升机；钢丝绳；故障；定性；定量

矿井提升系统是集机电、液压等于一体的设备系统。提升机系统承担着运送人员、水的排放、矿井通风等诸多工作。因此，提升机运转情况的好坏对矿井的正常生产和保障工作人员的生命安全具有重要作用。矿井提升机中的钢丝绳最易发生故障，一旦发生故障，对煤矿生产和工作人员的生命安全造成非常不利的影响。因此，国内外矿井对其安全问题都极为重视，但是由于矿井提升任务重、提升速度快、升级频繁，此外，安全装置老化，安全性能降低，提升机管理维护不及时、不科学，运行过程中过卷等问题频发，经常导致提升系统故障。

近年来，故障树分析法在其他领域的故障排查中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。因此，本文以这一故障查找方法为基础，应用到提升机钢丝绳故障分析中，进行了定性与定量分析，确定了故障的原因，并提出了有效的解决方法，可为类似环节的故障查找提供借鉴。

1　概　述

提升机钢丝绳的主要作用有以下两点：1) 连接提升容器和提升机。2) 传递提升动力。因此，提升机性能的优劣具有十分重要的安全和经济意义。

1.1钢丝绳的分类

在外力作用下，由于钢丝绳各层之间是由多根钢丝捻成，各钢丝相互挤压，形成紧密接触。同一钢丝绳中各钢丝的直径也存在一定的差异，钢丝绳的机械性能会受到各种因素的影响，这些因素主要有：钢丝间的捻角、捻距。钢丝绳的分类方法有很多。

1.2钢丝绳的结构

提升机所用的钢丝绳均为多根钢丝捻成绳股，而后在绳股的基础上捻成钢丝绳，钢丝绳的结构示意图见图1.

1—股芯　2—内层钢丝　3—外层钢丝　4—绳芯　5—绳股　6—钢丝绳图1　钢丝绳的结构示意图

钢丝捻成绳股后会形成股芯，而绳股捻成钢丝绳后会形成绳芯。目前，在提升机中应用的钢丝绳主要有以下两种：1) 金属绳芯。2) 纤维绳芯。

2　钢丝绳故障

2.1钢丝绳的损伤

钢丝绳在应用过程中会发生各种各样的问题，如疲劳断丝等。若不及时对这些缺陷进行检查，将危及钢丝绳的安全可靠性。局部缺陷，主要表现为内部和外部的局部断丝、机械损伤及腐蚀所引发的缺陷，这种缺陷在钢丝绳轴上分布的长度很短。金属截面损耗，主要表现于钢丝绳内部、外部磨损和锈蚀所产生的钢丝绳横截面金属面积减少，即 “缩径”，该缺陷的特点为沿轴向分布的长度较长。根据分布长度，又可分为以下两种：1) 具有明显过渡特征的局部性金属截面损耗。2) 截面呈现均勾损耗的整体截面损耗。

2.2钢丝绳的失效

1) 疲劳断丝。

在提升机工作过程中，钢丝绳主要受两种力：a) 静拉力。b) 动拉力。此外，滚筒上的钢丝绳还会受到弯曲应力。因而钢丝绳的实际应力是遵循一定规律的疲劳载荷，绳中每根钢丝承受的是交变应力，这种交变应力极易造成钢丝疲劳断裂问题。

2) 腐蚀。

腐蚀是提升钢丝绳常见的失效形式，有时腐蚀也会引发微缺损伤而产生腐蚀疲劳的综合效应，尤其是环境较为恶劣的情况下，某些区段的钢丝绳更易出现腐蚀问题，如悬挂装置至天轮一段、天轮至缠绕卷筒一段的钢丝绳常因暴露于大气空间并经受风吹雨淋而腐蚀明显。

钢丝绳腐蚀失效的机理主要有两种：a) 应力腐蚀。b) 疲劳腐蚀。在一定的应力条件下，由于钢丝绳长时间处于高应力条件下而产生断裂问题。通常发生应力腐蚀时，钢丝绳中的钢丝会在腐蚀状况并不严重的情况下，经过一段时间发生低应力脆断，因为断丝往往是突然的，所以，断口具有脆断特征。

3) 磨损。

钢丝绳在运转过程中会受到诸多因素的影响而产生磨损问题，造成钢丝绳磨损的原因主要有以下3种：a) 钢丝绳表面与滚动轮的接触摩擦。b) 钢丝绳在滚筒上缠绕时产生的各绳圈之间的挤压、摩擦等。c) 钢丝绳内部与表面润滑性差。

据有关统计资料介绍：许多报废的提升钢丝绳中，主要是腐蚀引起的失效，所占比重达到70%～80%，而疲劳破坏导致的钢丝绳失效则只占10%～15%，磨损引起的钢丝绳报废比例并不高。

3　基于故障树的钢丝绳故障分析

3.1故障树的建立

根据前面对提升机钢丝绳故障类型的分析，建立故障树。顶事件即提升机钢丝绳故障，出现故障时的表现可能有3种，即断丝、腐蚀、磨损变形。逐层向下分析，最终可以建立由5个逻辑或门和8个底事件所构成的故障树，见图2.

图2　提升机钢丝绳故障树示意图

3.2故障树定性分析

对图2所示故障树进行定性分析，求该故障树的最小割集，通过最小割集判断相关底事件的重要程度。求解过程见式(1):

(1)

通过式(1)显示的结果可知，在该故障树中，导致顶事件发生必要的底事件一共有8个，分别为{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}，{x7}，{x8}。对这9个事件来说，只要其中任意1个发生，都必然导致顶事件发生。

通过定性分析可知，在生产实践中，造成提升机钢丝绳故障的原因很多，而且各个事件相对独立，每一个都有可能直接导致故障的发生。因此，对于每一类故障都不能掉以轻心，对事故征兆要给与足够的重视。

3.3故障树定量分析

故障树定量分析的目的是求顶事件发生的概率，以此判断系统稳定性情况。通过查阅相关资料，得到图2事故树中各底事件发生的概率,见表1.

表1　带式输送机输送带故障各因素的发生概率表

根据式(1)求得的最小割集，可以求解整个系统的故障率,见式(2)：

(2)

3.4提供提升机钢丝绳可靠性的措施

提升机的正常运转主要是由钢丝绳与卷筒之间的摩擦系数来实现，其中，提升机钢丝绳与卷筒的防滑性能的确定公式为式(3):

(3)

式中:

Tx—钢丝绳下方侧的张力；

e—自然对数的底数；

μ—摩擦衬垫的摩擦系数；

α—围包角，一般大于1.

由式(3)可知，Tx越大，提升机在运转过程中则不易出现打滑问题，同时还可通过采取以下措施，来增强钢丝绳的防滑性能。

1) 增大围包角。为增大围包角，可采取加大导轮的措施，但实际情况是这种方法具有一定的局限性，因为主导轮的直径等变化幅度较小。若另安设导向轮，则钢丝绳会受到反向弯曲应力，缩短钢丝绳的使用寿命。

2) 增大摩擦系数。为增大摩擦系数，在衬垫材料的选择上，应主要考虑材料的耐磨性，耐磨性较好为宜。此外，还可以采取处理钢丝绳的措施。

3) 为获得较大的摩擦力，可适当改变提升机系统的运行状态。此外，钢丝绳的选型应严格根据《煤矿安全规程》进行确定，确保钢丝绳的各种性能均能保证提升机的正常运转。

4) 合理选择钢丝绳结构；检查外观缺陷；及时对井筒进行检查和维护，以避免钢丝绳存在不易发现的故障。在保证矿井提升机应有的提升能力的基础上，应使卷筒和天轮的直径大一些。同时，还应保证全通衬垫具有提升所要求的摩擦系数。卷筒上支轮的刚度尽量减小，降低钢丝绳负重，提高可靠性。

4　结束语

1) 本文分析了提升机钢丝绳的主要故障种类和原因，并根据故障分析的结果，建立由5个逻辑或门和8个底事件所构成的故障树，通过对故障树的定性和定量分析，得出了结论：各故障原因都可能独立导致钢丝绳故障，故障率约为0.11%.

2) 根据故障树分析所得的结果，提出了具有针对性的方案，为故障判断、检修和维护提供指导，提高设备的可靠性。

[1]刘立军.矿井提升钢丝绳的使用与研究现状[J].煤矿机械,2009,30(8)：197-198.

[2]王宝军.故障树分析在采煤机调高液压系统中的应用[J].煤矿机械,2008,29(6)：177-179.

[3]闫雨薇.基于FTA法对矿井提升机钢丝绳系统故障树分析[J].煤矿机械,2015,36(8)：332-333.

Application of Fault Tree in the Analysis of Hoist Wirerope Failure

WEN Zhenlong

It is important of the operation condition of coal mine hoist to coal mine production and safety. But the factors such as heavy task, fast hoist speed, frequent upgrade lead to frequent hoisting system failure. This paper analyzes the main failure types and causes of hoist wirerope. According to the results of analysis fault tree is established by five logics or gates and eight bottom events. Through the fault tree qualitative and quantitative analysis, it concludes that each fault cause can cause wirerope system failure independently, the failure rate is about 0.11%. Meanwhile, according to the analysis results presents the failure predication and maintenance programs to improve the reliability of device.

Fault tree; Hoist; Wirerope; Failure; Qualitatively; Quantitatively

2016-02-22

温振龙(1988—)，男，山西应县人，2011年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作(E-mail)lijunydz@163.com

TD532

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1672-0652(2016)03-0009-03