基于静态故障树的矿井提升机故障检测研究

韩利东

(大同煤矿集团 煤峪口矿， 山西　大同　034041)



·试验研究·

基于静态故障树的矿井提升机故障检测研究

韩利东

(大同煤矿集团 煤峪口矿， 山西大同034041)

矿井提升机在矿井生产中起着重要作用，但在运行过程中易发生各种故障，严重干扰了矿井的正常生产。为此，采取静态故障树分析法来分析提升机故障，实现快速检测故障，确定故障位置。本文以我国某矿提升机为例，介绍了矿井提升机中常见的故障类型及静态故障树分析方法，并通过静态故障树分析法分析了提升机过卷故障，再通过定性和定量分析确定底事件对顶事件的影响大小，以快速确定故障。

矿井提升机；静态故障树分析法；故障类型；提升机过卷故障；定性和定量分析

1　矿井提升机故障

某矿提升机在运行过程中由于内外环境的影响而出现各种故障，如相关参数指标超过或低于正常范围,相关设备运行状态处于非正常状态等。矿井提升机常见的故障主要有以下几种：1) 行程监视类故障(过卷故障等)。2) 速度监视故障(等速段超速故障等)。3) 减速监视故障(减速段过速故障等)。4) 位置监视与同步校正故障。

2　静态故障树分析法的基本理论与步骤

2.1基本理论

静态故障树分析法就是一种针对一系列复杂系统而进行的可靠性和安全性评价的方法体系，该方法对于故障发生的时间属性忽略不计。静态故障树分析法是演绎法的一种，以故障事件为基础，通过一定的逻辑推理步骤，按照自上而下的顺序，逐步分析，直至得出结果。该分析方法采用图形的形式，具有较强的直观性，推理易于理解，而且对于某些环节之间的复杂逻辑关系可做一定的定性和定量分析。该分析方法中的顶事件指的是最不希望发生的事件，底事件指的是不能再细分的事件，中间事件指的是除顶事件和底事件之外的事件，一般为顶事件和底事件之间的事件。通过分层的形式逐级细分，从而确定故障发生的最终原因。引起提升机故障的因素多种多样，故障树分析法可对这些因素做综合分析，从而确定提升机在运行过程中的薄弱环节，在此分析基础上，可快速确定提升机运行中的潜在故障，从而大大提高故障判断的可靠性。这些故障或事件是通过相应的符号来表示的，而后再通过一定的逻辑门把顶事件、中间事件和底事件以倒立树形图联系起来，就完成了故障的故障树分析。而静态故障树分析法就是在故障树分析法的基础上，研究引发故障的各种因素，并根据研究成果采取合理的解决办法。

2.2分析步骤

静态故障树分析法是通过一定的步骤来实现故障确定的，其分析步骤主要有以下几个：

1) 确定顶事件。

顶事件的确定是根据工程实际而定的，往往为最坏的情况，即最不希望出现的情况。

2) 建立故障树。

通过一定的逻辑门，逐级细分，将顶事件、中间事件和底事件综合起来，形成倒立树形图。

3) 故障树定性分析。

该环节主要做两方面工作：a) 简化故障树，将故障树简化，使其简单易懂。b) 求得最小割集。

4) 故障树定量分析。

本环节所做的工作主要有以下两种：a) 求解顶事件发生的可能性，即发生概率。b) 对各故障因素重要度进行分析。

5) 确定薄弱环节。

结合故障树的分析结果，确定引发故障的一些因素，据此确定机械设备中的薄弱环节，并提出相应的改进措施。

所谓故障树的割集指的是一组底事件的集合，它仅代表一种故障情况。故障树的分析主要就是通过对最小割集的分析而实现的。所谓最小割集指的是只有每个割集中的底事件都出现，顶事件才具备了发生发展的条件。也就是说，只要割集中的任意底事件不发生，整个系统就不会出现故障。

3　故障树的建立与分析

提升机制动系统在运行过程中容易出现过卷故障，造成这一故障的原因主要有以下两种：1) 动力不足(制动系统引起的)。2) 减速段存在速度过大(超速保护装置无法正常工作)。

本部分主要以提升机制动系统为基础，通过建立故障树和分析，确定引发提升机制动系统故障的因素，并给出相应的解决措施。

3.1定性分析

根据以往经验和查阅相关资料，确定提升机产生过卷现象的机理，从而确定故障树的故障事件。提升机制动系统故障树的故障事件见表1.

表1　提升机制动系统故障树的故障事件表

通过再次逐级细分，以制动器失效为例，制动器失效的原因主要为制动电机工作异常，因而需对引发该故障的事件进行分析，制动电机停止工作故障事件见表2.

表2　制动电机停止工作故障事件表

结合表2，采用一定的逻辑门，建立故障树，制动电机停止工作的故障树见图1.

图1　制动电机停止工作的故障树分析图

3.2定量分析

1) 最小割集。

结合图1，通过求解该故障树的所有最小割集，确定制动停止工作时的顶事件分布情况。求解最小割集时一般有以下两种方法：a) 上行法。b) 下行法。本文以上行法求解其最小割集，即自下而上由底事件逐级进行集合运算。

以输入事件的并来代替“或门”输出事件，以输入事件的交来代替“与门”输出事件。而后通过化简，以底事件积之和来表示顶事件。该故障树的一个最小割集为其中一个积项，所有积项即为该故障树的所有最小割集。

通过图1，则有：

C=J3J4，B1=J2+C，A1=J1B1，B2=J2+J4，A2=B2J5，F=A1+A2

化简后，则有：F=J1J2+J2J5+J4J5+J1J3J4

因此，该故障树的最小割集共4个，即：{J1,J2}、{J2,J5}、{J4,J5}、{J1,J3,J4}.

通过以上公式求得底(顶)事件的分布情况，具体见表3.

表3　底(顶)事件的分布情况表

其中，Ji=0表示该故障未发生，Ji=1表示该故障发生。

2) 重要度。

底事件重要度的概率为：

通过表3可求得，底事件的重要度：

通过计算分析，J2、J5重要度最大，即这两个底事件对顶事件F的发生的影响最大，J1、J4重要度次之，即这两个底事件对顶事件F的发生的影响较大，J3重要度最小，即该底事件对顶事件F的发生的影响最小。根据重要度的大小，由大到小进行故障诊断，这样可节约时间，迅速确定故障位置。

4　结束语

通过静态故障树分析法对提升机过卷故障进行分析，并建立故障树，计算得出了各底事件的重要度，并据此实现快速确定故障。这种方法在某矿井中应用后，不但快速确定了故障类型和位置，而且故障检测率较高，效果显著。

[1]于治福,韩燕,于会荣,等.故障树分析法在矿井提升机电动机故障诊断中的应用[J].煤矿机械,2012(11):277-278.

[2]刘平献,韩浩,贺兆阳.矿井提升机制动系统的故障树分析[J].煤矿机电,2013(4):48-50，53.

[3]魏臻,许崇.基于FTA的矿井提升监控系统可靠性分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2013(8):919-922.

[4]范长征,蒋凡,曾凡平.综合故障树分析方法在容错计算机系统中的应用[J].计算机仿真,2006(4):63-67.

[5]王会良,熊宇权,孟江.矿井提升机故障树的蒙特卡罗法仿真[J].机床与液压,2014(21):192-195.

[6]阎雨薇,刘混举.基于贝叶斯网络的矿井提升机制动系统故障树分析[J].煤矿机械,2014(4):258-260.

[7]裴九芳,程晋石.基于故障树和灰关联的矿井提升机故障诊断[J].矿山机械,2008(19):74-76.

[8]张海民,程刚,葛世荣.基于动态故障树的采煤机牵引部可靠性分析[J].矿山机械,2010(21):1-5.

[9]孙潘潘.基于故障树的煤矿设备故障分析方法研究[D].徐州：中国矿业大学,2014.Research on Fault Detection of Mine Hoist Based on Static Fault Tree Analysis Method

HAN Lidong

The mine hoist is easy to occur various faults in the process of operation, which seriously interferes with the normal production of the mine. To this end, the static fault tree analysis method is adopted to analyze the hoist fault, to achieve rapid detection of faults, determine the location of the fault. A coal mine hoist in our country is as an example, introduces the mine lifting machine common fault types and static fault tree analysis method, and through the static fault tree analysis method analysis of hoist over rolling fault, and through qualitative and quantitative analysis to determine the influence of bottom event to top events, quickly identify the fault.

Mine hoist; Static fault tree analysis method; Fault type; Hoist over winding failure; Qualitative and quantitative analysis

2016-05-13

韩利东(1982—)，男，山西怀仁人，2007年毕业于大同大学，工程师，主要从事煤矿机电方面的技术工作

(E-mail)shamoshuishoulmq@163.com

TD534

A

1672-0652(2016)06-0031-03