解析工程机械维修中故障树分析法应用

王祥军

（湖南中铁五新钢模有限责任公司 湖南长沙 410100）

1 引言

当前，作为大型施工项目所必需的设备与器具，工程机械对我国的基础设施建设起到了至关重要的作用。在工程机械发生故障后，通过故障树分析方法对工程机械开展全面的分析，以找到其故障原因和问题所在，进而有针对性的开展维修工作。工程机械的维修自身便是较大的一项工程，发生的故障也是各式各样，在故障诊断时若发生失误，将引起极大的物力、人力、财力损失，并且还不能完成维修工作。在某些大型项目中，工程机械维修工作如果一旦没做好，则将严重影响施工进度和质量，从而导致公司的经济和社会效益都将受到重大损失。

2 故障树分析法及工程概述

2.1 故障树分析法概述

故障树分析是一种分析安全性与可靠性的系统工具，1961年在美国的贝尔实验室产生，其主要采用逻辑门符号、事件符号及转移符号等形式对系统内各类事件因果联系进行描述。故障树分析方法是将分析系统中最不希望出现的故障情况当作故障的研究目标，进而找到直接引发此故障的所有因素，接着再找到引起下级事件的所有直接性因素，直到无需再查找原因为止。故障树分析法基于故障树，对系统中导致故障产生的各类途径与因素进行分析，并在系统维修环节，可以有助于诊断的故障及维修方案的改进工作。

2.2 工程概述

在西安至成都高铁隧道施工项目中，采用CHP25B混凝土湿喷机工程机械，混凝土喷射量为25m3/h，是该项施工中的重点机械设备。此湿喷机包括主体结构（由前、后支腿，前、后支腿和副车架组成）、机械手系统（由液压油缸、传感器、结构件等组成）、智能控制系统及液压系统等部分。其中，机械手系统是湿喷机的一个核心部件，主要承担喷射混凝土的空间布料、混凝土速凝剂的添加、压缩空气混合等主要功能，主要由回转系统、大臂、小臂、伸缩臂总成、喷头总成等构成。回转系统主要结构由回转减速机、小齿轮、回转支撑、回转台等部件组成，其中回转减速机包含角度传感器和液压制动器等。伸缩臂总成由伸缩油缸、滑板、小臂、前伸缩臂、后伸缩臂等结构组成。喷头总成由360°摆动油缸、240°摆动油缸、360°刷动马达、喷嘴等组成。在工程施工进程中，机械手动作灵敏度低的问题，原因为智能控制系统计算时间长、液压延时、结构刚度低等。由于混凝土喷射方量大，机械手动作灵敏度低会造成混凝土的堆积，影响喷射面的平整度和对后续防水板的铺设照成困难。会产生极大危害，所以必须要及时处理此故障。

3 创建故障树

创建故障树主要是利用建立过程以对系统实施更进一步的了解，进而找到易于出现故障的部位和环节，从而利于维修工作的更好开展，同时为故障树的定性研究提供条件。

3.1 建树方法与流程

故障树建立前，需收集和研究有关的技术资料，存在许多建立方法，针对该案例中故障，选择演绎法实施人工建树过程。演绎法要求由顶事件起，从上至下，循序渐进的逐层建树，主要流程包括：①顶事件分析，找到引发顶事件的直接性因素，把顶事件当作输出性事件，并把全部的直接因素当作输入性事件，然后按照该事件的实际逻辑联系以适宜的逻辑门进行关联。②对每个和顶事件存在直接关联的输入事件进行分析。若此事件还可以进一步被分解，那么将它当作下一级输出事件，按第一步流程对该事件实施处理。③重复以上过程，向下逐层进行分解，直至输入事件全部都不再可以被分解或是无需再进行分解停止。该类输入事件便是故障树系统底事件。

3.2 故障树的建立

本文针对机械手动作灵敏度低的故障，采取故障树分析方法展开系统研究，构建故障树以迅速的找出问题原因，从而使此问题得到及时处理。先假定以下条件：各个底事件间互相独立；事件都有二值性，并且外界不对其产生干扰；各接头连接与管路状况完好。故障树系统中，底事件、中间事件与顶事件分别以符号X、M、T表示，且树系统中每个符号含义为：①顶事件T：机械手动作灵敏度低；②中间事件M：M1表示控制系统计算时间长，M2表示液压系统反应灵敏度低，M3表示结构件刚度低，M4表示各臂架见间隙大，M5表示伸缩臂滑板强度低，M6表示前后伸缩臂的外形尺寸出现偏差，M7表示液压油缸出现內外泄；③底事件X：X1表示控制器程序沉余严重，X2表示控制程序量太大，X3表示结构件应力大，X4表示臂架见间隙设计过大，X5表示伸缩臂滑板强度设计不到位，X6表示前后伸缩臂制造工艺出现偏差，X7表示液压系统控制油量过少，X8表示密封圈受损，X9表示液压缸出现变形，X10表示液压缸出现划痕，X11表示缸体和柱塞配合发生重大磨损。

4 故障树分析过程

4.1 故障树定性分析

定性分析的目的为：找出与系统相关的且不希望出现的事件因素及因素组合，简言之，就是要找到造成顶事件的全部故障形式，明辨潜在问题事故。树系统最小割集即表示一个故障类型，故障树的定性分析便是找到所有故障树的最小割集。常用的最小割集计算方式包括上行法与下行法等。对于本案例故障，采取“下行法”进行最小割集求解。因该故障树都通过或门组成，所以其最小割集可用{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}，即此类事件若发生 1 个，便会引发顶事件，因此，在故障诊断时，应按照具体工况逐个开展判断分析。

4.2 故障诊断

从故障树系统可知，此故障原因可通过排除法进行排查，步骤如下：

（1）通过观察引起M1控制系统计算时间长的全部底事件X1、X2可知，控制系统程序没有沉余，且程序量不大，所以控制系统计算时间长不存在，可以排除{X1}、{X2}。

（2）对M7液压油缸发生外泄，经外部观察检测未发现缸体出现漏油情况，可以排除{X8}、{X9}。对M7油缸发生内泄，使机械手各个油缸全部运动到极限位置并持续供油，观察回油钢管是否有液压油流出，表明液压油缸没有发生內泄，排除{X10}、{X11}。

（3）对M3结构件刚度问题，通过有限元软件仿真，判断出结构件变形较小。并设计专用变形测试系统进行实际测试表明有限元计算与实际测试结果相似变形都比较小。可将因素{X3}排除。

（4）通过对液压系统控制油量的测试发现，该油量与元件样本流量相符合，但与液压系统设计油量相比过少，通过与液压元件的厂家多方沟通、分析、试验并定制液压元件阀芯，使之满足湿喷机机械手这种特殊工况下的控制油量的需求。在完成装配后再重新启动液压系统，通过运行试验可看到机械手的动作灵敏度得到大幅度的提升，因此可明确故障因素是X7。

5 结束语

综上所述，机械工程对于项目工程建设发挥着重大作用，可以有效推动企业的发展，为国家经济社会发展提供了重要条件。所以，应高度重视工程机械的维修工作，并采取合理、有效的故障树分析方法开展故障分析，从而不断提升机械设备的维修工作效率。利用故障树的定性分析，能够快速找到故障产生原因，从而避免了许多无必要性的工作，节约了时间，并得到了良好的诊断效果。