基于FTA的煤矿液压支架乳化液泵故障分析

薄一龙

（同煤国电同忻煤矿维修队， 山西　大同　037001）

引言

随着我国煤矿企业向着高产高效的方向不断前进，对综采工作面主要支护设备的液压支架的要求也变得越来越高，特别是在其可靠性与安全性方面。液压支架的广泛使用大大降低了井下矿工的工作强度，提高了工作的安全保障性和生产效率。

根据现场对液压支架使用过程中的故障统计，发现其故障主要来源是液压系统。因此，为了确保液压支架的正常运行，减少维护与维修的费用，对其液压系统进行故障预测和分析是非常有必要的。

20世纪60年代，故障树分析法被美国的贝尔实验室首先提出。故障树分析法是基于图形演绎的逻辑分析方法。通过故障树分析方便、迅速、准确地找到系统故障的主要原因，发现薄弱坏节，同时还可以利用数学计算来确定故障的发生概率，以此作为科学、客观判断故障原因、选择故障处理方法的理论依据[1]。

1　液压支架泵站液压系统故障树的建立

1.1　液压支架泵站液压系统故障分析

生产实践表明，液压支架发生故障多数是由液压系统所造成。而整个液压系统的“心脏”则是乳化液。乳化液泵的工作特点是拥有较大的传动功率、较好的抗冲击能力和较强的抗污染性能。但是，综采工作面煤尘粉尘严重，地质条件复杂，使得在这种恶劣条件下运行的液压支架乳化液泵经常出现故障。当乳化液泵由于零部件损坏或者功能出现问题时就认为其发生故障并失效[2]。

通过查阅资料并结合现场经验来看，乳化液泵出现故障时往往有两个比较明显的现象，一方面是容积效率下降，泵压不足导致支架无动作或者运行速度减慢；另一方面则是出现较大的振动和噪声，乳化液温度也增加。造成第一种现象的原因有：由于缸体、配油盘配合表面磨损或者质量问题导致泵缸体与配油盘间隙过大；由于密封老化或者密封件损坏导致的密封失效问题；柱塞与缸体配合面磨损严重，使得乳化液大量泄漏。造成第二种现象的原因有：乳化液里混入空气、液面过低或补液量不足导致的主油泵空吸；乳化液量不足或者安装时出现问题。

1.2　故障树的建立

根据前面对乳化液泵故障的分析，建立液压支架乳化液泵故障树。顶事件即乳化液泵故障，现象包括容积效率下降，泵压不足以及振动、噪声、温度加剧。通过不断分析和完善，可以建立最终的故障树体系。该体系包括6个逻辑或门和9个底事件构成。其故障树示意图如图1所示[3]。

图1　煤矿液压支架乳化液泵故障树示意图

2　液压支架泵站液压系统故障树分析

2.1　定性分析

对图1所示煤矿液压支架乳化液泵故障树进行定性分析，得出该故障树的最小割集，以此判断相关底事件对与顶事件的影响。通过简单的布尔运算可以求得系统最小割集。通过逻辑分析，由于故障树中每个底事件均为逻辑“或”，因此最小割集为：

从式（1）可以看出，煤矿液压支架乳化液泵故障树的最小割集为{x1}{x2}{x3}{x4}{x5}{x6}{x7}{x8}{x9}。也就是说，故障树分析中，所有底事件均为顶事件的最小割集，那么每一个因素的出现都可能导致整个系统的故障，该系统可靠性较低。

2.2　定量计算

运用CAFTA软件对上页图1所示煤矿液压支架乳化液泵故障树进行定量计算。CAFTA软件是用于系统可靠性分析的专业工具，能够根据建立的图形模型，配合给定的参数实现数据管理、运算分析、结果分析等功能。将上页图1故障树绘制如CAFTA软件，同时根据查阅资料获得的故障间隔时间（如表1所示）输入每个底事件。在系统中设置参数，其中模拟次数为3 000次，有效时间区间为（0，350 00）。之后进行运算得到各底事件的失效概率和模式重要度，分析结果如表1所示。其中模式重要度均为1，与定性分析结果一致[4]。

表1　各底事件故障间隔时间与分析结果表

根据CAFTA软件的计算结果，进行顶事件的发生概率计算。算法如下式2所示：

则 ：P=1-（1-x1）（1-x2）（1-x3）…（1-x8）（1-x9）=0.295 334 043≈29.53%。

即煤矿液压支架乳化液泵故障概率为29.5%，系统可靠性为70.5%。

3　液压支架泵站液压系统故障树结果分析

1）从故障树定性分析与定量计算可以看出，各底事件模式重要度为1，说明每个底事件都有导致顶事件发生的可能。因此，对每个底事件都要引起足够的重视。

2）配油盘加工精度不够、中心球铰安装问题、配油盘磨损以及密封件磨损失效概率较大，属于液压系统的薄弱环节。为了解决这些问题，要注重设备的加工工艺与精度，加强质量监管，完善管理制度。尽可能避免质量问题造成的液压支架乳化液泵故障。

3）利用CAFTA软件进行进一步分析，绘制系统的可靠度直方图，如图2所示。从图2中可以看出，液压支架乳化液泵在使用初期没有故障发生，当运行得到1 500 h左右时，可靠性开始下降，当运行到3 000 h左右的时候，可靠性变得非常低。这时需要对液压支架乳化液泵进行大修[5]。

图2　煤矿液压支架乳化液泵可靠度直方图

4）从结果分析来看，故障树分析法以及CAFTA软件的运行能够对煤矿液压支架乳化液泵进行比较客观、科学的故障分析，结果与实际比较接近，可以作为故障诊断、故障检修的理论依据。具有较好的科学性和实践性。

4　结论

1）通过对煤矿液压支架乳化液泵进行故障分析，建立了由6个逻辑或门、9个底事件构成的故障树。对建立的故障树进行了定性分析并利用CAFTA软件进行了定量计算和可靠度直方图模拟。

2）分析结果显示，系统可靠性为70.5%，其中每个底事件都可能导致系统故障的发生。另外，初期没有故障发生，当运行得到1 500 h左右时，可靠性开始下降，当运行到3 000 h左右的时候，可靠性变得非常低。

[1]赵亮培.基于故障树分析的液压系统故障诊断研究[J].机床与液压，2009，37（2）：199-200.

[2]李为行.综采工作面液压支架液压系统的故障诊断与分析[D].青岛：山东科技大学，2009.

[3]刘鹏，朱命怡，李长胜，等.带式输送机新型托辊管体实验研究[J].矿山机械，2009，37（17）：53-55

[4]韩伟红，李兴书，吕勇庆，等.故障树分析法在带式输送机可靠性分析的应用[J].煤矿机电，2011（4）：79-81

[5]张红光，陈金刚.综采工作面液压支架液压系统的故障诊断与分析[J].工艺设计改造与检测检修，2012（21）：84.