故障樹分析法在起重機械領(lǐng)域應(yīng)用研究進展*

陳 敏,黃國健,劉 金,彭啟鳳,王新華

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心,廣東廣州 510663)

故障樹分析法在起重機械領(lǐng)域應(yīng)用研究進展*

陳 敏,黃國健,劉 金,彭啟鳳,王新華

(廣州特種機電設(shè)備檢測研究院研發(fā)中心,廣東廣州 510663)

起重機械是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具,其故障和事故高居八大特種設(shè)備之首。鑒于故障樹分析法作為可靠性理論的一種分析方法,已經(jīng)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用,從故障樹分析法在起重機械領(lǐng)域的應(yīng)用展開研究,著重探討故障樹分析法對起重機械事故分析、故障診斷等方面的分析技術(shù)。通過綜述研究可以看出,對于起重機械事故反演等復(fù)雜問題的探索,故障樹分析法有著自身的不足,但可結(jié)合計算機仿真分析,對事故原因進行綜合判斷。

起重機;故障樹分析;事故反演

0 引 言

起重機械在國民經(jīng)濟的各個部門中應(yīng)用較廣泛,是工業(yè)生產(chǎn)的重要工具[1]。隨著科技的進步和發(fā)展,起重機械朝著大型化、連續(xù)化和自動化方向發(fā)展,但隨之而來的事故也越來越多。根據(jù)相關(guān)資料顯示,起重機械作業(yè)引起的傷亡事故占高居八大類特種設(shè)備中的第一位,這一調(diào)查結(jié)果引起國家質(zhì)檢總局的高度重視,強調(diào)將起重機械作為年度“三項行動”的重中之重進行整治,進一步降低機械造成的人員傷亡事故[2]。因此,研究起重機械事故發(fā)生的原因,對避免事故重復(fù)發(fā)生具有很大的必要性。

故障樹分析法是在一定條件下用演繹推理的方法,由總體至局部,按樹形結(jié)構(gòu),自上而下逐層細(xì)化,畫出邏輯框圖(即故障樹),從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式和發(fā)生概率,并采取相應(yīng)的改進措施,提高系統(tǒng)可靠性的分析方法。它是系統(tǒng)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]。故障樹分析法應(yīng)用于各行各業(yè),如汽車、起重機械、鐵路、航天等。應(yīng)用故障樹分析法確定起重機械事故發(fā)生的各類因素,結(jié)合計算機仿真技術(shù),確定起重機械事故發(fā)生的原因,再現(xiàn)事故發(fā)生的狀態(tài),可有效減少和避免起重機械事故的發(fā)生。

1 故障樹分析法研究基礎(chǔ)

故障樹分析法是基于可靠性理論提出的一種分析方法,它以故障模式影響與后果分析法為基礎(chǔ),是對系統(tǒng)故障形成的原因采用從整體至局部按樹枝狀逐漸細(xì)化分析的方法[4]。可靠性工程學(xué)成立于20世紀(jì)50年代,美國成立了電子設(shè)備可靠性顧問委員會,由此奠定了發(fā)展基礎(chǔ),20世紀(jì)60、70年代,可靠性工程得到了快速發(fā)展,并日趨成熟[5]。

基于可靠性工程這一理論,國內(nèi)外專家學(xué)者對故障樹分析法已開展了廣泛深入的研究。

早在1965年,由波音公司和華盛頓大學(xué)就明確提出故障樹分析法,引起人們的廣泛重視。在1974年,美國的原子能委員會發(fā)表了核電站安全評價報告,其中涉及的核心技術(shù)便是事件樹分析技術(shù)與故障樹分析技術(shù)。1975年,在美國加里福尼亞召開的可靠性學(xué)會上,將可靠性理論和故障樹分析技術(shù)并列為兩大進展,認(rèn)為故障樹分析技術(shù)與可靠性理論有著相同的實質(zhì)。我國故障樹分析技術(shù)起步較晚,在20世紀(jì)80年代才開始有大量的學(xué)術(shù)探討,之后相繼制定了各工業(yè)領(lǐng)域的一系列的國家標(biāo)準(zhǔn)和軍事標(biāo)準(zhǔn)[6]。

同時,國內(nèi)外專家學(xué)者對故障樹分析法在各個領(lǐng)域的應(yīng)用展開了大量的研究。例如王軼、馮曉云等人通過運用故障樹分析法分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和完成系統(tǒng)的最優(yōu)化來實現(xiàn)對機械設(shè)備故障的預(yù)測和診斷,對于系統(tǒng)故障的預(yù)測、預(yù)防、分析和控制取得了顯著的效果。耿宏、樊建梅等人結(jié)合故障樹診斷技術(shù)和專家經(jīng)驗診斷,對波音777飛機進行故障診斷,快速準(zhǔn)確地確定飛機的故障部位,提高機務(wù)維修效率[7]。西南交通大學(xué)的Huang Hongzhong等人以機械傳動系統(tǒng)為研究對象,提出基于模糊故障樹理論的機械傳動系統(tǒng)的故障診斷方法,分析系統(tǒng)的故障形式,進行了量化分析和算法研究[8]。

2 故障樹分析法在起重機上的應(yīng)用

隨著國內(nèi)外學(xué)者對故障樹分析法研究的深入和日漸成熟,且起重機作業(yè)引起的故障和事故居高不下,故障樹分析法應(yīng)用于起重機上的研究也逐漸增多。在對起重機的事故分析、故障診斷、機構(gòu)的可靠性分析、安全評估以及控制系統(tǒng)等各個方面均有諸多的研究成果。

2.1 事故分析

起重機械的作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)工況復(fù)雜多變,由于受到人為、設(shè)備以及環(huán)境因素的影響,以往調(diào)查和分析事故發(fā)生的原因較為困難。近年來,越來越多的研究人員采用故障樹分析法分析起重機發(fā)生的事故。

起重機械的吊物脫鉤導(dǎo)致貨物墜落是較為常見的一種事故。中國地質(zhì)大學(xué)付盡芳等人利用故障樹分析法分析某一起重機吊物墜落事故的原因。該團隊計算所建立的故障樹模型的最小徑集,對其進行定性分析,獲取引起事故的各類事件的重要度順序,對防止事故再次發(fā)生提供了可靠的依據(jù)[9]。南方電網(wǎng)的余珂針對電力企業(yè)的門座起重機脫鉤事故,利用故障樹分析法計算故障樹底事件的重要度,判斷故障模式的可能性順序,為電力企業(yè)的門座起重機脫鉤故障原因排查提供幫助[10]。東北大學(xué)的王福成研究團隊以故障樹分析法為基礎(chǔ),并利用計算機程序?qū)Φ跷飰嬄涫鹿蔬M行分析計算,提出防止該事故發(fā)生的預(yù)防措施[11]。

中國特檢院的丁克勤教授以及武漢工程大學(xué)舒安慶教授等人運用故障樹分析法對一門座式起重機的臂架折斷事故進行定性分析和定量分析[12],計算各底事件的臨界重要度,并提出了相對應(yīng)的策略。江蘇省特檢院的張志斌利用故障樹分析法對起重機的斷繩事故進行分析,計算了各基本事件的結(jié)構(gòu)的重要度順序,并提出了預(yù)防對策[13]。

2.2 故障診斷和維修

在起重機械發(fā)生的故障中,系統(tǒng)及各零部件發(fā)生故障也極為常見。中核工業(yè)的賈雪峰研究員針對門式起重機在日常維修過程中的重點項目,利用故障樹分析法對其進行故障診斷分析,通過定性和定量分析,計算出長時間運行后門式起重機的故障概率,為日常維護提供很大的幫助[14]。上海海事大學(xué)的張偉、黃建忠教授針對上海外高橋的超巴拿馬型集裝箱裝卸橋,建立故障樹,進行故障診斷,實現(xiàn)對集裝箱裝卸橋運行數(shù)據(jù)實時收集、反饋,幫助管理人員對故障進行分析,迅速搜索出導(dǎo)致系統(tǒng)失效的故障源,提供修復(fù)方法,是系統(tǒng)恢復(fù)正常[15]。

重慶交通大學(xué)的羅天洪教授利用故障樹分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)相結(jié)合,建立汽車起重機液壓系統(tǒng)的故障專家系統(tǒng),運用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)機制,確保液壓系統(tǒng)故障樹內(nèi)容的更新和擴充,有效地提高了故障查找的準(zhǔn)確率[16]。第二炮兵工程學(xué)院的何慶飛教授等人針以汽車起重機液壓系統(tǒng)的某一典型故障為例,運用故障樹分析法對其進行定性分析,查找出故障源為液壓泵,真實有效的解決了實際問題[17]。

2.3 其他方向的應(yīng)用

近年來,在起重機械的使用過程中,對其整機以及各機構(gòu)的安全評價逐漸受到重視,于是對安全評價的方法研究一直是近年來研究的熱點之一。運用故障樹分析法研究起重機械的安全評價方法也是研究的重點。武漢理工大學(xué)的黃海博士運用故障樹法分析港口門座起重機金屬結(jié)構(gòu)的安全評價方法[18]。根據(jù)建立的門座起重機故障樹模型以及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障模型,分析系統(tǒng)故障的發(fā)生率,再配合有限元計算和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果,確定金屬結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

在對起重機的幾大機構(gòu)的可靠性分析的研究中,太原科技大學(xué)的楊恒運用故障樹法對橋式起重機起升機構(gòu)的可靠性進行研究。而太原科技大學(xué)的梁晨、高崇仁教授運用故障樹法研究橋式起重機運行機構(gòu)的可靠性[19]。這些研究均是以橋式起重機起升機構(gòu)、運行機構(gòu)的組成部件為失效部件,統(tǒng)計其失效數(shù)據(jù),建立故障樹,計算機構(gòu)的失效概率,得出整體的可靠度。

在起重機的控制系統(tǒng)方面,也有運用故障樹分析法進行研究的進展。天津理工大學(xué)的袁松濤、冷建偉教授研究團隊對某車間集中監(jiān)控的雙臺橋式起重機的控制系統(tǒng)進行改造,并提出運用故障樹分析法對其可靠性進行分析[20]。利用所建立的控制系統(tǒng)故障樹,定性和定量分析得出系統(tǒng)的可靠性參數(shù),經(jīng)實踐證實,該系統(tǒng)研究對設(shè)備使用和維修提供了幫助。

3 結(jié) 語

隨著社會進步和發(fā)展,人們對起重機械的可靠性和安全性有了更高的要求。面對起重機械眾多而復(fù)雜的故障和事故,人們不斷的探索更好、更高效的研究方法來解決問題。如上所述,故障樹分析法的研究已有相當(dāng)一段時間,運用故障樹分析法對起重機械整機、各機構(gòu)以及部件的研究已日趨成熟。即便如此,它也有一定的不足或缺陷。

(1)運用故障樹分析法要求分析人員必須非常熟悉所分析的對象系統(tǒng),能準(zhǔn)確和熟練地應(yīng)用分析方法,避免出現(xiàn)不同分析人員繪制的故障樹和分析結(jié)果不同的現(xiàn)象。

(2)對于復(fù)雜的系統(tǒng),繪制的故障樹步驟多、數(shù)量龐大,計算復(fù)雜,給定性、定量分析帶來困難。

(3)對系統(tǒng)進行定量分析,必須事先確定所有各基本事件發(fā)生的概率,而這些概率又受到數(shù)據(jù)統(tǒng)計的影響,因此定量分析往往不是非常準(zhǔn)確。

由于故障樹分析法存在某些不足,因此在對起重機械的事故分析尤其是在事故反演的研究上,可考慮在定性分析獲得的各底事件重要度的基礎(chǔ)上,采用與計算機仿真相結(jié)合的方法,通過與有限元分析的結(jié)果相比對,對起重機事故發(fā)生的原因進行綜合判斷,推導(dǎo)引起事故的主要因素。

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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

特種設(shè)備科技協(xié)作平臺科技計劃項目(編號:2014SEK003);廣東省質(zhì)量監(jiān)督技術(shù)局科技項目(編號:20149702)

陳 敏(1988-),男,福建福州人,工程師,研究方向:特種設(shè)備仿真分析與風(fēng)險研究,起重機械安全評估技術(shù)研究。