基于故障树的液压启闭机故障诊断系统

姜宽舒，郭建斌，2，唐 泽，王 江，李 欣

（1.河海大学能源与电气学院，江苏 南京211100；2.南通河海大学海洋与近海工程研究院，江苏 南通226019）

0 引言

2011年鲁尔基印度理工学院利用故障树分析法分析了HCS系统的可能性故障，设计了SeSWRS－HCS系统，显著地改善了系统的可靠性，减少了电厂运行时期的维护性，提高了电厂的工作效率［1］。2012年，欧洲能源研究所将FTA系统引用到固体氧化物燃料电池及固体高分子型燃料电池的可靠性和寿命研究中，掌握了燃料电池的退化机制，并研究了可靠性和寿命的关键影响参数［2］。2013年瑞典查尔莫斯理工大学开发了一个沉船有害物质释放的概率评估模型，通过执行故障树的定量风险评估，对其残骸优先缓解措施提出决策意见［3］。可以知道开展故障树分析研究，是解决复杂系统故障的有效方法。拟应用故障树分析法，对液压启闭机运行管理中出现的故障开展研究，建立了液压启闭机故障诊断系统，为液压启闭机的安全可靠运行提供技术保障。

1 故障树分析法

故障树分析法FTA（fault tree analysis）是一种评价复杂系统可靠性和安全性的故障诊断技术［4－5］。以下为故障树分析法用于故障诊断时的分析步骤。

a.分析系统结构，建立故障树。通过对系统组成结构及逻辑功能关系进行分析，说明子系统故障或元件故障对系统性能造成的影响。再以系统最不希望发生的故障事件为顶事件进行分析，逐级找出导致顶事件发生的所有可能故障原因，直至该故障模式不能继续划分或不必深究为止，最后便形成了一个倒置的树状图。

b.求解最小割集。最小割集是指导致顶事件发生的最低限度的基本事件的组合，知道最小割集，就能知道引发事故发生的所有可能途径，并用于指导故障的排除。最小割集的求解可采用行列法。根据逻辑与门增加割集容量、逻辑或门增加割集个数的特性，遇到与门就把与门下面的输入事件排列成一行，遇到或门就把或门下面的输入事件排列成一列，直到不能分解为止，这样得到的基本事件组合就是割集，再经过吸收后便可得到最小割集［6］。

c.定量分析。故障树定量分析就是以故障树为计算模型，根据底事件发生的概率求顶事件发生的概率和底事件的关键重要度，并根据关键重要度的大小顺序得到最佳的决策意见。

2 液压启闭机系统故障树的建立

2.1 液压启闭机故障树的建立

液压系统是液压启闭机的主要组成部分，液压系统的故障也是液压启闭机发生故障的主要原因。结合工程实际对液压启闭机液压系统发生的故障进行统计分析，发现其主要存在系统油温过高、系统噪声与振动过大、液压缸无动作、液压冲击和爬行等故障症状。分别以各个故障症状为顶事件建立故障树，图1所示为故障症状液压缸无动作的故障树。

2.2 故障树参数的设定

上述故障树的建立仅仅实现了故障原因的诊断，却无法知道故障的发生来自何种元件。为实现故障的准确定位，系统在各个故障底事件引入了属性系数m，用来描述故障底事件发生的位置。

为了便于将故障树中所包含的信息完整地存储到数据库中，还引入了故障事件编号，故障事件节点类型，父故障模式，故障事件名称4个参数。其中故障编号是故障事件的标识符，可通过编号的惟一性来进行不同故障模式之间的识别；故障事件节点类型用来判断该故障模式是否为叶节点即故障树底事件，若是则取值1，若不是则取值0。

3 故障诊断功能的实现

3.1 求解最小割集

图1 液压缸无动作故障树

采用“或门”的方式建立故障树，在实际计算过程中，无需考虑门的种类，只需利用行列法中的“或门”计算规则，便可以得到导致顶事件发生的最小割集。按照这种计算规则，故障树每个故障底事件就是一个割集，而所有的故障底事件便是全部的最小割集。以下为最小割集求解的算法程序。

表1 故障底事件数据表

3.2 故障树定量分析

设底事件的发生概率为q（i），各个底事件相互独立，则顶事件的发生概率可按式（1）计算，关键重要度可按式（2）计算［8］。

P（T）为顶事件的发生概率；q（i）为最小割集的发生概率；g为顶事件发生的概率函数；（i）为最小割集的关键重要度。（i）值越大说明该基本事件触发系统失效的可能性越大。因而系统一旦发生故障，应该首先考虑关键重要度最大的底事件触发了顶事件的发生。

4 实例分析

表1为某液压启闭机运行0h、720h和8 760h液压缸无动作故障底事件的故障数据表。

从表1中可知，在系统运行初期各个故障底事件的关键重要度相同。因此，诊断顺序按事件编号进行排序，当系统运行720h后，关键重要度最大的故障底事件编号为0006，说明期间造成液压缸无动作故障的主要可能原因为液压缸结构的设计不合理。当系统运行了8 760h后，关键重要度最大的故障底事件编号为0017，说明期间造成液压缸无动作的主要可能原因为滤油器堵塞故障。从上述3个时间段可看出，系统运行初期，由于液压缸结构设计的不合理，导致液压缸无动作，当改良液压缸结构后，系统恢复正常工作。但随着系统长时间的运行，液压油污染导致滤油器经常堵塞，后期管理维护更应该注意油液是否污染，并定期清理系统内部，使液压启闭机保持整洁。

5 结束语

以液压启闭机维修资料为故障诊断的主要知识来源，把故障诊断知识整理成可体现故障间逻辑关系的故障树。利用属性系数确定了故障的定位，通过故障底事件的概率实现了故障树的定量分析，建立了根据关键重要度大顺序的诊断模型。除此之外，采用ASP软件开发的故障诊断系统，具有良好的人机接口界面，能够运行于Web环境之中，可实现远程故障诊断、现场诊断等多种操作，方便了运行管理人员对液压启闭设备的维护与管理。

［1］ Biswal Gyan Ranjian，Maheshwari Rudra Prakahs，Dewal Mohanl Lal.System reliability and fault tree analysis of SeSWRS based hydrogen－cooling system［A］.2011International Conference on Advanced Power System Automation and Protection［C］.Beijing，China，2011.1418－1423.

［2］ Yousfi Steiner N，Hissel D，Mocotéguy P，et al.Applicationof fault tree analysis to fuel celldiagnosis［J］.Fuel Cells，2012，12（2）：302－309.

［3］ Hanna Landquist.Environmental risk assessment of shipwrecks：A fault－tree model for assessing the probability of contaminant release［J］.Integrated Environmental Assessment and Management，2013，9（3）：535－548.

［4］ 倪绍徐，张裕芳，易 宏，等.基于故障树的智能故障诊断方法［J］.上海交通大学学报，2008，42（8）：1372－1375.

［5］ 陶勇剑，董德存，任 鹏.基于故障树的系统可靠性估计不确定性分析［J］.同济大学学报（自然科学版），2010，38（1）：141－145.

［6］ 喻进军，熊 海，杨明忠.基于FTA的圆柱齿轮减速器的可靠性研究［J］.机械工程师，2006，（6）：52－53.

［7］ 刘炜基，申 哲.大型产品 MTBF计算方法的研究—轮胎式装载机 MTBF的等效样本计算法［J］.机械，1992，19（6）：2－6.

［8］ 张 龙，熊国良，何柏林，等.机床液压系统故障树分析［J］.机床与液压，2005，（2）：170－171，185.