基于故障树的桥式起重机主钩电气故障分析

(1.海军航空工程学院，山东烟台 264001;2.91515部队，海南三亚 572016)

(1.海军航空工程学院，山东烟台 264001;2.91515部队，海南三亚 572016)

桥式起重机各部分动作都是通过电气进行控制的。利用故障树分析法对20/5 t桥式起重机主钩电气线路进行故障诊断，通过建立故障树，对其进行定性定量分析，得出影响主钩电气线路正常工作的主要因数，为日常维护保养和维修提供参考，提高维护修理效率。

故障树;桥式起重机;电气故障

0 前言

故障树分析法(Fault Tree Analysis，简称FTA)是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树状级细化的分析方法。因为方法简单，概念清晰，易被人们接受，所以故障树分析法是对动态系统的设计、工厂试验或对现场设备工况状态分析的一种有效的工具。

桥式起重机是所有起重设备中使用范围最广泛、生产数量最多的一种，由于其作业环境复杂、工作方式特殊，所以发生故障的概率很高。再加上重载下频繁起动、制动、反转、变速等操作，对起重机的控制电路冲击比较大，大大提高了电气线路的故障。应用故障树分析法对电气回路故障进行分析研究，建立故障树，从而可以看出事件的成因与形成过程以及各故障发生概率大小，方便地发现潜在的问题，有利于起重机电气故障的预防、预测和控制，提高起重机运行的可靠性和在线率。

1 故障树分析法

故障树分析法是美国贝尔电话实验室于1962年为研究民兵式导弹发射控制系统的安全性问题而研究开发的，为解决导弹系统偶然事件的预测问题做出了贡献［1］。故障树分析法是把要分析的目标函数作为故障树的顶事件，以方框符号表示;经分析找出导致顶事件发生的所有直接原因，作为中间事件，以方框符号表示;作为逻辑门输人信号，将逻辑门输出信号与顶事件相连接形成因果关系，再跟踪找出导致每个中间事件发生的所有直接原因作为下一级中间事件，用逻辑门与上一级中间事件连接;以此程序直追溯到导致组成系统所有部件故障发生的全部直接原因，作为故障树的底事件，以圆形符号表示，用逻辑门与上一级中间事件相连接，最终形成倒置的树状逻辑图［2］。求出故障树的最小割集，可得引起顶事件发生的若干故障模式;求出故障树的底事件结构重要度，可知底事件对顶事件的影响程度;计算顶事件失效概率，可预测系统的设计可靠性。

故障树分析的基本步骤:确定顶事件-确定底事件-调查事故原因-确定目标值-构造故障树-定性评价-定量评价-制定预防事故(改进系统)的措施。故障树分析流程见图1。

图1 故障树分析流程Fig.1Analysis procedure of fault tree

故障树分析法能对各种系统的危险性进行识别评价，体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性。该法应用比较广，非常适合于重复性大的系统。不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入提示事故的潜在原因，因此在工程设计阶段、事故查询或编制新的操作方法时，都可以使用这个方法对其安全性做出评价。

2 根据实际对象建立故障树

对桥式起重机主钩故障建立故障树的步骤［3］:

(1)选择和确定顶事件。在分析该故障时，主钩故障是最不希望看见的事件，所以指定此事件为进行逻辑分析时的顶事件。

(2)分析顶事件，找出中间事件。寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分的原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件，像分析顶事件一样进行更加深入地分析，得出与该事件直接相连的下一层事件，只要还能进行下一步分析的事件都为中间事件。

(3)确定底事件。重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，得到一系列的基本事件，即底事件。分析结束后，得到一棵倒置的故障树。

由于工作环境恶劣、负荷很大以及动作频繁，主钩经常性发生故障，从而降低生产率，并带来不必要的损失;另外，对于桥式起重机而言，主副钩、大小车的故障树分析方式都是相似的，所以研究其它三个可以依照主钩的研究方式进行进一步的分析，从而得到桥式起重机电气线路故障树分析。在建立故障树之前，首先对桥式起重机主钩的电气线路图2［3］逐步逐块分析，得到主钩故障的主要模式以及相应的原因。

图2 20/5t桥式起重机主钩电气线路图Fig.2Electric circuit of 20/5t bridge crane main hook

分析主钩电气线路主要包括保护电路、主钩主电路、主钩档位控制线路等三部分。经过对三部分电路的分析，把主钩的故障主要分为不动作、单方向动作、档位异常，并得到图3和图4的故障树图。图中KM为主交流接触器;AC4为主钩主令控制器;KM4、KM5为反接电阻切除接触器;KM6～KM9为调速电阻切除接触器; YB5、YB6为主钩电磁抱闸制动器;KM1、KM2为主钩正反转交流接触器;KM3为主钩抱闸接触器;AC(1-3)-7为副钩、大车、小车零伴随联锁触头。

图3 主钩故障的故障树1Fig.3Fault tree 1 of hook electrical accident

图4 主钩故障的故障树2Fig.4Fault tree 2 of hook electrical accident

3 分析建立的故障树

建造故障树的目的是通过建树过程系统地了解系统，找出薄弱环节，以便改造系统设计、运行和维修，从而提高系统的可靠性、维修性和安全性。故障树分析，包括定性分析和定量分析两种方法。在定性分析中，主要包括最小割集、最小径集和重要度分析。定量分析主要有两方面的内容:一是由输入系统各单元(底事件)的失效概率求出系统的失效概率;二是求出各单元(底事件)的结构重要度、概率重要度和关键重要度，最后可根据概率重要度的大小排序出最佳故障诊断和修理顺序，同时也可作为首先改善相对不大可靠的单元的数据［4］。

3.1 定性分析

本文进行定性分析时只分析引起故障的最小割集。图3和图4故障树定性分析结果见表1，列出了对顶事件影响比较大的23种可能，表示了桥式起重机主钩电气线路发生故障的主要途径。

表中的每一行都是一个最小割集。根据故障树最小割集的定义，表中的任一行都是桥式起重机主钩电气线路发生故障的途径。当主钩上出现电气故障时，就可以按表1逐项检查并加以排除。

表1 失效模式模拟结果Tab.1Simulation results of failure mode

3.2 定量分析

顶事件发生率决定于故障树的结构和各基本事件的不可靠度。在进行故障树分析时，各基本事件的不可靠度均设为Q=0.001，并设置模拟次数位10 000次。表2是主钩故障树各基本事件概率重要度和模式重要度的计算结果，此处主要对概率重要度进行分析。

表2 重要度模拟结果Tab.2Simulation results of importance

按概率重要度的大小顺序，各基本事件对主钩电气故障的影响大小为:(46)＞(6、33、35、39)＞(1、31、38、45)＞(4、30)＞(5、7、11、27、32)＞(13、44、48)＞(15)＞(12、19、34)＞(47)＞(14)＞(10)＞(24)。概率重要度值越大，说明它对顶事件的影响也越大，应是着重考虑的因数。因此，要减少主钩的电气故障，应从提高具有较大概率重要度的基本事件可靠度人手。同时，当系统故障出现时，也应按其大小顺序寻找并排除故障原因。另外，可以看到这些基本事件的概率重要度相差不大，这也从一个方面体现出电气故障的特点:一旦回路中某一部件产生故障，系统将立即失效，而不会等到另一部件产生故障后与之共同作用导致系统失效。

4 多次模拟结果分析

为进一步分析建立的故障树，对故障树另外进行了两次模拟，一次模拟次数为1 000次，另一次为5 000次，分别得到两组不同的模拟结果，两组重要度模拟结果分析对比见表3。

从表3的数据可以看出，模拟5 000次的地事件发生的概率与模拟1 000次的相近，而模拟1 000次的与其它两个数据相差稍微大一点，说明随着模拟次数的增加，模拟结果趋于稳定，这也说明了模拟结果的可行性，因为在故障树分析中，模拟的次数表示随机抽样的次数，如果只针对一台设备，则反映的是该设备的工作时间，模拟次数多，工作时间长，则设备故障模式就趋于稳定。另外，对于底事件比较多的系统，模拟的次数越多，得到的结果越详细，包涵的情况也会越多，但是，由于到达一定的模拟次数后，模拟结果就基本稳定，再增加模拟的次数就没有必要。

5 结论

通过利用故障树对桥式起重机主钩故障的建树分析，得到各部件对主钩影响的大小程度，从故障树可以清晰看到影响顶事件的因数，在定位故障点时可以有章可循，方便快捷地查出故障点。另外，在运用故障树时，合理地选择模拟次数是事关重要的，好的选择能够得到理想的结果。

［1］刘铁民，张兴凯，刘功智.安全评价方法应用指南［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［2］邓庆松.故障树的编制与应用［M］.北京:北京科学技术出版社，1989(5).

［3］田景亮.桥式起重机构造与检修［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［4］朱继洲.故障树原理和应用［M］.西安:西安交通大学出版社，1989.

基于故障树的桥式起重机主钩电气故障分析

张利1，王义军2，许宜贺1，赵立方2

Hook electrical accident analysis on bridge crane based on fault tree

ZHANG Li1，WANG Yi-jun2，XU Yi-he1，ZHAO Li-fang2
(1.Naval Aeronautical Engineering Institue，Yantai 26400 China; 2.91515 PLA Troops，Sanya 572016，China)

The action of each part of bridge crane is operated by electric control.Fault electric circuit of 20/5t bridge crane main hook is diagnosed in fault tree analysis method.Through building the fault tree，then qualitative and quantitative analysis the faults，the main factor of affecting the hook electric circuit normal work is obtained.Which provides reference for daily maintenance and repair，and improves its efficiency.

fault tree;bridge crane;electrical accident

TH215

A

1001-196X(2014)05-0051-05

2014-05-15;

2014-08-16

张利(1963-)，男，海军航空工程学院副教授。

设计计算