淺談牙輪鉆液壓系統故障診斷技巧

摘 要：簡單介紹了故障樹分析法，和KY系列牙輪鉆液壓系統的基本構成。以該液壓系統中“鉆具的進給和提升都無力，尤其鉆具提升出現爬行現象”的故障為典型，通過建立故障樹，并依據故障樹進行故障排查和診斷。此方法簡單、直觀、實用，在液壓系統故障診斷中，取得了令人滿意的效果。

關鍵詞：故障樹分析；液壓系統；速度

中圖分類號：V233.91 文獻標識碼：A

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是系統可靠性研究中常用的一種重要方法，是一種將系統故障形成的原因由總體至部分按樹狀逐級細化的分析方法。通常把最不希望發生的事件稱為頂事件，不再深究的事件稱為基本事件，而介于頂事件與基本事件之間的一切事件稱為中間事件，用相應的符號代表這些事件，再用適當的邏輯門把頂事件、中間事件和基本事件聯結成樹形圖，即得故障樹。因為方法簡單，概念清晰，容易被人們接受，所以它是對動態系統的設計、工廠試驗或對現場設備工況狀態分析的一種有效的工具。

液壓系統是KY系列牙輪鉆的重要部分，其故障在牙輪鉆全部故障中占有很大比例。而且液壓系統故障多樣和復雜，其故障隱蔽性強、引起同一故障原因和同一原因引起故障的種類多樣；故障的產生與使用條件的密切相關；因果關系復雜、易受隨機性因素影響，故障診斷難度大。因此，應用故障樹分析法對KY系列牙輪鉆液壓系統的典型故障進行分析研究，建造故障樹，從而可以找出故障原因和排除方法，大大減少維修的盲目性，方便地發現潛在的問題，有利于牙輪鉆液壓系統故障的預防、預測和控制。

1 故障樹的建立

1.1 KY系列牙輪鉆液壓系統故障分析

KY系列牙輪鉆液壓系統是一個相對復雜的系統，其中千斤頂、鉆架起落、鉆具提升和進給、鉆桿架移動、工具卡頭、等都用油缸傳動。在使用過程中容易產生故障的部位是加壓回路中鉆具提升和進給無力，鉆進時軸壓較低，提升時鉆具出現爬行現象，使牙輪鉆穿孔效率極為低下。而牙輪其他液壓回路也時常出現多種故障，如支出的千斤頂有泄壓收回現象，鉆桿架移動和液壓卡頭動作較為緩慢。由于牙輪鉆液壓系統故障現象很多，本文選擇常見的具有代表性、危害大的加壓裝置出現的故障現象進行系統分析，其加壓裝置液壓原理圖如圖1所示。

2.2 故障樹的建立

建造故障樹的目的是通過建樹過程系統地了解系統，找出薄弱環節，以便改造系統設計、運行和維修，從而提高系統的可靠性、維修性和安全性。同時為故障樹定性分析和定量計算提供前提。

本文以KY-200B液壓系統鉆具進給和提升無力作為分析對象為例，介紹故障樹分析法在KY系列牙輪鉆液壓系統故障診斷中的應用。分析過程中假設以下條件：（1）各底事件相互獨立；（2）各事件都為二值性；（3）不存在外界干擾因素，例如固定液壓元件的機架等機械結構是牢固的，電氣線路及接頭是可靠的等。以牙輪鉆鉆具提升或進給無力作為頂事件建立故障樹如圖2所示。故障樹圖中，頂事件、中間事件、底事件分別用T、S、X符號表示。

圖2中：T為加壓油缸無力；S1為液壓缸內泄漏；S2為進入油缸油壓力不足；S3為換向系統故障；S4為溢流閥故障；S5為進入換向閥油壓力不足；S6為換向閥泄漏；S7為油泵失效；S8為過載溢流閥故障；S9為油泵內泄漏；S10為泵吸入空氣；X1為活塞密封圈損壞；X2為缸壁磨損；X3為油溫過高，油粘度下降；X4為遠程調壓閥故障；X5為平衡閥故障；X6為溢流閥閥芯磨損；X7為溢流閥調定壓力值低；X8為換向閥閥芯磨損；X9為過載溢流閥閥芯磨損；X10為過載溢流閥主閥芯堵塞；X11為過載溢流閥調定壓力值低；X12為濾油器堵塞；X13為泵進油口密封不良；X14為油液供應不足；X15為齒頂與泵體磨損；X16為泵端面與側面板磨損。

2 FTA的定性分析

故障樹定性分析主要是找出導致頂事件（系統故障）發生的所有可能的故障模式及其狀態組合，即求出故障樹的全部最小割集。故障樹中的一個割集，表示該系統發生故障的一種可能性，即一種失效模式。最小割集發生時頂事件必然發生，因此故障樹的全部最小割集代表頂事件發生的所有可能，即系統的全部故障模式。它可以幫助判斷潛在故障，以便合理改進，及時維修。

求出故障樹最小割級的方法很多，本文采用上行法進行分析，即依故障樹自下向上地綜合。得出“加壓裝置動作無力”故障樹，最小割級：{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}。最小割集定性地給出了底事件的重要度，在各個底事件發生的概率比較小，其差別相對不大的條件下：階數越小的最小割集越重要；在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要；在同一最小割集階數的條件下，在不同在小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要。由本文中的故障樹最小割集可知任一底事件的發生均會導致“加壓裝置動作無力”故障。而且各底事件均只出現了一次，且每一割集均為一階，所以每一底事件都很重要，均應引起重視。

3 牙輪鉆液壓系統故障診斷

應用本文中建造的故障樹并結合系統組成、管理人員的經驗和現場觀察、測試，針對在KQ-200B牙輪鉆的工作過程中出現的“加壓裝置動作無力”故障，利用子樹法、樹枝法查找原因，分析此故障。在故障分析中一般是根據由簡到繁、由易到難的原則，首先檢查油箱的油量、液壓缸的外泄漏、過濾器和管路是否堵塞。經過檢查，可知油箱油量充足，液壓缸無外泄漏，濾油器和管路無堵塞。此外時啟動牙輪鉆其他部分液壓系統工作，如千斤頂，鉆架油缸起落等發現能正常工作，說明油泵沒有內泄露。

然后從頂事件開始分析系統，先檢查液壓缸故障，由于鉆具可以提升和鉆進，說明換向閥可換向。采用試探反證法，將加壓液壓缸活塞動作到中間部位左右，靜止一段時間，液壓缸的活塞有稍微滑動，說明液壓缸有內泄漏，液壓缸可能既有密封損壞，也有缸壁磨損現象。打開液壓缸，抽出活塞檢查，發現密封損壞，更換備用密封圈。

接著再檢查過載溢流閥是否故障，首先檢查溢流閥是否調整壓力太低。采用“儀表分析法”，將過載溢流閥全打開，啟動液壓泵，將換向閥工作在右位，逐漸旋溢流閥的調壓手輪，觀察壓力表的變化：結果是旋緊調壓手輪，壓力表指示的壓力最大僅為12MPa，無法達到過載溢流閥要求的工作壓力17MPa，說明壓力上不去，溢流閥壓力調不高，更換同型號備用溢流閥。采用同樣的方法，將換向閥工作在左位，觀察遠程調壓閥和與其相關聯的溢流閥，壓力表指示的壓力最大值為13MPa，符合溢流閥調定標準。

最后啟動牙輪鉆液壓系統，工作正常，實際故障原因與采用故障樹方法一致。

結語

本文討論了牙輪鉆液壓系統常發生的故障，采用故障樹分析法對KY-200B牙輪鉆加壓裝置動作無力的典型故障進行了定性分析，取得了較好的效果，節省了診斷時間，減少了不必要的拆卸，具有很好的經濟價值和應用價值。

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