淺談基于故障樹的橋式卸船機鋼絲繩失效分析及改進措施

摘 要：分析了馬鋼公司港口650t/h橋式卸船機起升開閉鋼絲繩的使用情況，對出現的一些失效通過故障樹進行分析研究，建立了鋼絲繩失效故障樹模型。利用故障樹分析法對鋼絲繩失效進行定性分析，找出影響鋼絲繩失效的主要因素，并給出相應的改進措施來提高鋼絲繩的安全使用壽命。

關鍵詞：鋼絲繩失效；故障樹；定性分析

引言

橋式抓斗卸船機（以下簡稱橋機）在馬鋼公司港口投產使用已8年，其鋼絲繩主纏繞系統是橋機的核心，其工作狀態直接影響著橋機的安全運行，它由俯仰鋼絲繩、起升鋼絲繩、開閉鋼絲繩、小車牽引鋼絲繩、抓斗鋼絲繩及各機構上的卷筒、滑輪組成。其中，起升開閉鋼絲繩通過梨形和C形連接環與抓斗連接。馬鋼港口從2005年陸續更新了6臺650t/h橋機，該型號的橋機自投產以來因鋼絲繩斷裂失效曾出現多次故障和事故，給馬鋼港口的安全穩定生產構成了較大威脅，因此經過對鋼絲繩故障失效進行統計分析研究，找出系統故障與導致該故障的各因素之間的內在聯系，快速準確地找出故障點，并通過改進措施來提高鋼絲繩的安全使用壽命。

1 鋼絲繩使用現狀分析

橋機鋼絲繩纏繞系統中的起升、開閉鋼絲繩是頻繁承受動靜載荷的部位，這些鋼絲繩在作業時，不但承受抓斗、物料和自重的靜載荷，還要承受因加速度和沖擊引起的動載荷；鋼絲繩在運行中彼此之間產生摩擦，繩與滑輪、卷筒繩槽，繩與船艙之問的摩擦等。同時鋼絲繩工作環境較差，因露天作業受雨雪、日曬等不利影響。因此，橋機鋼絲繩在生產實踐中暴露出來的主要失效形式為磨損、斷絲、斷股、變形、銹蝕、斷裂等。

1.1 故障分析

故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）故障樹分析（FTA）技術是美國貝爾電報公司的電話實驗室于1962年開發的，它采用邏輯的方法，形象地進行危險的分析工作，特點是直觀、明了，思路清晰，邏輯性強，可以做定性分析，也可以做定量分析。體現了以系統工程方法研究安全問題的系統性、準確性和預測性，它是安全系統工程的主要分析方法之一。

基于故障樹分析法的鋼絲繩斷繩故障分析就是把系統最不希望發生的故障狀態作為故障樹的頂事件，然后尋找導致頂事件發生的直接原因即中間事件，并將他們的邏輯關系表示出來，就這樣由上而下逐級分解，一直分解到不能分解為止。這里把不能再分解的事件稱為底事件，除了頂事件和底事件以外的所有事件都稱為中間事件，這樣一棵故障樹就形成了。故障樹分析法有定性分析和定量分析兩種方法，本文主要采用定性分析。

1.2 故障樹的建立

故障樹的建立是故障樹分析法的關鍵，下面以橋機斷繩事故為例建立故障樹。

通過對幾年事故統計資料查詢，現場的實際調查研究，經過分析和研究將鋼絲繩斷繩失效作為最不希望發生的故障事件，并將它作為故障樹的頂事件（圖1中T）。為了便于分析，將引起鋼絲繩失效的原因分為內在因素和外在因素兩個方面，外在因素包括頭繩斷、尾繩斷、中部繩斷等；內在因素包括由于鋼絲繩經常處于潮濕、摩擦等工作環境而引起的腐蝕，以及由于結構原因致使頻繁斷絲、斷股等。這兩個方面只要有任意一方發生故障都將引起整個系統的失效，然后以這兩個原因作為中間事件（圖1中A1，A2，B1，B2），直到找到代表各種故障事件的底事件為止（圖1中X1到X14），按上述方法建立橋式卸船機鋼絲繩失效的故障樹，如圖1所示。表1為該故障樹中對應的事件列表。

1.3 FTA定性分析

故障樹定性分析是對故障樹中各基本事件不考慮發生的概率多少，只考慮發生和不發生兩種情況，通過定性分析可知道哪一個或哪幾個基本事件發生頂事件就會發生，哪一個或哪幾個基本事件不發生頂事件就不會發生，哪一個基本事件發生對頂事件發生影響大，哪一個影響小，從而可以采取經濟有效的措施，防止事故發生。

故障樹定性分析中要用到割集和最小割集這兩個概念，割集是故障樹的若干底事件的組合，如果這些底事件發生將導致頂事件發生。最小割集首先是割集，然后是數目不能再少的割集。一個最小割集代表引起故障樹頂事件發生的一種故障模式。故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發生的原因事件或原因事件的組合，也就是求出故障樹的全部最小割集。求解最小割集的方法有上行法、下行法和質數法。

下行法的基本原理是從頂事件開始，遇到與門就把與門下面的所有輸入事件排列成一行，增加割集的容量，遇到或門就把或門下的所有輸入事件排列成一列，增加割集的數量，這樣逐級向下進行，直到全部的邏輯門都置換為基本事件為止[3]。用下行法求圖1所示故障樹的全部最小割集，由于故障樹中各底事件均為或門關系，所以一個底事件就是一個最小割集，即全部最小割集為{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}。

1.4 結果分析

由FTA定性分析可以看出，影響鋼絲繩斷繩的主要因素包括：尾繩拉斷、頭繩拉斷、中部斷繩、變形、斷絲斷股、銹蝕。

要想提高鋼絲繩壽命，降低失效發生率，對鋼絲繩進行故障維修時應從底事件開始分類查找排除。在對幾起發生的典型鋼絲繩斷繩事故進行故障診斷時，首先將X3、X5、X6、X11、X14五個底事件作為檢查對象，經檢查，發現有一處斷繩是由于抓斗在卸料過程中抓卸暗倉時，起升鋼絲繩刮船艙和船體并引起鋼絲繩在小車滑輪處跳槽，跳槽處的鋼絲繩發生扭結并嚴重斷絲斷股致使整根鋼絲繩斷裂。因此通過故障樹的分析以及現場調查可以得出，引起鋼絲繩失效的主要原因為以下幾個方面：（1）鋼絲繩尾部斷繩；（2）鋼絲繩中部斷繩；（3）鋼絲繩跳槽卡滑輪；（4）斷絲斷股嚴重。

2 提高鋼絲繩使用壽命的改進措施

通過FTA對鋼絲繩失效定性分析出來的原因，我們從以下幾個方面采取對策以提高鋼絲繩的使用壽命，取得了顯著效果。

2.1 鋼絲繩的科學選型

馬鋼橋機原使用的鋼絲繩為表2中G1，使用過程中發現該型號的鋼絲繩斷股非常頻繁，而某一鋼絲繩斷股之后，其捻合結構發生改變，出現松散、籠型畸變、繩股擠出等劣化現象，加速鋼絲繩的失效并報廢。通過重新選擇型號為G2結構的鋼絲繩，這種情況得到了很大改善，從圖2鋼絲繩結構對比圖中可以看出，G1繩股為18股大于G2的6股，繩股表面之間的間隙前者小于后者，后者更能注入更多的潤滑油；同時G1鋼絲繩股含7絲小于G2鋼絲繩股36絲。因此G2鋼絲繩比G1鋼絲繩更耐磨、更不易斷股斷絲、變形。

2.2 滑輪改造

鋼絲繩在滑輪處跳槽是致使鋼絲繩失效的一重要原因，通過對滑輪結構進行分析，認為其原結構存在一定缺陷，表現為：滑輪槽口太窄（57mm）、槽口太淺（12.5mm），在該尺寸下的滑輪安裝一套防跳繩裝置效果也不佳。因此我們改進了滑輪結構，由H1型改為H2型其槽口寬度和深度進行了改進（見圖3）。改進后的滑輪在使用過程中幾乎未出現滑輪處跳槽現象。

2.3 潤滑五定

保證鋼絲繩充足的潤滑和正確合理使用鋼絲繩的潤滑油，對延長鋼絲繩使用壽命至關重要。有資料表明，對鋼絲繩進行系統潤滑，可使鋼絲繩壽命延長2～3倍。鋼絲繩如果沒有足夠的潤滑油，或者用了錯誤的潤滑油，將不可避免地導致過早疲勞損傷和鋼絲繩腐蝕。為此我們制定了“鋼絲繩潤滑五定表”及相關的制度來規范鋼絲繩潤滑。

2.4 規范操作及點檢

實踐證明，橋機操作手的水平對鋼絲繩的安全和壽命有直接影響。超載超速越頻繁，起升/開閉鋼絲繩所受的瞬問沖擊載荷將越大，對鋼絲繩的傷害也越大。另一方面在抓卸暗艙料的時候，時常出現歪拉斜吊現象，鋼絲繩特別容易與船艙邊發生摩擦碰撞，滑輪處的鋼絲繩跳槽與這種操作有直接關系。為此我們嚴格要求操作手按照《橋式卸船機崗位作業標準》作業，通過規范操作來提高鋼絲繩的安全性能。

鋼絲繩的日常維護點檢對其使用壽命有著重要作用，使用期間一定要按《精密點檢制度》定期檢查，每次定期檢驗中，應認真記載檢驗情況，包括鋼絲繩的內外磨損、斷絲（不同捻距范圍內的斷絲數）、潤滑狀況、變形狀況、腐蝕狀況等。時刻監控鋼絲繩能為安全、合理使用鋼絲繩提供依據和保障。

3 改造后的效果

通過簡單運用故障樹方法對橋機鋼絲繩失效進行分析并采取一系列改進措施，提高了鋼絲繩的使用壽命，降低了因鋼絲繩失效而引起的故障以及安全事故。

我們統計、對比了馬鋼港口近年來橋機鋼絲繩的更換數據，在2009年11月運用故障樹完成了該項目的理論分析，2010年2月實施了項目的一系列改進措施。通過表4可以看出效果十分明顯。

4 結束語

本文將故障樹分析方法運用到馬鋼港口橋機鋼絲繩失效故障中，通過定性分析找出其產生原因，并實施了一系列技術和管路改進措施，提高了橋機起升開閉機構鋼絲繩的安全使用壽命，使其性能更優越、使用更安全、工作更可靠、成本也更低。

參考文獻

[1]GB5972-86.起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規范[S].

[2]朱繼源.故障樹原理和應用[M].西安：西安交通大學出版社，1989.