故障樹在提升機鋼絲繩故障分析中的應(yīng)用

溫振龍

(大同市煤礦安全監(jiān)管大隊，山西　大同　037034)

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·技術(shù)經(jīng)驗·

故障樹在提升機鋼絲繩故障分析中的應(yīng)用

溫振龍

(大同市煤礦安全監(jiān)管大隊，山西大同037034)

礦井提升機運轉(zhuǎn)情況的好壞對煤礦生產(chǎn)和安全有著重要的作用，但是由于任務(wù)重、提升速度快、升級頻繁等因素導(dǎo)致提升系統(tǒng)故障頻發(fā)。本文分析了提升機鋼絲繩的主要故障種類和原因，并根據(jù)分析結(jié)果，建立了由5個邏輯或門和8個底事件所構(gòu)成的故障樹。通過對故障樹的定性和定量分析，得出了結(jié)論：各故障原因都可能獨立導(dǎo)致鋼絲繩系統(tǒng)故障，故障率約為0.11%.同時，根據(jù)分析結(jié)果提出了故障判斷、檢修方案，以提高設(shè)備的可靠性。

故障樹；提升機；鋼絲繩；故障；定性；定量

礦井提升系統(tǒng)是集機電、液壓等于一體的設(shè)備系統(tǒng)。提升機系統(tǒng)承擔(dān)著運送人員、水的排放、礦井通風(fēng)等諸多工作。因此，提升機運轉(zhuǎn)情況的好壞對礦井的正常生產(chǎn)和保障工作人員的生命安全具有重要作用。礦井提升機中的鋼絲繩最易發(fā)生故障，一旦發(fā)生故障，對煤礦生產(chǎn)和工作人員的生命安全造成非常不利的影響。因此，國內(nèi)外礦井對其安全問題都極為重視，但是由于礦井提升任務(wù)重、提升速度快、升級頻繁，此外，安全裝置老化，安全性能降低，提升機管理維護不及時、不科學(xué)，運行過程中過卷等問題頻發(fā)，經(jīng)常導(dǎo)致提升系統(tǒng)故障。

近年來，故障樹分析法在其他領(lǐng)域的故障排查中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。因此，本文以這一故障查找方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用到提升機鋼絲繩故障分析中，進行了定性與定量分析，確定了故障的原因，并提出了有效的解決方法，可為類似環(huán)節(jié)的故障查找提供借鑒。

1　概　述

提升機鋼絲繩的主要作用有以下兩點：1) 連接提升容器和提升機。2) 傳遞提升動力。因此，提升機性能的優(yōu)劣具有十分重要的安全和經(jīng)濟意義。

1.1鋼絲繩的分類

在外力作用下，由于鋼絲繩各層之間是由多根鋼絲捻成，各鋼絲相互擠壓，形成緊密接觸。同一鋼絲繩中各鋼絲的直徑也存在一定的差異，鋼絲繩的機械性能會受到各種因素的影響，這些因素主要有：鋼絲間的捻角、捻距。鋼絲繩的分類方法有很多。

1.2鋼絲繩的結(jié)構(gòu)

提升機所用的鋼絲繩均為多根鋼絲捻成繩股，而后在繩股的基礎(chǔ)上捻成鋼絲繩，鋼絲繩的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

1—股芯　2—內(nèi)層鋼絲　3—外層鋼絲　4—繩芯　5—繩股　6—鋼絲繩圖1　鋼絲繩的結(jié)構(gòu)示意圖

鋼絲捻成繩股后會形成股芯，而繩股捻成鋼絲繩后會形成繩芯。目前，在提升機中應(yīng)用的鋼絲繩主要有以下兩種：1) 金屬繩芯。2) 纖維繩芯。

2　鋼絲繩故障

2.1鋼絲繩的損傷

鋼絲繩在應(yīng)用過程中會發(fā)生各種各樣的問題，如疲勞斷絲等。若不及時對這些缺陷進行檢查，將危及鋼絲繩的安全可靠性。局部缺陷，主要表現(xiàn)為內(nèi)部和外部的局部斷絲、機械損傷及腐蝕所引發(fā)的缺陷，這種缺陷在鋼絲繩軸上分布的長度很短。金屬截面損耗，主要表現(xiàn)于鋼絲繩內(nèi)部、外部磨損和銹蝕所產(chǎn)生的鋼絲繩橫截面金屬面積減少，即 “縮徑”，該缺陷的特點為沿軸向分布的長度較長。根據(jù)分布長度，又可分為以下兩種：1) 具有明顯過渡特征的局部性金屬截面損耗。2) 截面呈現(xiàn)均勾損耗的整體截面損耗。

2.2鋼絲繩的失效

1) 疲勞斷絲。

在提升機工作過程中，鋼絲繩主要受兩種力：a) 靜拉力。b) 動拉力。此外，滾筒上的鋼絲繩還會受到彎曲應(yīng)力。因而鋼絲繩的實際應(yīng)力是遵循一定規(guī)律的疲勞載荷，繩中每根鋼絲承受的是交變應(yīng)力，這種交變應(yīng)力極易造成鋼絲疲勞斷裂問題。

2) 腐蝕。

腐蝕是提升鋼絲繩常見的失效形式，有時腐蝕也會引發(fā)微缺損傷而產(chǎn)生腐蝕疲勞的綜合效應(yīng)，尤其是環(huán)境較為惡劣的情況下，某些區(qū)段的鋼絲繩更易出現(xiàn)腐蝕問題，如懸掛裝置至天輪一段、天輪至纏繞卷筒一段的鋼絲繩常因暴露于大氣空間并經(jīng)受風(fēng)吹雨淋而腐蝕明顯。

鋼絲繩腐蝕失效的機理主要有兩種：a) 應(yīng)力腐蝕。b) 疲勞腐蝕。在一定的應(yīng)力條件下，由于鋼絲繩長時間處于高應(yīng)力條件下而產(chǎn)生斷裂問題。通常發(fā)生應(yīng)力腐蝕時，鋼絲繩中的鋼絲會在腐蝕狀況并不嚴重的情況下，經(jīng)過一段時間發(fā)生低應(yīng)力脆斷，因為斷絲往往是突然的，所以，斷口具有脆斷特征。

3) 磨損。

鋼絲繩在運轉(zhuǎn)過程中會受到諸多因素的影響而產(chǎn)生磨損問題，造成鋼絲繩磨損的原因主要有以下3種：a) 鋼絲繩表面與滾動輪的接觸摩擦。b) 鋼絲繩在滾筒上纏繞時產(chǎn)生的各繩圈之間的擠壓、摩擦等。c) 鋼絲繩內(nèi)部與表面潤滑性差。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料介紹：許多報廢的提升鋼絲繩中，主要是腐蝕引起的失效，所占比重達到70%～80%，而疲勞破壞導(dǎo)致的鋼絲繩失效則只占10%～15%，磨損引起的鋼絲繩報廢比例并不高。

3　基于故障樹的鋼絲繩故障分析

3.1故障樹的建立

根據(jù)前面對提升機鋼絲繩故障類型的分析，建立故障樹。頂事件即提升機鋼絲繩故障，出現(xiàn)故障時的表現(xiàn)可能有3種，即斷絲、腐蝕、磨損變形。逐層向下分析，最終可以建立由5個邏輯或門和8個底事件所構(gòu)成的故障樹，見圖2.

圖2　提升機鋼絲繩故障樹示意圖

3.2故障樹定性分析

對圖2所示故障樹進行定性分析，求該故障樹的最小割集，通過最小割集判斷相關(guān)底事件的重要程度。求解過程見式(1):

(1)

通過式(1)顯示的結(jié)果可知，在該故障樹中，導(dǎo)致頂事件發(fā)生必要的底事件一共有8個，分別為{x1}，{x2}，{x3}，{x4}，{x5}，{x6}，{x7}，{x8}。對這9個事件來說，只要其中任意1個發(fā)生，都必然導(dǎo)致頂事件發(fā)生。

通過定性分析可知，在生產(chǎn)實踐中，造成提升機鋼絲繩故障的原因很多，而且各個事件相對獨立，每一個都有可能直接導(dǎo)致故障的發(fā)生。因此，對于每一類故障都不能掉以輕心，對事故征兆要給與足夠的重視。

3.3故障樹定量分析

故障樹定量分析的目的是求頂事件發(fā)生的概率，以此判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性情況。通過查閱相關(guān)資料，得到圖2事故樹中各底事件發(fā)生的概率,見表1.

表1　帶式輸送機輸送帶故障各因素的發(fā)生概率表

根據(jù)式(1)求得的最小割集，可以求解整個系統(tǒng)的故障率,見式(2)：

(2)

3.4提供提升機鋼絲繩可靠性的措施

提升機的正常運轉(zhuǎn)主要是由鋼絲繩與卷筒之間的摩擦系數(shù)來實現(xiàn)，其中，提升機鋼絲繩與卷筒的防滑性能的確定公式為式(3):

(3)

式中:

Tx—鋼絲繩下方側(cè)的張力；

e—自然對數(shù)的底數(shù)；

μ—摩擦襯墊的摩擦系數(shù)；

α—圍包角，一般大于1.

由式(3)可知，Tx越大，提升機在運轉(zhuǎn)過程中則不易出現(xiàn)打滑問題，同時還可通過采取以下措施，來增強鋼絲繩的防滑性能。

1) 增大圍包角。為增大圍包角，可采取加大導(dǎo)輪的措施，但實際情況是這種方法具有一定的局限性，因為主導(dǎo)輪的直徑等變化幅度較小。若另安設(shè)導(dǎo)向輪，則鋼絲繩會受到反向彎曲應(yīng)力，縮短鋼絲繩的使用壽命。

2) 增大摩擦系數(shù)。為增大摩擦系數(shù)，在襯墊材料的選擇上，應(yīng)主要考慮材料的耐磨性，耐磨性較好為宜。此外，還可以采取處理鋼絲繩的措施。

3) 為獲得較大的摩擦力，可適當(dāng)改變提升機系統(tǒng)的運行狀態(tài)。此外，鋼絲繩的選型應(yīng)嚴格根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》進行確定，確保鋼絲繩的各種性能均能保證提升機的正常運轉(zhuǎn)。

4) 合理選擇鋼絲繩結(jié)構(gòu)；檢查外觀缺陷；及時對井筒進行檢查和維護，以避免鋼絲繩存在不易發(fā)現(xiàn)的故障。在保證礦井提升機應(yīng)有的提升能力的基礎(chǔ)上，應(yīng)使卷筒和天輪的直徑大一些。同時，還應(yīng)保證全通襯墊具有提升所要求的摩擦系數(shù)。卷筒上支輪的剛度盡量減小，降低鋼絲繩負重，提高可靠性。

4　結(jié)束語

1) 本文分析了提升機鋼絲繩的主要故障種類和原因，并根據(jù)故障分析的結(jié)果，建立由5個邏輯或門和8個底事件所構(gòu)成的故障樹，通過對故障樹的定性和定量分析，得出了結(jié)論：各故障原因都可能獨立導(dǎo)致鋼絲繩故障，故障率約為0.11%.

2) 根據(jù)故障樹分析所得的結(jié)果，提出了具有針對性的方案，為故障判斷、檢修和維護提供指導(dǎo)，提高設(shè)備的可靠性。

[1]劉立軍.礦井提升鋼絲繩的使用與研究現(xiàn)狀[J].煤礦機械,2009,30(8)：197-198.

[2]王寶軍.故障樹分析在采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2008,29(6)：177-179.

[3]閆雨薇.基于FTA法對礦井提升機鋼絲繩系統(tǒng)故障樹分析[J].煤礦機械,2015,36(8)：332-333.

Application of Fault Tree in the Analysis of Hoist Wirerope Failure

WEN Zhenlong

It is important of the operation condition of coal mine hoist to coal mine production and safety. But the factors such as heavy task, fast hoist speed, frequent upgrade lead to frequent hoisting system failure. This paper analyzes the main failure types and causes of hoist wirerope. According to the results of analysis fault tree is established by five logics or gates and eight bottom events. Through the fault tree qualitative and quantitative analysis, it concludes that each fault cause can cause wirerope system failure independently, the failure rate is about 0.11%. Meanwhile, according to the analysis results presents the failure predication and maintenance programs to improve the reliability of device.

Fault tree; Hoist; Wirerope; Failure; Qualitatively; Quantitatively

2016-02-22

溫振龍(1988—)，男，山西應(yīng)縣人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作(E-mail)lijunydz@163.com

TD532

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1672-0652(2016)03-0009-03