基于模糊 FTA 的翻車機液壓系統狀態監測與故障診斷

張春輝，徐陽生，趙靜一，秦亞璐，韓培培

1河北港口集團港口機械有限公司 河北秦皇島 066000

2燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室 河北秦皇島 066004

3燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 河北秦皇島 066004

曹 妃甸煤 2 期碼頭工程采用了 O 形轉子式三翻式翻車機，它通過靠車板、壓車梁等液壓控制裝置將待翻卸的 3 節重車在翻車機內固定，要實現整個翻車機的可靠運行首先要保證液壓站中每個控制元件的可靠性。

模糊診斷方法利用模糊邏輯來描述故障原因與故障現象之間的模糊關系，通過隸屬度函數和模糊關系方程解決故障原因與狀態識別問題，是一種基于知識的智能診斷方法。在故障與征兆之間的關系很難用精確的數學模型表示的情況下，較其他方法來說，故障診斷的機理非常適合用模糊規則來描述[1-2]。

針對重載試運行中發現的翻車機液壓系統無法保壓給設備帶來極大的安全隱患問題，通過采用梯形模糊數算術運算的模糊故障樹分析方法找出設計和使用中存在的問題，通過定量分析零部件的故障概率，快速鎖定故障元件，為提高系統可靠性提供了定量依據。

1 翻車機液壓系統故障樹的建立

1.1 翻車機液壓系統工作原理

翻車機壓車與靠車功能均由液壓系統來實現，其工作原理如圖 1 所示。該液壓系統由閉式油箱為其提供液壓油，主要由泵站、靠車控制閥組、壓車控制閥組、靠車板液壓缸、壓車梁液壓缸、呼吸控制系統及管路附件等組成[3]。

當泵站電動機啟動后，雙聯葉片泵 11 泵出的液壓油通過二級調壓板式插裝閥 9 和 10 以及總回油管回到油箱。當發出壓車梁壓下指令時，控制閥的電磁鐵得電使其動作，為系統建立起相應的壓力，同時壓車控制閥組相應的電磁閥得電，控制對應的壓車梁液壓缸壓下或者升起。

1.2 “壓車梁液壓缸無法保壓”故障樹模型建立

圖1 翻車機液壓系統工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic system of car dumper

故障樹分析 (FTA) 便于進行定性分析和定量計算。在設計階段，FTA 可以幫助人們尋找潛在故障；在使用階段可以幫助人們進行故障診斷，為系統的設計改進提供定量依據。頂事件是故障樹的入口，指人們不希望發生的顯著影響產品安全性和任務可靠性的故障事件[4]。根據翻車機液壓系統的工作原理，以壓車梁液壓缸無法保壓作為頂事件建立故障樹，如圖 2所示。

圖2 “壓車梁液壓缸無法保壓”故障樹Fig.2 Fault tree of 'cylinder of the dumper-locking beam failing to keep pressure'

圖2 中各故障代碼的含義為：X1—管路泄漏，X2—缸內密封件損壞，X3—端面連接不緊，X4—回油管路細，X5—止回閥壓力高，X6—Y 型電磁閥堵塞，X7—錐閥芯磨損，X8—錐閥芯卡滯，X9—油液顆粒物過多，X10—呼吸控制閥動作時序錯誤，X11—油液中氣體溶解過多，X12—呼吸氣囊損壞。

2 模糊故障樹分析

通過以壓車梁液壓缸無法保壓為頂事件的故障樹，分析翻車機壓車梁液壓缸無法保壓的原因，以及系統是否存在設計缺陷和故障隱患。由于液壓系統各底事件及中間事件發生的概率不容易判斷以及可靠性數據不容易建立，可以采用模糊故障樹分析法對故障樹進行定量分析，以便精確獲得各元件的故障概率。頂事件的故障概率和底事件的重要度都可以通過模糊數的運算進行估計[5]。

2.1 模糊數及其歸一化

由于梯形模糊數為線性隸屬函數，其代數運算較為簡單，其他形式的模糊數也很容易轉化為梯形模糊數，且梯形模糊數直觀，因此采用梯形模糊數進行研究。這里使用語言值集合 {非常低，低，比較低，中等，比較高，高，非常高} (英文簡稱為 {VL，L，FL，M，FH，H，VH}) 作為故障概率的語言評價。對于語言值，可根據語言值對應的隸屬函數轉化為相應的梯形模糊數，如對應故障概率比較低 FL，其梯形模糊數q=(0.2，0.3，0.4，0.5)。

對于該翻車機液壓系統來說，如評價“缸內密封損壞”這一底事件，可選擇相關領域的若干名有經驗的專家 (這里取 10 位) 組成評估組，對這一底事件的可能性作主觀判斷；然后，通過語言值的隸屬函數表達式，對專家評估意見進行綜合處理[7]。利用模糊數的代數運算求得 10 位專家意見的平均模糊數

式中：Ri為重要度。

由模糊集的擴展理論知，N也為模糊集。令

則α分別為

因此，平均模糊數的關系函數為

根據模糊數歸一化方法，結合實際經驗、人為估算和資料數據，得到底事件發生概率評估結果及其歸一化結果，如表 1 所列。

2.2 頂事件發生概率

由此可知頂事件模糊概率仍可用模糊數來近似表示。顯然，其結果可認為是頂事件發生概率大約在 13.73% 和 15.12% 之間且其可能性最大，其隸屬度為 1。根據頂事件發生概率的模糊數，還可直接用與之重心距離最近的語言值給出評價，得到語言值為“較高”。

表1 底事件發生概率評估結果及其歸一化結果Tab.1 Evaluation results of occurrence probability of bottom events and normalization results

2.3 模糊重要度分析

從物理意義上來講，模糊重要度是指由于部件i的不可靠，導致系統模糊不可靠度的上升，其升值反映了部件i對整個系統不可靠度的貢獻和影響，即反映了部件i對整個系統可靠性的重要程度[8]。經計算得到各底事件的模糊重要度如表 2 所列。

表2 底事件模糊重要度Tab.2 Fuzzy importance of bottom events

將表 2 中各底事件的模糊重要度進行排序，可知RX7>RX10>RX2>RX8>RX11>RX9>RX1>RX12>RX3>RX5>RX4>RX6。其中，錐閥芯磨損、呼吸控制閥動作時序錯誤、缸內密封件損壞這 3 項底事件的模糊重要度相對較高，是導致頂事件發生的主要原因。因此，頂事件發生的原因可根據底事件模糊重要度大小的順序進行排查。

3 翻車機現場狀態監測和故障診斷

3.1 翻車機液壓系統狀態監測

翻車機液壓系統中的 12 個壓車梁的有桿腔均設置有壓力傳感器，用于監測壓車梁壓下時是否壓緊車廂。當任意壓車梁的壓力低于下限值時，在上位機中顯示的壓車梁就會閃爍，如圖 3 所示。

圖3 上位機壓車系統顯示界面Fig.3 Display interface of dumper locking system in upper computer

當 3 節車廂中任意一節車廂中的任意 2 個壓車梁的壓力達不到設定值而閃爍時，系統不允許進行翻卸作業，如果出現在作業過程中，會使系統停機。而該翻車機在重載試驗中壓車梁壓下后，12 個壓車梁先后均出現了掉壓，直至降到下限值并閃爍的情況。根據以上對模糊故障樹分析中模糊重要度的分析，分別對液壓鎖的閥芯以及呼吸系統進行了檢查。

3.2 液壓鎖故障診斷

將一組壓車梁液壓缸控制閥中的液壓鎖進行拆解，拆解后的結構如圖 4 所示，未發現有明顯的磨損。為了更好地進行對比，更換該液壓鎖并進行試驗，從上位機中壓車梁的監測畫面觀察到壓車梁的保壓情況并未得到改善。

圖4 液壓鎖結構Fig.4 Structure of hydraulic lock

3.3 呼吸系統故障診斷

在靠車板和壓車梁液壓缸動作時，全封閉油箱中油液體積發生變化，油液上部的空氣在動作過程中有時會出現正壓，有時會形成真空，從而使油箱液面上的壓力不穩定。呼吸系統一旦出現問題，不僅對液壓泵產生直接影響，還會通過液壓系統的回油管路對液壓控制閥的壓力和流量產生很大的影響，最終導致液壓控制閥動作紊亂[9]。呼吸系統工作原理如圖 5 所。檢查該系統后發現該系統的原控制程序存在設計缺陷。

圖5 呼吸系統工作原理Fig.5 Working principle of respiratory system

原呼吸系統控制程序框圖如圖 6 所示。從圖 6 可以看到，翻車機翻轉角度θ為 10°～50°時，呼吸控制電磁閥 2 才開始動作，此時，由于壓車梁和靠車板液壓缸動作引起油箱液面變化，而未能及時和呼吸皮囊 3 進行氣體交換，從而引起油箱內溶解氣體的變化，經過長時間工作，“氣泡油”在系統內循環流動，導致系統不穩定。

圖6 原呼吸系統控制程序框圖Fig.6 Block diagram of original control program of respiratory system

對呼吸系統控制程序進行改進，改進后的呼吸系統控制程序框圖如圖 7 所示。當滿載煤炭的車廂由定位車牽引到位后，壓車梁與靠車板動作，呼吸控制電磁閥 2 得電，此時靠車板伸出靠緊車廂，壓車梁壓下壓緊車廂，由此引起的油箱中氣體體積變化量可以通過呼吸皮囊 3 得到補充；當 10°＜θ＜50°時，呼吸控制電磁閥 2 仍然得電，當θ＞ 50°時，呼吸控制電磁閥 2 失電關閉，油箱與呼吸皮囊 3 阻斷，直至煤傾倒干凈后再返回至 50°位置，呼吸控制電磁閥 2 再次得電；返回到水平位置后，壓車梁抬起到中位，靠車板收回，呼吸控制電磁閥 2 繼續得電，與呼吸皮囊 3 進行氣體交換，完成一個控制循環，油箱內的氣壓始終保持動態平衡的狀態。

圖7 改進后呼吸系統控制程序框圖Fig.7 Block diagram of improved control program of respiratory system

4 結論

(1) 提出了以翻車機重載試車中出現的壓車梁液壓缸無法保壓作為頂事件的故障樹，通過模糊故障樹分析法得出了底事件和頂事件的發生概率，并分析了各底事件的模糊重要度，確定了關鍵底事件對頂事件發生的危害程度。

(2) 通過翻車機液壓系統的狀態監測，將危害程度最高的底事件即“液壓鎖閥芯磨損”、“呼吸系統故障”做為重點故障診斷對象，進行現場改進和試驗，最終發現呼吸系統設計中存在的缺陷，繼而對控制程序進行改進，完成了呼吸系統的改進。狀態監測表明，改進后效果良好，消除了安全隱患，為系統設計和維護中薄弱環節的改進和評價提供了重要的依據。