故障樹分析技術在液壓舵機系統(tǒng)故障檢測中的應用

1、故障樹分析技術在液壓舵機系統(tǒng)故障檢測中的應用摘 要： 故障樹分析技術在船舶機械設備維修中的應用越來越廣泛； 通過建立某液壓舵機系統(tǒng)故障樹， 討論了應用故障樹查找故障的方法，并應用于系統(tǒng) “轉舵太慢” 故障檢測中，直觀、高效地解決了問題。關鍵詞： 故障樹分析；液壓舵機；操舵；液壓系統(tǒng)；故障診斷abstract:in this paper,the fault tree of a hydraulic steering gear system was built,methods of fault-shooting with fta were analyzed.such trouble as steer

2、ing gear moving too slowly of the system could be solved audio-visually and efficiently with mentioned methods.keywords：fault tree analysis(fta);hydraulic steering gear;steering gear operation引言故障樹分析法 (簡稱 fta) 是把所研究系統(tǒng)的最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標 ，即頂事件，并用規(guī)定的邏輯符號表示 ，找出所有可能導致這一不希望事件發(fā)生的直接因素和原因，并將它們作為過渡狀態(tài)的中間事件。

3、再由此逐步深入分析，直到找出事故的基本原因 ，即故障樹的底事件為止，這些底事件又稱為基本事件。故障樹分析法是系統(tǒng)可靠性分析的常用方法，較為適合于復雜系統(tǒng)的故障分析。它以圖形的方式表明 “系統(tǒng)是怎樣失效的”，所以便于設計人員、運行人員和管理人員有效地進行系統(tǒng)故障分析。本文介紹了利用故障樹分析法診斷液壓舵機系統(tǒng)故障檢測中所存在的故障，以該液壓系統(tǒng) “轉舵太慢”這一典型故障為例，對其進行了定性分析，并且介紹了應用故障樹查找故障的方法。通過故障樹理論對液壓舵機系統(tǒng)故障進行分析研究，繪出故障樹圖，弄清各種潛在因素對故障發(fā)生影響的途徑和程度，因而許多問題在分析的過程中被發(fā)現(xiàn)和解決了，從而提高了液壓系統(tǒng)的可

4、靠性和穩(wěn)定性。實踐證明，此方法簡便可靠和實用，取得了較好的效果，節(jié)省了診斷時間，減少了不必要的拆卸?？傊?，故障樹分析法具有良好的經濟價值和應用價值。1 液壓舵機系統(tǒng)介紹液壓舵機是自動駕駛儀操縱航海航空器舵面的液壓執(zhí)行機構。液壓舵機是一種重要的船舶輔助機械，系統(tǒng)組成復雜，工況多變，其工作的好壞，直接影響到船舶的航期和航行的安全。舵機是船舶操作系統(tǒng)控制的核心系統(tǒng)。液壓舵機控制系統(tǒng)主要采用兩種基本控制方式，即泵控型和閥控型，以及由此派生的液壓復合控制，即閥泵串聯(lián)控制、閥泵并聯(lián)控制、電液復合控制等。這幾種系統(tǒng)固有的靜、動態(tài)特性，在系統(tǒng)精度、響應速度、動態(tài)指標系統(tǒng)效率、總體布置、系統(tǒng)復雜程度等方面，有著

5、較大的局限性和差異性。某輪使用的是pel-ton型液壓舵機，系統(tǒng)組成示意圖如下圖1 所示。它由以主路由、遠操機構、自動操舵控制系統(tǒng)等部分組成，詳見如下：1.1主由路四缸單作用柱塞式油缸帶動撥叉式舵柄轉舵機構，正常航行時2套主油泵機組中一套工作，一套備用， 必要時也可并聯(lián)工作。主電動機可帶動輔泵運轉，以驅動主泵伺服變量機構并向主油路低壓側補油。1.2遠操機構由駕駛臺的舵輪泵25、舵機房的執(zhí)行油缸29構成液壓遠操系統(tǒng)；由伺服泵、換向閥27和油缸29構成電液遠操系統(tǒng)。兩個遠操系統(tǒng)所傳遞的信號都匯集到拉桿32上，變成其位移信號。1.3自動操舵 （羅經導航） 控制系統(tǒng)由陀螺羅經及其信號馬達、執(zhí)行馬達、油

6、泵變量執(zhí)行馬達、電反饋發(fā)信馬達和接收馬達，以及一套傳動齒輪等組成。自動舵航行時，由此機構控制舵機轉動，在復雜航道航行時，可扳動轉換手柄，自動控制就切換到手動控制了。2故障樹的建立一次航行中，使用自動舵，發(fā)現(xiàn)舵機系統(tǒng)轉舵很慢，向系統(tǒng)補油、放氣之后，故障現(xiàn)象未見減輕，在后來的使用中越來越慢了；切換成手動方式，也沒有好轉。后來用兩臺主油泵機組并聯(lián)運行，轉舵速度有所提高，但仍低于正常運行時單機組的速度。再后來，轉舵速度慢得難以接受，只得改成應急操舵方式。起初以為可能是某一閥件旁通或泄漏了，但檢查中一直沒有找到癥結所在，于是就求助于故障樹分析技術。根據(jù)故障現(xiàn)象，確定“轉舵太慢”為頂事件。邊界條件為：液壓

7、系統(tǒng)管路安全可靠，應急操舵部分管路、閥件工作正常。為簡化建樹工作，“線路故障” 、“電機激勵電流不足” 等可以再分解的事件當作基本底事件；兩臺油泵機組工作油路一部分相同，另一部分對稱，建立其故障樹時只需將主油泵5-6、主泵變量機構23-24、閥v17-v18、閥v9-v10、輔油泵7-8、閥v11-v12、閥v13-v14、閥v15-v16、閥v19-v20調換即可。故障樹符號意義如下：與門 全部輸入發(fā)生，則輸出發(fā)生；或門 任意輸入發(fā)生，則輸出發(fā)生；圓形 有足夠數(shù)據(jù)的基本事件；矩形 用門表示的中間事件；菱形 不發(fā)展事件或沒探明事件；三角形 轉出或轉入。根據(jù)系統(tǒng)組成， 手工建立如下圖2所示的1#

8、機組故障樹。圖1 pelton液壓舵機系統(tǒng)示意圖1-4缸閥；1-4應急操舵用缸閥；5、6 主油泵；7、8 輔油泵；9、10 泵閥（二位四通滑閥）；11、12 伺服變量先導閥（三位三通轉閥）；13、14 輔泵溢流閥；15、16 背壓閥；17、18 主油路安全閥；19、20 補油單向閥；21、22 旁通閥；23、24主泵變量機構；25舵輪泵；26伺服泵；27電磁換向閥；28 旁通閥；29伺服油缸；30、31柱塞；32拉桿；33插銷3故障樹的應用分析對于船舶輪機管理人員來說，根本問題在于如何建立故障樹并應用它來查找系統(tǒng)故障。通常有以下幾種方法：3.1故障樹的分析對故障樹進行定性和定量的分析，求出全部

9、最小割集以及結構重要度等參數(shù)，并對故障事件依次排序，結合系統(tǒng)組成和故障現(xiàn)象，找出故障所在。所建系統(tǒng)故障樹布爾代數(shù)表達式為p=（x1+x2+x3+x4）+（x9+x10+x11+x12+x13）*（x14+x15+x16+x17）*（x18+x15+x16+x17）+（x19+x20）+（x21+x22+x23+x24+x25+x26）+（x5+x6）+（x23+x22+x21）+(x23+x24+x22）+（x7+x8）其最小割集是很容易求得的。 最小割集為：xi，i=1,28（xj）,j=19,2026 xk，x14，x18，xk,x15,xk,x16,xk,x17,k=9,10,11,12

10、,13根據(jù)bariowd定律：一階最小割集中基本事件結構重要度大于多階最小割集中基本事件結構重要度。利用最小割集，可以求得底事件結構重要度依次為：i（x1）=i（x2）=i（x3）=i（x4）=i（x5）=i（x6）=i（x7）=i（x8）=i（x19）=i（x20）=i（x21）=i（x22）=i（x23）=i（x24）=i（x25）=i（x26）>i（x15）=i（x16）=i（x17）>i（x9）=i（x10）=i（x11）=i（x12）=i（x13）>i（x14）=i（x18）據(jù)此并結合系統(tǒng)組成及現(xiàn)場測試， 即可查找故障所在。3.2結合查找原因結合系統(tǒng)組成、故障現(xiàn)象、

11、管理人員的經驗和現(xiàn)場觀察、測試，利用子樹法、樹枝法查找原因。所謂子樹法、樹枝法，就是從某一中間事件開始，或者向上查找，或者向下查找；這一中間事件，一般確定為可能性最大的事件，利用現(xiàn)場的觀察、測試，可以迅速排除某些事件,所以不需要從頭到尾查找一遍。在此次轉舵太慢事件中，按故障樹先檢查事件少的一路主由路泄露，若主由路無泄露則開始檢查主油泵量情況，按照由小事件到較大事件的順序開始，首先查看主油泵內漏情況，再檢查進口流量大小，再查看電機轉速，最后檢查流量控制機構，逐級往下查看尋找故障源頭。這種方法非常適合對系統(tǒng)比較熟悉、有一定管理維修經驗的船舶輪機人員，這也正是我們解決問題的方法。x7=柱塞、缸體間隙

12、太大x8=缸體中央閥間隙太大x11=電機激勵電流不足圖2 舵機系統(tǒng)“轉舵太慢”故障樹4系統(tǒng)故障分析利用以上方法，找出“轉舵太慢”的原因是三點式追隨機構的儲存彈簧的剛度不夠，如圖3。正常運行時，操縱點g被拉桿32帶動到g1點，油泵浮動環(huán)控制點從c移動到c1點，油泵開始在c-c1控制的偏心距下向系統(tǒng)供油；當彈簧剛度不足時，g移動到g1以后，彈簧被壓縮，b移動到b1甚至b2點， 那么c只能移動到c2點甚至不移動，浮動環(huán)偏心距比正常時減小甚至等于零，所以泵的排量減小甚至為零，舵機轉舵速度當然減小甚至不能轉動了。更換緩沖彈簧以后，系統(tǒng)恢復正常工作。圖3三點式杠桿機構5結論故障樹的建立，形成了供輪機人員進

13、行故障檢修的實用型指導文件，可以減少故障查找的時間；對故障樹的定量分析，可以對系統(tǒng)部件進行可靠性評估，使備件的配備種類和數(shù)量以及維修周期的確定更加科學合理。故障樹分析法，不但對系統(tǒng)典型故障能夠進行定性分析和定量計算 ，而且對系統(tǒng)故障診斷與系統(tǒng)設計提供理論指導。本文對液壓舵機系統(tǒng)故障檢測進行了故障樹建立和分析，與現(xiàn)場故障情況與分析一致 ，說明分析過程是正確的。同時，也為液壓舵機系統(tǒng)故障其它典型故障分析提供了參考總之，故障樹分析技術在船舶機械設備維修中的應用將會越來越廣泛。參 考 文 獻1閻永閣.船舶輔機.大連：大連海事大學出版社，1990.112朱繼洲.故障樹原理和應用.西安： 西安交通大學出版社，1989.13