连续式同步提升液压系统失效分析

连续式液压同步提升技术是为实现超大、超重、大跨度和高安装高度构件的提升而采用的新型技术，其可靠性尤其是液压系统的可靠性至关重要。由于其比较复杂，单一的失效模式分析很难解决问题，本例结合FTA和FMEA两种失效模式分析。

1.连续式液压同步提升系统的工作原理

连续式同步提升系统液压提升器的结构示意如图4-10所示，它由上锚具机构、穿心式上提升液压缸、下锚具机构以及穿心式下提升液压缸等部分组成。

上下主提升液压缸在上下锚具液压缸的配合下，完成相应的动作，并通过与其相连的钢丝绳，实现重物的提升。锚具机构在不同阶段与钢丝绳保持夹紧或松开关系，分别称为紧锚或松锚。紧锚动作主要由锚具机构中的锚具液压缸完成，松锚动作主要通过两个穿心式提升液压缸活塞运动的速度之差来顶松或拉松具有逆向自锁作用的楔形夹片，并辅助以锚具液压缸的液压作用力来完成。两个提升液压缸通过轴向伸缩运动的相互配合实现大型构件的连续上升或下降。

（负载上升状况）

图4-10 原理结构简图

上升过程中的负载位置与工作时间t的变化关系，如图4-11所示，其中实线代表上主液压缸，虚线代表下主液压缸。工作状态见表4-3。初始时刻，上下主液压缸处于全缩状态。上、下锚具机构处于紧锚状态都处于L处。重复执行表4-3循环过程，可实现大型构件的连续提升作业。连续下降工况分析与以上过程类似。

图4-11 负载位置与工作时间t的变化关系图

连续式液压提升系统液压系统如图4-12所示。图中，电磁换向阀A3、A4的中位机能适应锚具缸的浮动状态，保证上下锚具液压缸工作有相对独立性，电磁阀A1、A2的中位机能保证上下主液压缸在任意位置停留时，液控单向阀迅速关闭。四个单向阀成桥式回路，实现使用一个电液比例调速阀8即能完成提升和下降两种工况的调速功能。

表4-3 液压提升器的工作状态

2.液压系统的FAT分析

FTA（Fault Tree Analysis）是把故障结构画成树形图，沿着树形图的分枝去探索设备（或系统）发生故障的原因，查明哪些元件是故障源，以便提出预防故障与消除故障的对策。利用FAT，建立连续式液压同步提升系统的故障树，从总体上对系统的故障把握和分析。

通过对连续式液压同步提升系统的分析，用故障树的方式把液压系统可能出现的故障，以及出现故障的原因清楚地表达出来。

连续式同步提升液压系统故障树如图4-13所示。

3.液压系统的FMEA分析

FMEA（Failure Mode Effect and Analysis）是对产品设计及工艺设计进行预测和评估的可靠性分析方法，对完善设计、预防和纠正可能发生的错误起到非常有效的作用。

（1）选择对象缺陷失效模式和失效原因　所谓缺陷模式就是指对某个可能发生不满足设计要求或过程要求失效状态的具体描述。

液压系统的主要失效模式有：油路压力不足或无油压，流量波动、压力调节无效，换向失灵、调速失灵、泄漏，系统噪声、液压缸爬行等；常见的失效原因有阀弹簧断裂、内部卡死、间隙过大、阻尼孔堵塞、进出腔装反、零件磨损、阀座损坏、密封不严、同心度不良等。(www.xing528.com)

图4-12 液压系统图

1、2—高压电磁溢流阀 3—低压电磁溢流阀 4、5、6、7—单向阀 8—电液比例调速阀 9—液控单向阀 C1、C2—上、下主提升缸 F1、F2—上、下锚具液压缸 B1、B2、B3—定量泵

图4-13 连续式同步提升液压系统故障树

（2）缺陷模式的分析 以下主要介绍各个评测指标的概念及评测原则，只列出了有代表性元件的FMEA分析，具体的评测分析结果见表4-4。

FMEA就是通过对潜在失效模式的形成因素（严重度数、频度数和探测度数）的定量分析，实现产品失效的减少。

1）严重度数、频度数、探测度数的选择。严重度数是指潜在失效模式对用户抱怨而产生的影响后果严重程度的评价指标；频度数是指产品具体缺陷模式的失效起因或机理发生的频率；探测度数是指通过控制方法找出失效起因或机理过程缺陷的可能性评价指标。严重度数、频度数、探测度数的评价指标均分为1～10级。

2）风险顺序数（RPN）。根据用户要求评价潜在的失效后果时，风险顺序数是唯一的考虑指标。风险顺序数RPN=频度数×严重度数×不易探测度数。

3）严酷度。按故障模式最终对系统最坏的潜在后果，将严酷度类别划分为四类：Ⅰ灾难的；Ⅱ致命的；Ⅲ严重的；Ⅳ轻度的。

（3）FMEA结论与措施

1）根据RPN数值，电液比例调速阀调速失效（112）、液压泵不排油或排油量不足（105）、液控单向阀反向截至时泄漏（84），其RPN值均Ⅰ>75，应采取新的设计控制方法以排除、减轻或控制相应失效起因/机理来避免失效模式的发生。如在泵出口处、溢流阀出口处加装压力表和压力传感器，当系统压力低于设定压力时自动报警，施工前做好相关设备的重点检查与维护。

2）Ⅰ、Ⅱ类严酷度的故障模式属重点控制的故障模式，应将其发生的概率控制在有效范围之内，因此要将表4-4中Ⅱ类的列入重点控制范围。Ⅳ类属于轻微故障，其故障后果对系统的影响不大，使用中定期检查即可。

3）建立的FMEA信息资料库，应充分应用现代化的计算机管理手段进行管理，从而为未来的工程实践和设计工作，带来更大的质量、成本与进度方面的良好效益。

表4-4 连续式同步提升器液压系统FMEA

4.小结

本例应用FTA和FMEA两种分析方法对连续式同步提升液压系统的失效进行分析。FTA主要是构建液压系统的故障树，对系统的故障有个总体的认识，再借助FMEA，对故障进行具体分析，从而对系统的失效模式及预防措施有了较深刻的认识。

FTA和FMEA是一个动态的过程，需要在工程实践中进一步完善和发展，以便更好的指导设计工作和工程实践。