塔式起重机液压顶升系统故障树分析

FTA可以既定量又定性地对系统故障进行分析，不仅给出了故障发生概率的大小，又给出了重要度，找出了系统的薄弱环节，对设备的维修维护具有重大意义，在生产实际和工程设计中具有很大的参考价值。

1.概述

自升式塔式起重机都有液压顶升装置，其功能是将塔式起重机上部结构顶起。系统本身比复杂，且在塔式起重机上起着十分重要的作用。要保障塔式起重机安全，对于液压顶升系统除满足起重量和升降速度外，还要求系统的安全性、可靠性较高，要求有好的调速性能，换向冲击要小，升降平稳等。但由于塔式起重机的工作环境较为恶劣，系统在使用过程中出现了诸多故障，严重影响了塔式起重机工作的安全性、经济性和可靠性。

液压系统属于闭式的管路循环系统，液压系统故障隐形难以查找是液压传动的主要缺点之一。

故障树分析法可用于设备的故障模式识别，故障的预测和诊断，有利于快速准确的查找故障，分析和改进薄弱环节。

液压系统故障树将引起液压系统出现故障的基本原因与液压系统故障之间的逻辑关系连成树状的逻辑图，用来分析故障产生的原因，进行系统故障模式识别、预测和诊断。

2.故障树的建立

自升式塔式起重机顶升机构的液压系统基本原理如图4-14所示。

分析过程中假设：①各底事件相互独立；②各事件都为二值性；③不存在外界干扰因素。以“顶升机构液压系统故障”为顶事件建立故障树，如图4-15所示，故障树中各符号含义为：

顶事件T（；）中间事件S（；）底事件X。

本故障树逻辑门全为“或门”，故最小割集为全部底事件：

即：全部最小割集为{X1}，{X2}，…，{X18}。

图4-14 液压顶升系统原理图

1—油箱 2、3—过滤器 4—液压泵 5—电动机 6—溢流阀 7—压力表 8—手动换向阀 9—胶管 10—平衡阀 11—液压缸 12—温度计 13—空气过滤器

3.分析

由最小割集可知任一底事件的发生均会导致顶升液压系统故障。一般来说，最小割集越多，引起顶事件的故障模式越多，系统就越危险。本故障树引发的故障模式有18种。

（1）定性分析 结构的重要度计算隐含了一种假设：即认为所有底事件的故障概率相同，因此只是从故障树的角度反映了各底事件在故障树中的重要程度。结构重要度完全由故障树结构决定，与底事件的故障概率大小无关。本例中各底事件均出现一次，且全为一阶，各底事件结构重要度相同，所以每一底事件均引起注意。

图4-15 液压顶升系统故障树

T—液压系统故障

S1：顶升速度异常 S2：活塞杆回缩失效 S3：顶升动作无力 S4：油温过高 S5：工作噪声过大 S6：顶升速度下降 S7：自动溜缸 S8：液压缸爬行 S9：液压泵故障 S10：溢流阀调压失灵 S11：供油量不足 S12：液压缸间隙 S13：系统压力低 S14：系统无压力

X1：泵吸空 X2：泵磨损 X3：泵泄漏 X4：油液过脏 X5：电动机功率不足 X6：弹簧太软失效 X7：弹簧调整太松 X8：管接头松动 X9：换向阀阀内窜腔 X10：活塞密封差 X11：活塞间隙大 X12：平衡阀故障 X13：液压缸吸空 X14：压力油过少 X15：电动机电源线接错 X16：溢流阀阀芯卡死 X17：油箱过小 X18：吸、排油管靠得太近

（2）定量分析

1）顶事件发生概率。基本故障（底事件）的数据是已知的。这些数据是通过大量质量控制点统计资料、试验站记录和售后服务故障记录等整理出来的。顶事件的发生概率是评价系统的重要指标，底事件置的概率g<0.1，按计算顶事件发生的概率g。各底事件发生的概率建议值如下：(www.xing528.com)

g1=10^-5g2=10^-3g3=10^-3g4=10^-6g5=10^-6g7=10^-4g8=10^-5g9=10^-4

g10=10^-3g11=10^-3g12=10^-4g13=10^-6g14=10^-6g15=10^-6g17=10^-6g18=10^-5

g=0.004429

近似推算平均故障周期为226h。

2）底事件概率的重要度。底事件发生概率g变化引起顶事件发生概率g的变化程度称置的概率重要度。公式为

I_q（i）越大，说明底事件越重要，对顶事件发生的影响越大。如果降低I_q（i）大的，则可有效的降低g。各底事件发生的概率重要度为

I_q（M）=I_q（1）=I_q（8）=I_q（18）=0.995580772

I_q（N）=I_q（2）=I_q（3）=I_q（10）=I_q（11）=0.996567383

I_q（O）=I_q（4）=I_q（5）=I_q（6）=I_q（13）=I_q（15）=I_q（17）=0.995571812

I_q（P）=I_q（7）=I_q（9）=I_q（12）=I_q（16）=0.995670383

3）底事件关键性重要度。关键性重要度是底事件g的变化率与它引起的定事件的g变化率之比，公式为

各底事件关键性重要度如下：

I_C（A）=I_C（1）=I_C（8）=I_C（18）=2.247868×10^-3

I_C（B）=I_C（2）=I_C（3）=I_C（10）=I_C（11）=2.250096×10^-1

I_C（D）=I_C（4）=I_C（5）=I_C（6）=I_C（10）=I_C（13）

=I_C（14）=I_C（15）=I_C（17）=2.247848×10^-4

I_C（E）=I_C（7）=I_C（9）=I_C（12）=I_C（16）=2.248070×10^-2

4）分析。由以上计算可得：

各底事件概率重要度排序为：I_q（N）>I_q（P）>I_q（M）>I_q（O）

各底事件关键重要度排序为：I_C（B）>I_C（E）>I_C（A）>I_C（D）

所以，要使顶事件的发生概率迅速下降，必须减少X2、X3、X10、X11四个底事件的发生概率，这四个底事件属于系统的薄弱环节，都是使用中由于元件摩擦老化所造成的，其故障概率较大。关键重要度是以敏感度和自身发生概率的双重角度衡量各底事件重要度的标准，比概率重要度更合理。在设备维修中要按重要度，尤其是关键重要度的大小顺序进行排查。

某工地某QTZ80型塔式起重机的顶升机构工作异常，不能正常满足生产，故障表现为：顶升动作缓慢，不时出现爬行现象，压力表显示压力下降。根据以上分析，首先将X2、X3、X10、X11四个底事件作为检查对象。如图4-14所示，将胶管9拆开，A、B口堵死，手动换向阀8扳至右位，起动电动机5。将溢流阀6的调定压力由小逐渐调大，直至额定压力，观察回油流量的变化。结果发现随着压力增大，回油量逐渐变小，这说明液压泵的容积效率变低，泵磨损或密封失效。拆下液压泵检查，发现故障为X3。更换密封后，试车达到工作要求。不但缩短诊断时间，也节约了人力，减少了不必要的拆卸。故在设备维护中同样要注重重要度高的底事件。