泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)FTA分析

1、泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng) FTA分析泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)分析薛召 1范少卿（1 浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，浙江杭州2 .上海海事大學(xué)，上海市200135）用故障樹系 統(tǒng)分析了泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)。通過故障樹，我們能夠很容易找到造 成舵機(jī)失效的一些底事件。中國分類號(hào)：U664.41 0基本概念FTA，是一種將系統(tǒng)故障形成 的原因由總體至局部按樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化分析的方法，是一種針對(duì)某個(gè)特定的不希望事件的由果到因的演繹推理方法。通常情況下，故障樹分析是對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工廠試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的故障形式進(jìn)行 可靠性分析的工具，其主要目的是分析基本故障，確定故障的原因、 影響和發(fā)生故障的概率。1故障樹的建造步

2、驟故障樹的建造一般分以下幾步：a）對(duì)所研究的對(duì)象作系統(tǒng)分析，需要對(duì)系統(tǒng)的正常狀態(tài)和正常事件， 故障狀態(tài) 和故障事件要有確切的定義。為此，要了解系統(tǒng)的性能，收集和分析 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的技術(shù)規(guī)范等技術(shù)資料。在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的故障 作全面的分析，評(píng)價(jià)各種故障對(duì)系統(tǒng)的影響，找出導(dǎo)致各故障的原因 和途徑。b）在判明故障的基礎(chǔ)上，確定最不希望發(fā)生的故障為頂事件。c）合理確定邊界條件，以確定故障樹的范圍，這包括確定系統(tǒng) 的初始狀態(tài)，確定可忽略不計(jì)的小概率事件，確定在一定條件下的必 然事件等。但是注意忽略小概率事件不等于忽略小部件的故障或小故障事件，某故障一旦發(fā)生后果嚴(yán)重，即使是小概率事件，也不能加以 忽略

3、。d）畫出故障樹，建立應(yīng)逐級(jí)進(jìn)行，首先將邏輯門的全部輸入事 件都做出完整的定義，再進(jìn)一步分析某個(gè)事件，用規(guī)定的圖形符號(hào)， 畫出故障樹邏輯圖。2故障樹分析法中常采用的符號(hào)故障樹分析法中所采用的符號(hào)可分為兩大類，即代表故障事件的信號(hào)和聯(lián)系事件之間的邏輯門符號(hào)（詳細(xì)說明請(qǐng)見GB-4888）。2.1定義事件描述系統(tǒng)狀態(tài)，部件狀態(tài)的變化過程就叫做事件。如果系統(tǒng)元件按規(guī)定要求（規(guī)定的條件和時(shí)間）完成其功能則 稱為正常事件，如果系統(tǒng)或元件不能按規(guī)定要求完成指定的功能或者 其功能完成不準(zhǔn)確，貝S稱作故障事件。通常引起故障事件的原因有： 硬件失效，軟件錯(cuò)誤，環(huán)境條件影響以及人為因素等。部件凡是能產(chǎn)生故障事件的元

4、件、子系統(tǒng)、設(shè)備、人和環(huán)境條件在故障樹中都定義為部件，部件的故障按其產(chǎn)生的原因分為三 類，即由于系統(tǒng)元件的內(nèi)部原因而產(chǎn)生的直接故障由于外部原因，環(huán)境惡化等造成的系統(tǒng)元件的間接故障由于其他不明原因 （尚需要進(jìn)一 步分析）而產(chǎn)生的故障，也稱為受控失效。2.2常用故障事件的符號(hào)和邏輯門符號(hào)底事件，又稱初始事件。指由系統(tǒng)內(nèi)部部件、元件失效或人為失誤引起的事件，通常應(yīng) 當(dāng)具有足夠的原始數(shù)據(jù)，并且應(yīng)該是不能再分解的隨機(jī)事件。中間事件，或者頂事件。指還可以分解成為其他下級(jí)事件 的事件，在矩形內(nèi)可注明故障定義與門表示只有當(dāng)全部輸入事件都發(fā)生時(shí)，才能使輸出事件 發(fā)生?；蜷T。表示在輸入事件中至少有一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，

5、就會(huì)有 輸出事件發(fā)生。3泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)分析及故障樹的建立 3.1泵控式舵機(jī)液壓 系統(tǒng)分析系統(tǒng)由兩個(gè)相同的油路（因?yàn)閮蓚€(gè)油路完全對(duì)稱，故該圖只 畫出其中一半）與兩對(duì)液壓缸所組成，即可互為備用，也可一同使用， 以增加液壓系統(tǒng)自身的可靠性和轉(zhuǎn)舵速度。 每個(gè)油路中有一臺(tái)變向變 量泵作為主泵向系統(tǒng)提供液壓油，因主泵的吸排口直接與油缸的進(jìn)油 回路相連接構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)油路， 故也稱閉式液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng) 中采用了舵機(jī)專用閥M ，舵機(jī)專用閥組在國產(chǎn)舵機(jī)中有廣泛應(yīng)用。其中閥13為雙向防浪安全閥，閥3為舵機(jī)專用閥，屬三位四通 液控閥，其閥芯中帶有單向閥。當(dāng)液壓泵 4通過換向閥向B1側(cè)供油 時(shí)，專用閥3右端作

6、用有高壓油，將閥芯右位推入工作位置，舵葉隨 之向右轉(zhuǎn)動(dòng)。若此時(shí)恰遇到一股水流與舵葉運(yùn)轉(zhuǎn)方向相一致，此水流的力將使舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)加速，從而使進(jìn)油液壓缸失壓，回油液壓缸中的油 液高速回油。這時(shí)專用閥的閥芯右端失壓，在彈簧彈力的作用下，閥 芯向右移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到節(jié)流閥位置時(shí)，液壓缸回油通道被節(jié)流，回油 阻力逐漸增大，使管路中的油壓逐漸升高，平衡水流對(duì)舵葉的作用， 從而使舵葉轉(zhuǎn)動(dòng)速度得到限制，保證進(jìn)油液壓缸不致出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。 同時(shí)還克服了水流對(duì)舵葉的負(fù)力矩， 防止了沖舵現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)一步 提高了舵機(jī)的工作穩(wěn)定性。在無舵令信號(hào)時(shí)，專用閥利用中位的兩個(gè)單向閥將液壓缸與變量泵之間的油路關(guān)閉，起到鎖舵的作用。單泵工作

7、時(shí)，也可以用來防止兩泵之間的相互干擾。因閉式循環(huán)油路不可避免的存在著泄漏， 我們?cè)谌粘９芾碇行枰?不斷的補(bǔ)充油液，以改善主泵的吸入性能。因此主油路均設(shè)有一臺(tái)副 泵10，它可薛召，范少卿：泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)FTA分析以通過低 壓選擇單向閥L1、L2向主油路補(bǔ)油，也可以向主泵變量機(jī)構(gòu)提供控 制油，甚至還可以起到冷卻主泵的作用。其工作壓力由閥9設(shè)定。3.2泵控式舵機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹的建立當(dāng)舵機(jī)因某種原因?qū)е露?機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可畫出其故障樹（如圖 2所示）。樹首先要從確定一個(gè)不希望出現(xiàn)的事件（頂端事件）開始。該系 統(tǒng)的頂端事件為舵機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)邏輯關(guān)系順序向下分解，得到造成這一頂端事件發(fā)生的直接 原因

8、，將它們稱為中間事件 G并用適合它們的邏輯門與頂端事件相 連，接著分析中間事件發(fā)生的直接原因，步步深入，最終一直到不能 再分解的基本事件為止，形成一棵從頂端事件向下倒長的故障樹?；臼录?5表示轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)，基本事件6、7、8分別表示手動(dòng)舵、 隨動(dòng)舵以及自動(dòng)舵的控制系統(tǒng)，其它基本事件的編號(hào)與圖1中的相對(duì) 應(yīng)。中間事件油缸無壓力油、油缸失效、油缸壓力過高中，至少有一 個(gè)事件出現(xiàn)，就會(huì)發(fā)生舵機(jī)失效，這就是邏輯或的關(guān)系，因此油缸無 壓力油、缸失效、油缸壓力過高三個(gè)事件是相串聯(lián)的。而油缸壓力過 高事件發(fā)生，只有在轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)15受到過大負(fù)載，又要雙向安全閥13 和另一安全閥14 （圖中未畫出）同時(shí)失效時(shí)才會(huì)出

9、現(xiàn)，這是邏輯與 的關(guān)系，因此13、14、15事件并聯(lián)的。由于輔助油路失效（初級(jí)事 件輔助油源失效發(fā)生）也會(huì)間接引起舵機(jī)失效，但輔助油源失效事件 發(fā)生直接引起的后果是主泵4吸空以及泵過熱，從而造成主泵4的失 效，所以不能把輔助油源失效看成是和事件油缸無壓力油、缸失效、 油缸壓力過高串聯(lián)的事件。4故障樹分析的特點(diǎn)（1）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同樣功能的液壓設(shè)備， 采用不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有不同的故障樹結(jié)構(gòu)，選擇可靠性最佳的系統(tǒng)， 可以實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)的有效成本控制。（2）優(yōu)化元件設(shè)計(jì)。一棵故障樹包含多個(gè)底事件，底事件在故 障樹中的重要性，因元件在系統(tǒng)中所處的位置而異。 底事件對(duì)頂事件 貢獻(xiàn)大小的程度稱底事件重要度，對(duì)底

10、事件重要度大的元件，在日常 的維護(hù)管理中要給予足夠的重視。（3）用故障樹分析法進(jìn)行液壓系統(tǒng)故障診斷，只用壓力表、流 量計(jì)和真空計(jì)做簡(jiǎn)單試驗(yàn)，就可對(duì)預(yù)防和排除故障提出有效措施， 在 缺少測(cè)試儀器和工作環(huán)境比較簡(jiǎn)陋得船上，能達(dá)到科學(xué)管理液壓系統(tǒng) 的目的。同時(shí)，也為船舶機(jī)械維修保養(yǎng)體系的制定，提供了科學(xué)的依 據(jù)。當(dāng)然，故障樹分析法還適合于專家系統(tǒng)知識(shí)庫的建造，為人工智能技術(shù)在液壓設(shè)備管理中找到了用武之地。5結(jié)論舵機(jī)在船舶中的作用非同小可，一旦舵機(jī)發(fā)生故障，對(duì)于 船舶航行造成的損失將不可估量。這就要求我們要以最快的速度解決 問題，把損失降到最小。我們通過建立舵機(jī)的故障樹，能夠十分快捷的找出造成舵機(jī)失效的各個(gè)原因，大大提高我們排除舵機(jī)故障的能 力。讀者也可