浅谈基于故障树的桥式卸船机钢丝绳失效分析及改进措施

浅谈基于故障树的桥式卸船机钢丝绳失效分析及改进措施
分析了馬钢公司港口650t/h桥式卸船机起升开闭钢丝绳的使用情况，对出现的一些失效通过故障树进行分析研究，建立了钢丝绳失效故障树模型。

利用故障树分析法对钢丝绳失效进行定性分析，找出影响钢丝绳失效的主要因素，并给出相应的改进措施来提高钢丝绳的安全使用寿命。

标签：钢丝绳失效；故障树；定性分析
引言
桥式抓斗卸船机（以下简称桥机）在马钢公司港口投产使用已8年，其钢丝绳主缠绕系统是桥机的核心，其工作状态直接影响着桥机的安全运行，它由俯仰钢丝绳、起升钢丝绳、开闭钢丝绳、小车牵引钢丝绳、抓斗钢丝绳及各机构上的卷筒、滑轮组成。

其中，起升开闭钢丝绳通过梨形和C形连接环与抓斗连接。

马钢港口从2005年陆续更新了6台650t/h桥机，该型号的桥机自投产以来因钢丝绳断裂失效曾出现多次故障和事故，给马钢港口的安全稳定生产构成了较大威胁，因此经过对钢丝绳故障失效进行统计分析研究，找出系统故障与导致该故障的各因素之间的内在联系，快速准确地找出故障点，并通过改进措施来提高钢丝绳的安全使用寿命。

1 钢丝绳使用现状分析
桥机钢丝绳缠绕系统中的起升、开闭钢丝绳是频繁承受动静载荷的部位，这些钢丝绳在作业时，不但承受抓斗、物料和自重的静载荷，还要承受因加速度和冲击引起的动载荷；钢丝绳在运行中彼此之间产生摩擦，绳与滑轮、卷筒绳槽，绳与船舱之问的摩擦等。

同时钢丝绳工作环境较差，因露天作业受雨雪、日晒等不利影响。

因此，桥机钢丝绳在生产实践中暴露出来的主要失效形式为磨损、断丝、断股、变形、锈蚀、断裂等。

1.1 故障分析
故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）故障树分析（FTA）技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。

体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。

基于故障树分析法的钢丝绳断绳故障分析就是把系统最不希望发生的故障状态作为故障树的顶事件，然后寻找导致顶事件发生的直接原因即中间事件，并将他们的逻辑关系表示出来，就这样由上而下逐级分解，一直分解到不能分解为止。

这里把不能再分解的事件称为底事件，除了顶事件和底事件以外的所有事件都称为中间事件，这样一棵故障树就形成了。

故障树分析法有定性分析和定量分
析两种方法，本文主要采用定性分析。

1.2 故障树的建立
故障树的建立是故障树分析法的关键，下面以桥机断绳事故为例建立故障树。

通过对几年事故统计资料查询，现场的实际调查研究，经过分析和研究将钢丝绳断绳失效作为最不希望发生的故障事件，并将它作为故障树的顶事件（图1中T）。

为了便于分析，将引起钢丝绳失效的原因分为内在因素和外在因素两个方面，外在因素包括头绳断、尾绳断、中部绳断等；内在因素包括由于钢丝绳经常处于潮湿、摩擦等工作环境而引起的腐蚀，以及由于结构原因致使频繁断丝、断股等。

这两个方面只要有任意一方发生故障都将引起整个系统的失效，然后以这两个原因作为中间事件（图1中A1，A2，B1，B2），直到找到代表各种故障事件的底事件为止（图1中X1到X14），按上述方法建立桥式卸船机钢丝绳失效的故障树，如图1所示。

表1为该故障树中对应的事件列表。

1.3 FTA定性分析
故障树定性分析是对故障树中各基本事件不考虑发生的概率多少，只考虑发生和不发生两种情况，通过定性分析可知道哪一个或哪几个基本事件发生顶事件就会发生，哪一个或哪几个基本事件不发生顶事件就不会发生，哪一个基本事件发生对顶事件发生影响大，哪一个影响小，从而可以采取经济有效的措施，防止事故发生。

故障树定性分析中要用到割集和最小割集这两个概念，割集是故障树的若干底事件的组合，如果这些底事件发生将导致顶事件发生。

最小割集首先是割集，然后是数目不能再少的割集。

一个最小割集代表引起故障树顶事件发生的一种故障模式。

故障树定性分析的目的在于寻找导致顶事件发生的原因事件或原因事件的组合，也就是求出故障树的全部最小割集。

求解最小割集的方法有上行法、下行法和质数法。

下行法的基本原理是从顶事件开始，遇到与门就把与门下面的所有输入事件排列成一行，增加割集的容量，遇到或门就把或门下的所有输入事件排列成一列，增加割集的数量，这样逐级向下进行，直到全部的逻辑门都置换为基本事件为止[3]。

用下行法求图1所示故障树的全部最小割集，由于故障树中各底事件均为或门关系，所以一个底事件就是一个最小割集，即全部最小割集为{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}。

1.4 结果分析
由FTA定性分析可以看出，影响钢丝绳断绳的主要因素包括：尾绳拉断、头绳拉断、中部断绳、变形、断丝断股、锈蚀。

要想提高钢丝绳寿命，降低失效发生率，对钢丝绳进行故障维修时应从底事件开始分类查找排除。

在对几起发生的典型钢丝绳断绳事故进行故障诊断时，首先将X3、X5、X6、X11、X14五个底事件作为检查对象，经检查，发现有一处断绳是由于抓斗在卸料过程中抓卸暗仓时，起升钢丝绳刮船舱和船体并引起钢丝绳在小车滑轮处跳槽，跳槽处的钢丝绳发生扭结并严重断丝断股致使整根钢丝绳断裂。

因此通过故障树的分析以及现场调查可以得出，引起钢丝绳失效的主要原因为以下几个方面：（1）钢丝绳尾部断绳；（2）钢丝绳中部断绳；（3）钢丝绳跳槽卡滑轮；（4）断丝断股严重。

2 提高钢丝绳使用寿命的改进措施
通过FTA对钢丝绳失效定性分析出来的原因，我们从以下几个方面采取对策以提高钢丝绳的使用寿命，取得了显著效果。

2.1 钢丝绳的科学选型
马钢桥机原使用的钢丝绳为表2中G1，使用过程中发现该型号的钢丝绳断股非常频繁，而某一钢丝绳断股之后，其捻合结构发生改变，出现松散、笼型畸变、绳股挤出等劣化现象，加速钢丝绳的失效并报废。

通过重新选择型号为G2结构的钢丝绳，这种情况得到了很大改善，从图2钢丝绳结构对比图中可以看出，G1绳股为18股大于G2的6股，绳股表面之间的间隙前者小于后者，后者更能注入更多的润滑油；同时G1钢丝绳股含7丝小于G2钢丝绳股36丝。

因此G2鋼丝绳比G1钢丝绳更耐磨、更不易断股断丝、变形。

2.2 滑轮改造
钢丝绳在滑轮处跳槽是致使钢丝绳失效的一重要原因，通过对滑轮结构进行分析，认为其原结构存在一定缺陷，表现为：滑轮槽口太窄（57mm）、槽口太浅（12.5mm），在该尺寸下的滑轮安装一套防跳绳装置效果也不佳。

因此我们改进了滑轮结构，由H1型改为H2型其槽口宽度和深度进行了改进（见图3）。

改进后的滑轮在使用过程中几乎未出现滑轮处跳槽现象。

2.3 润滑五定
保证钢丝绳充足的润滑和正确合理使用钢丝绳的润滑油，对延长钢丝绳使用寿命至关重要。

有资料表明，对钢丝绳进行系统润滑，可使钢丝绳寿命延长2～3倍。

钢丝绳如果没有足够的润滑油，或者用了错误的润滑油，将不可避免地导致过早疲劳损伤和钢丝绳腐蚀。

为此我们制定了“钢丝绳润滑五定表”及相关的制度来规范钢丝绳润滑。

2.4 规范操作及点检
实践证明，桥机操作手的水平对钢丝绳的安全和寿命有直接影响。

超载超速越频繁，起升/开闭钢丝绳所受的瞬问冲击载荷将越大，对钢丝绳的伤害也越大。

另一方面在抓卸暗舱料的时候，时常出现歪拉斜吊现象，钢丝绳特别容易与船舱
边发生摩擦碰撞，滑轮处的钢丝绳跳槽与这种操作有直接关系。

为此我们严格要求操作手按照《桥式卸船机岗位作业标准》作业，通过规范操作来提高钢丝绳的安全性能。

钢丝绳的日常维护点检对其使用寿命有着重要作用，使用期间一定要按《精密点检制度》定期检查，每次定期检验中，应认真记载检验情况，包括钢丝绳的内外磨损、断丝（不同捻距范围内的断丝数）、润滑状况、变形状况、腐蚀状况等。

时刻监控钢丝绳能为安全、合理使用钢丝绳提供依据和保障。

3 改造后的效果
通过简单运用故障树方法对桥机钢丝绳失效进行分析并采取一系列改进措施，提高了钢丝绳的使用寿命，降低了因钢丝绳失效而引起的故障以及安全事故。

我们统计、对比了马钢港口近年来桥机钢丝绳的更换数据，在2009年11月运用故障树完成了该项目的理论分析，2010年2月实施了项目的一系列改进措施。

通过表4可以看出效果十分明显。

4 结束语
本文将故障树分析方法运用到马钢港口桥机钢丝绳失效故障中，通过定性分析找出其产生原因，并实施了一系列技术和管路改进措施，提高了桥机起升开闭机构钢丝绳的安全使用寿命，使其性能更优越、使用更安全、工作更可靠、成本也更低。

参考文献
[1]GB5972-86.起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范[S].
[2]朱继源.故障树原理和应用[M].西安：西安交通大学出版社，1989.。