0 引　言

在船舶工业迅猛发展的今天，船舶运输的各领域一旦出现问题，船舶运输物流整体效率将大打折扣。为了改善港口货物的运输效率，有必要对整个运输系统进行优化，其中船舶运输中的起货机就是重要内容之一^[1-3]。起货机由于使用环境比较恶劣，所以经常因为各种故障而不能工作。怎样确保起货机驱动系统正常工作，就成了大众关注的焦点，对起货机进行故障诊断与排除技术研究有着非常重要的现实意义。船舶起货机的液压系统主要由多段垂直绞车以及相关的控制系统组成，造成同样误差的因素也是多种多样。因此，对整个液压系统可靠性进行评估和诊断显得非常重要，但传统故障分析方法对起货机液压系统分析存在局限性。为了解决这些问题，本文将故障树分析法引入到了对液压系统可靠性进行分析的过程中。

1 船舶起货机液压系统的基本原理与常见故障解决

基于起货机工作原理而言，液压系统大致可以分为两类，也就是电动货物绞车与液压货物绞车。因电动性能比较差，只适用于小货物的运输，所以本文以船舶液压起货机为研究对象。液压起货机出现于20世纪60年代，不但运行性能更好，并能达到无级调节的目的，且传动效率高。随着科学技术的进步以及社会经济发展的需要，液压起货机得到了迅速发展，被广泛地使用。目前大型散货船80%以上都配备了起货机，基本都已经使用液压起货机^[4-6]。

起货机液压系统中最常见的故障，分析其原因及处理办法如下：造成起货机液压系统噪声大的主要原因是物料或气体进入油泵；液压管道过滤器阻塞，造成液压油在运输时产生噪声；由于油泵安装误差大，造成水泵、马达不能对齐，油泵主轴的受力不均匀；负荷卷扬机升降轴承的安装偏差会增大轴承的磨损，轴承内部会出现磨损痕迹等；起货机液压系统由于船舶的震动而产生振动。故障处理：检测油泵中气体是否排出；由于液压起货机在使用过程中能够有效地提高货物装卸速度，降低劳动强度以及减少作业人员数量等优点，所以得到了越来越多的应用。使用过滤器使堵塞物通过液压系统的管道流出；在油泵上加装一个平衡盘，替换磨损严重轴承，加入润滑油等，以减少噪声；检查轴承的破损，并及时进行替换；为了减小结构的振动，采用波浪运动补偿平台或其他减震设备。

2 故障树分析船舶起货机液压系统优化 2.1 故障树分析技术

故障树分析是一种常用的错误辨识方法，在故障树上，每个节点都有一个逻辑上的差别。图1为故障树分析的基本流程。

1）确定事件优先级和顶事件

首先，通过对系统的故障进行识别，并根据实际情况，运用系统的分析方法进行处理以便更好地进行故障识别。

2）构造故障树

故障树是由分析错误类型、与错误相关的结构组件和系统错误的原因来建立的。故障树的上层是当前系统可能发送的故障，中间层是导致故障错误的原因，而下面的则是错误的源头。在建立一个错误的树时，布尔代数和逻辑运算都是为了使错误的树变得简单。

3）定性与定量分析

建立了故障树之后，首先要解决最小割集和最小径集，这是进行故障辨识的重要步骤，根据以上步骤确定故障所在。

2.2 起货机液压系统故障定量分析

划分导致液压系统故障的误差因素：

$ G = {E_1} + {E_2} + {E_3} + {E_4} + {{{x}}_{{\text{15}}}} 。$

式中：E₁，E₂，E₃，E₄，x₁₅为船舶起货机不能够及时运转的第一层因素，其中E₁故障的因素表示为x₁，x₂，E₂故障因素有x₃，x₄，x₅，x₆等，以此类推，相关的故障树最小的分割公式为：

$ G = {{x}_1} + {{x}_2} + {{x}_3} + {{x}_4} + \cdot \cdot \cdot {{x}_{15}} 。$

通过对液压系统故障的统计分析，发现7种故障均呈指数分布，其误码率见表1。

通过以上7个故障的分析，得出液压系统的整体故障为：

$ {\lambda _{\text{s}}} = \sum\limits_{{\text{i}} = 1}^7 {{\lambda _{\text{i}}}} = 0.00113\text{，} $

推导出船舶起货机无故障运行时间为：

$ MTTF{}_S = \frac{1}{{\displaystyle\sum\limits_{{\text{i}} = 1}^7 {{\lambda _{\text{i}}}} }} = 884.3 \text{。} $

按照船舶液压系统的控制指南，运行50 h以上，7项失效因子失效效率为：

$ {R_{\text{i}}}\left( {t}\right) = \int_0^\infty {{\lambda _{\text{i}}}} {{\text{e}}^{ - {\lambda _{{i}}}{t}}}{\text{d}}t = {{\text{e}}^{{\text{ - }}{\lambda _{{i}}}{{t}}}} \text{，} $

每个故障可靠度为：

$ {{{q}}_{{i}}}\left( {t} \right) = 1 - {R_{{i}}}\left( {{t}} \right) \text{，} $

则船舶起货机整体的液压系统表示为：

$ {{\text{R}}_{\text{s}}}\left( {\text{t}} \right) = \prod\nolimits_{{\text{i}} = 1}^7 {{R_{\text{i}}}\left( {\text{t}} \right) = 0.823} \text{，} $

液压系统运行超过250 h后，不能正常运转的概率为：

$ {{F}} = {\text{1 - }}{{{R}}_{{s}}}\left( {{t}} \right) = 0.18 。$

3 船舶起货机液压系统的故障知识库及故障树分析 3.1 船舶起货机液压系统的故障诊断

在液压系统的故障检测中，对其进行跟踪处理是提高其诊断效率的重要手段。知识库系统可以将大量的船舶货轮数据信息储存到电脑或服务器中，并对其进行有效管理。针对船舶液压系统的故障诊断，可以将使用者所设定的故障情形与证明策略结合起来，得到最后的分析结果。在对起货机液压系统进行故障诊断的基础上，将知识库划分为故障类型和故障诊断规则，并对其进行分类和分析。当前的诊断规则是以常规的故障排除规则为准则，利用Microsoft Access数据库技术建立了疑难解答知识库。基本工作流程如图2所示。

3.2 船舶起货机液压系统的故障树

在故障树生成的整个过程中，最常用的是底层事件、中间事件与基础事件之间的关系。上面的事件是在故障出现时的一个逻辑闸的输出，而不是所有的逻辑闸的输入。通常是由于系统的不正常而导致的在上部和下部的中间部分出现了故障。这是一个输出逻辑门共同故障导致的事件，最能反映出从最基层到最上层事件的整个逻辑分析。故障是由基本事件引起的，即已经被证实或尚未被证实。但需要进一步确认的事件，基本元件的主要故障包括基本故障、人为故障和环境因素故障。静态数据故障树一般使用2种重要的逻辑门，即在所有的输入事件中，产生一个以上的输入事件，并产生一个门输出。在失效树中，n个最下层的事件是由OR门连接的，相当于将n个元素连接到一个逻辑图表上。只有当它被转化成全部的输入事件时，才会把它转化成一个门的输出事件。如果在故障树中，最小的n次事件是由一个跟踪门连接在一起的，则是一个由n个模块组成的逻辑图表。序列跟踪门表示只有当输入事件的发生概率较低时，跟踪的准确度才会有明显的提升。当一个单一的输入事件发生时，如果没有其他的事件发生，那么该输出事件就会出现。此外，转移标记表示转移事件。三角符号加上一个相对的线条框架，可以代表从一个点开始转移，这表明映射不能立即地对相同的树进行反复的连接。故障树中的各种事件和逻辑闸都有自己独特的标识。

在最上面的事件用矩形的方块来表达，下面的事件用一个圆来表示，而传递的符号则用一个三角形来表示。在此基础上，建立起货机液压系统的故障树，具体可见图3。

故障树T表示液压系统噪声，A表示液压回路连接元件的故障；B₁代表液压泵故障，B₂代表管路轴承故障，B₃代表液压油故障，B₄代表管路堵塞，A₂-A₆代表液压泵部件故障、阀门故障、液压缸故障，密封错误、滤油器失灵。X₁-X₇为失效树的最下层节点，分别是管道泄漏、液压泵内泄漏、溢流阀失效、柱塞泵承载失效、过滤器断裂、换向阀失效、油箱失效等。

4 故障树起货机液压系统预处理分析 4.1 起货机液压系统初步处理

故障树没有进行分析之前，需要对其问题进行初步处理，使其成为标准化的故障树，便于定性和定量分析。在初始处理故障树中，仅有3种事件类型，即最大事件、中间事件与基础事件之间的关系。逻辑门只有与门、或门、非门3种。如根据数据和信息的需求，将没有被发现的事件转化为基础事件，或者将其剔除，对于分析中的未知数，在初始状态下，对其数据和信息进行处理的未被证实的事件，都是基础事件，删除不重要的事件。为了避免流程上出现错误，在没有严格限定中间事件时，系统可能导致无法审核、逻辑混乱，甚至在后续完工时出现差错，通常在完工时无法立即连通，常见的故障有可能导致各种零件甚至是不同的系统发生异常。如普通的失效事件是一种普遍的原因事件，因此，针对发生在不同分支上的事件，都需要使用相同的事件标签。必须对故障树进行模块化，以便对故障树进行定性和定量分析。该方法是在故障树中找到最大的模块，用等值电路中的底层事件替换各个模块，然后将顶点事件与模块之间的相关性转换成顶点事件与底层事件的相关性，从而简化初始故障树的结构。然后对各个模块进行评价和定量的分析，将其引入到源故障树中进行分析。利用布尔代数，对不想要的基础事件和逻辑门进行精简和删去。在布尔代数中，除了交换定律、结合定律、指派定律外，还存在着幂等性、可分解性等。

4.2 故障树起货机液压系统的定性

对故障树进行定性研究，即找到最小的分支，确定其产生的原因和造成的损害范围，抓住引起多个事故的薄弱环节，并阐明防止类似事故的原因。在这种类型的故障树中，一般是由几个底层事件组成的，如果所有这些底层事件都发生了，那就是顶点事件，如果出现了任意的底层事件，则该事件被认定为最先优先级的故障，需要最快速度进行处理。最小分集代表了在故障树中导致最高事件的失效模式，升序算法首先在故障树的底层，由上而下的事件集合逐步执行，用输入命令的合并（布尔运算总和）代替“或门”的输出事件，最后用键控制事件的交叉（布尔乘积）代替“跟随门”的输出事件。整个过程逐步进行，根据布尔代数的吸收法则和幂等法则，如果每个乘积项与故障树的最小集相匹配，则所有的乘积项就是最小的故障树，而乘积项中的因素数目就是最小的割集。通过定义最小的故障树，可以将底层的事件按照最小的划分结构和顺序进行必要性的分析。

5 结　语

船舶起货机在使用过程中，因其工作环境的恶劣，经常会发生各种故障。本文通过建立起货机的各种故障知识库，通过系统的分类归纳和分析，使得在出现故障时，能够快速识别并修复。