基于模糊故障树的架桥机支腿液压缸故障在线检测方法

基于模糊故障树的架桥机支腿液压缸故障在线检测方法

王浩

中铁三局集团线桥工程有限公司  河北廊坊  065202

摘要：针对现有的检测方法在对架桥机支腿液压缸故障检测时，存在无法准确检测出故障类型，且对故障发生概率预测结果不准确的问题，引入模糊故障树，开展架桥机支腿液压缸故障在线检测方法研究。根据架桥机支腿液压缸运行状态，建立架桥机支腿液压缸未达规定值的模糊故障树；利用模糊概率和隶属度函数，描述和处理故障不确定性，计算液压缸故障重要度计算；结合得到的计算结果，对故障重要度排序，并实现在线检测。通过对比实验证明，新的检测结果可以实现对架桥机支腿液压缸故障类型的准确判定，并针对具体故障类型，预测得出故障发生概率，为架桥机支腿液压缸安全、稳定运行提供有利条件。

关键词：模糊故障树；支腿；故障；液压缸；架桥机；

中图分类号:TH137文献标识码:A

0引言

架桥机作为桥梁施工中的关键设备，其稳定性和安全性对于整个工程具有至关重要的作用。支腿液压缸作为架桥机的重要组成部分，承担着支撑和调节设备高度的重要任务。然而，在实际使用过程中，由于工作环境恶劣、操作不当等因素，支腿液压缸往往会出现各种故障，如泄漏、卡滞、动作迟缓等，这些故障不仅影响架桥机的工作效率，还可能对施工人员和设备的安全构成威胁。目前，针对支腿液压缸故障的检测，主要采用定期维护和人工巡检的方式[1]。这种方式虽然能够发现一些明显的故障，但存在明显的不足[2]。首先，定期维护的时间间隔较长，无法及时发现和处理一些突发性故障；其次，人工巡检依赖于巡检人员的经验和技能，主观性强，容易漏检或误判；最后，人工巡检对于一些隐蔽性故障，如内部泄漏等，往往难以有效检测。因此，研究一种能够实时在线检测支腿液压缸故障的方法，对于提高架桥机的工作效率和安全性具有重要意义。

1建立架桥机支腿液压缸未达规定值模糊故障树

为了建立架桥机支腿液压缸未达规定值的模糊故障树，首先需要明确液压缸未达到规定值可能涉及的多种原因，然后利用模糊逻辑来处理这些原因中的不确定性。模糊故障树能够考虑到各种因素的模糊性，包括故障发生的可能性、故障影响的程度等，使得分析更加贴近实际情况[3]。根据架桥机支腿液压缸运行状态，将架桥机支腿液压缸未达规定值作为模糊故障树的顶事件；将中间事件是对顶事件发生的可能原因进行分类，并将其作为中间事件，具体包括：液压缸内部泄露、液压缸外部泄露、液压缸控制系统故障、液压缸供油不足、液压缸负载过大。将导致中间事件发生的具体原因作为底事件，具体包括：密封件老化或损坏，导致发生；缸体磨损或裂纹，导致发生；管道连接松动或破裂，导致发生；控制阀故障，导致发生；传感器故障，导致发生；油泵故障，导致发生；油路堵塞，导致发生；桥梁重量超过设计值，导致发生；风力等外部因素，导致发生。根据上述论述，构建图1所示的架桥机支腿液压缸未达规定值模糊故障树。

图1架桥机支腿液压缸未达规定值模糊故障树

顶事件由多个中间事件至通过逻辑门（如与门、或门）连接，而每个中间事件又由相应的底事件通过逻辑门连接。每个事件都带有相应的模糊概率或模糊隶属度函数。对于模糊事件，其模糊概率通常不是一个具体的数值，而是一个模糊数或隶属度函数。在实际应用中，可能通过专家打分、历史数据统计分析等方法得到该模糊概率。模糊集合用隶属度函数来描述，其中是论域中的元素。的值在之间，表示属于的程度。数学表示：

（1）

公式中，对于任意的都符合模糊概率。

对于两个模糊事件和，其模糊并集和模糊交集的隶属度函数可以通过以下公式计算：

模糊并集的表达式为：

（2）

模糊交集的表达式为：

（3）

对于两个模糊事件和通过连接，其输出事件的隶属度函数可以通过模糊交集的公式计算。对于具有多个中间事件和底事件的模糊故障树，顶事件的模糊概率或隶属度函数通常通过自底向上的方式计算。

2液压缸故障重要度计算

在完成对架桥机支腿液压缸未达规定值模糊故障树的建立后，结合该模糊故障树，对液压缸的故障重要度进行了深入的计算。这一计算过程旨在明确各个故障模式对液压缸性能的影响程度，从而为后续的故障预防和维护工作提供有力的决策支持[4]。在计算液压缸故障重要度时，我们考虑了多个关键因素，包括故障发生的可能性、故障后果的严重性以及对系统整体性能的影响等。为了对这些因素进行量化分析，引入了模糊数学的方法，利用模糊概率和隶属度函数来描述和处理不确定性。

首先，根据模糊故障树的结构，确定各个故障模式之间的逻辑关系。然后，通过专家打分、历史数据统计分析等方法，为每个故障模式分配了相应的模糊概率和隶属度函数。这些概率和函数反映了故障模式发生的可能性和对系统性能的影响程度。接下来，采用综合评估的方法来计算液压缸的故障重要度[5]。具体而言，将故障发生的模糊概率与故障后果的模糊严重性进行相乘，得到一个综合指标，该指标反映了每个故障模式对液压缸性能的综合影响。通过比较不同故障模式的综合指标，我们可以确定哪些故障模式对液压缸的性能影响更大，从而将其视为重要的故障模式。在计算过程中，使用以下数学公式：

（4）

公式中，表示故障重要度；表示故障发生模糊概率；表示故障后果模糊严重性。其中和均为模糊数，表示故障发生的可能性和后果的严重性。通过计算的值，可以得到每个故障模式的重要度排名，从而有针对性地制定故障预防和维护措施。

3故障重要度排序与在线检测

故障重要度排序是通过分析不同故障模式对架桥机支腿液压缸性能的影响程度，来确定哪些故障需要优先处理。这通常涉及对故障发生概率、故障后果严重性等因素的综合评估。通过排序，可以更加有针对性地制定故障预防和维护措施，提高液压缸的可靠性和稳定性。架桥机支腿液压缸故障的在线检测是实时监测液压缸运行状态的重要手段。通过安装传感器和监测设备，可以实时获取液压缸的压力、温度、流量等关键参数，并通过数据分析来判断液压缸是否存在故障或异常。在线检测可以及时发现潜在问题，避免故障扩大化，减少停机时间和维修成本。

在实际应用中，故障重要度排序和在线检测通常相结合使用。首先，通过故障重要度排序确定需要重点关注的故障模式；然后，利用在线检测手段对这些故障模式进行实时监测和预警。一旦发现异常情况，及时采取措施进行处理，确保架桥机支腿液压缸的正常运行。在在线检测的过程中，需要对传感器信号进行分析，完成对信号均值、标准差等统计量的计算。其中均值的计算公式为：

（5）

公式中，表示均值；表示样本数量；表示传感器信号当中第个样本值。标准差的计算公式为：

（6）

公式中，表示标准差。在线检测过程中，设定阈值判断液压缸是否处于正常状态。假设阈值为，检测值为。若，则发出预警；反之，若，则不发出预警。

4对比实验

通过上述论述，结合模糊故障树，提出了一种全新的针对架桥机支腿液压缸故障的在线检测方法。为了验证新方法的应用效果，设计如下对比实验：

以某建设工程中使用的架桥机的支腿液压缸为研究对象，其基本性能参数为：杆径：50mm；缸径：80mm；速比：1:2；行程：460mm；重量：13kg；安装形式：后法兰式；速度范围：0.1m/s。分别利用本文上述提出的基于模糊故障树的检测方法（实验组）、基于AMESim的检测方法（对照I组）、基于压力信号的检测方法（对照II组），对上述实验研究对象进行故障检测。表1中记录了该项目提供的架桥机支腿液压缸故障概率。

表1建设项目提供的架桥机支腿液压缸故障概率

在此基础上，获取架桥机支腿液压缸在项目中的实际运行数据及相关信息，通过上述三种方法实现故障检测，为方便对检测结果与表1中数据的对比，将三种方法检测结果记录，得到如表2所示结果。

表2三种检测方法检测结果对比表

深入剖析表2中的数据，可以清晰地看到实验组在故障检测方面所展现出的显著优势。实验组所得到的检测结果不仅与实际情况高度吻合，而且能够精准地识别出各种故障问题。更为关键的是，实验组在预测各项故障的发生概率时，其数值与实际故障概率之间的偏差极小，这意味着实验组的预测结果能够为我们提供一个可靠且精确的故障风险评估，对于进一步判断和处理故障至关重要。与此同时，对照I组和对照II组在故障检测方面的表现则不尽如人意。这两组对照实验在尝试找出所有故障问题时，均未能达到全面覆盖，存在遗漏现象。更为严重的是，即便在它们检测到的故障中，也存在与实际故障类型不匹配的情况，这无疑增加了误判的风险。此外，对照组在预测故障发生概率时，其数值与实际概率之间存在较大的偏差，这种偏差可能导致我们对故障风险的误判，进而影响后续的故障处理决策。

通过对比实验组和对照组的表现，可以得出结论：实验组基于模糊故障树的检测方法在架桥机支腿液压缸故障检测方面具备更高的适应性。这种方法不仅能够全面、准确地识别出各种故障问题，而且能够提供可靠且精确的故障发生概率预测，能够提供有力地决策支持。因此，在未来的故障检测工作中，应优先考虑采用实验组所使用的方法，以确保故障检测的准确性和有效性。

5结束语

通过实施上述技术方法，可以实现对支腿液压缸故障的实时在线检测，有效弥补传统检测方法的不足，提高架桥机的运行效率和安全性。同时，该方法还具有操作简便、成本低廉、适应性强等优点，有望在实际工程中得到广泛应用。

参考文献

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[2]韩博, 王兆强, 谢超, 等. 基于AMESim的多液压缸系统故障建模与仿真分析[J]. 机床与液压, 2024, 52 (03): 163-169.

[3]覃俊展. CPMS-JD型液压油缸传感器故障分析及改进建议[J]. 水电站机电技术, 2024, 47 (01): 89-91.

[4] 邸晓非. 工程机械液压缸导向套静密封漏油故障分析及其防漏设计要点[J]. 工程机械与维修, 2023, (06): 34-36.

[5]丁海昕, 龙剑群, 郑土军, 等. 连续式卸船机俯仰液压缸胀缸问题分析与改进措施[J]. 港口装卸, 2023, (06): 10-12.

作者简介：王浩（1990.3-），男，汉，河北邯郸人，本科，工程师，从事机械设备管理工作。