故障树分析法在PTC水压层压机故障诊断中的应用

张文朋

(中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051)

PTC水压层压机和一般国产层压机相比具有结构复杂，系统参数多的特点，在没有经验的情况下，很难对其发生的故障进行准确的判断，而且由于它也是一种液压系统，在故障判断不准的情况下容易出现原有的故障没能排除，反而引发出系统泄漏，压力保持不住等情况，造成多动多错，越修越差的状况，因此要求我们尽可能的一次判断准故障点，不走弯路的解决问题。

设备维修一般经历三大过程：故障后维修，定期检修及预知维护保养。故障诊断技术也经历了巨大变化，由原来的以经验为主到以经验知识相结合为主。现在，提高维修效率和降低维修成本是故障诊断及设备维修优化的重要目标。诸多学者也提出了如故障树、信息融合技术、智能专家系统、神经网络系统和贝叶斯网络等有效的理论和方法[1]。

1 故障树分析法简介

故障树分析法是一种对系统可靠性和可用性预测的主要方法，广泛应用于工程实践中。它是在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素，如硬件、软件、环境、人为等因素进行分析，画出逻辑框图，即故障树，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式及其发生概率，以计算系统失效概率，并采取相应的纠正措施以提高系统可靠性、安全性的一种设计分析方法和评估方法[2]。

故障树以图形化的形式表现了系统故障和其他事件间的交互关系。底事件通过逻辑符号连接到一个或者多个顶事件。顶事件往往都是指对系统安全或者功能造成影响的因素，底事件往往都表示元件故障或是操作人员失误。经常使用的逻辑符号包括“与门”和“或门”（见图1）。

图1 逻辑门符号

本文以故障树分析法对PTC水压层压机的主要故障进行分析研究，并将其绘制成故障图，从而达到找出故障原因，提高设备故障诊断速度和准确性的目的。

2 故障树分析法的应用

水压层压机是在半导体工艺中对产品完成层压工艺的重要设备，其中液压系统是水压层压机的重要组成部分，如果层压机液压系统出现故障，将会直接影响到层压工艺中产品的质量，甚至会使产品报废。在PTC水压层压机中经常遇到的故障多为液压系统故障，因此在这里我们主要针对其液压系统进行分析。水压层压机的液压系统主要由水箱、加压舱、加压泵、低压端单向阀、高压端单向阀、气动泄压阀、安全阀、压力传感器组成。图2为液压系统示意图。

图2 液压系统示意图

PTC水压层压机的液压系统故障有多种表现形式，如系统加压缓慢、不能升压、压力不能保持、加压泵过于频繁启动、排气消音器喷水等。

2.1 建立故障树

PTC水压层压机的液压系统有众多元件，任何一个出现问题均会导致系统故障的发生，而故障现象和故障起因并不是一一对应的，在很多情况下，故障的现象是相似的，很多元件的故障均会造成同样的故障，还有可能不止一个部分有问题，具有因果的多层次性，形成一连串的因果链，产生一果多因或一因多果的情况，必须从层压机系统表现出的各种故障现象进行逆向推理，分析编写出相对应的故障树。因为层压机液压系统故障绝大多数都与系统压力有关，在此以较易发生的液压系统故障为顶事件，边界条件是液压系统正常工作，分析层压机液压系统只有正常工作和故障两种状态，各个元件故障相互都是独立的。以手工方法建立故障树，由顶事件分解到底事件为止。

建立层压机液压系统故障树分析图如图3所示。

2.2 定性分析故障树

主要从最小割集、最小径集以及结构重要度三个方面进行故障树的定性分析。

分析故障树时，如果故障树的某几个底事件同时发生会引起顶事件的发生，那么这些底事件的集合就成为割集，割集是引起系统故障的一种模式。最小割集就是会引起系统故障发生的最小故障模式的集合。也就是说，最小割集是导致顶事件的必须的且数量最少的底事件的集合，同样也就是说这是在系统发生故障时根据故障状态所需要检查的最基本的故障点。

图3 PTC水压层压机液压系统故障树分析图

可以用行列式法、布尔代数法等方法求取最小割集，现在也有用来求取最小割集和最小径集的计算机软件。PTC水压层压机液压系统故障树中的逻辑门全都是或门，最小割集也就是变量的逻辑和，液压系统中的各个元件又是互相之间有一定的关系，不能独立对待，因此采用布尔代数化简法最为简单。

最小割集为 {X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}。求出最小割集可以帮助我们更好地掌握发生故障的各种可能，有效地缩短故障判断所需要的时间。

每个最小割集都是会导致顶事件发生的一种可能，所以，有多少最小割集，就有多少可能导致顶事件发生。

在求出的最小割集的过程中可以直观地看出，{X1}也就是高压端单向阀导致故障引起的现象最为复杂频繁，其次就是{X2}，也就是加压泵。通过分析最小割集，就可以找到系统较易发生故障的环节，采取相应措施，比如更换质量更好、可靠性更高的高压端单向阀，加压泵的活塞密封圈才用更好的更耐磨的材质，来使设备故障率下降，延长系统的有效运行时间。

3 故障树分析法和实际经验结合

通过故障树分析图，可以直观地发现某个元件可以引起什么样的故障现象，而且在求取最小割集的过程可以大概了解其发生的概率。在工作中遇到的现象往往是有所关联的，不一定是某一种现象单独发生，如果结合实际工作经验，就可以容易地判断出故障点，比如在工作中经常遇到的系统不加压，往往还伴随着加压泵的异常声音，这时基本就可以判断加压泵有问题，如果还有排气消音器喷水现象，还需要进一步观察加压泵的活塞取出后是否有水溢出，如果没有则只是加压泵故障，需要对泵进行清洗，并更换活塞密封圈，如果有水溢出，则需要对高压端单向阀和低压端单向阀进行维修。

4 结 论

通过对PTC水压层压机的液压系统建立故障树分析图，列出了其发生故障的主要原因，有助于掌握PTC水压层压机液压系统故障的规律和特征，并结合实际故障情况，进行元件级的分析，从而简化故障点的判断，缩短维修周期，或选用更合适的配件，减少设备的故障率，有效延长设备的正常运行时间。

[1]姚刚.故障树分析法在半导体设备故障诊断中的应用[M].半导体技术，2007（3）：03

[2]肖贵平，朱晓宁.交通安全工程[M].北京：中国铁道出版社，2003.