王 軍,于月琴,陶 偉,馬海波

(1.金輪針布(江蘇)有限公司 梳理技術(shù)研究部，江蘇 南通 226009;2.華潤(rùn)建筑有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

齒條墊紙機(jī)是金屬針布齒條沖、淬、卷生產(chǎn)線上重要的設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)的可靠性和功能的完善、持續(xù)、穩(wěn)定性及自動(dòng)化水平直接影響金屬針布齒條質(zhì)量、操作人員工作效率以及勞動(dòng)強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)線的速度提高，齒條墊紙機(jī)易出現(xiàn)墊紙跑偏、碎紙、多墊紙、少墊紙和送紙不精確等問(wèn)題。其中，墊紙跑偏和碎紙直接影響金屬針布齒條的包裝質(zhì)量與使用性能，質(zhì)量事故造成客戶投訴及經(jīng)濟(jì)賠償。因此，對(duì)齒條墊紙機(jī)的可靠性進(jìn)行有效分析，并研究解決方法至關(guān)重要。

1 故障樹(shù)分析法優(yōu)勢(shì)

故障樹(shù)分析法即FTA(Fault Tree Analysis)法，是用于大系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一種方法。它是針對(duì)方案與初樣設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的一種演繹分析，用于系統(tǒng)的故障分析、預(yù)測(cè)和診斷，尋找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，以便在設(shè)計(jì)、制造和使用中采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。目前，該方法已被認(rèn)為是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行安全性、可靠性分析的不可或缺的工具。FTA法屬于圖形演繹法，可在清晰的故障樹(shù)圖形中找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，作為技術(shù)人員、管理人員及維修人員的生產(chǎn)、維護(hù)與維修指南，不僅用于解決工程技術(shù)問(wèn)題，還能用于經(jīng)濟(jì)管理的系統(tǒng)工程中[1-3]。

筆者應(yīng)用FTA法，以金屬針布齒條沖、淬、卷生產(chǎn)線中的齒條墊紙機(jī)為分析對(duì)象，首先建立“齒條墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定”故障樹(shù)，然后找尋故障事件及各故障事件之間的聯(lián)系，最后提供給齒條墊紙機(jī)研發(fā)部門和生產(chǎn)部門，為該設(shè)備研發(fā)、改進(jìn)提供有效信息和支撐。

2 齒條墊紙機(jī)故障樹(shù)建模

故障樹(shù)模型建立是FTA法的基礎(chǔ)，其完善程度直接影響分析的準(zhǔn)確性，一般采用演繹法。首先將模型中不希望發(fā)生的故障作為頂端事件，然后找出導(dǎo)致這一頂端事件發(fā)生的各種直接可能因素或因素組合，再逐級(jí)向下推演至引起系統(tǒng)發(fā)生故障的全部因素，即分析到不需要繼續(xù)分析原因的底事件為止，最后把各級(jí)事件用相應(yīng)的符號(hào)和適合它們之間邏輯關(guān)系的邏輯門與頂端事件相連接，就形成以頂事件為根、中間事件為節(jié)、底事件為葉的具有若干級(jí)的倒置故障樹(shù)[4-5]。

齒條墊紙機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在卷繞金屬針布齒條的過(guò)程中，切紙機(jī)構(gòu)的切刀在氣缸作用下切紙，形成臨界斷裂切痕；喂紙機(jī)構(gòu)在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滾輪間的摩擦力進(jìn)行喂紙；當(dāng)金屬針布齒條卷繞到料盤一層的邊緣時(shí)，送紙裝置中的氣缸向下動(dòng)作，將墊紙被動(dòng)帶入料盤進(jìn)行墊紙；在導(dǎo)紙裝置的作用下，紙張以一定的長(zhǎng)度(料盤中料的周長(zhǎng))進(jìn)入料盤，并沿著切紙機(jī)構(gòu)切過(guò)的痕跡斷開(kāi)，此時(shí)，墊紙機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)。

齒條墊紙機(jī)控制信號(hào)傳遞原理如圖2所示。在喂紙機(jī)構(gòu)、主軸部位以及齒條長(zhǎng)度測(cè)定處分別連有光電旋轉(zhuǎn)編碼器，切紙時(shí)間與喂紙長(zhǎng)度根據(jù)編碼器的信號(hào)確定；送紙長(zhǎng)度由切紙機(jī)構(gòu)形成的切痕決定。

運(yùn)用FTA法進(jìn)行分析，形成齒條墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定——紙張跑偏或碎紙為頂事件的故障樹(shù)，如圖3所示。

其中，T為頂事件；Ei(i=1，…，9)為中間事件，Xi(i=1，…，15)為底事件。

設(shè)φ(X)為故障樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)，表達(dá)式如下：

當(dāng)i=15時(shí)，Xi取值為0或1， “0”表示底事件i未發(fā)生，“1”表示底事件i發(fā)生。按照布爾運(yùn)算法則，只要其中有一個(gè)Xi=1，則φ(X)=1，即只要設(shè)備中一個(gè)零部件發(fā)生故障則系統(tǒng)就發(fā)生故障；只有全部底事件Xi取0時(shí)，φ(X)=0，系統(tǒng)無(wú)故障、保持正常運(yùn)行。

3 齒條墊紙機(jī)故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析主要分為定性分析和定量分析，這里主要做定性分析，找出導(dǎo)致頂事件故障發(fā)生的所有可能故障模式，即找尋設(shè)備出現(xiàn)某種最不希望發(fā)生事件有多少種可能性以及故障樹(shù)的全部最小割集，以此識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式；借助FTA法建立的邏輯圖，判別潛在故障，為墊紙機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)、故障診斷、維修以及判定設(shè)備可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)和為進(jìn)一步的定量分析作好準(zhǔn)備。

最小割集是常用的故障樹(shù)定性分析方法，它是會(huì)發(fā)生頂事件的基本事件的集合，其中均列為必要事件，即只要其中任意割集發(fā)生，必會(huì)引發(fā)頂事件。墊紙機(jī)設(shè)備故障的布爾表達(dá)式為：

P(T)=P(E1∪E2∪E3∪E4∪E5∪E6∪E7∪E8∪E9)=P(E1)+P(E2)+P(E3)+…+P(E9)

其中，P(T)為墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的設(shè)備故障概率，P(E1)，P(E2) ，…，P(E9)為中間事件故障概率，故障樹(shù)的最小割集為底部事件集{X1}，{X2}，…，{X15}，這是由于齒條墊紙機(jī)故障樹(shù)中大部分零部件均是以“或”的邏輯連接的。

最小割集能夠表示出底事件的重要度：在底事件發(fā)生概率比較小，且相互差別不大的情況下，階數(shù)越小的最小割集越重要；在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小割集中的底事件重要；在同一最小割集階數(shù)條件下，在不同最小割集中重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)越多的底事件越重要。

分析圖3的故障樹(shù)最小割集可知，任一底事件的發(fā)生均會(huì)導(dǎo)致齒條墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定(紙張跑偏或碎紙)故障；且所有底事件均只出現(xiàn)了1次，且每一割集均為一階；所以每一底事件都很重要，均應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注。為降低或消除故障率，采取表1所示措施，能夠保證設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中更安全、更穩(wěn)定，從而有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

表1 故障消除措施表

4 結(jié)論

4.1FTA法能迅速有效地找到齒條墊紙機(jī)故障因素，通過(guò)建立故障樹(shù)分析其中的底事件，識(shí)別出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式以及所有底事件間均呈邏輯“或”的關(guān)系，即每個(gè)底事件均會(huì)導(dǎo)致齒條墊紙機(jī)故障的發(fā)生。

4.2通過(guò)故障樹(shù)分析發(fā)現(xiàn)，齒條墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定的故障與每個(gè)故障事件均有關(guān)系，導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)導(dǎo)向性差與喂紙實(shí)時(shí)需求長(zhǎng)度不準(zhǔn)確下的底事件最多。導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)導(dǎo)向性差的原因有各導(dǎo)向輪無(wú)導(dǎo)向性、各導(dǎo)向輪組間平行度差和糾偏輪不對(duì)中，可以通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及提高制造精度降低故障發(fā)生率。喂紙實(shí)時(shí)需求長(zhǎng)度故障可通過(guò)提高設(shè)備中的編碼器和步進(jìn)電機(jī)的精度，優(yōu)化電控程序來(lái)消除。

4.3在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品的可靠性分析是必不可少的環(huán)節(jié)，采用FTA法能夠幫助設(shè)計(jì)者、現(xiàn)場(chǎng)人員以及管理人員了解齒條墊紙機(jī)整體、部件與零件的失效模式與失效原因。如：喂紙兩輥不平行導(dǎo)致喂紙機(jī)構(gòu)導(dǎo)向性差，喂紙機(jī)構(gòu)導(dǎo)向性差又導(dǎo)致紙張跑偏，紙張跑偏最終導(dǎo)致齒條墊紙機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，從而指導(dǎo)技術(shù)人員在設(shè)計(jì)制造中對(duì)這些方面重點(diǎn)關(guān)注和防范，以提高齒條墊紙機(jī)的可靠性和質(zhì)量。

4.4建立齒條墊紙機(jī)故障樹(shù)模式，對(duì)研究其他相關(guān)功能設(shè)備故障樹(shù)具有一定的參考價(jià)值。