基于故障树分析法的抓头可靠性仿真分析

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抓头是乏燃料后处理中间试验厂-种较为关键的设备，该设备在送料系统中起着主导作用，主要由抓取组件的四个抓手组成，用来完成抓取燃料组件进行剪切的过程.目前中试厂送料系统的故障主要有送料不到位、推料剪切失败、抓头掉料等；这些故障导致抓头的使用寿命的降低，会导致整个送料系统的安全性和可靠性降低，同时其长距离抓取组件的环境条件苛刻，在加上系统运动部件多，磨损大，直接影响着整个剪切系统的工作效率和安全性 J。

目前在特殊环境条件下的机械关键设备的可靠性分析只限于可靠性建模和定性分析算法的研究上.为了找出系统的薄弱环节，改善抓头的设计，提高运行的可靠性，减少不必要的维修费用，有必要对其进行可靠性分析，所以本文试图利用故障树法来对抓头进行可靠性分析，建立故障树 ，得出最小割集和径集，对相关薄弱环节提出改进措施，并仿真模拟故障树评价失效分布，这样为建立高可靠性运行的大型后处理厂设备和进行有效的维修提供理论依据。

故障树分析(Fauh 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，它是-种图形演绎方法，它可以找到潜在的故障并进行故障诊断.在航空和航天的设计、维修，原子反应堆、大型设备以及大型电子计算机系统中得到了广泛的应用，是分析设备可靠性的有效方法 J。

1 抓头结构分析及可靠性框图从公司统计的故障情况来看，送料系统中的抓头部位出现故障较多，即抓头掉料”故障出现较为频繁，也就是抓头在装料和送料过程中没有抓紧燃料组件，使得组件掉落在装料井或热室内。

依据抓头要实现的功能可以得到抓头的功能结构如图1所示。

- -0- 。。、 (抓头更换篮 )、 - . 。- 。。 - ，， . . -- -. -/ I更换清洗抓头/ ---------- / ----------、 / -----------、 / ----------、( 支撑座 -固定-( 抓手 -执行部件-( 抓头 导向定位- 定向槽 ) 、 . ... .. ... . .. ... .. ... .. .. ... ..--， -... ..... ..........-， 、-....... ........--， -，.................-，保护及传递力I，，- - - - 、 (防护执行块 )--- 。 . - -.. -- -- 。 。 -. - ./ 图1 抓头功能结构图Fig.1 Function structure diagram of the grab抓头是料筒内部抓去组件的-个相当重要的部件，当其抓取组件时首先是锁?构执行解锁，即由抓头更换篮上的气缸推动楔形块克服弹簧力来打开卡环，其次链条连接机构与抓头上的孔结合，最后气缸拉动楔形块使得卡环和弹簧将该链条柱紧紧锁住，实现抓取组件的下-步动作；抓取组件完成后执行与此相反的过程，抓取-定数量的组件后要进行抓头更换；执行抓头更换篮命令后使抓头与料筒的承载吊块脱开，吊至相应的位置处。

根据抓头结构功能图可以得到该机构的可靠性框图，如图2所示。

图2 抓头可靠性框图Fig.2 Refiability Block Diagram of the ab南华大学学报(自然科学版) 2013年3月2 故障树分析(FTA)2.1 建立抓头故障树为了正确建立抓头部件故障树应该选择好顶事件，确定建树流，处理好产品系统及部件的边界条件.为此，在得出的抓头可靠性框图的基础上以抓头抓料失效”为故障树的顶事件，来建立抓头的故障树，并作出如下假设：1)与抓头连接的其它部件不考虑失效对其故障造成的影响；2)不考虑人为环境因素，以免故障树过于庞大和繁琐；3)因为部件和组件多为串联系统，故以主要零件代表底事件不再向下发展；根据以上假设，依据可靠性框图2对抓头逐- 分解，画出如图3所示的故障树图。

图3 抓头故障树Fig.3 The fault tree ofgrab图 3中rID为顶事件，M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12为中间事件，X1、X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8、X9 X10 X11、X12、。

2.2 抓头故障树定性分析由于抓头部件的运行时间不长，且到目前为止，抓头机械零部件大多数有-定的故障概率，考虑到在这种强辐射的特殊环境下，故障树的分析只针对于故障发生的前、中阶段情况。

采用故障树的定向分析研究所有可能导致抓头顶事件发生的故障模式，也就是最小割集.根据最小割集的阶数(最小割集的所含底事件个数)对最小割集进行比较.通匙数越低，它的重要性越高 。

采用故障树的下行法(Fussel-vesely法)，即从顶事件逐渐向下，根据逻辑关系分行表示，若是或门，则将输入事件排列不同行，若是与门，则将输人事件排列同-行.以此分解，直到找到不能再分的基本事件为止.抓头顶事件分析结果如表 1所示。

第27卷第 1期 周其旺等：基于故障树分析法的抓头可靠性仿真分析 49表 1 抓头抓料失效最小割集Table 1 M inimal cut sets of the e failure of the grabing material由最卸集定义可知，若-个最卸集中的所有基本事件都不发生，则顶上事件就不发生，掌握了最卸集，可知要使事故不发生，须控制住哪几个基本事件能使顶上事件不发生，并可知道有几种控制系统事故的方案 .依据定义可以得出如表 2所示的最卸集。

表 2 抓头抓料失效最卸集Table 2 Minimal path sets of the the failure of the grabing material最卸集 最卸集1 x1 x7 x16)3)(9 Xl3 X14)5 x15 x11 x12 x6 18 X1 X7 x16 X4 x8 x13 X14)5 Xl5 Xll x12 x62 Xl X7 Xl6 X3 Xl0 X13 Xl4 X5 X15 X11 X12 X6 19 xl x7 x17)(3 x9 xl3 X14)5 xl5 xll X12 x63 )(2 x7 X16)(3 x9 X13 x14 )5 x15 Xl1 X12 x6 20 x1 X7 X17)(3 X10 X13 X14 X5 X15 x1l X12 x64 X1 X7 xl6 x4)(9 x13 xl4 )(5 xl5 X11 X12 X6 21 )(2 x7 x17)3)(9 x13 x14)(5 x15 x11 x12 x65 )2 x7 x16)(3 xl0 x13 X14)(5 x15 x1l x12 x6 22 Xl x8 XI7 X3 x9 xl3 X14)5 xl5 X11 xl2 x66 X1 X7 X16 X4 X10 X13 X14 X5 Xl5 X11 X12 X6 23 xl x7 Xl7 X4 x9 x13 xl4)(5 x15 x11 xl2 x67 )(2 x8 xl6)3)(9 x13 X14)5 x15 Xl1 x12 x6 24 X2 X7 X17 X3 X10 Xl3 Xl4 X5 Xl5 Xll X12 X68 )(2 X7 x16 x4 x9 x13 x14)5 x15 Xl1 x12 x6 25 X1 X8 X17 X3 Xl0 X13 Xl4 X5 X15 X11 X12 X610 X1 X8 X16 X4 X9 X13 X14 X5 X15 X11 X12 X6 26 Xl X7 Xl7 X4 X1O X13 X14 X5 X15 X11 X12 X611 X2 X8 Xl6 X3 X10 Xl3 X14 X5 X15 X11 X12 x6 27 X2 X8 X17)3 X9 x13 X14)(5 X15 Xl1 xl2 x612 )(2 x7 x16 x4 x10 Xl3 X14 X5 xl5 X11 X12 x6 28 x7 x17 x4)(9 xl3 x14)(5 x15 x11 x12 x613 X1 X8 X16)4 XlO X13 X14 X5 X15 X11 X12 x6 29 )(2 x8 x17)(3 Xl0 xl3 X14)(5 Xl5 X1l x12 X614 )(2 X8 x16 x4 x9 x13 X14)(5 x15 x11 x12 x6 30 X2 x7 X17 X4 x10 x13 x14)(5 x15 x11 xl2 x615 x2 X8 X16 X4 xl0 X13 X14)5 X15 Xl1 x12 x6 3l X1 X8 X17 X4 X13 Xl4 X5 Xl5 X1l X12 X616 )(2 x7 x16)3 X8 x13 X14)(5 X15 x11 X12 X6 32 X1 X7 X17 X3 X8 X13 Xl4 X5 Xl5 Xl1 X12 X617 X1 X8 X16 X3 X13 X14 X5 Xl5 X11 Xl2 x6 33 )(2 X8 X17 X4 Xl3 x14)(5 x15 Xl1 x12 x6根据上述表1和表2的数据计算结果，分析结果如下的改进方案：1)抓头抓料失效故障树中有6个-阶最小割集，占所有最小割集体的60%；最卸集总怪析出了33种控制事故发生的方案；2)为了提高抓头的可靠性，应旧能的减少- 阶最小割集基本事件的发生；3)事故发生率尽量控制在最低点，如改进锁紧机构设计、改善立柱和防护执行快表面改性；4)料筒对抓头的定位改为主臂滑槽、传力机构和锁紧机构三位-体的结构。

2.3 抓头故障树结构重要结构重要程度是基本事件影响顶事件发生的重要程度.分析其方法主要有两种，-种是求出结构重要度系数，另外-种是根据最小割集和最小径集可排出结构重要度的顺序.据表1和表2分第 27卷第1期 周其旺等：基于故障树分析法的抓头可靠性仿真分析 511.0000.9000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1000.000～1：- 10.000 2000.000 4000.000 6000.000 8000.000 10000.000图7 指数分布拟合图n 7 Exponential distribution fitting figue失效数据的拟合是对故障树寿命分布参数做- 个估计计算，并对寿命分布进行非参数的估计以获得总体的分布规律.在-定的置信度下，选取置信区间的置信水平为 0.1，0.05，0.01.因此失效密度的置信区间计算报告如表3所示。

表3 可靠度直方图计算报告Table 3 Reliability histogram calculation report其表中计算还得到系统 MTBF1288.254，水平0.01，0.05，0.1的置信区间为：(1287.954，1288.554)，(1288.025，1288.482)，(1288.062，1288.445).服从指数分布的可靠度R(t)e- 1/e0.368，其中入1/t，得到的可靠度基本上和拟合图的得到的可靠度相近，因此可以认为寿命分 布服 从 指 数分 布；平 均 无 故 障 时 间为1 288.254 h。

4 结 论文中利用故障树分析方法对乏燃料后处理送料系统中的抓头潜在故障进行分析，确定了各个零部件的故障模式，揭示了影响抓头的可靠性主要因素，找到系统的薄弱环节，确定了抓头系统寿命分布，并提出改进抓头具体措施：卸掉定位销改为52 南华大学学报(自然科学版) 2013年3月主臂滑槽结构定位，将护板改为方形焊接结构并对其表面改性.对改进后的结构进行试验验证故障基本上消除，改进后的抓头结构对操作的的安全性提高和故障诊断具有重要意义.为乏燃料后处理建立高效、稳定、可靠的后处理厂提供可行的理论依据。