王 军,于月琴,陶 伟,马海波

(1.金轮针布(江苏)有限公司 梳理技术研究部，江苏 南通 226009;2.华润建筑有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

齿条垫纸机是金属针布齿条冲、淬、卷生产线上重要的设备之一，其结构的可靠性和功能的完善、持续、稳定性及自动化水平直接影响金属针布齿条质量、操作人员工作效率以及劳动强度。在实际生产中，随着生产线的速度提高，齿条垫纸机易出现垫纸跑偏、碎纸、多垫纸、少垫纸和送纸不精确等问题。其中，垫纸跑偏和碎纸直接影响金属针布齿条的包装质量与使用性能，质量事故造成客户投诉及经济赔偿。因此，对齿条垫纸机的可靠性进行有效分析，并研究解决方法至关重要。

1 故障树分析法优势

故障树分析法即FTA(Fault Tree Analysis)法，是用于大系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它是针对方案与初样设计阶段进行的一种演绎分析，用于系统的故障分析、预测和诊断，寻找系统的薄弱环节，以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。目前，该方法已被认为是对复杂系统进行安全性、可靠性分析的不可或缺的工具。FTA法属于图形演绎法，可在清晰的故障树图形中找出系统的薄弱环节，作为技术人员、管理人员及维修人员的生产、维护与维修指南，不仅用于解决工程技术问题，还能用于经济管理的系统工程中[1-3]。

笔者应用FTA法，以金属针布齿条冲、淬、卷生产线中的齿条垫纸机为分析对象，首先建立“齿条垫纸机运行不稳定”故障树，然后找寻故障事件及各故障事件之间的联系，最后提供给齿条垫纸机研发部门和生产部门，为该设备研发、改进提供有效信息和支撑。

2 齿条垫纸机故障树建模

故障树模型建立是FTA法的基础，其完善程度直接影响分析的准确性，一般采用演绎法。首先将模型中不希望发生的故障作为顶端事件，然后找出导致这一顶端事件发生的各种直接可能因素或因素组合，再逐级向下推演至引起系统发生故障的全部因素，即分析到不需要继续分析原因的底事件为止，最后把各级事件用相应的符号和适合它们之间逻辑关系的逻辑门与顶端事件相连接，就形成以顶事件为根、中间事件为节、底事件为叶的具有若干级的倒置故障树[4-5]。

齿条垫纸机结构如图1所示。在卷绕金属针布齿条的过程中，切纸机构的切刀在气缸作用下切纸，形成临界断裂切痕；喂纸机构在电机的带动下旋转，通过滚轮间的摩擦力进行喂纸；当金属针布齿条卷绕到料盘一层的边缘时，送纸装置中的气缸向下动作，将垫纸被动带入料盘进行垫纸；在导纸装置的作用下，纸张以一定的长度(料盘中料的周长)进入料盘，并沿着切纸机构切过的痕迹断开，此时，垫纸机完成一个工作循环。

齿条垫纸机控制信号传递原理如图2所示。在喂纸机构、主轴部位以及齿条长度测定处分别连有光电旋转编码器，切纸时间与喂纸长度根据编码器的信号确定；送纸长度由切纸机构形成的切痕决定。

运用FTA法进行分析，形成齿条垫纸机运行不稳定——纸张跑偏或碎纸为顶事件的故障树，如图3所示。

其中，T为顶事件；Ei(i=1，…，9)为中间事件，Xi(i=1，…，15)为底事件。

设φ(X)为故障树结构函数，表达式如下：

当i=15时，Xi取值为0或1， “0”表示底事件i未发生，“1”表示底事件i发生。按照布尔运算法则，只要其中有一个Xi=1，则φ(X)=1，即只要设备中一个零部件发生故障则系统就发生故障；只有全部底事件Xi取0时，φ(X)=0，系统无故障、保持正常运行。

3 齿条垫纸机故障树分析

故障树分析主要分为定性分析和定量分析，这里主要做定性分析，找出导致顶事件故障发生的所有可能故障模式，即找寻设备出现某种最不希望发生事件有多少种可能性以及故障树的全部最小割集，以此识别导致顶事件发生的所有故障模式；借助FTA法建立的逻辑图，判别潜在故障，为垫纸机改进设计、故障诊断、维修以及判定设备可靠性最薄弱的环节和为进一步的定量分析作好准备。

最小割集是常用的故障树定性分析方法，它是会发生顶事件的基本事件的集合，其中均列为必要事件，即只要其中任意割集发生，必会引发顶事件。垫纸机设备故障的布尔表达式为：

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

其中，P(T)为垫纸机运行不稳定的设备故障概率，P(E1)，P(E2) ，…，P(E9)为中间事件故障概率，故障树的最小割集为底部事件集{X1}，{X2}，…，{X15}，这是由于齿条垫纸机故障树中大部分零部件均是以“或”的逻辑连接的。

最小割集能够表示出底事件的重要度：在底事件发生概率比较小，且相互差别不大的情况下，阶数越小的最小割集越重要；在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要；在同一最小割集阶数条件下，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。

分析图3的故障树最小割集可知，任一底事件的发生均会导致齿条垫纸机运行不稳定(纸张跑偏或碎纸)故障；且所有底事件均只出现了1次，且每一割集均为一阶；所以每一底事件都很重要，均应被重点关注。为降低或消除故障率，采取表1所示措施，能够保证设备在实际运行中更安全、更稳定，从而有效降低企业生产成本。

表1 故障消除措施表

4 结论

4.1FTA法能迅速有效地找到齿条垫纸机故障因素，通过建立故障树分析其中的底事件，识别出导致顶事件发生的所有故障模式以及所有底事件间均呈逻辑“或”的关系，即每个底事件均会导致齿条垫纸机故障的发生。

4.2通过故障树分析发现，齿条垫纸机运行不稳定的故障与每个故障事件均有关系，导纸机构导向性差与喂纸实时需求长度不准确下的底事件最多。导纸机构导向性差的原因有各导向轮无导向性、各导向轮组间平行度差和纠偏轮不对中，可以通过优化导纸机构设计及提高制造精度降低故障发生率。喂纸实时需求长度故障可通过提高设备中的编码器和步进电机的精度，优化电控程序来消除。

4.3在激烈的市场竞争中，产品的可靠性分析是必不可少的环节，采用FTA法能够帮助设计者、现场人员以及管理人员了解齿条垫纸机整体、部件与零件的失效模式与失效原因。如：喂纸两辊不平行导致喂纸机构导向性差，喂纸机构导向性差又导致纸张跑偏，纸张跑偏最终导致齿条垫纸机运行不稳定，从而指导技术人员在设计制造中对这些方面重点关注和防范，以提高齿条垫纸机的可靠性和质量。

4.4建立齿条垫纸机故障树模式，对研究其他相关功能设备故障树具有一定的参考价值。