大型特种车辆液压系统的故障树分析研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i e s＆ S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 01 0 大型特种车辆液压系统的故障树分析研究 周 爱萍 王显会 南京理工大学机械工程学院 ， 江苏南京 2 1 0 0 9 3 摘要 通过分析某企业生产的特种运 输车的液压系统结构 问的逻辑关 系 ，用故 障树分析法对 该车液压 系统 的故障原因i 批 行预测分 析。以升降系统 的“ 上升无力或无法起升” 为例 ， 建立相应的故障树 ， 找出所有故 障原 因， 并对其原因做出相应的定性和定量分析计算 ， 最后对计算结果进行分析 比较 。 通过 分析 ， 可以有效的找出液压系统的故障 ， 提 高该车液压系统维修工作的效率 ， 同时给 系统设计提出 改进 的措施 ， 从而提高产品整体 的可靠性和安全性 。 关键词 故障树分 析法 ； 液压系统 定性分析 ； 定量 分析 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 l 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 1 1 - 0 0 5 5 0 4 Th e F a u l t Tr e e Ana l y s i s R e s e a r c h f o r t h e Hy d r a u h c S y s t e m o f t h e He a v y Tr a n s p o r t Ve h i c l e ZHOU Ai - pi n g WANG Xi a nh ui S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g u n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f the l o g i c a l r e l a t i o n s h i p o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r t h e h e a v y t r a n s p o v e h i c l e ， t h i s p a p e r p r e d i c t s a n d a n a l y z e s t h e f a u l t s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m b y u s i n g t h e f a u l t t r e e a n a l y s i s ．I t t a k e s t h e f a u l t ‘‘ u n a b l e t o r i s e o r r i s e we a k l y ” f o r e x a mp l e ， b u i l d s t h e c o r r e s p o n d i n g f a u l t t r e e s a n d ma k e s r e l e v an t a n a l y s i s a t l a s t ， wh i c h c a n fi n d t h e f a u l t s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m c o n v e n i e n t l y ， i mp r o v e t h e a p p l i c a t i o n e f f i c i e n c y b rin g b e R e r me a s u r e for t h e d e s i g n a n d t h e n i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y f o r t h e wh o l e p r o d u c t ． Ke y W o r d s f a u l t t r e e a n a l y s i s ； h y d r a u l i c s y s t e m ； q u a l i t ati v e a n a l y s i s ； q u a n t i t a t i v e a n aly s i s O 概述 某 企 业 近 期 生 产 了一 辆 载 重 1 4 0吨 的 装 载 运 输 车， 是大型货物 的主要陆地运输 工具 ， 其结构复杂 ， 是 集机电液一体化 的高技术产品。此特种运输车是企业 首例 自主制造 的重型装载车 ，改变了以往一直靠进 口 的局面。其 中， 液压系统是该特种车的重要部分 ， 主要 包括四个部分 升降系统 ， 转 向系统 ， 驱动系统 和冷却 系统等 。 液压系统的故障具有隐蔽性强 、 偶然性大 ， 易受随 机性 因素影 响等 特点 [ 1 l 。同 时该 车液 压 系 统 承载 了驱 动 ， 转向 、 升降等各种功能 ， 其系统结构非常复杂 ， 使得 该 车液 压 系统 的维护 和 检 修工 作 量很 大 。 由于企 业 维 修人员对液压系统的认知不是很深 ．检修的方法和手 段也都不是很充分。所以 ， 企业以往的维修过程往往是 头痛医头 、 脚痛医脚 ， 用新件代替 旧件 ， 极有 可能出现 小故 障换大总成的状况 。因此 ，检修 的过程就复杂化 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 7 作者简 介 周 爱 F 1 9 8 5 一 ， 女 ， 江苏省扬 州市 人， 南 京理工大 学在读硕士 研究生。 了， 不能 及时地发现和预 防故障的产生 ， 不能迅速排除 出现 的故 障 。 因此 ，有 必要 对 该 车液 压 系统 进 行有 效 的可靠 性 分析 ，将 系统正常工作模式及可能的故障模式及产生 原 因体现 出来 ， 有效地指导以后车辆的生产 、 把握车辆 液压系统装配和检测 的关键点和关键技术 ，有效地排 除故障和隐患。 故 障树 分 析 法 F T A F a u l t T r e e A n a l y s i s 是 一 种 评价复杂系统可靠性与安全性的重要方法 ，它是可靠 性 工 程 的重 要 分 支 ，是 分析 系 统故 障因果 关 系 的有 效 技 术 。 通 过 F r A找 出所 有 的故 障形 势及其 网络 关 系 ． 对 分析 系统 的可 靠性 、开 展有 效 的维 修 工作 有 着 积极 意 义 。 、 l 故 障树建立 1 ． 1运 输车 液压 系统 应用 V F A对系统进行可靠性分析的前提是熟悉分 析 对象 ， 下 面就重 点介 绍一 下 该特 种车 的液压 系统 。 从 公 司统 计 的 故 障情 况来 看 ，升 降系 统 出故 障 的 情 况相 对较 多 ， 总 是 出现 “ 升 降不 平 ” 等 故 障 ， 其 主 要 原 5 5 液 压 气 动 与 密 t 9／ 2 01 0年 第 1 1期 因出在系统中的某一升降单点上 ， 例如 无法起升或上 升无力 ， 无法正常下降 、 中位沉降等故障现象。所以本 文以升降系统中常见的 、 具体代表性的“ 无法起升或上 升无力 ” 为 例 。 介绍 故 障树分 析法 对该 车 液压 系统 故障 的应用 。 在 整个 系统 的液 压原 理 图 中 ，升 降部分 主 要 由变 量泵、 升降比例阀、 液控单 向阀和液压缸构成 。为了使 液压原理 图清晰易懂 ，在分析简图中只显示其中的四 分之一 ， 即某一单点液压原理图。在该车升降工作中， 可以单独对某点实现 自由升降。所以如此简化对实际 故障分析没有任何影响。 升降系统和转向系统共用一个变量泵 ，升降比例 阀中一个梭阀反馈信号 ，和转向系统 中梭阀反馈信号 同时控制变量泵的变量机构 。由于系统中升降系统和 转向系统不 同时工作 ，所 以只将升降系统巾比例阀的 梭阀反馈信号直接反馈到变量泵的变量机构。所以， 简 化液 压原理 图如 图 1 所示 。 I 一 变 量 泵2 一 限压 安 全 周3 一 单 向 阀4 、 6 一 溢 流 阀 5 一 顺序阀7 一 升降比例 阀8 一 液控单 向阀9 一 液压缸 图 1 升降系统液压 系统原理图 1 ． 2系统框 图 为了能够清楚地描述升降系统各功能单元 的工作 情况 、 相互影响及相互依赖关系， 以便逐层分析建立故 障树， 需要建立系统框图。系统框图包括系统功能框 图 和可靠性框 图。 1 功 能框 图。升降 系统功 能框 图表示 升降系统 中 各 功能单 元 的工作 情 况和 相互 关 系 ，以及 升降 系统 中 各个元器件的功能逻辑顺序 ． 如图 2所示。图中液压元 件 的控制部分用虚线连接。 一 苎 卜 一 一 橱一 j 图 2系统功能结构图 2 可靠性框图。可靠性框图不仅可以明确反映出 系统功能的分级顺序 ，也可用以研究升降系统可靠性 与各分系统可靠性之间的关系，其可靠性框图如图 3 所示 。从图中可以看出，升降系统上升过程为串联系 统 。 降比例阀 H 液控单向阀 H液压缸 图 3 系统 可靠性框 图 1 ． 3建造 故障树 故障树分析法最重要 的部分就是建造故障树 ， 故 障树建造的完善程度将直接影响其最后定性分析及定 量分 析的准 确性 。 根据前面对液压系统的熟悉掌握 ，及所建立的系 统功能框图和可靠性框图， 建立系统的故障树。以“ 不 能起升或上升无力” 作为故障树 的顶事件， 最终建立故 障树如图 4所示 。 图 4升 降 系统 故 障 树 分析 过程 中做如 下假设 1 各 元器件 的故 障独立 。 2 不考虑人为故障和外界干扰。 3 系统管道 、 接头处没有泄漏 ， 元件没有外泄漏。 4 系统中梭阀无故障， 不考虑变量泵变量机构故障。 图中符号及代码说明如下 T 上 升无 力或 无 法起 升 ； M。 液压 缸故 障 ； M2 进 入 液压缸油压力不足 ； M， 液控单向阀故障 ； M 升降比例 阀故障； M 液压泵输出流量不足 ； M 6 比例阀无法换向 或 无法 调节 流 量 ； M， 比例 阀 内泄漏 严 重 ； M。 比例 阀先 件故障概率服从指数分布。按 5 0 o h计算 ， 最后得到 各底事件发生概率及可靠度见表 1 。 表 1 底事件 的故障概 率及可 靠度 导调节机构故障； M 液压泵吸油不充分 ； M 柱塞泵泄 漏严重 ； x 液压缸柱塞杆拉伤变形 ； X 柱塞与缸体 配 合间隙不合理 ； X 柱塞与导 向套密封不严 ； 4 液控单 向 阀 主 阀芯 卡死 在 关 闭位 置 ； x 液 控 单 向阀 弹 簧 损 坏 ； X 液控单 向阀主阀芯磨损 ； X 发动机失效 ； X 安 全限压阀故障； X 比例阀中位弹簧折断或变形 ； X， 。 电 磁控制部分故障； x 比例阀滑阀磨损或卡堵 ； X。 减压 阀故障 ； X 溢流阀故障 ； X 单 向阀装反或泄漏严重 ； x 比例 阀 弹簧 疲 劳 损坏 ； x。 比例 阀滑 阀 与 阀芯 间 隙 过大 ； X 油温高 ， 粘性低 ； Xl 8 液压油污染严重 ； Xf 9 油 箱油液 不 足 ； x ∞ 泵进 油 口密 封不 严 ； X 泵有 吸 空现 象； X 液压泵缸体孔与柱塞磨损严重 ； X 液压泵配油 盘与缸体端面磨损严重 ； x 液压泵 中心弹簧疲劳。 2 故 障树分 析 2 ． 1 故 障树 定性 分析 故 障树的定性分析是为了找 出导致顶事件发生 的 所有可能 的故障模式 ， 即找出故障树的全部最小割集。 找到顶事件发生的原因及原因组合 ，有助于判别系统 潜在 的故障 ， 改进设计 ， 也有利于指导 故障诊 断 ， 改进 运行 和维修 方案 i5 ,6 , 7 1 。 计 算 最 小割 集 的方 法 一 般有 上 行 法 和下 行 法 。本 文采 用下 行 法进 行 分 析 ， 根据 下 行 法 的基 本 思路 可 知 ， 对于一个只有“ 或门” 没有“ 与门” 的故障树 ， 其最小割 集 即为故 障树的所有底事件。根据上文所建立的故障 树可知 ． 系统 中没有 “ 与门” ， 只有“ 或门” 。所 以该故 障 树 中最小割集就是所有底事件 ， 即{ X - } ， { X } ， { X 3 } ， { X 4 } ， { x 5 ， { x 6 ， { x ， { x 8 ， { x ， { x o ， { X l z ， { x挖 ， { X2 3 ， { X1 4 ， { X ． s l ， X } ， { X- ， } ， { X。 s } ， { X ， { X 2 0 } ， { X } ， { X 2 2 } ，{ X2 3 } ， { X z 4 } 。 最小割集可以定性地给 出底事件 的重要度 。由本 文中故障树最小割集可知 ，任一个底事件的发生均会 导致升降系统 中“ 不 能起升或上升无力 ” 的故障 ， 所 以 每一底 事 件应 引起 足够 的重 视 。 2 ． 2故障树 定 量分 析 故障树定量分析 的主要任务是求顶事件发生的概 率以及各组成单元的重要度分析 。 1 确 定 顶事件 发生 的概率 。 计算顶事件的发生概率就是根据企业多年统计的 元器件的失效率去评定顶事件的发生概率 ，以便于有 的放矢 ， 改 善顶 事 件 发生 概 率高 的故 障树 ， 减少 整 个 系 统 的故 障 发生 概率 ， 提 高整 个 系统 的可靠 性 。 在本 文 中 ，从 公 司往 年 统 计 的相 关 液压 元 件 的 可 靠性数据及其他相关文献【 1 _ 6 I 中可知 ， 液压系统 中各底事 假设各底事件的发生概率分别为 q ， t 、 q 2 t 、 q 3 t ⋯9 t ， 则顶事件的发生概率 q t 为 - Q z l 一 1 上 [ 1 一 q i ￡ ] 1 i l 所 以， 根据公式 1 计算得知本文中所建立 的故障 树顶事件 的发生概率是 0 ． 2 0 5 8 1 2 。 本文只分析 了一种故障现象的故障树 ，计算出顶 事件的发生概率没有 比较性 ， 但在整个系统 中， 可 以对 多种现象的故 障树 的顶事件的发生概率进行 比较 ， 从 而找出发生概率高 的故障树 ，可以对系统加 以一定的 改造 ， 提高整个系统的可靠性。另外 ， 在使用过程 中， 对 于顶事件发生概率高的故障树 ，应对这种故障现象及 其相关的底事件加以注意。 2 底事件重要度计算 。 单元 的概率重要度 第 i 个单元故障概率的变化引 起 系统 故 障概率 变化 的程 度 。用数 学公 式表 达为 t ， i 1 、 ⋯ 、 2 4 2 o q i t , r ， 式中 t 第 i 个单元的概率重要度 ； 顶事件的故障概率 ； q ； t 第 i 个单元的故障概率。 根 据 公 式 2 得 到 该 运 输 车 “ 不 能 起 升 或 上 升 无 力” 中各底事件概率重要度的计算结果 ， 见表 2 。 概 率 重要 度 的大小 表 示 了各 底 事件 对顶 事 件 的影 响程度 。如果事件的概率重要度大则该事件就是系统 中的相对薄弱 的环节。由表中可知 ， x， 。 “ 液压油污染严 5 7 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 0年 第1 1期 重” 和 x 。 。 “ 电磁控制部分故障 ” 等对顶事件 的影 响较 大。为了提高系统的可靠性， 应提高概率重要度大的底 事件的可靠性 。在本系统中， 重点需要考虑的就是液压 油的清洁度 ， 应该经常清洗或更换液压油 ， 同时 ， 对电 磁控制部分应给予足够的重视 。 单元的关键重要度 第 i 个单元故障概率的变化所 引起系统故障概率的变化率。用数学公式表达为 ￡ ． ￡ 3 Vs ， 根据公式 3 得到该运输 车“ 不能起升或上升无 力” 中各底事件概率重要度的计算结果 ， 见表 2 。 表 2底事件的重要度计算结果 关键重要度含有底事件的概率重要度和其本身 的 不可靠度两个方面。它不仅体现了该事件在故障树 中 的地位， 而且还体现了事件本身的不可靠度 ，所以更 客观地体现事件或部件对系统故障的影响。 为了改善系统的可靠度 ，有必要首先降低关键重 要度较大的底事件或部件的不可靠度 。在实际运用中， 如果顶事件发生，也常根据关键重要度大小顺序来诊 断故障 ， 指导系统运行和维修。 本文中底事件 x 。 “ 液压油污染严重” 、 x 。 。 “ 电磁控 制部分故障” 及 X “ 液压泵中心弹簧疲劳” 等的关键重 要度相对较大 ， 是系统的相对薄弱的环节 ， 要提高该系 统的可靠性就要从这几个薄弱环节人手 ，提高液压油 的清洁度 ，提高电磁控制部分的可靠度以及提高中心 弹簧 的质 量 。 3结 论 通过上述计算分析 ， 本文做如下总结 1 本 文建 立 的故 障树 及 其 相关 分 析体 现 的 问 题 与运输车的现场故障情况基本一致。从本文中所建立 的故障树可知，液压油方面的故障是导致液压系统发 5 8 生故障的重要原因，对系统的可靠性有着重要影响， 很 多零件磨损 与泄漏都与 “ 液压油污染严 重” 有 关 。 从相关 资料罔 中了解到油液污染使液压系统工作不稳定和出现 的故障 占总液压故障的 6 0 ％～ 7 0 ％。可以充分说明本文 所建立 的故障树是符合实际的， 其最后的分析结果是正 确合理的， 对此运输车的可靠性有着巨大的应用价值。 2 通过实际应用故障树分析法， 得知此方法是一 种逻辑性强 、 直观形象的可靠性分析方法 ， 通过故障树 分 析 过程 可 以透 彻地 了解 系统 ，掌 握 系统故 障 之间 的 复杂关系 ， 也易于发现系统 中的各种潜在故障， 避免了 维修人员盲 目拆换液压元件， 节约了维修时间， 提高了 工作效率。因此， 对于该运输车的其他各个液压系统均 可 以采用 同样 的方法进 行可靠 性分 析 。 3 由于系统是一个串联系统 ， 系统可靠性随着液 压元件的增加而下降。 所以在满足功能要求的情况下 ， 尽量减少串联环节和元件数量。同时 ， 在实际工作中发 现要提高这个系统 的可靠性 ， 不光从液压方面着手， 电 控部分发生故障的概率也 比较大，对整个系统可靠性 有着 重要 的影 响 。 4 文 中系统连 续使 用时 间设 定为 5 0 0 h ， 就进 行一 次维护保养 ，在计算过程 中发现系统的维护检修时间 对系统可靠性影响较大， 因此在维修过程中， 应做到及 时检修。同时， 每个元件的可靠性直接影响整个系统的 可靠性 ， 在元器件选择过程 中， 应努力选择可靠度高 、 质量 好 的液压元 器件 。 综上所述．运用故障树分析法对该运输车液压系统 的故障进行可靠性分析是实际工作的必然需求 ，是提高 该车的液压系统的可靠性及维修工作效率的有效方法。 参考 文 献 [ 1 】 赵亮培． 基于故障树分析的液压系统故障诊断研究[ J ] ． 液压气 动 与密封 ． 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