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2 0 1 3年 7月 第 4 1 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 3 ． 0 5 1 故障树分析法在装载机液压系统故障诊断中的应用 王 云龙 ，侯远龙 南京理工大学机械电子系，江苏南京 2 1 0 0 9 4 摘要将故障树分析法运用于装载机液压系统的故障诊断中，针对液压系统的工作原理和故障机制建立故障树，并进 行故障分析与定位。实际应用表明该方法简单、实用、可靠 ， 是一种 比较有效的液压系统故障诊断方法。 关键词故障树分析法 ；装载机；液压系统；故障诊断 中图分类号 T H1 6 5． 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 31 8 33 App l i c a t i o n o f Fa ul t Tr e e i n Lo a de r Hy d r a uli c Sy s t e m Fa ult Di a g no s i s W A NG Yu n l o n g ，HO U Yu a n l o n g Ma c h i n e r y a n d E l e c t r o n i c s D e p a r t me n t ，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 J i a n g s u 2 1 0 0 9 4 ，C h i n a Ab s t r a c t F a u l t t r e e a n a l y s i s me t h o d wa s u s e d t o l o a d e r h y d r a u l i c s y s t e m f a u l t d i a g n o s i s ． Ac c o r d i n g t o w o r k i n g p r i n c i p l e a n d f a i l u r e me c h a n i s m o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m，t h e f a u l t t r e e w a s b u i l t ，f a i l u r e a n aly s i s a n d p o s i t i o n i n g w e r e ma d e ． P r a c t i c e p r o v e s t h a t t h e f a u l t t r e e a n aly s i s me tho d i s e asy ，p r a c t i c al a n d r e a l i a b l e ．T h e wa y i s u s e f ul w h e n i t i s u s e d t o d i a gno s e h y dra u l i c s y s t e m f a ult ． Ke y wo r d s F a ult t r e e s a n aly s i s me t h o d； L o a d e r ； Hy d r a u l i c s y s t e m ；F a u l t d i a g n o s i s 装载机主要用于对土壤、砂石、煤炭等进行铲挖 作业 ，换装其他不同的辅助工作装置还可进行推土、 起重作业。装载机被广泛应用于建筑、道路、水利水 电、矿山和国防等建设工程施工中，它具有作业速度 快、效率高、机动性好、操作轻便等优点 ，但是其越 来越复杂的液压系统也给技术人员带来不便。作者在 施工现场经 常看 到 当遇到一时难 以找到原 因的液压 系统故障时，维修人员仅凭工作经验就进行故障查找 定位，缺乏周密的逻辑分析 ，导致维修成本大大提 高。这样不但难以排除故障，反而会使故障更加复杂 化。因为液压系统是以液压油为媒介联系而成的一个 多元件复杂整体 ，不是相互独立的元件，相互之间的 动作是有联系、有内在规律的，并且其故障现象和故 障原因也并非是一一对应关系，因此传统的机械故障 诊断维修知识和技能已远远不能适应液压系统维修的 需要，这给液压系统故障诊断带来 了相当大的困难。 而利用故障树分析的方法来进行故障诊断则是工程机 械液压系统故障诊断中的一种有效方法 。 1 故障树分析法 1 ． 1概 述 故障树分析法 F Y A 是一种安全可靠的分析技 术，它建立在系统的故障经验库基础上，采用逆向推 理 ，将系统级的故障现象 顶事件与最基本 的故 障 底事件之间通过适当的逻辑f - j 与门、或门、 非门、异或门等连成树状图，这种能体现故障传 播逻辑关系的倒立的树状 图就称作故障树 。目前 ， 故障树分析方法已经运用到航空、航天、核能核电等 领域，被公认为简单、有效和最有发展前途的分析方 法 引。 1 ． 2故障树建立步骤 故障树建立就是按照严格的演绎逻辑，从顶事件 开始，向下逐级追溯事件的直接原因，直至找出全部 底事件为止。建树方法分为人工建树和计算机辅助建 树，以下是故障树建立的一般步骤 1 熟悉系统。建树前 ，技术人员首先应对 系 统的功能 、结构、原理 、故障状态、故障因素及其影 响等作深刻细致的了解 ，收集有关系统的技术资料。 2 确定顶事件。通常顶事件是指不希望系统 发生的故障事件 ，或指定进行逻辑分析的故障事件。 为了便于进行分析，顶事件必须定义明确 ，能够定量 评 定和进 一步分解出它发生的原因。 3 构造发展故障树。由顶事件出发 ，寻找各 级事件的全部可能的直接原因，并用故障树的符号表 示各类事件及其逻辑关系，直至分析到各类底事件 为止。 4 简化故障树。故障树建成后，还必须从故 收稿 日期 2 0 1 2 0 53 1 作者简介王云龙 1 9 8 O 一 ，男 ，硕士研究生 ，从事智能检测与控制的研究。Em a i l 1 0 2 8 9 5 4 5 5 6 q q ． c o m。 1 8 4 机床与液压 第 4 1 卷 障树的最下一级开始 ，逐级写出上级事件与下级事件 的逻辑关系式，直到顶事件为止 ，并结合逻辑运算法 做进一步分析运算，删除多余的事件，使故障树更加 方便分析 。 1 ． 3 故障定性分析 故障树分析的关键就是求解故障树的最小割集， 从而进行故障的定性分析。设故障树 F T 中有 n 个底事件 。 ， ，⋯， ，C∈ ，⋯， }为某些 底事件的集合，当其中全部底事件都发生时，顶事件 必然发生 ，则称 c为故障树 的一个割集。割集就是 故障底事件的集合，代表了系统发生故障的可能性。 若 c是一个割集，且任意去掉其 中一个底事件后， 余下的集合就不再是故障树的割集时，则称 C为最 小割集 。 最小割集是底事件不能再减少的割集 ，是包含了 最小数量而又缺一不可的事件的集合。若 丌 有 k个 最小 割集 ，只要 有一 个最 小 割集 K ， 1 ，2 ，⋯， k 中的全部底事件 均发生 ，故 障必定 发生 ，最小 割集 K 可表示为 f -l m 1 X 2 工程机械液压 系统分析及故障树建立 2 ． 1 液 压 系统原 理 图及 功 能 工程机械液压传动系统一般都包括液压泵、液压 缸和液压马达、控制调节装置和辅助装置等四大部 分 。下 面以 Z L 5 0 C ． I 1 型装 载 机液压 系 统为 例进 行分 析，其液压系统原理图如图1 所示。 l 一转斗油缸 2 -- 动臂 油缸 3 一 分配 阀 4 一转向油缸 5 一 流量 放大 阀 6 一转向器 i 7 一 优先 阀 ； 8 一转向泵 1 9 一 卸荷 阀 i j l o _ _ 工作 泵 l 1 一滤油器 l 2 一油箱 图 1 Z L 5 0 C I I 型装载机工作 、转 向液压系统原理图 装载机液压 系统包括工作液压系统和转 向液压系 翻转 。 统。工作液压系统主要由油箱、滤油器、工作泵、分 2 机械直线行驶时 配阀、动臂油缸 、转斗油缸等组成。转向液压系统主 工作泵 1 0排出的油沿分配阀 3的中立位置回油 要由转 向泵、转 向油缸 、流量放大阀 带优先 阀、 道流回油箱 ，转向泵排出的油一部分进人转向器 6 ， 溢流阀 、转向器和卸荷阀等组成。两个系统通过优 由于方向盘没有转动 ，转向器 6没有流量输出，转向 先阀和卸荷阀连通，根据机械工作和行驶状态 ，将两 泵的油全部经优先阀和卸荷阀中的单向阀，与工作泵 泵合流作为系统卸荷。处于各种不同工况时的液压系 排出的油合流，经分配阀流回油箱。 统原理如下所示 3 机械转向时 1 机械作业时 转向器左移或右移，转向泵排出的油一部分通过 当两换向阀的阀杆均不操纵时，工作泵 1 0排出 转向器进入流量放大阀的先导控制油 口，使放大阀的 的油沿分配阀3的中立位置回油道流回油箱。当驾驶 阀芯右移或左移，打开转向油缸的进回油通道。转向 员在驾驶室里操纵转斗操纵杆，换向阀右移或左移， 泵排出的油除了供给转向器外，其余的全部经优先阀 工作泵排出的油经分配阀内转斗油缸换向阀进入转斗 或流量放大阀，进入转向油缸一腔，转向油缸另一腔 油缸 的有杆腔 或无杆腔，使转斗实现 向前 或 向后 的回油经放大阀回油箱。 第 l 3期 王云龙 等故障树分析法在装载机液压系统故障诊断中的应用 1 8 5 2 ． 2 故 障现 象 以Z L 5 0 C I I 型装载机工作装置 液压 系统为例， 工作装置液压系统的故障现象主要有液压缸动作迟 缓或举升无力 ；动臂 自动下沉 ；工作时尖叫或振动； 油温过高 。 2 ． 3 构建故障树 为了正确地建立系统故障树 ，技术人员首先必须 熟悉液压系统工作原理，要求对系统设计的工艺要 求、技术规范、工作流程等文件和资料有透彻 的了 解，并具有比较丰富的设计和运行经验 、较高的知识 水平和严密清晰的逻辑思维能力。作者由工作液压系 统原理图和故障现象可建立故障树如图2所示。故障 树所对应的事件列表见表 1 。 说 明 一 项 事 件 甲 中 间 事 件 底 件 6戚 门 △ 表 1 故障树对应的事件列表 图2 装载机工作液压系统故障树 编码 事件 编码 事件 工作液压系统故障 置 油泵磨损严重 A 液压缸动作缓慢或举升无力 墨 溢流阀压力调整低、弹簧变软 A 动臂自动下沉 瓦 溢流阀磨损泄漏或卡滞 ， 工作时尖叫 油缸活塞油封损坏，油缸拉伤 A 油温过高 分配阀操作软轴调整不合适或损坏 曰 动臂油缸和转斗油缸动作都慢 蜀 滑阀磨损，泄漏严重，中立位置不正确 只有动臂油缸动作慢 墨。 过载阀泄油 液压油箱油量少 。 低压系统进入空气 液压油箱通气孔堵塞 环境温度高，连续作业时间长 墨 滤网堵塞或进油管太软变形 置 系统内泄漏量大 为找出装载机液压系统的薄弱环节，提高其工作 的可靠性，作者采用了最小割集的分析方法 ，找出处 于故障状态的装载机液压系统所必须修理的基本故障。 用上行法可求 出图 2所示故障树 的全部最小割 集。运算步骤如下 B 1 X l 恐 十 B2x7 A 2 x 7 墨 1 0 A 3 X l 墨 l 1 A 4 X 1 五2 五3 A1B1B2Xl 十 X8X9 即最小割集 K 为 { 。 } ， { } ， { } ， { } ，{ } ，{ } ， { } ， { } ，{ 蜀 } ， { 。 } ， { X } ，{ } ，{ X ， } 。 以装载机液压缸动作缓慢或举升无力 A 为例 ， 根据故障树的特点和装载机液压系统的工作原理，可 找出中间事件为动臂油缸和转斗油缸都慢 和只有 动臂油缸动作慢 B 。中间事件 再往下发展，可找 出其底事件为液压油箱油量少 置 、液压油箱通气孔 堵塞 、滤网堵塞或进油管太软变形 、油泵磨损 严重 、溢流阀压力调整低 和溢流阀磨损泄漏或 卡滞 瓦 。中间事件 往下可找出其底事件为油缸活 塞油封损坏或油缸拉伤 、分配阀操作软轴调整不 合适或损坏 。 和滑阀磨损、泄漏严重中立位置不正 确 蜀。 3 结论 通过分析 Z L 5 0 C I I 型装 载机液压系统 的特点， 建立了基于专家知识库的故障树。实践证明通过对 故障树分析结果进行故障诊断，可为维修人员快速查 找液压系统故障提供重要参考，大大节省了液压系统 故障诊断时间，提高了工作效率。同时将故障树分析 技术引入到专家故障诊断系统，促进了故障树分析和 专家故障诊断系统的有效结合 ，提高了液压系统故障 诊断的准确率。 参考文献 【 1 】 王世明． 故障树分析法在工程机械发动机故障诊断中的 应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7， 3 5 9 2 5 3 2 5 4 ． 【 2 】 邢晓辰 ， 蔡远文， 任江涛． 基于故障树的在轨服务 目 标航 天器故障检测[ J ] ． 兵工自动化， 2 0 1 1 ， 3 0 6 8 7 9 0 ． 【 3 】 邱晗． 基于故障树和油液检测的柴油机的故障诊断与研 究[ D] ． 大连 大连海事大学， 2 0 1 0 ． 【 4 】 唐亮． 基于故障树分析的故障诊 断专家系统的设计 [ D ] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 5 ． 【 5 】 吴定海， 张培林 ， 傅建成， 等． 基于故障树分析的液压故 障诊断专家系统研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 7 7 7 9 8 0 ． 【 6 】苏欣平， 吴学深， 杨成禹． 基于故障树的叉车液压系统故 障诊断研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 7 1 3 81 4 0 ．
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