故障树分析法在多用工程车液压系统故障诊断中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 1 1期 故障树分析法在多用工程车液压系统 故障诊断中的应用 蒋文峰 ， 王新晴， 高立龙 中 国人 民解 放军 理工 大学 工 程兵工 程学 院 ， 江苏 南 京2 1 0 0 0 7 摘要 介绍 了故障树分析法 ， 以铲 刀翻转液压系统 为例 ， 建立 了故障树 。依据故 障树得到的最小割集 对系统进行 了故障排查 和诊 断。 此方法简单 、 可靠 、 实用性强 ， 在液压系统故 障诊断 中有很好 的应用价值 。 关键词 故障树分析 ； 液压系统 ； 故障诊断 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 l 1 0 0 5 2 0 3 Th e Ap p l i c a t i o n o f F a u l t Tr e e An a l y s i s i n F a u l t Di a g n o s i s o f Al l p ur po s e M o b i l e M a c h i n e r y S h o p Hy d r a u l i c S y s t e m J I A N G We n - r e n g ， W AN G X i n q i n g ， G A0 L i - l o n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g ， P L A 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 0 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e f a u l t t r e e a n a l y s i s wa s i n t r o d u c e d ． T a k i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t u mn i n g t h e b u c k e t a s a n e x a mp l e ， t h e f a u l t t r e e wa s c o ns t r u c t e d． Ac c o r di ng t o t h e mi ni ma l cu t s e t s o f t he f a ul t t r e e ， t r o u bl e s ho o t i n g a n d di a g n os i s we r e c a r r i e d i nt o e xe c ut i o n ． Thi s me t h o d i s s i mp l e ， r e a l i a b e a n d p r a c t i c a l wi t h g o o d a p p l i c a b l e v a l u e i n f a u l t d i a g n o s i s o f h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo 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； f a u l t d i a g n o s i s 0 引言 液压系统以其重量轻 、 体积小 、 运动惯性小 、 反应 速 度快 等优 点 ， 在 大型 工程 机 械 中得 到 了广泛 的应 用 。 液压系统故 障在工程机械故障中占有很高比例。该型 履带 式 多用 工 程 车 的多种 功 能是通 过 液压 缸 或 马达 实 现的， 因此液压系统十分复杂 ， 加上液压系统故 障本身 具有隐蔽性 、 多发性和不确定性 ， 故障定位和排 除的难 度较大 。故障树分析法以树型图的形式将系统故障与 导致该故障的各 因素之间的逻辑关系形象化。本文建 立了该型工程车液压系统典型故障的故障树并做详细 的分析 ，结果表明故障树分析法能对液压系统故障作 出快速 、 准确的判断 。 找出故 障原因和排除方法 ， 可以 减少 维修 的盲 目性 ， 缩短 维修 的时 间。 1 故障树分析法 F A T 简介 2 0世纪 6 0年代初 ， 人类在航 空航天 、 原子能及军 事高科技等领域取得了长足发展 ．需要对一些复杂的 系统进行可靠性 和安全性分析 ，故障树分析法在这种 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 一 I 5 作者简 介 蒋文峰 1 9 8 7 一 ， 男 ， 河南鲁山人 ， 硕 士研 究生 ， 主要从事 液压 检测方面的研 究。 5 2 背景下应运而生 。故障树分析法是一种由系统到部件 再到零件的“ 下降型” 分析方法 ， 以布尔代数和概率论 为基础 ， 能够对故障进行定性分析和定量分析 ， 但是定 量分析需要获取足够的零部件故障概率。以所研究的 系统 中最 不 愿 意发 生 的事情 作 为故 障树 的顶 事 件 ， 然 后找出导致该顶事件发生的直接全部因素，然后 以这 些直接因素作 为中间事件 ，再找出导致这些中间事件 发生 的全部直接 因素 ， 采用演绎法 ， 循环 的进行下去 ， 直到不能展开为止 ，这些不能展开的因素为故障树的 基本事件 。故 障树是用逻辑 门的形式表达这些事件之 间的逻辑关系而得到的。 2 工程车液压系统故障树的建立 2 ． 1 工程车 液压 系统 组成 该型工程车的液压系统用一个通轴式双联泵作为 液压动力源 ， 其中主泵为负荷传感变量泵 ， 副泵为齿轮 泵。多用工程车的液压系统可分为 推土液压系 ， 绞盘 液压 系 ， 起 重 液 压 系 。推 土 液压 系 可 实现铲 刀 的 翻转 ， 正铲和斜铲的互换 ，控制铲刀切人深度。铲刀翻转 回 路 、 变铲 回路和控深 回路除 了实现功能的不同外 ， 组成 回路的液压元件完全相 同。本文以铲刀翻转 回路为研 究对 象 。铲 刀 翻转 回路 的原 理如 图 1 所示 。 发生该类故障的原因种类较多 ， 可能是阀类故障 、 液压缸故障 、 电路故障等 。初步检查油路 ， 没有发现任 何异常。拨动操作面板上的铲刀翻转开关， 能听到电磁 阀 D 3 、 D 4动作发 出的响声。 2 ． 4根 据翻转 回路 原理 建立 故障 建立正确合理的故障树需要维修技术人员丰富的 现场维修经验和对液压系统工作原理的充分了解。依 据 铲 刀 翻转 液压 回路 的原理 ， 以铲 刀上 翻功能 失效 为 顶事件 。 建立 了如图 2所示的故障树。其中， 中间事件 M1为先导油控系统故障 ， M2为主油路故障 ， M3为参 与多路 阀换 向的电磁阀故障， M4为进入油缸内油液压 力不足 ， M5溢流阀故障 ， M6安全阀故障。底事件 Xl 为油缸密封不 良， 内泄严重 ， X 2为梭阀故障， X 3为多路 阀阀芯卡死 ， X 4为电路故障 ， X 5为 阀芯被卡死 。 X 6为 主泵故障 ， X 7为二位插装 阀卡死 ， X8为多路阀阀芯严 重磨损 ，内泄严重， X 9为滤油器堵塞， X1 0为限压阀卡 死在打开位置 ， xl l为限压阀弹簧失效 。 X1 2为安全 阀 卡死在打开位置 ， XI 3为安全阀调整弹簧失效。 l 一复 合 反 馈 变 量 泵 2一 油 箱3 一电 磁 阀 D1 4 -压 力 表 5 一 蓄能器 6 一 梭阀 7 一 电磁阀 D 2 8 一 电磁 阀 D 3 9 一 电磁阀 D 4 1 0 一 安全 阀 1 l 一 限压阀 1 2 一 铲刀翻转液压缸 l 3 一 动力切换阀 图 1 某型 多 用 工程 车 铲 刀翻 转 液 压 回 路 原 理 图 2 ． 2 铲 刀翻转 液压 回路 原理 分析 铲 刀 翻 转 液 压 回路 包 括 动 力 油 路 和 先 导 控 制 油 路 。动力油由负载传感变量泵提供 ， 当动力切换 阀中的 D 2电磁阀断电时 ， 动力油克服右侧二位插装阀弹簧压 力使二位插装阀打开 ， 动力油进人多路阀的进油 口。限 压 阀将 主 油路 的最 高压 力 限制 在 2 8 MP a 。先 导控 制 油 由主泵和齿轮泵出 口压力较 高者提供 由图 1中的梭 阀 比较 出压 力 大小 ， 经 减 压 阀 减 至 3 ． 5 MP a ， 然后 经 单 向阀进入蓄能器。 当电磁 阀 D1 、 D 3同时通 电时， 多路阀 在先 导 油 的作 用 下 上位 接通 ，压 力油 进 入 液压 缸 的左 腔使铲刀下放； 当电磁阀 D1 、 D 4同时通 电时 ， 多路阀下 位接通 ， 压力油进入缸的右腔使铲刀上翻。图 1中的安 全阀防止因铲刀在翻转过程中系统负载突变产生液压 冲击 ， 翻转 过 程 中压 力 突然 增 大 时 ， 安 全 阀打开 。 由于 本文仅研究 翻转 回路液压系统 ， L S负载传感系统本身 比较复杂 ， 不做详细介绍。 翻转 回路液压系统涉及 的液压阀种类多 ， 多路 阀、 二 位插 装 阀 、 电磁 阀等 属 于 比较精 密 的 液压 元 件 ， 盲 目 的分解检查其是否故障， 将会降低它们的密封等性能 ， 甚 至还 会 产 生新 的故 障 ，加 上液 压 系统 本 身故 障具 有 隐蔽性 、 多发性和不确定性等特点 ， 故障排除的难度增 加 ，因此必须根据液压油路原理 图及液压系统常见故 障对其进行详细 的分析 ， 逐步缩小故障的范围。 2 ． 3 故 障现 象 在一次施工结束后 ， 准备将铲刀上翻固定到车身 ． 实现推土装置由工作状态转变为运输状态 。当驾驶员 将开关置于“ 铲刀上 翻” 时 即图 1中电磁阀 D1 、 D 4通 电， D 2 、 D 3断电发现铲刀无法上翻且没有任何反应 ， 其他执行机构工作正常。 x 厂 上 、 I 参与 换向 的 l 电 磁阀 故 障l 安全阀故障 图2翻 转 液 压 回路 故 障树 3 求最4 , JJ 集及故障分析 3． 1 求最 小割 集 故障树建立后 ， 需要求故障树的最小割集 ． 每一种 最小 割 集 都是 导致 顶 事件 发 生 的一种 可 能 。常用 的 故 障树最d , lJ 集的求法有上行法和下行法。本文使用上 行法得 到翻转液 压 回路 的故障树最 小割集 有 f x1 } ， { X 2 } ， { X 3 } ， { X 4 } ， { X 5 } ， { X 6 } ， { X 7 } ， { X 8 } ， { X 9 } ， { X1 0 } ， { X1 1 】 ， { X1 2 ， { XI 3 } 。1 3个底 事件 都是该 故 障树 的最 小 割集 ， 在故 障诊断的过程 中， 都要考虑其出现故障的可 能性 。 3 ． 2故 障分析 由 于 系 统 液 压 元 件 出 现 故 障 的 统 计 概 率 数 据 不 5 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1 1期 足 ， 故无法计算最小割集对顶事件 的概率重要度 ， 进而 把最小割集按照概率重要度大小排序 ，确定检查各个 部件的顺序。按照最小割集依次检查来排除故障。 虽然 有一定的可行性 ， 但是工作量增加。在对某些精密元件 进行拆解检查时 ， 还有可能造成新的故 障。因此 ， 逐个 查找 的方法 不可取 。 在该 型 履 带 式 多 用 工 程 车 的整 个 复 杂 液 压 系 统 中 ， 各执行机 构的液压油路 之间有很多公共部分 。 找 出翻转 回路 与其他油路之 间的公共部分 。若有公共 部分 的两个或多个执行机构正 常工作 ，则可排除公 共 部分出现故障 的可能性 。运用该方 法可以缩小故 障的范围。在本 文讨 论的故障 中， 铲刀不能上 翻 ． 其 他执行机构工作 正常 ， 可以排除 X 2梭 阀故障 、 X 6主 泵故 障 、 X 7二位插装 阀卡死 、 X 9滤油器堵塞 、 X1 0溢 流 阀卡死在打开位置 、 X 1 1溢流阀弹簧失效 。另外该 车刚经过大修 ，液压缸和多路 阀出现故 障的可能性 不大 ，故障最有可能 出现在先导油控制系统 。D 1和 D 3电磁阀必须 同时动作 ，先导油才能进 人多路 阀。 经过分析 ， D 1和 D 3电磁 阀都没有故障 ， 只是在开关 置 于 “ 铲 刀上 翻 ” 位 置 时 。 D1和 D 3无 法 实 现联 动 检 查发 现该部 分 电路 中的一个二极管失效 ，更换后 系 统恢复正常。 4 结语 1 故 障树分 析 法是 一 种逻 辑性 强 、 形 象直 观 的故 障分析方法。对复杂的液压系统建立故障树 ， 能够快速 找出导致该故障的所有可能原因。 2 针 对 液压 系统 元 件失 效 的统 计概 率 不好 获 取 ， 无 法计 算 底 事件 对顶 事 件 的概率 重 要度 问题 ，可 以将 模糊集合理论引入到故障树分析 中，用模糊数来描述 底事件发生的概率 ， 进而对故障树进行定量分析。 参 考 文 献 【 1 ] 李锐， 孙巍， 等． 基于故障树 的叉车液 压系统故 障诊断I J 1 ． 起 蓬 运输机械， 2 0 0 7 ， 6 ． 【 2 】 史定华， 王松瑞． 故障树分析方法理论【 M 】 一 E 京 北 京师范大学 出版 社． 1 9 9 3 ． [ 3 】 孙 永厚， 吴和斌， 黄美发． 基于 F F A T的装 载机液压 系统故 障 诊断Ⅲ． 微计算机信息， 2 0 0 9 ， 1 0 ． 【 4 】 张武松。 王新 晴， 徐兴字． 基于故障树分析 的挖掘 机液压 系统 故障诊断[ J ] ． 机械工程 及 自动化， 2 0 0 9 ， 4 ． [ 5 ] 纪常伟． 基于故障树和神经网络模 型的航天器故 障诊 断技术 研究『 D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 1 9 9 5 ． 【 6 】 刘永健， 胡培 金． 液 压故障诊 断分析【 M 】 ． 北京 人 民交通 f } j 版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 7 1 黄志 ， 袁周 ， 等． 液压设备故障诊断与检测实 用技术『 M 】 一E 京 机 械 工 业 出 版社 ． 2 0 0 5 ． 小 常识 液压混合动力车辆提高燃油经济性的主要措施 1 制动能量回收。传统车辆在减速或者制动时， 大部分的动能都 以制动蹄片的摩擦 、 发动机 的机械摩 擦 、 泵损失等形式消耗掉了。液压混合动力车辆采用液压二次元件 液压泵／ 马达 ， 结合二次调节技术可以回 收车辆的绝大部分动能 7 O ％ 。 而且 ， 制动能量 回收的多少与储能装置容量的大小有关 。 回收的制动能量在车 辆加速或启动时释放 ， 从而减少发动机输 出功率。 2 降低发 动机排 量 。在 液压混 合动 力系统 中 ， 液压 马达还具 有 为发动 机提供 功率 辅助 的作用 ， 这 是 因为 车辆特别是工程机械在正常工作时并不总是需要发动机提供峰值功率 ， 在降低发动机的排量时 ， 液压 马达发 挥作用 ． 为发动机提供短暂的峰值功率 ， 使得车辆的动力性并未因发动机排量的降低而减弱 。同时发动机低 排量带来的另外一个好处是 ， 在给定的负荷条件下 ， 排量小 的发动机摩擦损失 、 热损失等方面都 比较少。 3 提高发动机效率。由于利用液压二次元件的液压混合动力系统对发动机的输出特性具有“ 削峰添谷” 的作用 ， 控制变量泵／ 马达功率状态 ， 优化变量泵／ 马达和变速器的匹配可以使发动机保持运行在高效区域 。减 少燃 烧不充 分带 来 的效 率低 下和排 放恶 化 。 4 限制发动机怠速。 发动机平均约有 2 0 ％的时间处于怠速状态。 当发动机处于怠速或车辆减速时 ， 将发 动机关闭能降低大约 5 ％～ 8 ％的燃油消耗。 与传统 的启动电机相比， 液压混合动力汽车使用的大功率液压马达 能够快速启动发动机， 在起动初期的 0 ． 5 s 之 内就把发动机拖动到正常怠速时的转速之上 ， 降低了油耗 ， 减少 了燃 料 的不 完全燃 烧时 间及 由此 引起 的 H C排放量 。 摘 自中国液压 气动 密封件 工业 协会 主办 的“ 装载 机液 压技 术培训 ” 教 材