基于模糊故障树的摊铺机液压调平系统故障诊断与维护策略.pdf

2 0 1 5 年 7月 第 4 3卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T00L ＆ HYDRAUU CS J u 1 ． 2 0 1 5 V0 1 ． 4 3 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 5 ． 1 3 ． 0 4 8 基于模糊故障树的摊铺机液压调平系统故障诊断与维护策略 张超 ，晁鹏军 ，李雷。 1 ． 长安大学工程机械学院，陕西西安 7 1 0 0 6 4 ；2 ． 一汽丰田汽车有限公司，天津 3 0 0 4 5 7 ； 3 ．长安大学工程机械学院，陕西西安 7 1 0 0 6 4 摘要摊铺机熨平板的液压调平系统作为摊铺机的一个重要特征，是影响摊铺路面平整度的最关键的系统，其一旦出 现故障，将严重影响摊铺路面的质量。以 S P 1 2 0 摊铺机的液压调平系统作为研究对象，通过分析该系统的故障形式，提出 了对 S P 1 2 0 摊铺机液压调平系统故障基于模糊故障树理论的诊断方法，建立了该系统的模糊故障树，并对该故障树进行了 事件模糊化分析和算法研究 ，结果表明该算法是可行的。最后给出了系统故障的预防和维护措施。 关键词模糊故障树分析；故障诊断；摊铺机液压调平系统 ；维护措施 中图分类号T H1 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 3 2 0 1 - 4 F a u l t Di a g n o s i s a n d S a f e g u a r d M e a s u r e s o f P a v e r Hy d r a u l i c Le v e l i n g Sy s t e m Ba s e d o n Fuz z y Fa ul t Tr e e Z H A N G C h a o ． C H A O P e n u n ． L I L e i 1 ． C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y S c h o o l ，C h a n g a n U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a ； 2 ． T i a n j i n F A W T O Y O T A Mo t o r C o ． ，L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 7 ，C h i n a ； 3 ． C o n s t r u c t i o n M a c h i n e ry S c h o o l ， C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a Ab s t r a c t As a n i mp o r t a n t f e a t u r e o f p a v e r ，t h e s c r e e d h y d r a u l i c l e v e l i n g s y s t e m i s t h e mo s t c ri t i c a l s y s t e m t h a t a ffe c t i n g t h e f l a t - n e s s o f t h e p a v i n g r o a d ． O n c e h a v i n g a f a i l u r e． i t w i l l s e ri o u s l y aff e c t t h e q u a l i t y o f p a v i n g t h e r o a d ． B y t a k i n g t h e p a v e r h y d r a u l i c l e v e l - i n g s y s t e m o f S P 1 2 0 a s t h e ms e c h o b j e c t ， t h e f a u l t d i a g n o s i s me t h o d b a s e d o n f u z z y f a u l t t r e e t h e o r y w a s p u t f o r w a r d t h r o u g h t h e anal - y s i s o f t h e f a i l u r e f o r ms o f t h e s y s t e m． T h e f u z z y f a u l t t r e e o f t h e s y s t e m wa s s e t u p，a n d e v e n t f u z z y a n aly s i s a s w e l l a s f u z z y a l g o ri t h m s t u d y w a s c o n d u c t e d ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e alg o rih m i s f e asi b l e ． F i n all y ，t h e s y s t e m f a u l t p r e v e n t i o n a n d ma i n t e n anc e me a s u r e s we r e p u t f o r w a r d ． Ke y wo r d s F u z z y f a u l t t r e e a n aly s i s ；F a u l t d i a g n o s i s ；P a v e r h y d r a u l i c l e v e l i n g s y s t e m ；S a f e g u a r d me a s u r e s O前 言 故障树分析法 ，是一种针对某个特定的不希望事 件即系统故障，将其形成原 因 包括软件、硬件、 人为因素、环境因素等进行 由整体到部件按树枝 状逐级细化的推理分析方法。传统的故障树分析法在 液压系统的故障诊断技术中已得到了广泛应用 。 然而，在实际复杂的系统里，影响因素大多复杂多 变，往往难以收集到基本事件的准确概率，而传统的 故障树分析法对此类带有模糊性的问题无法进行准确 的分析，这一缺点严重限制 了其在实际当中的应用。 为此，引入了模糊数学中的理论 ，将模糊数学中的方 法与故障树分析法相互融合 ，提出了基于模糊故障树 液压系统故障诊断方法。此方法一方面既充分考虑到 系统故障的发生概率 、发生程度和发生部位的模糊 性，又极好的利用了故障树分析法推理问题严密性的 优点，是进行是对大型复杂系统的可靠性与安全性进 行分析推理的有效工具 。 1 摊铺机液压调平系统 的结构 、原理及影响摊铺 质量的因素 摊铺机是一种将拌制好的混合料按照一定 的宽 度 、厚度、压实度 、平整度和工作速度要求 ，均匀 地铺设在修建好的路面基层上 ，供压路机进一步碾 压成型的筑路机械 。随着我国公路交通事业 日新 月异的发展，对沥青路面的使用性能有了更高 的质 量要求 ，进而也对摊铺机的性能、精度尤其是其调 平系统提出了更高的要求。文中以 S P 1 2 0摊铺机为 主要研究对 象 ，其液压 调平 系统 的原 理 图如 图 1 所 示 。 摊铺机的液压调平系统主要由分流阀块组、电磁 换向阀、齿轮泵、液压缸、液压锁、过滤器等组成。 其工作过程为发动机为齿轮泵提供动力，齿轮泵中 的压力油通过各种阀组和液压管路进入到液压缸的有 杆腔和无杆腔，从而推动液压缸 ，使其做往复运动， 实现摊铺机熨平板的调平。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 2 5 作者简介张超 1 9 8 8 一 ，女 ，硕士研究生，研究方向为机械 C A D ／ C A E ／ C A M。E - m a i l 1 040 1 6 9 1 0 1 q q ． c o rn。 机床与液压 第 4 3卷 液压 调平 系统 l 一 液压 缸 2 --液 压锁 3 - - 电磁阉 分濂阀 卜 过 滤嚣 6 _ _ 优 先 阀 卜 溢 流栅 8 一齿轮泵 图 1 液压调平系统原理图 影 响摊铺 路面质量 的因素有很 多 ，如摊铺 机熨平板底板 与路面水平面夹角 的大小 、摊铺速 度的频繁变化 、混合料温度 的明显变 化及摊铺 中 混合料的多少等 ，这些 因素均可造成 摊铺质量 的 缺陷。但是若在 操作正 确 ，输料 量适 当、混合料 质量合格等其他影 响摊铺 路面质量的 因素被排 除 后 ，仍出现摊铺厚度不 均匀、平整度 较差 的现象 时 ，就要对摊铺机 ，尤其对其熨平板 的液压调平 系统进行检查。 2 摊铺机液压调平系统模糊故障树的建立 2 ． 1 混凝土泵泵送系统模糊故障树的建立 通过实地考察和查找相关参考文献 ，对于摊铺 机熨平板液压调平系统来说，发生故障以及故障发生 的原因见表 1 。 表 1 摊铺机液压调平系统故障发生原因 注其中 T 、X为事件编码。 根据以上对摊铺机熨平板液压调平系统故障原因 分析，建立起如图 2 所示的故障树。 第 1 3期 张超 等基于模糊故障树的摊铺机液压调平系统故障诊断与维护策略 2 0 3 图 2 摊铺机熨平板液压调平系统故障树 图 2中 、 为事件编码； 接，表示在下层输入 ， ， 、 、 事件中任意一 个发生的条件下 ，上端就有输出A事件发生。 2 ． 2 事件模糊化分析 要对上述所建立的摊铺机熨平板液压调平系统故 障树进行模糊分析 ，应先将精确量模糊化。首先将 检测 到 的量 值 分为 7个 等 级负 大 N L 、负 中 N M 、负 小 N S 、零 0 、正 小 P S 、正 中 P M 、正大 咒 。设顶事件的设定值 正常值为 s ，检测值为 ，7 个模糊值对应的检测值区间分别是 负大 ≤Q 7 s ；负中o ． 7 s v ≤0 ． 8 5 s ；负小 0 ． 8 5 s 口 ≤ 0 ． 9 5 s ；正大 1 ． 3 0 s ≤ ；正 中 1 ． 1 5 s ≤ 1 ． 3 0 s ；正小 1 ． 0 5 s ≤ 1 ． 1 5 s ；零 0 ． 9 5 s 1 ． 0 5 s 。 模糊概率值的选取是根据专家的经验和元件的可 靠性以及该事件变化对监测的状态量变化的影响大小 而确定的一个初值，并在以后的实践 中不断进行调 整 。这里将模糊事件和一些精确事件进行模糊化 ， 比如说齿轮泵故障现象 “ 很可能”是 由于齿轮泵磨 损引起 的，则模糊概念 “ 很 可能”量化为 P0 ． 8 ， 而 “ 可能”则量化为 P 0 ． 7 ，“ 有可能”量化为 Pm-- ． 0 ． 6等，而后在实际应用当中再修改。对 于精确事 件，同样可以化为[ 0 ，1 ]之 间的模糊概率值 。通 过模糊量化，可以确定顶事件摊铺机熨平板液压调平 系统故障与其子节点之间的关系，如表 2 所示。 表 2 摊铺机熨平板液压调平系统故障 与其子节点模糊量化关系表 NL NM N S Q Ps PM P L T 1 0 ． 8 5 0 。 7 5 0 ． 6 5 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 7 5 0 ． 7 0 0 ． 6 0 0 ． 5 0 0 ． 7 0 0 ． 6 O 0 ． 6 0 0 ． 8 0 0 ． 6 5 0 ． 7 0 0 ． 5 0 0 ． 7 0 0 ． 7 5 0 ． 7 0 0 ． 5 0 0 ． 5 5 0 ． 6 5 0 ． 5 0 0 ． 4 5 0 ． 4 0 0 ． 4 0 T 5 0 ． 7 0 0 ． 7 5 0 ． 7 0 0 ． 5 0 0 ． 6 5 0 ． 8 0 0 ． 7 5 其对应的 A截矩阵为 A l 按照上述方法，可列出故障树各节点事件与其下 一 层子节点事件之间的模糊矩阵和截矩阵。如根据检 测值的情况，可以确定齿轮泵故障 T 与其下层 节点 置、 、墨 、墨 之 间的模糊量化关 系表 ， 如表 3 所示 。 表 3 齿轮泵故障与其子节点模糊量化关系表 N L N M Ns Q P s P M P L 0 ． 7 5 0 ． 7 5 0 ． 7 0 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 ，0 ． 8 5 0 ． 8 5 0 ． 7 5 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 5 0 0 ． 5 0 0 ． 5 0 O ． 5 O 0 ． 5 0 0 ． 5 0 O ． 5 0 兄0 ． 5 0 0 ． 5 0 0 ． 6 0 0 ． 5 0 0 ． 7 0 0 ． 6 0 0 ． 6 O 其对应的A截矩阵为 AR l l 1 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 0． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． O 1 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 O ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0． O 0 ． 0 O． 0 O ． 0 0 ． 0 0． 0 0 ． 0 1 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 1 ． O 根据检测值的情况 ，可以确定溢流阀故障 与其下层节点 。 、x 。 之间的模糊量化关系 表，如表 4 所示。 表4 溢流阀故障与其子节点模糊量化关系表 NL NM Ns O Ps P M PL X1 4 0 ． 8 5 0 ． 8 0 0 ． 7 5 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 l 5 0 ． 5 0 0 ． 6 0 0 ． 7 5 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 1 6 0 ． 6 5 0 ． 7 0 0 ． 7 5 0 ． 5 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 0 ． 4 0 其对应的A截矩阵为 厂 1 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． o 1 A 川1 1 0 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 I L 1 ． 0 1 ． 0 1 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． 0 0 ． o ／ 按此方法类推，对于摊铺机液压调平系统的模糊 故障树一共可确定十一个表列，也就是故障树各节点 事件与其子节点事件之间的模糊量化关系列表。有了 这些定量关系值，针对某一顶事件的故障，还需按一 定的算法进行推导，才能确定该顶事件具体的故障底 事件 故障原因 。 采用搜索技术算法求解故障树问题。广度优先 搜索算法 “ 先产生的节点先搜索的原则进行” 。按 广度优先搜索算法进行故障的诊断方法如下 ] 当 顶事件出现故障时，先确定其故障等级 ，搜索其 A 0 0 O 0 O L n L 0 0 0 0 0 L L L 0 0 0 0 0 L L L 0 0 0 O 0 0 0 O 0 0 ● ● ● ● ● 1}l 0 O 0 0 0 ● ● ● ● ● 1 l 1 1 1 0 0 0 0 O 1 1 1 0 1 机床与液压 第 4 3 卷 截矩阵，选取 A截矩阵中值为 1的下一层节点，再 由这些节点按 同样的方法向下进行搜索；若为底事 件，则计算该底事件到顶事件分枝的故障值 此值 为该分枝上所有概率值之积 ，比较所有满 足条件 的故障值 ，选择最大故障值所对应 的底事件 ，该底 事件就是产生故障的原因。由此看 出，广度优先搜 索算法不必搜索每一个节点 ，无论从故障诊断的速 度还是运算量上 ，其优势都是很 明显的，因此用该 算法进行模糊故障树分析故 障诊断 问题是切实可 行 的。 3 摊铺机熨平板液压调平系统故障预防维护措施 及时地进行摊铺机液压调平系统故障诊断和维护 工作，不仅可以大大减少系统的故障发生率，节约运 行成本，还可以提高设备的运转效率、可靠性和安全 性。主要的 日常预防维护措施为 1 定期更换液压油，定期清洗管路、阀门； 2 及时更换过滤器或清洗滤油网； 3 定期对液压系统中的液压油进行抽样检测， 使之保持一定的清洁度 ； 4 定 期 检 查 液压 调 平 系 统 中各 处 的 密 封 件 、 阀芯以及弹簧是否损坏，并及时对其进行调整和更 换 ； 5 保持液压系统所有部件连接处的紧密性 ， 防止泄漏或空气等杂质进入系统中； 6 使用带有堵塞指示信号的过滤器，实时监 测过滤器油污染和流动情况 ； 7 加强操作人员的培训 ，防止 因操作不 当引 起故障。 参考文献 [ 1 ]冯志红， 林志贵， 房伟， 等． 多信息融合电路故障诊断系 统设计与开发 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 9 ， 4 5 2 9 2 9 4 ． [ 2 ]F R A N K P M．F a u l t D i a g n o s i s i n D y n a m i c S y s t e ms U s i n g A n a l y t i c a l a n d Kn o wl e d g e b a s e d Re d u n d a n c y A S u e y a n d S o me N e w R e s u l t s [ J ] ． A u t o ma t i c a ， 1 9 9 0 ， 2 6 3 4 5 9 4 7 4 ． [ 3 ]ME H R A R K，P E S C H O N J ． A n I n n o v a t i o n s A p p r o a c h t o F a u l t D e t e c t i o n and D i a g n o s i s i n D y n a m i c S y s t e m s [ J ] ． A u t o m a t i c a ， 1 9 7 1 ， 7 5 6 3 7 6 4 0 ． [ 4 ]吴永平， 姚怀新． 工程机械设计 [ M] ． 北京 人民交通出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]张明超． 沥青摊铺机 自动找平系统故障的诊断与排 除 [ J ] ． 工程机械与维修， 2 0 0 7 ， 1 4 9 1 6 1 - 1 6 1 ． [ 6 ]耿冠杰， 张文文， 黄萍 ， 等． S P I 2 0摊铺机液压调平系统 故障分 析 [ J ] ． 中国工 程 机 械 学报 ， 2 0 1 3 ， 1 0 4 4 7 3 4 7 7 ． [ 7 ]戴智华， 王飞． 基于模糊故障树 的液压系统故障诊断方 法研究与应用[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 2 ， 1 4 4 7 - 9 ． [ 8 ]左健民， 王书城． 基于模糊故障树理论的液压系统故障 诊断方法研究 [ J ] ． 南京航空航天大学学报， 1 9 9 9 ， 3 1 6 7 1 6 - 7 2 1 ． [ 9 ]王国辉， 孙正民， 刘罕杰． 基于模糊故障树理论的旋转输 弹机故障诊断研究 [ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 0 9 ， 1 7 6 1 1 4 6 1 1 4 8 ． 上接 第 1 9 6页 [ 2 ]姚海森， 王青宇． 关于钻井自动化设备一 液压吊卡应用及 故障解决分析 [ J ] ． 化学工程与装备 ， 2 0 1 3 ， 4 2 4 6 8 - 7 0． [ 3 ]石文辉， 别朝红， 王锡凡． 大型电力系统可靠性评估中的 马尔可夫链 蒙特 卡洛方法 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 8 ， 4 5 4 9 1 5 ． [ 4 ]李守仁， 袁海蓉． 确定不同单元并联系统可靠性的马尔 可夫过程 [ J ] ． 哈尔 滨工 程大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 9 0 - 9 3 ． [ 5 ]B U C C I P a o l o ， K I R S C HE N B A U M J a s o n ， MA N G A N A n t h o n y L ．C o n s t r u c t i o n o f E v e n t ． t r e e ／ f a u l t ． tre e Mo d e l s f r o m a Ma r k o v A p p r o a c h t o D y n a m i c S y s t e m R e l i a b i l i t y [ J ] ． R e l i a - b i l i t y E n g i n e e ri n g ＆ S y s t e m S a f e t y ，2 0 0 8 ，9 31 1 1 6 1 6 1 6 2 7 ． [ 6 ]徐志， 陈彬兵． 用马尔可夫和 G O法对 P L C系统可靠性 分析 [ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 9 ， 3 4 3 5 3 6 - 7 8 ． [ 7 ]廖瑞金， 肖中男 ， 巩晶． 应用马尔科夫模型评估电力变压 器可靠性 [ J ] ． 高电压技术， 2 0 1 0 ， 3 6 2 3 2 2 3 2 8 ． [ 8 ]L I S N I A N S K I A n d y ， E L M A K I A S D a v i d ， L A R E D O D a v i d ． A mu l t i - s t a t e Ma r k o v Mo d e l f o r a S h o r t t e r m Re l i ab i l i t y A n a l y s i s o f a P o w e r G e n e r a t i n g U n i t [ J ] ． R e l i abi l i t y E n gi - n e e r i n gS y s t e m S afe t y ， 2 0 1 2 ， 9 8 1 1 6 ． [ 9 ]王勇． 电力系统运行可靠性分析与评价理论研究[ D] ． 济 南 山东大学 , 2 0 1 2 ． [ 1 0 ]D H O P L E S V， D E V I L L E L ， D O Mf N G U E Z - C A R C f A A D ． A S t o c h a s t i c Hy b ri d S y s t e ms F r a me wo r k f o r A n My s i s o f Ma r k o v R e w a r d Mo d e l s [ J ] ． R e l i abi l i t y E n g i n e e ri n gS y s - t e m S afe t y， 2 0 1 4， 1 2 3 1 5 8 1 7 0 ． [ 1 1 ]徐灏． 机械设计手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 1 2 ]吴波 ， 丁毓峰， 黎明发． 机械系统可靠性维修及决策模 型[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 7 ．