基于FTA的轮式推土机液压系统故障模式研究-.pdf

第 1 0卷第 1期 2 0 1 2年 3月 中国工程机械学报 C HI NE S E J O UR NA L O F C O N S T R U C TI O N MA C HI N E R Y V0 I ． 1 0 No ． 1 Ma r ．2 0 1 2 基 于 F T A 的轮 式推土机液压 系统故障模式研究 苏凡 囤 ， 袁博 ，张 琦 ， 胡成贺 1 ． 解放 军理工 大学 工程兵工程学院 ， 江苏 南 京2 1 0 0 0 7 ；2 ． 9 5 9 7 4部队 ， 河北 沧州0 6 6 0 0 0 摘要 为准确定位轮式推土机液压系统常见故障的发生部位， 找出故障原因， 结合轮式推土机液压系统的结构 和故障特点， 运用故障树分析法 F a u l t T r e e A n a l y s i s ， F T A 对轮式推土机液压系统进行故障模式分析， 以“ 推土 铲提升缓慢” 这一典型故障为例， 采用演绎法建立了故障树 ， 分别使用上行法和下行法求出了故障树的最小割 集 ， 找出了导致该故障的所有可能原因， 验证了方法的有效性． 关键词 故障树分析法 ； 轮式推土机；液压系统； 故障诊断 中图分类号 T H 1 7 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 2 0 1 0 1 0 5 0 7 FTA． b as e d f a ul t m od e r e s e ar c h o n hyd r aul i c ys t e m of whe e l b ul l d oz e r s11 yd r aul l C s ys t e m ot Whe e l b ul l oz e r s S U Fa n t u n ，YU AN Bo ，Z HANG ，HU C h e n g - h e 1 ． E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f C o r p s o f E n g i n e e r s ， P L A Un 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 in g 2 1 0 0 0 7 ， C h i n a； 2 ． 95 9 7 4 Tr o o p，P LA，C a n g z h o u 0 6 6 0 0 0，C hi n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a c c u r a t e l y l o c a t e t h e C O mmo n f a u l t p o s i t i o n s i n h y d r a u l i c s y s t e m o f wh e e l b u l l d o z e r s ， t h e f a u l t s c o u r s e s a r e d e t e c t e d． By c o mb i n i n g t h e s y s t e m s t r u c t u r e wi t h f a u l t f e a t u r e s 。 t h e f a u l t mo d e s o f h y d r a u l i c s y s t e m a r e a n a l y z e d 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 FTAme t h o d ． By a p p l y i n g a t y p i c a l f a u l t ， i ． e ． s l o w r i s i n g o f b u l l d o z er b l a d e ， a s a n e x a mp l e ， t h e f a u l t t r e e i S e s t a b l i s h e d v i a t h e d e d u c t i v e me t h o d ． Me a n wh i l e 。 t h e l e a s t c u t ． s e t s o f t h e f a u l t t r e e a r e o b t a i n e d b a sed o n t h e a s c e n d i n g a n d d e s c e n d i n g me t h o d s ， r e s p e c t i v e l y ． To t h i s e n d ， t h e e ffe c t i v e n e s s o f t h e p r o p o sed me t h o d i s v e r i f i e d b y s pe c u l a t i n g t h e r e a s o n s f o r a l l p o s s i b l e f a u l t s ． Ke y wo r d s f a u l t tre e a n a l y s i s ；wh e e l b u l l d o ze 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 工程机械结构复杂， 电气化、 自动化程度高， 在国防工程和工程建设等领域占有重要地位． 轮式推土机以 其机动性强、 作业效率高等优势 ， 在建设施工过程 中的重要性更加突出． 但因其工作环境恶劣， 施工强度大， 导致该机械故障率高， 维修保养难度大[ 1 ] ． 由于轮式推土机由多系统组成 ， 多种故障原因往往导致 同一种故 障现象； 同一个故障原因也可以引发多种故障现象， 因此造成了故障诊断推理的难度大[ 2 ] ． 而液压系统作为 故障发生最多的系统， 其故障模式研究尤为重要． 相对于其他故障诊断方式， 故障树分析法是一种图形化分 析方法， 该方法直观形象、 灵活方便、 可移植性强． 本文将故障树分析法用于轮式推土机液压系统故障模式研 究 ， 找到了导致液压系统故障的原因， 用实例证明了此方法简单可靠而又行之有效． 1 轮式推土机液压系统故障分析 1 ． 1 轮式推土机液压 系统组成 轮式推土机液压系统主要 由液压油箱 、 液压泵 、 胶管总成 、 先导阀、 滤油器 、 液控多路 阀、 液压绞盘 、 提 作者简介 苏凡囤 1 9 5 2一 ， 男 ， 副教授 ． E - ma i l y nan b o 6 9 6 1 2 6 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 6 中国工程机械学报 第 1 0卷 升油缸和倾斜油缸等组成 ， 如图 1 所示． 1 ． 2 轮式推土机液压系统故障的特点 液压元件是一种以液压油为工作介质的功率体 积 比很高的精密机械部件． 液压油常见 的是固体金 属颗粒污染 ， 除了颗粒污染外 ， 如水、 空气 、 氧气 、 蒸 发和混入异种油等都会使液压油变质 ． 污染的油液 会引起液压元件发生故障， 如液压泵的磨损、 管路或 阻尼孔的堵塞 、 滑 阀的卡死 等， 进而导致 系统的失 灵 ． 研究表明， 液压系统 故障大约 7 5 ％与油液污染 有关 ， 其次是磨损 、 密封装置老化和内外泄漏等． 轮式推土机液压系统属于常规的液压系统 ， 具 有一般液压系统的特点． 另外 ， 轮式推土机是机、 电、 液的统一体 ， 属于复杂装备． 所 以， 其液压系统还具 图 1 轮式推土机液压系统组成 Fi g． 1 C o mp o n e n t s of whe e l b ul l d o z e r h y dr a u l i c s y s t e m 有复杂装备系统的特点． 液压系统的故 障特点总结如表 1 所示． 表 1 液压系统的故障特点 T a b ． 1 Ch a r a c t e r i s t i c s o f f a ul t i n h y d r a u l i c s y s t e m 故 障特点 原因分析 隐蔽性 因果关系复杂性 相关因素随机性 失效分布分散性 故障传播延时性 由于表面症状的个数有限 ， 故障往往发生在深层内部 ， 不便装拆 ， 现场上 的检测条件也很 有限， 难 以直接观测 症状 与原 因之间存在各种各样 的重叠与交叉 ， 一个症状有多种可能原 因， 一个故障源也可能引起 多处 的症状 液压系统受到各种随机因素的影响， 故 障具体位置和发展程度很难确定 ， 带来判断和定性分析上 的困难 各部位工作环境不同， 使用频率不同， 液压元件磨损程度也不同， 使各液压元件的实际使用寿命差距显著 从元件级的故障到系统级的故障的发生、 发展与形成， 是一个由质变到量变的渐进过程， 具有明显的延时性 2 故障树 分析 法 故障树分析法是把所研究系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标， 然后寻找直接导致这一故障 发生的全部因素， 再找出造成下一事件发生的全部直接因素， 直至追查到毋需再深究的因素为止嘲． 2 ． 1 故障树的符号表达 故障树分析法中， 事件是用各种不同的形状加以区分的， 事件与事件间的逻辑关系是用符号来表示 的． 常用的事件和逻辑关系说明如表 2所示 ] ． 表 2 故障树常用事件和符号表 Ta b． 2 T a b l e o ft h e c o n l n l o n e v e nt s a n d s i g n s o f f a ul t t r ee 名称 说 明 顶事件 中间事件 底事件 与门 或 门 异或 门 转义符号 系统最不希望发生的事件 ， 位于故 障树 的顶端 ， 它总是逻辑 门的输 出而不是任何逻辑门的输入 除了顶事件外 的其他结果事件 ， 位 于顶事件和底事件之间， 既是某个逻辑 门的输出 ， 又是另一个逻辑 门的输入 位于故障树的底部， 总是故障树中某个逻辑门的输入事件， 它在故障树中不再进一步往下发展 仅当所有输入事件同时发生， 门的输出事件才发生 所有输入事件中， 至少有一个输入事件发生时， 门的输出事件发生 表示或门中输人事件是互斥的， 即当单个输人事件发生时， 其他都不发生， 则输出事件才发生 加上相应线条表示从某处转出或转入 ， 也可以表示规模较大树的转页 2 ． 2 故障树的数学基础 研究一个由 竹个独立的底事件构成的故 障树 ， 设 为底事件 i的状态变量 ， 仅取 0或 1两种状 态 ． 表示顶事件的状态变量 ， 也仅取 0或 1两种状态． 则有如下的定义 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 苏凡囤， 等 基 于 F r A的轮式推土机液压系统故障模式研究 f 1 ， 底事件 i 发生 部件 、 元件故障 ⋯ 一 ＼ 0 ，底事件 不发生 部件、 元件正常 ， 1 ， 2 ， ⋯ {01 妻 箨 裹 警 I ， 顶 事 件 不 发 生 设 备 正 常 ⋯ 故 障树顶事件是设备所不希望发生的故障状态 ， 1 ， 相应的底事件状态为元件故障状态 ， t 1 ． 顶 事件状态 完全由故障树底事件状态X所决定， 即 x ， 其中 X ， ， 。 ， ⋯， ， 称 X 为故障树的结构 函数． 结构函数是表示设备状态的一种布尔函数 ， 其 自变量为该设备组成单元的状态． 不 同的故障树有不 同 的逻辑结构 ， 从而对应不同的结构函数 ． 2 ． 1 ． 1 与门结构函数 与门结构 函数为 x n 1 i ，i 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 3 式中 为底事件数 ． 当 仅取 0或 1 两个数值时， 式 3 可以改写为 x I I i 4 式 4 说明当全部部件、 元件发生故障时， 设备才有故障， 其中只要有一个部件正常， 则设备正常． 2 ． 1 ． 2 或门结构函数 或门结构函数为 x U 1 ，i 1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 竹 5 当 仅取 0或 1 两个数值时， 式 5 可以改写为 x 卜 Ⅱ 1 一 i 6 式 6 说明只要有一个部件或元件发生故障时， 设备就会发生故障． 2 ． 3 故障树的绘制与表达 故障树的建立是故障分析的前提和基础， 构建故障树一般 ． 丽 1． ． 吾 ] 有 演绎 法 和 合成 法． 它们的 思路 基本相同， 都是首 先确定顶 事 塑 塑 堕 广 皇 塑 堕 塑 l 件 ， 建 立 边 界 条 件 ， 然 后 通 过 逐 级 分 解 得 到 故 障 树 ， 导 原 始 故 图 2 故 障 树 构 建 流 程 障 树 进 行 简 化 ，得到最终的故障树 ， 供后续的分析计算使用． 演 F i g ．2 Fl 0 w o f t h e f a ul t t r e e c 0 n s t r u c t i o n 绎法主要用于人工建树， 合成法主要用于计算机辅助建树[3 ] ． 故障树的构建流程一般如图 2所示． 3 轮式推 土机 液压 系统的故障树构 建 3 ． 1 轮式推土机液压 系统的常见故障模式 轮式推土机液压系统结构复杂， 故障种类多， 且故障现象与故障原因不是一一对应． 对故障现象归纳 整理可知， 常见的主要故障为系统压力故障、 系统有噪音和杂音、 油泵运转故障、 油缸不工作等， 主要表现 为 9种情况 ， 如表 3所示． 3 ． 2 轮式推土机典型故障故障树的构建 由于轮式推土机各系统之间关联紧密 ， 直接导致故障间耦合严重、 故障种类复杂． 为清晰地表示故障间 的逻辑关系 ， 充分利用故障树简单 、 直观的特点 ， 选择“ 推土铲提升缓慢” 这个典型的故障进行系统分析， 如图 3 所示． 因为此故障在施工作业中是最不希望发生的故障， 因此在液压系统故障树分析中将它作为“ 顶事件” 置于故障树顶端； 由表 3序号 1可知 ， 可导致顶事件的故 障原 因有 主液压系统压力偏 低 M 、 油缸内漏 X 、 系统有堵塞节流 x 2 、 多路阀的阀杆和阀体间隙过大 X 3 以及先导控制系统压力偏低 Mz ． 由序号2 可知导致主液压系统压力偏低 M1 的故障原因有 主液压系统液压油泵故障 M。 、 主液压安全阀调整压力 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 0卷 偏低 x4 和主液压系统液压油泵吸空 M4 ． 依次类推构建故障树如图 3所示． 其中各符号分别为 先导控制 系统液压油泵故障 Ms 、 先导控制系统安全阀调整压力偏低 x 5 、 先导控制系统液压油泵吸空 M6 、 主液 压系统液压油泵油封损坏 x6 、 主液压系统液压油泵磨损 x7 、 主液压系统吸油管漏气 x 8 、 滤油器堵塞 X 9 、 液压油冻结或粘度过大 X o 、 用油不对或油液变质 X 、 液压油箱油面过低 X z 、 先导控制系统液 压油泵油封损坏 X。 。 、 先导控制系统液压油泵磨损 X 、 先导控制系统吸油管漏气 X s ． 表 3 轮式推土机液压系统常见故障及排除方法 Ta b ． 3 Co mmo n f a u l t s a n d s o l u t i o n s o f wh e e l b ul l d o z e r h y d r a ul i c s y s t e m 3 ． 3 故障树的定性分析 对故障树进行定性分析的主要 目的是弄清楚系统有多少种可能引起顶事件的原 因． 故障树 中如果其 中几个底事件的集合发生， 导致了顶事件的发生， 那么这个集合称之为割集． 这就是说 ， 一个割集代表了系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 苏凡 囤， 等 基于 F T A的轮式推土机液压系统故障模式研究 1 0 9 统故障发生的一种可能性 ， 即一种失效模式 ． 最小割集是指去掉割集中的一个底事件就不再是割集 了， 最 小割集发生时顶事件一定发生吲． 所以故障树定性分析最主要的就是寻找故障树的全部最小割集． 求出故 障树 的所有最小割集 的方法有多种 ， 其 中最有效的是下行法和上行法 引， 两种方法结果应一致 ． 图 3 推土铲提升缓慢故障树 Fi g． 3 Fa u l t t r e e o f s l o w r i s i ng i n wh eel b u l l d o z e r b l a d e 3 ． 3 ． 1 下行法 下行法就是从顶事件开始， 从上到下依次进行处理 ． 如果是或 门输出， 就将该门的输 出排成一排； 如果 是与门输出的， 就将该门的输人的排成一排． 一直到所有的事件都被处理完为止， 得到的每一行的底事件 集合都是故障树的一个割集． 最后将这些割集进行化简， 就得出所有的最小割集． 利用下行法对故障树进 行分析 ， 如表 4所示． 表 4 下行法对故障树进行分析的过程 T a b ． 4 Pr o c e s s o f f a u l t t r ee a n a l y s i s b y f u s s e d 步骤 1 M t X1 X2 X3 M 2 过 程 由图 3观察可得 ， 只要有一个底事件发生 ， 顶事件就会发生． 因此 ， 此故障结构函数为或门结构 函数 ． 由式 5 可得 一 ‰ 凰‰‰‰‰ 托 ‰‰弱‰‰ 一 ‰ 飘‰弱‰‰ 噩 ‰ ‰ 一 ‰ ‰‰弱 ‰ 4 一 ‰ 弱弱‰‰ ‰ 0一 ‰ 一 ％ 墨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 0 中国工程机械学报 第 1 0卷 TA 十X1 x2 墨 M M X4 X 1 x2 x 3 Ms X 5 M [ x6 x 7 X4 x 8 x 9 x1 0 Xl 1 X1 2 ] x1 x 2 X 3 [ X 1 3 Xl 4 X 5 x1 5 x 9 X1 0 x1 1 X1 2 ] X 6 X 7 X4 x8 X 9 X1 o Xl 1 X1 2 X1 X2 X3 X1 3 x1 4 X5 x1 5 墨 墨1 x l 2 简化得 T X I X 2 X 3 X4 X5 X6 x 7 x 8 x9 X1 o x1 1 X1 2 X 1 3 X1 4 X1 5 得到全部最小害 0 集 { X ， { Xz ， { X。 ， { X ， { Xs ， { Xe ， { X ， { Xs } ， { X。 } ， { X o ， { X ， { X z } ， { X1 3 ， { X1 4 } ， { X1 5 } ． 3 ． 3 ． 2 上行法 上行法是从底事件开始 ， 由下而上逐个进行处理 ． 如果是或门输 出的， 就用该门输入事件 的布尔和表 示 ； 如果是与门输入 的， 就用该 门输人事件的布尔积表示 ． 一直到所有的结果事件都被处理完为止， 得到一 个顶事件的布尔表达式 ． 最后根据运算法则将这个表达式进行化简 ， 最终表达式 中的项就是故障树的所有 最小割集． 利用上行法对故障树进行分析如下 1 M 3 X6X7 ， M 4 X8X9X1 0 Xl 1X1 2 ， M 5X1 3 Xl 4 ， M 6 X1 5 X9X1 o Xl 1 X1 2 ． 2 M 1M 3 X4M 4 ， M 2 M 5X5 M 6 ． 3 T M 1 X1 X2X3 M 2 X1 X2 X3 X4 X5X6X7X8X9X1 0Xl 1Xl 2 X1 3 X1 4 X1 5 ． 根据以上分析 ， 得到全部最小割集 { X ， { Xz } ， { X。 ， { X } ， { Xs ， { Xe ， { X ， { Xs ， { X。 ， { X 。 ， { X1 1 } ， { X1 2 } ， { X1 3 } ， { Xl 4 ， { X1 5 ． 至此 ， 求解 出了故障树的全部最小割集 ， 也就是说找到了造成推土铲提升缓慢 的故障原 因． 故障原因 可能有以下 1 5条 油缸 内漏 、 系统有堵塞节流 、 多路 阀的阀杆和阀体 间隙过大 、 主液压安全阀调整压力偏 低、 先导控制系统安全阀调整压力偏低 、 主液压系统液压油泵油封损坏、 主液压系统液压油泵磨损 、 主液压 系统吸油管漏气 、 滤油器堵塞 、 液压油冻结或黏度过大 、 用油不对或油液变质 、 液压油箱油面过低 、 先导控 制系统液压油泵油封损坏、 先导控制系统液压油泵磨损 、 先导控制系统吸油管漏气． 4 结语 本文对轮式推土机液压系统“ 推土铲提升缓慢” 这一故 障现象建立故 障树并进行定性分析． 该故障树 全面地反映了故障关系及可能产生故障的原因， 为维修人员提供 了一种分析故障的方法． 同时在该机械高 强度作业过程 中， 为其提供了有效的故障预防途径． 亦可对轮式推土机的其他类型故障采用同样方法建立 故障树 ， 列 出全部故障原 因， 有助于掌握轮式推土机的故障规律和特征 ， 为轮式推土机故障诊断专家系统 的开发奠定了基础 ． 参考文献 [ 1] 周春丽 ． 简述工程机械 自动化发展方 向E J ] ． 铁道建设 ， 2 0 0 9 1 4 1 4 3 ． Z HO U C h u n l i ． B r i e f d e v e l o p me n t o f c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y a u t o m a t i o n [- J ] ． R a i lwa y C o n s t r u c t 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