液压挖掘机动力系统试验台故障停机率降低策略.pdf

剪切破裂面上的摩擦系数 。 图 7 刀具切削力与剪切破裂面上摩擦系数的关系 盾构刀具切削力学模型进行 了改进 ， 重新推导 了盾 构刀具切削力学模型 ， 考虑 了刀具磨损对切削力 的 影响。并以软土地层为例， 分析了刃角、 后角、 前角、 刀尖圆弧半径、 切深、 刀具土体摩擦系数、 剪切破裂 面上摩擦系数等对刀具切削力的影响，相对而言， 刀具刃角、 刀尖圆弧半径及刀具切深对切削力影响 较大。本文对刀盘 、 刀具设计和施工具有一定 的参 考和借鉴作用。 参考文献 【 1 ]宋克志， 潘爱国．盾构切削刀具的工作原理分析[ J 】 ． 建筑 机械 ， 2 0 0 7 2 7 4 7 6 ． 『 2 1 崔国华， 王国强， 王继新 ， 等． 全断面盾构掘进机切削刀 具的计算力学模型求解 【 J ] ．吉林大学学报 工学版 ， 2 o o 8 2 1 3 9 1 4 3 ． [ 3 ]3 于颖， 徐宝富， 奚鹰， 等． 软土地基土压平衡盾构切削刀盘 扭矩的计算阴． 中国工程机械学报， 2 0 0 4 3 3 1 4 3 1 8 ． 【 4 ] 李娟． 盾构刀具的三维动态仿真研究[ D ] ． 天津 天津大 学 ， 2 0 0 8 ． 通信地址山东省烟台市红旗中路 1 8 6号鲁东大学土木工 程学院 2 6 4 0 2 5 收稿H期 2 0 1 1 - 0 7 2 5 液压挖掘机动力系统试验 台故障停机率降低策略术 刘 鹏 ．一 ， 章二平z ， 赵丁选 ， 林明智 ， 李浪 ， 徐淼 ， 徐长宇 ， 戴群亮 1 ． 吉林大学机械科学与工程学院； 2 ．广西柳工机械股份有限公司 摘要以液压挖掘机试验台动力系统为研究对象，采用系统失效模式及后果分析方法 F a i l u r e M o d e a n d E ff e c t s A n a l y s i s ， F M E A ， 确定液压挖掘机试验台动力系统的关键部件， 再运用组件失效模式及 后果分析方法判断各部件的主导故障， 制定相应的故障停机率降低策略， 并通过实例来进一步说明。 关键词 液压挖掘机； 试验台； 关键部件 F ME A 液压挖掘机是工程机械的主要机种之一 ， 数量 占工程机械的 3 0 ％ 『 1 _ 3 】 ， 然而 ， 由于我 国工程机械行 业技术基础相对薄弱 ， 因此 ， 在液压挖掘机研发过 程中， 试验台阶段的调试就变得非常必要和重要。 液 压挖掘机动力系统试验台， 可以用于动力总成控制 模块的调试 、 标定 ， 多种混合动力复合方式的试验 研究， 动力参数匹配、 动力总成动力性及经济性试 验， 从而为液压挖掘机样机的试制提供理论和试验 依据， 大幅度减少整车试验的时间和工作量， 降低 风险和成本。对于液压挖掘机动力系统试验台来 说 ， 最重要 的是安全 、 可靠和高效 的运行 ， 因此 ， 必 须保证试验台关键模块的可靠运行。 本文采用失效模式及后果分析方法 F ME A ， 首先确定液压挖掘机动力系统试验 台的关键部件 ， 再运用组件失效模 式及后果分析方法判断各部件 的主导故障， 制定相应的故障停机率降低策略。 1 试验台概述 液压挖掘机动力系统试验台采用并联式结构， 见 图 1 。 基金项目 国家“ 8 6 3 ” 计划重点项目 2 0 0 9 A A 0 4 4 4 0 3 作者简介 刘鹏 1 9 8 0 一 ， 男， 辽宁盘锦人， 讲师， 博士， 研究方向 混合动力工程机械、 质量管理与可靠性。 一 36 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I发 动 机 } 转 1 ． ． ． ． ． ．- _ J 置 i 电连接 机械连接一 液流连接 图 1 试验 台结构示意图 该试验 台主要包括以下几个模块 1 发动机模 块 ，发动机模块 由全 电控柴油机及其控制器组成 ； 2 电机模块 ， 电机模块由永磁同步电动机及其控制 系统构成； 3 电能蓄能模块 ，试验台采用超级电容 作为电能蓄能装置； 4 转矩耦合装置，转矩耦合装 置由3 个常啮合直齿轮以及转矩传感器构成； 5 试 验台总控制器， 试验台总控制器采用单片机结合 P C 机， 实现了并联动力总成和液压系统多路信息的采 集、 显示及实时控制功能； 6 模拟负载， 采用电液控 制技术实现液压加载， 将 4 个执行液压缸f 铲斗、 斗 杆、 动臂、 回转1 除去， 而改用电比例溢流阀模拟加 载 ， 通过控制器对模拟加载和先导控制 的比例 阀以 及液压泵变量调节电磁阀进行 P WM控制 ，从而重 现真实作业时的液压负载。 2 F M E A的作用 F ME A是一种针对产品和过程开发 中潜在问题 进行考虑和阐述的分析方法 ， 它可 以针对每一个 问 题 ， 评估其对整个系统产生 的影响 ， 同时评估其严 重度 、 发生度和探测度 ， 进而确定需要采取的措施 。 其中， 系统 F M E A考虑系统组成部分的交互作用引 起 的系统功能缺陷 ， 而组件 F ME A则考虑组件缺 陷 和功能异常导致的部件故障。系统 F M E A的故障模 式为组件 F M E A提供 了所有 的基本信息 ，系统 F M E A中的故障原因会转变为组件 F M E A中的故障 模式，系统 F M E A与组件 F ME A之间的关系如图 2 所示 。 系 统 故 障 模 式 l 影 响 l 原 因 I F 】Ⅵ E A 问 题 I 问 题 的 衍 生 后 果I 问 题 的 原 因 I I ● 故障模式 影响 原因 组件 从系统 F ME A 从系统 F ME A中得 新的组件故障 F ] E A 中得 到 问题 的 到的影响 可能定义 模式 的根本原 原因 更详细 因 图 2 系统 F ME A与组件 F ME A 之间的关 系 在制定降低液压挖掘机动力系统试验台故障 停机率策略的过程中， 首先采用系统 F ME A对试验 台系统组件的关键等级加以区分，然后运用组件 F M E A的方法确定各个组件的主导故障，最后根据 主导故障的失效潜在原因和组件的浴盆曲线以及 历史数据 ， 提出相应的改善措施。应用 F ME A制定 降低液压挖掘机动力系统试验台故障停机率策略 的流程如图 3所示 。 3 F ME A的具体实施过程 应用 F M E A时，首先要确定潜在失效模式， 考 虑潜在失效模式一定要考虑系统的功能丧失 ， 即一 个明确的故障。然后要确定严重度、 发生度以及探 测度等级的划分准则l 5 l， 最后根据专家小组意见和 历史数据 ，确定适合 本系统的系统 F ME A和组件 F ME A表格。 3 ． 1 确定等级划分准则 参照项 目 专家小组划分标准， 并充分听取现场 工作人员的意见， 得到本 F M E A项 目严重度、 发生 度以及探测度等级的划分准则如表 1 、表 2和表 3 所示 。 3 ． 2 系统 F ME A确定关键组件 对于液压挖掘机动力系统试验 台来说 ，运用系 统 F M E A的主要目的是根据风险顺序数 R i s k P r i o r i t y N u m b e r ， P Ⅳ 确定关键组件， 做到对不同关键 等级组件的区别对待。参照项 目专家小组意见和现 场工作人员意见， 根据表 1 、 表 2和表 3的等级划分 准则确定严重度 5 等级、 发生度 O等级和探测度 D 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验台 1 『 系统F MEA I ’ r r 关键组件 中度关键组件 非关键组件 F 1 r 1 r 1 『 组 q F ME A 组件F ME A 组 q F ME A 1 r 1 r 1 r 主导故障 主导故障 主导故障 点监 ∈ 态 监 测 维 期 性 维 常 监 需 监 褰 雾 影响 标准 等级 探测度 标准 等级 } 灾 难 有 灾 难 性 后 果 ，影 响 员 工 及 工 厂 的 安 全 10 非 常 低 不 能 探 测 到 故 障 10 严重 故障停机超过 2 4 h 8 低 可能探测出故障， 但不知原因 8 较大 故障停机超过 8 h 6 可以探测出故障， 通过团队判断， 可以 一 般 6 查明原因 较小 故障停机超过 1 h 4 高 可以探测出具体的故障模式和原因 4 轻微 可以通过调整消除影响 ，无故障停机 2 非常高 可以随时发现故障原因并可以做好故 障预防准备 1 表 2 F ME A发生度 0等级划分准则 A发生度 0等级划 分准 则 故 障发生度 t 标准等 级 每 班 发生故障／ ％9 5 9 每 天 发生故障／ ％6 3 7 每 周 发生故障， ％2 2 5 每 月 发生故障／ ％1 0 3 每 年 3 8一 等级， 并计算出相应的 P Ⅳ值。 RPNS O D 根据计算出的R P N值， 可以将组件的关键等级 分为三类 关键组件、 中等关键组件和非关键组件。 针对不同关键等级的组件， 采取不同的改善措施。 3 ． 3 组件 F ME A确定主导故障 针对系统 F M E A确定的关键组件，采用组件 F M E A确定关键组件的主导故障， 并加以重点改善， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ，预防措施 即降低发生率 比探测措施更 应用 F M E A的过程中， 首先要确定约定的评价 室 l如，防错过程设计的使用比随机的质量检 准则，项目专家小组参考了液压挖掘机动力系统试 检验效果更好。任何建议、措施的意图均 验台的历史数据，并充分听取现场工作人员的意 下指标的等级 严重度、 发生度和探测度。 见 ，确定了液压挖掘机动力系统试验台 F M E A表 降低严重度 ．s 等级 只有设计或过程修改 格， 如表 4 所不。表 4中， 在确定发动机模块的严重 严重度 s 等级。任何产品或过程的设计更 度时， 如果发动机无法正常启动， 会导致系统停机 郓应该进行评审， 以确定对产品功能和过 超过 2 4 h ，但是不会造成人员伤害，根据表 l 的 影响。 F M E A严重度等级划分准则 ，确定其严重度 5 等级 降低发生度 0等级 发生度级别的降低需 为 8 ； 然后根据历史数据， 由冷却系统失效造成发动 控制一种或一种以上失效模式的要因产 机无法正常启动平均每周发生一次 ，根据表 2的 I ， 可以通过统计方法来推断过程变异的来 F M E A发生度等级划分准则 ， 确定其发生度 0等级 些研究而产生的措施可降低发生度。 为 5 ；最后依据现场工作人员意见和表 3的 F M E A 降低探测度 D等级可以应用先进的探测 探测度等级划分准则， 确定其可以探测出具体的故 低探测的难度， 例如采用自动报警装置等。 障模式和原因，探测度 D等级为 4 ， 计算出对应的 在 试验 台停机率降低策略中 R 用 F M PN1 E 6 A 0 意的是 ’ 在应 ．用 表 4 试验台系统 F ME A 组件信息 失效模式分析 严 发 探 改善措施 名称 作用 失效模式 影响 重 原因 生 监控 测 R P N 度 度 度 囊 冷却系统失效 5 监控器 4 l6O 日常维护 产生较大的振动 7 监控屏 6 336 采用减振 发动机 提供主要 发动机无法 系统停机 8 和噪声 装置 模块 动力来源 正常启动 功率不足 ，发动 5 指示灯 l 4 0 事后维护 机熄火 提供辅助 电机无法正 动力输出 逆变器工作故障 3 监控屏 6 1 0 8 日常维护 电机模块 6 电流受到电磁 动力来源 常启动 不稳定 7 监控屏 6 2 5 2 日常维护 干扰 超级电容剩余电 电能蓄 能 无法正常储 电能供应 容量低于启动电 5 指示灯 l 2 0 开机前检验 模块 储存能量 4 容量 存能量 不足 超级电容过充 5 指示灯 l 2 0 开机前检验 转 矩耦 合 耦 合动力 转矩耦合失 系统动力 转矩传感器轴 9 监控屏 6 4 3 2 提高系统 装置 输出 败 停止输出 8 损坏 整体刚度 实现信息 控制电路板烧穿 l 观察 4 3 2 事后维护 总控制器 采集、显 对系统无法 无法控制 8 通信中断 l 观察 4 3 2 日常维护 示及控制 进行控制 系统 功能 控制传感器损坏 1 观察 4 3 2 日常维护 电比例溢流阀 1 万能表 8 4 8 事后维护 无法提供合 负荷不稳 损坏 模拟负载 提供负载 6 适的负载 定 液压系统漏油 7 观察 6 2 5 2 日常维护 储油箱过热 7 指示灯 l 4 2 事后维护 一 39 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 根据表4 计算出的R P N值， 可以将组件的关键 等级分为三类。第一类 当 R P N3 0 0时， 则组件划 分为关键组件， 例如表 4中的发动机模块和转矩耦 合装置； 第二类 当 1 0 0 R P N 3 0 0 时， 组件属于中等 关键组件，例如电机模块和模拟负载；第三类 当 R P N1 0 0 时， 则组件为非关键组件， 例如电能蓄能 模块和总控制器。针对不同关键等级的组件， 采取 的改善等级有所不同， 液压挖掘机动力系统试验台 各组件的关键等级和改善等级如表 5 所示。 F ME A确定的试验台关键组件是发动机模块和 转矩耦合装置 ， 根据公 司实际情况和关键组件 的失 效原因， 项 目专家小组提出改善建议 在发动机模 块中采用适合试验台使用的特殊减振装置， 从而降 低发动机模块的停机率， 使得其对应的发生度等级 降低为 5 ； 针对转矩耦合装置， 在转矩传感器前后增 表 5 试验台各组件的关键等级与改善等级 组件名称 关键等级 改善等级 发动机模块 关键 重点改善 电机模块 中等关键 有条件地进行改善 电能蓄能模块 非关键 暂不改善 转矩耦合装置 关键 重点改善 总控制器 非关键 暂不改善 模拟负载 中等关键 有条件地进行改善 加双侧支撑， 提高系统整体的刚度， 以减少转矩传 感器主轴的损坏， 其对应的发生度等级也降低为 5 。 相应的 R P N值以及改善措施和改善后的效果如表 6所示。由表 6可以看 出， 通过关键组件 的确定 ， 故 障原因的追溯， 各种失效模式新的R ， 值都有所下 降， 说明F M E A的开展是有效的。 表 6 关键组件的失效原因、 R P N值、 改善措施和改善效果 失效模式分析 改善效果 严 发 探 严 发 探 组件名称 失效原因 改善措施 重 生 测 删 重 生 测 R P N 度 度 度 度 度 度 发动机模块 产生振动和噪声 8 7 6 3 3 6 采用减振装置 8 5 6 2 4 o 转矩耦合装置 转矩传感器轴损坏 8 9 6 4 3 2 提高系统整体刚度 8 5 6 2 4 o 5 结束语 对于由多种组件模块构成的系统来说 ， 系统的 稳定性很大程度上取决于系统内部组件的稳定性， 而组件的稳定性对系统性能的影响程度是有差别 的。在针对不 同组件 、 不同失效模式采取改善措施 的时候 ， 采用 F ME A方法可以很好地确定对系统性 能影 响较大 的关键组件和对 系统性 能影 响较小 的 非关键组件， 并确定关键组件的主导故障， 进而进 行有针对性的改善。因此， 将 F M E A应用于制定液 压挖掘机试验台故障停机率降低策略 ， 对于试验可 靠性和试验台性能的提高， 具有显著的效果。此外， F M E A是一个循环使用的过程， 需要持续改进[6 1。 a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e ms T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 1 2 3 3 5 2 3 6 3 ． [ 2 ]2 S c h o u t e n N J ， S al m a n M A， K h e i r N A． F u z z y l o g i c c o n t r o l f o r p a r a l l e l h y b ri d v e h i c l e s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n C o n - t r o l S y s t e ms T e c h n o l o gy ， 2 0 0 2， 1 0 3 4 6 0 -- 4 6 8 ． 【 3 】S e t a B o g o s y a n ，M e t i n G o k a s a n ， G o e r i n g D J ． A n o v e l mo d e l v a l i d a t i o n a n d e s t i ma t i o n a p p r o a c h f o r h y b ri d s e rial e l e c t r i c v e h i c l e s [ J 1 ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n V e h i c u l a r T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ， 5 6 4 1 4 8 5 1 4 9 7 ． [ 4 】D H S t a ma t i s ． 故障模式影响分析 F ME A从理论到实践 [ M】 ． 陈晓彤， 姚绍华， 译． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 5 】失效模式与后果分析 F ME A 参考手册[ M] ． 曹静芳 ， 译． 第 4版． 2 0 0 8 ． 【 6 ]胜坚． F ME A与质量缺陷的预防[ J ] ． 世界标准化与质量 管理， 2 0 0 2 2 1 7 1 9 ． 参考文献 通信地址 长春市人民大街 5 9 8 8号吉林大学南岭校区机 [ 1 ]A n t 。 n i 。s c i a r r e t t a ， Mi c h a e l B a c k , L i n o G u z z e l l 0 p t i ma l 械科学与工程学院 1 3 o o 2 5 收稿日期 2 0 1 1 1 0 2 8 c o n t r o l o f p a r a l l e l h y b ri d e l e c t r i c v e h i c l e s [ J ] ． I E E E T r a n s 一 -- 4 0- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m