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单斗挖掘机液压系统故障分析和可靠性评估新法 3 东南大学机械工程系 苏 春 沈 戈 许映秋 摘 要以某型单斗挖掘机液压系统的故障分析及可靠性评估为目标,基于Petri网理论建立液压系统的故 障Petri网模型,采用割集理论确定液压系统故障的所有割集,利用故障Petri网的定量计算能力求解液压系统的 可用度指标数据。应用表明,与故障树法相比,故障Petri网在定性分析和定量计算方面具有优势。 关键词挖掘机;液压系统;故障;可靠性; Petri网 Abstract Aiming at realizing failure analysis and reliability uation of a mono - bucket excavator’s hydraulic system , a failure model based on Petri net is established , cut set of hydraulic system failures is determined , and availability index of the system is obtained using quantitative calculation function of Petri net.It is concluded that Failure Petri Net Analysis has advantages in qualitative analysis and quantitative calculation over the Fault Tree Analysis one. Keywords excavator; hydraulic system; fault ; reliability; Petri net 单斗液压挖掘机是常用的工程机械,除进行土 石方的挖掘外,通过更换工作装置,它还可以完成 起重、装载、抓取、打桩、破碎钻孔等类型的作 业。液压系统是实现上述功能的重要基础[1]。由于 工作环境恶劣、工况复杂多变,挖掘机液压系统的 故障分析和可靠性计算始终是产品研发及维护的薄 弱环节。本文以国产某型履带式单斗挖掘机为对 象,基于故障Petri网理论建立挖掘机液压系统故 障模型,获得故障定性分析和定量求解系统的可用 度指标,为液压系统的可靠性维护提供依据。 1 挖掘机液压系统功能分析及故障判据 某单斗液压挖掘机由工作装置、回转机构及行 走机构等部分组成,工作装置包括动臂、斗杆及铲 斗等见图 1 。上述机构的动作均由液压系统驱 动,挖掘机典型工作循环为挖掘、满斗提升及回 转、卸载、返回等。 挖掘机液压系统由2个独立回路组成,分上车 和下车2部分[1]。上车部分位于回转平台以上,包 括液压缸、液压泵、回转液压马达及控制阀等元 件;下车部分位于行走履带底盘上,设有2个行走 液压马达,由上车液压泵提供的压力油通过中心回 转接头进入下车液压系统,驱动行走马达旋转,使 挖掘机完成行驶功能。液压系统简图见图2。 分析挖掘机功能,给出挖掘机液压系统的故障 3 国家自然科学基金资助项目50405021 判据为 1 回转平台的速度低于额定值; 2挖 掘力达不到额定值 ; 3 挖掘机的行走速度低于额 定值。只要符合其中1项判据,即可认定液压系统 存在故障现象。 图1 某单斗液压挖掘机简图 1.斗杆缸 2.铲斗缸 3.动臂缸 4.回转平台 5.行走履带 2 系统故障分析及故障Petri网 211 系统故障分析的基本方法 故障分析是产品可靠性评估的重要基础。目 前,故障分析的主要方法有故障模式影响及致命度 分析 FMECA、故 障 树 分 析 FTA、事 件 树 ET等形式。 FMECA采用从元件到系统的模式,且以定性 分析为主。对复杂系统而言, FMECA的实施繁琐、 困难。此外, FMECA是单因素分析法,难以分析 多因素引起的故障,在对环境效应分析方面也有局 限[2]。FTA采用自顶向下、逐步演绎的方法分析系 统薄弱环节,但存在图形元素种类繁多、缺乏一致 85起重运输机械 2007 1 图2 某单斗挖掘机液压系统简图 1、2.液压泵 3.回转马达 4.缓冲补油阀组 5、6.左、右履带行走马达 7.行走马达双速阀 8.补油单向阀 9. 中心回转接头 10.限速阀 11.溢流阀 12.梭阀 13.合流阀 14.铲斗缸 15.斗杆缸 16.动臂缸 17.单向节流 阀 18.溢流阀 19.背压阀 20.节流阀 21.冷却器 22.滤油器 23.缓冲阀 性、分析过程复杂等缺点。另外, FTA对系统随机 /动态运行过程的描述能力较弱,难以定量描述部 件故障对系统可靠性的影响,难以准确描述和计算 子系统故障状态的依赖性和传递性[4～5]。上述缺点 使FTA的实际应用受到限制。 212 故障Petri网理论及其对故障关系的表达 1962年, Carl Adam Petri首先采用网状模型来 研究通信系统[3],并形成Petri网理论。Petri网兼 具有图形化建模能力和数学计算能力,在系统描述 和动态性能分析方面具有独到之处[4]。目前, Petri 网已在离散事件系统性能分析中得到广泛应用。 定义1 基本Petri网由三元组构成,即N P, T, F 。其中P{ p1,p2,⋯,pn}为库 所集,表示系统状态;T{ t1,t2,⋯,tm}为 变迁集,表示系统状态的变化,反映了系统的动态 特性;F P T ∪ T P 为输入和输出函 数流关系 , 它建立了库所与变迁之间、变迁与 库所之间的单方向联系。 在Petri网的图形表示中,一般用“○ ”表示 库所,用库所中的黑点即托肯表示资源数量,用 “|”表示变迁,用“→ ”表示流关系。 定义2 故障Petri网FPN由七元组构成 P, T,I ,O , f I , f O ,μ。其中P为 库所集,表示部件或系统的故障状态;T为变迁 集,表示故障状态的传递过程;I和O分别为输入 函数和输出函数; f I为输入函数的失效概率 集, f O是输出函数的失效概率集,它由输入 函数的失效概率决定。 FPN与基本Petri网存在以下区别 1 FPN某 一时刻的标识表示所描述系统的故障状态,变迁激 发引起模型标识的变化,表示系统故障信息的流 动。2模型中,变迁激发后其前集库所中托肯数 目不发生变化,即底层故障在向上层传递的过程中 并未消失 ; 3 库所和变迁之间的有向弧表示故障 的传播关系,用以描述故障事件之间一因一果、一 因多果、竞争等逻辑关系。如果标识处于故障逻辑 关系的顶位置,则表示系统发生故障。 与故障树法相比,故障Petri网仅以库所、变 迁以及库所与变迁之间的有向弧来表示故障事件之 间的逻辑关系及其演化过程,故障模型简洁、故障 95起重运输机械 2007 1 传播关系明确。另外,通过赋予变迁以时间特性, 故障Petri网还能精确地描述系统运行及故障演化 的全部过程,并为系统故障及可靠性指标的定量计 算创造了条件。 213 故障Petri网的定量计算方法 故障分析的重要任务是计算系统发生故障即 顶事件的概率[5]。故障Petri网中f Ii表示输 入集、f Oi表示输出集。经过变迁后,下级故 障事件向上级传播。根据故障事件的逻辑关系,存 在单输入单输出变迁、单输入多输出变迁、多输入 单输出变迁和多输入多输出变迁等形式。 工程机械液压系统的故障逻辑关系多表现为 “ 与” 、 “或”关系,变迁主要为多输入单输出变迁 和单输入单输出变迁。对于1个多输入库所的变 迁,只有当所有库所条件都满足时变迁才会发生。 因此,变迁的发生概率为 P tj ∏ n j 1 f I i 1 对于1个多输入变迁的库所,任意1个变迁发 生,库所代表的事件便会发生。因此,库所的发生 概率为 P pj 1- ∏ n j 1 1- f O i 2 对实际系统而言,在建立系统的故障Petri模 型后,如果已知所有底事件的发生概率,利用式 1和式2即可求解故障Petri网模型中任意节 点的故障率。 3 单斗挖掘机液压系统故障Petri网模型 311 挖掘机液压系统故障Petri网模型的建立 故障Petri网系统建模的方法与故障树分析法 相似。先要确定故障模型的顶事件,即给出的故障 判据。挖掘机液压系统的故障判据如前文所示。3 种判据故障事件构成了液压系统故障Petri网 模型的第1层次事件;再分析第1层次事件,分别 找出事件发生的直接原因,并确定原因之间的逻辑 关系;依此类推,直到找出导致系统故障的最底层 原因,建立挖掘机液压系统的故障Petri网模型如 图3所示。图中各库所的含义如表1所示。该型挖 掘机的大修周期约为5 000 h。在寿命周期内,各 底事件的发生概率如序号后括号内所示[1]。 312 故障Petri网的定性分析 图3 挖掘机液压系统故障Petri网模型 故障Petri网定性分析的任务是寻找导致顶事 件发生系统故障所有可能的失效模式及其状态 组合,也就是找出故障Petri网全部的最小割集。 割集是能使顶事件发生的底事件集合。如果割集中 的任一底事件不发生时顶事件也不发生,则称这样 的割集为最小割集。最小割集是1种包含了最小数 量且为最必须的底事件的割集。故障Petri网的1 个割集,表示该系统发生故障的1种可能性,即1 种失效模式。最小割集发生时顶事件必然发生,因 此故障Petri网的全部最小割集代表顶事件发生的 所有可能,即系统的全部故障模式。 故障Petri网的最小割集往往不止1个,找出 系统全部最小割集具有重要意义。根据最小割集可 以有针对性地改进系统设计和制定维修策略,用最 合理的方法提高系统可靠性水平。 T1S1Liu、S1B1Chiou等人提出利用最小割集矩 阵和不交化最小割集矩阵的算法[6]。采用该算法寻 找最小割集的步骤如下 1 如果输出库所通过多 条弧线与变迁相连,则按水平排列方式记下库所的 编号;2如果输出库所通过单条弧线与变迁相 连,则按垂直排列的方式记下输入库所的编号; 3以下一级库所代替所有的中间库所,建立库所 阵列。如果在行和列之间存在公共编号的库所,这 些库所将被行和列共享,阵列的列向量就表示割 集。4去除超集,就得到最小割集。 按上述方法,得到挖掘机液压系统故障Petri 06起重运输机械 2007 1 表1 液压系统故障Petri网模型中库所含义及其故障率 底事件库所库所含义中间事件库所库所含义 1 01 02 溢流阀调节压力偏低101液压系统故障 2 01 0005 液压泵供油少102回转速度缓慢 3 01 01 回转马达泄漏严重103挖掘力小 4 01 01 行走马达泄漏严重104行走速度缓慢 5 010005油温过高,粘度下降105进入液压缸油液压力不足 6 01 01 柱塞1磨损严重106液压缸内泄漏严重 7 01 05 发动机故障107换向阀系统故障 8 01 015 泵进油口密封不良108合流阀系统故障 9 010005油液流量不足109进入换向油液压力不足 10 01 01 阀芯磨损严重110换向阀泄漏严重 11 01 06 合流阀不良111进入合流阀油液压力不足 12 01 01 柱塞2磨损严重112液压泵1性能失效 13 01 015 泵进油口密封不良113液压泵2性能失效 14 01 005 液压缸活塞密封不良114泵1内泄漏严重 15 01 02 溢流阀调节压力偏低115泵1吸入空气 16 01 007 液压缸控制阀泄漏严重116泵2内泄漏严重 17 01 0005 液压泵供油少117泵2吸入空气 18 01 01 行走马达内漏严重 网模型所有的最小割集为 {1} ; {2} ; {3} ; {4} ; {5} ; {6 , 12 ; {6 , 13} ; {6 , 11} ; {7} ; {8 , 12} ; {8 , 13} ;{8 , 11} ;{9} ;{10 , 11} ;{10 , 12} ; {10 , 13} ; {14} ; {15} ; {16} ; {17} ; {18}。 根据系统故障Petri网模型,由式1和式 2可以求得挖掘机任意部件及整机的故障概率及 可靠性指标。按系统大修周期为5 000 h计算,由 表1中底事件的故障率数值,可以求得系统顶事件 液压系统故障的概率为01156。因此,该挖掘 机液压系统的可靠度为01844。 4 结论 本文在分析单斗式挖掘机液压系统结构和功能 的基础上,建立系统故障Petri网模型,通过定性 分析和定量计算得到系统可靠性数值指标,为系统 维修提供了重要的参考依据。以液压系统Petri网 模型为基础,还可以进行仿真计算,求解系统动态 可靠性指标。与故障树分析法相比,故障Petri网 模型能清晰表达各级故障之间的逻辑关系,数值计 算简便,有广泛的应用前景。 参 考 文 献 1 刘忠 1 工程机械液压传动原理、故障诊断与排除 1 北 京机械工业出版社, 2005 2 王超,王金 1 机械可靠性工程 1 北京冶金工业出版 社, 1992 3 袁崇义 1Petri网原理 1 北京电子工业出版社, 1998 4 林闯 1 随机Petri网和系统性能评价 1 北京清华大学出 版社, 2000 5 Adamyan Angela , He David1Failure and Safety Assessment of System Using Petri Nets1International Conference on Robotics Automation , Washington DC, 2002 6 Liu T S, Choiu S B1The Application of Petri Nets to Failure Analysis1ReliabilityEngineeringandSystemSafety , 1997 57 129142 作 者苏 春 地 址江苏南京东南大学机械工程系 邮 编 210096 收稿日期 2006 - 03 - 03 16起重运输机械 2007 1