基于故障树分析法的大型特种车辆液压系统的可靠性仿真分析.pdf

2 0 1 1 年 1 O月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 4 3 基于故障树分析法的大型特种车辆液压系统的可靠性仿真分析 周爱萍 ，王显会 ，宋子健 1 ．南京理工大学机械工程学院，江苏南京 2 1 0 0 9 3 ； 2 ．河海大学土木与交通学院，江苏南京 2 1 0 0 9 8 摘要分析大型运输车辆液压系统结构间的逻辑关系，针对该车升降系统的 “ 单点中位沉降”这一故障模式建立可靠 性框图，在此基础上构建故障树模型，利用 V i s u a l B a s i c以及蒙特卡洛算法编制可靠性仿真分析软件 ，通过软件系统计算得 到底事件的重要度以及系统可靠度指标等参数。结果表明该软件系统在可靠性仿真分析过程中计算快捷，操作方便，同 时计算结果与实际情况相符，为提高该运输车的可靠性和安全性提供了有力的依据 ，对该车的研发与生产有着重要的意 义 。 ， 关键词液压系统 ；故障树分析；蒙特卡洛法；可靠性仿真 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 91 5 1 4 The S i mul a t i o n An a l y s i s f o r Hy d r a ul i c Sy s t e m Re l i a b i l i t y o f He a v y Tr a n s po r t Ve h i c l e Ba s e d o n Fa ul t Tr e e An a l y s i s Z HO U A i p i n g ， WA N G X i a n h u i ，S O N G Z i j i a n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g 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 J i a n g s u 2 1 0 0 9 3 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f C i v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e l o g i c a l r e l a t i o n s h i p o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r t h e h e a v y t r a n s p o r t v e h i c l e w a s a n a l y z e d ． I n v i e w o f t h e f a u l t mo d e “ s i n g l e p o i n t me d i a n s e t t l e me n t ” o f t h e u p d o wn s y s t e m ，t h e r e l i a b i l i t y b l o c k d i a g r a m w a s b u i l t ． O n t h i s f o u n d a t i o n， t h e f a u l t t r e e mo d e l wa s c o n s t r u c t e d ． Re l i a b i l i t y s i mu l a t i o n s o f t wa r e s y s t e m w a s c o mp i l e d b y v i s u a l b a s i c l a n g u a g e a n d Mo n t e Ca r l e me t h o d ． T h e p a r a me t e r s， s uc h a s i mpo rta n c e o f t he b a s i c e v e n t s ， s y s t e m r e l i a bi l i t y i n d e x e t c， we r e c alc ul a t e d b y t h e s o f t wa r e s y s t e m． Th e c alc u l a t e d r e s u l t s h o w s t h i s s o f t w a r e s y s t e m o p e r a t i o n i s s i mp l e a n d c o n v e n i e n t a n d t h e c alc u l a t e d r e s u l t c o i n c i d e s wi t h t h e p r a c t i c al s i t u a ’ t i o n ． I t p r o v i d e s s t r o n g s u p p o rt f o r i mp rov i n g t h e r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y o f t h e v e h i c l e ， an d h a s i mp o rt a n t s i g n i fi c a n c e i n r e s e a r c h i n g a n d p r o d u c i n g t h e t r an s p o r t v e h i c l e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m ； F a u l t t r e e a n aly s i s ；Mo n t e C a r l e me t h o d；Re l i a b i l i t y s i mu l a t i o n 某企业 近期生 产 了一 辆载质量 1 4 0 t 的装载 运输 车 ，是大型货物 的主要 陆地 运输 工具 ，是集 机 、电、 液一体化 的高技术 产品。此特种运输车是企业首例 自 主制造的重型装载车，改变了以往一直靠进 口的局 面。其中，液压系统是该特种车的重要部分，主要包 括 4个部分 升降系统 ，转向系统 ，驱动系统和冷却 系统等。 该运输车液压系统的结构复杂，液压系统的故障 具有隐蔽性强、偶然性大、易受随机性等因素影响的 特点 ，使得该车液压系统的维护和检修工作量很 大 。另外 ，企业维修人员 的检修方法和手段也都不是 很充分 ，不能及时发现和预防故障的产生，不能迅速 排除出现的故障等，这些都直接影响了该车的工作效 率和使用安全性。 为了找出系统的薄弱环节，改进和完善液压系统 的设计 ，有效提高该车的可靠性，同时也为了提高后 期该车的检修维护工作效率 ，减少不必要的检修费用 和时间等 ，在该特种运输车批量生产之前 ，有必要进 行可靠性分析。所以经研究 ，决定利用故障树分析技 术对各系统进行建模 ，然后利用蒙特卡洛算法对故障 树进行仿真，最后得出系统的可靠性数据 ，为提高该 运输车液压系统的可靠性和进行有效的故障维修提供 值得借鉴的理论依据。 1 液压 系统分析及故障树建模 1 ． 1 液 压 系统分 析 从公司统计的故障情况来看 ，升降系统出故障的 情况相对较多，总是 出现 “ 升降不平”等故障。其 主要现象有单点中位沉降、单点上升过慢或无法上 升以及单点无法下降等。文中以 “ 单点 中位沉降” 作为顶事件，构建故障树，进行可靠性仿真分析 ，深 入探讨如何提高该车升降系统的可靠性。 升降系统液压原理图如图 1 所示。下降过程中液 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 7 作者简介周爱萍 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，主要研究方向为可靠性分析研究。Em a i l z h o u a i p i n g l l M2 1 2 6 ． c o n。 1 5 2 机床与液压 第 3 9卷 压缸在 重 力 作 用下 运 动 ，液 压 油 经过 液 控 单 向 阀、 升降比例阀回到油箱。系统中还有一个紧急手动下降 油路，当升降比例阀主油路出现故障、升降平台无法 下降时，为了避免发生危险，可以打开紧急手动下降 阀，液压油通过下降阀和阻尼阀回到油箱，使得升降 平台降下来。其中，电磁换 向阀5和限压阀4控制液 控单 向阀反 向导通的油路通断 以及控制导通压力 。 l j 便压缸2 一 防爆切 断阀 卜撅控单 向阀4 、l O 一 限压 阀 5 一 电磁 换 向阀6 一紧急手动 阀7 一阻尼阀8 一升降 比例阀 量泵 图 1 升降系统液压原理图 该车升降系统前后共有 4个支撑点，为了使液压 原理 图清 晰易懂 ，在 分 析简 图 中只显示 其 中的 1 ／ 4， 即某一单点液压原理图。由于升降工作中，可以单独 对某点实现 自由升降，所以如此简化对实际故障分析 没有任何影响。 升降部分的液压系统看似简单 ，在分析 “ 单点 中位沉降”这个现象时，很容易弄错可靠性 的串、 并联关系。紧急手动下降部分在升降台下降工作过程 中是贮备系统。 “ 单点 中位沉降”的故障原 因主要 有 1 液压缸故障； 2 主油路有泄漏 ； 3 紧 急手动下降油路有泄漏 液压元器件外泄漏 的故 障 现象可以目测出，所以文中的泄漏都是指内泄漏 ，假 设液压元器件没有外泄漏 。其中，主油路和紧急手 动下降油路在可靠性框图中是一个串联连接 ；重点分 析主油路液控单向阀和升降比例阀，这两个阀同时发 生故障时，系统才会出现 “ 单点中位沉降”这一故 障现象 ，所以在可靠性框图是并联连接。 1 ． 2 建造故障树 根据前面对液压系统的熟悉掌握，以及逻辑关系 的仔细分析，按照总体至部分逐级细化 的原则 ，以 “ 单点 中位沉 降” 为 顶 事 件 ，建 立 故 障树 如 图 2所 示 。 图2 “ 单点中位沉降”故障树 建树过程中做如下假设 1 各元器件的故障独立，且液压元件只有故 障和正常两种状态； 2 不考虑人为故障和外界干扰； 3 系统管道、接头处没有泄漏；液压元件没 有外泄漏；变量泵工作正常。 故 障树代码符号说 明如下 表示单点 中位沉降；M， 表示液压缸故 障；M2 表示主油路泄漏严 重 ；M 表示 液压 缸泄漏 严重 ； 表示升降比例阀故障；M5 表示液控单 向阀失效 ；M6 表示比例阀泄漏严重 ；M7 表示 比例阀油路接通；X 表示防爆切断阀外泄漏严重 ；X z 表示液压软管损坏 泄漏；X 表示紧急手动下降阀泄漏 ；X 4 表示液压缸 内吸人空气；X 5 表示液压油污染严重；X 表示柱塞 与导向套密封不严；X 7 表示密封件老化或磨损；X 8 表示油温高，黏性低；X 9 表示液控单向阀泄漏严重； 置。 表示 电磁换 向阀接通控 制油 路 ；X 表示 比例 阀主 阀芯磨损；X 。 表示 比例阀弹簧损坏；X ， 表示 比例阀 电磁控制故障；X 表示比例阀先导控制阀故障。 2 故障树分析 为 了公司应用需要 ，结合计算机 图形显示功能 以 及数值计算分析功能，用 V i s u a l B a s i c 6 ． 0语言开发 了故障树仿真分析软件，计算故障树的最小割集，进 行可靠性仿真分析。 2 ． 1 故障树定性分析计算最小割集 故障树定量分析的前提是需要通过可靠性试验 得到所有基本事件的失效分布参数等，由于该车是 1 5 4 机床与液压 第 3 9卷 设定模 拟参数如下 仿真次数设 为 1 0 0 0次 ， 统最大工作时间为2 0 0 0 h 。 仿 真结束 得出了重要度结果如图 5 所示 。 模撒泼数 1 0 0 0 莱娆最大工作时间 2 0 ∞小时 策鲢仿真氍拟时阍 2 0 1 0 - 2 1 1 0 B 0 B 麝事件重囊度橇拉塘果 事件螺号 部拌曩鬟魔梗式重翼度 事件名称 i 瘦 控单l奄阏瀣灞严熏 电磁闽接灌控嘲油鼯 比例鼹主阁芯磨损 比州阁弹鳘攒坏 电礅控铡徽簸 先导控制阁敲静 j 谈 疆软管损坏澄潞 { 镘 压赶内嵯入空气 { 羲 压油污染严蠢 拄毫与霉阿耷密射不严 密封件老化蛾磨损l 抽疆商，黏蚀慷 髓爆蕾 嘲} 鞠外{ 1ll 溅严重 系 该 系统可靠度 以及失效密度 函数 随着使用 时间的增 长 而衰减，这符合该液压系统的实际数据结果和指数函 数分布规律 。 图5 故障树最小割集计算结果 部件 重要 度 表 示部 件 置 在 系 统 中 的重 要程 度 。 若部件重要度等于 1 ，则说明只要部件 发生一次失 效 ，系统必定因其失效而发生失效。在仿真次数足够 大 、数值波动的总趋势基本稳定时，部件重要度为 1 的部件基本就是最小割集为一阶的事件 ’ 。从图 5 可以看出，部件重要度为 1的底事件就是前面通过下 行法计算出的系统的一阶最小割集，说明了仿真结果 的正确性与真实性。在系统维护和系统设计中都要重 点考虑部件重要度较大的部件。 模式重要度表示 了部件 失效 而引起 系 统失 效 的次数在系统总失效数 中的百分 比，因此部件重要度 越大，说明 置 越是系统可靠性的薄弱环节。从图 5 可以看出“ 紧急手动下降阀泄漏严重” 、“ 液压油污 染严重” 、“ 液压软管损坏泄漏”等的重要度相对较 大。要提高该系统的可靠性就要从这几个薄弱环节人 手 。 加强手动下降阀的管理，提高个别液压元件的可 靠度 ，同时提高液压油 的清洁度 ，加油液压油质量 的 管理。从相关资料 中了解到油液污染使液压系统工 作不稳定和出现的故障占总液压故障的6 0 ％ ～ 7 0 ％。 可见仿真结果是符合事实的，对实际有着重要的指导 意义。另外，要积极提高液压软管的质量，液压软管 的破损造成 的液 压油外泄漏可 能会带 来空气 环境污染 等 各种重大事故 。 在实际运用中，如果顶事件发生 ，也常根据模式 重要度大小顺序来诊断故障，指导系统运行和维修。 图6为系统模型的可靠度仿真 曲线 R ，图 7 为 系统失 效 密度 函数 分 布 曲线 t 。从 图形 可知 ， 1． 0 0． 8 0 0． 6 0． 4 0． 2 0． 0 1 0 0 5 0 0 9 0 0 1 3 0 0 1 70 0 21O 0 f ， h 0． 0 02 0 0． 0 01 5 姜0 ． 0 0 1 0 0． 0 00 5 0． 0 00 0 1 0 0 50 0 9 0 0 1 3 0 01 7 0 0 21 00 t l h 图6 系统可靠 图7 系统失效密 度 曲线 度 函数 曲线 3结论 1 文中建立的故 障树计算机仿真分析系统， 具 有实用 价值 。经过对 多种 系统仿 真分析表明 此 方 法计算结果精确可靠 ，并且操作简单 ，效率高，节省 了企业大量的人力和物力，容易被工作人员掌握和使 用，在工程上有明显的实用价值和经济效益。 2 通过可靠性仿真分析 ，可以找出系统中引 发故障发生的关键部件，按照重要度大小排列排除故 障，提高检修工作的效率，同时可以通过控制这些关 键部件的可靠度提高液压系统的可靠度，从而提高该 运输车的可靠性 。 3 企业也可以有针对性地提出产品设计改进 方案 ，使得厂方的研制和开发工作有的放矢，加快了 产品设计和成 品加工的进程，降低了试验和制造成 本，提高了产品的经济效益。 参考文献 【 1 】 何庆飞 ， 王汉功， 陈小虎． 故障树分析法在汽车起重机液 压系统故障诊断中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 2 1 9 6 1 9 8 ． 【 2 】 赵亮培． 基于故障树分析的液压系统故障诊断研究 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 6 1 9 2 0 ． 【 3 】 史定华 ， 王松瑞． 故障树分析技术方法和理论 [ M] ． 北 京 北京师范大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 4 】 王圣金． 基于蒙特卡洛仿真的液压系统动态可靠性研究 [ D] ． 南京 东南大学， 2 0 0 6 ． ， 【 5 】 杨为民， 盛一新． 系统可靠性数字仿真 [ M] ． 北京 北京 航 空航 天大学出版社 ， 1 9 9 0 ． 5 ． 【 6 】董艳秋， 田劲博． 蒙特卡洛法结构可靠性分析[ J ] ， 黑龙 江工程学院学报 自然科学版， 2 0 1 0 2 4 2 7 2 9 ． 【 7 】D U R G A R A O K ， G O P I K A V ， S A N Y A S I R A O V V S ． D y - n a mi c F a u l t T r e e An a l y s i s Us i n g Mo n t e C a r l o S i mu l a t i o n i n P r o b a b i l i s t i c S a f e t y A s s e s s me n t [ J ] ． R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S af e t y ， 2 0 0 9 ， 9 4 4 8 7 2 8 8 3 ． 【 8 】姚成玉， 赵静一， 杨成刚． 液压气动系统疑难故障分析与 处理[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 蒸 爱 一 O O O O O 0 O O O ∞ 盯 ∞ 强∞ ∞ ∞∞ ∞ ∞∞ ∞ - i l l O O 0 0 0 0 i l l