基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析.pdf

2 0 1 3年 I 1 月 第 4 1 卷 第 2 1期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 4 7 基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析 苗明 ，王真 ，张乐 ，宋晓光 ，王春有 ，钟耀伟。 ，陈勇力 1 ．大连理工大学机械 工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 4； 2 ．大连理工大学 徐州 I 工程机械研 究中心 ，江苏徐州 I 2 2 1 0 0 4； 3 ．徐 州重型机械有限公司，江苏徐 州 2 2 1 0 0 4 ；4 ．大连市特种设备监督检验所 ，辽宁大连 1 1 6 0 2 1 摘要动臂塔机液压顶升系统可靠性直接影响整机安全性。根据系统实际结构组成构建故障树，运用蒙特卡洛算法对 其液压系统进行可靠性仿真评估 ，得到可靠度曲线，找出影响系统可靠性的薄弱点，提出改进可靠性的方法，为液压顶升 系统进一步优化和维修提供参考，具有一定的工程实际应用价值。 关键词动臂塔机；液压顶升系统 ；故障树 ；蒙特卡洛算法；可靠性 中图分类号 T H 1 2 1 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 11 7 5 5 S i mul a t i o n An a l y s i s f o r t h e Hy d r a ul i c Li f t i ng S y s t e m Re l i a b i l i t y o f To we r Cr a ne Ba s e d o n Fa u l t Tr e e MI AO Mi n g ， W ANG Zh e n ，ZHANG L e ， S ONG Xi a o g u a n g ， W ANG Ch u n y o u ， ZHONG Ya o we i ， CHEN Yo n g l i 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 ，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ． C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y R e s e a r c h C e n t e r ，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y X u z h o u ， X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a ；3 ． Xu z h o u He a v y Ma c h i n e r y C o ．，L t d ． ，Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a ； 4 ． D a l i a n C i t y S p e c i a l E q u i p me n t S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e l i a b i l i t y o f t h e h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m o f t o w e r c r a n e d i r e c t l y a f f e c t s s afe t y o f t h e wh o l e ma c h i n e ． F a u l t t r e e w a s b u i l t a c c o r d i n g t o t h e a c t u a l s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m，t h e r e l i a bi l i t y s i mu l a t i o n e v alu a t i o n a b o u t t h e h y d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m w a s ma d e b a s e d o n Mo n t e C a r l o a l g o ri t h m，r e l i ab i l i t y c u r v e s we r e o b t a i n e d，t h e we a k p o i n t s i n fl u e n c i n g t h e r e l i a b i l i t y we r e f o u n d， t h e i mp r o v e d wa y s f o r t h i s s y s t e m we r e c o n c l u d e d ．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e for t h e f u r t h e r o p t i mi z a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f t h e h y d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m a n d h a s c e rta i n e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n v a l u e ． Ke y wo r ds T o we r c r a n e ； Hy d r a u l i c l i ft i n g s y s t e m； F a u l t t r e e； Mo n t e Ca r l o a l g o ri t h m ；Re l i a b i l i t y 动臂塔机是一种高危户外特种设备 ，顶升机构作 为五大机构之一，使用过程中会出现诸多故障，严重 影响塔机工作的安全性、经济性和可靠性。对动臂塔 机液压顶升系统进行可靠性仿真分析，排除使用中可 能 出现 的问题 ，研究提 高其 可靠 性的途径和措施 ，避 免可能发生的安全事故 ，对提高作业效率、保障安全 施工及延长设备使用寿命，有很大的现实意义和经济 价值。因此，如何提高动臂塔机液压顶升系统可靠性 是亟待解决的问题。 1 动臂塔机液压顶升 系统分析及故障树建模 1 ． 1 动臂塔机液压顶升 系统分析 以 1 6 0 0 0 k N i n动臂塔机为例，其液压顶升系 统原理如 图 1 所示 。 1 一 柱塞 泵2 一 吸 油过 滤 器 3 一 回油 过滤 器4 一 手动 切 换 阀 5 、 6 、 7 一换 向阀 8 、 l l 一 溢流 阔 9 一单 向节 流 阀 l O 一 背 压 阀 1 2 一 平衡 阀 图 1 1 6 0 0 0 k N m动臂塔式起重机液压顶升系统原理图 收稿 日期 2 0 1 21 1 1 5 作者简介苗明 1 9 5 6 一 ，男，满，硕士，副教授，研究方向为工程机械机构仿真。Em a i l m i a o m1 6 3 ． c o m。 1 7 6 机床与液压 第 4 l卷 液压站由负载敏感带压力补偿的柱塞泵 1供油 ； 吸油过滤器 2确保液压系统油液的清洁度 ；回油过滤 器 3可确保流 回油箱 的液压油 的清洁度 ；手动切换 阀 4可实现顶 升和冷却油路 的切换 ；换 向 阀 5的 3个工 作位置分别控制顶升油缸的顶升、停止和缩回；换向 阀 6 、7对两个顶升 油缸 的顶 升和 回缩分别进 行启 闭 和速度 的调节 ；溢流阀 8 、1 1 分别设定有杆腔 和无杆 腔最 高工作压力 ；单向节流阀 9用来 控制活塞杆 的回 缩速度 ；背压 阀 1 0产 生一定 的 回油阻力 ，改 善油 缸 运动的平稳性 ；平衡 阀 l 2在顶升 油缸停止 运动 时起 锁止作用 ，将油缸中的油液锁住。 1 ． 2 动臂塔机液压顸升 系统故障树建模 用故障树分析法，以 “ 液压顶升系统故障”为 顶事件 ，对该液压系统进行建模 ，如 图 2所示 ，T代 表顶事件 ，M代表中间事件，x代表底事件⋯。故障 树中各个符号 的含义见表 1 。 图 2 液压顶升系统故障树 表 1 故障树 中各个符号的含义 符号 事件 符号 事件 T 液压顶升系统故障 MI 顶升速度异常 M 2 工作噪声过大 M 3 顶升动作无力 M 4 活塞杆 回缩失效 M5 油 温过 高 M 6 顶升速度下降 M 7 油缸爬行 M 8 自动溜缸 M 9 进入主缸油压不 足 MI O 液压缸内部故障 M1 1 系统压力低 M1 2 液压泵故障 M1 3 供油量不足 M1 4 换 向阀 5故 障 M1 5 手动切换 阀故 障 x l 泵吸空 X 2 液压油污染严重 x 3 吸、排管靠得太近 X 4 高压软管爆裂 X 5 液压管路泄漏 X 6 单向节流阀调节螺钉拧得或紧或松 X 7 油箱过小，散热不良 x 8 换向阀6故障 X 9 换向阀7故障 XI O 溢流阀调压失灵 X 1 1 背压溢流阀故障 X 1 2 换向阀 5阀内串腔 X 1 3 液压缸密封不良 X 1 4 平衡阀故障 X 1 5 过滤器堵塞 X 1 6 油 温过 高 ，黏度过低 X 1 7 液压缸内部磨损严重 X 1 8 泵磨损 X 1 9 泵泄漏 X 2 0 换向阀5阀内泄 X 2 1 油液黏度过高 X 2 2 手动切换阀阀芯卡死或拉坏 X 2 3 油箱油液不足 X 2 4 发动机失效 X 2 5 单向阀故障 建树过程做如下假设 1 各元器件故障和失效概率相互独立； 2 各元器件只有正常和故障两种状态； 3 不考虑人为因素和外 界干扰 的影 响。 2 动臂塔机液压顶升系统故障树分析 此故障树逻辑门全为或门，所以每个底事件都是 第 2 1 期 苗明 等基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析 1 7 7 顶 事件 的 一个 最小 割集 。一般 地 ，液 压 元件 在 偶 然 失效期内，其寿命分布近似服从指数分布 。要得到 液压顶升系统可靠度，首先要确定各元件可靠度。首 先 ，确定各元件基本失效率 A ，A 是根据标准使用 条件 、实验条件 和环境 条件得 到的 ；其次 ，确定各 元 件的应用失效率 A ，A 是 A 乘上环境系数 得到 的，即 A K A 1 液压元件基本失效率的环境系数 K见表 2 ，根据 动臂塔机实际使用情况， 应取 1 5 ；再次 ，采用元 件计数法计算每种底事件的失效率 A A ， -∑ A ； 2 其中 表示第 i 种底事件的数量 。 指数分 布是描述失效 率为某一 常数 的故 障分 布 ，其密度函数为 l厂 t A e A 0 表 2 液压元件基本失效率的环境系数 环境条件 环境系数 实验室设备 1 2 固定地面设备 5～ 2 0 活动地面设 备 1 0～3 0 船载设备 1 5～ 4 0 飞机设备 2 5～1 0 0 导弹设备 2 0 0～1 0 0 0 可靠度函数为 ∞ ∞ 尺 f t d t f A e d t e J f J t 其底事件平均寿命等于失效率的倒数，即 MT BF 1 A 元器件及各底事件失效率见表3 。 3 表 3 元器件及各底事件失效率 3 动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真 采用蒙特卡洛方法，在计算机上用 M A T L A B语 言编写程序 ，对该系统进行可靠性仿真 。 4 5 3 ． 1 仿真参数的选取 系统最大工作时 间 一 的选取 ，通常采用 试算 的 方法 ，即对仿 真 时系统 可 能发 生失 效 的时 间进行 估 1 7 8 机床与液压 第4 1 卷 计 ，人为预定 t ⋯ 进行试运行。统计仿真结果中落在 此值之前和之后的失效次数，调整 t ⋯ 值的大小 ，直 到仿真结果中系统失效时间极少落在此值后为止。仿 真次数的选取通 常也采用试算的方法 ，现设置不 同的 仿真参数 ，输 出结果见表 4 ，可看 出仿 真次数达 到 1 0 0 0 0 次 时 ，仿真结果趋于稳定。因此 ，在满足精度 要求 的前提下 ，出于时 间上 的考 虑 ，仿 真选 取 t ⋯ 5 0 0 0 h ，仿真次数 N1 0 0 0 0 ，由仿真结果可见 ，没 有发生系统失效 时问超 过 4 8 7 0 h以上 的情况 ，系统 的平均寿命 MT B F 5 4 9 h ，可靠性仿真流程图如图3 所示 表 4 不同仿 真次数 下的仿真结果 开始 设定可靠性仿真参数f 输入系统最大工作 时 间t ⋯ 、仿真 次数 N、底事 件分 布 函数 初 始化 仿真 次数 i 0 底 事件 失效 时 间随机 抽样 ，并 按从 小 到大 顺序 排 列 ，得 到 系统 失效 时 间 记录 系统 失效 时 间落入 的 区 间， 得 到 导致 系统 失效 的底 事 件 I笙塞二 姿 堕 垩堑 l 结 束 图3 可靠性仿真流程图 3 ． 2 可靠性指标 各 底事件 的可靠性指标见表 5 。 表 5 各底事件的可靠性指标 符号 基本部件重要度 基本部件模式重要度 符号 基本部件重要度 基本部件模式重要度 X1 1 0 ． 00 9 6 X2 l 0． 1 0 7 3 X3 1 0． 001 7 X4 l 0． 1 6 5 1 0． 0 0 3 2 X6 1 0． 0 01 4 X7 1 0． 01 1 2 X8 1 0． 0 4 7 2 X9 1 0． 0 4 9 3 X1 0 1 0． 0 4 7 1 X11 1 0． 0 4 9 2 X1 2 1 0． O 0 0 2 X1 3 1 0． 0 78 3 X1 4 1 0． 0 9 0 8 Xl 5 1 0． 0 0 2 X1 6 1 0． 0 08 8 X1 7 1 0． 03 9 3 X1 8 1 0． 08 0 9 X1 9 1 0 ． 01 7 8 X2 0 1 0． 011 5 X21 1 0 ． 01 8 6 X2 2 1 0． 08 0 8 X2 3 1 0． O4 2 6 X2 4 1 0 ． 00 0 4 X2 5 1 0 ． 0 40 8 1 系统可靠度 R t R t 1一 6 V 其 中r 表示在 t ≤t 时 间内 ，系统发 生的总失 效数 ； Ⅳ为总仿真次数。 2 系统平均寿命 MT B F J G J T 1 8 9 - 2 0 0 9建筑起重机安全评估技术规程 中规定 1 2 5 0 k N m 以上 含 1 2 5 0 k N m 的塔 机 、出厂年限超过 2 0年 不含 2 0年 ，应进 行安全 评估 。现将 1 6 0 0 0 k N m动臂 塔机 外爬 式 整 机 工作寿命定为 2 0年 ，根据市场调查，平均每两月顶 升一次 ，即每年顶升 6次，每次顶升 2 0 m，顶升油 缸行程4 m，所以每次顶升可 以加 5节塔身。因此 ， 在 1 6 0 0 0 k N m动臂塔式起 重机 的寿命 内，顶升机 构的工作时间为 6 0 0 h ；按 G B ／ T 3 6 1 1 - 2 0 0 8 }初定 1 6 0 0 0 k N m动臂塔机顶 升机构 的使用等级为 时间为 4 0 0t 8 0 0 ，满足使用要求。 由于故障树各个底事件相互独立 ，所以可采用串 联系统故障率计算公式 n A A 2 12 0 4 ⋯ 7 5 1 0 一 ， l l 0 ． 0 0 1 8 5 5 2 3 7 又由于故障树各个底事件均服从指数分布，可得 系统 的平均寿命 第 2 l 期 苗明 等基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析 1 7 9 亡 3 ∑ A “ ， 。 、 所 示 。 o J 即理论计算得到的平均寿命与仿真得到的平均寿命的 误差△ 1 ． 9 ％，验证了仿真的正确性。 3 重要度的计算 基 本部件重要度 X 基本部件 x 失效引起系统失效次数 ， n 、 基本部件 x 失效总次数 基本部件 模式重要度 X 基本部件 x 失效引起系统失效次数 ， ， n 、 系统的总失效次数 3 ． 3 动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真结果及分析 可靠性仿真曲线如图4所示。 图4 可靠性仿真曲线 1 由3个表可知，各个部件的基本部件重要 度都为 1 ． 0 0 0 ，说明系统中每个部件发生故障都会引 起液压顶升系统的故障；部件的概率重要度的数值越 大说明该部件发生故障的概率越大 ，是系统的薄弱环 节 。 2 G B T 5 0 3 1 - 2 0 0 8塔式起重机 中规定，塔 机检查包括 日常、周期、定期、全面和特殊检查。其 中，每年至少要进行一次定期检查 ，此时顶升机构 已 工作 3 0 h ；每 4年至少进行一次全面检查 ，此时顶升 机构已工作 1 2 0 h 。再根据实 际使用要求，动臂塔 机 一般 顶升 工 作 约 1 5 0 h就 要 进 行 技 术 维 护 保 养 ， 从 图 4可 以看 出 ，液 压 顶升 系统 此 时正 常 工作 的可 靠度为 0 ． 7 5 7 4 ，而 工 程机 械液 压 系 统 的 工 作 可靠 度一般为0 ． 61 ，故该液压顶升系统可靠度是满足 要求 的 。 3 液压顶升系统在工作的过程中，会出现底 事件 X 4高压软管爆裂事故 ，而防爆切断阀具有防止 高压软管爆裂 的作用 ，防爆切断 阀的位置如图 5所 示 ，这样高压软管爆裂事故发生时，防爆切断阀会 将高压腔液压油锁住 ，确保塔机安全。加防爆切断 阀后 ，系统平均寿命变为 6 4 2 h ，大于 6 0 0 h ，提高 了约 1 9 ％ ，满足标准对动臂塔机液压顶升系统工作 寿命的规定 ，因此 ，防爆切断阀的引入可 以大幅度 提高系统可靠性。改进前后系统可靠度曲线如图 6 图 5 防爆切断阀的位置图 图6 加防爆切断阀前后系统可靠度曲线 4 从得 到 的数据 可 以看 出 ，液压 油污 染是 液 压顶升系统故障的关键。现将液压油液清洁度提高两 倍 ，系统 的平均寿命 变为 5 8 7 h ，提高 了约 1 0 ％ ，可 靠性得到一定提高。改进前后系统可靠度曲线如图7 所示 。 图7 提高液压油清洁度前后系统可靠度曲线 5 从得到的数据还可看出底事件 X 1 3 、X 1 4 、 X 1 8 、X 2 2 对系统的可靠性影响较大 ，现将可靠性均 提高 1倍，系统 的平均寿命变为 6 4 5 h ，提高了约 2 0 ％ ，系统可靠性 得到很 大提高。改进前后系统可靠 度 曲线如 图 8所示。 图8 提高 X 1 3 、X1 4 、X 1 8 、X 2 2 可靠度前后系统可靠度曲线 下转第6 6页