基于FTA的輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)故障模式研究

蘇凡囤，袁 博，張 琦，胡成賀

（1.解放軍理工大學(xué) 工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.95974部隊(duì)，河北 滄州 066000）

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣化、自動(dòng)化程度高，在國(guó)防工程和工程建設(shè)等領(lǐng)域占有重要地位.輪式推土機(jī)以其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高等優(yōu)勢(shì)，在建設(shè)施工過(guò)程中的重要性更加突出.但因其工作環(huán)境惡劣，施工強(qiáng)度大，導(dǎo)致該機(jī)械故障率高，維修保養(yǎng)難度大［1］.由于輪式推土機(jī)由多系統(tǒng)組成，多種故障原因往往導(dǎo)致同一種故障現(xiàn)象；同一個(gè)故障原因也可以引發(fā)多種故障現(xiàn)象，因此造成了故障診斷推理的難度大［2］.而液壓系統(tǒng)作為故障發(fā)生最多的系統(tǒng)，其故障模式研究尤為重要.相對(duì)于其他故障診斷方式，故障樹(shù)分析法是一種圖形化分析方法，該方法直觀形象、靈活方便、可移植性強(qiáng).本文將故障樹(shù)分析法用于輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)故障模式研究，找到了導(dǎo)致液壓系統(tǒng)故障的原因，用實(shí)例證明了此方法簡(jiǎn)單可靠而又行之有效.

1 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)故障分析

1.1 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)組成

輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、液壓泵、膠管總成、先導(dǎo)閥、濾油器、液控多路閥、液壓絞盤、提升油缸和傾斜油缸等組成，如圖1所示.

1.2 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)故障的特點(diǎn)

液壓元件是一種以液壓油為工作介質(zhì)的功率體積比很高的精密機(jī)械部件.液壓油常見(jiàn)的是固體金屬顆粒污染，除了顆粒污染外，如水、空氣、氧氣、蒸發(fā)和混入異種油等都會(huì)使液壓油變質(zhì).污染的油液會(huì)引起液壓元件發(fā)生故障，如液壓泵的磨損、管路或阻尼孔的堵塞、滑閥的卡死等，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的失靈.研究表明，液壓系統(tǒng)故障大約75%與油液污染有關(guān)，其次是磨損、密封裝置老化和內(nèi)外泄漏等.

輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)屬于常規(guī)的液壓系統(tǒng)，具有一般液壓系統(tǒng)的特點(diǎn).另外，輪式推土機(jī)是機(jī)、電、液的統(tǒng)一體，屬于復(fù)雜裝備.所以，其液壓系統(tǒng)還具有復(fù)雜裝備系統(tǒng)的特點(diǎn).液壓系統(tǒng)的故障特點(diǎn)總結(jié)如表1所示.

圖1 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)組成Fig.1 Components of wheel bulldozer hydraulic system

表1 液壓系統(tǒng)的故障特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of fault in hydraulic system

2 故障樹(shù)分析法

故障樹(shù)分析法是把所研究系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo)，然后尋找直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素，再找出造成下一事件發(fā)生的全部直接因素，直至追查到毋需再深究的因素為止［3］.

2.1 故障樹(shù)的符號(hào)表達(dá)

故障樹(shù)分析法中，事件是用各種不同的形狀加以區(qū)分的，事件與事件間的邏輯關(guān)系是用符號(hào)來(lái)表示的.常用的事件和邏輯關(guān)系說(shuō)明如表2所示［4－6］.

表2 故障樹(shù)常用事件和符號(hào)表Tab.2 Table of the co mmon events and signs of fault tree

2.2 故障樹(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

研究一個(gè)由n個(gè)獨(dú)立的底事件構(gòu)成的故障樹(shù)，設(shè)xi為底事件i的狀態(tài)變量，xi僅取0或1兩種狀態(tài).Φ表示頂事件的狀態(tài)變量，Φ也僅取0或1兩種狀態(tài).則有如下的定義［7－8］：

故障樹(shù)頂事件是設(shè)備所不希望發(fā)生的故障狀態(tài)，Φ＝1，相應(yīng)的底事件狀態(tài)為元件故障狀態(tài)，xi＝1.頂事件狀態(tài)Φ完全由故障樹(shù)底事件狀態(tài)X所決定，即Φ＝Φ（X），其中X＝（x1，x2，x3，…，xn），稱Φ（X）為故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù).

結(jié)構(gòu)函數(shù)是表示設(shè)備狀態(tài)的一種布爾函數(shù)，其自變量為該設(shè)備組成單元的狀態(tài).不同的故障樹(shù)有不同的邏輯結(jié)構(gòu)，從而對(duì)應(yīng)不同的結(jié)構(gòu)函數(shù).

2.1.1 與門結(jié)構(gòu)函數(shù)

與門結(jié)構(gòu)函數(shù)為

式中：n為底事件數(shù).當(dāng)xi僅取0或1兩個(gè)數(shù)值時(shí)，式（3）可以改寫為

式（4）說(shuō)明當(dāng)全部部件、元件發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備才有故障，其中只要有一個(gè)部件正常，則設(shè)備正常.

2.1.2 或門結(jié)構(gòu)函數(shù)

或門結(jié)構(gòu)函數(shù)為

當(dāng)xi僅取0或1兩個(gè)數(shù)值時(shí)，式（5）可以改寫為

式（6）說(shuō)明只要有一個(gè)部件或元件發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備就會(huì)發(fā)生故障.

2.3 故障樹(shù)的繪制與表達(dá)

故障樹(shù)的建立是故障分析的前提和基礎(chǔ)，構(gòu)建故障樹(shù)一般有演繹法和合成法.它們的思路基本相同，都是首先確定頂事件，建立邊界條件，然后通過(guò)逐級(jí)分解得到故障樹(shù)，再將原始故障樹(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到最終的故障樹(shù)，供后續(xù)的分析計(jì)算使用.演繹法主要用于人工建樹(shù)，合成法主要用于計(jì)算機(jī)輔助建樹(shù)［3］.故障樹(shù)的構(gòu)建流程一般如圖2所示.

圖2 故障樹(shù)構(gòu)建流程Fig.2 Flow of the fault tree construction

3 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)的故障樹(shù)構(gòu)建

3.1 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)的常見(jiàn)故障模式

輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障種類多，且故障現(xiàn)象與故障原因不是一一對(duì)應(yīng).對(duì)故障現(xiàn)象歸納整理可知，常見(jiàn)的主要故障為系統(tǒng)壓力故障、系統(tǒng)有噪音和雜音、油泵運(yùn)轉(zhuǎn)故障、油缸不工作等，主要表現(xiàn)為9種情況，如表3所示.

3.2 輪式推土機(jī)典型故障故障樹(shù)的構(gòu)建

由于輪式推土機(jī)各系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)緊密，直接導(dǎo)致故障間耦合嚴(yán)重、故障種類復(fù)雜.為清晰地表示故障間的邏輯關(guān)系，充分利用故障樹(shù)簡(jiǎn)單、直觀的特點(diǎn)，選擇“推土鏟提升緩慢”這個(gè)典型的故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖3所示.因?yàn)榇斯收显谑┕ぷ鳂I(yè)中是最不希望發(fā)生的故障，因此在液壓系統(tǒng)故障樹(shù)分析中將它作為“頂事件”置于故障樹(shù)頂端；由表3序號(hào)1可知，可導(dǎo)致頂事件的故障原因有：主液壓系統(tǒng)壓力偏低（M1）、油缸內(nèi)漏（X1）、系統(tǒng)有堵塞節(jié)流（X2）、多路閥的閥桿和閥體間隙過(guò)大（X3）以及先導(dǎo)控制系統(tǒng)壓力偏低（M2）.由序號(hào)2可知導(dǎo)致主液壓系統(tǒng)壓力偏低（M1）的故障原因有：主液壓系統(tǒng)液壓油泵故障（M3）、主液壓安全閥調(diào)整壓力偏低（X4）和主液壓系統(tǒng)液壓油泵吸空（M4）.依次類推構(gòu)建故障樹(shù)如圖3所示.其中各符號(hào)分別為：先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵故障（M5）、先導(dǎo)控制系統(tǒng)安全閥調(diào)整壓力偏低（X5）、先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵吸空（M6）、主液壓系統(tǒng)液壓油泵油封損壞（X6）、主液壓系統(tǒng)液壓油泵磨損（X7）、主液壓系統(tǒng)吸油管漏氣（X8）、濾油器堵塞（X9）、液壓油凍結(jié)或粘度過(guò)大（X10）、用油不對(duì)或油液變質(zhì)（X11）、液壓油箱油面過(guò)低（X12）、先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵油封損壞（X13）、先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵磨損（X14）、先導(dǎo)控制系統(tǒng)吸油管漏氣（X15）.

表3 輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)常見(jiàn)故障及排除方法Tab.3 Co mmon faults and solutions of wheel bulldozer hydraulic system

3.3 故障樹(shù)的定性分析

對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定性分析的主要目的是弄清楚系統(tǒng)有多少種可能引起頂事件的原因.故障樹(shù)中如果其中幾個(gè)底事件的集合發(fā)生，導(dǎo)致了頂事件的發(fā)生，那么這個(gè)集合稱之為割集.這就是說(shuō)，一個(gè)割集代表了系統(tǒng)故障發(fā)生的一種可能性，即一種失效模式.最小割集是指去掉割集中的一個(gè)底事件就不再是割集了，最小割集發(fā)生時(shí)頂事件一定發(fā)生［7］.所以故障樹(shù)定性分析最主要的就是尋找故障樹(shù)的全部最小割集.求出故障樹(shù)的所有最小割集的方法有多種，其中最有效的是下行法和上行法［9］，兩種方法結(jié)果應(yīng)一致.

3.3.1 下行法

下行法就是從頂事件開(kāi)始，從上到下依次進(jìn)行處理.如果是或門輸出，就將該門的輸出排成一排；如果是與門輸出的，就將該門的輸入的排成一排.一直到所有的事件都被處理完為止，得到的每一行的底事件集合都是故障樹(shù)的一個(gè)割集.最后將這些割集進(jìn)行化簡(jiǎn)，就得出所有的最小割集.利用下行法對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析，如表4所示.

圖3 推土鏟提升緩慢故障樹(shù)Fig.3 Fault tree of slow rising in wheel bulldozer blade

表4 下行法對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析的過(guò)程Tab.4 Process of fault tree analysis by fussed

由圖3觀察可得，只要有一個(gè)底事件發(fā)生，頂事件就會(huì)發(fā)生.因此，此故障結(jié)構(gòu)函數(shù)為或門結(jié)構(gòu)函數(shù).由式（5）可得：

簡(jiǎn)化得：

得到全部最小割集：｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝.

3.3.2 上行法

上行法是從底事件開(kāi)始，由下而上逐個(gè)進(jìn)行處理.如果是或門輸出的，就用該門輸入事件的布爾和表示；如果是與門輸入的，就用該門輸入事件的布爾積表示.一直到所有的結(jié)果事件都被處理完為止，得到一個(gè)頂事件的布爾表達(dá)式.最后根據(jù)運(yùn)算法則將這個(gè)表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，最終表達(dá)式中的項(xiàng)就是故障樹(shù)的所有最小割集.利用上行法對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行分析如下：

（1）M3＝X6＋X7，M4＝X8＋X9＋X10＋X11＋X12，M5＝X13＝X14，M6＝X15＋X9＋X10＋X11＋X12.

（2）M1＝M3＋X4＋M4，M2＝M5＋X5＋M6.

（3）T＝M1＋X1＋X2＋X3＋M2＝X1＋X2＋X3＋X4＋X5＋X6＋X7＋X8＋X9＋X10＋X11＋X12＋X13＋X14＋X15.

根據(jù)以上分析，得到全部最小割集：｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝.

至此，求解出了故障樹(shù)的全部最小割集，也就是說(shuō)找到了造成推土鏟提升緩慢的故障原因.故障原因可能有以下15條：油缸內(nèi)漏、系統(tǒng)有堵塞節(jié)流、多路閥的閥桿和閥體間隙過(guò)大、主液壓安全閥調(diào)整壓力偏低、先導(dǎo)控制系統(tǒng)安全閥調(diào)整壓力偏低、主液壓系統(tǒng)液壓油泵油封損壞、主液壓系統(tǒng)液壓油泵磨損、主液壓系統(tǒng)吸油管漏氣、濾油器堵塞、液壓油凍結(jié)或黏度過(guò)大、用油不對(duì)或油液變質(zhì)、液壓油箱油面過(guò)低、先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵油封損壞、先導(dǎo)控制系統(tǒng)液壓油泵磨損、先導(dǎo)控制系統(tǒng)吸油管漏氣.

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)輪式推土機(jī)液壓系統(tǒng)“推土鏟提升緩慢”這一故障現(xiàn)象建立故障樹(shù)并進(jìn)行定性分析.該故障樹(shù)全面地反映了故障關(guān)系及可能產(chǎn)生故障的原因，為維修人員提供了一種分析故障的方法.同時(shí)在該機(jī)械高強(qiáng)度作業(yè)過(guò)程中，為其提供了有效的故障預(yù)防途徑.亦可對(duì)輪式推土機(jī)的其他類型故障采用同樣方法建立故障樹(shù)，列出全部故障原因，有助于掌握輪式推土機(jī)的故障規(guī)律和特征，為輪式推土機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ).

［1］周春麗.簡(jiǎn)述工程機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展方向［J］.鐵道建設(shè)，2009（1）：41－43.

ZHOU Chunli.Brief development of construction machinery automation［J］.Railway Construction，2009（1）：41－43.

［2］李煥良，楊承先.基于故障樹(shù)分析法與虛擬儀器技術(shù)的工程裝備電控系統(tǒng)故障診斷［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，5（3）：40－46.

LI Huanliang，YANG Chengxian.Fault diagnosis on electrical control systerm of engineering equipments based on FTA and VI techniques［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2007，5（3）：40－46.

［3］鐘秉林，黃仁.機(jī)械故障診斷學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

ZHONG Binglin，HUANG Ren.Introduction to machine fault diagnosis［M］.Beijing：Machinery Industry Press，1997.

［4］黃文虎，夏松波，劉瑞巖，等.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1997.

HUANG Wenhu，XIA Songbo，LIU Ruiyan，et al.Fault diagnosis principles techniques and applications［M］.Beijing：Science Press，1997.

［5］郭偉偉.基于故障樹(shù)技術(shù)的遠(yuǎn)程故障診斷專家系統(tǒng)的研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

GUO Weiwei.Based on fault tree′s failure diagnosis expert system research［D］.Xian：Northwestern Polytechnical University，2007.

［6］劉慶松，郭新華，馬獻(xiàn)圖.故障樹(shù)的編制與應(yīng)用［M］.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1989.LIU Qingsong，GUO Xinhua，MA Xiantu.Preparation and application of fault tree［M］.Beijing：Beijing Science ＆ Technology Press，1989.

［7］金亮亮.基于故障樹(shù)的航天器故障診斷專家系統(tǒng)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

JIN Liangliang.Based on fault tree spacecraft diagnosis expert system research［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008.

［8］翟大鵬.基于故障樹(shù)的數(shù)控機(jī)床故障診斷系統(tǒng)研究［D］.太原：太原科技大學(xué)，2008.

ZHAI Dapeng.Research on fault diagnosis system of CNC machine tools based on fault tree［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Science ＆ Technology，2008.

［9］CHANDA R S，BHATTACHAR J P K.A reliability approach to transmission expansion planning using fuzzy fault-tree model［J］.E-lectric Power Systems Research，1998，45（2）：101－108.