裝甲車輛液壓系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)

申小雪

摘 要：以裝甲車輛的液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，闡述了該液壓系統(tǒng)的組成和工作原理，運(yùn)用故障率預(yù)計(jì)法、評(píng)分預(yù)計(jì)法和可靠性預(yù)計(jì)的一般方法對(duì)該系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了預(yù)計(jì)，為工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)安全可靠的液壓系統(tǒng)和對(duì)整車進(jìn)行全壽命周期設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裝甲車輛；液壓系統(tǒng)；可靠性預(yù)計(jì)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，在整個(gè)可靠性理論與實(shí)踐中占有很重要的地位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，而系統(tǒng)越復(fù)雜則其發(fā)生故障的可能性就越大，因此，迫使人們必須提高組成系統(tǒng)的零部件的可靠度[1]。液壓系統(tǒng)是裝甲車的重要組成部分，運(yùn)用系統(tǒng)的可靠性分析設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，對(duì)提高系統(tǒng)的可靠度，降低產(chǎn)品的壽命周期費(fèi)用提供了幫助。

1.液壓系統(tǒng)的組成

裝甲車的液壓系統(tǒng)由首上（下）滑板、尾滑板、進(jìn)（排）氣窗、水上制動(dòng)器、左（右）水門、左（右）邊舵十個(gè)功能模塊組成。液壓系統(tǒng)是由動(dòng)力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件和工作介質(zhì)五大部分組成。這里簡(jiǎn)要介紹一下動(dòng)力元件、控制元件以及執(zhí)行元件的功能[2]：

動(dòng)力元件是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力?？刂圃强刂坪驼{(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。執(zhí)行元件是將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)是以液壓油作為工作介質(zhì)來進(jìn)行工作的，液壓泵從油箱泵油，通過單向閥、溢流閥、節(jié)流閥調(diào)節(jié)液體的壓力和流量的大小，通過油管向整個(gè)系統(tǒng)輸送油液，為分別執(zhí)行十個(gè)動(dòng)作的液壓缸提供動(dòng)力，由電磁換向閥控制液壓缸的方向，從而完成滑板、氣窗、水門的打開與關(guān)閉以及水上制動(dòng)器、左右邊舵的控制等動(dòng)作。

3.系統(tǒng)的可靠性模型

由于該裝甲車輛液壓系統(tǒng)的組成較復(fù)雜，本文選取首上滑板模塊來作為研究對(duì)象，建立基本的可靠性模型。根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理圖可知，首上滑板模塊的基本可靠性模型是一個(gè)串聯(lián)模型，所以該模塊中的任何一個(gè)單元故障都會(huì)引起系統(tǒng)的故障。因此，建立裝甲車液壓系統(tǒng)的首上滑板模塊的基本可靠性框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)可靠性框圖

由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型中各個(gè)單元是相互獨(dú)立的，假設(shè)各個(gè)單元單元的壽命是服從指數(shù)分布的，則該模塊的數(shù)學(xué)模型為：

Rs（t）=R1（t）·R2（t）·…·R12（t）（1）

上式中：R（t）-系統(tǒng)的可靠度；Ri（t）-第i個(gè)單元的可靠度，i=1，2，3，…，12。

4.系統(tǒng)的可靠性預(yù)計(jì)

4.1故障率預(yù)計(jì)法

故障率預(yù)計(jì)法主要用于非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)，在系統(tǒng)的研制進(jìn)入到詳細(xì)的設(shè)計(jì)階段時(shí)，產(chǎn)品已經(jīng)具備了詳細(xì)設(shè)計(jì)圖，所以，在得到基本故障率后，可以運(yùn)用故障率預(yù)計(jì)法，該方法對(duì)電子產(chǎn)品和非電子產(chǎn)品都是適用的。

對(duì)于非電子產(chǎn)品，可以考慮降額因子D和環(huán)境因子K對(duì)失效率的影響。非電子產(chǎn)品的工作故障率λ為：

λ=K·D·λb（2）

式中：λb—基本失效率；

由于目前尚無可供正式查閱的數(shù)據(jù)手冊(cè)，此處選擇該液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥1為預(yù)計(jì)對(duì)象，在實(shí)際工程中，電磁換向閥出現(xiàn)的故障大多數(shù)為電磁故障，很少出現(xiàn)機(jī)械故障。因此，工作故障率公式中涉及到的環(huán)境因子K可以參考《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》GJB/Z299C-2006[3]中列出的環(huán)境系數(shù)πE。

所以，用故障率預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)液壓控制元件電磁換向閥1的故障率步驟如下：

（1）確定環(huán)境因子K：該液壓系統(tǒng)是在劇烈地面移動(dòng)，查閱《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中環(huán)境分類表可知，環(huán)境分類符號(hào)為GM2：如裝甲車內(nèi)的環(huán)境條件。再查閱機(jī)電繼電器的環(huán)境系數(shù)表（如表1所示）可知，GM2條件下的環(huán)境系數(shù)為πE=8.5。

表1 環(huán)境系數(shù)πE

環(huán)境GBGMSGF1GF2GM1

πE1.01.11.53.04.0

環(huán)境GM2MPNSBNS1NS2

πE8.56.05.03.06.0

環(huán)境NUAIFAUFAICAUC

πE146.0114.58.0

環(huán)境ARWSFMLMF

πE311.04522

（2）確定降額因子D：查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)確定電磁換向閥1的降額因子為0.9。

（3）確定基本故障率λb：查閱文獻(xiàn)可知[4]，電磁閥中的關(guān)鍵部件電磁鐵大約可以使用106次，經(jīng)過計(jì)算得到換向閥1的基本故障率為1.25×10-6h-1。

（2）計(jì)算工作故障率λ：

λ=K·D·λb=8.5×0.9×1.25×10-6=9.5625×10-6h-1

4.2評(píng)分預(yù)計(jì)法

評(píng)分預(yù)計(jì)法是在可靠性數(shù)據(jù)非常缺乏的情況下，通過有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員或?qū)＜覍?duì)影響可靠性的幾種因素進(jìn)行評(píng)分，對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行綜合分析以獲得各單元產(chǎn)品之間的可靠性相對(duì)比值，再以某一個(gè)已知可靠性數(shù)據(jù)的產(chǎn)品為基準(zhǔn)，預(yù)計(jì)其他產(chǎn)品的可靠性[1]。因此，這里采用上文已經(jīng)求得的電磁換向閥1的故障率λ為基準(zhǔn)故障率λ，采用評(píng)分預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)首上滑板模塊中其他單元的故障率，其預(yù)計(jì)的過程如下所示：

（1）確定各單元的評(píng)分?jǐn)?shù)ωi

ωi=∏4j-1rij（3）

式中：ωi—第i個(gè)單元的評(píng)分?jǐn)?shù)；rij—第i個(gè)單元、第j個(gè)因素的評(píng)分?jǐn)?shù)；j—評(píng)分因素，j=1為復(fù)雜度，j=2為技術(shù)水平，j=3為工作時(shí)間，j=4為環(huán)境條件。

（1）確定各單元的評(píng)分系數(shù)Ci

Ci=ωi/ω（4）

式中：Ci—第i個(gè)單元的評(píng)分系數(shù)；

ω—故障率為λ的單元的評(píng)分?jǐn)?shù)；

（2）確定其他各單元的故障率λi

λi=λCi（5）

式中：λi—其他各單元的故障率；λ—已知可靠性數(shù)據(jù)的單元的故障率；

根據(jù)專家對(duì)各單元進(jìn)行評(píng)分，得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 首上滑板各單元的故障率計(jì)算結(jié)果

序號(hào)單元名稱ri1ri2ri3ri4ωiciλi

1油箱331087200.3002.869

2吸油濾油器458711200.4664.456

3液壓泵988634561.43913.760

4單向閥1558612000.5004.781

5濾油器44867680.3203.060

6壓力表及開關(guān)45869600.4003.825

7電磁換向閥1777724011.0009.563

8溢流閥887626881.12010.710

9電磁換向閥2875616800.7006.694

10單向閥2656712600.5255.020

11節(jié)流閥685614400.6005.738

12液壓缸986730241.25912.039

根據(jù)計(jì)算得出的各單元的故障率，利用MATLAB繪制出各單元可靠度與時(shí)間的圖形關(guān)系如圖2所示。

圖2 各單元可靠度與時(shí)間的關(guān)系

圖3 系統(tǒng)可靠度與時(shí)間的關(guān)系

4.3可靠性預(yù)計(jì)的一般方法

根據(jù)系統(tǒng)可靠性模型，由上面求得的各單元故障率可以對(duì)首上滑板模塊的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，該系統(tǒng)是一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，故其故障率為各單元故障率之和。

λs=∑12i=1λi=82.515×10-6h-1（6）

所以，該液壓系統(tǒng)首上滑板模塊的可靠度為：

Rs（t）=e-λst=e-82.515×10-6t（7）

所以，系統(tǒng)可靠度與時(shí)間的圖形關(guān)系如圖3所示。

5.結(jié)論

本文對(duì)裝甲車輛液壓系統(tǒng)的首上滑塊模塊進(jìn)行了可靠性分析，通過分析結(jié)果，利用MATLAB繪制了系統(tǒng)可靠度和各單元可靠度與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。

在分析的過程中，利用了故障率預(yù)計(jì)法預(yù)計(jì)出一個(gè)單元的故障率，然后利用評(píng)分預(yù)計(jì)法對(duì)其它單元的可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，得到了各單元的失效率，最后，利用可靠性預(yù)計(jì)的一般方法預(yù)計(jì)了系統(tǒng)的可靠性。

由圖4可知，當(dāng)t=4000h時(shí)，系統(tǒng)的可靠度>80%，其設(shè)計(jì)是符合要求的，但是其裕量較小。由于本系統(tǒng)串聯(lián)單元較多，所以為了提高可靠度，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量減少串聯(lián)單元。由圖3可知，隨著時(shí)間的增加，液壓系統(tǒng)的可靠度下降最快，其次是液壓缸、溢流閥、換向閥1。液壓泵是動(dòng)力元件，液壓缸是執(zhí)行元件，為了提高系統(tǒng)可靠性，在這四個(gè)元件的選用和設(shè)計(jì)方面，要選用性能好的。（作者單位：重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院）

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