高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障診斷的研究

張衛(wèi)亮，王彥平，劉 科，胡宇凱，陳嬌陽，劉曉娟

（寶雞文理學院機械工程學院，陜西寶雞 721016）

高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障診斷的研究

張衛(wèi)亮，王彥平，劉 科，胡宇凱，陳嬌陽，劉曉娟

（寶雞文理學院機械工程學院，陜西寶雞 721016）

0 引言

高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)主要是由回轉(zhuǎn)和變幅裝置液壓回路、作業(yè)臂伸縮裝置液壓回路、工作平臺調(diào)平液壓回路、擴橋和轉(zhuǎn)向裝置液壓回路等組成［1］，其中變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓回路使用頻率較高，液壓回路較為典型。因此選擇該回路進行故障診斷研究。液壓系統(tǒng)故障樹可以直觀的反映液壓系統(tǒng)故障的成因與形成過程，但是對于復雜液壓系統(tǒng)僅僅通過故障樹往往很難排除故障。因此在建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹之后，通過對回路若干關鍵點參數(shù)變化進行在線監(jiān)測，當液壓系統(tǒng)故障時，通過分析關鍵點參數(shù)變化結(jié)合故障產(chǎn)生原因的故障樹，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)故障的快速排除［2］。

1 變幅和回轉(zhuǎn)工作原理分析

1.1 高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)工作原理

為了對高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的故障進行快速診斷和處理，首先必須掌握其工作原理。為了使高空作業(yè)車的作業(yè)范圍更大，要求作業(yè)過程中伸出臂可以相對于底盤回轉(zhuǎn)，為了實現(xiàn)該功能，將作業(yè)臂固定在轉(zhuǎn)臺上，底盤和轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的360°回轉(zhuǎn)。高空作業(yè)車變幅機構(gòu)主要用于在工作過程中調(diào)整作業(yè)臂的位置，將變幅液壓缸兩端分別鉸接在轉(zhuǎn)臺和作業(yè)臂上，通過變幅液壓回路，實現(xiàn)伸縮臂的變幅動作［1，3］。

1.2 變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，平衡組是為防止油管破裂或嚴重泄漏導致變幅液壓缸的突然動作，并且確保進入變幅液壓缸的油液有一定的壓力，使整個變幅運動過程平穩(wěn)。比例流量閥和差別感應閥共同組成流量控制裝置，實現(xiàn)恒流量控制，確保進入液壓缸的液壓油壓力恒定。

圖1 變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓系統(tǒng)原理

a.變幅液壓系統(tǒng)工作原理。當圖1中電磁換向閥1通電、電磁換向閥2斷電時，液壓油由圖中箭頭位置流經(jīng)電磁換向閥1的上位，進入變幅液壓缸的下腔，液壓缸伸出，變幅角度增加，變幅液壓缸上腔油液經(jīng)平衡閥組和電磁換向閥2下位回油；當圖1中電磁閥換向閥1斷電、電磁換向閥2通電時，液壓油由圖中箭頭位置流經(jīng)電磁換向閥2的上位，進入變幅液壓缸的上腔，變幅液壓缸縮回，變幅角度減小，下腔油液經(jīng)平衡閥組和電磁換向閥1下位回油。

b.回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理。當圖1中三位四通電磁換向閥上位接入回路時，液壓油由圖中箭頭位置通過平衡閥組，并在梭閥兩側(cè)產(chǎn)生壓差，控制液壓油經(jīng)過圖示虛線，使制動裝置解除對馬達制動作用，馬達在液壓油壓力作用下回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)向；當圖1中三位四通電磁換向閥下位接入回路時，液壓油由圖中箭頭位置通過平衡閥組，并在梭閥兩側(cè)產(chǎn)生壓差，控制液經(jīng)過圖示虛線，使制動裝置解除對馬達制動作用，馬達在液壓油的壓力作用下反向回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的反向轉(zhuǎn)向。

1.3 關鍵點參數(shù)監(jiān)測

掌握高空作業(yè)車工作原理之后，要對高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障進行定性和定量分析，儀器檢測法的思想是對整個系統(tǒng)關鍵點參數(shù)用儀器進行監(jiān)測，通過對比關鍵點發(fā)生故障和正常工作時候參數(shù)的變化，快速查找并且處理故障。

分析變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)之后，選擇表1所示10個關鍵監(jiān)測點，分別監(jiān)測回路的壓力和溫度，依此對高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進行分析。壓力選擇DST標準型壓力傳感器，溫度傳感器選擇TCT溫度傳感器，油箱油液高度測量選擇普通的接觸式液位傳感器。

表1 變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)關鍵點參數(shù)監(jiān)測

2 故障樹的建立

故障樹是一種常用的處理系統(tǒng)故障的邏輯分析法，主要用于分析復雜系統(tǒng)可靠性和安全性，建立故障樹首先要確定頂事件，一般把系統(tǒng)最可能出現(xiàn)的故障作為頂事件，然后根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理和實際經(jīng)驗，將導致頂事件發(fā)生的原因 “自上到下逐級分解”，這就形成了一種倒立的樹狀結(jié)構(gòu)圖，稱為液壓系統(tǒng)故障樹［4］。

2.1 變幅液壓系統(tǒng)故障樹的建立

根據(jù)故障樹的建立步驟，查閱資料，得到變幅液壓系統(tǒng)故障樹如圖2所示，符號含義為［5-6］：

a.頂事件T。變幅液壓缸上升動作無力。

b.中間事件。M1液壓缸故障；M2進入液壓缸的油液和壓力不足；M3回油不通；M4電磁換向閥3故障；M5平衡閥2中的溢流閥內(nèi)泄過大；M6液壓泵故障；M7電磁閥3電氣故障；M8電磁閥3機械故障；M9電磁閥4電氣故障；M10電磁閥4機械故障。

圖2 高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)故障樹

c.底事件。X1液壓缸磨損內(nèi)泄增大；X2液壓缸和活塞變形卡住；X3液壓油過臟，活塞被異物卡住；X4電氣線路故障；X5電磁線圈燒壞；X6閥芯閥體配合間隙太小，閥芯移動不到位；X7彈簧失效使閥芯行程不足；X8油液過臟，閥芯異物卡??；X9油溫過高，閥芯閥體熱變形卡??；X10閥體閥芯磨損嚴重；X11比例流量閥故障；X12濾油器堵塞；X13平衡閥中的單向閥卡死在小開度位置；X14差別感應閥故障；X15滑閥和閥體配合間隙增大；X16密封件損壞；X17液壓泵進油口密封不良；X18油箱油量不足，泵吸空；X19液壓泵磨損造成內(nèi)泄；X20平衡閥中溢流閥阻尼孔堵塞；X21彈簧失效，閥體行程不足。

2.2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹的建立

回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹如圖3所示，符號含義為：a.頂事件T?；剞D(zhuǎn)馬達未工作。

b.中間事件。M1回轉(zhuǎn)馬達供油不足；M2回油不通；M3平衡閥中的溢流閥內(nèi)泄過大；M4液壓泵故障；M5電磁閥故障；M6電磁閥7電氣故障；M7電磁閥7機械故障。

c.底事件。X1馬達故障；X2制動裝置故障；X3梭閥故障；X4平衡閥組中單向閥卡死在小開度位置；X5滑閥與閥體配合間隙增大；X6密封件損壞；X7比例流量閥故障；X8差別感應閥故障；X9液壓泵進口密封不良；X10油箱油量不足；X11液壓泵磨損；X12電氣線路故障；X13電磁線圈損壞；X14閥芯閥體配合間隙太小；閥芯移動不到位；X15彈簧失效使閥芯行程不足；X16油液過臟，閥芯異物卡??；X17油溫過高，閥芯閥體熱變形卡??；X18閥體閥芯磨損嚴重；X19平衡閥中溢流閥阻尼孔堵塞。

圖3 高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹

2.3 最小割集

引起一個系統(tǒng)頂事件發(fā)生的基本事件最低限度集合稱為最小割集，通過最小割集可以定量分析頂事件發(fā)生的概率，圖2和圖3所示的液壓系統(tǒng)故障樹只有或門，根據(jù)最小割集的布爾代數(shù)運算規(guī)則，可以求得最小割集為所有底事件的集合，變幅液壓缸上升動作無力故障最小割集為｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X19｝，｛X20｝，｛X21｝?；剞D(zhuǎn)馬達未工作故障最小割集為｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X19｝。即底事件集合任何元素的發(fā)生都會引起頂事件發(fā)生。

3 故障在線監(jiān)測

由以上最小割集分析得到“任何一個底事件發(fā)生都會導致頂事件故障”，因此導致頂事件故障的原因可能具有多樣性，此外，液壓油在封閉管路中流動，故障發(fā)生位置隱蔽，僅通過故障樹定性分析很難找出故障點。為了快速排除高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障，必須在定性分析的基礎上，通過傳感器、調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、控制器、顯示器等元件，將工作過程中關鍵點的壓力、溫度、液位等參數(shù)顯示在液晶顯示器上，當液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過液晶顯示器上面的參數(shù)，結(jié)合故障樹對液壓系統(tǒng)故障進行診斷，快速找出故障位置和故障元件。故障在線監(jiān)測原理如圖4所示。A／D轉(zhuǎn)換器選擇2塊A／DC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，A／DC0809有8路模擬輸出（IN0～IN07）和8路數(shù)字輸出（D0～D7），10個傳感器監(jiān)測信號經(jīng)調(diào)理電路，分別接2塊模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的IN0～IN04模擬信號輸入端，每個模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片預留（IN5～IN07）共6個端口?？刂破鬟x擇1塊AT89S51單片機芯片，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的10路數(shù)字信號接單片機8個P0端口和2個P1端口。

圖4 故障在線監(jiān)測原理

4 應用實例

故障：變幅液壓缸上升動作無力。

圖5 故障診斷流程

故障診斷步驟：由變幅液壓系統(tǒng)故障樹和最小割集可知，底事件X1～X21任何一個發(fā)生，都會導致變幅上升動作無力，因此很難確定故障的實際位置。根據(jù)故障診斷“由外到內(nèi)”的原則，故障診斷流程如圖5所示，在確定故障點之前，首先檢查各管路接頭是否漏油，泵轉(zhuǎn)速是否正常，如果發(fā)現(xiàn)管路漏油或者泵轉(zhuǎn)速過低，則更換損壞管路和調(diào)整泵轉(zhuǎn)速到合理范圍，如果故障解決，結(jié)束故障診斷，否則在液晶顯示器上檢查監(jiān)測點E參數(shù)（油箱油液高度和溫度），如果E點參數(shù)異常，則給液壓油箱加滿液壓油或者更換液壓油，再次啟動查看故障是否解決，如果故障解決，結(jié)束診斷，否則檢查D點監(jiān)測參數(shù)（泵出口壓力），由故障樹可知D點參數(shù)異?？赡苁怯捎跒V油器堵塞，液壓泵、插裝閥和溢流閥等故障引起，因此排除這些原件故障后，如果恢復正常工作，結(jié)束故障診斷，否則檢查F點監(jiān)測參數(shù)（比例流量閥出口的壓力），如果F點監(jiān)測參數(shù)異常，由故障樹可知應該檢查比例流量閥和差別感應閥是否存在故障，排除比例流量閥和差別感應閥故障后，如果恢復正常工作，就結(jié)束診斷，否則檢查B點監(jiān)測參數(shù)（液壓缸入口的壓力），如果B點監(jiān)測參數(shù)異常，由故障樹可知應該檢查液壓缸1、平衡閥組和電磁換向閥1是否存在故障，排除故障后高空作業(yè)車可以正常工作，就結(jié)束診斷，否則檢查A（液壓缸出口的壓力）和C（回油壓力）點監(jiān)測參數(shù)，如果異常，回油不通，排除平衡閥組、液壓缸和換向閥2故障后，恢復正常工作，結(jié)束診斷，否則重新排查故障。

5 結(jié)束語

由以上故障診斷應用實例發(fā)現(xiàn)，通過故障樹和在線監(jiān)測相結(jié)合的方式，對高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)進行故障診斷，能夠快速發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在工作過程中的故障，提高了診斷效率，縮短了診斷時間。故障樹主要是幫助維修人員直觀認識故障產(chǎn)生的邏輯關系，在線監(jiān)測結(jié)果則用于確定故障位置。準確分析故障樹，合理選擇關鍵監(jiān)測點，則可以對任意復雜液壓系統(tǒng)進行診斷，因此具有很好的推廣價值。

［1］ 馬玉良.TLK21型高空作業(yè)車電液控制系統(tǒng)研究［D］.秦皇島：燕山大學，2007.

［2］ 孫立峰，呂楓.工程機械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷與排除［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

［3］ 郭磊.基于CAN總線的自行直臂式高空作業(yè)車控制系統(tǒng)研究［D］.西安：長安大學，2010.

［4］ 何慶飛，王漢功，陳小虎.故障樹分析法在汽車起重機液壓系統(tǒng)故障診斷中的應用［J］.機床與液壓，2008，36（2）：196- 198.

［5］ 朱烈舜.公路工程機械液壓系統(tǒng)故障排除［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］ 蘇欣平，吳學深，楊成舜.基于故障樹的叉車液壓系統(tǒng)故障診斷研究［J］，機床與液壓，2011，39（17）：138 -139.

Aerial Working Platform Hydraulic System Fault Diagnosis Research

ZHANG Weiliang，WANG Yanping，LIU Ke，HU Yukai，CHEN Jiaoyang，LIU Xiaojuan
（Institute of Mechanical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

對高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，在此基礎上建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹，并對變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)回路關鍵點參數(shù)進行在線監(jiān)測。建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹，對故障產(chǎn)生的原因進行定性分析。利用傳感器、單片機、液晶顯示器等監(jiān)測回路關鍵點參數(shù)變化，通過監(jiān)測參數(shù)對液壓系統(tǒng)故障進行定量分析。通過故障樹和監(jiān)測結(jié)果，快速排除高空作業(yè)車在工作過程中的故障。該方法可以幫助維修人員快速查找液壓系統(tǒng)故障，為其他液壓系統(tǒng)故障診斷的研究提供參考。

高空作業(yè)車；液壓故障樹；在線監(jiān)測；傳感器

The structure and working principle of the aerial working platform is analyzed，on the basis of the establishment of amplitude and slewing hydraulic system fault tree.The amplitude and slewing hydraulic system key parameters are monitored online.An amplitude and slewing hydraulic system fault tree is established and the qualitative analysis of the causes of failure.Use of sensor，microcontroller，liquid crystal display monitor circuit key parameters，such as change，through monitoring the parameters for quantitative analysis of the hydraulic system failure are analyzed.Through the fault tree and monitoring results，quickly ruled out the fault in the process of overhead working truck at work.The method can help maintenance personnel to quickly find hydraulic system fault， provide a reference for others researching hydraulic system fault diagnosis.

aerial working platform；hydraulic system fault tree；on- line monitoring；sensor

TH113.2

A

1001- 2257（2015）08- 0064- 04

張衛(wèi)亮 （1986－），男，陜西寶雞人，助教，研究方向為機電液一體化。

2015-02-12

寶雞文理學院校級項目（201410721010）