汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)的可靠性分析

羅 曦，高崇仁

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

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汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)的可靠性分析

羅 曦，高崇仁

(太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原 030024)

汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)是汽車起重機重要的組成部分，它的可靠與否決定了汽車起重機能否正常工作、穩(wěn)定運行。以汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)為研究對象，分析其工作原理，針對其會產(chǎn)生的四種典型故障建立了故障樹，在此基礎(chǔ)上，運用故障樹分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和模糊集理論，利用模糊數(shù)和條件概率表描述系統(tǒng)和部件間不確定的定量關(guān)系，充分利用系統(tǒng)的模糊信息和不確定信息高效進行可靠性分析。

汽車起重機；支腿液壓系統(tǒng)；模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)；可靠性分析

起重運輸機械的設(shè)計越來越先進，功能也越來越多樣，這就使得高可靠性成為了產(chǎn)品的基本要求之一。作為工業(yè)生產(chǎn)的重要支柱，起重運輸機械在經(jīng)濟建設(shè)中有著不可或缺的重要作用，相較其他機械裝備，起重機的可靠性與安全性顯得尤為重要。汽車起重機是起重機械重要的組成部分，它的液壓系統(tǒng)的可靠與否決定了汽車起重機能否正常工作、穩(wěn)定運行。

文獻[1]提出了可靠性框圖(Reliability block diagram，RBD)分析方法；文獻[2]中提出二元決策圖(Binary decision diagram，BDD)分析方法；文獻[3]中提出故障樹(Fault tree analysis，F(xiàn)TA)分析方法；文獻[4]中提出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian networks，BN)分析方法等，都是分析可靠性分析的有效方法。其中貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可針對液壓系統(tǒng)具有多態(tài)性和不確定性的特點，更好地進行定量評估。文獻[4]建立了二態(tài)和多態(tài)系統(tǒng)可靠性分析模型，文獻[5]提出了基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的多態(tài)系統(tǒng)的可靠性分析方法，解決了歷史數(shù)據(jù)缺乏，系統(tǒng)使用變化，導(dǎo)致部件故障率難以用緊缺的數(shù)值表達的問題。

以汽車起重機為例，針對其液壓系統(tǒng)，采用模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對其進行可靠性分析并可得出系統(tǒng)可靠性信息，從而為系統(tǒng)的可靠性設(shè)計和故障診斷提供可靠性數(shù)據(jù)，為提高汽車起重機液壓系統(tǒng)的可靠性提供部分依據(jù)。汽車起重機的液壓系統(tǒng)包括起升、變幅、回轉(zhuǎn)、支腿、伸縮等組成部分。

以某汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)為例，進行可靠性研究。

1 汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)的工作原理

以某QY-8型汽車起重機支腿液壓為例，汽車起重機在工作前需要放下前后支腿用作支撐，工作后操作者需將支腿收起，使汽車可以正常行駛，為保證作業(yè)安全，油路中的液壓鎖是由兩個液控單向閥組成，可以確保支腿?？煽挎i住。[6]圖1為原理圖。

2 故障樹的建立

液壓系統(tǒng)的常見故障有：壓力失控、速度失控、系統(tǒng)失靈、泄漏堵塞等。其中，壓力失控，主要表現(xiàn)為壓力不穩(wěn)定、無壓力或壓力低、調(diào)整性不良等；速度失控主要表現(xiàn)為速度慢、不穩(wěn)定或不可調(diào)等；系統(tǒng)失靈指的是操作者在操縱系統(tǒng)時，系統(tǒng)不能或者不完全能按照操作者的指令完成規(guī)定的工作內(nèi)容，可由諸多原因造成；泄漏分為外泄和內(nèi)泄，主要取決于元件的加工精度和選材，與工作人員的操作、維修人員的技術(shù)水平等也有著密不可分的聯(lián)系；堵塞主要有吸油油路堵塞、回油油路堵塞和先導(dǎo)控制油路的堵塞。

1-液壓泵；2-前支腿液壓缸蓋；3-后支腿液壓缸蓋；4-雙向壓液壓鎖(單向閥)；5-手動控制閥組(換向閥)；6-安全閥(溢流閥)；7-過濾器。

圖1 腿液壓系統(tǒng)原理圖

Fig.1 Outrigger hydraulic system Diagram

結(jié)合汽車起重機支腿液壓系統(tǒng)的實際情況，筆者將支腿液壓系統(tǒng)的故障主要歸納為以下四種：支腿動作緩慢或無力、支腿回縮、支腿下落、支腿收放失靈[2]。

液壓系統(tǒng)各裝置的故障主要可分為能源裝置的故障、執(zhí)行裝置的故障、控制調(diào)節(jié)裝置的故障和輔助裝置的故障。在起重機械中能源裝置通常為液壓泵，其主要功能是將機械能轉(zhuǎn)化油液液壓能，使系統(tǒng)產(chǎn)生壓力。執(zhí)行裝置主要是液壓缸，故障原因大多表現(xiàn)為內(nèi)泄漏和外泄漏?？刂普{(diào)節(jié)裝置用于控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和流向，是溢流閥、換向閥等液壓元件的總稱，控制調(diào)節(jié)裝置損壞會造成內(nèi)泄或者設(shè)備失控。輔助裝置包括油箱、過濾器、油管等等，起重機液壓系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問題易產(chǎn)生附著的污物，使其發(fā)生堵塞等。

結(jié)合實際經(jīng)驗，并查閱文獻書籍后，筆者總結(jié)出各故障所產(chǎn)生的原因，并針對這些因素建立了故障樹：支腿動作緩慢或無力主要是系統(tǒng)壓力過低，缸內(nèi)油液壓力不足或運動阻力太大都會導(dǎo)致該現(xiàn)象額出現(xiàn)，使得液壓缸不能推動負(fù)載運動[8]，故而建立了故障樹T1，見圖2；支腿回縮表現(xiàn)為活塞桿發(fā)生自行收縮的現(xiàn)象，也就是我們通常所說的軟腿，在支腿液壓缸承受較大載荷時會出現(xiàn)，液壓鎖是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，充分考慮故障出現(xiàn)的原因[9-11]，建立故障樹T2(見圖3)；支腿下落主要指汽車起重機的支腿在沒有工作時，即行駛或停放期間的自行下落，分析故障原因后建立故障樹T3[12]，見圖4；支腿收放失靈表現(xiàn)為操作換向閥汽車起重機不執(zhí)行相應(yīng)操作，分析故障原因后建立故障樹T[13]，見圖5.障樹編號及含義見表1：

圖2 支腿動作緩慢或無力故障樹

Fig.2 The fault tree of outrigger running slowly or powerlessly

圖3 支腿自行回縮故障樹

Fig.3 The fault tree of outrigger self-retracting

圖4 支腿自行下落故障樹

Fig.4 The fault tree of outrigger self-falling

圖5 支腿收放失靈故障樹

Fig.5 The fault tree of outrigger out of order in rising and falling

表1 故障樹編號及意義

3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

一個貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Network，簡寫為BN,)就是一個有向無環(huán)圖(Directed Acyclic Graph,簡寫為DAG)。它由節(jié)點和連接這些節(jié)點的有向邊構(gòu)成，可表述出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，是可靠性分析中定性部分的表現(xiàn)，它的有向邊由父節(jié)點指向子節(jié)點，不具有父節(jié)點的節(jié)點稱為根節(jié)點，不具有子節(jié)點的節(jié)點稱為葉節(jié)點，其他節(jié)點稱為中間節(jié)點。為了將它的定量部分也清楚的表達出來，可采用若干個條件概率表(Conditional Probabilities Table，簡寫為CPT)，它是貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是節(jié)點間關(guān)系強度的表現(xiàn)。在建立條件概率表的時候，除了需要歷史數(shù)據(jù)作為支撐之外，還需要相關(guān)知識工程師和專家的參與。根節(jié)點的概率值可通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計與數(shù)值分析的方法獲得，用于表示根節(jié)點處于不同故障狀態(tài)的概率。

3.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的有向無環(huán)圖〗

以T1為例，由故障樹向貝葉斯網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化，可構(gòu)造如圖6所示的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。

圖6 支腿動作緩慢或無力貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

Fig.6 The bayesian network of outrigger runningslowly or powerlessly

3.2 模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

實際的生產(chǎn)生活中，系統(tǒng)和部件的故障狀態(tài)的界定條件并不清晰，比方說同一種故障對于某些人來說會將其評價為安全，但對于另外一部分人來說會將其評價為危險，所以這里需要我們引入模糊集合理論，用模糊數(shù)和模糊子集分別描述節(jié)點變量的故障狀態(tài)與故障率。本文中，筆者采用無故障、輕度故障、完全故障來描述節(jié)點故障狀態(tài)，并用模糊數(shù)0、0.5、1近似表示對應(yīng)的三種故障狀態(tài)。

由部件間的故障邏輯關(guān)系出發(fā)，以T1為例，通過對歷史數(shù)據(jù)的整理，采納專家經(jīng)驗，在對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)學(xué)習(xí)后，可得出各節(jié)點的條件概率表共12個，這里將頂事件T1和 M1的條件概率表記錄為表2和表3，其余條件概率表為節(jié)省篇幅不再一一列出。

4 可靠性分析

4.1 系統(tǒng)可靠性分析

(1)

以T1為例，通過數(shù)據(jù)采集并運用MATLAB進行數(shù)據(jù)分析，得出根節(jié)點x1～x22在完全故障時的模糊可能性如表4所示。

表2 支腿動作緩慢無力(T1)CPTTab.2 Outrigger running slowly or powerlessly (T1) CPT

表3 油源部分引起故障(M1)CPT

若不同故障狀態(tài)的模糊可能性相同，根據(jù)所得的12個條件概率表，利用式(1)，可得到系統(tǒng)不同故障狀態(tài)的模糊可能性：

{3.027×10-5,4.068×10-5,5.136×10-5}h-1

4.2 重要度分析

可分析的重要度共有結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度、關(guān)鍵重要度、狀態(tài)重要度、模糊重要度五種。結(jié)構(gòu)重要度是在基本事件的發(fā)生概率相等時僅從結(jié)構(gòu)上進行的分析，與基本事件發(fā)生的概率無關(guān)；概率重要度指基本事件發(fā)生概率變化引起頂上事件發(fā)生的概率變換程度；關(guān)鍵重要度是從敏感度和自身發(fā)生概率的雙重角度衡量各基本事件的重要度標(biāo)準(zhǔn)，是基本事件發(fā)生概率的相對變化率與頂上事件發(fā)生概率的相對變化率之比；狀態(tài)重要度就是當(dāng)前故障狀態(tài)的狀態(tài)重要度，主要原因是在工程實際中，部件的當(dāng)前故障狀態(tài)是唯一的。由于篇幅原因，對于以上四種重要度不做具體分析，只著重分析T1故障樹中根節(jié)點的模糊重要度。根節(jié)點的模糊重要度是頂事件在某指定故障狀態(tài)下，底事件在不同狀態(tài)中的重要度的綜合影響，反映了根節(jié)點xi所有故障狀態(tài)對于葉節(jié)點T故障狀態(tài)為Tq的平均影響，用公式表示即為：

(2)

利用式(2)，得出xi對T1處于輕微故障及完全故障時的模糊重要度分別為：

結(jié)果如表5所列。綜上可知，輕微故障中x11為最薄弱的環(huán)節(jié)，嚴(yán)重故障中x15為最薄弱的環(huán)節(jié)。

表4 根節(jié)點故障狀態(tài)為1時的模糊可能性

Tab.4 The fuzzy possibility of root (Fault Status is “1”)

根節(jié)點置xiIpr0.5(x2i)Ipr0.5(x3i)IFu0.5(xi)Ipr1(x2i)Ipr1(x3i)IFu1(xi)x10.150.50.10.550.950.75x20.2500.1250.610.8x30.1500.750.4510.725x4000010.5x50.200.10.610.8x600.050.02500.940.47x700.050.02500.950.475x800.070.03500.150.075x900.060.0300.880.44x1000.090.04500.910.455x1100.9350.467500.9450.4725x120.1470.32250.234750.7660.5920.679x1300.9350.567500.9450.4725x140.073500.036750.413510.70675x150.073500.036750.613510.80675x16000010.5x170.09800.0490.56610.783x1800.050.02500.940.47x1900.0580.02900.77840.3892x200.0480.050.0490.59040.940.7652x2100.0580.02900.77840.382x2200.050.02500.940.47

表5 根節(jié)點的模糊重要度

Tab.5 Fuzzy importance of root

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)液壓系統(tǒng)的故障機理，結(jié)合汽車起重機支腿系統(tǒng)的工作原理，可建立較為完善的故障樹系統(tǒng)，進行可靠性分析；

(2)采用模糊子集降低了獲取部件故障率精確值的難度，利用模糊可能性描述部件發(fā)生的多種故障狀態(tài)，考慮到不同故障狀態(tài)對系統(tǒng)的影響；

(3)根據(jù)專家經(jīng)驗及歷史數(shù)據(jù)，得到條件概率表可描述部件所發(fā)生故障的邏輯關(guān)系，解決了部件間故障聯(lián)系的不確定性；

(4)根據(jù)重要度分析，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時可先檢

查油箱油量、液壓缸的外泄，過濾器和管路的堵塞情況，元件的檢查順序依次為液壓泵、溢流閥、液壓缸。針對液壓泵，缸體與配流盤、柱塞與缸體的磨損會造成液壓泵的嚴(yán)重內(nèi)泄，使得液壓系統(tǒng)無法達到壓力導(dǎo)致支腿無法托起車身。

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TheReliability Analysis of Hydraulic System of Truck Crane Outrigger

LUOXi, GAO Chong-ren

(College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

The hydraulic system is an important part of the truck crane. Its reliability determines whether the crane can work normally and stably or not. In this paper, the hydraulic system of the truck crane is studied, and its working principle is analyzed, and the four typical faults of the system are established. Based on this, the fault tree analysis method, Bayesian network and fuzzy set theory are used to describe the quantitative relationship between the system and the components.

crane, outrigger hydraulic system, fuzzy Bayesian network, reliability analysis

1673-2057(2016)06-0468-07

2015-11-27

羅曦(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向為機械工程。

TM714

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.010