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大型特種車輛液壓系統(tǒng)的故障樹分析研究

文檔作者：周愛萍王顯會文檔來源：南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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Hydraulics Pneumaties＆ Seals／No．1 1．2010
大型特種車輛液壓系統(tǒng)的故障樹分析研究
周愛萍 王顯會
(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210093)
摘要：通過分析某企業(yè)生產(chǎn)的特種運輸車的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問的邏輯關(guān)系，用故障樹分析法對該車液壓系統(tǒng)的故障原因i批行預(yù)測分
析。以升降系統(tǒng)的“上升無力或無法起升”為例，建立相應(yīng)的故障樹，找出所有故障原因，并對其原因做出相應(yīng)的定性和定量分析計算，
最后對計算結(jié)果進行分析比較。通過分析，可以有效的找出液壓系統(tǒng)的故障，提高該車液壓系統(tǒng)維修工作的效率，同時給系統(tǒng)設(shè)計提出
改進的措施，從而提高產(chǎn)品整體的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：故障樹分析法；液壓系統(tǒng)：定性分析；定量分析
中圖分類號：TH137．7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：l008—0813(2010)11-0055—04
The FaultTree Analysis Research for the Hydrauhc System of
the Heavy Transport Vehicle
ZHOU Ai-ping WANG Xian—hui
(School of Mechanical Engineering， Nanjing university
of science and technology，Nanjing 210093，China)
Abstract： Through the analysis of the logical relationship of the hydraulic system for the heavy transpo~ vehicle，this paper predicts and
analyzes the faults of the hydraulic system by using the fault tree analysis．It takes the fault ‘‘unable to rise or rise weakly” for example，
builds the corresponding fault trees and makes relevan t analysis at last，which can find the faults of the hydraulic system conveniently，
improve the application efficiency bring beRer measure for the design and then improve the reliability and security for the whole product．
Key W ords： fault tree analysis； hydraulic system； qualitative analysis； quantitative analysis
O 概述
某企業(yè)近期生產(chǎn)了一輛載重140噸的裝載運輸
車，是大型貨物的主要陸地運輸工具，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是
集機電液一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。此特種運輸車是企業(yè)
首例自主制造的重型裝載車，改變了以往一直靠進口
的局面。其中，液壓系統(tǒng)是該特種車的重要部分，主要
包括四個部分：升降系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)和冷卻
系統(tǒng)等。
液壓系統(tǒng)的故障具有隱蔽性強、偶然性大，易受隨
機性因素影響等特點[1l。同時該車液壓系統(tǒng)承載了驅(qū)
動，轉(zhuǎn)向、升降等各種功能，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使得
該車液壓系統(tǒng)的維護和檢修工作量很大。由于企業(yè)維
修人員對液壓系統(tǒng)的認知不是很深．檢修的方法和手
段也都不是很充分。所以，企業(yè)以往的維修過程往往是
頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳，用新件代替舊件，極有可能出現(xiàn)
小故障換大總成的狀況。因此，檢修的過程就復(fù)雜化
收稿日期：2010—06—07
作者簡介：周愛~F(1985一)，女，江蘇省揚州市人，南京理工大學(xué)在讀碩士
研究生。
了，不能及時地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防故障的產(chǎn)生，不能迅速排除
出現(xiàn)的故障。
因此，有必要對該車液壓系統(tǒng)進行有效的可靠性
分析，將系統(tǒng)正常工作模式及可能的故障模式及產(chǎn)生
原因體現(xiàn)出來，有效地指導(dǎo)以后車輛的生產(chǎn)、把握車輛
液壓系統(tǒng)裝配和檢測的關(guān)鍵點和關(guān)鍵技術(shù)，有效地排
除故障和隱患。
故障樹分析法(FTA：Fault Tree Analysis)是一種
評價復(fù)雜系統(tǒng)可靠性與安全性的重要方法，它是可靠
性工程的重要分支，是分析系統(tǒng)故障因果關(guān)系的有效
技術(shù)。通過FrA找出所有的故障形勢及其網(wǎng)絡(luò)關(guān)系．對
分析系統(tǒng)的可靠性、開展有效的維修工作有著積極意
義 。 、
l 故障樹建立
1．1 運輸車液壓系統(tǒng)
應(yīng)用VFA對系統(tǒng)進行可靠性分析的前提是熟悉分
析對象，下面就重點介紹一下該特種車的液壓系統(tǒng)。
從公司統(tǒng)計的故障情況來看，升降系統(tǒng)出故障的
情況相對較多，總是出現(xiàn)“升降不平”等故障，其主要原
55
液壓氣動與密t9／2010年第11期
因出在系統(tǒng)中的某一升降單點上，例如：無法起升或上
升無力，無法正常下降、中位沉降等故障現(xiàn)象。所以本
文以升降系統(tǒng)中常見的、具體代表性的“無法起升或上
升無力”為例。介紹故障樹分析法對該車液壓系統(tǒng)故障
的應(yīng)用。
在整個系統(tǒng)的液壓原理圖中，升降部分主要由變
量泵、升降比例閥、液控單向閥和液壓缸構(gòu)成。為了使
液壓原理圖清晰易懂，在分析簡圖中只顯示其中的四
分之一，即某一單點液壓原理圖。在該車升降工作中，
可以單獨對某點實現(xiàn)自由升降。所以如此簡化對實際
故障分析沒有任何影響。
升降系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)共用一個變量泵，升降比例
閥中一個梭閥反饋信號，和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中梭閥反饋信號
同時控制變量泵的變量機構(gòu)。由于系統(tǒng)中升降系統(tǒng)和
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同時工作，所以只將升降系統(tǒng)巾比例閥的
梭閥反饋信號直接反饋到變量泵的變量機構(gòu)。所以，簡
化液壓原理圖如圖1所示。
I一變量泵2一限壓安全周3一單向閥4、6一溢流閥
5一順序閥7一升降比例閥8一液控單向閥9一液壓缸
圖1 升降系統(tǒng)液壓系統(tǒng)原理圖
1．2 系統(tǒng)框圖
為了能夠清楚地描述升降系統(tǒng)各功能單元的工作
情況、相互影響及相互依賴關(guān)系，以便逐層分析建立故
障樹，需要建立系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)框圖包括系統(tǒng)功能框圖
和可靠性框圖。
(1)功能框圖。升降系統(tǒng)功能框圖表示升降系統(tǒng)中
各功能單元的工作情況和相互關(guān)系，以及升降系統(tǒng)中
各個元器件的功能邏輯順序．如圖2所示。圖中液壓元
件的控制部分用虛線連接。
一 苧 卜一
：一櫥一j
圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖
(2)可靠性框圖?？煽啃钥驁D不僅可以明確反映出
系統(tǒng)功能的分級順序，也可用以研究升降系統(tǒng)可靠性
與各分系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系，其可靠性框圖如圖3
所示。從圖中可以看出，升降系統(tǒng)上升過程為串聯(lián)系
統(tǒng)。
降比例閥H 液控單向閥H 液壓缸
圖3 系統(tǒng)可靠性框圖
1．3 建造故障樹
故障樹分析法最重要的部分就是建造故障樹，故
障樹建造的完善程度將直接影響其最后定性分析及定
量分析的準(zhǔn)確性。
根據(jù)前面對液壓系統(tǒng)的熟悉掌握，及所建立的系
統(tǒng)功能框圖和可靠性框圖，建立系統(tǒng)的故障樹。以“不
能起升或上升無力”作為故障樹的頂事件，最終建立故
障樹如圖4所示。
圖4 升降系統(tǒng)故障樹
分析過程中做如下假設(shè)：
(1)各元器件的故障獨立。
(2)不考慮人為故障和外界干擾。
(3)系統(tǒng)管道、接頭處沒有泄漏，元件沒有外泄漏。
(4)系統(tǒng)中梭閥無故障，不考慮變量泵變量機構(gòu)故障。
圖中符號及代碼說明如下：
T：上升無力或無法起升；M。：液壓缸故障；M2：進入
液壓缸油壓力不足；M，：液控單向閥故障；M ：升降比例
閥故障；M ：液壓泵輸出流量不足；M6：比例閥無法換向
或無法調(diào)節(jié)流量；M，：比例閥內(nèi)泄漏嚴(yán)重；M。：比例閥先
： ：
件故障概率服從指數(shù)分布。按 50oh計算，最后得到
各底事件發(fā)生概率及可靠度見表1。
表1 底事件的故障概率及可靠度
導(dǎo)調(diào)節(jié)機構(gòu)故障；M ：液壓泵吸油不充分；M 柱塞泵泄
漏嚴(yán)重；x ：液壓缸柱塞桿拉傷變形；X：：柱塞與缸體配
合間隙不合理；X ：柱塞與導(dǎo)向套密封不嚴(yán)；)(4：液控單
向閥主閥芯卡死在關(guān)閉位置；x ：液控單向閥彈簧損
壞；X ：液控單向閥主閥芯磨損；X ：發(fā)動機失效；X ：安
全限壓閥故障；X ：比例閥中位彈簧折斷或變形；X，。：電
磁控制部分故障；x 比例閥滑閥磨損或卡堵；X。：：減壓
閥故障；X ：溢流閥故障；X 單向閥裝反或泄漏嚴(yán)重；
x 比例閥彈簧疲勞損壞；x。 ：比例閥滑閥與閥芯間隙
過大；X ：油溫高，粘性低；Xl8：液壓油污染嚴(yán)重；Xf9：油
箱油液不足；x∞：泵進油口密封不嚴(yán)；X： ：泵有吸空現(xiàn)
象；X ：液壓泵缸體孔與柱塞磨損嚴(yán)重；X ：液壓泵配油
盤與缸體端面磨損嚴(yán)重；x ：液壓泵中心彈簧疲勞。
2 故障樹分析
2．1 故障樹定性分析
故障樹的定性分析是為了找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的
所有可能的故障模式，即找出故障樹的全部最小割集。
找到頂事件發(fā)生的原因及原因組合，有助于判別系統(tǒng)
潛在的故障，改進設(shè)計，也有利于指導(dǎo)故障診斷，改進
運行和維修方案i5,6,71。
計算最小割集的方法一般有上行法和下行法。本
文采用下行法進行分析，根據(jù)下行法的基本思路可知，
對于一個只有“或門”沒有“與門”的故障樹，其最小割
集即為故障樹的所有底事件。根據(jù)上文所建立的故障
樹可知．系統(tǒng)中沒有“與門”，只有“或門”。所以該故障
樹中最小割集就是所有底事件，即{X-}，{X }，{X3}，{X4}，
{x5)，{x6)，{x )，{x8)，{x ，{x o)，{Xl z)，{x挖)，{X23)，{X14)，
{X．sl，(X }，{X-，}，{X。s}，{X ，{X20}，{X }，{X22}，{X23}，
{Xz4}。
最小割集可以定性地給出底事件的重要度。由本
文中故障樹最小割集可知，任一個底事件的發(fā)生均會
導(dǎo)致升降系統(tǒng)中“不能起升或上升無力”的故障，所以
每一底事件應(yīng)引起足夠的重視。
2．2 故障樹定量分析
故障樹定量分析的主要任務(wù)是求頂事件發(fā)生的概
率以及各組成單元的重要度分析。
(1)確定頂事件發(fā)生的概率。
計算頂事件的發(fā)生概率就是根據(jù)企業(yè)多年統(tǒng)計的
元器件的失效率去評定頂事件的發(fā)生概率，以便于有
的放矢，改善頂事件發(fā)生概率高的故障樹，減少整個系
統(tǒng)的故障發(fā)生概率，提高整個系統(tǒng)的可靠性。
在本文中，從公司往年統(tǒng)計的相關(guān)液壓元件的可
靠性數(shù)據(jù)及其他相關(guān)文獻【1_6I中可知，液壓系統(tǒng)中各底事
假設(shè)各底事件的發(fā)生概率分別為q，(t)、q2(t)、q3
(t)?9 (t)，則頂事件的發(fā)生概率q(t)為 -
Q(z)=l一1上[1一qi(￡)] (1)
i= l
所以，根據(jù)公式(1)計算得知本文中所建立的故障
樹頂事件的發(fā)生概率是0．205 812。
本文只分析了一種故障現(xiàn)象的故障樹，計算出頂
事件的發(fā)生概率沒有比較性，但在整個系統(tǒng)中，可以對
多種現(xiàn)象的故障樹的頂事件的發(fā)生概率進行比較，從
而找出發(fā)生概率高的故障樹，可以對系統(tǒng)加以一定的
改造，提高整個系統(tǒng)的可靠性。另外，在使用過程中，對
于頂事件發(fā)生概率高的故障樹，應(yīng)對這種故障現(xiàn)象及
其相關(guān)的底事件加以注意。
(2)底事件重要度計算。
單元的概率重要度：第i個單元故障概率的變化引
起系統(tǒng)故障概率變化的程度。用數(shù)學(xué)公式表達為：
(t)： ，i：1、? 、24 (2)
oqi t,r，
式中 (t)—— 第i個單元的概率重要度；
( )— — 頂事件的故障概率；
q；(t)— —第i個單元的故障概率。
根據(jù)公式(2)得到該運輸車“不能起升或上升無
力”中各底事件概率重要度的計算結(jié)果，見表2。
概率重要度的大小表示了各底事件對頂事件的影
響程度。如果事件的概率重要度大則該事件就是系統(tǒng)
中的相對薄弱的環(huán)節(jié)。由表中可知，x，。“液壓油污染嚴(yán)
57
液壓氣動與密封，2010年第11期
重”和x。?！半姶趴刂撇糠止收稀钡葘斒录挠绊戄^
大。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)提高概率重要度大的底
事件的可靠性。在本系統(tǒng)中，重點需要考慮的就是液壓
油的清潔度，應(yīng)該經(jīng)常清洗或更換液壓油，同時，對電
磁控制部分應(yīng)給予足夠的重視。
單元的關(guān)鍵重要度：第i個單元故障概率的變化所
引起系統(tǒng)故障概率的變化率。用數(shù)學(xué)公式表達為：
(￡)= ． (￡) (3)
Vs ，
根據(jù)公式(3)得到該運輸車“不能起升或上升無
力”中各底事件概率重要度的計算結(jié)果，見表2。
表2 底事件的重要度計算結(jié)果
關(guān)鍵重要度含有底事件的概率重要度和其本身的
不可靠度兩個方面。它不僅體現(xiàn)了該事件在故障樹中
的地位， 而且還體現(xiàn)了事件本身的不可靠度，所以更
客觀地體現(xiàn)事件或部件對系統(tǒng)故障的影響。
為了改善系統(tǒng)的可靠度，有必要首先降低關(guān)鍵重
要度較大的底事件或部件的不可靠度。在實際運用中，
如果頂事件發(fā)生，也常根據(jù)關(guān)鍵重要度大小順序來診
斷故障，指導(dǎo)系統(tǒng)運行和維修。
本文中底事件x。 “液壓油污染嚴(yán)重”、x。。“電磁控
制部分故障”及X “液壓泵中心彈簧疲勞”等的關(guān)鍵重
要度相對較大，是系統(tǒng)的相對薄弱的環(huán)節(jié)，要提高該系
統(tǒng)的可靠性就要從這幾個薄弱環(huán)節(jié)人手，提高液壓油
的清潔度，提高電磁控制部分的可靠度以及提高中心
彈簧的質(zhì)量。
3 結(jié)論
通過上述計算分析，本文做如下總結(jié)：
(1)本文建立的故障樹及其相關(guān)分析體現(xiàn)的問題
與運輸車的現(xiàn)場故障情況基本一致。從本文中所建立
的故障樹可知，液壓油方面的故障是導(dǎo)致液壓系統(tǒng)發(fā)
58
生故障的重要原因，對系統(tǒng)的可靠性有著重要影響，很
多零件磨損與泄漏都與“液壓油污染嚴(yán)重”有關(guān)。從相關(guān)
資料罔中了解到油液污染使液壓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定和出現(xiàn)
的故障占總液壓故障的60％～70％?？梢猿浞终f明本文
所建立的故障樹是符合實際的，其最后的分析結(jié)果是正
確合理的，對此運輸車的可靠性有著巨大的應(yīng)用價值。
(2)通過實際應(yīng)用故障樹分析法，得知此方法是一
種邏輯性強、直觀形象的可靠性分析方法，通過故障樹
分析過程可以透徹地了解系統(tǒng)，掌握系統(tǒng)故障之間的
復(fù)雜關(guān)系，也易于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的各種潛在故障，避免了
維修人員盲目拆換液壓元件，節(jié)約了維修時間，提高了
工作效率。因此，對于該運輸車的其他各個液壓系統(tǒng)均
可以采用同樣的方法進行可靠性分析。
(3)由于系統(tǒng)是一個串聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性隨著液
壓元件的增加而下降。所以在滿足功能要求的情況下，
盡量減少串聯(lián)環(huán)節(jié)和元件數(shù)量。同時，在實際工作中發(fā)
現(xiàn)要提高這個系統(tǒng)的可靠性，不光從液壓方面著手，電
控部分發(fā)生故障的概率也比較大，對整個系統(tǒng)可靠性
有著重要的影響。
(4)文中系統(tǒng)連續(xù)使用時間設(shè)定為500h，就進行一
次維護保養(yǎng)，在計算過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的維護檢修時間
對系統(tǒng)可靠性影響較大，因此在維修過程中，應(yīng)做到及
時檢修。同時，每個元件的可靠性直接影響整個系統(tǒng)的
可靠性，在元器件選擇過程中，應(yīng)努力選擇可靠度高、
質(zhì)量好的液壓元器件。
綜上所述．運用故障樹分析法對該運輸車液壓系統(tǒng)
的故障進行可靠性分析是實際工作的必然需求，是提高
該車的液壓系統(tǒng)的可靠性及維修工作效率的有效方法。
參考 文 獻
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