基于FTA的轮式推土机液压系统故障模式研究

苏凡囤，袁 博，张 琦，胡成贺

（1.解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007；2.95974部队，河北 沧州 066000）

工程机械结构复杂，电气化、自动化程度高，在国防工程和工程建设等领域占有重要地位.轮式推土机以其机动性强、作业效率高等优势，在建设施工过程中的重要性更加突出.但因其工作环境恶劣，施工强度大，导致该机械故障率高，维修保养难度大［1］.由于轮式推土机由多系统组成，多种故障原因往往导致同一种故障现象；同一个故障原因也可以引发多种故障现象，因此造成了故障诊断推理的难度大［2］.而液压系统作为故障发生最多的系统，其故障模式研究尤为重要.相对于其他故障诊断方式，故障树分析法是一种图形化分析方法，该方法直观形象、灵活方便、可移植性强.本文将故障树分析法用于轮式推土机液压系统故障模式研究，找到了导致液压系统故障的原因，用实例证明了此方法简单可靠而又行之有效.

1 轮式推土机液压系统故障分析

1.1 轮式推土机液压系统组成

轮式推土机液压系统主要由液压油箱、液压泵、胶管总成、先导阀、滤油器、液控多路阀、液压绞盘、提升油缸和倾斜油缸等组成，如图1所示.

1.2 轮式推土机液压系统故障的特点

液压元件是一种以液压油为工作介质的功率体积比很高的精密机械部件.液压油常见的是固体金属颗粒污染，除了颗粒污染外，如水、空气、氧气、蒸发和混入异种油等都会使液压油变质.污染的油液会引起液压元件发生故障，如液压泵的磨损、管路或阻尼孔的堵塞、滑阀的卡死等，进而导致系统的失灵.研究表明，液压系统故障大约75%与油液污染有关，其次是磨损、密封装置老化和内外泄漏等.

轮式推土机液压系统属于常规的液压系统，具有一般液压系统的特点.另外，轮式推土机是机、电、液的统一体，属于复杂装备.所以，其液压系统还具有复杂装备系统的特点.液压系统的故障特点总结如表1所示.

图1 轮式推土机液压系统组成Fig.1 Components of wheel bulldozer hydraulic system

表1 液压系统的故障特点Tab.1 Characteristics of fault in hydraulic system

2 故障树分析法

故障树分析法是把所研究系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一事件发生的全部直接因素，直至追查到毋需再深究的因素为止［3］.

2.1 故障树的符号表达

故障树分析法中，事件是用各种不同的形状加以区分的，事件与事件间的逻辑关系是用符号来表示的.常用的事件和逻辑关系说明如表2所示［4－6］.

表2 故障树常用事件和符号表Tab.2 Table of the co mmon events and signs of fault tree

2.2 故障树的数学基础

研究一个由n个独立的底事件构成的故障树，设xi为底事件i的状态变量，xi仅取0或1两种状态.Φ表示顶事件的状态变量，Φ也仅取0或1两种状态.则有如下的定义［7－8］：

故障树顶事件是设备所不希望发生的故障状态，Φ＝1，相应的底事件状态为元件故障状态，xi＝1.顶事件状态Φ完全由故障树底事件状态X所决定，即Φ＝Φ（X），其中X＝（x1，x2，x3，…，xn），称Φ（X）为故障树的结构函数.

结构函数是表示设备状态的一种布尔函数，其自变量为该设备组成单元的状态.不同的故障树有不同的逻辑结构，从而对应不同的结构函数.

2.1.1 与门结构函数

与门结构函数为

式中：n为底事件数.当xi仅取0或1两个数值时，式（3）可以改写为

式（4）说明当全部部件、元件发生故障时，设备才有故障，其中只要有一个部件正常，则设备正常.

2.1.2 或门结构函数

或门结构函数为

当xi仅取0或1两个数值时，式（5）可以改写为

式（6）说明只要有一个部件或元件发生故障时，设备就会发生故障.

2.3 故障树的绘制与表达

故障树的建立是故障分析的前提和基础，构建故障树一般有演绎法和合成法.它们的思路基本相同，都是首先确定顶事件，建立边界条件，然后通过逐级分解得到故障树，再将原始故障树进行简化，得到最终的故障树，供后续的分析计算使用.演绎法主要用于人工建树，合成法主要用于计算机辅助建树［3］.故障树的构建流程一般如图2所示.

图2 故障树构建流程Fig.2 Flow of the fault tree construction

3 轮式推土机液压系统的故障树构建

3.1 轮式推土机液压系统的常见故障模式

轮式推土机液压系统结构复杂，故障种类多，且故障现象与故障原因不是一一对应.对故障现象归纳整理可知，常见的主要故障为系统压力故障、系统有噪音和杂音、油泵运转故障、油缸不工作等，主要表现为9种情况，如表3所示.

3.2 轮式推土机典型故障故障树的构建

由于轮式推土机各系统之间关联紧密，直接导致故障间耦合严重、故障种类复杂.为清晰地表示故障间的逻辑关系，充分利用故障树简单、直观的特点，选择“推土铲提升缓慢”这个典型的故障进行系统分析，如图3所示.因为此故障在施工作业中是最不希望发生的故障，因此在液压系统故障树分析中将它作为“顶事件”置于故障树顶端；由表3序号1可知，可导致顶事件的故障原因有：主液压系统压力偏低（M1）、油缸内漏（X1）、系统有堵塞节流（X2）、多路阀的阀杆和阀体间隙过大（X3）以及先导控制系统压力偏低（M2）.由序号2可知导致主液压系统压力偏低（M1）的故障原因有：主液压系统液压油泵故障（M3）、主液压安全阀调整压力偏低（X4）和主液压系统液压油泵吸空（M4）.依次类推构建故障树如图3所示.其中各符号分别为：先导控制系统液压油泵故障（M5）、先导控制系统安全阀调整压力偏低（X5）、先导控制系统液压油泵吸空（M6）、主液压系统液压油泵油封损坏（X6）、主液压系统液压油泵磨损（X7）、主液压系统吸油管漏气（X8）、滤油器堵塞（X9）、液压油冻结或粘度过大（X10）、用油不对或油液变质（X11）、液压油箱油面过低（X12）、先导控制系统液压油泵油封损坏（X13）、先导控制系统液压油泵磨损（X14）、先导控制系统吸油管漏气（X15）.

表3 轮式推土机液压系统常见故障及排除方法Tab.3 Co mmon faults and solutions of wheel bulldozer hydraulic system

3.3 故障树的定性分析

对故障树进行定性分析的主要目的是弄清楚系统有多少种可能引起顶事件的原因.故障树中如果其中几个底事件的集合发生，导致了顶事件的发生，那么这个集合称之为割集.这就是说，一个割集代表了系统故障发生的一种可能性，即一种失效模式.最小割集是指去掉割集中的一个底事件就不再是割集了，最小割集发生时顶事件一定发生［7］.所以故障树定性分析最主要的就是寻找故障树的全部最小割集.求出故障树的所有最小割集的方法有多种，其中最有效的是下行法和上行法［9］，两种方法结果应一致.

3.3.1 下行法

下行法就是从顶事件开始，从上到下依次进行处理.如果是或门输出，就将该门的输出排成一排；如果是与门输出的，就将该门的输入的排成一排.一直到所有的事件都被处理完为止，得到的每一行的底事件集合都是故障树的一个割集.最后将这些割集进行化简，就得出所有的最小割集.利用下行法对故障树进行分析，如表4所示.

图3 推土铲提升缓慢故障树Fig.3 Fault tree of slow rising in wheel bulldozer blade

表4 下行法对故障树进行分析的过程Tab.4 Process of fault tree analysis by fussed

由图3观察可得，只要有一个底事件发生，顶事件就会发生.因此，此故障结构函数为或门结构函数.由式（5）可得：

简化得：

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

上行法是从底事件开始，由下而上逐个进行处理.如果是或门输出的，就用该门输入事件的布尔和表示；如果是与门输入的，就用该门输入事件的布尔积表示.一直到所有的结果事件都被处理完为止，得到一个顶事件的布尔表达式.最后根据运算法则将这个表达式进行化简，最终表达式中的项就是故障树的所有最小割集.利用上行法对故障树进行分析如下：

（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.

根据以上分析，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，求解出了故障树的全部最小割集，也就是说找到了造成推土铲提升缓慢的故障原因.故障原因可能有以下15条：油缸内漏、系统有堵塞节流、多路阀的阀杆和阀体间隙过大、主液压安全阀调整压力偏低、先导控制系统安全阀调整压力偏低、主液压系统液压油泵油封损坏、主液压系统液压油泵磨损、主液压系统吸油管漏气、滤油器堵塞、液压油冻结或黏度过大、用油不对或油液变质、液压油箱油面过低、先导控制系统液压油泵油封损坏、先导控制系统液压油泵磨损、先导控制系统吸油管漏气.

4 结语

本文对轮式推土机液压系统“推土铲提升缓慢”这一故障现象建立故障树并进行定性分析.该故障树全面地反映了故障关系及可能产生故障的原因，为维修人员提供了一种分析故障的方法.同时在该机械高强度作业过程中，为其提供了有效的故障预防途径.亦可对轮式推土机的其他类型故障采用同样方法建立故障树，列出全部故障原因，有助于掌握轮式推土机的故障规律和特征，为轮式推土机故障诊断专家系统的开发奠定了基础.

［1］周春丽.简述工程机械自动化发展方向［J］.铁道建设，2009（1）：41－43.

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

［2］李焕良，杨承先.基于故障树分析法与虚拟仪器技术的工程装备电控系统故障诊断［J］.中国工程机械学报，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］钟秉林，黄仁.机械故障诊断学［M］.北京：机械工业出版社，1997.

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

［4］黄文虎，夏松波，刘瑞岩，等.设备故障诊断原理、技术及应用［M］.北京：科学出版社，1997.

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

［5］郭伟伟.基于故障树技术的远程故障诊断专家系统的研究［D］.西安：西北工业大学，2007.

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

［6］刘庆松，郭新华，马献图.故障树的编制与应用［M］.北京：北京科学技术出版社，1989.LIU Qingsong，GUO Xinhua，MA Xiantu.Preparation and application of fault tree［M］.Beijing：Beijing Science ＆ Technology Press，1989.

［7］金亮亮.基于故障树的航天器故障诊断专家系统研究［D］.南京：南京航空航天大学，2008.

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

［8］翟大鹏.基于故障树的数控机床故障诊断系统研究［D］.太原：太原科技大学，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.