液压系统可靠性评估的初步探索*

王宜君

(盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005)

液压系统可靠性评估的初步探索*

王宜君

(盐城工业职业技术学院，江苏 盐城 224005)

通过分析液压系统的具体特点，提出了根据工步评估液压系统可靠性的思路，并给出初步评估模型，对模型中的参量进行必要的讨论。

液压系统；可靠性；工步评估

0 引 言

可靠性已成为液压传动系统非常重要的质量综合评价指标，提高液压系统的可靠性，不仅能减少各种维护、检修费用，还能减少因系统发生故障而造成的各种损失，经济效益十分明显[1]。

对液压系统的可靠性进行评估，作为可靠性设计的前提和基础，具有十分重要的意义，总体而言，液压系统可靠性评估有下述4个意义：①对几种设计方案进行比较，选择可靠性最高的方案；②预视系统中的薄弱环节，以便采取改进措施；③为系统的故障诊断、分析提供理论依据和指导；④通过评估、分析国际先进样机的可靠性，为加速其国产化进程提供借鉴与帮助。目前，对液压系统可靠性评估，大多在定性分析的阶段，尚未形成一种完善与统一的定量方法[2]。笔者对液压系统可靠性评估进行了初步探索，根据液压系统的具体特点，提出工步分析评估法，尽管还有待于进一步完善，但对今后的研究具有借鉴意义。

1 液压系统可靠性的评估模型建立

1.1 可靠性4要素

所谓系统的可靠性，就是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成预定功能的能力[3]，可靠度即是其定量表示形式。

这个定义可分为4个基本部分：

(1) 概率，它使可靠性这一事件得以量化表示；

(2) 充分执行功能，指系统完成预定功能的质量应得到保证；

(3) 规定的时间，指系统工作时期；

(4) 运行条件，指系统运行的外、内部环境。

1.2 液压系统工步可靠度

工步可靠度即为液压传动系统在该工步准确完成要求功能(动作)的概率。液压传动系统的工作是由一系列工步组成的，特别是组合机床液压系统更为明显。不同的工步，要求系统完成的动作(或功能)是不相同的，如快进工步要求液压缸快速进给，而工进工步则要求液压缸慢速均匀进给。“充分执行预期功能”是可靠性定义的4要素之一，因此，在不同的工步，由于预期的功能(或动作)不同，系统将具有不同的可靠度值。

对于不同的工步，可靠性定义4要素之一的“运行条件”也是不同的，不同的工步，系统的压力、流量、油温及负载状况均不相同，不能将各工步的可靠性混为一谈。

因此，在评估、分析液压系统的可靠度时，应当首先求出液压系统在各个工步的可靠度(即工步可靠度)，然后再根据各工步可靠度评估出液压系统的总可靠度值。

1.3 液压系统总可靠度评估模型

通过研究液压系统的具体特点，提出了一种评估模型。设液压系统共有N个工步，已得出液压系统在各工步的可靠度为R1、R2、……、RN，则液压系统总可靠度的评估值可表示为各工步可靠度的加权积，即：

(1)

由式(1)可推出：

(2)

显然，μi越大，则工步i的可靠度Ri对液压系统总可靠度R的影响就越大，可见，权系数μi反映了各工步对液压系统总可靠度的影响程度。

考虑到各工步在逻辑上并非完全独立，一方面，前面的工步可能在后面的工步中仍起作用，如锁紧工步在快进、工进等工步中仍起作用；另一方面，前后相邻的工步间有承接关系。因此，要保证式(1)成立的前提是工步可靠度必须是独立的。这里将从两方面来论证式(1)的合理性：

(1) 从所给出的工步可靠度定义来看，所谓工步可靠度，即为液压系统在该工步中完成所要求的功能(或动作)的概率。这个定义的核心是“该工步所要求的功能(或动作)”；如在锁紧工步，所要求的功能(或动作)为锁紧缸夹紧而不松开；在工进步，所要求的功能(或动作)，除了一般认为的工作缸慢速均匀进给这一项外，还包括锁紧缸夹紧而不松开这一项。因此而得出的锁紧工步可靠度和工进工步可靠度显然是相互独立的。

(2) 前后相邻的工步间的确存在着承接关系，后一工步的发生往往以前一工步的完成为必要条件；如工进工步就是在快进工步完成之后，由某一状态信号(行程开关信号、压力继电器信号等)触发而开始进行的。基于液压系统的这一特点，将某一工步分为两个过程。过程1，即由前一工步转换为当前工步，称为转换过程；过程2，即保持当前工步状态，称为保持过程。转换过程的可靠度即转换可靠度，反映了前后工步之间的承接关系；保持过程的可靠度即保持可靠度，反映了在当前工步下，系统完成所要求功能的概率。工步可靠度即等于转换可靠度与保持可靠度的乘积。由此得出的工步可靠度，已包容了前后工步间的承接关系，可认为各工步可靠度之间是独立的。

以上提出了液压系统可靠性根据工步进行评估的思想，给出了一个初步评估的模型，并对其合理性进行了分析论证。

2 液压系统总可靠度的计算方法

2.1 工步的权系数确定方法

从式(1)可看出，要评估出液压系统的总可靠度，除了必须求出各工步的可靠度Ri外，各工步的权系数μi的确定也是极其重要的。

工步的权系数μi反映了各工步对液压系统总可靠度的影响程度，其确定原则为：

(1) 工步在液压系统整个工作循环中的地位越重要，则该工步的权系数μi越大。

(2) 工步发生故障所造成的危害越大，则该工步的权系数越大。

(3) 工步在液压系统工作中出现得越频繁，则该工步的权系数越大。

权系数μi值的准确程度，对于系统总可靠度评估值的准确程度影响很大，因此，尽可能精确地、定量地给出各工步的μi值，将具有十分重要的意义。笔者将根据μi的确定原则，给出一个定量确定权系数μi的初步方法，具体分述如下。

2.2 工步重要度

以工步重要度Im来定义工步在液压系统整个工作循环中的地位。每个工步重要度Im与该工步的持续时间、输出功率、工作精度等因素有关。一般而言，工步持续的时间越长，则该工步的重要度取值越大，至于输出功率、工作精度等因素的影响，则应视具体情况来考虑。

一般可根据有无精度要求将各工步分为1类工步(有精度要求的工步)和2类工步(无精度要求的工步)。对于1类工步，工作精度要求越高，则该工步的重要度Imi值越大；对于2类工步，输出功率越大，则该工步的重要度Imi值越大；1类工步的重要度Imi值总是比2类工步要大。

工步重要度Imi的数学表示如下：

(3)

式中：Imi为第i工步的重要度；Ai为第i工步的工作精度要求(精度等级)；Amax为各工步要求的工作精度的最高要求；ti为第i工步的持续时间；T为所有1类工步的持续时间之和；K为比例系数，它使得1类工步中重要度最小者仍要比2类工步中重要度最大者还大，K的具体确定要考虑这两类工步“相邻”的两个工步的具体情况而定。

2类工步：

(4)

式中：Imi为第i工步的重要度；Pi为第i工步的输出功率；ti为第i工步的持续时间；W为一个工作循环内所有2类工步输出功的总和。

此外，重要度Imi还应满足下列两个条件；否则，应进行标幺化处理：

式中：N为一个工作循环的工步数。

2.3 工步失效危害度

所谓工步失效危害度，就是指工步发生故障所造成的危害程度。工步失效危害度越大，则该工步对液压系统总可靠度的影响程度也越大，即μi越大。

确定工步i的失效危害度Dai的步骤如下：

(1) 确定工步i中可能发生的各个故障，并计算出每个故障发生的概率值。假设工步i可能发生的故障共m个，发生的概率分别为P1、P2、…、Pm。

(2) 分析每个故障将造成的损失；假设分别为S1、S2、…、Sm。Si可以是经济量纲、伤亡人数，也可以是无量纲的相对值。

(3) 求出工步i的风险值为：

(5)

对各工步重复上述3个步骤，得到每个工步的风险值F1、F2、…、FN(设有N个工步)。最终得出工步i的失效危害度：

(6)

显然，Dai还应满足下列两个条件：

2.4 工步频繁度

所谓工步频繁度，即为该工步在液压系统一个工作循环中出现的频繁程度。它表征了该工步对液压系统整个工作的参与程度。

工步频繁度的数学表示如下：

设液压系统一个工作循环共N个工步，工步i在一个工作循环中出现的次数为Ti，则工步i的频繁度为：

(7)

显然，Fri应满足下列两个条件：

工步的频繁度值Fri越大，则表示该工步参与液压系统整个工作的程度越高，因而该工步对液压系统总可靠度的影响必然越大，即权系数μi值越大。

2.5 权系数的综合与计算

实际上，影响工步权系数μi的上述3种因素(工步重要度、工步失效危害度、工步频繁度)对μi的影响程度也是不同的，工步权系数μi是上述3种因素综合而成的，以加权和的形式表征这个综合过程。

设工步i的重要度为Imi、失效危害度为Dai、频繁度为Fri，则工步i的权系数为：

μi=q1Imi+q2Dai+q3Fri

(8)

式中：q1、q2、q3分别为3种因素的加权系数，表征了3种因素的相对重要程度。显然，q1、q2、q3应当小于或等于1，且满足q1+q2+q3=1。

初步给出的q1、q2、q3参考值为：

q1=0.4、q2=0.4、q3=0.2

则式(8)变为：

μi=0.4Imi+0.4Dai+0.2Fri

显然，μi应满足下列两个条件：

3 结 语

提出了根据工步来评估液压系统可靠性的思想，并给出了一个简单又较为合理可行的评估模型，对该模型中的参量及影响因素进行了适当的讨论。随着液压技术的不断发展，以及广大技术人员的努力与探索，液压系统可靠性的评估方法将进一步完善、实用。

[1] 赵静一, 姚成玉. 液压系统可靠性工程[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.

[2] 湛从昌, 傅连东, 陈新元. 液压可靠性与故障诊断[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2009.

[3] 朱 琪; 杨永萍. 液压传动系统的工作可靠度及故障率分析[J]. 机械研究与应用,2000,19(1):11-12.

[4] 潘 阳，游明琳，丁 旭.挖掘机液压系统维护与故障诊断浅析[J].机械，2009(12)：62-4.

Preliminary Study on the Reliability of Hydraulic System

WANG Yi-jun

(YanchengInstituteofIndustryTechnology,YanchengJiangsu224005,China)

The scheme of the working step evaluation of the reliability of hydraulic system is presented in the paper by analysing the specific characteristics of the hydraulic system, and the evaluating model is put forward and the parameters in the model are discussed.

hydraulic system; reliability; working step evaluation

2014-02-24

王宜君(1963-)，男，江苏盐城人，副教授，主要从事液压与气动方面的科研和教学工作。

TH137

A

1007-4414(2014)02-0061-03