工程机械液压系统可靠性仿真研究

摘 要：随着近些年我国社会需求的不断增长，社会生产对于工业机械的需求也在与日俱增，然而目前我国自行研发生产的工程机械普遍落后于国际水平，主要原因就是可靠性不高，特别是工程机械中的液压系统，其中接近一半的工程机械损坏是由液压系统故障导致的。因此对工程机械液压系统的可靠性进行仿真研究具有极其重要的现实意义

关键词：工程机械；液压系统；可靠性；蒙特卡罗仿真法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.089

1 蒙特卡罗仿真的应用

在对工程机械液压系统的可靠性进行仿真研究时，一般进行模块化处理，对系统进行模块化划分能够有效降低仿真模型的体积，从而提高模型性能监测过程的便利性与可观测性。然后由于在实际情况中，模块之间的联系比较紧密，模型的边界难以清晰辨认，那么将系统进行模块化划分，在实际应用中并不能有效简化系统，而蒙特卡罗仿真能有效解决上述问题。

1.1 蒙特卡罗法的基本思想

蒙特卡罗法，也即随机仿真法，其作为实验数学中的重要一支，与普通数值算法存在本质差异。这种方法采用的是随机数试验，将计算得出的特征值当做问题方程的解。该方法的基本思想在于为求解数学、工程等方向的问题，依次构建概率模型、计算特征值、求解。该方法的理论基础来源于概率论，操作方法以随机抽样为主。

蒙特卡罗法的三个主要过程包括：（1）构建概率模型。部分问题本质上就是概率问题，对于这些问题，重点就是描述该过程；对于其它一些非概率性的问题，首先就要构建概率模型，其中包含的一些参数便是问题的解，也就是要把非概率性问题构造成概率小问题。（2）对概率分布进行随机抽样。构建好概率模型之后，因所有概率模型皆可认为是一种或多种概率分布的组合，所以就出现了已知概率分布的随机量。获得随机量的方法多种多样，包括物理方法和数学方法，然而统计结果表明，唯有数学递推产生的随机量最符合随机数的特征，所以将递推产生的随机量作为随机数进行概率统计。（3）构建多种估计量。从一般意义上来讲，构建了概率模型并且完成了抽样之后，也即完成了模拟试验之后，必须找到一个随机量，将其作为问题的解，并称之为无偏估计。构建多种估计量，实质上是验证模拟试验的结果，并从中确认解值。

1.2 GSPN模型的可靠性仿真求解

利用蒙特卡罗法验证GSPN模型的可靠性，有两个重要问题需要解决，即生成适合的随机量以及构建适合的时间推进机制。下面将会对上述问题逐一分析。

1.2.1 生成适合的随机量

要挑选适合的随机量，首先要在[0，1]上产生均匀分布的随机数，对于其它类型的概率分布，也可以通过一定的转化形成[0，1]分布，通常利用线性同余法构建随机数发生器，进行概率分布转换。然而该发生器含有一个缺陷：利用其获得的随机数本质上并非随机生成的，这一缺陷是任何发生器都不可避免的。当前构建仿真系统常用的还有乘同余发生器，该反应器相较于前者性能更好，操作更加简便。

1.2.2 构建仿真时间推进机制

所谓固定步长推进机制，就是假定仿真时钟每一次都变化相同的间隔，然而当间隔较长时，系统势必会做一些多余的计算，仿真的效率将大打折扣。为了更好地对GSPN模型进行仿真，可以把事件理解为变迁的引发。事件出现的频率由变迁延时时间所决定，所以事件出现的时间可以被认为是随机的。

2 工程机械液压系统可靠性仿真

2.1 建立数学模型，选取仿真参数

在为系统构建数学模型的过程中，为简化分析过程，做出如下假设：忽略马达之间管道的压力损失；马达的泄漏是层流的；马达的转速是固定的；忽略马达的摩擦。

在选择系统最大工时tmax时，一般利用试算的方式，也就是估算系统可能崩溃的时间，先设置tmax做试运行。对系统崩溃时间早于tmax和晚于tmax的次数进行记录，从而调整tmax的值，一直调整到系统崩溃的时间晚于tmax。在选择仿真次数时，一般也利用试算的方式，预先设置多个仿真次数值，挑选其中结果最稳定的一个。

2.2 工程机械液压系统可靠性仿真分析

在假定系统最大工时tmax为5000h，仿真次数为10000时，进行仿真分析得到以下结果：

（1）所有部件的重要度皆为1，也就是说不论哪个部件出现问题都会导致系统出现故障；部件的概率重要度各不相同，数值大表示该部件出现问题的概率大，那么该部件就是系统的薄弱点。

（2）根据相关操作文件规定，液压系统的定期检查至少应当是每年一次，全面检查至少是四年一次，在这种情况下液压系统的最大工时为120h，而在实际使用中，液压系统一般工作150h后进行检查，那么工程机械液压系统的可靠性大概在0.6-1.0之间。

（3）液压系统工作时可能会出现高压软管破裂，安装防破阀门能够有效减少破裂现象的出现，进行仿真分析后可知，加装防破阀门可以提高大约百分之二十的系统最大工时。

（4）分析所得数据可知，液压油污是导致系统出现故障的主要因素。现假設将油液的清洁度翻倍，仿真得到的结果是系统的最大工时将提高百分之十，可靠性得到了进一步提升。

3 结语

在理解蒙特卡罗法基本思想的基础上，进行了数学建模与系统仿真研究，可见为了增强系统的可靠性，必须增强泄漏或压力反馈环节，同时当油液的清洁度提高时，系统可靠性也能够得到一定的加强。

参考文献：

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[3]姜友山.基于SimulationX的工程机械电控转向液压系统仿真研究[J].建筑机械，2015（08）：111-112.

作者简介：刘杰（1988-），男，山西人，硕士研究生，助教，研究方向：液压、发动机。