基于威布尔分布的液压柱塞泵可靠性研究

张育洋 马 骥

(1.陕西工业职业技术学院航空工程学院，陕西712000；2.陕西核昌机电装备有限公司爱科仕分公司，陕西712000)

随着社会发展进步，挖掘机的用处越来越多。挖掘机挖掘力大、效率高，能完成人类不能完成的挖掘任务。但挖掘机的工作环境比较恶劣，液压柱塞泵作为挖掘机的重要部件，在恶劣环境中工作，导致很多杂质进入到液压柱塞泵中，使其在使用过程中经常出现污染磨损，其失效会导致液压系统瘫痪。液压柱塞泵失效的三个标准为：轴承点蚀、泵内零件损坏、容积效率低于70%。影响液压柱塞泵失效的原因有：压力、温度、转速、材料性能、设计性能、油液颗粒污染等因素。

通过对液压柱塞泵进行污染磨损试验得到其污染磨损寿命，随后根据威布尔分布对液压柱塞泵可靠性进行研究。根据其可靠性，得到剩余寿命可靠度函数，保证大型设备正常工作，降低设备运行风险，节约生产成本。

1 试验方法及原理

1.1 液压柱塞泵污染磨损寿命试验

液压柱塞泵污染磨损试验台要完成液压柱塞泵污染磨损试验，容积效率为液压柱塞泵的寿命指标，当容积效率低于70%时，液压柱塞泵视为失效[1]。试验台除试验系统外，还需要电气系统供电，台架系统支撑。液压柱塞泵污染磨损试验时，考虑三个条件变化，分别为温度、压力、污染物浓度。最大压力预计在31.5 MPa，温度需要控制在50°C左右。对比之前国内外常用的液压柱塞泵污染磨损试验系统，有三个缺点：流量计安装在工作回路上，工作时间过长，影响其性能；系统中没有安全阀会产生危险；系统中无加热器，无法加热。设计的系统通过节流阀控制压力，通过加热器和油冷机控制温度，根据试验要求，在系统里加入污染物使其浓度不同。根据试验对系统要求，系统需要设计三条回路，分别为：工作回路、测流量回路，过滤回路。设计系统原理图如图1所示。

图1 液压柱塞泵试验系统原理图Figure 1 Principle of hydraulic piston pump test system

液压柱塞泵试验系统包括琴式操作台、动力柜、油冷机和台架系统。根据试验系统原理图，选择元器件，搭建试验台，选择的元器件见表1。试验台的电气系统主要用可编程控制器控制系统电源。试验台的台架系统由动力源、加载系统、过滤系统、冷却系统等组成。安装液压柱塞泵试验台时，首先要在地面上标注各液压元器件的位置。在油箱底部安装一根油管，将漏油导入油箱。试验过程中要注意裸露在外的电线，需要把电线摆整齐，以免绊倒试验人员，产生危险。安装时注意电机与液压柱塞泵的摆放位置。最后再次检查，确保所有元器件密封完好。

表1 液压系统各元件Table 1 Hydraulic system components

1.2 试验步骤

搭建试验台后，进行液压柱塞泵污染磨损寿命试验。

(1)检测试验系统正常后，开机进行工作。

(2)按所需要的质量，称重不同大小的颗粒。

(3)系统运行稳定后，将工作压力调至固定压力，持续0.5 h后，输出流量视为初始流量。

(4)关闭过滤回路，将颗粒尺寸为0～5 μm的污染颗粒粉尘注入到油液中，保持浓度为300 mgL，系统工作一定时间后输出流量稳定，该流量为输出流量。

(5)打开球阀7，使过滤回路进行工作。

(6)依次注入不同尺寸的粉尘颗粒，保证浓度为300 mgL并测得输出流量。当容积效率低于70%时，视为液压柱塞泵寿命终止，得到其寿命。

2 试验结果及分析

当固定工况压力为10 MPa时，在不同污染物浓度下进行液压柱塞泵污染磨损试验，通过试验得到液压柱塞泵在不同污染浓度下的污染磨损寿命，寿命数据见表2。

表2 不同污染等级液压柱塞泵寿命Table 2 Hydraulic piston pump life ofdifferent polluted level

根据文献[2]得到液压柱塞泵的污染磨损寿命服从威布尔分布。二参数威布尔分布的概率密度数学模型为[3]：

(1)

则液压柱塞泵污染磨损寿命的分布函数为[3]：

(2)

将式(2)两边同时取两次对数可得：

(3)

式(3)可以视为一条直线方程，同时利用通过极大似然估计的方法，最终可以确定二参数威布尔分布的液压柱塞泵污染磨损寿命的分布函数为：

(4)

可靠度分布函数为：

(5)

剩余寿命的可靠度函数为：

(6)

3 工程实例

液压柱塞泵在挖掘机设备中应用很普遍，是该设备动力传导的核心部件。根据式(5)可以计算得到液压柱塞泵可靠度，根据液压柱塞泵可靠度，即可判断挖掘机是否能正常工作。液压柱塞泵工作8000 h后，可靠度为0.7。根据式(6)可以随时算出液压柱塞泵的可靠度，对设备的故障起到提前预警作用。当工作压力为10 MPa，液压柱塞泵工作3000 h后，再继续工作1000 h的可靠性为0.96。当可靠性低于0.7时，需要注意液压柱塞泵的维修与更换。液压柱塞泵事故发生后维修会使其在作业过程中产生危险，如果每隔固定时间更换液压柱塞泵会给企业增加经济负担，如果能准确预估液压柱塞泵污染磨损的寿命及其可靠性，可以为企业节约成本。根据以上公式，结合其在实际应用中发挥的作用，将对设备正常运行和故障排除具有实际的意义，按照计算出的可靠度，可以在需要维修时及时维修，此方法为挖掘机制造企业和实际使用的用户节约了维护时间，并防止出现重大安全事故，降低生产成本和安全事故风险。

4 结语

对液压柱塞泵进行了污染磨损的试验研究与可靠度的计算，具体工作如下：

(1)根据试验要求，设计液压柱塞泵污染磨损系统原理图，根据原理图，选择元器件，搭建液压柱塞泵污染磨损试验台。

(2)对试验结果进行分析，用二参数威布尔分布确定液压柱塞泵污染磨损寿命分布函数及可靠性函数。

(3)根据可靠度函数可以检测液压柱塞泵剩余寿命可靠度函数可以检测其余液压泵寿命，做到提前预警，并及时维修，节约成本，并预防重大安全事故的发生，为企业和社会创造价值。