装甲车辆液压系统的可靠性预计

申小雪

摘 要：以装甲车辆的液压系统为研究对象，阐述了该液压系统的组成和工作原理，运用故障率预计法、评分预计法和可靠性预计的一般方法对该系统的可靠性进行了预计，为工程设计人员设计安全可靠的液压系统和对整车进行全寿命周期设计提供了理论依据。

关键词：装甲车辆；液压系统；可靠性预计

对系统进行可靠性分析，在整个可靠性理论与实践中占有很重要的地位。随着科学技术的发展，系统的复杂程度越来越高，而系统越复杂则其发生故障的可能性就越大，因此，迫使人们必须提高组成系统的零部件的可靠度[1]。液压系统是装甲车的重要组成部分，运用系统的可靠性分析设计技术对液压系统进行可靠性分析，对提高系统的可靠度，降低产品的寿命周期费用提供了帮助。

1.液压系统的组成

装甲车的液压系统由首上（下）滑板、尾滑板、进（排）气窗、水上制动器、左（右）水门、左（右）边舵十个功能模块组成。液压系统是由动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件和工作介质五大部分组成。这里简要介绍一下动力元件、控制元件以及执行元件的功能[2]：

动力元件是将原动机的机械能转化为压力能，为整个液压系统提供动力。控制元件是控制和调节液体的压力、流量和方向。执行元件是将液体的压力能转化为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。

2.液压系统的工作原理

液压系统是以液压油作为工作介质来进行工作的，液压泵从油箱泵油，通过单向阀、溢流阀、节流阀调节液体的压力和流量的大小，通过油管向整个系统输送油液，为分别执行十个动作的液压缸提供动力，由电磁换向阀控制液压缸的方向，从而完成滑板、气窗、水门的打开与关闭以及水上制动器、左右边舵的控制等动作。

3.系统的可靠性模型

由于该装甲车辆液压系统的组成较复杂，本文选取首上滑板模块来作为研究对象，建立基本的可靠性模型。根据液压系统的原理图可知，首上滑板模块的基本可靠性模型是一个串联模型，所以该模块中的任何一个单元故障都会引起系统的故障。因此，建立装甲车液压系统的首上滑板模块的基本可靠性框图，如图1所示。

图1 系统可靠性框图

由于串联结构模型中各个单元是相互独立的，假设各个单元单元的寿命是服从指数分布的，则该模块的数学模型为：

Rs（t）=R1（t）·R2（t）·…·R12（t）（1）

上式中：R（t）-系统的可靠度；Ri（t）-第i个单元的可靠度，i=1，2，3，…，12。

4.系统的可靠性预计

4.1故障率预计法

故障率预计法主要用于非电子产品的可靠性预计，在系统的研制进入到详细的设计阶段时，产品已经具备了详细设计图，所以，在得到基本故障率后，可以运用故障率预计法，该方法对电子产品和非电子产品都是适用的。

对于非电子产品，可以考虑降额因子D和环境因子K对失效率的影响。非电子产品的工作故障率λ为：

λ=K·D·λb（2）

式中：λb—基本失效率；

由于目前尚无可供正式查阅的数据手册，此处选择该液压系统中的电磁换向阀1为预计对象，在实际工程中，电磁换向阀出现的故障大多数为电磁故障，很少出现机械故障。因此，工作故障率公式中涉及到的环境因子K可以参考《电子设备可靠性预计手册》GJB/Z299C-2006[3]中列出的环境系数πE。

所以，用故障率预计法预计液压控制元件电磁换向阀1的故障率步骤如下：

（1）确定环境因子K：该液压系统是在剧烈地面移动，查阅《电子设备可靠性预计手册》中环境分类表可知，环境分类符号为GM2：如装甲车内的环境条件。再查阅机电继电器的环境系数表（如表1所示）可知，GM2条件下的环境系数为πE=8.5。

表1 环境系数πE

环境GBGMSGF1GF2GM1

πE1.01.11.53.04.0

环境GM2MPNSBNS1NS2

πE8.56.05.03.06.0

环境NUAIFAUFAICAUC

πE146.0114.58.0

环境ARWSFMLMF

πE311.04522

（2）确定降额因子D：查阅相关文献并结合实际工程经验确定电磁换向阀1的降额因子为0.9。

（3）確定基本故障率λb：查阅文献可知[4]，电磁阀中的关键部件电磁铁大约可以使用106次，经过计算得到换向阀1的基本故障率为1.25×10-6h-1。

（2）计算工作故障率λ：

λ=K·D·λb=8.5×0.9×1.25×10-6=9.5625×10-6h-1

4.2评分预计法

评分预计法是在可靠性数据非常缺乏的情况下，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素进行评分，对评分结果进行综合分析以获得各单元产品之间的可靠性相对比值，再以某一个已知可靠性数据的产品为基准，预计其他产品的可靠性[1]。因此，这里采用上文已经求得的电磁换向阀1的故障率λ为基准故障率λ，采用评分预计法预计首上滑板模块中其他单元的故障率，其预计的过程如下所示：

（1）确定各单元的评分数ωi

ωi=∏4j-1rij（3）

式中：ωi—第i个单元的评分数；rij—第i个单元、第j个因素的评分数；j—评分因素，j=1为复杂度，j=2为技术水平，j=3为工作时间，j=4为环境条件。

（1）确定各单元的评分系数Ci

Ci=ωi/ω（4）

式中：Ci—第i个单元的评分系数；

ω—故障率为λ的单元的评分数；

（2）确定其他各单元的故障率λi

λi=λCi（5）

式中：λi—其他各单元的故障率；λ—已知可靠性数据的单元的故障率；

根据专家对各单元进行评分，得到计算结果如表2所示。

表2 首上滑板各单元的故障率计算结果

序号单元名称ri1ri2ri3ri4ωiciλi

1油箱331087200.3002.869

2吸油滤油器458711200.4664.456

3液压泵988634561.43913.760

4单向阀1558612000.5004.781

5滤油器44867680.3203.060

6压力表及开关45869600.4003.825

7电磁换向阀1777724011.0009.563

8溢流阀887626881.12010.710

9电磁换向阀2875616800.7006.694

10单向阀2656712600.5255.020

11节流阀685614400.6005.738

12液压缸986730241.25912.039

根据计算得出的各单元的故障率，利用MATLAB绘制出各单元可靠度与时间的图形关系如图2所示。

图2 各单元可靠度与时间的关系

图3 系统可靠度與时间的关系

4.3可靠性预计的一般方法

根据系统可靠性模型，由上面求得的各单元故障率可以对首上滑板模块的系统可靠性进行预计，该系统是一个串联系统，故其故障率为各单元故障率之和。

λs=∑12i=1λi=82.515×10-6h-1（6）

所以，该液压系统首上滑板模块的可靠度为：

Rs（t）=e-λst=e-82.515×10-6t（7）

所以，系统可靠度与时间的图形关系如图3所示。

5.结论

本文对装甲车辆液压系统的首上滑块模块进行了可靠性分析，通过分析结果，利用MATLAB绘制了系统可靠度和各单元可靠度与时间的关系曲线图。

在分析的过程中，利用了故障率预计法预计出一个单元的故障率，然后利用评分预计法对其它单元的可靠性进行预计，得到了各单元的失效率，最后，利用可靠性预计的一般方法预计了系统的可靠性。

由图4可知，当t=4000h时，系统的可靠度>80%，其设计是符合要求的，但是其裕量较小。由于本系统串联单元较多，所以为了提高可靠度，在满足设计要求的前提下，尽量减少串联单元。由图3可知，随着时间的增加，液压系统的可靠度下降最快，其次是液压缸、溢流阀、换向阀1。液压泵是动力元件，液压缸是执行元件，为了提高系统可靠性，在这四个元件的选用和设计方面，要选用性能好的。（作者单位：重庆交通大学机电与汽车工程学院）

参考文献：

[1] 胡启国.机械可靠性设计及应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] 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，2011，6.

[3] 中国人民解放军总装备部.GJB/Z299-2006电子设备可靠性预计手册[S].北京：中国标准出版社，2007.

[4] 马琳，张宝霞，吴强.LGT2001型公铁两用牵引车液压系统的可靠性分析[J].机械设计，2012，29（3）：93～96.

[5] 李清河，谭青，林光霞.25t轮胎起重机液压系统的可靠性分析[J].液压与气动，2007（5）：43～4