汽车起重机支腿液压系统的可靠性分析

罗 曦，高崇仁

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)



汽车起重机支腿液压系统的可靠性分析

罗 曦，高崇仁

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

汽车起重机支腿液压系统是汽车起重机重要的组成部分，它的可靠与否决定了汽车起重机能否正常工作、稳定运行。以汽车起重机支腿液压系统为研究对象，分析其工作原理，针对其会产生的四种典型故障建立了故障树，在此基础上，运用故障树分析法、贝叶斯网络和模糊集理论，利用模糊数和条件概率表描述系统和部件间不确定的定量关系，充分利用系统的模糊信息和不确定信息高效进行可靠性分析。

汽车起重机；支腿液压系统；模糊贝叶斯网络；可靠性分析

起重运输机械的设计越来越先进，功能也越来越多样，这就使得高可靠性成为了产品的基本要求之一。作为工业生产的重要支柱，起重运输机械在经济建设中有着不可或缺的重要作用，相较其他机械装备，起重机的可靠性与安全性显得尤为重要。汽车起重机是起重机械重要的组成部分，它的液压系统的可靠与否决定了汽车起重机能否正常工作、稳定运行。

文献[1]提出了可靠性框图(Reliability block diagram，RBD)分析方法；文献[2]中提出二元决策图(Binary decision diagram，BDD)分析方法；文献[3]中提出故障树(Fault tree analysis，FTA)分析方法；文献[4]中提出贝叶斯网络(Bayesian networks，BN)分析方法等，都是分析可靠性分析的有效方法。其中贝叶斯网络可针对液压系统具有多态性和不确定性的特点，更好地进行定量评估。文献[4]建立了二态和多态系统可靠性分析模型，文献[5]提出了基于模糊贝叶斯网络的多态系统的可靠性分析方法，解决了历史数据缺乏，系统使用变化，导致部件故障率难以用紧缺的数值表达的问题。

以汽车起重机为例，针对其液压系统，采用模糊贝叶斯网络对其进行可靠性分析并可得出系统可靠性信息，从而为系统的可靠性设计和故障诊断提供可靠性数据，为提高汽车起重机液压系统的可靠性提供部分依据。汽车起重机的液压系统包括起升、变幅、回转、支腿、伸缩等组成部分。

以某汽车起重机支腿液压系统为例，进行可靠性研究。

1 汽车起重机支腿液压系统的工作原理

以某QY-8型汽车起重机支腿液压为例，汽车起重机在工作前需要放下前后支腿用作支撑，工作后操作者需将支腿收起，使汽车可以正常行驶，为保证作业安全，油路中的液压锁是由两个液控单向阀组成，可以确保支腿停可靠锁住。[6]图1为原理图。

2 故障树的建立

液压系统的常见故障有：压力失控、速度失控、系统失灵、泄漏堵塞等。其中，压力失控，主要表现为压力不稳定、无压力或压力低、调整性不良等；速度失控主要表现为速度慢、不稳定或不可调等；系统失灵指的是操作者在操纵系统时，系统不能或者不完全能按照操作者的指令完成规定的工作内容，可由诸多原因造成；泄漏分为外泄和内泄，主要取决于元件的加工精度和选材，与工作人员的操作、维修人员的技术水平等也有着密不可分的联系；堵塞主要有吸油油路堵塞、回油油路堵塞和先导控制油路的堵塞。

1-液压泵；2-前支腿液压缸盖；3-后支腿液压缸盖；4-双向压液压锁(单向阀)；5-手动控制阀组(换向阀)；6-安全阀(溢流阀)；7-过滤器。

图1 腿液压系统原理图

Fig.1 Outrigger hydraulic system Diagram

结合汽车起重机支腿液压系统的实际情况，笔者将支腿液压系统的故障主要归纳为以下四种：支腿动作缓慢或无力、支腿回缩、支腿下落、支腿收放失灵[2]。

液压系统各装置的故障主要可分为能源装置的故障、执行装置的故障、控制调节装置的故障和辅助装置的故障。在起重机械中能源装置通常为液压泵，其主要功能是将机械能转化油液液压能，使系统产生压力。执行装置主要是液压缸，故障原因大多表现为内泄漏和外泄漏。控制调节装置用于控制液压系统中油液的压力、流量和流向，是溢流阀、换向阀等液压元件的总称，控制调节装置损坏会造成内泄或者设备失控。辅助装置包括油箱、过滤器、油管等等，起重机液压系统内部出现问题易产生附着的污物，使其发生堵塞等。

结合实际经验，并查阅文献书籍后，笔者总结出各故障所产生的原因，并针对这些因素建立了故障树：支腿动作缓慢或无力主要是系统压力过低，缸内油液压力不足或运动阻力太大都会导致该现象额出现，使得液压缸不能推动负载运动[8]，故而建立了故障树T1，见图2；支腿回缩表现为活塞杆发生自行收缩的现象，也就是我们通常所说的软腿，在支腿液压缸承受较大载荷时会出现，液压锁是其中的关键环节，充分考虑故障出现的原因[9-11]，建立故障树T2(见图3)；支腿下落主要指汽车起重机的支腿在没有工作时，即行驶或停放期间的自行下落，分析故障原因后建立故障树T3[12]，见图4；支腿收放失灵表现为操作换向阀汽车起重机不执行相应操作，分析故障原因后建立故障树T[13]，见图5.障树编号及含义见表1：

图2 支腿动作缓慢或无力故障树

Fig.2 The fault tree of outrigger running slowly or powerlessly

图3 支腿自行回缩故障树

Fig.3 The fault tree of outrigger self-retracting

图4 支腿自行下落故障树

Fig.4 The fault tree of outrigger self-falling

图5 支腿收放失灵故障树

Fig.5 The fault tree of outrigger out of order in rising and falling

表1 故障树编号及意义

3 贝叶斯网络

一个贝叶斯网络(Bayesian Network，简写为BN,)就是一个有向无环图(Directed Acyclic Graph,简写为DAG)。它由节点和连接这些节点的有向边构成，可表述出贝叶斯网络的结构，是可靠性分析中定性部分的表现，它的有向边由父节点指向子节点，不具有父节点的节点称为根节点，不具有子节点的节点称为叶节点，其他节点称为中间节点。为了将它的定量部分也清楚的表达出来，可采用若干个条件概率表(Conditional Probabilities Table，简写为CPT)，它是贝叶斯网络的网络参数，是节点间关系强度的表现。在建立条件概率表的时候，除了需要历史数据作为支撑之外，还需要相关知识工程师和专家的参与。根节点的概率值可通过数据统计与数值分析的方法获得，用于表示根节点处于不同故障状态的概率。

3.1 贝叶斯网络的有向无环图〗

以T1为例，由故障树向贝叶斯网络转化，可构造如图6所示的贝叶斯网络。

图6 支腿动作缓慢或无力贝叶斯网络

Fig.6 The bayesian network of outrigger runningslowly or powerlessly

3.2 模糊贝叶斯网络

实际的生产生活中，系统和部件的故障状态的界定条件并不清晰，比方说同一种故障对于某些人来说会将其评价为安全，但对于另外一部分人来说会将其评价为危险，所以这里需要我们引入模糊集合理论，用模糊数和模糊子集分别描述节点变量的故障状态与故障率。本文中，笔者采用无故障、轻度故障、完全故障来描述节点故障状态，并用模糊数0、0.5、1近似表示对应的三种故障状态。

由部件间的故障逻辑关系出发，以T1为例，通过对历史数据的整理，采纳专家经验，在对贝叶斯网络进行参数学习后，可得出各节点的条件概率表共12个，这里将顶事件T1和 M1的条件概率表记录为表2和表3，其余条件概率表为节省篇幅不再一一列出。

4 可靠性分析

4.1 系统可靠性分析

(1)

以T1为例，通过数据采集并运用MATLAB进行数据分析，得出根节点x1～x22在完全故障时的模糊可能性如表4所示。

表2 支腿动作缓慢无力(T1)CPTTab.2 Outrigger running slowly or powerlessly (T1) CPT

表3 油源部分引起故障(M1)CPT

若不同故障状态的模糊可能性相同，根据所得的12个条件概率表，利用式(1)，可得到系统不同故障状态的模糊可能性：

{3.027×10-5,4.068×10-5,5.136×10-5}h-1

4.2 重要度分析

可分析的重要度共有结构重要度、概率重要度、关键重要度、状态重要度、模糊重要度五种。结构重要度是在基本事件的发生概率相等时仅从结构上进行的分析，与基本事件发生的概率无关；概率重要度指基本事件发生概率变化引起顶上事件发生的概率变换程度；关键重要度是从敏感度和自身发生概率的双重角度衡量各基本事件的重要度标准，是基本事件发生概率的相对变化率与顶上事件发生概率的相对变化率之比；状态重要度就是当前故障状态的状态重要度，主要原因是在工程实际中，部件的当前故障状态是唯一的。由于篇幅原因，对于以上四种重要度不做具体分析，只着重分析T1故障树中根节点的模糊重要度。根节点的模糊重要度是顶事件在某指定故障状态下，底事件在不同状态中的重要度的综合影响，反映了根节点xi所有故障状态对于叶节点T故障状态为Tq的平均影响，用公式表示即为：

(2)

利用式(2)，得出xi对T1处于轻微故障及完全故障时的模糊重要度分别为：

结果如表5所列。综上可知，轻微故障中x11为最薄弱的环节，严重故障中x15为最薄弱的环节。

表4 根节点故障状态为1时的模糊可能性

Tab.4 The fuzzy possibility of root (Fault Status is “1”)

根节点置xiIpr0.5(x2i)Ipr0.5(x3i)IFu0.5(xi)Ipr1(x2i)Ipr1(x3i)IFu1(xi)x10.150.50.10.550.950.75x20.2500.1250.610.8x30.1500.750.4510.725x4000010.5x50.200.10.610.8x600.050.02500.940.47x700.050.02500.950.475x800.070.03500.150.075x900.060.0300.880.44x1000.090.04500.910.455x1100.9350.467500.9450.4725x120.1470.32250.234750.7660.5920.679x1300.9350.567500.9450.4725x140.073500.036750.413510.70675x150.073500.036750.613510.80675x16000010.5x170.09800.0490.56610.783x1800.050.02500.940.47x1900.0580.02900.77840.3892x200.0480.050.0490.59040.940.7652x2100.0580.02900.77840.382x2200.050.02500.940.47

表5 根节点的模糊重要度

Tab.5 Fuzzy importance of root

5 结 论

(1)根据液压系统的故障机理，结合汽车起重机支腿系统的工作原理，可建立较为完善的故障树系统，进行可靠性分析；

(2)采用模糊子集降低了获取部件故障率精确值的难度，利用模糊可能性描述部件发生的多种故障状态，考虑到不同故障状态对系统的影响；

(3)根据专家经验及历史数据，得到条件概率表可描述部件所发生故障的逻辑关系，解决了部件间故障联系的不确定性；

(4)根据重要度分析，当系统发生故障时可先检

查油箱油量、液压缸的外泄，过滤器和管路的堵塞情况，元件的检查顺序依次为液压泵、溢流阀、液压缸。针对液压泵，缸体与配流盘、柱塞与缸体的磨损会造成液压泵的严重内泄，使得液压系统无法达到压力导致支腿无法托起车身。

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TheReliability Analysis of Hydraulic System of Truck Crane Outrigger

LUOXi, GAO Chong-ren

(College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

The hydraulic system is an important part of the truck crane. Its reliability determines whether the crane can work normally and stably or not. In this paper, the hydraulic system of the truck crane is studied, and its working principle is analyzed, and the four typical faults of the system are established. Based on this, the fault tree analysis method, Bayesian network and fuzzy set theory are used to describe the quantitative relationship between the system and the components.

crane, outrigger hydraulic system, fuzzy Bayesian network, reliability analysis

1673-2057(2016)06-0468-07

2015-11-27

罗曦(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为机械工程。

TM714

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.06.010