基于故障树分析的液压挖掘机的故障诊断探索

姚永玉　吕纯洁　文英和

摘要：针对液压挖掘机动力系统变革及现存的诊断方法受限之需，结合其作业场景、故障特征以及售后服务人员的技术特点，构建了装备高压共轨发动机的全液压挖掘机故障诊断系统的故障树模型，利用故障树分析理论对其发动机、液压和电气系统等常见故障进行分析判断，并建立这些故障的诊断数据库，编制了故障诊断程序，实现了故障的方便迅速诊断。

关键词：液压挖掘机；故障树；数据库；诊断系统

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.093

1挖掘机诊断技术的现状和特点

汽车故障诊断方式已经把车外诊断和随车自诊断相融合，并且把故障综合检测仪的数据通信功能和诊断系统的分析诊断功能完美匹配，运用飞速发展的计算机技术在神经网络、模糊诊断、人工智能以及面向决策的数据库最新研究成果，是当当今汽车诊断技术的发展方向。

相对而言，挖掘机的故障诊断系统的开发还比较单一和片面，目前市场上使用的诊断系统的研究方向大多利用各种分析方法建模，如BP神经网络，模糊数学，改进粒子群及贝叶斯网络等等，开发的系统如发动机故障诊断专家系统及液压故障诊断专家系统等，这些系统对于技术熟练的维护人员需要在诊断前进行故障的初步判断，如若判断不准，将会给维修工作带来技术和工作效率的下降，进而影响维修人员快速准确判断。

挖掘机结构复杂、零部件精密、自动化程度高，尤其是近年来其所装备高压共轨发动机技术的普及，致使故障类型复杂交织，加上其作业现场分散、使用强度大、故障发生率高、施工时间紧迫等，所以要求故障诊断要迅速、准确。经过大量的资料查阅和施工现场调查，得出挖掘机最常见的故障是憋车，大概占到挖掘机全部故障的60%，所以，本文针对挖掘机系统的故障特点，依据故障树诊断理论，开发出快速准确的故障诊断系统，推动了挖掘机故障诊断与排除系统向着智能化网络化等方向发展。

2建立故障树模型

故障树诊断法是用事件符合逻辑门符号和转移符合描述系统中各种事件之间的因果关系，是一个对系统的故障进行深入认知的过程，其要求分析人员利用特定的分析思路把握故障的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的路径和程度，并利用部件的逻辑关系与各级事件的发生概率，以快速确定系统最薄弱环节，找到故障所在。

挖掘机系统的故障分析模型有3层，顶层为主系统，即挖掘机工作系统，第二层为3个子系统，是依据功能分类的层次；第三层为各个子系统的典型频发故障。大量的资料和市场反馈信息表明，挖掘机发动机的典型故障有憋车（发动机过载）、动作慢或无力、不能起动、起动困难、冒黑烟、冒白烟、冒蓝烟、怠速不稳和功率下降等等。

本文以某公司200-8挖掘机最典型的憋车故障为例说明建立故障树模型的过程及分析方法，系统涉及的其他的故障以此类推，本文不再累述。

2.1建立故障分析子系统

通过查阅大量的挖掘机故障诊断资料以及充分的市场调研，对挖掘机的故障进行归纳总结，最终确定，本诊断系统的子系统的事件有二级：

第一级：顶层事件为挖掘机憋车。

第二级：导致挖掘机憋车故障的主要原因分为以下四个方面：

（1）发动机故障。

当发动机存在混合气过稀或浓时出现燃烧不足，功率下降，转矩不足以克服载荷，将导致挖掘机憋车事故发生。

（2）液压故障。

当液压泵出现故障时，如工作压力不足，传动效率下降，阻力矩过大等，都将导致憋车。

（3）电气故障。

当电源没电，泵电磁阀，电磁阀控制电路出故障时候也可能造成憋车事件。

（4）机械故障。

挖掘机的工作执行机构的机械部件的失效或断裂所造成的顶级事件。

综合以上分析，该故障树第二级归纳为发动机故障、液壓系统故障、电气系统故障和机械系统故障，其中任一故障的发生都会导致顶事件（挖掘机憋车）的发生。

憋车的原因可能是油气混合气过稀或者过浓所致。混合过稀主因是喷油量过少，原因有高压或低压油路油压不足或者发动机进入应急状态，造成油压不足的原因很多，比如喷油器脏堵、电磁阀失效、油路堵塞、喷油泵磨损、喷油被积碳吸附以及传感器检测失灵等，发动机进入应急状态是相关传感器损坏或者线路问题所致，发动机为了降低功率采取减少喷油的自我保护措施。混合气过浓可能是空气少或喷油多造成燃烧不足，进而导致发动机功率下降，空气少可能是空气滤清器脏堵、进气道堵或者漏、气缸漏气等等所致，其中气缸漏气可能是气门密封不严或者活塞与缸套或活塞环磨损所致，喷油过多可能是喷油器滴漏或喷油针阀卡死所致。综合以上分析，建立故障树分支，用G0表示，以机械故障及电瓶电量不足等等故障为最底层事件，用Xi表示如，图1所示。

2.2故障树的定性分析

求故障树最小割集的方法有上行法和下行法。故障树的定性分析主要任务是找到导致顶事件发生的所以可能失效模式，也就是找到全部的最小割集。

2.3故障树分析思路

建立挖掘机故障树模型后，根据以上建立的故障树结构，用流程图的方式分析故障诊断流程。在分析制定故障诊断流程时，应通过大量充分的市场调研以确定各子故障的诊断顺序，确定顺序时候应考虑两个因素，即诊断原则和故障率，通过定性分析，即可得到底端事件，实现快速高效的故障排除。

诊断原则是由外而内，先简后繁，先易后难。对于外在的容易检查和易于采用检测方法的系统应优先排查，对于诊断流程相对简单的也实施优先诊断原则。然后，再依据挖掘机故障排查应具备的专业知识和大量的市场调研经验数据库，最终确定本事件的故障率大小，按照从大到小的优先顺序排查故障率大的事件。

3故障诊断系统的实现

3.1系统的设计思路

诊断系统有三个层次：系统界面为第一层，判别故障类型为第二层，终端层分发动机、液压和电气诊断三部分，其中设计判别故障类型起着承上启下的作用，是整个系统的核心部分，终端层设计最难，内容多且复杂。完成三个层次的衔接之后基本实现诊断系统的功能模块，本设计开发的诊断系统一共采用14个窗体和一个模块。

3.2系统的实现及使用

根据故障现象进一步判别故障类型是发动机部分、液压部分还是电气部分，使诊断过程更迅速、更精准。对于故障现象采用下拉式菜单方便于用户输入，信息管理是对故障进行管理如删除、添加和修改等等，帮助部分是对系统的使用进行说明。

图2为故障类型判别界面，是目前市场上使用的大多数挖掘机故障诊断系统所不具备的，这个功能也是本系统的特别之处。在下拉菜单中选择故障“憋车”，点击确定后，系统提示选择故障现象为“是”或“否”，如果选择“是”则给出分析，“否”则提示进入下一步的诊断界面，点击“故障类型”命令框对应选择项继续进行底端事件的查询。

4结论

本文从挖掘机故障诊断技术的现状及存在的问题入手，针对挖掘机新型的动力系统结构和故障特点，以某厂的200-8机型为代表，经过充分的资料收集和大量的市场调研，依据故障树分析理论和推理方式，形成诊断系统的知识库，并利用人机对话的运行模式，编制出快速准确的故障诊断系统，补充了装备新型动力的挖掘机的故障诊断系统对从业人员的技术全面要求之不足，实现了故障排除的迅速精准。该系统方便易用，有良好的界面和编辑功能，可以添加机型和分支，可扩展性好，有良好的市场应用前景。

参考文献

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