液壓系統(tǒng)可靠性評估的初步探索*

王宜君

(鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

液壓系統(tǒng)可靠性評估的初步探索*

王宜君

(鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城 224005)

通過分析液壓系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，提出了根據(jù)工步評估液壓系統(tǒng)可靠性的思路，并給出初步評估模型，對模型中的參量進(jìn)行必要的討論。

液壓系統(tǒng)；可靠性；工步評估

0 引 言

可靠性已成為液壓傳動系統(tǒng)非常重要的質(zhì)量綜合評價指標(biāo)，提高液壓系統(tǒng)的可靠性，不僅能減少各種維護(hù)、檢修費(fèi)用，還能減少因系統(tǒng)發(fā)生故障而造成的各種損失，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯[1]。

對液壓系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估，作為可靠性設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，具有十分重要的意義，總體而言，液壓系統(tǒng)可靠性評估有下述4個意義：①對幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，選擇可靠性最高的方案；②預(yù)視系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取改進(jìn)措施；③為系統(tǒng)的故障診斷、分析提供理論依據(jù)和指導(dǎo)；④通過評估、分析國際先進(jìn)樣機(jī)的可靠性，為加速其國產(chǎn)化進(jìn)程提供借鑒與幫助。目前，對液壓系統(tǒng)可靠性評估，大多在定性分析的階段，尚未形成一種完善與統(tǒng)一的定量方法[2]。筆者對液壓系統(tǒng)可靠性評估進(jìn)行了初步探索，根據(jù)液壓系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，提出工步分析評估法，盡管還有待于進(jìn)一步完善，但對今后的研究具有借鑒意義。

1 液壓系統(tǒng)可靠性的評估模型建立

1.1 可靠性4要素

所謂系統(tǒng)的可靠性，就是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成預(yù)定功能的能力[3]，可靠度即是其定量表示形式。

這個定義可分為4個基本部分：

(1) 概率，它使可靠性這一事件得以量化表示；

(2) 充分執(zhí)行功能，指系統(tǒng)完成預(yù)定功能的質(zhì)量應(yīng)得到保證；

(3) 規(guī)定的時間，指系統(tǒng)工作時期；

(4) 運(yùn)行條件，指系統(tǒng)運(yùn)行的外、內(nèi)部環(huán)境。

1.2 液壓系統(tǒng)工步可靠度

工步可靠度即為液壓傳動系統(tǒng)在該工步準(zhǔn)確完成要求功能(動作)的概率。液壓傳動系統(tǒng)的工作是由一系列工步組成的，特別是組合機(jī)床液壓系統(tǒng)更為明顯。不同的工步，要求系統(tǒng)完成的動作(或功能)是不相同的，如快進(jìn)工步要求液壓缸快速進(jìn)給，而工進(jìn)工步則要求液壓缸慢速均勻進(jìn)給?！俺浞謭?zhí)行預(yù)期功能”是可靠性定義的4要素之一，因此，在不同的工步，由于預(yù)期的功能(或動作)不同，系統(tǒng)將具有不同的可靠度值。

對于不同的工步，可靠性定義4要素之一的“運(yùn)行條件”也是不同的，不同的工步，系統(tǒng)的壓力、流量、油溫及負(fù)載狀況均不相同，不能將各工步的可靠性混為一談。

因此，在評估、分析液壓系統(tǒng)的可靠度時，應(yīng)當(dāng)首先求出液壓系統(tǒng)在各個工步的可靠度(即工步可靠度)，然后再根據(jù)各工步可靠度評估出液壓系統(tǒng)的總可靠度值。

1.3 液壓系統(tǒng)總可靠度評估模型

通過研究液壓系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，提出了一種評估模型。設(shè)液壓系統(tǒng)共有N個工步，已得出液壓系統(tǒng)在各工步的可靠度為R1、R2、……、RN，則液壓系統(tǒng)總可靠度的評估值可表示為各工步可靠度的加權(quán)積，即：

(1)

由式(1)可推出：

(2)

顯然，μi越大，則工步i的可靠度Ri對液壓系統(tǒng)總可靠度R的影響就越大，可見，權(quán)系數(shù)μi反映了各工步對液壓系統(tǒng)總可靠度的影響程度。

考慮到各工步在邏輯上并非完全獨(dú)立，一方面，前面的工步可能在后面的工步中仍起作用，如鎖緊工步在快進(jìn)、工進(jìn)等工步中仍起作用；另一方面，前后相鄰的工步間有承接關(guān)系。因此，要保證式(1)成立的前提是工步可靠度必須是獨(dú)立的。這里將從兩方面來論證式(1)的合理性：

(1) 從所給出的工步可靠度定義來看，所謂工步可靠度，即為液壓系統(tǒng)在該工步中完成所要求的功能(或動作)的概率。這個定義的核心是“該工步所要求的功能(或動作)”；如在鎖緊工步，所要求的功能(或動作)為鎖緊缸夾緊而不松開；在工進(jìn)步，所要求的功能(或動作)，除了一般認(rèn)為的工作缸慢速均勻進(jìn)給這一項(xiàng)外，還包括鎖緊缸夾緊而不松開這一項(xiàng)。因此而得出的鎖緊工步可靠度和工進(jìn)工步可靠度顯然是相互獨(dú)立的。

(2) 前后相鄰的工步間的確存在著承接關(guān)系，后一工步的發(fā)生往往以前一工步的完成為必要條件；如工進(jìn)工步就是在快進(jìn)工步完成之后，由某一狀態(tài)信號(行程開關(guān)信號、壓力繼電器信號等)觸發(fā)而開始進(jìn)行的。基于液壓系統(tǒng)的這一特點(diǎn)，將某一工步分為兩個過程。過程1，即由前一工步轉(zhuǎn)換為當(dāng)前工步，稱為轉(zhuǎn)換過程；過程2，即保持當(dāng)前工步狀態(tài)，稱為保持過程。轉(zhuǎn)換過程的可靠度即轉(zhuǎn)換可靠度，反映了前后工步之間的承接關(guān)系；保持過程的可靠度即保持可靠度，反映了在當(dāng)前工步下，系統(tǒng)完成所要求功能的概率。工步可靠度即等于轉(zhuǎn)換可靠度與保持可靠度的乘積。由此得出的工步可靠度，已包容了前后工步間的承接關(guān)系，可認(rèn)為各工步可靠度之間是獨(dú)立的。

以上提出了液壓系統(tǒng)可靠性根據(jù)工步進(jìn)行評估的思想，給出了一個初步評估的模型，并對其合理性進(jìn)行了分析論證。

2 液壓系統(tǒng)總可靠度的計(jì)算方法

2.1 工步的權(quán)系數(shù)確定方法

從式(1)可看出，要評估出液壓系統(tǒng)的總可靠度，除了必須求出各工步的可靠度Ri外，各工步的權(quán)系數(shù)μi的確定也是極其重要的。

工步的權(quán)系數(shù)μi反映了各工步對液壓系統(tǒng)總可靠度的影響程度，其確定原則為：

(1) 工步在液壓系統(tǒng)整個工作循環(huán)中的地位越重要，則該工步的權(quán)系數(shù)μi越大。

(2) 工步發(fā)生故障所造成的危害越大，則該工步的權(quán)系數(shù)越大。

(3) 工步在液壓系統(tǒng)工作中出現(xiàn)得越頻繁，則該工步的權(quán)系數(shù)越大。

權(quán)系數(shù)μi值的準(zhǔn)確程度，對于系統(tǒng)總可靠度評估值的準(zhǔn)確程度影響很大，因此，盡可能精確地、定量地給出各工步的μi值，將具有十分重要的意義。筆者將根據(jù)μi的確定原則，給出一個定量確定權(quán)系數(shù)μi的初步方法，具體分述如下。

2.2 工步重要度

以工步重要度Im來定義工步在液壓系統(tǒng)整個工作循環(huán)中的地位。每個工步重要度Im與該工步的持續(xù)時間、輸出功率、工作精度等因素有關(guān)。一般而言，工步持續(xù)的時間越長，則該工步的重要度取值越大，至于輸出功率、工作精度等因素的影響，則應(yīng)視具體情況來考慮。

一般可根據(jù)有無精度要求將各工步分為1類工步(有精度要求的工步)和2類工步(無精度要求的工步)。對于1類工步，工作精度要求越高，則該工步的重要度Imi值越大；對于2類工步，輸出功率越大，則該工步的重要度Imi值越大；1類工步的重要度Imi值總是比2類工步要大。

工步重要度Imi的數(shù)學(xué)表示如下：

(3)

式中：Imi為第i工步的重要度；Ai為第i工步的工作精度要求(精度等級)；Amax為各工步要求的工作精度的最高要求；ti為第i工步的持續(xù)時間；T為所有1類工步的持續(xù)時間之和；K為比例系數(shù)，它使得1類工步中重要度最小者仍要比2類工步中重要度最大者還大，K的具體確定要考慮這兩類工步“相鄰”的兩個工步的具體情況而定。

2類工步：

(4)

式中：Imi為第i工步的重要度；Pi為第i工步的輸出功率；ti為第i工步的持續(xù)時間；W為一個工作循環(huán)內(nèi)所有2類工步輸出功的總和。

此外，重要度Imi還應(yīng)滿足下列兩個條件；否則，應(yīng)進(jìn)行標(biāo)幺化處理：

式中：N為一個工作循環(huán)的工步數(shù)。

2.3 工步失效危害度

所謂工步失效危害度，就是指工步發(fā)生故障所造成的危害程度。工步失效危害度越大，則該工步對液壓系統(tǒng)總可靠度的影響程度也越大，即μi越大。

確定工步i的失效危害度Dai的步驟如下：

(1) 確定工步i中可能發(fā)生的各個故障，并計(jì)算出每個故障發(fā)生的概率值。假設(shè)工步i可能發(fā)生的故障共m個，發(fā)生的概率分別為P1、P2、…、Pm。

(2) 分析每個故障將造成的損失；假設(shè)分別為S1、S2、…、Sm。Si可以是經(jīng)濟(jì)量綱、傷亡人數(shù)，也可以是無量綱的相對值。

(3) 求出工步i的風(fēng)險(xiǎn)值為：

(5)

對各工步重復(fù)上述3個步驟，得到每個工步的風(fēng)險(xiǎn)值F1、F2、…、FN(設(shè)有N個工步)。最終得出工步i的失效危害度：

(6)

顯然，Dai還應(yīng)滿足下列兩個條件：

2.4 工步頻繁度

所謂工步頻繁度，即為該工步在液壓系統(tǒng)一個工作循環(huán)中出現(xiàn)的頻繁程度。它表征了該工步對液壓系統(tǒng)整個工作的參與程度。

工步頻繁度的數(shù)學(xué)表示如下：

設(shè)液壓系統(tǒng)一個工作循環(huán)共N個工步，工步i在一個工作循環(huán)中出現(xiàn)的次數(shù)為Ti，則工步i的頻繁度為：

(7)

顯然，F(xiàn)ri應(yīng)滿足下列兩個條件：

工步的頻繁度值Fri越大，則表示該工步參與液壓系統(tǒng)整個工作的程度越高，因而該工步對液壓系統(tǒng)總可靠度的影響必然越大，即權(quán)系數(shù)μi值越大。

2.5 權(quán)系數(shù)的綜合與計(jì)算

實(shí)際上，影響工步權(quán)系數(shù)μi的上述3種因素(工步重要度、工步失效危害度、工步頻繁度)對μi的影響程度也是不同的，工步權(quán)系數(shù)μi是上述3種因素綜合而成的，以加權(quán)和的形式表征這個綜合過程。

設(shè)工步i的重要度為Imi、失效危害度為Dai、頻繁度為Fri，則工步i的權(quán)系數(shù)為：

μi=q1Imi+q2Dai+q3Fri

(8)

式中：q1、q2、q3分別為3種因素的加權(quán)系數(shù)，表征了3種因素的相對重要程度。顯然，q1、q2、q3應(yīng)當(dāng)小于或等于1，且滿足q1+q2+q3=1。

初步給出的q1、q2、q3參考值為：

q1=0.4、q2=0.4、q3=0.2

則式(8)變?yōu)椋?/p>

μi=0.4Imi+0.4Dai+0.2Fri

顯然，μi應(yīng)滿足下列兩個條件：

3 結(jié) 語

提出了根據(jù)工步來評估液壓系統(tǒng)可靠性的思想，并給出了一個簡單又較為合理可行的評估模型，對該模型中的參量及影響因素進(jìn)行了適當(dāng)?shù)挠懻?。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，以及廣大技術(shù)人員的努力與探索，液壓系統(tǒng)可靠性的評估方法將進(jìn)一步完善、實(shí)用。

[1] 趙靜一, 姚成玉. 液壓系統(tǒng)可靠性工程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[2] 湛從昌, 傅連東, 陳新元. 液壓可靠性與故障診斷[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2009.

[3] 朱 琪; 楊永萍. 液壓傳動系統(tǒng)的工作可靠度及故障率分析[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用,2000,19(1):11-12.

[4] 潘 陽，游明琳，丁 旭.挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)維護(hù)與故障診斷淺析[J].機(jī)械，2009(12)：62-4.

Preliminary Study on the Reliability of Hydraulic System

WANG Yi-jun

(YanchengInstituteofIndustryTechnology,YanchengJiangsu224005,China)

The scheme of the working step evaluation of the reliability of hydraulic system is presented in the paper by analysing the specific characteristics of the hydraulic system, and the evaluating model is put forward and the parameters in the model are discussed.

hydraulic system; reliability; working step evaluation

2014-02-24

王宜君(1963-)，男，江蘇鹽城人，副教授，主要從事液壓與氣動方面的科研和教學(xué)工作。

TH137

A

1007-4414(2014)02-0061-03