基于六西格瑪方法的液壓系統(tǒng)故障診斷研究

鄭建豐/ZHENG Jian-feng

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004）

基于六西格瑪方法的液壓系統(tǒng)故障診斷研究

Research of hydraulic system fault diagnosis based on 6-sigma methodology

鄭建豐/ZHENG Jian-feng

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004）

采用六西格瑪改進(jìn)的模式—DMAIC方法，對混凝土輸送泵故障進(jìn)行了深入分析。通過界定故障范圍，測定和分析導(dǎo)致故障問題的關(guān)鍵因素，提出改進(jìn)及控制措施。該方法將六西格瑪理論成功引入到液壓系統(tǒng)故障診斷分析中，對實際應(yīng)用具有重要的意義。

混凝土泵；六西格瑪；液壓系統(tǒng)；故障診斷

液壓系統(tǒng)作為工程機(jī)械的核心子系統(tǒng)，其工作的穩(wěn)定性與可靠性將直接影響到整機(jī)的性能及施工質(zhì)量。由于液壓系統(tǒng)的邏輯關(guān)系及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一旦發(fā)生故障就會令工程技術(shù)人員無從下手。因此，采用有效的手段及時地判斷并排除故障，就顯得尤為重要。六西格瑪方法是一套嚴(yán)謹(jǐn)而完整的解決問題的有效方法，該方法從定義問題開始，通過系統(tǒng)測量、分析原因并實施改進(jìn)，將整個過程都建立在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，可以幫助技術(shù)人員以科學(xué)的方式認(rèn)識、分析并解決問題，達(dá)到效率更高、解決問題更徹底的目的。

本文以HBT60混凝土泵液壓系統(tǒng)為研究對象，介紹了六西格瑪改進(jìn)模式（DMAIC）的定性分析方法在故障診斷中的應(yīng)用，驗證了該方法在液壓系統(tǒng)故障診斷中的有效性。

1 HBT60混凝土泵液壓系統(tǒng)簡介

HBT60型混凝土輸送泵液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。整個液壓系統(tǒng)由主泵送系統(tǒng)、分配閥控制系統(tǒng)和攪拌輔助系統(tǒng)組成。主泵送系統(tǒng)和分配閥控制系統(tǒng)共用同一個油源主泵4，通過換向閥7、8和10、11將兩個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主泵送系統(tǒng)的泵送油缸5和分配閥控制系統(tǒng)的擺缸13聯(lián)系在一起，按“推挽”方式依次工作。邏輯取信閥27用于控制液動換向閥11的換向，進(jìn)而控制擺缸13的切換；當(dāng)擺缸13切換完畢，導(dǎo)通液動換向閥7的控制油路，進(jìn)而控制送料油缸5的換向動作，進(jìn)入下一個循環(huán)，如此往復(fù)，完成混凝土的泵送工作。

圖1 HBT60型混凝土泵液壓系統(tǒng)

2 DMAIC六西格瑪?shù)哪Ｊ?/h2>

DMAIC是六西格瑪管理中流程改善的重要工具。DMAIC是指界定（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、改進(jìn)（Improve）、控制（Control）5個階段構(gòu)成的過程改進(jìn)方法，一般用于對現(xiàn)有流程的改進(jìn)，包括制造過程、服務(wù)過程以及工作過程等等。

綜上所述，可以得出基于六西格瑪改進(jìn)的液壓系統(tǒng)故障診斷各階段的主要工作，如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)故障診斷的DMAIC模式

3 基于DMAIC模式的混凝土泵液壓系統(tǒng)故障診斷

3.1 界定階段（D）

故障信息來源于顧客對HBT60混凝土泵工作時動作不穩(wěn)定的抱怨。故障描述：HBT60混凝土輸送設(shè)備在工作時運(yùn)動不穩(wěn)定。

識別故障的關(guān)鍵問題Y，可以采用樹圖工具對故障進(jìn)行展開，如圖3所示。進(jìn)一步確認(rèn)，混凝土泵工作不穩(wěn)定故障的關(guān)鍵問題Y為：分配閥擺缸擺動時有停頓。

識別故障范圍，采用流程圖進(jìn)行分析，找出對關(guān)鍵問題Y有影響的元件，如圖4所示。由于主泵送系統(tǒng)無故障出現(xiàn)，所以與擺缸運(yùn)動相關(guān)的元件有4個：液控?fù)Q向閥11、擺缸13、邏輯閥27和單向閥28，故障元件應(yīng)該在這個集合中。

圖3 混凝土泵工作不穩(wěn)定的樹圖

圖4 擺缸13運(yùn)動的流程圖

3.2 測量階段（M）

由于擺缸運(yùn)動除受擺缸機(jī)構(gòu)自身不穩(wěn)定的影響之外，主要受擺缸主油路壓力及控制壓力影響較大。所以在此選用主油路壓力和控制油路壓力為測量因子，擺缸位移為觀察因子。在該系統(tǒng)中，由于使用了精度較高，已驗證為可靠的壓力測試儀對測量因子的檢測，所以在此不予考慮測量系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)的影響。

識別影響故障的輸入X，利用故障樹工具，選定擺缸運(yùn)動不穩(wěn)定為頂事件，采用人工建樹方法，建立故障樹模型如圖5所示。通過建樹過程系統(tǒng)的了解造成系統(tǒng)故障的各子系統(tǒng)或元部件之間的關(guān)系，找出薄弱環(huán)節(jié)，以便通過實驗的方法排除不可能的情況，最終找出故障的根源，同時也為故障樹定性分析提供依據(jù)。

故障樹中各符號的意義見表1。

如圖5所示的故障樹，其狀態(tài)向量為

圖5 擺缸停頓故障樹

表1 故障樹中各符號的意義

由故障樹分析可知，任一底事件的產(chǎn)生均會導(dǎo)致擺缸運(yùn)動停頓的故障。并且各底事件均只出現(xiàn)了1次，所以任一底事件都很重要，都應(yīng)引起重視。

3.3 分析階段（A）

分析各輸入X對輸出Y的影響，并確定要因Xs。在此，可以采用試驗設(shè)計方法排除與故障無關(guān)的變量，進(jìn)而最終找到故障的原因和部位，從而排除故障。

靜態(tài)試驗，用水代替混凝土，以此保證分配閥兩邊的負(fù)載一致。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 靜態(tài)試驗

通過上述試驗，可以得到結(jié)論如下。

1）分配閥兩邊負(fù)載對稱時，擺缸仍出現(xiàn)停頓現(xiàn)象，據(jù)此可以排除變量X15。

2）擺缸在系統(tǒng)流量較大時（對應(yīng)于控制壓力增大），擺缸運(yùn)動較為平穩(wěn)，無震蕩現(xiàn)象，說明擺缸自身是穩(wěn)定的，且擺缸運(yùn)動狀態(tài)與分配閥機(jī)構(gòu)的對稱與否無關(guān)，據(jù)此可以排除變量X16和X17。

3）當(dāng)主油路壓力一定時（22MPa），擺缸運(yùn)動狀態(tài)各不相同，由此可以排除變量X3、X4、X5、X8、X9、X13和X14。

通過靜態(tài)試驗，將引起故障的輸入變量范圍縮小至X=（X1，X2，X6，X7，X10，X11，X12）。

動態(tài)試驗，在混凝土泵工作時，測量液控?fù)Q向閥11的控制壓力pc、pd和擺缸13.1及擺缸13.2的工作壓力pa、pb，用于分析控制壓力波動對主油路壓力的影響及對擺缸停頓的影響。由于測試曲線呈周期性變化，所以截取其中具有代表性的一部分，如圖6所示。

通過動態(tài)試驗測試，可以得出結(jié)論如下。

1）液控?fù)Q向閥11控制壓力pc、pd過渡過程波動較大，且波動時間較長。說明換向閥11的運(yùn)動比較遲緩，開啟壓力波動大。導(dǎo)致這個現(xiàn)象的原因可能來自換向閥11自身的作用（變量X7），或取信邏輯閥27過大阻尼的作用（變量X11或X12），抑或回油單向閥28過大背壓的作用（變量X1）。過渡過程結(jié)束之后，在pc、pd壓差的作用下，使液控?fù)Q向閥11換向，換向時間短，說明開啟過程的阻尼較小（即排除變量X10和X2），但開啟過程壓力有一定的振動，說明回油路造成了一定的振動（即變量X6有一定的影響）。由以上分析可知，可排除變量X2和X10，而變量X1、X11、X7和X12對系統(tǒng)影響較大。

圖6 混凝土泵動態(tài)試驗曲線

2）擺缸13的工作壓力pa、pb在換向過程中波動較大，其壓差Δp=pa-pb的大幅波動是造成擺缸停頓的直接原因。工作壓力pa、pb的波動和控制壓力pc、pd的波動具有相同的相位，且過度時間較長，說明了換向閥11的運(yùn)動不穩(wěn)定是造成擺缸13停頓的主要原因。

根據(jù)動態(tài)試驗并結(jié)合靜態(tài)試驗，將引起故障的原因鎖定在了單向閥28和液動換向閥11及邏輯閥27上，即輸入變量Xs=（X1，X7，X11，X12）。

3.4 改進(jìn)階段（I）

選擇改進(jìn)方案：①減小單向閥28的彈簧預(yù)壓縮量（即變量X1）；②減小閥邏輯閥27的彈簧剛度及其蓋板通道的阻尼（即變量X11、X12）。

驗證改進(jìn)效果：根據(jù)改進(jìn)方案再次進(jìn)行試驗測試，如表3所示。調(diào)整后的工作參數(shù)完全滿足混凝土泵的工作需要。

表3 改進(jìn)后的靜態(tài)試驗

3.5 控制階段（C）

1）更新相關(guān)設(shè)計文件，明確回油單向閥28、液控?fù)Q向閥11和邏輯取信閥27的參數(shù)設(shè)置對擺缸的影響。

2）在擺缸的控制閥兩端及主油路兩端設(shè)置測壓點，用于監(jiān)控擺缸的運(yùn)動平穩(wěn)性及便于故障診斷。

4 結(jié) 語

六西格瑪方法在HBT60混凝土泵液壓系統(tǒng)故障診斷中的成功實施表明，六西格瑪方法是一套開放的、邏輯關(guān)系縝密的方法體系，用于液壓系統(tǒng)故障診斷，可以有效地提高故障診斷效率，為企業(yè)持續(xù)改進(jìn)提升提供強(qiáng)有力的保證。

［1］陳宜通，劉信恩，耿楷真.HBT60混凝土泵液壓系統(tǒng)工作原理及特點［J］，液壓與氣動，2003，（8）：25-26.

［2］黃文虎.設(shè)備故障診斷原理、技術(shù)及應(yīng)用［M］，北京：科學(xué)出版社，1996.

［3］謝寶義. 工程機(jī)械狀態(tài)檢測與故障診斷技術(shù)［J］，計測技術(shù)，2002，35，（4）：40-43.

［4］何 楨.六西格瑪管理［M］.北京：中國人民大學(xué)出版社，2014.

（編輯 于 洋）

TU64+.6；TH137.5

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1001-1366（2015）08-0061-04

2015-05-15