基于故障樹分析的液壓挖掘機(jī)的故障診斷探索

姚永玉　呂純潔　文英和

摘要：針對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)變革及現(xiàn)存的診斷方法受限之需，結(jié)合其作業(yè)場(chǎng)景、故障特征以及售后服務(wù)人員的技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)建了裝備高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)的全液壓挖掘機(jī)故障診斷系統(tǒng)的故障樹模型，利用故障樹分析理論對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓和電氣系統(tǒng)等常見故障進(jìn)行分析判斷，并建立這些故障的診斷數(shù)據(jù)庫，編制了故障診斷程序，實(shí)現(xiàn)了故障的方便迅速診斷。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)；故障樹；數(shù)據(jù)庫；診斷系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.093

1挖掘機(jī)診斷技術(shù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn)

汽車故障診斷方式已經(jīng)把車外診斷和隨車自診斷相融合，并且把故障綜合檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)通信功能和診斷系統(tǒng)的分析診斷功能完美匹配，運(yùn)用飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊診斷、人工智能以及面向決策的數(shù)據(jù)庫最新研究成果，是當(dāng)當(dāng)今汽車診斷技術(shù)的發(fā)展方向。

相對(duì)而言，挖掘機(jī)的故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)還比較單一和片面，目前市場(chǎng)上使用的診斷系統(tǒng)的研究方向大多利用各種分析方法建模，如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊數(shù)學(xué)，改進(jìn)粒子群及貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等等，開發(fā)的系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)及液壓故障診斷專家系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)對(duì)于技術(shù)熟練的維護(hù)人員需要在診斷前進(jìn)行故障的初步判斷，如若判斷不準(zhǔn)，將會(huì)給維修工作帶來技術(shù)和工作效率的下降，進(jìn)而影響維修人員快速準(zhǔn)確判斷。

挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件精密、自動(dòng)化程度高，尤其是近年來其所裝備高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的普及，致使故障類型復(fù)雜交織，加上其作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)分散、使用強(qiáng)度大、故障發(fā)生率高、施工時(shí)間緊迫等，所以要求故障診斷要迅速、準(zhǔn)確。經(jīng)過大量的資料查閱和施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，得出挖掘機(jī)最常見的故障是憋車，大概占到挖掘機(jī)全部故障的60%，所以，本文針對(duì)挖掘機(jī)系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，依據(jù)故障樹診斷理論，開發(fā)出快速準(zhǔn)確的故障診斷系統(tǒng)，推動(dòng)了挖掘機(jī)故障診斷與排除系統(tǒng)向著智能化網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。

2建立故障樹模型

故障樹診斷法是用事件符合邏輯門符號(hào)和轉(zhuǎn)移符合描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系，是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)的故障進(jìn)行深入認(rèn)知的過程，其要求分析人員利用特定的分析思路把握故障的內(nèi)在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對(duì)故障發(fā)生影響的路徑和程度，并利用部件的邏輯關(guān)系與各級(jí)事件的發(fā)生概率，以快速確定系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)，找到故障所在。

挖掘機(jī)系統(tǒng)的故障分析模型有3層，頂層為主系統(tǒng)，即挖掘機(jī)工作系統(tǒng)，第二層為3個(gè)子系統(tǒng)，是依據(jù)功能分類的層次；第三層為各個(gè)子系統(tǒng)的典型頻發(fā)故障。大量的資料和市場(chǎng)反饋信息表明，挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的典型故障有憋車（發(fā)動(dòng)機(jī)過載）、動(dòng)作慢或無力、不能起動(dòng)、起動(dòng)困難、冒黑煙、冒白煙、冒藍(lán)煙、怠速不穩(wěn)和功率下降等等。

本文以某公司200-8挖掘機(jī)最典型的憋車故障為例說明建立故障樹模型的過程及分析方法，系統(tǒng)涉及的其他的故障以此類推，本文不再累述。

2.1建立故障分析子系統(tǒng)

通過查閱大量的挖掘機(jī)故障診斷資料以及充分的市場(chǎng)調(diào)研，對(duì)挖掘機(jī)的故障進(jìn)行歸納總結(jié)，最終確定，本診斷系統(tǒng)的子系統(tǒng)的事件有二級(jí)：

第一級(jí)：頂層事件為挖掘機(jī)憋車。

第二級(jí)：導(dǎo)致挖掘機(jī)憋車故障的主要原因分為以下四個(gè)方面：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)存在混合氣過稀或濃時(shí)出現(xiàn)燃燒不足，功率下降，轉(zhuǎn)矩不足以克服載荷，將導(dǎo)致挖掘機(jī)憋車事故發(fā)生。

（2）液壓故障。

當(dāng)液壓泵出現(xiàn)故障時(shí)，如工作壓力不足，傳動(dòng)效率下降，阻力矩過大等，都將導(dǎo)致憋車。

（3）電氣故障。

當(dāng)電源沒電，泵電磁閥，電磁閥控制電路出故障時(shí)候也可能造成憋車事件。

（4）機(jī)械故障。

挖掘機(jī)的工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部件的失效或斷裂所造成的頂級(jí)事件。

綜合以上分析，該故障樹第二級(jí)歸納為發(fā)動(dòng)機(jī)故障、液壓系統(tǒng)故障、電氣系統(tǒng)故障和機(jī)械系統(tǒng)故障，其中任一故障的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致頂事件（挖掘機(jī)憋車）的發(fā)生。

憋車的原因可能是油氣混合氣過稀或者過濃所致?；旌线^稀主因是噴油量過少，原因有高壓或低壓油路油壓不足或者發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)，造成油壓不足的原因很多，比如噴油器臟堵、電磁閥失效、油路堵塞、噴油泵磨損、噴油被積碳吸附以及傳感器檢測(cè)失靈等，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)是相關(guān)傳感器損壞或者線路問題所致，發(fā)動(dòng)機(jī)為了降低功率采取減少噴油的自我保護(hù)措施。混合氣過濃可能是空氣少或噴油多造成燃燒不足，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，空氣少可能是空氣濾清器臟堵、進(jìn)氣道堵或者漏、氣缸漏氣等等所致，其中氣缸漏氣可能是氣門密封不嚴(yán)或者活塞與缸套或活塞環(huán)磨損所致，噴油過多可能是噴油器滴漏或噴油針閥卡死所致。綜合以上分析，建立故障樹分支，用G0表示，以機(jī)械故障及電瓶電量不足等等故障為最底層事件，用Xi表示如，圖1所示。

2.2故障樹的定性分析

求故障樹最小割集的方法有上行法和下行法。故障樹的定性分析主要任務(wù)是找到導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所以可能失效模式，也就是找到全部的最小割集。

2.3故障樹分析思路

建立挖掘機(jī)故障樹模型后，根據(jù)以上建立的故障樹結(jié)構(gòu)，用流程圖的方式分析故障診斷流程。在分析制定故障診斷流程時(shí)，應(yīng)通過大量充分的市場(chǎng)調(diào)研以確定各子故障的診斷順序，確定順序時(shí)候應(yīng)考慮兩個(gè)因素，即診斷原則和故障率，通過定性分析，即可得到底端事件，實(shí)現(xiàn)快速高效的故障排除。

診斷原則是由外而內(nèi)，先簡(jiǎn)后繁，先易后難。對(duì)于外在的容易檢查和易于采用檢測(cè)方法的系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先排查，對(duì)于診斷流程相對(duì)簡(jiǎn)單的也實(shí)施優(yōu)先診斷原則。然后，再依據(jù)挖掘機(jī)故障排查應(yīng)具備的專業(yè)知識(shí)和大量的市場(chǎng)調(diào)研經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，最終確定本事件的故障率大小，按照從大到小的優(yōu)先順序排查故障率大的事件。

3故障診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

診斷系統(tǒng)有三個(gè)層次：系統(tǒng)界面為第一層，判別故障類型為第二層，終端層分發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓和電氣診斷三部分，其中設(shè)計(jì)判別故障類型起著承上啟下的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，終端層設(shè)計(jì)最難，內(nèi)容多且復(fù)雜。完成三個(gè)層次的銜接之后基本實(shí)現(xiàn)診斷系統(tǒng)的功能模塊，本設(shè)計(jì)開發(fā)的診斷系統(tǒng)一共采用14個(gè)窗體和一個(gè)模塊。

3.2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及使用

根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)一步判別故障類型是發(fā)動(dòng)機(jī)部分、液壓部分還是電氣部分，使診斷過程更迅速、更精準(zhǔn)。對(duì)于故障現(xiàn)象采用下拉式菜單方便于用戶輸入，信息管理是對(duì)故障進(jìn)行管理如刪除、添加和修改等等，幫助部分是對(duì)系統(tǒng)的使用進(jìn)行說明。

圖2為故障類型判別界面，是目前市場(chǎng)上使用的大多數(shù)挖掘機(jī)故障診斷系統(tǒng)所不具備的，這個(gè)功能也是本系統(tǒng)的特別之處。在下拉菜單中選擇故障“憋車”，點(diǎn)擊確定后，系統(tǒng)提示選擇故障現(xiàn)象為“是”或“否”，如果選擇“是”則給出分析，“否”則提示進(jìn)入下一步的診斷界面，點(diǎn)擊“故障類型”命令框?qū)?yīng)選擇項(xiàng)繼續(xù)進(jìn)行底端事件的查詢。

4結(jié)論

本文從挖掘機(jī)故障診斷技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題入手，針對(duì)挖掘機(jī)新型的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和故障特點(diǎn)，以某廠的200-8機(jī)型為代表，經(jīng)過充分的資料收集和大量的市場(chǎng)調(diào)研，依據(jù)故障樹分析理論和推理方式，形成診斷系統(tǒng)的知識(shí)庫，并利用人機(jī)對(duì)話的運(yùn)行模式，編制出快速準(zhǔn)確的故障診斷系統(tǒng)，補(bǔ)充了裝備新型動(dòng)力的挖掘機(jī)的故障診斷系統(tǒng)對(duì)從業(yè)人員的技術(shù)全面要求之不足，實(shí)現(xiàn)了故障排除的迅速精準(zhǔn)。該系統(tǒng)方便易用，有良好的界面和編輯功能，可以添加機(jī)型和分支，可擴(kuò)展性好，有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]黃嘯，周文華.柴油機(jī)高壓共軌燃油噴射壓力故障診斷及保護(hù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013.

[2]李國(guó)平，張慶偉.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓挖掘機(jī)故障診斷的研究[J].機(jī)床與液壓，2011.

[3]陸新，趙翠萍，周明康.廂式壓濾機(jī)液壓系統(tǒng)的模糊故障樹診斷研究[J].液壓與氣動(dòng)，2011.

[4]舒陵.基于模糊數(shù)學(xué)的液壓挖掘機(jī)故障診斷[J].吉首大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015.