关于工程机械可靠性的思考

工程机械可靠性的思考（在中国公路学会筑路机械分会第 18 届学术年会上的发言）长安大学 冯忠绪一、可靠性定义与指标1. 定义产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是一个综合概念，是多个特性的总和，广义的可靠性还包括维修性和耐久性等。2. 工程机械常用可靠性指标1) 平均无故障工作时间（Mean Time Between Failures）/MTBFN式中： 累计作业时间， ；Th单次作业时间， ， ；it it当量累计次数， ；NiNn第 类故障的危险度系数；ii第 类故障次数。ini2) 可靠度 R10%TR式中： 可靠度， ；R%累计故障时间， 。1Th二、我国工程机械可靠性的现状据我国产品在 1000h 可靠性试验和“三包”期内的统计资料，目前的平均无故障工作时间（MTBF ）为 150300h，而国际水平为 500800h。如不采用进口发动机，我国产品的大修期寿命只有 40005000h，而国际水平达到800010000h，可靠性和大修寿命是我国工程机械缺乏竞争力的主要问题。据统计，我国工程机械故障率中，发动机约占 30%，液压系统约占 2535%，传动系统约占 20%，其余为制动系统及结构件焊缝开裂等。三、我国工程机械可靠性差的主要原因影响工程机械可靠性的因素很多，有设计、材料与制造、使用等多种因素，但机器动态性能研究的缺乏是主要原因之一，也是根本原因之一。区别于其他机械，工程机械大多在野外工作，负荷及工况多变，负荷变化也较剧烈，而许多工程机械又有连续施工的苛刻要求，这对工程机械的可靠性和适应性提出了更高的要求。动态性能就是机器在工作负荷不断变化的动态条件下显示的动力性、燃料经济性和作业性能。下面以双钢轮振动压路机为例予以说明。图 1 双钢轮振动压路机 图 2 振动压路机振动频率随距离的变化历程双钢轮振动压路机主要用于压实路面材料，属于循环作业式机械，如图 1所示。一般来说，每个循环单程时间在 30s 左右，每个循环的单程为 3050m，而起步和停车时间均为 3s 左右，如图 2 所示，要占单程压实时间的 20%左右，剩余的有效压实时间只有 80%。起步时，整车从静止过渡到恒速前进，需克服机器的平动惯性力；钢轮从静止到匀速转动，需克服钢轮的惯性力矩；钢轮内的激振器从静止到起振，然后高速旋转振动，也需克服它的惯性力矩。压路机及其钢轮均为大惯量系统，因此不管平动或转动的过渡过程，外负载变化都很大，也较剧烈。一方面这必然会造成行走驱动和振动液压系统中的冲击载荷，降低液压元件的使用性能和使用寿命；另一方面，作用于地面的力、力矩或功变化大，会造成起步地段压实度的极不均匀，甚至形成材料的推移现象。但是，该起步过程的过渡时间又不能太长，否则将会降低有效压实时间。同时，过长的起步时间会使振动轮起振越过共振点时产生共振现象，这对机器和被压材料都是十分有害的。机器停车时，上述类似的现象也是存在的。同时，起步和停车时外载荷的急剧变化会引起发动机转速和功率的随之波动，特别是停车时机器的巨大惯性要引起发动机的反拖制动，这不仅会影响发动机的使用性能，而且会降低发动机的可靠性和使用寿命。图 3 为前进起步加速过程发动机转速和行走驱动系统功率曲线，图 4 为后退停车减速过程发动机和马达转速波动曲线。图 3 前进起步加速过程发动机转速及行走系统功率曲线图 4 后退减速过程发动机和驱动马达转速波动曲线起步和停车时的另一个问题是，由于负载的急剧变化，液压系统的压力急剧上升。当系统配置和调整不合适时，常常导致安全阀的溢流和液压系统的发热，造成功率的极大浪费。国内某 12t 双钢轮振动压路机的液压油箱为 140L，而同类型的某国外产品的油箱为 38L，而两种压路机的液压系统配置基本相同，连续的正常工作中液压系统的油温也相近，可见由于发热造成了能量的极大浪费。在实际试验中发现，在相同的试验条件和时间内两种压路机的的油耗竟相差约 50%。由于振动压路机正常工作时，所需功率较小，转向所需功率也不大，因此，起步和停车过程的功率消耗也决定着振动压路机的动力大小的选配。表 1 为国内某振动压路机起步加速工况行走系统功率消耗试验结果。表 2 为国外同类型振动压路机起步加速工况行走系统功率消耗试验结果。表 3 为国内某振动压路机起振过程振动系统功率消耗试验结果，表 4 为国外同类型振动压路机起振过程振动系统功率消耗试验结果。对比两种压路机的试验结果，在起振过程中两者的功率相差并不大，而起步加速工况竟相差 58%68%。表 1 国内某机起步加速工况行走系统功率消耗试验结果测 试 值试验项目1 2 3 平均起步加速前发动机转速(r/min) 2503 2503 2503 2503起步时发动机最低转速(r/min) 2230 2314 2308 2284起步加速终了发动机转速(r/min) 2460 2474 2469 2467起步加速终了驱动马达转速(r/min) 2002 1998 1996 1998起步加速时行走系统最高压力(MPa) 34.4 34.2 33.6 34.1起步加速时行走系统最大功率(kW) 63.2 61.1 58.7 61.0前进起步加速终了行驶速度（m/s） 2.90 2.86 2.90 2.89起步加速前发动机转速（r/min） 2503 2503 2502 2503起步时发动机最低转速（r/min） 2324 2323 2320 2322起步加速终了发动机转速（r/min） 2470 2469 2465 2468起步加速终了驱动马达转速（r/min） 1989 1998 1989 1992起步加速时行走系统最高压力（MPa） 33.7 34.2 34.1 34.0起步加速时行走系统最大功率（kW） 60.7 59.5 59.9 60.0后退起步加速终了行驶速度（m/s） 2.91 2.89 2.88 2.89表 2 国外某机起步加速工况行走系统功率消耗试验结果测 试 值试验项目1 2 3 平均起步加速前发动机转速(r/min) 2254 2250 2249 2251起步时发动机最低转速(r/min) 2027 2032 2025 2028前进 起步加速终了发动机转速(r/min) 2214 2214 2217 2215起步加速终了驱动马达转速(r/min) 45.9 45.77 46.10 45.92起步加速时行走系统最高压力(MPa) 36.9 37.2 36.1 36.73起步加速时行走系统最大功率(kW) 38.6 38.3 39 38.63起步加速终了行驶速度（m/s） 3.37 3.36 3.38 3.37起步加速前发动机转速（r/min） 2255 2250 2255 2253.33起步时发动机最低转速（r/min） 2032 2032 2048 2037.33起步加速终了发动机转速（r/min） 2233 2209 2221 2221起步加速终了驱动马达转速（r/min） 46.42 45.50 46.48 46.13起步加速时行走系统最高压力（MPa） 35.3 34.4 34.3 34.67起步加速时行走系统最大功率（kW） 36.2 35.8 35.2 35.73后退起步加速终了行驶速度（m/s） 3.40 3.35 3.38 3.38表 3 国内某机起振过程振动系统功率消耗试验结果测 试 值试验项目1 2 3 均值起振前发动机转速（r/min） 2507 2508 2507 2507.33起振时发动机最低转速（r/min） 2413.6 2412.8 2413.6 2413.33起振终了发动机转速（r/min） 2469 2470 2472 2470.33起振终了振动频率（Hz） 46.3 46.3 46.3 46.30起振时振动系统最高压力（MPa） 33.4 33.1 33.3 33.27高幅最大起振功率（kW ） 40.89 41.04 40.10 40.68起振前发动机转速（r/min） 2508 2507 2509 2508.00起振时发动机最低转速（r/min） 2420.5 2421.4 2424.9 2422.27起振终了发动机转速（r/min） 2477 2478 2478 2477.67起振终了振动频率（Hz） 45.5 45.6 45.6 45.57起振时振动系统最高压力（MPa） 16.7 17 16.7 16.80低幅最大起振功率（kW ） 17.10 16.90 16.95 16.98表 4 国外某机起振过程振动系统功率消耗试验结果测 试 值试验项目1 2 3 均值起振前发动机转速（r/min） 2256 2254 2255 2255起振时发动机最低转速（r/min） 2006 2006 2005 2005.67起振终了发动机转速（r/min） 2186 2197 2196 2193起振终了振动频率（Hz） 49.8 49.8 49.9 49.83起振时振动系统最高压力（MPa） 37.1 37.1 37 37.067高幅最大起振功率（kW ） 48.0 47.9 47.8 47.9起振前发动机转速（r/min） 2260 2259 2260 2259.67起振时发动机最低转速（r/min） 2016 2014 2014 2014.67起振终了发动机转速（r/min） 2211 2210 2211 2210.67起振终了振动频率（Hz） 49.9 49.8 49.8 49.83起振时振动系统最高压力（MPa） 37.1 37.1 37.1 37.1低幅最大起振功率（kW ） 46.8 46.9 47.0 46.9由以上试验结果可知，双钢轮振动压路机的起步和停车过程负荷变化剧烈，要产生以下三种主要后果：（1）由于液压系统压力冲击以及发动机转速急剧波动，机器可靠性变差；（2）由于液压系统溢流发热，发动机转速波动等原因，使燃油消耗增加，节能减排性能变差；（3）引起振动轮与地面作用力的急剧变化，作业质量变异。实践证明，对此问题采取抑制惯性载荷的变化、机器参数动态匹配、功率峰值错峰等措施，都会取得明显的改善效果。由此例不难看出，机器动态性能的研究确是解决机器可靠性问题的根本途径之一。四、机器动态性能的研究我国工程机械动态性能的研究起步于上世纪 80 年代初，是由我国著名的工程机械专家孙祖望教授首先提出的。近 30 年来，在动态性能研究的方法、试验设备和实际机器的应用方面都取得了长足的发展。1. 动态性能试验设备举例1) 发动机动态性能试验台负荷波动要引起柴油机输出特性变化，或者要引起柴油机的动态效应。柴油机的动态效应除与发动机的特性相关外，还与负荷特性及二者的匹配关系有关。负荷波动要引起发动机输出特性偏离其静态值。这不仅仅指发动机功率，而且也指发动机的经济性及其状态发生了变化，导致发动机的可靠性下降。试验证明，发动机的动态效应只是在负荷波动的低频范围内（ ）存3Hz在。 123DK器放 大伺 服信 号 源阻 应 变 仪动 态 电 09876发 动 机 54321图 5 试验台工作原理图1.齿条位移信号；2.排气温度信号；3.燃油消耗测量；4.发动机扭矩 M 信号；5.发动机转速 n 信号；6.油路压力 P 信号；7.弹性连接轴；8.油泵；9.自制节流阀；10.手调节流阀；11.水冷却器；12.电液伺服阀；13.液压柜2) 工程机械液压底盘模拟试验台近 10 年来，液压传动在工程机械底盘上的广泛应用，一方面是在以牵引功能为主的铲土运输机械上，传统的液力机械传动出现了被液压传动取代的某种趋势（虽然还不是全方位的） ，而另一方面大量不以牵引功能而以恒速调节为主要功能的压实与路面机械几乎全面地采用了液压传动和液压控制技术。对牵引式工程机械，液压驱动底盘的高度自适应能力冲破了传统底盘牵引参数匹配的束缚，大大降低了精确研究工作装置力学过程的重要性；对以恒速调节为主的压实与路面机械，液压传动与控制产生的精确调节功能是机械达到作业质量的必要条件。对早已全面采用液压传动的工程机械工作装置和操纵机构，各种液压传动与控制已有了充分的研究，理论已趋成熟。但对于工程机械底盘，特别是以自适应控制为核心的牵引式底盘，国外深入开展液压传动与控制的应用研究并产业化只是近十年的事情，国内尚属空白。将液压传动与控制纳入工程机械牵引底盘的发动机液压传动与控制行走机构工作装置系统中进行试验，进行最优参数匹配与控制、最佳驱动系统构成理论、动载防治理论等研究以及液压元件的性能分析还未有先例。工程机械液压底盘模拟试验台有助于对这一领域展开深入研究。研究的主要内容为下面几个方面：（1）发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成的负荷驱动系统中各元件参数的合理选择与匹配，这一匹配要兼顾元件的工作寿命与成本；（2）在各种车辆负荷模式下，上述负荷驱动系统最佳的控制方式与控制原理；（3）各类车辆最佳的液压驱动形式构成；（4）工程车辆液压底盘在动态载荷作用下的性能反应及提高其性能的措施；（5）液压车辆的散热分析与研究；（6）动态负荷的特性研究及防治措施等等。该试验装置可以真实模拟各类工程机械底盘在其典型载荷作用下的系统性能，并为工程机械相关控制元件提供试验平台。按其结构组成，试验台可分为四部分：液压底盘模拟驱动装置，模拟加载装置，数据采集、处理及控制装置，辅助装置。图 6 是柴油机拖动液压驱动系统原理示意图。图 6 柴油机拖动液压驱动系统原理示意图3) 工程机械工作装置综合试验台工程机械工作装置与介质相互作用过程及其机理的研究，是设计与使用工程机械的基础。为进行相关研究，长安大学在上世纪 80 年代就建成了亚洲最大的室内试验土槽。工程机械工作装置综合试验台是与该土槽配套的室内试验设备，旨在研究多种工程机械的工作装置与介质（如土壤、砂石、混凝土等）相互作用过程的物理、力学本质，以及这一过程对工作装置的驱动与传动系统、控制系统的影响及其合理匹配，实现对这一过程的监测与控制。试验台主要由以下六部分组成：1、牵引车行走机构，包括行走驱动系统和台车架，它又可作为加载系统使用。牵引车在土槽两侧的轨道上纵向运动，作为工作装置的行走底盘，提供工作装置水平运动所需的功率。2、横移车，用于横向移动各种工作装置。横移车在牵引台车横梁的轨道上横向移动，以保证工作装置换位工作，充分利用整个大型土槽内的土壤等资源，同时安装工作机构的驱动装置、控制装置、悬挂装置及驾驶台。3、可更换的各种工作装置，如铲切、铣拌、压实、冲击振动等。4、多功能动力源，包括液压动力输出、电力输出和机械动力输出系统及其控制装置。5、数据采集、处理及自动控制系统，能对反映土壤机具系统状态的信号在线实时的进行数据采集、处理并对工作过程实现监测与自动控制。6、土槽土壤整理系统，包括刮平板、拌和机转子和土壤压实滚轮等，可完成土壤翻松、洒水、拌和、刮平或压实等整理工作。试验台总功率为 200kW，最大牵引力 120kN，牵引速度 012km/h，可牵引各类工程机械的工作装置进行试验，主要用于平移式工作装置、旋转式工作装置、碾压装置、熨平板式工作装置、冲击振动式工作装置与不同作业介质相互作用的研究，以及各种工作装置的自动控制模式及策略的研究，也可用作各种牵引车的负荷台车。工程机械多功能试验台的基本结构组成如图 7 所示。图 7 工程机械多功能试验台结构图1-多功能安装板；2-控制室；3-摆动桥；4- 实心胶轮；5-台车车架；6-开关柜；7-横移小车；8-滑触线安装支架； 9-台车导向装置；10-电磁离合器；11-转速转矩传感器；12- 弹性联轴器；13-万向联轴器；14-三档变速箱；15- 辅助驱动马达；16- 减速机；17-联轴器；18-伞齿轮传动箱2. 机器的动态性能研究举例1) 推土机整机动态牵引性能试验研究推土机在现场作业的条件下，直接测定和记录表征机器动态牵引性能的各项参数之时域函数，如图 7 所示。图 7 推土机试验现场2) 沥青混合料搅拌设备