（机械电子工程专业论文）推土机液压系统可靠性及预防性维修周期的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着推土机液压系统使用时间的增长，其可靠性会越来越低。如何使其 安全可靠地工作，发挥其最大效能，是摆在企业面前一个非常重要的课题。 维修是保持推土机液压系统可靠性的一个重要手段。目前，我国对工程机械 的维修大都采取计划预期制，即以定期的预防性维修为主，事后维修、状态 监测维修相结合的维修体制。而开展预防性维修的一个首要前提是预防性维 修周期的确定。 推土机液压系统的全寿命周期主要由偶然故障期和耗损故障期组成。论 文提出了在推土机液压系统处于偶然故障期进行等周期预防性维修、耗损故 障期进行变周期预防性维修的构想。论文分析了t y 2 2 0 型推土机液压系统 的工作原理，绘制了其可靠性框图，建立了其可靠性数学模型，求出了系统 在不同时间、不同条件下的可靠度，并对系统的可靠性进行了分析。 针对推土机液压系统的耗损故障期，论文提出了年龄减小预防性维修模 型，建立了各预防性维修周期间故障率的递推关系式。论文还给出了有限区 间内等风险预防性维修周期的求解模型。该模型可以综合考虑事后维修成 本、预防性维修成本和生产损失成本。在对t y 2 2 0 型推土机工作装置液压 系统使用和故障数据进行统计分析的基础上，确定了模型的各个参数，计算 出t y 2 2 0 型推土机液压系统合理的预防性维修周期并验证了模型的合理 性。论文可为企业维修计划的制定和现场的作业调度提供决策支持和信息支 持。最后提出了自己对工程机械维修的几点建议。 关键词推土机液压系统：可靠性；故障率；预防性维修周期 兰玺鎏三些查兰三兰鎏圭主竺鎏兰 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eu s i n gt i m eo ft h eb u l l d o z e rh y d r a u l i cs y s t e m ，i t s r e l i a b i l i t yw i l lb e c o m el o w e ra n dl o w e r t h em a i n t e n a n c ei s av e r yi m p o r t a n t m e t h o do fk e e p i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m m o s to ft h ec o n s r u c t i o n m a c h i n e sa d o p tt h ep l a n n i n gm a i n t e n a n c es y s t e ma tp r e s e n t i ti st h es y s t e mt h a t p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ea c t sa st h ec e n t e r , a f t e rm a i n t e n a n c ea n ds t a t u ss u r v e y a c tu n i t e d l y t h ep r e m i s eo fd e v e l o p i n gp r e v e n t i v em a i n t e n a n c ei st h ed e f i n i t i o n o ft h ep r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec i r c l e t h ew h o l el i f et i m eo ft h es y s t e mc o n s i s t so ft h ea c c i d e n t a lp e r i o da n dt h e c o n s u m i n gp e r i o d t h ep a p e rp r o p o s e st h ei d e ao fh a v i n gt h es a m ep r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ec i r c l ei ni t sa c c i d e n t a lp e r i o da n dd i f f e r e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e c i r c l ei ni t sc o n s u m i n gp e r i o d t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l eo ft y 2 2 0 b u l l d o z e rh y d r a u l i cs y s t e m ，d r a wt h ep a n ed r a w i n go ft h es y s t e ma c c o r d i n gt o t h em e t h o do ft h er e l i a b i l i t yc o n n e c t i n gm o d e ，e s t a b l i s h e st h er e l i a b i l i t y m a t h m a t i c sm o d e la n dw o r ko u tt h er e l i a b l ed e g r e ei nd i f f e r e n tt i m e sa n du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n s n l ea l s oa n a l y s e st h er e l i a b i l i t yo f t h es y s t e m i nc o n n e c t i o n 谢t ht h ec o n s u m i n gp e r i o do ft h eb u l l d o z e rh y d r a u l i cs y s t e m ， t h ep a p e rp r o p o s e st h ea g ed e c r e a s i n gm a i n t e n a n c em o d e la n db u i l d su pt h e r e c u r s i o nr e l a t i o n s h i p so ff a i l u r er a t ei np r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec i r c l e s a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee q u a lr i s kp r e v e n t i v em a i n t e n a n c et a c t i c si nf i n i t e t i m eh o r i z o ni sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em o d e lc a nc o n s i d e rr e p a i rc o s t p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ec o s ta n dp r o d u c t i o nl o s sc o s ts y n t h e t i c a l l y b a s e do nt h e s t a t i s t i ca n a l y s i so ff a i l u r ed a t a so ft y 2 2 0b u l l d o z e rh y d r a u l i cs y s t e m ，e v e r y p a r a m e t e ro ft h em o d e li sd e f i n e d t h ep a p e rw o r k so u tt h er e a s o n a b l ep r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ec i r c l eo ft y 2 2 0b u l l d o z e ra n dp r o v et h er e a s o n a b l e n e s so ft h e m o d e l t h i sp a p e rc a l lb eu s e dt op r o v i d ei n f o r m a t i o na n dd e c i s i o ns u p p o r t i n gf o r t h em m n t e n a n c ep l a np r o g r a m m i n ga n dj o bs h o ps c h e d u l i n g a tl a s t ，ig i v es o m e a d v i c eo nt h em a i n t e n a n c eo ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e s k e y w o r d s b u l l d o z e rh y d r a u l i cs y s t e m ，r e l i a b i l i t y , f a i l u r er a t e ，p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c ec i r c l e - l i 堕尘鎏三些查兰三兰璧圭主竺鲨銮 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建 设中发挥越来越大的作用。然而，工程机械大都野外作业，工况条件较差， 致使工程机械常有故障发生【lj 。维修是为保持或恢复设备能完成规定功能的 能力而采取的技术和管理措施。可靠性技术和可靠性理论的产生和发展为工 程机械的使用维护和维修提供了很好的理论依据。可靠性是产品在规定的条 件下和规定的时间内完成规定功能的能力。设备的可靠性是贯穿于整个寿命 周期全过程的一个时间性度量指标1 2 j 。 1 1 1 维修理念的变革 维修策略是指从定的技术、经济因素来考虑，对系统进行的维修方式 和程度的规定，它是用来指导维修管理的理论思想和学术观点 3 1 。维修策略 的发展经历了如下几个阶段： ( 1 ) 事后维修( c m ：c o r r e c t i v e _ a i n t e n a n c 6 ) 思想事后维修即工程 机械的维修都是在故障发生后才进行的。它的最大优点是充分利用了零部件 或系统部件的寿命。但这种维修思想是非计划性维修，随机性太大，缺少必 要的计划安排，浪费了较多的剩余修理，一旦遇到严重的机械故障甚至生产 事故时，维修时效性就会变褥很差【4 】。随着工业水平的不断发展其弊端也日 渐突出。 ( 2 ) 预防性维修( r i ：p r e v e n ti v e a i n t e n a n c e ) 思想预防性维修是 指为了防止设备性能退化或降低其失效率，按事先规定的计划或相应的技术 条件规定进行的维修。对于发生故障后会带来重大经济损失和严重后果的系 统或设备，为使每一个机件都达到使用安全和可靠，维修工作就必须在故障 发生之前进行，从而形成了以预防为主的维修思想f 5 】。其实质是通过采取各 种预防性措旌，将故障消灭在萌芽状态。预防性维修是计划性的，一般停机 检修机器的主要部件，任何检测出的问题都将得到纠正，并对系统进行预防 性处理，其工作主要包括准备、日常的维护和保养、定期检修和定期大修等 工作。 哈尔滨工业= = 学工学硕士学位论文 ( 3 ) 以可靠性为中心的维修( r c m , r e ii a b i ii t yc e n t e r e d _ a i n t e n a n c e ) 思想以可靠性为中心、以控制系统或设备的使用可靠性为目的的维 修，统称为可靠性维修。它是以可靠性理论为基础，大到维修时机、维修方 法、维修周期的选择和维修工作量的计算、维修范围的介定，小到一个机件 修复后的可靠性系数、一个项目的诊断检查的标准，都以保证和提高设备的 整体可靠性为依据【6 l 。它是一种通过对影响可靠性的因素进彳亍分析和试验， 科学地制定维修内容，优选维修制度或方式，以保证系统或设备使用可靠性 的维修。 ( 4 ) 以状态监测和故障诊断技术为主的维修状态监测就是对设备的状态 进行连续性监控或借助诊断技术所提供的信息，通过统计分析确定设备能否 再连续使用。事后维修、预防性维修、以可靠性为中心的维修思想，各有长 短，都有一定的适用范围，机械地规定某个维修单位或某种机型只能采用某 一种维修方式，既不符合实际，又难以奏效。当前发达国家的工程机械维修 主要是以状态检测为基础，以可靠性维修为中心，多种维修方式相结合，针 对不同情况采取不同方式的视情维修【7 】。今后，随着状态监测和故障诊断技 术的广泛应用，先进的工程机械将装备机电一体化的在线自动监测和故障诊 断等仪器设备，以可靠性为中心的维修思想将成为工程机械维修管理的主导 思想。 在市场竞争日趋激烈的今天，制造企业为了提高自身的竞争力，将不得不 考虑生产系统设备故障对生产能力、生产成本和产品质量的影响。传统的救 火式的事后维修方式已经被证明存在很多不足，将导致生产率低下和成本增 高，预防性维修的重要性自然f i 益突出【8 】。预防性维修是根据设备故障的统 计规律制定出长远的维修计划，以期从总体上控制维修成本，提高设备可靠 性。虽然设备故障问题的复杂度和诸多随机性因素限制了预防性维修计划的 精确性和实用性，制造企业仍然能够从预防性维修中受益。 1 1 2 我国工程机械的维修体制 采用先进的离线、在线监测和故障诊断受到的约束很多，在较长时间内 还无法取代有计划的维修，所以目前我国工程机械的维修仍主要采用计划预 修制，定时预防性维修和事后维修相结合的方法【9 1 。尽管计划预修制这种维 修思想在预防机械故障、减少严重生产事故方面发挥过很大作用，但这种维 修思想也存在一定的局限性，主要表现在以下四个方面： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 制定维修工作计划时，其预防性维修周期的确定主要参照制造厂家 的使用说明书的规定和使用经验来进行，明确了检修日期、类别和内容，到 期必须严格地按计划检修。且维修计划一经制定，多年不变。没有进行可靠 性研究，具有浓重的经验主义色彩【l 。 ( 2 ) 大多数企业无维修大纲，一般根据设备制造厂家提供的使用维护 说明书进行预防性维修工作。但是设备工作条件不同，备件来源不一致， 维修者的维修水平不一，即设备所处的状态和设计者所考虑的生产环境有所 不同，所以在具体实施中很难与实际相符，在具体的维修生产中表现为维修 不足或维修过剩【9 j 。 ( 3 ) 刻板地实行定时定程维修和离位分解检测维修，不可避免地使维修 工作出现频繁分解拆卸的现象，导致维修工作针对性差、工作量大、耗时 多、费用高，而且还会因拆装可能埋下一些新的故障隐患，大大降低了机械 设备的可靠性。 ( 4 ) 大多数设备在设计时没有进行可靠性、维修性和保障性设计，一般 存在故障多、维修难等问题。 在机械的维修决策中一个重要的问题就是预防性维修周期的确定【1 ”。 开展预防性维修就是要确定合理的维修时间、需要维修的零部件、选择有效 的维修方式。其中确定设备的预防性维修周期是解决其他两个问题的前提。 可靠性技术和可靠性理论的产生和发展为液压传动和控制系统的使用维护和 维修提供了很好的理论依据。所以，能否对： 程机械的液压传动和控制系统 进行正确的使用，有计划的维护，合理的维修，傈证其最大限度的发挥作 用，不仅关系到工程机械的可靠使用，而且也关系到工程机械能否发挥其最 大经济效益i “l 。 1 2 课题研究的目的和意义 工程机械处于施工企业过程生产的核心地位。系统投入运行后，应使其 在规定的周期内能正常运行，发挥最大的效能。工程机械维修所产生的费用 成为设备使用成本的重要支出之一【1 3 i4 1 。降低企业的维修费用，可以显著地 降低成本，增加利润，这对已引入竞争机制的商品社会来说，具有很现实的 意义。费用效能准则成了评价系统是否适用的重要准则i l ”。 由于以定期预防性维修为主的计划维修在一段时间内还将是工程机械维 修的主要方式，因此还需要对计划维修问题作深入研究。考虑系统运行可靠 性和维修性的基础上，使维修成本达到最小的预防性维修周期是一个很有现 实意义的研究课题。 通过对设备调查发现，即使设备的运行可靠性很高，而且在设计中也注 意采用多种技术来加强系统的稳定，但是系统的运行过程都将不可避免的会 出现故障，多达8 0 的设备和成套设备存在故障和发生故障停机的隐患， 它们在生产系统中的可利用率仅达到5 0 7 0 【l “。因此，应在设备的使 用阶段，根据系统实际运行状况，通过抽样试验或者故障统计，应用可靠性 工程找出设备的故障规律，定量计算不同使用期的设备可靠度，从而合理选 择维修方式，在保证系统可靠性的基础上对系统建立相应的可靠性、维修 性数学模型，确定合理的维修策略，从而确定合理的维护、维修周期。这不 仅会提高设备利用率，而且还有助于实现设备寿命周期费用最佳，保证系统 的实时运转，对于确保生产具有非常重要的意义【l “。 1 3 国内外研究现状及分析 目前，在我国确定预防性维修周期，常用的方法有： ( 1 ) 按平均使用寿命确定预防性雏修周期此时，按系统的检修记录， 整理出零部件的实际使用时阔，取其平均值弗加以分类，按平均使用寿命的 长短排队编组，最长的平均使用时问就是大修周期，最短的平均使用时间就 是小修周期【l ”。 ( 2 ) 按额定开动台时确定预防性维修周期生产上一般采用经验公式： t = 倒+ r( 卜1 ) 式中4 胡械额定开动台时 口修正系数，包括制造系数、生产类型系数、使用环境系数、维 修保养系数、加工材料系数 r 叶修理周期内的总修理时间 一般说来，零件的磨损量随着开动台时数的增加而增大，但这种方法，系数 的选择人为的因素很多，难以保证维修周期数值的可靠、合理。 我国自5 0 年代初期从前苏联引进计划预修制以来，经过四、五十年的 实践，积累了丰富的经验，通过大量的数据统计，掌握了大量零部件的平均 使用寿命，建立了设备开动时间与机件磨损的关系，参照计划预修制的理论 科学地制定了较合理的预防性维修周期。事实上，我国工程机械的维修一直 参照大( 中、小) 修周期和修理周期结构来规划设备的维修策略。尽管按设 性和维修性的基础上，使维修成本达到最小的预防性维修周期是个很有现 实意义的研究课题。 通过对设备调查发现，即使设备的运行可靠性很高，而且在设计中也注 意采用多种技术来加强系统的稳定，但是系统的运行过程都将不可避免的会 出现故障，多达9 0 的设备和成套设备存在故障和发生故障停机的隐患， 它们在生产系统中的可利用率仪达到5 0 7 0 【l6 j 。因此，应在设备的使 用阶段，根据系统实际运行状况，通过抽样试验或者故障统计，应用可靠性 工程找出设备的故障规律，定量计算不同使用期的设备可靠度，从而合理选 择维修方式，在保证系统可靠性的基础上，对系统建立相应的可靠性、维修 性数学模型，确定合理的维修策略，从而确定合理的维护、维修周期。这不 仅会提高设备利用率，而且还有助于实现设备寿命周期费用最佳，保证系统 的实时运转，对于确保生产具有非常重要的意义l l7 1 。 1 3 国内外研究现状及分析 目前，在我国确定预防性维修周期，常用的方法有： ( 1 ) 按平均使用寿命确定预防性维修周期此时，按系统的检修记录， 整理出零部件的实际使用时间，取其平均值并加以分类，按平均使用寿命的 长短排队编组，最长的平均使用时间就是大修周期，最短的平均使用时恻就 是小修周期“。 ( 2 ) 按额定开动台时确定预防性维修周期生产上一般采用经验公式： t = 倒+ f( 卜1 ) 式中机械额定开动台时 口修正系数，包括制造系数、生产类型系数、使用环境系数、维 修保养系数、加工材料系数 f 个修理周期内的总修理时间 一般说来，零件的磨损量随着开动台时数的增加而增大，但这种方法，系数 的选择人为的因素很多，难以保证维修周期数值的可靠、合理。 我国自5 0 年代初期从前苏联引进计划预修制以来，经过四、五十年的 实践，积累了丰富的经验，通过大量的数据统计，掌握了大量零部件的平均 使用寿命，建立了设备开动时间与机件磨损的关系，参照计划预修制的理论 科学地制定了较合理的预防牲维修周期。事实上，我国工程机械的维修一宜 参照大( 中、小) 修周期和修理周期结构来规划设备的维修策略。尽管按设 参照大( 中、小) 修周期和修理周期结构来规划设备的维修策略。尽管按设 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 备的大修周期来制定预防性维修计划有许多优点，但在大修周期结构中，计 划所确定的维修类别和各类维修的排列顺序和维修周期都是按理论规定的原 则确定的。虽然掌握了大量的维修资料和数据，掌握了机件的磨损规律，然 而在系统运转过程中常遇到许多意想不到的因素的干扰，因此按维修周期结 构来制定维修计划，必然无法准确地确定何时系统处于耗损阶段，使维修的 可靠性受到影响，常出现计划确定的维修时间与系统实际需要的维修时间不 相符的情况1 1 9 1 。另外，计划预期制的理论主要适用于系统负荷稳定，无意 外事故发生的场合，而象推土机这样工作负荷经常变动的系统，会给计划维 修工作带来许多困难，会使维修周期估计值的准确率降低。 ( 3 ) 按费用最低原则确定预防性维修周期预防性维修是定期进行，但 不能保证未到维修期不发生故障，若一旦发生故障，就要进行事后维修。因 此，维修费用包括预防性维修费用和事后维修费用 2 0 , 2 1 。设预防维修周期为 l ，每次事后维修和预防维修的费用分别为c c 和c ，因此，在每一周期的平 均可能工作时间内，即平均故障间隔时间( m t b r ) 内，进行预防性维修所需 的费用比例为晨( 瓦) ，故障维修的费用比例为l 一昱( 0 ) ，故单位时问内总的 维修费用c t 为； c t ：c c ! 二墨坠2 + c 一竺! 坠( i - 2 ) f r ( f ) d ( ，)f 矗( f ) d o ) 当以维修费用最低为目标来设计预防性维修周期l 时，上式对l 求偏导所 定为零即可求得预防性维修周期。 ( 4 ) 按有效度最商原则确定预防性维修周期有效度是可靠度与维修度 合起来的尺度，指系统包括维修效应在内，在规定的使用条件下，在规定的 时间内，保持正常使用状态或功能的概率。对可修复系统，当故障发生时， 只要在允许的时间内修复又能正常工作，其有效度与单一可靠度相比是增加 了正常工作的概率瞄叫“。 设平均预防性维修时间和平均事后维修时间分别为m 。和，由前面可 知，r r 9 m ( f ) 为平均维修间隔时间，而在维修周期中，预防维修和事后维 修时间分别为所，r ( 0 ) 和m 。【l r ( 0 ) 】，所以系统固有稳态有效度表达式为 a s = 【。r ( f ) d ( f ) 【。r o ) d o ) + 肼。【l 一矗( 耳) 】+ m ，r ( 耳) ) ( 1 3 ) 上式对t p 求偏导所定为零即可求得预防性维修周期。 传统的预防性维修模型假定预防性维修为完全维修，因此为等间隔维 修。这种模型只能适用于处于偶然故障期的系统的预防性维修周期的求锯。 而实际上对于处于耗损故障期的系统，预防性维修不熊将系统恢复到全新状 态。并且上述方法集中在系统稳态预防性维修周期的确定上，不能用于特定 时间段内预防性维修作业的调度。这种方法给出的结果是生产系统长期运行 情况下期望的预防性维修周期，没有考虑系统实际的使用、维修情况，无法 真正应用到生产作业调度；同时所选择目标是使设备长期运行的成本最小或 有用度最高，没有考虑设备的可靠性与成本之间的相互约束关系，不能真正 体现维修工作既经济有可靠的原则。 目前，国外专家学者的研究重点大多集中在设备的硬件故障诊断上，根 据系统设备的性能状况预测维修周期，这需要一个复杂的监测系统，不仅投 资大，而且受许多技术条件的限制，在我国还难以广泛应用【2 2 。 1 4 主要研究内容 本论文主要研究内容有： ( 1 ) 推土机液压系统的可靠性及预防性维修基本理论； ( 2 ) 对t y 2 2 0 型推土机工作装置液压系统可靠性进行深入探讨，在定性 分析和定量计算的基础上，画出系统的可靠性框图，建立系统可靠度数学模 型。给出该系统在不同环境条件、不同工作时间下的可靠度，对系统的可靠 性进行分析，并提出提高可靠性的途径； ( 3 ) 构建年龄减小预防性维修模型和等风险预防性维修周期求解模型； f 4 ) 在对t y 2 2 0 型推土机工作装置液压系统使用、维修历史数据进行搜 集的基础上，根据模型计算出其合理的预防性维修周期并对模型加以验证。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章推土机液压系统可靠性 和预防性维修基本理论 推土机液压系统可靠性是建立在众多的数学基础上的，其中概率论和数 理统计是对系统进行可靠性研究最重要的数学基础。推土机液压系统可靠性 的研究对象是系统的寿命，寿命为连续型的随机变量，它有多种分布情 况。了解系统的寿命分布可便于我们制定维修策略。预防性维修是在系统使 用过程中使其保持一定可靠性的重要技术手段。 2 1 推土机液压系统可靠性基本理论 2 1 1 推土机液压系统可靠性的定义 1 9 6 6 年，美国的m i l s t d 一7 2 1 b 较正规地给出了传统或经典的可靠性 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力 2 3 j 。 推土机液压系统因使用工况和环境条件( 如运输条件、储存条件、使用 方法、维修水平等) 的不同，可靠性水平有很大差异。因此要分析其可靠 性，必须严格明确使用条件和环境，对于不按规定条件使用的系统，不能要 求保证达到原定的可靠性水平。可靠性是用时间尺度来描述的质量特性，即 一个系统从使用开始，随时间的推移，能否稳定保持原有豹功能和性能。系 统的这种特性与时间紧密联系在一起，如果一个系统可靠性高，说明寿命 长，故障少。离开时间则无可靠性可谈。规定时间的长短不同，其可靠性也 不同。一般系统的功能都有随时间而衰退的特点，规定的时间越长，最终的 可靠性越低。同一系统在不同豹使用时间范围，其可靠性水平是不同的。系 统的可靠性还与规定的功能有密切的关系。因规定的系统功能判据不同，将 得到不同的可靠性评定结果。一般事先一定要明确规定的功能，才能对系统 是否发生故障有确切的判断。 2 1 2 推土机液压系统可靠性的分类 推土机液压系统可靠性按照不同的分类方法，有如下两种类型： 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 固有可靠性和使用可靠性固有可靠性是指系统从设计到制造整个 过程中所确定的内在可靠性，它是产品的固有属性。它是由生产方在一定的 条件下检测得到，而由可靠性设计、可靠性管理保证的。固有可靠性与系统 的材料、设计、制造及检验精度有关。一般来说，系统的可靠性在系统的设 计制造阶段就已经决定了。除了进行技术改造外，也可以通过维修的手段， 采用新技术、新工艺、新材料，将系统的可靠性进一步提高。使用可靠性是 指非设计、制造环节中的可靠性，与系统的使用、维修有关，使用维护方法 和程序以及操作人员的技术熟练程度都会对系统的寿命及功能的实现产生重 大影响1 2 4 1 。推土机液压系统的实际可靠性包含制造和使用两方面因素，应 该是固有可靠性和使用可靠性的总和。 ( 2 ) 狭义可靠性和广义可靠性狭义可靠性表示推土机液压系统在某一 稳定时间内发生故障的难易程度。推土机液压系统是可以维修的，维修是为 了保持系统在使用中的规定功能及其指标，或为了使工作中出现的故障得以 修复而采取的各种措施和进行的各项工作f 2 。可修复系统总是正常与故障 交替出现，它的整个寿命周期包括修复故障修复的全过程1 2 3 1 。因此，在 其使用过程中不发生故障或可靠性很高固然很重要，在系统发生故障后能迅 速恢复到良好的状态也很重要。推土机液压系统这种易于维修的性能称为系 统的维修性。要表示其完成功能的能力还必须考虑其维修性，即系统发生故 障后能否很快恢复其功能而再继续工作。常采用可用性这一术语描述系统的 这种性能。所以广义可靠性就是指推土机液压系统在整个寿命期限内完成规 定功能的能力。 前面所说的可靠性定义只是一般的定性定义，并没有任何定量的表示。 只有给出可靠性的定量表示后，才能对推土机液压系统的可靠性提出明确的 要求。 2 1 3 推土机液压系统可靠性的特征量 推土机液压系统可靠性特征量是一个或一组反映系统可靠性规定的参数， 通过对系统可靠性的定量要求来明确任务有效性的可靠性部分的特性参数。 为此，系统的可靠性特征量应是必须能够准确而完整地反映出对系统的可靠 性规定，不应出现模棱两可理解的术语。推土机液压系统常用的可靠性特征 量有【2 0 】： ( 1 ) 可靠度函数r ( t ) 推土机液压系统的可靠度是指系统在规定的使用条 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 件下，在规定的时间内，完成规定功能的概率。可靠度函数可用下式表示： r ( r ) = p ( t f ) ，( f 0 ) ( 2 一1 ) 式中r 是产品的寿命，上式的含义是产品的寿命至少比规定时间f 长的概 率。 ( 2 ) 累积故障概率，( f ) 累积故障概率的定义为系统在规定条件下，在 规定的时间内，完不成规定功能的概率。累积故障概率可用下式表示： f ( f ) = p ( o t s f ) ，“o ) ( 2 2 ) 系统累积故障概率f ( t ) 与可靠度r ( t ) 的关系可用下式表示： r ( t ) + f ( f ) = 1 ( 2 3 ) ( 3 ) 故障概率密度函数f ( t ) 故障概率密度函数指系统在某时刻的时间段 内，单位时间的故障概率。即： f ( t ) = 了d f ( t ) = 一掣( 2 - 4 ) 系统故障概率密度函数，o ) 与可靠度r o ) 、累积故障概率f ( f ) 的关系式 为： r ( f ) = f 。f ( t ) d t ( 2 5 ) f ( f ) = ( f ( t ) d t ( 2 6 ) ( 4 ) 故障率函数五( f ) 推土机液压系统瞬时故障率五( f ) 是指系统工作到f 时刻正常的条件下，在( f ，h 缸) 时间间隔内发生故障的概率，可用下式表 示： 枷：l i m 望三三三! 竺! ! 型：l i m f ( t + a t - f ( t ) 一盟：盟 、7 m o a t a t - - - ，o r ( ，)r o )l f o ) ( 2 7 ) 系统的故障率函数五( f ) 与其它特征量的关系表达式为： 胄( f ) ：p 一4 ( 2 8 ) ，( f ) = 五p ) r 0 ) = 丑( f ) p p 瑚 ( 2 9 ) ( 5 ) 平均寿命m t b f 推土机液压系统的可靠性是对一定的时间而言，可 靠性中的许多特征量实际上是时间的函数。对系统的可靠性研究也就是对寿 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 命的研究【2 3 】。寿命是一个随机变量，一般用丁来表示。对于象推土机液压 系统这样的可修复系统平均寿命是指系统在它的使用寿命期内的某个观察 期内累积工作时间与故障次数之比( 故障间隔时间的平均值) ，记为 m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) 。用公式表达为： m t b f = e ( r ) = r 矿( f ) 硪= f 耐【1 一r ( r ) 】= 一f t d r ( t ) = r ( t ) o + f r ( f ) 斫 系统的平均寿命m 四f 与可靠度r ( f ) 的关系式为： ( 2 10 ) m t b f = f r ( f ) 破( 2 - 1 1 ) 在推土机液压系统的可靠性特征量中，故障率函数五( r ) 和平均寿命 m t b f 在寿命和可靠性研究中起着非常重要的作用，因为它们都能各自地决 定寿命分布和可靠度【”1 。系统的故障率函数五( f ) 反映了系统的可靠水平，某 时刻的故障率是系统工作状态的反映，包括操作状况、故障与修复及预防性 维修等，同时它还能灵敏地反映出系统故障的变化速度。而对系统平均寿命 m t b f 的考查及对系统寿命分布模型进行的分析和研究，可以对系统的故障 分析及可靠性改进和预防性维修周期的确定有很大的指导作用。 2 2 推土机液压系统的故障 推土机液压系统的可靠性与故障是一个问题的两个方面，研究提高系统 的可靠性，也就是研究减少系统的故障。为此，必须弄清楚什么是故障，故 障的标准和判据是什么；还必须弄清楚系统常见的故障模式和原因是什么， 以便有针对性的在系统设计、制造工艺乃至使用维护上采取措施，以减少故 障提高可靠性【2 4 1 。 2 2 1 推土机液压系统的故障 根据g j b 4 5 1 定义；故障( f a i l u r e ) 是指推土机液压系统或系统的某一 个部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态【25 1 。表现在系统在规定条 件下工作时，它的一个或几个性能参数不能保持在要求的上、下限之间。为 正确判断系统是否发生故障，合理地确定故障判据是很重要的。故障判据指 发生故障的界限。推土机液压系统液压元件的故障判据见表( 2 - 1 ) 。 表2 - 1 液压元件的故障判据 元件名称 故障判据 容积效率下降到低于合格品指标的5 ；主要摩擦副( 柱塞一缸体、缸体一 配流盘、滑靴一斜盘) 粘结或烧伤：滚动体出现疲劳剥蚀；零部件出现 轴向柱塞泵 损坏、断裂：变量机构失灵，或变量特性低于合格品指标的l o ；有滴 状外漏 容积效率下降到低于合格品指标的5 ：齿轮端面等摩擦副出现拉丝、粘 齿轮泵铜或烧蚀；轴承处出现剥蚀或抱轴、咬死；零部件出现损坏、断裂；有 滴状外漏 油缸有滴状外漏；缸体( 包括焊缝) 出现裂纹，紧固螺钉断裂 压力调节失灵或有卡死现象；导阀的振颤和啸叫，控制压力发生很大的 压力控制阀振摆：零件的异常磨损或断裂；技术性能指标低于标准规定的1 0 ；有 滴状外漏 换向、复位时间超过标准规定的1 0 ；出现告死、啸叫和抖动现象；零 方向控制阀 件的异常磨损或断裂；有滴状外漏 在进行大量内、外场调研可以得到系统故障的外在表现形式即系统的故障模 式。常见推土机液压系统的故障模式见表( 2 2 ) 。 表2 - 2 液压系统的故障模式。4 结构破损内漏 流动不畅输出量过小 机械卡死外漏 错误动作无输入 颤振超出允许上限不能开机无输出 不能保持在指定位超出允许下限不能关机 电短路 置间断性工作不稳定不能切换电开路 不能开漂移性工作不稳定提前运行电泄漏 不能关意外运行 滞后运行其他 误开错误指示输入量过小 误关输入量过大 输出量过大 使用实践表明，推土机液压系统最主要的故障机理是磨损和疲劳。这是因为 液压系统中存在着大量的摩擦副且液压元件大多承受交变载荷，而推土机的 作业对象是土和石方，冲击振动大，工作环境恶劣及温差变化大等不利因素 必然加剧系统的磨损和疲劳失效。因此由磨损和疲劳引起的使用性能下降， 最终导致系统出现故障的情况是最为普遍的。 兰至鎏三些銮：三兰翟圭主鳘兰兰 2 2 2 推土机液压系统的故障率曲线 推土机液压系统的故障率a ( f ) 是时间的函数，根据长期以来的理论研究 和数据统计，它随时间r 的变化规律可以用经典的浴贫曲惭，见图( 2 一1 ) 。 在系统的整个寿命周期内，故障率z ( n 经历了如下几个阶段： ( 1 ) 早期故障期系统开始使用时，它的故障率很高，随着时间的增加，系统 的故障率逐渐下降。这一阶段系统的故障主要是由于设计、制造或检验上的 缺陷造成的。为了缩短系统处于这一阶段的时间，系统应在投入运行前进行 试运转，以便及早发现、修正和排除缺陷。 ( 2 ) 偶然故障期在这个期间，系统的故障率较低并且是近似恒定的。 此时系统的故障是偶然的，是无法预料的。偶然故障期是推土机液压系统使 用的正常工作期，般持续一个相当长的时间( 一般占系统整个寿命周期的 半以上) 。 ( 3 ) 耗损故障期在这个阶段，系统的故障率随对间的延长而不断增 大，此时的系统内大部分元件处于老化、衰变、性能退化、磨损的状态。 2 2 3 预防性维修对推机液压系统故障率曲线的影晌 推土机液压系统工作环境恶劣，各种污染物侵入系统的概率很大。对推 土机液压系统的预防性维修是提高系统可靠性，防止系统故障以及减少维修 成本的重要手段。传统的预防性维修往往采用周期性维修的方法，其预防 性维修周期自始至终是相等的【2 ”。具有恒定故障率对于象推土机液压系统 这样可以进行修理的系统是典型的。在系统中，不同的元件随时问呈现不同 的故障模式，而且自修理或更换时算起的各元件的工龄不同。当通过不断维 修使系统可靠性得到改善时，系统呈现出故障率下降的现象【2 “。 人们总是希望延长系统处于偶然故障期的时间。系统处于偶然故障期时 间的长短不仅与设计和质量的完善程度有关，与系统投入使用之后的操作和 维修有更加直接的关系【2 8 j 。此时的维修工作只能把系统的状态恢复到原来 的状态，系统的故障率并未改善，可靠度并无提高。在偶然故障期进行预防 性维修，系统的故障是否发生主要取决于易损件的寿命和可靠性，系统组成 部分的故障是随机的并处于稳定状态。通过预防性维修可以延长系统处于偶 然故障期的时间，推测系统耗损故障期的到来。此时，应根据对以往系统故 障的统计分析和元件的耗损情况分析，确定相等的预防性维修周期。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 一l 故障率浴盆曲线“ 系统进入耗损故障期之后，故障率呈上升的趋势。事后维修使系统的功 能得到恢复，不会改变系统的故障率：而预防性维修使系统的功能得到恢复 的同时，会使系统的性能有所提高，提高程度是降低系统的故障率1 2 。若 预计耗损故障期到来的时间并在这个时间稍前一点将要损坏的零件更换下 来。就会把本来上升的故障率拉下来。可以通过预防性维修来阻止故障率的 上升，延长推土机液压系统的使用寿命。若此时采用等周期的预防性维修， 必然造成维修过剩或维修不足。因为它没有从科学的角度考虑各类零部件质 量状态和寿命周期的差别以及运用条件的变化，具有一定的盲目性。往往出 现系统未运行到规定的预防性维修周期，而零部件已损坏或出现故障，未起 到预防作用，增加维修费用；或系统运行到了规定的预防性维修周期，而零 部件仍未磨耗到限而被过早解体或更换，浪费了使用寿命，同样增加维修费 用：甚至由于过多的和不恰当的解体维修而降低了零部件使用性能，增加了 其不安全性【3 0 】。在实际操作中，由于预防性维修并不能使设备修复如新，随 着维修次数及系统使用时问的增加，等周期维修策略不可避免地会使系统的 可靠性逐步降低，而使维护周期中出现的故障次数逐步增加。因此，更符合 实际情况的应该是随着系统运行时间的增加，设备预防性维修的的周期逐步 减小。因此在这个阶段应建立能准确反映系统故障情况的预防性维修周期求 解模型来计算系统的各预防性维修周期。 兰奎鎏三些盔兰三兰2 圭兰篓兰兰 2 3 推土机液压系统的寿命分布模型 可靠性工程以系统的寿命特征为主要研究对象。系统的寿命一般是连续 的随机变量。由于系统故障的机理不同，存在着多种多样的寿命分布。根据 系统的故障概率分布，可以掌握系统的可靠性，从而提出改变系统可靠性的 方法，确定维修策略。 2 3 1 常用的寿命分布 系统常用的寿命分布有： ( 1 ) 指数分布指数分布是唯一的故障率不随时间而变化的连续寿命分 布【3 1 1 。即： a f t ) = 五 ( 2 一i 2 ) 指数分布的其它可靠性特征量为： 鼬) ：。一扣：。一m f ( t ) = 1 一r ( t ) ：1 一e 一“ 埘= 掣一“ ( 2 - i 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) m t b f 叫耻r 出= r 以e - ) a d t = 圭( 2 - 1 6 ) 寿命服从指数分布的系统。故障率是常数，和时间是无关的。指数分布描述 了浴盆曲线底部( 偶然故障期) 的故障模式，在这个阶段，尽管系统本身的 故障机理存在并不断积累，但并不表现出系统的故障，仅仅是偶然因素导致 系统故障，即系统在工作过r 小时后再工作r 小时和新产品工作f 小时的可靠 度是一样的，也就是系统前面的工作对它的可靠度没有影响，没有产生“记 忆”。这就是指数分布的无记忆性。 ( 2 ) 正态分布正态分布又称高斯分布，最早是有德漠夫( d e m o i v r e ) 发现 的，后来由拉普拉斯( l a p l a c e ) 、高斯( g a u s s ) 等发现概率曲线，是一种双参 数分布。正态分布是机械产品和结构工程中最常见的一种分布形式，它特别 适用于描述因腐蚀、磨损、疲劳而引起故障的系统的寿命分布。e 态分布不 仅在寿命分布中常见，而且还广泛用于数理统计，误差分析等领域之中。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 如果系统寿命t 的的概率密度为： 朋= 志e 一，。o 。瑚， 其中和盯是常数，且仃 0 ，则称t 服从以和盯为参数的正态分布，记 作r n ( ，仃2 ) 3 3 o 。 图2 - 2 正态分布的可靠度、寿命密度、失效率函数曲线”3 符合正态分布的系统的可靠性特征量为： 肌) _ 1 一去f 量一z 1 ( x - ，4 ) 2 威 阶- - 盯击万驴e 玛o 2 出 邝) = 志e 静2 m t b f = e ( 丁) = ( 2 1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 正态分布的可靠度、失效概率密度函数和失效率的曲线如图( 2 2 ) 所示。 可见，正态分布的失效率呈上升趋势，反映出是一种老化或耗损失效。 ( 3 ) 威布尔分布若系统寿命r 的概率密度密度函数为： 兰玺鎏三些盔兰三兰璧圭差竺鲨銮 ( t - r ) 。 ，9 ) ：里( ，一y ) “e t o ( 2 - 2 2 ) t o 则t 称服从三参数为( m ，叩，力的威布尔分布，记为w ( m ，r ，y ) 。其中，m 表征 分布曲线的形状，称为“形状参数”；，7 表征坐标尺度，称为“尺度参数”： y 表征分布曲线的起始位置，称为“位置参数”。其中m 和叩都是