張衛(wèi)亮，王彥平，劉 科，胡宇凱，陳嬌陽，劉曉娟

（寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西寶雞 721016）

高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障診斷的研究

張衛(wèi)亮，王彥平，劉 科，胡宇凱，陳嬌陽，劉曉娟

（寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西寶雞 721016）

0 引言

高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)主要是由回轉(zhuǎn)和變幅裝置液壓回路、作業(yè)臂伸縮裝置液壓回路、工作平臺(tái)調(diào)平液壓回路、擴(kuò)橋和轉(zhuǎn)向裝置液壓回路等組成［1］，其中變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓回路使用頻率較高，液壓回路較為典型。因此選擇該回路進(jìn)行故障診斷研究。液壓系統(tǒng)故障樹可以直觀的反映液壓系統(tǒng)故障的成因與形成過程，但是對(duì)于復(fù)雜液壓系統(tǒng)僅僅通過故障樹往往很難排除故障。因此在建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹之后，通過對(duì)回路若干關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)變化進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)液壓系統(tǒng)故障時(shí)，通過分析關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)變化結(jié)合故障產(chǎn)生原因的故障樹，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)故障的快速排除［2］。

1 變幅和回轉(zhuǎn)工作原理分析

1.1 高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)工作原理

為了對(duì)高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的故障進(jìn)行快速診斷和處理，首先必須掌握其工作原理。為了使高空作業(yè)車的作業(yè)范圍更大，要求作業(yè)過程中伸出臂可以相對(duì)于底盤回轉(zhuǎn)，為了實(shí)現(xiàn)該功能，將作業(yè)臂固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，底盤和轉(zhuǎn)臺(tái)通過回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的360°回轉(zhuǎn)。高空作業(yè)車變幅機(jī)構(gòu)主要用于在工作過程中調(diào)整作業(yè)臂的位置，將變幅液壓缸兩端分別鉸接在轉(zhuǎn)臺(tái)和作業(yè)臂上，通過變幅液壓回路，實(shí)現(xiàn)伸縮臂的變幅動(dòng)作［1，3］。

1.2 變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理

變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，平衡組是為防止油管破裂或嚴(yán)重泄漏導(dǎo)致變幅液壓缸的突然動(dòng)作，并且確保進(jìn)入變幅液壓缸的油液有一定的壓力，使整個(gè)變幅運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)。比例流量閥和差別感應(yīng)閥共同組成流量控制裝置，實(shí)現(xiàn)恒流量控制，確保進(jìn)入液壓缸的液壓油壓力恒定。

圖1 變幅和回轉(zhuǎn)裝置液壓系統(tǒng)原理

a.變幅液壓系統(tǒng)工作原理。當(dāng)圖1中電磁換向閥1通電、電磁換向閥2斷電時(shí)，液壓油由圖中箭頭位置流經(jīng)電磁換向閥1的上位，進(jìn)入變幅液壓缸的下腔，液壓缸伸出，變幅角度增加，變幅液壓缸上腔油液經(jīng)平衡閥組和電磁換向閥2下位回油；當(dāng)圖1中電磁閥換向閥1斷電、電磁換向閥2通電時(shí)，液壓油由圖中箭頭位置流經(jīng)電磁換向閥2的上位，進(jìn)入變幅液壓缸的上腔，變幅液壓缸縮回，變幅角度減小，下腔油液經(jīng)平衡閥組和電磁換向閥1下位回油。

b.回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作原理。當(dāng)圖1中三位四通電磁換向閥上位接入回路時(shí)，液壓油由圖中箭頭位置通過平衡閥組，并在梭閥兩側(cè)產(chǎn)生壓差，控制液壓油經(jīng)過圖示虛線，使制動(dòng)裝置解除對(duì)馬達(dá)制動(dòng)作用，馬達(dá)在液壓油壓力作用下回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)向；當(dāng)圖1中三位四通電磁換向閥下位接入回路時(shí)，液壓油由圖中箭頭位置通過平衡閥組，并在梭閥兩側(cè)產(chǎn)生壓差，控制液經(jīng)過圖示虛線，使制動(dòng)裝置解除對(duì)馬達(dá)制動(dòng)作用，馬達(dá)在液壓油的壓力作用下反向回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的反向轉(zhuǎn)向。

1.3 關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)

掌握高空作業(yè)車工作原理之后，要對(duì)高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行定性和定量分析，儀器檢測(cè)法的思想是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)用儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)比關(guān)鍵點(diǎn)發(fā)生故障和正常工作時(shí)候參數(shù)的變化，快速查找并且處理故障。

分析變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)之后，選擇表1所示10個(gè)關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)回路的壓力和溫度，依此對(duì)高空作業(yè)車變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析。壓力選擇DST標(biāo)準(zhǔn)型壓力傳感器，溫度傳感器選擇TCT溫度傳感器，油箱油液高度測(cè)量選擇普通的接觸式液位傳感器。

表1 變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)

2 故障樹的建立

故障樹是一種常用的處理系統(tǒng)故障的邏輯分析法，主要用于分析復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和安全性，建立故障樹首先要確定頂事件，一般把系統(tǒng)最可能出現(xiàn)的故障作為頂事件，然后根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因 “自上到下逐級(jí)分解”，這就形成了一種倒立的樹狀結(jié)構(gòu)圖，稱為液壓系統(tǒng)故障樹［4］。

2.1 變幅液壓系統(tǒng)故障樹的建立

根據(jù)故障樹的建立步驟，查閱資料，得到變幅液壓系統(tǒng)故障樹如圖2所示，符號(hào)含義為［5-6］：

a.頂事件T。變幅液壓缸上升動(dòng)作無力。

b.中間事件。M1液壓缸故障；M2進(jìn)入液壓缸的油液和壓力不足；M3回油不通；M4電磁換向閥3故障；M5平衡閥2中的溢流閥內(nèi)泄過大；M6液壓泵故障；M7電磁閥3電氣故障；M8電磁閥3機(jī)械故障；M9電磁閥4電氣故障；M10電磁閥4機(jī)械故障。

圖2 高空作業(yè)車變幅液壓系統(tǒng)故障樹

c.底事件。X1液壓缸磨損內(nèi)泄增大；X2液壓缸和活塞變形卡?。籜3液壓油過臟，活塞被異物卡住；X4電氣線路故障；X5電磁線圈燒壞；X6閥芯閥體配合間隙太小，閥芯移動(dòng)不到位；X7彈簧失效使閥芯行程不足；X8油液過臟，閥芯異物卡??；X9油溫過高，閥芯閥體熱變形卡??；X10閥體閥芯磨損嚴(yán)重；X11比例流量閥故障；X12濾油器堵塞；X13平衡閥中的單向閥卡死在小開度位置；X14差別感應(yīng)閥故障；X15滑閥和閥體配合間隙增大；X16密封件損壞；X17液壓泵進(jìn)油口密封不良；X18油箱油量不足，泵吸空；X19液壓泵磨損造成內(nèi)泄；X20平衡閥中溢流閥阻尼孔堵塞；X21彈簧失效，閥體行程不足。

2.2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹的建立

回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹如圖3所示，符號(hào)含義為：a.頂事件T?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)未工作。

b.中間事件。M1回轉(zhuǎn)馬達(dá)供油不足；M2回油不通；M3平衡閥中的溢流閥內(nèi)泄過大；M4液壓泵故障；M5電磁閥故障；M6電磁閥7電氣故障；M7電磁閥7機(jī)械故障。

c.底事件。X1馬達(dá)故障；X2制動(dòng)裝置故障；X3梭閥故障；X4平衡閥組中單向閥卡死在小開度位置；X5滑閥與閥體配合間隙增大；X6密封件損壞；X7比例流量閥故障；X8差別感應(yīng)閥故障；X9液壓泵進(jìn)口密封不良；X10油箱油量不足；X11液壓泵磨損；X12電氣線路故障；X13電磁線圈損壞；X14閥芯閥體配合間隙太小；閥芯移動(dòng)不到位；X15彈簧失效使閥芯行程不足；X16油液過臟，閥芯異物卡??；X17油溫過高，閥芯閥體熱變形卡住；X18閥體閥芯磨損嚴(yán)重；X19平衡閥中溢流閥阻尼孔堵塞。

圖3 高空作業(yè)車回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹

2.3 最小割集

引起一個(gè)系統(tǒng)頂事件發(fā)生的基本事件最低限度集合稱為最小割集，通過最小割集可以定量分析頂事件發(fā)生的概率，圖2和圖3所示的液壓系統(tǒng)故障樹只有或門，根據(jù)最小割集的布爾代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，可以求得最小割集為所有底事件的集合，變幅液壓缸上升動(dòng)作無力故障最小割集為｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X19｝，｛X20｝，｛X21｝。回轉(zhuǎn)馬達(dá)未工作故障最小割集為｛X1｝，｛X2｝，｛X3｝，｛X4｝，｛X5｝，｛X6｝，｛X7｝，｛X8｝，｛X9｝，｛X10｝，｛X11｝，｛X12｝，｛X13｝，｛X14｝，｛X15｝，｛X16｝，｛X17｝，｛X18｝，｛X19｝。即底事件集合任何元素的發(fā)生都會(huì)引起頂事件發(fā)生。

3 故障在線監(jiān)測(cè)

由以上最小割集分析得到“任何一個(gè)底事件發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致頂事件故障”，因此導(dǎo)致頂事件故障的原因可能具有多樣性，此外，液壓油在封閉管路中流動(dòng)，故障發(fā)生位置隱蔽，僅通過故障樹定性分析很難找出故障點(diǎn)。為了快速排除高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)故障，必須在定性分析的基礎(chǔ)上，通過傳感器、調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、控制器、顯示器等元件，將工作過程中關(guān)鍵點(diǎn)的壓力、溫度、液位等參數(shù)顯示在液晶顯示器上，當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過液晶顯示器上面的參數(shù)，結(jié)合故障樹對(duì)液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，快速找出故障位置和故障元件。故障在線監(jiān)測(cè)原理如圖4所示。A／D轉(zhuǎn)換器選擇2塊A／DC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，A／DC0809有8路模擬輸出（IN0～I(xiàn)N07）和8路數(shù)字輸出（D0～D7），10個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路，分別接2塊模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的IN0～I(xiàn)N04模擬信號(hào)輸入端，每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片預(yù)留（IN5～I(xiàn)N07）共6個(gè)端口。控制器選擇1塊AT89S51單片機(jī)芯片，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換的10路數(shù)字信號(hào)接單片機(jī)8個(gè)P0端口和2個(gè)P1端口。

圖4 故障在線監(jiān)測(cè)原理

4 應(yīng)用實(shí)例

故障：變幅液壓缸上升動(dòng)作無力。

圖5 故障診斷流程

故障診斷步驟：由變幅液壓系統(tǒng)故障樹和最小割集可知，底事件X1～X21任何一個(gè)發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致變幅上升動(dòng)作無力，因此很難確定故障的實(shí)際位置。根據(jù)故障診斷“由外到內(nèi)”的原則，故障診斷流程如圖5所示，在確定故障點(diǎn)之前，首先檢查各管路接頭是否漏油，泵轉(zhuǎn)速是否正常，如果發(fā)現(xiàn)管路漏油或者泵轉(zhuǎn)速過低，則更換損壞管路和調(diào)整泵轉(zhuǎn)速到合理范圍，如果故障解決，結(jié)束故障診斷，否則在液晶顯示器上檢查監(jiān)測(cè)點(diǎn)E參數(shù)（油箱油液高度和溫度），如果E點(diǎn)參數(shù)異常，則給液壓油箱加滿液壓油或者更換液壓油，再次啟動(dòng)查看故障是否解決，如果故障解決，結(jié)束診斷，否則檢查D點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)（泵出口壓力），由故障樹可知D點(diǎn)參數(shù)異常可能是由于濾油器堵塞，液壓泵、插裝閥和溢流閥等故障引起，因此排除這些原件故障后，如果恢復(fù)正常工作，結(jié)束故障診斷，否則檢查F點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)（比例流量閥出口的壓力），如果F點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常，由故障樹可知應(yīng)該檢查比例流量閥和差別感應(yīng)閥是否存在故障，排除比例流量閥和差別感應(yīng)閥故障后，如果恢復(fù)正常工作，就結(jié)束診斷，否則檢查B點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)（液壓缸入口的壓力），如果B點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常，由故障樹可知應(yīng)該檢查液壓缸1、平衡閥組和電磁換向閥1是否存在故障，排除故障后高空作業(yè)車可以正常工作，就結(jié)束診斷，否則檢查A（液壓缸出口的壓力）和C（回油壓力）點(diǎn)監(jiān)測(cè)參數(shù)，如果異常，回油不通，排除平衡閥組、液壓缸和換向閥2故障后，恢復(fù)正常工作，結(jié)束診斷，否則重新排查故障。

5 結(jié)束語

由以上故障診斷應(yīng)用實(shí)例發(fā)現(xiàn)，通過故障樹和在線監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，能夠快速發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)在工作過程中的故障，提高了診斷效率，縮短了診斷時(shí)間。故障樹主要是幫助維修人員直觀認(rèn)識(shí)故障產(chǎn)生的邏輯關(guān)系，在線監(jiān)測(cè)結(jié)果則用于確定故障位置。準(zhǔn)確分析故障樹，合理選擇關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則可以對(duì)任意復(fù)雜液壓系統(tǒng)進(jìn)行診斷，因此具有很好的推廣價(jià)值。

［1］ 馬玉良.TLK21型高空作業(yè)車電液控制系統(tǒng)研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2007.

［2］ 孫立峰，呂楓.工程機(jī)械液壓系統(tǒng)分析及故障診斷與排除［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［3］ 郭磊.基于CAN總線的自行直臂式高空作業(yè)車控制系統(tǒng)研究［D］.西安：長安大學(xué)，2010.

［4］ 何慶飛，王漢功，陳小虎.故障樹分析法在汽車起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（2）：196- 198.

［5］ 朱烈舜.公路工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障排除［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［6］ 蘇欣平，吳學(xué)深，楊成舜.基于故障樹的叉車液壓系統(tǒng)故障診斷研究［J］，機(jī)床與液壓，2011，39（17）：138 -139.

Aerial Working Platform Hydraulic System Fault Diagnosis Research

ZHANG Weiliang，WANG Yanping，LIU Ke，HU Yukai，CHEN Jiaoyang，LIU Xiaojuan
（Institute of Mechanical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016，China）

對(duì)高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹，并對(duì)變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)回路關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。建立變幅和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)故障樹，對(duì)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行定性分析。利用傳感器、單片機(jī)、液晶顯示器等監(jiān)測(cè)回路關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)變化，通過監(jiān)測(cè)參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)故障進(jìn)行定量分析。通過故障樹和監(jiān)測(cè)結(jié)果，快速排除高空作業(yè)車在工作過程中的故障。該方法可以幫助維修人員快速查找液壓系統(tǒng)故障，為其他液壓系統(tǒng)故障診斷的研究提供參考。

高空作業(yè)車；液壓故障樹；在線監(jiān)測(cè)；傳感器

The structure and working principle of the aerial working platform is analyzed，on the basis of the establishment of amplitude and slewing hydraulic system fault tree.The amplitude and slewing hydraulic system key parameters are monitored online.An amplitude and slewing hydraulic system fault tree is established and the qualitative analysis of the causes of failure.Use of sensor，microcontroller，liquid crystal display monitor circuit key parameters，such as change，through monitoring the parameters for quantitative analysis of the hydraulic system failure are analyzed.Through the fault tree and monitoring results，quickly ruled out the fault in the process of overhead working truck at work.The method can help maintenance personnel to quickly find hydraulic system fault， provide a reference for others researching hydraulic system fault diagnosis.

aerial working platform；hydraulic system fault tree；on- line monitoring；sensor

TH113.2

A

1001- 2257（2015）08- 0064- 04

張衛(wèi)亮 （1986－），男，陜西寶雞人，助教，研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化。

2015-02-12

寶雞文理學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（201410721010）