公铁两用牵引车液压系统可靠性分析

系统可靠性设计分析技术是系统可靠性工程的关键，它在系统的设计及改进过程中有着重要意义［1］。近些年来，随着现代质量观念不断深入、设计思想不断转变，系统可靠性设计分析技术逐渐得到广泛应用［2］。LGT2001 型公铁两用牵引车的核心系统即液压系统，利用系统可靠性设计分析技术对其进行可靠性分析，从而增加整车可靠性、降低产品寿命周期费用，实现全寿命周期设计及良好的经济效益。

1、系统的功能
文中以兰州交通大学测控技术研究所与兰州立盛达铁路新技术有限公司共同开发的LGT2001 型公铁两用牵引车的液压系统为可靠性分析对象。该牵引车可在平坦地面和嵌入式轨道之间灵活转换，进行各项牵引作业，主要用于铁路站段调车作业、公共交通服务及工矿企业的调车和对位场合，尤其适合于地铁车辆维修基地内的调车作业，以及作为不落轮镟床的配套设备，用于车辆镟轮时牵引列车，并在不落轮镟床上准确对位。其液压系统可完成驱动、导轮升降转换及方向转换3 大功能。

2、系统的组成及结构
LGT2001 型公铁两用牵引车的液压系统由3 大模块构成，分别是驱动马达模块、导轮升降模块和转向摆动模块。液压系统由动力元件、控制元件、执行元件、辅助元件和工作介质组成。下面分别对动力元件、控制元件、执行元件做简单介绍:

( 1) 动力元件( 液压泵) 将原动机的机械能转换成液体的压力能，向整个液压系统提供动力。LGT2001型公铁两用牵引车液压系统中的动力元件选用的是GP 外啮合齿轮泵。

( 2) 控制元件( 控制阀) 在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统中的控制元件有安全溢流阀、截止阀、单向阀、换向阀、减压阀、流量控制阀等。

( 3) 执行元件( 液压缸或液压马达) 的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统中的执行元件选用的是HC2 型液压缸及ZJM 型液压马达。

3、系统的工作原理
LGT2001 型公铁两用牵引车的液压系统以液压油为工作介质，通过动力元件( 液压泵) 将原动机的机械能转换为液压油的压力能，以压力、流量的形式输送到系统中去，向整个系统提供动力，再由控制元件( 控制阀) 利用阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的通断及开口的大小，以实现压力、流量和方向控制，最后，借助执行元件( 油缸或马达) 将压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动［5 － 6］。

4 产品的可靠性
模型选取LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统中的导轮升降模块作为对象，建立基本可靠性模型。由于该导轮升降模块中任一单元的故障都会导致整个系统故障，所以，其基本可靠性模型是一个串联模型。据此，建立LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统导轮升降模块的基本可靠性框图，如图1 所示。

假设串联结构模型的各单元是相互独立且寿命服从指数分布，则其数学模型为:



5、系统的可靠性预计
5． 1 故障率预计法
故障率预计法主要用于非电子产品的可靠性预计，其原理与电子元器件的应力分析法基本相同，而且对基本故障率的修正更简单。

当系统研制进入详细设计阶段时，已有了产品的详细设计图，选定了零件，且已知它们的类型、数量、环境及使用应力，因此，在得到实验室常温条件下测得的故障率后，可采用故障率预计法，这种方法对电子和非电子产品均适用。

在实验室常温条件测得的故障率为“基本故障率”λb( h－1 ) ，实际故障率为“工作故障率”λ( h－1 ) 。对于非电子产品可考虑降额因子D 和环境因子K 对λ 的影响。非电子产品的工作故障率为:λ = λb·K·D

目前尚无正式可供查阅的数据手册，此处预计对象为液压系统中的电磁换向阀，在工程实际中，电磁换向阀的故障绝大部分为电磁故障，机械故障较少，故其中环境因子K 可参考《电子设备可靠性预计手册》GJB /Z299B—98 中所列的环境系数πE。

用故障率预计法预计液压控制系统中换向阀2 的故障率。

( 1) 确定环境因子: 根据《电子设备可靠性预计手册》的环境分类，考虑到该液压系统工作在比较平稳的移动状态，查得该液压系统的环境类别为平稳地面移动，对应环境代号为GM1，参考机电继电器的环境系数表( 如表1 所示) ，得在GM1条件下环境系数πE = 4． 0［7］。


( 2) 确定降额因子: 结合相关文献及工程经验确定电磁阀的降额因子为0． 9。

( 3) 确定基本故障率: 查得电磁阀中的关键失效部件电磁铁约可用106 次，经计算换向阀2 的基本故障率为1. 25 × 10 －6 h－1。

( 4) 计算工作故障率:λ = λb·K·D = 4. 5 × 10 －6 h－1 ( 3)

5． 2 评分预计法
评分预计法是在可靠性数据非常缺乏的情况下( 可以得到个别单元的可靠性数据) ，通过有经验的设计人员或专家对影响可靠性的几种因素进行评分，对评分结果进行综合分析以获得各单元之间的可靠性相对比值，再以某一个已知可靠性数据单元的可靠性数据为基准［8］，预计其他单元的可靠性。在此，以已求得的换向阀2 的故障率λ 为基准λ* ，采用评分预计法预计导轮升降模块中其他单元故障率，其过程如下。( 1) 依据评分结果，确定各单元评分数:


计算结果如表2 所示，各单元可靠度与时间的函数关系如图2 所示。


5． 3 基本可靠性预计
一般方法以组成系统各单元的预计值为基础，根据系统可靠性模型，对系统基本可靠性进行预计，选用基本可靠性预计的一般方法。由于该液压系统导轮升降模块是串联模型，其系统的故障率等于各单元故障率之和，即:




6、结语
通过对LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统导轮升降模块可靠性的预计，得到系统及系统各单元可靠度与系统工作时间的函数关系。预计过程中，先采用故障率预计法，对其中一个系统单元( 换向阀2) 进行了预计，然后采用评分估计法对其他单元进行预计，最后以组成系统各单元的预计值为基础，根据系统可靠性模型，采用基本可靠性预计一般方法对系统基本可靠性进行预计。通过对该系统可靠性的预计，由图3 可知，5000 h时，R ≥85%，其可靠度符合设计要求。但由图2 可知，随着系统工作时间的增加，液压泵的可靠度下降最快，而液压泵是整个系统的动力元件，又是该液压系统的2012 年3 月 马琳，等: LGT2001 型公铁两用牵引车液压系统的可靠性分析 95关键部分，因此，要进一步提高系统可靠性、优化系统及设计整车的全寿命周期，应选择性能更好的液压泵，其次安全溢流阀、换向阀2 的可靠度下降较快，对这两个元件也应进行适当优化。

参考文献
［1］ 宋保维，王晓娟． 系统可靠性设计与分析［M］． 西安: 西北工业大学出版社， 2000．
［2］ 李艳敏，吴立言，贺朝霞，等． 机械可靠性分析方法评述［J］． 机械设计， 2004， 21( 10) : 1 － 3．
［3］ 明仁雄，万会雄． 液压与气压传动［M］． 北京: 国防工业出版社， 2003．
［4］ 邱小明． 液压系统的可靠性分析［J］． 电磁避雷器，2000( 1) : 21 － 23．
［5］ 郭朋彦，谭小峰，石博强，等． FW － 6 型地下工程服务车全液压转向系统设计与仿真［J］． 机床与液压，2010，38( 20) : 59 － 62．
［6］ 杨生旺． 柳工ZL50C 装载机转向液压系统分析［J］． 南宁职业技术学院学报， 2009， 14( 2) : 90 － 93．
［7］ 中国人民解放军总装备部． GJB/Z299—98 电子设备可靠性预计手册［S］． 北京: 中国标准出版社， 1999．
［8］ 曾声奎，赵廷弟，张建国，等． 系统可靠性设计分析教程［M］． 北京: 北京航空航天大学出版社， 2004．

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