申小雪

摘 要：以裝甲車輛的液壓系統(tǒng)為研究對象，闡述了該液壓系統(tǒng)的組成和工作原理，運用故障率預(yù)計法、評分預(yù)計法和可靠性預(yù)計的一般方法對該系統(tǒng)的可靠性進行了預(yù)計，為工程設(shè)計人員設(shè)計安全可靠的液壓系統(tǒng)和對整車進行全壽命周期設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：裝甲車輛；液壓系統(tǒng)；可靠性預(yù)計

對系統(tǒng)進行可靠性分析，在整個可靠性理論與實踐中占有很重要的地位。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜程度越來越高，而系統(tǒng)越復(fù)雜則其發(fā)生故障的可能性就越大，因此，迫使人們必須提高組成系統(tǒng)的零部件的可靠度[1]。液壓系統(tǒng)是裝甲車的重要組成部分，運用系統(tǒng)的可靠性分析設(shè)計技術(shù)對液壓系統(tǒng)進行可靠性分析，對提高系統(tǒng)的可靠度，降低產(chǎn)品的壽命周期費用提供了幫助。

1.液壓系統(tǒng)的組成

裝甲車的液壓系統(tǒng)由首上（下）滑板、尾滑板、進（排）氣窗、水上制動器、左（右）水門、左（右）邊舵十個功能模塊組成。液壓系統(tǒng)是由動力元件、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件和工作介質(zhì)五大部分組成。這里簡要介紹一下動力元件、控制元件以及執(zhí)行元件的功能[2]：

動力元件是將原動機的機械能轉(zhuǎn)化為壓力能，為整個液壓系統(tǒng)提供動力?？刂圃强刂坪驼{(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。執(zhí)行元件是將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動負載作直線往復(fù)運動或回轉(zhuǎn)運動。

2.液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)是以液壓油作為工作介質(zhì)來進行工作的，液壓泵從油箱泵油，通過單向閥、溢流閥、節(jié)流閥調(diào)節(jié)液體的壓力和流量的大小，通過油管向整個系統(tǒng)輸送油液，為分別執(zhí)行十個動作的液壓缸提供動力，由電磁換向閥控制液壓缸的方向，從而完成滑板、氣窗、水門的打開與關(guān)閉以及水上制動器、左右邊舵的控制等動作。

3.系統(tǒng)的可靠性模型

由于該裝甲車輛液壓系統(tǒng)的組成較復(fù)雜，本文選取首上滑板模塊來作為研究對象，建立基本的可靠性模型。根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理圖可知，首上滑板模塊的基本可靠性模型是一個串聯(lián)模型，所以該模塊中的任何一個單元故障都會引起系統(tǒng)的故障。因此，建立裝甲車液壓系統(tǒng)的首上滑板模塊的基本可靠性框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)可靠性框圖

由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)模型中各個單元是相互獨立的，假設(shè)各個單元單元的壽命是服從指數(shù)分布的，則該模塊的數(shù)學模型為：

Rs（t）=R1（t）·R2（t）·…·R12（t）（1）

上式中：R（t）-系統(tǒng)的可靠度；Ri（t）-第i個單元的可靠度，i=1，2，3，…，12。

4.系統(tǒng)的可靠性預(yù)計

4.1故障率預(yù)計法

故障率預(yù)計法主要用于非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計，在系統(tǒng)的研制進入到詳細的設(shè)計階段時，產(chǎn)品已經(jīng)具備了詳細設(shè)計圖，所以，在得到基本故障率后，可以運用故障率預(yù)計法，該方法對電子產(chǎn)品和非電子產(chǎn)品都是適用的。

對于非電子產(chǎn)品，可以考慮降額因子D和環(huán)境因子K對失效率的影響。非電子產(chǎn)品的工作故障率λ為：

λ=K·D·λb（2）

式中：λb—基本失效率；

由于目前尚無可供正式查閱的數(shù)據(jù)手冊，此處選擇該液壓系統(tǒng)中的電磁換向閥1為預(yù)計對象，在實際工程中，電磁換向閥出現(xiàn)的故障大多數(shù)為電磁故障，很少出現(xiàn)機械故障。因此，工作故障率公式中涉及到的環(huán)境因子K可以參考《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》GJB/Z299C-2006[3]中列出的環(huán)境系數(shù)πE。

所以，用故障率預(yù)計法預(yù)計液壓控制元件電磁換向閥1的故障率步驟如下：

（1）確定環(huán)境因子K：該液壓系統(tǒng)是在劇烈地面移動，查閱《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中環(huán)境分類表可知，環(huán)境分類符號為GM2：如裝甲車內(nèi)的環(huán)境條件。再查閱機電繼電器的環(huán)境系數(shù)表（如表1所示）可知，GM2條件下的環(huán)境系數(shù)為πE=8.5。

表1 環(huán)境系數(shù)πE

環(huán)境GBGMSGF1GF2GM1

πE1.01.11.53.04.0

環(huán)境GM2MPNSBNS1NS2

πE8.56.05.03.06.0

環(huán)境NUAIFAUFAICAUC

πE146.0114.58.0

環(huán)境ARWSFMLMF

πE311.04522

（2）確定降額因子D：查閱相關(guān)文獻并結(jié)合實際工程經(jīng)驗確定電磁換向閥1的降額因子為0.9。

（3）確定基本故障率λb：查閱文獻可知[4]，電磁閥中的關(guān)鍵部件電磁鐵大約可以使用106次，經(jīng)過計算得到換向閥1的基本故障率為1.25×10-6h-1。

（2）計算工作故障率λ：

λ=K·D·λb=8.5×0.9×1.25×10-6=9.5625×10-6h-1

4.2評分預(yù)計法

評分預(yù)計法是在可靠性數(shù)據(jù)非常缺乏的情況下，通過有經(jīng)驗的設(shè)計人員或?qū)＜覍τ绊懣煽啃缘膸追N因素進行評分，對評分結(jié)果進行綜合分析以獲得各單元產(chǎn)品之間的可靠性相對比值，再以某一個已知可靠性數(shù)據(jù)的產(chǎn)品為基準，預(yù)計其他產(chǎn)品的可靠性[1]。因此，這里采用上文已經(jīng)求得的電磁換向閥1的故障率λ為基準故障率λ，采用評分預(yù)計法預(yù)計首上滑板模塊中其他單元的故障率，其預(yù)計的過程如下所示：

（1）確定各單元的評分數(shù)ωi

ωi=∏4j-1rij（3）

式中：ωi—第i個單元的評分數(shù)；rij—第i個單元、第j個因素的評分數(shù)；j—評分因素，j=1為復(fù)雜度，j=2為技術(shù)水平，j=3為工作時間，j=4為環(huán)境條件。

（1）確定各單元的評分系數(shù)Ci

Ci=ωi/ω（4）

式中：Ci—第i個單元的評分系數(shù)；

ω—故障率為λ的單元的評分數(shù)；

（2）確定其他各單元的故障率λi

λi=λCi（5）

式中：λi—其他各單元的故障率；λ—已知可靠性數(shù)據(jù)的單元的故障率；

根據(jù)專家對各單元進行評分，得到計算結(jié)果如表2所示。

表2 首上滑板各單元的故障率計算結(jié)果

序號單元名稱ri1ri2ri3ri4ωiciλi

1油箱331087200.3002.869

2吸油濾油器458711200.4664.456

3液壓泵988634561.43913.760

4單向閥1558612000.5004.781

5濾油器44867680.3203.060

6壓力表及開關(guān)45869600.4003.825

7電磁換向閥1777724011.0009.563

8溢流閥887626881.12010.710

9電磁換向閥2875616800.7006.694

10單向閥2656712600.5255.020

11節(jié)流閥685614400.6005.738

12液壓缸986730241.25912.039

根據(jù)計算得出的各單元的故障率，利用MATLAB繪制出各單元可靠度與時間的圖形關(guān)系如圖2所示。

圖2 各單元可靠度與時間的關(guān)系

圖3 系統(tǒng)可靠度與時間的關(guān)系

4.3可靠性預(yù)計的一般方法

根據(jù)系統(tǒng)可靠性模型，由上面求得的各單元故障率可以對首上滑板模塊的系統(tǒng)可靠性進行預(yù)計，該系統(tǒng)是一個串聯(lián)系統(tǒng)，故其故障率為各單元故障率之和。

λs=∑12i=1λi=82.515×10-6h-1（6）

所以，該液壓系統(tǒng)首上滑板模塊的可靠度為：

Rs（t）=e-λst=e-82.515×10-6t（7）

所以，系統(tǒng)可靠度與時間的圖形關(guān)系如圖3所示。

5.結(jié)論

本文對裝甲車輛液壓系統(tǒng)的首上滑塊模塊進行了可靠性分析，通過分析結(jié)果，利用MATLAB繪制了系統(tǒng)可靠度和各單元可靠度與時間的關(guān)系曲線圖。

在分析的過程中，利用了故障率預(yù)計法預(yù)計出一個單元的故障率，然后利用評分預(yù)計法對其它單元的可靠性進行預(yù)計，得到了各單元的失效率，最后，利用可靠性預(yù)計的一般方法預(yù)計了系統(tǒng)的可靠性。

由圖4可知，當t=4000h時，系統(tǒng)的可靠度>80%，其設(shè)計是符合要求的，但是其裕量較小。由于本系統(tǒng)串聯(lián)單元較多，所以為了提高可靠度，在滿足設(shè)計要求的前提下，盡量減少串聯(lián)單元。由圖3可知，隨著時間的增加，液壓系統(tǒng)的可靠度下降最快，其次是液壓缸、溢流閥、換向閥1。液壓泵是動力元件，液壓缸是執(zhí)行元件，為了提高系統(tǒng)可靠性，在這四個元件的選用和設(shè)計方面，要選用性能好的。（作者單位：重慶交通大學機電與汽車工程學院）

參考文獻：

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