基于六西格瑪方法的液壓系統故障診斷研究

鄭建豐/ZHENG Jian-feng

（徐工集團工程機械股份有限公司道路機械分公司，江蘇 徐州 221004）

基于六西格瑪方法的液壓系統故障診斷研究

Research of hydraulic system fault diagnosis based on 6-sigma methodology

鄭建豐/ZHENG Jian-feng

（徐工集團工程機械股份有限公司道路機械分公司，江蘇 徐州 221004）

采用六西格瑪改進的模式—DMAIC方法，對混凝土輸送泵故障進行了深入分析。通過界定故障范圍，測定和分析導致故障問題的關鍵因素，提出改進及控制措施。該方法將六西格瑪理論成功引入到液壓系統故障診斷分析中，對實際應用具有重要的意義。

混凝土泵；六西格瑪；液壓系統；故障診斷

液壓系統作為工程機械的核心子系統，其工作的穩定性與可靠性將直接影響到整機的性能及施工質量。由于液壓系統的邏輯關系及結構較為復雜，一旦發生故障就會令工程技術人員無從下手。因此，采用有效的手段及時地判斷并排除故障，就顯得尤為重要。六西格瑪方法是一套嚴謹而完整的解決問題的有效方法，該方法從定義問題開始，通過系統測量、分析原因并實施改進，將整個過程都建立在系統分析的基礎上，可以幫助技術人員以科學的方式認識、分析并解決問題，達到效率更高、解決問題更徹底的目的。

本文以HBT60混凝土泵液壓系統為研究對象，介紹了六西格瑪改進模式（DMAIC）的定性分析方法在故障診斷中的應用，驗證了該方法在液壓系統故障診斷中的有效性。

1 HBT60混凝土泵液壓系統簡介

HBT60型混凝土輸送泵液壓系統原理圖如圖1所示。整個液壓系統由主泵送系統、分配閥控制系統和攪拌輔助系統組成。主泵送系統和分配閥控制系統共用同一個油源主泵4，通過換向閥7、8和10、11將兩個系統的執行機構主泵送系統的泵送油缸5和分配閥控制系統的擺缸13聯系在一起，按“推挽”方式依次工作。邏輯取信閥27用于控制液動換向閥11的換向，進而控制擺缸13的切換；當擺缸13切換完畢，導通液動換向閥7的控制油路，進而控制送料油缸5的換向動作，進入下一個循環，如此往復，完成混凝土的泵送工作。

圖1 HBT60型混凝土泵液壓系統

2 DMAIC六西格瑪的模式

DMAIC是六西格瑪管理中流程改善的重要工具。DMAIC是指界定（Define）、測量（Measure）、分析（Analyze）、改進（Improve）、控制（Control）5個階段構成的過程改進方法，一般用于對現有流程的改進，包括制造過程、服務過程以及工作過程等等。

綜上所述，可以得出基于六西格瑪改進的液壓系統故障診斷各階段的主要工作，如圖2所示。

圖2 液壓系統故障診斷的DMAIC模式

3 基于DMAIC模式的混凝土泵液壓系統故障診斷

3.1 界定階段（D）

故障信息來源于顧客對HBT60混凝土泵工作時動作不穩定的抱怨。故障描述：HBT60混凝土輸送設備在工作時運動不穩定。

識別故障的關鍵問題Y，可以采用樹圖工具對故障進行展開，如圖3所示。進一步確認，混凝土泵工作不穩定故障的關鍵問題Y為：分配閥擺缸擺動時有停頓。

識別故障范圍，采用流程圖進行分析，找出對關鍵問題Y有影響的元件，如圖4所示。由于主泵送系統無故障出現，所以與擺缸運動相關的元件有4個：液控換向閥11、擺缸13、邏輯閥27和單向閥28，故障元件應該在這個集合中。

圖3 混凝土泵工作不穩定的樹圖

圖4 擺缸13運動的流程圖

3.2 測量階段（M）

由于擺缸運動除受擺缸機構自身不穩定的影響之外，主要受擺缸主油路壓力及控制壓力影響較大。所以在此選用主油路壓力和控制油路壓力為測量因子，擺缸位移為觀察因子。在該系統中，由于使用了精度較高，已驗證為可靠的壓力測試儀對測量因子的檢測，所以在此不予考慮測量系統對測量數據的影響。

識別影響故障的輸入X，利用故障樹工具，選定擺缸運動不穩定為頂事件，采用人工建樹方法，建立故障樹模型如圖5所示。通過建樹過程系統的了解造成系統故障的各子系統或元部件之間的關系，找出薄弱環節，以便通過實驗的方法排除不可能的情況，最終找出故障的根源，同時也為故障樹定性分析提供依據。

故障樹中各符號的意義見表1。

如圖5所示的故障樹，其狀態向量為

圖5 擺缸停頓故障樹

表1 故障樹中各符號的意義

由故障樹分析可知，任一底事件的產生均會導致擺缸運動停頓的故障。并且各底事件均只出現了1次，所以任一底事件都很重要，都應引起重視。

3.3 分析階段（A）

分析各輸入X對輸出Y的影響，并確定要因Xs。在此，可以采用試驗設計方法排除與故障無關的變量，進而最終找到故障的原因和部位，從而排除故障。

靜態試驗，用水代替混凝土，以此保證分配閥兩邊的負載一致。試驗結果如表2所示。

表2 靜態試驗

通過上述試驗，可以得到結論如下。

1）分配閥兩邊負載對稱時，擺缸仍出現停頓現象，據此可以排除變量X15。

2）擺缸在系統流量較大時（對應于控制壓力增大），擺缸運動較為平穩，無震蕩現象，說明擺缸自身是穩定的，且擺缸運動狀態與分配閥機構的對稱與否無關，據此可以排除變量X16和X17。

3）當主油路壓力一定時（22MPa），擺缸運動狀態各不相同，由此可以排除變量X3、X4、X5、X8、X9、X13和X14。

通過靜態試驗，將引起故障的輸入變量范圍縮小至X=（X1，X2，X6，X7，X10，X11，X12）。

動態試驗，在混凝土泵工作時，測量液控換向閥11的控制壓力pc、pd和擺缸13.1及擺缸13.2的工作壓力pa、pb，用于分析控制壓力波動對主油路壓力的影響及對擺缸停頓的影響。由于測試曲線呈周期性變化，所以截取其中具有代表性的一部分，如圖6所示。

通過動態試驗測試，可以得出結論如下。

1）液控換向閥11控制壓力pc、pd過渡過程波動較大，且波動時間較長。說明換向閥11的運動比較遲緩，開啟壓力波動大。導致這個現象的原因可能來自換向閥11自身的作用（變量X7），或取信邏輯閥27過大阻尼的作用（變量X11或X12），抑或回油單向閥28過大背壓的作用（變量X1）。過渡過程結束之后，在pc、pd壓差的作用下，使液控換向閥11換向，換向時間短，說明開啟過程的阻尼較小（即排除變量X10和X2），但開啟過程壓力有一定的振動，說明回油路造成了一定的振動（即變量X6有一定的影響）。由以上分析可知，可排除變量X2和X10，而變量X1、X11、X7和X12對系統影響較大。

圖6 混凝土泵動態試驗曲線

2）擺缸13的工作壓力pa、pb在換向過程中波動較大，其壓差Δp=pa-pb的大幅波動是造成擺缸停頓的直接原因。工作壓力pa、pb的波動和控制壓力pc、pd的波動具有相同的相位，且過度時間較長，說明了換向閥11的運動不穩定是造成擺缸13停頓的主要原因。

根據動態試驗并結合靜態試驗，將引起故障的原因鎖定在了單向閥28和液動換向閥11及邏輯閥27上，即輸入變量Xs=（X1，X7，X11，X12）。

3.4 改進階段（I）

選擇改進方案：①減小單向閥28的彈簧預壓縮量（即變量X1）；②減小閥邏輯閥27的彈簧剛度及其蓋板通道的阻尼（即變量X11、X12）。

驗證改進效果：根據改進方案再次進行試驗測試，如表3所示。調整后的工作參數完全滿足混凝土泵的工作需要。

表3 改進后的靜態試驗

3.5 控制階段（C）

1）更新相關設計文件，明確回油單向閥28、液控換向閥11和邏輯取信閥27的參數設置對擺缸的影響。

2）在擺缸的控制閥兩端及主油路兩端設置測壓點，用于監控擺缸的運動平穩性及便于故障診斷。

4 結 語

六西格瑪方法在HBT60混凝土泵液壓系統故障診斷中的成功實施表明，六西格瑪方法是一套開放的、邏輯關系縝密的方法體系，用于液壓系統故障診斷，可以有效地提高故障診斷效率，為企業持續改進提升提供強有力的保證。

［1］陳宜通，劉信恩，耿楷真.HBT60混凝土泵液壓系統工作原理及特點［J］，液壓與氣動，2003，（8）：25-26.

［2］黃文虎.設備故障診斷原理、技術及應用［M］，北京：科學出版社，1996.

［3］謝寶義. 工程機械狀態檢測與故障診斷技術［J］，計測技術，2002，35，（4）：40-43.

［4］何 楨.六西格瑪管理［M］.北京：中國人民大學出版社，2014.

（編輯 于 洋）

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1001-1366（2015）08-0061-04

2015-05-15