工程裝備液壓系統故障檢測與診斷方法探討

姜海寶， 任俊宏， 楊小強

（1.69214 部隊51 分隊， 新疆 和田 848000； 2.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007）

引言

隨著工程裝備的現代化、智能化和信息化的發展，裝備的結構組成和工作原理日益復雜，導致工程裝備液壓系統的故障檢測、判斷與排除更為困難。以往靠維修人員采用看、摸、問、聽等簡易手段進行故障排除的情況愈來愈少。多數情況下，液壓系統的故障會與電控系統等其他系統的故障互為耦合、互為影響，同一故障現象所產生的原因可能有多個，既可能由液壓系統本身的內部泄漏、油液污染變質、溫度過高、調試配合不當等引起，也可能由于電控系統傳感器監測到工作狀態異常或傳感器、操作機構、電液控制元件故障等引起。這些因素使得故障維修難度更大，對維修人員的要求更高。本文探索在簡易診斷方法之外，如何采取更有效的方法手段，對工程裝備液壓系統的故障進行維修。

1 基于液壓系統圖的裝備液壓系統故障診斷方法

液壓系統圖是表示工程裝備液壓系統工作原理與邏輯結構的簡圖，展示了液壓系統各執行元件能實現的動作循環及控制方式，通常情況下還配有電液比例閥、行程開關等控制元件的動作循環表及工作循環圖。

利用液壓系統圖進行裝備液壓系統故障診斷，應從液壓系統4 個組成部分中的泵源部分和執行機構部分開始查找，這兩部分構造了系統分析的起始“兩端”，在分析完成液壓泵（變量泵、齒輪泵）油源部分和液壓執行機構（各種油缸、馬達等）部分的故障狀態后，再從這兩端向液壓系統圖的中間部分循跡，即進行中間環節的故障查找，此即所謂的“連中間”。在具體分析查找故障時，首先確定故障是否出在“兩端”的液壓泵或油缸等器件本身；而在進行“連中間”故障查找時，先判定故障是否出在液壓管路連接的各種元件，如濾油器、單向閥、平衡閥、液壓鎖等，然后狀態變換條件下的各種器件故障征兆的變化情況，由此分離液壓系統的“電”與“液”故障，即電器元件（操作手柄、行程開關、壓力開關、繼電器、電磁換向閥或電液比例閥）的狀態，究竟是這些電氣控制元件沒有發出狀態切換/控制信號，還是發出控制信號而執行元件無動作，結合實裝上的實際電液元件，仍然從兩端，即信號輸入端：電或先導油液控制信號，以及控制元件的輸出端（電泳比例閥的PWM 信號、電磁換向閥的電平信號）等是否正常，逐個判斷排查，識別隔離故障元件。

2 液壓系統故障診斷的邏輯分析法

邏輯分析法主要是根據工程裝備液壓系統工作基本原理進行的邏輯推理方法，也是掌握故障判斷技術及排除故障的最主要的基本方法。維修人員在理解掌握液壓系統的能量轉換流程和動作轉換流程的基礎上，分析能量傳遞路線上的各種液壓元件，從油源器件（泵）、控制器件（閥、壓力繼電器、堵塞傳感器、行程開關、傳遞器件）、液壓油管、執行元件（油缸、馬達等）在工作中可能出現的異常現象，導致整個液壓系統的輸出元件發生故障的一種循跡逼近推理的元件故障查尋方法。

液壓系統的工作原理概括起來，既是能量轉換與動作變換的過程，首先是將機械能（或電能）轉換為液壓系統的壓力能（液壓系統）或動能（液力系統），能量的轉換過程必須涉及負載及其工況，分析液壓系統的外部負載對驅動力、元件運行速度、液壓缸（馬達）行程、元件位置和工作循環的周期性等方面的需求；其次，了解系統設計者在液壓系統設計中如何通過元件布局和邏輯順序的控制來達到負載的工況要求；再結合電控系統元件（如PLC、單片機、工控機等）的邏輯程序的設計，最終實現液壓系統的功能設計，從而最終理解掌握液壓系統的工作原理[1-2]。

對于液壓系統原理圖中的主要元器件，如電液比例閥、平衡閥、液壓鎖、油泵、分流集流閥、液壓馬達等，必須準確理解和掌握其特性。由于多數液壓元件呈現內外兩個方面的特性，即其在整個液壓系統中承擔的功能及其對液壓系統的適應特性，該元件必須完成液壓系統規定的功能，而另一方面，液壓元件本身有其內特性（包括其材質、結構、工作原理及其他指標），尤其是對于電液元件，還有其電器方面的工作特性（如電壓、電流、占空比等），這些指標參數也是非常重要的。當然，對于液壓系統的整體指標參數，如油液品質、污染性能、液壓系統工作環境指標等，也須有全面的了解。

邏輯分析法按照故障原因分析的表現形式又分為敘述法、列表法、框圖法、綜合分析法等。本文重點闡述液壓系統故障診斷的敘述法、框圖法和因果圖診斷法等。

2.1 敘述法

在真正理解液壓系統的基礎上，對于一種故障現象中的基本元器件逐個進行表述性分析，直至查出真正故障原因。例如對于圖1 所示的推土機液壓系統，對出現液壓缸動作不靈的進行分析，得到可能有以下原因：液壓油箱液面太低；濾油器堵塞；液壓油污染或變質；吸油阻力太大；液壓泵自吸能力差；液壓泵本身故障；溢流閥出現故障；換向閥出現故；液壓缸故障。

圖1 某型推土機液壓系統

2.2 框圖法

框圖法又稱流程圖法，該方法是根據液壓系統的基本原理進行邏輯分析，逐次排除流程圖（框圖）上的非故障節點，按圖索驥，最終確定故障產生的嫌疑部位，再結合其他因素，確定故障原因。

繪制分析框圖時，主要使用兩種框圖元素，即矩形框（又稱敘述框）和菱形框。二者所表示的含義不同，矩形框主要用于故障征兆的表示，代表一種故障現象或者故障診斷所要解決的問題，因其是由故障原因（輸入）引起或提供解決方法（輸出），所以矩形框元素一般情況下只有單一的輸入或輸出。菱形框則用于表示故障原因的分析結果，在整個過程中進行故障的判斷和檢查，其入口用于對象的輸出，兩個出口則用于表示判斷的結果分支（是或否）。在判斷過程中必須標注分支的性質，即分支是對應滿足條件的還是對應不滿足條件的，框圖中這兩種情況分別以“是”和“否”注明。

框圖法診斷故障，類似于軟件程序執行流程的分析過程，利用各種故障現象（敘述框表示）和可能原因的排查線路與分支判斷元素（菱形框、指向線、文字），按照故障展開的邏輯軌跡（也稱之為故障樹）進行搜索排查，這種圖形化的故障排查方法形象直觀、層次分明、表達形式自然規范，在液壓系統的一些故障檢測診斷中應用效率很高。

本文以液壓系統油泵出口壓力不足的這一故障為例，用框圖法說明該故障的排除過程，其詳細過程如圖2 所示。

圖2 液壓系統工作壓力不足的框圖法

2.3 區域分析與綜合分析法

對于大型復雜液壓系統，其液壓系統圖元件眾多、線路復雜、層次關系立體交叉，在進行故障排查時難度較大。這時可根據液壓系統的具體功能進行分解或分層，將液壓系統圖按功能或按原理劃分為不同的區域，各區域內的液壓元件故障現象和特性具有集合性和相關性，因此可對區域做進一步的層次分析，結合框圖法等檢測區域內液壓元件的故障現象，分析其故障原因，提出區域性的故障排查措施。

在區域分析的基礎上，結合液壓系統圖和層次分析的結果，對液壓系統的故障進行全面梳理形成綜合性的分析結論。綜合分析能夠將故障現象與故障原因的映射關系進行分類隔離，從而歸納推理出故障的原因的層次結構，梳理出產生故障的主要矛盾和次要矛盾，維修人員根據綜合分析的結果制定出全面的維修策略。

例如工程裝備液壓系統中經常出現的執行元件（油缸或液壓馬達）不動作的故障，很多情況下故障原因并不處于執行元件所在區域，此時對其分析必須結合液壓系統圖進行綜合判斷。這主要是因為執行元件不動作的原因既可能是元件本身故障，更可能是系統油路故障，所涉及的元件可能為電液比例閥、電磁換向閥、平衡閥、液壓鎖、管路、油泵等元件，此時只有利用敘述法、液壓圖法等，進行全面分析、分路排查，才能最終確定故障原因。因此，工程裝備液壓系統的大多數故障，需要采用本文所述的多種方法，區域分析和綜合分析相結合，才能診斷和排除故障。圖3 是液壓系統故障因果分析的參考流程圖，可用于液壓系統復雜故障的分析排除。

圖3 液壓系統故障的因果關系圖

3 結語

本文基于液壓系統故障的分析與診斷方法，研究了當前工程裝備液壓系統的故障特點、發展機理與故障診斷過程，結合工程裝備液壓系統的故障診斷實例，系統地闡述了如何利用液壓系統圖進行工程裝備液壓系統的故障診斷；同時，針對現代工程裝備結構原理復雜、故障層次多耦合性強的特點，探討了基于邏輯分析原理的故障診斷方法，梳理了利用敘述法、框圖法、區域分析與綜合分析法等進行故障診斷的方法步驟[3-4]。本文的工作表明，維修人員在掌握簡易診斷方法的基礎上，應準確理解和識別液壓系統圖，利用液壓系統圖能夠檢測和診斷液壓系統的大部分執行機構的動作故障。利用敘述法、框圖法和區域分析等方法，可診斷出比較復雜的液壓系統故障，整個故障的檢測診斷過程與這些故障的產生和發展過程比較相似，因而在診斷的全面性、準確性和故障機理的產生方面比較清晰、直觀，便于故障的修復和裝備的結構缺陷改進。