液压故障诊断的策略与技巧

液压故障生成发展的因果关系具有交错与重叠性特点，为了节省排除故障的时间，为了减少装拆过程的工作量以及避免因装拆带来的不利影响，不能不加考虑地，不分先后地逐一拆卸与检查液压元件与部件，而是有选择，有侧重，有次序地检查液压装置的内部状况，故障诊断人员必须在对液压故障症状表面观测的基础上，根据有关的判据，推断出各故障原因可能性的大小，然后再根据现场的具体情况，对液压装置作更深入细致的分析与评判。

现场故障诊断工作住住是在条件很不具备、情形十分紧迫的状态下进行的，讲究策略与技巧是十分必要的，其意义在于用系统与信息论作指导，充分认识现场的具体环境，选定故障分析的正确思路与方法，严密组织故障分析过程，避免各种混乱与失误，通过适当的办法弥补不足的条件，克服各种困难，实现快速准确地找出故障所在，取得满意的工作成效。

第1节  找出故障的特征信息

9.1.1  故障特征信息概述

尽管不同原因可引起某一相同的症状，但无论如何，它们有不同的表现形式。此外，不同故障原因在引起同一症状的同时，它们还会带来一些其他的现象，这些现象之间显然是有差异的．我们将症状本身的不同表现形式和不同原因所附带的特有信息叫做特征信息．将故障各种可能原因对应的特征找出来了，便找到了区分它们的标志，这样，当系统出现了某个症状，就可根据特征信息找出引起故障的真实原因。

特征信息可由个别参量来表示。在问题比较复杂时，往往需要将一系列参量综合起来，才能构成故障原因存在的特征信息

9.1.2  液压故障原因特征信息的分类

液压故障的不同原因的特征信息在下列三种。

（1）症状本身的差异

不同原因引起同一症状，它们的表现形式有差别，这种差别表现在症状的时间特征，力学特征，影响范围，作用强度及产生背影等的不同。例如，同是叶片泵发出异常噪声，泵内转子损坏与吸入空气引起的噪声有明显的区别，前者是周期性的，后者在系统带负载时明显，卸荷运行时消失。再如，同是液压缸不动作，有在任一位置都不能动作的情形，也有在端点上不动作的情形，还有在行程中某一点不动作的情形，有在空载下可动带负载不动的情，也有无论带不带均不动作的情形。有只能进，不能的退情形，也有只能退不能进的情形，也有进退均不能实现的情形，有时好时坏的情形，也有一直不动的情形，有在手动不动作的情形，也有在自动不动作的情形毫无疑问，上述不同的情形对应着非常确定的不同故障原因。

故障分析必须对症状本身作出深入细致的观察与分类，弄清其特征，并追究其原因。

（2）不同原因存在时伴随而来的其他异常现象

一个故障原因引起某一症状的同时，也会带来一些其他异常现象，它们从不同的侧面反映故障的具体情况，在确定故障原因时，必须注意到症状之外的异常现象，并将它们与症状联系起来得出结论。例如，液压系统出现爬行，其可能原因有油内混入空气，液压泵磨损，溢流阀调不起压力及负载导轨阻力不均等。这一故障的不同原因所带来的异常现象及判断如下：

如果有爬行现象，且油箱内油面气泡增多，可以为故障原因是油内混入空气。

如果有爬行现象，且溢流阀溢流量增大，压力又调不高，可认为是溢流阀故障引起爬行。

如果有爬行现象，且有液压缸导轨上可观察到异常摩擦痕迹，可认为是导轨阻力不均引起爬行。

（3）液压元件结构状态的变化

液压元件结构状态的异常，引起液压系统性能下降或其他问题，其故障原因也有多种可能性，通过拆卸分解液压元件，观察测试其内部状况，可分辨出故障的真实原因。例如，单向阀有严重的内泄漏，其可能原因有，阀体密封面磨损，阀芯泄漏，其可能原因有，阀体密封面磨损，阀芯密封面磨损，污物滞留在密封面上等。要弄清到底是什么原因引起内泄漏，只有对它拆开检查，当元件的外部零件装配错误或联接不良时，对元件结构状态作表面观察也能找出故障原因。例如，对于XF型顺序阀（如图9-1所示），当它不起顺序控制作用时，可能原因的主阀芯在关闭位置卡死，外泄油管接在出口压力P2侧等．前者要打开阀进行检查才能确定，后者只需要对泄油管联接状况作表面观察即可得出结论。

图9-1 XF型顺序阀

一般可根据设备使用说明书或有关液压维修书刊找出症状的可能原因，通过对系统图，动作表，元件说明书及其他资料作详尽的机理分析与逻辑分析，找出故障原因对应的特征信息。

9.1.3  压铸机合型系统不增压故障原因特征信息分析实例

某1125A型卧式金属压铸机合型液压系统如图9-2所示。

         图9-2  1125A型卧式金属压铸机合型液压系统

设备合型以后，有一增压过程，此时电磁铁2DT 、3DT与 5DT通电，压力油经阀Ｉ，减压阀，单向阀，阀２进入增压缸后腔５和柱塞缸后腔２增压（增大腔３的液压力），当合模力达到规定值后；由电接触压务表发出信号，执行压射。

故障症状为：增压时无法增高压力，亦即腔３的压力升不上去

引起此症状的可能原因有７种。

原因１：充液阀ＩＶ密封不良，使腔３泄压。

原因２：电磁阀３工作不可靠，使充液阀不关闭。

原因３：与腔３相连接的油管，接头松脱或破裂。

原因４：缸体或柱　塞裂纹砂眼，气孔等缺陷造成互相泄压。

原因５：合型缸与柱塞缸之间的密封件损坏，使腔３泄压。

原因６：柱塞与柱塞之间的密封损坏，引起腔３泄压。

原因７：合型缸与柱塞之间的密封损坏，引起腔３泄压。

根据液压回路各方面的情况，确定症状的不同故障原因如下：

对应原因１的特征信息是：１增压时充液阀３回油管有油液流出，２用煤油对充液阀３作密封锥面渗漏检查，有明显的渗漏发生。

对应原因２的特征信息是：增压时检查阀３的回油管，不能看到充液阀在切换过程中冲出的液流（说明未换向），２增压时充液阀３的回油管有油液流出。

对应原因3的特征信息是有关的油管或接头有油溅出。

对应原因４的特征信息是除增压失常之外，其他动作也不正常会出现运动失控，压力上不去等症状。

对应原因５的特征信息是增压时合型缸与柱塞缸之间的缝隙有油液外流。

对应原因6的特征信息是虽然压力增不高，但仍有一定的压力，腔３与腔２及腔５的压力相同，这个压力与减压阀调定的压力相等．当改变减压阀压力时，腔３的压力也相应改变。

对应原因7的特征信息是，增压时电液换向阀２的回油管有油液涌出（这是增压腔３泄漏出来的油，在密封良好时无此现象）。

根据上述特征信息与故障原因的关系，可在现场快速准确地找出增压故障的真实原因。

第2节  设定故障检测的先后次序

为了高效率地查找液压故障原因，必须设定一个合理的故障检测次序，排定故障检测次序有两个原则，一是根据故障原因可能性大小排序，二是根据元件或部件的拆缸分解及装配的难易程度排序。

9.2.1  按故障原因可能性大小排序

在故障分析过程中，应先对最可能存在的故障怀疑点作深入的检查，当发现第一怀疑点并不是真正的故障点时，再检查可能性相对较大的故障怀疑点。

确定故障原因可能大的依据

与故障原因相关的特征信息比较明显地出现了。

与故障原因相关的初始原因（原因的原因）比较充分地存在，如元件使用时间长是元件损坏的原因，而元件损坏又是症状的原因，故元件使用时间也是判断它是否损坏的依据。

也可按照有关的统计结论确定故障原因的可能性大小。

根据特征信息排定故障检测次序，就是面对症状的多个可能原因，先逐一对它们作初步的考察，确定它们各有哪些特征信息，再比较各种故障原因的特征信息出现的明显程度，依此排定故障检测次序。

根据引起故障的初始原因排定检测次序，就是先检查使用时间长的元件，先检查负载率高的元件，先检查被证明是质量差，易出故障的元件，先检查对液压油污染敏感的元件。

根据症状－故障原因统计的概率结论排定检测次序，就是利用已获得的统计结论，对同一症状的各种可能原因就可能性大小排序，当出现故障以后，先检查概率值大的故障点。例如，某厂一台XY-XS-4000A型注塑机，在半自动工作过程中可能会突然停止工作。问题出现在这样的大型复杂液压设备上，可能的故障原因是很多的，但现维修人员根据长年积累的数据，可很快找到故障原因，问题的根源大多（约80%）发生在供控制电液换向阀换向的油源上，它是个低压小型动力站，其溢流阀常因油污染不密封，不能调出压力，使各换向阀因无换向油压而不换向，使机器停止工作。

9.2.2  按拆卸分解与观察液压元部件的难易程度排序

面对液压故障的多种可能原因，在各种故障原因可能性大小并不清楚（如首次参加某不熟悉的液压设备的故障分析）的情况下，应按照拆卸分解及观测液压元件的难易程度设定检测次序，即先检查比较容易观察测试或易于拆卸的元件与环境因素（如油，电气系统，冷却水等），再检查较难拆卸的元件，特别是体积大，重量重的元件；先检查外部因素，再检查元件内部，先检查比较简单和元件，再检查结构功能比较复杂，其状况不甚明了的元件。就各元件而言，应先检查阀，再检查泵，最后检查液压缸与液压马达。现举一按“先易后难”原则检查液压故障的实例。

某液压回路如图9－３所示。故障症状为液压系统在工作过程中突然不工作了。

检查过程如下：

1）       查油箱油位，看看油位是否在最低油位以上。                      

图9-3 液压回路

２）手动操纵方向控制阀（电磁阀通过电磁铁两端的手动按钮推动），如果阀芯推不动，说明是方向阀出了故障，如果方向阀可以换向，且液压缸动作了，说明是电磁阀的电气线路出了故障．如果液压缸还不能动作，进行第三步。

３）检查泵站压力。方向阀处中位，查看泵出口处压力表的读数是否调至额定值。如果低得多，作下列检查：

压力表开关是否开了，压力表是否损坏。

溢流阀是否出故障。

吸油过滤器是否堵塞。

管路是否堵塞。

泵是否损坏。

如果压力低得不多，可作下列检查：

泵内是否有严重的内泄漏。

溢流阀调整是否调整不正确。

将溢流阀压力调高，再控制换向阀换向，液压缸应动作，如果液压缸的运动速度满足工作要求，故障就排除了，如果速度不能满足要求，则需修理液压泵。如果在溢流阀调整值后液压缸仍不能动作，则作下一步检查。

４）上述工作做完以后，仍没有排除故障，那么可能就是液压缸出故障了。首先不要急于拆卸液压缸．把方向阀打开到左位或右位，启动液压泵一段时间以后，启动液压泵一段时间以后，仔细摸一摸整个缸壁，看看是否有局部发热处。如果活塞处密封损坏了，就会有油液从高压腔漏至低压腔，油液从狭窄的缝隙流过时，液压能便转化为能热，如果没有局部热点，进行下一步检查。

５）拆开液压缸一端的管接头g1，把它联接到一个三通管接头上，三通的另外两端分别接压力表与截止阀，方向阀换向至左位，读压力表的读数，如果读数与主压力表读数不接近，说明管路堵死，如果接近，用同样的方法试验另外一个管接头g2，如果管路无堵塞，进行下一步。

６）拆卸分解并检测液压缸。

9.2.3  编制查找液压故障的程序图

在对液压设备故障的发生规律有了一定程度的认识之后，可综合各方面的因素，根据各故障点的可能性大小及先易后难的原则，编制查找液压故障原因的工作程序图，其目的是将现场故障分析及排除按合理的方式与步骤确定下来，以致当现场出现问题之后，人们可循最佳途径查找出故障所在，工作程序图指示判别标志，工作程序图应包括症状的和种可能原因，它由经验丰富的现场技术人员编制，有了工作程序图，既使现场工作并不熟练的人，也能顺利地进行故障分析，现举一液压故障分析程序图的实例。

图9-4是某切管机液压系统的卡紧回路，故障症状为液压缸双向无动作，根据有关因素，确定查找故障原因的工作程序图如图9-5所示

1一溢流阀；  2一压力表；  3一溢流阀；  4一压力表；  5一液压缸；  6一电磁换向阀；  7一油泵；  8一电动机；  9一联轴器；  10一过滤网

        图9-4 切管机液压系统的卡紧回路

第3节  积极假设，严谨验证

9.3.1假设－验证分析概述

在生产现场，往往会出现一些疑难故障，故障分析人员不知道系统中哪些参数处于正常状态，哪些参数处于不正常状态，不知道症状有哪些可能原因，更不知道各原因对应的特征信息，在这种情况下，故障分析必然是一个试探过程，通常的作法是对故障症状的可能原因作出积极和假设，再通过适当途径验证假设是否真正成立，通过假设与验证分析，住住能在困难中找到解决问题的路径，并扭转不利局面。在假设时，应尽可能将思路展开一些，不放过任何可能的故障点，有时甚至可将系统中所有组成要素都当作怀疑对象考察一番，验证时，则要找到有充分说服力的证据，以证实假设是能够成立还是不能成立，而不能模棱两可，假设与验证是交替进行的，即先对故障点作出假设，再通过试验，拆卸分解观测，或逻辑论证，辨别出假设的真伪。当假设被证实不能成立，再对另一个可能的故障点作假设验证分析，就这样不断重复上述分析方法，直至找出真正的故障原因为止。

                图5-5  诊断次序图

假设－验证分析法将积极的探索精神与严密的逻辑论证紧密地结合起来，是典型的科学思维方法在液压故障分析中的具体应用，很值得人们在实践中广泛推行，以下介绍采用假设－验证分析法分析现场液压故障的实例。

9.3.2  挖泥般液压系统耙中吊架液压缸不收回故障原因的分析

某1500方耙吸式式挖泥船液压系统耙中吊架液压缸回路如图9-6所示。

（1）症状及有关情况

船舶在施工时，出现耙中吊架液压缸的活塞杆伸出一段时间后无法缩回的症状，该般的耙中吊架液压回路一其他液压回路（如耙中绞车）共用一台液压泵Ｂ供油，当故障发生时，耙中绞车回路工作正常。

                 图9-6 耙中吊架液压缸回路

（２）假设－验证分析过程

上述情况表明，换向阀6025前回路是正常的，问题发生在阀6625之后的有关元件上，吊架收回时，阀6025的S260电磁铁通电，压力油经阀6025，进入液控单向阀6046b，单向节流阀6046b（单向阀）再进入液压缸有杆腔，推动液压缸左行，回油从液压缸有杆腔出发，经单向节流阀6045a（节流阀），再经液控单向阀6046a和换向阀6025回油箱．因此，出现上述症状的可能原因有：换向阀6025故障，液控单向阀6046b故障，单向节流阀6046b（单向阀）故障，液压缸及负载故障，单向节流阀6046a节流阀故障，液控单向阀6046a故障等，现按液流经过先后顺序对各故障点作假设－验证分析。

1）假设换向阀6025故障，不能正常换向，引起症状

验证：让电磁铁S260能电，阀6025至阀6046b之间的软管有强烈的振动，说明压力油此时已通过了换向阀，假设不成立。

2）假设液控单向阀6046b故障，不能正常开启，引起症状。

验证：根据单向阀的工作原理及现场经验可确定，液控单向阀不会出现正向不开启的故障。对于阀6045b的单向阀不会出现正向不开启的故障，对于阀6045b的单向阀也可作同样的判断。

3）液压缸由于拆缸困难留最后评判

4）假设阀6045a节流阀关死，使回油不能顺利通过，引起症状。

验证：检查节流阀的调节状况，阀处于开启状态，假设不成立

5）假设阀6046a卡死，不能正常开启，让回油通过引起症状。

验证:将液控单向阀6046a的主阀芯从阀中取出，故障症状消失，吊架回收自如，假设成立。

经对单向阀6046a作进一步检查，发现用于开主阀芯的控制阀芯磨损发毛卡死，使控制油压无法顶开液控单向阀的主阀芯，引起回油路阻塞，换上新液控单向阀后，回路工作正常。

9.3.3  注塑机动力部件压力失调故障原因的分析

（１）液压回路及症状

某XS-XY-1000ＸＳ型注塑机动力部件如图9-7所示。

            图9-7 注塑机动力部件

故障症状为，小泵压力可调至额定压力(14MPa)，大泵压力仅可调至５MPa，机器无法正常工作。

（2）假设－验证分析过程

1）假设D3电磁铁错误通电，使换向阀５Ｃ开启，使调整压力较低的远程控制溢流阀３起调压作用，引起大泵压力下降

验证：经对电磁铁电信号检测，症状出现时D3没有通电，假设不成立 。

2）假设换向阀５Ｃ在开启位置卡死，使溢流阀３起作用，引起症状。

验证：如果换向阀５Ｃ开启，它不仅会使大压力调不高，也会使小泵压力调不高，但事实上小泵压力正常，故假设不成立。

3）假设单向阀7内泄漏严重，不起单向作用，使大泵输出的液流在一定程度上经此阀到小泵溢流阀２卸荷，引起压力下降。

验证：经检查发现单向阀7很正常，假设不成立。

4）假设溢流阀，损坏或其他原因使其压力调不高，引起症状

验证：经检查发现溢流阀１很正常，假设不成立。

5）假设换向阀５Ａ磨损，使阀１的控制压力下降，进而引起大泵压力下降。

验证：将阀１的压力调至零，将换向阀５Ａ的油路封住，启动液压泵电机，不断调节溢流阀１，这时压力可调至额定压力，但这时还不以完全肯定换向阀５Ａ磨损引起故障，因为除了阀５Ａ之外，单向阀９如果存在内泄漏，在Ｄ１通电，阀１调压时会引起它的控制压力下降，于是再对单向阀９作进一步的检查，发现它正常，同时，将阀５Ａ重新接入回路，对它的回油口作了检查，发现Ｄ１通电之后，回油口有很急的油液涌出，这一迹象说明阀５Ａ磨损严重，假设成立。

经拆卸分解检测换向阀５Ａ发现，阀芯与阀孔之间的间隙达５０μm，远大于正常允许值，对阀芯与阀孔作了修配之后，故障排除。

9.3.4  塔式起重机液压故障原因的分析

（1）液压回路与症状

QFE25型塔式起重机液压系统如图9-8所示，故障症状为液压泵启动后，升降缸不能完成顶升动作．当换向阀7处于b位进，系统压力仅有９Mpa，正常压力为13Mpa，故不能完成顶升动作的直接原因是系统压力不足。

（2）假设验证分析过程

1）液压缸10活塞上密封圈划伤，导致内泄漏严重，引起症状。

验证：将活塞杆端部与塔身脱开，使活塞杆空载往复运动几次后，在任一位置停留一段时间，观察活塞杆是否在自重的作用下有缓慢下沉现象。没有，说明缸内无泄漏，假设不成立。

1一油箱，  2一过滤器；  3一齿轮泵；  4一电动机；5一溢流阀，  6一压力表；  7一换向阀；  8一节流阀； 9一双向液压锁；  10一液压缸

图9-8  QFE25型塔式起重机液压系统

2）假设油箱１油量少或吸油过滤器２堵塞，引起症状。

验证：观察油箱油标，发现油量正常，液压缸往复运动速度正常，无异常噪声，说明过滤器没有堵塞，假设不成立。

3）溢流阀５压力调不上去，引起症状。

验证：逐步旋紧溢流阀５的压力调整手轮，发现无论怎样旋紧手轮，压力表６显示的最大压力仍为9Mpa，（压力表量程为25MPa且工作正常），该阀为YF型高压溢流阀，额定压力可达32Mpa，用备用溢流阀代替机器上的元件，可调压力仍为9Mpa，这说明溢流阀本身没有问题，假设不成立。

4）液压泵３磨损引起症。

验证：该系统中所用泵为CB-E型齿轮泵，其壳体与端盖为铝合金材料，端盖上有弓形密封圈，采用８字型浮动轴套补偿轴向间隙，轴承为滑动轴承。卸下该泵解体检查时发现，泵端盖上的密封圈有损伤，从而使弓形密封圈内外压力串通，轴向间隙得不到补偿，与从动齿轮接触且靠近吸油腔一侧的壳体上有深达1.0~1.5mm 的沟槽，使经向间隙变大，这是由于齿轮上受到的不平衡径向力使滑动轴承磨损，导致壳体磨损，可见假设不成立。

更换齿轮泵，重新启动液压泵，症状消除。

第4节 化整为零 层层深入

化整为零，层层深入的基本做法是，在考察问题时，将考察对象划分为低层次的若干子系统，每个子系统又作进一步的划分，直至分出系统构成的最基本的构成单元，在此基础上分别考察系统的各个子系统，找出问题所在的子系统，然后，对存在问题的子系统作深一层次的考察，求出问题所在的次级子系统，就这样不断深入，直至求出问题所在的基本单元。这种策略的特点在于通过划分层次与子系统，缩小考察范围，使本来难以直接观测的考察对象变得更加易于观测了，使本来复杂的问题简单化了。这是现场最常用的故障分析方法。

9.4.1  将系统结构与功能化整为零，层层深入分析液压系统及故障

液压系统是复杂庞大的，难以直接查出故障的具体位置，又不能盲目报搜寻，只能逐步深入地查出故障点．层层深入是在对液压系统层次的划分与子系统的划分的基础上进行的，在此，划分的正确合理是至关重要的，子系统划分要有利于各部分之间的隔离，使各部分的结构有明确的界线，各部分的性能特征无重叠之处，使各部分本身物状能充分地反映出来，系统的层次划分与系统构成的复杂程度相关，也与系统的结构功能特点，尤其是联接关系相关。复杂液压系统往往是由几个部件组成的，包括动力部件及各个执行部件，动力部件一般有几个供油回路，每个回路包括泵，溢流阀，卸荷换向阀及单向阀等．执行部件同样是由一系列执行回路构成，每个回路包括方向，速度与压力控制阀及执行元件，每个液压元件又可分出各构成零件。

例 某TTI-800型注塑机液压系统如图9-9所示，可按图9-10的方式对其划分。

将液压系统划分好了，就可层层深入地追查故障。例如，对于图9-9所示的系统。曾出现过整个系统无压力的故障，当时按照化整为零，层层深入的原则去查故障原因，顺利地查出了故障点，过程如下：

1）查出故障所在的部件。系统共有三个部件，在比例方向阀58出口与模动部件之间的Ａ处将油路堵住，启动油泵并调压，压力表50仍指示系统无压力，由此说明模运动部件与故障无关．在比例方向阀58出口处Ｂ处将油路堵隔，系统压力正常，这说明动力部件正常，故障点在注塑部件。

２）查出故障所在的回路。注塑部件共有三个回路，按上述方式在Ｃ，Ｄ与Ｅ等处对回路进行堵隔，查出故障在注射回路。

图9-9  TTI-800型注塑机液压系统

图9-10a Ⅰ层子系统

              图9-10b动力部件的Ⅱ层与Ⅲ层子系统

３）查出故障元件。注射回路有电液换向阀56，单向节流阀45，液压缸65与46，由图9-9可知，单向节流阀与液压缸故障难以引起系统压力为零，换向阀故障引起症状的可能性最大，经拆卸分解换向阀发现，换向阀安装错误，将阀的ＡＢ口接在阀板的ＰＯ口上，由于该阀是Ｙ型阀，在中位时，ＡＢ口互通，系统压力在此处卸荷，压力为零。

图9-10c  模运动部件的Ⅱ层与Ⅲ层子系统

图9-10d  注塑部件的Ⅱ层与Ⅲ层子系统

9.4.2  将故障原因化整为零，层层深入分析故障

在液压系统中，一个症状对应一个系列故障原因，通过对故障原因的总结与分类，可以划分出故障原因的不同层次各层次所包含的子系统，故障原因的化整为零可通过因果关系图或故障树图来实现。

图9-11  泄漏因果关系图

（1）用因果关系图将故障原因化整为零

因果关系图通过简单的联线列解症状的各大类原因，以及每大类原因所包含的各具体的原因，例如，对于密封件漏油这一故障，可将故障原因分成三大类，设计加工方面的问题，安装使用中的问题，以及保管运输中的问题，每保管问题又包含一系列小问题（如图9-11所示）一旦系统出现泄漏，便可参照图9-11，并结合现场的有关情况，深入地追究故障原因。

（2）通过故障树将故障原因化整为零

故障树是一种将系统形式的原因作整体至部分按树枝状逐步细化的示意图，它显然是层次分明的，此方法已广泛地应用在系统的故障因果关系分析上，故障树能将液压系统复杂的关系直观地展示出来，它对故障分析人员有直接的提示作用。

故障树由表9-1所示的各种符号组成，故障树实际上就是用各种逻辑门的故障树。图9-12所示为液压缸爬行故障树图。

表9-1各种逻辑门

图9-12  液压缸爬行故障树图

作故障树图是故障分析的基础，作图的基本步骤如下：

给系统以明确的定义，选定某种可能发生的系统故障（亦即典型的涉及多种可能原因的症状）作为考察对象。

对系统故障进行定义，确定其界线，分析其形成原因，找出各有关事件及相互关系。

作故障树，对各中间事件与底事件作定义，确定各事件发生的判别标准，包括特征参量与检测方式。

故障树主要用于帮助现场指导现场工作，并在应用中不断修正与改进。

故障树图作好以后，可用于故障分析人员弄清故障因果关系，它最适合影响因素众多，因果关系复杂的系统性故障分析。在现场上，当出现某一故障时，可根据现场有的及可获得的信息，对照故障树，逐步深入地查出与故障相关的中间事件与底事件，最终理出故障机理，这样处理的优点是关系清楚，方法简单，有利于加快分析与处理现场故障的速度。

当资料，数据充分时，还可根据故障树对故障的各种引起原因进行定量分析，即找出各种故障原因的概率，然后对其采取预防与改进措施。

第5节 聚零为整 综合评判

液压系统发生故障以后，其故障信息是多方面的，它们通过不同的途径向外传播，故障信息可能经历多个环节，在远离故障点的某处反映出来，由于液压故障因果关系的重叠与交错，光从某一方面判断系统的问题可能无法得出结论。通过对系统多方面的信息的综合考察，可大大缩小问题的不确定性，得出更加具体的结论，随机性因果引起故障特征参量的漂移，综合评判则可以降低随机性因素对诊断结论的影响，因为随机性因素不太可能对故障的所有方面，多参量及多种方式的分析评判并加以综合是现场液压故障分析的一项重要原则，它是系统理论在液压故障诊断技术领域的演绎与具体应用，故障分析人员必须牢牢把握。

9.5.1  综合系统多种症状及异常现象得出结论

在故障分析过程中，除了对系统的主要症状作必要的观测之外，还要考察其他方面的情况，看是否有异常现象，将各种症状综合起来，形成一个有机的故障信息群，信息群中的一条信息说明一个问题，随着信息量的增多，问题得以具体描述与刻画，答案也就显露出来了。

例：某NK-160型汽车起重机变幅液压回路如图9-13所示。

l一油箱；2一过滤器；3一发动机；4一齿轮泵；5一溢流阀；6、7一手动联动换向阀； 8一平衡阀；9、l0一变幅液压缸

图9-13 NK-160型汽车起重机变幅液压回路

起重机吊臂变幅机构主要用来改变作业半经（随之亦改变作业高度），要求它能带载变幅，并且变幅动作平稳可靠。

图9-13所示为６和７处于中位，此时４卸荷，以减少非工作状态时的功率消耗，防止温度升高，８也称限速液压锁，起锁定作用，用于防止重物自行下降，８安装在液压缸的底部，可防止管路及换向阀的泄漏使重物产生过大的下沉量。

当６和７处于左位时，４输出的压力油经８中的单向阀进入９和10的下腔，使活塞杆伸出，因９和10两缸铰接并联于起重臂上，基本上保持同步运动，此时吊臂仰角增大，当６和７处于右位时，４输出的压力油直接进入９和10的上腔，同时，进入顺序控制油路的控制油将顺序阀打开，于是，９和10下腔的回油便能经顺序阀回油箱，随着活塞杆缩回吊臂仰角变小。

该回路曾出现过这样的故障现象，在发动机供油量不变，变幅换向阀开度不变的情况下，吊臂降速度不稳，并越降越快，同时发动机转速自动增高，而且吊重越大，这种现象越明显。

面对这一系列异常现象，在确定发动机运转正常，与故障无关之后，对变幅液压回路作了下列分析。

１）吊臂能够实现降幅动作说明平衡阀上的控制活塞能将顺序阀打开，控制部分无问题。

２）降幅速度不稳，越降越快，以及吊重越大，症状越明显，这些现象充分说明顺序阀开启后使油缸下腔的油液无控制地直通油箱，阀芯对油路通道没有起调节与限速作用。

３）发动机转速的增高，是由于下降无阻力。泵出口负载下降，发动机负载也下降，在供油量不变的情况下，发动机转速必然增高，可见，发动机转速增高也是由顺序阀故障引起的。

综合上述结论，可知顺序阀失去控制液流速度的作用，将平衡阀拆下，对其顺序阀部分解体检查发现，顺序阀的调压弹簧已折断，更换新弹簧后，故障消除，变幅机构与发动机构均可正常工作。

9.5.2  找出不同症状之间的内在联系

在故障分析的过程中，可能会遇到这样的情形，即出现两个或以上的症状，表面上看来，它们似乎没有什么关系，但事实上，它们是同一个故障的不同表现，在这种情形下，要分别追究症状的原因，症状Ａ的可能原因与症状Ｂ的可能原因中的重叠部分便是可能性最大的故障原因。

图9-14液压系统图

例：某液压系统如图9-14所示。

系统的症状为：液压缸在接触工作位置时有冲撞现象，液压马达转速调整不灵敏。

现分别对这两个症状进行分析，找出它们的可能原因。

1）液压缸冲撞问题的分析，引起液压缸冲撞的可能原因有：

液压缸内混入空气，在液压缸接近工作位置时，尽管已切换速度（由快速转慢速），但压缩的流体释放能量，使液压缸继续以高束运行，由此撞击工作台面。

液压缸接近工作位置时，由于行程开关或电路故障，未能发出快速转慢速的控制信号，使液压缸保持原速，撞击工作面。

比例流量阀故障（包括比例放大器故障）使流速失去控制，无法使液压缸减速。

2）液压马达转速调整不灵问题的分析，引起问题的可能原因有：

控制液压马达转速的比例数码器故障，不能调节比例流量阀的流量。

比例流量阀或其放大故障，使流速控制不灵。

液压马达或其负载出现异常，使速度调节更加困难。

将两个症状的可能原因作对比，便可发现，比例阀及放大器故障是两个症状共同的可能原因，故其出现的可能性最大。

进一步分解比例流量阀发现，主阀芯弹簧已折断，引起流量失控，进而引起液压缸的冲撞与液压马达速度调节不灵敏。

9.5.3  通过不同的方式对同一问题作考察并加以综合

对于机理复杂的的液压故障，为了得出比较精确可信的结论，往往要通过不同的方式，采用不同的技术手段，对同一问题进行考察，然后将各个结论综合起来，得出进一步的结论。

例，某液压泵站如图9-15所示，泵站由两台A2V型９柱塞斜轴式柱塞泵（排量为63ml/rpm）转速为1500rpm，２台20通径的电磁溢流阀Ｔ与８，以及过滤器与单向阀，在阀站靠近执行器处没有一台32通径的YF型溢流阀10及远程控制阀12，根据设计要求，系统压力脉动应小于0.4Mpa，因此，在泵出口及32通径溢流阀处分别设有容积为0.6L和4L的皮囊式蓄能器15,16与，用于吸收压力脉动，系统的工作压力为20Mpa。

图9-15  液压泵站图

系统在调试时出现强烈压力振荡的故障，当压力调至10Mpa，系统压力在４～16Mpa之间大幅度脉动。

故障分析过程如下：

１）用压力传感器和TD4037分析仪测取振动信号和作频谱变换，求出振动主要频谱在430~450Hz之间。

２）一台泵工作，另一台泵卸荷，测试压力振动情况，结论是压力振幅达±5Mpa。

３）关断截止阀21，改变管长，观测压力振动情况，发现压力振动基本消失。

４）核算泵流量脉动频率f₀。

f₀=nz/60=1480×9/60=222Hz

式中  n—泵转速

z—泵柱塞数

f₀—流量脉动的一次谐波频率

５）计算溢流阀先导阀的固有频率ω_mf。

ω_mf =√K/m=√85000/0.0096=2975 rad/s =473Hz

６）根据有关文献推算蓄能器的固有频率，在几赫兹至几十赫兹之间

综合上述各方面的结论，可得出进一步的结论如下：

1）振动是管网共振造成的，与管长相关。

2）振源来自于柱塞泵的流量脉动

3）管网的谐振频率（430~450H），泵的流量脉动频率的２倍2f₀(444Hz)，以及溢流阀先导阀的固有频率ω_mf0(473Hz)三者接近时，会产生强烈的振动。

4）蓄能器固有频率过低，对200Hz以上的流量脉动不起滤波作用，对消振作用不大。

这一故障分析过程，由于结合了现场实验，频谱分析，振动机理分析与计算等多方面的结论，得出了比较精确的结论，经在回路中设置消振装置，排除了故障。

9.5.4  增补必要信息，逐步白化黑箱

所谓黑箱，是指人们对其内部状况知之甚少的系统．在液压故障分析过程中，人们也会遇到一些类似黑箱的设备或部件，在这种情况下，要积极增补必要的信息，使黑箱逐步白化。

白化黑箱的主要途径是：

１）对黑箱施加一个输入信号，观测其对输入信号的响应。

２）对黑箱中的某一部分作考察，根据它与黑箱中其他部件的关系，推断其他部分的情况，由此逐步地讲一个复杂系统的内部状态揭示出来。

3）观测黑箱的表面行为，推测其内部状况。

黑白化过程是一个分析与综合相结合的过程，是一个功能机理分析与故障机理分析相结合的过程。

例：某M7120A型平面磨床工作台运动液压回路如图9-16所示。

在图9-16中，开停节流阀（用来控制工作台的启动，调速，停止和卸荷，调速时，只通过阀芯圆柱面上的三角槽节流口通回油箱，即回油路节流调速（如断面Ｃ－Ｉ所示），Ｃ－３断面的三角槽节流口接进油路，起进油路节流调速作用，回油路节流三角槽更小，起主要节流作用，进油路三角槽主要是防止操纵时的压力冲击．图9-16所示为开停阀处在开的位置。回路的工作过程如下：

图9-16  M7120A型平面磨床工作台运动液压回路

工作台右行，如图示位置，其主油路为：

进油路，滤油器?泵Ａ?开停阀Ｃ－Ⅲ断面?２?换向阀Ｄ?４?液压缸左腔。

回油路：液压缸Ⅰ右腔?３?换向阀Ｄ?５?开停阀Ｃ?Ⅰ断面?油箱。

工作台左行。工作台右行到右端调定位置时，固定在工作台上的挡块拨动先导阀Ｅ的杠杆，使阀芯从右端到左端位置，控制油路换向。

控制油路为：

液压泵Ａ?精滤油器?１?先导阀Ｅ?Ｔ?单向节流阀Ｎ进入砂轮架断续进给阀Ｆ的右腔，推动阀芯向左移动．进给阀Ｆ左腔的油经油口６?先导阀Ｅ回油箱。

进给阀Ｆ换向以后，其右腔的压力油经单向节流阀Ｐ进入工作台换向阀Ｄ的右腔，推动阀芯右行由此，工作台液压缸换向左行，这时阀Ｄ左腔的油先导阀Ｅ左端Ｏ回油箱。

工作台左行的主油路为：

进油路?滤油器?泵Ａ?１?开停阀Ｃ?Ⅲ断面?２?换向阀　Ｄ?３?液压缸右腔。

回油路：液压缸Ｉ左腔?４?换向阀Ｄ?５?开停阀Ｃ?Ｉ断面?油箱。

系统故障的症状是左行速度正常，右行速度明显缓慢，按照增补必要信息，逐步白化黑箱的思路，查明了故障原因，分析过程如下：

１）液压缸有一个方向运动速度正常，这种迹象表明，液压泵排出的流量是正常的，油源部分的其他元件及管路也是正常的，否则，两个方向的运动速度都会下降。

２）由对回路的机理分析可知，开停节流阀Ｃ连续断续选择阀Ｇ与症状无关，进由是这两个阀在工作台左右移动过程中结构状态与液流方向都没有变化，如果它们对液压缸右行产生不良影响，那么也必然对液压缸左行产生不良影响。

3）将主溢流阀Ｂ压力调高，由1.2Mpa以下调至1.8Mpa，症状几乎没有改善，根据这一信息可推出症状与液压缸负载无关。

４）工作台换向阀Ｄ可能因磨损或其他原因产生泄漏，使阀在左行时正常，右行时缓慢．阀Ｄ的阀芯可直接从阀座上拆下来，于是将它拆下来，检测其内部磨损情况，未发现异常，将阀芯左右调头，重新装上，症状仍无变化，根据这一条信息，可推断换阀Ｄ本身，没有泄漏问题。

５）先导阀Ｅ，断续进给阀Ｆ及相应的节流阀，管路等如果出现堵塞与卡死，就不能将阀Ｄ换向的控制油输送到阀Ｄ的左腔，使阀Ｄ不能正常换向，引起缸右行的主油路不通畅。这一问题涉及的因素较多，判断起来也比较困难，于是采取间接判断的方式对其进行考察，具体做法是，将阀Ｄ两端的阀盖拆下，用手直接推动阀Ｄ的阀芯在阀孔中左右移动，控制液压缸左右运动，实验结果表明症状没有变化，这一信息证实了阀Ｅ，阀Ｆ及与换向控制油路相关的油路与症状无关。

将上述几方面的信息综合起来，可得出阶段性结论，症状与泵源及控制阀无关，由此可推断问题的根源在液压缸里，但表面看来，无法设想液压缸会有什么意外的因素影响其右行速度，于是将液压缸拆下来作分解，结果发现，缸右端有一钢垫卡在油口上，活塞杆左行时，右腔进压力油，可将垫片顶开，故对运动无影响，活塞杆右行时，右腔的油流出缸回油，回油将垫片推向油口，将油口遮住一大半，使回油发生困难，可见这块垫片相当于一个单向节流阀，引起液压缸右行缓慢。

第6节  抓住关键，顺藤摸瓜

现代液压设备日趋复杂，往往是机，电，液，气系统并存，相互交织，那些采用逻辑阀的液压回路更是元件众多，回路复杂，往往是一个动作从最初发现到最终完成要经历十多个环节协同工作，现有的设备技术资料包括各类电气图，液压原理图，气动系统图，以及电磁铁动作表等多是零散的，当现场出了故障，必须通过图纸来清理故障线索，但图纸数量多，又充满与故障无关其他内容，查阅起来总是十分不方便。在这里，有必要采取抓住关键，不顾其余，顺藤摸瓜的策略，逻辑链分析法正是这种策略的具体应用。

9.6.1  逻辑链分析法

逻辑链分析法不是将主要注意力放在系统的物理关系之上，而是在确定系统正常状态下的物理关系的基础之上，着重考察系统中一个动作的最终完成必须具备哪些条件，现场问题中是所有的条件都已具备，不是缺少点什么，依此来判断故障是否存在，逻辑链；包括液压设备的某一功能的实现过程中从最初发出动作信号到最后执行机构动作完成所涉及的每一环节，各环节在工作过程中的状态，环节能产生的输出量，以及所需的信息与能量输入条件，一般情况下，对一个环节而言，只有所有的输入量均成存在才有输出量（即各输入量与输出量之间是“与”门关系），若不是这样，如输出量与输入量是“或”门关系，或一个环节在同时刻有几个输出　量，则要另加说明，或者用逻辑门来表示，逻辑链图既是从原设备图中抽出来的，又对原来图纸中与功能链有关的部分作了细化．不同的功能可用不同逻辑链图来表示。逻辑链图的具体作法是将与某一功能相关的各元件或器件从有关图纸中找出来，按能量流与信息流的前后传递关系以逻辑方框图的方式重新组合起来，注明各环节在工作过程中的输入输出与输入量之间的逻辑关系，其状况如图9-17所示。

图9-17逻辑链分析图

按逻辑链图顺藤摸瓜地查找故障，其判别标准与追踪方向是：

若前一环节的输出量是正常的，而后一环节的输入量不正常，则问题出在中间传递过程。

若某一环节的输入量不符合要求，或不充分，应循未出现或不合要求的输入量的方向作进一步的检查。

若某一环节在整个功能链中的作用与影响被排除了，系统消除了原有的故障，则故障出在这一环节，反之，故障与此环节无关。

若某一环节必需的输入量都是正常的，而其输出量不正常则故障出在此环节。

若某一环节在输入并不充分的情况下仍有输出量，则此环节存在故障。

若某一故障动作的逻辑链中，有其中一段与其他动作的逻辑链重叠，但其他动作是正常的，那么可认为重叠的那一段是正常的，反之逻辑链中有一段与另一逻辑链重叠，两个逻辑链表示的系统功能均能表现为相同的或相近的症状，那么很可能故障出在重叠的那一段。

逻辑链可编得较粗，也可编得较细，对于一个液压元件，也可编出其相应的逻辑链，那些几乎不出故障的环节可以省略．若粗线条逻辑上某一环节被证实出了故障，可在此环节上编出更细的逻辑链，作进一步的分析，对于整个系统，也可编出粗略的网状逻辑链，以便从整体上较直观地认识系统能量与信息的传递过程及各功能之间的关系。

为了能在异常状况下快速地找到系统的问题所在，应在故障发生前就编好关键动作的逻辑链，并将各环节的正常参量作出较详尽的测试与记录，作为故障分析的比较依据，现场实践证明，根据现场的具体情况，对设备原有电气，液压及机械图纸资料作进一步的改造，变换，细化充实，对现场故障分析是极有帮助的，而且是不难以办到的。

9.6.2  逻辑链分析法应用实例

这里以某VK1-2型中空成型机液压回路逻辑链为例来具体说明逻辑链分析法的应用，该机由德国引入，它由开闭模系统（液压机构）塑化系统（机械装置），吹塑成型及制品处理系统（气动机构），工作台移动机构（电机，制动器与连杆机构等组成）几个部分构成，每个动作均涉及了一系列的开关，电器电机，以及液压气动元件这些无器件分别被编在不同的图纸与说明书中，共有一百多页，一旦某一动作不能正常执行，查找故障十分费力，于是编制了关键动作的逻辑链图。图9-18所示的是其中闭模动作的逻辑链图，这里方框表示环节，其名称与代号写在方框里，环节之间用连线联接，箭头表不能量与信息的趟走向，每一环节的输入输出参量（即可被观察与测试的特征量）及其他可利用的信息（如通电信号灯，线圈吸合时的响声等）也被列入，有的情况下前一环节的输出量就是后一环节的输入量，而且它们在物料上是一致的，如换向阀输出的压力油就是油缸的输入量，另一种情况则前面的输出量与后面的输入量之间仅是引起被引起的因果系，如前一动作完成引起后续某一动作的开始，由于电气，液压，气动及其他机械装置的输入输出关系是清楚明确的，故编制逻辑链并不困难。

图9-18  闭模动作的逻辑链图

图9-18表明，逻辑链图将闭模过程涉及的主要环节，环节的状态及相互关系，检测点及标准参量值都列出来了，如果问题出在未被列入的环节上，根据它与逻辑链的关系及其他信息也可找出来，有了逻辑链图，不须翻来复去地查图纸与资料，不必为难以确定某参量是否正常而举棋不定，这时的故障分析可以沿正向推进，出可逆向推进，还可对其中某一段进行考察。

第7节  相似类比，触类旁通

    客观事物的存在与发展，不管表现出多大的差异，总能找到某些共同的属性；另一方面，事物不论是何等相同，也必定存在差异。相似，正是这种客观事物的同与异的辩证统一。在工程技术领域，相似现象普遍存在：现代控制系统，均由动力、输入、控制、检测、反馈与执行等环节构成；两种功能不同的元件，可能有极为相似的结构，从而有相似的加工工艺；一种新元件，可能在工作原理、结构特点、加工过程及性能参数等方面与旧元件相仿。液压系统相似的环境意味着类似的故障机理。认识相似现象，探索相似规律，创造性地运用相似原理与方法，对液压故障诊断有重要意义。液压故障诊断中常采用的类比、仿真、模拟等方法便是相似原理的具体运用。

9.7.1  液压故障类比推理诊断

类比推理是根据两个（或两类）不同对象的部分属性相似，推出对象的其他属性也可能相似的一种推理方法，它是从特殊到特殊的推理，是从一已知对象认识未知对象的桥梁。主要的类比推理有简单并存类比与因果类比。在现场，要收集到足够的事例归纳出结论有时是很困难的，类比推理法将此处的结论运用到彼处，不失为一种简单可行的方法。

1）简单并存类比推理，其逻辑形式：

Ａ：a、b、c、和d有并存关系 

Ｂ：a’、b’、c’

所以，Ｂ也可能并存有d’

这种方法利用两个对象简单的并存关系，来推出结论。例如，平面磨床在功能，应用环境、控制方式、压力等级、基本结构等方面存在诸多相似之处，如果维修人员对平面磨床液压操纵箱及其故障状况有比较清楚的认识，再去弄清外圆磨床液压操纵箱的情况就容易得多。

在认识基形设备的基础上再探究变型设备的情况，在认识某一设备的基础上认识本系列其他设备的情况，在掌握原有设备的基础上认识改进设备等均可通过这种简单并存类比推理来实现。

２）因果类比推理，其逻辑形式为：

Ａ：a、b、c、和d有关；

Ｂ：a’、b’、c’；

所以Ｂ也可能有d’（因或果）

因果类比借助于另一个相似对象的因果关系一概括事实，探索这一对象的原因或结果。

例：某XS—ZY—60型注塑机液压系统如图9-19所示，动力部件采用双联叶片泵大泵流量113L/min，小泵流量为14L/min，泵的额定压力为63MPa，设备的症状为大泵可调至7MPa以上，而小泵最高只能调至3MPa，而且随着运行时间的增大，油温上升，小泵压力逐渐下跌。经分析考证，确定引起此故障的原因是换向阀损坏，引起内泄漏，这种泄漏对大泵无明显影响，而小泵由于输出流量小，对其压力有明显的影响。更换损坏的换向阀，消除内泄漏之后，故障排除。

图9-20是某专用机床液压系统图，此处双联叶片泵大泵流量为25L/min，小泵流量为4L/min，额定压力为6.3MPa，工艺上要求利用大泵快速运动，利用小泵实现工进增压，故小泵压力一般调得比较高，其症状为小泵压力无法调高。

图9-19注塑机液压系统图                   图9-20  专用机床液压系统图

这里根据前一例的结论，运用因果类比法来推断专用机床液压系统的故障原因，有关因素对应如下：

注塑机                    专用机床

泵          双联叶片泵            双联叶片泵

大泵流量      113L/min            25L/min

小泵流量        14L/min               4L/min

额定压力        6.3Mpa               6.3MPa

症状         大泵压力正常      两泵同时工作压力正常

小泵压力低        小泵单独工作压力低

原因          换向阀内泄漏          ？

根据类比关系，可认为故障原因是内泄漏，经对有关元件分解检测，查出泄漏原因是夹紧换向阀的阀板内部压力油路与回油路有串通现象，修复阀板后，故障症状消失。

类比推理得出的结论是一种假定，须采用有效手段对其验证。

9.7.2  电液伺服系统故障模拟方法

电液伺服系统的造价昂贵，多数研究工作都会遇到一个实际困难，即开展电液伺服系统故障分析时需要人为地模拟一些故障现象，这在经济上是难以承受的，这样，如何模拟故障而不损坏元件，就成为必须解决的一个问题。解决上述矛盾可以从两个方面考虑：一是建立电液伺服系统的故障模型，然后如同系统仿真那样，对电液伺服系统的故障进行仿真，然而，即使获取了系统故障仿真的结果，最终也还需要将仿真结果与实际情况做对比。

这里采用一些巧妙的方法来实现硬件模拟。针对一种典型的电液伺服系统，用外接元件法对电液伺服系统中执行元件泄漏与爬行以及电液伺服阀中的电路故障进行无损模拟。

（1）电液伺服系统故障

典型的电液伺服系统如图9-21所示，指令信号与位置传感器的反馈信号进行比较，其差值经过放大器放大后传递给电液伺服阀，电液伺服阀的输出流量与其输入电流成正比，该输出流量推动液压缸完成指令工作，当工作位置与指令位置一致时，电液伺服阀的输入电流为零，阀口关闭，不再提供流量，液压缸停止。     

图9-21电液伺服系统               图9-22  液压缸的泄漏故障

电液伺服系统故障主要是液压缸的泄漏与运动部件爬行。

如图9-22所示，液压缸的泄漏分为内泄漏和外泄漏，内泄漏的原因通常由于间隙变大或密封失效产生的，外泄漏则多数因密封损坏而引起的。

当液压缸处于低速运动时，往往会出现爬行现象，其原因多为运动部件导轨出现干摩擦或者供油流量低于最小稳定流量而出现故障．另外，外负载的异常变化也可能导致运动部件产生爬行。

电液伺服阀的故障形式很多，比较常见的有：①阀不动作，导致运动部件不动作；②经常出现零点漂移；⑦伺服阀的输出流量过小；④伺服阀的性能指标变差。

这些故障产生的原因一般是：①系统内油液不清洁而导致各种阻塞和卡死；②电磁力矩马达接线存在错误；③供油压力不稳定或压力过低；④环境影响，如系统温升过高等。

（2）故障模拟

 采用人为制造故障的方法是进行机械系统故障研究的必要手段，但是对电液伺服阀进行人为制造故障必将带来大量经济损失，而且每出现一次故障，都要到生产厂家或其指定地点去维修，这就决定了这种元件故障模拟的难度，故障间接模拟法既可达到故障模拟的目的，又不损伤元件。

1）液压缸故障模拟机理

如图9-23所示，在液压缸两腔并联一支路，其中节流阀规格的选取满足泄漏量要求即可，调节节流阀流量就可以模拟液压缸泄漏故障，流量计用来测量泄漏流量的大小。

               图9-23  液压缸故障模拟原理图

当三位四通电磁换向阀处于中位时，没有流量通过节流阀，此时为模拟液压缸无泄漏情况；当电磁铁1DT带电时，换向阀上位工作，此时，高压腔的油液可以通过节流阀经换向阀流往低压腔，构成内泄漏模拟，泄漏流量由节流阀调节；当2DT带电时，换向阀下位工作，有杆腔的油可以通过节流阀经换向阀下位流向量杯。此时为外泄漏模拟；泄漏流量由节流阀调节，通过流量计或量杯测量。

节流阀均有其最小稳定流量指标，当流量调节到最小稳定流量以下时，就会出现流量阻塞现象，从而使执行元件产生爬行。为了模拟液压缸爬行故障效果，还可以借助于节流阀产生流量阻塞现象，这样就可以完成液压缸爬行故障的模拟。

2）电液伺服阀故障模拟机理

①零偏模拟。零偏模拟可以采用油温调节法，使系统的温度产生大范围的变化，从而使电液伺服阀产生零偏。这种方法需要温度调节控制装置，控制电液伺服系统的油温。另一种较为简单的方法是采用压力调节方法。取消主油路中的蓄能器，通过调节溢流阀YF的压力，实现零偏模拟。还可在电磁力矩马达外部施加强磁场干扰，通过磁场感应的变化使电磁力矩马达的几个气隙失去平衡，这样产生零偏。

②线路故障模拟。电液伺服阀的线路故障有短路、断路和虚接等几种，通常可以应用外接法模拟，如图9-24所示。

(a)接线插子    (b)内部接线情况   (c)模拟故障情况       

图9-24线路故障模拟原理

在接线端外设计一电路，与接线端对应为1’、2’、3’和4’，图中Kl、K2、K3为三个刀型开关，模拟情况如表9-2所示，其中“十”表示接通，“—”表示断开。

表9-2  故障模拟开关状态

9.7.3液压故障的动态仿真

（1）概述

为探讨轧机液压系统故障的特征，并更好地利用在线监测系统提供的轧机液压系统实际动态曲线，对轧机液压故障性能曲线进行仿真。其基本做法是：

建立液压装置的数学模型。

对此模型进行仿真，并稍作调整，使之于正常状态下的实测曲线相一致。

在此基础上，改变相应的参数（模拟典型故障状况），仿真该状况下的动态曲线。

将实际曲线与仿真曲线作对比，由此判断故障。

现以轧机液压AGC压力与位置曲线的动态仿真为例，系统地介绍液压故障仿真的基本方法。

（2）轧机AGC动态压力与位置曲线的分析

1）实测曲线及分析

    图9-25a  咬钢瞬间AGC           图9-25b 咬钢瞬间AGC

     液压缸压力响应曲线             液压缸位置响应曲线

AGC系统压力在这一瞬间实际上是一个输入量为负载力、输出量为压力的阶跃响应过程。其位置曲线是一个恒值控制过程，咬钢的冲击作用使位置变化，经反馈控制又恢复正常。

2）数学模型

对于恒辊缝控制的板带轧机系统，AGC液压系统是一个闭环的位置控制系统，也是一个阀控液压缸系统。咬钢时，带头突然进入辊缝，由此引起轧制力突变和辊缝的跳变与复位（如图9-25所示）。因此，咬钢是AGC系统对阶跃的负载干扰量响应的过程，其有关的微分方程是：

力平衡方程：

        F_L=MS²+BS+K+P_LA_P

 亦即   (F_L-(MS²+BS+K))/ P_L= A_P

式中F_L为负载力、MS²为惯性力、BS为阻尼力、K为弹性力、P_L为负载压力；S为拉普拉斯算子。

此式表明负载力F_L克服惯性力MS²、阻尼力BS及弹性力K后在面积为A_P的液压缸内形成负载压力P_L。

负载流量方程

    P_L（Kce+Vt/βeS）-X_PK₁KvKa=Q_L

式中Kce为折合流量-压力系数(伺服阀的流量-压力系数+泄漏系数)，Vt/βe项为液压缸总容积Vt与油的容积弹性模量βe对负载流量的影响，Xp为液压缸位移，Ki为电气放大系数（位移反馈系数乘以放大器放大系数），Kv为伺服阀的流量系数，Q_L为液压缸的负载流量。此式表明负载流量Q_L由Q_L1 = P_L（Kce+Vt/βeS）减去Q_L2=X_PK₁Kv得到。

负载流量-液压缸位移方程

    Q_L=X_PA_PS

此式表明负载流量Q_L等于缸运动速度X_PS乘以缸的面积A_P。

        图9-26 AGC系统对负载干扰校正方框图

3）控制方框图及其参数

将以上三式综合起来，构成控制方框图如图9-26所示。根据资料，控制系统的参数初步确定如下：

K_i=100A/m

K_V=0.045m³/sA

M=12000Kg

B=1000Ns/m

     Vt=0.12m³

A_P=0.8m²

Kce=1.8e-8m⁵/Ns

Βe= 6.9e+6N/m²

F_L=1.32e+7N

弹性系数K忽略不计。.

（3）轧机AGC动态压力与位置曲线的仿真

1）仿真模型

仿真系统采用MATLAB软件构成。图9-26所示的系统转化为仿真系统如图9-27所示，其中Q_L1至X_P的传递函数简化为1/（A_PS+KiKv）。

      图9-27  MATLAB软件构成的AGC液压仿真系统

图9-27中设立了两个scope窗口，其中scope用于取压力曲线，scope1用于取位置曲线。由于种种因素的影响（如机架的弹性变形、参数传递过程中的滞后等），系统中必然存在惯性环节，故在系统中设入了1/(1+0.041S)惯性项。正常状态下的仿真曲线如图9-28（a）和图9-29（b）所示。

图9-28（a）液压AGC正常时的仿真压力曲线      图9-28（b）液压AGC正常时的仿真位置曲线

可见仿真曲线与实测曲线（图9-25）基本上是吻合的。

（2）故障设置与仿真

以正常状态时有关数据为基础，改变相应的数据，便可设置系统故障。

在此设置了液压系统磨损后泄漏增大（Kce由1.8e-8m⁵/Ns增大至1.8e-7m⁵/Ns）、油内混入了空气（Vt/βe由1.74e-7m²N增大至3.48e-7m²N）、放大系数漂移（K_iKv由4.5m²/s增大至13.5m²/s），以及泄漏增大与油内混入空气同时出现等4种典型故障。

咬钢瞬间压力与位置动态特性仿真结果如图9-29至图9-32所示。

图9-29a液压AGC泄漏增大仿真压力曲线   图9-29b液压AGC泄漏增大仿真位置曲线    

        图9-30a                             图9-30b     

  液压AGC油内混入空气仿真压力曲线      液压AGC油内混入空气仿真位置曲线

        图9-31a                         图9-31b     

液压AGC泄漏增大与油内           液压AGC泄漏增大与油内

混入空气同时出现仿真压力曲线      混入空气同时出现仿真位置曲线

不同故障状态，压力与位置曲线是有明显区别的。由理论分析可知，系统泄漏增大使系统响应迟缓，油内混入空气使系统对阶跃响应的超调量增大，放大系数过大将使系统更加不稳定。

仿真结论与设备制造商提供的故障-症状表的定性结论是吻合的，与实际故障发生时的压力位置曲线也是吻合的。

此例说明，利用MATLAB仿真软件可方便地将控制系统的数学模型转化为仿真模型,并修改参数，以实现对轧机液压系统咬钢过程AGC压力与位置的动态仿真，并由此得到相应的故障模型。

        图9-32a                         图9-32b     

液压AGC放大系数漂移仿真压力曲线     液压AGC放大系数漂移仿真位置曲线