工程机械可靠性存在的问题及解决策略

2012-01-26何富其

装备制造技术 2012年5期

何富其

（绵阳职业技术学院，四川绵阳 621000）

我国工程机械之所以会缺乏竞争力，主要是因为大修寿命时间短且可靠性低，日前这一问题也受到了社会行业内的热点关注对象。针对这些问题，我国提出了研究工程机械动态性能的措施，这能够从根本上解决可靠性问题，并且有益于工程机械节能减排和作业品质等问题的解决，本文将对现场试验与台架模拟实验等对机械动态性能的基本手段的研究，进行举例说明。笔者经历了一番实践与思考，认为加强工程机械动态性能研究，是解决问题的根本途径与出路。

1 工程机械可靠性的内涵

工程机械的可靠性，其实是指在规定的时间内及工作条件下，产品完成所规定功能用途的能力。但是产品可靠性的保障，仍是一个综合性问题，提高制造品质以及产品设计，是解决工程机械的可靠性的最为根本的方法。

通常情况下，可靠性设计应该采取袷度法加大关键性零部件的安全系数，并确保有些可靠性的储备。从总的方面来看，提升工程机械可靠性，有利于保障产品的工作能力在比较长的时间内维持不变。但由于故障的发生，在一定程度上可以说是一种随机发生的事情，因此无法避免故障的发生。在使用周期内，产品要在规定的维修条件下，保证工作性能的能力称为产品可靠性设计，其以提高产品的耐用性、持久性为重要内容，以提高经济效益。

2 我国工程机械可靠性的现状

根据资料显示，国际工程机械产品1 000 h可靠性试验和“二包”期内的平均无故障工作时间（MTBF）为500～800 h，而我国水平仅为150～300 h，远低于国际水平。

倘若不使用进口的发动机的话，我国产品的大修期寿命仅仅为4 000～5 000 h，而国际水平却能达到8 000～10 000 h。由此可以看出，我国工程机械缺乏竞争力，主要与可靠性低和大修寿命时间短这两种问题有关。

此外，根据统计数据，我们可以看到，在我国工程机械发生率中，有30%的故障，属于发动机故障；而大约25%～35%的故障，是液压系统故障；约20%的故障，是传动系统故障；剩下的则是结构件焊缝开裂及制动系统故障等。

3 可靠性差的主要原因

对工程机械可靠性造成影响的因素有很多，比如说设计、材料、制造及使用等诸多因素，但是唯独缺乏机器动态性能研究，这才是其根本性的研究。与其他机械所不同的是，由于大多数工程机械都是在野外作业并且负荷、工况及负荷变化都是多变的，而且也存在机械工程有连续施工之类的许多苛刻要求。这些，都要求工程机械的可靠性与适应性能够取得进一步发展与提高。而所谓的动态性能，则是指在工作负荷不断变化的动态条件下，机器所显示出来的燃料经济性、动力性和作业性能。

就以双钢轮振动压路机为例来说明，这是一种主要用来压实路基材料的循环作业式机械。在振动压路机处于起步阶段的时候，从静止到恒速前进时，整车需要克服机器本身的平动惯性力。此外，无论钢轮是高速旋转振动还是从静止到匀速行驶，都需对惯性力矩进行克服。然而属于大惯性系统的钢轮和压路机机体平动或转动时，外负载变化大而且程度剧烈。一方面这必然会冲击到振动液压系统以及行走驱动，从而使液压元件的使用寿命及其性能降低；另一方面，钢轮对地面的力、力矩等作用变化大，致使相当不均匀的地段实度的现象发生，更有甚者，还会形成一种材料推移的现象。但是，起步过程不能花费太多的时间，不然，会使有效压实时间降低，并造成钢轮起振越过共振点时产生共振现象，而这些都会大大地损害机器与被压材料，当然这样类似的现象，在机器停止时也会存在。

与此同时，在起步阶段以及停车阶段急剧变化的外载荷，容易造成发动机的功率及转速的波动变化，尤其是在停车时，机器所产生的巨大惯性致使反托制动发动机，导致发动机的可靠性及使用寿命大大降低，除此之外，还会对发动机的使用性能造成影响。

4 大力提升可靠性的策略

为了提升产品的自动化程度，以及增加一些新的功能和作用，机电一体化被广泛的应用于工程机械中，并伴随着机电一体化的发展，得到更大范围的应用。因此在产品的设计阶段，凭借诊断技术和冗余技术，充分应用发挥机电一体化技术的优势，调整并诊断自动修复产品，使其与工作条件相适应，完成规定任务的能力，以及长时间内能够保持水准。

4.1 诊断技术

诊断技术的实施，主要是依靠暴露故障的手段，以使产品的可靠性得到提高。其中有一种方式是监测故障，它是凭借对正处于工作状态中的诊断对象进行试验，然后对产品中的相关器件所处的程度进行确定，以查明产品品质及能力不断下降的因素，从而找到故障的种类和具体的位置。比如柴油机上所配备的压力表、风冷柴油机的风扇、燃油表、机油油温表、水冷柴油机的水温表、皮带报警器、空滤器负压显示器等器件。

为了预测抑或是及时发现并且解决故障，应该监测柴油机的关键部位，以防发生永久性故障，比如说产品失效故障。另外一种方式，则是故障发生之后，试验性测试诊断正处于非工作状态的诊断对象，在不拆卸的前提下，对产品的工作能力进行评价，以对故障的位置及其种类进行迅速的确定，并对产品的设计规定功能进行进一步恢复。

4.2 诊断技术的分类

诊断技术可以分为工作冗余与备件冗余两种。其应用有利于充分利用冗余技术。并联工程液压系统中的两个单元，让其同步工作，以保障系统的可靠性，即不管任何一个单元失效，另一单元仍能进行工作。但如此一来，会造成单元的升温不符合系统的升温，因此系统还应设置冷却器，但也有其可行性，有利于设计制造成本以及系统的可靠性的提高。

因此，可以采取备件冗余的方法，去对失效检测与转换装置进行设置。但倘若有一个工作单元失效，譬如说柴油机不能启动低温，可以并联另外一套低温预热起动装置，依靠这去代替失效单元，从而在根本上提升柴油机在冬季使用时的可靠性。经过以上一系列的分析，工程机械应在设计产品的可靠性时，充分考虑到安全系数法，即裕度法，大力应用机电一体化的优点，大力宣传冗余技术和诊断技术的应用，站在更换器件、诊断故障及修复的角度上，进行可靠性设计。

随着全液压工程机械液压系统日趋复杂化及液压元件与日剧增的精密化，液压油的要求也变得越来越高。设计液压系统时，采取编制产品维修手册的方式，设置液压油油温和滤清器的负压的工作状态的元件进行检测，并且设置测压口在液压系统中，以快捷地排除故障和隐患，为用户提供了方便，从而提高产品的可靠性使永久性故障得到减少；除此之外，还有利于产品使用寿命的延长。

4.3 机械可靠性的优化

采用常规优化设计方法，之所以很难反映产品运行的真实状况，是因为可靠性指标以及体积、总质量和成本等因素未能被考虑。但是在设计时，如若仅仅采取可靠性设计与优化设计方法，是很难得到理想化的结果的；而如果使优化技术与可靠性设计理论相结合，就可以弥补前两者的不足之处，从而达到目标。

除此之外，为了使机器的各种零件的可靠性水平达到最佳，以及整机及其部件的最佳设计方案得到确定，就应该优化分配工程机械的可靠度。同时，优化设计工程机械产品参数，有利于产品合理可靠，技术性能指标优良，价格成本低廉。在工程机械产品设计的过程中，可靠性优化设计，也随着日趋大型化、复杂化的工程机械产品的发展，而逐渐被广泛应用。