专利名称：智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法
技术领域：
本发明涉及智能液压系统可靠性设计与绿色设计的方法。具体是一种智能液压挖 掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法。
背景技术：
液压挖掘机设有工作装置、回转机构、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助 设备等，由液压驱动。其液压传动系统由液压泵、液压马达、液压缸、各种控制阀及管路等辅 件组成，动作由控制阀来控制。由于液压系统的固有特点，造成液压系统本身的污染、效率低等问题。据统计，液 压挖掘机能量利用率只有30%左右，造成能源的大量浪费。为实现可持续发展，实施绿色技 术是其必然选择。实施挖掘机液压系统的绿色设计工程，按照环境意识设计和制造液压产 品，使其除了具有良好的性能外，还应不对环境造成污染，改变液压行业给人的脏、乱印象， 对实现液压挖掘机行业的可持续发展有重要意义。目前，在液压挖掘机领域进行的绿色设 计尚未见到相关成熟理论与具体专利。液压系统是挖掘机的核心部分，其工作状态的好坏直接影响到机器是否正常运 行。国外液压挖掘机运转率可达80% 90%，运转率在70%以下是不允许使用的。国产 挖掘机的运转率只有50%左右，很少达到80%。由于机器故障多、运转率低，不少单位挖掘 机修理和保养的年平均费用就等于买一台新挖掘机费用的50%。即两年的维修费用就可 以购买一台新机。国家每年用在修复旧挖掘机上的费用，要大大超过当年制造新机的总产 值。同时，由于挖掘机可靠性不好，经常停修，也会使运输车辆、小型推土机等配套机械也被 迫停止工作。可见，提高产品可靠性有着很大的经济意义。目前，国内在通用工程机械方面有关可靠性研究较多，但是尚未有专门针对液压 挖掘机液压系统的专利出现。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的 方法。该方法采用并行方式，将绿色设计和可靠性设计结合起来，对液压系统进行优化，既 考虑到能源回收再利用，也同时考虑提高系统的使用寿命，并提出了具体的试验方法，可提 前预测部件可能出现的部位与问题，从而避免可能出现的故障。该方法可以缩短挖掘机液 压系统的设计时间，降低设计成本和试验成本，将产品尽快投入市场。本发明是以如下技术方案实现的具体包括以下内容与步骤按照绿色设计原则，预先选用能量回收和再利用等方案，并提出绿色设计对设备 及零件的要求和实际加工装配中的措施，并遵循这些原则和措施对已有较为成熟的液压系 统进行改进。通过可靠性预测与分配、故障树分析(FTA)等方法，对液压系统进行可靠性分 析和计算，从而实现可靠性的设计、预测与管理。通过增长性试验，获取小样数据，确定参考 数据库系统，反过来指导系统的设计和优化过程。
由于采用了上述方案，本发明的有益效果是在设计效率上可以大大提高，在能源 利用等方面则可以至少提高利用率25%以上。通过采取节能回路设计、可靠性增长性试验 等手段，利用模糊控制等理论，对液压挖掘机的液压系统设计进行可靠性分析、预测、验证 等措施，可加速暴露原有液压系统中的潜在故障，从而缩短设计与试验时间；降低设计与试 验成本。与传统方法相比，具有预判性良好，试验数量低、不受场地的限制、成本低、准确性 高、易进行等优点，采用这套理论方法，对液压挖掘机的液压系统质量与可靠性的提高，起 到了极大的推动作用。
具体实施例方式由本发明提供的设计与试验方法，是通过采取以下措施来缩短设计时间和提高效 率的。(1)预先根据绿色设计原则，选用节能方案。实际上，除了要重点考虑的可靠性问题外，目前国内液压挖掘机将近70%的能量 都是流失和损耗掉了。因此，液压系统的节能设计不但要保证系统的输出功率要求，还要保 证尽可能经济、有效的利用能量，达到高效、可靠运行的目的，液压系统的功率损失会使系 统的总效率下降、油温升高、油液变质，导致液压设备发生故障。因此，设计液压系统时必须 多途径地降低系统的功率损失。在元件的选用方面，应尽量选用那些效率高、能耗低的系统与元件，如选用效率较 高的变量系统，通过容积调速来实现无级调速，功率利用和系统性能比较好。负荷小时可以 增大流量，加快作业速度，外负荷大时，可以降低速度，增大作业力，克服大负荷。选用集成 阀以减少管连接的压力损失，选择压降小、可连续控制的比例阀等。在总体设计方案中，必须考虑在不同工作状态下的动力模式设置。根据作业工况 和使用要求来对发动机和液压泵进行优化设定，控制发动机油门开度和液压泵排量。同时 还要对阀和液压马达进行设定控制，以适应不同作业工况的需要。在节能方面，可以选用的方案包括功率控制(总功率控制系统、分功率控制系统、 交叉功率控制)、流量控制(正流量控制回路、负流量控制回路、负荷传感控制回路、负流 量、压力切断和总功率控制回路)以及发动机转速传感控制等。效率可以提高28% 45%。根据挖掘机动作要求及节能要求，在大型液压挖掘机上采用双泵双回路、负流量、 交叉功率以及发动机转速传感系统来实现发动机-泵-阀的综合控制。同时，负流量控制 主要是解决操纵阀中位时或微动操作时的能量损失问题，交叉功率控制可以充分利用两个 主泵的功率，发动机转速感应控制能使泵的流量和发动机转速始终得到合理匹配。(2)在结构设计和工艺性方面考虑绿色设计。主要考虑以下几个方面1)工作介质污染控制。例如，在节流阀前后装上精滤油器，所有需切削加工的元器 件，孔口必须有一定的倒角。所有元器件必须采用干装配方式，装配后选择与工作介质相容 的冲洗介质认真清洗。新油加入油箱前要经过静置沉淀，过滤后方可加入系统中，必要时可 设中间油箱。为减少对外部环境的污染，应尽量使用高黏度、可回收、无毒和含绿色添加剂的液 压油。2)液压系统噪声控制。在液压系统中，电动机、液压泵和液压马达等的转速都很高，应对转子进行动平衡试验，且在产品设计时应注意防止其产生共振。机械噪声还包括机 械零件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声。因此，必须严格保证制造和安装的质量，产品 结构设计应科学合理。对于液压系统中的流体噪声，是由于油液的流速、压力的突变、流量的周期性变化 以及泵的困油、气穴等原因引起的，必须尽量避免此类问题的发生。大部分都可以通过系统 仿真提前分析判断来确定。3)液压元件的连接与拆卸性的设计。液压系统设计应尽量提高液压系统的集成 度，采用原则是对多个元件的功能进行优化组合，实现系统的模块化，并尽可能使液压回路 的结构紧凑。在满足功能基础上，重点是液压元件连接技术，建议多采用嵌入咬合连接方 式。但在连接强度要求高的情况下，需要选用连接安生性高的方案。(3)液压系统可靠性分析。液压系统的可靠性研究和其它系统一样，主要以整修液 压系统为目标，包括以下几方面工作。1)液压系统的可靠性预测。传统的可靠性预测以独立的元件失效率为基础，采用 指数模型估计元件的可靠性，这种方法忽略了预修的作用，对于液压系统的可靠性预计产 生极大的误差。大型液压挖掘机的液压系统属于大型复杂系统，故采用上下限法和蒙特卡 罗法。2)液压系统的可靠性分析。在故障树分析法和故障模式、影响及致命度分析法基 础上，采用模糊数学进行模糊化处理和模糊推理。对液压系统故障进行模糊识别和模糊综 合评判，将各状态的数据标准化和定义为模糊等价矩阵和相似矩阵，然后根据所得的各个 λ截矩阵判断故障最可能发生的子集等。这将大大提高分析的应用范围和精度。3)液压系统的可靠性设计。采用冗余设计和降额设计来提高整机的可靠度。对于 控制方式或回路实现方式不太好或者已经老化的情况，采取新的实现方式来改进或代替原 来的液压传动回路或控制回路的实现方式。4)液压系统的可靠性管理。据麻省理工学院劝幻晚博士研究发现，液压系统中有 的故障是由于液压系统的油液污染引起得，油液污染主要来自系统外部污染物、元件内部 污染物和油液自身的氧化和变质，因此控制油液污染，是提高液压系统可靠性极重要的一 环。(4)液压系统及元件可靠性试验的研究。在设计阶段进行的各种预测方案，其精度相对而言仍然偏低，可以采用现场统计 法，统计机器在现场使用的数据如运转时间、故障率等并加以分析整理，从而掌握机器的质 量水平，了解故障发生的原因，并可以建立专门的可靠性情报分析系统。现场统计法应用 步骤为根据机器在现场使用中发生的故障数据、故障件数与标本数，用L. G. Johnson的方 法，计算出累计故障率；根据机器的实际运转时间和计算出来的累计故障率绘制威布尔分 布图表；用最小二乘法，对威布尔分布图表进行线性回归分析，确定威布尔分布的三个特性 (参数形状参数、尺寸参数、位置参数)；将威布尔特性参数值代入各可靠性指标公式，求出 产品的现有可靠性指标值。有的指标如运转率、维修度也可根据现场统计得到的使用数据 如机器的运转时间、故障修理时间和日常保养时间等直接求出。
权利要求
一种智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征是按照绿色设计原则，预先选用能量回收和再利用方案，并提出绿色设计对设备及零件的要求和实际加工装配中的措施，并遵循这些原则和措施对已有较为成熟的液压系统进行改进；通过可靠性预测与分配、故障树分析FTA方法，对液压系统进行可靠性分析和计算，从而实现可靠性的设计、预测与管理；通过增长性试验，获取小样数据，确定参考数据库系统，反过来指导系统的设计和优化过程。
2.根据权利要求1所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征 是所述绿色设计原则包括选用节能方案；结构和工艺性方面绿色设计；以整修液压系统 为目标进行液压系统可靠性分析；液压系统及元件可靠性试验的研究。
3.根据权利要求2所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征 是选用的节能方案包括功率控制，其中含总功率控制系统、分功率控制系统和交叉功率 控制；流量控制，其中含正流量控制回路、负流量控制回路、负荷传感控制回路、负流量、压 力切断和总功率控制回路；发动机转速传感控制。
4.根据权利要求2所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征 是所述结构设计和工艺性方面绿色设计主要包括以下几个方面1)工作介质污染控制在节流阀前后装上精滤油器；所有需切削加工的元器件，孔口 必须有一定的倒角；所有元器件必须采用干装配方式，装配后选择与工作介质相容的冲洗 介质认真清洗；新油加入油箱前要经过静置沉淀，过滤后方可加入系统中，必要时可设中间 油箱；为减少对外部环境的污染，应尽量使用高黏度、可回收、无毒和含绿色添加剂的液压 油。2)液压系统噪声控制在液压系统中，电动机、液压泵和液压马达等的转速都很高，应 对转子进行动平衡试验，且在产品设计时应注意防止其产生共振；机械噪声还包括机械零 件缺陷和装配不合格而引起的高频噪声；对于液压系统中的流体噪声，是由于油液的流速、 压力的突变、流量的周期性变化以及泵的困油、气穴等原因引起的，必须尽量避免此类问题 的发生；大部分都可以通过系统仿真提前分析判断来确定；3)液压元件的连接与拆卸性的设计应尽量提高液压系统的集成度，采用原则是对多 个元件的功能进行优化组合，实现系统的模块化，并尽可能使液压回路的结构紧凑。
5.根据权利要求2所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征 是液压系统可靠性分析包括以下几方面1)液压系统的可靠性预测采用上下限法和蒙特卡罗法；2)液压系统的可靠性分析在故障树分析法和故障模式、影响及致命度分析法基础 上，采用模糊数学进行模糊化处理和模糊推理，对液压系统故障进行模糊识别和模糊综合 评判，将各状态的数据标准化和定义为模糊等价矩阵和相似矩阵，然后根据所得的各个入 截矩阵判断故障最可能发生的子集等；3)液压系统的可靠性设计采用冗余设计和降额设计来提高整机的可靠度；4)液压系统的可靠性管理主要是控制油液污染。
6.根据权利要求2所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其特征 是所述液压系统及元件可靠性试验的研究是采用现场统计法，统计机器在现场使用的 数据如运转时间、故障率等并加以分析整理，从而掌握机器的质量水平，了解故障发生的原因，并建立专门的可靠性情报分析系统。
7.根据权利要求2或6所述的智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法，其 特征是现场统计法应用步骤为1)根据机器在现场使用中发生的故障数据、故障件数与标本数，用L.G. Johnson的方 法，计算出累计故障率；2)根据机器的实际运转时间和计算出来的累计故障率绘制威布尔分布图表；3)用最小二乘法，对威布尔分布图表进行线性回归分析，确定威布尔分布的三个特性 (参数形状参数、尺寸参数、位置参数)；4)将威布尔特性参数值代入各可靠性指标公式，求出产品的现有可靠性指标值，有的 指标如运转率、维修度也可根据现场统计得到的使用数据如机器的运转时间、故障修理时 间和日常保养时间等直接求出。
全文摘要
本发明公开了一种智能液压挖掘机液压系统可靠性与绿色设计的方法。属智能液压系统可靠性设计与绿色设计的方法。按照绿色设计原则，预先选用能量回收和再利用方案，并提出绿色设计对设备及零件的要求和实际加工装配中的措施，并遵循这些原则和措施对已有较为成熟的液压系统进行改进；通过可靠性预测与分配、故障树分析FTA方法，对液压系统进行可靠性分析和计算，从而实现可靠性的设计、预测与管理；通过增长性试验，获取小样数据，确定参考数据库系统，反过来指导系统的设计和优化过程。与传统方法相比，具有预判性良好，试验数量低、不受场地的限制、成本低、准确性高、易进行等优点，能源利用等方面可以至少提高利用率25％以上。
文档编号G06F17/50GK101964007SQ20091018179
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者潘尚峰, 罗国征 申请人:徐州恒天德尔重工科技有限公司