基于六西格瑪的起重機液壓系統故障分析

莊軍陽

摘要：液壓系統作為起重機動力系統的重要組成部分，若液壓系統出現故障將嚴重影響起重機運行的穩定性和可靠性，甚至發生重大安全事故。由于液壓系統結構隱秘以及邏輯復雜，一旦出現故障，需耗時費力查找真因。六西格瑪作為一種嚴謹有效的解決方案，文中運用其DMAIC方法，定義起重機液壓系統故障背景，尋找并分析影響起重機液壓系統故障因子，改善優化關鍵因子，最終實現故障管控，實施固化措施。運用六西格瑪理論分析起重機液壓系統，對工程應用具有重大意義。

關鍵詞：六西格瑪;起重機;故障;液壓系統

Failure Analysis of the Crane Hydraulic System Based on Six Sigma

ZHUANG Jun-Yang

（Quanzhou Branch of Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Quanzhou 362000，Fujian，China）

Abstract： Hydraulic system is an important part of the crane's power system. If the crane's hydraulic system fails， it will seriously affect the stability and reliability of the crane's operation. Because the structure of the hydraulic system is secret and the logic is complex， once there is a fault， it needs time and effort to find the real cause. As a rigorous and effective method to solve problems， Six Sigma uses its DMAIC method to define the background of crane hydraulic system failures， find factors that affect crane hydraulic system failures， analyze impact factors， improve and optimize key factors， and finally achieve control failure management and solidification measures. Using Six Sigma theory to analyze the hydraulic system of cranes is of great significance to engineering applications.

Key Words：? Six Sigma; Crane; Failure; Hydraulic system

1引言

如今，工業機械設備已普遍使用，不管是在修車時使用到的千斤頂，還是建筑工地等高強度勞動場合使用的吊機和起重機，機械設備隨處可見。起重機作為工程建設行業中重要的搬運設備，在垂直方向的運輸條件中扮演著重要的角色，節約人力物力。液壓系統作為起重機吊梁的驅動系統，其穩定性和可靠性極其重要，若在使用過程中出現故障，將會造成嚴重危害。文中以某著名品牌液壓式起重機為例，運用六西格瑪中的DMAIC方法對起重機液壓系統故障類型進行簡單介紹，通過界定階段定義液壓系統出現故障的原因，測量階段和分析階段找到液壓系統故障真因，改善階段優化真因，控制階段固化措施，幫助機械工程師快速解決問題，提升效率[1]。

2起重機液壓系統簡介

起重機液壓系統主要包括動力元件、執行元件、控制元件（液壓閥）和輔助元件。其中油泵作為該系統的動力元件，液壓缸和液壓馬達等為起重機液壓系統的執行部件，各種閥門作為控制，各種管道和各種器件為輔助元件。常見的起重機液壓系統主要包括上車和下車液壓系統，簡單來說，在車平面以上系統統稱為上車液壓系統，主要包括起重機臂的升降、車頭回轉、吊鉤的伸縮等機構;車平面以下系統統稱為下車液壓系統，主要起到固定起重機水平和豎直方向自由度的作用，一般只包括支腿機構[2-4]。

圖1為某品牌起重機液壓原理圖，其液壓系統包括前支腿伸縮液壓系統、起重機回轉液壓系統、伸縮臂伸縮液壓系統、伸縮臂變幅液壓系統和卷揚系統吊重起升液壓系統，各個液壓系統均相互獨立。其中，支腿伸縮液壓系統的兩個換向閥A和B構成了一個手動的雙聯多路閥，操作室中的起重機回轉液壓系統、伸縮臂伸縮液壓系統、伸縮臂變幅液壓系統和卷揚系統吊重起升液壓系統的四個換向閥C、D、E、F串聯構成一個手動四聯多路閥。兩個多路閥內的換向閥均是三位四通手動換向閥。在起重機實際運行過程中，各個換向閥協同合作，不僅能靈活控制各個執行元件的運動，還能控制系統各個部分的流量實現無級變速和精準操作[5]。

3起重機液壓系統的故障分類

3.1 泄漏

液壓油泄漏是由于液壓元件各個組件加工精度誤差和元件之間密封不完全造成液壓油逃逸。泄漏會使液壓執行元件內部壓力差數值降低，造成執行元件不工作或者工作液壓不夠。造成這種現象的原因有執行元件（油缸、油馬達等）內漏、液壓管路、閥門、殼體及其他泄漏[6-7]。

3.2 堵塞

堵塞是由于液壓管路內的油液因為某些原因不能到達指定元件的現象，堵塞會導致液壓系統內動力不足，執行元件無法工作，從而導致液壓系統無法正常工作。其主要現象包括液控單向閥堵塞、進油管路和濾芯堵塞，主要原因包括液壓油污染、密封層密封不合格、密封圈變質、液壓油不清潔等，其中大多數因為液壓油過濾不清潔造成，若能及時更換濾芯裝置，將會大大降低該問題的產生。

3.3 元器件可靠性不佳

一個好的液壓系統不僅需要一套完整的液壓原理圖和可靠的密封，更需要可靠的執行元件和輔助器具。液壓系統元器件的可靠性對液壓系統的穩定性和可靠性極其重要，若元器件可靠性不能得到滿足，起重機運行的過程中會出現失穩、卡頓等一系列問題，重則會出現人身安全事故[8]。

4 六西格瑪DMAIC模式下起重機液壓系統故障分析

六西格瑪作為一種嚴謹有效的解決方案，其包括DMAIC和DMADV，最常用的是DMAIC方法。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，可以運用六西格瑪診斷液壓系統故障，并據此制定各階段主要工作，如表1所示。

4.1界定階段

根據某公司內部的售后反饋數據分析可知，起重機液壓系統故障主要是由于液壓系統不穩定導致的起重機運動穩定性不佳。故障描述為：起重機液壓系統在工作過程中運動不穩定。

運用界定階段典型的圖形工具樹狀圖，識別故障的關鍵問題Y，如圖2所示。通過樹狀圖分析可知起重機運動不穩定的主要原因為液壓缸運動不穩定。

要識別故障范圍，可采用流程圖找到關鍵問題Y，如圖3所示。起重機運行不平穩，由于油泵無故障，因此需判斷與液壓缸運動有必然關系的換向閥、單向閥、安全閥和液壓缸是否存在故障[9-10]。

4.2測量階段

液壓缸運行不穩定除了自身結構原因外，最主要的外因在于液壓系統內部壓力影響。在進行DMAIC分析時，選擇液壓系統內部主油路和控制液壓缸的支路壓力為測量因子，液壓缸的位移作為目標因子。

測量設備采用高精度壓力測試儀，且在同一環境、同一設備下完成測量，故不考慮測量系統對數據的影響。

利用因果鏈分析工具，以液壓缸運動不穩定為故障Y，分析并輸入影響故障因子X，建立因果鏈分析模型，如圖4所示。通過因果鏈分析工具，尋找薄弱環節，分析判斷引起液壓缸系統故障的真因。

4.3分析階段

分析階段主要是確定要因，文中通過實驗，分析輸入和輸出關系，排除無關變量，從而確定故障部位和因素，最終排除故障。

首先進行靜態實驗，本次實驗在分配閥兩端載荷基本相同時進行測試，具體結果如表2所示。

由上述實驗，得到以下結論：

因閥門兩端載荷基本一致，液壓缸運動較為緩慢，有卡頓，說明因果鏈中負載不對稱可以排除。

當控制壓力在2MPa和2.5MPa時，液壓缸運行較為平穩，未出現卡頓現象，說明液壓缸結構穩定性沒有問題，且液壓缸運行是否平穩與分配閥對稱無關，因此可以排除液壓缸自身穩定性和分配閥機構不對稱兩項。

如表2實驗數據所示，主油路出口壓力一定，液壓缸運動狀態也不一樣，可排除閥體與閥芯配合過緊阻力過大、閥體或閥芯變形，閥芯阻力大、油液污染單向閥造成閥芯時卡時動、油液混入污物，閥芯時卡時動、閥體與閥芯間隙過小或過大、閥芯與閥套配合過緊阻力過大、油液有雜質使閥芯時卡時動等因子。

上述靜態實驗之后，可排除大部分因子，故障范圍縮小到可控范圍內，接下來進行動態實驗環節。本次實驗主要在起重機運行情況下，分別測量換向閥的控制壓力P1和P2、液壓缸兩端的工作壓力P3和P4，通過控制壓力的波動，檢測其對主油路壓力和液壓缸運行狀態的影響，實驗結果如圖5所示。

通過對液壓缸進行動態實驗，可得到以下結果：

換向閥控制壓力P1、P2波動較大，持續時間長，說明換向閥所需要的啟動壓力較大，導致這種現象發生的原因可能是換向閥控制油口過小、阻尼太大;或者是單向閥的背壓太大。從啟動到正常運行間隙，在P1、P2壓力差下，換向閥換向所需的時間很短，說明啟動時阻尼較小，可排除單向閥彈簧剛度大和換向閥彈簧的預壓縮量過大。啟動過程中若有持續震蕩，可排除單向閥選型不合理的因子。

液壓缸兩端的工作壓力P3和P4，在換向時振動較大，其壓力差是引起液壓缸卡頓和不穩定的直接原因，說明換向閥運動的不穩定性是造成液壓缸卡頓和不穩定的直接原因。

由以上兩組試驗得出影響Y的因子Xs包括：（1）單向閥彈簧預壓縮量過大;（2）換向閥彈簧剛度過大;（3）換向閥油口過小，阻尼大。

4.4改進階段

通過以上實驗，針對上述三個Xs，初步設計的改進方案包括：（1）降低換向閥的彈簧預壓縮量;（2）降低換向閥的彈簧剛度;（3）降低換向閥的阻尼。

提出改進方案后，對其再進行驗證，實驗結果如表3所示，可以看出改進后的液壓缸運行較改進之前有極大提升，完全滿足起重機工作需求。

4.5控制階段

通過DFAI階段的分析，液壓缸運行不穩定的要因基本找到，且已找到改進方案，控制階段將是對關鍵因子的控制及成果的固化，具體如下：

一是制定相關設計技術文件，對單向閥的剛度，換向閥的剛度和阻尼做到量化，控制關鍵因子的輸入;二是時刻監測液壓缸閥門兩側的壓力值，做到實時監控，保證設備運行的平穩性。

5結語

文中通過六西格瑪DMAIC方法對起重機液壓系統常見問題進行診斷，運用流程圖、因果鏈圖、實驗等方法，找到起重機液壓系統故障真因，并改進液壓系統參數，有效解決液壓缸運行不平穩問題，為企業提質增效作出一定貢獻。

參考文獻

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