1、2011年第3期 煤 炭 工 程 設計技術煤礦坑道鉆機液壓系統可靠性設計分析李 棟,王賀劍,王敬國(中國煤炭科工集團西安研究院,陜西西安 710077)摘 要:現代煤礦坑道鉆機的工作裝置大多采用液壓控制技術來實現,因此液壓系統的可靠性直接影響整機的可靠性。應用系統工程理論,論述了對液壓系統進行廣義可靠性設計的重要性,分析了可靠性及其特征值,并從可靠性設計、維修性設計以及可靠性管理三方面考慮,提出了提高液壓系統可靠性的有效措施。關鍵詞:坑道鉆機;液壓系統;可靠性;設計分析中圖分類號:TD421 文獻標識碼:B 文章編號:1671-0959(2011)03 0023 03煤礦用全液壓坑道鉆機液壓系

2、統的可靠性往往對整機的可靠性有很大的影響,煤礦用坑道鉆機液壓系統主要是用于主機(回轉器、卡盤、夾持器、給進裝置)、操作臺、泵站、行走履帶和穩固裝置等,因其使用環境的特殊性,要求在特殊的條件下長期反復使用過程中,不出故障或少出故障,處于正常的工作狀態,并能達到預期的作業效果。據統計,煤炭科學研究總院西安研究院所研制的煤礦用全液壓坑道鉆機常見故障超過70%的是由于液壓系統直接或間接造成的1,如何提高鉆機液壓系統的可靠性,進一步提高坑道鉆機整體性能的可靠性水平是一個極具現實意義的課題。達式為:A(t)=MTBFMTBF+MTTR(1)式中 MTBF 平均無故障時間;MTTR 平均維修時間。煤礦坑道鉆

3、機液壓系統故障維修時間由三部分組成:檢查故障時間、排除故障時間、試機驗證時間。有不少是完全由于偶然的原因而發生的故障,其故障發生的件數與尚未發生故障的件數是成正比的,因此他的壽命和維修時間都服從指數分布,即:MTBF=式中 故障率;11;MTTR=(2)1 可靠性及其特征值1 1 廣義可靠性機器、零部件等一般是隨著使用時間的增長會產生損壞或是故障,對于發生故障一般有兩種處置方式,即廢棄或是修復故障。針對廢棄的不可修復零部件而言,其可靠性稱為狹義可靠性,而可修復系統、機器的可靠性稱為廣義可靠性2,3。絕大多數坑道鉆機液壓系統屬可維修系統。廣義可靠性是指產品在這個壽命期內完成特定功能的能力,它將可

4、靠性和維修性均包括在內,三者關系為:廣義可靠性=狹義可靠性+維修性修復率。因此有效度也可以表示為:A(t)=由此可以看出,提高液壓系統有效度的途徑有二:一是提高無故障時間,降低故障率;二是降低維修時間,提高維修率。2 提高液壓系統可靠性設計方法探討液壓系統可靠性設計的內涵是開展有目的、有計1 2 有效度系統在正常規定的條件下使用,為系統的有效度,常記做A(t),即:A(t)=PS(t)=1有效度描述設備在時刻t是否正常工作的概率,是廣義可靠性的衡量尺度4。又有瞬時有效度、平均有效度和穩態有效度之分,對于煤礦坑道鉆機來說,最關心的是鉆機長時間使用的有效度,故最常用的是穩態有效度,其表 收稿日期:

5、2010-08-08t時刻正常工作的概率劃研究的前提,它包含的內容非常豐富,方案設計、參數設計、結構設計三個階段都要進行以提高可靠性為目的的實質性內容的設計。2 1 方案設計方案設計是提高系統固有可靠性的關鍵階段,因為系統在滿足功能要求的前提下,方案擬定階段最便于設計者充分發揮主觀能動作用,使系統組成最簡單,其冗余、安作者簡介:李 棟(1980-),男,陜西延安人,工程師,國家注冊安全工程師,碩士,現在中國煤炭科工集團西安研究院鉆探技術與裝備研發中心從事鉆探技術研發工作。設計技術 煤 炭 工 程 2011年第3期全、抗干擾設計措施最完善,這些都是保證系統可靠運行最敏感的決定性因素,可從以下方面

6、著手:1)盡可能簡化系統結構,設法用最少元器件、最簡單的方法來實現系統全部功能要求。2)應用先進設計理論。如應用應力 強度分布干涉理論來設計一些零件的相關參數,可有效地延緩疲勞失效的出現。3)零件設計合理選材。如經常夾持、摩擦部位采用高強韌的耐磨材料,油箱過濾器采用過濾性能好的材料,冷卻器散熱好的材料等,均有利于相關元件可靠性的改善。4)多采用可靠性好的標準化液壓元件。只有高可靠度的元件,才能組成高可靠度的系統,還有利于維修。5)設法提高系統密封性能和自動凈化介質的能力。經研究發現,液壓系統70%左右的故障是由于介質污染而引起的,因此高可靠度的系統必有較高的抗污染能力。6)進行必要的冗余設計是

7、為應付突發故障,以延長系統工作壽命為目的的設計內容,對于系統中薄弱環節和可靠度要求很高的環節,除考慮增設冗余元器件或子系統的常規方法外,還可充分發揮元件或回路本身的潛在功能,利用元件附屬功能儲備或派生回路冗余儲備的方法。使產品的成本有所提高。因此,容差設計階段既要考慮進一步減少在參數設計后產品仍存在的質量損失,又要考慮縮小一些元件的容差將會增加成本,要權衡兩者的利弊得失,采取最佳決策。總之,通過容差設計來確定各參數的最合理的容差,使總損失(質量與成本之和)達到最佳(最小)。使若干參數的容差減少需要增加成本,但由此會提高質量,減少功能波動的損失。因此,要尋找使總損失最小的容差設計方案。2 3 結

8、構設計2 3 1 簡化結構設一個機械液壓系統是由單元組成的串聯結構,當每個單元都正常工作時系統才能正常工作,其中任一單元失效,則系統功能失效,第i個單元的可靠性記為Ri(t),則系統的可靠性為:Rs(t)=Ri=1ni(t)可見,串聯系統中,單元數越多,系統可靠性越差,且串聯系統的可靠性總是低于系統可靠性最差的單元的可靠性。因此,應該主要注意提高串聯系統中可靠性最低單元的可靠性,即注意提高系統中最薄弱單元的可靠性。設一個機械液壓系統是由單元組成的并聯結構,其中任一單元正常工作系統就能正常工作,只有當這個單元都失效時系統才失效,第i個單元的可靠性記為Ri(t),則系統的可靠性為:Rs(t)=1-

9、2 2 參數設計參數設計階段的可靠性設計內容,主要包括熱設計、降額設計和容差設計等。2 2 1 熱設計溫升是液壓系統常見的一種失效模式。熱設計就是總體方案設計完成后,針對液壓設備熱產生機理與傳播方式,對液壓設備的熱場分布進行分析研究,采用合理的熱設計方法保證液壓設備在允許的溫度范圍內工作,從而提高整個系統的可靠性。2 2 2 降額設計降額設計就是有意識地降低液壓元件的使用規范,使其使用時的工作壓力比其額定壓力低,可有效地降低液壓元件的失效概率,提高可靠度,延長使用壽命。若超過額定壓力,其失效率急劇上升。2 2 3 容差設計容差是從經濟角度考慮,合理選擇工作點,使元器件輸出性能允許波動的范圍。容

10、差設計通過研究容差范圍與質量成本之間的關系,對質量和成本進行綜合平衡。容差設計在完成系統設計和由參數設計確定了可控因素的最佳水平組合后進行,此時各元件(參數)的質量等級較低,參數波動范圍較寬。容差設計的目的是在參數設計階段確定的最佳條件的基礎上,確定各個參數合適的容差。容差設計的基本思想如下:根據各參數的波動對產品可靠性(質量特性)貢獻(影響)的大小,從經濟性角度考慮有無必要對影響大的參數給予較小的容差。這樣做,一方面可以進一步減少質量特性的波動,提高產品的可靠性,減少質量損失;另一方面,由于提高了元件的質量等級,1-Ri=1ni(t)可見,并聯系統中隨著單元的增多,系統的可靠度增大。可靠性大

11、于單元中可靠性最大的值,但是并聯系統單元數多,各單元對提高系統可靠的貢獻程度下降,且系統的機構尺寸大,重量及造價都高。在煤礦坑道鉆機液壓系統中并聯單元數并不多,例如在動力裝置、安全裝置、制動裝置、夾持裝置采用并聯時,常取n值為2或3。目前,大部分煤礦坑道鉆機采用串并聯設計方式,如圖1,在重要的子系統采用具有相同功能的幾個單位,避免一個單元失效而使整個系統失效。圖1 系統邏輯框圖2 3 2 集成化設計目前液壓技術中較多的采用無管連接。一種是板式連接,另一種是集成回路。集成回路中元件安裝方式又有集成塊式、疊加式、復合式等多種,它們的通路均不用管道連接,而且已走向標準化。這樣使液壓系統的可靠性有較2

12、011年第3期大的提高。2 3 3 人機工程設計煤 炭 工 程 設計技術統中存在危險因素的部位均應有安全保護裝置和措施,并在相應位置設明顯的警告標; 維修工具標準化、通用化。鉆機液壓系統的失效有很大一部分是是人為造成的,而出現人為差錯的主要原因是液壓系統設計不合理,這就要求將人的特性放在與設備完全相同的地位上來考慮,也就是要進行人機工程設計。具體的說,就是要根據人的生理、心理等特點,設計人操作最省力、不容易發生差錯的液壓系統,同時系統的顯示裝置和作業空間的布置應符合人們的要求。2 3 4 抗干擾設計抗干擾設計是針對系統復雜的工作狀態和環境干擾而采取的防備措施設計。包括考慮負載效應、環境防護等方

13、面的外干擾,和考慮關聯效應、藕合效應影響的內干擾兩個方面。負載效應是指使設備使用工況和負載變化對系統的直接干擾;環境防護是使電源、磁場、溫度、濕度、粉塵、沖擊、振動等等影響降到系統能夠承受水平的防護技術。關聯效應是由元器件動作和性能之間的相關牽連影響,造成額外能量或信息流動所導致的附加物理效果。當若干個動作在時間上錯開或改進回路連接方式時,這種效果就可以消除或變得無關緊要。如多缸系統的防擾、潛回路分析等都屬關聯設計內容。藕合效應是一種動態效應,主要指控制信號若與某些干擾因素重合,形成能量交換閉合回路,就會造成反常的不利后果。如管系的諧振、液動力的內反饋作用等均屬常見的藕合效應現象。盡量事先防止

14、它們的出現或影響,亦是抗擾設計應包含的內容。結構設計階段還包括外購配套件的驗收和篩選、制造可靠性的保證等。系統的可靠性依賴于各子系統和構成部分的可靠性,因此要根據煤礦坑道鉆機系統的結構,基于每個系統和部件的可靠性,求出系統的可靠性系數,液壓系統是總系統可靠性關鍵系數。4 提高液壓系統可靠性管理對于煤礦坑道鉆機使用的特殊性,除了進行質量管理外,還必須進行可靠性管理。在某些工程液壓設備中,過去對可靠性的重要性認識不足,只抓產品的技術性能指標,疏忽了可靠性管理,結果花了很長時間質量仍達不到預期效果。因此,加強管理,應用專人、專機、專檢、專料的方法。提高液壓系統的可靠性需要投入很大的人力、物力,但是如

15、果能認真加強可靠性管理,總的成本反而降低。一般來說,產品可靠性要求高,投資費用就會高,而維修費用便降低。產品可靠性與成本的關系如圖2所示。圖2 可靠性與成本的關系5 結 語影響煤礦坑道鉆機液壓系統的有效度的關鍵環節是廣義可靠度的設計,要使系統具有高有效度,可靠性設計、維修性設計和必要的可靠性管理都應該得到充分的重視。盲目追求系統的高可靠度是不經濟、不科學的,甚至是不可行的。應在研發和生產中對煤礦坑道鉆機系統各子系統和零部件的結構進行優化調整,具體分析各系統的重要性、性能的要求和費用指標等,以確定合理的可靠性設計,然后通過維修性設計提高維修度,加以科學的可靠性管理這一途徑來使系統達到預期的有效度

16、。參考文獻:1 王賀劍,李棟,劉慶修.提高坑道鉆機液壓系統可靠性方法淺析J.煤炭工程,2009,1996.3 芮延年,傅戈雁.現代可靠性設計M.北京:國防工業出版社,1990.5 魯建平,周春華.液壓系統廣義可靠性設計J.機床與液壓,2002,(4):143144.6 鄧興貴,肖志信.現代機械系統可靠性設計探討J.機械研究與應用,2002,(3):1012.2007.4 雷天覺.液壓工程手冊M.北京:機械工業出版社,(4):9799.2 劉惟信.機械可靠性設計M.北京:清華大學出版社,3 提高液壓系統維修性設計方法對于可維修設備和系統,如果不考慮其維修性設計就無法談論其可靠性問題。由于受技術水平和成本等因素限制,任何產品的可靠度都不可能無止境地提高,液壓系統自不例外。要提高系統的有效度,切不可忽視維修性設計。有時,因維修性問題考慮不周,一年間所需要的維修費用可達設備費用的十倍以上。因此,對維修性的設計是一個非常