平台式垃圾压块机液压系统的可靠性研究.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 NO ．1 5 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 5 ． 0 4 8 平台式垃圾压块机液压系统的可靠性研究 王猛 ，王 守城 ，王媛 ，陈赫楠 青岛科技 大学机 电工程学院，山东青 岛 2 6 6 0 6 1 摘要 平台式垃圾压块机是城市生活垃圾 中转站 的一种工作效 率高 、运转时 间长的新型机 械设备 ，依 托液压 系统驱动 完成相应的各项动作。分析了平台式垃圾压块机的液压系统工作原理，针对该压块机液压系统可能存在的可靠性低、故障 多等问题，进行了可靠度计算，并进行平均无故障工作时间的分析。运用 MA T L A B软件模拟仿真，以获得该机器液压系统 在不同工作时问下可靠性的动态变化规律。 关键词 垃圾压块机 ；液压 系统 ；可靠性 中图分 类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 51 9 4 3 St u d y o n t he Hy dr a u l i c S y s t e m Re l i a b i l i t y o f t he Pl a t f o r m W a s t e Br i qu e t t i n g M a c h i n e W ANG Me n g，W ANG S h o u c he n g，W ANG Yu a n，CHEN He na n Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ，Q i n g d a o U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o S h a n g d o n g 2 6 6 0 6 1 ，C h i n a Abs t r a c t Pl a t f o r m wa s t e b r i qu e t t i n g ma c h i n e i s o n e o f t he ne w t y p e o f me c h a ni c a l e q ui p me n t whi c h ha s a hi g h wo r ki n g e ffic i e nc y a nd a l o n g r un n i n g t i me i n t h e c i t y g a r b a g e t r a ns f e r s t a t i o n． I t r e l i e s o n t h e hy d r a u l i c s y s t e m driv e r t o c o mp l e t e a c t i o n． The wo r ki n g p r i nc i p l e o f t h e h y d r a ul i c s y s t e m wa s a n a l y z e d．Ai mi ng a t l o w r e l i a bi l i t y a n d fre q u en t b r e a k do wn o f t h e h y d r a ul i c s y s t e m o f t h e p l a t f o rm wa s t e b r i q u e t t i ng ma c h i n e，t h e d e g r e e o f r e l i a b i l i t y wa s c a l c u l a t e d，t he a v e r a g e wo r k i ng t i me wi t h o u t b r e a kd o wns wa s a na l y z ed ． W i t h t he h e l p o f MATLAB s o f t wa r e，t h e r e l i a bi l i t y l a w o f t he h y d r a ul i c s y s t e m i n d i f f e r e nt wo r k i ng t i me s wa s g o t t e n． Ke ywor ds W a s t e b r i qu e t t i n g ma c h i n e；Hy dr a u l i c s ys t e m ；Re l i a b i l i t y 平 台式垃圾压块机 ，是在借鉴和吸收 国内外 同类 产 品的基础上 ，结合 当前城 市生 活垃圾 回收 、集 中、 再处理 的生产生活实 际， 自主研制开发 的一种新型废 旧可回收垃圾处理设备。其功能是将通过传送带传输 到受圾箱 中的散装垃圾重复压缩成块 ，并将其推入垃 圾运输 车内。利用压块机能够提高垃圾处理 的机械化 水平 ，而且压实成块 的垃圾也可 以减少其在转运 中对 环境 的污染 。该压块机液压 系统在工作过程 中可能会 产生系统故 障 ，因此对其液 压系统 进行 可靠性 研究 ， 并运 用 M A T L A B进 行可 靠度 仿真 ，以提 高 系统运 行 的可靠性 。 1 平台式垃圾压块机液压 系统工作原理 平台式垃圾压块机通过液压系统实现对垃圾的压 缩 、压缩完成后箱体闸门的打开 、成块 垃圾 的推出等 过程 ，依据液压机原理 ，该设计共包括 3个液压缸 的 多缸液压系统 。系统的液压原理图如图 1 所示 。 系统的油源为泵 3 ，其最高压力 的设定 与卸载 由 电磁溢流 阀4实现。系统 的 3个液压执行器分别 为压 缩缸 1 4 、推 出缸 1 5和提 升缸 1 6 ，各缸 依次采用 电磁 换 向阀 l 0 、l l 、1 2进行控制 。立式压缩缸 1 4的 自重 平衡 由外控单 向节 流阀实 现。 l4 1 一 油箱2 一 滤油 器3 一 泵 4 一 电磁溢 流 阀s 一 截止 阀6 一 压 力表 7 、 单 向 阀 s _ 减压 阀 1 0 、i l 、l 卜电磁 换 向 阀 1 3 一 单 向节流 阀 l 4 一 压缩 缸 1 5 一 推 出缸l 6 一提 升 缸 图 1 系统液压原理图 1 压缩。按下操 纵按 钮 ，电磁 铁 1 Y A通 电使 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 1 作者简介 王猛 1 9 8 7 一 ，男 ，硕士研 究生 。Em a i l w a n g me n g l 1 1 7 1 6 3 ． c o n。 第 l 5期 王猛 等 平 台式垃圾压块机液压系统 的可靠性研究 1 9 5 电磁溢 流阀中的电磁换 向阀切换至上位 ，液压泵 3停 止卸载，系统升压。同时电磁铁 2 Y A通电使 电磁换 向阀 1 O切换至右位 ，泵 3的压力油经阀 l 0进入液压 缸 1 4的上腔 。缸 1 4带动压块 下行 对垃 圾进行 压缩 ， 液压缸 l 4下 腔 的油 液经 阀 1 3中的节 流 阀 向油 箱排 油。当压块运 行 至下 死点 时 ，活 动挡 块 压下 行 程 开 关 ，电磁铁 2 Y A断 电 ，换 向阀 1 0切换 至左位 ，泵 3 的压力油经 阀 1 0和 阀 1 3中的单 向阀进入 缸 1 4的下 腔 ，缸 1 4带动压块 回程 上升 。当活动 挡块至 上死点 时压下行程开关，使 电磁铁 1 Y A、2 Y A均断 电，电 磁溢流阀中的换向阀复至左位 ，泵 3重新卸载 ，换 向 阀复至中位 ，压块 高位停 止不动。 2 提升 。通过 电磁换 向阀 1 2可 以控制 提升 缸 1 6的提 升与下 降 。当垃 圾按 要 求压 实 成块 后 ，5 Y A 通电使 电磁换 向 阀 l 2切换至 右位 ，泵 3的压 力油经 阀 l 2 进入缸 1 6的下腔 ，从 而缸 1 6带 动 闸 门上 行将 闸 门提升 至最 高 。当垃圾 块 被完 全 推 出后 ，5 Y A断 电使电磁换向阀 1 2切 换至左 位 ，上腔 的液压 油推 动 闸 门下降 ，直至与底端完全闭合 。 3 推出。当垃圾 按 要 求压 实成 块 后 ，通 过 电 磁换向阀 l 1 可以控制垃圾的推出动作。3 Y A通电使 电磁换 向阀 l l 切换至左位 ，压力油经 阀 1 1 进入缸 l 5 的右腔 ，水平安装 的推 出缸 1 5通过推 板将 垃圾 推人 车厢 内。当垃圾块 被推 出后 ，3 Y A断 电 ，4 Y A通 电， 使电磁换向阀 1 1切换至右位 ，带动推板复位 ，直至 完全退 回。 2 平台式垃圾压块机液压系统的可靠度计算 2 ． 1 液压 系统可靠性模型建立 系统是由若干单元 元件 、零件 、设备、子系 统为了完成规定 的功能而相互结合起来所构成的 综合体。因此，系统的可靠性取决于单元 的可靠性， 单元的可靠性是系统可靠性的基础。为建立液压系统 的可靠性模型 ，以同步平衡控制系统工作时的相互逻 辑关 系为依据 ，通过分析液压 系统对垃圾 的压缩 、压 缩完成后箱体闸门的打开以及成块垃圾的推出 3 个过 程 ，实现该设备液压系统优良的可靠性。现提出假设 如下 1 平 台式垃 圾压 块机 液压 系统 中任 一液 压元 件具有独立性，正常工作状态对其他液压元件不会产 生干扰影响 ； 2 平台式垃圾压块机液压系统中的液压元件 仅有两种状态，正常状态和实效状态； 3 假设 P c控制的可靠度为 1 ，正常工作状态 下连接管道所对应的失效概率为 0 。 液压系统的可靠性取决于组成该系统的所有元件 的连接方式和可靠性，串联系统中任一元件失效，系 统便失效 ，并联系统中单个元件的失效不会对系统产 生决定性影响 。由标准实验测得的液压元件的基本失 效概率见表 1 ，各个元件的实际失效概率可以由下式 计算 A A0 式 中 表示环境 系数 ，通 常 取为 1 ． 1～1 0 ，这里 取 9 ；A 。 代表各液压元件的基本失效概率，见表 1 。 表 1 液压元件的失效概率取值 、 ．． 基本失效概率 h o ／ 液 压元件 。 液压元件 x1 0- 6 h 一 油箱 1 ． 3 液控阀 3 ． 7 滤油器0 ． 4 行程阀4 ． 3 液压泵 1 2 ． 5 调速阀8 ． 5 二位四通阀 7 ． 5 顺序阀 5 ． 4 单 向阀4 ． 5 溢流阀 6 ． 7 减压 阀 3 ． 6 彼位控制阀4 ． 2 电磁 阀 5 ． 4 液压缸 3 ． 5 三位四通 阀4 ． 6 单向节流阀4 ． 1 2 ． 2 平台式垃圾压块机液压系统可靠性的数学模型 根据 可靠性理论 ，常用 的系统可靠性分析方法是 建立系统的可靠 性模型 ，把 系统 的可靠性 特征量 如可靠度 、失效率、MT B F等表示为单元可靠性 特 征量 的函数 ，然后通过 已知单元 的可靠性特征量计 算 出系统 的可靠性 。液压 系统元件 的失效概率多数服 从 指数分 布 ，即元 件 的 失 效 率 为 A，使 用 寿 命 为 t 时，其可靠度 R t e 。 对 于由 n 个 元件组 成的串联 系统 的可靠 度 尺 ￡ R ￡ R ￡ ⋯ R o ￡ nR i ￡ E J e - 1 式 中 尺 ， t 为单元 i 的可靠度 ，i 1 ，2 ，⋯ ，n 。 对于由n个元件组成的并联系统的可靠度 R t 1一[ 1一R 。 t ] [ 1一R t ] ⋯[ 1一 尺 ]1 一H [ 1 一 R i ] 2 E 1 2 ． 3 平 台式垃圾压块机液压系统的可靠度计算 1 垃圾的压缩过程的可靠度分析 滤油器、泵为串联环节，其可靠度为 R t R l t R b t e I o x 1 旷 X e 一 x 1 旷 e 一 1 2 9 滤油器 和液压泵组成 的串联系统 和电磁溢流阀组 1 9 6 机床与液压 第 4 2卷 成了并 联环节 ，其可靠度为 R b 。 t 1 一[ 1 一R t ] [ 1一 R ￡ ]e 。 e - 6 ． 7 l 一 e - 1 9 ． 6 x1 0 5 t 滤油器、液压泵与电磁溢流阀组成的并联环节与 油箱 、二位 四通阀 、单向节 流阀 、液压缸组成 串联 环 节 ，总的可靠 度为 MT BF ， 4 0 9 5 h 2 压缩完成后箱体闸门的打开过程的平均无 故障工作时间 MT BF 2 R 2 ￡ d f5 0 8 0 h 3 成块垃 圾 的推 出过程 的平 均无故 障 工作 时 R。 ￡ e - 1 ． 3 x 1 0 t‘ e - 4 ． 1 x l O S t ‘e - 7 ． 5 x l 0 st。 e - 3 ． 5 x 1 0 t。 间 ， 一 1 2 9 x l0 ， ～ 6 7 1 0 ￡ 一 1 9 6 1 0 ￡ 、 L 。 MT B F f R ￡ d 5 7 1 7 h 2 压缩完成后箱体 闸门的打开过程 的可靠性分 ．／o ⋯ 析 3平台式垃圾压块机液压系统的可靠性曲线 滤油器 、泵为 串联环节 ，其可靠度为 R f R l t R b e 一 。 。 e 一 。 e - 1 2 ． 9 x1 0 5 t 滤 油器和液压泵组成 的串联系统和 电磁溢流 阀组 成 了并联环节 ，其可靠度为 R ￡ 1 一[ 1 一 。 f ] [ 1一 R d ￡ ]e e - 6 ． 7 l O 一 e -1 9 ． 6 x1 0 s t 滤油器 、液压泵 与电磁 溢流阀组成 的并联环节 与 油箱 、减 压阀 、二位 四通 阀 、液压缸 组成 串联 环节 ， 总 的可靠度为 R f t e一 。 ．e - 3 ． 6 x lOt．e- 7 ． 5 x l0t．e - 3 ． 5 x l 0 t． e - 1 2 ． 9 x 1 0 t e - 6 ． 7 x l 0 - t e 一 。 3 成块垃圾的推出过程的可靠性分析 滤油器 、泵为串联环节 ，其可靠度为 R f R1 Rb ￡ e。 。 。 e 一 。 e -1 2 ． 9x1 0 t 滤油器和液压泵组成的串联系统和 电磁溢流阀组 成 了并联环节 ，其可靠度为 R 。 1 [ 1一R ] [ 1 一R d ]e 。 。 。 e - 6 ． 7 一 e -1 9 ． 6 滤油器 、液压泵与 电磁溢流阀组成的并联环节与 油箱 、三位 四通 阀、单 向节流 阀、液压缸组成串联环 节 ，总的可靠度为 t e I 1 m e 州 旷 e 4 h o 1 e - 3 x 1 旷 e 。 圳 e 圳 一e 圳气 4 平 台式 垃圾压块机液压 系统 的可靠度 通过 以上对各操作 进行可靠度计算 后 ，平 台式 垃 圾 压块机 液体 系统总的可靠度 为 t R 。 t R 。 t ， 。 t 2 ． 4 平台式垃圾压块机平均无故障工作时间的计算 1 垃圾 的压缩过程 的平均无故 障工作时 间 通 过建立平 台式 垃圾压块机液 压系统 的可靠性数 学模 型 ，利 用 MA T L A B软 件 进行 模拟 仿 真 ，绘 制 出 平 台式 垃圾 压 块 机液 压 系统 的可 靠 性 曲线 ，其 曲线 如 图 2所 示 。可 以 看出 随 着 工作 时 间 的 不断增 加 ，平 台式 垃 圾 压块机 液 压 系统 的可靠 度先快 速 下 降 ，再 缓 慢 下降 ，而工作时 间越长 ， 可靠度愈小 ，可靠性 越 低 。因此 可知 ，工 作 时 间 的限定 对 液 压 系统 可 靠性起重要作用 。 4结束语 图2 平台式垃圾压块 机液压系统的 可靠 性曲线 依据平 台式垃圾压块机液压 系统 的工作 原理 建立 了可靠性数 学模 型 ，并 且 利用 M A T L A B软件 进 行 了 模拟仿真计算 ，最终获得 了平 台式垃圾压块机液压 系 统 的可靠性 曲线 ，进而得到 了正常工作状态下可靠性 的变化规律 ，以期对该设备在实 际生产应用 中 作寿 命 的 良好把握 。 参考文献 [ 1 ]王守城 ， 容一鸣． 液压与气压传动[ M] ． 北京 E 京大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]王守城 ， 段俊勇． 液压系统 P L C控制实例精解 [ M] ． 北 京 中国电力 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ]郭研， 王海兰， 陶新良． 工程机械液压系统可靠性设计分 析[ J ] ． 起重运输机械， 2 0 0 6 4 4 95 1 ． [ 4 ]牟致忠． 机械可靠性 理论 方法 应用[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ]毕龙． 钻孔组合机床液压系统可靠性分析 [ J ] ． 液压与 气动 ， 2 0 1 1 8 5 65 9 ．