煤矿坑道钻机液压系统可靠性设计分析 -.pdf

2 0 1 1 年 第 3期 煤炭工程 煤矿坑道 钻机液压 系统 可靠性设计分析 李 栋，王贺剑，王敬 国 中国煤炭科工集 团 西安研究院 ，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要 现代煤矿坑道钻机的工作装置大多采用液压控制技术来 实现 ，因此液压 系统的可靠 } 生直接影响整机的可靠性。应 用 系统 工程理论 ，论述 了对液压 系统进行广义可靠性设计的重要 }生，分析了可靠性及其特征值，并从可靠性设计、维修性设计以及可靠性管理三方面考虑， 提 出 了提 高液压 系统可靠性的有效措施 。 关键词 坑道钻机 ；液压 系统；可靠性；设计分析 中图分类号 T D 4 2 1 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 3 - 0 0 2 3 -03 煤矿用全液压坑道钻机液压系统的可靠性往往对整机的 可靠性有很大的影响，煤矿用坑道钻机液压系统主要是用于 主机 回转器、卡盘、夹持器、给进装置 、操作台、泵站、 行走履带和稳固装置等，因其使用环境的特殊性 ，要求在特 殊的条件下长期反复使用过程中，不出故障或少出故障，处 于正常的工作状态，并能达到预期的作业效果。据统计，煤 炭科学研究总院西安研究院所研制的煤矿用全液压坑道钻机 常见故障超过 7 0 ％的是由于液压系统直接或间接造成的⋯， 如何提高钻机液压系统的可靠性，进一步提高坑道钻机整体 性能 的可靠性水平是一个极具现实意义的课题 。 l 可靠性及其特征值 1 ． 1 广 义可 靠性 机器 、零部件等一般是随着使用时间的增长会产生损 坏或是故障，对于发生故障一般有两种处置方式 ，即废弃 或是修复故障。针对废弃的不可修复零部件而言 ，其可靠 性称为狭义可靠性 ，而可修复系统、机器的可靠性称为广 义可靠性 ] 。绝大多数坑道钻机液压系统属可维修系统。 广义可靠性是指 产 品在这 个 寿命期 内完 成特 定功 能 的 能力，它将可靠性和维修性均包括在内，三者关系为 广义可靠性 狭义可靠性 维修性 1 ． 2有 效度 系统在正常规定的条件下使用，t 时刻正常工作的概率 为 系统 的有效度 ，常记做 A t ，即 A z P{ S t 1 } 有效度描述 设 备在 时刻 t 是 否正 常工 作 的概 率 ，是 广 义可靠性的衡量尺度 。又有瞬时有效度、平均有效度和 稳态有效度之分，对于煤矿坑道钻机来说，最关心的是钻 机长时间使用的有效度 ，故最常用的是稳态有效度，其表 达式为 A ￡ 而 丽 M T B F 1 式 中 MT B F 平 均无故障时 间； Mrr I ’R 平均维修 时间。 煤矿坑道钻机液压 系统故 障维修时间 由三部分组成 检查故障时间、排除故障时间、试机验证时间。有不少是 完全由于偶然的原 因而发生的故障，其故障发生的件数与 尚未发生故障的件数是成正 比的，因此他的寿命和维修时 间都服从指数分布，即 M T BF _ 1； MT T R 一 1 2 式 中A 故 障率 ； 修复率 。 因此有 效度也可 以表示为 A f 1。 由此可以看出，提高液压系统有效度的途径有二一 是提高无故障时间，降低故障率；二是降低维修时间，提 高维修率 。 2 提高液压系统可靠性设计方法 探讨液压系统可靠性设计的内涵是开展有 目的、有计 划研究的前提 ，它包含的内容非常丰富，方案设计、参数 设计 、结 构设计三个 阶段 都要进 行 以提 高可靠 性 为 目的的 实质性 内容 的设 计 。 2 ． 1 方案 设计 方案设计是提高系统固有可靠性 的关键阶段，因为系 统在满足功能要求的前提下。方案拟定阶段最便于设计者 充分发挥主观能动作用，使系统组成最简单 ，其冗余、安 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 8 作者简介李栋 1 9 8 0一 ，男，陕西延安人 ，工程师，国家注册安全工程师，硕士，现在中国煤炭科工集团西安研 究院钻探技术与装备研发中心从事钻探技术研发工作。 23 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1 年 第 3期 全 、抗干扰设计措施 最完 善 ，这 些都 是保证 系统可 靠运行 最敏感的决定性因素 ，可从 以下 方面着手 1 尽可能简化系统结构 ，设法用最少 元器件 、最简单 的方法来实现系统全部 功能要求 。 2 应用先进设 计理论。如应用应力一强度 分布干涉理 论来设计一些零件的相关参数，可有效地延缓疲劳失效的 出现 。 3 零件设计合理选材。如经常夹持、摩擦部位采用高 强韧的耐磨材料 ，油 箱过滤 器采用 过滤性 能好 的材料 ，冷 却器散热好的材料等，均有利于相关元件可靠性的改善。 4 多采用可靠性好的标准化液压元件。只有高可靠度 的元件，才能组成高可靠度的系统，还有利于维修。 5 设法提高系统密封性能和自动净化介质的能力。经 研究发现，液压系统 7 0 ％左右的故障是由于介质污染而引 起的，因此高可靠度的系统必有较高的抗污染能力。 6 进行必要的冗余设计是为应付突发故障，以延长系 统工作寿命为 目的 的设 计 内容 ，对于 系统 中薄 弱环节 和可 靠度要求很高的环节，除考虑增设冗余元器件或子系统的 常规方法外，还可充分发挥元件或回路本身的潜在功能， 利用元件附属功能储备或派生回路冗余储备的方法。 2 ． 2参数 设计 参数设计 阶段的可靠性设计 内容 ，主要包括热设计 、 降额设计和容差设计 等。 2 ． 2 ． 1 热设计 温升是液压系统常见 的一种失效模式。热设计就是总 体方案设计完成后 ，针对液压设备热产生机理与传播方式， 对液压设备的热场分布进行分析研究 ，采用合理的热设计 方法保证液压设备在允许的温度范围内工作，从而提高整 个系统的可靠性。 2 ． 2 ． 2 降额设计 降额设计就是有意识地降低液压元件的使用规范，使 其使用时的工作压力 比其额定压力低，可有效地降低液压 元件的失效概率 ，提高可靠度，延长使用寿命。若超过额 定压力，其失效率急剧上升。 2 ． 2 ． 3 容差设计 容差是从经济角度考虑，合理选择工作点，使元器件 输出性能允许波动 的范 围。容差 设计通 过研究 容差 范围 与 质量成本之间的关系，对质量和成本进行综合平衡。容差 设计在完成系统设计和由参数设计确定 了可控因素的最佳 水平组合后进行，此时各元件 参数 的质量等级较低，参 数波动范围较宽。容差设计的目的是在参数设计阶段确定 的最佳条件的基础上，确定各个参数合适的容差。 容差设计的基本思想如下根据各参数的波动对产品 可靠性 质量特性 贡献 影响 的大小 ，从 经济性 角度考 虑 有无必要对影响 大的参 数给 予较小 的容差 。这样 做 ，一 方 面可以进一步减少质量特性的波动，提高产品的可靠性， 减少质量损失；另一方面，由于提高了元件的质量等级， 2 4 使产品的成本有所提高。因此，容差设计阶段既要考虑进 一 步减少在参数设计后产品仍存在的质量损失，又要考虑 缩小一些元件的容 差将会增 加成 本 ，要权衡 两者 的利弊得 失 ，采取最佳决策。 总之，通过容差设计来确定各参数的最合理的容差， 使总损失 质量与成本之和 达到最佳 最小 。使若干参数 的容差减少需要增加成本，但由此会提高质量，减少功能 波动的损失。因此，要寻找使总损失最小的容差设计方案。 2 ． 3 结 构设计 2 ． 3 ． 1 简化结 构 设一个机械液压 系统是 由单元 组成 的串联结 构 ，当每 个单元都正常工作时系统才能正常工作，其中任一单元失 效，则系统功能失效 ，第 i 个单元的可靠性记为 t ，则 系统的可靠性为 n t I I R t T 可见，串联系统 中，单元数越多，系统可靠性越差， 且 串联系统的可靠性 总是 低于 系统可 靠性最差 的单元 的可 靠性。因此，应该主要注意提高串联系统中可靠性最低单 元的可靠性 ，即注意提高系统中最薄弱单元的可靠性。 设一个机械液压系统是由单元组成的并联结构，其中 任一单元正常工作系统就能正常工作，只有当这个单元都 失效时系统才失效，第 i 个单元的可靠性记为 R t ，则系 统 的可靠性为 R t 1 一几[ 1 一 R ￡ ] T 可见，并联系统中随着单元的增多，系统的可靠度增 大。可靠性大于单元 中可靠性最大的值，但是并联系统单 元数多，各单元对提高系统可靠的贡献程度下降，且系统 的机构尺寸大 ，重量 及造价 都高 。在煤 矿坑道 钻机液 压系 统 中并联单元 数并不 多 ，例如在 动力 装置 、安全 装置 、制 动装置、夹持装置采用并联时，常取 值为 2或 3 。目前， 大部分煤矿坑道钻机采用串并联设计方式 ，如 图 l ，在重要 的子系统采用具有相同功能的几个单位，避免一个单元失 效而使整个系统失效。 图 1 系统逻辑框 图 2 ． 3 ． 2 集成化设计 目前液压技术 中较多 的采用 无管 连接。一种是 板式 连 接，另一种是集成 回路。集成 回路中元件安装方式又有集 成块式、叠加式、复合式等多种 ，它们的通路均不用管道 连接，而且已走向标准化。这样使液压系统的可靠性有较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 3期 煤炭工程 大的提高。 2 ． 3 ． 3 人 机工程设计 钻机液压系 统 的失 效有 很 大一 部 分 是 是人 为 造 成 的 ， 而出现 人为差错 的主要 原 因是液 压系 统设计 不合 理 ，这就 要求将人 的特性 放在 与设 备完 全相 同的地位 上来 考虑 ，也 就是要进行 人机 工程 设计 。具 体 的说 ，就 是要根 据人 的生 理 、心理等特点，设计人操作最省力 、不容易发生差错的 液压系统 ，同时系统的显示装置和作业空间的布置应符合 人们的要求。 2 ． 3 ． 4 抗干扰设计 抗干扰设计是针对系统复杂的工作状态和环境干扰而 采取 的防备措 施设 计 。包 括考 虑负 载效应 、环境 防护 等方 面 的外干扰 ，和 考虑 关联 效应 、藕 合效 应影 响 的 内干 扰两 个方面。负载效应是指使设备使用工况和负载变化对系统 的直接干扰；环境防护是使电源、磁场、温度 、湿度 、粉 尘、冲击、振动等等影响降到系统能够承受水平的防护技 术。关联效应是由元器件动作和性能之间的相关牵连影响， 造成额外能量或信息流动所导致的附加物理效果。当若干 个动作在 时间上错 开或改 进 回路 连接方 式 时 ，这种效 果 就 可以消除或变得 无关 紧要 。如 多缸 系统 的 防扰 、潜 回路分 析等都属关联设计内容。藕合效应是一种动态效应 ，主要 指控制信号若与某些干扰 因素重合 ，形成能量交换闭合回 路 ，就会造成 反常 的不利 后果 。如管 系 的谐振 、液动 力 的 内反馈作用等均属常见的藕合效应现象。尽量事先防止它 们的 出现或影 响，亦是抗扰设计 应包含 的内容 。 结构设计阶段还包括外购配套件的验收和筛选、制造 可靠性的保证等。系统的可靠性依赖于各子系统和构成部 分的可靠性，因此要根据煤矿坑道钻机系统的结构，基于 每个系统和部件的可靠性 ，求 出系统的可靠性系数，液压 系统 是总系统可靠性关键系数 。 3 提高液压 系统维修性设计方法 对于可维修设 备 和系 统 ，如果 不考 虑其 维修性 设 计就 无法谈论其可靠性问题。由于受技术水平和成本等因素限 制，任何产品的可靠度都不可能无止境地提高，液压系统 自不例外。要提高系统的有效度，切不可忽视维修性设计 。 有时，因维修性问题考虑不周，一年问所需要 的维修费用 可达设备费用 的十倍 以上 。因此 ，对维修 性 的设计 是一 个 非 常重要 的问题。坑 道钻机 液压 系统 维修 性设 计 的 目的是 在系统设计 过程 中充分 考虑 维修 的难 易问 题 ，设法 使 系统 发生故障后，便于查找、易于修复。具体说来 ，液压系统 维修性设计应涵盖以下几方面 ① 多选用互换性好的标准 化零部件 ；②各部件均应易于拆装 ，装配配对处应易于识 别。③易于出故障的部位附近 ，应有足够的检测空间和维 修空间，维修某一部件时，最好能不拆或少拆其他零部件； ④提高系统故障的可检测性 ；⑤设计或选用智能化故障检 测报警装置，可靠 的智能装置可大大提高系统故 障检测 、 维修效率，大幅缩短维修时间；⑥进行防错设计 ；⑦在系 统中存在危险因素的部位均应有安全保护装置和措施 ，并 在相应位置设明显的警告标 ；⑧维修工具标准化、通用化。 4 提高液压系统可靠性管理 对于煤矿坑道钻机使用的特殊性，除了进行质量管理 外，还必须进行 可靠性管理。在某些工程液压设备 中，过 去对可靠性的重要性认识不足 ，只抓产品的技术性能指标， 疏忽了可靠性管理，结果花了很长时间质量仍达不到预期 效果。因此，加强管理，应用专人 、专机 、专检 、专料的 方法。提高液压系统的可靠性需要投入很大的人力 、物力， 但是 如果能认 真加 强可 靠性 管理 ，总的成 本反 而 降低 。一 般来说，产品可靠性要求高，投资费用就会高，而维修费 用便降低。产品可靠性与成本的关系如图2所示。 图 2 可靠性与成本 的关系 5结语 影响煤矿坑道钻机液压系统的有效度 的关键环节是广 义可靠度 的设计 ，要使系统具有 高有效度，可靠性设计、 维修性设计和必要的可靠性管理都应该得到充分的重视。 盲 目追求系统的高可靠度是不经济、不科学的，甚至是不 可行 的。应在研发 和生 产 中对煤 矿坑 道钻 机系统 各子 系统 和零部件的结构进行优化调整，具体分析各系统的重要性 、 性能的要求和费用指标等，以确定合理的可靠性设计，然 后通过维修性设计提高维修度，加以科学的可靠性管理这 一 途 径来使系统达 到预期 的有效度 。 参考文献 [ 1 ] 王贺剑 ，李 栋 ，刘庆修．提高坑道钻机液压系统可靠性方法 浅析 [ J ] ．煤 炭工 程，2 0 0 9 ， 4 9 7 9 9 ． [ 2 ] 刘惟 信．机 械可靠 性设 计 [ M] ．北京 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 6． [ 3 ] 芮延年 ，傅戈雁．现代 可靠性设 计 [ M] ．北京 国防工业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 4 ] 雷 天 觉． 液 压工 程 手 册 [ M] ．北 京 机 械 工业 出版 社 ， 1 9 9 0． [ 5 ] 鲁建平 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