大吨位液压裂管器液压系统可靠性研究.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 l卷 第 9 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1～3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 4 9 大吨位液压裂管器液压系统可靠性研究 吕刚 ，原思聪 ，欧阳恒 1 ．西安建筑科技 大学机 电工程 学院，陕西西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 ．中国兵 器工业第2 0 3研究所，陕西西安 7 1 0 0 6 5 摘要介绍一种大吨位地下管线液压裂管器液压系统的组成和工作原理，并应用可靠性原理针对其液压系统的失效问 题建立了逻辑模型 ，计算出不同工况下的可靠度 ，分析液压系统失效的原因，并提出了提高可靠性的建议。 关键词 液压裂管器 ；液压系统 ；可靠性 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 91 7 93 Re l i a b i l i t y Re s e a r c h o n Hy d r a ul i c Sy s t e m o f He a v y t o n na g e Hy d r a ul i c Pi pe b ur s t e r LV Ga ng ， YUAN S i c o n g ，OUYANG He n g 1 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，X i ’ a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， Xi ’ a l l S h a a n x i 7 1 0 05 5。 Ch i n a； 2 ． N o 2 0 3 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a Or d n a n c e I n d u s t r i e s ．Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 6 5。C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp o s i t i o n a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f h e a v y t o n n a g e h y d r a u l i c p i p e b u r s t e r wh i c h w a s u s e d i n u n d e r g r o u n d p i p e l i n e w e r e i n t r o d u c e d ． F a i l u r e o f h y d r a u l i c s y s t e m wa s a n a l y z e d b y u s i n g t h e r e l i a b i l i t y t h e o r y ， a n d l o g i c mo d e l wa s s e t u p ． O n t h e b a s i s o f l o g i c mo d e l ， h y d r a u l i c s y s t e m r e l i a b i l i t y u n d e r d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s w a s c a l c u l a t e d ． T h e n t h e f a i l u r e r e a s o n s o f h y d r a u l i c s y s t e m w e r e a n a l y z e d ． Th e s u g g e s t i o n s f o r i n c r e a s i n g r e l i a b i l i t y we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p i p e b u r s t e r ； Hy d r a u l i c s y s t e m； Re l i ab i l i t y 大吨位液压裂管器是一种用于地下管线非开挖置 换 的技术装备 。非开挖技术是指利用岩土导 向技术和 定向钻进技术 ，在地表不开挖和地层结构破坏极小的 情况下对各种地下管线进行铺设 、修复或更换的一种 新技术 。该技术具有不影响交通 、不破 坏环境 、施工 周期短、综合成本低、施工安全性好等优点，特别适 合于一些无法进行开挖作业的区域，如穿越闹市区、 文物保护区、公路、铁路、建筑物、河流等。 目前 ，随着环保要求的提高和城镇化的发展 ，液 压裂管器的使用率也逐步提高。因此研究液压裂管器 液压系统的可靠性，对于提高其使用效率、降低维护 成本、延长经济寿命，都具有重大意义。 1 液压裂管器液压 系统介绍 液压裂管器液压系统原理图如图 1 所示，分为 5 个独立 的子系统 主伸缩子系统 、前夹紧子系统 、后 夹紧子 系统 、拧卸子 系统和动力头旋转子 系统 。 液压系统工作时，每一个工作过程都包括两种典 型工况 装杆和卸杆 。下面分别 就这两种典型工况 的动作顺序加 以说 明。 1 一油箱2 一进油滤油器3 - _ 内燃机4 变量柱塞泵s 一齿轮泵 6 一截止阀7 一回油滤油器8 、I t 、l 2 一单向阀9 、l 4 一先导式溢流阀 l O 一压力表 l 3 一先导式减压阀 l 5 、l 6 一调速阀 1 9 一节流阀 2 1 一液压马达1 7 、2 O 、2 2 、2 3 、2 4 ～三位四通手动换向阀2 5 ～液压锁 1 8 、2 6 、2 7 、2 8 一液压缸 图 1 液压裂管器液压系统原理图 收稿 日期 2 0 1 2 0 31 4 基金项目国家十二五科技支撑计划重点项 目子项 目 2 0 1 1 B A J 0 2 B 0 2 - 0 2 ；陕西省科技攻关项 目 2 0 1 1 K 1 0 ． 1 8 ；陕西省教 育厅自然专项 0 9 J K 5 5 9 作者简介吕刚 1 9 7 6 一 ，硕士，讲师，研究方向为机电一体化。Em a i l l g h b a s o h u ． c o m。 1 8 0 机床与液压 第 4 1 卷 1 ． 1 装杆 工 况 操作工将第一根拉杆放人后夹紧装置中，后夹紧 缸 2 7将拉杆一端 的阳螺纹头夹住 ，动力头马达 2 1 正 转 ，动力头上所 带阳螺纹与拉杆另一端所带 阴螺纹 咬 合上紧，动力头旋转子系统压力上升，溢流阀 9溢 流 ，马达 2 1 停止转动。然后后夹紧油缸 2 7松开 ，液 压缸 1 8 前行至最大行程处停 止。前夹紧缸 2 6夹紧拉 杆的阴螺纹头处 ，动力头 马达 2 1 反 转 ，动力头 上所 带 阳螺纹与拉杆阴螺纹脱 离 。动力头 马达 2 l 停 止转 动 ，液压缸 1 8退后至初始位置。 操作工 将第二根 拉杆 放入 后夹 紧装 置 中 ，并 用 手使 第二根拉杆 的阳螺纹 与第 一根 拉杆 的 阴螺纹 旋 合上，动力头 马达 2 1正转 ，待螺纹上 紧后 ，动力 头 马达 2 1停转 ，前夹 紧缸 2 6松开 ，液压 缸 1 8前行 至最大行程处停止，前夹紧缸 2 6夹紧拉杆的阴螺 纹头 处 ，动力 头 马 达 2 1反 转 ，螺 纹 脱 开 。液 压 缸 1 8退后至初 始位置 。操作 工放入第 三根拉 杆 ，重 复 上述 动作 。 1 ． 2卸杆 工 况 当第一 根拉杆拉 出后 ，前后 夹紧 缸分 别夹 紧 相 临两根拉杆 的相临两端头，拧卸缸 2 8正转 ，螺纹 松 开 ，拧卸缸 2 8复位 ，后夹 紧缸 2 7松 开 ，动力 头 马达 2 1反转 直 到 两拉 杆 之 间 的螺 纹 完 全松 开 。然 后后 夹紧缸 2 7夹紧 ，动力头 马 达 2 l 反 转 ，将 第 一 根拉 杆与动力 头之间 的螺纹 连接 松开 ，操作 工 取 出 第 一根拉杆 。 液压 缸 1 8前 行 至最 大 行 程 处 停 止 ，动 力 头 马 达 2 1正转 ，动力 头 上 阳螺 纹 与第 二 根 拉杆 的 阴螺 纹 咬合 上 紧 ，动 力 头 马达 2 l 停 止 转 动 ，前 夹 紧缸 2 6松开，液压缸 1 8退后至初始位置。重复上述动 作。 2 液压系统可靠度计算 由文献[ 3 ]可知液压系统可靠性定义在规 定条件和规定时间内，液压设备无故障地完成规定 功能的概率。而失效率 A t 是指液压设备和液压元 件工作 到某 时刻 尚未 失效 的概 率 。通 过 长时 间的工 程实 践和实 验证 明 在 液压 设 备 的 正常 运行 时期 ， 其失效率 A t 是不随时间而改变的常数。则可靠度 R t 记为 R t e 一 洲 e 1 2 ． 1 液压系统中各元件可靠度的计算 首先要确定各液压元件的平均失效率 A 。 ，它们 都是通过长期实验得 出的数据 ，如表 l 所示 。 表 1 液压 元件在百万小时 内的平均失效率 其次，要确定液压系统的使用环境 ，即环境系数 ，如表 2 所示 。 表 2 液压 系统环境 系数 K 环境条件 环境系数 实验室设备 固定地面设备 活动地面设备 船载设备 飞机设备 导弹设备 最后，根据正常运行阶段中基于指数分布的液压 系统的可靠度预测，即 R t e x p 一K A 。 t 2 就可计算 出液压元件 的可靠度 。 2 ． 2 建立液压系统可靠性的逻辑模型 计算液压系统的可靠度不仅需要知道组成其系统 的各个液压元件 的可靠度 ，还要知道它们之间的组成 形式。 一 般而言 ，液 压 系统 有 4种 组成 形 式 串联 系 统 ；并联系统 ；混联 系统 ；表 决系统 。通过分析 图 1 可知5 个子系统均为串联系统。根据液压裂管器液 压系统的功能和各子系统的相互关 系 ，可建立液压系 统 的可靠性逻辑模型 ，见图 2 。 2 ． 3 液压裂管器液压 系统可靠度计算 在串联液压 系统 中，组成系统 的任何一个液压元 件失效都会使整个液压系统失效。串联系统的可靠度 为 R 。 t R t R t ⋯R t I - I R t 3 式 中R t 为 串联 系统可靠度 ； t 为液压元件可靠度。 将公式 2 代入公式 3 ，并整理得 n A A l A 2 ⋯ A l∑A 4 埘 埘 枷 堋 一 m 2 第 9期 吕刚 等 大吨位液压裂管器液压系统可靠性研究 1 8 1 主 伸缩 子系 统 动 力头 旋转 子 系统 拧 卸 子系 统 前夹 紧 子系统 油箱1 滤 油 器2 发动 机 驱动 泵4 单 向阀l 1 溢流 阀9 调 速 阀l 5 调 速 阀1 6 四通方 向阀1 7 液 压缸1 8 油 箱1 滤油 器2 发 动 机 驱动 泵4 单 向阀l l 溢流 阀9 减 压 阀1 3 节 流 阀1 9 四通方 向阀2 0 液 压 马达2 1 油 箱1 滤 油器2 发 动机 驱 动泵5 单 向 阀1 2 溢 流 阀1 4 四通 方 向 阀2 4 液 压 缸2 8 油箱1 滤油 器2 发动 机 驱动 泵5 单 向阀1 2 溢流 阀1 4 四通方 向阀2 2 液 压锁2 5 液压 缸2 6 图2 液压裂管器液压系统逻辑模型 即串联系统的失效率 A 为 组成 系统各液 压元 件失效 液压裂 管 器 液 压 系统 在 不 同 工况 工 作 时 间 、 率 A 之和。 工作环境下的可靠度如表 3所示。 假设液压裂管器每连续工作 1 0 0 h大修一次，环 表3 不同工况的可靠度 女 压 系 统 正 常 运 行 肘 ’ 各 爪 子 工 作 环 境 系 统 的 可 靠 度 计 算 如 下 。 ～ ⋯工作 1 o 0 b工作 2 o 0 h工作 3 o o h工作4 o 0 h 1 主伸缩子系统 t e x p [一 1 ． 50 ． 3255 ． 78 ． 5 8 ． 5 4 ． 6 0 ． O 0 8 1 0 一 。 1 01 0 0 ] e x p [ 一 3 6 ． 1 0 8 1 1 0 ] 0 ． 9 6 5 2 前夹紧子系统 R 。 t e x p [一 1 ． 5 0 ． 3十 2 5十5 ． 7 4 ． 6 5 0 ． 0 0 8 1 0 一 1 01 0 0 ]e x p[一2 4 ． 1 0 81 1 O 。] 0 ． 9 7 6 3 后夹 紧子 系统 R t e x p [一 1 ． 50 ． 32 5 5 ． 7 4 ． 6 5 0 ． 0 0 8 x 1 0 x 1 01 0 0 ]e x p [一 2 4 ． 1 0 81 1 0 ] 0 ． 9 7 6 4 拧卸子系统 R t e x p [一 1 ． 5 0 ． 3 255 ． 7 4 ． 6 0 ． 0 0 8 1 0 1 0 1 0 0 ] e x p [ 一1 9 ． 1 0 8 1 1 0 一 ] 0 ． 9 8I 5 动力头旋转子系统 R t e x p [一 1 ． 50 ． 3 2 55 ． 7 2 ． 1 4 8 ． 5 4 ． 6 4 ． 3 1 0 一 1 01 0 0 ]e x p [一 3 4 ． 0 4 1 1 0 ] 0 ． 9 6 7 由整机功能及液压系统的顺序动作分析 ，可知这 5 个子系统看似并联 ，实际上是一个 5 - o u t ． o f - 5的表 决 系统 ，在工 程实际中作 为串联系统来计算 。则 液压 裂管器液压系统的可靠度为 R t 0 ． 9 6 50 ． 9 6 70 ． 9 8 10 ． 9 7 60 ． 9 7 6 0 ． 8 7 2 上述计算结果表明，液压裂管器液压系统每连续 工作 1 0 0 h 大修一次 ，则其可靠度为 0 ． 8 7 2 。 由表3可得出结论 液压裂管器工作时间越长 ， 工作环境越恶劣，液压系统的可靠度就越低。 3 可靠性分析 由液压裂管器液压系统的组成 可看 出 主伸缩子 系统 、前夹紧子系统 、后夹 紧子 系统 、拧 卸子 系统 、 动力头旋转子系统密切联系，任何一个子系统失效， 都会导致整个液压系统 的失效 ，从而导致 液压裂 管器 不能正常工作。 为了提高液压系统的可靠性 ，降低维护成本，延 长经济寿命 ，可 以采取 以下措施 1 在理论设计 阶段 ，在满足系统功能的前提 下 ，减少 串联环节 ； 2 选择 质 量 有 保证 的液 压 元 件 。实践 证 明 ， 液压元件 的可靠 性是 影 响液 压系 统可 靠性 的 主要 因 素 ； 3 在加工零件时，要努力提高其加工制造精 度 ； 4 装配时要保证一定的装配精度 ； 5 在控制液压油污染方面采取有力的预防和 控制措施 ； 6 应按要求按时对液压系统进行必要的维护。 4结束语 1 评价一个液压系统的可靠性 ，应以一定的 下转第 1 7 5页 ≯ 第9期 许红 等 管道内检测机器人定位技术研究现状与展望 1 7 5 求非常高 。 3结束语 对国内外管道内检测机器人几种主要定位技术与 方法 的基本原理及优缺 点进行 了分析 ，为得 到更加精 确的定位数据，从里程轮技术 、传感器与通讯技术 、 算法融合 、知识拓展应用4个方面提出了管道内检测 机器人定位技术的发展趋势 ，为进一步研究不同环境 条件下管道 内检测机器人 的定位问题提供参考 和 指导 。 参考文献 【 1 】中国投资咨询网． 2 0 0 9 2 0 1 2年中国管道运输行业投 资分析及前景预测报告[ O L ] ． [ 2 0 0 9 ] h t t p ／ ／ w w w ． o c n ． c o m． c n ／ r e p o r t s ／ 2 0 0 61 3 7 g u a n d a o y u n s ． h t m． 【 2 】 王黎 ， 李著信， 刘书俊． 管道检测机器人管内定位技术的 研究现状[ J ] ． 中国储运 ， 2 0 1 1 8 1 1 71 1 9 ． 【 3 】 M U R A Y A M A R ， M A K I Y A M A S ， M I T U T O S H I K， e t a 1 ． D e - v e l o p me n t o f a n Ul t r a s o n i c I n s p e c t i o n Ro b o t Us i n g a n E l e c t r o ma g n e t i c A c o u s t i c T r a n s d u c e r f o r a L a mb Wa v e a n d a n S H ．- p l a t e Wa v e [ J ] ． U l t r a s o n i c s ， 2 0 0 4 6 8 2 5 8 2 9 ． 【 4 】N E S T L E R O T H J B， D A V I S R J ． A p p l i c a t i o n o f E d d y C u r - r e n t s I nd uc e d b y Pe r ma ne nt Ma g n e t s f o r Pi p e l i n e I ns pe c t i o n l J 1 ． N D T＆E I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 7 ， 4 0 1 7 7 8 4 ． 【 5 】 王朝晖 ， 张来斌， 辛若家， 等． 声发射技术在管道泄漏检 测中的应用[ J ] ． 中国石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 5 8 7 9 0 ． 【 6 】 徐小云， 颜国正， 鄢波． ～种新型管道检测机器人系统 [ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 4 8 1 3 2 51 3 2 7 ． 【 7 】 王殿君 ， 李润平， 黄光明． 管道机器人的研究进展[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 4 1 8 51 8 7 ． 【 8 】陈建军， 匙胜利． 浅析影响管道漏磁腐蚀检测器定位精 度的因素[ J ] ． 管道技术与设备， 2 0 0 2 6 4 2 4 3 ． 【 9 】 宋志东 ， 靳世久， 李一博， 等． 管道内检测器里程轮信号 优选算法的设计与实现 [ J ] ． 管道技术与设备， 2 0 0 6 3 1 21 3 ． 【 1 0 】 邓超． 输油管道机器人的测力定位法研究[ J ] ． 重庆科 技学院学报 自然科学版， 2 0 0 9 4 7 98 2 ． 【 1 1 】 杨廷鸿 ， 苏毅， 但琦 ， 等． 管道检测机器人的测力定位 法理论与方法[ J ] ． 后勤工程学院学报， 2 0 0 8 7 3 5 3 9． 【 1 2 】 李军远 ， 陈宏钧， 张晓华 ， 等． 基于信息融合的管道机器 人定位控制研究 [ J ] ． 控制与决策， 2 0 0 6 6 6 6 1 6 6 5 ． 【 1 3 】雷小军， 付庄， 曹其新 ， 等． 海底管道检测机器人 自主缺 陷定位的模糊控制研究 [ J ] ． 机器人， 2 0 0 5 3 2 5 2 25 5． 【 1 4 】刘刚， 柯映林． 管道机器人全程定位理论和方法研究 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 04 6 6 8 7 6 9 0 。 【 1 5 】王庆峰， 李跃辉 ， 徐建庆． G P S卫星定位技术在埋地管 道腐蚀 检测 中的应用 [ J ] ． 油气 田地 面工程， 2 0 0 3 1 2 3 2 ． 【 1 6 】 孙东昌， 李军远， 张晓华． 基于低频电磁波的管道机器 人定位技术[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 7 5 1 5 91 6 1 ， 1 6 5 ． 【 1 7 】 李军远． 基于超低频电磁波的管道机器人示踪定位技 术研究[ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ． 【 1 8 】 李军远 ， 李盛凤， 陈宏钧 ， 等． 基于磁偶极子模型的管道 机器人定位技术研究[ J ] ． 电波科学学报， 2 0 0 6 8 5 53～5 57． 【 1 9 】 李军远， 李盛凤， 张晓华 ， 等． 基于 N次 K - 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