煤矿坑道钻机液压系统可维修性设计研究.pdf
2 0 1 2年 2月 第 4 0卷 第 3期 机床与液压 MAC HI NE T OOL & HYDRAUL I C S F e b.2 0 1 2 Vo 1 . 4 0 No . 3 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 2 , 0 3 . 0 4 7 煤矿坑道钻机液压系统可维修性设计研究 李栋 中煤科工集团西安研 究院,陕西西安 7 1 0 0 7 7 摘要为提高煤矿坑道钻机液压系统的可维修性,根据其故障的隐蔽性、交错性、随机性、分散性等特点,分析影响 液压系统可维修性的主要因素,提出可维修性的设计准则,给出维修时间的分类和概率分布,建立煤矿坑道钻机液压系统 可维修性设计流程,对提高煤矿坑道钻机液压系统的可维修性设计水平具有实际应用价值。 关键词煤矿;坑道钻机;液压系统;可维修性 中图分类号T D 4 1 ;T H1 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 31 7 0 5 Re s e a r c h o n M a i n t a i n a b i l i t y De s i g n o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Co a l M ll e T u n n e l Ri g L I Do n g X i ’ a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p C o r p o r a t i o n , X i ’ a l l S h a a n x i 7 1 0 0 7 7 .C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o i m p wv e m a i n t a i n a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m o f c o a l m i n e tu n n e l d r i l l i n g m a c h i n e ,t h e ma j o r h c t o rs i n f l u - e n c i n gma i n t a i n abi l i t y o fh y d r a u l i c s y s t e mwe 弛 a n a l y z e d a n dd e s i g n c r i t e r i aof ma i n t a i n abi l i t ywa s e s t abl i s h ed ,b a s e d o n d i s p e r s i b i l i t y, r a n d o mn e s s ,i n t e r l a c i n g and c o n c e alme n t o f the f a u l t .C l a s s i fi c a t i o n a n d p r o b a b i l i ty d i s t r i b u t i o n o f ma i n t e n a n c e t i me w e r e o b t a i n e d .B y f o u n d i n g main t a i n abi l i t y d e s i g n fl o w o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m,t h e r e s u l t s b e a r s a p p l i c a t i o n v alu e t h a t C a l l i mp mv e ma i n t ain ab i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m o f c o al mi n e t u n n e l d r i l l i n g r i g . Ke y wo r d sC o al mi n e;T u nn e l n g ;Hy d r a u l i c s y s t e m;Main tai n abi l i t y 煤矿坑道钻机是现代煤矿安全高效生产的必备设 备 。现代液压技术具有结构简单 、工作平稳、控制 方便、调控范围大等特点,在煤矿坑道钻机上得到了 广泛的应用。中国煤炭科工集团西安研究院研制的系 列全液压坑道钻机被广泛应用于煤矿瓦斯抽采钻孔施 工中,并在行业内占据了领先地位。现代液压产品采 用了大量的电子测控元件,煤矿用全液压坑道钻机液 压系统也趋于复杂化 ,这一方面提高了系统的性能, 另一方面相对降低了液压系统的维修性。煤矿坑道钻 机多为井下作业,由于其作业环境恶劣、作业时间 长 ,故障相对比较频繁 。因维修空间的限制和维 修时间的要求 ,很多设备、部件的更换、修理都需要 把修理件和工具从井下运到地面。这样不但增加了维 修难度 ,还影响了生产,造成的经济损失巨大。如何 在较短的时间内,采用较少的维修资源,方便快速地 恢复设备的原有功能 ,一直以来都是一个值得探讨的 问题。 关于可维修性,学者们已进行了大量 的研究工 作,并在飞机 、载人航天器、潜艇等领域得到了应 用,取得了一定的效果 。但坑道钻机液压系统的 故障具有隐蔽性、交错性、随机性、分散性等特点 , 目前对煤矿坑道钻机液压系统可维修性的研究还不够 深入。作者从设计上探讨提高设备维修性的新途径 , 研究维修性设计 ,把维修活动纳入产品设计过程,通 过设计满足设备未来使用过程 中故障诊断和维修简 单、迅速、方便的要求,以提高液压系统的性能,满 足用户设备使用的实际要求。 1 液压 系统的可维修性 1 . 1 维修与可维修性 维修是使产品保持或恢复到规定状态所进行的全 部活动 。根据维修 目的与维修管理方式,维修通 常可以分为事后维修和预防维修。事后维修又称恢复 维修,是产品发生故障后,使其恢复到规定状态所进 行的全部活动,包括故障定位、故障隔离、分解、更 换、装配、调整及检测等维修事项中的一项或几项活 动;预防维修是指依据一定的规程 ,通过对设备进行 系统检查、检测,如果发现故障征兆,就采取相应措 施以防止设备发生故障,从而使设备保持规定状态所 进行的全部活动,包括操作人员的润滑、监控,专业 维修人员的定期检查、定期维修和更换等工作。 收稿日期 2 0 1 1 一 O 1 1 1 作者简介李栋 1 9 8 O 一 ,男,硕士,工程师,国家注册安全工程师,从事钻探技术与装备研发工作。Em a i l l i s ane r 1 6 3 . c o m。 第 3期 李栋煤矿坑道钻机液压系统可维修性设计研究 1 7 1 可维修性是与维修关系最为密切的产品质量特 性,是指按规定的程序和方法,在特定条件下和规定 时间内,对设备进行维修恢复其规定功能、状态的能 力 。可维修性是产品设计过程所赋予的使其维修 简便 、迅速和经济的一种固有特性,它取决于产品的 总体结构、零部件的安装和拆卸及其空间配置等方 面。重要程度或先进程度不同的设备,可维修性所包 含的内容以及对可维修性的要求也有所不同。结构简 单、功能单一 的设备,只要求局部 、低级的可维修 性,对于这类产品,只需保证维修活动能按一定程序 找出错误并替换损坏元件即可;自动化程度高、连续 作业的设备,必须通过可靠性测评,在设计时,优先 满足易损零、部件维修性,进而保证整个设备的可靠 性。这就需要在产品设计阶段进行可维修性研究,尽 量减少维修时间,降低停机损失和维修费用。 1 . 2 影响液压 系统可维修性的主要 因素 设备的可维修性受到诸多因素的影响,如工作地 点、环境、维修条件以及使用资源等。对于煤矿坑道 钻探液压系统,其主要影响因素有以下 3点 1 液压设备的可达性 可达性是影响煤矿坑道钻机液压系统维修性的重 要因素。可达性不 良时,会造成检查、维修困难,延 长检修时间,降低液压设备的可用性。对于煤矿坑道 钻机 ,可达性主要包括外部可达性和内部可达性。外 部可达性决定于安装场所空间情况和液压系统各个模 块的布局设计 ,在设备整体布局设计时,要考虑维修 人员进行检查维修时的姿势以及维修人员对机器进行 维修时,安装拆卸部件、元件 、管路可能需要的空 间。液压设备的内部可达性取决于液压设备的内部结 构。在传统设计理念中有许多认识上的误区,如过分 强调管路布置的美观性 ,使油管以相近的曲率在设备 的表面或空间整齐排列 ,这不仅增加了管路的长度以 及能量损失 ,也导致了管路维修时检查、拆装的不 便 ,降低了可达性。有时因过多考虑液压设备外观 , 而使各个控制模块布局不尽合理,这给液压系统的可 达性造成了较大影响。因此 ,在液压系统设计时,必 须综合考虑各种因素 ,实现可达性的最佳分配。 2 液压系统的可操作性 可达性关系到系统维修时的空间布局,而可操作 性则是与维修时具体的操作相关 ,直接关系到维修的 方便、快捷。应该充分考虑人的生理特点 ,零部件的 结构应便于人手的抓握,所需操作力应在人的体力限 度 内,还应有利于提高人的劳动效率。比如旋钮的尺 寸大小应根据操作时使用手指和手的部位来确定,旋 钮直径应 以保证动作的速度和准确性为前 提进行设 计。通常旋钮的尺寸是按操纵力来确定的,尺寸太大 或太小,都会使操作者感到不适 ,具体尺寸可参考图 1 。在设计系统的结构时,应尽量简化结构 ,采用 组装式或移出式结构 ,在维修时不需将整个部件卸 下 ,而只需移出来 ,就能进行维修作业。另外,对于 操纵系统的设计 ,也要尽量符合人的习惯,如开关向 上为开通 、工作等。 a 5 1 0 N b 1 . 5 - 1 0 0 N c 2 2 O N d 2 . 5 - 2 5 N e 最佳5 2 0 N, f 最 佳3 0 5 1 N, 最大5 1 N 最大1 0 2 N 图 1 旋钮的操纵力和适宜的尺寸 m l n 3 液压系统的测试诊断性 测试是指为确定产品或系统的性能、特性、适用 性或能否正常有效地工作 ,以及查找故障原因及部位 所采取的措施及操作过程或活动。而诊断是指使用硬 件、软件和有关文件规定的方法 ,确定系统或设备故 障、查明其原因的技术和进行的操作。液压系统的测 试诊断 性 能测试、故障诊断是否正确、快速、 简便 ,对系统的维修具有重大影响,尤其是随着系统 的日趋复杂 ,它已成为维修工作的关键问题。 2 煤矿坑道钻机液压系统故障的特点 液压故障是指液压元件或系统丧失了应达到的功 能及出现问题的情形。对于煤矿坑道钻机,丧失功能 包括 3种情况 1 完全丧失功能。指发生破坏性 故障,如泵轴扭断、电磁铁烧坏 ; 2 功能降低。 发生功能性故障,如泵容积效率下降、液压缸速度减 慢 ; 3 误操作,指错误操作或装配所引起的故障。 而出现问题则主要是指液压系统的噪声和振动,如溢 流阀泄压时的高频振动声、液压冲击引起的振动与噪 声等。与一般的机构或电气故障相比,煤矿坑道钻机 液压系统故障具有以下特点 2 . 1隐蔽性 钻机液压系统的故障往往发生于系统内部,由于 不便装拆,现场检测条件有限,难以直接观测 ,如各 类泵、阀、液压马达、液压缸等。由于表面的症状个 数有限,加上随机性 因素的影 响,故障分析也很 困 难,如大型液压阀板内部孔系纵横交错,一旦出现串 通或堵塞,液压系统就会出现严重失调,寻找故障点 1 7 2 机床与液压 第 4 o卷 难度很大 。 2 . 2交错性 液压系统的故障,其症状与原因之间存在重叠与 交错。一个症状可能由多种原因引起 ,如执行元件的 速度慢 ,可能的原因有负载过大、执行元件本身磨 损 、导轨误差过大、系统内存在泄漏 口、调压系统故 障、调速系统故障等。一个故障源也可能引起多处症 状 ,如液压泵内部损坏或磨损后 ,会出现压力波动增 大和噪声增大等故障。一个症状也可能是由多个故障 源叠加起来形成的,如泵 、换向阀和液压缸均处于磨 损状态时,系统的效率有较大幅度的下降,当逐一更 换这些元件,系统效率也逐步提高。 2 . 3随机性 液压系统在运行过程中,受到各种随机因素的影 响,如电网电压的变化、环境温度的变化、设备工作 任务的变化、操作人员误操作等;外界污染物的侵入 也是随机性的。由于诸如此类的随机因素,故障具体 发生的变化方向更不确定,会造成判断与定量分析的 困难 。 2 . 4分散性 由于设计、加工材料及应用环境的差异 ,液压元 件的磨损劣化速度相差很大,液压元件的实际使用寿 命分散严重。一般的液压元件寿命标准在实际应用现 场很难应用,只有对具体的液压设备与液压元件确定 具体的磨损评价标准,这又需要积累长期的运行数 据。 3 煤矿钻机液压系统的可维修性设计 3 . 1 维修性分析 维修性分析可以为确定维修性设计准则提供依 据。只有根据产品的维修性要求和设计约束进行维修 性分析,才能恰当地确定维修性设计准则。通过维修 性分析,可以确定产品维修时的定性要求,如 产品 的互换性、标准化程度、可达距离、操作空间等。常 用的维修性分析方法有故障模式及影响分析、寿命周 期费用分析等。通过故障模式及影响分析,确定可能 的故障模式、故障产生原因及故障可能产生的后果 , 在此基础上确定维修性设计要求,如故障指示器的确 定和设计、测试点的布置、故障诊断方案等。故障模 式及影响分析的深度和范围,取决于各维修级别上规 定的维修性要求和产品的复杂程度与类别;寿命周期 费用是指在液压产品的整个生命周期内,为保障产品 的正常运行所花费的费用总和。寿命周期费用是产品 方案设计和详细过程中最主要的决策参数,几乎任何 一 种液压产品的开发或改进设计过程中的小小决策, 都会对寿命周期费用产生影响,产品的维修性设计对 液压设备寿命周期费用的影响不言而喻。产品良好的 可达性会增加设计和制造费用,但可以减少维修费 用m 。总费用 寿命周期费用 、设计费用、维修费 用与可达性的关系如图2所示。可达性指标决策的主 要变量就是寿命周期费用。 * 镁 图2 可达性与成本的关系 3 . 2 时间因素及维修 时间的分布 时间是影响维修性的主要因素之一 ,因此要研究 系统或设备的时间因素 ,尤其是维修作业时间的分 布,从而得到最佳的维修度。图3给出了煤矿坑道钻 机的时间分类。 匦 孛 圃 I可能工作时间 I l 不可能工作时间I I I 匝 0 匦I堕 I 堡 旦 堕I 刨 堕 剧 l堡 茎 堕 I堕 茎 堕 I哑 I I 盛 时间I 检查 I 同厨 i 夏 爵I闻I I 遁{ 袅 时I间 8 验证 I 时间 消 j 面I 丽 l 图3 煤矿坑道钻机的时间分类 为了确定维修性的特征量,需要知道维修时间的 分布类型。由于影响维修的因素不同,维修的类型和 方式也不一样。常见的维修时间分布有正态分布、对 数正态分布、指数分布、威 布尔分布 和伽 玛分布 等㈣ 。 3 . 3 可维修性设计准则 可维修性设计准则是为了将产品的维修性要求 、 使用和保障约束转化为具体的产品设计要求而确定的 通用或专用设计准则 ,是设计人员在液压产品可维修 性设计时应遵循和采纳的具体原则。确定可维修性设 计准则是液压系统可维修设计中的重要工作,也是可 维修性设计分析过程的主要内容 。煤矿坑道钻机液 压系统可维修性设计的一般准则如表 1 所示。 第 3期 李栋煤矿坑道钻机液压系统可维修性设计研究 1 7 3 表 1 煤矿坑道钻机液压系统可维修性设计准则 一 般原则 可维修性设计内容 1 尽可能交换 、 合并产品功能 , 采用最简单的结构和外形; 简 化 设 计 ; 营 降 低 使 用 和 维 修 的 技 术 难 度 ; 4 简化维修人员的工作, 降低对维修人员的技能要求 一⋯. . 2 对于易损液压元件的拆装要简便, 检查或维修任一部分时尽量做到不拆卸、 不移动或少 ■ 拆卸、 少移动其他部分; ⋯ ’ 3 系统的检查点、 测试点和需要调整参数的元件等应布置在便于接近的位置上; 1 最大限度地采用标准化的装置、 元器件、 零部件和工具, 并尽量减少其品种; 标准化、 2 工作寿命长、 参数不需要经常调试的部分, 尽可能标准化、 集成化 、 模块化; 集成化、 3 集成元件通用性、 互换性好 , 可优先采用 ; 模块化设计 4 系统中故障率高、 容易损坏的控制部分 , 应按功能设计成具有独立功能的模块 , 便于单 独进行测试和互换, 互换后不需再调整模块的大小和质量 , 应便于拆装、 携带 防差错和 1 外形相近而功能不同的零部件、 重要连接部件和安装时容易发生差错的零部件, 应从结 识别标志 构上加以区别或有明显的识别标记; 的设计 2 产品上应有必要的防止差错、 提高维修效率的标记 1 要求系统的测试原理、 测试方式合理, 数据显示形象直观, 测试点设置完善、 合理; 2 应用计算机测控技术, 对液压系统进行在线监测, 了解液压系统内部各元件在系统运行 测试诊 过程中的技术状态, 对元件某些参数 如压力、 流量、 温度、 转速等 进行监测 , 以判断性能正 断设计 常否 , 进而对元件的工作状态做出准确估计; 3 对系统中主要元件 如电机、 液压泵、 换向阀、 压力阀以及过滤装置等 的工作状态进行 监测 , 对潜在故障进行预报, 防止元件突然失效导致系统故障 ⋯⋯ 1 按照使用和维修时人员所处的位置与使用工具的状态, 并根据人体的量度, 提供适当的 ■ 操作空间, 使维修人员 有比 较合理的姿态, 避免以容易疲劳或致伤的 姿态进 行操作; ⋯ 2 噪声不允许超过规定标准, 维修部位需有适度的照明 3 . 4 煤矿钻探可维修性设计流程 在市场竞争的压力下,产品设计 由以技术为中心 发展到以用户为中心,设计活动更重视用户的需求, 可维修性设计是面向设计对象的使用者最终用户 的,可维修性设计理应是液压产品设计工作中的重要 组成部分。虽然可维修性设计有其特定的工作内容、 工作程序及方法 ,但是在产品的设计过程中,维修性 设计与产品设计是紧密关联 的,需要进行必要的协 调 ,减少或避免由于技术上不协调导致设计返工而造 成的人力、物力的浪费。以团队协作为主要特点的并 行设计方法已为众多制造企业所接受,在产品开发团 队中引入专业维修技术人员,将维修要求渗入到设计 活动中,将大大提高设计产品的维修性 ,同步提高液 压产品的设计质量。可维修性设计流程图如图 4所 示 。 图4 可维修性设计流程图 可维修性设计时,首先在设计要求的规范下 ,进 行维修性规划。可维修性规划就是对产品在整个生命 周期内如何提供维修保障来保证产品的正常工作加以 1 7 4 机床与液压 第 4 o卷 详细说明,它是规划整个产品设计方案时要考虑的内 容,也是可维修性设计的依据;根据设计要求和维修 性规划,即可建立维修性模型,从而确定设计方案; 在指定维修性设计方案时,既要考虑产品的技术创 新,又要充分考虑从销售和维修服务部门得到的用户 反馈信息。维修性设计方案为相应的设计者提供维修 性设计方面的技术要求,与维修性有关的各零部件的 定性和定量的数据资料及有关信息;参照维修性设计 准则,进行液压系统的最佳可达性设计和详细设计, 以及液压产品中元件、部件、结构的选择,完成对产 品维修性的定性和定量分析,以确保产品的维修性要 求;根据需要,利用特定的模型或其他设计手段 ,比 如通过计算机模拟进行维修性验证与评价,以确定最 合适的设计方案。整个设计流程充分考虑了用户需求 和意见,产品设计各阶段的信息能够顺畅有序流通, 可以保证产品设计和维修性设计工作协调地进行。 4结语 系统的可维修性直接影响设备生命周期费用,可 维修性已成为用户衡量液压产品质量和选择产品的一 项重要标准。实行可维修性设计着眼于用户产品使用 中维修的经济性,目的是获取潜在的、长期的经济和 社会效益。可维修性设计虽然会使设计成本有所增 加,但较之在产品开始生产之后,甚至在用户使用过 程中发现维修性问题 ,再对设计进行修改而带来经济 损失和声誉损失 ,仍然是相当经济的。 随着可维修性地位的不断提高,可维修性设计已 成为整个煤矿坑道钻机研制阶段不可缺少的环节。但 目前可维修性设计技术仍处于较低水平 ,应从制度、 标准、理论和实践出发 ,提高可维修性设计的实际应 用价值,切实发挥可维修性设计的作用 ,提高煤矿坑 道钻机液压系统的维修效率,确保煤矿安全高效生 产。 参考文献 【 1 】申宝宏, 刘见中, 张弘. 我国煤矿瓦斯治理的技术对策 [ J ] . 煤炭学报, 2 0 0 7 7 6 7 3~ 6 7 9 . 【 2 】 李栋, 王贺剑 , 王敬国. 煤矿坑道钻机液压系统可靠性设 计分析[ J ] . 煤炭工程, 2 0 1 1 3 2 3 2 5 . 【 3 】 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 . 【 4 】 张磊, 周继锋, 张强. 复杂机械产品维修性特点分析 [ J ] . 舰船电子工程, 2 0 1 0 , 3 0 5 1 5 1 1 5 4 . 【 5 】 甘传付, 林干, 牛中兴, 等. 大型装备可靠性维修性 F M E - C A开展方法研究[ J ] . 现代雷达, 2 0 0 8 , 3 0 7 3 3 3 5 . 【 6 】 尹庚吉. 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