1、2011年第3期 煤 炭 工 程 設(shè)計(jì)技術(shù)煤礦坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析李 棟,王賀劍,王敬國(guó)(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院,陜西西安 710077)摘 要:現(xiàn)代煤礦坑道鉆機(jī)的工作裝置大多采用液壓控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),因此液壓系統(tǒng)的可靠性直接影響整機(jī)的可靠性。應(yīng)用系統(tǒng)工程理論,論述了對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行廣義可靠性設(shè)計(jì)的重要性,分析了可靠性及其特征值,并從可靠性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)以及可靠性管理三方面考慮,提出了提高液壓系統(tǒng)可靠性的有效措施。關(guān)鍵詞:坑道鉆機(jī);液壓系統(tǒng);可靠性;設(shè)計(jì)分析中圖分類(lèi)號(hào):TD421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-0959(2011)03 0023 03煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)液壓系

2、統(tǒng)的可靠性往往對(duì)整機(jī)的可靠性有很大的影響,煤礦用坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要是用于主機(jī)(回轉(zhuǎn)器、卡盤(pán)、夾持器、給進(jìn)裝置)、操作臺(tái)、泵站、行走履帶和穩(wěn)固裝置等,因其使用環(huán)境的特殊性,要求在特殊的條件下長(zhǎng)期反復(fù)使用過(guò)程中,不出故障或少出故障,處于正常的工作狀態(tài),并能達(dá)到預(yù)期的作業(yè)效果。據(jù)統(tǒng)計(jì),煤炭科學(xué)研究總院西安研究院所研制的煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)常見(jiàn)故障超過(guò)70%的是由于液壓系統(tǒng)直接或間接造成的1,如何提高鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)一步提高坑道鉆機(jī)整體性能的可靠性水平是一個(gè)極具現(xiàn)實(shí)意義的課題。達(dá)式為:A(t)=MTBFMTBF+MTTR(1)式中 MTBF 平均無(wú)故障時(shí)間;MTTR 平均維修時(shí)間。煤礦坑道鉆

3、機(jī)液壓系統(tǒng)故障維修時(shí)間由三部分組成:檢查故障時(shí)間、排除故障時(shí)間、試機(jī)驗(yàn)證時(shí)間。有不少是完全由于偶然的原因而發(fā)生的故障,其故障發(fā)生的件數(shù)與尚未發(fā)生故障的件數(shù)是成正比的,因此他的壽命和維修時(shí)間都服從指數(shù)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(jī)器、零部件等一般是隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生損壞或是故障,對(duì)于發(fā)生故障一般有兩種處置方式,即廢棄或是修復(fù)故障。針對(duì)廢棄的不可修復(fù)零部件而言,其可靠性稱(chēng)為狹義可靠性,而可修復(fù)系統(tǒng)、機(jī)器的可靠性稱(chēng)為廣義可靠性2,3。絕大多數(shù)坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)屬可維修系統(tǒng)。廣義可靠性是指產(chǎn)品在這個(gè)壽命期內(nèi)完成特定功能的能力,它將可

4、靠性和維修性均包括在內(nèi),三者關(guān)系為:廣義可靠性=狹義可靠性+維修性修復(fù)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(tǒng)有效度的途徑有二:一是提高無(wú)故障時(shí)間,降低故障率;二是降低維修時(shí)間,提高維修率。2 提高液壓系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法探討液壓系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)涵是開(kāi)展有目的、有計(jì)1 2 有效度系統(tǒng)在正常規(guī)定的條件下使用,為系統(tǒng)的有效度,常記做A(t),即:A(t)=PS(t)=1有效度描述設(shè)備在時(shí)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(shí)有效度、平均有效度和穩(wěn)態(tài)有效度之分,對(duì)于煤礦坑道鉆機(jī)來(lái)說(shuō),最關(guān)心的是鉆機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用的有效度,故最常用的是穩(wěn)態(tài)有效度,其表 收稿日期:

5、2010-08-08t時(shí)刻正常工作的概率劃研究的前提,它包含的內(nèi)容非常豐富,方案設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)階段都要進(jìn)行以提高可靠性為目的的實(shí)質(zhì)性?xún)?nèi)容的設(shè)計(jì)。2 1 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)是提高系統(tǒng)固有可靠性的關(guān)鍵階段,因?yàn)橄到y(tǒng)在滿(mǎn)足功能要求的前提下,方案擬定階段最便于設(shè)計(jì)者充分發(fā)揮主觀能動(dòng)作用,使系統(tǒng)組成最簡(jiǎn)單,其冗余、安作者簡(jiǎn)介:李 棟(1980-),男,陜西延安人,工程師,國(guó)家注冊(cè)安全工程師,碩士,現(xiàn)在中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院鉆探技術(shù)與裝備研發(fā)中心從事鉆探技術(shù)研發(fā)工作。設(shè)計(jì)技術(shù) 煤 炭 工 程 2011年第3期全、抗干擾設(shè)計(jì)措施最完善,這些都是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行最敏感的決定性因素,可從以下方面

6、著手:1)盡可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)法用最少元器件、最簡(jiǎn)單的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全部功能要求。2)應(yīng)用先進(jìn)設(shè)計(jì)理論。如應(yīng)用應(yīng)力 強(qiáng)度分布干涉理論來(lái)設(shè)計(jì)一些零件的相關(guān)參數(shù),可有效地延緩疲勞失效的出現(xiàn)。3)零件設(shè)計(jì)合理選材。如經(jīng)常夾持、摩擦部位采用高強(qiáng)韌的耐磨材料,油箱過(guò)濾器采用過(guò)濾性能好的材料,冷卻器散熱好的材料等,均有利于相關(guān)元件可靠性的改善。4)多采用可靠性好的標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng),還有利于維修。5)設(shè)法提高系統(tǒng)密封性能和自動(dòng)凈化介質(zhì)的能力。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),液壓系統(tǒng)70%左右的故障是由于介質(zhì)污染而引起的,因此高可靠度的系統(tǒng)必有較高的抗污染能力。6)進(jìn)行必要的冗余設(shè)計(jì)是

7、為應(yīng)付突發(fā)故障,以延長(zhǎng)系統(tǒng)工作壽命為目的的設(shè)計(jì)內(nèi)容,對(duì)于系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)和可靠度要求很高的環(huán)節(jié),除考慮增設(shè)冗余元器件或子系統(tǒng)的常規(guī)方法外,還可充分發(fā)揮元件或回路本身的潛在功能,利用元件附屬功能儲(chǔ)備或派生回路冗余儲(chǔ)備的方法。使產(chǎn)品的成本有所提高。因此,容差設(shè)計(jì)階段既要考慮進(jìn)一步減少在參數(shù)設(shè)計(jì)后產(chǎn)品仍存在的質(zhì)量損失,又要考慮縮小一些元件的容差將會(huì)增加成本,要權(quán)衡兩者的利弊得失,采取最佳決策。總之,通過(guò)容差設(shè)計(jì)來(lái)確定各參數(shù)的最合理的容差,使總損失(質(zhì)量與成本之和)達(dá)到最佳(最小)。使若干參數(shù)的容差減少需要增加成本,但由此會(huì)提高質(zhì)量,減少功能波動(dòng)的損失。因此,要尋找使總損失最小的容差設(shè)計(jì)方案。2 3 結(jié)

8、構(gòu)設(shè)計(jì)2 3 1 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)設(shè)一個(gè)機(jī)械液壓系統(tǒng)是由單元組成的串聯(lián)結(jié)構(gòu),當(dāng)每個(gè)單元都正常工作時(shí)系統(tǒng)才能正常工作,其中任一單元失效,則系統(tǒng)功能失效,第i個(gè)單元的可靠性記為Ri(t),則系統(tǒng)的可靠性為:Rs(t)=Ri=1ni(t)可見(jiàn),串聯(lián)系統(tǒng)中,單元數(shù)越多,系統(tǒng)可靠性越差,且串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性總是低于系統(tǒng)可靠性最差的單元的可靠性。因此,應(yīng)該主要注意提高串聯(lián)系統(tǒng)中可靠性最低單元的可靠性,即注意提高系統(tǒng)中最薄弱單元的可靠性。設(shè)一個(gè)機(jī)械液壓系統(tǒng)是由單元組成的并聯(lián)結(jié)構(gòu),其中任一單元正常工作系統(tǒng)就能正常工作,只有當(dāng)這個(gè)單元都失效時(shí)系統(tǒng)才失效,第i個(gè)單元的可靠性記為Ri(t),則系統(tǒng)的可靠性為:Rs(t)=1-

9、2 2 參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)階段的可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容,主要包括熱設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)等。2 2 1 熱設(shè)計(jì)溫升是液壓系統(tǒng)常見(jiàn)的一種失效模式。熱設(shè)計(jì)就是總體方案設(shè)計(jì)完成后,針對(duì)液壓設(shè)備熱產(chǎn)生機(jī)理與傳播方式,對(duì)液壓設(shè)備的熱場(chǎng)分布進(jìn)行分析研究,采用合理的熱設(shè)計(jì)方法保證液壓設(shè)備在允許的溫度范圍內(nèi)工作,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。2 2 2 降額設(shè)計(jì)降額設(shè)計(jì)就是有意識(shí)地降低液壓元件的使用規(guī)范,使其使用時(shí)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(zhǎng)使用壽命。若超過(guò)額定壓力,其失效率急劇上升。2 2 3 容差設(shè)計(jì)容差是從經(jīng)濟(jì)角度考慮,合理選擇工作點(diǎn),使元器件輸出性能允許波動(dòng)的范圍。容

10、差設(shè)計(jì)通過(guò)研究容差范圍與質(zhì)量成本之間的關(guān)系,對(duì)質(zhì)量和成本進(jìn)行綜合平衡。容差設(shè)計(jì)在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和由參數(shù)設(shè)計(jì)確定了可控因素的最佳水平組合后進(jìn)行,此時(shí)各元件(參數(shù))的質(zhì)量等級(jí)較低,參數(shù)波動(dòng)范圍較寬。容差設(shè)計(jì)的目的是在參數(shù)設(shè)計(jì)階段確定的最佳條件的基礎(chǔ)上,確定各個(gè)參數(shù)合適的容差。容差設(shè)計(jì)的基本思想如下:根據(jù)各參數(shù)的波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品可靠性(質(zhì)量特性)貢獻(xiàn)(影響)的大小,從經(jīng)濟(jì)性角度考慮有無(wú)必要對(duì)影響大的參數(shù)給予較小的容差。這樣做,一方面可以進(jìn)一步減少質(zhì)量特性的波動(dòng),提高產(chǎn)品的可靠性,減少質(zhì)量損失;另一方面,由于提高了元件的質(zhì)量等級(jí),1-Ri=1ni(t)可見(jiàn),并聯(lián)系統(tǒng)中隨著單元的增多,系統(tǒng)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(lián)系統(tǒng)單元數(shù)多,各單元對(duì)提高系統(tǒng)可靠的貢獻(xiàn)程度下降,且系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)尺寸大,重量及造價(jià)都高。在煤礦坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)中并聯(lián)單元數(shù)并不多,例如在動(dòng)力裝置、安全裝置、制動(dòng)裝置、夾持裝置采用并聯(lián)時(shí),常取n值為2或3。目前,大部分煤礦坑道鉆機(jī)采用串并聯(lián)設(shè)計(jì)方式,如圖1,在重要的子系統(tǒng)采用具有相同功能的幾個(gè)單位,避免一個(gè)單元失效而使整個(gè)系統(tǒng)失效。圖1 系統(tǒng)邏輯框圖2 3 2 集成化設(shè)計(jì)目前液壓技術(shù)中較多的采用無(wú)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(fù)合式等多種,它們的通路均不用管道連接,而且已走向標(biāo)準(zhǔn)化。這樣使液壓系統(tǒng)的可靠性有較2

12、011年第3期大的提高。2 3 3 人機(jī)工程設(shè)計(jì)煤 炭 工 程 設(shè)計(jì)技術(shù)統(tǒng)中存在危險(xiǎn)因素的部位均應(yīng)有安全保護(hù)裝置和措施,并在相應(yīng)位置設(shè)明顯的警告標(biāo); 維修工具標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的失效有很大一部分是是人為造成的,而出現(xiàn)人為差錯(cuò)的主要原因是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理,這就要求將人的特性放在與設(shè)備完全相同的地位上來(lái)考慮,也就是要進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)。具體的說(shuō),就是要根據(jù)人的生理、心理等特點(diǎn),設(shè)計(jì)人操作最省力、不容易發(fā)生差錯(cuò)的液壓系統(tǒng),同時(shí)系統(tǒng)的顯示裝置和作業(yè)空間的布置應(yīng)符合人們的要求。2 3 4 抗干擾設(shè)計(jì)抗干擾設(shè)計(jì)是針對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜的工作狀態(tài)和環(huán)境干擾而采取的防備措施設(shè)計(jì)。包括考慮負(fù)載效應(yīng)、環(huán)境防護(hù)等方

13、面的外干擾,和考慮關(guān)聯(lián)效應(yīng)、藕合效應(yīng)影響的內(nèi)干擾兩個(gè)方面。負(fù)載效應(yīng)是指使設(shè)備使用工況和負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)的直接干擾;環(huán)境防護(hù)是使電源、磁場(chǎng)、溫度、濕度、粉塵、沖擊、振動(dòng)等等影響降到系統(tǒng)能夠承受水平的防護(hù)技術(shù)。關(guān)聯(lián)效應(yīng)是由元器件動(dòng)作和性能之間的相關(guān)牽連影響,造成額外能量或信息流動(dòng)所導(dǎo)致的附加物理效果。當(dāng)若干個(gè)動(dòng)作在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)或改進(jìn)回路連接方式時(shí),這種效果就可以消除或變得無(wú)關(guān)緊要。如多缸系統(tǒng)的防擾、潛回路分析等都屬關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)內(nèi)容。藕合效應(yīng)是一種動(dòng)態(tài)效應(yīng),主要指控制信號(hào)若與某些干擾因素重合,形成能量交換閉合回路,就會(huì)造成反常的不利后果。如管系的諧振、液動(dòng)力的內(nèi)反饋?zhàn)饔玫染鶎俪Ｒ?jiàn)的藕合效應(yīng)現(xiàn)象。盡量事先防止

14、它們的出現(xiàn)或影響,亦是抗擾設(shè)計(jì)應(yīng)包含的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段還包括外購(gòu)配套件的驗(yàn)收和篩選、制造可靠性的保證等。系統(tǒng)的可靠性依賴(lài)于各子系統(tǒng)和構(gòu)成部分的可靠性,因此要根據(jù)煤礦坑道鉆機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),基于每個(gè)系統(tǒng)和部件的可靠性,求出系統(tǒng)的可靠性系數(shù),液壓系統(tǒng)是總系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵系數(shù)。4 提高液壓系統(tǒng)可靠性管理對(duì)于煤礦坑道鉆機(jī)使用的特殊性,除了進(jìn)行質(zhì)量管理外,還必須進(jìn)行可靠性管理。在某些工程液壓設(shè)備中,過(guò)去對(duì)可靠性的重要性認(rèn)識(shí)不足,只抓產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo),疏忽了可靠性管理,結(jié)果花了很長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)量仍達(dá)不到預(yù)期效果。因此,加強(qiáng)管理,應(yīng)用專(zhuān)人、專(zhuān)機(jī)、專(zhuān)檢、專(zhuān)料的方法。提高液壓系統(tǒng)的可靠性需要投入很大的人力、物力,但是如

15、果能認(rèn)真加強(qiáng)可靠性管理,總的成本反而降低。一般來(lái)說(shuō),產(chǎn)品可靠性要求高,投資費(fèi)用就會(huì)高,而維修費(fèi)用便降低。產(chǎn)品可靠性與成本的關(guān)系如圖2所示。圖2 可靠性與成本的關(guān)系5 結(jié) 語(yǔ)影響煤礦坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的有效度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是廣義可靠度的設(shè)計(jì),要使系統(tǒng)具有高有效度,可靠性設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)和必要的可靠性管理都應(yīng)該得到充分的重視。盲目追求系統(tǒng)的高可靠度是不經(jīng)濟(jì)、不科學(xué)的,甚至是不可行的。應(yīng)在研發(fā)和生產(chǎn)中對(duì)煤礦坑道鉆機(jī)系統(tǒng)各子系統(tǒng)和零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,具體分析各系統(tǒng)的重要性、性能的要求和費(fèi)用指標(biāo)等,以確定合理的可靠性設(shè)計(jì),然后通過(guò)維修性設(shè)計(jì)提高維修度,加以科學(xué)的可靠性管理這一途徑來(lái)使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的有效度

16、。參考文獻(xiàn):1 王賀劍,李棟,劉慶修.提高坑道鉆機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性方法淺析J.煤炭工程,2009,1996.3 芮延年,傅戈雁.現(xiàn)代可靠性設(shè)計(jì)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1990.5 魯建平,周春華.液壓系統(tǒng)廣義可靠性設(shè)計(jì)J.機(jī)床與液壓,2002,(4):143144.6 鄧興貴,肖志信.現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)探討J.機(jī)械研究與應(yīng)用,2002,(3):1012.2007.4 雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,(4):9799.2 劉惟信.機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社,3 提高液壓系統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)方法對(duì)于可維修設(shè)備和系統(tǒng),如果不考慮其維修性設(shè)計(jì)就無(wú)法談?wù)撈淇煽啃詥?wèn)題。由于受技術(shù)水平和成本等因素限制,任何產(chǎn)品的可靠度都不可能無(wú)止境地提高,液壓系統(tǒng)自不例外。要提高系統(tǒng)的有效度,切不可忽視維修性設(shè)計(jì)。有時(shí),因維修性問(wèn)題考慮不周,一年間所需要的維修費(fèi)用可達(dá)設(shè)備費(fèi)用的十倍以上。因此,對(duì)維修性的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常