（流体机械及工程专业论文）防爆液压提升机液压系统的故障树分析与研究.pdf

辽j 。l ：稃技术人学硕十学伉论文 摘要 本文利用可靠性工程理论、计算机仿真理论、工程模糊理论、概率论以 及油液污染控制理论，充分考虑防爆液压提升机的结构特点，对其液压系统 进行故障树分析( f t a ) 与研究。 通过对实际使用的提升机进行调查以及查阅相关资料，建造液压系统的 故障树，进行可靠性仿真，判断系统的主要故障元件。根据主要故障元件模 糊故障树分析结果，探讨造成这些元件发生故障的主要原因，提出相应的预 防及改进措施，为提高提升机工作可靠性提供依据。 最后，本文提出了基于提升机液压系统故障树的模糊故障诊断方法，给 出了其讨。算模型，为提升机液压系统的故障诊断提供了理论基础。 关键词：防爆液压提升机；液压系统：可靠性仿真；模糊故障树分析；主要 故障元件i l j 液污染 辽j 。i ：徉技术人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i su s e st h et h e o r yo fr e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g ，t h et h e o r yo fc o m p u t e r e m u l a t i o n 。t h et h e o r yo fe n g i n e e r i n gf u z z y , t h et h e o r yo fp r o b a b i l i t ya sw e l la st h e t h e o r yo fo i lp o l l u t i o nc o n t r 0 1 c o n s i d e r e df u l l y t h ed e s i g nf e a t u r eo ft h ee x p l o s i o n - p r o o f h y d r a u l i ce l e v a t i n gc o n v e y o lc a r r i e s o nt h ef a u l tt r e ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ht o i t sh y d r a u l i cs y s t e m t h r o u g hc a r r y i n go nt h ei n v e s t i g a t i o na n dt h ec o n s u l t i n g r e l a t e dd a t at o t h ea c t u a ls e r v i c ee l e v a t i n gc o n v e y o r , c o n s t r u c t i n gf a u l tt r e ea b o v eh y d r a u l i cs y s t e m 豁w e l la sc a r r y i n go nt h er e l i a b l ee m u l a t i o nt oj u d g em a j o rf a i l u r ee l e m e n t so fs y s t e m a c c o r d i n gt ot i l ea n a l y s i sr e s u l to ff u z z yf a u l tt r e eo fm a j o rf a i l u r ed e m e n t s ，t od i s c u s s p r i m er e a s o n sa b o u tf a i l u r eo ft h e s ee l e m e n t sa n dp r o p o s et h ep r e c a u t i o n a r ym e a s u r e s a sw e l la st h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e t h i sj o bm a yp r o v i d eb a s i sf o re n h a n c i n g f u n c t i o n a lr e l i a b i l i t ya b o v ee l e v a t i n gc o n v e y o r f i n a l l ) ：t h i st h e s i sh a sp r o p o s e df u z z yf a u l td i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt h e f a u l t t r e eo fh y d r a u l i cs y s t e mo fe l e v a t i n gc o n v e y o ra n dh a sg i v e ni t sc o m p u t a t i o nm o d e l t h i sj o bp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef a u l td i a g n o s i sa b o v eh y d r a u l i cs y s t e m o f e l e v a t i n gc o p , v e y o r k e yw o r d ：e x p l o s i o n - p r o o fh y d r a u l i ce l e v a t i n gc o n v e y o r ；h y d r a n l i es y s t e m ；r e l i a b l e e m u l a t i o n ：z h e 缸z 巧a n a l y s i so f f a u l tt r e e ：m a j o rf a i l u r ee l e m e n t s ：o i lp o l l u t i o n 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果： ( 1 ) 在采用计算机随机模拟方法对提升机液压系统进行可靠性仿真时， 引用基本失效率修正系数肠更好模拟提升机的使用情况。 ( 2 ) 本文提出了模糊综合重要度的概念，并给出了计算方法，为推广模 糊重要度的应用提供理论依据。 ( 3 ) 将模式重要度，( 彩作为模糊关系矩阵中的隶属度，使模糊关系矩 阵能准确地反映出故障与征兆间的关系。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 2 0 0 6 1 2 3 0 辽。j 。i ：科技术k 学硕十学位论文i l 绪论 1 1 防爆液压提升机的发展与应用1 1 , 2 l 现代矿l i i 丌采、工程施工，建筑与运输都离不开提升机械，防爆液压提 升机( 习惯称各简直径2 m 时为提升机，卷筒直径 f 2 ( 2 - t 0 ) 式中：p 一：c f = 油压，m p a ； d 一油缸商径，m ； 卜活摩小端直径，m ； f l 一一灞褒上推力，n ； f 2 一弹簧顶压缩力，n 当作涵压山0 增大到某一值n 时，f l ；f 2 + c ，此时闸瓦与制动盘刚刚 贴上，但无l t ：压力，制动器处于i 临界状态。若要实现完全松闸状态应使油压 值p p 。 f 2 l 鳘i2 - 3 煮形制动器i ：作原理圈 经过理论分析和现场调研可知，主要有以下几个原因致使制动油压低： a 溢流阔的调定压力低。造成这种故障的主要原因有：( 1 ) 溢流阀的阻 尼孔堵塞；( 2 ) 溢流阀的密封损坏；( 3 ) 溢流阀的阀芯磨损；( 4 ) 溢流阀中的弹 簧损坏。 b 辅助泵出现故障。造成这种故障的主要原因有：( 1 ) 油箱液面太低造 成泵吸空；( ! ，由于油液污染严重而使辅助叶片泵的叶片卡住；( 3 ) 泵的配合 珏j 隙大；( 4 ) 辅助泵外泄漏，出现这种故障的主要原因是：密封件老化或损 伤；迸i # 油口连接部位松动。 c 喇武和纸质滤油器堵塞，压力损失a p 增大。 另外，f l 于回油不畅通；液压缸本身滑动部位配合过紧，密封摩擦力过 辽j l ：张技术人学硕十学位论文 1 8 大；运动机构卡死等原因能使制动器液压缸不动作，也能产生制动器开闸失 效。 2 4 2 2 制动力矩不足 a 盘形制动器的摩擦系数降低。造成这种故障的主要原因有：( 1 ) 由于 平闩工作管理不善，泄漏的液压油甩到闸瓦表面引起污染，造成这种故障的 主要原因是：制动器油缸严重漏油，而造成制动器油缸严重漏油的主要原 冈是制动器液压缸内活塞的密封圈破损而没有及时更换；油管漏油；( 2 ) 工 作温度超过m 瓦的最大允许工作温度而使得闸瓦过热而烧流或变焦。 b j f 眍力不足。造成这种故障的主要原因是；( 1 ) 液压系统中回油缓慢， 造成这种故障的主要原因是：液控换向阀的阀芯被卡住，其原因主要是由 于加工精度低或液压油污染；油路系统脏而没有及时清理；( 2 ) 蝶形弹簧故 障，主要包括弹簧长期工作产生疲劳、断裂或因制动活塞卡缸而使得弹簧不 能弹回：( 3 ) 溯瓦日j 隙过大，出现这种故障主要是因为工作人员在调节闸瓦时， 将弹簧的颈膻力调得过大。 2 4 2 3 重车启动时瞬时下滑 在液压旋升机松闸提升时，由于液压主回路及制动液压系统中液压泵输 出流量的砭化、液压油的可压缩性、管道的弹性及液压元件的泄漏或节流元 件通流碡i 积酾节不合理等原因，造成液压马达瞬时输出扭矩小于负载扭矩， 而此时制动器上口已松闸，从而引起负载瞬时下滑，这往往会给矿山井下作业 人员的生命安全造成严重威胁引起巨大的经济损失。 由文献l 堋可知，提升机的变量泵一定量马达液压主回路接到操作信号的 零时刻到瞬态输出扭矩达到其额定输出扭矩值所需的时间 ，- 竺型磐；兰塑( 2 - 1 1 ) q ，、l f 式中卜捉刃机液压主回路的液压阻尼比。 一煳压主回路的液压固有髓铲劈，n z ； 辽。j 。i ：挫技术人学硕寸：学位论文1 9 口。一泊液等效容积弹性模数； d 。一马这排量，l ； v o 。个腔室的容积，m 3 ； j 一等效转动惯量，k g m 2 。 山文献【1 9 】又可知，制动闸全部打丌时间 产，5 = k 疆c 脒正，a ( w ，a ) 】。 5 一i 幼v ( 2 1 2 ) 式中k 。一换翔阀的压力流量系数； c ，一节流阀的节流调节系数； a ，节漪阉的通流面积，m 2 ； v 一容积中液体的初始容积，m 3 ； c ，一管路及液压缸的内泄漏系数； 卢，一油液等效容积弹性模数； k 2 弹籀刚度； k 。一液胍弹簧刚度，k 。= 声。a 3 v ； a 一液门i 象l 有效作用面积，m 2 。 液压提丹机松闸提升时不发生负载瞬时下滑条件是f t ，即制动器松闸 应滞后予马达- f 常起动。液压提升机经出场调试后，造成负载起动瞬时下滑 的主要原陶有： a 液压马达内、外泄漏严重。由式( 2 - 1 1 ) 可知，当提升机液压主回路的 液压阻尼比0 一定时，液压系统的响应时白j 与马达排量d ，成反比。如果马达 的泄漏严鹭，其排量d 。将降低，液压马达瞬念输出扭矩达到其额定输出扭矩 值时间t ，褒人，从而引起负载起动瞬时下滑。 b 单向节流阀的通流面积不合理。由式( 2 1 2 ) u ，越小，制动油缸松闸 越迅速，产，l - 负载瞬时下滑现象的可能性越大，反之，甜，越大，制动油缸松 闸越缓慢，产：乍负载瞬时下滑现象的可能性越小。，的值主要取决于a ，一 h 单向节流鲻的通流面积不合理，制动油缸松闸时间将变小，很可能引起负 辽j 。i ：科技术人学硕十学位论文2 0 载瞬时下滑。 根据以上分析结果，建立制动系统故障树。如图2 - 4 所示。 t 制动系统故障：a 、a ：一转出符号；g 。一重乍启动时瞬时下滑；g ：一制动器开闸火效： g ，一制动力矩不足：g - 一制动器液压缸不动作：g ；一盘形制动器的摩擦系数降低；g , - - 闸瓦表面被液压油液污染；x 一液压马达内i i i 严重；x ：一液压马达外泄严重；x 。一单向 仃流阀的通流面积不合理；x 。一同油不畅通；x a 一液压缸本身滑动部位配合过紧，密封 摩擦力过人；x 。一运动机构 死；x ：一闸瓦过热而烧流或变焦；x 。一油管漏油；x ，一制 动器液压缸内活塞的密封罔破损 辽。j i ：程技术人学硕+ 学位论文 2 i a ，一转入符号：t 。一制动油压低；g ，一溢流阀的调定压力低；g ：r 辅助泵出现故障；g s 一辅助泵外泄魏i i ：x ，一网式滤油器堵塞；x = 一纸质滤油器堵塞；x s 一溢流阀的阻尼孔堵 塞：x 一溢流阀的密封损坏；x ；一溢流阀的阀芯磨损；x 一一溢流阀中的弹簧损坏；x ：一 油箱液面太低造成泵吸空；x 。- 油液污染严重；x r 泵的配合闻隙大；x “密封件老化 或损伤；x 。一进出油口连接部位松动 蛔 二一转入符号：t ：一止压力不足：g 。一蝶形弹簧故障：g ：一同油缓慢：x 一一闸瓦间隙过 人：x ：一弹簧断裂：x 。一弹簧疲劳：x 一制动活塞譬缸；x ；一液压油液污染；x s 一液控 换向阀的加i ：精度低 幽2 - 4 制动系统故障树 姻 辽宁i ：科技术久一学硕+ 学位论文 2 2 3 提升机液压系统可靠性仿真 3 1系统可靠性仿真方法2 0 , 2 3 i 用蒙特卡罗法模拟系统的寿命过程称为系统可靠性数字仿真，可靠性仿 真是蒙特卡罗法在系统可靠性分析中应用的基础，通过仿真可以获得系统寿 命过程的多个伪随机样本，在此基础上可以很方便地进行可靠性分析。 矿用防艨液压提升机的液压系统是保障提升机安全运行的关键环节，其 可靠性水平直接关系到整机可靠性，并且影响到矿井生产和人员安全。因此 有必要嬲+ 液j k 系统进行可靠性分析，探讨提高其可靠性的途径和措施，从而 提高整机的呵靠性。然而，对液压系统直接进行现场实验不仅成本高、危险 性大，而且还造成设备生产过程延长、生产效益降低的结果。由此可见，对 液压系统进行可靠性仿真是很有必要的，这对提高煤炭生产工作效益、延长 设备使用寿船及安全生产，都具有较强的现实意义和经济价值。本章通过对 j k y 2 0 1 8 b 型防爆液压提升机液压系统进行可靠性仿真，获得系统寿命过程 的多个伪随机样本，在此基础上对系统进行可靠性分析，找出系统的薄弱环 节。 3 1 1仿真模型 a 系统模型 设系统i h 盯个基本单元组成。用s 表示系统，则有 s = z l ，z 2 ，z ，z h ”( 3 1 ) 其中句( i - - 1 ，2 ，”) 表示系统由疗个基本单元组成，且已知每个基本单元的 失效分靠函数为e ( t ) c i f f i l ，2 ，拧) 。 b 逻辑关系1 2 4 2 5 1 对丁简誓的可靠性系统，直接采用可靠性框图作为系统蒙特卡罗仿真的 逻辑关系比较方便。对于大型复杂系统，由于故障树就是系统中各事件之间 的逻辑芙系涮，凶此可以用系统的故障树表示蒙特卡罗仿真逻辑关系。故障 树的项季：件为系统s 的失效事件，其底事件为基本单元z t ( f ；l ，2 ，脬) 的失效 辽j i ：拌技术k 。学硕十学能论文 事件，故系统中共有，| 个底事件。 引入时n u 参变量，故障树的结构函数用州x ( f ) 】表示，其中 膏( f ) = 【x l ( f ) ，x 2 ( t ) ，工，( f ) ，x 。( r ) ( 3 2 ) 为系统状念变量，式中x ，( f ) ( 净l ，2 ，痒) ，表示第；个底事件的状念变量。取 删2 锰嚣然印哪 可以看；i ；。系统状态变量有2 ”种取值。用o ( f ) 表示顶事件在f 时刻的状 态变量，则有 = 伫嚣器1 s q 且 m ( f ) = m p ( ，) ( 3 5 ) c 故葡树的数学模型 ( 1 ) “与门”结构函数 对于与1 j 结构，当全部底事件发生时，顶事件才发生，则有 q i ) = n t 2 1 3 - ，“。( 3 6 ) 当j ，仅取0 ，1 两值时，结构函数中( i ) 也可写成 蛳卜缈( 3 7 ) ( 2 ) “或f 1 ”结构函数 对于或门结构，只要一个底事件发生，顶事件就发生，则有 蛳卜q 一川玑( 3 - 8 ) ， 一“ 一x ， 当工，仅取1 ) ，1 两值时。结构函数中( i ) 也可写成 辽j 。i ：徉技术人学硕十学位论文 2 4 舐渊一y 。i o 一引( 3 9 ) ( 3 ) “衷决门”结构函数 对于袭决门结构，只要底事 牛发生个数大于k 个时，顶事件就发生。则 荆邛 当i 其他情况( 3 一l o ) 式中卜使系统发生失效的最少底事件数。 3 1 2 可靠性仿真程序的运行 用蒙特鼍罗法，对疗个基本单元寿命进行随机抽样，以取得每个基本单 元失效时f j j 的简单样本，即 t ，= e 。( 叩) j = 1 ，2 ，疗( 3 - 1 1 ) 其中，叮为( o ，1 ) 区间上均匀随机变量。 若共避约n 次仿真。则在第歹次仿真运行中，第i 个基本单元失效时间 抽样值表示为， 2 f - ( 矾) ( 3 一1 2 ) 式中叩盯是第i 个基本单元第，次抽取的随机数。 设系统在第j 次仿真中，发生失效的时刻为啊，则幻应满足下式 咿般l 邢， 根据式( 3 - 1 2 ) 可以抽样一个基本单元的失效时间为 f l ，玎，f u ，f 町 其中第个f 标表示基本单元的序号，然后将这n 个失效时自j 按其取值大小 进行捧序，设出小到大的排列顺序为 “7 6 ，0 ， 与之相应f 勺眯本单元捧列顺序为 辽。j l ：样技术人学硕十学位论文2 5 z ：乏，z 二 按照以上顺序，首先将基本单元z ：置为失效状态，系统状态发生改变，模拟 时钟t = ，刚所有基本单元在此时刻的状态变量为 。l i ，t 岛 “d 2 i i ， ( 3 - 1 4 ) 将式( 3 一t 4 ) 代入式( 3 - 2 ) ，就可得到第_ ，次仿真运行中f 时刻的系统状态函数 工( f ) x j ( t ) = “) ，x 2 ，( ，) ，勃( ，) ，( f ) 1 。( 3 1 5 ) 将上式代入式( 3 5 ) 中，即可得到第，次仿真运行时t 时刻顶事件的状态变量 奶( f ) = q 【x ( f ) ( 3 1 6 ) 根据系统仿真逻辑关系判断系统s 在此时刻是否处于失效状态，若 q ( ，) 2 1 ，系统寿命的抽样值t 目= “，第j 次仿真结束否则，将基本单元之 簧于失效状念，系统状态发生改变，模拟时钟f = i f 2 ；再检查系统s 是否发 生失效，此进行下去，直到某基本单元发生失效而引起系统处于失效状 态为止，系统寿命的抽样值t h = t a 此时，第，次仿真运行结束。 重复f ：述步骤，直到达到要求的仿真次数为止，然后采用区间统计法进 行系统失效数的分布统计，评估系统各项可靠性指标。 3 1 3 可靠性指标的点估计计算 通过n 次仿真运行获得了系统失效时间的n 个样本，下面对失效事件样 本进行处理。首先设系统最大工作时日j 为t 。，将( 0 ，r 。；) 分成掰个区间( m 的选择要恰当) ，则每个时间间隔为 a t = 趣坠( 3 一1 7 ) 现统计诒j 时喇日j 隔 t r h i ， 内系统失效数，用锄，表示，则有 觇2 善呲，r ，- r 钆( 3 圳) 辽j i ：榉技术久学硕十学位论文 2 6 若统计t ，内的系统失效数，则有 坍r | z 川砌r - - - - 善呲( t k ，t k ，( 3 _ 1 9 ) 一i，一一，r 1 1 0 、 a 系统的不可靠度 当f = ，日口，不可靠度凡( ，) f a t ，) = p ( t - t ，) * 百1 m ( ，) = 所，n ( 3 2 0 ) v ，i 元件( 或系统) 可靠度r 。( f ，) r ( f ，) 2 l f a t r ) ( 3 2 1 ) b 系统的失效概率分布 求在。一， ，区自j 内，失效分布p 。( f ，) p a t ，) = p ( ，i 0 口 ( 4 一1 ) 月( 等岿 历加。 则称模梅放j 为l r 型模糊数。式中，m 是模糊数彳的均值，a 、，称为模糊 数的丘、彳i 分撕i ，l - r 型模糊数的l ( x ) 、r ( x ) 称为模糊数的左、右参照函数。 辽j i ：科技术人学硕+ 学t ：) = 论文 当a 、芦为零时，j 不是模糊数，口、多越大，彳越模糊。显然，这样定义的模 糊数是讯规的和逐段连续的凸模糊集，且满足如( 册) = 1 常用h 勺模糊数的参照函数有多种形式选择，建议尽量选用三角形( 线形 三元组参照函数) 或梯形隶属函数( 线形四元组参照函数) ，这是因为在假设 不充分的情况下，它们适合于对零部件故障和人为差错的数据中的不精确性、 模糊性和主观性进行描述，且直观上易于工程数据的处理，评估和分析。本 文选用的是线性三元组参照函数1 3 3 3 4 l ，则l ( x ) ，r ( x ) 分别为 三( 工) = m a x o , i m - x 口 0 ，工 坍( 4 门) 厂一，一jt 、。印 | 。、 一4口 一 x 陶4 - 1 线砸参照函数 设论域夥为实数域，卢表示“大约为m ”的模糊数，则该模糊数可用三 元组( 脚，a ，) 农示，若参照函数为线性，也可将模糊数表示为 = ( 聊一口，豫坍+ 卢) 令口= 研一“，6 = 所+ ，则线性模糊数又可用三个参数4 ，b ，m 表示，记为 芦= ( 口m 够。假设模糊数，和藏分别由三个参数( 口，脚，b ，) 和( 心，m ：，b ：) 表示， 则模糊数，和声，的代数运算法则如下 模糊数加法( + ) 芦，+ ) 芦，= ( 口，埘，b ，x + x a ? 。m ，。屯) = ( 口，+ a 2 ，m ，+ 埘2 ，b ，+ 也) ( 4 4 ) 模糊数减法i 一) 八一) 多2 = ( q ，m i ，b 1 ) ( 一) ( 口2 ，m 2 ，b 2 ) = ( 口i - b 2 ，m i m 2 ，b t 一口2 ) ( 4 5 ) 辽。j i ：挫技术人学硕+ 学俺论文 模糊数乘法( ) 声( ) 2 = ( q ，m t ，6 1 ) ( x x a 2 ，m 2 ，b 2 ) = ( 口i 口2 ，m i m 2 ， 6 2 ) ( 4 6 ) 模糊数除法( + ) 讯厩= ( a l , m l , 6 x x ，也) = ( 毒，老，净( 4 7 ) 式( 4 - 6 ) ，( 4 - 7 ) 是近似的，因为严格来说，两个l - r 型模糊数相乘或相除， 其结果不再是l - r 型模糊数。 4 1 2 模糊故障树定量分析 目荫。针对故障树的顶事件发生的模糊概率的算法主要有两种一种是原 始故障树逐级计算法【 1 ，根据故障树的结构进行简化，然后采用与门、或门、 表决门模糊算子，采用自下而上逐级运算法计算。 a j f j 模糊算子 如秉竹j 发生的概率为一模糊数，则与f 1 模糊算子可记为 只枷= 丌五= ( ，。只。，) ( 4 8 ) - i l 式中曩、，一i 门的输出，为模糊数。三参数为瑚。，只。和踹，分别为 月n ，= 兀( 蚂一q ) ，只。= 兀m ，孙= 兀( m ，+ 屈) ，= 1扣l i f f i l b 或i 1 模糊算子 若事f ： 发生的概率是用模糊数e 表示的，则或门模糊算子记为 = l ( 一) 丌( 1 ( - ) p , ) - ( p o r ，碥) ( 4 9 ) f - l 式中p c j ? - - 或门的输出，为一模糊数，三参数为踹，和跺分别为 = l n ，1 一f r o , 一口，) ) ，= l 一兀( 1 - 啊) ，磁= l - 兀( 1 - ( m ，+ 屈) ) ，t i，= i，l i c 鞭决门模糊算子 对于k u 卜o f - n 表决门。其算予为 辽j i ：样技术j 、学硕十学位论文 茸。= q ( x ) 芦7 ( x x l ( 一) 多) ”7 = ( 蹈。，最舯搿。) “( 4 一l o ) ，t 建立敌树分析的模糊算子后，就可以运用原始故障树逐级计算法求得 顶事件的发! i 二的模糊概率，取不同的旨信水平，便可获褥不同的