（机械设计及理论专业论文）刮板输送机可靠性寿命的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 刮板输送机可靠性寿命的研究 一删 摘要 刮板输送机作为综采工作面重要的设备之一，它的可靠性寿命直接影 响着煤矿企业的安全、经济、高效生产。作为综采工作面唯一的运输设备， 其工作条件恶劣、负载复杂多变，其安全可靠运行至关重要。近年来，随 着新技术、新材料、新工艺的大量应用，国产重型刮板输送机装备的技术 也得到飞速的发展，为煤矿生产实现高产高效起到了极大的推动作用。但 是，国产刮板输送机与国外先进设备还是存在一定的差距，主要体现在可 靠性和使用寿命方面，因此迫切需要对刮板输送机可靠性寿命进行分析研 究，以提高其国产刮板输送机的可靠性水平。 本课题以可靠性寿命理论和疲劳寿命理论为依据来对刮板输送机的可 靠性寿命进行分析研究。首先，根据可靠性寿命理论并结合刮板输送机的 实际工作条件，筛选其可靠性寿命指标。然后，对神东公司刮板输送机两 年的故障统计数据进行分析，获得刮板输送机整机的可靠性水平，找出影 响可靠性寿命的最薄弱环节，进而分析最薄弱环节失效的主要原因。接着， 利用a n s y s f e s a v e 软件，对4 8 m m 15 2 m m 刮板链应力和疲劳寿命进 行了分析，得出链与链接触面和刮板链直边内侧与弧段相接处存在应力集 中，刮板链的疲劳寿命最小值和安全系数最小值在链与链接触面和刮板链 直边内侧与弧段相接位置，刮板链疲劳寿命是外侧大于内侧。随后，对刮 板输送机的故障数据进行分析，验证出该刮板输送机的寿命服从威布尔寿 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 命分布，计算其寿命指标，找出寿命规律，判断其可靠性寿命的总体水平。 利用“等劣化”理论预计其大修次数和每次大修的总过煤量。 本文通过对刮板输送机整机可靠性分析找出影响可靠性寿命的最薄弱 环节；然后再对其进行疲劳可靠性寿命预测；最后对故障数据分析得出刮 板输送机的寿命规律，预计其大修次数和每次大修的总过煤量，为生产管 理者提供提前维修的依据，也为其他型号的刮板输送机的可靠性寿命分析 提供参考方法，这样对于提高刮板输送机的可靠性寿命，合理进行生产管 理具有现实意义，为管理者提供参考和借鉴。 关键词：刮板输送机，刮板链，有限元分析，疲劳寿命分析，可靠性寿命 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ 一 l i f er e l i a b i l i t yr e s e a r c h o fs c r a p e rc o n v e y a b s t r a c t a so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n to ff u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c e ? s c r a p e r c o n v e y o r sr e l i a b i l i t yl i f ed i r e c t l ya f f e c t se n t e r p r i s es e c u r i t y , e c o n o m i c ，e f f i c i e n t p r o d u c t i o no f t h ec o a l a st h eo n l yt r a n s p o r te q u i p m e n tf o rf u l l ym e c h a n i z e d c o a lm i n i n gf a c e ，f o rt h ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，l o a dd i v e r s i t y , t h es a f e t ya n d r e l i a b l eo p e r a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o n o fn e wt e c h n o l o g y , n e wm a t e r i a l sa n dn e wt e c h n o l o g y , d o m e s t i cs c r a p e r c o n v e y o re q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t ，a n dp l a y e da g r e a tr o l ei np r o m o t i n g c o a lp r o d u c t i o nt oa c h i e v eh i g hy i e l de f f i c i e n t h o w e v e r , t h e r ei ss t i l lac e r t a i ng a pb e t w e e nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e de q u i p m e n t o fs c r a p e rc o n v e y o r , m a i n l yr e f l e c t e di nt h er e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e ，s oi ti sa n u r g e n tn e e dt os t u d y t h er e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f eo fs c r a p e rc o n v e y o r , a n dt h e n i m p r o v e i t sr e l i a b i l i t yl e v e l t h i st o p i ci sb a s e do nt h et h e o r yo fr e l i a b i l i t yl i f ea n df a t i g u el i f et h e o r yt o a n a l y z et h er e l i a b i l i t yo fl i f e o ft h es c r a p e rc o n v e y o r f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h e t h e o r yo fr e l i a b i l i t yl i f e c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h e s c r a p e rc o n v e y o r , s c r e e n i n gt h er e l i a b i l i t yo fl i f ei n d i c a t o r s t h e n ，a n a l y z et w o i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 y e a r so ff a i l u r es t a t i s t i c so ft h es h e nd o n gs c r a p e r c o n v e y o r , s c r a p e ri t s r e l i a b i l i t yl e v e l ，a n di d e n t i f yt h ew e a k e s tl i n ko ft h er e l i a b i l i t yl i f e ，a n dt h e n a n a l y z e st h em a i nr e a s o n so f i t sw e a k e s tl i n k t h e n ，u s i n gt h ea n s y s f e - s a v es o f t w a r e , a n a l y z e4 8 m m 1 5 2 r a mr i n gc h a i ns t r e s sa n d f a t i g u e l i f e ，a n a l y s i ss h o w st h a tt h ec h a i na n dc h a i nc o n t a c ts u r f a c ea n dr i n gc h a i n s t r a i g h te d g et ot h ei n s i d eo ft h ea r cp h a s ee x i s ts t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，c h a i n s f a t i g u el i f em i n i m u ma n dt h es a f e t yf a c t o rm i n i m u ma r ea tt h ep o s i t i o no ft h e s t r a i g h te d g eo f t h ei n s i d eo ft h ec h a i na n dc h a i nc o n t a c ts u r f a c ea n dt h er i n g c h a i na n da r cp h a s ep o s i t i o n ，t h er i n gc h a i nf a t i g u el i f eo ft h eo u t s i d ei sg r e a t e r t h a nt h ei n s i d e s u b s e q u e n t l y , a n a l y z et h ef a u l td a t ao ft h es c r a p e rc o n v e y o r , p r o v e dt h a tt h el i f eo ft h es c r a p e rc o n v e y o ro b e yt h ew e i b u l ll i f ed i s t r i b u t i o n ，t o c a l c u l a t et h el i f ee x p e c t a n c yi n d i c a t o r sa n di d e n t i f yt h el a wo f l i f e ，t h e nj u d g e t h eo v e r a l ll e v e lo fr e l i a b i l i t y l i f e u s e “d e g r a d a t i o n t h e o r yt oe x p e c ti t s n u m b e ro f o v e r h a u la n dt h ea m o u n to fc o a lo ft h ee a c ho v e r h a u l t h i sp a p e ri d e n t i f yt h ew e a k e s tl i n ko ft h er e l i a b i l i t yl i f es c r a p e rc o n v e y o r m a c h i n et h r o u g h r e l i a b i l i t yl i f ea n a l y s i s ；a n dt h e np r e d i c ti t sl i f ep r e d i c t i o no f f a t i g u er e l i a b i l i t y ；f i n a l l y , a n a l y z et h ef a i l u r ed a t at oc o m et ot h el a wo ft h el i f e o ft h es c r a p e rc o n v e y o r ，e x p e c tt h en u m b e ro f o v e r h a u la n dt h e 锄o u n to fc o a l e a c ho v e r h a u l ，p r o v i d et h eb a s i sf o re a r l yr e p a i r , a n da l s op r o v i d ear e f e r e n c e m e t h o df o rt h er e l i a b i l i t yo fl i f eo ft h eo t h e rt y p e so fs c r a p e rc o n v e y o r ，i t s a d v a n t a g e o u st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yl i f eo fs c r a p e rc o n v e y o r ，a n dh a s p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rr e a s o n a b l ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，a n dp r o v i d e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e f e r e n c ef o rm a n a g e r s k e yw o r d s ：s c r a p e rc o n v e y o r , f a t i g u el i f ea n a l y s i s ，r i n gc h a i n ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，r e l i a b i l i t yl i f e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第一章绪论 近年来，随着新技术、新材料、新工艺的大量应用，世界煤机行业进入了个全新 的发展阶段，同时国产煤矿机械的技术含量、技术水平、可靠性水平有了显著的提高。 国产综采刮板输送机装备的技术也得到飞速的发展，为煤矿生产实现高产高效起到了极 大的推动作用。 综采工作面中，刮板输送机是高产、高效综采工作面成套设备中工况最恶劣、负载 情况最复杂的基础性关键设备之一。由于客观条件，国产刮板输送机的研制同国外先进 技术国家相比起步比较晚，不过经过多年的技术引进、吸收，技术改进、创新，我国刮 板输送机已从轻型发展到中型、重型、超重型，实现了系列化，同时正朝着高可靠性、 高过煤量寿命、大型化、智能化的方向发展【1 】。但是，国产刮板输送机与国外先进设备 还是存在一定的差距，主要体现在可靠性和使用寿命方面，主要是由于原材料和基础元 件的性能和质量稳定性的差距。刮板输送机的安全、可靠运行将直接影响到煤炭企业的 生产能力和经济效益，因此对刮板输送机进行可靠性寿命的研究，并提高其可靠性水平 及寿命，这已成为刮板输送机研究的主要课题。 可靠性理论在机械上起初在应用上还不是很完善，但随着可靠性理论的发展以及机 械产品故障的不断出现，才引起人们高度重视并得以发展。煤矿机械行业开始引入可靠 性理论，仅仅定性来分析，并没有定量分析 2 1 。直至今日，煤机已经从定性分析和定量 计算两方面来描述，并且取得了很好的效果，但是可靠性寿命方面研究的比较少。随着 煤炭企业生产规模的不断扩大，煤机设备数量大幅增加，生产设备处在寿命后期的比例 也将迅速增加。掌握这些设备的寿命规律以便更好的延长设备可靠性寿命状态，已成为 学者和生产管理者面临的最关键的问题。可靠性寿命的定义是：设备在规定条件下，给 定可靠度的工作时间。通过分析刮板输送机的可靠性寿命掌握其寿命规律，利用可靠性 理论分析刮板输送机整机的可靠性进而找出最薄弱环节，再利用疲劳寿命分析软件对薄 弱环节进行疲劳分析找出薄弱点，从而有正对性的提高其可靠性寿命，使其安全、可靠、 经济运行。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 刮板输送机的可靠性寿命指标有：可靠度，不可靠度，故障概率密度，故障率，平 均故障间隔( m t b f ) ，寿命指标( 可靠寿命、中位寿命、特征寿命) ，通过对这些数据的 计算和分析，找出其可靠性寿命规律，再结合企业给定的寿命数据来衡量该刮板输送机 所计算的可靠性寿命，来评估刮板输送机当时的可靠性寿命状态。 本课题以可靠性寿命理论和疲劳寿命理论为依据，首先，对刮板输送机进行整机可 靠性分析，找出最薄弱环节，再对其最薄弱环节进行可靠性的定性分析找出失效的主要 原因；再次，以a n s y s 和f e s a v e 为手段，通过建立刮板链模型，预测刮板链疲劳寿命， 分析应力分布和疲劳寿命情况：最后，结合可靠性寿命理论分析刮板输送机的故障统计 数据，找出其可靠性寿命规律，并根据等劣化理论估算刮板输送机的大修周期。这样不 但可以有针对性的提高刮板输送机的可靠性寿命，而且可以根据寿命规律预测故障时间 并为其提前大修提供数据依据。研究结果对实际生产具有指导意义。 1 2 国内外研究动态 2 0 世纪8 0 年代以来，不管是国内还是国外大运量、长运距、大功率、高强度、长 寿命与高可靠性已经成为刮板输送机发展的主要趋势。到目前为止，国外综采最大的工 作面刮板输送机，其装机功率3 x 1 6 0 0 k w ，运距4 5 0 m ，运量甚至超过6 0 0 0 t h ，能满足 年产2 0 0 0 万吨以上的矿井的需要。虽然国内发展比较晚，但是由我国开发、具有自主 知识产权的刮板输送机生产能力己达到3 5 0 0 t h - - 5 0 0 0 t h ，装机功率3 1 0 0 0 k w ，可满足 采高4 7 米，输送长度3 0 0 - - - 4 5 0 m 。并已经在神华集团万利煤炭分公司和金烽煤炭分 公司等大型煤炭基地投入使用。中煤张家口煤矿机械有限责任公司、山西煤矿机械制造 有限责任公司、三一重型装备有限公司等国内几大刮板输送机制造商都已经联合科研院 所、一些高校进行合作研制开发出了一些可靠性高、功率大、多系列、多型号的刮板输 送机，提高综采机械化水平和可靠性方面的发挥了重要的作用。e l 前，在技术、型号等 方面国产刮板输送机同国外的机型相比已经取得很好成绩，但是一些关键零部件的寿 命、制造工艺、可靠性方面相比还是比较弱，在运输能力、使用寿命、智能化方面的差 距依旧明显【3 1 。 可靠性技术的诞生到发展经过了以下几个阶段： ( 1 ) 可靠性的诞生 2，。 太原理工大学硕士研究生学位论文 可靠性的概念最早出现于1 9 3 9 年，是由美国航空委员会提出的飞机事故率中定量 了可靠性指标。可靠性是由概率论和数理统计等数学为理论基础结合工程实践使可靠性 向各个行业扩展并得到了迅速的发展。二十世纪四十年代末，美国无线电工程学会是成 立可靠性学术组织，这是第一个可靠性技术组。系统可靠性概念首次提出由德国纳粹在 对火箭可靠度研究后首次提出火箭所有元器件可靠度乘积这一结论。 ( 2 ) 可靠性兴起 可靠性作为- - 1 7 学科和一项工程开始兴起是在美 1 4 1 。在二十世纪五十年代初，美国 为让军事有所发展，国防部开始对可靠性进行研究，1 9 5 5 年其国防开支的3 0 用于维 修和使用，到后来增加到7 0 。致使美国不堪重负。1 9 5 7 年6 月，美国的“元器件可 靠性咨询委员会”发布了著名的电子装置可靠性咨询委员会报告即“a g r e e 报告” 】，这份报告首次系统、深入的提出了解决产品可靠性问题的办法，标志一门独立学科 已经形成，后来这份报告被公认为可靠性工程的奠基文献。随后，其他国家，如前苏联、 英国、德国等也相继提出自己的可靠性，并结合自身的工业特点成立自己的可靠性专业 组织，开展可靠性研究。 ( 3 ) 可靠性发展 由于美国在可靠性方面的发展，带动其他国家的可靠性技术迅速的发展。主要表现 在制定和修订了一系列可靠性军标、国标及国际标准；成立不同行业的可靠性研究中心； 可靠性理论也得到深入的发展。可靠性的研究也从单纯的军工行业向其他行业和部门扩 展，如电子、航空、机械、化工等贯穿于各行各业。随着可靠性的发展和可靠性引入产 品设计，使产品的可靠性和寿命都得以提高。 到目前为止，国内在可靠性寿命的研究方面也取得了很大的成效，在汽车，航天， 船舶等上研究的较为广泛，要不就是对单个零件进行疲劳寿命分析和磨损寿命分析，但 对于刮板输送机的可靠性寿命的研究还是很少。在董从林的学位论文水润滑艉轴承的 可靠性寿命评估中分析橡胶艉轴承的可靠性寿命因素和影响机理，然后在建立数学模 型，并对艉轴承的磨损寿命进行评估，最后对其进行仿真分析预测艉轴承的疲劳寿命【7 j 。 在文献李志华的学位论文重载列车钩舌疲劳可靠性寿命分析中分析钩舌的受力与约 束，建立起有限元模型，根据钩舌的p s n 曲线、应力谱等计算器疲劳可靠性寿命，最 后对美国钩舌与国产钩舌的疲劳性能的差异进行对比找出差异【8 1 。在文献滕云的学位论 文国产汽车使用可靠性评价研究中通过对运营客车故障数据进行分布判定，分析其 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 所服从的分布规律及其分布函数，得出对象车型的使用可靠性状况【9 1 。在文献刘混举、 杨兆建的论文基于“等劣化模型”的综采设备可靠性寿命研究中首次提出以平均故 障间隔时间和平均修复时间作为综采设备的可靠性寿命指标，并对其劣化规律进行了分 卡厅i 儿。在程亚兵的硕士论文汽车链疲劳寿命分布规律的研究中，他首次探讨了汽车 链的疲劳寿命规律，根据试验采集汽车链的疲劳寿命数据，然后进行数据分析得到疲劳 寿命分布规律。验证了汽车链的寿命服从两参数的威布尔分布【1 1 】。在王兴前的硕士论文 液压支架报废评价体系的研究中，他考虑某液压支架的经济性、安全性、可靠性、 技术性的基础上对采掘设备进行综合评价并给出了液压支架安全性寿命评价体系、可靠 性寿命评价体系、技术性寿命评价体系【】2 1 。在张宏斌等人的科技论文 d h 7 7 系列电火 花线切割机床可靠性评价模型中提出用模糊神经网络并结合模糊综合评价法对某切割 机进行可靠性进行评价，具有一定实用价值【l3 1 。在邹辉等人的科技文献基于两重威布 尔分布的大型数控铣齿机可靠性评价中提出了用两重威布尔分布混合模型的方法对某 数控铣齿机进行可靠性指标评价【1 训，为本文进行刮板输送机的可靠性寿命的分布函数的 确定提高了借鉴。 t 在欧美日等发达国家，对可靠性寿命的研究已经得到广泛的应用，对煤炭综采设备 的可靠性寿命研究已经相当成熟，但是在国内，该研究才处于起步阶段。随着我国可靠 性理论及技术的不断发展和研究工作的不断深入，可靠性寿命在综采设备方面的研究将 会得到进一步的发展和应用。 1 3 论文主要研究内容 本课题主要围绕刮板输送机整机可靠性水平、最薄弱环节的疲劳寿命和可靠性寿命 三个方面来展开讨论。首先，介绍刮板输送机可靠性寿命的相关理论知识；然后，利用 可靠性理论对刮板输送机整机进行建模并对其进行可靠性分析，找出最薄弱环节；再次， 对刮板输送机的薄弱环节进行疲劳寿命预测；最后，对收集的刮板输送机的故障统计数 据进行可靠性寿命分析，具体研究内容如下： 1 ) 介绍可靠性寿命方面的相关知识，结合刮板输送机实际工况和运行特点，选取 适合刮板输送机的可靠性寿命指标，为后面进行刮板输送机可靠性寿命分析奠定基础。 2 ) 介绍刮板输送机结构和工作原理，依据可靠性理论，建立刮板输送机整机可靠 4 太原理： 大学硕士研究生学位论文 性框图，结合神东煤炭集团的刮板输送机的故障统计数据，对刮板输送机的整机进行可 靠性分析，找出最薄弱环节，然后利用故障树定性分析最薄弱环节，找出其故障的主要 原因。 3 ) 利用a n s y s 建立刮板链三维模型，并进行有限元分析得出应力云图，再导入 f e s a v e 进行疲劳寿命预测，得出刮板链的疲劳寿命和安全系数。 4 ) 对神东煤炭集团补连塔煤矿刮板输送机的故障统计数据进行可靠性寿命分析，验 证可靠性寿命分布模型，确定模型参数，计算可靠性寿命指标，找出寿命规律，判断其 可靠性寿命的总体水平。利用“等劣化”理论预计其大修次数和每次大修的总过煤量。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 可靠性定义 第二章可靠性寿命理论基础 按照国家有关标准，可靠性( r e l i a b i l i t y ) 的定义为：产品在规定的条件下和规定的 时间内完成规定功能的能力。 为了更好的理解定义，应从产品、条件、时间、功能、能力这五个要点来分析”5 j ： ( 1 ) “产品”，随着可靠性研究的不断深入，研究对象也不断延伸，产品的含义也 不断扩充。按产品的性质可分为可不修复产品( 如电子元件等) 和可修复产品( 如刮板 输送机、采煤机等) 。 ( 2 ) “规定的条件”，产品的使用条件和产品的寿命与质量是有直接关系的，规定 的条件包括环境、动力强度、负载大小等。就以刮板输送机来说一般指环境条件、操作 技术、管理水平等，如载荷、腐蚀、规章执行度等。 ( 3 ) “规定的时间”，可靠性是用时间尺度来描述的质量特件。可零件定义中“规 定的时间”足可靠性区别于产品其它特性的重要特征。就以刮板输送机而言，它的过煤 量多少就是其规定的时间。因为它受到各种磨损、材料老化、疲劳等条件的影响，可靠 度是随着工作时间而趋向下降，其只能在一定的时间内才能达到规定的可靠度。因此， 规定的时间是可靠性分析的先决条件。 ( 4 ) “规定的功能”，功能不只是产品应该完成的工作，还包括完成工作的性能指 标的好坏。如对刮板输送机来说，常有运输连续性、承载力等。对不同类型产品功能规 定有所不同，刮板输送机的规定功能就是能够正常的连续不断的运送由采煤机割下的煤 炭。如果完不成规定的功能就说明该产品失效或者故障。 ( 5 ) “能力”，是指产品完成规定功能的可能性。这种可能性具有统计学的意义， 需要用数学方法，如概率论和数理统计来衡量，常用不发生故障的概率来表示。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 刮板输送机可靠性寿命特征量的选取 2 2 1 可靠性概率特征量 可靠性特征量是指描述产品可靠性整体水平的各个指标。实际中，产品的可靠性特 征量值是一个理论值。在产品运行中，其特征值我们是不可而知的。因为可靠性特征量 对产品可靠性水平的描述各有侧重，所以可靠性分析所选取的特征量，应从各个角度对 产品可靠性水平进行定性或者定量分析。 常用的可靠性特征量有可靠度、不可靠度、失效率、平均无故障工作时间、平均修 复时间和有效度等n6 1 7 一引。 1 ) 可靠度与不可靠度 可靠度( r e l i a b i l i t y ) 是产品在规定的条件下和规定的时间区间内，完成规定功 能的概率，记为r ( t ) 。可靠度的取值范围为0 r l 。 不可靠度又叫失效概率，是产品未完成规定功能的概率，即发生失效或发生故障 的概率。记为f ( t ) 。 设随机变量r 为产品的无故障工作的时间，则产品在给定时刻亡的可靠度和不可 靠度为如式2 - 1 和式2 - 2 所示。 可靠度 不可靠度 r ( f ) = p ( t f ) = f ( t ) d t ( 2 - 1 ) f ( f ) = 1 - r ( f ) = p ( 丁f ) = f f ( t ) d t ( 2 - 2 ) 式中：f ( t ) 为随机变量t 的密度函数。 r ( t ) 和f ( t ) 有如下基本关系： r ( t ) + f ( t ) = 1( 2 3 ) 可靠度与时间、不可靠度与时间的函数关系图如图2 1 所示。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 一一一 一一 色) 图2 1 可靠度、不可靠度与时间的关系 f i 9 2 1r e l a t i o n sb e t w e e nt i m ea n dr e l i a b i l i t ya n df a i l u r ep r o b a b i l i t y 对不可修复产品的可靠度为： 即 胁掣= 卜竽 4 ) 式中：m ( t ) 是从开始使用到未完成规定功能这一时刻的产品数。 对可修复产品的可靠度为： 即 j 加= 掣 ( 2 - 5 ) 式中：肛从开始到某一时刻t 内发生故障的总次数； m ( t ) 一从开始到某一时刻t 内超出规定时间的次数。 上述是假设可靠度产品的工作时间是从零开始，但实际中需知道产品在某一段时间 内完成任务的可靠度，即产品工作时间t l 后再继续工作t 。的可靠度。 由条件概率知 u 叫帅圳= 等 ( 2 _ 6 ) 根据样本的观测值，任务可靠度的观测值为 r ( t + t 2 i t ) = 帮 7 ) 2 ) 失效率 失效率是一个工作到某时刻尚未失效的产品，在a t 时刻以后的下一个单位时间内发 太原理工大学硕士研究生学位论文 生失效的概率，叫失效率。有时也称失效强度，它也是时间t 的函数，记为a ( t ) 。 对于一个产品来说，随工作时间的增加，其可靠性是逐渐降低的，即该产品发生失 效的概率是逐渐增加的。可靠度和失效率的关系如式2 8 所示。 尺( f ) = e 州 ( 2 8 ) 按上述定义，失效率为： 加) = 慨去肌丁 t + a t 睁f ) ( 2 - 9 ) 式中：t 表示产品从开始工作到发生故障的时间。 平均失效率为： 瓦( f ) ：j 生 ( 2 一l o ) 7 2 一l 式中：a 为产品在( t ，t2 ) 时间内发生故障的数目。 失效率的单位用单位时间的百分数来表示。例如，1 0 h ，可记为1 0 一h 】。 失效率的单位还可以取成k m - 1 、k g - 1 、次1 等。 3 ) 失效率曲线 失效率曲线可分为三段，即早期型失效率曲线、恒定型失效率曲线和损耗型失效率 曲线。对于整机而言，一般是这三种失效的组合，其失效率曲线的典型形态如图2 - 2 所 示，这条曲线形如浴盆，所以又叫浴盆曲线( b a t h t u b c u r v e ) 。这三段曲线分别对应产 品的三个不同阶段或时期。 这三个阶段( 时期) 共同反映刮板输送机从开始工作到报废整个寿命失效率的趋势。 图2 - 2 浴盆曲线 f i g ：2 - 2 b m h m bc u r v e 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一段a 曲线是刮板输送机的早期失效期，表明失效率随工作时间的增加而逐渐下 降，表现下降的趋势。失效率属于早期失效型。这一时期的刮板输送机失效的原因集中 是由于其在设计阶段上的工艺没达到要求、设计疏忽、材料本身的缺陷等造成。提高设 计、制造质量，可有效缩短早期失效期； 第二段b 曲线是刮板输送机的偶然失效期，这一时期的特点是失效率较低，且较稳 定，并且在某一阶段表现为一定值，不随时间变化。在该时期产品失效率属于恒定失效 率型，该时期是产品发挥正常工作能力的时期，产品可靠性指标所描述的正是这个阶段。 由于应力条件不可预测的突然变化，致使故障偶然失效，但是我们要尽力做好维护和修 养工作，可以使这一时期延长。 第三段c 曲线是刮板输送机的耗损失效期，表明失效率随时间而逐渐上升，其主要 是由于其老化、长期腐蚀、疲劳磨损等原因所致。在这个阶段产品的损坏失效型。这类 失效一般发生在寿命的后期阶段，如果是部分零件发生磨损失效，可以对他们进行替换。 对于刮板输送机，进行预防性维修可以延长其寿命时间。 刮板输送机可靠性寿命就是在这三个时期上进行分析，可以根据对其数据进行可靠 性寿命分析进而判断其处在哪一时期，从而使管理者能够正确的对刮板输送机的工作状 态有一个比较深入的了解。 4 ) 平均无故障工作时间与平均修复时间 对于可靠性寿命的研究，平均无故障工作时间是其最主要指标，而平均修复时间在 可靠性寿命分析中不作考虑。所以知道刮板输送机的平均无故障工作时间对本文的研究 相当重要。 产品有不可修复和可修复之分，而他们的平均寿命的意义也不尽相同。对不可修复 产品而言，平均寿命指产品从开始使用到失效的平均工作时间，记为m t t f ( m e a nt i m et o f a i l u r e s ) 。对可修复产品而言，平均寿命又叫平均无故障工作时间或平均故障间隔时 间，相邻故障间的平均工作时间，记作m t b z ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s ) 。但m t b f 和m t t f 在数学理论上确是一致的，我们一般用0 来表示，如式2 一1 1 所示。 0 = t n( 2 一1 1 ) 式中，t 为产品工作总时间； 太原理工大学硕士研究生学位论文 n 为故障总次数。 因为刮板输送机是可修复产品，所以对于刮板输送机而言，当可靠度函数月( f ) 为指 数函数分布时，0 的表达式为： m t b f = 0 = 1 a ( 2 - 1 2 ) 当可靠度函数r o ) 为威布尔函数分布时，平均寿命用e ( f ) 表示，如式2 1 3 所示。 即，= 7 + q f 怫 浯 式中： y 一位置参数； 町一尺度参数； p 一形状参数。 5 ) 有效度 有效度是指在规定的条件下可维修的产品在某一时刻保持其功能的概率，也称可用 度，对于刮板输送机而言，是指在任一时刻都保持稳定运行状态的概率。 当可维修性产品的故障寿命为指数分布时，可得： 么o ) 2 面面m t 砑b f 示= 老 ( 2 _ 1 4 ) 式中：m t t r 为平均修复时间： j m t l 3 f 为平均无故障工作时间； p 为修复率： a 为失效率。 6 ) 可靠性特征量间的关系 可靠性特征量中r ( r ) 、 f ( t ) 、f ( t ) 和旯( f ) 是四个基本函数，如果一个知 道，则所有其他的特征量都可以求得。四个基本函数的关系见表2 1 。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 1 可靠性特征量中四个基本函数之间的关系 t a b 2 1r e l a t i o n so fb a s i cf u n c t i o ni nr e l i a b i l i t yf e a t u r e s 基本函数 r ( t )f ( t )f ( t )a ( t ) r ( t )1f ( t ) f s ( o d e x p - z ( t ) a t 0 f ( t )1 一r ( t ) f d t1 - e x p - i z ( t ) d t 0 0 d r ( t )d p ( t ) a ( f ) e x p 一p ( f ) 西 f ( t ) d ld l 0 a ( t ) 一_ dh r ( f ) 1 d f ( t ) 厂( r ) d t 1 一f ( ，) d t i s ( t ) e , 2 2 - 2 可靠性寿命指标 享 t 对于不同的产品，不同的工作环境，不同的使用情况需要确定相对应的评价指标来 描述 1 9 1 。本文是对刮板输送机的可靠性寿命进行，而刮板输送机的工作条件及承载特性 需要对可靠性寿命指标进行合适的选取，其指标如下： ( 1 ) 可靠度r ( t ) 与不可靠度f ( t ) 在刮板输送机可靠性寿命分析中理解可靠度与不可靠度：在规定的条件下和过煤量 t 内，其完成规定功能的概率就是刮板输送机的可靠度。记为r ( t ) 。在规定的条件下和 过煤量t 内，其未完成规定功能的概率是刮板输送机的不可靠度，又叫累积故障概率。 记为f ( t ) 。通常进行可靠性寿命分析的主要指标对象为不可靠度f ( t ) 2 0 1 。，由于f ( t ) 的大 小直接表现在故障发生的概率上，反映了刮板输送机发生的故障次数与过煤量的函数关 系。 上述概念可知，r c t ) 与f ( o 关系到刮板输送机是否会在t 时间内发生故障的概率，其 范围是： 0 r ( t ) 1 ( 2 15 ) o f ( t ) l ( 2 1 6 ) 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 而可靠度r ( t ) 与不可靠度f ( t ) 的基本关系如下式： r ( t ) + f ( t ) = l( 2 17 ) ( 2 ) 故障概率密度f ( t ) 故障概率密度是刮板输送机过煤量t 内发生故障的概率密度。在对其进行可靠性寿 命分析时，故障概率密度f ( t ) 需要对故障时统计过煤量数据来进行分析求得。 不可靠度和故障概率密度的关系如下式： 巾) = 了d f ( t ) ( 2 - 1 8 ) ( 3 ) 故障率( a ( f ) ) 在过煤量t 内发生故障的概率为刮板输送机的故障率，即刮板输送机在某一时刻t 内部件可以正常工作，下一时刻发生失效的比率。故障率函数a ( f ) 可以根据不同的分布 函数来确定。 故障率允( r ) 与故障概率密度函数f ( t ) 和可靠度函数r ( t ) 有如下关系： 加) 2 器 ( 2 - 1 9 ) ( 4 ) 平均故障间隔m t b f 由上面可知刮板输送机是可维修设备，平均故障间隔m t b f 就是刮板输送机在两次 相邻的故障内的过煤量。对于刮板输送机来说，平均故障间隔m t b f 在研究其可靠性寿 命中具有重要意义。 当f ( t ) 为连续函数时， m t b f = j 矿( f p ( 2 2 0 ) 当f ( t ) 为离散函数时， m t b f = z ( 2 - 2 1 ) i = i ( 5 ) 刮板输送机的寿命指标 对于刮板输送机而言，寿命是每次相邻两次故障的采煤量的总和。一般可修复设备 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的寿命指标一般有可靠寿命、中位寿命、特征寿命等，因此刮板输送机的可靠性寿命可 选用他们来进行分析。 1 ) 可靠寿命f ：刮板输送机可靠度达到规定值r 的过煤量，称为刮板输送机的可靠 寿命。常取可靠度r = o 9 1 2 1 1 。 2 ) 中位寿命气，：刮板输送机为可靠度为0 5 时的过煤量，称为刮板输送机的中位寿 命t 0 5 。 3 ) 特征寿命f 0 ，：当刮板输送机的可靠度为r = p 0 3 7 时的过煤量，称为刮板输送 机的特征寿命0 ，。 2 3 可靠性寿命分布模型 寿命是产品可靠性的主要研究对象，也是一个重要指标，产品的寿命是一般是连续 的随机变量【1 4 】，由于失效的机理不同，存在着不同的寿命分布。如果可以知道该产品的 寿命分布规律，我们可以描述该产品内在的寿命规律，而且所服从分布的参数还决定了 一产品的寿命特征，因此在了解产品的可靠性特征及寿命指标以后，还应对寿命分布作较 为深入的研究，所以知道产品的寿命分布很重要。大量试验表明，指数分布、正态分布、 威布尔分布和对数正态分布等是机械产品服从的主要寿命分布模型田j 。 2 3 1 指数分布 ( 1 ) 指数分布的特征量函数 其概率密度函数f ( t ) 为： f ( t ) = l e 矗( 0 t o o ，0 九 ) 威布尔分布和对数正态分布 ( 2 2 2