（机械设计及理论专业论文）液压支架掩护梁可靠性工程方法研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 液压支架掩护梁可靠性工程方法研究 w i 嬲 1 1 1 h 1 3 i w 6 6 i h 7 l l h l i 摘要 液压支架作为综合机械化采煤主要设备之一 其性能将直接决定了整 个综采工作面的安全可靠性和生产效率 由于国产液压支架在设计技术水 压支架技术水平较低 可靠性差 服务寿命短 需要采取有效的途径来解 决国产液压支架的所存在的问题 论文在对液压支架的组成结构 国内外液压支架发展现状分析的基础 上 进行了液压支架可靠性预计以及可靠性分配 依据设备管理工程基本 理论构建液压支架可靠性工程方法 液压支架可靠性指标与标准选取的液 压支架可靠性工程体系 进行了以液压支架掩护梁为研究对象的可靠性研 究 同时将其研究成果推广到整个支架生产过程中 液压支架可靠性信息管理系统 通过本系统对液压支架制造过程中可靠性 数据和信息的收集整理 为高可靠性液压支架设计 制造提供技术保障 关键词 液压支架 掩护梁 可靠性工程 可靠性信息管理系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a c ho nr e l l 蛆m i t ye n g d 咂e u n g n 姗0 i d0 fl 1 d ra u 匝 i cs u p p o r t a b s t r a c t h y d r a u l i cs u p p o r ta so n eo f t h em a i ne q u i p m e n ti nf u l l ym e c h a n i z e dc o a l m i n i n gf a c e i t sp e r f o r m a n c ew i l ld i r e c t l y a f f e c tt h e s a f e t ya n dp r o d u c t i o n e f f i c i e n c yo ff u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c e h o w e v e r a sar e s u l t o f d o m e s t i ch y d r a u l i cs u p p o r ti nd e s i g nt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t y c o m p a r e d l i 也t h ew o r l da d v a n c e dl e v e lt h e r ei sac e r t a i ng a p e m b o d i m e n to f d o m e s t i ch y d r a u l i cs u p p o r tt h el o wl e v e lo ft e c h n o l o g y p o o rr e l i a b i l i t y s h o r t s e r v i c el i f e w en e e dt ot a k ee f f e c t i v ew a y st os o l v et h ed o m e s t i ch y d r a u l i c p r o b l e m s r e s e a r c ho nh y d r a u l i cs u p p o r ts t r u c t u r e t h ed e v e l o p m e n to fh y d r a u l i c s u p p o r ta th o m ea n da b r o a db a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n ts i t u a t i o n t h e h y d r a u l i cs u p p o r tr e l i a b i l i t yp r e d i c t i o na n dr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o n a c c o r d i n gt o e q u i p m e n tm a n a g e m e n tp r o j e c t e s t a b l i s h m e n to fb a s i ct h e o r yo fr e l i a b i l i t y e n g i n e e r i n gm e t h o d r e l i a b i l i t yi n d e xa n ds t a n d a r do fh y d r a u l i cs u p p o r ti n r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gs y s t e m t h eh y d r a u l i cs u p p o r ts h i e l db e a m a st h eo b j e c t o fs t u d yo fr e l i a b i l i t yr e s e a r c h a tt h e s a m et i m et h es t u d yr e s u l t sc a nb e g e n e r a l i z e dt ot h ee n t i r es t e n tp r o d u c t i o np r o c e s s i nt h el a s t l y a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cs u p p o r tm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s i nt h ea c t u a lr e s e a r c ha n dn e e d sa n a l y s i s u s i n gv bs o f t w a r et od e v e l o pt h e r e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m t h r o u g ht h es y s t e mo fh y d r a u l i c s u p p o r t i nt h e m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s o f r e l i a b i l i t y d a t aa n di n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n f o rt h eh i g hr e l i a b i l i t yh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g na n dm a n u f a c t u r e t o i 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e y w o r d s h y d r a u l i cs u p p o r t g o a fs h i e l d r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g r e l i a b i l i t y i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 综合机械化采煤工艺是当今世界主要先进产煤国家的主导开采技术和方向 1 液压 支架作为进行综合机械化采煤的主要设备 其发展水平的高低反映了国家煤机装备发展 水平的高低 然而 由于国内液压支架在设计技术水平 生产制造能力等方面与世界先 进水平相比存在一定差距 体现国产液压支架技术水平较低 可靠性差 服务寿命短 加快国产液压支架自主研发进程速度 采取一定的可靠性工程方法 从长寿命 高可靠 性两方面为出发点 逐步使国产液压支架代替进口支架 以满足煤矿企业生产要求 使 得国内煤炭企业生产成本降低 进而提高企业的市场竞争能力 1 1 1 液压支架简介 液压支架作为煤矿综合开采机械化工作面的主体设备之一 它用于对工作面项板的 可靠而有效地支撑与控制 从而把采空区隔离开 使得地下作业能有安全的工作环境 通过液压支架 采煤机 刮板输送机和顺槽转载机之间的配合 构成综采工作面设备的 机械化作业 使得采煤和运煤设备的效率提高 进而为煤碳开采的安全生产和高效高产 的实现创造基本条件 具有支护性能高 移动速度快 强度高特点的液压支架是实现综采工作面安全生产 和高产高效的关键设备之一 其性能和可靠性的高低决定了煤矿综合开采成功与否 1 液压支架的结构 依据液压支架各个部件的作用和功能 可以将其组成部件分为四部分 1 承载结构件 顶梁 掩护梁 尾梁 连杆以及底座等结构件是液压支架主要的承载件 在液压支 架的部件中起到传递和承受顶板压力和垮落岩石的载荷 2 液压油缸 液压支架中的立柱和各种千斤项是主要的液压油缸件 这些液压油缸用于完成液压 支架的各种要求动作提供动力 例如立柱支撑在顶梁与底座之间 通过伸缩可调整液压 太原理工大学硕士研究生学位论文 支架的工作高度 通过平衡千斤项对支架顶粱的调整改善支架接顶情况 同时为了适应 对顶板切顶线的位置变化需要通过平衡千斤顶改变支架对顶板合力的作用线位置 进而 使得液压支架稳定 3 控制元件 液压支架中各种阀件 例如安全阀 操纵阀 单向阀等 电控元件 油管路等构 成了控制元件 其用于操作控制液压支架中立柱和各种液压千斤顶的动作和保证其工作 特性 4 辅助装备 液压支架除了上述三部分部件还有辅助元件 例如护帮部件 推移装备 喷雾系统 防倒防滑装备 活动侧护板等 它们主要用于辅助完善液压支架的动作或功能 根据液压支架结构特点以及与周围围岩作用关系 可以将其分为支撑式 掩护式以 及支撑掩护式三大类 2 1 两柱掩护式液压支架是目前国内主要架型 组成结构如图卜1 所示 图1 1 两柱掩护式支架 f i g 1 12 l e g ss h i e l dp o w e r e ds u p p o r t 卜护帮装置 2 一前梁 3 一顶梁 4 一前梁千斤顶 5 一弹簧筒 6 一顶梁侧护板 7 一立柱 8 一掩护梁 9 一平衡千斤顶 1 0 一掩护梁侧护板 1 1 前连杆 1 2 一后连杆侧护板 1 3 后连杆 1 4 底座 1 5 一推移千斤项 1 6 一推杆 图卜l 中8 一掩护梁是本论文主要研究对象 通过对其进行失效分析 利用可靠性工 程方法提高其可靠性水平 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 2 国内外液压支架发展研究现状 自从首架液压支架研制成功后 随着技术的逐步改进和完善 并在煤矿企业中得到 普遍使用 使采装运以及支护等采煤工序实现综合采煤机械化 目前 以液压支架为主 的综采设备以逐步向程控遥控和自动化方向发展d 3 1 国外液压支架发展 自从上世纪7 0 年代以来 位于澳大利亚的科里曼煤矿在长臂工作面中使用了电液 控制液压支架 并对集中电液控制系统进行了研制 为了方便对该系统全面控制 将其 主控制台及电源均匀布置在工作面得运输巷里口1 上世纪8 0 年代计算机技术达到充足的发展 德国研制出具有灵活的编程能力的 p a n z e r m a t i c os 5 系统 该系统采用性能较高的m c s 一8 0 2 单片机和专用c p u 处理机 对操作面板进行了全塑密封 同世纪9 0 年代威斯特伐利亚一贝考瑞特公司研发出更为 先进的p m 3 和p m 4 电液控制系统睛1 在随后的发展中以美国为代表的长壁高效集约 化生产模式引领世界开采装备 四连杆机构的掩护式液压支架的出现 为液压支架技术的发展带来了又一次新的 飞跃 现在主要有直接撑顶和间接撑顶两种架型 众多的优点使四连杆掩护式液压支架 成为破碎和不稳定顶板条件下使用的主要架型 但掩护式液压支架支护能力较弱 切顶 能力差 抗冲击能力较低 因此 日本研制出了支撑掩护式液压支架 集支撑式和掩护 式液压支架二者优点于一体 成为现在稳定和坚硬顶板条件下的主要架型 2 国内液压支架发展 在2 0 世纪6 0 年代末国内煤机行业首次对液压支架进行了研究和开发 7 0 年代对从 国外液压支架技术先前的国家引进液压支架进行了试用和仿制 同时总结了液压支架的 研发制造技术经验 国内液压支架的研制使用于上世纪8 0 年代得到了巨大的发展 研 制出现了2 0 多类不同规格型号的液压支架 例如z y 系列 z z 系列以及t d 系列h 儿5 1 随着煤矿开采中放顶煤技术的推广应用 郑州煤矿机械厂 北京煤矿机械厂 煤炭 科学研究总院北京开采研究所 太原分院及其他科研单位共同研制和开发了z f s z f d 系列放顶煤液压支架 1 但国内在液压支架电液控制系统方面处于单架与成组程序控制的初步阶段 而针对 煤矿综合开采机械化工作面中设备的全自动化控制还处于研制阶段 在高端液压支架方面 其技术性能和可靠性等与国外有相当大的差距 并且其核心 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术大部分依靠国外公司提供或经过拆装改造来满足用户的需要 直到2 0 0 8 年底 郑 州煤机 北京煤矿机械有限责任公司和四川神坤装备股份有限公司分别研制了6 3 米采 高液压支架 5 5 米采高液压支架和电液控制系统 陆续投入使用取得良好效果 以郑 州煤机为例 2 0 0 8 年研制成功世界上工作阻力最大 支护高度最高 具有自主知识产权 的6 3 米采高液压支架 其价格只有国外厂商报价的一半 并通过液压支架国产化项目 形成了系列液压支架设计和制造能力 1 1 3 国内外可靠性研究概况 可靠性工程始于2 0 世纪4 0 年代 机械可靠性技术的发展最初由美国应用于拖拉机 汽车 发电机 发电设备等产品中 随着社会的进步可靠性技术的到很大发展 由英国 美国 新西兰 澳大利亚和加拿大五国组成的技术合作委员会根据机械设备的设计功能 和特征 设备使用的特定环境等因素 制定出包含了四组十八种常用的零件和设备的可 靠性设计手册 该委员会进行了针对性的实验室试验以及对现场使用信息的收集来进行 预计模型的正确性验证 7 3 8 m 1 国内最早进行可靠性工作始于电子工业部 于上世纪六十年代初进行了可靠性评估 的相关工作 在1 9 8 4 年国防科工委结合国内实际情况和学习国外可靠性先进经验 组织 进行了有关维修性与可靠性的一系列基础规定和标准的制定 在机械产品有关可靠性问 题设计方面上 国内外虽然取得了丰硕的研究成果 但由于机械产品系统的复杂性以及 其使用环境的随机性 可利用数据获取困难或有限等原因 在进行可靠性设计定量计算 方面 未制定出类似于 电子产品可靠性设计手册 的机械可靠性设计手册 国内科技工作者对液压支架的可靠性研究做出了很大努力 太原理工大学机械工程学院的王兴前 刘混举教授在推导液压支架可靠度与维修度 计算公式的基础上 得出可用度这一综合了可靠度和维修度的广义可靠性指标 作为衡 量液压支架可靠性的主要参考指标n 引 西安科技大学苏林军和任中全通过分析支架系统各单元闯的功能关系 绘制出支架 系统可靠性功能逻辑吼并对其作出简化 进而对支架系统的可靠性进行预测 得出了 支架系统可靠度的计算公式 并对支架系统可靠性增长进行探讨 1 王招和王锦两位学者从增大支架的工作阻力 使架型结构尽可能简单 优化设计方 法的利用等六个方面阐述了提高液压支架可靠性技术途径n 引 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 兰华和李秀轩两位学者根据矿用液压支架立柱 千斤顶防腐 密封和结构方面的特 点提出了提高液压支架立柱 千斤顶可靠性的措施 主要是研制新型密封件 内壁采用有 机复合层 结构改进n 3 1 1 2 选题目的和意义 1 2 1 选题的目的 液压支架作为综合机械化采煤主要设备之一 其性能将直接决定了整个综合机械化 采煤工作面的安全可靠性和生产效率 但是 国内在液压支架的设计制造上存在着技术 水平较低 服务寿命短 可靠性差等缺点 为了使国产高可靠性液压支架的设计制造迈 上 个新台阶 需要在液压支架全寿命过程中进行可靠性信息收集和实施严格管理 并 努力寻找出提高液压支架可靠性的有效途径 能够满足使用用户在液压支架技术性能及 指标 制造质量方面上所提出的要求 1 2 2 选题的意义 通过对液压支架掩护梁进行可靠性工程方法研究 提出有效的提高其可靠性途径 根据研究结果将其推广到整个液压支架的研究和制造过程中 进而能够解决国产液压支 架存在的可靠性差和服务寿面短等问题 使国产液压支架的制造水平迈上一个新的台 阶 进一步加快我国煤矿装备现代化建设 为煤炭企业带来显著的经济效益 1 3 课题研究主要内容 本课题为液压支架掩护梁可靠性工程方法研究 以掩护梁为主要对象 通过对掩护 梁的失效分析 将可靠性工程方法应用到液压支架中提出提高可靠性的有效途径 利用 v b 软件为平台 结合数据库软件开发出液压支架可靠性信息管理系统 本课题主要内容 包括两部分 1 以两柱掩护式液压支架掩护梁为研究对象 建立液压支架可靠性体系 利用可靠 性工程方法对掩护梁进行可靠性研究 提出提高其可靠性的有效途径 2 以液压支架制造企业调研为基础 结合液压支架本身特点 利用v b 软件为平台 结合数据库软件开发出符合液压支架制造企业的液压支架可靠性信息管理系统 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 第二章液压支架可靠性工程体系 本章将通过介绍可靠性基础理论知识 可靠性工程3 f 技术以及液压支架制造与检 验标准三方面知识构建液压支架可靠性工程体系 2 1 可靠性基础知识 可靠性 r e l i a b l i t y 的定义是指产品在规定的条件下 在规定的时间内完成规定 的功能的能力口1 其中所谓产品范围可以从广义上的各种系统 设备到具体的某个元 器件 从可靠性定义中可以看出从规定条件 规定时间以及规定功能的三个特定的 要素来衡量产品 所谓规定条件是指产品使用的条件 其处于的环境条件 以及其维修条件 例 如载荷 温度 压力 振动等 因此在探讨产品的可靠性时需要标明出在什么情况 下的规定条件 规定的时间所指的是产品特定的任务时间 产品故障概率将随着产品任务时间 的增加而增加 近而将导致产品可靠性的降低 所谓规定的功能是指在探讨产品可靠性之前需要首先明确其功能 满足什么样 的条件就可以认为完成指定的功能 所规定的产品必备功能以及其技术指标决定了 产品的可靠性指标 在实际应用中 利用概率指标或时间指标对产品的可靠性水平进行评价 将其 称为可靠性特征量 例如 失效率 可靠度 平均修复时间 平均无故障工作时间 笙 寸 为了保证机械及其零部件满足规定的可靠性指标可以利用机械可靠性设计方 一法 它最基本内容有以下几个方面 一 分析研究产品的故障模型和故障机理 明确可靠性指标和相应等级 可靠性预测 对可靠性指标值进行合理的分配 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 根据分配到零件的可靠性指标值对其进行设计 可靠性技术在产品整个寿命周期各个阶段中应用如图2 1 所示 r 2 1 1 系统可靠性预计 图2 1 可靠性技术应用 f i g 2 1a p p l i c a t i o no f r e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y 1 系统可靠性预计定义与目的 系统可靠性预计是指在系统方案设计阶段为了评价系统在规定的工作条件下的可 靠性所需要完成的工作 它将依据系统的所能完成的功能 其工作的环境和其相关材料 推断出系统所具有的可靠度 这是由下到上 由局部到整体 由小到大的一个过程 是 一种综合的过程 5 引 对系统进行可靠性预计工作在于找出系统的薄弱环节并制定改进完善措施 对系统 方案进行比较选择 获取系统的最佳方案 同时系统可靠性分配可以根据可靠性预计的 数据进行分配 具体目的有以下几方面 了解设计任务中所提的可靠性指标是否能够满足 即验证系统的设计能否达到规 定的可靠性目标 并对系统可靠度进行预测 有利用设计方案之间的比较选择 获得最优设计方案 根据技术和经济上的可能 性 调整设计参数和其性能指标 以便在给定性能 费用和寿命要求下 找到最优的设 计方案 以求得合理地提高系统可靠性 在设计的最初阶段 找出系统薄弱环节 并制定改进措施 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 作为可靠性分配的基础 有利于找到可能实现的合理值 有利于系统零部件的正确选取 根据零部件的可靠度预测系统的可靠度 维修性 为可靠性增长试验 验证试验及费用核算等方面的研究提供依据 2 系统可靠性预计的方法 主要介绍三种系统可靠性预计的一般方法 1 相似设备法 相似设备法是为了对新设备 产品 可靠性进行预测而使用来至成熟的与其相似设 备 产品 的现场实际使用或实验结果的可靠性数据 相似设备法需要考虑的因素一般包括 相似性的设备结构和性能 相似性的设计方 案 相似性的制造工艺和材料 相似性的保障 使用和环境条件 相似设备法事一种比较快速粗略的预测方法 但它的优点是为了避免在事后被迫对 设计更改 而在设计初始便开始将提高设备的可靠性技术措施融入到工程设计中 相似 设备法预计程序如下 确定相似设备 考虑上述的相似因素 选取和新设备相似度最高并且具有可靠性数据的设备 研究分析设备可靠性受相似因素的影响 研究分析各种相似因素对设备可靠性的影响程度 研究分析新旧设备之间设计的不 同和它们对设备可靠性的影响 新设备的可靠性预计 依据 中的研究分析 明确新旧设备之间可靠性值的比值 然后 由有经验的相关 专家对这些比值进行评定 最后 依据可靠性值比值推测出新设备可靠性值 2 评分预计法 系统各单元的可靠性随着产品结构的复杂程度 采用的技术水平和使用环境条件等 可靠性因素不同而产生差异 评分预计法的定义是当系统的可靠性数据信息非常有限 时 那么可以通过熟悉系统的设计人员或相关专家对影响系统可靠性的相似因素做出评 价打分 分析研究已经得到的结果进而获得各个零件之间的可靠性比值 然后利用已有 设备的可靠性值为基准 进而对新设备的可靠性值进行估计 评分因素 工作时间 技术水平 复杂程度以及环境条件是在评分预计法中所要考虑的四个主 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 要因素 但在实际工程中可以针对产品的特点对评分因素进行增加或减少的调整 评分原则 用设备故障率作为预计参数对评分原则进行阐述 每个评分因素数值从l 到1 0 分值越低表明其可靠性越高 评分法可靠性预计 假设某零件故障率为z 则可以得到其它零件故障率名为 丑 z g 2 1 式中 q 第i 个零件评分系数 i l 2 n n 一单元数 g r o r o 2 2 式中 以一第i 个零件评分系数 国 一故障率为z 单元评分数 4 哆 兀 卢l 2 3 式中 一第i 个零件的第j 个因素评分数 i 1 一复杂度 i 2 一技术水平 3 一工作时间 4 一环境条件 评分预计法主要应用在零件的初步与详细设计两个阶段中 对各种零件可靠性进行 评估 当零件缺乏可靠性信息时 它是对零件进行可靠性预计的有效方法 然而得到的 零件可靠性预计结果往往受到人为影响很大 3 界限法 界限法即上 下限法 是指针对一个复杂设备系统无法利用数学模型法进行求解的 情况下 可以首先把某些零部件单元看成一个串联系统 推测出这个串联系统的可靠度 的预计上下限值 再将设备系统的复杂情况考虑进去 逐步求解出设备系统的精确可靠 度上下限值 当所求出可靠度的精度达到要求后 将上下限值作数学处理得到单一可靠 度的预计值 最终得到符合实际精度的数值 由于界限法需要预先知道各个单元的可靠度 因此 一般用于详细设计阶段 它的 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 原理是根据i p l f 把1 减去系统的失效概率作为可靠度预计的上限值r 咀 而把系统 的成功概率相加作为可靠度的下限值i 沁 在计算上限的过程中 略去了某些失效概率 这时所得出的可靠度就比实际的要高 所以定为上限 同样 在下限计算中 略去了某 系成功的概率 这时所预计出来的可靠度就比实际的要低 然后把对应的可靠度上下限 预计值按 2 4 式计算 r s l 一4 1 一 1 一吃 2 d 2 1 2 系统可靠性分配 1 系统可靠性分配定义与原则 系统可靠性分配是可靠性设计的重要任务之一 它就是将由使用方在系统设计任务 书 或合同 中提出的可靠性指标 按照一定的原则合理地从上而下 从整体到局部 从 大到小 逐级地分配到各子系统以及零件的方法n 钔n 州1 6 1 使用这种方法时需要在系统明 确体系结构时 把系统分成若干个子系统 模块或部件 同时为了满足各零部件的设计 难度 风险 时间大约相同的要求 就需要依据对系统提出的可靠性要求 对各子系统 明确可靠性 以保证使得系统可靠度最高 为了能够达到将对系统提出的可靠性要求分配到具体的零部件上的可靠性分配目 的 需要对整体与部分之间的可靠性指标进行调整分配 并且可靠性分配明确了各层次 的设计人员所对应的可靠性设计任务 依据设计任务估算出需要资源与时间 同时分析 研究为实现提出的设计任务可能性和相应措施 针对不同的机械产品以及所出现的问题不同 在进行可靠性分配过程中需要将可靠 性指标留出一些余量作为机动分配 首先确定各层次的可靠性指标要求 其次依据下面 5 个原则作出不同程度的更改 针对复杂或不易改进系统或部件分配较低的可靠性指标 功能重要度高系统或部件分配较高的可靠性指标 工作环境恶劣系统或部件分配较低可靠性指标 未采用新工艺 新材料产品分配较高的可靠性指标 一 易于维修系统或部件分配较低的可靠性指标 2 可靠性分配方法 1 比例组合法 太原理工大学硕士研究生学位论文 假设新设计系统和已有的旧系统相似 即系统组成的单元类型相同 而对新设计系 统的可靠性提出新的要求 由于相似系统设计存在继承性的特点 即依据对新系统设计 所提出的要求在已有旧系统上完成修改 因此组成新旧系统的基本部分很相似 如果拥 有旧系统的故障统计信息 例如分系统故障率占整个系统故障率的百分比 此时就能够 使用比例组合法进行可靠性分配 新系统中分系统的故障率就可以依据已有的旧系统中 分系统的故障率得到 其数学表达式为 磊 新丑老 以新 2 5 式中 磊一新系统故障率指标 正新一分配给新系统中第i 个单元故障率 五老一旧系统故障率 五老一旧系统中第i 个单元故障率 当已有的旧系统中各分系统故障占系统故障数百分比k 已知 并且新 旧系统非常 相似 那么就可以按 2 6 式对可靠性指标进行分配 即 k 友新 墨 2 6 这种做法的根本出发点是 由于已有的旧系统表达了某一时间段内其能够完成任务 的可靠性 当系统在技术上没有巨大的飞跃情况下 根据实际技术发展水平把新设计系 统的可靠性指标依据旧系统已有的能力成某比例进行调整修改的做法是完全合理的 2 考虑系统各组成部分重要度和复杂度的分配法 如果一个系统是由各机构以串并联等方式组成的各分系统串联而成的 那么当其中 一个分系统出现故障 就会导致系统产生故障 而分系统中某一冗余机构发生故障 系 统不一定会发生故障 可见分系统或机构对系统的影响程度有所不同 通常用重要度来 表示 其数学表达式 坠 2 7 q 2f j 式中 q n 一第i 个分系统 第j 个机构 的重要度 0 哆 l f 一第i 个分系统中第j 个机构产生故障所引起系统故障的次数 r j 一第i 个分系统中第j 个机构产生故障的次数 复杂度表示构成分系统的部件数占构成系统的部件总数的比例 其数学表达式 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 c i 钏r n n q 式中 c 一第i 个分系统的复杂度 吃一第i 个分系统的基本构成部件数 n 一系统的基本构件总数 1 1 一分系统数 c 越大表示分系统越复杂 当对分系统的复杂度和重要度进行综合考虑时 则可靠 性分配表达公式为 岛m 尘挚 2 9 岛 2i 尝孑 式中 岛 j 一第i 个分系统 第j 个机构 的平均故障间隔时间 n 一构成系统的部件总数 r o i j 一第i 个分系统 第j 个机构 的重要度 f j d 第i 个分系统 第j 个机构 的工作时间 啊一第i 个分系统的基本构成部件数 r 一规定的系统可靠性指标 3 评分分配法 所谓评分分配法是指依据以往的设计经验对照某些因素完成评分 再依照评分结果 将可靠性指标分配到各分系统中 复杂度 技术发展水平 环境条件以及重要度四个方 面是重要的因素 它们的分值范围从1 至1 0 假设各分系统获得的失效率为九 则其表达式如下 a g 屯 2 1 0 式中 e 一第i 个分系统的评分系数 丑一规定的系统失效率指标 e q 2 1 1 式中 劬一第i 个分系统的评分系数 分系统的评分数 q 2 i j r j 2 1 2 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 式中 h 一第i 个单元中第j 个因素的分值 j 1 一复杂度 j 2 一技术发展水平 j 3 环境条件 j 4 一功能要求 加 皑 2 1 3 kz l j 卅 式中 卜分系统数 针对上述三种可靠性分配方法 其中比例组合法和评分分配法用于产品的初步设计 中 而考虑重要度和复杂度分配法用于产品的详细设计过程中 在系统可靠性设计中 可靠性预计与分配是其重要的分析环节 系统可靠性分配的 结果将作为系统可靠性预计的目标与依据 而针对系统做出的可靠性预计结果将是系统 对分配的可靠性指标进行修正的基础 设计各阶段相互交替 反复进行 图2 2 形象的 表示了它们之间的关系 系统可靠性指标卜 1 一比较h 卜一系统可靠性预计 一宁一 图2 2 可靠性预计与可靠性分配的关系 f i g 2 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l i a b i f i t yp r e d i c t i o na n dr e l i a b i l i t ya l l o c a t i o n 针对同一架型新 老液压支架整体与其各个系统结构部件 它们结构之间相似度非常高 因此在设计新液压支架时可以借鉴老产品在使用过程中积累的故障数据 从而为新液压 支架设计提供一定可靠性数据参考 因此在液压支架质量管理系统中可靠性预计与可靠 性分配将分别采用相似设备法与比例组合法作为计算原理方法 一2 23 f 技术 3 f 技术是故障模式影响分析 故障树分析以及故障报告 分析和纠正措施系统三种 可靠性工程方法的英文首字母的统称 它们用于对产品故障的分析与控制以及其发生的 预防并对产品改进设计的有效工具和方法 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 故障模式影响分析 故障模式影响分析 f a i l u r em o d ea n de f f e c t s a n a l y s i s 简称f m e a 它是对系统中 零部件所有可能发生的故障模式和其对系统产生的影响进行研究 依据故障模式的发生 频度 检测难易程度以及其严重程度进行归纳分类的分析研究方法 通过对系统的设计 进行全面地研究分析查找出设计中的薄弱环节 然后对系统设计进行改进或制定其补救 措方氧 从而降低或消除故障模式对系统造成影响的危害性n 7 1 n 州嘲 f m e a 分析的是潜在故障 p o t e n t i a lf a i l u r e 是系统可能产生但目前为止没有产生 的故障 它是系统进行 事前预防 的做法 是一种系统化的可靠性 预想 分析方法 它包括功能f m e a f u n c t i o nf m e a 简称f f m e a 硬件设计f m e a d e s i g nf m e a 简称d 聊肛 a 和工艺f m e a p r o c e s sf m e a 简称p 踟e a f m e a 使用方法与目的在产品整个寿命内的各个阶段中各有不同 具体如表2 1 所 示 表2 1f 姬a 1 a b k 2 1f 证e a 阶段方案阶段研制阶段生产阶段使用阶段 方法功能n 肛i a 硬件f m e a工艺同吼 软件f m e a设备f m e a 统计同必 对系统的功对系统的软件 对生产工艺中薄弱与缺对使用过程中产品发 能设计中薄硬件设计中薄陷环节以及其对系统影生的故障 原因以及 弱与缺陷环弱与缺陷环节响进行分析研究 进而对其影响进行分析研 节分析研究 分析研究 从而工艺设计的改进提供依究 进而对论证评估 目的 从而对系统对系统的软件 据 对设备出现的故障对生产和研制各个阶段 的功能设计硬件设计方案系统的影响进行分析研中f m e a 的有效性以 方案以及改和改进提供权 究 进而对设备改进提供及产品进行改型与改 进提供权衡 衡依据一定依据 进或研制新产品提供 依据一定依据 系统开展f m e a 的分析步骤 如图2 3 所示 明 系系确 实 给 确 统统定 施 出 分 任功故 分 析 务能障 分 范 玢分 判 析 析 结 围 析 析据 论 图2 3f m e a 分析步骤 f i g 2 3f m e a a n a l y s i ss t e p s 系统f m e a 工作与系统设计同时开展 特别是在系统设计初始阶段中开展f m e a 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 工作 它有利于在系统设计过程中查找系统薄弱环节并根据分析结果对纠正措施的次序 进行安排 在系统设计制造过程中各个时期阶段 开展不同层次与程度的f m e a 分析 研究 从而使f m e a 能够反映出在系统设计和制造工艺方面上的变化 同时随着系统设 计制造阶段的展开需要对f m e a 的内容反复进行调整 由于f m e a 分析方法是对系统进行静态单个因素的研究手段 并且其针对动态分析 上存在缺陷 因此其不能代替其它可靠性分析工作 如果需要对系统开展全方位的研究 分析还需结合其它可靠性研究分析方法 对于f m e a 在液压支架掩护梁中的使用过程将在下文进行具体介绍 2 故障树分析 故障树分析 又称失效树分析 f a u l tt r e ea n a l y s i s 简称f r a 是利用故障树 作为分析手段对系统的故障模式进行研究的方法 故障树以系统所不希望产生故障事件 作为目标进行分析 首先查明这一事件 顶事件 发生的全部直接因素和可能的原因 并将其做为二级事件 继续查明二级事件发生的所有直接和可能原因 然后依此逐步地 查明 一直查找到最基本的直接原因 利用特定符号表达事件 然后用逻辑门将这些事 件连接成倒树状的图形 构成故障树 其中逻辑门符号表达了事件之间的因果逻辑关系 f t a 是一种详细的系统化的可靠性分析研究手段 其利用演绎推理原理查找造成故 障事件产生的全部的可能原因 进而搭建故障树 然后对故障树进行定性与定量研究分 析 查找出造成故障产生的主因 以便采取改进措施或控制方法 实现对故障发生的预 测和预防晗引 f t a 技术中建立故障树是关键环节 并且故障树的定性分析与定量计算的结果是否 精确取决于故障树构建的完整程度 构建故障树的基本程序如图3 4 所示 有妄 选故 障择 建 树 羹蓁 顶 树 蠢耄 事简 件 化 图2 4 建立故障树程序 f i g 2 4 f t ac o n s t r u c t i o ns t e p s 广泛收集并分析有关技术资料 要详细了解产品状态以及各种有关技术资料 区别系统受到软件与人为因素的影 响 认知系统出现的各类状态模式和其与各单元状态的相对应的联系 并且对产品的故 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 障案例进行收集和统计 选取顶事件 要分析的对象即为顶事件 通过全面研究分析产品故障事件 将较易发生且后果 严重的事件作为故障树的顶事件 建树 以顶事件为开端 逐层查找造成上层事件发生的直接原因 直到找到最根本的原因 为止 依照这些原因事件之间的逻辑关系 构建故障树 故障树简化 构建故障树的基本点不是获得真实的系统图 而是为了得到简化等效的系统图 因 此在构建故障树之前依据研究的目的 确定所研究的系统与其它系统之间的接口 并可 以进行必要的合理化假设 进而从真实的系统图中获得一张简化的逻辑关系系统图 3 故障报告 分析和纠正措施系统 故障报告 分析和纠正措施系统 f a i l u r er e p o r ta n a l y s i sa n dc o r r e c t i v ea c t i o n s y s t 锄 简称f r a c a s 也称为 故障信息闭环管理系统 f r a c a s 是一个信息收集 系统 其输入的是产品分散的故障信息 通过该系统将这些可靠性数据完整准确地收集 起来 并按可靠性工程要求分类整理形成可靠性档案 系统输出项是针对产品故障所制 定出的纠正措施 其工作原理为 信息反馈 闭环控制 通过规范化的步骤 使产品 发生的故障能获得及时准确的汇报并得到纠正 进而提高产品的可靠性 实现对产品可 靠性与维修性的预期目标 为修订可靠性设计准则 改进产品可靠性管理提供科学依据 e 2 3 2 4 o f r a c a s 工作流程包括故障的产生 故障的汇报 故障的研究分析 补救措施的制 定 闭环 维修性与可靠性研究分析 更新产品等一系列活动瞄1 工作流程如图2 5 所 示 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 故障发现 故障报告i 厂 一 i 将纠正措 j i 黼 放障核实i 二 故障隔离l 可靠性 研制试验 是 磊纠盎 否 旎的有效性 故障分析 确定 纠正措旄 嘉 釜h 裹 量r 叫数据收集 叫报茗赢因疑产品r 1 疑产品r 1 毅琚收集r 1 报本原因 图2 5f r a c a s 工作流程 f i g 2 5f r a c a sw o r l d l o w 运用3 f 技术在产品的可靠性工程研究中有着以下优点 f t a f m e a 中的 f 是指产品在将来工作中所可能出现的故障 结合过去实 际工作中的经验 尤其在实际的故障数据信息统计积累和f r a c a s 故障汇报方面 可 以在产品设计时实现对故障的 举一反三 从而可以更加全面地分析和完善产品的设 计方案 对于f r a c a s 中的 f 是指产品实际使用过程中产生的故障 同时明确造成 故障的原因 机理以及其后果危害程度 对大量的产品故障数据信息和可靠性数据进行 统计积累 而这些可靠性数据与故障信息就可以为f t a 与f m e a 在新产品设计中开展 工作奠定基础 在f r a c a s 中将利用f m e a 和f t a 的方法与结果对出现故障原因和机理进行 准确地分析研究 以便对产品系统中真实存在的缺陷制定纠正措施 以达到实现产品的 可靠性增长的目的 对产品故障的控制和预防是f t a 与f m e a 的核心 它可以减少f r a c a s 的工 作量 图2 6 更加形象的表示了3 f 技术实现产品可靠性增长的过程 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 对冀与蠢一请耗 图2 63 f 技术提高可靠性 f i g 2 63 ft e c h n o l o g yi m p r o v et h er e l i a b i l i t y 2 3 液压支架可靠性指标与标准选取 2 3 1 液压支架可靠性指标 不同种类产品依据其使用目的 设计要求与功能特点选取不同的可靠性指标 当明 确可靠性指标之后 根据使用者的要求 维修条件 使用环境和科技水平发展的动向等 因素明确具体的可靠性指标的目标值 1 可靠性指标的选取原则 可以性指标的考核是保证产品精度 性能 使用寿命的重要环节 可靠性指标的选 取应遵循以下原则 先进性 即尽可能采用国内外通用的可靠性指标 以便与国内外生产同类型产品 的先进厂家进行比较与交流 可行性是指在一定的技术 经费 研制周期等约束条件下 实现预定指标的可能 程度 完整性 即指标应能全面反映设备的可靠性水平 力求做到全面 精确 可靠 有效 合理性指是否综合考虑其影响 是否与其他指标经权衡达到协调 如考虑故障的 危害性 产品的复杂性等 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 平均无故障工作时间 平均恢复时间 可靠度 平均无故障工作时间 m e a l lt i m eb e t w e e nf a i l u r e 简称m t b f 是指从液压支 架在综采工作面中开始工作直到第一次发生故障的时间的平均值 m t b f 数值越大意味 着液压支架的可靠性越高 其计算公式为 m t b f 2 一1 4 n a 式中 卜累积工作总时间 n 广累积故障次数 寿命近似服从指数分布的液压支架系统处于稳定工作状态时其平均无故障工作时 问同样近似服从指数分布 因此液压支架的m t b f 和失效率入之间有以下的关系 m t b f j t 2 1 5 因此液压支架的失效率入能够使用m t b f 进行表达 平均修复时间 m e a i lt i m e t or e p a i r 简称m t t r 是指针对可修复设备的平 均修复时间 m t t r 数值越小则设备越易修复 其计算公式为 m t t r 二 2 1 6 0 式中 t 累积修复总时间 n o 一累积修复次数 液压支架平均修复时间m t t r 与平均无故障工作时问m t b f 具有相似的特性 则 液压支架平均修复时间与其修复率l l 存在如下的关系 1 2 土一 2 1 7 1 2 l i m t t r 同理液压支架的修复率i j 可以利用液压支架平均修复时问m t t r 进行表示 可靠度是指在规定的条件下和规定的时问区问内 完成规定功能的概率口1 可 以用r 表示 因为它是和时间相关的函数 称其为可靠度函数 也可以用r t 表示 对 于一个产品衡量其可靠性水平高低的各种可靠性指标中 可靠度是最常用的可靠性指 标 假设液压支架从正常工作到产生故障或失效之间的时问用变量t 表达 其概率密度 为厂 f 则液压支架位于某时刻t 的可靠度可以用下式表达 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 r o f d 厂 f 净 2 1 8 由于寿命近似服从指数分布的液压支架系统的失效率入能利用m t b f 表示 所以式 3 1 6 可以变为 r f f o 凡 p e 面 2 1 9 3 液压支架的维修度 由顶梁 底座 掩护梁 连杆及立柱等部件组成的液压支架不会因为部件发生故障 而报废 通过一定的修复仍然能够服役 因此针对液压支架在选取其可靠性指标时除了 可靠度之外需要注意其维修性 液压支架维修度是指液压支架产生故障后 在特定时间段内依据特定的步骤 与方法对其维修时 液压支架能够恢复到正常工作状态的概率 它是和时间t 有关 的函数 称其为维修度函数 用m t 表示 由上述可知 液压支架的维修度体现了其发生故障时被修复的能力 即液压 支架恢复的困难程度 它是在设计液压支架时给予的特有属性 由液压支架维修度的定义可得 如果修复时间的分布已定 概率密度为g o 则液压支架在某时刻t 的维修度为 圳 j 舭 2 2 0 如前面所