煤矿坑道钻机液压系统可靠性设计分析

1、2011年第3期 煤 炭 工 程 设计技术煤矿坑道钻机液压系统可靠性设计分析李 栋,王贺剑,王敬国(中国煤炭科工集团西安研究院,陕西西安 710077)摘 要:现代煤矿坑道钻机的工作装置大多采用液压控制技术来实现,因此液压系统的可靠性直接影响整机的可靠性。应用系统工程理论,论述了对液压系统进行广义可靠性设计的重要性,分析了可靠性及其特征值,并从可靠性设计、维修性设计以及可靠性管理三方面考虑,提出了提高液压系统可靠性的有效措施。关键词:坑道钻机;液压系统;可靠性;设计分析中图分类号:TD421 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2011)03 0023 03煤矿用全液压坑道钻机液压系

2、统的可靠性往往对整机的可靠性有很大的影响,煤矿用坑道钻机液压系统主要是用于主机(回转器、卡盘、夹持器、给进装置)、操作台、泵站、行走履带和稳固装置等,因其使用环境的特殊性,要求在特殊的条件下长期反复使用过程中,不出故障或少出故障,处于正常的工作状态,并能达到预期的作业效果。据统计,煤炭科学研究总院西安研究院所研制的煤矿用全液压坑道钻机常见故障超过70%的是由于液压系统直接或间接造成的1,如何提高钻机液压系统的可靠性,进一步提高坑道钻机整体性能的可靠性水平是一个极具现实意义的课题。达式为:A(t)=MTBFMTBF+MTTR(1)式中 MTBF 平均无故障时间;MTTR 平均维修时间。煤矿坑道钻

3、机液压系统故障维修时间由三部分组成:检查故障时间、排除故障时间、试机验证时间。有不少是完全由于偶然的原因而发生的故障,其故障发生的件数与尚未发生故障的件数是成正比的,因此他的寿命和维修时间都服从指数分布,即:MTBF=式中 故障率;11;MTTR=(2)1 可靠性及其特征值1 1 广义可靠性机器、零部件等一般是随着使用时间的增长会产生损坏或是故障,对于发生故障一般有两种处置方式,即废弃或是修复故障。针对废弃的不可修复零部件而言,其可靠性称为狭义可靠性,而可修复系统、机器的可靠性称为广义可靠性2,3。绝大多数坑道钻机液压系统属可维修系统。广义可靠性是指产品在这个寿命期内完成特定功能的能力,它将可

4、靠性和维修性均包括在内,三者关系为:广义可靠性=狭义可靠性+维修性修复率。因此有效度也可以表示为:A(t)=由此可以看出,提高液压系统有效度的途径有二:一是提高无故障时间,降低故障率;二是降低维修时间,提高维修率。2 提高液压系统可靠性设计方法探讨液压系统可靠性设计的内涵是开展有目的、有计1 2 有效度系统在正常规定的条件下使用,为系统的有效度,常记做A(t),即:A(t)=PS(t)=1有效度描述设备在时刻t是否正常工作的概率,是广义可靠性的衡量尺度4。又有瞬时有效度、平均有效度和稳态有效度之分,对于煤矿坑道钻机来说,最关心的是钻机长时间使用的有效度,故最常用的是稳态有效度,其表 收稿日期:

5、2010-08-08t时刻正常工作的概率划研究的前提,它包含的内容非常丰富,方案设计、参数设计、结构设计三个阶段都要进行以提高可靠性为目的的实质性内容的设计。2 1 方案设计方案设计是提高系统固有可靠性的关键阶段,因为系统在满足功能要求的前提下,方案拟定阶段最便于设计者充分发挥主观能动作用,使系统组成最简单,其冗余、安作者简介:李 栋(1980-),男,陕西延安人,工程师,国家注册安全工程师,硕士,现在中国煤炭科工集团西安研究院钻探技术与装备研发中心从事钻探技术研发工作。设计技术 煤 炭 工 程 2011年第3期全、抗干扰设计措施最完善,这些都是保证系统可靠运行最敏感的决定性因素,可从以下方面

6、着手:1)尽可能简化系统结构,设法用最少元器件、最简单的方法来实现系统全部功能要求。2)应用先进设计理论。如应用应力 强度分布干涉理论来设计一些零件的相关参数,可有效地延缓疲劳失效的出现。3)零件设计合理选材。如经常夹持、摩擦部位采用高强韧的耐磨材料,油箱过滤器采用过滤性能好的材料,冷却器散热好的材料等,均有利于相关元件可靠性的改善。4)多采用可靠性好的标准化液压元件。只有高可靠度的元件,才能组成高可靠度的系统,还有利于维修。5)设法提高系统密封性能和自动净化介质的能力。经研究发现,液压系统70%左右的故障是由于介质污染而引起的,因此高可靠度的系统必有较高的抗污染能力。6)进行必要的冗余设计是

7、为应付突发故障,以延长系统工作寿命为目的的设计内容,对于系统中薄弱环节和可靠度要求很高的环节,除考虑增设冗余元器件或子系统的常规方法外,还可充分发挥元件或回路本身的潜在功能,利用元件附属功能储备或派生回路冗余储备的方法。使产品的成本有所提高。因此,容差设计阶段既要考虑进一步减少在参数设计后产品仍存在的质量损失,又要考虑缩小一些元件的容差将会增加成本,要权衡两者的利弊得失,采取最佳决策。总之,通过容差设计来确定各参数的最合理的容差,使总损失(质量与成本之和)达到最佳(最小)。使若干参数的容差减少需要增加成本,但由此会提高质量,减少功能波动的损失。因此,要寻找使总损失最小的容差设计方案。2 3 结

8、构设计2 3 1 简化结构设一个机械液压系统是由单元组成的串联结构,当每个单元都正常工作时系统才能正常工作,其中任一单元失效,则系统功能失效,第i个单元的可靠性记为Ri(t),则系统的可靠性为:Rs(t)=Ri=1ni(t)可见,串联系统中,单元数越多,系统可靠性越差,且串联系统的可靠性总是低于系统可靠性最差的单元的可靠性。因此,应该主要注意提高串联系统中可靠性最低单元的可靠性,即注意提高系统中最薄弱单元的可靠性。设一个机械液压系统是由单元组成的并联结构,其中任一单元正常工作系统就能正常工作,只有当这个单元都失效时系统才失效,第i个单元的可靠性记为Ri(t),则系统的可靠性为:Rs(t)=1-

9、2 2 参数设计参数设计阶段的可靠性设计内容,主要包括热设计、降额设计和容差设计等。2 2 1 热设计温升是液压系统常见的一种失效模式。热设计就是总体方案设计完成后,针对液压设备热产生机理与传播方式,对液压设备的热场分布进行分析研究,采用合理的热设计方法保证液压设备在允许的温度范围内工作,从而提高整个系统的可靠性。2 2 2 降额设计降额设计就是有意识地降低液压元件的使用规范,使其使用时的工作压力比其额定压力低,可有效地降低液压元件的失效概率,提高可靠度,延长使用寿命。若超过额定压力,其失效率急剧上升。2 2 3 容差设计容差是从经济角度考虑,合理选择工作点,使元器件输出性能允许波动的范围。容

10、差设计通过研究容差范围与质量成本之间的关系,对质量和成本进行综合平衡。容差设计在完成系统设计和由参数设计确定了可控因素的最佳水平组合后进行,此时各元件(参数)的质量等级较低,参数波动范围较宽。容差设计的目的是在参数设计阶段确定的最佳条件的基础上,确定各个参数合适的容差。容差设计的基本思想如下:根据各参数的波动对产品可靠性(质量特性)贡献(影响)的大小,从经济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差。这样做,一方面可以进一步减少质量特性的波动,提高产品的可靠性,减少质量损失;另一方面,由于提高了元件的质量等级,1-Ri=1ni(t)可见,并联系统中随着单元的增多,系统的可靠度增大。可靠性大

11、于单元中可靠性最大的值,但是并联系统单元数多,各单元对提高系统可靠的贡献程度下降,且系统的机构尺寸大,重量及造价都高。在煤矿坑道钻机液压系统中并联单元数并不多,例如在动力装置、安全装置、制动装置、夹持装置采用并联时,常取n值为2或3。目前,大部分煤矿坑道钻机采用串并联设计方式,如图1,在重要的子系统采用具有相同功能的几个单位,避免一个单元失效而使整个系统失效。图1 系统逻辑框图2 3 2 集成化设计目前液压技术中较多的采用无管连接。一种是板式连接,另一种是集成回路。集成回路中元件安装方式又有集成块式、叠加式、复合式等多种,它们的通路均不用管道连接,而且已走向标准化。这样使液压系统的可靠性有较2

12、011年第3期大的提高。2 3 3 人机工程设计煤 炭 工 程 设计技术统中存在危险因素的部位均应有安全保护装置和措施,并在相应位置设明显的警告标; 维修工具标准化、通用化。钻机液压系统的失效有很大一部分是是人为造成的,而出现人为差错的主要原因是液压系统设计不合理,这就要求将人的特性放在与设备完全相同的地位上来考虑,也就是要进行人机工程设计。具体的说,就是要根据人的生理、心理等特点,设计人操作最省力、不容易发生差错的液压系统,同时系统的显示装置和作业空间的布置应符合人们的要求。2 3 4 抗干扰设计抗干扰设计是针对系统复杂的工作状态和环境干扰而采取的防备措施设计。包括考虑负载效应、环境防护等方

13、面的外干扰,和考虑关联效应、藕合效应影响的内干扰两个方面。负载效应是指使设备使用工况和负载变化对系统的直接干扰;环境防护是使电源、磁场、温度、湿度、粉尘、冲击、振动等等影响降到系统能够承受水平的防护技术。关联效应是由元器件动作和性能之间的相关牵连影响,造成额外能量或信息流动所导致的附加物理效果。当若干个动作在时间上错开或改进回路连接方式时,这种效果就可以消除或变得无关紧要。如多缸系统的防扰、潜回路分析等都属关联设计内容。藕合效应是一种动态效应,主要指控制信号若与某些干扰因素重合,形成能量交换闭合回路,就会造成反常的不利后果。如管系的谐振、液动力的内反馈作用等均属常见的藕合效应现象。尽量事先防止

14、它们的出现或影响,亦是抗扰设计应包含的内容。结构设计阶段还包括外购配套件的验收和筛选、制造可靠性的保证等。系统的可靠性依赖于各子系统和构成部分的可靠性,因此要根据煤矿坑道钻机系统的结构,基于每个系统和部件的可靠性,求出系统的可靠性系数,液压系统是总系统可靠性关键系数。4 提高液压系统可靠性管理对于煤矿坑道钻机使用的特殊性,除了进行质量管理外,还必须进行可靠性管理。在某些工程液压设备中,过去对可靠性的重要性认识不足,只抓产品的技术性能指标,疏忽了可靠性管理,结果花了很长时间质量仍达不到预期效果。因此,加强管理,应用专人、专机、专检、专料的方法。提高液压系统的可靠性需要投入很大的人力、物力,但是如

15、果能认真加强可靠性管理,总的成本反而降低。一般来说,产品可靠性要求高,投资费用就会高,而维修费用便降低。产品可靠性与成本的关系如图2所示。图2 可靠性与成本的关系5 结 语影响煤矿坑道钻机液压系统的有效度的关键环节是广义可靠度的设计,要使系统具有高有效度,可靠性设计、维修性设计和必要的可靠性管理都应该得到充分的重视。盲目追求系统的高可靠度是不经济、不科学的,甚至是不可行的。应在研发和生产中对煤矿坑道钻机系统各子系统和零部件的结构进行优化调整,具体分析各系统的重要性、性能的要求和费用指标等,以确定合理的可靠性设计,然后通过维修性设计提高维修度,加以科学的可靠性管理这一途径来使系统达到预期的有效度

16、。参考文献:1 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,2009,1996.3 芮延年,傅戈雁.现代可靠性设计M.北京:国防工业出版社,1990.5 鲁建平,周春华.液压系统广义可靠性设计J.机床与液压,2002,(4):143144.6 邓兴贵,肖志信.现代机械系统可靠性设计探讨J.机械研究与应用,2002,(3):1012.2007.4 雷天觉.液压工程手册M.北京:机械工业出版社,(4):9799.2 刘惟信.机械可靠性设计M.北京:清华大学出版社,3 提高液压系统维修性设计方法对于可维修设备和系统,如果不考虑其维修性设计就无法谈论其可靠性问题。由于受技术水平和成本等因素限制,任何产品的可靠度都不可能无止境地提高,液压系统自不例外。要提高系统的有效度,切不可忽视维修性设计。有时,因维修性问题考虑不周,一年间所需要的维修费用可达设备费用的十倍以上。因此,对维修性的设计是一个非常