液舱阀门遥控系统经济性和可靠性研究

1、2007年 11月第 35卷 第 11期机床与液压MACH INE TOOL & HYDRAUL ICSN ov 1 2007V ol 135 N o 111液舱阀门遥控系统经济性和可靠性研究张兴彪, 王庆华, 张洪朋, 孙玉清(大连海事大学轮机学院, 辽宁大连 116026)摘要: 从初次投入、工作效率、维修和保养费用三个 方面对两种典型的液 舱阀门遥控 系统进行详 细分析和 比较; 运用可靠性相关理论, 建立可靠性模型, 得出可靠度 函数和平均无故障工作时间; 最后指出两 种阀门遥控 系统适用 范围, 为船舶设计者提供了设计 准则和选型依据。关键词: 液舱阀门控制系 统; 经济 性

2、; 可靠 性中图分类号: U 6641 4; TH 137文献标识码: A文章编号: 1001- 3881 ( 2007) 11- 191- 3Study on Econom y and R eliab ility of th e R em ote C on trol System of F lu id H old V alvesZHANG X in gb iao, WANG Q inghua, ZHANG H ongpeng, SUN Yuqin g( M arin e Eng1 Co llege, D alian M arit im e U niv1, Da lian L iaon ing

3、 116026, Ch in a)Abstrac t: Two typ ica l rem ote contro l system s o f flu id ho ld va lves w ere ana lyzed and com pa red from aspects o f the first tim e in-vestm ent, the wo rk ing e ffic iency and the ma in tenance costing,reliab ility models of the two rem ote contro l system sw ere set up bas

4、ed onre lative re liability theoretics,the function of re liability and m ean tim e between fa ilu re (M TBF) of them w ere deduced1 T he app licab lerang es of the two remo te contro l system s w ere ind ica ted,des ign gu ideline and se lect criter ions for the ship designer w ere prov ided1K eywo

5、rd s: F luid ho ld va lve contro l system; Econom y; R eliability0 引言为了保证船舶正常姿态和货物正常装卸, 船舶营运的过程中需要借助于液压或电液阀门遥控系统对液舱进行调驳。阀门遥控系统发生故障, 将对人员生命安全和船舶正常营运产生重大影响。船舶液舱阀门遥控系统存在多种型式, 各种型式性能和适用范围又有所不同。船舶设计者对各种型式了解不多或对其性能认识不足, 会造成选型不当, 使设备不能正常运行,影响船舶营运的安全性和经济性。因此, 有必要对其经济性和可靠性进行综合研究。1 液舱阀门遥控系统简介船舶液舱阀门遥控系统主要包括液压集

6、中遥控系统 (以下简称集中型 ) 和电液分散遥控系统 (以下简称分散型 ) 两种型式。集中型一般包括液压泵站、电磁换向阀组、液压油缸 3个组成部分。液压泵站作为系统的动力源。电磁换向阀通过改变液压执行元件进、排油方向, 使其产生往复或回转运动, 用来驱动阀门。分散型是一种新型的阀门控制系统。该系统将电机、液压泵、液压执行器、控制附件集成在一起, 组成小型的独立电液控制器, 装在每个液舱阀门上, 由电信号直接控制电机正反转来驱动阀门。其核心部分 ) ) ) 电液控制器由动力模块、液压执行模块、安全保护模块、阀位指示模块组成。动力模块包括微型电机、微型径向柱塞2 阀门遥控系统经济性分析21 1 初

7、次投入在初次投入分析时, 由于集中型和分散型的电器控制部分原理和结构相近, 因此两种型式电器控制部分初次投入基本相同, 只考虑液压部分的初次投入费用。通过市场调查, 集中型初次投入费用大约为人民币 10万元。其中主要液压元件和液压附件的价格总计 66 000元。考虑电器部分的费用和安装费用, 初次投入费用达到 10万元。分散型由于不存在液压管路和液压泵站, 减少了系统的初次投入费用。分散型在国内还未见引进或生产, 无法在国内市场上对两种遥控系统进行初次投入费用的比较。通过咨询普莱格公司产品在北京的经销商 ( W aymon t In tern at iona l Inc1 ), 每个阀门电液控

8、制器在国内的零售价格为 260欧元左右, 折合人民币为2 139元。可以计算出 49个电液控制器的总价格为人民币 10万元左右。这要高于集中型中液压元件的66 000元的总价格。但是考虑到德国高昂的生产费用, 则价格高于国内生产的产品也是合理的。如果国内掌握或者引进分散型遥控系统的生产技术, 国内生产的分散型系统的初次投入会低于集中型系统。21 2 工作效率阀门遥控系统的效率可通过公式 ( 1 ) 计算:泵、溢流阀、单向阀等。安全保护模块包括压力开关G = Ge Gp Ga Gc( 1)和溢流阀组等。液压执行模块可产生往复运动和回转运动, 用于开关截止阀和蝶阀。阀位指示模块包括微动开关和电阻

9、(电流 ) 式阀位指示器。式中: Ge 为原动机的效率; Gp 为液压泵的总效率;Ga 为液压缸的效率; Gc 为液压回路的效率。两种遥控系统原动机和液压缸的效率是相同的,# 192#机床与液压第 35卷液压泵的效率可以从相关手册中查到。因此只需计算液压回路的效率, 就可以对它们的工作效率进行比较。2121 1 集中型工作效率系统正常工作时安全阀处于关闭状态, 过剩流量为 0, 则有:尘、污染物、空气、化学物质侵入系统, 大大提高设备的可靠性。因此阀门电液遥控系统基本上不需要日常保养。分散型系统几乎不存在液压油和滤芯以及管件的消耗, 由消耗品引起的费用为 0。因此, 在维修和保养费用方面, 阀

10、门电液分散遥Gc = (p p - $p )Q /p pQ = ( p p - $p ) /p p( 2)控系统要优于液压集中遥控系统。圆管中的压力损失可以通过下式 4计算:3 阀门遥控系统的可靠性l Q 2 l Q 2 K 2= Q ( 3)d 2 d K 1 K 1式中: K为沿程阻力损失系数; l为管道长度 (m );3均速度 (m / s); K 为压力损失系数, K = Kl /d; K 1 为2 32根据公式 ( 2 ) 和 ( 3), 输入具体数据, 计算可得 Gc = 01 94。如果原动机的效率 Ge = 01 95, 液压泵的效率 Gp = 0175, 液压缸的效率 Ga

11、= 019, 代入公式( 1 ) 中, 可得: G= 016。2121 2 分散型工作效率通过计算可以确定系统液压油的流动状态为层流, 管路中层流流动的功率损失为:31 1 阀门控制系统的可靠性模型在建立可靠性模型之前, 进行如下假设: 系统的各部件只能取正常或者故障两种状态; 部件状态转移率 (故障率 ) 为常数, 即部件的故障分布服从指数分布; 系统各单元之间相互独立; 选择开关的可靠度为 1; 电子元件的可靠度为 1。系统的各元件是串联的关系 (这里把并联泵源看成一个整体 ) , 因此, 整个系统是串联的结构。由此可以得出两种阀门遥控系统任务可靠性的框图模型, 见图 1、 2。24( 4

12、)阀门电液分散遥控系统电液控制器采用集成油路,油路存在管道进口、直角转弯、突扩管路、突缩管路等局部功率损失 (单向阀除外 ), 可通过下式计算:3 24( 5)根据公式 ( 4 ) 和 ( 5 ), 输入 具体数据 可得:-4总长不会超过 2m, 总的局部损失系数 F不超过 100,因此这两部分的功率损失可以忽略不计。由文献可知, 集成油路中单向阀在泵的额定排量下的压力损失为 1M Pa, 由公 式 ( 2 ) 计 算得出液 压回路的 效率Gc = 0194。如果原动机的效率 Ge = 0195, 液压泵的效率 Gp = 018, 液压缸的效率 Ga = 019, 代入公式 ( 1)中, 可得

13、: G= 01 63。可见, 电液分散型系统工作效率要高于集中型系统。21 3 维修和保养费用集中型系统日常维修和保养主要工作包括启动油泵前后常规检查、油路中相关阀门的开关、液压油的检验和补充、清洗滤器和更换滤芯、捉漏和灭漏等。日常维修和保养所需的人力可以转化为费用, 增加系统的初投入。系统消耗品的费用主要包括液压油和备件的消耗。通过详细计算, 系统消耗品费用为 600+25+ 104= 729 (元 /年 )。分散型系统的电液控制器采用模块化、集成化、封闭式循环油路, 能够有效防止泄漏和污染, 防止灰图 1 液压集中遥控系统可靠性框图模型图 2 电液分散遥控系统可靠性框图模型图中标明 的数字

14、为 该部件 的故障 率, 单位为-6 -1相同的元件赋予相同的故障率。本文的故障率综合国家标准和可靠性有关专著的选取。虽然数据并不是最新的, 但本文的主要目的是系统比较, 因此是可行的。31 2 阀门遥控系统的可靠性计算3121 1 集中型系统的可靠性计算根据液压系统失效统计资料知道, 元件合理设$p = Kv = Kd 为管道内径 (m ); Q为液体密度 ( kg /m ); v 为平管道系数, K 1 = 2A /Q; Q 为流量 (m / s); A 为管道截面面积 (m )。P层流损失 = 128QTlQ /PdP局部损失 = 8QFQ /P dP层流损失 = 0105l, P局部损

15、失 = 11 0 10 F。由于集成油路10 h 。为了方便比较两种阀门遥控系统的可靠性,第 11期张兴彪 等: 液舱阀门遥控系统经济性和可靠性研究# 193#计、材料选择和制造技术是可靠性的决定因素, 一般占 80% , 而元件使用及环境因素一般占整个因素的 20% 。在使用中故障率 75% 是由油液污染引起元件或系统工作失效, 采用精过滤器后, 一般可保证滤油后油液清洁度提高一个等级。因此可以认为, 采用精过滤器后, 系统的失效率 为未采用精滤 油器的931 5% , 即 ( 0175 015 + 01 3 ) 012 + 018 = 01935,因此该值可作为系统失效率计算时的修正系数

16、C。另外, 图 1和图 2给出的是元件的基本故障率,是在标准的试验条件下得出的, 在不同的工作环境下, 需要对 其作相应 的修正, 即实际 故障率 K=K F K0, 式中, K F 是故障率修正系数, 液压元件故障率的修正系数 (环境因子 ) 由使用的环境条件决定,对于固定地面设备, 一般取 K F = 5 15, 鉴于船舶特殊的使用环境, 这里取 K F = 15。把泵源装置看成是两个元件并联, 每个元件的故障率为 K01, 则有 K01 = 10+ 21 0+ 61 0= 1810。根据并联系统的可靠度计算公式, 可以得到泵源装置的可靠度 R 1 ( t):- KFC K t - K F

17、C K 1t - K FC (K 1 + K ) t - KFC K t - K FCK01 t对于多个选择开关构成的换向阀和液压缸系统,设换向阀和液压缸的总故障率为 K02, 则有 K02 = 12+310= 1510, 可得选择开关系统的可靠度 R 2 ( t)为:n ni = 1 i = 1式中: 选择开关的可靠度 Rw i = 1; R i ( t)为第 i组换向阀和液压缸的可靠度; K i 为第 i组换向阀和液压缸的使用率。可见在开关和各单元可靠度相同的情况下, 多个开关组成的选择系统的可靠度与组成单元的可靠度相同。图 1除去泵源和选择开关部分以后, 剩下的元件之间完全为串联关系。设

18、剩下元件的总的故障率为修了。3121 2 分散型系统的可靠性计算由图 2可以看出, 阀门分散型系统各单元之间完全是串联关系。设分散型系统总的故障率为 K, 则有: K= 4 210+ 4 610 + 10+ 21 5+ 310 + 11 5= 49。- K FC K系统的平均故障间隔时间 M TBF 为: -K FC Kt0 0代入具体数值可得到 MTBF = 1 455h。可见分散型系统的任务可靠性高于集中型系统。因此阀门集中控制系统的预防维修时间间隔可以定为 1 500h, 这个时间对于阀门遥控系统来说, 是相当令人乐观的。4 结束语阀门电液分散遥控型式经济性和可靠性指标均优于液压集中遥控

19、系统系统, 可广泛应用无特殊防爆要求的一切船舶。对于具有特殊防爆要求的船舶应选用液压集中遥控系统。随着防爆型的阀门电液分散遥控系统的出现, 电液分散遥控型式将取代液压集中控制型式。参考文献= 1> 孙玉清 1 船用大功 率液 压泵 站的 研究 D 1 大 连海运学院, 19891= 2> 吴良宝, 黄德峰, 魏虎仁 1 船舶液 压传动 系统 M .国防工业出版社, 19871= 3> E le ctro-hydrau lica lly R em o te- con tro lled V a lve s1 P le ig erM asch inenbau GmbH &

20、Co1KG1作者简介 : 张 兴彪 ( 1972) ) , 男, 辽宁 岫 岩 人, 讲师 , 轮机长 , 主要 从事 船舶 机电一 体化 的研 究。 E - m a i:lke ller72 1631 com。收稿日期: 2006- 12- 15( 上接第 194 页 )K03, 则有:K03 = 710 + 21 5 + 0103 + 3 61 0 + 015 +时, 主轴的热伸长量为 0, 恢复到冷机状态。否则,315+ 115 + 310= 36103。则这个系统的可靠度为:- K FC K03 t当主轴再次启动的时间间隔小于 t2 t3 之间的时间段时, 主轴启动的同时就要进行热误差补偿。有关主轴的热变形, 人们做了大量的研究, 推出- K FC K t- e- K FC K01 t)#了不同类型的主轴, 主轴的热稳定性越好, 其价格也e- K FC K02 te- K FC K03 t= 2e- K FC ( K0 1 + K0 2 + K0 3 ) t- K FC (2 K0 1 + K0 2 + K0 3 ) t( 6)相对比较昂贵。现在也很难找到一款能够完全消除热根据式 ( 6 ) 得到的系统的可靠度, 可得到系统的平均故障间隔时间 (MTBF ):误差的主轴。因此, 不管是普通的主轴, 还是高档次的主轴都可以采用本