基于故障树的卷板机液压系统可靠性研究.pdf

2 0 1 1 年 1 0月 第 3 9卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ．1 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 9 ． 0 4 2 基于故障树的卷板机液压系统可靠性研究 吴兵 ，林 少芬 集关大学轮机工程学院，福建厦门 3 6 0 0 2 1 摘要对卷板机液压系统功能和结构进行分析，确立顶事件并建立故障树。对故障树进行定量分析求出系统的失效 率。结合理论推导和实际工况分析，确定对系统可靠性影响最大的元件，提出改善系统无故障工作时间的有效手段，从而 获得提高卷板机液压系统可靠性的方法。 关键词卷板机； 故障树 ；上辊升降机构；翻倒机构 中图分类号T H1 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 91 4 8 3 Re l i a b i l i t y Re s e a r c h o f Ro U Be nd i n g M a c h i n e Hy d r a ul i c Sy s t e m Ba s e d o n Fa ul t Tr e e W U Bi n g．L I N S ha o n Ma ri n e E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e ， J i me i U n i v e r s i t y ， X i a me n F u j i a n 3 6 0 0 2 1 ，C h i n a Ab s a c t B y a n a l y z i n g t h e f u n c t i o n a n d s t r u c t u r e o f r o l l b e n d i n g ma c h i n e h y d r a u l i c s y s t e m，t o p e v e n t wa s e s t a b l i s h e d a n d f a u l t t r e e wa s b u i l t ．T h e f a u l t t r e e w a s q u a n t i t a t i v e l y a n aly z e d a n d t h e n s y s t e m f a i l u r e r a t e wa s o b t a i n e d ．B y c o mb i n i n g t h e o r e t i c a l d e d u c t i o n wi t h an a l y s i s o f a c t u al c o n d i t i o n，a n d d e t e r mi n i n g t h e c o mp o n e n t wh i c h p u t t h e g r e a t e s t i mp a c t o n s y s t e m r e l i a b i l i t y，the e f f e c t i v e me a n s o f i mp r o v i n g MT B F o f t h e s y s t e m w a s p r o p o s e d ．T h e r e f o r e ，t h e me t h o d s o f i n c r e a s i n g r e l i ab i l i t y o f r o l l b e n d i n g ma c h i n e h y d r a u l i c s y s t e m a r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d sRo l l b e n d i n g ma c h i n e ；F a u l t t r e e ；Up p e r r o l l e r e l e v a t i n g s y s t e m；F all a wa y s e t 卷板机是将金属板材卷制成圆筒、弧形或圆锥形 的机器。三辊卷板机在船舶制造、管道预制、压力容 器制造等行业都是关键设备。船用卷板机通常卷制的 不是规则的圆筒或圆柱 ，而是不规则曲面，对液压控 制系统的控制精度要求较高，工料取出容易 ，无需翻 倒机构。普通卷制圆筒 的卷板机 ，不仅精度要求较 高 ，而且需要翻倒机构取出工件。无论是哪种卷板 机 ，在较长时间连续高压工况下，升降系统较高精度 的频繁升降与加压 ，机器的可靠性要求较高。卷板机 实际工作的可靠性关键之一在于其液压系统的可靠 性⋯。作者以某公司用于压力容器制造的上辊数控万 能卷板机液压系统为对象，采用故障树理论进行可靠 性分析。这对于船用卷板机的可靠性分析同样适用。 三辊 卷板机液 压 系统 的主要 功能包括 1 实现上 辊的正常升降以及提供辊压压力； 2 实现翻倒机 构的正常翻倒和复位 。 1 建立卷板机液压系统故障树 1 ． 1 卷板机液压 系统及工作过程简介 卷板机液压系统原理图如图 1 所示 。 1 一过滤器2 一变量 泵 3 一 先导型溢流 阀 } 一远程 调压阀 溢流 阀 换 向阀 5 一分流阀 6 一截止阀 7 一电磁换向阀 8 一双向液压锁 液控单向阀 一 单向节流阀 l O 一上辊液压缸 l l 一翻倒液压缸 l 2 一上辊 图 1 液压 系统原理 图 从图 1可知，液压油在变量泵 的作用下进入系 统，系统压力由溢流阀和远程调压阀进行分级调节 ， 分别调节上辊上升和上辊加压 的压力 。然后油路一分 为二，一路进入翻倒子系统；另一路经分流阀进入升 降子系统。两个子系统包括 3个控制回 3个液压缸 ， 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 8 基金项目福建省科技重大专项 2 0 0 8 H Z 0 0 0 21 ；财政部科技部 财教 [ 2 0 0 9 ]3 6 5号科技人员服务企业行动项 目 作者简介吴兵 1 9 8 2 一 ，男，硕士研究生，研究方向为载运工具及机电一体化。Em a i l w u b i n g i n w l m q 1 6 3 ． c o m。通 讯作者 林少芬 ， E ma i l s h a o f e n l i n 1 6 3 ． c o m。 第 1 9期 吴兵 等基于故障树的卷板机液压系统可靠性研究 - 1 4 9 3 个液压缸采用叠加阀组控制，每组叠加阀包括电磁 换向阀、节流阀以及液控单向阀。升降机构主要实现 上辊的升降，上辊的升 降执行机构为上辊两端两个 并列的液压缸。上辊下压为工作过程 ，匀速下降过 程要求速度较慢 ，由于上辊以及活塞杆的质量超过 1 0 t ，因此要求 回油管路有较大背压；在上辊接触 工料加压过程中，压力突增 ，液压缸进油压力快速 增大至上限。加压结束 ，上辊匀速快速上升 ，液压 缸进油压力克服上辊和活塞杆的重力，其值要小于 加 压时 的压力 。 ． 翻倒机构的翻倒主要实现工料加工完毕后 的取 出。翻倒时活塞杆克服倾倒机架的重力以较快的速 度翻倒 ，活塞杆受变化的力 的作用 ，液压缸 回油背 压较大且不断变化。复位时，机架慢速翻转 ，液压 缸进油压力较大且不断变化。在翻倒过程 中油压始 终变化 ，要保证 翻倒机构 的频 繁的平稳 翻转和复 位，不出现爬行现象 ，这对液压系统及元件 的设计 和可靠性要求较高。 1 ． 2 故障树的建立 故障树分析是一种图形演绎方法，采用专门的 逻辑关系符号 、事件符号及基本术语表达机械系统 中发生的某些事件之间的逻辑关系和因果 关系 。 根据机器结构和工作要求 ，推断其主要的故障形式 及其原 因。根据故障树的建树原则 ，液压系统失效 作为顶事件 ，其输入分别为升降机构和翻倒机构的 液压 控制系统故 障。所 建立 的故 障树 ，如 图 2所 示 。 一 。 1 一节流阔失效 卜 溢流阀失效 卜 上辊液压缸失效 4 一过滤器失效 5 一液压泵失效 6 一液控单向阀失效 卜 上辊液压缸失效 8 一溢流阀 失效 9 一节流 阀失效1 O 一节流阀失效 l 1 一 分流阔失效 1 2 一换向阀 失效 l 3 _ _ 液控单向阀失效1 4 一换 向阀失效 l 5 一液控单 向阀失效 l 6 一 翻 倒缸 失效 图2 系统故障树 由于故障树只包含或门，则上述各个相同的底事 件可以合 并，从 而可 以得到故 障树 的最 小割集 为 { 1 } 、{ 2 } 、 { 3 } 、 { 4} 、 { 5 } 、 { 6 } 、 { 1 1 } 、 { 1 2 } ； { 1 6 } 。 1 ． 3 故障树的定量分析 将最小割集包含的所有底事件的失效率列表，如 表 1 所示 。 表 1 各原件失效率 由上表和串联系统失效率公式H 得 A 。 ∑Mf 6 8 ． 5 2 5 ． 7⋯ 1 0 ． 0 0 8、 1 5 3 ． 7 2 4 平均无故障工作时间 1 1 M T TFs 1 1 0 。 6 5 0 5 1 7 h 若以机器每天工作 1 2 h ，每年工作 3 5 0天计算， 则系统可无故障工作 1 ． 5 5年。 2 分析 系统并提 出提高系统可靠性的方案 2 ． 1 理论 分析 理论分析可知，卷板机的平均无故障工作时间为 1 ． 6 2年。观察表 1 ，节流阀的数量最多，且失效率的 上下限和平均值相差较大 ，因此对系统可靠性影响最 大的应为节流阀。所以，想要尽可能的提高系统可靠 性，应该提高节流阀的可靠性。不妨计算在节流阀失 效率为上，下限时系统的可靠性参数 1 节流阀失效率取上限 1 9 ． 8 时 n ’ A 1 ∑Ⅳ A 6 1 9 ． 8 2 5 ． 7 ⋯1 0 ． 0 0 8 2 2 1 ． 5 2 4 1 5 0 机床与液压 第 3 9卷 M TT F。 1 1 ；丽 11 0 4 5 1 4 ．1 8 h 无故障工作时间为 4 5 1 4 ． 1 8 h ，约为 1 ． 0 7年 。 2 节流阀失效率取下限 1 ． 6 8时 A s2 Z l l v ,z 61 6 825 7⋯ 0 ． 0 0 81 1 1 2 ． 8 0 4 M TT F自 2 1 1 1 0 8 8 6 4． 9 3 h 无故障工作时间为 8 8 6 4 ． 9 3 h ，约为 2 ． 1 1年。 2 ． 2 实 际工况 在 1 ． 3节中的理论推导 中实 际上隐含有一个前 提，即液压油长时间保持清洁 ，平均无故障工作时间 为 1 ． 6 2年。然而，由于卷板机 的工作压力高达 2 0 MP a ，卷板机上辊在工作中频繁的升降、加压 ，翻倒 油缸频繁的翻倒复位 ，要求换向阀频繁换向，产生液 压 冲击 ，易造 成 经过 阀处 的液压 油 在瞬 间高 温下 氧 化。而且采用节流调速 ，也加速了节流阀磨损和液压 油的污染。在这种情况下 ，卷板机的故障发生率大大 增加，笔者在卷板机维护中深有体会。其中最经常发 生的故障就是上辊液压缸运动不同步，其发生率远大 于理论计 算值 。但这 种 故 障并不 是 因为 元件 失效 造 成 。由于上辊液压缸都采用节 流调 速 ，当两端节流 阀 流量在初次调整 到位后 ，两缸基本 同步 。但 随着液压 油 的污染产生油污在 阀体 内的集结 不均匀 性以及 阀芯 磨损 的不均匀性 ，会导致油液通过节流 阀的流量发生 微小改变 ，从而打破原有的同步状态 ，产生不同步 的故障，而实际上节流阀本身并未失效。由此可见， 在卷板机这一特殊的液压系统中，可以把这种故障的 发生理解 为节 流阀失 效 ，有利 于理论分析 。由此 ，节 流 阀的失效率上 限将更 大。 2 ． 3综合 分析 由以上两方面的分析都可以得出结论 ，节流阀的 重要度要高于其他元件 ，对系统的失效率影响最大 ， 且由2 ． 2节的分析可知，相对于其他元件，节流阀的 失效率有很大的压缩空间。 由2 ． 1 节计算的结果可知 ，当节流阀失效率取 值不同时，系统的失效率相差较大。说明对节流阀 的研究具有工程实际意义 。首先，虽然元件失效率 一 般不取上限，但结合 2 ． 2节的分析可知，节流阀 的失效率上限将比表 1中理论值大 ，因此若不改进 系统或改善工况 ，平均无故障工作时间接近或达到 1 ． 1 1 年是完全可 能的。其次 ，若能改进 系统或工 况 ，使节流阀失效率接近下限，平均无故障工作 时 间可达 2 ． 1 2年，这将使系统可靠性得 到较大 幅度 的提高 。 ‘ 针对这种情况 ，可以采用如下 3种方法提高系统 的可靠性 1 定期更换液压油 ，采用精度高、性能好 的 过滤器 ，降低液压油的污染程度 ，可使无故障工作 时间接近理论值 1 ． 6 2年。缺 点是 ，系统在发生不 同步故障时依然需要手动调节节流阀已达到新的平 衡 。 2 采用 自动控制系统，以电磁换向阀作为控 制系统的控制对象 ，通过控 制电磁 阀的通断实现上辊 液压缸的 同步 ，这样 可以在 不改变液压系统结构和元 件的情况下大大降低节流阀对液压油污染的敏感度。 从而使平均无故障工作时间接近 2 ． 1 2年。缺点是换 向阀将更加频繁的换向，会在一定程度上降低换向阀 的可靠性 ，控 制不善 易造成 系统不稳定。 3 将节流阀改为屯液 比例阀或电液伺服 阀， 同样可 以实时控 制两 上辊 液 压缸 的 同步 ，从 而 使平 均无故障工作时间接近 2 ． 1 2年。缺点是要 改变原 液压系统的结构 ，且电液伺服阀对液压油的要求更 高 。 3结论 通过建立卷板机液压系统的故障树，并对故障树 进行定量分析，同时结合实际对系统进行分析，从而 确定节流阀为影响液压系统可靠性的关键部件。并以 节流阀作为主要研究对象，提出改善系统可靠性不同 的可行方案，并分析出不同方案对系统可靠性的改善 程度和优缺点。这对卷板机液压系统的可靠性设计具 有一定 的参考意义 。 参考文献 【 1 】张承谱， 阎祥安 ， 曹玉平． 上辊万能式三辊卷板机机架翻 倒装置液压系统[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 1 0 2 0 2 1 ． 【 2 】阎树田， 郭波， 崔庆成． 基于模糊故障树理论卷板机可靠 性分析[ J ] ． 机械与电子， 2 0 0 9 1 1 2 3 2 6 ． 【 3 】刘少辉， 林少芬 ， 江小霞． 基于模糊故障树分析法的舵机 液压系统可靠性分析[ J ] ． 船舶工程， 2 0 0 8 5 2 7 2 9 ． 【 4 】孙新利， 陆长捷． 工程可靠性教程[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 n 08