悬臂式掘进机液压系统的可靠性探讨.pdf

第 5期 总第 1 9 2期 2 0 1 5年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL E NGI NE ERI NG AUTOMATI ON No． 5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 5 0 5 0 1 2 3 0 3 悬臂 式掘进机液压 系统的可靠性探讨 刘 峰 ，刘混举 1 ．太原理工 大学 机械工 程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ． 太原煤气化集 团公 司，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 结合悬臂式掘进机 的作业程序 ，对悬臂 式掘进机液压 系统 的功能原理进行 深入分析 ，根据液压系统的结 构原理 图建立系统 的可靠性框 图和可靠性数学模型 ，计算悬臂式掘进机 液压 系统 的可靠度，并利用 MA T L A B 对得到 的数 据进 行仿真 ，找 出液压 系统 的薄弱环 节及 可靠性影响 因素，为提 高悬臂 式掘进 机液压系统 的可 靠 性提供 了依 据。 关键词 液压 系统；掘进机 ；可靠性建模 ；MAT L AB仿真 中图分 类号 TD 4 2 1 ． 5 文献标识码 A 0 引言 悬臂式掘进机是集机械、 电气、 液压及 自动控制于 一 体的矿井掘进设备 ， 广泛应用于井下巷道、 交通和水 下隧道掘进 。由于悬臂式掘进机在潮湿 、 高温、 多粉尘 等恶劣条件的井下工作 ， 故障率高 ， 特别是复杂的液压 系统 ， 其出现故障的几率 占整机故障的 7 5 左右。因 此 ， 对悬臂式掘进机液压系统进行可靠性探讨 ， 有利于 降低整机的故障率 ， 提高其工作效率 ， 从而为企业创造 良好 的经 济效 益 和社会 效益 。 1 悬 臂式 掘进 机 液压 系统 工作原 理 及功 能分 析 1 ． 1 悬臂 式掘 进机 液 压 系统 工作 原理 分析 悬臂式掘进机虽然有 多种 型号 ， 但 液压 系统 的型 式基本相同， 图 1为 E B Z 3 0 0型掘进机液压系统简图。 液压系统的动力部分由 2个变量泵组合提供液压 动力， 泵 1具有恒功率、 压力切断、 负载敏感功能 ， 泵 2 具有恒压力 、 负载敏感功能 。根据悬臂式掘进机 的作 业过程 ， 可将液压控制系统分为两部分 ①行走机构 、 截割机构、 铲板机构及后支撑机构这 4个执行机构不 存在 同时工作的情况 ， 可以 由一台泵 泵 1 单独为其 提供压力油 ， 为行走、 截割及铲板回路 ； ②装载马达 、 运 输机马达及水泵马达一般需同时工作 ， 其可由单独一台 泵 泵 2 提供压 力油进行 驱动 ， 构成 一个多负 载 回路 。 1 ． 2悬臂 式掘进 机 液压 系统 功 能分析 目前 ， 大多数悬臂式 掘进机 除了截割机构转动由 电机驱动外 ， 其他功能都是 由液压系统驱动实现的， 液 压系统能够实现的功能包括 整机行走 、 截割机构的上 下左右移动、 铲板升降 、 后支撑升降、 履带涨紧、 星轮马 达装载、 一运马达运输 、 水泵马达喷雾等 。 2 建 立悬臂 式 掘进机 液 压 系统 可 靠性模 型 悬臂式掘进机液压系统是一个 复杂的液压系统 ， 为了对其进行可靠性分析 ， 可将复杂的系统分为几个 简单 的串、 并联形式的子系统进行分析研究。通过对 悬臂式掘进机液压系统的工作原理研究分析 ， 可 以把 整个液压系统分为 4个子 系统 。分别 为泵站子系统、 行走机构子系统 、 液压缸子系统和液压马达子系统。 1 O 1 一油箱 ； 2 ， 5 一过滤器 ； 3 一油泵 1 ； 4 ， 7 一溢流阀 ； 6 一油泵 2 ； 8 一精过滤器 ； 9 一冷却器 ； 1 0 ， 1 2 ， 1 4 --三位 四通换 向阀； 1 1 ， 1 5 --液压马达 ； 1 3 --液压缸 图 1 悬臂式掘进机液压 系统简图 液压系统的可靠性模型是对系统进行可靠性分析 探讨的基础 。将悬臂式掘进机液压系统的结构图转化 成系统 的可靠性框图， 然后在可靠性框 图基础上建立 系统的可靠性数学模 型， 依据可靠性数学模型以及收 集到的现场使用数据 ， 计算 出系统所涉及的可靠性特 征量 ， 为可靠性分析提供依据 。 可靠性逻辑框图由代表产品或功能的方框 、 逻辑 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 2 1 ；修订 日期 2 0 1 5 0 6 2 1 作者 简介 刘 峰 1 9 8 1 一 ，男 ，山西 阳高人 ，工程师 ，在读工程硕士 ，主要研究方向 机电液一体化技术 ，可靠性工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 4 - 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 5年第 5期 关系和连线、 节点构成 ， 以图形的形式显示系统及子系 统之间的逻辑关系。每个方框代表一个液压元件 ， 根 据悬臂式掘进机液压系统的功能关系可以组成 串联 、 并联或者串并联混合的形式。分析悬臂式掘进机液压 系统 中各个液压元件的功能和它们相互之间的逻辑关 系以及对整个液压系统的影响 ， 建立 的悬臂式 掘进机 液压 系统 可靠性 框 图如 图 2 所 示 。 行走机构子系统 墨 些 王 墨 H L - 1 液 压 缸 子 系 统 图 2悬臂式掘进机液压系统可靠性框图 2 ． 1 各液压子系统可靠性数学模型 设 悬臂 式掘进 机 液压 系统 中第 i 个液 压元 件 的可 靠度为R ， 失效率为 ， 根据液压系统的可靠性框图， 建立各子系统的可靠性数学模型。 1 泵站 I子系统和泵站 Ⅱ子系统为串联模 型， 可靠度为 R I R Ⅱ一 R1 R2 R3 R4 ． 1 其 中 RI 、 RⅡ 分别 为泵站 I、 Ⅱ子系统 的可靠度 ； R 为油箱的可靠度 ； R。 为过滤器的可靠度 ； R。 油泵 的可 靠度 ； R 溢流阀的可靠度 。 2 行走机构子系统为串联模型， 由三位 四通换 向阀和液压马达串联组成 ， 该子系统的可靠度为 Rm R1 4 R1 5． 2 其 中 Rm 为行走机构子系统 的可靠度 ； R 为行走机构 三位四通换 向阀的可靠度 ； R 为液压马达的可靠度。 3 液压缸子系统为串联模 型， 由三位四通换向 阀和液压缸 串联组成 ， 该子系统的可靠度为 RⅣ一 R1 2 R1 3． 3 其中 尺Ⅳ 为液压缸子系统的可靠度 ； R 为液压缸子系 统三位四通换向阀的可靠度 ； ．R 。 为液压缸的可靠度 。 4 液 压 马达 子 系 统 为 串 联 模 型 ， 由三 位 四通 换 向阀和液压马达串联组成 ， 其可靠度为 RvRl 0 R儿 ． 4 其中 R v 为液压马达子系统的可靠度； R 1 。 为液压马达子 系统三位四通换向阀的可靠度； R 。 为液压马达的可靠度。 2 ． 2 悬臂式掘进机液压 系统可靠度的计算 若系统为 个元件串联组成的， 则系统的可靠度为 n n R f l l R ￡ 一 l l e x p -- {￡ ． 5 其中 t 为第 i 个液压元件 的工作 时间； 为液压元件 的失 效率 。若 系统 为 个元 件 并 联 组 成 的 ， 则 系 统 的 可靠 度为 R 一 1 一 l J 1 一R ￡ 一 T “ 1 一 【 J 1 ～e x p --2 it ． 6 由图 2可知该液压系统为 串并联 混合模型 ， 根据 各子系统的可靠性数学模型 ， 得到悬臂式掘进机液压 系统的总可靠度为 R ,a一1 一[ 1 一RI 1 一 1 一RⅢ 1 一RⅣ ] 1 一 RⅡ Rv． 7 大量的使用统计数据表 明， 掘进机液压系统各组 成液压元件的失效率 不随时间t 变化 ， 可靠度 R 与失效率 之问服从指数分布， 即 R t 一e x p --2 t ． 8 对收集到的数据进行整理 ， 可得悬臂式掘进机液 压 系统 部分 液压 元件 的基 本失 效率 。 。如 表 1所示 。 表 l 部分液压 元件的基本失效率 。 液压 D 次／ 1 O 0 h 液压 A 。 次／ 】 O h 元件 上限 平均 下限 元件 上限 平均 下限 液压泵 2 7 ． 4 1 3 ． 5 2 ． 9 平衡 阀 3 ． 7 1 2 ． 1 4 0 ． 0 4 5 油箱 2 ． 5 2 1 ． 5 0 ． 4 8 六联 换向阀 8 ． 1 5 ． 1 2 ． 2 液压缸 0 ． 1 2 0 ． 0 0 8 0 ． 0 0 5 四联换 向阀 7 ． 4 1 4 ． 8 1 ． 8 7 液压马达 7 ． 1 5 4 ． 3 l _ 4 5 压 力表 0 ． 7 8 0 ． 4 0 ． 1 3 5 管接头 2 ． 0 1 O ． O 3 0 ． 0 1 2 溢流阀 1 4 ． 1 5 ． 7 3 ． 2 7 过滤器 0 ． 8 0 ． 3 0 ． 0 4 5 安全阀 1 9 ． 7 1 1 ． 0 2 ． 2 7 表 1中介绍的为液压元件的基本失效率 ， 而在实 际工作过程中， 各液压元器件 的故障率因为工作环境 和载荷的不同而差别很大 ， 所 以在计算整个液压 系统 可靠度的时候 ， 需要综合考虑环境因子 、 降额因子等因 素的影响 ， 利用在基本失效率 的基础上乘以一个修正 系数 K得到的各液压元件 的失效率去计算 液压 系统 的可靠 度 。各液 压元 件 的失效 率 的估算 公式 为 K 。 ． 9 按 液压 系统 处 于正 常 作 业 状 态 考虑 ， 取 各 液压 元 件基本失效率的平均值 ， 取修正系数 K 的值分别为 5 、 1 O 、 1 5 、 2 0 ， 修 正 系数越 大环 境越 恶 劣 ， 液压元 件 的失 效 率 就会 越 高 ， 取 液 压 系 统 的 工 作 时 间 t 为 2 0 0 h 、 4 0 0 h、 6 0 0 h、 8 0 0 h、 1 0 0 0 h、 1 2 0 0 h、 1 4 0 0 h、 1 6 0 0 h、 1 8 0 0 h和 2 0 0 0 h ， 计算求得该液压系统 的可靠度 如 表 2 所 示 。 表 2 不 同修正 系数 K下悬臂式掘 进机 液压系统的可靠度 工作时 司t h K 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 5 0 ． 9 9 9 4 0 ． 9 9 7 6 0 ． 9 9 4 6 0 ． 9 9 0 7 0 ． 9 8 5 8 0 ． 9 8 0 0 0 ． 9 7 3 4 0 ． 9 6 6 1 0 ． 9 5 8 1 0 ． 9 4 9 4 1 O 0 ． 9 9 7 6 0 ． 9 9 0 7 0 ． 9 8 0 0 0 ． 9 6 6 1 0 ． 9 4 9 4 0 ． 9 3 0 4 0 ． 9 0 9 5 0 ． 8 8 7 1 0 ． 8 6 3 4 0 ． 8 3 8 8 1 5 0 ． 9 9 4 6 0． 9 8 0 0 0 ． 9 5 8 1 0 ． 9 3 0 4 0 ． 8 9 8 5 0 ． 8 6 3 4 0 ． 8 2 6 2 0． 7 8 7 7 0 ． 7 4 8 5 0 ． 7 0 9 3 2 0 0 ， 9 9 0 7 0 ． 9 6 6 1 0 ． 9 3 0 4 0 ． 8 8 7 1 0 ． 8 3 8 8 0 ． 7 8 7 7 0 ． 7 3 5 4 0． 6 8 3 2 0 ． 6 3 2 1 0 ． 5 8 2 6 2 ． 3 利用 MATL AB对可靠度数据进行仿真 利用 MA T L AB进行仿真， 得到悬臂式掘进机液压 系统可靠度随工作时间增加的变化曲线， 如图 3所示。 由图 3可得 ， 修正系数不变 ， 悬臂式掘进机液压系 统的可靠度随使用时间的增加逐渐降低， 这是 因为工 作时间越长， 故障率越高 ， 可靠度越低 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 5期 机 械 工 程 与自 动 化 1 2 5 利用 MATL AB进行仿真 ， 得到 K一2 0时悬臂式 掘进机液压系统各子系统 的可靠度随时间 t 的变化曲 线 ， 如 图 4 所 示 。 1 ． O ． 0． 0． 0． 耱 0 ． 0 ． O ． O． 0 ． t ／ h 图 3 悬臂式掘进机液压 系统可 靠度随时间变化 曲线 t ／h 图 4 悬臂式掘进机液压 系统各 子系统可靠度变化 曲线 由图 4可得， 在悬臂式掘进机液压系统各子 系统 中， 泵站子系统的可靠度是最低的 ， 其次是行走机构子 系统 ， 各液压缸子系统 和液压马达子系统可靠度都 比 较高且相差不大。这是 由于泵站子系统是 串联 系统 ， 且较其他子系统工作时间长 ， 所 以泵站子系统失效率 最高 ； 其他 3 个子系统是并联系统， 而行走机构子系统 并 联环 节 较少 ， 各 液压 缸 子 系 统 和 液 压 马 达 子 系统 并 联环节较多， 并且执行元件液压马达 比液压缸失效率 高 。 3 结论 通过对 悬臂 式 掘进 机液 压 系 统 进 行 分析 探 讨 ， 可 以得 出 以下 结 论 1 影响悬臂式掘进机液压系统可靠度的主要因 素有 工作时间的长短 、 工作环境的好坏及维护检修的 频率 、 液 压元 件质 量 的好坏 、 各液 压元 件及 各子 系统 组 成系统的结构逻辑关系。 2 针对悬臂式掘进机液压系统故障高的现象， 应采取以下措施 ①在满足系统功能要求的前提下 ， 液 压元件组成液压系统 的结构应尽量减少 串联环节 、 增 加并联环节 ； ②在经济条件允许的情况下 ， 应尽量选用 质量高 、 抗污染的进 口液压元件 ； ③安装过程中应尽量 注意管道及各液压元件 的清洁 ； ④使用过程中应尽量 保持工作环境的清洁， 严格控制液压油的污染 ， 增加维 护检修频率。 参考文献 [ 1 ] 赵静一 ， 姚成玉． 液压 系统可靠性 工程基础 [ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 刘混举． 机械可靠性设计[ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 3 沈 国才 ， 沈兆振． 掘进机液 压系统故 障分析与排 除[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 5 2 0 8 2 0 9 ． [ 4 ] 李 晓豁 ， 唐仁鹏． 部分 断面掘进 机液压 系统的可靠性 研究 [ J ] ． 武汉科技 大学学 报 ， 2 0 1 2 ， 3 5 1 6 5 6 8 ． [ 5 3 邵娜． 部分断面掘进机液压 系统 动态特 性 的研 究 E D - 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p a r a m e t e r M e a s u r e me n t I n s t r u m e nt W ANG Pe n g - f e i ，LI Zo ng - h ua I n n e r M o n g o l i a Au t on o m o u s Re g i o n S p e c i a l Eq u i p me n t I n s p e c t i o n，H o h h o t 01 0 03 1 ，China Abs t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e d a p o r t a b l e e l e v a t o r mu l t i- p a r a me t e r me a s u r e me n t i n s t r u me n t ，wh i c h c a n me a s u r e d i s t a n c e ，r e s i s t a n c e ，v o l t a g e ，c u r r e n t ，r o t a t i o n s p e e d，l i n e a r s p e e d ，e t c ． Th e i n s t r u me n t wi t h a c o mp a c t s t r u c t u r e i s e a s y t o c a r r y ．a t t h e s a me t i me ，p r o v i d i n g a c o n v e n i e n t ，e f f i c i e n t ，a n d f a s t t e s t i n g t o o l f o r t h e e l e v a t o r s a f e t y i n s p e c t i o n p r o j e c t ． Ke y wo r d s p o r t a b l e ；mu l t i - p a r a me t e r ；e l e v a t o r i n s p e c t i o n；me a s u r e me n t i n s t r u m e n t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m