900t提梁机液压卷扬系统的可靠性预测.pdf

第9 卷第1 期 2 0 1 0 年 3月 石家庄铁路职业技术学院学报 V OL ． 9 No j J O U R N A L O F S H I J I A Z H U A N G I N S T I T U T E O F R A I L W A Y T E C H N O L C G Y 9 0 0 t 提梁机液压卷扬系统的可靠性预测 孙 由啸 常玮 石家庄铁路职业技术学院 河北石家庄0 5 0 0 4 1 摘要；可靠性建模后的可靠性预测是进行可靠性设计的重要手段。通过将该手段应用到 9 0 0 t 提梁机液压卷扬控制系统的设计阶段，从而使系统得到不断地改进，对于提高系统本身的可靠性具 有重要的意义。 关键词可靠性建模 可靠性预测 提梁机 中图分类号 T P 2 7 1 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 1 8 1 6 2 0 1 0 O 1 0 0 5 1 0 6 可靠性是产品设计赋予产品的固有特性， 要提高产品的可靠性就必须将可靠性设计到产 品中去川。 液压卷扬控制系统是 9 0 0 t 提梁 机 整个液压系统 中最为关键 的 部分 ， 因此无论是在设计阶段还 是后期维护阶段都要保证其具 有高的可靠性， 其 中设计阶段尤 为重要。 这样能够防止很多故障 的发生， 从而减少不必要的人员 伤亡和财产损失。 1 提 梁机液压 卷扬 系统 的 可靠性建模 提梁机 液压卷扬控制 系统 的原理图如图 1 所示。 为了使分析问题过程清晰、 简便 ， 整个系统可 以分为动力模 块、 卷扬马达模块 、 减速机制动 模块、 补油模块和回油模块五个 子系统。 在此基础上， 建立 了系 统对于这五个模块的逻辑关系， 做 出了整个系统的可靠性框 图 l 、吸油过滤器；2 、工作变量泵；3 。6 ．7 ，8 ，1 2 、电磁换向阀； 4 、卷扬多路阀；5 、卷扬组件；9 、蓄能器l 0 、单向阀；1 3 、冷 却马达1 4 、溢流 阎1 5 、冷却定量泵 ；l 6 、回油过滤器 。 图 1 卷扬系统原理图 以及各个子系统的可靠性框图。为了简化起见，分析中作以下四条假设 1 系统和单元只有正常 和故障两种状态 ，不存在中间状态； 2 各单元是相互独立的； 3 所连接的线没有可靠性值 4 收稿 日期2 0 0 9 1 0 - 1 9 作者简介孙由啸 1 9 8 2 - ，男，汉，河北沧州人，硕士，研究方向机电控制。 51 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 0年第 l 期 仅分析系统的硬件可靠性，认为软件和人的可靠性为 1 5 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。 1 ． 1整个系统的可靠性框图 从系统各部分的功能可以看出，五个子系统中的任何一个子系统发生故障都会导致整个系统的 故障，因而根据系统可靠性模型串联模型的定义，对于整个液压系统来说，可靠性模型为串联模型， 其可靠性框 图如图 2所示。 r]r]r一一] 一] ～ 动 力部 分卜 _ _ 马 达 部分 1 减 速 机制 动部 分 厂 _ - 补 油 部分卜 _ 1 ， ， ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． l l L 』【 ， ． ． ． ． ． ． ． ．．．． ．．．．．．．．．．． ．ll【 ， ． ． ． ． ． ． ． ． ． J J厂] L { 回油部分 【．． ． ． ． ． ． ．． ． ．． ． 一 图 2 卷扬系统的整体可靠性框图 1 ． 2各个子系统的可靠性框图 在对各个子系统内部各个单元之间的逻辑关系进行分析之后，可 以得出这五个子系统 内部各个 单元之间也是串联关系，因此这五个子系统的可靠性模型也是串联模型，其可靠性框图分别如图 3 至图 7所示 ，从中可 以看出，无论是整个系统，还是子系统都是串联的关系，因而整个系统总体上 是串联模型的可靠性结构。 一r 一⋯ l 一一一⋯1 r 一] { 吸油 过滤 器_ll { 柱 塞 泵 一 电 磁 换向 阀 { 单向 阀} L 一 L 一一 一一 0． 3 1 3． S 1 1 ． 0 5 I 比 例 多 路 阀} 2 5 ．O 图 3 动力部分的可靠性框 图 I 卷扬 达} 1 3 ．O J 平衡阀 l 3 ． 5 一一一 平 衡 阀 一 ’ 。 3 5 图 4 马达部分可靠性框图 卷扬马达 _ _ 1 3 ． O 一 一 一1 一一 ，一一 ] _ 一 单 向 阀} { 球 阀 蓄 能 器} 电 磁 换 向 阀 ； 电 磁 换 向 阀 { L一 L一⋯一 _ J 一 一 一 5 ． 0 2．0 7． 2 l 1 ．0 l 1 ． 0 一 ， 一一 ⋯ 一一 ～一 电磁换 向阀 溢流 阀 r l 1 ． 0 5．7 一 一’] 一{ 减速机制动油缸 I 减速机制动油缸 l _ 1 0．00 8 0 ． 0 08 1溢流 阀 0 0 0 8 图 5 减速机制动部分可靠性框 图 ] 一 一一 ] 单 向 阀 向 阀 J 向 阀 向 阀} i 单 向 阀 L L 一 一 一 一 一 5 ． 0 5．0 5．0 5 ． 0 5．0 图 6 补油部分可靠性框 图 2 提梁机液压卷扬的可靠性预测 52 第 l期 孙由啸，等 9 0 0 t 提梁机液压卷扬系统的可靠性预测 图 7 回油部分可靠性框 图 在新产品制造出来或投入市场之前，对其可靠性进行准确预计，就可以对其保障费用、备件需 求、保修成本和适销性等做出准确预计 。在进行 比较选择和突出设计的关键可靠性特征时，可靠性 预计作为研究和设计 的一部分还是有价值的。 2 ． 1各分系统的可靠度及可靠度 曲线 根据 1 ． 2节分析得出了系统的可靠性框图，采取失效率综合的方法，对系统的可靠度进行预测 ， 假设各元件均服从指数分布，系统的可靠性也服从指数分布。此假设基于以下考虑 根据试验数据及现场运行情况，图 3至 7中各元件的下方标 出的是基本失效率 , l o 1 O * ／ h 。 根据液压系统失效统计资料知道，元件合理设计、材料选择和制造技术是可靠性的决定因素，一般 占 8 0％，而元件使用及环境因素一般 占整个因素的 2 0％。在使用中故障率 7 5％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 ， 系统的火效率为米采用精滤油器的 9 3 ． 5 ％， 即 O ． 7 5 0 ． 5 3 0 ． 2 0 ． 8 0 ． 9 3 5 ， 因此该值可作为系统失效率计算时的修正系数 C L 2 J 。 另外，图 3和 图 7给出的是元件的基本失效率，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，即实际失效率 2 K z ，式中，K F 是失效率修正系数，液压元什 失效率的修正系数 环境因子由使用的环境条件决定，对于活动地面设备’ ； 一般取K,1 0 --3 0 1 ， 鉴于提梁机的使用环境，取 K 1 ．---1 0 。 因此可以写出该卷扬系统的五个独立的子系统的可靠度函数表达式。 借鉴文献【 4 1 所描述 的方法 ， 根据系统的可靠性模型与数学模型，利用国际流行的科技应用软件 MA T L A B 5 -3对提梁机液压卷扬 系统进行可靠性仿真【 5 1 ，绘出各个子系统及整个系统的可靠度曲线 。 1 动力部分。动力部分的可靠度函数可 以描述如下所示 墨f ， e 。9 3 x 1 0 o 。3 m -6 P _ o 9 3 x 1 0 ” ， m -6 P _ 0 _9 3 0 o ．6 P - 0 9 3 5 1 0 x 0 ， x 1 0 _ 6 P - 2 7 8 由 1o _6 1 经过仿真，该部分的可靠度曲线如图8 所示。 2 卷扬马达部分。卷扬马达部分的可靠度函数可 以描述如下所示 R 2 ， - 0 9 3 o 。0 x e 9 3 划 0 o _6 x e 9 3 5 2 川 o _ 6 e 一 ’ 。 2 经过仿真 ，该部分的可靠度 曲线如图 9所示。 ， j 。 3 减速机制动部分。减速机制动部分的可靠度函数可 以描述如下所示 f P 删 8 删 m e --O ．9 3 5 lO 7 ．2 t x i。 P 删 l 0 x 3 x I I_ 蚴 蚴 啪 Ⅻ P一 5 4 8 ． i t I O 经过仿真，此部分的可靠度曲线如图 l O所示。 53 3 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 1 0 年 第 1期 1 0 册 0 禺 0 0 9 2 0 ． 9 0 舶 O 压 0 刖 0 旺 ⋯． ＼． ． ．． ＼ ＼ 、 、 、 、 、 ＼ ＼ 、 、 ＼ ＼ ＼ ＼ 0 笛 0 7 5 图 8 动力部分 的可靠度 曲线 、 ＼ ＼ ＼ ＼ 、 ＼ ＼ ＼ 、 ＼ ＼ ＼ 0 1 0 0 皿 3 0 [ 4 0 0 卯0 6 0 0 7 ∞ 8 0 0 图 l O 减速机制动部分可靠度 曲线 0 9 5 0 9 0 8 5 08 0 7 5 0 7 0 6 5 0 6 05 5 0孢 0 箦 0 0 0 9 0 3 B 0 0 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ’＼ 0 佃 卸 如 枷 5 0 0 锄 7 0 D 咖 1 图9 马达部分可靠度曲线 ＼ ＼ 、 、 ⋯ “ ＼ ⋯ ＼ ’ 。 ＼ O 1 ∞ 卸 如 枷5 0 c 6 0 0 7 0 口 ￡ 0 0 图 1 1 补油部分可靠度曲线 4 补油部分。补油部分的可靠度函数可 以描述如下所示 R f P 一 。 。 x 。 ， 。 e 。 。 ‘ 经过仿真，该部分 的可靠度曲线如图 1 1 所示。 5 回油部分。回油部分的可靠度 函数可 以描述如下所示 f “ X e - 0 9 3 5 x lO x 2 “O tx l O - 6 x e - 0 “9 3 5 x l O x l 3 “5 t x 1 0 “ 6 x e -0 “9 3 5 x lO x S “T t lO -6 e - O ． 9 3 5 1 o l 1 ．o f l o _ 6e - O ． 9 3 5 l 0 x 0 l f x i o - 6e -- O ． 9 3 5 l O x O ． 3 ， l 0 _ 6 e - 3 5 1 6 f x 1 o _ 6 经过仿真，该部分的可靠度曲线如图 1 2所示。 2 ． 2整个系统的可靠度 4 5 由实际的工作情况可知， 每提升一片梁大约需要 1 h ， 其中动力子系统、 回油子系统各工作 1 h ， 5 4 第 1期 孙由啸，等 9 0 0 t 提梁机液压卷扬系统的可靠性预测 __●-_-______-_-_____●●--●__-__●_●-_-___●_____-__-____-一一 其它4 个子系统的工作时间都是0 ．5 h 。也就是说， 若系统工作t h ， 则动力子系统和回油子系统各工 作 t 小时， 而其它子系统的工作时间为 t ／ 2 h 。由此可 以得出当系统工作 t h ，系统的可靠度表达式为 R f R 。 r 1 R t R ， t 3 R t R f ， P一 2 7 8 ．6 t l x l O _ 6 ． 8 7 2 9 ．3 1 2 X l 0 - 6 ． P一 5 4 8 l t3 1 O _ 6 ． e- 2 3 3 ．8 f 4 l 0 ． 6 ． P一 3 5 l 6 ， 5 l 0 ． 6 __ e- 2 7 8 ． 6 t x l O - ． P 一7 2 9 3 it l 。 ． P 一5 4 8 h it l 。 ． 一2 3 3 8 it l 。 e- 3 5 1 ．6 t x 1 0 - 6 6 应用 MA T L A B仿真软件进行仿真，可以得出整个系统的可靠度曲线如图 l 3所示。至此 ，得出 了整个系统 的可靠性数学模型以及可靠度 曲线。由式 3 ～8 可 以得出系统的平均寿命 平均无故 障时 间 为 ＼ 、 ‘ ‘ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ t ＼ l { L ‘、 ＼ 、 ＼ ＼ ⋯‘ “ 、 、 、 ＼ 、 、 、 、 ＼ ． 55 们 叮 石家庄铁路职业技术学 院学报 2 0 1 0年第 1 期 R s f e 一 。 ’ 。 一 e 一 。 。 一 0 ． 9 8 2 6 所以R t R 。 t 1 f - 一 心 f 0 ． 9 8 260． 9 81 90 ． 9 8 6 40 ． 9 9 4 20． 9 8 2 6 0 ． 9 3 31 、 从上面的分析可知，系统的平均寿命 平均无故障时间 为 7 2 1 ． 7 h ， 其收回成本的时间为 5 0 h ， 也就是说，系统可以在系统完金失效之前收回成本，其经济效益可观，且设计出的系统可靠性高。 在实际工程中，由于大多数元件的工作区间都低于设计工况 ，因而系统的实际可靠性要高于预计值。 从上面的分析可知，系统的卷扬马达部分可靠度值偏低，是影响系统可靠度 的主要因素，这是由于 这一部分含有失效率较高的比例多路阀和液压马达元件。通过现场调试我们也发现，系统的这～部 分也是最容易出现故障的地方。 3 结语 本文在分析提梁机液压卷扬系统的基础上，将系统分为五个子系统，并分别建立了系统和各个 子系统的可靠性框 图，然后对系统进行了可靠性预测，得 出了系统的可靠度数学表达式和可靠度 曲 线并进行了分析，找出了系统的薄弱环节卷扬马达系统。 ． 参考文献 【 l 】 孙伟， 高连华， 姚新民， 万晓伟．机械产 品的可靠性设计方法研究． 机械工业标准化与质量． 2 0 0 7 8 4 0 4 3 【 2 】 李 文杰， 张光函． 风挡 玻璃成型加工电液加载控制 系统的可靠性， 机床与液压． 1 9 9 7 6 4 3 4 5 ． 【 3 】 许耀铭 ． 液压可靠性工程基础． 哈尔滨工业大学⋯版礼． 1 9 9 1 ， 1 4 1 ～1 9 6 【 4 ] L u x h o y ， T ． J a me s ， H． S h y u r ． R e l i a b i l i ty C u r v e F i t t i n g f o r Ag i n g H e l i c o p t e r C o mp o n e n t s ． R e l i a b i l i ty E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a fi y , 1 9 9 5 ， 4 8 2 2 9 2 3 4 【 5 】 张志涌， 刘瑞桢， 杨祖樱 ． 掌握和精通 MA T L A B ． 北京航空航天大学 l n 版社． 1 9 9 7 1 3 0 Th e Re l i a bi l i t y Pr e di c t i o n o f t he Hy d r a ul i c W i n c h Co n t r o l S y s t e m o f t h e 9 0 0 t - Ga n t r y - Cr a n e SUN Yo u xi a o CHANG We I S h ij i a z h u a n g I n s t i t u t e o f R a i l w a y T e c h n o l o g y S h ij i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 4 1 C h i n a Abs t r a c t Th e r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n a f t e r t h e r e l i a b i l i t y mo d e l i n g i s a n i mp o r t a nt me a ns o f r e l i a b i l i t y d e s i g n ．T h e h y d r a u l i c wi n c h c o n t r o l s y s t e m o f 9 0 0 t Ga n t r y Cr a n e i s i mp r o v i n g c o n t i n u o u s l y t h r o u g h a p p l y i n g r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n i n t h e p h a s e o f d e s i g n ， t h e r e f o r e t h i s i s o f g r e a t s i g n i fi c a n c e f o r i mp r o v i n g t h e r e l i a b i l i t y of t h e s y s t e m i t s e l f ． Ke y wo r d s r e l i a b i l i t y mo d e l i n g r e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n g a n t r y c r a n e 56