大型壓機液壓同步平衡系統(tǒng)可靠性分析

王建國 劉 軍 楊固川

(中國第二重型機械集團公司設(shè)計研究院，四川 618000)

大型壓機是滿足我國各類基礎(chǔ)建設(shè)所需的重大裝備。同步平衡控制系統(tǒng)是大型模鍛壓機的重要特征，其作用在于控制活動橫梁在工作過程中產(chǎn)生的傾斜度。一旦傾斜度超過設(shè)備設(shè)定控制精度要求，平衡系統(tǒng)立即糾偏，使其水平度保持在較高的精度范圍內(nèi)，以保證模鍛件所需要的尺寸精度，有利于改善液壓機機械設(shè)備本體的受力狀況，延長大型壓機的維護周期及使用壽命。

1 大型壓機平衡液壓系統(tǒng)特點

大型壓機液壓系統(tǒng)龐大，壓力高，流量大，液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計需要解決液壓元件的選型及系統(tǒng)配置要求等難題。同步平衡控制系統(tǒng)是大型壓機的核心所在，壓機活動橫梁的位置檢測靠位移傳感器實時檢測。橫梁在運行過程中一旦某個角位置精度超過設(shè)定目標值，將通過液壓伺服控制進行糾偏。

2 液壓可靠性設(shè)計

可靠性是產(chǎn)品研發(fā)的基礎(chǔ)，貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用和維護的全過程，液壓系統(tǒng)的可靠性依賴于設(shè)計、制造、使用維護以及管理等多種因素，但歸根到底要首先依賴于液壓系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。因系統(tǒng)的固有可靠性為設(shè)計所確定，制造與使用維護等只能達到或保持系統(tǒng)的固有可靠性，這就是液壓系統(tǒng)的可靠性設(shè)計的重要意義所在。

為了保證液壓系統(tǒng)的可靠性，針對壓機的不同部位提出了具體要求，根據(jù)不同部位的重要性及工況，要求的可靠性程度不一樣，對同步平衡控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，在設(shè)計壓機液壓控制系統(tǒng)時作了充分的論證。

3 液壓系統(tǒng)可靠度計算

3.1 元件可靠度的確定

可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，它是時間的函數(shù)，記作R(t)。失效率是指產(chǎn)品工作到t 時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記作λ(t)。液壓系統(tǒng)在調(diào)試完畢后，在正常工作階段，失效率為恒定值，可靠度R(t)=exp(-λt)，是指數(shù)分布。

計算系統(tǒng)的可靠度，必須確定每個組成元件的可靠度，一般根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)選取。表中所給出的為元件基本失效率，該值在標準實驗室測得，為基本故障率λ0;實際的失效概率應(yīng)考慮環(huán)境系數(shù)K，實際的失效概率λ=Kλ0，K 為環(huán)境系數(shù)，這里取K=5。

3.2 建立系統(tǒng)的可靠性邏輯圖

根據(jù)同步平衡控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)中各個元件都發(fā)揮著重要的功能，每個元件出現(xiàn)故障時，都可能引起整個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，嚴重時可能導致系統(tǒng)無法繼續(xù)工作。以同步平衡系統(tǒng)工作時的相互邏輯關(guān)系為依據(jù)，根據(jù)大型壓機液壓系統(tǒng)各元件的功能及相互關(guān)系，建立系統(tǒng)的可靠性邏輯模型。可靠性邏輯框圖見圖1。

表1 液壓元件的基本失效率λ0Table 1 Level failure rates λ0of hydraulic components

圖1 液壓系統(tǒng)可靠性邏輯框圖Figure 1 Logical block diagram of hydraulic system reliability

3.3 液壓系統(tǒng)可靠性的計算方法

為了使可靠度的計算過程簡便，特提出如下假設(shè):系統(tǒng)管路的失效率為0;電氣控制部分的可靠度為1;液壓元件和系統(tǒng)只有兩種狀態(tài)，正常和故障狀態(tài)，沒有中間狀態(tài);系統(tǒng)中各元件的故障相互獨立;不考慮人為故障及外界干擾。

(1)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算

由n 個元件組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度:

R(t)=R1(t)R2(t)……Rn(t)

(2)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算

由n 個元件組成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度:

3.4 同步平衡系統(tǒng)可靠度的計算

根據(jù)系統(tǒng)的可靠性邏輯圖，基本失效率λ0按表1 中給出的平均數(shù)值選取，建立各部分的數(shù)學模型。

其中，蓄能器組的可靠度為:

R10=［exp(-2.47×10-6×k×t)］{1-［1-exp(-7.2×10-6×k×t)］10}

伺服閥與單向閥串聯(lián)的可靠度為:

R12=1-［1-exp(-1.6×10-6×k×t)］3

系統(tǒng)總的可靠度為:

系統(tǒng)工作時間與可靠度的對應(yīng)關(guān)系見表2。根據(jù)以上計算結(jié)果，一般液壓系統(tǒng)連續(xù)工作約600 h 左右就要進行技術(shù)保養(yǎng)，此時的可靠度為0.735 9，工程機械液壓系統(tǒng)的可靠度一般為0.6～1，因此，該液壓系統(tǒng)的工作可靠性是滿足要求的。若考慮到此系統(tǒng)選用的進口元件，制造質(zhì)量好，油液清潔度高，將元件的失效率λ0取下限值來計算，可靠度將提高到0.909 4。

表2 系統(tǒng)工作時間與可靠度的對應(yīng)關(guān)系Table 2 The corresponding relation of working time and reliability of system

3.5 液壓系統(tǒng)平均無故障工作時間的計算

根據(jù)以上系統(tǒng)可靠度的計算，可以計算出系統(tǒng)的平均無故障工作時間:

當環(huán)境系數(shù)為5 時，λ0取平均值時，液壓系統(tǒng)的平均無故障時間為1 941 h，從理論上來看，系統(tǒng)工作1 941 h 后應(yīng)進行檢查、維修;當λ0取下限值時，MTBF=5 492 h;當環(huán)境系數(shù)為10 時，λ0取下限，MTBF=2 746 h。從以上分析可知，環(huán)境條件越好，系統(tǒng)可靠性越高，液壓元件質(zhì)量越高，元件的失效率越低，系統(tǒng)的可靠性就越高。

3.6 液壓系統(tǒng)的可靠性仿真

根據(jù)液壓系統(tǒng)的可靠性模型，用Matlab 仿真軟件進行分析，繪制出可靠度曲線圖，環(huán)境因子和元件失效率取幾種不同的數(shù)值對比，繪制出可靠度曲線圖，見圖2 和圖3。

圖2 λ0取平均值的可靠度曲線Figure 2 Reliability curve when λ0is the mean value

圖3 λ0取下限值的可靠度曲線Figure 3 Reliability curve when λ0is the lower value

通過可靠度曲線圖，可以看出工作環(huán)境越差，系統(tǒng)中各元件的故障率增加，整個系統(tǒng)的可靠度下降;采用質(zhì)量較好的液壓元器件，系統(tǒng)組成元件的失效率降低，也是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑之一，但第一次投資費用較大。液壓系統(tǒng)在工作中70%左右的故障率是由系統(tǒng)油液污染引起的，因此，在工作中應(yīng)及時跟蹤油液清潔度，保證系統(tǒng)油液的清潔度，也是提高系統(tǒng)可靠度的有效措施。

4 結(jié)束語

根據(jù)同步平衡液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，建立了系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型，仿真出了同步平衡液壓系統(tǒng)的可靠度曲線圖。從曲線圖可以得出結(jié)論:系統(tǒng)工作環(huán)境越好、元件質(zhì)量越好，組成系統(tǒng)的可靠度就越高。

本液壓系統(tǒng)設(shè)計時選用先進的進口元件，采用多重過濾技術(shù)，來保證系統(tǒng)油液達到很高的清潔度，從而提高元件的工作環(huán)境條件。因此，本液壓系統(tǒng)的可靠性較高，能滿足大型壓機的正常工作要求。

［1］畢龍.鉆孔組合機床液壓系統(tǒng)可靠性分析.液壓與氣動，2011(8).

［2］俞新陸.液壓機的設(shè)計與應(yīng)用.北京:機械工業(yè)此版社，2006.

［3］雷天覺.液壓工程手冊.北京:機械工業(yè)此版社，1990.

［4］趙靜一，王益群.合成橡膠壓塊機液壓系統(tǒng)的可靠性分析.同濟大學學報，2011，29(12).

［5］俞新陸.液壓機的設(shè)計與應(yīng)用.北京:機械工業(yè)此版社，2006.