液壓支架雙伸縮立柱的可靠性分析

張春雨，劉混舉

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

綜合機(jī)械化采煤是煤礦開采技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，綜采的支護(hù)設(shè)備主要是液壓支架，而立柱是液壓支架的主要承載部件，立柱如果出現(xiàn)故障則會影響到液壓支架對頂板的支護(hù)，對井下工作人員的安全造成威脅，嚴(yán)重影響煤礦開采的正常進(jìn)行。本文針對液壓支架雙伸縮立柱的可靠性進(jìn)行了分析。

1 雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)

雙伸縮立柱由外缸、大導(dǎo)向套、活塞、底閥、中缸、活柱等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)圖

2 雙伸縮立柱的故障分析

2.1 雙伸縮立柱的故障形式

本文對某煤礦集團(tuán)公司使用的液壓支架中雙伸縮立柱出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行了分析，表1為立柱的損壞形式及其所占比例。

2.2 雙伸縮立柱故障的原因分析

2.2.1 電鍍面碰傷、劃傷、鍍層脫落

雙伸縮立柱在井下的使用環(huán)境非常惡劣，都是在潮濕、灰塵大、淋水多的環(huán)境里。立柱表面總有一層弱酸性的水膜，水膜里含有的S2-、SO2-4等強(qiáng)腐蝕性陰離子與電鍍面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，造成了電鍍面鍍層脫落。面向采煤機(jī)的立柱表面部分會因?yàn)槊簤K、矸石的撞擊引起劃傷。

表1 立柱的損壞形式及所占的比例

2.2.2 外缸、中缸內(nèi)壁銹蝕和磨損

雙伸縮立柱在井下使用時，因?yàn)槌睗?、灰塵大、淋水多，固體雜質(zhì)、水分、其他油類及空氣很容易進(jìn)入缸體內(nèi)部引起乳化液污染，乳化液變質(zhì)以后就不能保持其原有的特性，黏度和防銹能力性能下降，導(dǎo)致外缸、中缸內(nèi)壁銹蝕、磨損。

2.2.3 雙伸縮立柱缸體出現(xiàn)局部脹缸造成的損壞

雙伸縮立柱在設(shè)計制造時，立柱的設(shè)計強(qiáng)度是足夠的，但是有時老頂控制不好，在周期來壓的作用下會產(chǎn)生沖擊載荷致使立柱在支護(hù)過程中內(nèi)腔的壓力大于立柱缸筒的承載能力，當(dāng)安全閥由于故障沒有及時卸荷時就會出現(xiàn)脹缸現(xiàn)象。［1］

2.2.4 中缸、活柱彎曲變形

由于雙伸縮立柱各個零件之間有間隙，當(dāng)有橫向力作用時，雙伸縮立柱的活柱在受橫向力的同時還承受一定的彎曲應(yīng)力，當(dāng)雙伸縮立柱的壓應(yīng)力和彎應(yīng)力超出它的許用應(yīng)力時，雙伸縮立柱就會失穩(wěn)，導(dǎo)致活柱或中缸產(chǎn)生變形。

3 液壓支架立柱的可靠性分析

3.1 建立可靠性模型

在分析雙伸縮立柱的可靠性時，首先要了解雙伸縮立柱中每個元部件的功能、各個元部件之間在功能上的關(guān)系，以及各個元部件的功能和故障對整個雙伸縮立柱的影響。然后，用方框代表系統(tǒng)元部件，用短線把各個代表元部件的方框按照功能上的邏輯關(guān)系連接起來，就建立了整個系統(tǒng)的可靠性框圖［2］。

根據(jù)可靠性理論，雙伸縮立柱各個元部件之間都是串聯(lián)關(guān)系，其中任何一個元件出現(xiàn)故障都可以導(dǎo)致立柱故障。因此，立柱的可靠性模型是由活柱、中缸、外缸、底閥、活塞、大小導(dǎo)向套組成的串聯(lián)系統(tǒng)。

設(shè)U代表雙伸縮立柱無故障工作的事件，U i代表第i個元部件無故障工作的事件。因?yàn)殡p伸縮立柱各個元部件之間是串聯(lián)關(guān)系，所以U事件出現(xiàn)等于U1，U2，…，U n事件同時發(fā)生，即：

依照概率計算的原則，假如雙伸縮立柱中各元部件是相互獨(dú)立的，得出的雙伸縮立柱可靠度表達(dá)式為：

設(shè)雙伸縮立柱的可靠度為RS，則有：

這就是常用的可靠性乘積法則，即串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度等于各單元的可靠度的乘積［3］。

3.2 雙伸縮立柱的故障樹分析

3.2.1 故障樹的建立

雙伸縮立柱的控制系統(tǒng)如圖2所示。雙伸縮立柱是液壓支架的主要承載部件，支架的支撐力和支撐高度主要取決于立柱的結(jié)構(gòu)和性能；液控單向閥用來保持支撐頂板所需的足夠壓力，在需要支撐頂板時液控單向閥處于閉鎖狀態(tài)；安全閥用來控制立柱的壓力始終保持在允許范圍，安全閥的好壞直接影響到立柱的安全系數(shù)；操縱閥用來控制立柱的升降。

圖2 雙伸縮立柱的控制系統(tǒng)圖

根據(jù)前面對立柱故障原因的分析，建立立柱不正常工作的故障樹，如圖3所示。3.2.2 故障樹的定性分析

最小割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹頂事件發(fā)生的數(shù)目不可再少的底事件的集合，定性分析就是求出雙伸縮立柱故障樹的全部最小割集。

采用上行法，從故障樹最下面的中間事件算起，按照各自的邏輯關(guān)系進(jìn)行計算，從下到上逐次把中間事件和頂事件用基本事件的和表示，最后把頂事件表示成幾個乘積項(xiàng)的和：

頂事件為T的條件如下：

式（3）中的每個項(xiàng)代表了故障樹的一個最小割集。由式（3）可以看出，共有8個最小割集K i（i＝1，2，3，4，5，6，7，8），分別為K1＝X1，K2＝X2X3，K3＝X4，K4＝X5，K5＝X6，K6＝X7，K7＝X8，K8＝X9。計算雙伸縮立柱故障樹的最小割集可以了解到各種故障發(fā)生的可能性，為雙伸縮立柱故障的原因分析、故障維修和技術(shù)改進(jìn)提供了可靠的保障。為了提高雙伸縮立柱的可靠性，應(yīng)該對上述8個最小割集產(chǎn)生的原因做進(jìn)一步分析，統(tǒng)計其發(fā)生的概率。根據(jù)故障統(tǒng)計分析，立柱故障大部分是由乳化液污染所致。

圖3 立柱不正常工作的故障樹

4 結(jié)束語

液壓支架是煤礦井下開采的主要支護(hù)設(shè)備，立柱是支架的核心部件。本文對某煤礦集團(tuán)公司使用的液壓支架中雙伸縮立柱出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，并運(yùn)用可靠性理論對雙伸縮立柱進(jìn)行可靠性分析，找出立柱故障的主要原因是乳化液污染，為立柱故障維修及技術(shù)改進(jìn)提供了依據(jù)。

［1］張百先，吳祥貞，張佃龍，等.液壓支架立柱損壞原因分析與預(yù)防措施［J］.煤礦機(jī)電，2002（4）：21-22.

［2］劉混舉，趙河明，王春燕.機(jī)械可靠性設(shè)計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［3］劉占群.采煤機(jī)的可靠性分析［J］.河北煤炭，2005（5）：11-12.