懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性探討

梁文鋒

（大同煤礦集團(tuán)軒崗煤電有限責(zé)任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是采煤作業(yè)中常用的機(jī)械設(shè)備，它系統(tǒng)構(gòu)造比較復(fù)雜，由機(jī)械部件、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。地下采煤作業(yè)時(shí)，作業(yè)條件惡劣，存在多粉塵、潮濕、高溫等情況，尤其是液壓系統(tǒng)常發(fā)生故障，占總故障的3/4，需要提升液壓系統(tǒng)的可靠性，提升工作效率[1]。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)概述

1.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的工作原理

懸臂式掘進(jìn)機(jī)根據(jù)可根據(jù)質(zhì)量和工作機(jī)構(gòu)切割煤巖的方式不同進(jìn)行分類。雖然在類型上有所差異，但液壓系統(tǒng)的基本組成相近，如圖1所示為一般懸臂式掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓系統(tǒng)主要由兩個(gè)動(dòng)力部組成，分別負(fù)責(zé)恒功率、壓力切斷、負(fù)載敏感以及恒壓力負(fù)載敏感。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的控制系統(tǒng)依照掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)方式可分為兩大部分。第一部分為單泵控制動(dòng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的行走部、截割部以及鏟板回路、支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，且不同時(shí)作業(yè)。第二部分為單泵控制動(dòng)力結(jié)構(gòu)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的裝載馬達(dá)、運(yùn)輸機(jī)馬達(dá)、水泵馬達(dá)進(jìn)行控制。這些馬達(dá)需要同步作業(yè)，因此該部分為多負(fù)載回路[2]。

1.2 液壓系統(tǒng)功能

從懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作情況來看，截割部在工作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。除此之外其他各部的工作均由液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)完成作業(yè)。因此液壓系統(tǒng)的功能可按照控制構(gòu)建實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)行走、截割機(jī)構(gòu)移動(dòng)、鏟板升降、后支撐升降、履帶漲緊、裝載、運(yùn)輸、水泵馬達(dá)帶動(dòng)等。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性模型的基本方法

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的構(gòu)成來看，其屬于復(fù)雜工作結(jié)構(gòu)。因此要對(duì)其展開可靠性研究，需要對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行整理和分割，構(gòu)造可研究性的系統(tǒng)模型，以便于對(duì)可靠性的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行研究。一般可將液壓系統(tǒng)按照工作控制原理分割為泵站子系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、液壓缸子系統(tǒng)以及液壓馬達(dá)子系統(tǒng)。在建立可靠性模型時(shí)，其一般步驟為確定液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖→轉(zhuǎn)換為可系統(tǒng)靠性框圖→確立數(shù)學(xué)模型→計(jì)算可靠性特征量值。最后對(duì)可靠性模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以確定模型的適應(yīng)性，找出問題并及時(shí)修正[3]。

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性框圖的確定

根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)圖，將其轉(zhuǎn)換為可行性的系統(tǒng)可靠性框圖，其中每一個(gè)方框代表液壓元件，并采用串并聯(lián)線連的方式表達(dá)各個(gè)元件的系統(tǒng)關(guān)系。具體建立可靠性框圖如圖2所示。

4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型的確立

圖2 液壓系統(tǒng)可靠性框圖

依據(jù)系統(tǒng)的可靠性框圖設(shè)立可研究的可靠性數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)假設(shè)該掘進(jìn)機(jī)的第i個(gè)液壓元件的可靠性為Ri，失效率為γi，那么就可以獲得四個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

4.1 泵站子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)泵站系統(tǒng)的動(dòng)力原理，該系統(tǒng)分為泵站ⅠⅡ兩個(gè)子系統(tǒng)，并構(gòu)成串聯(lián)模型。因此兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相同，可表達(dá)為可靠性數(shù)學(xué)模型：

其中：R1—R4依次代表油箱、過濾器、油泵、溢流閥的可靠度。

4.2 行走機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它由三位四通換向閥和液壓馬達(dá)組成，可構(gòu)成串聯(lián)型數(shù)學(xué)模型，并按照公式（2）進(jìn)行表述：

其中：R5、R6分別代表行走機(jī)構(gòu)三位四通換向閥以及液壓馬達(dá)的可靠度。

4.3 液壓缸子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

液壓缸子系統(tǒng)由三位四通換向閥和液壓缸組成，二者構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故數(shù)學(xué)模型建立為公式（3）所示情況：

其中：R7、R8分別代表液壓缸的三位四通換向閥和液壓缸的可靠度。

4.4 液壓馬達(dá)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

液壓馬達(dá)子系統(tǒng)由三位四通換向閥和液壓馬達(dá)組成，二者構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故數(shù)學(xué)模型建立為公式（4）所示情況：

其中：R9、R10分別代表液壓馬達(dá)的三位四通換向閥和液壓馬達(dá)的可靠度。

5 液壓系統(tǒng)可靠度計(jì)算

按照系統(tǒng)元件的組成形式，進(jìn)行可靠度計(jì)算。

如果各個(gè)系統(tǒng)元件為串聯(lián)組成，那么假設(shè)系統(tǒng)由n個(gè)元件組成，則可以對(duì)系統(tǒng)的可靠度建立下列關(guān)系式：

其中：Ri為第i個(gè)液壓元件的可靠性，γi為失效率，ti為第i各元件的工作時(shí)間。

若液壓系統(tǒng)的n各元件為并聯(lián)組成，那么可靠度關(guān)系式則可以表達(dá)為：

根據(jù)本文所描述的系統(tǒng)可靠性框圖來看，液壓系統(tǒng)屬于串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)，因此將子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)合進(jìn)行分析，可確立總的系統(tǒng)可靠性關(guān)系式：

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明液壓元件的失效率與時(shí)間無關(guān)，因此其可靠度與失效率之間呈指數(shù)函數(shù)模型，可以表達(dá)為Ri（ti）=exp（-γiti）。

對(duì)已經(jīng)搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，確定液壓元件的基本失效率，如表1所示。

表1 液壓元件的基本失效率（部分）

可靠度與失效率之間的函數(shù)模型在日常工作中受器件工況的影響和產(chǎn)生差異，因此為了得到準(zhǔn)確的失效率，需要確定修正系數(shù)，進(jìn)而可獲得失效率的估算公式：

其中，修正系數(shù)的數(shù)值越大則表明液壓系統(tǒng)的工況越惡劣，產(chǎn)生失效的可能性也就越大。按照工況由好到壞分別對(duì)修正系數(shù)k和工作時(shí)間t進(jìn)行取值，并獲得如表2的失效率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表2 不同修正系數(shù)下液壓系統(tǒng)的可靠度統(tǒng)計(jì)（部分）

6 液壓系統(tǒng)可靠性模型的仿真分析

為了驗(yàn)證可靠性模型的效果，采用MATLAB軟件對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行仿真分析，并獲得可靠度隨工作時(shí)間的變化曲線情況。

根據(jù)下頁圖3顯示在修正系數(shù)不變的條件下，工作時(shí)間越長(zhǎng)系統(tǒng)的可靠度越低。那么為了研究修正系數(shù)的影響，設(shè)定修正系數(shù)為20，并同樣獲得各子系統(tǒng)可靠性變化曲線，如下頁圖4所示。

根據(jù)下頁圖4仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在各個(gè)子系統(tǒng)中泵站子系統(tǒng)的可靠度最大，液壓缸和液壓馬達(dá)子系統(tǒng)的可靠度相近。這是由各子系統(tǒng)的實(shí)際工作條件決定的。在所有子系統(tǒng)中，泵站子系統(tǒng)始終提供動(dòng)力技能，屬于長(zhǎng)時(shí)間工作條件，因此其可靠性最差，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。馬達(dá)子系統(tǒng)、液壓缸子系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)之間為全臉結(jié)構(gòu)。行走部的自身并聯(lián)環(huán)節(jié)要少于另外兩個(gè)子系統(tǒng)。因此行走機(jī)構(gòu)的失效率要更高。

圖3 液壓系統(tǒng)可靠度隨時(shí)間變化曲線圖

圖4 各子系統(tǒng)的可靠度變化曲線

7 結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)可靠程度受工況影響，且與各個(gè)子系統(tǒng)之間存在邏輯關(guān)系。根據(jù)發(fā)生失效的情況，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)環(huán)節(jié)下失效率更高，應(yīng)向并聯(lián)方向進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，并采取高抗性元件來降低惡劣工況的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]王琪.懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭與化工，2017，40（4）：109-111.

[2]于建華.掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性建模與分析[J].煤礦機(jī)械，2015，36（5）：111-113.

[3]費(fèi)燁，孫波，林闖.EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2015（2）：103-106.