鑿巖臺(tái)車鉆臂的設(shè)計(jì)FMEA 應(yīng)用與強(qiáng)度分析

周 廷

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

在煤礦巖巷掘進(jìn)及工程隧道掘進(jìn)中， 鑿巖臺(tái)車作為鉆爆法施工的主要設(shè)備， 在巖巷掘進(jìn)中主要起到鉆進(jìn)炮眼的作用，因?qū)Φ刭|(zhì)條件具有良好適應(yīng)性，在較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，仍然具有一定的市場(chǎng)空間。鉆臂是鑿巖臺(tái)車的主要工作部件，起調(diào)節(jié)鉆孔位置，并實(shí)現(xiàn)精確定位的作用，同時(shí)，承受工作過程中的各種載荷。鉆臂的可靠性直接決定的早安鑿巖臺(tái)車的開機(jī)率， 對(duì)工程進(jìn)度具有至關(guān)重要的影響。

本文采用DFMEA 的方法， 對(duì)鑿巖臺(tái)車鉆臂進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析，以保證鉆臂具有較高的可靠性水平。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes & Effects Analysis）是一種通過分析產(chǎn)品中所有潛在的故障模式及對(duì)產(chǎn)品所造成的可能影響， 并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)酷度及其發(fā)生概率予以分類的一種自下而上進(jìn)行歸納的分析方法。 按使用階段的不同，可以分為設(shè)計(jì)FMEA（簡(jiǎn)稱DFMEA）和過程FMEA（簡(jiǎn)稱PFMEA）。

DFMEA 是負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的工程師/小組采用的一種分析技術(shù)， 用于保證在可能范圍內(nèi)已充分考慮到并指明各種潛在的失效模式及其相關(guān)的起因/機(jī)理， 通過在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行DFMEA 工作，可以降低失效風(fēng)險(xiǎn)。DFMEA 開始于一個(gè)設(shè)計(jì)概念形成之時(shí)或之前， 在產(chǎn)品開發(fā)的各階段中及時(shí)修改，完成于最終產(chǎn)品加工圖樣完成之前。

1 鉆臂的結(jié)構(gòu)及工作原理

鉆臂由連接座、俯仰油缸、外伸縮臂、伸縮油缸、內(nèi)伸縮臂、調(diào)節(jié)油缸、推進(jìn)梁安裝座、以及相應(yīng)的液壓換向閥等部分組成，如圖1 所示。 根據(jù)各部件的裝配與連接關(guān)系，完成其DFMEA 方塊圖如圖2 所示。

連接座固定安裝于鑿巖臺(tái)車車體上，外伸縮臂、俯仰油缸均與連接座通過十字頭連接， 在伸縮臂中安裝有伸縮油缸，控制伸縮臂的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度，內(nèi)伸縮臂前端與推進(jìn)梁安裝座通過銷軸鉸接， 在內(nèi)伸縮臂與推進(jìn)梁安裝座之間還連接有調(diào)節(jié)油缸，用于控制推進(jìn)梁安裝座的角度。 通過俯仰油缸長(zhǎng)度變化， 實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)油缸伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以保持連接座與推進(jìn)梁安裝座為一固定角度，保證鑿巖臺(tái)車具有較高的鉆孔定位速度。

圖1 鉆臂Fig.1 Drill boom

圖2 鉆臂DFMEA 方塊圖Fig.2 Block diagram of drill boom DFMEA

2 鉆臂功能分解－矩陣分析

為充分分析鉆臂的各功能要求， 使其功能滿足政府法規(guī)、安全性、可靠性、工作性能等要求，同時(shí)也要滿足外觀、制造性、裝配性、維修性等要求。對(duì)鉆臂及其各部件的功能進(jìn)行分析，識(shí)別各種外在要求及潛在的需求，并對(duì)其進(jìn)行分析整理，結(jié)合方塊圖，將功能分解到相關(guān)的零部件上，并明確細(xì)化功能所對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。通過功能分解，使功能定義更具有針對(duì)性，有利于對(duì)原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。 鉆臂功能－矩陣分析如表1 所示。

表1 鉆臂功能－矩陣分析

3 鉆臂DFMEA 分析

3.1 故障模式與影響分析

故障是產(chǎn)品由于老化、磨損、疲勞等原因，喪失規(guī)定功能的一種狀態(tài)，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品而言，組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，產(chǎn)品故障原因受設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、使用、維護(hù)等多方面因素的影響，導(dǎo)致故障模式多種多樣，對(duì)于煤機(jī)產(chǎn)品，因?yàn)槭褂铆h(huán)境惡劣，保養(yǎng)維護(hù)條件較差，更加加劇了故障的產(chǎn)生，故障模式更加復(fù)雜。鉆臂是由機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與液壓系統(tǒng)共同組成的一個(gè)較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠程度，再結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)連接座、俯仰油缸、外伸縮臂、伸縮油缸、內(nèi)伸縮臂、調(diào)節(jié)油缸、推進(jìn)梁安裝座、液壓換向閥的故障模式分別進(jìn)行分析，并計(jì)算其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN，以表明故障的嚴(yán)重程度。 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN 可用下式表示，它反映了故障發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

通過表2 可知，在鉆臂中，伸縮臂的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN值最大， 可以反映出伸縮臂的故障對(duì)鉆臂的工作可靠性影響風(fēng)險(xiǎn)最大。

表2 鉆臂故障模式分析

3.2 分析結(jié)論及改進(jìn)建議

根據(jù)FMEA 分析，可以看出，在鉆臂中，液壓換向閥、液壓油缸等部件，其RPN 相對(duì)較低，因其失效最主要是由于井下維護(hù)保養(yǎng)不足，造成油液污染導(dǎo)致，通過提高維護(hù)保養(yǎng)水平，可較好解決該問題。

而伸縮臂、 連接座、 推進(jìn)梁安裝座的失效嚴(yán)重度較高，這是因?yàn)閮烧呔鶠橹饕休d結(jié)構(gòu)件，一旦失效，均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能喪失。所以，需要從設(shè)計(jì)上對(duì)伸縮臂等RPN較高的零部件進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并提出改進(jìn)措施，提高其設(shè)計(jì)可靠性。 伸縮臂的最主要失效模式為結(jié)構(gòu)變形或開裂，其原因主要為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足導(dǎo)致，本文通過對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步的分析，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)可靠性。

4 外伸縮臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)鑿巖臺(tái)車工作的特點(diǎn)， 在鉆鑿靠近底板位置的眼位時(shí)，鉆臂受力最惡劣。 此時(shí)，鉆臂的俯仰油缸需要同時(shí)支撐鉆臂系統(tǒng)、推進(jìn)梁組件、鉆箱等的自重，還需要承受鑿巖的工作載荷。 該工況為外伸縮臂的受力最不利工況，對(duì)外伸縮臂進(jìn)行強(qiáng)度分析，以判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)外伸縮臂施加約束與載荷如圖3 所示，計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

圖3 外伸縮臂約束與載荷Fig.3 Constraints and loads on outer telescopic boom

圖4 外伸縮臂應(yīng)力云圖Fig.4 Equivalent stress of outer telescopic boom

圖5 外伸縮臂位移云圖Fig.5 Total deformation of outer telescopic boom

由分析可知， 鉆臂滑移底座工作時(shí)的最大應(yīng)力為398.52MPa，位于外伸縮臂上表面耐磨滑塊安裝外，所用材料的屈服應(yīng)力為550MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

鉆臂作為鑿巖臺(tái)車中的核心功能部件， 其工作可靠性直接影響鑿巖臺(tái)車的工作性能，提升其可靠性，對(duì)保證鑿巖臺(tái)車開機(jī)率，提高掘進(jìn)速度，具有重大意義。對(duì)其采用DFMEA 的方法進(jìn)行可靠性分析，在設(shè)計(jì)階段識(shí)別出潛在故障模式，并進(jìn)行影響分析，對(duì)潛在故障點(diǎn)提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施， 可從設(shè)計(jì)上降低產(chǎn)品故障風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)DFMEA 的故障模式與影響分析結(jié)果， 得出伸縮臂失效風(fēng)險(xiǎn)較大， 并結(jié)合伸縮臂的受力情況，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元強(qiáng)度校核，用CAE 分析手段對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 以降低或者避免失效的影響，提高可靠性。