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        大型壓機(jī)液壓同步平衡系統(tǒng)可靠性分析

        2012-11-18 13:31:44王建國楊固川
        中國重型裝備 2012年4期
        關(guān)鍵詞:失效率系統(tǒng)可靠性壓機(jī)

        王建國 劉 軍 楊固川

        (中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司設(shè)計研究院,四川 618000)

        大型壓機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)械設(shè)備本體的受力狀況,延長大型壓機(jī)的維護(hù)周期及使用壽命。

        1 大型壓機(jī)平衡液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

        大型壓機(jī)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(jī)的核心所在,壓機(jī)活動橫梁的位置檢測靠位移傳感器實(shí)時檢測。橫梁在運(yùn)行過程中一旦某個角位置精度超過設(shè)定目標(biāo)值,將通過液壓伺服控制進(jìn)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(hù)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(hù)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(hù)等只能達(dá)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(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗室測得,為基本故障率λ0;實(shí)際的失效概率應(yīng)考慮環(huán)境系數(shù)K,實(shí)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(yán)重時可能導(dǎo)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(jī)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(dú)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(xué)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(jìn)行技術(shù)保養(yǎng),此時的可靠度為0.735 9,工程機(jī)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(jìn)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(dāng)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(jìn)行檢查、維修;當(dāng)λ0取下限值時,MTBF=5 492 h;當(dāng)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(jìn)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(fèi)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(xué)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(jìn)的進(jìn)口元件,采用多重過濾技術(shù),來保證系統(tǒng)油液達(dá)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(jī)的正常工作要求。

        [1]畢龍.鉆孔組合機(jī)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(jī)的設(shè)計與應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)此版社,2006.

        [3]雷天覺.液壓工程手冊.北京:機(jī)械工業(yè)此版社,1990.

        [4]趙靜一,王益群.合成橡膠壓塊機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性分析.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,2011,29(12).

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

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