呂剛，原思聰，歐陽(yáng)恒

(1.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710055;2.中國(guó)兵器工業(yè)第203 研究所，陜西西安710065)

大噸位液壓裂管器是一種用于地下管線非開(kāi)挖置換的技術(shù)裝備。非開(kāi)挖技術(shù)是指利用巖土導(dǎo)向技術(shù)和定向鉆進(jìn)技術(shù)，在地表不開(kāi)挖和地層結(jié)構(gòu)破壞極小的情況下對(duì)各種地下管線進(jìn)行鋪設(shè)、修復(fù)或更換的一種新技術(shù)。該技術(shù)具有不影響交通、不破壞環(huán)境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于一些無(wú)法進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)的區(qū)域，如穿越鬧市區(qū)、文物保護(hù)區(qū)、公路、鐵路、建筑物、河流等。

目前，隨著環(huán)保要求的提高和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，液壓裂管器的使用率也逐步提高。因此研究液壓裂管器液壓系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于提高其使用效率、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)壽命，都具有重大意義。

1 液壓裂管器液壓系統(tǒng)介紹

液壓裂管器液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，分為5個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng):主伸縮子系統(tǒng)、前夾緊子系統(tǒng)、后夾緊子系統(tǒng)、擰卸子系統(tǒng)和動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)。

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，每一個(gè)工作過(guò)程都包括兩種典型工況——裝桿和卸桿。下面分別就這兩種典型工況的動(dòng)作順序加以說(shuō)明。

圖1 液壓裂管器液壓系統(tǒng)原理圖

1.1 裝桿工況

操作工將第一根拉桿放入后夾緊裝置中，后夾緊缸27 將拉桿一端的陽(yáng)螺紋頭夾住，動(dòng)力頭馬達(dá)21 正轉(zhuǎn)，動(dòng)力頭上所帶陽(yáng)螺紋與拉桿另一端所帶陰螺紋咬合上緊，動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)壓力上升，溢流閥9 溢流，馬達(dá)21 停止轉(zhuǎn)動(dòng)。然后后夾緊油缸27 松開(kāi)，液壓缸18 前行至最大行程處停止。前夾緊缸26 夾緊拉桿的陰螺紋頭處，動(dòng)力頭馬達(dá)21 反轉(zhuǎn)，動(dòng)力頭上所帶陽(yáng)螺紋與拉桿陰螺紋脫離。動(dòng)力頭馬達(dá)21 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓缸18 退后至初始位置。

操作工將第二根拉桿放入后夾緊裝置中，并用手使第二根拉桿的陽(yáng)螺紋與第一根拉桿的陰螺紋旋合上，動(dòng)力頭馬達(dá)21 正轉(zhuǎn)，待螺紋上緊后，動(dòng)力頭馬達(dá)21 停轉(zhuǎn)，前夾緊缸26 松開(kāi)，液壓缸18 前行至最大行程處停止，前夾緊缸26 夾緊拉桿的陰螺紋頭處，動(dòng)力頭馬達(dá)21 反轉(zhuǎn)，螺紋脫開(kāi)。液壓缸18 退后至初始位置。操作工放入第三根拉桿，重復(fù)上述動(dòng)作。

1.2 卸桿工況

當(dāng)?shù)谝桓瓧U拉出后，前后夾緊缸分別夾緊相臨兩根拉桿的相臨兩端頭，擰卸缸28 正轉(zhuǎn)，螺紋松開(kāi)，擰卸缸28 復(fù)位，后夾緊缸27 松開(kāi)，動(dòng)力頭馬達(dá)21 反轉(zhuǎn)直到兩拉桿之間的螺紋完全松開(kāi)。然后后夾緊缸27 夾緊，動(dòng)力頭馬達(dá)21 反轉(zhuǎn)，將第一根拉桿與動(dòng)力頭之間的螺紋連接松開(kāi)，操作工取出第一根拉桿。

液壓缸18 前行至最大行程處停止，動(dòng)力頭馬達(dá)21 正轉(zhuǎn)，動(dòng)力頭上陽(yáng)螺紋與第二根拉桿的陰螺紋咬合上緊，動(dòng)力頭馬達(dá)21 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，前夾緊缸26 松開(kāi)，液壓缸18 退后至初始位置。重復(fù)上述動(dòng)作。

2 液壓系統(tǒng)可靠度計(jì)算

由文獻(xiàn)［3］可知液壓系統(tǒng)可靠性定義:在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，液壓設(shè)備無(wú)故障地完成規(guī)定功能的概率。而失效率λ(t)是指液壓設(shè)備和液壓元件工作到某時(shí)刻尚未失效的概率。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)證明:在液壓設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)期，其失效率λ(t)是不隨時(shí)間而改變的常數(shù)。則可靠度R(t)記為:

2.1 液壓系統(tǒng)中各元件可靠度的計(jì)算

首先要確定各液壓元件的平均失效率λ0，它們都是通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 液壓元件在百萬(wàn)小時(shí)內(nèi)的平均失效率

其次，要確定液壓系統(tǒng)的使用環(huán)境，即環(huán)境系數(shù)K，如表2所示。

表2 液壓系統(tǒng)環(huán)境系數(shù)K

最后，根據(jù)正常運(yùn)行階段中基于指數(shù)分布的液壓系統(tǒng)的可靠度預(yù)測(cè)，即:

就可計(jì)算出液壓元件的可靠度。

2.2 建立液壓系統(tǒng)可靠性的邏輯模型

計(jì)算液壓系統(tǒng)的可靠度不僅需要知道組成其系統(tǒng)的各個(gè)液壓元件的可靠度，還要知道它們之間的組成形式。

一般而言，液壓系統(tǒng)有4 種組成形式:串聯(lián)系統(tǒng);并聯(lián)系統(tǒng);混聯(lián)系統(tǒng);表決系統(tǒng)。通過(guò)分析圖1可知:5 個(gè)子系統(tǒng)均為串聯(lián)系統(tǒng)。根據(jù)液壓裂管器液壓系統(tǒng)的功能和各子系統(tǒng)的相互關(guān)系，可建立液壓系統(tǒng)的可靠性邏輯模型，見(jiàn)圖2。

2.3 液壓裂管器液壓系統(tǒng)可靠度計(jì)算

在串聯(lián)液壓系統(tǒng)中，組成系統(tǒng)的任何一個(gè)液壓元件失效都會(huì)使整個(gè)液壓系統(tǒng)失效。串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為:

式中:Rs(t)為串聯(lián)系統(tǒng)可靠度;

Ri(t)為液壓元件可靠度。

圖2 液壓裂管器液壓系統(tǒng)邏輯模型

將公式(2)代入公式(3)，并整理得:即串聯(lián)系統(tǒng)的失效率λs為組成系統(tǒng)各液壓元件失效率λi之和。

假設(shè)液壓裂管器每連續(xù)工作100 h 大修一次，環(huán)境系數(shù)設(shè)為K=10，則液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)子系統(tǒng)的可靠度計(jì)算如下。

(1)主伸縮子系統(tǒng)

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +8.5 +8.5+4.6 +0.008)×10－6×10 ×100］=exp［－36.108 ×1×10－3］=0.965

(2)前夾緊子系統(tǒng)

Rs(t)=exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +5+0.008)×10－6×10 ×100］= exp［－ 24.108 × 1 ×10－3］=0.976

(3)后夾緊子系統(tǒng)

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +5 +0.008)×10－6×10 ×100］= exp［－24.108 ×1 ×10－3］=0.976

(4)擰卸子系統(tǒng)

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +0.008)×10－6×10×100］=exp［－19.108 ×1 ×10－3］=0.981

(5)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

Rs(t)=exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +2.14 +8.5 +4.6 +4.3)×10－6×10 ×100］=exp［－34.04 ×1 ×10－3］=0.967

由整機(jī)功能及液壓系統(tǒng)的順序動(dòng)作分析，可知這5 個(gè)子系統(tǒng)看似并聯(lián)，實(shí)際上是一個(gè)5-out-of-5 的表決系統(tǒng)，在工程實(shí)際中作為串聯(lián)系統(tǒng)來(lái)計(jì)算。則液壓裂管器液壓系統(tǒng)的可靠度為:

Rs(t)=0.965 ×0.967 ×0.981 ×0.976 ×0.976 =0.872

上述計(jì)算結(jié)果表明，液壓裂管器液壓系統(tǒng)每連續(xù)工作100 h 大修一次，則其可靠度為0.872。

液壓裂管器液壓系統(tǒng)在不同工況(工作時(shí)間、工作環(huán)境)下的可靠度如表3所示。

表3 不同工況的可靠度

由表3 可得出結(jié)論:液壓裂管器工作時(shí)間越長(zhǎng)，工作環(huán)境越惡劣，液壓系統(tǒng)的可靠度就越低。

3 可靠性分析

由液壓裂管器液壓系統(tǒng)的組成可看出:主伸縮子系統(tǒng)、前夾緊子系統(tǒng)、后夾緊子系統(tǒng)、擰卸子系統(tǒng)、動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)密切聯(lián)系，任何一個(gè)子系統(tǒng)失效，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)的失效，從而導(dǎo)致液壓裂管器不能正常工作。

為了提高液壓系統(tǒng)的可靠性，降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)經(jīng)濟(jì)壽命，可以采取以下措施:

(1)在理論設(shè)計(jì)階段，在滿足系統(tǒng)功能的前提下，減少串聯(lián)環(huán)節(jié);

(2)選擇質(zhì)量有保證的液壓元件。實(shí)踐證明，液壓元件的可靠性是影響液壓系統(tǒng)可靠性的主要因素;

(3)在加工零件時(shí)，要努力提高其加工制造精度;

(4)裝配時(shí)要保證一定的裝配精度;

(5)在控制液壓油污染方面采取有力的預(yù)防和控制措施;

(6)應(yīng)按要求按時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行必要的維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)評(píng)價(jià)一個(gè)液壓系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)以一定的條件(工作環(huán)境、工作時(shí)間、工作強(qiáng)度)為前提，否則是沒(méi)有實(shí)際意義的。一般而言，工程機(jī)械的可靠度應(yīng)為0.6 ～1。

(2)液壓系統(tǒng)可靠性的提高，應(yīng)從理論設(shè)計(jì)、零件加工、產(chǎn)品裝配、設(shè)備使用和維護(hù)等各個(gè)階段來(lái)綜合考慮。

【1】成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第五卷［M］.5 版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

【2】湛從昌.液壓可靠性與故障診斷［M］.2 版.北京:冶金工業(yè)出版社，2009.

【3】許耀銘.液壓可靠性工程基礎(chǔ)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

【4】原思聰，裴喜永，劉波，等.基于ADAMS 的80T 液壓裂管器液壓系統(tǒng)建模與仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(1):186－188.

【5】呂剛，谷立臣.泵式混凝土濕噴機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性分析與計(jì)算［J］.建筑機(jī)械，2003(11):73－76.

【6】張錦華，原思聰，林艷.液壓換管機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(7):56－57.