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)
綜合機(jī)械化采煤是煤礦開(kāi)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(huì)影響到液壓支架對(duì)頂板的支護(hù),對(duì)井下工作人員的安全造成威脅,嚴(yán)重影響煤礦開(kāi)采的正常進(jìn)行。本文針對(duì)液壓支架雙伸縮立柱的可靠性進(jìn)行了分析。
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
本文對(duì)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。
2.2.1 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(huì)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(shí),因?yàn)槌睗瘛⒒覊m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(jì)制造時(shí),立柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是足夠的,但是有時(shí)老頂控制不好,在周期來(lái)壓的作用下會(huì)產(chǎn)生沖擊載荷致使立柱在支護(hù)過(guò)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(méi)有及時(shí)卸荷時(shí)就會(huì)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(gè)零件之間有間隙,當(dāng)有橫向力作用時(shí),雙伸縮立柱的活柱在受橫向力的同時(shí)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(shí),雙伸縮立柱就會(huì)失穩(wěn),導(dǎo)致活柱或中缸產(chǎn)生變形。
在分析雙伸縮立柱的可靠性時(shí),首先要了解雙伸縮立柱中每個(gè)元部件的功能、各個(gè)元部件之間在功能上的關(guān)系,以及各個(gè)元部件的功能和故障對(duì)整個(gè)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(gè)代表元部件的方框按照功能上的邏輯關(guān)系連接起來(lái),就建立了整個(gè)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(gè)元部件之間都是串聯(lián)關(guān)系,其中任何一個(gè)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(wú)故障工作的事件,U i代表第i個(gè)元部件無(wú)故障工作的事件。因?yàn)殡p伸縮立柱各個(gè)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(shí)發(fā)生,即:
依照概率計(jì)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]。
3.2.1 故障樹(shù)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(lái)保持支撐頂板所需的足夠壓力,在需要支撐頂板時(shí)液控單向閥處于閉鎖狀態(tài);安全閥用來(lái)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(lái)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(duì)立柱故障原因的分析,建立立柱不正常工作的故障樹(shù),如圖3所示。3.2.2 故障樹(shù)的定性分析
最小割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹(shù)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(shù)的全部最小割集。
采用上行法,從故障樹(shù)最下面的中間事件算起,按照各自的邏輯關(guān)系進(jìn)行計(jì)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(gè)乘積項(xiàng)的和:
頂事件為T(mén)的條件如下:
式(3)中的每個(gè)項(xiàng)代表了故障樹(shù)的一個(gè)最小割集。由式(3)可以看出,共有8個(gè)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(jì)算雙伸縮立柱故障樹(shù)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(duì)上述8個(gè)最小割集產(chǎn)生的原因做進(jìn)一步分析,統(tǒng)計(jì)其發(fā)生的概率。根據(jù)故障統(tǒng)計(jì)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(shù)
液壓支架是煤礦井下開(kāi)采的主要支護(hù)設(shè)備,立柱是支架的核心部件。本文對(duì)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(duì)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(jì)[M].北京:國(guó)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.