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        液壓支架雙伸縮立柱的可靠性分析

        2013-10-22 12:49:30張春雨劉混舉
        機(jī)械工程與自動化 2013年1期
        關(guān)鍵詞:立柱部件可靠性

        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)

        0 引言

        綜合機(jī)械化采煤是煤礦開采技術(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)故障則會影響到液壓支架對頂板的支護(hù),對井下工作人員的安全造成威脅,嚴(yán)重影響煤礦開采的正常進(jìn)行。本文針對液壓支架雙伸縮立柱的可靠性進(jìn)行了分析。

        1 雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)

        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

        2 雙伸縮立柱的故障分析

        2.1 雙伸縮立柱的故障形式

        本文對某煤礦集團(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 雙伸縮立柱故障的原因分析

        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)的立柱表面部分會因為煤塊、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,因為潮濕、灰塵大、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)計制造時,立柱的設(shè)計強度是足夠的,但是有時老頂控制不好,在周期來壓的作用下會產(chǎn)生沖擊載荷致使立柱在支護(hù)過程中內(nèi)腔的壓力大于立柱缸筒的承載能力,當(dāng)安全閥由于故障沒有及時卸荷時就會出現(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零件之間有間隙,當(dāng)有橫向力作用時,雙伸縮立柱的活柱在受橫向力的同時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,雙伸縮立柱就會失穩(wěn),導(dǎo)致活柱或中缸產(chǎn)生變形。

        3 液壓支架立柱的可靠性分析

        3.1 建立可靠性模型

        在分析雙伸縮立柱的可靠性時,首先要了解雙伸縮立柱中每個元部件的功能、各個元部件之間在功能上的關(guān)系,以及各個元部件的功能和故障對整個雙伸縮立柱的影響。然后,用方框代表系統(tǒng)元部件,用短線把各個代表元部件的方框按照功能上的邏輯關(guān)系連接起來,就建立了整個系統(tǒng)的可靠性框圖[2]。

        根據(jù)可靠性理論,雙伸縮立柱各個元部件之間都是串聯(lián)關(guān)系,其中任何一個元件出現(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代表雙伸縮立柱無故障工作的事件,U i代表第i個元部件無故障工作的事件。因為雙伸縮立柱各個元部件之間是串聯(lián)關(guān)系,所以U事件出現(xiàn)等于U1,U2,…,U n事件同時發(fā)生,即:

        依照概率計算的原則,假如雙伸縮立柱中各元部件是相互獨立的,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 雙伸縮立柱的故障樹分析

        3.2.1 故障樹的建立

        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;液控單向閥用來保持支撐頂板所需的足夠壓力,在需要支撐頂板時液控單向閥處于閉鎖狀態(tài);安全閥用來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)前面對立柱故障原因的分析,建立立柱不正常工作的故障樹,如圖3所示。3.2.2 故障樹的定性分析

        最小割集是導(dǎo)致正規(guī)故障樹頂事件發(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的全部最小割集。

        采用上行法,從故障樹最下面的中間事件算起,按照各自的邏輯關(guān)系進(jìn)行計算,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乘積項的和:

        頂事件為T的條件如下:

        式(3)中的每個項代表了故障樹的一個最小割集。由式(3)可以看出,共有8個最小割集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。計算雙伸縮立柱故障樹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)該對上述8個最小割集產(chǎn)生的原因做進(jìn)一步分析,統(tǒng)計其發(fā)生的概率。根據(jù)故障統(tǒng)計分析,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

        4 結(jié)束語

        液壓支架是煤礦井下開采的主要支護(hù)設(shè)備,立柱是支架的核心部件。本文對某煤礦集團(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,并運用可靠性理論對雙伸縮立柱進(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[M].北京:國防工業(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.

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