梁文鋒

（大同煤礦集團軒崗煤電有限責任公司梨園河煤礦， 山西 忻州 034114）

引言

懸臂式掘進機是采煤作業(yè)中常用的機械設(shè)備，它系統(tǒng)構(gòu)造比較復雜，由機械部件、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。地下采煤作業(yè)時，作業(yè)條件惡劣，存在多粉塵、潮濕、高溫等情況，尤其是液壓系統(tǒng)常發(fā)生故障，占總故障的3/4，需要提升液壓系統(tǒng)的可靠性，提升工作效率[1]。

1 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)概述

1.1 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)的工作原理

懸臂式掘進機根據(jù)可根據(jù)質(zhì)量和工作機構(gòu)切割煤巖的方式不同進行分類。雖然在類型上有所差異，但液壓系統(tǒng)的基本組成相近，如圖1所示為一般懸臂式掘進機的液壓系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)的構(gòu)成

液壓系統(tǒng)主要由兩個動力部組成，分別負責恒功率、壓力切斷、負載敏感以及恒壓力負載敏感。懸臂式掘進機的控制系統(tǒng)依照掘進機的作業(yè)方式可分為兩大部分。第一部分為單泵控制動力結(jié)構(gòu)，對掘進機的行走部、截割部以及鏟板回路、支撐機構(gòu)進行控制，且不同時作業(yè)。第二部分為單泵控制動力結(jié)構(gòu)，對掘進機的裝載馬達、運輸機馬達、水泵馬達進行控制。這些馬達需要同步作業(yè)，因此該部分為多負載回路[2]。

1.2 液壓系統(tǒng)功能

從懸臂式掘進機的工作情況來看，截割部在工作時的轉(zhuǎn)動由電機進行驅(qū)動。除此之外其他各部的工作均由液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動完成作業(yè)。因此液壓系統(tǒng)的功能可按照控制構(gòu)建實現(xiàn)掘進機行走、截割機構(gòu)移動、鏟板升降、后支撐升降、履帶漲緊、裝載、運輸、水泵馬達帶動等。

2 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)可靠性模型的基本方法

根據(jù)懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)的構(gòu)成來看，其屬于復雜工作結(jié)構(gòu)。因此要對其展開可靠性研究，需要對復雜系統(tǒng)進行整理和分割，構(gòu)造可研究性的系統(tǒng)模型，以便于對可靠性的相關(guān)參數(shù)進行研究。一般可將液壓系統(tǒng)按照工作控制原理分割為泵站子系統(tǒng)、行走機構(gòu)子系統(tǒng)、液壓缸子系統(tǒng)以及液壓馬達子系統(tǒng)。在建立可靠性模型時，其一般步驟為確定液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖→轉(zhuǎn)換為可系統(tǒng)靠性框圖→確立數(shù)學模型→計算可靠性特征量值。最后對可靠性模型進行仿真驗證，以確定模型的適應性，找出問題并及時修正[3]。

3 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性框圖的確定

根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作結(jié)構(gòu)圖，將其轉(zhuǎn)換為可行性的系統(tǒng)可靠性框圖，其中每一個方框代表液壓元件，并采用串并聯(lián)線連的方式表達各個元件的系統(tǒng)關(guān)系。具體建立可靠性框圖如圖2所示。

4 懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)可靠性數(shù)學模型的確立

圖2 液壓系統(tǒng)可靠性框圖

依據(jù)系統(tǒng)的可靠性框圖設(shè)立可研究的可靠性數(shù)學模型?，F(xiàn)假設(shè)該掘進機的第i個液壓元件的可靠性為Ri，失效率為γi，那么就可以獲得四個子系統(tǒng)的數(shù)學模型。

4.1 泵站子系統(tǒng)的數(shù)學模型

根據(jù)泵站系統(tǒng)的動力原理，該系統(tǒng)分為泵站ⅠⅡ兩個子系統(tǒng)，并構(gòu)成串聯(lián)模型。因此兩個系統(tǒng)的數(shù)學模型相同，可表達為可靠性數(shù)學模型：

其中：R1—R4依次代表油箱、過濾器、油泵、溢流閥的可靠度。

4.2 行走機構(gòu)子系統(tǒng)的數(shù)學模型

根據(jù)行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它由三位四通換向閥和液壓馬達組成，可構(gòu)成串聯(lián)型數(shù)學模型，并按照公式（2）進行表述：

其中：R5、R6分別代表行走機構(gòu)三位四通換向閥以及液壓馬達的可靠度。

4.3 液壓缸子系統(tǒng)的數(shù)學模型

液壓缸子系統(tǒng)由三位四通換向閥和液壓缸組成，二者構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故數(shù)學模型建立為公式（3）所示情況：

其中：R7、R8分別代表液壓缸的三位四通換向閥和液壓缸的可靠度。

4.4 液壓馬達子系統(tǒng)的數(shù)學模型

液壓馬達子系統(tǒng)由三位四通換向閥和液壓馬達組成，二者構(gòu)成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，故數(shù)學模型建立為公式（4）所示情況：

其中：R9、R10分別代表液壓馬達的三位四通換向閥和液壓馬達的可靠度。

5 液壓系統(tǒng)可靠度計算

按照系統(tǒng)元件的組成形式，進行可靠度計算。

如果各個系統(tǒng)元件為串聯(lián)組成，那么假設(shè)系統(tǒng)由n個元件組成，則可以對系統(tǒng)的可靠度建立下列關(guān)系式：

其中：Ri為第i個液壓元件的可靠性，γi為失效率，ti為第i各元件的工作時間。

若液壓系統(tǒng)的n各元件為并聯(lián)組成，那么可靠度關(guān)系式則可以表達為：

根據(jù)本文所描述的系統(tǒng)可靠性框圖來看，液壓系統(tǒng)屬于串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)，因此將子系統(tǒng)的數(shù)學模型進行結(jié)合進行分析，可確立總的系統(tǒng)可靠性關(guān)系式：

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明液壓元件的失效率與時間無關(guān)，因此其可靠度與失效率之間呈指數(shù)函數(shù)模型，可以表達為Ri（ti）=exp（-γiti）。

對已經(jīng)搜集到的數(shù)據(jù)進行分析和整理，確定液壓元件的基本失效率，如表1所示。

表1 液壓元件的基本失效率（部分）

可靠度與失效率之間的函數(shù)模型在日常工作中受器件工況的影響和產(chǎn)生差異，因此為了得到準確的失效率，需要確定修正系數(shù)，進而可獲得失效率的估算公式：

其中，修正系數(shù)的數(shù)值越大則表明液壓系統(tǒng)的工況越惡劣，產(chǎn)生失效的可能性也就越大。按照工況由好到壞分別對修正系數(shù)k和工作時間t進行取值，并獲得如表2的失效率的統(tǒng)計結(jié)果。

表2 不同修正系數(shù)下液壓系統(tǒng)的可靠度統(tǒng)計（部分）

6 液壓系統(tǒng)可靠性模型的仿真分析

為了驗證可靠性模型的效果，采用MATLAB軟件對懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)的可靠度進行仿真分析，并獲得可靠度隨工作時間的變化曲線情況。

根據(jù)下頁圖3顯示在修正系數(shù)不變的條件下，工作時間越長系統(tǒng)的可靠度越低。那么為了研究修正系數(shù)的影響，設(shè)定修正系數(shù)為20，并同樣獲得各子系統(tǒng)可靠性變化曲線，如下頁圖4所示。

根據(jù)下頁圖4仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在各個子系統(tǒng)中泵站子系統(tǒng)的可靠度最大，液壓缸和液壓馬達子系統(tǒng)的可靠度相近。這是由各子系統(tǒng)的實際工作條件決定的。在所有子系統(tǒng)中，泵站子系統(tǒng)始終提供動力技能，屬于長時間工作條件，因此其可靠性最差，需要對其進行優(yōu)化。馬達子系統(tǒng)、液壓缸子系統(tǒng)和行走機構(gòu)子系統(tǒng)之間為全臉結(jié)構(gòu)。行走部的自身并聯(lián)環(huán)節(jié)要少于另外兩個子系統(tǒng)。因此行走機構(gòu)的失效率要更高。

圖3 液壓系統(tǒng)可靠度隨時間變化曲線圖

圖4 各子系統(tǒng)的可靠度變化曲線

7 結(jié)語

懸臂式掘進機的液壓系統(tǒng)可靠程度受工況影響，且與各個子系統(tǒng)之間存在邏輯關(guān)系。根據(jù)發(fā)生失效的情況，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)環(huán)節(jié)下失效率更高，應向并聯(lián)方向進行系統(tǒng)優(yōu)化，并采取高抗性元件來降低惡劣工況的影響。

參考文獻

[1]王琪.懸臂式掘進機的設(shè)計與應用[J].煤炭與化工，2017，40（4）：109-111.

[2]于建華.掘進機液壓系統(tǒng)的可靠性建模與分析[J].煤礦機械，2015，36（5）：111-113.

[3]費燁，孫波，林闖.EBZ160懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].液壓與氣動，2015（2）：103-106.