曾 文，楊 芳，范如谷，蔣從軍

（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 樂山 614100）

1 概述

水利水電工程廣泛使用的自動抓梁主要分為機(jī)械自動抓梁和液壓自動抓梁兩大類。其中，液壓自動抓梁能較好實現(xiàn)水下自動穿銷、退銷和防意外退銷功能，具有方便與閘門接口、可模塊化設(shè)計制造、適應(yīng)大啟閉容量要求等諸多優(yōu)點，因此，液壓自動抓梁在我國的大、中型水利水電工程中得到廣泛的應(yīng)用。

液壓自動抓梁設(shè)計制造和使用面臨著一系列影響可靠工作的關(guān)鍵技術(shù)問題，如銷軸卡阻、穿退銷不到位、電纜拉斷、電纜和泵站進(jìn)水等。除此之外，液壓自動抓梁水下作業(yè)也面臨超過100 m深水和適應(yīng)多泥沙水體等特殊環(huán)境，對可靠性提出了更高的要求。液壓自動抓梁可靠性設(shè)計及試驗研究的總體要求，是通過系統(tǒng)的“應(yīng)用分析-設(shè)計改進(jìn)-驗證試驗”來提高性能與可靠性。

本文針對液壓自動抓梁水下使用的工作條件和應(yīng)用情況，進(jìn)行液壓自動抓梁可靠性設(shè)計分析和試驗，提出提高可靠性的相關(guān)改進(jìn)建議進(jìn)行了一些探討。

2 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的可靠性分析

水下液壓自動抓梁系統(tǒng)各元件或子系統(tǒng)可以構(gòu)建成可靠性模型，通過可靠性分析[1]找出系統(tǒng)可靠度最低的環(huán)節(jié)，對最薄弱的環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)可以更好提高系統(tǒng)的可靠性。通過FMECA 方法可以找出系統(tǒng)各組成單元所有潛在的故障模式及其對系統(tǒng)功能的影響，然后分析各故障模式發(fā)生的頻率及嚴(yán)酷度，用危害性矩陣圖確定各故障的危害性大小，按照危害性進(jìn)行排序，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的可靠性。

2.1 FMECA 內(nèi)容與要點

FMECA[2]是英文Failure Modes，Effect and Criticality Analysis 的縮寫，即故障模式、影響與危害性分析。通過分析每種可能存在的故障模式及概率與風(fēng)險順序度，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計中提出有針對性的改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性。FMECA 并不是一個非常準(zhǔn)確的定量計算的過程，而是一個反復(fù)迭代、逐步完善的過程。

FMECA 已經(jīng)成為可靠性工程的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，F(xiàn)MECA 主要包括準(zhǔn)備工作、系統(tǒng)定義、確定故障模式等多個環(huán)節(jié)。其步驟如圖1所示。

2.2 失效模式、影響及危害度分析

2.2.1 功能分析

水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的功能是啟閉設(shè)備吊具升降液壓自動抓梁，抓梁電纜由電纜卷筒帶動升降，電機(jī)帶動油泵，并在控制閥的控制下，驅(qū)動并控制穿銷或退銷，最后通過起升機(jī)構(gòu)升降完成啟閉閘門作業(yè)。液壓自動抓梁任務(wù)是通過穿銷或退銷實現(xiàn)閘門（包括水下閘門）掛脫鉤和啟閉，其功能原理如圖2所示。

圖1 FMECA步驟

圖2 功能原理

2.2.2 嚴(yán)酷度類別的定義

結(jié)合水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的特點，對該系統(tǒng)嚴(yán)酷度的定義如表1所示。

表1 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)嚴(yán)酷度類別

2.2.3 故障模式發(fā)生概率等級

考慮故障的危害性時，估計每個故障模式發(fā)生的概率等級（分為ABCDE 五個等級），定義水下液壓自動抓梁系統(tǒng)故障模式發(fā)生概率等級如表2所示。

表2 故障模式發(fā)生概率的等級劃分

2.2.4 分析并制定FMECA 表

通過對用戶進(jìn)行走訪和統(tǒng)計產(chǎn)品在工地發(fā)生的問題，在相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)同工作下，對系統(tǒng)的所有潛在故障模式進(jìn)行分析研究，并提出改進(jìn)措施建議，在此基礎(chǔ)上制定FMECA 表，液壓自動抓梁系統(tǒng)的FMECA 分析結(jié)果見表3。

3 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)可靠性設(shè)計

通過液壓自動抓梁系統(tǒng)的FMECA 分析，確定可靠性設(shè)計的重點主要有：主電纜插頭、液壓泵站（含接線箱）、穿銷裝置（含傳感器及防泥沙）模塊化、控制及視頻監(jiān)控系統(tǒng)及關(guān)鍵重要件的可靠性試驗驗證等。

表3 關(guān)鍵故障模式分析表

3.1 可靠性設(shè)計原則

（1）在滿足功能要求條件下，減少元件品種和數(shù)量，零部件設(shè)計合理選擇材料；

（2）采用冗余、降容及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計技術(shù)，提高電纜、插頭插座及泵站等的密封性能；

（3）采用可靠性高的傳感器和液壓件，進(jìn)行元器件的篩選，針對性進(jìn)集成和模塊化設(shè)計，提高系統(tǒng)抗污染能力和環(huán)境條件適應(yīng)能力，提高傳感器和液壓系統(tǒng)的可靠性；

（4）進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)設(shè)計和系統(tǒng)的維修性設(shè)計；（5）對重要關(guān)鍵部件進(jìn)行可靠性試驗驗證。

3.2 主電纜插頭可靠性設(shè)計

3.2.1 主電纜插頭漏水及斷芯原因分析

主電纜插頭常發(fā)生的漏水和電纜斷芯問題，經(jīng)詳細(xì)分析原方案（圖3）具體原因主要有：

（1）插頭與插座之間配合為圓柱面裝配過程中密封可能被剪切損壞；

（2）插座端部密封槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致密封圈可能從槽內(nèi)脫離；

（3）電纜與插頭之間僅通過硫化橡膠密封，但窄小空間硫化橡膠質(zhì)量保證難度大；

（4）電纜芯線與插頭焊點部位因結(jié)構(gòu)和電纜固定措施不全而造成斷芯，也會出現(xiàn)電纜鋼芯固定不規(guī)范造成電纜芯線受載拉斷。

圖3 原主電纜插頭結(jié)構(gòu)

3.2.2 主電纜插頭改進(jìn)設(shè)計

（1）插接密封設(shè)計。將端部密封圈從插座改到插頭根部，端部密封圈不容易從槽內(nèi)滑脫。插頭與插座配合面由圓柱面改為圓錐面，錐面角度為度，提高配合適應(yīng)能力，同時，增加一個密封圈，提高高水頭下插頭密封可靠性（圖4）。

（2）主電纜與插頭密封設(shè)計。電纜與插頭之間增加機(jī)械密封（兩道），機(jī)械密封由調(diào)整墊片、V型（凸形）壓圈和單V（凹形）橡膠密封圈組成，在V型壓圈的作用下，單V（凹形）橡膠密封圈擠壓電纜護(hù)套和插頭內(nèi)壁形成密封面，防止水滲入插頭內(nèi)部，確保電纜與插頭之間密封可靠（圖4）。

（3）主接頭防斷芯設(shè)計。針對主接頭斷芯問題，主要從三方面解決：一是電纜與插頭之間的機(jī)械密封固定了兩者之間的相對關(guān)系，防止了固定硫化[3]前拉扯斷線；二是增加分線盤，電纜鋼芯固定在分線盤中間，增加抗拉能力；三是分線盤將芯線分開，芯線長度留有適當(dāng)裕度，使焊接點不受力，從而防止斷芯。

圖4 改進(jìn)后主電纜插頭結(jié)構(gòu)

3.3 液壓泵站(含中間接線箱)可靠性設(shè)計

3.3.1 液壓泵站可靠性設(shè)計原則

（1）優(yōu)化泵站殼體及相關(guān)連接密封結(jié)構(gòu)，液壓泵站與中間接線箱[4]同時優(yōu)化提高可靠性；

（2）液壓泵站減少原器件數(shù)量和種類；

（3）增加漏水檢測等傳感器。

3.3.2 液壓泵站（含中間接線箱）改進(jìn)設(shè)計

（1）按泵站殼體密封槽加工工藝特點，將冗余密封槽修改為相同結(jié)構(gòu)，有利于加工質(zhì)量保證。將中間接線箱集成到泵站側(cè)面，減少了中間接線箱故障發(fā)生概率，同時，集成的一體接線箱與主殼體之間設(shè)置機(jī)械密封，使用時充油，并采用縱向密封電纜，防止一體接線箱的滲漏影響泵站運行，降低故障率。

（2）原抓梁液壓系統(tǒng)，采用電磁換向閥控制油缸“伸出/退回”，為減少元器件種類和規(guī)格，將系統(tǒng)改為全液壓控制，即取消電磁換向閥，通過雙向油泵和單向閥實現(xiàn)油缸“伸出/退回”，同時也減少了主電纜的芯線數(shù)量。

（3）泵站主體內(nèi)側(cè)的集液槽內(nèi)底部，設(shè)置有漏水檢測傳感器, 滲入的水比油重,傳感器會及時發(fā)出信號，此處，維護(hù)保養(yǎng)時可通過檢查螺堵檢查泄漏狀況。見圖5。

圖5 液壓泵站及原理圖

3.4 穿銷裝置可靠性及模塊化設(shè)計

3.4.1 穿銷裝置可靠性設(shè)計

液壓穿軸裝置工作時，由于套筒開有槽孔、傳感器與感應(yīng)擋塊之間有間隙等因素，導(dǎo)致其容易受到雜物、泥沙的影響，出現(xiàn)誤報或損壞失效等故障。

為降低上述問題，研發(fā)了一種能夠?qū)⑿谐虣z測裝置嵌入安裝于液壓穿軸裝置的筒體中的結(jié)構(gòu)，增加水過濾裝置，從而達(dá)到減少零件數(shù)量，提高可靠性和外觀簡潔等目的。其設(shè)計思路見圖6。

圖6 設(shè)計思路

傳感器選型。全行程穿退銷檢測的靜磁柵裝置由靜磁柵和柵源組成，兩者完全分離，柵源安裝于油缸內(nèi)和有桿腔融為一體，此結(jié)構(gòu)可適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。該傳感器防護(hù)等級最高達(dá)IP69； 可在水下200 mm環(huán)境中正常工作，絕對值輸出，保持不丟失數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 CWY-DS懸浮式行程檢測傳感器

穿/退銷到位檢測傳感器采用電感型接近開關(guān)，為避免傳感器與安裝螺孔信號干擾，探測器采用埋入式，見圖8。

圖8 施耐德XS1系列電感型接近開關(guān)

3.4.2 穿銷裝置模塊化設(shè)計

原設(shè)計液壓自動抓梁穿銷裝置缸徑和桿徑規(guī)格過多，也不統(tǒng)一，不利于設(shè)計和制造塊化和減少密封件等原器件的規(guī)格，增加了備件準(zhǔn)備時間和用戶維護(hù)難度。

（1）液壓自動抓梁穿銷裝置規(guī)格統(tǒng)計

根據(jù)歷年約124套液壓自動抓梁數(shù)據(jù)統(tǒng)計，吊軸直徑范圍Φ100～360 mm，共有11種油缸直徑與活塞桿徑的組合，其中缸徑范圍Φ63～160 mm，桿徑范圍Φ45～90 mm，見表4。

表4 油缸直徑與活塞桿徑組合

（2）穿銷裝置模塊化設(shè)計

適應(yīng)吊軸直徑范圍Φ100～360 mm，重新規(guī)劃后，穿銷油缸/活塞桿優(yōu)化為4種組合規(guī)格（缸徑范圍Φ63～130 mm，桿徑Φ45～80 mm范圍）見表5。

表5 穿銷油缸／活塞桿直徑優(yōu)化表

3.5 液壓泵站及穿銷裝置可靠性試驗

3.5.1 無水驗證試驗

無水驗證試驗中，累計完成穿推銷13 000余次，液壓抓梁泵站及穿銷裝置在試驗過程中均未出現(xiàn)問題，可靠性得到驗證。

3.5.2 有水（1.46 MPa）壓力驗證試驗

無水驗證試驗完成，將液壓泵站及穿銷裝置整體放入試驗裝置[5]（圖9），注入水進(jìn)行有水壓力驗證試驗，累計完成穿推銷17 000次，總浸水時長762 h。其中在1.46 MPa壓力下穿退銷300次，持壓48 h。

試驗結(jié)果顯示，液壓泵站及各接線筒內(nèi)無進(jìn)水滲水痕跡，接近開關(guān)信號穩(wěn)定無異常。液壓抓梁順利通過抓梁泵站試驗可靠性功能性試驗，可靠性得到驗證。

圖9 試驗裝置

4 結(jié)語

本文在對水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的可靠性設(shè)計中，結(jié)合實際使用和方案利用FMECA 技術(shù)方法對其進(jìn)行可靠性分析，確定了部件可靠性試驗驗證方案并進(jìn)行了相關(guān)試驗，主要研究工作結(jié)論如下：

（1）液壓自動抓梁系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析研究，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)設(shè)計方案，建立可靠性任務(wù)模型與數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行詳細(xì)分析，驗證系統(tǒng)設(shè)計方案符合要求。

（2）液壓自動抓梁系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，找出所有的故障模式，對其發(fā)生的頻度、產(chǎn)生的影響與危害度進(jìn)行分析，利用危害性矩陣圖找出危害度最高的失效模式，提出具體的改進(jìn)措施。

（3）針對重要關(guān)鍵部件，如主電纜插頭、液壓泵站（含接線箱）、穿銷裝置及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行了專項改進(jìn)設(shè)計，并確定了試驗研究方案，通過試驗找出系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)措施，提高了系統(tǒng)的可靠性，通過試驗驗證了各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

（4）考慮使用可靠性進(jìn)行可維修性設(shè)計，使得系統(tǒng)日常維護(hù)更加簡單，發(fā)生故障后能夠更方便的進(jìn)行檢修，提高了系統(tǒng)的可靠性。