液压支架双伸缩立柱的可靠性分析

2013-10-22张春雨刘混举

机械工程与自动化 2013年1期

张春雨，刘混举

（太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024）

0 引言

综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志，综采的支护设备主要是液压支架，而立柱是液压支架的主要承载部件，立柱如果出现故障则会影响到液压支架对顶板的支护，对井下工作人员的安全造成威胁，严重影响煤矿开采的正常进行。本文针对液压支架双伸缩立柱的可靠性进行了分析。

1 双伸缩立柱结构

双伸缩立柱由外缸、大导向套、活塞、底阀、中缸、活柱等几部分组成，如图1所示。

图1 双伸缩立柱结构图

2 双伸缩立柱的故障分析

2.1 双伸缩立柱的故障形式

本文对某煤矿集团公司使用的液压支架中双伸缩立柱出现的故障原因进行了分析，表1为立柱的损坏形式及其所占比例。

2.2 双伸缩立柱故障的原因分析

2.2.1 电镀面碰伤、划伤、镀层脱落

双伸缩立柱在井下的使用环境非常恶劣，都是在潮湿、灰尘大、淋水多的环境里。立柱表面总有一层弱酸性的水膜，水膜里含有的S2-、SO2-4等强腐蚀性阴离子与电镀面产生电化学腐蚀反应，造成了电镀面镀层脱落。面向采煤机的立柱表面部分会因为煤块、矸石的撞击引起划伤。

表1 立柱的损坏形式及所占的比例

2.2.2 外缸、中缸内壁锈蚀和磨损

双伸缩立柱在井下使用时，因为潮湿、灰尘大、淋水多，固体杂质、水分、其他油类及空气很容易进入缸体内部引起乳化液污染，乳化液变质以后就不能保持其原有的特性，黏度和防锈能力性能下降，导致外缸、中缸内壁锈蚀、磨损。

2.2.3 双伸缩立柱缸体出现局部胀缸造成的损坏

双伸缩立柱在设计制造时，立柱的设计强度是足够的，但是有时老顶控制不好，在周期来压的作用下会产生冲击载荷致使立柱在支护过程中内腔的压力大于立柱缸筒的承载能力，当安全阀由于故障没有及时卸荷时就会出现胀缸现象。［1］

2.2.4 中缸、活柱弯曲变形

由于双伸缩立柱各个零件之间有间隙，当有横向力作用时，双伸缩立柱的活柱在受横向力的同时还承受一定的弯曲应力，当双伸缩立柱的压应力和弯应力超出它的许用应力时，双伸缩立柱就会失稳，导致活柱或中缸产生变形。

3 液压支架立柱的可靠性分析

3.1 建立可靠性模型

在分析双伸缩立柱的可靠性时，首先要了解双伸缩立柱中每个元部件的功能、各个元部件之间在功能上的关系，以及各个元部件的功能和故障对整个双伸缩立柱的影响。然后，用方框代表系统元部件，用短线把各个代表元部件的方框按照功能上的逻辑关系连接起来，就建立了整个系统的可靠性框图［2］。

根据可靠性理论，双伸缩立柱各个元部件之间都是串联关系，其中任何一个元件出现故障都可以导致立柱故障。因此，立柱的可靠性模型是由活柱、中缸、外缸、底阀、活塞、大小导向套组成的串联系统。

设U代表双伸缩立柱无故障工作的事件，U i代表第i个元部件无故障工作的事件。因为双伸缩立柱各个元部件之间是串联关系，所以U事件出现等于U1，U2，…，U n事件同时发生，即：

依照概率计算的原则，假如双伸缩立柱中各元部件是相互独立的，得出的双伸缩立柱可靠度表达式为：

设双伸缩立柱的可靠度为RS，则有：

这就是常用的可靠性乘积法则，即串联系统的可靠度等于各单元的可靠度的乘积［3］。

3.2 双伸缩立柱的故障树分析

3.2.1 故障树的建立

双伸缩立柱的控制系统如图2所示。双伸缩立柱是液压支架的主要承载部件，支架的支撑力和支撑高度主要取决于立柱的结构和性能；液控单向阀用来保持支撑顶板所需的足够压力，在需要支撑顶板时液控单向阀处于闭锁状态；安全阀用来控制立柱的压力始终保持在允许范围，安全阀的好坏直接影响到立柱的安全系数；操纵阀用来控制立柱的升降。

图2 双伸缩立柱的控制系统图

根据前面对立柱故障原因的分析，建立立柱不正常工作的故障树，如图3所示。3.2.2 故障树的定性分析

最小割集是导致正规故障树顶事件发生的数目不可再少的底事件的集合，定性分析就是求出双伸缩立柱故障树的全部最小割集。

采用上行法，从故障树最下面的中间事件算起，按照各自的逻辑关系进行计算，从下到上逐次把中间事件和顶事件用基本事件的和表示，最后把顶事件表示成几个乘积项的和：

顶事件为T的条件如下：

式（3）中的每个项代表了故障树的一个最小割集。由式（3）可以看出，共有8个最小割集K i（i＝1，2，3，4，5，6，7，8），分别为K1＝X1，K2＝X2X3，K3＝X4，K4＝X5，K5＝X6，K6＝X7，K7＝X8，K8＝X9。计算双伸缩立柱故障树的最小割集可以了解到各种故障发生的可能性，为双伸缩立柱故障的原因分析、故障维修和技术改进提供了可靠的保障。为了提高双伸缩立柱的可靠性，应该对上述8个最小割集产生的原因做进一步分析，统计其发生的概率。根据故障统计分析，立柱故障大部分是由乳化液污染所致。