懸臂式掘進機液壓系統的可靠性探討

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中常用的機械設備，它系統構造比較復雜，由機械部件、電氣系統、液壓系統等組成。地下采煤作業時，作業條件惡劣，存在多粉塵、潮濕、高溫等情況，尤其是液壓系統常發生故障，占總故障的3/4，需要提升液壓系統的可靠性，提升工作效率[1]。

1 懸臂式掘進機液壓系統概述

1.1 懸臂式掘進機液壓系統的工作原理

懸臂式掘進機根據可根據質量和工作機構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構成。

圖1 懸臂式掘進機液壓系統的構成

液壓系統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依照掘進機的作業方式可分為兩大部分。第一部分為單泵控制動力結構，對掘進機的行走部、截割部以及鏟板回路、支撐機構進行控制，且不同時作業。第二部分為單泵控制動力結構，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，因此該部分為多負載回路[2]。

1.2 液壓系統功能

從懸臂式掘進機的工作情況來看，截割部在工作時的轉動由電機進行驅動。除此之外其他各部的工作均由液壓系統進行驅動完成作業。因此液壓系統的功能可按照控制構建實現掘進機行走、截割機構移動、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可靠性模型的基本方法

根據懸臂式掘進機液壓系統的構成來看，其屬于復雜工作結構。因此要對其展開可靠性研究，需要對復雜系統進行整理和分割，構造可研究性的系統模型，以便于對可靠性的相關參數進行研究。一般可將液壓系統按照工作控制原理分割為泵站子系統、行走機構子系統、液壓缸子系統以及液壓馬達子系統。在建立可靠性模型時，其一般步驟為確定液壓系統的結構圖→轉換為可系統靠性框圖→確立數學模型→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系統可靠性框圖的確定

根據液壓系統的工作結構圖，將其轉換為可行性的系統可靠性框圖，其中每一個方框代表液壓元件，并采用串并聯線連的方式表達各個元件的系統關系。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可靠性數學模型的確立

圖2 液壓系統可靠性框圖

依據系統的可靠性框圖設立可研究的可靠性數學模型。現假設該掘進機的第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的數學模型。

4.1 泵站子系統的數學模型

根據泵站系統的動力原理，該系統分為泵站ⅠⅡ兩個子系統，并構成串聯模型。因此兩個系統的數學模型相同，可表達為可靠性數學模型：

其中：R1—R4依次代表油箱、過濾器、油泵、溢流閥的可靠度。

4.2 行走機構子系統的數學模型

根據行走系統的結構，它由三位四通換向閥和液壓馬達組成，可構成串聯型數學模型，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 液壓缸子系統的數學模型

液壓缸子系統由三位四通換向閥和液壓缸組成，二者構成串聯結構，故數學模型建立為公式（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 液壓馬達子系統的數學模型

液壓馬達子系統由三位四通換向閥和液壓馬達組成，二者構成串聯結構，故數學模型建立為公式（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 液壓系統可靠度計算

按照系統元件的組成形式，進行可靠度計算。

如果各個系統元件為串聯組成，那么假設系統由n個元件組成，則可以對系統的可靠度建立下列關系式：

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。

若液壓系統的n各元件為并聯組成，那么可靠度關系式則可以表達為：

根據本文所描述的系統可靠性框圖來看，液壓系統屬于串并聯混合結構，因此將子系統的數學模型進行結合進行分析，可確立總的系統可靠性關系式：

根據統計數據表明液壓元件的失效率與時間無關，因此其可靠度與失效率之間呈指數函數模型，可以表達為Ri（ti）=exp（-γiti）。

對已經搜集到的數據進行分析和整理，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模型在日常工作中受器件工況的影響和產生差異，因此為了得到準確的失效率，需要確定修正系數，進而可獲得失效率的估算公式：

其中，修正系數的數值越大則表明液壓系統的工況越惡劣，產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k和工作時間t進行取值，并獲得如表2的失效率的統計結果。

表2 不同修正系數下液壓系統的可靠度統計（部分）

6 液壓系統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。

根據下頁圖3顯示在修正系數不變的條件下，工作時間越長系統的可靠度越低。那么為了研究修正系數的影響，設定修正系數為20，并同樣獲得各子系統可靠性變化曲線，如下頁圖4所示。

根據下頁圖4仿真結果可以發現在各個子系統中泵站子系統的可靠度最大，液壓缸和液壓馬達子系統的可靠度相近。這是由各子系統的實際工作條件決定的。在所有子系統中，泵站子系統始終提供動力技能，屬于長時間工作條件，因此其可靠性最差，需要對其進行優化。馬達子系統、液壓缸子系統和行走機構子系統之間為全臉結構。行走部的自身并聯環節要少于另外兩個子系統。因此行走機構的失效率要更高。

圖3 液壓系統可靠度隨時間變化曲線圖

圖4 各子系統的可靠度變化曲線

7 結語

懸臂式掘進機的液壓系統可靠程度受工況影響，且與各個子系統之間存在邏輯關系。根據發生失效的情況，發現串聯環節下失效率更高，應向并聯方向進行系統優化，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設計[J].液壓與氣動，2015（2）：103-106.