大噸位液壓裂管器液壓系統可靠性研究

呂剛，原思聰，歐陽恒

(1.西安建筑科技大學機電工程學院，陜西西安710055;2.中國兵器工業第203 研究所，陜西西安710065)

大噸位液壓裂管器是一種用于地下管線非開挖置換的技術裝備。非開挖技術是指利用巖土導向技術和定向鉆進技術，在地表不開挖和地層結構破壞極小的情況下對各種地下管線進行鋪設、修復或更換的一種新技術。該技術具有不影響交通、不破壞環境、施工周期短、綜合成本低、施工安全性好等優點，特別適合于一些無法進行開挖作業的區域，如穿越鬧市區、文物保護區、公路、鐵路、建筑物、河流等。

目前，隨著環保要求的提高和城鎮化的發展，液壓裂管器的使用率也逐步提高。因此研究液壓裂管器液壓系統的可靠性，對于提高其使用效率、降低維護成本、延長經濟壽命，都具有重大意義。

1 液壓裂管器液壓系統介紹

液壓裂管器液壓系統原理圖如圖1所示，分為5個獨立的子系統:主伸縮子系統、前夾緊子系統、后夾緊子系統、擰卸子系統和動力頭旋轉子系統。

液壓系統工作時，每一個工作過程都包括兩種典型工況——裝桿和卸桿。下面分別就這兩種典型工況的動作順序加以說明。

圖1 液壓裂管器液壓系統原理圖

1.1 裝桿工況

操作工將第一根拉桿放入后夾緊裝置中，后夾緊缸27 將拉桿一端的陽螺紋頭夾住，動力頭馬達21 正轉，動力頭上所帶陽螺紋與拉桿另一端所帶陰螺紋咬合上緊，動力頭旋轉子系統壓力上升，溢流閥9 溢流，馬達21 停止轉動。然后后夾緊油缸27 松開，液壓缸18 前行至最大行程處停止。前夾緊缸26 夾緊拉桿的陰螺紋頭處，動力頭馬達21 反轉，動力頭上所帶陽螺紋與拉桿陰螺紋脫離。動力頭馬達21 停止轉動，液壓缸18 退后至初始位置。

操作工將第二根拉桿放入后夾緊裝置中，并用手使第二根拉桿的陽螺紋與第一根拉桿的陰螺紋旋合上，動力頭馬達21 正轉，待螺紋上緊后，動力頭馬達21 停轉，前夾緊缸26 松開，液壓缸18 前行至最大行程處停止，前夾緊缸26 夾緊拉桿的陰螺紋頭處，動力頭馬達21 反轉，螺紋脫開。液壓缸18 退后至初始位置。操作工放入第三根拉桿，重復上述動作。

1.2 卸桿工況

當第一根拉桿拉出后，前后夾緊缸分別夾緊相臨兩根拉桿的相臨兩端頭，擰卸缸28 正轉，螺紋松開，擰卸缸28 復位，后夾緊缸27 松開，動力頭馬達21 反轉直到兩拉桿之間的螺紋完全松開。然后后夾緊缸27 夾緊，動力頭馬達21 反轉，將第一根拉桿與動力頭之間的螺紋連接松開，操作工取出第一根拉桿。

液壓缸18 前行至最大行程處停止，動力頭馬達21 正轉，動力頭上陽螺紋與第二根拉桿的陰螺紋咬合上緊，動力頭馬達21 停止轉動，前夾緊缸26 松開，液壓缸18 退后至初始位置。重復上述動作。

2 液壓系統可靠度計算

由文獻［3］可知液壓系統可靠性定義:在規定條件和規定時間內，液壓設備無故障地完成規定功能的概率。而失效率λ(t)是指液壓設備和液壓元件工作到某時刻尚未失效的概率。通過長時間的工程實踐和實驗證明:在液壓設備的正常運行時期，其失效率λ(t)是不隨時間而改變的常數。則可靠度R(t)記為:

2.1 液壓系統中各元件可靠度的計算

首先要確定各液壓元件的平均失效率λ0，它們都是通過長期實驗得出的數據，如表1所示。

表1 液壓元件在百萬小時內的平均失效率

其次，要確定液壓系統的使用環境，即環境系數K，如表2所示。

表2 液壓系統環境系數K

最后，根據正常運行階段中基于指數分布的液壓系統的可靠度預測，即:

就可計算出液壓元件的可靠度。

2.2 建立液壓系統可靠性的邏輯模型

計算液壓系統的可靠度不僅需要知道組成其系統的各個液壓元件的可靠度，還要知道它們之間的組成形式。

一般而言，液壓系統有4 種組成形式:串聯系統;并聯系統;混聯系統;表決系統。通過分析圖1可知:5 個子系統均為串聯系統。根據液壓裂管器液壓系統的功能和各子系統的相互關系，可建立液壓系統的可靠性邏輯模型，見圖2。

2.3 液壓裂管器液壓系統可靠度計算

在串聯液壓系統中，組成系統的任何一個液壓元件失效都會使整個液壓系統失效。串聯系統的可靠度為:

式中:Rs(t)為串聯系統可靠度;

Ri(t)為液壓元件可靠度。

圖2 液壓裂管器液壓系統邏輯模型

將公式(2)代入公式(3)，并整理得:即串聯系統的失效率λs為組成系統各液壓元件失效率λi之和。

假設液壓裂管器每連續工作100 h 大修一次，環境系數設為K=10，則液壓系統正常運行時，各個子系統的可靠度計算如下。

(1)主伸縮子系統

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +8.5 +8.5+4.6 +0.008)×10－6×10 ×100］=exp［－36.108 ×1×10－3］=0.965

(2)前夾緊子系統

Rs(t)=exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +5+0.008)×10－6×10 ×100］= exp［－ 24.108 × 1 ×10－3］=0.976

(3)后夾緊子系統

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +5 +0.008)×10－6×10 ×100］= exp［－24.108 ×1 ×10－3］=0.976

(4)擰卸子系統

Rs(t)= exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +4.6 +0.008)×10－6×10×100］=exp［－19.108 ×1 ×10－3］=0.981

(5)動力頭旋轉子系統

Rs(t)=exp［－(1.5 +0.3 +2 +5 +5.7 +2.14 +8.5 +4.6 +4.3)×10－6×10 ×100］=exp［－34.04 ×1 ×10－3］=0.967

由整機功能及液壓系統的順序動作分析，可知這5 個子系統看似并聯，實際上是一個5-out-of-5 的表決系統，在工程實際中作為串聯系統來計算。則液壓裂管器液壓系統的可靠度為:

Rs(t)=0.965 ×0.967 ×0.981 ×0.976 ×0.976 =0.872

上述計算結果表明，液壓裂管器液壓系統每連續工作100 h 大修一次，則其可靠度為0.872。

液壓裂管器液壓系統在不同工況(工作時間、工作環境)下的可靠度如表3所示。

表3 不同工況的可靠度

由表3 可得出結論:液壓裂管器工作時間越長，工作環境越惡劣，液壓系統的可靠度就越低。

3 可靠性分析

由液壓裂管器液壓系統的組成可看出:主伸縮子系統、前夾緊子系統、后夾緊子系統、擰卸子系統、動力頭旋轉子系統密切聯系，任何一個子系統失效，都會導致整個液壓系統的失效，從而導致液壓裂管器不能正常工作。

為了提高液壓系統的可靠性，降低維護成本，延長經濟壽命，可以采取以下措施:

(1)在理論設計階段，在滿足系統功能的前提下，減少串聯環節;

(2)選擇質量有保證的液壓元件。實踐證明，液壓元件的可靠性是影響液壓系統可靠性的主要因素;

(3)在加工零件時，要努力提高其加工制造精度;

(4)裝配時要保證一定的裝配精度;

(5)在控制液壓油污染方面采取有力的預防和控制措施;

(6)應按要求按時對液壓系統進行必要的維護。

4 結束語

(1)評價一個液壓系統的可靠性，應以一定的條件(工作環境、工作時間、工作強度)為前提，否則是沒有實際意義的。一般而言，工程機械的可靠度應為0.6 ～1。

(2)液壓系統可靠性的提高，應從理論設計、零件加工、產品裝配、設備使用和維護等各個階段來綜合考慮。

【1】成大先.機械設計手冊:第五卷［M］.5 版.北京:化學工業出版社，2008.

【2】湛從昌.液壓可靠性與故障診斷［M］.2 版.北京:冶金工業出版社，2009.

【3】許耀銘.液壓可靠性工程基礎［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1991.

【4】原思聰，裴喜永，劉波，等.基于ADAMS 的80T 液壓裂管器液壓系統建模與仿真分析［J］.機械設計與制造，2011(1):186－188.

【5】呂剛，谷立臣.泵式混凝土濕噴機液壓系統可靠性分析與計算［J］.建筑機械，2003(11):73－76.

【6】張錦華，原思聰，林艷.液壓換管機液壓系統可靠性設計與動態仿真研究［J］.機床與液壓，2011，39(7):56－57.