液壓支架雙伸縮立柱的可靠性分析

張春雨，劉混舉

（太原理工大學 機械工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

綜合機械化采煤是煤礦開采技術現代化的重要標志，綜采的支護設備主要是液壓支架，而立柱是液壓支架的主要承載部件，立柱如果出現故障則會影響到液壓支架對頂板的支護，對井下工作人員的安全造成威脅，嚴重影響煤礦開采的正常進行。本文針對液壓支架雙伸縮立柱的可靠性進行了分析。

1 雙伸縮立柱結構

雙伸縮立柱由外缸、大導向套、活塞、底閥、中缸、活柱等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 雙伸縮立柱結構圖

2 雙伸縮立柱的故障分析

2.1 雙伸縮立柱的故障形式

本文對某煤礦集團公司使用的液壓支架中雙伸縮立柱出現的故障原因進行了分析，表1為立柱的損壞形式及其所占比例。

2.2 雙伸縮立柱故障的原因分析

2.2.1 電鍍面碰傷、劃傷、鍍層脫落

雙伸縮立柱在井下的使用環境非常惡劣，都是在潮濕、灰塵大、淋水多的環境里。立柱表面總有一層弱酸性的水膜，水膜里含有的S2-、SO2-4等強腐蝕性陰離子與電鍍面產生電化學腐蝕反應，造成了電鍍面鍍層脫落。面向采煤機的立柱表面部分會因為煤塊、矸石的撞擊引起劃傷。

表1 立柱的損壞形式及所占的比例

2.2.2 外缸、中缸內壁銹蝕和磨損

雙伸縮立柱在井下使用時，因為潮濕、灰塵大、淋水多，固體雜質、水分、其他油類及空氣很容易進入缸體內部引起乳化液污染，乳化液變質以后就不能保持其原有的特性，黏度和防銹能力性能下降，導致外缸、中缸內壁銹蝕、磨損。

2.2.3 雙伸縮立柱缸體出現局部脹缸造成的損壞

雙伸縮立柱在設計制造時，立柱的設計強度是足夠的，但是有時老頂控制不好，在周期來壓的作用下會產生沖擊載荷致使立柱在支護過程中內腔的壓力大于立柱缸筒的承載能力，當安全閥由于故障沒有及時卸荷時就會出現脹缸現象。［1］

2.2.4 中缸、活柱彎曲變形

由于雙伸縮立柱各個零件之間有間隙，當有橫向力作用時，雙伸縮立柱的活柱在受橫向力的同時還承受一定的彎曲應力，當雙伸縮立柱的壓應力和彎應力超出它的許用應力時，雙伸縮立柱就會失穩，導致活柱或中缸產生變形。

3 液壓支架立柱的可靠性分析

3.1 建立可靠性模型

在分析雙伸縮立柱的可靠性時，首先要了解雙伸縮立柱中每個元部件的功能、各個元部件之間在功能上的關系，以及各個元部件的功能和故障對整個雙伸縮立柱的影響。然后，用方框代表系統元部件，用短線把各個代表元部件的方框按照功能上的邏輯關系連接起來，就建立了整個系統的可靠性框圖［2］。

根據可靠性理論，雙伸縮立柱各個元部件之間都是串聯關系，其中任何一個元件出現故障都可以導致立柱故障。因此，立柱的可靠性模型是由活柱、中缸、外缸、底閥、活塞、大小導向套組成的串聯系統。

設U代表雙伸縮立柱無故障工作的事件，U i代表第i個元部件無故障工作的事件。因為雙伸縮立柱各個元部件之間是串聯關系，所以U事件出現等于U1，U2，…，U n事件同時發生，即：

依照概率計算的原則，假如雙伸縮立柱中各元部件是相互獨立的，得出的雙伸縮立柱可靠度表達式為：

設雙伸縮立柱的可靠度為RS，則有：

這就是常用的可靠性乘積法則，即串聯系統的可靠度等于各單元的可靠度的乘積［3］。

3.2 雙伸縮立柱的故障樹分析

3.2.1 故障樹的建立

雙伸縮立柱的控制系統如圖2所示。雙伸縮立柱是液壓支架的主要承載部件，支架的支撐力和支撐高度主要取決于立柱的結構和性能；液控單向閥用來保持支撐頂板所需的足夠壓力，在需要支撐頂板時液控單向閥處于閉鎖狀態；安全閥用來控制立柱的壓力始終保持在允許范圍，安全閥的好壞直接影響到立柱的安全系數；操縱閥用來控制立柱的升降。

圖2 雙伸縮立柱的控制系統圖

根據前面對立柱故障原因的分析，建立立柱不正常工作的故障樹，如圖3所示。3.2.2 故障樹的定性分析

最小割集是導致正規故障樹頂事件發生的數目不可再少的底事件的集合，定性分析就是求出雙伸縮立柱故障樹的全部最小割集。

采用上行法，從故障樹最下面的中間事件算起，按照各自的邏輯關系進行計算，從下到上逐次把中間事件和頂事件用基本事件的和表示，最后把頂事件表示成幾個乘積項的和：

頂事件為T的條件如下：

式（3）中的每個項代表了故障樹的一個最小割集。由式（3）可以看出，共有8個最小割集K i（i＝1，2，3，4，5，6，7，8），分別為K1＝X1，K2＝X2X3，K3＝X4，K4＝X5，K5＝X6，K6＝X7，K7＝X8，K8＝X9。計算雙伸縮立柱故障樹的最小割集可以了解到各種故障發生的可能性，為雙伸縮立柱故障的原因分析、故障維修和技術改進提供了可靠的保障。為了提高雙伸縮立柱的可靠性，應該對上述8個最小割集產生的原因做進一步分析，統計其發生的概率。根據故障統計分析，立柱故障大部分是由乳化液污染所致。

圖3 立柱不正常工作的故障樹

4 結束語

液壓支架是煤礦井下開采的主要支護設備，立柱是支架的核心部件。本文對某煤礦集團公司使用的液壓支架中雙伸縮立柱出現的故障進行了分析，并運用可靠性理論對雙伸縮立柱進行可靠性分析，找出立柱故障的主要原因是乳化液污染，為立柱故障維修及技術改進提供了依據。

［1］張百先，吳祥貞，張佃龍，等.液壓支架立柱損壞原因分析與預防措施［J］.煤礦機電，2002（4）：21-22.

［2］劉混舉，趙河明，王春燕.機械可靠性設計［M］.北京：國防工業出版社，2009.

［3］劉占群.采煤機的可靠性分析［J］.河北煤炭，2005（5）：11-12.