鑿巖臺車鉆臂的設計FMEA 應用與強度分析

周 廷

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

在煤礦巖巷掘進及工程隧道掘進中， 鑿巖臺車作為鉆爆法施工的主要設備， 在巖巷掘進中主要起到鉆進炮眼的作用，因對地質條件具有良好適應性，在較長的一段時期內，仍然具有一定的市場空間。鉆臂是鑿巖臺車的主要工作部件，起調節鉆孔位置，并實現精確定位的作用，同時，承受工作過程中的各種載荷。鉆臂的可靠性直接決定的早安鑿巖臺車的開機率， 對工程進度具有至關重要的影響。

本文采用DFMEA 的方法， 對鑿巖臺車鉆臂進行可靠性設計，并對發現的危險點進行分析，以保證鉆臂具有較高的可靠性水平。

故障模式及影響分析FMEA （Fault Modes & Effects Analysis）是一種通過分析產品中所有潛在的故障模式及對產品所造成的可能影響， 并按每一個故障模式的嚴酷度及其發生概率予以分類的一種自下而上進行歸納的分析方法。 按使用階段的不同，可以分為設計FMEA（簡稱DFMEA）和過程FMEA（簡稱PFMEA）。

DFMEA 是負責設計的工程師/小組采用的一種分析技術， 用于保證在可能范圍內已充分考慮到并指明各種潛在的失效模式及其相關的起因/機理， 通過在設計過程中進行DFMEA 工作，可以降低失效風險。DFMEA 開始于一個設計概念形成之時或之前， 在產品開發的各階段中及時修改，完成于最終產品加工圖樣完成之前。

1 鉆臂的結構及工作原理

鉆臂由連接座、俯仰油缸、外伸縮臂、伸縮油缸、內伸縮臂、調節油缸、推進梁安裝座、以及相應的液壓換向閥等部分組成，如圖1 所示。 根據各部件的裝配與連接關系，完成其DFMEA 方塊圖如圖2 所示。

連接座固定安裝于鑿巖臺車車體上，外伸縮臂、俯仰油缸均與連接座通過十字頭連接， 在伸縮臂中安裝有伸縮油缸，控制伸縮臂的伸長長度，內伸縮臂前端與推進梁安裝座通過銷軸鉸接， 在內伸縮臂與推進梁安裝座之間還連接有調節油缸，用于控制推進梁安裝座的角度。 通過俯仰油缸長度變化， 實現對調節油缸伸長長度的自動調節，可以保持連接座與推進梁安裝座為一固定角度，保證鑿巖臺車具有較高的鉆孔定位速度。

圖1 鉆臂Fig.1 Drill boom

圖2 鉆臂DFMEA 方塊圖Fig.2 Block diagram of drill boom DFMEA

2 鉆臂功能分解－矩陣分析

為充分分析鉆臂的各功能要求， 使其功能滿足政府法規、安全性、可靠性、工作性能等要求，同時也要滿足外觀、制造性、裝配性、維修性等要求。對鉆臂及其各部件的功能進行分析，識別各種外在要求及潛在的需求，并對其進行分析整理，結合方塊圖，將功能分解到相關的零部件上，并明確細化功能所對應的關鍵控制點。通過功能分解，使功能定義更具有針對性，有利于對原因進行分析，并制定相應的改進措施。 鉆臂功能－矩陣分析如表1 所示。

表1 鉆臂功能－矩陣分析

3 鉆臂DFMEA 分析

3.1 故障模式與影響分析

故障是產品由于老化、磨損、疲勞等原因，喪失規定功能的一種狀態，對于機械產品而言，組成結構較復雜，產品故障原因受設計、生產、制造、使用、維護等多方面因素的影響，導致故障模式多種多樣，對于煤機產品，因為使用環境惡劣，保養維護條件較差，更加加劇了故障的產生，故障模式更加復雜。鉆臂是由機構結構與液壓系統共同組成的一個較復雜的機構，根據系統設計的可靠程度，再結合實際工程經驗，對連接座、俯仰油缸、外伸縮臂、伸縮油缸、內伸縮臂、調節油缸、推進梁安裝座、液壓換向閥的故障模式分別進行分析，并計算其風險優先數RPN，以表明故障的嚴重程度。 風險優先數RPN 可用下式表示，它反映了故障發生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量，RPN 值越大，該故障的危害性就越大。

RPN=S×O×D

通過表2 可知，在鉆臂中，伸縮臂的風險優先數RPN值最大， 可以反映出伸縮臂的故障對鉆臂的工作可靠性影響風險最大。

表2 鉆臂故障模式分析

3.2 分析結論及改進建議

根據FMEA 分析，可以看出，在鉆臂中，液壓換向閥、液壓油缸等部件，其RPN 相對較低，因其失效最主要是由于井下維護保養不足，造成油液污染導致，通過提高維護保養水平，可較好解決該問題。

而伸縮臂、 連接座、 推進梁安裝座的失效嚴重度較高，這是因為兩者均為主要承載結構件，一旦失效，均會導致系統功能喪失。所以，需要從設計上對伸縮臂等RPN較高的零部件進行進一步的分析，并提出改進措施，提高其設計可靠性。 伸縮臂的最主要失效模式為結構變形或開裂，其原因主要為結構強度不足導致，本文通過對其強度進行進一步的分析，驗證其設計可靠性。

4 外伸縮臂結構強度分析

根據鑿巖臺車工作的特點， 在鉆鑿靠近底板位置的眼位時，鉆臂受力最惡劣。 此時，鉆臂的俯仰油缸需要同時支撐鉆臂系統、推進梁組件、鉆箱等的自重，還需要承受鑿巖的工作載荷。 該工況為外伸縮臂的受力最不利工況，對外伸縮臂進行強度分析，以判斷其結構強度是否滿足設計要求。對外伸縮臂施加約束與載荷如圖3 所示，計算結果見圖4、圖5。

圖3 外伸縮臂約束與載荷Fig.3 Constraints and loads on outer telescopic boom

圖4 外伸縮臂應力云圖Fig.4 Equivalent stress of outer telescopic boom

圖5 外伸縮臂位移云圖Fig.5 Total deformation of outer telescopic boom

由分析可知， 鉆臂滑移底座工作時的最大應力為398.52MPa，位于外伸縮臂上表面耐磨滑塊安裝外，所用材料的屈服應力為550MPa，滿足設計要求。

5 結束語

鉆臂作為鑿巖臺車中的核心功能部件， 其工作可靠性直接影響鑿巖臺車的工作性能，提升其可靠性，對保證鑿巖臺車開機率，提高掘進速度，具有重大意義。對其采用DFMEA 的方法進行可靠性分析，在設計階段識別出潛在故障模式，并進行影響分析，對潛在故障點提出有針對性的改進措施， 可從設計上降低產品故障風險。

根據DFMEA 的故障模式與影響分析結果， 得出伸縮臂失效風險較大， 并結合伸縮臂的受力情況，進行系統結構設計與有限元強度校核，用CAE 分析手段對其結構進行優化， 以降低或者避免失效的影響，提高可靠性。