掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性分析

樊 祥

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 呂梁 033102）

引言

掘進(jìn)機(jī)為煤礦掘進(jìn)工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其是集機(jī)械、電氣以及液壓為一體的礦井掘進(jìn)設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)中，礦井掘進(jìn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)行走、截割、裝載以及噴霧降塵等功能，且上述功能均是依靠掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)控制完成。鑒于綜掘工作面粉塵濃度大、相對潮濕、溫度較高等經(jīng)常導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而影響整機(jī)的采掘效率[1]。因此，本文開展關(guān)于掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性分析研究，并針對性提出故障診斷措施，保障掘進(jìn)機(jī)的安全、可靠、高效運(yùn)行。

1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)概述

本文以EBZ300 懸臂式掘進(jìn)機(jī)為研究對象，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 EBZ300 懸臂式掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

目前，掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)經(jīng)歷由定量系統(tǒng)發(fā)展為變量系統(tǒng)，其中定量系統(tǒng)主要基于齒輪泵、減速機(jī)等部件實(shí)現(xiàn)，變量液壓控制系統(tǒng)具有更高的效率，在實(shí)際運(yùn)行中的能耗更低，可靠性更高，可適應(yīng)大負(fù)荷、大負(fù)載的需求。

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作需求，要求其液壓控制系統(tǒng)包括對整機(jī)行走的控制，對截割機(jī)構(gòu)各個(gè)方向移動(dòng)的控制，對鏟板升降的控制，對履帶張緊的控制以及對后支撐機(jī)構(gòu)的控制等[2]。

2 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠度分析

所謂掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性指的是掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠在給定的環(huán)境下完成其所規(guī)定的功能。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性與各個(gè)子液壓系統(tǒng)的可靠性相關(guān)，故根據(jù)液壓子系統(tǒng)的可靠性框圖組成掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的總體框圖，而后基于總體框圖建立可靠性數(shù)學(xué)模型，最終得出掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠度[3]。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)液壓原理圖，設(shè)計(jì)如圖2 所示的液壓系統(tǒng)可靠性框圖。

圖2 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性框圖

如圖2 所示，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)總體可靠性框圖需建立泵站子系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、液壓缸子系統(tǒng)、液壓馬達(dá)子系統(tǒng)等可靠性框圖，并根據(jù)并聯(lián)或者串聯(lián)的方式最終得到液壓系統(tǒng)的總體可靠性框圖[4]。

相關(guān)理論表明，掘進(jìn)機(jī)可靠度與失效率相關(guān)，但是失效率與系統(tǒng)或設(shè)備工作時(shí)長無關(guān)。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠度計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：R（it）為掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠度；λi為掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的失效率；t 為掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的工作時(shí)長。掘進(jìn)機(jī)在設(shè)計(jì)初期，通過各零部件的選型已初步確定其失效率，且各零部件的失效率為一個(gè)范圍值。掘進(jìn)機(jī)各部件的基礎(chǔ)失效率為固定值，但是其實(shí)際失效率與環(huán)境相關(guān)性很大。因此，根據(jù)環(huán)境惡劣程度的不同，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的實(shí)際失效率為基礎(chǔ)失效率與修正系數(shù)的乘積。其中，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作面環(huán)境越惡劣，修正系數(shù)越大。本節(jié)分別對修正系數(shù)為5、10、15、20 下，工作時(shí)長由 200～1 200 h 的可靠度進(jìn)行計(jì)算，得出如表1 所示的結(jié)論。

表1 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)在不同條件（修正系數(shù)、工作時(shí)長）下的可靠度

如表1 所示，隨著掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)工作環(huán)境的惡劣程度加重，在相同工作時(shí)長下掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠度明顯降低；在同一環(huán)境下，隨著工作時(shí)長的增加，掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠度明顯降低。可以得出，影響掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠度最關(guān)鍵的因素為工作環(huán)境的清潔度和工作時(shí)長。

3 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)FMECA 分析

所謂掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)FMECA 分析指的是對其故障模式、影響和危害性分析。基于對掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)FMECA 分析掌握系統(tǒng)的潛在故障模式，分析其可靠性是否滿足要求。對于懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)而言，其中涉及到液壓元器件包括有液壓閥、液壓油缸以及管路等，而且采掘工作面的環(huán)境非常惡劣[5]。因此，開展關(guān)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)FMECA 分析對確定系統(tǒng)的故障模式，并對后續(xù)指定保障措施具有積極意義。

針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)而言，在實(shí)際應(yīng)用中常見的故障模式包括有流量不足、液壓油泄露、系統(tǒng)壓力低以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)慢等問題。本文將基于FMECA 理論對上述故障模式進(jìn)行分析。經(jīng)分析得出如下結(jié)論：

1）對于液壓系統(tǒng)油箱而言，其唯一的故障模式為油量不足，主要由工作人員日常維護(hù)不佳所導(dǎo)致。

2）對于液壓泵而言，風(fēng)險(xiǎn)度最大的故障為泵不出油、泵站壓力大；其次為泵站泄露嚴(yán)重；最后為液壓泵噪聲嚴(yán)重。其中，液壓泵不出油主要由于彈簧故障或者電源反接所導(dǎo)致；液壓泵壓力低主要由于液壓油黏度過大，油路堵塞所導(dǎo)致；液壓泵泄露嚴(yán)重主要由于密封件老化所導(dǎo)致；液壓泵噪聲嚴(yán)重主要是由于回油管高于油箱液面所導(dǎo)致；

3）對于液壓油缸而言，風(fēng)險(xiǎn)度最大的故障為爬行；其次動(dòng)作響應(yīng)緩慢、油缸泄露；最后為液壓油缸只伸出不收回。其中，液壓油缸爬行主要由于缸內(nèi)混入空氣；液壓油缸動(dòng)作響應(yīng)緩慢主要由于液壓油黏度太高且缸內(nèi)混入空氣所導(dǎo)致；液壓油缸泄露主要是由于缸端面連接不緊所導(dǎo)致；液壓油缸只伸出不收回主要是由于缸為差動(dòng)回路不能正常換向所導(dǎo)致。

4）對于液壓馬達(dá)而言，風(fēng)險(xiǎn)度最大的故障為馬達(dá)在低速模式下運(yùn)行的穩(wěn)定性較低；其次為液壓馬達(dá)泄露問題嚴(yán)重；再次為液壓馬達(dá)的輸出扭矩較小不能滿足需求；最后為液壓馬達(dá)的噪聲較大。其中，液壓馬達(dá)在低速模式運(yùn)行穩(wěn)定性低主要由于液壓油被污染所導(dǎo)致；液壓馬達(dá)泄露嚴(yán)重主要是由于液壓油被污染密封件被所損壞導(dǎo)致；液壓馬達(dá)扭矩小主要是由于活塞與油缸的配合不協(xié)調(diào)所導(dǎo)致；液壓馬達(dá)噪聲大主要是由于系統(tǒng)壓力超過其額定壓力值所導(dǎo)致。

基于上述對掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)FMECA 的分析，為提升系統(tǒng)的可靠性，對不同部件可采取如表2 保證措施。

表2 保障掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性的措施

4 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)作為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性和生產(chǎn)效率在一定程度上受制于對應(yīng)液壓系統(tǒng)的可靠性。掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)的可靠性隨著工作時(shí)間的延長而降低；針對掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)常見的故障，主要可通過開展定期檢修，采取避免油液污染等措施，以保證其工作的可靠性。