水下液壓自動抓梁系統(tǒng)可靠性設計及試驗研究

曾 文，楊 芳，范如谷，蔣從軍

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 樂山 614100）

1 概述

水利水電工程廣泛使用的自動抓梁主要分為機械自動抓梁和液壓自動抓梁兩大類。其中，液壓自動抓梁能較好實現(xiàn)水下自動穿銷、退銷和防意外退銷功能，具有方便與閘門接口、可模塊化設計制造、適應大啟閉容量要求等諸多優(yōu)點，因此，液壓自動抓梁在我國的大、中型水利水電工程中得到廣泛的應用。

液壓自動抓梁設計制造和使用面臨著一系列影響可靠工作的關鍵技術問題，如銷軸卡阻、穿退銷不到位、電纜拉斷、電纜和泵站進水等。除此之外，液壓自動抓梁水下作業(yè)也面臨超過100 m深水和適應多泥沙水體等特殊環(huán)境，對可靠性提出了更高的要求。液壓自動抓梁可靠性設計及試驗研究的總體要求，是通過系統(tǒng)的“應用分析-設計改進-驗證試驗”來提高性能與可靠性。

本文針對液壓自動抓梁水下使用的工作條件和應用情況，進行液壓自動抓梁可靠性設計分析和試驗，提出提高可靠性的相關改進建議進行了一些探討。

2 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的可靠性分析

水下液壓自動抓梁系統(tǒng)各元件或子系統(tǒng)可以構(gòu)建成可靠性模型，通過可靠性分析[1]找出系統(tǒng)可靠度最低的環(huán)節(jié)，對最薄弱的環(huán)節(jié)進行改進可以更好提高系統(tǒng)的可靠性。通過FMECA 方法可以找出系統(tǒng)各組成單元所有潛在的故障模式及其對系統(tǒng)功能的影響，然后分析各故障模式發(fā)生的頻率及嚴酷度，用危害性矩陣圖確定各故障的危害性大小，按照危害性進行排序，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進而提出改進措施，提高產(chǎn)品的可靠性。

2.1 FMECA 內(nèi)容與要點

FMECA[2]是英文Failure Modes，Effect and Criticality Analysis 的縮寫，即故障模式、影響與危害性分析。通過分析每種可能存在的故障模式及概率與風險順序度，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在設計中提出有針對性的改進措施，提高系統(tǒng)的可靠性。FMECA 并不是一個非常準確的定量計算的過程，而是一個反復迭代、逐步完善的過程。

FMECA 已經(jīng)成為可靠性工程的重要技術基礎之一，F(xiàn)MECA 主要包括準備工作、系統(tǒng)定義、確定故障模式等多個環(huán)節(jié)。其步驟如圖1所示。

2.2 失效模式、影響及危害度分析

2.2.1 功能分析

水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的功能是啟閉設備吊具升降液壓自動抓梁，抓梁電纜由電纜卷筒帶動升降，電機帶動油泵，并在控制閥的控制下，驅(qū)動并控制穿銷或退銷，最后通過起升機構(gòu)升降完成啟閉閘門作業(yè)。液壓自動抓梁任務是通過穿銷或退銷實現(xiàn)閘門（包括水下閘門）掛脫鉤和啟閉，其功能原理如圖2所示。

圖1 FMECA步驟

圖2 功能原理

2.2.2 嚴酷度類別的定義

結(jié)合水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的特點，對該系統(tǒng)嚴酷度的定義如表1所示。

表1 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)嚴酷度類別

2.2.3 故障模式發(fā)生概率等級

考慮故障的危害性時，估計每個故障模式發(fā)生的概率等級（分為ABCDE 五個等級），定義水下液壓自動抓梁系統(tǒng)故障模式發(fā)生概率等級如表2所示。

表2 故障模式發(fā)生概率的等級劃分

2.2.4 分析并制定FMECA 表

通過對用戶進行走訪和統(tǒng)計產(chǎn)品在工地發(fā)生的問題，在相關專業(yè)技術人員的協(xié)同工作下，對系統(tǒng)的所有潛在故障模式進行分析研究，并提出改進措施建議，在此基礎上制定FMECA 表，液壓自動抓梁系統(tǒng)的FMECA 分析結(jié)果見表3。

3 水下液壓自動抓梁系統(tǒng)可靠性設計

通過液壓自動抓梁系統(tǒng)的FMECA 分析，確定可靠性設計的重點主要有：主電纜插頭、液壓泵站（含接線箱）、穿銷裝置（含傳感器及防泥沙）模塊化、控制及視頻監(jiān)控系統(tǒng)及關鍵重要件的可靠性試驗驗證等。

表3 關鍵故障模式分析表

3.1 可靠性設計原則

（1）在滿足功能要求條件下，減少元件品種和數(shù)量，零部件設計合理選擇材料；

（2）采用冗余、降容及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設計技術，提高電纜、插頭插座及泵站等的密封性能；

（3）采用可靠性高的傳感器和液壓件，進行元器件的篩選，針對性進集成和模塊化設計，提高系統(tǒng)抗污染能力和環(huán)境條件適應能力，提高傳感器和液壓系統(tǒng)的可靠性；

（4）進行人機工程學設計和系統(tǒng)的維修性設計；（5）對重要關鍵部件進行可靠性試驗驗證。

3.2 主電纜插頭可靠性設計

3.2.1 主電纜插頭漏水及斷芯原因分析

主電纜插頭常發(fā)生的漏水和電纜斷芯問題，經(jīng)詳細分析原方案（圖3）具體原因主要有：

（1）插頭與插座之間配合為圓柱面裝配過程中密封可能被剪切損壞；

（2）插座端部密封槽結(jié)構(gòu)導致密封圈可能從槽內(nèi)脫離；

（3）電纜與插頭之間僅通過硫化橡膠密封，但窄小空間硫化橡膠質(zhì)量保證難度大；

（4）電纜芯線與插頭焊點部位因結(jié)構(gòu)和電纜固定措施不全而造成斷芯，也會出現(xiàn)電纜鋼芯固定不規(guī)范造成電纜芯線受載拉斷。

圖3 原主電纜插頭結(jié)構(gòu)

3.2.2 主電纜插頭改進設計

（1）插接密封設計。將端部密封圈從插座改到插頭根部，端部密封圈不容易從槽內(nèi)滑脫。插頭與插座配合面由圓柱面改為圓錐面，錐面角度為度，提高配合適應能力，同時，增加一個密封圈，提高高水頭下插頭密封可靠性（圖4）。

（2）主電纜與插頭密封設計。電纜與插頭之間增加機械密封（兩道），機械密封由調(diào)整墊片、V型（凸形）壓圈和單V（凹形）橡膠密封圈組成，在V型壓圈的作用下，單V（凹形）橡膠密封圈擠壓電纜護套和插頭內(nèi)壁形成密封面，防止水滲入插頭內(nèi)部，確保電纜與插頭之間密封可靠（圖4）。

（3）主接頭防斷芯設計。針對主接頭斷芯問題，主要從三方面解決：一是電纜與插頭之間的機械密封固定了兩者之間的相對關系，防止了固定硫化[3]前拉扯斷線；二是增加分線盤，電纜鋼芯固定在分線盤中間，增加抗拉能力；三是分線盤將芯線分開，芯線長度留有適當裕度，使焊接點不受力，從而防止斷芯。

圖4 改進后主電纜插頭結(jié)構(gòu)

3.3 液壓泵站(含中間接線箱)可靠性設計

3.3.1 液壓泵站可靠性設計原則

（1）優(yōu)化泵站殼體及相關連接密封結(jié)構(gòu)，液壓泵站與中間接線箱[4]同時優(yōu)化提高可靠性；

（2）液壓泵站減少原器件數(shù)量和種類；

（3）增加漏水檢測等傳感器。

3.3.2 液壓泵站（含中間接線箱）改進設計

（1）按泵站殼體密封槽加工工藝特點，將冗余密封槽修改為相同結(jié)構(gòu)，有利于加工質(zhì)量保證。將中間接線箱集成到泵站側(cè)面，減少了中間接線箱故障發(fā)生概率，同時，集成的一體接線箱與主殼體之間設置機械密封，使用時充油，并采用縱向密封電纜，防止一體接線箱的滲漏影響泵站運行，降低故障率。

（2）原抓梁液壓系統(tǒng)，采用電磁換向閥控制油缸“伸出/退回”，為減少元器件種類和規(guī)格，將系統(tǒng)改為全液壓控制，即取消電磁換向閥，通過雙向油泵和單向閥實現(xiàn)油缸“伸出/退回”，同時也減少了主電纜的芯線數(shù)量。

（3）泵站主體內(nèi)側(cè)的集液槽內(nèi)底部，設置有漏水檢測傳感器, 滲入的水比油重,傳感器會及時發(fā)出信號，此處，維護保養(yǎng)時可通過檢查螺堵檢查泄漏狀況。見圖5。

圖5 液壓泵站及原理圖

3.4 穿銷裝置可靠性及模塊化設計

3.4.1 穿銷裝置可靠性設計

液壓穿軸裝置工作時，由于套筒開有槽孔、傳感器與感應擋塊之間有間隙等因素，導致其容易受到雜物、泥沙的影響，出現(xiàn)誤報或損壞失效等故障。

為降低上述問題，研發(fā)了一種能夠?qū)⑿谐虣z測裝置嵌入安裝于液壓穿軸裝置的筒體中的結(jié)構(gòu)，增加水過濾裝置，從而達到減少零件數(shù)量，提高可靠性和外觀簡潔等目的。其設計思路見圖6。

圖6 設計思路

傳感器選型。全行程穿退銷檢測的靜磁柵裝置由靜磁柵和柵源組成，兩者完全分離，柵源安裝于油缸內(nèi)和有桿腔融為一體，此結(jié)構(gòu)可適應復雜環(huán)境。該傳感器防護等級最高達IP69； 可在水下200 mm環(huán)境中正常工作，絕對值輸出，保持不丟失數(shù)據(jù)，見圖7。

圖7 CWY-DS懸浮式行程檢測傳感器

穿/退銷到位檢測傳感器采用電感型接近開關，為避免傳感器與安裝螺孔信號干擾，探測器采用埋入式，見圖8。

圖8 施耐德XS1系列電感型接近開關

3.4.2 穿銷裝置模塊化設計

原設計液壓自動抓梁穿銷裝置缸徑和桿徑規(guī)格過多，也不統(tǒng)一，不利于設計和制造塊化和減少密封件等原器件的規(guī)格，增加了備件準備時間和用戶維護難度。

（1）液壓自動抓梁穿銷裝置規(guī)格統(tǒng)計

根據(jù)歷年約124套液壓自動抓梁數(shù)據(jù)統(tǒng)計，吊軸直徑范圍Φ100～360 mm，共有11種油缸直徑與活塞桿徑的組合，其中缸徑范圍Φ63～160 mm，桿徑范圍Φ45～90 mm，見表4。

表4 油缸直徑與活塞桿徑組合

（2）穿銷裝置模塊化設計

適應吊軸直徑范圍Φ100～360 mm，重新規(guī)劃后，穿銷油缸/活塞桿優(yōu)化為4種組合規(guī)格（缸徑范圍Φ63～130 mm，桿徑Φ45～80 mm范圍）見表5。

表5 穿銷油缸／活塞桿直徑優(yōu)化表

3.5 液壓泵站及穿銷裝置可靠性試驗

3.5.1 無水驗證試驗

無水驗證試驗中，累計完成穿推銷13 000余次，液壓抓梁泵站及穿銷裝置在試驗過程中均未出現(xiàn)問題，可靠性得到驗證。

3.5.2 有水（1.46 MPa）壓力驗證試驗

無水驗證試驗完成，將液壓泵站及穿銷裝置整體放入試驗裝置[5]（圖9），注入水進行有水壓力驗證試驗，累計完成穿推銷17 000次，總浸水時長762 h。其中在1.46 MPa壓力下穿退銷300次，持壓48 h。

試驗結(jié)果顯示，液壓泵站及各接線筒內(nèi)無進水滲水痕跡，接近開關信號穩(wěn)定無異常。液壓抓梁順利通過抓梁泵站試驗可靠性功能性試驗，可靠性得到驗證。

圖9 試驗裝置

4 結(jié)語

本文在對水下液壓自動抓梁系統(tǒng)的可靠性設計中，結(jié)合實際使用和方案利用FMECA 技術方法對其進行可靠性分析，確定了部件可靠性試驗驗證方案并進行了相關試驗，主要研究工作結(jié)論如下：

（1）液壓自動抓梁系統(tǒng)進行可靠性分析研究，在此基礎上提出改進設計方案，建立可靠性任務模型與數(shù)學模型，對系統(tǒng)的可靠性進行詳細分析，驗證系統(tǒng)設計方案符合要求。

（2）液壓自動抓梁系統(tǒng)進行了可靠性分析，找出所有的故障模式，對其發(fā)生的頻度、產(chǎn)生的影響與危害度進行分析，利用危害性矩陣圖找出危害度最高的失效模式，提出具體的改進措施。

（3）針對重要關鍵部件，如主電纜插頭、液壓泵站（含接線箱）、穿銷裝置及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等進行了專項改進設計，并確定了試驗研究方案，通過試驗找出系統(tǒng)進一步改進措施，提高了系統(tǒng)的可靠性，通過試驗驗證了各項指標達到設計要求。

（4）考慮使用可靠性進行可維修性設計，使得系統(tǒng)日常維護更加簡單，發(fā)生故障后能夠更方便的進行檢修，提高了系統(tǒng)的可靠性。