基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析.pdf

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2013年I1月机床与液压NOV．2013第41卷第21期MACHINETOOL&HYDRAULICSVo1．41No．21DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．21．047基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析苗明，王真，张乐，宋晓光，王春有，钟耀伟。，陈勇力(1．大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024；2．大连理工大学(徐州I)工程机械研究中心，江苏徐州I221004；3．徐州重型机械有限公司，江苏徐州221004；4．大连市特种设备监督检验所，辽宁大连116021)摘要：动臂塔机液压顶升系统可靠性直接影响整机安全性。根据系统实际结构组成构建故障树，运用蒙特卡洛算法对其液压系统进行可靠性仿真评估，得到可靠度曲线，找出影响系统可靠性的薄弱点，提出改进可靠性的方法，为液压顶升系统进一步优化和维修提供参考，具有一定的工程实际应用价值。关键词：动臂塔机；液压顶升系统；故障树；蒙特卡洛算法；可靠性中图分类号：TH1213．3文献标识码：A文章编号：1001—3881(2013)21—175—5SimulationAnalysisfortheHydraulicLiftingSystemReliabilityofTowerCraneBasedonFaultTreeMIAOMing，WANGZhen，ZHANGLe，SONGXiaoguang，WANGChunyou，ZHONGYaowei，CHENYongli(1．SchoolofMechanicalEngineering，DalianUniversityofTechnology，DalianLiaoning116024，China；2．ConstructionMachineryResearchCenter，DalianUniversityofTechnology(Xuzhou)，XuzhouJiangsu221004，China；3．XuzhouHeavyMachineryCo．，Ltd．，XuzhouJiangsu221004，China；4．DalianCitySpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitute，DalianLiaoning116021，China)Abstract：Thereliabilityofthehydraulicliftingsystemoftowercranedirectlyaffectssafetyofthewholemachine．Faulttreewasbuiltaccordingtotheactualstructureofthesystem，thereliabilitysimulationevaluationaboutthehydraulicliftingsystemwasmadebasedonMonte—Carloalgorithm，reliabilitycurveswereobtained，theweakpointsinfluencingthereliabilitywerefound，theimprovedwaysforthissystemwereconcluded．Itprovidesreferenceforthefurtheroptimizationandmaintenanceofthehydraulicliftingsystemandhascertainengineeringapplicationvalue．Keywords：Towercrane；Hydraulicliftingsystem；Faulttree；Monte—Carloalgorithm；Reliability动臂塔机是一种高危户外特种设备，顶升机构作为五大机构之一，使用过程中会出现诸多故障，严重影响塔机工作的安全性、经济性和可靠性。对动臂塔机液压顶升系统进行可靠性仿真分析，排除使用中可能出现的问题，研究提高其可靠性的途径和措施，避免可能发生的安全事故，对提高作业效率、保障安全施工及延长设备使用寿命，有很大的现实意义和经济价值。因此，如何提高动臂塔机液压顶升系统可靠性是亟待解决的问题。1动臂塔机液压顶升系统分析及故障树建模1．1动臂塔机液压顶升系统分析以16000kN·in动臂塔机为例，其液压顶升系统原理如图1所示。1一柱塞泵2一吸油过滤器3一回油过滤器4一手动切换阀5、6、7一换向阀8、ll一溢流阔9一单向节流阀lO一背压阀12一平衡阀图116000kN·m动臂塔式起重机液压顶升系统原理图收稿日期：2012—11—15作者简介：苗明(1956一)，男，满，硕士，副教授，研究方向为工程机械机构仿真。E—mail：miaom@163．com。 ·176·机床与液压第4l卷液压站由负载敏感带压力补偿的柱塞泵1供油；缩速度；背压阀10产生一定的回油阻力，改善油缸吸油过滤器2确保液压系统油液的清洁度；回油过滤运动的平稳性；平衡阀l2在顶升油缸停止运动时起器3可确保流回油箱的液压油的清洁度；手动切换阀锁止作用，将油缸中的油液锁住。4可实现顶升和冷却油路的切换；换向阀5的3个工1．2动臂塔机液压顸升系统故障树建模作位置分别控制顶升油缸的顶升、停止和缩回；换向用故障树分析法，以“液压顶升系统故障”为阀6、7对两个顶升油缸的顶升和回缩分别进行启闭顶事件，对该液压系统进行建模，如图2所示，T代和速度的调节；溢流阀8、11分别设定有杆腔和无杆表顶事件，M代表中间事件，x代表底事件⋯。故障腔最高工作压力；单向节流阀9用来控制活塞杆的回树中各个符号的含义见表1。图2液压顶升系统故障树表1故障树中各个符号的含义符号事件符号事件T液压顶升系统故障MI顶升速度异常M2工作噪声过大M3顶升动作无力M4活塞杆回缩失效M5油温过高M6顶升速度下降M7油缸爬行M8自动溜缸M9进入主缸油压不足MIO液压缸内部故障M11系统压力低M12液压泵故障M13供油量不足M14换向阀5故障M15手动切换阀故障xl泵吸空X2液压油污染严重x3吸、排管靠得太近X4高压软管爆裂X5液压管路泄漏X6单向节流阀调节螺钉拧得或紧或松X7油箱过小，散热不良x8换向阀6故障X9换向阀7故障XIO溢流阀调压失灵X11背压溢流阀故障X12换向阀5阀内串腔X13液压缸密封不良X14平衡阀故障X15过滤器堵塞X16油温过高，黏度过低X17液压缸内部磨损严重X18泵磨损X19泵泄漏X20换向阀5阀内泄X21油液黏度过高X22手动切换阀阀芯卡死或拉坏X23油箱油液不足X24发动机失效X25单向阀故障建树过程做如下假设：(3)不考虑人为因素和外界干扰的影响。(1)各元器件故障和失效概率相互独立；2动臂塔机液压顶升系统故障树分析(2)各元器件只有正常和故障两种状态；此故障树逻辑门全为或门，所以每个底事件都是 第21期苗明等：基于故障树的动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真分析·177·顶事件的一个最小割集。一般地，液压元件在偶然l厂(t)=AeA>0(3)失效期内，其寿命分布近似服从指数分布。要得到表2液压元件基本失效率的环境系数液压顶升系统可靠度，首先要确定各元件可靠度。首环境条件环境系数先，确定各元件基本失效率A，A是根据标准使用实验室设备1—2条件、实验条件和环境条件得到的；其次，确定各元固定地面设备5～20件的应用失效率A，A是A乘上环境系数得到活动地面设备10～30的，即船载设备15～40A=KA(1)飞机设备25～100液压元件基本失效率的环境系数K见表2，根据导弹设备200～1000动臂塔机实际使用情况，应取15；再次，采用元可靠度函数为件计数法计算每种底事件的失效率A^∞^∞尺()=Jfft)dt=JftAedt=e(4)A，-∑A；(2)其底事件平均寿命等于失效率的倒数，即其中：表示第i种底事件的数量。MTBF：—1—(5)A指数分布是描述失效率为某一常数的故障分元器件及各底事件失效率见表3。布，其密度函数为表3元器件及各底事件失效率3动臂塔机液压顶升系统可靠性仿真3．1仿真参数的选取采用蒙特卡洛方法，在计算机上用MATLAB语系统最大工作时间一的选取，通常采用试算的言编写程序，对该系统进行可靠性仿真。方法，即对仿真时系统可能发生失效的时间进行估 ·178·机床与液压第41卷计，人为预定t⋯进行试运行。统计仿真结果中落在开始此值之前和之后的失效次数，调整t⋯值的大小，直设定可靠性仿真参数f输入系统最大工作到仿真结果中系统失效时间极少落在此值后为止。仿时间t⋯、仿真次数N、底事件分布函数)真次数的选取通常也采用试算的方法，现设置不同的初始化仿真次数i=0仿真参数，输出结果见表4，可看出仿真次数达到10000次时，仿真结果趋于稳定。因此，在满足精度底事件失效时间随机抽样，并按从小要求的前提下，出于时间上的考虑，仿真选取t⋯=到大顺序排列，得到系统失效时间5000h，仿真次数N=10000，由仿真结果可见，没记录系统失效时间落入的区间，有发生系统失效时问超过4870h以上的情况，系统得到导致系统失效的底事件的平均寿命MTBF=549h，可靠性仿真流程图如图3所示I笙塞二姿堕垩堑l表4不同仿真次数下的仿真结果结束图3可靠性仿真流程图3．2可靠性指标各底事件的可靠性指标见表5。表5各底事件的可靠性指标符号基本部件重要度基本部件模式重要度符号基本部件重要度基本部件模式重要度X110．0096X2l0．1073X310．0017X4l0．16)(510．0032X610．0014X710．0112X810．0472X910．0493X1010．0471X1110．0492X1210．O002X1310．0783X1410．0908Xl510．002X1610．0088X1710．0393X1810．0809X1910．0178X2010．0115X2110．0186X2210．0808X2310．O426X2410．0004X2510．0408(1)系统可靠度R(t)缸行程4m，所以每次顶升可以加5节塔身。因此，在16000kN·m动臂塔式起重机的寿命内，顶升机R(t)=1一(6)V构的工作时间为600h；按《GB／T3611-2008}初定其中：r表示在t≤t时间内，系统发生的总失效数；16000kN·m动臂塔机顶升机构的使用等级为Ⅳ为总仿真次数。(时间为400