液压支架可靠性分析

1．前言

目前，我国高产高效矿井一般采用“一井一面”或“一井两面”的生产模式。如果生产系统的可靠性不高，经常发生故障而影响生产，其影响的不只是一个工作面的生产，而是整个矿井的生产问题。液压支架是综采工作面的关键设备之一，液压支架的可靠与否直接影响到整个生产系统可靠性的高低、产量的大小以及整个矿井经济效益的好坏。因而，研究液压支架的可靠性就具有十分重要的意义。

2．支架系统的组成

2.1综采面支架系统的组成

综采面支架系统由全工作面所有的支架组成，每个独立的支架作为系统的一个单元。支架系统具备2大主要功能：一是使成套综采设备不断地推进；二是支护围岩，防止冒顶事故的发生。前一功能要求支架组成串联系统依次推进，无论系统中哪一架支架发生故障，都会影响整个综采面支架系统的正常推进。第二种功能的实现有赖于综采面支架系统中每架支架的正常工作，在这样一个系统中，当所有支架都正常工作时，系统处于正常工作状态。任一支架发生故障，系统就处于故障状态，当故障排除，系统又进入正常工作状态。所以，从综采面支架系统的2大功能来看，综采面支架系统是一个可修复的功能上串联的系统。

2.2单个支架系统的组成

3.支架系统可靠性

支架系统的可靠性也和其它产品一样不仅与组成该系统各单元的可靠性有关，而且也与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。

3.1支架系统可靠性功能逻辑图

在可靠性工程中，往往用系统的结构图和逻辑图来描述系统与各单元之间的关系。其中，系统结构图用来表达系统中各单元之间物理关系；系统可靠性逻辑图则用来表达系统单元间的功能关系。逻辑图中包含一系列方框，每个方框代表系统的一个单元，方框之间用直线联接起来，表示单元功能和系统功能间的关系。我们用字母a表示顶梁单元，字母b表示掩护梁单元，字母c表示前连杆单元，字母d表示后连杆单元，字母e表示底座单元，字母f表示推移杆单元，字母g表示立柱单元，字母h表示推移千斤顶单元。若不考虑销轴的可靠度，则该支架系统的逻辑图如图1（a）所示，是一个串并联系统。该系统的等效串联系统逻辑图如图1（b）所示。

图1 支架系统逻辑图及其简化图

3.2支架系统可靠度预测

设顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、底座、推移杆、立柱及推移千斤顶的可靠度分别为R_a、R_b、R_c1＝R_c2＝R_c、R_d、R_e、R_f、R_g1＝R_g2＝R_g3＝R_g4＝R_g及R_h。

其可靠度计算步骤如下：

（1）求由两个前连杆单元c₁和c₂构成的并联子系统可靠度R _c1c2

由两个前连杆单元c₁和c₂构成的并联子系统可靠度R _c1c2可由下式计算：

由于（1－R_i）（i=1，2，…，n）是小于1的数值，所以由式（1）可见，并联系统的可靠度总是大于系统中任何一个单元的可靠度，且并联单元数越多，则系统的可靠度大。

（2）求由四根立柱组成的表决系统可靠度R_g1g2g3g4

由四根立柱组成的表决系统可靠度R_g1g2g3g4可由下式计算：

虽然由四根立柱组成的表决系统（表决系统的各个组成单元完全相同）也是一种并联系统，但它的可靠度并不总是大于其单元的可靠度。在3/4系统中要使系统的可靠度R_g1g2g3g4大于单元的可靠度R_g须使：

也即

由于 0≤R_g≤1

所以要使

只要

由此可得当0.7676<R_g<1时，

，此时由四根立柱组成的表决系统可靠度R_g1g2g3g4大于其单元的可靠度R_g。因而在3/4表决系统中要想使表决系统的可靠度总是大于其单元的可靠度，须使单元的可靠度大于0.7676，也就是说在由四根立柱组成的表决系统中，只有当单根立柱的可靠度大于0.7676时，由四根立柱组成的表决系统的可靠度才大于单根立柱可靠度。

（3）等效串联系统的可靠度R_s

等效串联系统的可靠度R_s用下式计算：

由上式可知，具有串联系统逻辑图的串联系统，其可靠度与功能关系呈串联的单元的数量及各个单元的可靠度有关。随着单元数量的增加和单元可靠度的减小，串联系统的可靠度将迅速降低。

整个支架系统的可靠性，主要取决于若干个薄弱环节的可靠性。因此要提高整个支架系统的可靠性，往往需要着重提高这些薄弱环节的可靠性。同时，必须按照系统的观点，纵观全局，使提高支架系统可靠性的投入与其经济效益达到最佳组合。

4支架系统可靠性增长

4.1支架系统可靠性设计

产品的可靠性从根本上讲是由设计决定的，设计决定了产品的固有可靠性。在支架设计中，为了提高支架的可靠度，首先应考虑简化结构、减少零件数量，提高单个零、部件的可靠度，以及降额使用等措施；其次可考虑采用冗余设计以并联系统代替串联系统，以求得当系统的某一零、部件发生故障时，与它并联的另一同样零部件可保证系统能正常工作。采用冗余设计是提高系统可靠度最有效的方法。在ZZS5600/14/28四柱支撑掩护式支架设计中，为了简化结构、减少零件数量，采取的措施有：顶梁和掩护梁侧护板采用固定形式，顶梁采用整顶梁，取消了底调千斤顶等等；在ZZS5600/14/28四柱支撑掩护式支架设计中还采用了冗余设计，前连杆并联冗余和立柱表决冗余等两种冗余方式。

4.2支架系统可靠性增长

随着产品设计、研制、生产各阶段工作的逐步进行，产品的可靠性特征量逐步提高的过程称为可靠性增长。在产品的最初设计、研制、试验期间，产品的可靠性会经常得到改善。支架的设计、制造过程充分地体现了这一点。支架的设计、制造过程主要包括调研、图纸设计、制造样机、型式试验、修改图纸、批量生产、工业性实验、修改图纸等环节。对样机进行型式试验目的是为了提高支架的可靠性，若在型式试验过程中发生故障，分析其原因就提供了改善可靠性的信息，并积累了经验，而这些经验的积累会改进同类型支架的设计、制造工艺，提高其可靠性。在支架设计、研制、试验、制造的初始阶段，定期对支架的可靠性进行评估，往往会发现可靠性特征量会逐步提高，可靠性得到了改善。同时可靠性增长的这些预测和 告又为能否按计划达到预计的可靠性水平方面提供了依据，使得能及早发现问题以便及早地改进设计，因而在支架样机型式试验后往往需要修改图纸，按修改后的图纸批量生产，支架的可靠性才得以进一步提高。

5结语

支架系统的可靠性水平主要由设计决定，也就是说其可靠性水平主要取决于其零、部件的结构形式与尺寸、选用的材料及热处理、制造工艺、检验标准、润滑条件、维修的方便性以及各种安全保护措施等。但支架的制造、储运、使用、维护等环节对其可靠性同样有极其重要的影响。.有效的管理方法和高素质人才的合理使用也可有效提高支架系统的可靠性。