大吨位液压裂管器液压系统可靠性研究

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Reliability Research on Hydraulic System of Heavy-tonnage Hydraulic PipebursterLV Gang ，YUAN Sicong ，OUYANG Heng(1.Mechanical and Electrical Engineering Colege，Xian University of Architecture and Technology，Xial Shaanxi 7 10055。China；2.No 203 Research Institute of China Ordnance Industries.Xian Shaanxi 7 10065。China)Abstract：The composition and working principle of the hydraulic system of heavy-tonnage hydraulic pipeburster which was usedin underground pipeline were introduced. Failure of hydraulic system was analyzed by using the reliability theory，and logic model wasset up. On the basis of logic model，hydraulic system reliability under different working conditions was calculated.Then the failurereasons of hydraulic system were analyzed.Th e suggestions for increasing reliability were put forward。

Keywords：Hydraulic pipeburster；Hydraulic system；Reliability大吨位液压裂管器是-种用于地下管线非开挖置换的技术装备。非开挖技术是指利用岩土导向技术和定向钻进技术，在地表不开挖和地层结构破坏极小的情况下对各种地下管线进行铺设、修复或更换的-种新技术。该技术具有不影响交通、不破坏环境 、施工周期短、综合成本低、施工安全性好等优点，特别适合于-些无法进行开挖作业的区域，如穿越闹市区、文物保护区、公路、铁路、建筑物、河流等。

目前，随着环保要求的提高和城镇化的发展，液压裂管器的使用率也逐步提高。因此研究液压裂管器液压系统的可靠性，对于提高其使用效率、降低维护成本、延长经济寿命，都具有重大意义。

1 液压裂管器液压系统介绍液压裂管器液压系统原理图如图1所示，分为5个独立的子系统：主伸缩子系统、前夹紧子系统、后夹紧子系统、拧卸子系统和动力头旋转子系统。

液压系统工作时，每-个工作过程都包括两种典型工况--装杆和卸杆。下面分别就这两种典型工况的动作顺序加以说明。

1-油箱 2-进油滤油器 3-内燃机 4-变量柱塞泵 s-齿轮泵6-截止阀 7-回油滤油器 8、It、l2-单向阀 9、l4-先导式溢流阀lO-压力表 l3-先导式减压阀 l5、l6-调速阀 19-节流阀21-液压马达 17、2O、22、23、24～三位四通手动换向阀 25～液压锁18、26、27、28-液压缸图 1 液压裂管器液压系统原理图收稿日期：2012-03-14基金项目：国家十二五科技支撑计划重点项目子项目 (201 1 BAJ02B02-02)；陕西势技攻关项目 (201 1 K10.18)；陕西侍育厅自然专项 (09JK559)作者简介：吕刚 (1976-)，硕士，讲师，研究方向为机电-体化。E-mail：lghba###sohu.com。

· 180· 机床与液压 第 41卷1.1 装杆工况操作工将第-根拉杆放人后夹紧装置中，后夹紧缸 27将拉杆-端的阳螺纹头夹住 ，动力头马达 21正转，动力头上所带阳螺纹与拉杆另-端所带阴螺纹咬合上紧，动力头旋转子系统压力上升，溢流阀9溢流，马达21停止转动。然后后夹紧油缸 27松开，液压缸 18前行至最大行程处停止。前夹紧缸 26夹紧拉杆的阴螺纹头处，动力头马达 21反转，动力头上所带阳螺纹与拉杆阴螺纹脱离。动力头马达 2l停止转动，液压缸 18退后至初始位置。

操作工将第二根拉杆放入后夹紧装置中，并用手使第二根拉杆的阳螺纹与第-根拉杆的阴螺纹旋合上，动力头马达21正转，待螺纹上紧后，动力头马达21停转，前夹紧缸26松开，液压缸 18前行至最大行程处停止，前夹紧缸26夹紧拉杆的阴螺纹头处，动力头马达 21反转，螺纹脱开。液压缸18退后至初始位置。操作工放入第三根拉杆，重复上述动作。

1.2 卸杆工况当第-根拉杆拉 出后 ，前后夹紧缸分别夹紧相临两根拉杆的相临两端头，拧卸缸 28正转，螺纹松开，拧卸缸 28复位 ，后夹紧缸 27松开 ，动力头马达 21反转直到两拉杆之间的螺纹完全松开。然后后夹紧缸 27夹紧，动力头马达 2l反转 ，将第-根拉杆与动力头之间的螺纹连接松开 ，操作工取出第-根拉杆。

液压缸 18前行至最大行程处停止，动力头马达 21正转，动力头上阳螺纹与第二根拉杆 的阴螺纹咬合上紧，动力头马达 2l停止转动 ，前夹 紧缸26松开，液压缸 18退后至初始位置。重复上述动作。

2 液压系统可靠度计算由文献 [3]可知液压系统可靠性定义：在规定条件和规定时间内，液压设备无故障地完成规定功能的概率。而失效率A(t)是指液压设备和液压元件工作到某时刻尚未失效的概率。通过长时间的工程实践和实验证 明：在液压设备的正常运行 时期 ，其失效率A(t)是不随时间而改变的常数。则可靠度R(t)记为 ：R(t)e- 洲 e (1)2.1 液压系统中各元件可靠度的计算首先要确定各液压元件的平均失效率 A。，它们都是通过长期实验得出的数据 ，如表 l所示。

表 1 液压元件在百万小时内的平均失效率其次，要确定液压系统的使用环境，即环境系数， 如表 2所示。

表 2 液压系统环境系数 K环境条件 环境系数实验室设备固定地面设备活动地面设备船载设备飞机设备导弹设备最后，根据正常运行阶段中基于指数分布的液压系统的可靠度预测，即：R(t)exp(-KA。t) (2)就可计算出液压元件的可靠度。

2.2 建立液压系统可靠性的逻辑模型计算液压系统的可靠度不仅需要知道组成其系统的各个液压元件的可靠度，还要知道它们之间的组成形式。

- 般而言 ，液压系统有4种组成形式：串联 系统 ；并联系统；混联系统 ；表决系统。通过分析图 1可知：5个子系统均为串联系统。根据液压裂管器液压系统的功能和各子系统的相互关系，可建立液压系统的可靠性逻辑模型，见图2。

2.3 液压裂管器液压系统可靠度计算在串联液压系统中，组成系统的任何-个液压元件失效都会使整个液压系统失效。串联系统的可靠度为 ：R。(t)R (t)R (t)R (t)：I-IR (t) (3)式中：R (t)为串联系统可靠度；(t)为液压元件可靠度。

将公式 (2)代入公式 (3)，并整理得：n A AlA2A l∑A (4)埘埘枷堋- m 2第 9期 吕刚 等 ：大吨位液压裂管器液压系统可靠性研究 ·181·主伸缩子系统 动力头旋转子系统 拧卸子系统 前夹紧子系统油箱1滤油器2发动机驱动泵4单向阀l1溢流阀9调速阀l5调速阀16四通方向阀17液压缸18油箱1滤油器2发动机驱动泵4单向阀ll溢流阀9减压阀13节流阀19四通方向阀20液压马达21油箱1滤油器2发动机驱动泵5单向阀12溢流阀14四通方向阀24液压缸28油箱1滤油器2发动机驱动泵5单向阀12溢流 阀14四通方向阀22液压锁25液压缸26图2 液压裂管器液压系统逻辑模型即串联系统的失效率 A 为组成系统各液压元件失效 液压裂管器液压系统在不同工况 (工作时间、率A 之和。 工作环境)下的可靠度如表3所示。

假设液压裂管器每连续工作 100 h大修-次，环 表3 不同工况的可靠度'女 压系统正常运行肘各爪子 工作环境 系统的可靠度计算如下。 ～ 工作1o0 b工作200 h工作3oo h工作4o0 h(1)主伸缩子系统(t)exp[-(1.50.3255.78.58.54.60.O08)×10-。×10×100]exp[-36.108×1×10 ]0.965(2)前夹紧子系统R。(t)：exp[-(1.50.3十25十5.74.650.008)×10- ×10×100]exp[-24.108×1×1O。]0.976(3)后夹紧子系统R (t)：exp[-(1.50.3255.74.650.008)x 10 x 10×100]exp[-24.108×1×10 ]0.976(4)拧卸子系统R (t)exp[-(1.50.3255.74.60.008)×10 ×10×100]exp[-19.108×1×10- ]0.98I(5)动力头旋转子系统R (t)exp[-(1.50.3255.72.148.54.64.3)×10- ×10×100]exp[-34.04×1×10 ]0.967由整机功能及液压系统的顺序动作分析，可知这5个子系统看似并联，实际上是-个5-out.of-5的表决系统 ，在工程实际中作为串联系统来计算。则液压裂管器液压系统的可靠度为：R (t)0.965×0.967×0.981×0.976×0.976：0.872上述计算结果表明，液压裂管器液压系统每连续工作 100 h大修-次，则其可靠度为0.872。

由表3可得出结论：液压裂管器工作时间越长，工作环境越恶劣，液压系统的可靠度就越低。

3 可靠性分析由液压裂管器液压系统的组成可看出：主伸缩子系统、前夹紧子系统、后夹紧子系统、拧卸子系统、动力头旋转子系统密切联系，任何-个子系统失效，都会导致整个液压系统的失效，从而导致液压裂管器不能正常工作。

为了提高液压系统的可靠性，降低维护成本，延长经济寿命 ，可以采取以下措施 ：(1)在理论设计阶段，在满足系统功能的前提下 ，减少串联环节 ；(2)选择质量有保证 的液压元件。实践证 明，液压元件的可靠性是影响液压系统可靠性的主要因素；(3)在加工零件时，要努力提高其加工制造精度；(4)装配时要保证-定的装配精度；(5)在控制液压油污染方面采取有力的预防和控制措施；(6)应按要求按时对液压系统进行必要的维护。

4 结束语(1)评价-个液压系统的可靠性，应以-定的(下转第 175页)第9期 许红 等：管道内检测机器人定位技术研究现状与展望 ·175·求非常高。

3 结束语对国内外管道内检测机器人几种主要定位技术与方法的基本原理及优缺点进行了分析 ，为得到更加精确的定位数据，从里程轮技术、传感器与通讯技术、算法融合、知识拓展应用4个方面提出了管道内检测机器人定位技术的发展趋势，为进-步研究不同环境条件下管道内检测机器人的定位问题提供参考和指导。