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1、硕士学位论文基础振动下硬岩掘进机推进液压缸的可靠性研究Research on the Reliability of Thrust Hydraulic Cylinder of Hard Rock Tunnel Boring Machine under Conditions of Foundation Vibration 学科专业 机械工程 研究方向 流体机械 作者姓名 姜东身 指导教师 杨忠炯教授中南大学二零一五年五月中图分类号 TH137.51 学校代码 10533 UDC 621 学位类别 学术学位 硕士学位论文基础振动下硬岩掘进机推进液压缸的可靠性研究Research on the Rel
2、iability of Thrust Hydraulic Cylinder of Hard Rock Tunnel Boring Machine under Conditions of Foundation Vibration 作者姓名：姜东身学科专业：机械工程研究方向：流体机械学院（系、所）：机电工程学院指导教师：杨忠炯教授副指导教师： 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学二零一五年五月学位论文原创性声明本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含
3、为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。保密论文待解密后适应本声明。作者签名： 导师签名 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日II基
4、础振动下硬岩掘进机推进液压缸的可靠性研究摘要：岩石隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）是由机、电、液、气、光等系统集成的装备，采用流水线的方式进行掘进作业。在掘进过程中承受着大负载、强基础振动等恶劣的作业条件。液压缸在推进液压系统中主要起到执行的作用，在掘进机的正常作业中具有为刀盘提供掘进动力的重要作用，而这些不良因素会对推进液压缸的可靠工作产生影响。因此需要研究在该条件下的液压缸可靠性问题，并分析对液压缸可靠工作产生影响的主要因素，为TBM推进液压缸的可靠设计和使用提供参考。论文在以下方面开展了主要研究：1、在对液压缸的故障模式及机理进行分析的基础上，采用故障
5、树分析法建立了液压缸的可靠度模型。然后分析了应力强度干涉等理论在液压缸各子单元可靠度计算中的应用。2、针对液压缸的等效弹簧效应，采用受迫振动理论建立了推进液压缸的振动模型。对基础振动条件下无杆腔的压力变化特性进行了仿真研究，研究结果表明：无杆腔压力波动幅值会随着基础振动幅值、频率的增大而增大，改变缸筒内径对无杆腔压力波动幅值的影响较小，增大液压缸的当量初位移有助于降低无杆腔的压力波动幅值。3、采用ANSYS分析了无杆腔压力变化对液压缸缸筒及活塞杆所受应力的影响，研究了应力变化等因素对液压缸子单元可靠度的影响，进而建立了基础振动条件和液压缸可靠度之间的关系。研究结果表明：液压缸的可靠度会随着基础
6、振动幅值、频率的增大而降低，增大液压缸的当量初位移、降低缸筒内径、降低系统压力、选用强度更高的材料制造缸筒会提高液压缸的可靠度。4、根据液压缸的振动数学模型建立了液压实验平台，在实验中采集了液压缸缸筒及活塞杆的应力数据，并与仿真数据进行了对比分析，结果表明了推进液压缸可靠度模型的正确性。图56幅，表9个，参考文献67篇。关键词：岩石隧道掘进机；推进液压缸；基础振动；压力变化；可靠性分类号：TH137.51IIResearch on the Reliability of Thrust Hydraulic Cylinder of Hard Rock Tunnel Boring Machine un
7、der Conditions of Foundation VibrationAbstract: Rock tunnel boring machine is a kind of tunnel construction equipment, which consists of mechanical system, electrical system, hydraulic system, gas system and optical system，it uses pipelined mode during the process of excavation. It is facing large l
8、oad, strong foundation vibration and other adverse operating conditions during the process of excavation. The hydraulic cylinder is the main actuator of thrust hydraulic system, which plays an important role of providing driving force for the cutter head in the normal operation of the rock tunnel bo
9、ring machine, these adverse factors will influence the reliability of thrust hydraulic cylinder. So it is necessary to study the reliability of hydraulic cylinder under the conditions as mentioned above, to analyze the main factors affecting the reliability of the hydraulic cylinder, and provide the
10、oretical basis of reliability design and use of hydraulic cylinder for thrust hydraulic cylinder of TBM. The main research contents of this thesis are mentioned as follow:1. On the basis of analyzing the failure mode and mechanism of the hydraulic cylinder, the reliability model of hydraulic cylinde
11、r is been established by using fault tree analysis method. Author then analyzed the application of stress strength interference theory in the calculation of each sub unit reliability.2. According to the equivalent spring effect of hydraulic cylinder, the forced vibration model of hydraulic cylinder
12、is been established according to forced vibration theory. The pressure fluctuation characteristics of non rod cavity under conditions of foundation vibration is been researched by using simulation method, the results show that: pressure fluctuation amplitude of non rod cavity will increase with the
13、increase of foundation vibration amplitude or frequency, changing the inner diameter of hydraulic cylinder tube have little effect on the pressure fluctuation amplitude of non rod cavity, increase the equivalent intial displacement of hydraulic cylinder will help to reduce the pressure fluctuation a
14、mplitude of non rod cavity.3. The influence of pressure fluctuation of non rod cavity on the stress change of hydraulic cylinder tube and piston rod is been analyzed by using ANSYS, the influence of stress change and other factors on the reliability of hydraulic cylinder sub unit is also been resear
15、ched, and then the author build the relationship between foundation vibration conditions and reliability of hydraulic cylinder. The results show that: the reliability of the hydraulic cylinder will decrease with the increase of foundation vibration amplitude or frequency, increase the equivalent ini
16、tial displacement of hydraulic cylinder, decrease the inner diameter of hydraulic cylinder tube, decrease pressure of hydraulic system, use materials with higher strength to make hydraulic cylinder tube will help to increase the reliability of hydraulic cylinder.4. The hydraulic experimental platfor
17、m is been established according to the vibration mathematical model of hydraulic cylinder, the stress data of hydraulic cylinder tube and piston rod is been collected during the experiment, and it is compared with the simulation data. The results show that the reliability model of hydraulic cylinder
18、s is effective. Keywords: Tunnel boring machine; Thrust hydraulic cylinder; Foundation vibration; Pressure fluctuation; ReliabilityClassification: TH137.51IV目 录学位论文原创性声明I摘要IIAbstractIII1 绪论11.1 课题来源11.2 研究背景11.3 液压缸可靠性的国内外研究31.3.1 液压缸可靠性的国内研究现状及趋势31.3.2 液压缸可靠性的国外研究现状及趋势51.4 研究的主要内容及意义62 液压缸可靠性理论基础82
19、.1 液压缸可靠性主要度量指标82.1.1 可靠度及不可靠度指标82.1.2 故障率指标92.1.3 度量指标的特征102.2 液压缸的可靠性模型及液压缸结构102.2.1 串联模型112.2.2 推进液压缸的结构122.3 液压缸故障树建立132.3.1 故障树理论132.3.2 液压缸故障树建立152.4 应力-强度干涉理论及其应用172.4.1 应力强度干涉理论172.4.2 液压缸缸壁疲劳强度可靠度192.5 环境及使用因素对液压缸可靠性的影响212.6 液压缸可靠性预测流程222.7 小结233 基础振动下液压缸无杆腔的压力变化特性243.1 引言243.2 推进液压缸的工况及固有特
20、性243.3 基础振动下无杆腔的压力变化特性263.3.1 基础振动频率的影响293.3.2 基础振动幅值的影响303.4 液压缸结构参数对无杆腔压力的影响303.4.1 缸筒内径不同时的影响313.4.2 液压缸当量初位移不同时的影响323.5 小结344 基础振动下推进液压缸的可靠性研究354.1 推进液压系统的原理及工况分析354.1.1 推进液压系统原理354.1.2 推进液压系统工况分析364.2 基础振动下液压缸可靠度的计算374.2.1 基础振动下缸壁的疲劳强度可靠度374.2.2 基础振动下活塞杆的疲劳强度可靠度384.2.3 基础振动下活塞杆的稳定可靠度394.2.4 基础振
21、动下密封的可靠度394.2.5 基础振动下液压系统的可靠度404.2.6 基础振动下液压缸可靠度计算流程414.3 基础振动下液压缸可靠度计算424.3.1 基础振动对液压缸可靠度的影响424.3.2 液压缸结构参数对其可靠度的影响444.3.3 降低系统压力对液压缸可靠度的影响494.3.4 采用强度更高材料的影响504.3.5 使用期内液压缸的可靠度514.4 小结525 液压缸应力变化实验535.1 实验目的535.2 实验方案设计535.2.1 实验原理535.2.2 实验系统545.2.3 实验参数575.3 实验与仿真结果的对比分析575.3.1 实验结果分析575.3.2 实验误
22、差分析585.4 小结596 总结与展望606.1 论文总结606.2 工作展望60参考文献62攻读学位期间主要的研究成果66致谢67硕士学位论文 1 绪论 1 绪论1.1 课题来源本课题来源于国家重点基础研究发展计划（973项目）“硬岩掘进装备的关键基础问题”，属于课题4“掘进电液系统动力高效传递”（课题编号2013CB035404）中的子课题：强冲击载荷下掘进液压系统的动力学行为。1.2 研究背景全断面岩石隧道掘进机（通常称为TBM），是机、电、液、气、光等系统集成的装备，具有工厂化流水线隧道施工功能，将掘进、换步、支护以及出渣等施工步骤整合成为并行连续作业的方式，具有掘进速度快、环保、对
23、地面结构影响小、劳动强度低、综合效益高等传统方法所不具备的优点，其外形如图1-1所示。图1-1 全断面岩石隧道掘进机（TBM）随着我国不断进行大规模的基础设施建设项目，需要开挖大量的长大深隧道以满足公路、铁路、城市地铁、过江和海底隧道、水利水电等项目建设需要。根据国家发展规划，预计再过5年，我国的铁路营运里程就会实现12万千米的目标，城市轨道交通的总体规模将会超过4000千米，高速公路建设的总体规模约8.5万千米，在水利水电及引水隧道建设方面达到1000千米。对于以上项目建设中所需的隧道开挖工作，TBM法已经成为重要的施工手段。TBM已有六十余年的发展历史，成功采用该方法施工的国内外重大工程有
24、：英吉利海峡隧道（长49.2千米，直径7.6米）、东京湾跨海公路隧道（长9.6千米，直径14米）、辽宁省大伙房水库输水工程隧道（长85.3千米，直径8米）、西康铁路秦岭隧道（长18.5千米，直径8.8米）。虽然采用TBM法施工具有很多优点且已经成功应用于很多重大工程项目中，但是相关技术远未成熟。鉴于我国基础设施建设等领域急需TBM等关键设备，但是在关键技术方面的研制能力薄弱，很多项目建设尚需引进国外所产的整机或关键部件，迫切需要形成核心自主知识产权并带动相关产业发展。液压传动采用特定流体作为工作介质，用以实现传递能量和进行有关控制的目标，具有以下诸多优点：体积小、单位功率质量小、易于实现无极调
25、速等。TBM中的大多数运动都采用液压系统驱动。TBM液压传动的作用原理是：电动机带动液压泵，液压泵为液压油提供压力，高压油通过管路进行传递，然后通过各种电气元件及阀的控制，从而实现液压缸的直线往复运动或液压马达的回转运动。TBM通常使用在硬岩地质工况。它在掘进中承受着温度高、压力高、地质应力高的恶劣作业条件，而且具有很强的不确定性。在掘进作业过程中，前方的刀盘在破岩时所产生的强冲击问题十分突出，这种冲击传导到后方会导致后部设备受到不良的位移及力的影响，从而对TBM液压系统的可靠运转产生不良影响1。由文献2可得刀盘在轴向和径向的振动状况，分别如图1-2、1-3所示。图1-2 TBM刀盘轴向振动时
26、域波形图1-3 TBM刀盘径向振动时域波形可见，TBM在作业过程中所受到的振动是很显著的。在基础强振动条件下，需要对液压系统相应的响应特性进行研究，即研究该条件对液压系统的压力脉动、流量脉动、温升上限、泄漏特性、管路振动及元部件损伤等方面的影响规律，为液压系统及其元件的减振、可靠性设计、计算、预测等方面给出理论参考。由于本文主要研究基础振动条件下的推进液压缸的可靠性，因此本文在后续的分析中主要针对与液压缸有关的工作参数进行分析。1.3 液压缸可靠性的国内外研究可靠性是指产品在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的能力3。可靠性已经发展成为衡量产品质量的重要标准之一，在衡量某国工业发展水平的过
27、程中，产品的可靠性也是重要的指标，因而受到高度重视。液压系统在现代设备中发挥着重要作用，如果液压系统发生故障，将会导致设备无法正常作业的后果，尤其是在面临恶劣作业环境的情况下，更有必要研究液压元件或系统的可靠性。根据相关统计，液压系统故障占据了工程机械整机故障的6070%4。在液压系统中，液压缸是最重要的执行元件之一，推进液压缸位于TBM掘进作业的前端，不仅承载着传递巨大推力的功能，而且承受剧烈的基础振动。因此有必要对液压缸在掘进作业过程中的可靠性进行研究，对影响其可靠工作的主要因素展开分析。1.3.1 液压缸可靠性的国内研究现状及趋势石兰芳5首先对起重机液压缸的基础理论进行介绍，然后建立了可
28、靠性评价指标，主要涉及设计、制造和使用等三方面。作者对起重机液压缸建立了模糊可靠性评价模型，并根据该模型对各可靠性评价指标的权重及液压缸的可靠性进行了分析。孙天6对某模锻水压机的工作缸的可靠性进行了研究。作者选取了以下几种参数进行详细分析：材料的强度极限、杨氏模量及其所受的载荷。采用非概率凸模型理论计算出了液压缸的可靠度。研究结果表明，该方法的实际应用效果比概率模型求解法更优良。邓英剑7应用MARC软件对300MN液压机的主工作缸进行了静力学分析，并应用应力强度干涉理论计算了液压缸的结构可靠度，然后用故障树分析法对其失效模式进行分析并建立可靠性框图，最后计算并分析了主缸的可靠度。在研究了主缸的
29、模糊可靠性之后发现，采用传统安全系数法得出的结果是偏于保守的。靳洪斌8通过对某企业的液压缸现场数据进行收集和分析，采用JMP软件对该企业液压缸的寿命分布进行了拟合，得到了故障液压缸的故障率和可靠度函数。分析结果表明，该企业在生产液压缸的过程中存在焊接工艺不良等薄弱环节，在优化焊接工艺后，取得了较好的应用效果。吴洋子9对轧机AGC液压缸的静态特性和动态特性进行了测试，通过对维修记录数据的统计，分析了液压缸的可靠性。在此基础上，对液压缸的密封圈进行了力学分析，加深了对密封圈的磨损等失效形式的认识。作者还对加工过程提出了合理建议，以使液压缸在使用中具有更高的可靠性。张鸿鹄10研究了摆动液压缸的强度问
30、题。将建立好的三维模型导入到有限元分析软件ANSYS中，对接触区域的应力和变形进行了分析。对摆动液压缸的故障模式进行了预测，研究结果有助于优化结构设计。龚相超11研究了液压缸在静力稳定性方面的可靠度。针对传统安全系数法在计算液压缸稳定性方面的不足，作者采用了模糊可靠性的方法。根据实验数据建立了隶属度函数，结果表明计算出的稳定性可靠度是有效的。刘忠伟12采用故障树法和应力强度干涉理论分析了模锻水压机主缸的可靠性。在总结其失效模式的基础上构造了可靠性框图，然后运用MARC分析其应力分布，最后计算得主缸的可靠度。研究表明主缸可靠度较高，而且与液压系统工作状态的关联性很强。李为13根据振动液压系统的工
31、作环境及工作特性，对液压缸进行了防尘、防磨损研究，采用有限元软件分析了液压缸的关键结构。作者总结了液压缸的多种失效形式，在分析原因之后提出了改进措施。李恒军14对装载机动臂液压缸的活塞杆强度和稳定性方面的可靠度进行了分析。文章研究认为，动臂液压缸在多种工况下作业，其中在偏载工况下的条件尤为恶劣。为了使动臂液压缸可靠工作，应避免载荷应力超过极限应力。生敏15针对液压缸重要质量问题之一的内泄漏展开了研究，从密封结构及理论计算的角度，分析了弹性变形、温度和气体、液压冲击等因素对内泄漏的影响。研究认为通过采取降低密封间隙、提高缸筒壁厚、多布置排气孔并设置缓冲装置等措施，可以降低液压缸的内泄漏。殷勇华1
32、6在分析水工领域应用的液压缸之后，认为其具有行程大、所受载荷大、需要高可靠性等特点。通过将液压缸简化为变截面杆，结合Matlab软件得出了临界载荷的计算方法，该方法具有简便快捷的特点。左林17通过采集在维修振动液压缸时获得的数据，分析了液压缸的多种故障模式及其产生原因。在提高液压缸可靠性方面，作者提出了以下措施：改善缸筒等元件在加工和装配方面的工艺，优化表面处理的质量，在活塞杆和导向套之间使用间隙密封的方式。周黎明18研究认为内外泄漏会导致系统压力波动、下降，进而导致推力不足，最终造成液压缸在作业时出现故障。密封件及装配质量、管接头外漏等因素是主要原因，从这些方面进行改进可以提高液压缸的运行可
33、靠性。李杰峰19主要从改善密封性能、减小液压冲击、降低爬行状态等方面论述了对液压缸可靠运行的有益措施。作者需要采取正确选用密封件、改善活塞杆及其导向套之间的同轴度、提高元件加工质量、合理布置缓冲装置等措施。以上内容表明，在液压缸可靠性的研究方面，国内主要侧重于采用仿真分析的方法研究多种参数对液压缸在强度、密封性、稳定性、泄漏等方面可靠性的影响，其次主要是采用统计方法对液压缸在使用中的故障信息进行统计分析。1.3.2 液压缸可靠性的国外研究现状及趋势Kim,Young Bum20研究认为挖掘机液压缸易于发生结构性问题，这主要是由于循环压力脉动会引起液压缸的屈曲和疲劳破坏。作者认为在设计阶段就应该
34、评估在寿命期间的疲劳、屈服和屈曲等问题。在基本设计阶段，需要考虑工作载荷、速度和行程等方面的影响。在详细设计中需要考虑杆的缺口、管段和焊缝等因素。Majdic, F.21对移动液压装备的液压缸的持续使用性能进行了研究。测试表明需要采用聚四氟乙烯使缸筒内表面变的光滑，也使活塞杆和缸筒的间隙降低。高压测试表明，应该注意活塞杆的缺口效应所造成的影响。Zhang Weiwei22认为半球形液压缸在液压机中具有连接梁的重要作用，通过与圆柱形液压缸的对比，发现前者由于在结构和应力状态方面的重大改变，能够承受两倍于后者的液压力。通过强度计算结果发现，在同等液压力、内径、许用应力条件下，前者的厚度可以远小于后
35、者。Kovari, A.23分析了现代板带轧制生产线中的液压系统，针对其中使用的液压缸在生产及维修中出现的问题，运用参数估计法提出了该系统中液压缸的维修预测模型。Yi-Xiang Zhao24采用模糊算法对硫化机液压缸系统的可重复性进行了分析。研究认为可重复液压缸系统对于该机器的精确控制很重要。采用模糊算法开发了具有不确定参数的液压缸系统，通过考虑不稳定的液压油状态、泄漏、载荷变化等因素，该模型可用于描述位置精度。El Shikha, M.A.25研究认为液压缸用于频繁的机械运动的能量转换，但是流体泄漏会导致液压缸故障。这主要包括从活塞密封处产生的内泄漏和从杆密封处产生的外泄漏。研究表明对缸内
36、表面进行电镀处理能够得到最好的性能。Valds, J. R.26对液压缸密封的抗污染测试进行了动态仿真，作者认为流体污染会导致压力在建立过程中发生故障。这是由于污染物质通过了密封圈，进而导致了泄漏。针对不同的压力水平，作者采用流体仿真的方法预测了通过密封圈的泄漏。Hongbin Tang27认为虽然检测压力信号是对液压缸进行故障分析的重要方法，但是压力信号易于被压力波动和其他噪声干扰。因此作者采用了小波能量法对液压缸内泄漏的故障进行诊断。将小波分解后不同频率段的能量构成特征向量，再导入到神经网络进行诊断，实验表明了轻微、严重泄漏等故障被正确识别。Hong, I.T.28针对液压缸易被流体中的杂
37、质损伤、液压缸磨损方面的研究较少的情况，对液压缸污染灵敏度展开了分析。详细评估了液压缸在污染灵敏度方面的理论和实验验证方法。D.Bocchetti29等在研究船用柴油机的气缸套的可靠性时建立了竞争风险模型，认为气缸套主要有两种失效模式：磨损退化和热裂解，磨损过程用随机过程描述，因热裂解导致的失效时间用威布尔分布描述。气缸套的可靠性、条件失效概率和平均剩余寿命等也可通过该模型得到。Eggert,R.J.30研究了厚壁液压缸在可靠性设计中的疲劳寿命仿真。在液压缸和活塞的设计中的主要考虑因素有：载荷，几何形状和材料特性。作者运用蒙特卡洛仿真方法和可用统计信息对伺服液压疲劳测试实验的高压活塞-密封-液
38、压缸系统进行了评估，数值仿真结果表明，当输入变量的变化系数低于1%时，疲劳寿命的变化系数约为13.3%，可靠性约为99.06%。Zibdeh,H.S.31研究了热加载的液压缸可靠性。液压缸通常包含不同温度的流体，温度梯度在缸中的变化也会导致热应力。作者运用摄动法建立了液压缸的热应力标准偏差表达式，这些表达式包括了由于内外径、弹性模量、泊松比、热膨胀系数和温度的变化导致的概率影响。研究表明，液压缸对几何形状变化的敏感性高于对力和热变化的敏感性。国外在液压缸可靠性的研究方面，不仅采用仿真分析的方法研究多种参数对液压缸可靠性的影响，也采用了新型的测试方法和理论进行分析研究。1.4 研究的主要内容及意
39、义液压传动在TBM的动力传动中具有重要作用，具有装机功率大、元件种类和数量繁多、工作压力高、流量大、系统结构复杂、电控液控关系复杂等特点32。液压系统的可靠运行对TBM的正常掘进作业具有重要作用。液压缸在推进液压系统中主要为刀盘掘进提供推进动力，功能尤其重要，其所面临的工况也尤为恶劣。TBM在掘进作业过程中不断破碎岩石，由此产生了十分突出的强冲击问题，这对液压缸及系统的正常功能都产生了不利影响。鉴于TBM推进液压缸的重要性、结构原理的复杂性及面临的恶劣作业环境，有必要对其在作业过程中的可靠性进行研究，并提出液压缸及系统的可靠性设计方法、预测方法、试验方法及相应的抑振方法1,32。本文在以下方面
40、开展了主要研究：（一）TBM推进液压系统的结构及功能原理分析，根据中铁建在越南项目的现场测试数据，研究主要基础振动条件对推进液压缸性能参数的影响。（二）分析TBM推进液压缸的主要故障模式及可靠性性能指标，并提出相应的评价标准。（三）运用应力-强度干涉理论、故障树分析法对推进液压缸的薄弱环节进行分析研究，然后建立可靠性框图，对推进液压缸的整体可靠性进行分析。（四）根据以上研究，提出TBM推进液压缸在可靠性方面的设计及预测方法，并提出防振减振措施、液压系统参数及液压缸结构参数的调整建议。（五）搭建振动试验台，对影响液压缸可靠性的主要指标进行验证分析。鉴于TBM在隧道施工中的优越性能，而我国在这方面
41、的研究基础较为薄弱，迫切需要对硬岩掘进装备的关键基础问题进行研究，为TBM的装备技术发展提供参考。通过对强振动条件下的推进液压缸进行可靠性研究，可以丰富相关研究理论。对液压缸在强振动条件下的响应特性进行深入研究，有助于提出可靠性设计预测方法及防振优化措施。本文开展研究的技术路线如图1-4所示。图1-4 TBM推进液压缸可靠性研究的技术路线8 硕士学位论文 2 液压缸可靠性理论基础 2 液压缸可靠性理论基础可靠性在工程领域中属于比较新的学科，在多种因素的共同作用下，该学科得到了长足的发展，这些因素包括：产品的品质及更新换代日益提高、公众愈加重视产品质量、新的法律法规更加强调产品责任、政府对产品可
42、靠性的要求以及故障处理中的高额维修费用等33,34。由于现有液压元件及系统具有故障模式多样化、故障机理复杂等特点，高性能液压元件及系统方面的技术尚需发展，因此相关的可靠性研究具有重要意义35。2.1 液压缸可靠性主要度量指标2.1.1 可靠度及不可靠度指标在特定条件下以及规定时间内，液压缸完成规定功能的概率就被称为液压缸的可靠度，这也可用于表示在一定时间内液压缸无故障发生的概率36。它可以用与时间有关的可靠度函数表示，通常情况下记作R(t) 36。采用数学公式可以表示为： （2-1）式中：T液压缸的寿命，在通常情况下视为随机变量；t规定的液压缸无故障工作时间。该式表示液压缸的寿命超过规定时间t
43、的概率。在特定条件下和规定时间内，液压缸不能够完成规定功能的概率就被称为液压缸的不可靠度。它可以用与时间有关的不可靠度函数表示，通常情况下记作F(t)，也称作不可靠度函数。根据其定义可得出相应的数学表达式为： （2-2）该式表示在规定的时刻t之前，液压缸因为发生故障而没有完成相应功能的概率。液压缸不可靠时也往往是指液压缸出现故障的时候，因此不可靠度函数也被称为累计故障分布函数或者寿命分布函数。根据以上关于可靠度和不可靠度的定义得，。可靠度和不可靠度随时间变化的曲线如图2-1所示。图2-1 可靠度R(t)和不可靠度F(t)随时间的变化曲线从图中可以看出，在液压缸使用的初始时间段，可认为液压缸是完
44、好的，即有；随着使用时间的不断增长，液压缸的可靠度逐渐下降，而不可靠度逐渐上升。由于这两者都是介于0和1之间的实数，因此当工作时间足够长时，可以认为液压缸发生了故障，即有。2.1.2 故障率指标故障率用以表示液压缸工作到时刻t尚未发生故障，在该时刻之后的单位时间内出现故障的概率，又称为失效率。它也可表示为时间的函数，通常情况下记作。在对液压缸可靠性进行衡量的过程中，故障率起着重要作用。如果液压缸的故障率越低，通常情况下其可靠性也越高。故障率可用数学公式表示为： （2-3）该表达式表明故障率是条件概率密度，有时也称其为瞬时故障率，因为它表示了液压缸在时刻t出现故障的概率。故障率的单位常用常用“”表示。对于某种液压缸，如果获取了足够多的故障数据，就可以画出故障率随时间t延续所表现出的变化曲线。这就是通常所说的故障率曲线37，通常也称为浴盆曲线，如图2-2所示。图2-2 液压缸的故障曲线该图表明了液压缸故障率随时间的变化过程，该过程可以被划分为早期、偶然和损耗故障期等三个阶段，它们的趋势各不相同，分别为：逐渐下降，基本稳定，加速上升。故障率函数为，表示液压缸故障概率随时间的变化。在液压缸的可靠性评价中，可靠度和故障率存在着密切的联系，其相互转换关系为： （2-4） （2-5）