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一种液压支架的寿命评价方法

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2017年第6期 doi:10.1 1832/j.issn.1000-4858.2017.06.015 一液压与气动 75 种液压支架的寿命评价方法 昝瑞栓,梁义维 (太原理工大学机械工程学院,山西太原030024) 摘要:为了评价液压支架寿命情况,对安全性、可靠性、经济性指标进行量化分析后提出了量化指标, 排除了主观因素的影响。引入三角模糊数判断矩阵,计算各因素的权重,构建模糊综合评价的数学模型,并 以此模型对大量液压支架进行综合评价,结果与实际情况相符。验证了该模型的实用性和可靠性,为今后液 压支架寿命评价提供了一种新的方法。 关键词:液压支架;寿命;量化分析;三角模糊数判断矩阵;模糊综合评价 中图分类号:TH137;TD355文献标志码:B文章编号:1000-4858(2017)06-0075-05 A Evaluation Method of Life for Hydraulic Support ZAN Rui—shuan.LIANG Yi—wei (College of mechanical,Taiyuan University of Technology,Shanxi,Taiyuan 030024) Abstract:In order to evaluate the life of the hydraulic support,this study proposes a quantitative indicator on the basis of the quantitative analysis of the safety index,reliability index and economy index,to eliminate the influence of the subjective factors.This study also introduces the triangular fuzzy number judgement matirx,calculates the weight of each factor and constructs the mathematical model of the fuzzy comprehensive evaluation.Then the study carries out comprehensive evaluation according this model and the resuhs are consistent with the actual situation, which veriifes the practicability and reliability of this mode1.This study provides a new way of evaluating life span of the hydraulic support. Key words:hydraulic support,life span,quantitative analysis,tirangular fuzzy number judgment matirx,fuzzy comprehensive evaluation 引言 撑系统进行了讨论分析;文献[5]提出了液压支架寿 命评价的思路,但并未给出指标评定和权重确定方法。 液压支架是煤矿综采工作面最重要的设备之一, 它起着控制矿山压力、保证工作面空间安全的作用,并 因此,确定各指标具体评分标准,利用合理的权重分配 方法,得出系统的液压支架寿命模糊综合评价方法,是 值得研究的课题。 1评价指标分析 在选择综合评价指标时,应全面考虑、重点突出且 可量化,依据这些原则,结合工程经验和前人的科研成 果,确定液压支架模糊综合评价指标体系,如图1所示。 1.1安全性指标 且,其设备资金消耗占综采设备总额的70%以上,因 此,选取合适的指标评价其寿命水平,从而科学合理地 指导支架的维护、报废、革新等,对确保支架安全可靠、 提高经济效益,有着重要的工程意义。 影响支架寿命的因素是多样且复杂的,想要准确 得到其对支架寿命的影响非常困难,本研究运用模糊 数学对其进行综合评价。模糊综合评价方法在工程中 有着广泛的应用¨-3],文献[1]研究了机械机构中综 合评价的相关问题;文献[2]运用多算子层次分析法 液压支架的安全性指标主要指其结构失效情况, 收稿日期:2016.11-20 基金项目:山西省科技攻关项目(20120321008-01) 作者简介:昝瑞栓(1992一),男,山西临汾人,硕士研究生,主 要从事机械设计方面研究。 对电网进行了模糊评价;文献[3]对汽车操作稳定性 评价因素权重确定方法进行了比较。在液压支架评价 方面 ],文献[4]采用故障树分析法对液压支架支 76 液压与气动 2017年第6期 安全性指标(A) 登 塑匦 MTBF(B2) — 超期服务年限(C1) 大修费用率(C2) 图1液压支架评价指标体系图 表现在结构件的变形、焊缝的开裂等,是进行寿命评价 时需要考虑的关键因素。对此指标的评分需要依据其 变形量、裂缝程度,采取测点试验的方法获得数据。以 掩护梁结构变形量的测试试验为例,如图2所示。将 掩护梁水平放置、划线,并用相对基准法测出其变形量, 例如M1处变形量为B1和B2两点高度差。液压支架 各部位都有规定的许用变形,例如4 mm、6 mm、8 mm 等,比较测量值与许用值,可以得到支架结构变形程度。墨一  图2掩护梁变形测试图 对于焊缝的检测一般在确定检测位置后,如图3 所示。使用磁粉探伤或超声波探伤,可以得到较为准 确的裂纹形状、位置等,比较支架技术标准,可得到其 裂缝程度。 1 2 3 口 4 1.掩护梁和琐柒连接耳座处的焊缝2.掩护柒主体焊缝 3.平衡千斤顶耳座处的焊缝4.掩护梁顶梁盖板与侧板的主体焊缝 图3掩护梁焊缝检测位置图 根据结构变形量和焊缝开裂程度,对液压支架的 安全性指标进行评分,评分按实际测量值与许用变形 程度和裂缝程度最大许用值的百分比进行打分,例如 变形程度为4 mm,最大许用变形为8 mm,那么变形程 度为50%,并求出各个部位的加权平均值。如表1所 示,评分为百分制,分值越大代表安全性情况越好。 表1安全性指标评分表 分值 变形程度 裂缝程度 0~25 75%~1O0% 75%~100% 25~50 50%~75% 50%~75% 50~75 25%~5O% 25%一5O% 75~10o 0%~25% 0%一25% 1.2可靠性指标 机械产品的可靠性用于表现其规定时间内完成规 定功能的能力,对于可修复的液压支架来说,其可靠性 特征量可以用平均无故障工作时间(MTBF)和平均修 复时间(MTTR)来代表。研究表明,液压支架的可靠 度分布函数近似为指数函数,那么: MTBF= 1 (1) 其中,A为液压支架的失效率。 MTTR:一1 (2) 其中,//,为液压支架的修复率。 据此,对液压支架可靠性指标进行评分,如表2所 示,分值越大代表液压支架可靠性寿命水平越高。 表2可靠性指标评分表 分值 MTBF/h MTrR/h 0~25 <50 >10 25—50 50~250 5~10 50~75 250~500 2~5 75~100 >500 <2 1.3经济性指标 液压支架的经济寿命应当考虑其购置成本、维护费 用、大修费用,对从开始运行到报废为止整个寿命内的 投入、产出进行分析。以超期服务年限和大修费用与原 值比率为依据可以突出重点地表现其经济寿命水平。 AT=T—Te (3) (4) ∑△c +∑AD G=旦 } (5) △D 叼 (6) 2017年第6期 液压与气动 77 式中,△ 为超期服务年限;T为支架实际使用时间; 。为支架有效经济寿命;ro为支架原值,万元;F为 支架净值,万元;G为支架年运行成本增加值,万元; AC 为年度维修费用增加值,万元;ADi为支架大修理 费用,万元;m为大修理次数;/7,为使用年限;叼为大 Mo.=(mij,lo.,uO) [士E 1.k k =l = l一。 JI tJ1 (f 、9)l 修费用与原值比率;AD为支架一次大修费用,万元。 根据设备经济管理相关知识,对液压支架经济性 指标进行评分如表3所示,分值越大代表液压支架经 模糊判断矩阵构建完之后,要根据AHP算法进行 处理,所以,需要将模糊数按照一定算法转化为非模糊 济性寿命水平越高。 表3经济性指标评分表 分值 年 '7 0~25 <0 >0.8 25—50 O~1 O.5~O.8 50—75 1~2 0.2—0.5 75~l00 >2 <0.2 2指标权重确定 在对各指标进行权重分配时,广泛使用层次分析 法(AHP)E6 3,但事实上,这种方法过于依赖判断者的 主观思维,结果往往不够精确,因此,引入三角模糊数 判断矩阵 ,对此方法进行改良,使得权重的确定更 加符合事实。 设三角模糊数: M=(m,Z, ) (7) 式中,z为中值;m、/2,分别为其下限和上限。 两两指标权重比较运用AHP分析法可以划分为 1~9九个标度,数字越大表示一指标相对于另一指标 越重要,标度为1时代表二者重要程度相同,而引入三 角模糊数后,其1—9标度隶属度函数如图4所示。 1.0 图4隶属度函数图 假定进行评判专家人数为//,个,其第k个专家的 权数为 ,那么模糊判断矩阵: M=( ) (8) 其中: 数,有: 口:f: (10) 这样可以得到非模糊判断矩阵A =(o ,) 对A 进行互反性调整,就可以得到非模糊互反矩 阵A。此时,可运用AHP算法对A进行一致性检验和 归一化处理,得到各个层次指标的权重。 由这些步骤得到第一层指标的权重W=(0.62, 0.17,0.21),第二层指标中,安全性各因素权重W = (0.63,0.37),可靠性各因素权重 =(0.50,0.50), 经济性各因素权重 =(0.41,0.59)。 3模糊综合评价模型构建 3.1模糊矩阵的建立 为了确定评价指标集,设指标集为 ,该指标集由 几个评价指标构成,记为u ,/.Z:,M,,…,“ ;为了确定评 价等级集,设评价等级集为 ,根据实际情况需要将评 价分数分为/r/,个等级,记为 。, , ,…, 。假设参 与等级评价的个体数为Ⅳ,J7、r 评价指标“ 所对应的 评价等级的个体数 ],由此可知隶属度为: f= (i=1,2,…,n, =1,2,…,m) (11) 每一个评价指标 都对应着一个隶属度函数,各 个评价指标的隶属度函数组成隶属度矩阵,由此可以 构建模糊矩阵如下: l1 12 1 R= 11 2 (12) 1 液压支架的寿命评估主要是针对单个机器进行评 估,因此参与评价的个体数为1,由此可知液压支架寿 命评估的模糊关系矩阵为: 『.A1 A2] R=l【 -B1 l (13) c】 c2J 78 液压与气动 2017年第6期 式中,A1、A2、B1、 2、c1、c2分别代表变形程度分值、 裂纹分值、MTBF分值、MTTR分值、超期服务年限分 值、大修费用率分值。 刚投入使用的样机也有已经报废的样机,该液压支架支 撑高度为2.5~5.0 m,支撑宽度为1.66~1.86 In,中心 距为1.75 ITI。以其中1台样机为例,其各项指标打分 3.2各级指标分值的确定 本数学模型为两层结构,第二层指标的分值函数 为第二层各指标权重与各分值的乘积,第一层指标的 分值函数为第一层各指标权重与第二层指标的分值函 数的乘积。 设第二层各指标权重向量为: w =l I (14) 由此可求第二层指标的分值函数y,,其中各分值 向量为: y = .【 =[0.63A1+0.37A2] y = ・ =[0.50B1+0.5。B2】(15) y = ‘[喜 ]=[0.41C1+。.596'2 第2层指标的分值函数为: ry ] r0.63A1+0.37A2] y =l l l, l=l 0.541C1+0.59C2j 0B1+0.50B2  l(16) y /o.根据上文可知第1层各指标权重向量为: W=l 0.62 0.17 0.21 I (17) 最终模糊综合评价为: B=W・Y (18) 3.3评语集的确定 经过理论计算实验及与经验丰富的专家探讨后最 终确定将液压支架寿命分为4个阶段分别为好、一般、 差、报废,每个阶段对应的分值如表4所示。 表4寿命分值对应关系表 阶段 分值 好 80—100 一般 60~8O 差 40—6O 报废 <40 4应用实例 选取100架神东煤炭公司的ZY9200/25/50D型液 压支架为评价样机,样机具有不同的服役年限,既有刚 情况如表5所示。 表5样机各指标评分表 指标 分值 变形程度 7l 裂缝程度 89 MTBF 78 MTTR 83 △ O 叩 100 由式(18)可以算出这台液压支架的模糊综合评 价为74.828分,综合评价结果为一般。 该批样机的模糊综合评价如图5所示。 60 ’ 液压支 l● ,争  评价分布图 50 ● - 40 3O 2O 10 :_ - 一 表6一级指标权重对比表 一级指标权重 普通算法 改进算法 安全性指标 0.41 0.62 可靠性指标 0.25 O.17 经济性指标 0.34 O.21 2017年第6期 液压与气动 79 表7二级指标权重对}匕表 二级指标权重 普通算法 改进算法 结构变形情况 0.74 0.63 焊缝、裂纹情况 0.26 0.37 MTBF 0.46 O.5O MTTR 0.54 0.50 超期服务年限 O.55 0.41 大修费用率 0.45 O.59 压支架评价中由于焊缝、裂纹情况不便掌握,所以普通 算法减小焊缝、裂纹情况所占的比例,但在工程应用中 结构变形和焊缝、裂纹情况同样重要。随着超期服务 年限的增长,液压支架中的不安全因素也会增长,因此 减小不安全因素所占的比重十分重要。通过对两表的 分析对比可知,引入三角模糊数判断矩阵计算出的权 重与实际需要更加相符,也更加科学。 对100架样机使用两种不同算法进行计算后的结 果如表8所示。该批样机中下井工作1年的有25架, 这25架样机工作正常未出现过任何问题;下井工作5 年左右经过1次大修的有30架,经过2次大修的有25 架,大修后这55架样机基本工作正常偶尔需要修理; 下井工作10年以上的有15架,工作多年问题较大已 准备淘汰,为了使实验样本更加完整选取了5台已报 废样机。由表8可以看出改进后的算法与液压支架实 际工作状态更加吻合,普通算法由于焊缝、裂纹情况权 重的降低和超期服务年限权重的增加使整体评价偏 高,更把报废的样机归人到服役样机中,进一步证明了 改进算法的准确性。 表8样机评价对比表 评价集 普通算法 改进算法 好 45 23 一般 42 5l 差 ll 21 报废 2 5 6结论 为了解决液压支架寿命评价问题,详细分析了评 价指标并对评价指标进行了量化,大大的减小了主观 因素对评价结果的影响。同时引入三角模糊数判断矩 阵,对原有的层次分析法进行改良,进一步减小了对判 断者的主观思维的依赖。根据三角模糊数判断矩阵计 算出的各层权重建立了模糊综合评价模型。为了检验 此方法的正确性选取了大量样机进行测量建模实验, 都取得了极好的预测结果,验证了此方法的实用性,为 以后更加客观科学的建模评价液压支架寿命问题提供 了一种新的解决办法。 参考文献: [1] 古莹奎,吴陆恒.机械运动方案评价中评价因素权重确定 的模糊层次分析法[J].中国机械工程,2007,(9):1052— 1055,1067. 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