液压支架分析

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前言

液压支架是在金属摩擦支柱和单体液压支柱的基础上发展起来的工作面机械化支护设备，它与滚筒式采煤机（或抛煤机），可弯曲刮板运输机，转载机及带式输送机等形成一个有机的整体，实现了落煤，装煤，运煤，支护和采空区处理等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使采煤技术进入一个新的阶段。

液压支架是一个庞大的机械结构，其运动过程复杂，运动主要依靠液压控制系统实现液压元件和部件的动作频繁，液压系统更是通过一系列的液压元件组合而成。在液压支架的各组成部分中，液压系统的使用频率较高，是容易出现故障的部分；同时，液压系统中的元件数量较多，元件和油液都处于密封的壳体和管道内，不能从外部直接观察，出现故障不易判断，因此，要对液压系统进行可靠性分析以及改造设计。

本文通过针对支架液压系统进行可靠性分析，而系统的可靠性分析普遍采用的方法是故障树分析法，采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。通过对液压支架事故树的定量分析,得出对液压支架故障率影响较大的常见故障有立柱、千斤顶漏液,安全阀、操作阀故障,乳化液不合格等。根据液压支架实际的工作环境和工作状况,相关技术人员可以对液压支架事故树的部分组成成分和基本事件的发生概率做相应的更改,通过相似的计算分析步骤后可得出符合实际所使用的液压支架的常见故障情况。这一方法为液压支架的使用维修人员的工作提供了可参考的理论依据。

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

第一章 绪论

1.1 液压系统的定义及系统结构

1.1.1 液压系统定义

一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。

动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。

执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。

控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液控单向阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、快换接头、高压球阀、胶管总成、测压接头、压力表、油位油温计等。

液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 1.1.2 液压系统的系统结构

液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。

液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。

在分析和设计实际任务时，一般采用方框图显示设备中实际运行状况。 空心箭头表示信号流，而实心箭头则表示能量流。

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基本液压回路中的动作顺序—控制元件（二位四通换向阀）的换向和弹簧复位、执行元件（双作用液压缸）的伸出和回缩以及溢流阀的开启和关闭。 对于执行元件和控制元件，演示文稿都是基于相应回路图符号，这也为介绍回路图符号作了准备。

根据系统工作原理，您可对所有回路依次进行编号。如果第一个执行元件编号为0，则与其相关的控制元件标识符则为1。如果与执行元件伸出相对应的元件标识符为偶数，则与执行元件回缩相对应的元件标识符则为奇数。 不仅应对液压回路进行编号，也应对实际设备进行编号，以便发现系统故障。

DIN ISO1219-2标准定义了元件的编号组成，其包括下面四个部分：设备编号、回路编号、元件标识符和元件编号。如果整个系统仅有一种设备，则可省略设备编号。

实际中，另一种编号方式就是对液压系统中所有元件进行连续编号，此时，元件编号应该与元件列表中编号相一致。 这种方法特别适用于复杂液压控制系统，每个控制回路都与其系统编号相对应

1.2 液压系统的应用

如今，液压系统广泛应用在各行业的各种机械设备中。作为一种传动技术，液压方式比传统的机械方式，具有以下优点： a、能产生很大的力，而且控制容易； b、能在很宽范围内无级变速； c、很容易防止过载，安全性大；

d、尺寸小出力大，安装位置可自由选择； e、输出力的控制简单准确，可远程控制。

虽然液压系统具有以上优点，但其系统的自动往复问题一直未能得到有效可靠的解决。在很多行业的许多设备中，如地质钻探设备中的泥浆泵、海水淡化设备中的高压泵、高层建筑用的消防泵等，这些设备需要连续输出高压、大流量的流体介质，由于没有解决液压系统的自动往复问题，仍采用传统的机械方式，导致其设备体积庞大、能耗多、效率低。 1.2.1 应用范围

（1）地质钻探的液压泥浆泵

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现有的泥浆泵，是利用电动机带动曲轴、连杆，推动活塞输出泥浆的。此种结构沿用多年，技术落后，使得泥浆泵体积庞大，输出泥浆压力波动，流量不稳定，并且泥浆泵的最大功率受到限制，一般压力只能达到3～4Mpa，流量不易做得很大。应用本专利技术制造的液压泥浆泵，在相同输出功率下泥浆泵的体积只为现有泥浆泵的1/2至1/3，能耗为现有泥浆泵的80％左右。虽然制造成本稍有提高，但液压泥浆泵在设计上没有功率的限制，输出压力可达到几十Mpa，流量可无限扩展，而且输出的压力、流量稳定。 （2）海水淡化的液压高压泵

采用反渗透技术是一项效率高、易于大规模使用的海水淡化技术，在水资源紧缺的今天，有着广阔的应用前景。高压泵是反渗透法海水淡化技术应用中的一个关键设备。现有的高压泵基本为机械式结构。常用泵的类型是单级、高速离心泵、柱塞泵和多级离心泵。通常，单级离心泵效率最低，柱塞泵效率最高，在大系统中多采用多级离心泵。在国内，尚没有专业海水淡化高压泵的生产厂商。其主要原因在于：要想使高压泵达到较高的效率，必须要使一些重要部件达到很高的加工精度，这就需要非常专业、昂贵的加工设备和很大的加工费用。因而进口高压泵的价格甚高。

液压自动往复油缸高压泵，与机械式高压泵、柱塞泵相比工作效率有很大提高，大功率很容易实现。与进口同类产品相比，泵的功率越大，生产成本相比越低，其价格下降的幅度也越大。 （3）高压清洗设备

（4）高层建筑供水（消防泵）

总之，自动往复式液压系统，拓宽了液压系统的应用范围，使得液压系统以高效、灵活、大功率、低成本的优势得以更大的发挥，应用后将为企业带来巨大的经济效益和社会效益。

1.3 课题提出的意义

液压支架是在金属摩擦支柱和单体液压支柱的基础上发展起来的工作面机械化支护设备，它与滚筒式采煤机（或抛煤机），可弯曲刮板运输机，转载机及带式输送机等形成一个有机的整体，实现了落煤，装煤，运煤，支护和采空区处理等主要工序的综合机械化采煤工艺，从而使采煤技术进入一个新的阶段。

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在采煤工艺中起关键作用的是液压支架，它的应用大大的提高了采煤的效率。液压支架的核心技术是液压系统，为了保证系统具有较高的容积效率，实现无故障作业及工作人员的安全，液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。由于液压支架的工作过程中具备的升、降、推、移四个基本动作完全依靠液压系统的控制来实现，液压元件和部件的动作频繁，在液压支架的各组成部分中，液压系统的使用频率较高，是容易出现故障的部分；同时，液压系统中的元件数量较多，元件和油液都处于密封的壳体和管道内，不能从外部直接观察，出现故障不易判断，因此，要对液压系统进行可靠性分析以及改造设计。

系统的可靠性分析普遍采用的方法是故障树分析法，采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。通过对液压支架事故树的定量分析,得出对液压支架故障率影响较大的常见故障有立柱、千斤顶漏液,安全阀、操作阀故障,乳化液不合格等。根据液压支架实际的工作环境和工作状况,相关技术人员可以对液压支架事故树的部分组成成分和基本事件的发生概率做相应的更改,通过相似的计算分析步骤后可得出符合实际所使用的液压支架的常见故障情况。这一方法为液压支架的使用维修人员的工作提供了可参考的理论依据。

随着国内经济的快速发展，对煤炭的需求量也在大大增加，相应的对液压支架的需求也就增加，随着技术的进步，液压支架液压系统也在要求逐步完善，至于此有了我本次的设计——液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计，要求在原有液压系统的基础上进行可靠性分析，建立其典型故障的故障树，进行定性及定量分析，并发挥自己的创造力，作进一步的改善。故障树分析在设备或系统的设计和维修中均具有重要作用。在设计中，应用故障树分析可以弄清系统的故障模式，找出系统或设备的薄弱环节，以便采取相应的改进措施，实现设计的最优化。

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第二章 液压支架液压系统工作原理

2.1 液压支架在综采工作面的动作原理及种类跟适用条件

2.1.1 液压支架在工作面的动作原理

液压支架是综合机械化回采工作面的支护设备。它主要由顶梁﹑立柱﹑底座﹑推移千斤顶﹑阀件及各种附属装置所组成。

液压支架在工作过程中，不仅要可靠的支撑顶板，维护一定的安全工作空间，而且要随工作面的推进，进行移架和推移输送机。因此，支架要实现升、降、推、移四个基本动作。这些动作时利用泵站供给的高压液体，通过工作性质不同的几个液压缸来完成的，如图所示

1—顶梁； 2—立柱； 3—底座； 4—推移千斤顶； 5—安全阀； 6—液控单向阀；7-8—操纵阀； 9—输送机； 10—乳化液泵； 11—主供液管； 12—主回液管

（1支架的升降和推移

当操纵阀8处于升柱位置时，从乳化液站来的高压液体通过操纵阀8、液控单向阀6进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，立柱升起，你、并支撑顶板。当操纵阀8处于升柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，立柱下降。

立柱的前移和推移输送机是通过操纵阀7 和推移千斤顶4进行的。移架时，先使支架写在下降，再把操纵阀7至于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进

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入推移千斤顶4的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架极为、移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀7置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。

（2）支架的承载过程

支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程。它包括初撑、承载增阻和横阻三个阶段。

①初撑阶段

在升降过程中，当支架的顶梁接触顶板，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止功液，液控单向阀6立即关闭，这一过程为支架的出升阶段。此时支架对顶板的支撑力为初撑力。支撑式支架的初撑力为

P?3.144DPbn?102?3

式中 D—支架立柱的缸径，m Pb—泵站的工作压力，Mpa n—支架立柱的数量

由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力时防止直接过早的因下沉而离层、减缓板定下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。

②承载增阻阶段

支架初撑结束后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。 ③恒阻阶段

着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的压力也越来越高。当升高到安全阀5的条顶压力时，安全阀打开溢流，立柱下缩，液体压力也随之降低。当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程。由于安全阀的作用，支架的支撑力维持在某一恒定上，只是支架的恒阻阶段。此时，支架对顶板的支撑力成为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。

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支撑式支架的工作阻力为

P?3.144DPan?102?3

式中 Pa —支架安全阀的调定压力，Mpa 其它符号的意义同前。

对于支撑式和掩护支撑式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。

上述工作过程表面：支架在达到额定工作阻力以前具有增阻性，以保证支架对顶板有效地支撑作用；当支架达到额定工作阻力以后，支架能随着顶板的下沉而下缩，即具有可缩性和恒阻性，支架的工作特性取决于立柱、液控单向阀，安全阀和操纵阀的性能和密封的好坏。所以这些元件是支架的关键液压元件。通常液控单向阀和安全阀组合在一起，称为控制阀。

支架的工作阻力是支架的一个重要参数，它表示支架初撑力的大小。但是，由于支架的顶梁的长短和间距不同，所以并不能完全反应支架对顶板的支撑能力。因此，常用单位支护面积顶板上所承受支架工作阻力值的大小，即支护强度来表示支架的直接、胡性能。即

Q?PF?10?3

式中 F—支架的支护面积 2.1.2 液压支架种类跟适用条件

按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，有端头液压支架和中间液压支架。端头液压支架简称端头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上的所有位置的支架。

中间液压支架按其结构形式来划分，可分为三种基本类型，即；支撑式、掩护式和支撑掩护式。支撑式支架分为垛式和节式；掩护式分为插腿式和非插腿式；支撑掩护式又有四柱支在顶梁上和两柱支在顶梁，一或两柱支在掩护梁之分。

由于每种架型的结构特点不同，支撑力分布和作用则不同；直接顶类别和老顶级别不同，支架所承受的载荷也不同，所以，要对支架的支撑力与承载关系进行分析，得出各种支架的适用条件。

（1）支撑式支架的适用条件

支撑式支架的特点是顶梁较长，控顶距较大，立柱呈直立布置，而且一般都

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位于顶梁的后半部。因此，支撑力也相应集中在控顶区的后半部，以阻止上部岩层的移动，实现切顶作用。而在煤壁附近的主要工作空间的顶板，则处于无立柱支撑状态，仅靠支撑力较小的前梁来维护，故支架的工作阻力在控顶区范围内很不均匀。支撑式支架顶梁承受的中硬以上稳定顶板压力可视为两部分，其一是直接顶作用在支架上的压力Q1，其二为老顶通过直接顶间接地作用在支架上的压力Q2。开始支架只承受直接顶压力Q1，作用点位于近似支架顶梁中部，它相当于均布载荷。周期来压时，裂缝带开始下沉，其一端通过直接顶间接地作用在支架顶梁上；另一端落在冒落岩石上。作用在支架上的压力为Q2，作用点位于支架顶梁后部，相当于三角形载荷分布。支架承受载荷Q1和Q2，使支架顶梁后部受力大，同时底板对底座后部反力也大。由于支撑式支架前梁无立柱，支撑力小。顶梁后部有立柱，支撑力大。所以支撑式支架适用于中硬以上稳定顶板的条件下工作。

（2）掩护式支架的适用条件

掩护式支架的特点是顶梁较短，控顶距较小，支撑力主要集中在顶梁部位，且分布较均匀，顶梁端部的支撑能力比支撑式支架大。在破碎不稳定顶板条件下，掩护式支架由于顶梁较短，使支架重复支撑次数少，由于顶板破碎，在顶梁后部自由冒落岩石的一部分作用在掩护梁上，对掩护梁的作用力可分解为垂直分力和水平分力。掩护式支架虽然立柱少，支撑力较小，但由于顶梁短，单位面积支撑力大，载荷分布与支架支撑力的作用部位基本一致。所以，掩护式支架适用于破碎不稳定顶板条件下工作。

（3）支撑掩护式支架的适用条件

支撑掩护式支架是为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增强了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适用范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层。

2.2 液压支架液压系统工作原理

在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是以高压

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液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工

作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施[17]。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成 的。如图所示。

1- 输送机；2-推移千斤顶；3-立柱；4-安全阀5-液控单向阀6-操纵阀 ①升柱

当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。 ②降柱

当需要降柱时，高压液体进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。 ③支架和输送机前移

支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁；当需要推输送机时支架支撑顶板后，高压液进入推移千斤顶的活塞腔，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。

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第三章 液压支架液压系统故障分析

3.1液压支架液压系统故障的定义及特点

在对产品的可靠性评价与分析中，明确故障的定义是十分重要的。它是可靠性分析和设计的前提，又是可靠性评价的依据。这是因为，对故障的含义理解不同，其可靠特征量指标(如故障概率、故障率等)、数据处理及其评估结果可能不同。液压故障是指液压元件和液压系统不符合原规定条件下所发生的故障。因此，故障与人们预先对产品规定的要求、任务密切相关。判断产品是不是发生故障，必须由业务主管部门(或用户与生产厂预先商定)制定出具体的产品的故障判别标准，即故障判据。

液压支架液压系统的故障它既不像机械传动那样显而易见，又不如电气传动那样易于检测，它与其相比具有以下特点： ①故障的多样性和复杂性

液压系统出现的故障可能是多种多样的，而且在大多数情况下是几个故障同时出现。例如：系统的压力不稳定，常和振动噪声故障同时出现，而系统压力达不到要求经常又和动作故障联系起来；甚至机械、电气部分的弊病也会与液压系统的故障交织在一起，使得故障变得复杂、新系统的调试更是如此。 ②故障的隐蔽性

液压系统是依靠在密闭管道内并具有一定压力能的油液来传递动力的，系统所采用的元件内部结构及工作状况不能从外表进行直接观察。因此，它的故障具有隐蔽性，不如机械传动系统故障那样直观，而又不如电气传动系统那样易于检测。

③引起同一故障原因和同一原因引起故障的多样性

液压系统同一故障引起的原因可能有多个，而且这些原因常常是互相交织在一起互相影响。如：系统压力达不到要求，其产生原因可能是泵引起的，也可能是溢流阀引起的，也可能是两者同时作用的结果。此外，油的粘度是否合适，以及系统的泄漏等都可能引起系统压力不足。

另一方面，液压系统中往往是同一原因，但因其程度不同、系统结构的不同以及与它配合的机械机构的不同，所引起故障现象也可以是多种多样的。如同样是系统吸入空气，严重时能使泵吸不进油；轻者会引起流量、压力的波动，时产

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生噪声，造成机械部件运动过程中的爬行。 ④故障产生的偶然性与必然性

液压系统中的故障有时是偶然发生的，有时是必然发生的。故障偶然发生的情况如：油液中的污物偶然卡死溢流阀的阻尼孔或换向阀的阀芯，使系统突然失压或不能换向；电网电压的骤然变化，使电磁铁吸合不正常而引起电磁阀不能正常工作。这些故障不是经常发生的，也没有一定的规律。故障必然发生的情况是指那些持续不断经常发生，并具有一定规律的原因引起的故障。如油液粘度低引起的系统泄漏、液压泵内部间隙大内泄漏增加导致泵的容积效率下降等。 ⑤故障的产生与使用条件的密切相关性

同一系统往往随着使用条件的不同，而产生不同的故障。例如环境温度低，使油液粘度增大引起液压泵吸油困难；环境温度高，油液粘度下降引起系统泄漏和压力不足等故障。系统在不干净的环境工作时，往往会引起油的严重污染，并导致系统出现故障。另外，操作维护人员的技术水平也会影响到系统的正常工作。 ⑥故障难于分析判断而易于处理

由于液压系统故障具有上述特性，所以当系统出现故障后，要想很快确定故障部位及产生的原因是比较困难的。必须对故障进行认真地检查、分析、判断，才能找出其故障部位及其原因。然而，一旦找出原因后，往往处理却比较容易，有的甚至稍加调节或清洗即可。

3.2液压支架液压系统故障的判定依据及分类

3.2.1液压支架液压系统故障的判定依据

按定义判定液压系统故障类别时，各类故障是互不相容的。即对某一故障，只能判定为某一分类方法中的一种。制定产品的故障判据时，一般应遵循的原则是：

①不能在规定条件下丧失功能。

②故障判据的界限值根据可接受的性能来确定。 ③不同产品可按该产品的主要性能指标来衡量。

判定基本故障的类别时，应以其最终的后果作为分类的依据。判定故障类别时，可参考一液压支架故障示例。

由于各种液压支架的结构、制造水平和使用条件不同，同一名称故障所导致

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后果及排除故障的难易程度会有很大差别，因此不能完全照搬，而应按本判定原则，参照实例，根据具体情况来确定其类别。下面是部分液压元件的故障判据]。 ①轴向柱塞泵故障判据

a.容积效率下降到低于合格品指标的50%。 b.滑动摩擦副表面出现拉丝、粘铜或烧蚀。 c.滚动体出现疲劳剥蚀。 d.零部件出现损坏断裂。

e.变量机构失灵，或变量机构的变量特性低于合格品指标的10%以上。 f有滴状外漏。 ②压力控制阀故障判据

a.压力调节失灵或有卡死现象。

b.导阀的颤振和啸叫，控制压力发生很大振摆。 c.零部件的异常磨损或断裂。

d.技术性能指标低于标准规定值的10%。 e.有滴状外漏（算做故障）。 ③方向控制阀故障判据

a.换向、复位(对中)时间超过标准规定值的10%。 b.内泄漏量超过标准规定值的10%。 c.出现卡死，啸叫或抖动现象。 d.零部件的异常磨损或疲劳断裂。 e.有滴状外漏（算做故障）。 ④液压缸故障判据 a.有滴状外漏。

b.缸体（包括焊缝）出现裂纹。 c.紧固螺钉断裂。

3.2.2液压支架液压系统故障的分类 （1） 按液压故障发生的时间性分类

早发性故障：这是由于液压系统的设计，压元件的设计、制造、装配及液系统的安装调试等方面存在问题引起的。如新购买的液压设备严重泄漏和噪声大等

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故障，一般通过重新检验测试和重新安装、调试是可以解决的。如果是设计上的不合理或液压元件制造上存在问题，就必须改进设计，更换液压元件才能解决。

突发性故障：这是由于各种不利因素的偶然的外界影响因素共同作用的结果，这种故障发生的特点具有偶然性。如液压阀卡死不能换向；液压缸油管破裂，造成系统压力下降；液压泵压力失调等等。这种故障都具有偶然性和突发性，一般与使用时间无关，因而难以预测，但它一般不影响液压设备的寿命，容易排除。

渐发性故障：这是由于各种液压元件和液压油各项技术参数的劣化过程逐渐发展而形成的。劣化过程主要包括磨损、腐蚀、疲劳、老化、污染等因素。这种故障的特点是其发生概率与使用时间有关，它只是在元件的有效寿命的后期才明显地表现出来。渐进性故障一旦发生，则说明该液压设备或设备的部分元件已经老龄化了。如液压缸、液压泵、液压马达的磨损造成的内泄漏逐渐增大，当达到某一泄漏量时，故障就明显地表现出来了；密封圈等密封件的老化随时间而加剧，当达到有效寿命期时就失去了密封作用，导致系统严重泄漏；液压元件中的压力弹簧的疲劳随时间而加剧，当达到疲劳极限时，液压元件就失去了控制作用；液压油的变质是随时间加剧的等等。由于这种故障具有逐渐发展的性质，所以这种故障通常是可以预测。 （2）按液压故障特性分类

共性故障：共性故障是指各类液压系统和液压元件都常出现的液压故障，其故障的特点是相同的。如振动和噪声、液压冲击、爬行、泄漏、高温、进气等故障。由于这些故障的机理分析现已比较全面，所以故障规律较强，可靠性分析也比较容易。

个性故障：个性故障是指各类液压设备的液压系统和液压元件所具有的特有液压功能所出现的特殊性故障。其故障的特点是各不相同的。如各类压力设备的液压保压功能；各类机床的自动换向功能等等。其故障特性均为个别特殊故障，故均称为个性故障。

理性故障：理性故障是由于液压系统设计不合理或不完善、液压元件结计不合理或选用不当而引起的故障。如溢流阀额定流量选小了，导致溢流阀过载而发出尖叫声等等。这类故障必须通过设计理论分析和系统性能验算后，才能最终加以判断。

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（3）根据零部件类型不同分类

结构件故障：除了液压系统元件以外的所有构成液压支架主体结构的零部件(如顶梁、掩护梁、连接销轴等)所出现的故障，即为结构件故障。

液压件故障：除了结构件以外的支架液压系统元件(立柱、千斤顶、操纵阀、控制阀、管路等)所出现的故障，即为液压件故障。 （4）根据故障发生的原因分类

固有故障：由于各液压支架生产单位的设计、加工、制造以及管理水平高低不同，各个环节很难保证质量绝对可靠，液压支架作为产品出厂后，就不可避免地带许多固有缺陷，为液压支架在使用过程中潜伏了故障隐患。这类故障很多，例如：零件某一局部结构件形状、尺寸设计的不合理、造成局部应力集中、过早出现疲劳破坏；零件材质存在缺陷而使强度不足；机加工、热处理、焊接等产生残余变形而使零部件几何形状误差超限；组装过程中，各种连接松紧程度、配合间隙不符合规定等等，这些固有缺陷都会引起液压支架发生故障。

人为故障：由于现场使用，操作人员未按照使用说明要求去操作，或者即使按要求操作但出现一些特殊情况时，未及时恰当处理而出现的所有故障，都归结为此类故障。例如：过快的升降、反向操作引起冲击而造成某些连接件等到的破坏；某些部位出现蹩卡现象后仍继续操作而造成构件破坏等。

环境故障：这种故障主要指由于与液压支架相配套的机械设备(采煤机、运输机等)和煤层围岩状态变化等原因所引起的故障。例如：采煤机调高和调斜不当而截割液压支架顶梁、底座；运输机下滑量过大，而使液压支架的推移千斤顶偏移量度过大出现推移装置连接件等的蹩卡、损坏现象；煤层顶板局部冒空，而使液压支架低头或上翘量过大、造成平衡千斤顶压坏或拉坏，同时液压支架受力不合理，某些构件受力过大而出现破坏；煤层底板局部过软，使液压支架下陷过多，不能完成正常的移架动作等。

耗损故障：这种故障是指由磨损、老化、腐蚀等原因引所引起的故障。例如：液压支架各运动副表面磨损超限，使液压支架整体刚度下降；构件材化，使机械性能下降、强度降低；密封表面腐蚀引起密封失效等。

（5）根据故障的从属关系分类

基本故障：这种故障是指液压支架零部件本身内在因素或缺陷所导致的故

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障。它包括由于构件强度、材质、加工和装配工艺等原因所引起的过度变形、断裂、过度磨损、老化、腐蚀、紧固件松动或失效、密封件失效等。这些故障是反映液压支架可靠性高低的基本故障，是计算可靠性指标的依据。

从属故障：这种故障是指液压支架由于外部因素(如违章操作，外界偶然事故等)所引起或由基本故障所导致产生的派生故障。例如：立柱液控单向阀密封件失效，导致立柱下腔液体泄漏，支架支撑力下降。密封件失效为基本故障，而由此引起的液压泄漏，支架支撑力下降为从属故障。在计算可靠性指标时，只统计基本故障，不统计从属故障，但这类故障也必须如实记入故障登记表。 （6）根据故障的性质、维修难易和危害程度分类

致命故障：这种故障是指严重危及人身安全，或引起重要零部件报废，造成重大生产事故和重大经济损失的故障。例如：立柱，平衡千斤项，前梁千斤顶缸体爆裂；顶梁，掩护梁，四连杆，底座等重要结构件焊缝大范围开焊，造成构件断裂等。这种故障一旦发生，应立即停止工作面采煤生产，对支架进行彻底检查和维修。

严重故障：这种故障是指液压支架主要零部件损坏，断裂，开焊，严重磨损或变形，使其功能完全或大部分丧失，致使工作面采煤或试验中断，需要较长时间停架解体维修，更换部分零部件的故障。例如：各主要连接轴断裂；顶梁，掩护梁，四连杆，底座，立柱上下柱窝等焊缝局部开焊；侧护装置，护帮装置，推移装置因构件严重变形，断裂等原因造成动作失灵；各千斤顶，立柱出现严重变形，焊缝开裂，活塞和活塞杆表面严重划伤，磨损，腐蚀等。

一般故障：这种故障是指一般零部件损坏，折断，裂纹，过度磨损，弯曲变形，密封件失效，但继续使用不会导致主要零部件损坏，或者操作人员利用随架工具和易损备件，在较短时间内不影响工作面照常采煤情况下通过拆装，更换即可修复的故障。例如：各种连接销折断；各立柱，千斤顶活塞杆外表面轻度划伤，磨损，腐蚀；操纵阀，安全阀，液控单向阀泄漏；胶管等。

轻微故障：这种故障是指非主要零部件的紧固件松动，非主要零件的损坏，失效等，对液压支架和性能和使用无多大影响的故障[6]。例如：操纵阀架固定螺栓松动；各连接销轴的挡销脱落；吊环折断；防锈漆脱落；轻微渗漏等。 3.2.3放顶煤液压支架故障举例

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

中国综采面平均开机率只有30%左右，支架—围岩事故约占总事故的 1/3。支架—围岩事故的关键影响因素之一是井下恶劣环境和复杂生产地质 条件下液压支架可靠性低，导致支架支护能力不能充分发挥和顶板冒落的恶 性循环。我国由于经济技术条件所限，无力大量购买和装备世界最先进的电 液控制的强力支架(亦需应用诊断技术以长期保持和发挥其可靠性)，国产支 架相对故障率高，元件使用寿命短。 表 ZF系列液压支架几种机型故障统计

综采液压支架故障情况和实际质量取决于支架液压系统故障和其它机械构件破断损坏情况。井下综采面支架液压系统故障率高且难以被人们传统的感官(视、触和听)和经验所直观发现和判断，支架机械构件的破断损坏较少发生且易为人们直观发现。对ZF系列支架故障统计如表2-1所示。由此可以得出，ZF系列液压支架故障主要是液压系统鼓掌，因此，着重对液压系统进行故障分析，分析其故障模式、故障原因进而提出改进意见，以提高液压支架液压系统乃至整个液压支架的可靠性。

支架液压系统由立柱、千斤顶、液压阀、管路和连接件、泵站组成，支架液压系统故障的结果表现为执行机构—立柱和千斤顶不能正常工作，各种阀类的故障也是导致支架液压系统故障的原因，其故障分类及原因如图

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液压阀故障分类及产生原因

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

千斤顶故障分类及产生原因

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立柱升降故障分类及产生原因

3.3系统可靠性分析

3.3.1可靠性分析的目的

通过故障树的安全分析，达到以下目的：①识别导致事故的基本事件(基本的设备故障)与人为失误的组合，可为人们提供设法避免或减少导致事故基本原因的线索，从而降低事故发生的可能性；②对导致灾害事故的各种因素及逻辑关

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

系能做出全面、简洁和形象的描述；③便于查明系统内固有的或潜在的各种危险因素，为设计、施工和管理提供科学依据；④使有关人员、作业人员全面了解和掌握各项防灾要点；⑤便于进行逻辑运算，进行定性、定量分析和系统评价。 3.3.2 故障树分析方法（FTA）步骤及程序 1)方法步骤

故障树分析是对既定的生产系统或作业中可能出现的事故条件及可能导致的灾害后果，按工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图，表示导致灾害、伤害事故的各种因素间的逻辑关系。它由输入符号或关系符号组成，用以分析系统的安全问题或系统的运行功能问题，为判明灾害、伤害的发生途径及事故因素之间的关系，故障树分析法提供了一种最形象、最简洁的表达形式。 故障树分析的基本程序如下：

(1)熟悉系统：要详细了解系统状态及各种参数，绘出工艺流程图或布置图。 (2)调查事故：收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故。

(3)确定顶上事件：要分析的对象即为顶上事件。对所调查的事故进行全面分析，从中找出后果严重且较易发生的事故作为顶上事件。

(4)确定目标值：根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求解事故发生的概率(频率)，以此作为要控制的事故目标值。

(5)调查原因事件：调查与事故有关的所有原因事件和各种因素。 (6)画出故障树：从顶上事件起，逐级找出直接原因的事件，直至所要分析的深度，按其逻辑关系，画出故障树。

(7)分析：按故障树结构进行简化，确定各基本事件的结构重要度。 (8)事故发生概率：确定所有事故发生概率，标在故障树上，并进而求出顶上事件(事故)的发生概率。

(9)比较：比较分可维修系统和不可维修系统进行讨论，前者要进行对比，后者求出顶上事件发生概率即可。

(10)分析：原则上是上述10个步骤，在分析时可视具体问题灵活掌握，如果故障树规模很大，可借助计算机进行。目前我国FTA一般都考虑到第7步进行定性分析为止，也能取得较好效果。

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2)FTA的符号及其运算

FTA使用布尔逻辑门(如“与”、“或”)形成系统的故障树逻辑模型来描述设备故障和人为失误是如何组合导致顶上事件的。通过分析一个较大的工艺过程可得到故障树模型，实际的模型数目取决于危险分析人员选定的顶上事件数，一个顶上事件对应着一个故障树模型。故障树分析人员对每个故障树逻辑模型求解，产生故障序列，其称为最小割集，由此可导出顶上事件。这些最小割集序列可以通过每个割集中的故障数目和类型，定性地排序。一般而言，含有较少故障数目的割集比含有较多故障数目的割集更可能导致顶上事件。最小割集序列揭示了系统设计、操作缺陷；对此，分析人员应提出可能提高过程安全性的途径。 使用FTA需要熟练掌握装置或系统的功能、工艺图和操作程序以及各种故障模式和其结果，训练有素和富有经验的分析人员是有效和高质量运用FTA的保证。

(1)故障树符号的意义。 ①事件符号：

顶上事件、中间事件符号，需要进一步往下分析的事件。 基本事件符号，不能再往下分析的事件。

正常事件符号，正常情况下存在的事件。

省略事件，不能或不需要向下分析的事件。

②逻辑门符号：

或门，表示B1或B2任一事件单独发生(输入)时，A事件都可以发生(输

出)。

与门，表示B1、B2两事件同时发生(输入)时，A事件才发生(输出)。

条件或门，表示B1或B2任一事件单独发生(输入)时，还必须

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

满足条件a，A事件才发生(输出)。

条件与门，表示B1、B2两事件同时发生(输入)时，还必须满

足条件a，A事件才发生(输出)。

限制门，表示B事件发生(输入)且满足条件a时，A事件才

发生(输出)。

转入符号，表示在别处的部分树，由该处转入(在三角形内标出从

何处转入)。

转出符号，表示这部分树由该处转移至其他处，由该处转入(在三

角形内标出向何处转移)。

(2)布尔代数与主要运算法则。

在故障树分析中常用逻辑运算符号(·)、(+)将各个事件连接起来，这连接式称为布尔代数表达式。在求最小割集时，要用布尔代数运算法则，化简代数式。这些法则有：

①交换律 A·B=B·A A+B=B+A

②结合律 A+(B+C)=(A+B)+C A·(B·C)=(A·B)·C ③分配律 A·(B+C)=A·B+A·C A+ (B·C)=(A+B)·(A+C) ④吸收律 A·(A+B)=A A+A·B=A ⑤互补律 A+A′=Ω=1 A·A′=0 ⑥幂等律 A·A=A A+A=A

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⑦狄摩根定律 (A+B)′=A′+B′ (A·B)′=A′+B′ ⑧对合律 (A′)′=A

⑨重叠律 A+A′B=A+B=B′+BA (3)故障树的数学表达式。

为了进行故障树定性、定量分析，需要建立数学模型，写出它的数学表达式。把顶上事件用布尔代数表现，并自上而下展开，就可得到布尔表达式。

例如：有故障树如图1所示。

图1 未经化简的故障树

未经化简的故障树，其结构函数表达式为： T=A1+A2 =A1+B1B2B3

=X1X2+(X3+X4)(X3+X5)(X4+X5)

=X1X2+X3X3X4+X3X4X4+X3X4X5+X4X4X5+X4X5X5+X3X3X5+X3X5X5+X3X4X5 (4)最小割集的概念和求法。 ①最小割集的概念。

能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合(通常把满足某些条件

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或具有某种共同性质的事物的全体称为集合，属于这个集合的每个事物叫元素)。称为最小割集。换言之：如果割集中任一基本事件不发生，顶上事件绝不会发生。一般割集不具备这个性质。例如本故障树中{Xl，X2}是最小割集，{X3，X4，X3}是割集，但不是最小割集。 ②最小割集的求法。

利用布尔代数化简法，将上式归并、化简。

T=X1X2+X3X3X4+X3X4X4+X3X4X5+X4X4X5+X4X5X5+X3X3X5+X3X5X5+X3X4X5 =X1X2+X3X4+X3X4X5+X4X5+X3X5+X3X4X5 =X1X2+X3X4+X4X5+X3X5

得到4个最小割集{X1，X2}、{X3，X4}、{X4，X5}、{X3，X5}。 (5)最小割集的作用。

最小割集表明系统的危险性，每个最小割集都是顶上事件发生的一种可能渠道。最小割集的数目越多，系统越危险。现分述如下：

①表示顶上事件发生的原因。事故发生必然是某个最小割集中几个事件同时存在的结果。求出故障树全部最小割集，就可掌握事故发生的各种可能，对掌握事故的规律，查明事故的原因大有帮助。

②—个最小割集代表一种事故模式。根据最小割集，可以发现系统中最薄弱的环节，直观判断出哪种模式最危险，哪些次之，以及如何采取预防措施。 ③可以用最小割集判断基本事件的结构重要度，计算顶上事件概率。 (6)结构重要度分析。

结构重要度分析是分析基本事件对顶上事件的影响程度，为改进系统安全性提供信息的重要手段。

故障树中各基本事件对顶上事件影响程度不同。从故障树结构上分析，各基本事件的重要度(不考虑各基本事件的发生概率)或假定各基本事件发生概率相等，分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度，叫结构重要度。 结构重要度判断方法有：

①改变基本事件状态值，求结构重要度系数。

②利用最小割集分析判断方法，判断结构重要度有以下几个原则： ·一阶(单事件)最小割集中的基本事件结构重要度大于所有高阶最小割集中

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基本事件的结构重要系数。

如在{Xl}、{X2，X3}、{X2，X4，X5}中，I(1)最大。

·仅在同一最小割集中出现的所有基本事件，结构重要系数相等(在其他割集中不再出现)。

如在{Xl，X2}、{X3，X4，X5}、{X6，X7，X8，X9}中，?(1)=?(2)；?(3)= ?(4)=

?(5)；?(6)= ?(7)= ?(8)=?(9)

·几个最小割集均不含共同元素，则低阶最小割集中基本事件重要系数大于高阶割集中基本事件重要系数。阶数相同，重要系数相同。

如上例中{X1，X2}、{X3，X4，X5}、{X6，X7，X8，X9}中，?(1)>?(3)>?(6) 在{X1，X2，X3}、{X4，X5，X6}中，?(1)= ?(4)

·比较两基本事件，若与之相关的割集阶数相同，则两事件结构重要系数大小由他们出现的次数决定，出现次数大的系数大。

·相比较的两事件仅出现在基本事件个数不等的若干最小割集中。 若它们重复在各最小割集中出现次数相等，则在少事件最小割集中出现的基本事件结构重要系数大。如在{X1，X3}、{X2，X3，X5}、{X1，X4}、{X2，X4，X5}中，X1出现两次，X2也出现两次，但X1在少事件割集中，所以I(1)>I(2)。 在少事件割集中，出现次数少，多事件割集中，出现次数多，以及它的复杂情况，可以用近似判别式。

I(i)??Ki(1/2)n?1,X?K

式中 I(i)——基本X1的重要系数近似判别值； Ki——包含Xi的(所有)割集；

n——基本事件X，所在割集中基本事件个数。 I(1)=I(3)>I(4)>I(2)>I(5)

在用割集判断基本事件结构重要系数时，必须按上述原则进行，先判断近似式是迫不得已而为之，不能完全用它。

③用最小割集判别基本事件结构重要顺序与用最小径集判别结果一样。 ④凡对最小割集适用的原则，对最小径集同样适用。 3.3.3故障树建树及原则

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故障事件和基本事件是部件(设备和人都被看做部件)的故障表示。它分为故障破坏和故障。

部件的故障破坏是一个异常情况，它要求在正常功能重新恢复之前，必须进行修复。例如，当泵轴承断裂，可视为故障破坏。而部件故障是一旦异常条件得到修正，它的功能即可以恢复。例如，开关受潮引起接触故障。一旦干燥后，功能就正常了。

不论将部件异常划分成为故障还是故障破坏，故障树分析的基本假定都是把所有部件作为处于故障状态或处于正常工作状态来处理。通常，一系列演降(递降)运行状态的分析都是假设。分析人员必须确定故障树中所有的事件“成立”或“不成立”。故障树中故障和故障破坏可分为3种：①主故障和故障破坏；②副故障和故障破坏；③指令性故障和故障破坏。

“主故障破坏和故障”是指当部件在设计规定条件下，运行时发生的异常情况。例如，压力容器在设计的压力范围的，有用焊接的缺陷，而产生破坏，这就是一个主故障破坏。主故障破坏和故障通常属于故障部件本身的缺陷，不属于某些外力或条件，即部件自身引起故障破坏或故障。

“副故障和故障破坏”指设备操作条件超出设计范围引起的设备异常情况。例如，压力容器由于其他系统故障或故障破坏，引起本压力容器内部的压力升高，且超过设计极限，引起破裂，这就是“副故障破坏”。“副故障”不是由设备自身缺陷引起的，而是由于某些外力或条件所致。

指令隆故障是部件的功能符合设计要求时，设备异常，由于部件功能未按要求它的操作被称为异常。例如，温度报警仪在工艺中，由于温度传感器故障未进行高温报警，传感器的故障是由于高温时报警仪未响，那么，没有采取必要的处理。指令故障和故障破坏不会对设备产生故障。

在故障树中通常出现这3种故障和故障破坏，故障树分析的主要任务之一就是识别导致故障事件发生的基本事件。这些事件是主要故障和故障破坏，识别对部件有责任的故障。次要和指令故障是中间事件，可以进一步由它的主要故障和故障破坏确定。 1)分析过程

为了确定问题，必须选取：

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(1)一个顶上事件。 (2)分析的边界条件。 这些边界条件包括： ·系统本身边界； ·解决问题的深度； ·初始条件； ·不允许的事件； ·现有的条件； ·其他假设。

顶上事件是事故(或不希望事件)，它是故障树分析的主题(这一事件一般是通过前期安全评价确定的)。就一个被破坏的系统或工厂而言，确定顶上事件应很严谨，因分析范围太宽或顶上事件确定不当都会导致分析失效。例如，用“工厂火灾”作为顶上事件，对故障树分析来说太过笼统。代之以“在工艺氧化反应器正常运行中发生失控反应”作为顶上事件，就很恰当。因为它说清了“发生了什么事”、“在何处发生”、“何时发生”。“什么事”讲清了事故的类型(失控反应)，“何处”讲清了事故发生的设备和系统(工艺氧化反应器)，“何时”讲清了整个系统当时的状态(正常运行中)。 2)实物系统边界条件

在故障树中它包括：设备、设备与其他工艺的界面、公用／辅助系统。除了系统边界，分析人员应列出故障树事件的解决方案(应简单说明在故障树中的细节)。例如，电动阀可作为一个单一设备或作为几个硬件条件(即阀体、类型、电动操作人员，必须的开关装置、动力电源，阀破裂)，安全研究的评价水平较高的人员在分析时，常从FMEA或预先分析中获取故障详细资料。对故障树的求解只限于满足分析主题的需要，并与已有的资料相适应(匹配)。

另一边界条件是初始设备状态和初始运行情况。这种边界条件说明了故障树分析的系统和设备(当时)状况。对于实物体系边界内的所有设备，分析人员都要给定其状态，如哪个阀门是开的，哪个阀门是关的，哪个泵开，哪个泵关等。这些边界条件说明系统是否处于正常或非正常状态。 3)不允许事件

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对于故障树分析来说，不允许事件被认为是令人难以置信的，或因某种原因，它不在分析所考虑的范围内，现有条件(也是故障树分析的目的)是认为确实所发生的事件。在已发生的故障中通常不出现未允许事件或现有条件；但是作为编制故障树结果，编制其他故障事件时它们的影响应考虑进去。 4)编制故障树结构

故障树结构由顶上事件开始，逐步展开直至找出基本事件。分析人员从顶上事件开始，逐步扩展到下一层，用推理法找出原因和影响，以确定引起顶上事件必须的有效原因的中间事件，用故障树表示非常简单，可用其他方法(像FMEA)来评价之。

与顶上事件有联系的顶上事件的中间原因在故障树中显示出来。如果某一中间原因直接导致顶上事件发生，就用“或逻辑门”把它与顶上事件连接起来；如果需要所有中间原因同时存在才能发生顶上事件，则它们与顶上事件的连接是使用“与逻辑门”。顶上事件的所有中间事件用上述方式来处理。对每个中间事件，在故障树中用相应的逻辑门确定；分析人员逐步扩展故障树直至找出所有故障原因的基本事件。

3.4针对支架液压系统的故障做树状图分析

3.4.1压系统故障树模式与机理

根据现场和调查资料显示，液压支架的液压系统故障形式的故障树可以如

图建立。

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液压系统故障树图 图中各符号的意义如下： T—液压系统故障。

s1—千斤顶故障，千斤顶不动或动作慢，支撑力达不到要求。 s2—立柱故障，不升或升速慢，乳化液外漏，支撑力达不到要求。

s3—操纵阀故障，操作时液流声大，且立柱、千斤顶动作缓慢，操作手把 故障。

s4—管路故障，管路堵塞或泄漏。

s5—安全阀故障，不到额定工作压力就开启，渗漏现象，外载超过额定压 力安全阀不能开启。

s6—动作慢，不能及时支撑矿压。

s7—支撑力达不到要求，使立柱不能及时上升到规定的高度。 s8—操作手把不灵活，不能自锁。

s9—外载超过额定压力，安全阀不能开启。 x1—千斤顶变形，不能伸缩。x2—泵压低。 x3—管路堵塞。

x4—几个动作同时操作，造成短时流量不足。

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x5—千斤顶漏液。 x6—泵压低。

x7—安全阀调压低，达不到工作阻力或安全阀失灵。 x8—操作时间短，未达到泵压即停止供液。 x9—立柱变形。

x10—操作手把折断，是由于与重物撞击或与片阀垂直方向重压，手把或 材质、制造缺陷。 x11—手把处进煤粉过多。 x12—压块或手把工作凸台磨损。 x13—手把摆角小于80度。 x14—阀体外漏液。

x15—高压软管损坏漏液，是由于胶管被挤压、砸坏或过期、老化或由于 误用。

x16—管接头损坏，是由于升降架中挤坏或装卸困难，加工尺寸及密封件 不合规格。

x17—U形卡折断、丢失。

x18—弹簧失效，使安全阀降到关闭压力不能及时关闭。 x19—弹簧力过大，不符合性能要求。

x20—杂质赃物堵塞，阀座不能移动，过滤器堵死。 x21—阀座、弹簧座、弹簧变形卡死。

x22—安全阀阀体渗漏，是由于O形密封圈损坏或阀座与O形圈不能复位。 3.4.2压支架泵站液压系统

在机械采煤工艺中，乳化液泵站是用来向作面单体液压支柱（液压支架和单体液压支柱设备。它是支架液压系统的动力源，并可用作备的动力源。乳化液泵由乳化液泵组和乳化液置及过滤系统。是用来贮存、回收和过滤乳化液液压系统图如图所示。

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乳化液泵站的液压系统图

1—回液断路器；2—吸液断路器；3—乳化液泵；4—泵用安全阀；5—卸载阀；6—容积为4升的蓄能器；7—高压过滤器；8—容积为25升的蓄能器；9—交替阀 10—压力表；11—Ф32快速接头座；12—网式过滤槽；13—磁性过滤器；14—快速接头；15—手动配液阀；16—供水接头；17—连通断路器。

当供液系统压力超过调定压力（如支架停止用液）时，卸载阀就动作，并把泵排出的乳化液直接送回乳化液箱，使泵处于低载下运行。当供液系统压力低于规定压力（调定压力的70%左右）时，泵站就会重新恢复供液状态。 （1）液压系统故障树模式与机理

通过调查表明，液压支架的乳化液泵站的主要故障形式有泵站的卸荷阀安全阀阻塞和乳化液污染三大类。其实，卸荷阀和安全阀阻塞主要就是由于乳化液污染所致，其它因素都是次要原因，在此可以忽略不计。因此，这里主要分析由于乳化液污染等造成的阻塞[11]。乳化液污染问题在后面的章节再进行详细的讨论。

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可以建立如图的乳化液泵站故障树形式。

泵站故障树

根据现场使用经验及理论分析，乳化液泵站的主要故障形式有以下几种： ①泵故障； ②卸载阀阻塞； ③安全阀阻塞； ④管路漏液； ⑤液控单向阀故障。 图中各符号的意义如下：

T—泵站故障；

S1—卸载阀阻塞，主要是由于乳化液污染所致； S2—安全阀阻塞，主要是由于乳化液污染所致； 1,2,3—逻辑门序号； X1—主泵故障； X2—管路泄漏或堵塞；

X3—乳化液污染所致，主要是由于下面几个因素引起：工作过程中不断产生的金属和密封材料磨损颗粒、过滤材料脱落的颗粒和纤维、剥落的油漆碎渣等检修过程中带入的灰尘和棉绒等；油液变质后产生化学反应，使金属腐蚀；出现颗粒、锈片，使油液污染；液压元件在装配、加工、存放和搬运过程中，砂砾、切

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屑、磨料、焊渣、锈片和灰尘等在液压系统尚未工作前已被带入；液压系统工作过程中，通过往复运动活塞杆、注入系统中的油液、油箱中流通的空气、溅落或凝固的水滴、流回油箱中的漏油等使尘埃侵入系统； X4—调压弹簧折断或弯曲； X5—密封件损坏； X6—锥阀与阀座磨损； X7—装配误差；

X8—调定弹簧的调定压力太大，使压力到达开启压力时安全阀不能打开； X9—乳化液因污染而导致化学变化，从而分解出粘状物，使安全阀失灵； X10—阀芯开始移动的静摩擦使安全阀超调。 （2）乳化液泵故障树

由液压支架井下使用情况调查表明，液压支架停机故障70%以上是由液压系统故障引起的，而乳化液泵是液压系统的主要故障元件，是液压系统的“心脏”。因此对乳化液泵的故障进行分析，建造其故障树，探讨提高其可靠性的途径和措施是非常重要的。

根据现场使用经验及理论分析，判断乳化液泵故障的主要依据是： 第一，容积效率明显降低，泵压上不去，无动作或动作速度缓慢。 第二，振动、噪声及乳化液温度显著增高。 由实际调查知；

造成第一种现象的原因主要有：

①泵缸体、配油盘间隙过大。由于缸体、配油盘配合表面严重磨损，主要是乳化液污染引起的磨损造成；其次是质量问题包括加工精度不够及泵中心碟型弹簧由于材质强度不足引起的失效，造成缸体与配油盘不密封。 ②密封失效。包括密封件老化及密封件磨损造成大量泄漏。

③柱塞与缸体配合面严重磨损，造成乳化液液大量泄漏。主要原因也是乳化液污染引起的磨损。

造成第二种现象原因主要有：

①主油泵吸空。由于乳化液中有空气或乳化液液面过低及补液量不足。 ②中心球铰烧损。由于缺乳化液运行，主要原因是补液量不足或安装不当。

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液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

根据以上分析可得乳化液泵故障树如图所示。

3.4.3泵站故障树的定性定量分析 （1）定性分析故障树模式

完整的故障树显示出故障如何导致事故的发生，然而，即使经验丰富的评价人员也不能从故障树中直接找出导致故障的所有原因；因此如何从故障树求取故障组合，最小割集就是其中的一种方法(这步也称为“求解故障树”)，最小割集是导致故障树顶上事件发生的所有故障的组合，它们逻辑上等效故障树。最小割集可作为事故可能发生的方法排列出来，如果有可用的数据，它们可以对故障树进行定量分析。方法有手工或计算机程序来求解故障树的最小割集。大型的故障树需要使用计算机程序去确定最小割集。这里介绍的方法可让分析人员求解在实践运用中的许多简单的故障树。

故障树求解方法有4步：①逐个标识所有门和基本事件；②将所有门解析成基本事件集合；③剔除各集合中的重复事件；④删掉所有的多余集合(已包含在其他集合之中的集合)。这样求解的结构是得到一份该故障树的最小割集表。现在，用图2所示的故障树作为例子，对这种求解方法作一说明。

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图3 故障树事例

第一步是给故障树中的全部门和全部基本事件逐个地加上标志符号。在图中，门是用字母符号表示的，基本事件是用数字符号表示的。每个符号都必须是惟一的，如果某一基本事件在故障树中出现了一次以上，则每次都用同—个符号。例如，基本事件2在图3中出现了两次，每次都用同一个符号(即事件2)。 第二步是将所有的门都解析成基本事件，用矩阵方法去完成。先从顶上事件开始，再通过矩阵进行处理，直至所有的门都得到求解为止。在矩阵中，一个被求解的门可用它的输入(即下级事件或者“门”)代替之。一般，应首先将顶上事件写入矩阵，而且要写在第一行第一列的为止(见图4a)。在矩阵中填写其余内容时，有两条规则：“或门”规则和“与门”规则。

“或门”规则——首先输入一个“或门”，用它置换矩阵中的门符号，其他输入则插入矩阵的下一空行内，每行只能有一个输入。另外，如果在已出现“或门”的行中有其他内容(事件和门)，这些内容必须在已填写有其他门的所有行中重复出现。

“与门”规则——当求解矩阵中的“与门”时，首先输入“与门”，用以置换矩阵中的门符号，其他输入则插入矩阵中下一个可用的列内，每列只能有—个输入，且只能填写在已出现“或门”的同一行之内。依次求解每一个门，且所有的“与门”之其他输入内容(事件和门)都填在对应的新的一行中。

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图4 故障树事例的门

“禁门”和“滞门”也按“与门”方式求解。

根据需要，反复使用这两个规则，直至矩阵保留下来的符号都是基本事件符号为止。

图3中的故障树就是用这两个规则求解的。图4a表示首先填入的是A门，它是我们列举的故障树的顶上事件。A门是一个“与门”，所以我们用与门规则去解它，得到其输入(下级事件和门)是B门和D门(图4b)。现在我们选择求解的下一个汽例如选B门。B门的同一行中，这一替换结果见图4c。

求解D门。D门是—个“或门”；所以，它的第一输入将D置换掉。请注意，现在C门是惟一留在矩阵中的门，它出现在第一行和第二行中。对出现的每次C门分别求解。首先解第一行的C门。我们将“或门”规则应用于C门(图4e)结果导致写在第三行中的内容新组合。总之，我们对第二行中的C门的求解见图4f。从而完成了矩阵中各个门的求解，这一步骤最终结果是得到了基本事件的4个集合：

割集Ⅰ：1、2、2

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割集Ⅱ：1、2、4 割集Ⅲ：1、2、3 割集Ⅳ：1、3、4

第三步是故障树的解析过程。将鉴别出的基本事件集合中的重复事件删除出去。只有割集中有重复的事件，基本事件2出现了两次。当我们剔除这一重复事件后，基本事件的4个集合是： 割集Ⅰ：1，2 割集Ⅱ：1，2，4 割集Ⅲ：1，2，3 割集Ⅳ：1，3，4

第四步是故障树的求解过程。将出现在基本事件中的多余的集合删减掉。在这些集合中，有两个集合是多余的。割集Ⅰ和Ⅱ是割集Ⅰ的多余集合；即Ⅱ和Ⅲ中每个集合都含有Ⅰ。一旦这些集合(Ⅱ和Ⅲ)被删除，留下来的集合就是最小割集：

最小割集：1，2 最小割集：1，3，4

找到了这一顶上事件的最小割集，分析人员就可以通过评价构成割集的故障破坏，来确定该系统的薄弱环节。 （2）故障树定量分析

故障树定量分析的目的在于计算顶上事件的发生概率，以它来评价系统的安全可靠性(将计算顶上事件发生的概率与预定目标值进行比较，如果超出目标值，就应采取必要的系统改进措施，使其降至目标值以下)。

要计算顶上事件发生的概率，首要条件是必须了解基本事件发生的频率，基本事件发生的概率首先是机械设备的元件故障概率，对于一般可修复系统，元件或单元的故障概率为λ，即单位时间(或周期)故障发生的概率，它是元件平均故障间隔期(或称平均无故障时间，MTBF)的倒数。

—般MTBF由生产厂家给出，或通过实验室实验得出。它是元件到故障发生时运行时间ti的算术平均值，即：

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??1MTBF液压支架液压系统的可靠性分析及改造设计

q?????

n?tMTBF?i?1in

n为所测元件的个数。元件在实验室条件下测出的故障率为λo，即故障率数据库存储的数据。在实际应用时，还必须考虑比实验室恶劣的现场因素，适当选择严重系数k。故实际故障率为：

??k?

q??????????t 即 q??t

μ为可维修度，它是反映元件或单元维修难易程度的量度，是所需平均修复时间(MTTR)t的倒数，μ=1／t，因为MTBE》MTTR，故t《μ，所以，对于—般不可修复系统，元件或单元的故障概率为：

q?1?e??t

式中t为元件运行时间。

如果把e??t按无穷级数展开，略去后面的高阶无穷小，则可近似为q??t。

第j个底事件的概率重要度PIj：

PIj??ad?qjknijij??d?q

i?1i?j,j?1由上式及顶事件失效概率公式，可得出第j个底事件的关键重要度：

CIj?qj?PIadj

现在许多工业发达国家都建立了故障率数据库，而且北美和西欧联合建库，用计算机存储和检索，对数据的输入和使用非常方便。为集中进行故障率试验提供了良好的条件，为安全性和可靠性分析提供了极大的方便。

从目前我国开展安全系统工程和可靠性工程的趋势来看，也必将走建立数据库、储存事故资料的道路。

但是，我们必须认识到，安全系统工程的开发、故障树分析的开发并不是以

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