液艙閥門遙控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究

1、2007年 11月第 35卷 第 11期機(jī)床與液壓MACH INE TOOL & HYDRAUL ICSN ov 1 2007V ol 135 N o 111液艙閥門遙控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究張興彪, 王慶華, 張洪朋, 孫玉清(大連海事大學(xué)輪機(jī)學(xué)院, 遼寧大連 116026)摘要: 從初次投入、工作效率、維修和保養(yǎng)費(fèi)用三個(gè) 方面對(duì)兩種典型的液 艙閥門遙控 系統(tǒng)進(jìn)行詳 細(xì)分析和 比較; 運(yùn)用可靠性相關(guān)理論, 建立可靠性模型, 得出可靠度 函數(shù)和平均無(wú)故障工作時(shí)間; 最后指出兩 種閥門遙控 系統(tǒng)適用 范圍, 為船舶設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì) 準(zhǔn)則和選型依據(jù)。關(guān)鍵詞: 液艙閥門控制系 統(tǒng); 經(jīng)濟(jì) 性

2、; 可靠 性中圖分類號(hào): U 6641 4; TH 137文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1001- 3881 ( 2007) 11- 191- 3Study on Econom y and R eliab ility of th e R em ote C on trol System of F lu id H old V alvesZHANG X in gb iao, WANG Q inghua, ZHANG H ongpeng, SUN Yuqin g( M arin e Eng1 Co llege, D alian M arit im e U niv1, Da lian L iaon ing

3、 116026, Ch in a)Abstrac t: Two typ ica l rem ote contro l system s o f flu id ho ld va lves w ere ana lyzed and com pa red from aspects o f the first tim e in-vestm ent, the wo rk ing e ffic iency and the ma in tenance costing,reliab ility models of the two rem ote contro l system sw ere set up bas

4、ed onre lative re liability theoretics,the function of re liability and m ean tim e between fa ilu re (M TBF) of them w ere deduced1 T he app licab lerang es of the two remo te contro l system s w ere ind ica ted,des ign gu ideline and se lect criter ions for the ship designer w ere prov ided1K eywo

5、rd s: F luid ho ld va lve contro l system; Econom y; R eliability0 引言為了保證船舶正常姿態(tài)和貨物正常裝卸, 船舶營(yíng)運(yùn)的過(guò)程中需要借助于液壓或電液閥門遙控系統(tǒng)對(duì)液艙進(jìn)行調(diào)駁。閥門遙控系統(tǒng)發(fā)生故障, 將對(duì)人員生命安全和船舶正常營(yíng)運(yùn)產(chǎn)生重大影響。船舶液艙閥門遙控系統(tǒng)存在多種型式, 各種型式性能和適用范圍又有所不同。船舶設(shè)計(jì)者對(duì)各種型式了解不多或?qū)ζ湫阅苷J(rèn)識(shí)不足, 會(huì)造成選型不當(dāng), 使設(shè)備不能正常運(yùn)行,影響船舶營(yíng)運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此, 有必要對(duì)其經(jīng)濟(jì)性和可靠性進(jìn)行綜合研究。1 液艙閥門遙控系統(tǒng)簡(jiǎn)介船舶液艙閥門遙控系統(tǒng)主要包括液壓集

6、中遙控系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱集中型 ) 和電液分散遙控系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱分散型 ) 兩種型式。集中型一般包括液壓泵站、電磁換向閥組、液壓油缸 3個(gè)組成部分。液壓泵站作為系統(tǒng)的動(dòng)力源。電磁換向閥通過(guò)改變液壓執(zhí)行元件進(jìn)、排油方向, 使其產(chǎn)生往復(fù)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 用來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門。分散型是一種新型的閥門控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將電機(jī)、液壓泵、液壓執(zhí)行器、控制附件集成在一起, 組成小型的獨(dú)立電液控制器, 裝在每個(gè)液艙閥門上, 由電信號(hào)直接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門。其核心部分 ) ) ) 電液控制器由動(dòng)力模塊、液壓執(zhí)行模塊、安全保護(hù)模塊、閥位指示模塊組成。動(dòng)力模塊包括微型電機(jī)、微型徑向柱塞2 閥門遙控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析21 1 初

7、次投入在初次投入分析時(shí), 由于集中型和分散型的電器控制部分原理和結(jié)構(gòu)相近, 因此兩種型式電器控制部分初次投入基本相同, 只考慮液壓部分的初次投入費(fèi)用。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查, 集中型初次投入費(fèi)用大約為人民幣 10萬(wàn)元。其中主要液壓元件和液壓附件的價(jià)格總計(jì) 66 000元。考慮電器部分的費(fèi)用和安裝費(fèi)用, 初次投入費(fèi)用達(dá)到 10萬(wàn)元。分散型由于不存在液壓管路和液壓泵站, 減少了系統(tǒng)的初次投入費(fèi)用。分散型在國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)引進(jìn)或生產(chǎn), 無(wú)法在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上對(duì)兩種遙控系統(tǒng)進(jìn)行初次投入費(fèi)用的比較。通過(guò)咨詢普萊格公司產(chǎn)品在北京的經(jīng)銷商 ( W aymon t In tern at iona l Inc1 ), 每個(gè)閥門電液控

8、制器在國(guó)內(nèi)的零售價(jià)格為 260歐元左右, 折合人民幣為2 139元?？梢杂?jì)算出 49個(gè)電液控制器的總價(jià)格為人民幣 10萬(wàn)元左右。這要高于集中型中液壓元件的66 000元的總價(jià)格。但是考慮到德國(guó)高昂的生產(chǎn)費(fèi)用, 則價(jià)格高于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品也是合理的。如果國(guó)內(nèi)掌握或者引進(jìn)分散型遙控系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù), 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的分散型系統(tǒng)的初次投入會(huì)低于集中型系統(tǒng)。21 2 工作效率閥門遙控系統(tǒng)的效率可通過(guò)公式 ( 1 ) 計(jì)算:泵、溢流閥、單向閥等。安全保護(hù)模塊包括壓力開(kāi)關(guān)G = Ge Gp Ga Gc( 1)和溢流閥組等。液壓執(zhí)行模塊可產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 用于開(kāi)關(guān)截止閥和蝶閥。閥位指示模塊包括微動(dòng)開(kāi)關(guān)和電阻

9、(電流 ) 式閥位指示器。式中: Ge 為原動(dòng)機(jī)的效率; Gp 為液壓泵的總效率;Ga 為液壓缸的效率; Gc 為液壓回路的效率。兩種遙控系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)和液壓缸的效率是相同的,# 192#機(jī)床與液壓第 35卷液壓泵的效率可以從相關(guān)手冊(cè)中查到。因此只需計(jì)算液壓回路的效率, 就可以對(duì)它們的工作效率進(jìn)行比較。2121 1 集中型工作效率系統(tǒng)正常工作時(shí)安全閥處于關(guān)閉狀態(tài), 過(guò)剩流量為 0, 則有:塵、污染物、空氣、化學(xué)物質(zhì)侵入系統(tǒng), 大大提高設(shè)備的可靠性。因此閥門電液遙控系統(tǒng)基本上不需要日常保養(yǎng)。分散型系統(tǒng)幾乎不存在液壓油和濾芯以及管件的消耗, 由消耗品引起的費(fèi)用為 0。因此, 在維修和保養(yǎng)費(fèi)用方面, 閥

10、門電液分散遙Gc = (p p - $p )Q /p pQ = ( p p - $p ) /p p( 2)控系統(tǒng)要優(yōu)于液壓集中遙控系統(tǒng)。圓管中的壓力損失可以通過(guò)下式 4計(jì)算:3 閥門遙控系統(tǒng)的可靠性l Q 2 l Q 2 K 2= Q ( 3)d 2 d K 1 K 1式中: K為沿程阻力損失系數(shù); l為管道長(zhǎng)度 (m );3均速度 (m / s); K 為壓力損失系數(shù), K = Kl /d; K 1 為2 32根據(jù)公式 ( 2 ) 和 ( 3), 輸入具體數(shù)據(jù), 計(jì)算可得 Gc = 01 94。如果原動(dòng)機(jī)的效率 Ge = 01 95, 液壓泵的效率 Gp = 0175, 液壓缸的效率 Ga

11、= 019, 代入公式( 1 ) 中, 可得: G= 016。2121 2 分散型工作效率通過(guò)計(jì)算可以確定系統(tǒng)液壓油的流動(dòng)狀態(tài)為層流, 管路中層流流動(dòng)的功率損失為:31 1 閥門控制系統(tǒng)的可靠性模型在建立可靠性模型之前, 進(jìn)行如下假設(shè): 系統(tǒng)的各部件只能取正?；蛘吖收蟽煞N狀態(tài); 部件狀態(tài)轉(zhuǎn)移率 (故障率 ) 為常數(shù), 即部件的故障分布服從指數(shù)分布; 系統(tǒng)各單元之間相互獨(dú)立; 選擇開(kāi)關(guān)的可靠度為 1; 電子元件的可靠度為 1。系統(tǒng)的各元件是串聯(lián)的關(guān)系 (這里把并聯(lián)泵源看成一個(gè)整體 ) , 因此, 整個(gè)系統(tǒng)是串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。由此可以得出兩種閥門遙控系統(tǒng)任務(wù)可靠性的框圖模型, 見(jiàn)圖 1、 2。24( 4

12、)閥門電液分散遙控系統(tǒng)電液控制器采用集成油路,油路存在管道進(jìn)口、直角轉(zhuǎn)彎、突擴(kuò)管路、突縮管路等局部功率損失 (單向閥除外 ), 可通過(guò)下式計(jì)算:3 24( 5)根據(jù)公式 ( 4 ) 和 ( 5 ), 輸入 具體數(shù)據(jù) 可得:-4總長(zhǎng)不會(huì)超過(guò) 2m, 總的局部損失系數(shù) F不超過(guò) 100,因此這兩部分的功率損失可以忽略不計(jì)。由文獻(xiàn)可知, 集成油路中單向閥在泵的額定排量下的壓力損失為 1M Pa, 由公 式 ( 2 ) 計(jì) 算得出液 壓回路的 效率Gc = 0194。如果原動(dòng)機(jī)的效率 Ge = 0195, 液壓泵的效率 Gp = 018, 液壓缸的效率 Ga = 019, 代入公式 ( 1)中, 可得

13、: G= 01 63。可見(jiàn), 電液分散型系統(tǒng)工作效率要高于集中型系統(tǒng)。21 3 維修和保養(yǎng)費(fèi)用集中型系統(tǒng)日常維修和保養(yǎng)主要工作包括啟動(dòng)油泵前后常規(guī)檢查、油路中相關(guān)閥門的開(kāi)關(guān)、液壓油的檢驗(yàn)和補(bǔ)充、清洗濾器和更換濾芯、捉漏和滅漏等。日常維修和保養(yǎng)所需的人力可以轉(zhuǎn)化為費(fèi)用, 增加系統(tǒng)的初投入。系統(tǒng)消耗品的費(fèi)用主要包括液壓油和備件的消耗。通過(guò)詳細(xì)計(jì)算, 系統(tǒng)消耗品費(fèi)用為 600+25+ 104= 729 (元 /年 )。分散型系統(tǒng)的電液控制器采用模塊化、集成化、封閉式循環(huán)油路, 能夠有效防止泄漏和污染, 防止灰圖 1 液壓集中遙控系統(tǒng)可靠性框圖模型圖 2 電液分散遙控系統(tǒng)可靠性框圖模型圖中標(biāo)明 的數(shù)字

14、為 該部件 的故障 率, 單位為-6 -1相同的元件賦予相同的故障率。本文的故障率綜合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和可靠性有關(guān)專著的選取。雖然數(shù)據(jù)并不是最新的, 但本文的主要目的是系統(tǒng)比較, 因此是可行的。31 2 閥門遙控系統(tǒng)的可靠性計(jì)算3121 1 集中型系統(tǒng)的可靠性計(jì)算根據(jù)液壓系統(tǒng)失效統(tǒng)計(jì)資料知道, 元件合理設(shè)$p = Kv = Kd 為管道內(nèi)徑 (m ); Q為液體密度 ( kg /m ); v 為平管道系數(shù), K 1 = 2A /Q; Q 為流量 (m / s); A 為管道截面面積 (m )。P層流損失 = 128QTlQ /PdP局部損失 = 8QFQ /P dP層流損失 = 0105l, P局部損

15、失 = 11 0 10 F。由于集成油路10 h 。為了方便比較兩種閥門遙控系統(tǒng)的可靠性,第 11期張興彪 等: 液艙閥門遙控系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性研究# 193#計(jì)、材料選擇和制造技術(shù)是可靠性的決定因素, 一般占 80% , 而元件使用及環(huán)境因素一般占整個(gè)因素的 20% 。在使用中故障率 75% 是由油液污染引起元件或系統(tǒng)工作失效, 采用精過(guò)濾器后, 一般可保證濾油后油液清潔度提高一個(gè)等級(jí)。因此可以認(rèn)為, 采用精過(guò)濾器后, 系統(tǒng)的失效率 為未采用精濾 油器的931 5% , 即 ( 0175 015 + 01 3 ) 012 + 018 = 01935,因此該值可作為系統(tǒng)失效率計(jì)算時(shí)的修正系數(shù)

16、C。另外, 圖 1和圖 2給出的是元件的基本故障率,是在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件下得出的, 在不同的工作環(huán)境下, 需要對(duì) 其作相應(yīng) 的修正, 即實(shí)際 故障率 K=K F K0, 式中, K F 是故障率修正系數(shù), 液壓元件故障率的修正系數(shù) (環(huán)境因子 ) 由使用的環(huán)境條件決定,對(duì)于固定地面設(shè)備, 一般取 K F = 5 15, 鑒于船舶特殊的使用環(huán)境, 這里取 K F = 15。把泵源裝置看成是兩個(gè)元件并聯(lián), 每個(gè)元件的故障率為 K01, 則有 K01 = 10+ 21 0+ 61 0= 1810。根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算公式, 可以得到泵源裝置的可靠度 R 1 ( t):- KFC K t - K F

17、C K 1t - K FC (K 1 + K ) t - KFC K t - K FCK01 t對(duì)于多個(gè)選擇開(kāi)關(guān)構(gòu)成的換向閥和液壓缸系統(tǒng),設(shè)換向閥和液壓缸的總故障率為 K02, 則有 K02 = 12+310= 1510, 可得選擇開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的可靠度 R 2 ( t)為:n ni = 1 i = 1式中: 選擇開(kāi)關(guān)的可靠度 Rw i = 1; R i ( t)為第 i組換向閥和液壓缸的可靠度; K i 為第 i組換向閥和液壓缸的使用率?？梢?jiàn)在開(kāi)關(guān)和各單元可靠度相同的情況下, 多個(gè)開(kāi)關(guān)組成的選擇系統(tǒng)的可靠度與組成單元的可靠度相同。圖 1除去泵源和選擇開(kāi)關(guān)部分以后, 剩下的元件之間完全為串聯(lián)關(guān)系。設(shè)

18、剩下元件的總的故障率為修了。3121 2 分散型系統(tǒng)的可靠性計(jì)算由圖 2可以看出, 閥門分散型系統(tǒng)各單元之間完全是串聯(lián)關(guān)系。設(shè)分散型系統(tǒng)總的故障率為 K, 則有: K= 4 210+ 4 610 + 10+ 21 5+ 310 + 11 5= 49。- K FC K系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間 M TBF 為: -K FC Kt0 0代入具體數(shù)值可得到 MTBF = 1 455h?？梢?jiàn)分散型系統(tǒng)的任務(wù)可靠性高于集中型系統(tǒng)。因此閥門集中控制系統(tǒng)的預(yù)防維修時(shí)間間隔可以定為 1 500h, 這個(gè)時(shí)間對(duì)于閥門遙控系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 是相當(dāng)令人樂(lè)觀的。4 結(jié)束語(yǔ)閥門電液分散遙控型式經(jīng)濟(jì)性和可靠性指標(biāo)均優(yōu)于液壓集中遙控

19、系統(tǒng)系統(tǒng), 可廣泛應(yīng)用無(wú)特殊防爆要求的一切船舶。對(duì)于具有特殊防爆要求的船舶應(yīng)選用液壓集中遙控系統(tǒng)。隨著防爆型的閥門電液分散遙控系統(tǒng)的出現(xiàn), 電液分散遙控型式將取代液壓集中控制型式。參考文獻(xiàn)= 1> 孫玉清 1 船用大功 率液 壓泵 站的 研究 D 1 大 連海運(yùn)學(xué)院, 19891= 2> 吳良寶, 黃德峰, 魏虎仁 1 船舶液 壓傳動(dòng) 系統(tǒng) M .國(guó)防工業(yè)出版社, 19871= 3> E le ctro-hydrau lica lly R em o te- con tro lled V a lve s1 P le ig erM asch inenbau GmbH &

20、Co1KG1作者簡(jiǎn)介 : 張 興彪 ( 1972) ) , 男, 遼寧 岫 巖 人, 講師 , 輪機(jī)長(zhǎng) , 主要 從事 船舶 機(jī)電一 體化 的研 究。 E - m a i:lke ller72 1631 com。收稿日期: 2006- 12- 15( 上接第 194 頁(yè) )K03, 則有:K03 = 710 + 21 5 + 0103 + 3 61 0 + 015 +時(shí), 主軸的熱伸長(zhǎng)量為 0, 恢復(fù)到冷機(jī)狀態(tài)。否則,315+ 115 + 310= 36103。則這個(gè)系統(tǒng)的可靠度為:- K FC K03 t當(dāng)主軸再次啟動(dòng)的時(shí)間間隔小于 t2 t3 之間的時(shí)間段時(shí), 主軸啟動(dòng)的同時(shí)就要進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償。有關(guān)主軸的熱變形, 人們做了大量的研究, 推出- K FC K t- e- K FC K01 t)#了不同類型的主軸, 主軸的熱穩(wěn)定性越好, 其價(jià)格也e- K FC K02 te- K FC K03 t= 2e- K FC ( K0 1 + K0 2 + K0 3 ) t- K FC (2 K0 1 + K0 2 + K0 3 ) t( 6)相對(duì)比較昂貴?，F(xiàn)在也很難找到一款能夠完全消除熱根據(jù)式 ( 6 ) 得到的系統(tǒng)的可靠度, 可得到系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間 (MTBF ):誤差的主軸。因此, 不管是普通的主軸, 還是高檔次的主軸都可以采用本