港口帶式輸送機關鍵部件可靠性壽命分析

緒論1.1課題研究背景和意義帶式輸送機在港口的安全生產(chǎn)中擔負著十分重要的責任，它夠按照既定的輸送路能線，以均勻的輸送速度，實現(xiàn)煤炭的定向運輸。帶式輸送機在使用過程中，也會經(jīng)常遇到各類故障。這些故障一旦發(fā)生，輕則造成設備停運，在維修的過程中導致停產(chǎn)，為港口造成直接經(jīng)濟損失；重則會導致嚴重的生產(chǎn)事故同時造成人員的傷亡，為社會帶來不可估量的損失。在我國，可靠性的概念在航空航天、軍事科技等方面己經(jīng)取得了一系列的成果。相反，在工業(yè)機械裝備領域，尤其是帶式輸送機的滾筒、托輥、輸送帶的研究還沒有做到普及，部分從事設計的人員、生產(chǎn)廠家對其還沒有建立起足夠的認識，認為它可能只是一個印刷在書本中的概念，或者是一個與實際不相關的數(shù)字。正是因為如此，引導可靠性技術在帶式輸送機關鍵部件方面推廣應用，具有重要的理論意義。通過運用可靠性理念設計出的機械產(chǎn)品，在安全性、實用性、經(jīng)濟性等各方面都有明顯的優(yōu)勢，而基于故障樹理論的可靠性分析是一個邏輯思維嚴密，推理過程清晰，計算結果準確的研究方法，其重點研究的內容為零部件的使用壽命情況，以該參數(shù)為變量，可以根據(jù)推導的概率失效計算公式，得出目前使用狀況下各零部件的基本情況，以及以后該零部件的使用可靠度，這樣不僅為客戶解決了實際使用問題，同時可以避免機損事故，為維修提供輔助決策，具有重要的實踐意義。1.2帶式輸送機關鍵部件發(fā)展現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代化工業(yè)技術的突飛猛進，帶式輸送機逐漸向高帶速、大運量、長距離等特點轉變，同時要有很強的適應工作環(huán)境的能力和相對較長的壽命周期?，F(xiàn)代的帶式輸送機在發(fā)展的過程中，與數(shù)十年前相比有了明顯的進步。在設計方法上，傳統(tǒng)的常規(guī)設計方法一般是運用力學和數(shù)學形成的經(jīng)驗公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據(jù)。在現(xiàn)代設計理論方法中，通過計算機這一先進的工具，將其運用在滾筒、托輥、輸送帶的設計中，通過這種設計手段，最終使設備結構布置更加趨于優(yōu)化，重點零部件更加緊湊耐用。在自動化和信息化方面，計算機仿真模擬己經(jīng)成為一種設計人員常用的設計手段。借助這項新型的技術，我們能夠在設計階段就對所要投入加工生產(chǎn)的滾筒、托輥、輸送帶實現(xiàn)可視化的“加工、裝配”，并可在此基礎上進行模擬工況操作，施加與現(xiàn)場實際使用時相當?shù)臈l件與載荷。由于帶式輸送機正在向著高帶速、大運量、長距離等特點轉變，滾筒、托輥的結構尺寸在逐步的增大，材料的性能要求在逐步提高，輸送帶的承載與抗磨、抗拉能力需要逐步提升。這樣對滾筒、托輥、輸送帶的受載能力，更換難易程度，使用壽命等都提出了新的要求，如何在滿足使用性能的條件下，達到最佳的經(jīng)濟性、安全性的效果，是我們應該值得關注的問題。帶式輸送機關鍵部件結構與形式2.1滾筒的結構與形式2.1.1滾筒的分類與結構滾筒作為整臺設備中的關鍵部件，其應用和功能都是任何部件不可取代的。按照它的功能性來劃分，大致有兩大類：驅動滾筒與改向滾筒。驅動滾筒和驅動電機通過減速箱、耦合器等連接，為帶式輸送機提供驅動力，為提高摩擦力，滾筒表面一般通過包膠處理，如圖2-1所示。改向滾筒通常把整個運輸線路按照實際情況中所提的要求來進行相應的調整，并可相應的適當增加驅動滾筒的圍包角，如圖2-2所示。滾筒軸、軸承座、輪毅、輻板、筒殼等按照設計圖紙的要求，相應的組合在一起，構成了一個完整的滾筒。圖2-1傳動滾筒圖圖2-2改向滾筒2.1.2典型的滾筒傳動形式帶式輸送機根據(jù)其特定的幾何尺寸、整機中包含的傳動滾筒數(shù)量、最初設定的拉緊裝置結構和使用中所需的卸料方式之不同，表現(xiàn)為其配置和外形也多種多樣。圖2-3所示為滾筒經(jīng)典配置圖。（a）單滾筒傳動(b)雙滾筒傳動(c)三滾筒傳動圖2-3滾筒典型配置圖2.1.3常見的滾筒失效形式（1）滾筒體包膠磨損。當輸送機滾筒圓周力持續(xù)增大到超過所允許的范圍后，輸送帶會在滾筒旋轉的相反方向產(chǎn)生微小的相對運動，我們稱之為伸長滑移，此時，膠帶則會在相應的滾筒上發(fā)生所謂蠕變現(xiàn)象，這樣就會增加帶子與滾筒之間的磨損，造成滾筒體的包膠磨損。（2）滾筒體壓裂開焊。如果帶式輸送機長期處在超載運行狀態(tài)下，加上在最初滾筒的加工時焊接質量的缺陷，則會導致滾筒體在使用一段時間后出現(xiàn)壓裂開焊。（3）滾筒軸損壞。如果滾筒出現(xiàn)滾筒軸的結構設計尺寸過小，軸的材料強度、硬度不滿足要求，滾筒軸的圓角半徑太小造成應力集中，主、從動滾筒中心線不平行等原因，那么在使用過程中導致滾筒軸產(chǎn)生損壞的幾率就大大增加。（4）滾筒軸承座損壞。重載負荷頻繁停車或啟動超載，滾筒設計的軸線與軸承座獨有的中心線不垂直有異物等現(xiàn)象的發(fā)生都會導致滾筒軸承座的損壞。2.2托輥的結構與形式2.2.1托輥的分類與結構在影響整臺設備使用性能的諸多原因中，托輥所發(fā)揮的作用可謂是極大的。它結構中主要有筒殼、軸、軸承、密封件、軸承座等。在其正常使用的過程中，最基本的要求是：使用中一定要保證有較高的可靠度，產(chǎn)生的回轉阻力要小，生產(chǎn)制造的成本要盡量在這壓縮，筒體的表面要近于光滑等。托輥在分類時，按照它獨有的結構形式和使用功能，基本涵蓋了下述幾種類型：圖2-4槽型托輥圖2-5平托輥圖2-6緩沖托輥圖2-7立輥圖2-8調心托輥圖2-9螺旋托輥以河北港口集團某煤炭分公司目前正在使用的帶式輸送機為例，其輸送機選用DTL160/400/4X1600。該條帶式輸送機中用了10°過渡托輥組6個，20°過渡托輥組6個，35°槽型前傾托輥組7719個，35°槽型前傾托輥組156個，緩沖托輥組24個，下V前傾托輥組1962個，下平托輥組36個，下支撐托輥組3個，上支撐托輥組4個。在接下來的故障樹分析中，該條帶式輸送機將作為其中分析的一塊重要內容，來具體分析托輥的使用壽命情況以及可靠度的評價。2.2.2常見的托輥失效形式（1）托輥筒皮磨壞。該失效形式發(fā)生的原因有：托輥自身的旋轉阻力加劇，使其與帶子之間的摩擦太大；托輥旋轉的方向與物料運行的方向之間存在夾角；托輥長期處在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中。（2）托輥軸承損壞。托輥在最初選型時存在的不合理性使得軸承的壽命提早到期而產(chǎn)生損壞；軸承密封性能不佳；托輥軸承在長期旋轉作用下潤滑失效；托輥組設計不合理使其發(fā)生共振等原因都會導致托輥的軸承在使用過程中提早發(fā)生失效。2.3輸送帶的分類與結構2.3.1輸送帶的分類輸送帶是搭載整臺設備所運輸?shù)奈锪舷蛑付ǖ攸c運送的重要構件，它通常起到的作用是拽引和承載。輸送帶的帶芯材料一般主要有棉帆布、尼龍帆布、鋼絲繩等幾種，如圖2-10～2-13所示。鋼繩芯輸送帶是以縱向排列的鋼絲繩為骨架，上下覆以強韌的優(yōu)質膠層，經(jīng)硫化制成。它的強度高、伸長小、成槽性好、使用壽命長，因此被廣泛應用于長距離、大運量的設備中，港口帶式輸送機在實現(xiàn)超長距離運輸時均采用鋼絲繩芯輸送帶。圖2-10棉帆布輸送帶圖2-11尼龍帆布輸送帶圖2-12鋼繩芯輸送帶圖2-13阻燃輸送帶2.3.2常見的輸送帶失效形式（1）輸送帶發(fā)生縱向撕裂。輸送帶發(fā)生縱向撕裂一直是讓用戶感覺棘手的事情，因此在這方面也有很多專家學者、生產(chǎn)廠商做了大量的試驗和研究，開發(fā)出了很多智能化、非接觸型的輸送帶縱向撕裂保護裝置。在煤炭中如果夾雜著鐵路車皮拉桿，或者長條狀金屬雜志，再加上輸送帶的跑偏都會導致此現(xiàn)象的發(fā)生。（2）輸送帶跑偏加劇磨損。托輥軸身徑向誤差大，由于它的安裝質量未滿足要求而導致壓力沿軸身方向不均，膠帶出現(xiàn)偏心載荷，膠帶的性能差、成槽型差、接頭不正，調心托輥和立輥失效都會使輸送帶發(fā)生跑偏，從而加劇其磨損。故障樹分析3.1故障樹方法概述3.1.1故障樹方法內容簡介故障樹分析法，是一種簡便、高效的方法。它直接研究的就是設備的各類失效形式(在其模型中我們稱之為頂事件)以及它們背后的產(chǎn)生原因(最終分析得到的各類基本事件的集合)。一個完整的故障樹模型，其包括所要重點研究分析的故障形式(頂事件)，以及導致該失效的表面原因(中間事件)和該失效模式所對應的最直接、最根本的原因(底事件)。我們知道任何現(xiàn)象的發(fā)生都遵循因果關系，所以故障樹模型也不例外。其各事件之間也必然會存在著某種特定的邏輯關系，因此，利用故障樹這種分析辦法，正好完美的解決了這一問題。它們之間的關系也存在著不同的結構形式，這些內容對應著不同的表達符號，這在后續(xù)的介紹中會重點提到。3.1.2故障樹分析法特點及步驟故障樹分析法的特點：（1）由于它是一種借助特定框架結構，運用事件之間的因果聯(lián)系來分析解決問題的方法。只要明確所要重點分析的失效模式，就可以根據(jù)它們之間的特定誘發(fā)關系，來逐級展開分析，并最終找出它的所有基本產(chǎn)生原因。（2）在上述步驟操作完成后，就可以較為清晰、直觀的看到究竟是何種原因導致該失效模式的產(chǎn)生，結合該原因，才能迅速找到帶式輸送機關鍵部件的薄弱環(huán)節(jié)。（3）借助各事件之間的因果關系，通過故障樹所特有的表達符號，把它們結合起來，從而建立一個完整的、可重點分析的模型。（4）在此模型建立的基礎上，便可對整個部件展開定性、定量的分析研究。（5）故障樹分析法在借助數(shù)理統(tǒng)計后，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)方面的計算；借助可靠性物理可以深究其內部的失效機理，準確判斷各類誘發(fā)原因。在此基礎上，才能對可靠性工程中的應用實例有精準的分析，從而指導后續(xù)的設計、給當前部件的維護、檢修、保養(yǎng)提供參考指導意見。對帶式輸送機關鍵部件進行故障樹分析時，通常遵循以下步驟：（1）建立故障樹；（2）建立故障樹的數(shù)學模型；（3）對設備進行可靠性的定性分析；（4）對設備進行可靠性的定量分析。3.2故障樹的建立故障樹模型的建立一般包括以下內容：1、頂事件的確定在帶式輸送機關鍵部件的分析問題上，就是用戶在使用過程中經(jīng)常會遇到的各類失效形式。2、故障樹的建立在明確想要重點分析的失效形式后，就把它放在該模型的最頂端，進而進行后續(xù)的推理研究。首先找到究竟是何種原因導致該失效形式的產(chǎn)生，這就是常說的各類中間事件。這些事件與模型中的最頂端事件也有其特有的發(fā)生關系，通過特定的事件符號先把它們連接起來。然后在此基礎上，向下延伸，找出此級事件所導致的各基本原因，我們稱它們?yōu)樵撃Ｐ椭械牡资录?、模型中的各字母所代表的具體含義要做到準確描述，并使其一一對應。4、事件之間的相互關系要時刻清晰，及時排除干擾因素，做到合理的舍棄。3.3故障樹的定性分析故障樹的分析方法的目的是為了找出其最基本、最直接的產(chǎn)生原因，這樣才能為后續(xù)整體設計改進、及時更換危險部件做出參考。而這個過程，在此分析方法中，稱之為是在尋找其全部最小割集。割集：能使帶式輸送機關鍵部件產(chǎn)生失效的所有基本事件的集合。最小割集：在上述割集所包含的各類事件中，假如剔除掉其中任意一個事件，其所對應的失效形式就不會產(chǎn)生，那么這個新的集合就是該失效形式所對應的最小割集。故障事件和其產(chǎn)生的原因是一一對應的。上述的每個割集，其所針對的就是該關鍵部件的其中一類失效形式。在這其中，每個關鍵部件所屬的每個最小割集一旦產(chǎn)生作用，該部件必然會失效。最小割集直接對應的就是該部件中最為薄弱的環(huán)節(jié)。3.4故障樹的定量分析故障樹定量分析的基礎之一就是前期所建的模型，因此，模型建立的合理性決定了后續(xù)計算的準確性。在分析總結后，我們知道帶式輸送機關鍵部件的各失效形式之間相互是獨立的，并且其中各失效模式所對應的基本事件也只存在兩種可能性：產(chǎn)生、不產(chǎn)生。這就為后續(xù)的準確計算提供了極大的便利，我們只需去重點研究模型中最底端事件集合的產(chǎn)生的概率，根據(jù)特定的計算方法，利用現(xiàn)有的計算式子，一步一步緊扣其相互之間的關系，即可求得我們關注的部件發(fā)生失效時的概率。（1）與門結構的輸出事件發(fā)生的概率 (3-1)式中——輸出事件；——輸入事件，i=1,2,…，n；——輸入事件發(fā)生的概率；——為“事件的積”的運算符號“交”。（2）或門結構的上端事件發(fā)生的概率 (3-2)式中——為“事件的和”的運算符號“并”。3.5帶式輸送機關鍵部件的故障樹模型3.5.1滾筒功能失效滾筒是帶式輸送機上的幾大關鍵零部件之一，它的主要結構由滾筒軸、輪毅、輻板、筒殼等組成。在設備中，經(jīng)?？梢姷氖莻鲃訚L筒和改向滾筒。前者主要負責將驅動部分輸出的扭矩傳遞給輸送帶從而帶動整機穩(wěn)定運行。后者則一般服務于整機輸送物料方向的改變。滾筒的主要失效形式有滾筒包膠磨損、滾筒體壓裂開焊、滾筒軸及軸承座損壞等。圖3-1滾筒功能失效的故障樹模型表3-1滾筒功能失效的故障樹模型事件表序號事件序號事件滾筒機械故障焊接質量缺陷滾筒包膠磨損滾筒軸結構設計尺寸過小滾筒體壓裂開焊軸的材料強度、硬度不滿足要求滾筒軸損壞滾筒軸的熱處理工藝差滾筒軸承座損壞滾筒軸的圓角半徑太小造成應力集中竄軸故障主、從動滾筒中心線不平行輸送帶彈性變形導致與滾筒間發(fā)生彈性滑動重載負荷頻繁停車或啟動輸送帶張力過大引起打滑輸送線路坡度大，長期超載輸送帶與滾筒的包角太大滾筒軸線與軸承座中心線不垂直回程皮帶有殘余物料，磨損滾筒包膠軸承鎖固安裝工藝不當包膠材料硬度與韌性有缺陷軸承中有異物進入輸送量變化產(chǎn)生的交變應力導致開焊3.5.2輸送功能失效整臺設備的輸送功能主要由驅動滾筒傳遞出來力矩后，依靠輸送帶和托輥的相互摩擦作用完成的。港口設備中常用的輸送帶主要有聚酷尼龍輸送帶、鋼絲繩芯輸送帶、阻燃輸送帶等。托輥的主要結構包括筒皮、軸、軸承座、軸承以及密封件。在帶式輸送機完成運輸?shù)倪@個過程中，輸送帶作為承載構件而言，由于在運輸?shù)倪^程中，設備運輸速度快，運輸量大，有時還會隨著輸送量的變化產(chǎn)生交變載荷，輸送過程中會出現(xiàn)帶子跑偏等，在這些諸多因素的共同作用下對輸送帶會產(chǎn)生較大的損壞。而托輥作為這個過程中的受力部件，其破壞程度也會隨著設備的工作而愈加明顯。常見的輸送功能失效主要有皮帶縱向撕裂、跑偏、斷帶以及托輥的筒皮磨透、轉動卡死、彎曲變形等。圖3-2輸送功能失效的故障樹模型表3-2輸送功能失效的故障樹模型事件表序號事件序號事件輸送功能失效膠帶出現(xiàn)偏心載荷輸送帶撕裂膠帶性能差、成槽型差、接頭不正托輥工作不良槽型承載托輥側輥的前傾角度有誤外部硬物導致膠帶撕裂自動調心槽型托輥失效皮帶跑偏導致膠帶撕裂橡膠托輥損壞無法增加膠帶抗側移能力托輥損壞立輥損壞托輥筒皮磨壞托輥轉動阻力加劇其與輸送帶的摩擦托輥軸承損壞托輥旋轉方向與物料輸送方向有夾角托輥彎曲變形損壞托輥運行所處的生產(chǎn)環(huán)境惡劣釬子、工字鋼劃破皮帶托輥選型不合理使軸承壽命到期損壞給煤、擋煤設備部件脫落劃破皮帶軸承密封效果不好錨桿回收不徹底，卡在給煤口戳入皮帶托輥軸承潤滑失效而損壞抽芯撕裂托輥組設計不合理使其發(fā)生共振現(xiàn)象托輥軸身徑向誤差大導致接觸角不等托輥選型不合理，不滿足強度、剛度要求托輥安裝質量差導致壓力沿軸身方向不等局部托輥受力較大造成過載而變形損壞3.5.3故障樹定性分析計算（1）滾筒功能失效 (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7) (3-8)化簡過程如下： (3-9)經(jīng)過布爾運算可得： (3-10)（2）輸送功失效能 (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17) (3-18) (3-19)化簡過程如下： (3-20) (3-21)經(jīng)過布爾運算得： (3-22)帶式輸送機關鍵部件壽命評價及可靠性分析4.1壽命評價概述4.1.1壽命評價方法簡介壽命評價的意義在于通過它可以對目前在役設備的使用性能得到直觀的了解，尤其是當前分析的設備在接下來繼續(xù)使用過程中所具有的剩余壽命。具體的可靠性壽命評價方法主要有以下幾種：1、解析法。帶式輸送機在港口應用中，通常所處的作業(yè)環(huán)境是較為惡劣，各部件產(chǎn)生類似于生銹、附著污垢等現(xiàn)象；各部件在使用時間的影響下，局部應力也會隨之相應變化。而解析法正是在此基礎上，經(jīng)過認真分析總結，最終得出其所具備的剩余壽命2、破壞性檢測法。在港口中，對于托輥這一關鍵部件，它的分布數(shù)量較為龐大，失效率也經(jīng)常會表現(xiàn)的特別突出。針對此現(xiàn)象，通過對現(xiàn)場更換下來的廢品進行取樣分析，結合它的磨損斷裂形式、疲勞開焊形式以及最嚴重的潤滑失效形式來較為精確的進行研究分析，把所有影響因素考慮進去，來給出其對應的剩余壽命值。3、非破壞性檢測法。與上述方法截然不同，它的進行不需要去破壞部件。只需去深入研究重點分析部件的結構尺寸變化、實驗數(shù)據(jù)記錄等，通過這樣的辦法，來完成這項既定的工作。在通常進行研究分析的過程中，由于設備關鍵部件的復雜性和使用工況的不確定性，以上幾種辦法在具體操作起來很難獨立進行，因此為了達到可操作性、也為了使結果具有真實性和可參考性，我們會把其揉和起來進行使用。4.1.2壽命評價新理論現(xiàn)代工業(yè)技術正在進行著深入的變革，新的研究技術也在逐步進入人們的視野。其是在計算機技術高度發(fā)達的今天，在對設備進行壽命評價時，常會采用目前較先進、較便捷的新型理論。典型的方法有：基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的預測辦法、運用概率趨勢來分析所建模型的辦法、根據(jù)損傷標尺的指導來進行故障預測的辦法等。4.2可靠性數(shù)據(jù)分析與直方圖繪制本文運用故障樹理論的研究方法來進行可靠性分析，它的具體步驟是在完整列出各零部件的失效故障樹模型的基礎上，結合對所要進行分析的零部件數(shù)據(jù)采集、分析，最終得出可以對實際生產(chǎn)、檢修、保養(yǎng)等起到指導性建議的壽命評估。具體的實施步驟主要有三個方面。4.2.1數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)的收集對于帶式輸送機可靠性壽命評價的作用是不可估量的，數(shù)據(jù)是進行可靠性分析中最為基礎的支撐?？煽啃苑治龅臄?shù)據(jù)根據(jù)其取樣地點的不同，大致可分為兩大類，試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)。試驗數(shù)據(jù)是在設備完善的條件下，所得出的一系列數(shù)據(jù)。它具有客觀、真實的特性，并且可以獨立重復進行多次試驗，得到多組試驗數(shù)據(jù)，因此結果更為準確。但是在通常情況下，帶式輸送機幾大關鍵部件由于造價成本高、實際尺寸大等條件的制約，在實驗室無法完成數(shù)據(jù)的收集。所以，現(xiàn)場數(shù)據(jù)成了我們在進行可靠性分析時常用的，也是相對易獲得的一類數(shù)據(jù)。它在設備進行可靠性設計、分析和研究時有很高的利用價值。一般情況下，我們是通過用戶在使用過程中的報修記錄、生產(chǎn)廠家在設備維修時的記錄等途徑獲得的。4.2.2數(shù)據(jù)分析在大量的數(shù)據(jù)收集結束之后，要進行數(shù)據(jù)的分析與篩選。在帶式輸送機實際使用過程中，由于一些特殊情況的出現(xiàn)，例如：電壓的驟然變化，輸送量的短時突然增大，實際使用工況下周圍環(huán)境的影響等一些無法提前預測與判斷的因素的干擾，造成所收集的數(shù)據(jù)中會有一些不符合實際情況的數(shù)據(jù)存在。因此，在進行可靠性分析的定量分析之前，要對數(shù)據(jù)整體做一次較為客觀的篩選，以保證所得的結果具備真實性、適用性和指導性。圖4-1可靠性參數(shù)分析流程圖直方圖是本文中在對各模型定量分析時采用的最為有效的方法，可以根據(jù)繪制得出的直方圖顯示出來的形狀去判斷該組失效數(shù)據(jù)究竟屬于何種形式的分布。作直方圖的具體步驟如下：（1）在收集到的一批數(shù)據(jù)中，找出其最大和最小值（2）將數(shù)據(jù)分組。一般用經(jīng)驗公式(4-1)確定分組數(shù)k，即 (4-1)（3）計算組距△t，即組與組之間的間隔： (4-2)（4）確定劃分好的各組的分點值，在數(shù)學中的概念即為其上、下限值。為了便于統(tǒng)計，其數(shù)位通常要比此組失效數(shù)據(jù)多取一位；并按照左閉右開區(qū)域進行劃分。（5）計算各組的中心值： (4-3)（6）統(tǒng)計落入各組的頻數(shù)和頻率： (4-4)（7）計算樣本均值 (4-5)（8）計算樣本標準差S： (4-6)（9）作直方圖。頻數(shù)直方圖：以該組數(shù)據(jù)的失效時間作為整體的橫坐標、各組的失效頻數(shù)作為整體的縱坐標，便可得失效頻數(shù)直方圖，參見圖4-2。失效頻率分布圖：將各組頻率除以組距。，將所得結果標在縱坐標上，失效的時間標在橫坐標上，作失效頻率分布圖，參見圖4.3。由此圖看出，經(jīng)過這一系列的工作后，按點連線，所得的曲線形狀就是其分布密度曲線的一種近似表達。在各組組距相同時，經(jīng)過計算與圖形的繪制，可以看出，失效部件對應的的頻數(shù)直方圖與頻率分布圖的繪制圖像類似。圖4-2失效頻數(shù)直方圖圖4-3失效頻率直方圖累積失效頻率分布圖：第1組的累積頻率為： (4-7)其中，為至第i組結束時的累積頻數(shù) (4-8)把累積頻率標在縱坐標上，把失效時間標在橫坐標上，以此為基礎得出累積頻率分布圖，如圖4-4所示。連接直方圖中各對應點，就會得到一條近乎光滑的曲線，體含義代表著數(shù)據(jù)總體的累積失效分布。根據(jù)此前得到的曲線，與各類分布函數(shù)相應的曲線進行比對，就可以大致判斷它的分布形式，進而獲知其計算式子。圖4-4累積失效頻率直方圖4.3常用的概率失效分布函數(shù)產(chǎn)品的壽命為一隨機變量，而隨機變量最基本的概念是概率分布?？煽啃怨こ讨谐Ｓ玫母怕史植及ǎ哼B續(xù)型的指數(shù)分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、最小極值分布、威布爾分布、Logistic分布、對數(shù)Logistic分布等類型。本文中所用到的失效分布有正態(tài)分布與威布爾分布。4.3.1正態(tài)分布在正態(tài)分布的失效密度函數(shù)為： (4-9)其中，，為常數(shù)，稱隨機變量T服從均值為，標準差為的正態(tài)分布。正態(tài)分布的累積分布函數(shù)為： (4-10)可靠度函數(shù)為 (4-11)式中，為標準正態(tài)分布。正態(tài)分布的失效密度函數(shù)和失效分布函數(shù)的圖形如圖4-5和圖4-6所示。其參數(shù)和分別稱為均值和標準差。圖4-5正態(tài)分布的失效密度函數(shù)圖4-6正態(tài)分布的分布函數(shù)失效率函數(shù)為 (4-12)正態(tài)分布失效率的圖形如圖4-7所示，其失效率隨時間呈上升趨勢。若某設備的關鍵部件的工作壽命服從于正態(tài)分布，則它的平均壽命可表示為 (4-13)而壽命的方差，標準差為因，其中是標準正態(tài)分布的分位點，所以，即可靠壽命為 (4-14)而中位壽命 (4-15)圖4-7正態(tài)分布失效率函數(shù)在本文中對帶式輸送機關鍵部件做可靠性研究時，發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布適用于分析由于磨損而引發(fā)故障的產(chǎn)品(輸送帶)。由于正態(tài)分布是對稱的，隨機變量取值范圍是到，用它來描述壽命分布時，會帶來誤差，因此當條件不符合時，可用截尾正態(tài)分布來處理。為了滿足截尾正態(tài)分布的失效密度函數(shù)在上的積分為1，引入正規(guī)化常數(shù)K,則 (4-16)它的累積失效分布函數(shù)為 (4-17)可靠度函數(shù)為 (4-18)失效率函數(shù)為 (4-19)其均值和方差分別為 (4-20) (4-21)4.3.2威布爾分布在可靠性工程在，威布爾分布應用最為廣泛。威布爾分布含有三個參數(shù)，具有很強的適應性，也就是對各種分布類型的試驗數(shù)據(jù)都有較強的擬合能力。同時，威布爾分布“浴盆”或“馬鞍”曲線的失效期都能適應，因此使得其在航空、機械、電子等領域都得到廣泛應用。設隨機變量T服從三參數(shù)威布爾分布，則其概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)為 (4-22) (4-23)其中，為形狀參數(shù)，為尺度參數(shù)，為位置參數(shù)。當時，成為兩參數(shù)威布爾分布?？煽慷群瘮?shù)和故障率函數(shù)為 (4-24) (4-25)形狀參數(shù)m是威布爾分布的本質參數(shù)，它決定了威布爾分布曲線的形狀。當m=1時，威布爾分布變?yōu)橹笖?shù)分布，所以指數(shù)分布是威布爾分布的特殊情況；當0<m<1時，密度函數(shù)曲線、故障率函數(shù)曲線隨時間的增加而下降，常用來描述產(chǎn)品早期故障階段的壽命分布；當m>1時密度函數(shù)曲線呈單峰形，故障率函數(shù)是遞增的，且m越大，曲線峰值越大；當m>3時威布爾分布趨向于正態(tài)分布。當形狀參數(shù)m和尺度參數(shù)η固定時，威布爾分布曲線的形狀基本相同，當η變化時分布曲線將沿橫軸壓縮或伸長，相當于橫坐標的尺度不同，所以把它稱為尺度參數(shù)。位置參數(shù)γ決定了分布曲線的位置，也就是曲線起點的位置。當γ=0時表示產(chǎn)品有可能從初始時刻就故障；當γ>0時表示產(chǎn)品經(jīng)過一段時間才可能故障；當γ<0表示產(chǎn)品開始工作時就已經(jīng)故障了。圖4-8為γ=0，η=1時不同m值的威布爾分布曲線。a)密度函數(shù)曲線b)可靠度函數(shù)曲線c)故障率函數(shù)曲線圖4-8威布爾分布的密度函數(shù)、可靠度函數(shù)及故障率函數(shù)4.4帶式輸送機關鍵部件的可靠性壽命分析如何根據(jù)設備使用現(xiàn)場反饋的樣本中各數(shù)據(jù)值來判斷它所服從的經(jīng)驗分布函數(shù)是一個比較重要和復雜的過程。下面就這一具體過程以滾筒、托輥、輸送帶發(fā)生故障為研究對象，闡述詳細的計算步驟。4.4.1滾筒失效頻數(shù)直方圖繪制本次抽取的樣本為河北港口集團某煤炭分公司裝船隊、卸車隊在役帶式輸送機傳動滾筒27個，均為膠面滾筒。主要收集的數(shù)據(jù)為其使用壽命期限(單位：h)①樣本中各數(shù)據(jù)標號為，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行客觀的篩選之后，在其中找出最大值，最小值；②根據(jù)公式(4.1)確定分組數(shù)③根據(jù)公式(4.2)計算組距；④從第一組開始確定各組分點值，為避免數(shù)據(jù)落在分點上，對分點值多取一位小數(shù)，并按左閉右開區(qū)間進行劃分：⑤根據(jù)公式(4.3)計算各組中心值分別為⑥統(tǒng)計落入各組的頻數(shù)和頻率；⑦計算樣本均值。在以上步驟全部完成后，根據(jù)所統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)，在失效頻數(shù)直方圖的基礎上，作失效率直方圖如下：圖4-9滾筒失效率直方圖根據(jù)所作直方圖，我們可以較為清晰地看出這批滾筒的壽命失效數(shù)據(jù)基本服從威布爾分布(m=1.5)。經(jīng)過對相關生產(chǎn)企業(yè)的咨詢，得知滾筒的出廠合格產(chǎn)品實際使用壽命最低保證在15000h。根據(jù)在疲勞強度研究中的威布爾分布定義式的相關內容，在描述疲勞壽命N的隨機分布規(guī)律時，如果用代入公式(4.24)，則上式又可表達為 (4-26)式中——壽命隨機變量——形狀參數(shù)——尺度參數(shù)或稱特征壽命；——位置參數(shù)或稱最小保證壽命。 (4-27)在本樣中，Na=17500h,N0=15000h,m=1.5。代入公式(4.41)與(4.42)得， (4-28) (4-29)現(xiàn)就公式(4-27)進行驗算，當N=18000h時，F(xiàn)(N)=73.14%；當N=20000h時F(N)=94.09%，可見隨著滾筒使用時間的延長，其失效的風險就越大，符合實際情況。根據(jù)對傳動滾筒的數(shù)據(jù)分析可知，當我們收集到了一組傳動滾筒樣本的失效數(shù)據(jù)后根據(jù)直方圖的詳細繪制步驟，就可以較準確的描繪出其失效率直方圖的大致圖像。這樣，我們就能夠在圖形上清晰直觀地看出隨著使用時間的不斷延長，傳動滾筒的失效率會隨之升高，也就意味著其可靠度會不斷降低。這也正好印證了它在實際使用過程中所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。4.4.2托輥失效頻數(shù)直方圖繪制本次抽取的樣本為第二章中介紹的河北港口集團某煤炭分公司在役帶式輸送機托輥3201個，其直徑為194mm，長度為650mm。主要收集的數(shù)據(jù)為其使用壽命期限(單位：h)。①樣本中各數(shù)據(jù)標號為，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行客觀的篩選之后，在其中找出最大值，最小值；②根據(jù)公式(4.1)確定分組數(shù)；③根據(jù)公式(4.2)計算組距；④從第一組開始確定各組分點值，為避免數(shù)據(jù)落在分點上，對分點值多取一位小數(shù)，并按左閉右開區(qū)間進行劃分：[20160，20605.5)，[20605.5,21050.5)，···，[25474.5,25920]；⑤根據(jù)公式(4-3)計算各組中心值分別為t1=20382.75,t2=20828,···,t13=25697.25；⑥統(tǒng)計落入各組的頻數(shù)和頻率；⑦計算樣本均值。在以上步驟全部完成后，根據(jù)所統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)，在失效頻數(shù)直方圖的基礎上，作失效率直方圖如下：圖4-10托輥失效率直方圖根據(jù)所作直方圖，我們可以較為清晰地看出這批托輥的壽命失效數(shù)據(jù)基本服從威布爾分布(m=1.5)。經(jīng)過查詢相關行業(yè)標準和檢驗標準，得知根據(jù)中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT821-2006中使用壽命，托輥強化使用壽命折算到托輥實際使用壽命不得少于20000h。在本樣中，Na=23290h,N0=20000h,m=1.5。代入公式得： (4-30) (4-31)現(xiàn)就公式(4-27)進行驗算，當N=24000h時，F(xiàn)(N)=73.83%；當N=25000h時，F(xiàn)(N)=84.64%，可見隨著托輥使用時間的延長，其失效的風險就越大，符合實際情況。4.4.3輸送帶失效率計算分析本次抽取的樣本同為在分析滾筒時收集數(shù)據(jù)的上述作業(yè)隊在役帶式輸送機輸送帶與失效后更換下來的輸送帶共計18條，主要為整芯阻燃抗撕裂輸送帶與鋼繩芯輸送帶。收集的數(shù)據(jù)為其使用壽命期限(單位：h>o由于輸送帶不像滾筒、托輥等機械部件那樣存在復雜的內部結構，且其失效模式較為簡單，在港口的實際使用過程中，其壽命通常表現(xiàn)出很好的狀態(tài)。在搜集大量參考文獻和借鑒經(jīng)驗的基礎上，發(fā)現(xiàn)輪胎等諸多橡膠材質的部件失效概率密度函數(shù)均服從正態(tài)分布，由此，筆者假設輸送帶的失效概率密度函數(shù)基本服從正態(tài)分布。先根據(jù)收集的該組數(shù)據(jù)，計算得出該組數(shù)據(jù)的期望,，方差，且在大量調查輸送帶使用壽命的過程中，發(fā)現(xiàn)該值基本符合實際情況。因此，根據(jù)公式可得其概率密度函數(shù)： (4-32)根據(jù)公式(4.8得其失效分布函數(shù)為： (4-33)并做其概率密度函數(shù)圖如下：圖4-11輸送帶失效概率密度函數(shù)圖現(xiàn)就公式進行驗算，當t=50000h時，經(jīng)查詢標準正態(tài)分布表得知F(50000)=62.93%；當t=68000h時，同樣可得F(68000)=92.79%?？梢婋S著輸送帶使用時間的增加，其失效的風險就越大，并結合對實際使用過程中其時間上的校對，符合實際情況，因此筆者認為該假設成立。攻讀學位所取得的研究成果西安交通大學網(wǎng)絡教育學院論文PAGEPAGE6PAGEPAGE26結論本文以帶式輸送機關鍵部件可靠性研究為出發(fā)點，重點分析了滾筒、托輥、輸送帶。以其壽命時間為基礎，得出了這幾大關鍵部件的失效概率分布以及其可靠度隨使用時間變化的情況。通過對課題的具體研究，得出結論如下：（1）利用可靠性分析中故障樹分析法的相關理論，對帶式輸送機滾筒功能失效、輸送功能失效(托輥功能失效與輸送帶功能失效)列出了其具體故障樹模型與各級事件的列表，克服了其中各種故障發(fā)生原因之間的相互重疊與干擾，最終得到了各故障樹模型中完整、準確的最小割集。（2）根據(jù)對各重點零部件的故障原因分析，收集了現(xiàn)場使用過程中可以準確計算其失效概率分布的一系列數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)收集完畢后，依據(jù)每組樣本數(shù)據(jù)做出其失效率直方圖，從而判斷其所服從何種概率分布，進而推導出其失效概率分布函數(shù)。通過上述工作后，本文成功得到了托輥、滾筒、輸送帶的失效概率分布函數(shù)。致謝本論文是在XX老師的悉心指導和親切關懷下完成的。感謝XX老師并從研究方向的確定、論文的選題、技術路線確定、論文修改及定稿等每個環(huán)節(jié)都給予了悉心指導。老師淵博的學識、敏銳的洞察力、富有創(chuàng)新的學術思想，為我的研究指明了方向；老師一絲不茍的治學態(tài)度、嚴謹求實的科學精神，時刻鞭策著我在工作和學習中謙虛勤奮、努力工作；導師平易近人的工作作風