港口带式输送机关键部件可靠性寿命分析

绪论1.1课题研究背景和意义带式输送机在港口的安全生产中担负着十分重要的责任，它够按照既定的输送路能线，以均匀的输送速度，实现煤炭的定向运输。带式输送机在使用过程中，也会经常遇到各类故障。这些故障一旦发生，轻则造成设备停运，在维修的过程中导致停产，为港口造成直接经济损失；重则会导致严重的生产事故同时造成人员的伤亡，为社会带来不可估量的损失。在我国，可靠性的概念在航空航天、军事科技等方面己经取得了一系列的成果。相反，在工业机械装备领域，尤其是带式输送机的滚筒、托辊、输送带的研究还没有做到普及，部分从事设计的人员、生产厂家对其还没有建立起足够的认识，认为它可能只是一个印刷在书本中的概念，或者是一个与实际不相关的数字。正是因为如此，引导可靠性技术在带式输送机关键部件方面推广应用，具有重要的理论意义。通过运用可靠性理念设计出的机械产品，在安全性、实用性、经济性等各方面都有明显的优势，而基于故障树理论的可靠性分析是一个逻辑思维严密，推理过程清晰，计算结果准确的研究方法，其重点研究的内容为零部件的使用寿命情况，以该参数为变量，可以根据推导的概率失效计算公式，得出目前使用状况下各零部件的基本情况，以及以后该零部件的使用可靠度，这样不仅为客户解决了实际使用问题，同时可以避免机损事故，为维修提供辅助决策，具有重要的实践意义。1.2带式输送机关键部件发展现状随着现代化工业技术的突飞猛进，带式输送机逐渐向高带速、大运量、长距离等特点转变，同时要有很强的适应工作环境的能力和相对较长的寿命周期。现代的带式输送机在发展的过程中，与数十年前相比有了明显的进步。在设计方法上，传统的常规设计方法一般是运用力学和数学形成的经验公式、图表、设计手册等作为设计的依据。在现代设计理论方法中，通过计算机这一先进的工具，将其运用在滚筒、托辊、输送带的设计中，通过这种设计手段，最终使设备结构布置更加趋于优化，重点零部件更加紧凑耐用。在自动化和信息化方面，计算机仿真模拟己经成为一种设计人员常用的设计手段。借助这项新型的技术，我们能够在设计阶段就对所要投入加工生产的滚筒、托辊、输送带实现可视化的“加工、装配”，并可在此基础上进行模拟工况操作，施加与现场实际使用时相当的条件与载荷。由于带式输送机正在向着高带速、大运量、长距离等特点转变，滚筒、托辊的结构尺寸在逐步的增大，材料的性能要求在逐步提高，输送带的承载与抗磨、抗拉能力需要逐步提升。这样对滚筒、托辊、输送带的受载能力，更换难易程度，使用寿命等都提出了新的要求，如何在满足使用性能的条件下，达到最佳的经济性、安全性的效果，是我们应该值得关注的问题。带式输送机关键部件结构与形式2.1滚筒的结构与形式2.1.1滚筒的分类与结构滚筒作为整台设备中的关键部件，其应用和功能都是任何部件不可取代的。按照它的功能性来划分，大致有两大类：驱动滚筒与改向滚筒。驱动滚筒和驱动电机通过减速箱、耦合器等连接，为带式输送机提供驱动力，为提高摩擦力，滚筒表面一般通过包胶处理，如图2-1所示。改向滚筒通常把整个运输线路按照实际情况中所提的要求来进行相应的调整，并可相应的适当增加驱动滚筒的围包角，如图2-2所示。滚筒轴、轴承座、轮毅、辐板、筒壳等按照设计图纸的要求，相应的组合在一起，构成了一个完整的滚筒。图2-1传动滚筒图图2-2改向滚筒2.1.2典型的滚筒传动形式带式输送机根据其特定的几何尺寸、整机中包含的传动滚筒数量、最初设定的拉紧装置结构和使用中所需的卸料方式之不同，表现为其配置和外形也多种多样。图2-3所示为滚筒经典配置图。（a）单滚筒传动(b)双滚筒传动(c)三滚筒传动图2-3滚筒典型配置图2.1.3常见的滚筒失效形式（1）滚筒体包胶磨损。当输送机滚筒圆周力持续增大到超过所允许的范围后，输送带会在滚筒旋转的相反方向产生微小的相对运动，我们称之为伸长滑移，此时，胶带则会在相应的滚筒上发生所谓蠕变现象，这样就会增加带子与滚筒之间的磨损，造成滚筒体的包胶磨损。（2）滚筒体压裂开焊。如果带式输送机长期处在超载运行状态下，加上在最初滚筒的加工时焊接质量的缺陷，则会导致滚筒体在使用一段时间后出现压裂开焊。（3）滚筒轴损坏。如果滚筒出现滚筒轴的结构设计尺寸过小，轴的材料强度、硬度不满足要求，滚筒轴的圆角半径太小造成应力集中，主、从动滚筒中心线不平行等原因，那么在使用过程中导致滚筒轴产生损坏的几率就大大增加。（4）滚筒轴承座损坏。重载负荷频繁停车或启动超载，滚筒设计的轴线与轴承座独有的中心线不垂直有异物等现象的发生都会导致滚筒轴承座的损坏。2.2托辊的结构与形式2.2.1托辊的分类与结构在影响整台设备使用性能的诸多原因中，托辊所发挥的作用可谓是极大的。它结构中主要有筒壳、轴、轴承、密封件、轴承座等。在其正常使用的过程中，最基本的要求是：使用中一定要保证有较高的可靠度，产生的回转阻力要小，生产制造的成本要尽量在这压缩，筒体的表面要近于光滑等。托辊在分类时，按照它独有的结构形式和使用功能，基本涵盖了下述几种类型：图2-4槽型托辊图2-5平托辊图2-6缓冲托辊图2-7立辊图2-8调心托辊图2-9螺旋托辊以河北港口集团某煤炭分公司目前正在使用的带式输送机为例，其输送机选用DTL160/400/4X1600。该条带式输送机中用了10°过渡托辊组6个，20°过渡托辊组6个，35°槽型前倾托辊组7719个，35°槽型前倾托辊组156个，缓冲托辊组24个，下V前倾托辊组1962个，下平托辊组36个，下支撑托辊组3个，上支撑托辊组4个。在接下来的故障树分析中，该条带式输送机将作为其中分析的一块重要内容，来具体分析托辊的使用寿命情况以及可靠度的评价。2.2.2常见的托辊失效形式（1）托辊筒皮磨坏。该失效形式发生的原因有：托辊自身的旋转阻力加剧，使其与带子之间的摩擦太大；托辊旋转的方向与物料运行的方向之间存在夹角；托辊长期处在恶劣的生产环境中。（2）托辊轴承损坏。托辊在最初选型时存在的不合理性使得轴承的寿命提早到期而产生损坏；轴承密封性能不佳；托辊轴承在长期旋转作用下润滑失效；托辊组设计不合理使其发生共振等原因都会导致托辊的轴承在使用过程中提早发生失效。2.3输送带的分类与结构2.3.1输送带的分类输送带是搭载整台设备所运输的物料向指定地点运送的重要构件，它通常起到的作用是拽引和承载。输送带的带芯材料一般主要有棉帆布、尼龙帆布、钢丝绳等几种，如图2-10～2-13所示。钢绳芯输送带是以纵向排列的钢丝绳为骨架，上下覆以强韧的优质胶层，经硫化制成。它的强度高、伸长小、成槽性好、使用寿命长，因此被广泛应用于长距离、大运量的设备中，港口带式输送机在实现超长距离运输时均采用钢丝绳芯输送带。图2-10棉帆布输送带图2-11尼龙帆布输送带图2-12钢绳芯输送带图2-13阻燃输送带2.3.2常见的输送带失效形式（1）输送带发生纵向撕裂。输送带发生纵向撕裂一直是让用户感觉棘手的事情，因此在这方面也有很多专家学者、生产厂商做了大量的试验和研究，开发出了很多智能化、非接触型的输送带纵向撕裂保护装置。在煤炭中如果夹杂着铁路车皮拉杆，或者长条状金属杂志，再加上输送带的跑偏都会导致此现象的发生。（2）输送带跑偏加剧磨损。托辊轴身径向误差大，由于它的安装质量未满足要求而导致压力沿轴身方向不均，胶带出现偏心载荷，胶带的性能差、成槽型差、接头不正，调心托辊和立辊失效都会使输送带发生跑偏，从而加剧其磨损。故障树分析3.1故障树方法概述3.1.1故障树方法内容简介故障树分析法，是一种简便、高效的方法。它直接研究的就是设备的各类失效形式(在其模型中我们称之为顶事件)以及它们背后的产生原因(最终分析得到的各类基本事件的集合)。一个完整的故障树模型，其包括所要重点研究分析的故障形式(顶事件)，以及导致该失效的表面原因(中间事件)和该失效模式所对应的最直接、最根本的原因(底事件)。我们知道任何现象的发生都遵循因果关系，所以故障树模型也不例外。其各事件之间也必然会存在着某种特定的逻辑关系，因此，利用故障树这种分析办法，正好完美的解决了这一问题。它们之间的关系也存在着不同的结构形式，这些内容对应着不同的表达符号，这在后续的介绍中会重点提到。3.1.2故障树分析法特点及步骤故障树分析法的特点：（1）由于它是一种借助特定框架结构，运用事件之间的因果联系来分析解决问题的方法。只要明确所要重点分析的失效模式，就可以根据它们之间的特定诱发关系，来逐级展开分析，并最终找出它的所有基本产生原因。（2）在上述步骤操作完成后，就可以较为清晰、直观的看到究竟是何种原因导致该失效模式的产生，结合该原因，才能迅速找到带式输送机关键部件的薄弱环节。（3）借助各事件之间的因果关系，通过故障树所特有的表达符号，把它们结合起来，从而建立一个完整的、可重点分析的模型。（4）在此模型建立的基础上，便可对整个部件展开定性、定量的分析研究。（5）故障树分析法在借助数理统计后，可以实现数据方面的计算；借助可靠性物理可以深究其内部的失效机理，准确判断各类诱发原因。在此基础上，才能对可靠性工程中的应用实例有精准的分析，从而指导后续的设计、给当前部件的维护、检修、保养提供参考指导意见。对带式输送机关键部件进行故障树分析时，通常遵循以下步骤：（1）建立故障树；（2）建立故障树的数学模型；（3）对设备进行可靠性的定性分析；（4）对设备进行可靠性的定量分析。3.2故障树的建立故障树模型的建立一般包括以下内容：1、顶事件的确定在带式输送机关键部件的分析问题上，就是用户在使用过程中经常会遇到的各类失效形式。2、故障树的建立在明确想要重点分析的失效形式后，就把它放在该模型的最顶端，进而进行后续的推理研究。首先找到究竟是何种原因导致该失效形式的产生，这就是常说的各类中间事件。这些事件与模型中的最顶端事件也有其特有的发生关系，通过特定的事件符号先把它们连接起来。然后在此基础上，向下延伸，找出此级事件所导致的各基本原因，我们称它们为该模型中的底事件。3、模型中的各字母所代表的具体含义要做到准确描述，并使其一一对应。4、事件之间的相互关系要时刻清晰，及时排除干扰因素，做到合理的舍弃。3.3故障树的定性分析故障树的分析方法的目的是为了找出其最基本、最直接的产生原因，这样才能为后续整体设计改进、及时更换危险部件做出参考。而这个过程，在此分析方法中，称之为是在寻找其全部最小割集。割集：能使带式输送机关键部件产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类事件中，假如剔除掉其中任意一个事件，其所对应的失效形式就不会产生，那么这个新的集合就是该失效形式所对应的最小割集。故障事件和其产生的原因是一一对应的。上述的每个割集，其所针对的就是该关键部件的其中一类失效形式。在这其中，每个关键部件所属的每个最小割集一旦产生作用，该部件必然会失效。最小割集直接对应的就是该部件中最为薄弱的环节。3.4故障树的定量分析故障树定量分析的基础之一就是前期所建的模型，因此，模型建立的合理性决定了后续计算的准确性。在分析总结后，我们知道带式输送机关键部件的各失效形式之间相互是独立的，并且其中各失效模式所对应的基本事件也只存在两种可能性：产生、不产生。这就为后续的准确计算提供了极大的便利，我们只需去重点研究模型中最底端事件集合的产生的概率，根据特定的计算方法，利用现有的计算式子，一步一步紧扣其相互之间的关系，即可求得我们关注的部件发生失效时的概率。（1）与门结构的输出事件发生的概率 (3-1)式中——输出事件；——输入事件，i=1,2,…，n；——输入事件发生的概率；——为“事件的积”的运算符号“交”。（2）或门结构的上端事件发生的概率 (3-2)式中——为“事件的和”的运算符号“并”。3.5带式输送机关键部件的故障树模型3.5.1滚筒功能失效滚筒是带式输送机上的几大关键零部件之一，它的主要结构由滚筒轴、轮毅、辐板、筒壳等组成。在设备中，经常可见的是传动滚筒和改向滚筒。前者主要负责将驱动部分输出的扭矩传递给输送带从而带动整机稳定运行。后者则一般服务于整机输送物料方向的改变。滚筒的主要失效形式有滚筒包胶磨损、滚筒体压裂开焊、滚筒轴及轴承座损坏等。图3-1滚筒功能失效的故障树模型表3-1滚筒功能失效的故障树模型事件表序号事件序号事件滚筒机械故障焊接质量缺陷滚筒包胶磨损滚筒轴结构设计尺寸过小滚筒体压裂开焊轴的材料强度、硬度不满足要求滚筒轴损坏滚筒轴的热处理工艺差滚筒轴承座损坏滚筒轴的圆角半径太小造成应力集中窜轴故障主、从动滚筒中心线不平行输送带弹性变形导致与滚筒间发生弹性滑动重载负荷频繁停车或启动输送带张力过大引起打滑输送线路坡度大，长期超载输送带与滚筒的包角太大滚筒轴线与轴承座中心线不垂直回程皮带有残余物料，磨损滚筒包胶轴承锁固安装工艺不当包胶材料硬度与韧性有缺陷轴承中有异物进入输送量变化产生的交变应力导致开焊3.5.2输送功能失效整台设备的输送功能主要由驱动滚筒传递出来力矩后，依靠输送带和托辊的相互摩擦作用完成的。港口设备中常用的输送带主要有聚酷尼龙输送带、钢丝绳芯输送带、阻燃输送带等。托辊的主要结构包括筒皮、轴、轴承座、轴承以及密封件。在带式输送机完成运输的这个过程中，输送带作为承载构件而言，由于在运输的过程中，设备运输速度快，运输量大，有时还会随着输送量的变化产生交变载荷，输送过程中会出现带子跑偏等，在这些诸多因素的共同作用下对输送带会产生较大的损坏。而托辊作为这个过程中的受力部件，其破坏程度也会随着设备的工作而愈加明显。常见的输送功能失效主要有皮带纵向撕裂、跑偏、断带以及托辊的筒皮磨透、转动卡死、弯曲变形等。图3-2输送功能失效的故障树模型表3-2输送功能失效的故障树模型事件表序号事件序号事件输送功能失效胶带出现偏心载荷输送带撕裂胶带性能差、成槽型差、接头不正托辊工作不良槽型承载托辊侧辊的前倾角度有误外部硬物导致胶带撕裂自动调心槽型托辊失效皮带跑偏导致胶带撕裂橡胶托辊损坏无法增加胶带抗侧移能力托辊损坏立辊损坏托辊筒皮磨坏托辊转动阻力加剧其与输送带的摩擦托辊轴承损坏托辊旋转方向与物料输送方向有夹角托辊弯曲变形损坏托辊运行所处的生产环境恶劣钎子、工字钢划破皮带托辊选型不合理使轴承寿命到期损坏给煤、挡煤设备部件脱落划破皮带轴承密封效果不好锚杆回收不彻底，卡在给煤口戳入皮带托辊轴承润滑失效而损坏抽芯撕裂托辊组设计不合理使其发生共振现象托辊轴身径向误差大导致接触角不等托辊选型不合理，不满足强度、刚度要求托辊安装质量差导致压力沿轴身方向不等局部托辊受力较大造成过载而变形损坏3.5.3故障树定性分析计算（1）滚筒功能失效 (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7) (3-8)化简过程如下： (3-9)经过布尔运算可得： (3-10)（2）输送功失效能 (3-11) (3-12) (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17) (3-18) (3-19)化简过程如下： (3-20) (3-21)经过布尔运算得： (3-22)带式输送机关键部件寿命评价及可靠性分析4.1寿命评价概述4.1.1寿命评价方法简介寿命评价的意义在于通过它可以对目前在役设备的使用性能得到直观的了解，尤其是当前分析的设备在接下来继续使用过程中所具有的剩余寿命。具体的可靠性寿命评价方法主要有以下几种：1、解析法。带式输送机在港口应用中，通常所处的作业环境是较为恶劣，各部件产生类似于生锈、附着污垢等现象；各部件在使用时间的影响下，局部应力也会随之相应变化。而解析法正是在此基础上，经过认真分析总结，最终得出其所具备的剩余寿命2、破坏性检测法。在港口中，对于托辊这一关键部件，它的分布数量较为庞大，失效率也经常会表现的特别突出。针对此现象，通过对现场更换下来的废品进行取样分析，结合它的磨损断裂形式、疲劳开焊形式以及最严重的润滑失效形式来较为精确的进行研究分析，把所有影响因素考虑进去，来给出其对应的剩余寿命值。3、非破坏性检测法。与上述方法截然不同，它的进行不需要去破坏部件。只需去深入研究重点分析部件的结构尺寸变化、实验数据记录等，通过这样的办法，来完成这项既定的工作。在通常进行研究分析的过程中，由于设备关键部件的复杂性和使用工况的不确定性，以上几种办法在具体操作起来很难独立进行，因此为了达到可操作性、也为了使结果具有真实性和可参考性，我们会把其揉和起来进行使用。4.1.2寿命评价新理论现代工业技术正在进行着深入的变革，新的研究技术也在逐步进入人们的视野。其是在计算机技术高度发达的今天，在对设备进行寿命评价时，常会采用目前较先进、较便捷的新型理论。典型的方法有：基于神经元网络的预测办法、运用概率趋势来分析所建模型的办法、根据损伤标尺的指导来进行故障预测的办法等。4.2可靠性数据分析与直方图绘制本文运用故障树理论的研究方法来进行可靠性分析，它的具体步骤是在完整列出各零部件的失效故障树模型的基础上，结合对所要进行分析的零部件数据采集、分析，最终得出可以对实际生产、检修、保养等起到指导性建议的寿命评估。具体的实施步骤主要有三个方面。4.2.1数据收集数据的收集对于带式输送机可靠性寿命评价的作用是不可估量的，数据是进行可靠性分析中最为基础的支撑。可靠性分析的数据根据其取样地点的不同，大致可分为两大类，试验数据与现场数据。试验数据是在设备完善的条件下，所得出的一系列数据。它具有客观、真实的特性，并且可以独立重复进行多次试验，得到多组试验数据，因此结果更为准确。但是在通常情况下，带式输送机几大关键部件由于造价成本高、实际尺寸大等条件的制约，在实验室无法完成数据的收集。所以，现场数据成了我们在进行可靠性分析时常用的，也是相对易获得的一类数据。它在设备进行可靠性设计、分析和研究时有很高的利用价值。一般情况下，我们是通过用户在使用过程中的报修记录、生产厂家在设备维修时的记录等途径获得的。4.2.2数据分析在大量的数据收集结束之后，要进行数据的分析与筛选。在带式输送机实际使用过程中，由于一些特殊情况的出现，例如：电压的骤然变化，输送量的短时突然增大，实际使用工况下周围环境的影响等一些无法提前预测与判断的因素的干扰，造成所收集的数据中会有一些不符合实际情况的数据存在。因此，在进行可靠性分析的定量分析之前，要对数据整体做一次较为客观的筛选，以保证所得的结果具备真实性、适用性和指导性。图4-1可靠性参数分析流程图直方图是本文中在对各模型定量分析时采用的最为有效的方法，可以根据绘制得出的直方图显示出来的形状去判断该组失效数据究竟属于何种形式的分布。作直方图的具体步骤如下：（1）在收集到的一批数据中，找出其最大和最小值（2）将数据分组。一般用经验公式(4-1)确定分组数k，即 (4-1)（3）计算组距△t，即组与组之间的间隔： (4-2)（4）确定划分好的各组的分点值，在数学中的概念即为其上、下限值。为了便于统计，其数位通常要比此组失效数据多取一位；并按照左闭右开区域进行划分。（5）计算各组的中心值： (4-3)（6）统计落入各组的频数和频率： (4-4)（7）计算样本均值 (4-5)（8）计算样本标准差S： (4-6)（9）作直方图。频数直方图：以该组数据的失效时间作为整体的横坐标、各组的失效频数作为整体的纵坐标，便可得失效频数直方图，参见图4-2。失效频率分布图：将各组频率除以组距。，将所得结果标在纵坐标上，失效的时间标在横坐标上，作失效频率分布图，参见图4.3。由此图看出，经过这一系列的工作后，按点连线，所得的曲线形状就是其分布密度曲线的一种近似表达。在各组组距相同时，经过计算与图形的绘制，可以看出，失效部件对应的的频数直方图与频率分布图的绘制图像类似。图4-2失效频数直方图图4-3失效频率直方图累积失效频率分布图：第1组的累积频率为： (4-7)其中，为至第i组结束时的累积频数 (4-8)把累积频率标在纵坐标上，把失效时间标在横坐标上，以此为基础得出累积频率分布图，如图4-4所示。连接直方图中各对应点，就会得到一条近乎光滑的曲线，体含义代表着数据总体的累积失效分布。根据此前得到的曲线，与各类分布函数相应的曲线进行比对，就可以大致判断它的分布形式，进而获知其计算式子。图4-4累积失效频率直方图4.3常用的概率失效分布函数产品的寿命为一随机变量，而随机变量最基本的概念是概率分布。可靠性工程中常用的概率分布包括：连续型的指数分布、正态分布、对数正态分布、最小极值分布、威布尔分布、Logistic分布、对数Logistic分布等类型。本文中所用到的失效分布有正态分布与威布尔分布。4.3.1正态分布在正态分布的失效密度函数为： (4-9)其中，，为常数，称随机变量T服从均值为，标准差为的正态分布。正态分布的累积分布函数为： (4-10)可靠度函数为 (4-11)式中，为标准正态分布。正态分布的失效密度函数和失效分布函数的图形如图4-5和图4-6所示。其参数和分别称为均值和标准差。图4-5正态分布的失效密度函数图4-6正态分布的分布函数失效率函数为 (4-12)正态分布失效率的图形如图4-7所示，其失效率随时间呈上升趋势。若某设备的关键部件的工作寿命服从于正态分布，则它的平均寿命可表示为 (4-13)而寿命的方差，标准差为因，其中是标准正态分布的分位点，所以，即可靠寿命为 (4-14)而中位寿命 (4-15)图4-7正态分布失效率函数在本文中对带式输送机关键部件做可靠性研究时，发现正态分布适用于分析由于磨损而引发故障的产品(输送带)。由于正态分布是对称的，随机变量取值范围是到，用它来描述寿命分布时，会带来误差，因此当条件不符合时，可用截尾正态分布来处理。为了满足截尾正态分布的失效密度函数在上的积分为1，引入正规化常数K,则 (4-16)它的累积失效分布函数为 (4-17)可靠度函数为 (4-18)失效率函数为 (4-19)其均值和方差分别为 (4-20) (4-21)4.3.2威布尔分布在可靠性工程在，威布尔分布应用最为广泛。威布尔分布含有三个参数，具有很强的适应性，也就是对各种分布类型的试验数据都有较强的拟合能力。同时，威布尔分布“浴盆”或“马鞍”曲线的失效期都能适应，因此使得其在航空、机械、电子等领域都得到广泛应用。设随机变量T服从三参数威布尔分布，则其概率密度函数和累积分布函数为 (4-22) (4-23)其中，为形状参数，为尺度参数，为位置参数。当时，成为两参数威布尔分布。可靠度函数和故障率函数为 (4-24) (4-25)形状参数m是威布尔分布的本质参数，它决定了威布尔分布曲线的形状。当m=1时，威布尔分布变为指数分布，所以指数分布是威布尔分布的特殊情况；当0<m<1时，密度函数曲线、故障率函数曲线随时间的增加而下降，常用来描述产品早期故障阶段的寿命分布；当m>1时密度函数曲线呈单峰形，故障率函数是递增的，且m越大，曲线峰值越大；当m>3时威布尔分布趋向于正态分布。当形状参数m和尺度参数η固定时，威布尔分布曲线的形状基本相同，当η变化时分布曲线将沿横轴压缩或伸长，相当于横坐标的尺度不同，所以把它称为尺度参数。位置参数γ决定了分布曲线的位置，也就是曲线起点的位置。当γ=0时表示产品有可能从初始时刻就故障；当γ>0时表示产品经过一段时间才可能故障；当γ<0表示产品开始工作时就已经故障了。图4-8为γ=0，η=1时不同m值的威布尔分布曲线。a)密度函数曲线b)可靠度函数曲线c)故障率函数曲线图4-8威布尔分布的密度函数、可靠度函数及故障率函数4.4带式输送机关键部件的可靠性寿命分析如何根据设备使用现场反馈的样本中各数据值来判断它所服从的经验分布函数是一个比较重要和复杂的过程。下面就这一具体过程以滚筒、托辊、输送带发生故障为研究对象，阐述详细的计算步骤。4.4.1滚筒失效频数直方图绘制本次抽取的样本为河北港口集团某煤炭分公司装船队、卸车队在役带式输送机传动滚筒27个，均为胶面滚筒。主要收集的数据为其使用寿命期限(单位：h)①样本中各数据标号为，经过对数据进行客观的筛选之后，在其中找出最大值，最小值；②根据公式(4.1)确定分组数③根据公式(4.2)计算组距；④从第一组开始确定各组分点值，为避免数据落在分点上，对分点值多取一位小数，并按左闭右开区间进行划分：⑤根据公式(4.3)计算各组中心值分别为⑥统计落入各组的频数和频率；⑦计算样本均值。在以上步骤全部完成后，根据所统计出的数据，在失效频数直方图的基础上，作失效率直方图如下：图4-9滚筒失效率直方图根据所作直方图，我们可以较为清晰地看出这批滚筒的寿命失效数据基本服从威布尔分布(m=1.5)。经过对相关生产企业的咨询，得知滚筒的出厂合格产品实际使用寿命最低保证在15000h。根据在疲劳强度研究中的威布尔分布定义式的相关内容，在描述疲劳寿命N的随机分布规律时，如果用代入公式(4.24)，则上式又可表达为 (4-26)式中——寿命随机变量——形状参数——尺度参数或称特征寿命；——位置参数或称最小保证寿命。 (4-27)在本样中，Na=17500h,N0=15000h,m=1.5。代入公式(4.41)与(4.42)得， (4-28) (4-29)现就公式(4-27)进行验算，当N=18000h时，F(N)=73.14%；当N=20000h时F(N)=94.09%，可见随着滚筒使用时间的延长，其失效的风险就越大，符合实际情况。根据对传动滚筒的数据分析可知，当我们收集到了一组传动滚筒样本的失效数据后根据直方图的详细绘制步骤，就可以较准确的描绘出其失效率直方图的大致图像。这样，我们就能够在图形上清晰直观地看出随着使用时间的不断延长，传动滚筒的失效率会随之升高，也就意味着其可靠度会不断降低。这也正好印证了它在实际使用过程中所表现出的现象。4.4.2托辊失效频数直方图绘制本次抽取的样本为第二章中介绍的河北港口集团某煤炭分公司在役带式输送机托辊3201个，其直径为194mm，长度为650mm。主要收集的数据为其使用寿命期限(单位：h)。①样本中各数据标号为，经过对数据进行客观的筛选之后，在其中找出最大值，最小值；②根据公式(4.1)确定分组数；③根据公式(4.2)计算组距；④从第一组开始确定各组分点值，为避免数据落在分点上，对分点值多取一位小数，并按左闭右开区间进行划分：[20160，20605.5)，[20605.5,21050.5)，···，[25474.5,25920]；⑤根据公式(4-3)计算各组中心值分别为t1=20382.75,t2=20828,···,t13=25697.25；⑥统计落入各组的频数和频率；⑦计算样本均值。在以上步骤全部完成后，根据所统计出的数据，在失效频数直方图的基础上，作失效率直方图如下：图4-10托辊失效率直方图根据所作直方图，我们可以较为清晰地看出这批托辊的寿命失效数据基本服从威布尔分布(m=1.5)。经过查询相关行业标准和检验标准，得知根据中华人民共和国煤炭行业标准MT821-2006中使用寿命，托辊强化使用寿命折算到托辊实际使用寿命不得少于20000h。在本样中，Na=23290h,N0=20000h,m=1.5。代入公式得： (4-30) (4-31)现就公式(4-27)进行验算，当N=24000h时，F(N)=73.83%；当N=25000h时，F(N)=84.64%，可见随着托辊使用时间的延长，其失效的风险就越大，符合实际情况。4.4.3输送带失效率计算分析本次抽取的样本同为在分析滚筒时收集数据的上述作业队在役带式输送机输送带与失效后更换下来的输送带共计18条，主要为整芯阻燃抗撕裂输送带与钢绳芯输送带。收集的数据为其使用寿命期限(单位：h>o由于输送带不像滚筒、托辊等机械部件那样存在复杂的内部结构，且其失效模式较为简单，在港口的实际使用过程中，其寿命通常表现出很好的状态。在搜集大量参考文献和借鉴经验的基础上，发现轮胎等诸多橡胶材质的部件失效概率密度函数均服从正态分布，由此，笔者假设输送带的失效概率密度函数基本服从正态分布。先根据收集的该组数据，计算得出该组数据的期望,，方差，且在大量调查输送带使用寿命的过程中，发现该值基本符合实际情况。因此，根据公式可得其概率密度函数： (4-32)根据公式(4.8得其失效分布函数为： (4-33)并做其概率密度函数图如下：图4-11输送带失效概率密度函数图现就公式进行验算，当t=50000h时，经查询标准正态分布表得知F(50000)=62.93%；当t=68000h时，同样可得F(68000)=92.79%。可见随着输送带使用时间的增加，其失效的风险就越大，并结合对实际使用过程中其时间上的校对，符合实际情况，因此笔者认为该假设成立。攻读学位所取得的研究成果西安交通大学网络教育学院论文PAGEPAGE6PAGEPAGE26结论本文以带式输送机关键部件可靠性研究为出发点，重点分析了滚筒、托辊、输送带。以其寿命时间为基础，得出了这几大关键部件的失效概率分布以及其可靠度随使用时间变化的情况。通过对课题的具体研究，得出结论如下：（1）利用可靠性分析中故障树分析法的相关理论，对带式输送机滚筒功能失效、输送功能失效(托辊功能失效与输送带功能失效)列出了其具体故障树模型与各级事件的列表，克服了其中各种故障发生原因之间的相互重叠与干扰，最终得到了各故障树模型中完整、准确的最小割集。（2）根据对各重点零部件的故障原因分析，收集了现场使用过程中可以准确计算其失效概率分布的一系列数据，在数据收集完毕后，依据每组样本数据做出其失效率直方图，从而判断其所服从何种概率分布，进而推导出其失效概率分布函数。通过上述工作后，本文成功得到了托辊、滚筒、输送带的失效概率分布函数。致谢本论文是在XX老师的悉心指导和亲切关怀下完成的。感谢XX老师并从研究方向的确定、论文的选题、技术路线确定、论文修改及定稿等每个环节都给予了悉心指导。老师渊博的学识、敏锐的洞察力、富有创新的学术思想，为我的研究指明了方向；老师一丝不苟的治学态度、严谨求实的科学精神，时刻鞭策着我在工作和学习中谦虚勤奋、努力工作；导师平易近人的工作作风