趙澤鵬

(大同煤礦集團有限責任公司四臺煤礦，山西 大同 037000)

0 引言

掘進機在煤礦井下作業(yè)設備中扮演著十分重要的作用，掘進機的可靠性影響著巷道綜合掘進的高效性和企業(yè)的經(jīng)濟效益[1]。而掘進機又由行走機構(gòu)、截割機構(gòu)、轉(zhuǎn)運機構(gòu)、提升、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等各液壓系統(tǒng)組成[2]。并且當前掘進機液壓系統(tǒng)隨著科學技術(shù)的進步，逐步由定量輸出液壓系統(tǒng)變?yōu)樽兞恳簤合到y(tǒng)，該類型雖然效率和工作能力都有極大改善，但是增加了比例電磁閥等輔助控制回路，機電系統(tǒng)更為復雜，設備出現(xiàn)故障后不易確定故障原因[3]。為此，利用故障樹分析法對掘進機的行走機構(gòu)故障進行分析，通過構(gòu)建樹狀分析模型將故障原因的邏輯關(guān)系梳理清晰，并以此建立了可靠性分析模型，為故障診斷、排查以及可靠性判斷提供理論依據(jù)。

1 掘進機運行機理與行走機構(gòu)常見故障

1.1 掘進機運轉(zhuǎn)機理

掘進機作為井下巷道的主要開鑿機械設備，掘進機通過截割部對井巷內(nèi)的圍巖進行破碎處理，再通過轉(zhuǎn)運機構(gòu)運離井巷開鑿段，而行走機構(gòu)直接影響設備移動效率。該設備的主要構(gòu)成部位包含行走機構(gòu)、截割機構(gòu)、轉(zhuǎn)運機構(gòu)、提升機構(gòu)等，而行走機構(gòu)主要有對稱布置的兩條履帶及驅(qū)動馬達，行走機構(gòu)具體包含履帶、履帶架、履帶護板、張緊裝置、張緊油缸、支重輪、拖輪、行走減速器、液壓馬達等。通常動力系統(tǒng)由液壓馬達通過行走減速器后由驅(qū)動鏈輪帶動履帶轉(zhuǎn)動[4]。

1.2 行走機構(gòu)常見故障類型

掘進機行走機構(gòu)可將常見故障分為機械故障和液壓系統(tǒng)故障兩大類。其中機械故障包含行走減速器故障、驅(qū)動鏈輪故障、履帶張緊裝置故障等[5]。

液壓系統(tǒng)故障有左右兩側(cè)驅(qū)動速度不統(tǒng)一、行走效率低、機構(gòu)停止工作、液壓系統(tǒng)不穩(wěn)定等[6]。具體可能由于液壓系統(tǒng)中的各液壓缸、管路密封性出現(xiàn)故障，發(fā)生密閉泄露、液壓油污染、環(huán)境因素、履帶鏈條本身強度、設備中鏈輪安裝偏軸等問題。

2 故障樹模型的建立

2.1 故障樹分析法

故障樹分析法針對機械設備的故障分析，通常將整體系統(tǒng)故障逐級分解到部分系統(tǒng)，再逐級下降分解到設備零件形成樹狀分析圖。故障樹分析法的定量分析是以布爾代數(shù)和概率論作為研究基礎的，而針對特定的機械設備故障進行精準的定量分析需要對各型零件故障概率做出詳細故障統(tǒng)計[7]。故障樹分析法通過對設備的故障分析研究設備的可靠性，能及時進行設備必要的維護從而減少設備故障率；在設備出現(xiàn)故障后，將系統(tǒng)故障作為頂上事件進行事故分析，自頂上事件逐級展開，到達事故基本事件中。根據(jù)事故樹中各級間的邏輯關(guān)系，對引發(fā)系統(tǒng)故障的基礎事件進行判斷，及時對設備進行故障排查和維修[8-10]。

2.2 故障樹模型建立

根據(jù)現(xiàn)場常見故障屬性不同，對行走機構(gòu)的故障分析建立故障樹分析模型，如圖1所示，各事件說明見表1。

2.3 故障樹的邏輯運算

從圖1故障樹中可以看出，掘進機行走機構(gòu)故障樹由6個或門和13個底事件組成。根據(jù)布爾運算的原則，或門的邏輯運算法則為邏輯加，因此，可得圖1故障樹的邏輯運算結(jié)果為

T=A1+A2

=B1+B2+B3+x10+x11+x12+x13

=x1+x2+x3+…+x11+x12+x13

(1)

圖1 掘進機行走機構(gòu)故障樹分析模型

表1 掘進機行走機構(gòu)故障樹分析模型說明

進而，可以求得故障樹的最小割集為{x1}，{x2}，{x3}，…，{x11}，{x12}，{x13}，共13個。這13個基本事件都是掘進機行走機構(gòu)故障這個頂上事件的最小割集，換言之，上述基本事件任意一個事件的發(fā)生都將導致掘進機行走機構(gòu)出現(xiàn)故障，所以在事故發(fā)生后應根據(jù)故障設備故障特征及基本事件故障概率進行故障排查。

2.4 基于故障樹的故障判斷方法

井下掘進機行走機構(gòu)出現(xiàn)故障后，單純通過故障概率逐一進行排查，工作量較大，而且井下工作環(huán)境惡劣且缺少大型輔助維修設備，全部對機構(gòu)進行拆解維修會延長維修時間，同時不當操作會引發(fā)新的設備故障。

因此，可以結(jié)合故障樹分析模型，簡化故障排查過程。先行判別掘進機故障是機械故障或是液壓故障，觀察故障特征。如判別機械故障，通常履帶斷鏈或脫鏈、鏈軸出現(xiàn)偏心可直接從表象中判斷，而減速器故障也較為直觀，可能會出現(xiàn)單側(cè)機構(gòu)運行正常，而另一側(cè)表現(xiàn)為無法正常工作或只能在無負荷下工作。如果判斷為液壓系統(tǒng)中的故障，則通常都會表現(xiàn)出油壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)油路堵塞、泄漏、溢流閥故障、轉(zhuǎn)向閥故障等問題，應及時對油路、閥門進行維護和更換，嚴重時應及時更換液壓馬達。設備的故障大部分情況都能提前發(fā)現(xiàn)和判斷，如減速器異常會發(fā)出噪音和異常高溫，而且定期檢查、維護和更換易損零部件也能避免設備出現(xiàn)故障。

3 基于層次分析法的可靠性評價

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是既包含定性分析，又通過定量分析將主觀的判斷轉(zhuǎn)化為數(shù)值性的客觀評價的一種決策方法。通過建立對比標度，對單一準則層下的指標進行兩兩對比構(gòu)建判斷矩陣(列表)，能夠?qū)o形指標的測量轉(zhuǎn)化為有形的判斷指標，從而得到更加準確、客觀、科學的評價結(jié)果，層次分析法在對多指標系統(tǒng)的評價中使用廣泛。

3.1 可靠性評價體系的建立

可靠性評價模型：根據(jù)上述故障樹分析的結(jié)論，建立可靠性評價體系。該評價體系主要針對減速器故障、液壓系統(tǒng)故障、履帶故障、鏈軸故障進行分析，如圖2所示。

圖2 掘進機行走機構(gòu)可靠性評價模型

判斷矩陣：通過AHP的基本理論，結(jié)合煤礦實際以及與一線技術(shù)人員的溝通，建立A-B層、B1-C層、B2-C、B3-C和B4-C層判斷矩陣如下

(2)

3.2 可靠性評價體系的分析

單一特征向量：AHP中，可靠性評價的方法是通過計算判斷矩陣的特征向量得到各因素的權(quán)重值，然后對各因素的實際情況進行打分，最終得到可靠性的定量數(shù)據(jù)。利用MATLAB軟件可以計算判斷矩陣的單一特征向量，計算結(jié)果如下

HA=[b1，b2，b3，b4]T

=[0.435 9，0.327 0，0.141 9，0.095 1]T，

λmaxA=4.132 3

HB1=[c1，c2，c3，c4]T

=[0.415 5，0.292 6，0.184 9，0.107 0]T，

λmaxB1=4.071 0

HB2=[c5，c6，c7，c8]T

=[0.447 6，0.282 9，0.163 6，0.105 9]T，

λmaxB2=4.071 0

HB3=[c9，c10，c11]T

=[0.539 6，0.297 0，0.163 4]T，

λmaxB3=3.092

HB4=[c12，c13]T=[0.666 7，0.333 3]T，

λmaxB4=2

可靠性計算結(jié)果：各因素的綜合權(quán)重大小是通過單一權(quán)重與上層權(quán)重的乘積求得的，計算結(jié)果見表2。

根據(jù)現(xiàn)場情況對各因素進行打分，為了得到定量的評價結(jié)果，還要為每個不同等級賦予分數(shù)，其中沒有任何問題為5分，存在輕微故障隱患為4分，存在嚴重故障隱患為3分，已發(fā)生故障為0。綜合評價結(jié)果為可靠性高(4分～5分)、可靠性一般(3分～4分)，可靠性差(2分～3分)，故障(2分以下)。

綜合評價結(jié)果：綜合評價結(jié)果的計算如下式(3)所示。

(3)

式中：F—掘進機行走機構(gòu)可靠性得分；P—因素c1、c2,…,c13的得分矩陣；pk—各因素的實際情況分數(shù)。

表2 掘進機行走機構(gòu)可靠性計算結(jié)果

以同煤集團煤峪口煤礦為例，通過機電技術(shù)員對掘進機行走機構(gòu)打分(結(jié)果見表2)，根據(jù)式(3)計算得F=3.880 6。因此，該掘進機行走機構(gòu)可靠性一般。通過打分可以看出齒輪磨損問題較為嚴重，另外履帶部分也需要加強維護。

4 結(jié)論

(1)采用故障樹分析法對掘進機行走機構(gòu)常見故障進行分析，直觀清晰地展示了機械故障和液壓系統(tǒng)故障兩個大類和具體的13個指標，為現(xiàn)場故障判斷和分析提供了很好的方法，提高了工作效率。

(2)建立了掘進機行走機構(gòu)可靠性評價模型，該模型能夠通過不同指標的重要性和現(xiàn)場情況打分得出較為科學、客觀的評價結(jié)果，為掘進機行走機構(gòu)可靠性分析提供理論依據(jù)。