張海帆

（山西汾西礦業(yè)集團有限責任公司高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

掘進機在礦產開采中有著相當廣泛的應用，作為其核心部件的截割系統(tǒng)直接關系著掘進機的運行效果，如果截割系統(tǒng)出現問題，可能會給礦井工作面的掘進效率造成負面影響?？紤]礦產賦存條件的復雜性和多樣性，在巷道掘進中，土層或礦層硬度突變的情況時有發(fā)生，可能造成截割結構損傷，如截割電機轉子不平衡、截齒斷裂等?；诖?，技術人員需要做好掘進機截割系統(tǒng)的故障診斷與分析工作。

1 故障樹與層次分析法

故障樹本身屬于一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，可以應用事件符號、轉移符號以及邏輯門符號等對系統(tǒng)中不同事件的因果關系進行描述，屬于安全系統(tǒng)工程中一種非常重要的分析方法，具有直觀明了、邏輯性強的特點，可以應用于定性分析，也就可以應用于定量分析并就系統(tǒng)失效癥狀進行診斷，完成對故障源的快速查詢與準確定位，為故障處理提供指導和參考。

層次分析法同樣是一種系統(tǒng)分析方法，主要是以人的思維過程為依托，將定性分析與定量分析結合在一起的多準則決策方法，通過對比分析等方式得到不同因素相對于目標層的權重，為決策的制定和修改提供參考。

故障樹與層次分析法的相互結合，可以有效解決故障樹定性分析環(huán)節(jié)存在的底事件故障概率計算困難的情況。在實際操作中，一是應該依照具體研究對象，通過逐層分析找出事件根源，依照底事件與頂事件之間的邏輯關系，構建故障樹模型；二是對故障樹進行簡化，形成層次分析模型，根據模型完成判斷矩陣構建；三是依照層次分析法模型的評判規(guī)則，進行專家打分，得到判斷矩陣及其一致性指標；四是將計算得到的底事件發(fā)生概率相對值代入故障樹，通過定性分析得到不同事件的重要度信息[1-3]。

2 模型構建

EBZ-160型掘進機截割系統(tǒng)包括了電動機、減速器、截割頭和截割臂，屬于掘進機的核心工作機構，能夠與固定在一起的回轉座共同進行水平擺動，也可以進行垂直擺動。截割頭由電機驅動，其他機構則由多維油缸驅動。從方便故障診斷和分析的角度，這里將截割系統(tǒng)定義為有截割部分、回轉油缸和升降油缸構成的系統(tǒng)。

2.1 構建故障樹模型

這里將截割系統(tǒng)故障看作頂事件，將故障分為截割臂擺動、截割頭不轉和截割臂振動超限三個部分，針對故障形成的具體原因進行分析。例如，在截割臂振動超限故障中，可能存在的誘發(fā)因素包括：減速器故障、截割頭軸承故障和油缸故障，三者之間存在的邏輯關系為“或”，即任意因素都可能導致故障的發(fā)生，減速器故障的誘發(fā)因素同樣存在“或”的邏輯關系。依次類推，能夠得到其他故障的誘發(fā)因素，構建故障樹模型（見下頁圖1）。對模型進行簡化后，配合線性搜索，可以得到的故障樹模塊包括了G1、G7和G9，參照故障樹模型，后兩者均為G1的底事件。

經分析計算，可以得到G1的最小割集 {X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{G9}{X9}{X10}{X11}{G7}，代入G7與G9模塊的分析結果，能夠得到更加完善的最小割集。則頂事件發(fā)生的概率為：

式中：pi為Xi事件發(fā)生的概率；qi為Gi事件發(fā)生的概率。經分析簡化后，X6相對于G1模塊的總要度為：IpG1（X6）=IpG9（X6）IpG1（G9）。這里的IpG1（X6）、IpG9（X6）和IpG1（G9）分別對應X6事件相對于G1的重要度，X6事件相對于G9的重要度以及G9事件相對于G1的重要度。

圖1 截割系統(tǒng)故障樹模型

2.2 層次分析法模型

結合故障樹模型，經簡化后構建層次分析模型，生成兩兩比較判斷矩陣，邀請專家依照現場經驗，配合比較打分規(guī)則，得到相應的判斷矩陣，利用層次分析法計算故障底事件的概率相對值，最終完成對于故障樹的定性分析。截割系統(tǒng)可以分為目標層、準則層和指標層，以系統(tǒng)故障作為目標層，準則層包含了截割臂擺動、截割頭不轉和截割臂振動超限三個部分，其對應的目標層權重依次為0.154、0.607 2和0.238 8。其中，截割臂擺動對應的指標層事件及準則層權重包括：變量泵泄漏（0.1476）、過濾器堵塞（0.1238）、安全閥故障（0.0568）、油箱油量不足（0.0310）、升降油缸銷釘脫落（0.0375）等。截割頭不轉對應的指標層事件及準側層權重包括：冷卻不充分（0.1069）、供電超額定值（0.0464）、減速器故障（0.1362）、電動機超負荷工作（0.3939）等。截割臂振動超限對應的指標層事件及準側層權重包括：油壓不穩(wěn)（0.2402）、減速器故障（0.4769）、截割頭軸承故障（0.2128）等[4-5]。

應用復合求解法，可以得到相對于頂事件的各個底事件概率相對值（見表1）。

表1 底事件概率相對值（部分）

應用故障樹對底事件概率相對值進行定性分析，則能夠得到相對于頂事件的底事件概率重要度（見表2）。

表2 底事件相對于頂事件概率重要度（部分）

3 結語

結合分析結果，在EBZ-160型掘進機截割系統(tǒng)中，最容易的四類故障依次為電動機超負荷運轉、電動機停轉、減速器軸承磨損和電動機過熱停機，其概率值的變化存在很大概率，會導致截割系統(tǒng)故障的發(fā)生，因此，在系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)應充分考慮這四類事件發(fā)生的概率，通過合理優(yōu)化來保證掘進機的穩(wěn)定可靠運行。