李耀武

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

鉆鑿孔設(shè)備廣泛用于煤礦井下鑿鉆爆破孔、錨桿支護(hù)、頂板控制、巖層加固、通風(fēng)孔與溜煤孔施工等，是煤礦安全生產(chǎn)的重要裝備，全國每年約有數(shù)十萬臺各種手持類鉆機(jī)投入煤礦市場，涉及的操作人員數(shù)量龐大。氣動鉆機(jī)是由氣動馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動主軸輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，并同步傳遞給鉆桿的鉆孔設(shè)備，具有體積輕小、移動便捷、操作靈活、維護(hù)方便等特點(diǎn)，主要用于煤巷、半煤巷鉆鑿錨桿孔、攪拌及安裝樹脂類錨桿等作業(yè)，其性能直接關(guān)系著礦工安全健康和勞動強(qiáng)度、樹脂錨桿安裝效率和支護(hù)質(zhì)量等問題[1-2]，因此對其安全性能進(jìn)行綜合評判分析具有重要意義。

1 氣動鉆機(jī)性能分析

氣動鉆機(jī)產(chǎn)品已納入“安全標(biāo)志產(chǎn)品”管理范圍內(nèi)，《礦用手持式氣動鉆機(jī)》(MT/T 994—2006)標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的技術(shù)要求和安全性能進(jìn)行了明確規(guī)定，其鉆進(jìn)效果取決于鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等各參數(shù)間的合理匹配。其中，氣動鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是影響鉆進(jìn)速度的關(guān)鍵因素，也是產(chǎn)品型號定型的主要參數(shù)。由于煤礦進(jìn)行施工存在空間狹小、工作環(huán)境惡劣、操作人員組成復(fù)雜等特點(diǎn)，氣動鉆機(jī)除滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)外，額定轉(zhuǎn)矩相同的鉆機(jī)在性能綜合評判時，宜應(yīng)綜合考慮輸出功率、能耗(耗氣量)、安全性、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等多種因素[3]。

1.1 安全特性

在滿足MT/T 994—2006標(biāo)準(zhǔn)對氣動鉆機(jī)安全性要求的前提下，本文重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)、噪聲等參數(shù)指標(biāo)。

輸出轉(zhuǎn)矩是決定氣動鉆機(jī)鉆孔速度的核心參數(shù)，其大小往往成為產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵，氣動鉆機(jī)在鉆孔作業(yè)時由操作者手臂承擔(dān)回轉(zhuǎn)反力矩。轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)是評價手持類回轉(zhuǎn)鉆機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩是否超過人力操作承受能力的因數(shù)，它等于鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與操作力臂長度的比值，MT/T 994—2006標(biāo)準(zhǔn)對該參數(shù)進(jìn)行了明確要求。根據(jù)其定義，理論上在合理當(dāng)量力臂值(操作手柄間距)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)越小越安全，但考慮到人體基本條件等限制因素，氣動鉆機(jī)的操作手柄間距應(yīng)為350～750 mm。

氣動鉆機(jī)自身噪聲主要是由于排除的高速氣流與相對穩(wěn)定的空氣相互作用引起的排氣噪聲，以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合摩擦、機(jī)械內(nèi)部件振動等產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。高噪聲會嚴(yán)重危害操作人員和周邊人員的健康安全，影響作業(yè)時的必要交流和指揮工作[4]。

1.2 耗氣量/輸出功率

輸出功率是氣動鉆機(jī)在一定工作氣壓下，輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速綜合特性關(guān)系的反映，與消耗的壓縮空氣量(耗氣量)是關(guān)聯(lián)參數(shù)。考慮到不同規(guī)格型號的氣動鉆機(jī)輸出功率和耗氣量也不同，無法直接評價，且綠色低能耗已逐漸成為機(jī)電設(shè)備的發(fā)展趨勢和重要屬性，本文引入氣動鉆機(jī)耗氣量和輸出功率的概念以便于研究分析。

1.3 可靠性

氣動鉆機(jī)可靠性主要分析設(shè)備抵抗意外事件能力以及連續(xù)無故障工作能力。由于煤礦井下環(huán)境特殊，設(shè)備長期暴露和運(yùn)行在空間狹小、潮濕、粉塵等工作環(huán)境中，同時操作人員水平存在諸多不確定性，人、機(jī)、環(huán)境等因素復(fù)雜，要求氣動鉆機(jī)具備一定的抵抗意外事件的能力。連續(xù)無故障工作能力是產(chǎn)品鉆鑿錨桿孔等施工的基本保障。

1.4 人性化設(shè)計(jì)

人性化設(shè)計(jì)是指以人為核心，全面考慮人的精神、物質(zhì)需求的一種設(shè)計(jì)價值觀，在滿足產(chǎn)品基本功能的基礎(chǔ)上，尊重使用者的生理和心理需要，保護(hù)人體健康，使人和設(shè)備有良好的互動關(guān)系。在煤礦井下工作過程中，惡劣的環(huán)境因素對操縱者和設(shè)備均帶來不利的影響，設(shè)備良好的人性化設(shè)計(jì)，充分考慮人的因素，把人放到人-機(jī)-環(huán)境的系統(tǒng)中來研究，保證系統(tǒng)性能的整體最優(yōu)化，有利于減輕操作人員的勞動強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)，提高工作效率，減少事故發(fā)生。本文從以下方面評價氣動鉆機(jī)的人性化設(shè)計(jì)，即符合人體工程學(xué)，便于保養(yǎng)維修、機(jī)重[5-6]。

2 氣動鉆機(jī)的評判

氣動鉆機(jī)綜合性能模糊評判是指在滿足相關(guān)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品多種性能指標(biāo)，建立評判數(shù)學(xué)模型，通過定量分析和定性描述進(jìn)行性能評價，在評價過程中兼顧思維的主動性、模糊性[7-8]。

2.1 建立評判體系

根據(jù)研究確定氣動鉆機(jī)的評判因子建立氣動鉆機(jī)綜合性能評判體系，為二級評判體系，如圖1所示。

圖1 氣動鉆機(jī)綜合性能評判體系

2.2 建立權(quán)重向量

權(quán)重是指某個評判因子在氣動鉆機(jī)性能評價過程中相對于其他因子重要程度，為無量綱參數(shù)，本文應(yīng)用AHP確定各評判因子的權(quán)重。AHP是對定性問題進(jìn)行定量分析的多準(zhǔn)則決策方法，經(jīng)兩兩對比確定層次中各評判因子的相對重要性，得出不同因子的相對權(quán)重，適用于存在多個因素指標(biāo)情況下評價事物的優(yōu)劣程度[9-10]。建立氣動鉆機(jī)各評判因子權(quán)重向量c，如公式(1)所示。

c=[c1，c2，…，cn]

(1)

式中:cn為第n個評判因子的權(quán)重。

2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

將各評判因子分級標(biāo)準(zhǔn)劃分為優(yōu)秀、良好、一般、差四個區(qū)段，分別與評判標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段值中的I、II、III、IV相對應(yīng)。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)評判理論構(gòu)建評判等級隸屬函數(shù)，用隸屬函數(shù)φ(x)表示各因子值隸屬于不同等級的程度，本文應(yīng)用的隸屬函數(shù)模型如公式(2)(3)(4)(5)所示。評判因子值一般通過兩種方式得出，一是直接測量并經(jīng)計(jì)算處理后得出，二是對于無法直接測量的因子值由專家根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。

I級隸屬函數(shù)：

(2)

II級隸屬函數(shù)：

(3)

III級隸屬函數(shù)：

(4)

IV級隸屬函數(shù)：

(5)

式中:x為因子值；γi1、γi2、γi3、γi4分別為I、II、III、IV級的標(biāo)準(zhǔn)值。

將各一級評判因子數(shù)值分別代入公式(2)(3)(4)(5)，得出其在I級、II級、III級、IV級模型評判下的模糊關(guān)系矩陣R1、R2、R3、R4，如公式(6)所示。二級評判因子模糊關(guān)系矩陣由一級評判因子隸屬度向量構(gòu)成。

(6)

2.4 綜合性能模糊評判

本文建立氣動鉆機(jī)綜合性能評判體系層次結(jié)構(gòu)為二層，模糊綜合評判亦為二級評判，評判步驟見圖2，逐次進(jìn)行一級、二級綜合評判，隸屬度向量B計(jì)算如公式(7)所示。

圖2 模糊綜合評判流程

B=c×R

(7)

式中:c為權(quán)重向量；R為模糊關(guān)系矩陣。

評判結(jié)果表現(xiàn)形式為評判向量，為得到更為直觀評判結(jié)果，本文引入邏輯權(quán)重矩陣C=[7，5，3，1]T，對評判向量進(jìn)行二次處理，定義氣動鉆機(jī)性能等級系數(shù)σ，如公式(8)所示。

σ=B×C

(8)

式中:B為隸屬度向量；C為邏輯權(quán)重矩陣。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐，確定各分級標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。分級標(biāo)準(zhǔn)采用無量綱數(shù)值，即各物理量值均為相對量，本文將評判標(biāo)準(zhǔn)劃分為優(yōu)秀、良好、一般、差”四段，分別與I、II、III、IV級評判標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段值對應(yīng)。

表1 等級評判標(biāo)準(zhǔn)

3 綜合性能評判軟件設(shè)計(jì)

在C語言編程環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)氣動鉆機(jī)評判系統(tǒng)軟件，軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。對錄入到計(jì)算機(jī)的氣動鉆機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算分析，調(diào)用隸屬函數(shù)程序生成模糊關(guān)系矩陣，并根據(jù)各因子權(quán)重計(jì)算隸屬度向量，進(jìn)而調(diào)用邏輯權(quán)重矩陣，計(jì)算出氣動鉆機(jī)綜合性能等級，確保評判過程的準(zhǔn)確高效。

圖3 軟件設(shè)計(jì)

4 工程實(shí)例分析

以某企業(yè)生產(chǎn)的ZQS-50/2.5S型氣動鉆機(jī)為例，采用本文建立的評估模型進(jìn)行綜合性能評判分析。該產(chǎn)品在0.5 MPa供氣壓力下工作時，各評判因子取值以及分級標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，抵抗意外事件能力、符合人體工程學(xué)、便于保養(yǎng)維修等不能直接通過測試量化的指標(biāo)，由行業(yè)專家根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合操作工人意見得出。各評判因子權(quán)重如表3所示。經(jīng)計(jì)算，得出σ=4.7，根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)該氣動鉆機(jī)性能為“良好”。本文評價的設(shè)備在煤礦井下取得了良好應(yīng)用效果，驗(yàn)證了本文建立的氣動鉆機(jī)綜合性能評價方法的科學(xué)性和實(shí)用性。

表2 評判因子值及分級標(biāo)準(zhǔn)值

表3 評判因子值權(quán)重

5 結(jié)論

隨著“機(jī)械化換人，自動化減人”政策的提出，煤礦用液壓錨桿鉆車等大型機(jī)電設(shè)備在煤礦井下鑿鉆孔施工領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，但在一段時期內(nèi)氣動鉆機(jī)的應(yīng)用將依然廣泛，且涉及的操作人員數(shù)量龐大，為人體直接接觸操作，其性能直接影響煤礦安全生產(chǎn)和礦井工人健康安全，為此提出了安全性、能耗、可靠性、人性化設(shè)計(jì)等四個方面指標(biāo)，對氣動鉆機(jī)綜合性能進(jìn)行了分析。并在建立了氣動鉆機(jī)評判體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AHP和模糊評判理論建立了其綜合性能評判數(shù)學(xué)模型，通過工程實(shí)例驗(yàn)證了本文研究成果的科學(xué)性、實(shí)用性，可以作為生產(chǎn)企業(yè)和煤礦用戶設(shè)計(jì)選型的理論工具。