吳俊杰

（大運(yùn)華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

引言

近年來(lái)，隧道設(shè)備和連續(xù)鉆井系統(tǒng)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度不斷提高，這凸顯了在這些行業(yè)獲得可靠操作系統(tǒng)的重要性。這些系統(tǒng)由不同且相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)的可靠性、可用性和維護(hù)能力是影響系統(tǒng)性能的主要因素。掘進(jìn)設(shè)備投資成本高，且設(shè)備擴(kuò)大化、復(fù)雜。因此，這些設(shè)備需要最高水平的性能和可靠性。此外，預(yù)計(jì)用于隧道施工的設(shè)備和技術(shù)可隨時(shí)使用，并具有較高的可靠性和可用性。隧道連續(xù)掘進(jìn)設(shè)備和機(jī)械包括各種系統(tǒng)，掘進(jìn)的掘進(jìn)速度取決于這些系統(tǒng)。機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)的性能在很大程度上依賴(lài)于機(jī)器和物流系統(tǒng)的停機(jī)維護(hù)時(shí)間。機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)是機(jī)械化掘進(jìn)中最重要的系統(tǒng)之一，它的子系統(tǒng)直接影響著支護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行[1-5]。因此，分析各種隧道系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性是很有意義的。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的可靠性、維修能力進(jìn)行了研究。本研究對(duì)某掘進(jìn)系統(tǒng)支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性、可維護(hù)性分析，以確定主支護(hù)系統(tǒng)的故障及維修模式。

1 可靠性和維護(hù)性

基于系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的特點(diǎn)，可靠性、可維護(hù)性分析是降低維護(hù)成本、提高系統(tǒng)功能和運(yùn)行水平的重要途徑。

可靠性是指系統(tǒng)在給定條件下，在特定時(shí)間間隔內(nèi)完成任務(wù)的能力。當(dāng)系統(tǒng)可以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行指定的任務(wù)時(shí)是更可靠的。因此，識(shí)別不同的可預(yù)測(cè)條件和操作模式，包括系統(tǒng)、設(shè)備、組件等在內(nèi)的子系統(tǒng)是否使用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的規(guī)范階段是必不可少的。如果系統(tǒng)故障僅包括系統(tǒng)的一個(gè)部件故障，則該系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)。故障是由于某一系統(tǒng)或設(shè)備不能在特定條件下運(yùn)行。機(jī)械故障的主要原因包括設(shè)計(jì)不良或不完整、制造缺陷、不正確的使用、不正確的放置和安裝、磨損、系統(tǒng)其他部分的故障，以及在運(yùn)行中逐漸退化。

柏拉圖分析是系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計(jì)分析的第一步。在這個(gè)分析中，一個(gè)系統(tǒng)被劃分為幾個(gè)子系統(tǒng)。柏拉圖分析提供了識(shí)別問(wèn)題區(qū)域的可能性，應(yīng)該盡可能廣泛地使用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)采集之后，在找到最佳擬合分布之前，應(yīng)研究故障數(shù)據(jù)獨(dú)立和同分布的假設(shè)。為了分析這一假設(shè)，采用了兩種常用的趨勢(shì)檢驗(yàn)和相關(guān)檢驗(yàn)方法。

在統(tǒng)計(jì)分析方法中，通過(guò)分析TBF 和TTR 數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型。用非齊次泊松過(guò)程和更新過(guò)程兩種方法確定了不同子系統(tǒng)的最佳概率分布函數(shù)。如果數(shù)據(jù)有趨勢(shì)，則采用冪律過(guò)程模型(PLP)。冪律過(guò)程模型具有威布爾分布的相同優(yōu)點(diǎn)，可以靈活地描述時(shí)間數(shù)據(jù)。在沒(méi)有趨勢(shì)和序列相關(guān)性的情況下，使用更新過(guò)程。

在沒(méi)有趨勢(shì)和序列相關(guān)的情況下，采用經(jīng)典方法求出更新中的最佳擬合分布。為此，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分布函數(shù)的測(cè)試，以選擇最佳的分布。根據(jù)這些方法的擬合優(yōu)度（GOF）評(píng)分，選取各子系統(tǒng)的最佳分布函數(shù)。

可維護(hù)性是指一個(gè)失效的系統(tǒng)、設(shè)備、部件通過(guò)應(yīng)用維修在時(shí)間上恢復(fù)到令人滿(mǎn)意的運(yùn)行狀態(tài)的可能性。

2 支護(hù)系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)分析

記錄掘進(jìn)支護(hù)系統(tǒng)的故障和可修復(fù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行連續(xù)分析。使用運(yùn)行和維護(hù)信息、日常維護(hù)報(bào)告和來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性建模。為進(jìn)行分析，將機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)，分別為支腿、臂舉、轉(zhuǎn)臺(tái)。每個(gè)子系統(tǒng)的項(xiàng)目包括推進(jìn)和牽引支持系統(tǒng)。以開(kāi)挖時(shí)間為時(shí)間單位進(jìn)行分析。下頁(yè)圖1 和圖2分別為各支護(hù)系統(tǒng)故障次數(shù)和故障次數(shù)的柏拉圖。這些圖說(shuō)明了臂舉在故障數(shù)量（244 次故障）和故障時(shí)間（9 345 h 故障）方面是最關(guān)鍵的子系統(tǒng)。

圖1 基于故障數(shù)的子系統(tǒng)的柏拉圖

圖2 基于故障時(shí)間的子系統(tǒng)的柏拉圖

為了確定導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)的主要故障原因，本研究采用分析和圖解法對(duì)累積TBFs 和TTRs 數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)。采用軍用分析方法和拉普拉斯分析方法進(jìn)行了趨勢(shì)試驗(yàn)。此外，還采用圖形方法來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)中的趨勢(shì)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行所有三個(gè)趨勢(shì)測(cè)試之后，決定是否存在趨勢(shì)。通過(guò)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)確定TBFs 和TTRs 數(shù)據(jù)的最佳分布函數(shù)。在數(shù)據(jù)中存在趨勢(shì)的情況下，采用非齊次泊松過(guò)程和PLP 方法。另一方面，在數(shù)據(jù)中沒(méi)有趨勢(shì)的情況下，采用更新過(guò)程來(lái)選擇最優(yōu)分布函數(shù)。在更新過(guò)程中，采用經(jīng)典方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

各子系統(tǒng)的可靠性由最佳概率分布函數(shù)確定。分別計(jì)算各分系統(tǒng)對(duì)TBFs 數(shù)據(jù)的可靠性，并將各分系統(tǒng)的可靠性串聯(lián)起來(lái)，乘上各分系統(tǒng)的可靠性，得到支護(hù)系統(tǒng)的總體可靠性。子系統(tǒng)臂舉、支腿、轉(zhuǎn)臺(tái)以及總體系統(tǒng)的可靠性圖如圖3 所示。從圖中可以看出：連續(xù)運(yùn)行約8 000 h 后，子系統(tǒng)臂舉的可靠性為0.2；連續(xù)運(yùn)行2 500 h 后子系統(tǒng)支腿可靠性接近于0，8 000 h 后子系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性降為5%。一般來(lái)說(shuō)，TBFs 輸送機(jī)系統(tǒng)的可靠性在2 500 d 后達(dá)到零。因此，它是最關(guān)鍵的子系統(tǒng)。此外，考慮到該支護(hù)機(jī)的可靠性在其他子系統(tǒng)之后達(dá)到零，因此在所有子系統(tǒng)中，支腿的狀態(tài)最好。

圖3 子系統(tǒng)和通用支護(hù)系統(tǒng)的可靠性圖

與對(duì)TBFs 數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析的過(guò)程相似，來(lái)自TTRs 數(shù)據(jù)的結(jié)果被用于可維護(hù)性分析。針對(duì)擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果，確定對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)為各子系統(tǒng)的最佳分布函數(shù)。利用該分布函數(shù)，確定三個(gè)子系統(tǒng)的可維護(hù)性。臂舉、支腿、轉(zhuǎn)臺(tái)分別運(yùn)行9 000 h、1 100 h、5 000 h 后可靠性下降到10%。整個(gè)支護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行900 h 后可靠性就下降至10%。支護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行1 900 h 后可靠性為零。支腿1的可靠性比其他子系統(tǒng)的可靠性要小，因?yàn)槌惺苷麄€(gè)支護(hù)系統(tǒng)的重量。為了提高系統(tǒng)的可靠性，需要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。由于不同子系統(tǒng)的可靠性不同，維護(hù)間隔也會(huì)因子系統(tǒng)的不同而不同。通過(guò)相關(guān)的可靠性函數(shù)，計(jì)算確定了在90%、80%、70%、60%和50%的可靠性水平下主牽引系統(tǒng)各子系統(tǒng)的維修周期。

為了設(shè)計(jì)預(yù)防性維護(hù)周期方案，保證支護(hù)系統(tǒng)的可靠性在20%以上，根據(jù)所選的可靠性水平，支腿、臂舉、轉(zhuǎn)臺(tái)的維修間隔分別為900 h、8 000 h、3 000 h。這意味著機(jī)械化支護(hù)系統(tǒng)臂舉運(yùn)行8 000 h就需要維護(hù)，子系統(tǒng)支腿運(yùn)行900 h 就需要維護(hù)。因此，支腿應(yīng)被視為該子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。對(duì)于支腿，在80%可靠性水平下的600 h 維修間隔內(nèi)，建議每14個(gè)班次和托輥進(jìn)行一次檢查，并應(yīng)考慮支護(hù)的功能。

3 結(jié)論

1）可維護(hù)性結(jié)果表明，子系統(tǒng)臂舉的可維護(hù)性低于其他子系統(tǒng)，子系統(tǒng)支腿和子系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的可維護(hù)性相當(dāng)。

2）維護(hù)包括對(duì)不同子系統(tǒng)的檢查、維修、維護(hù)或更換。根據(jù)得到的時(shí)間間隔和每班平均挖掘時(shí)間，可以得出每班后進(jìn)行維修操作的時(shí)間。

3）對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)，維修檢查的最佳時(shí)間間隔是在每?jī)砂嘀蟆Ｍ瑯?，?duì)于支腿，進(jìn)行維修的最佳時(shí)間間隔是每14 班一次。

4）故障頻率表明，各分系統(tǒng)的主要故障均與托輥有關(guān)。

由于系統(tǒng)承受了很大的壓力，大部分破壞發(fā)生在隧道的拱段，因此這種額外的壓力可以通過(guò)在這些部分增加底盤(pán)和控制推進(jìn)來(lái)減少。