周 廷

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著煤礦智慧礦山建設(shè)的加速推進(jìn)， 對(duì)煤機(jī)裝備的智能化水平提出了越來(lái)越高的要求， 可靠性作為產(chǎn)品的一個(gè)重要基礎(chǔ)特性， 高可靠性是煤機(jī)裝備持續(xù)穩(wěn)定工作的前提和保障。 智能煤機(jī)裝備作為煤礦智能礦山系統(tǒng)的執(zhí)行層，是智能礦山建設(shè)的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)各種具體執(zhí)行功能，工作環(huán)境惡劣，保障及維修都比較困難，高可靠性裝備對(duì)于提高設(shè)備開機(jī)率， 提升礦山生產(chǎn)效率及安全性都有關(guān)鍵作用。

在煤礦智能化發(fā)展中，為將建設(shè)過(guò)程中各種技術(shù)、裝備、行為等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)的框架和接口，便于各種建設(shè)推進(jìn)，需要構(gòu)建由通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、支撐技術(shù)與平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、 煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、 智能控制系統(tǒng)及裝備標(biāo)準(zhǔn)、安全監(jiān)測(cè)及防控裝備標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)保障標(biāo)準(zhǔn)等6 個(gè)部分組成標(biāo)準(zhǔn)框架[1]。 其中，生產(chǎn)保障標(biāo)準(zhǔn)用于保障煤礦安全高效生產(chǎn)運(yùn)行，包括設(shè)備可靠性、生產(chǎn)決策、管理等三個(gè)方面的內(nèi)容。

掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下巷道掘進(jìn)中起著至關(guān)重要的作用，普及率高，用量大，除掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)條件外，掘進(jìn)機(jī)可靠性水平高低是直接影響巷道掘進(jìn)效率的主要因素。在煤礦智能化掘進(jìn)階段， 掘進(jìn)機(jī)可靠性水平對(duì)掘進(jìn)效率的影響將更加突出。

1 可靠性標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

國(guó)外可靠性標(biāo)準(zhǔn)化工作開展較早， 形成了相對(duì)較完善的可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系。1952 年，為提高軍用電子設(shè)備的可靠性水平，美國(guó)專門成立了電子設(shè)備可靠性咨詢小組，并制定了著名的MIL－HDBK－217《電子設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)》等標(biāo)準(zhǔn)[2]。1962 年，德國(guó)提出成立了國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的第56 個(gè)技術(shù)委員會(huì)－TC56（“可信性”技術(shù)委員會(huì)），TC56應(yīng)用基于“工具箱”的結(jié)構(gòu)理念，制定、重組了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，形成了由核心標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)、支撐標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等四個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)組成的可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系[3]，形成了內(nèi)容涵蓋組件到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、 管理到制造領(lǐng)域、 軟件和系統(tǒng)可信性、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、生命周期成本計(jì)算、產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)集成、維護(hù)和人因等方面，并在國(guó)際上得到充分應(yīng)用。

我國(guó)在借鑒IEC/TC56 可信性標(biāo)準(zhǔn)體系框架的基礎(chǔ)上，制定了一定數(shù)量的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，其中包括GB/T、GJB、JB/T、SJ/T、QC/T 等方面，總共約有400 多項(xiàng)[4]。 在電子、工程機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域，已經(jīng)形成了較多的針對(duì)產(chǎn)品的可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并形成大量應(yīng)用，涉及機(jī)床、柴油機(jī)、低速汽車等多種產(chǎn)品。

在煤礦標(biāo)準(zhǔn)方面，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不足100 項(xiàng)，煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（MT）1400 余項(xiàng)[5]，主要包括煤礦的術(shù)語(yǔ)、安全生產(chǎn)、設(shè)備的通用技術(shù)要求等多個(gè)方面，但是，煤礦機(jī)械相關(guān)可靠性基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)、支撐標(biāo)準(zhǔn)均處于缺失狀態(tài)，可靠性工作開展缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)、過(guò)程管理、評(píng)價(jià)改進(jìn)等過(guò)程中的可靠性工作均帶來(lái)一定困難。

2 掘進(jìn)機(jī)可靠性評(píng)定試驗(yàn)主要內(nèi)容

掘進(jìn)機(jī)的可靠性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中， 主要包括了可靠性評(píng)定時(shí)的故障分類及判定原則、試驗(yàn)方案和試驗(yàn)方法、故障的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集、 可靠性評(píng)定指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果判定等多方面的內(nèi)容。

2.1 試驗(yàn)方案的確定

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集采、裝、運(yùn)、行等多功能于一體的煤礦井下大型機(jī)械設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，并且，隨著快速掘進(jìn)、智能化掘進(jìn)等新技術(shù)的推進(jìn)，許多掘進(jìn)機(jī)在以往普通掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)展，增加了臨時(shí)支護(hù)裝置、懸臂式錨桿鉆臂、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、人員接近監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等諸多功能部件或系統(tǒng)，使掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜。

傳統(tǒng)的可靠性評(píng)定， 可以通過(guò)以可靠性鑒定試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)作為評(píng)定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 試驗(yàn)可以采用試驗(yàn)室試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法。 對(duì)于掘進(jìn)機(jī)這類復(fù)雜大型設(shè)備， 通過(guò)試驗(yàn)室試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）以現(xiàn)有技術(shù)手段，在試驗(yàn)室模擬掘進(jìn)機(jī)工況存在較大困難， 假煤壁截割試驗(yàn)也與掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際工況存在較大差距。

（2）試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)成本高昂。

（3）不便于同時(shí)開展多臺(tái)掘進(jìn)機(jī)的試驗(yàn)。

綜合考慮以上因素， 對(duì)掘進(jìn)機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)[6]，并采用隨機(jī)抽樣的方法確定試驗(yàn)樣品，抽取一定數(shù)量的樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，同時(shí)兼顧不同地質(zhì)條件，對(duì)樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[7]。

2.2 故障判定準(zhǔn)則的分析

在煤礦井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中，受限于作業(yè)環(huán)境惡劣、掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配套復(fù)雜、各種突發(fā)情況較多，在使用過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)生涉及安全事故、設(shè)備故障導(dǎo)致不能正常掘進(jìn)、影響掘進(jìn)效率、影響使用體驗(yàn)等多種不同級(jí)別和影響的故障。 這些故障受掘進(jìn)機(jī)使用安全性、主要功能、附加功能、維修性等多個(gè)方面的影響，故障發(fā)生后，對(duì)人員安全、巷道掘進(jìn)效率產(chǎn)生的影響差別很大，對(duì)各故障按其影響，可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別，并依據(jù)各級(jí)故障對(duì)整機(jī)使用的影響進(jìn)行分析，設(shè)定不同級(jí)別權(quán)重系數(shù)，便于對(duì)不同故障導(dǎo)致的影響有一個(gè)統(tǒng)一量化的判定依據(jù)。

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的故障性質(zhì)和造成后果或潛在隱患的影響程度，將故障分為四個(gè)級(jí)別，每一級(jí)別的故障對(duì)應(yīng)相應(yīng)的當(dāng)量故障系數(shù)。 其分類原則及當(dāng)量故障系數(shù)見(jiàn)表1，累積當(dāng)量系數(shù)按式（1）計(jì)算：

式中：rij—試驗(yàn)期內(nèi)第i 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)發(fā)生的第j 類故障數(shù)；εj—第j 類故障的當(dāng)量故障系數(shù)。

2.3 故障模式的分析

可靠性技術(shù)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，但是在煤礦設(shè)備行業(yè)還沒(méi)有形成較大規(guī)模的應(yīng)用，煤機(jī)裝備的可靠性還處于一個(gè)相對(duì)較低水平，各類煤機(jī)裝備在使用中各種故障均有發(fā)生。 在掘進(jìn)機(jī)的故障模式分析中，需要對(duì)其各零部件和各種潛在故障模式進(jìn)行詳細(xì)析，并分析其故障對(duì)產(chǎn)品功能造成的影響，按影響的嚴(yán)重程度分為四個(gè)類別，示例見(jiàn)表2。

表2 掘進(jìn)機(jī)故障模式及故障類別（示例）

3 可靠性水平的分析

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析其可靠度水平，計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)MTBF、MTTR 等參數(shù)， 根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求判斷掘進(jìn)機(jī)的可靠性是否符合要求。

3.1 平均故障間隔時(shí)間MTBF

平均故障間隔時(shí)間MTBF 值按式

（2）計(jì)算：

式中：t—累積掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)間（定時(shí)截尾試驗(yàn)）（單位：h）；rdi—試驗(yàn)期內(nèi)第i 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)發(fā)生的當(dāng)量故障數(shù)；n—掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)臺(tái)數(shù)。

3.2 平均修復(fù)時(shí)間MTTR

平均修復(fù)時(shí)間MTTR 值按式（3）計(jì)算：

式中：tri—試驗(yàn)期內(nèi)第i 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)發(fā)生故障后的總修復(fù)時(shí)間，包括故障診斷、修理準(zhǔn)備（不包含調(diào)配配件時(shí)間）和修理實(shí)施的時(shí)間（單位：h）；ri—試驗(yàn)期內(nèi)第i 臺(tái)樣機(jī)發(fā)生的停機(jī)故障次數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是現(xiàn)在煤礦巷道掘進(jìn)的主要設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)內(nèi)各大煤礦企業(yè)的掘進(jìn)循環(huán)作業(yè)中，有10%～15%的時(shí)間消耗是由設(shè)備故障引起。 通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的方式，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的可靠性水平進(jìn)行評(píng)定，可以促進(jìn)掘進(jìn)機(jī)可靠性的改過(guò)提升， 將大量減少設(shè)備故障引起的循環(huán)時(shí)間消耗，提高巷道掘進(jìn)效率與速度，具有顯著的社會(huì)效益。 同時(shí)，為煤礦綜掘進(jìn)工作面實(shí)現(xiàn)智能化，高可靠性的掘進(jìn)機(jī)是其中的關(guān)鍵設(shè)備， 提高掘進(jìn)機(jī)的可靠性水平具有重大意義。