張禮才

（1.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030032； 2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室， 山西 太原 030032）

0 引言

除塵系統(tǒng)用來消除打鉆過程中產生的大量粉塵，是錨桿鉆車的核心組件。 除塵系統(tǒng)的可靠性直接影響礦工的身體健康[1]。為此本文以錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)為研究對象，利用評分分配法、重要度和復雜度分配法，將除塵系統(tǒng)可靠性指標分配到各個部件， 對于提升除塵系統(tǒng)可靠性具有參考價值。

1 錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)的可靠性問題

錨桿鉆車的除塵系統(tǒng)分為兩種， 一種為高壓水流噴射滅塵，另一種為有限空間氣流集塵。

高壓水流噴射滅塵的工作原理為利用動力裝置將井下接入鉆車的水流加壓，流經多個元件，最終從鉆頭處噴出， 鉆頭高速旋轉， 切割煤巖產生的粉塵與水流混合流出。 高壓水流噴射滅塵系統(tǒng)體積大、占據(jù)空間大、管路布置分散、維修不方便[2]。

有限空間氣流集塵的工作原理為利用密閉的有限空間阻擋和收集粉塵。 錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)采用有限空間氣流集塵。鉆頭與干式除塵系統(tǒng)構成了密封的氣流通道，打鉆作業(yè)產生的粉塵被高壓氣流吸入狹窄的氣流通道，氣流載著粉塵經過多個部件，粉塵逐漸被阻擋和收集。

干式除塵系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 干式除塵系統(tǒng)組成

錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)組成主要包括：旋流器、除塵箱、除塵動力裝置、安全閥以及風管等附件。

除塵系統(tǒng)井下應用的問題表現(xiàn)為除塵效果不良、核心部件壽命較短、噪聲污染等。 除塵效果不良、噪聲污染嚴重威脅著礦工的身體健康， 核心部件壽命較短造成了設備服務成本上升和礦方滿意度下降。傳統(tǒng)的設計方法，未能考慮到系統(tǒng)的可靠性指標， 因而造成后期的除塵系統(tǒng)應用階段的可靠性問題[3]。

2 可靠性分配方法

可靠性分配是指將產品規(guī)定的可靠性指標， 由上到下、 由整體到局部逐級分配到組成系統(tǒng)的各個部件的過程。 可靠性分配流程如圖2 所示。

圖2 可靠性分配流程

可靠性分配可以合理地確定系統(tǒng)中每個單元可靠度指標，以便在單元設計、制造、試驗和驗收時，切實地加以保證?？梢詭椭O計者了解零件、單元（子系統(tǒng)）、系統(tǒng)（整體）間可靠性的相互關系，更加全面地權衡系統(tǒng)的性能、功能、費用以及有效性等與時間的關系?？梢允瓜到y(tǒng)所獲得的可靠度值比分配前更加切合實際，節(jié)省制造、維護時間和費用[4]。

可靠性分配方法包括等分配法、評分分配法、比例組合分配法、重要度和復雜度分配法、拉格朗日乘數(shù)法、動態(tài)規(guī)劃法、再分配法[5]。

等分配法用于設計初期產品情況不明、 缺乏產品可靠性數(shù)據(jù)的情況，不考慮單元可靠性值的實現(xiàn)難易程度。假設某系統(tǒng)由u 個分系統(tǒng)串聯(lián)組成，若給定系統(tǒng)故障率，則按等分配法分配給各個分系統(tǒng)的故障率為給定系統(tǒng)故障率的1/u。

評分分配法是通過打分確定系統(tǒng)各個單元的可靠度，不需要大量輸入可靠性數(shù)據(jù)，一般通過技術方案評審會議的方式實施。 會議邀請技術專家對各個部件的可靠性影響因素進行打分，綜合考慮專家打分值和專家權重，經過加權計算獲得系統(tǒng)各個單元的可靠性指標， 盡管專家評分法帶有主觀性， 但是借助公司專家團隊的力量和多位專家打分的加權平均， 評分結果仍然明顯優(yōu)于單個設計人員的主觀臆斷[6]。

比例組合分配法是根據(jù)相似的老產品中各單元故障率占產品故障率的比例， 對新研發(fā)的產品進行可靠性分配的方法。比例組合分配法適用于新、老產品結構類似產品，對于新產品只是提出新的可靠性要求，就可采用比例組合分配法對新產品各組成單元分配故障率。

重要度和復雜度分配法又稱AGREE 分配法，既適用于串聯(lián)系統(tǒng)，也適用于并聯(lián)和串聯(lián)同時存在的混聯(lián)系統(tǒng)。應用重要度和復雜度分配法進行系統(tǒng)可靠度分配的關鍵是要分析各個子系統(tǒng)的重要程度和復雜程度， 要熟悉和掌握組成系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的結構和功能，從而確定各個子系統(tǒng)的重要性因子和復雜性因子。重要度和復雜度分配法更加適合設計者獨立完成可靠性分配，效率較高[7]。

拉格朗日乘子法是一種將有約束最優(yōu)化問題轉換為無約束最優(yōu)化問題的求優(yōu)方法。 由于引入了一種待定系數(shù)， 所以可利用這種乘子將原約束最優(yōu)化問題的目標函數(shù)和約束條件組合成一個稱為拉格朗日函數(shù)的新目標函數(shù)， 新目標函數(shù)的無約束最優(yōu)解就是原目標函數(shù)的約束最優(yōu)解。

動態(tài)規(guī)劃法求最優(yōu)解的思路完全不同于求函數(shù)極值的微分法和求泛函極值的變分法， 它是將多個變量的決策問題分解為只包含一個變量的一系列子問題， 通過解這一系列子問題而求得此多變量的最優(yōu)解。 這樣v 個變量的決策問題就被構造成一個順序求解各個單獨變量的v 級序列決策問題。

再分配法的基本思想是可靠性改進，以較低的改進成本獲得較好的改進效果。 區(qū)分對象可靠性改進的難以程度，改進可靠度較低的元件，不改變可靠度較高的元件。

3 除塵系統(tǒng)可靠性分配

3.1 可靠性分配方法的優(yōu)選

有經驗的設計人員或專家是產品研發(fā)設計階段的重要技術力量，可靠性工程在煤機行業(yè)應用尚處于起步階段，錨桿鉆車除塵系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)缺乏， 為此進行除塵系統(tǒng)可靠性分配同樣需要借助有經驗的設計人員或專家來把關。

可靠性設計是可靠性提升的重要環(huán)節(jié)， 設計決定了產品可靠性和成本的70%，30%屬于制造與其它環(huán)節(jié)保證。設計決定產品的固有可靠性，制造保證固有可靠性的實現(xiàn)，綜合保障服務保證產品固有可靠性的維持。對于設計人員來說，其對產品各個組成子系統(tǒng)的重要性、復雜性最為熟悉。

為此選擇專家評分分配法、 重要度和復雜度分配法進行錨桿鉆車除塵系統(tǒng)可靠性分配研究。

3.2 除塵系統(tǒng)可靠性建模

由除塵系統(tǒng)工作原理分析可知， 除塵系統(tǒng)各個組成部件不存在冗余，具有唯一性。旋流器、除塵箱、風機等各個部件之間是串聯(lián)結構，具有相互影響關系，任何一個部件故障，均會造成系統(tǒng)故障[8]。 除塵系統(tǒng)可靠性框圖如圖3 所示。

圖3 可靠性框圖

除塵系統(tǒng)是一個由獨立部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)， 其可靠度為各個部件可靠度的乘積。 除塵系統(tǒng)可靠性模型如式（1）所示。

式中：Rs（t）—t 時刻除塵系統(tǒng)的可靠度；Ri（t）—t 時刻第i個部件的可靠度。

3.3 除塵系統(tǒng)可靠性指標

除塵系統(tǒng)平均無故障工作時間按照煤礦機械質保期1 年（365 天）計算，每日工作時間按照2 個生產班統(tǒng)計，每個生產班工作時間8 小時。 除塵系統(tǒng)平均無故障工作時間如式（2）所示。

假設除塵系統(tǒng)壽命服從指數(shù)分布， 除塵系統(tǒng)故障率計算如式（3）所示。

將除塵系統(tǒng)工作時間代入式（2）-式（3），計算得到除塵系統(tǒng)故障率為：1.71×10-4。

3.4 除塵系統(tǒng)可靠性評分分配法

3.4.1 評分分配法的主要指標

評分分配法的評分指標包括： 結構復雜度、 技術水平、工作時間和環(huán)境條件等。 各種因素評分值范圍為：0～10 分，為了更加細致的區(qū)分不同對象的可靠性，打分值不局限于整數(shù)。

技術復雜程度評分需要考慮評分對象的結構層級、構件彼此之間連接與傳動關系，評分值與復雜程度成正比。

技術水平評分需要判斷評分對象的新技術水平，基礎性、原創(chuàng)性的技術應用越多，評分對象的分值就越高。

工作時間評分需要統(tǒng)計評分對象的開機率， 在研究時間段內，對象處于開機工作的時間越長，發(fā)生故障的可能性就越大，評分值就相應地越高。

環(huán)境條件的評分需要考慮評分對象服役的環(huán)境，比如暴露在粉塵、潮濕、振動環(huán)境下的部件的可靠性分值要高于室內環(huán)境工作部件的可靠性分值[9]。

3.4.2 評分分配法的步驟

評分分配法的實施過程包括收集評分對象的信息、技術專家與設計人員溝通并評分、可靠度分配與驗證計算。

首先根據(jù)使用數(shù)據(jù)、設計指標確定評分對象的MTBF值，進而計算評分對象的故障率、可靠度，確定評分因素。

然后，項目組主設人員做產品介紹，技術專家根據(jù)主設人員介紹的產品信息，針對性的提問交流，給出產品的可靠性分值。 計算綜合分值。

最后，計算分配給評分對象各個部件的故障率、可靠度，驗算各個部件的故障率與評分對象的故障率，各個部件的故障率之和應不高于評分對象的故障率[10]。部件故障率與評分對象故障率關系如式（4）所示。

式中：λi—第i 個部件的故障率；n—評分對象包含的部件數(shù)量。

3.4.3 除塵系統(tǒng)可靠性分配

錨桿鉆車除塵系統(tǒng)可靠性評分分配法計算流程如下：首先計算風管、旋流器、除塵箱等各個部件的評分。 將各個部件的復雜程度、技術水平、工作時間、環(huán)境條件評分值相乘，計算得到每個部件的評分，如式（5）所示。

式中：ωi—第i 個部件評分數(shù)；rij—第i 個部件，第j 個因素的評分數(shù)， 其中，j=1 為復雜度，j=2 為技術水平，j=3 為工作時間，j=4 為環(huán)境條件。

然后，計算除塵系統(tǒng)的總評分數(shù)，除塵系統(tǒng)的總評分數(shù)為各部件評分數(shù)之和，如式（6）所示。

式中：ω—除塵系統(tǒng)的總評分數(shù)；ωi—第i 個部件評分數(shù)；n—除塵系統(tǒng)的部件數(shù)。

接下來， 計算除塵系統(tǒng)各部件的評分系數(shù)并分配各單元的基本可靠性指標。 各部件的評分系數(shù)為部件評分值與除塵系統(tǒng)評分值的比值，計算如式（7）所示。

式中：Ci—第i 個部件的評分系數(shù)。 ωi、ω 的含義同前。

分配給各部件的基本可靠性指標為除塵系統(tǒng)故障率指標與該部件評分系數(shù)的乘積，計算如式（8）所示。

式中：λi—分配給第i 個部件的故障率；λ—除塵系統(tǒng)的故障率；Ci—第i 個部件的評分系數(shù)。

以旋流器的技術水平指標為例， 專家組由5 名專家組成，其中包含1 名首席專家，4 名普通專家。首席專家權重設為1.5，普通專家權重設為1。旋流器的技術水平指標評分如表1 所示。

表1 旋流器的技術水平指標評分

對表1 旋流器的技術水平指標評分值取加權平均，計算得到旋流器的技術水平指標可靠性評分值為5.8。

按照上述流程，計算得到除塵系統(tǒng)各個部件的指標評分如表2 所示。

表2 除塵系統(tǒng)各個部件的指標評分

由表2 可知，除塵動力裝置、除塵箱、旋流器的的可靠性評分值較高，由除塵系統(tǒng)結構得知，與風管、安全閥相比，旋流器、除塵箱、除塵動力裝置的結構較為復雜，技術水平成熟度相對較低，為此可靠性評分值較高。 除塵系統(tǒng)可靠性的評分法分配如表3 所示。

表3 除塵系統(tǒng)可靠性評分法分配

除塵系統(tǒng)可靠性專家評分法分配結果表明，風管、安全閥、旋流器分配的故障率指標值較低，除塵箱、除塵動力裝置分配的故障率指標值較高。

3.4.4 評分法分配驗算

計算得到除塵系統(tǒng)各個部件的故障率指標值的總和為1.64×10-4，未超過除塵系統(tǒng)故障率指標值。 驗算結果表明除塵系統(tǒng)可靠性評分法分配具有合理性。

3.5 除塵系統(tǒng)可靠性AGREE 分配法

3.5.1 各個部件重要度、復雜度分析

部件重要度是定量的描述各部件的故障對系統(tǒng)故障的影響。 其計算如式（9）所示。

式中：ωi'—系統(tǒng)中第i 個部件的重要度；Ni—由于第i 個部件故障引起系統(tǒng)故障的次數(shù)；n1表示第i 個部件的零件數(shù)目；rij'—第i 個部件（第j 個零件）的故障次數(shù)。

除塵系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)， 任何一個部件故障均會導致系統(tǒng)故障。 因此，除塵系統(tǒng)各個部件的重要度相同，令其重要度值均為1。

部件復雜度定義為部件中所含的重要零件 （其失效會引起部件失效）的數(shù)目與系統(tǒng)中重要零件的數(shù)目之比。其定義如式（10）所示。

式中：Ci'—系統(tǒng)中第i 個部件的復雜度；ni—第i 個部件中所含的重要零件的數(shù)目；N—系統(tǒng)中重要零件的數(shù)目；n—系統(tǒng)中部件的數(shù)目。

除塵系統(tǒng)各個部件的復雜度如表4 所示。

表4 除塵系統(tǒng)部件復雜度

3.5.2 各個部件可靠性分配

分配給第i 個部件的可靠性指標與該部件的重要度成反比，與該部件的復雜度成正比。 第i 個部件故障率計算如式（11）所示。

將除塵系統(tǒng)各個部件的重要度、復雜度代入式（11），計算得到各個部件故障率值。統(tǒng)計除塵系統(tǒng)可靠性AGREE分配如表5 所示。

表5 除塵系統(tǒng)可靠性AGREE 分配

除塵系統(tǒng)AGREE 分配結果表明，風管、安全閥、旋流器分配的故障率指標值較低，除塵箱、除塵動力裝置分配的故障率指標值較高。

3.5.3 AGREE 可靠性分配指標驗算

計算得到除塵系統(tǒng)的故障率驗算值為1.71×10-4，未超過除塵系統(tǒng)的故障率指標值。 驗算結果表明，除塵系統(tǒng)可靠性AGREE 分配具有合理性。

4 除塵系統(tǒng)可靠性提升建議

掘采裝備除塵系統(tǒng)可靠性分配結果表明，故障率較低的部件為安全閥、風管、旋流器，故障率較高的部件為除塵箱、除塵動力裝置，屬于薄弱環(huán)節(jié)。除塵系統(tǒng)的可靠性模型為串聯(lián)模型，提升除塵系統(tǒng)的可靠性關鍵在于提升薄弱環(huán)節(jié)的可靠性。

除塵動力裝置的風機、馬達均為外購件，聯(lián)軸器為外協(xié)件，生產階段應重點關注聯(lián)軸器的加工制造質量和裝配質量。

除塵箱為結構較為復雜的外協(xié)件， 應加嚴檢驗除塵箱的制造質量，對于除塵箱關鍵部位的形位公差尺寸，建議采用三坐標測量機檢驗。

5 結論

本文以錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)為研究對象， 建立了系統(tǒng)可靠性模型，應用專家評分分配法、重要度和復雜度分配法，分配了系統(tǒng)各個部件的故障率指標值。 得出結論如下：

（1）錨桿鉆車干式除塵系統(tǒng)是一個由獨立部件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度為各個部件可靠度的乘積。

（2）除塵系統(tǒng)專家評分分配法、重要度和復雜度分配法的分配結果具有一致性。

（3）提升除塵系統(tǒng)可靠性的關鍵在于提升除塵動力裝置、除塵箱的可靠性。對于除塵箱關鍵部位的形位公差尺寸，建議采用三坐標測量機檢驗。