郭勇軍

（江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，贛州 341000）

離子型稀土是由我國(guó)發(fā)現(xiàn)并命名的一種新型稀土礦物，最早于1969 年在江西省贛州市龍南縣境內(nèi)足洞地區(qū)發(fā)現(xiàn)，是我國(guó)南方地區(qū)獨(dú)有的珍稀礦種。離子型稀土以離子相礦物形態(tài)存在，通過(guò)酸性雨水反復(fù)淋積、富集，并最終吸附于高嶺土、白云母等礦物表面，具有重要的開(kāi)采價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。離子型稀土礦提取工藝大體經(jīng)歷了從池浸工藝到原地浸礦工藝的演變過(guò)程，其中原地浸礦工藝的發(fā)展經(jīng)過(guò)了負(fù)壓收液、天然底板收液、密集導(dǎo)流孔收液以及目前正在研究的人造地板收液4 個(gè)階段。原地浸礦工藝不開(kāi)挖山體，不破壞植被，無(wú)尾砂排放，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

礦塊的儲(chǔ)量和分布情況查定是原地浸礦開(kāi)采前的準(zhǔn)備工程。礦塊的儲(chǔ)量和分布情況越清楚，工程布置就會(huì)越合理、有效。目前，查礦采用打孔取樣的方式。根據(jù)工藝要求，10 000 m2的礦山需要布置約2 萬(wàn)個(gè)注液孔，而鉆機(jī)是完成這項(xiàng)工作的重要設(shè)備保障。設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，相關(guān)零部件容易出現(xiàn)故障，現(xiàn)場(chǎng)維修難度大，嚴(yán)重影響稀土礦山的開(kāi)采進(jìn)度。因此，分析鉆機(jī)故障十分必要。

1 FMECA 方法

故障模式影響與危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是分析系統(tǒng)中每一個(gè)產(chǎn)品所有可能的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的影響，并按照每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率進(jìn)行分類的一種歸納方法。文章選取江西省定南縣某礦山中試驗(yàn)基地近一年來(lái)產(chǎn)品使用問(wèn)題統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)，利用失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）表格和危害性分析（Criticality Analysis，CA）矩陣方法進(jìn)行FMECA 失效模式分析，獲取設(shè)備故障模式和故障發(fā)生模式及其對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響，進(jìn)而找出關(guān)鍵部件實(shí)施改進(jìn)，提高產(chǎn)品的安全性和可靠性。根據(jù)《故障模式、影響及危害性分析指南》（GJB/Z 1391—2006）的建議，硬件FMECA 步驟如圖1 所示[2]。

圖1 FMECA 的步驟

2 鉆機(jī)層次及嚴(yán)酷度等級(jí)

2.1 鉆機(jī)層次

所研究鉆機(jī)由可移動(dòng)式固定支架（橡膠輪、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)腳撐、框體）、垂直上升結(jié)構(gòu)（渦輪減速機(jī)、鏈條、固定臺(tái)）、鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋鉆桿、合金鉆頭、快卸銷）組成[3]，如圖2 所示?？梢苿?dòng)式固定支架是所有零部件的承載平臺(tái)，主要由不銹鋼焊接而成，底部加裝橡膠輪以提高工作效率、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)腳撐用來(lái)應(yīng)對(duì)崎嶇不平的山體。垂直上升機(jī)構(gòu)通過(guò)渦輪減速機(jī)的齒輪與鏈條的不斷嚙合帶動(dòng)螺旋鉆桿上下移動(dòng)。渦輪減速機(jī)的高減速比使其具有自鎖性，提高了設(shè)備的安全性。鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)中的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)與螺旋鉆桿通過(guò)聯(lián)軸器剛性連接，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，使用鉆桿前端鑲嵌的合金鉆頭在其作用下不斷破開(kāi)土壤。螺旋鉆桿與合金鉆頭為主要承力構(gòu)件，承受鉆進(jìn)時(shí)來(lái)自土壤、樹(shù)根、巖石及自身的摩擦力?？煨朵N為各部件之間的連接件，主要承受剪切力。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要為設(shè)備提供輸出動(dòng)力。

圖2 設(shè)備三維模型

根據(jù)鉆機(jī)的組成、結(jié)構(gòu)層次關(guān)系劃分約定層次。初始約定層次為鉆機(jī)，約定層次為可移動(dòng)式固定支架、垂直上升結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，最低約定層次為系統(tǒng)各零組件。鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)層次和可靠性框圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆機(jī)架構(gòu)層次

圖4 鉆機(jī)可靠性框圖

2.2 嚴(yán)酷度等級(jí)

嚴(yán)酷度是指某種故障模式影響的嚴(yán)重程度，是對(duì)產(chǎn)品故障造成的最壞潛在后果的量度[3]。根據(jù)設(shè)備不同故障模式對(duì)設(shè)備造成的影響，結(jié)合《故障模式、影響及危害性分析指南》（GJB/Z 1391—2006）定義嚴(yán)酷度等級(jí)，如表1 所示。

表1 嚴(yán)酷度等級(jí)

3 鉆機(jī)FMECA

根據(jù)圖3 鉆機(jī)約定層次劃分，以系統(tǒng)硬件組成為研究對(duì)象，以系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)為結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FMEA 分析。

3.1 可移動(dòng)式固定支架FMECA

采用定性分析法判斷故障模式發(fā)生概率的等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。對(duì)可移動(dòng)式固定支架進(jìn)行FMECA，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可以看到，框體作為主承力結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響?？蚣苤饕刹讳P鋼焊接而成，故障原因?yàn)楹缚p尺寸不符合要求、表面氣孔、表面裂紋等。這些故障的產(chǎn)生會(huì)降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響安裝在上面的其他零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)、鉆桿等。

表2 可移動(dòng)式固定支架FMEA 表

3.2 垂直上升機(jī)構(gòu)FMECA

垂直上升機(jī)構(gòu)由渦輪減速機(jī)、鏈條、固定平臺(tái)、圓柱導(dǎo)軌和限位彈簧等組成，主要功能是控制螺旋鉆桿的上下運(yùn)行[4]。渦輪減速機(jī)輸出軸上焊接有齒輪，齒輪與鏈條嚙合，鏈條與固定平臺(tái)（汽油發(fā)動(dòng)機(jī)安裝面）連接在一起，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)減速機(jī)輸入軸，使得輸出軸不斷旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鏈條和固定平臺(tái)不斷上下移動(dòng)，完成注液孔的施工。在此過(guò)程中，鏈條不斷受到來(lái)自土壤、植物根莖和未風(fēng)化的巖石等的反彈力作用，是故障發(fā)生概率較大的部件。渦輪減速機(jī)、圓柱導(dǎo)軌均為采購(gòu)件，具有自鎖功能，可以有效避免鉆桿由于自身重力作用的自然下落，故障發(fā)生概率較小。對(duì)其進(jìn)行FMECA，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 垂直上升機(jī)構(gòu)FMEA 表

3.3 鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)FMECA

螺旋鉆桿、合金鉆頭和快卸銷組成鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)。鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)的主要功能是破開(kāi)土壤，并不斷將土壤帶離礦層，進(jìn)而形成注液孔。合金鉆頭的性能穩(wěn)定性對(duì)鉆進(jìn)系統(tǒng)性能有較大影響，對(duì)其進(jìn)行FMECA，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，螺旋鉆桿的故障模式以葉片磨損、卷刃為主，導(dǎo)致帶離土壤肥力減弱、鉆進(jìn)速度減慢，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)工藝，如更換高強(qiáng)度材料、葉片滲氮處理、優(yōu)化葉面曲率以及螺旋升角等[5]。合金鉆頭的主要故障模式是鑲嵌在鉆頭前端左右兩側(cè)的高強(qiáng)度合金脫落造成鉆頭磨損甚至斷裂等危害。故障原因往往是熱熔工序不符合標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)通過(guò)完善零件工藝加工作業(yè)指導(dǎo)書、加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等方式，延長(zhǎng)零件使用壽命，減少安全事故的發(fā)生。

表4 鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)FMEA 表

3.4 危害性分析

CA 是在FMEA 的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，基本分析方法有定性分析法和定量分析法兩種，文章采用定量分析法計(jì)算結(jié)果的危害度值。根據(jù)每個(gè)故障模式出現(xiàn)的次數(shù)及對(duì)設(shè)備的影響情況，可將其分為SA、SB、SC、SD、SE共5 個(gè)等級(jí)。結(jié)合嚴(yán)酷度類別，得出鉆進(jìn)系統(tǒng)危害矩陣圖，如圖5 所示。

圖5 危害性矩陣圖

圖5 中，OP表示產(chǎn)品危害度與嚴(yán)酷度等級(jí)的線性關(guān)系，也被稱為對(duì)角線。從故障模式分布點(diǎn)向線段OP做垂線，以該垂線與對(duì)角線的交點(diǎn)到原點(diǎn)的距離作為度量故障模式或產(chǎn)品危害性的依據(jù)，距離越長(zhǎng)，危害性越大。從圖5 可以看到，編號(hào)為M03、M010、M011 這3 種故障模式對(duì)鉆機(jī)的危害性最大，對(duì)應(yīng)的故障模式分別為框體焊縫開(kāi)裂、合金鉆頭高強(qiáng)度合金片脫落和快卸銷變形。針對(duì)這3 種故障模式，可以通過(guò)完善工藝流程、按周期更替易損件等方式解決，并做好記錄，以便查閱。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用FMECA 方法對(duì)鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析，結(jié)果表明框體焊縫開(kāi)裂、合金鉆頭高強(qiáng)度合金片脫落和快卸銷變形是主要故障，會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進(jìn)，進(jìn)而提高設(shè)備的穩(wěn)定性。未來(lái)將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障并進(jìn)行修復(fù)。