煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性研究＊

姜 杰

（西安科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

隨著大型煤礦對(duì)科學(xué)技術(shù)和裝備要求的提高，中國(guó)在煤礦機(jī)器成套裝備和單機(jī)裝備上取得了重大突破。然而煤礦技術(shù)裝備的發(fā)展卻沒(méi)有帶來(lái)礦井產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的同步增長(zhǎng)，許多關(guān)鍵元部件還依賴進(jìn)口，同種型號(hào)的設(shè)備生產(chǎn)效率與國(guó)外相比也相差較大，因此，研究煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性，降低機(jī)器故障率，加強(qiáng)設(shè)備管理，對(duì)保證煤炭生產(chǎn)效率和降低開(kāi)采事故有重要的意義。

40年代末50年代初，軌道交叉理論指出不能把事故的責(zé)任簡(jiǎn)單地說(shuō)成是工人的不注意，應(yīng)該同時(shí)注意機(jī)械的、物質(zhì)的危險(xiǎn)性在事故致因中的重要地位。斯奇巴(Skiba)提出，生產(chǎn)操作人員與機(jī)械設(shè)備兩種因素都對(duì)事故的發(fā)生有影響，并且機(jī)械設(shè)備的危險(xiǎn)狀態(tài)對(duì)事故的發(fā)生作用更大些［1］。到20世紀(jì)50年代到60年代，系統(tǒng)安全理論在美國(guó)研制洲際導(dǎo)彈的過(guò)程中產(chǎn)生，該理論在事故致因理論的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)了硬件設(shè)備的影響因素［2］。系統(tǒng)安全理論引導(dǎo)人們開(kāi)始關(guān)注系統(tǒng)的可靠性問(wèn)題，考慮如何通過(guò)改善各種設(shè)備的安全性能來(lái)提高復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，從物的因素出發(fā)降低事故發(fā)生的可能性。英國(guó)煤礦［3］最早采用人機(jī)工程學(xué)的方法對(duì)煤礦機(jī)械進(jìn)行評(píng)價(jià)，并作為煤礦機(jī)械的購(gòu)買和改造的重要依據(jù)。加拿大哥倫比亞大學(xué)的 R.A.Hall博士［4］將可靠性分析技術(shù)作為露天采礦設(shè)備評(píng)價(jià)與造型的工具，通過(guò)對(duì)設(shè)備故障和維修時(shí)間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，制定了礦山公司設(shè)備選型新標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)對(duì)煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性研究起步較晚。在80年代后期，山東礦業(yè)學(xué)院俞書(shū)偉［5］應(yīng)用系統(tǒng)可靠性理論對(duì)礦井工藝連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)中輸送機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)、輸送機(jī)－緩沖煤倉(cāng)－運(yùn)輸機(jī)串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并給出了系統(tǒng)有效度的計(jì)算公式和計(jì)算方法。西安礦業(yè)學(xué)院唐祖章教授［6］對(duì)采煤生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了研究，把采煤生產(chǎn)系統(tǒng)作為可修復(fù)系統(tǒng)，通過(guò)分析采煤生產(chǎn)系統(tǒng)中的采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、支架、下山膠帶輸送機(jī)、煤倉(cāng)、電器設(shè)備等故障率以及故障時(shí)間來(lái)研究機(jī)器的可靠性問(wèn)題。朱啟建等［7］開(kāi)始對(duì)礦井中某一具體工作面機(jī)械系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究，初步介紹了模糊理論。黃洪鐘教授等［8］提出將可靠性理論應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)可靠性的研究，得到了機(jī)械系統(tǒng)可靠性分析理論。

模糊綜合理論在煤炭領(lǐng)域的可靠性研究，主要集中在綜采工作面可靠性、井下運(yùn)輸、井下環(huán)境等方面。對(duì)煤礦機(jī)器的研究沒(méi)有考慮設(shè)備使用中的可靠性，僅對(duì)采煤生產(chǎn)系統(tǒng)中部分固有設(shè)備，煤礦機(jī)械零件可靠性進(jìn)行探討。文中應(yīng)用模糊綜合理論對(duì)煤礦系統(tǒng)中機(jī)器的整體可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 影響煤礦機(jī)器可靠性因素

1.1 煤礦機(jī)器設(shè)備的特殊性

就機(jī)器設(shè)備而言，可靠性是指機(jī)器及其零部件在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。一般來(lái)說(shuō)，煤礦工作面機(jī)器設(shè)備的可靠性隨使用時(shí)間的增加而逐漸降低，使用時(shí)間越長(zhǎng)，可靠性越低［9］。煤礦工作面中機(jī)器設(shè)備暴露和運(yùn)行在復(fù)雜的工作面環(huán)境當(dāng)中，由于人、機(jī)、環(huán)境多種因素的影響，導(dǎo)致煤礦機(jī)械故障的原因是多方面的(見(jiàn)表1)。特別是煤礦井下環(huán)境特殊，工作空間狹小，機(jī)器設(shè)備的安裝和使用受到很多限制，這就嚴(yán)重影響了機(jī)器設(shè)備的可靠性，因而對(duì)煤礦井下設(shè)備提出了很高的安全要求。

表1 機(jī)器設(shè)備可靠性影響因素結(jié)構(gòu)模型Tab.1 structure model for factors affecting the reliability of machinery and equipment

1.2 機(jī)器可靠性通用模型分析

1.2.1 串聯(lián)系統(tǒng)基本模型

設(shè)煤礦機(jī)器系統(tǒng)由n個(gè)部件串聯(lián)組成，部件壽命服從指數(shù)分布，其故障率和修復(fù)率分別為λi，μi，其可靠性框圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)系統(tǒng)圖Fig.1 Series system diagram

在串聯(lián)系統(tǒng)中，任一單元的故障均導(dǎo)致系統(tǒng)故障，所以系統(tǒng)可靠度小于或至多等于各串聯(lián)單元可靠度的最小值，即Rs≤mini{Ri}，Ri為第 i單元可靠度［10］。

在各單元的故障統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的條件下，可靠性為

1.2.2 并聯(lián)系統(tǒng)基本模型

同理，設(shè)煤礦機(jī)器系統(tǒng)由n個(gè)部件并聯(lián)組成，部件壽命服從指數(shù)分布，其故障率和修復(fù)率分別為 λi，μi.其可靠性框圖如圖2所示。

圖2 并聯(lián)系統(tǒng)圖Fig.2 Parallel system diagram

并聯(lián)系統(tǒng)中僅有一個(gè)單元也能完成系統(tǒng)功能，所以采用多單元并聯(lián)可以提高系統(tǒng)的可靠性。一般說(shuō)，當(dāng)且僅當(dāng)所有單元發(fā)生故障時(shí)并聯(lián)系統(tǒng)才發(fā)生故障，系統(tǒng)可靠度大于或等于各并聯(lián)單元可靠度的最大值，即Rs≥maxRi.

N個(gè)機(jī)器部件并聯(lián)，單元間相互獨(dú)立，則可靠性

考慮到煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器連接方式的復(fù)雜性，采用機(jī)可靠性數(shù)學(xué)模型的通用公式對(duì)其可靠性進(jìn)行定量計(jì)算，可操作性較差且計(jì)算結(jié)果不一定精確。因此，還需采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法來(lái)確定煤礦機(jī)器系統(tǒng)的可靠性。

2 機(jī)器可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立

煤礦機(jī)器的可靠性可分為設(shè)備固有可靠性和設(shè)備使用可靠性2個(gè)方面，設(shè)備固有可靠性主要包括回采設(shè)備、掘進(jìn)設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備和排水設(shè)備。而設(shè)備使用可靠性主要是指煤礦機(jī)械在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，由表1可知使用可靠性主要包含設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、環(huán)境狀況、維修狀況和設(shè)計(jì)狀況。

表2 煤礦機(jī)器可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.2 Evaluatin index system of coal mine machinery reliability

表2為煤礦機(jī)械的可靠性評(píng)判指標(biāo)體系，作為一種層次結(jié)構(gòu)，總的評(píng)價(jià)指標(biāo)由2個(gè)一級(jí)子目標(biāo)和9個(gè)二級(jí)子目標(biāo)組成，其中環(huán)境狀況子目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化分為2個(gè)三級(jí)子目標(biāo)，中括號(hào)內(nèi)的值為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，根據(jù)專家評(píng)判法得出［11］。

另外，表2中影響煤礦機(jī)器可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以用樹(shù)型結(jié)構(gòu)來(lái)描述，如圖3所示。第一層的根結(jié)點(diǎn)是總的評(píng)價(jià)目標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果為B(0)，第i層第j個(gè)結(jié)點(diǎn)(中間子目標(biāo))的評(píng)價(jià)結(jié)果為B(ij)，各葉子結(jié)點(diǎn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，處于各分支的最右層。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)構(gòu)體系的樹(shù)形結(jié)構(gòu)Fig.3 Tree-structure of evaluation index system

2.1 單級(jí)模糊評(píng)價(jià)

設(shè)某個(gè)子目標(biāo)的指標(biāo)集 U=﹛ u1，u2，…，um﹜，評(píng)價(jià)級(jí) V= ﹛ v1，v2，…，vn﹜，評(píng)價(jià)集一般用差、中、良、優(yōu)等評(píng)語(yǔ)標(biāo)尺描述。則對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重集 A= ﹛ a1，a2，…，am﹜，ai表示指標(biāo) ui在該指標(biāo)的重要程度，其中ai?0，且Σ ai=1.權(quán)重集一般由專家給出，它反映對(duì)各因素的一種權(quán)衡。

這樣m個(gè)著眼因素的評(píng)價(jià)集就構(gòu)造出一個(gè)總的評(píng)價(jià)矩陣R

即每一個(gè)被評(píng)價(jià)對(duì)象確定了從U到V的模糊關(guān)系R，其中rij表示指標(biāo)ui評(píng)為vj的隸屬度(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，rij由測(cè)評(píng)人員在評(píng)語(yǔ)標(biāo)尺上打模糊分確定。Ri= ﹛ri1，ri2，…，rin﹜表示指標(biāo)ui的評(píng)價(jià)集，則該子目標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)B=A*R(*為算子符號(hào))為

2.2 多因素多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

一般來(lái)說(shuō)，在考慮的因素較多時(shí)會(huì)帶來(lái)2個(gè)問(wèn)題:一方面，權(quán)重分配很難確定；另一方面，即使確定了權(quán)重分配，由于要滿足歸一性，每一因素分得的權(quán)重必然很小。無(wú)論采用哪種算子，經(jīng)過(guò)模糊運(yùn)算后都會(huì)淹沒(méi)許多信息，有時(shí)甚至得不出相關(guān)結(jié)果，所以需要采用分層的辦法來(lái)解決問(wèn)題［12］。

通過(guò)式(1)(2)得出單級(jí)子目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，可得最低層子目標(biāo)的評(píng)語(yǔ)集Bij構(gòu)成新的模糊矩陣Ri'，式中t表示同一層子目標(biāo)的個(gè)數(shù)。

給定各層子目標(biāo)的權(quán)重集A={ai1，ai2，…，ait}，則上一層級(jí)子目標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)

式中 i－1表示第i層的父層，以此類推，由最底層逐層向上進(jìn)行綜合評(píng)判，最后可得最高層次即總目標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià) B0=(b01，b02，…，b0n)。

3 應(yīng)用實(shí)例

前文建立了煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)模型，現(xiàn)將該模型應(yīng)用于某一具體煤礦進(jìn)行計(jì)算和分析。將煤礦機(jī)器設(shè)備中各環(huán)節(jié)工作運(yùn)行的狀況分為很差、差、中、良、優(yōu)5個(gè)等級(jí)，得到系統(tǒng)評(píng)價(jià)集為 V={v1，v2，v3，v4，v5}={很差、差、中、良、優(yōu)}。結(jié)合對(duì)該煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性調(diào)研情況，通過(guò)發(fā)放問(wèn)卷形式，將該煤礦建設(shè)中機(jī)器的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性量化，相應(yīng)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 某煤礦機(jī)器的模糊綜合評(píng)價(jià)Tab.3 Fuzzy comprehensive evaluation of a coal mine machinery

根據(jù)煤礦機(jī)器設(shè)備的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，首先對(duì)最低層的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3)煤礦設(shè)備固有可靠性的綜合評(píng)價(jià)b11=a11

4)煤礦機(jī)器總體可靠性的綜合評(píng)價(jià)

該煤礦的可靠性模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是

根據(jù)最大隸屬原則，該煤礦機(jī)器系統(tǒng)的可靠性屬于第二等級(jí)(良)，符合煤礦現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)中機(jī)器設(shè)施的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。然而從隸屬度對(duì)應(yīng)可知與良對(duì)應(yīng)的隸屬度僅為0.475，并且第三等級(jí)(中)評(píng)判占了一定的比重，由此可見(jiàn)該煤礦工程的機(jī)器可靠性還有很大的提升空間，有待進(jìn)一步提高。

4 提高煤礦機(jī)器設(shè)備可靠性措施

煤礦建設(shè)中機(jī)器的可靠性不高，影響整個(gè)礦井的安全、綠色、高效生產(chǎn)，應(yīng)積極采取有效措施，改善機(jī)器系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)，提高煤礦建設(shè)系統(tǒng)中機(jī)器設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。對(duì)該煤礦而言，應(yīng)重點(diǎn)提高機(jī)器設(shè)備使用的可靠性。

4.1 減少機(jī)器本身故障，延長(zhǎng)使用壽命

利用可靠性高的元件，提高原材料和零部件的加工工藝水平和裝配質(zhì)量；在一定質(zhì)量條件下增加系統(tǒng)備用量，尤其是煤礦的關(guān)鍵性設(shè)備；采用平行的并聯(lián)配置系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)部件出現(xiàn)故障，機(jī)器設(shè)備仍能正常工作；對(duì)惡劣環(huán)境下的機(jī)器設(shè)備應(yīng)采取一定的保護(hù)措施。

4.2 改進(jìn)煤礦機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加強(qiáng)安全裝置的設(shè)計(jì)，一旦機(jī)器設(shè)備發(fā)生故障，可以起到終止事故，加強(qiáng)防護(hù)的作用；在滿足相關(guān)條件的情況下，盡量簡(jiǎn)化煤礦機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低設(shè)備的故障率［13］；采用可達(dá)性設(shè)計(jì)，機(jī)械的設(shè)計(jì)要為使用人員的操作、維修留出足夠的操作空間，利于安裝和維修；對(duì)煤礦機(jī)械的相關(guān)部件采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和易識(shí)別性設(shè)計(jì)，提高機(jī)械部件的可替代性和易維修性，增強(qiáng)零部件的重復(fù)利用率，降低使用成本。

4.3 采用先進(jìn)的故障診斷和機(jī)械維修技術(shù)

在煤礦機(jī)械實(shí)際故障診斷過(guò)程之中注重采用多種故障診斷相結(jié)合的方式，使用較高可靠性的維修技術(shù)，同時(shí)注意加強(qiáng)預(yù)防性維修，排除事故隱患，消除機(jī)器設(shè)備潛在危險(xiǎn)，降低煤礦機(jī)器的故障率。

4.4 加強(qiáng)對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備的養(yǎng)護(hù)工作

在煤礦機(jī)器設(shè)備運(yùn)行過(guò)程之中實(shí)行定期的檢驗(yàn)維修工作，不僅對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的洗滌和保養(yǎng)，同時(shí)對(duì)機(jī)械的精度進(jìn)行定期點(diǎn)檢，一旦發(fā)現(xiàn)其相關(guān)指標(biāo)不在正常值范圍內(nèi)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整［14］；在煤礦的各個(gè)生產(chǎn)區(qū)域設(shè)立負(fù)責(zé)人，以所在區(qū)域的設(shè)備完好率及故障率作為責(zé)任人的考核指標(biāo)，形成一個(gè)良性的管理機(jī)制；在煤礦生產(chǎn)中，提高煤礦機(jī)器的維護(hù)水平應(yīng)該做到三化，即制度規(guī)范化、工藝化和制度化。

5 結(jié)論

1)在分析煤礦建設(shè)中機(jī)器特殊性的基礎(chǔ)上，將模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用于煤礦機(jī)器設(shè)備可靠性評(píng)判領(lǐng)域，推導(dǎo)了機(jī)器可靠性的多因素多級(jí)評(píng)價(jià)模式，最后給出煤礦機(jī)器可靠性的模糊綜合評(píng)價(jià)示例。

2)模糊綜合評(píng)價(jià)模型能定量化、系統(tǒng)化的處理各指標(biāo)間的關(guān)系，可以綜合考慮影響煤礦機(jī)器設(shè)備可靠性的主次因素，能比較客觀的反映煤礦機(jī)器設(shè)備的可靠性水平，為鑒定煤礦機(jī)械質(zhì)量，煤礦機(jī)器設(shè)備的選購(gòu)和使用管理等提供了相關(guān)理論依據(jù)。

3)通過(guò)對(duì)煤礦機(jī)器可靠性進(jìn)行分析和計(jì)算，能夠客觀地反映煤礦機(jī)器設(shè)備可靠性的總體水平，指出機(jī)器系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出降低機(jī)器故障率的措施，從而促進(jìn)煤礦中復(fù)雜機(jī)器設(shè)備可靠性水平的不斷提高。

4)隨著現(xiàn)代化礦井建設(shè)機(jī)械化、智能化的不斷提高，機(jī)器子系統(tǒng)日益復(fù)雜，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)對(duì)煤礦機(jī)器可靠性的分析還處于發(fā)展階段，在影響可靠性因子的考慮、因素權(quán)重的分配等方面還需進(jìn)行大量的研究工作。

References

［1］吳 宆，許開(kāi)立.安全管理學(xué)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.WU Qiong，XU Kai-li.Security management［M］.Beijing:China Coal Industry Press，2002.

［2］張 力，廖可兵.安全人機(jī)工程學(xué)［M］.北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2008.ZHANG Li，LIAO Ke-bing.Safety ergonomics［M］.Beijing:China Labor and Social Security Press，2008.

［3］Joachim Breuer，Eva-Marie Hoffer ＆ Walter Hummitzsoh.Rate of occupational accidents in the mining industry sine［R］.1950-A Successful Approach to Prevention，2002.

［4］Hal R.A.Improved gyratory crushing operation by the assessment of liner wear and mantle profile redesign［J］.Minerals Engineering，2004:1092.

［5］俞書(shū)偉.煤礦可靠性工程引論［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1988.YU Shu-wei.Introduction to reliability engineering of coal mine［M］.Beijing:China Coal Industry Press，1988.

［6］唐祖章.礦井主生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬［J］.西安礦業(yè)學(xué)院，1993，13(3):24 －29.TANG Zu-zhang.Computer simulation of the main mine production system［J］.Xi’an University of Science and Technology，1993，13(3):24 －29.

［7］朱啟建，葉鐵麗，孫鳳花.綜采工作面機(jī)械系統(tǒng)的模糊可靠性分析［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，16(3):255－258.ZHU Qi-jian，YE Tie-li，SUN Feng-hua.Fuzzy reliability analysis of mechanical system in fully mechanized coal mining face［J］.Journal of Shandong University of Science and Technology，1997，16(3):255 －258.

［8］HUANG Hong-zhong，XU Lei，HU Zong-wu.Fuzzy method for failure reliability［J］.Journal of Shang Jiaotong University，2000，E －5(2):38 －41.

［9］陳寶智，吳 敏.事故致因理論與安全理念［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2008，4(1):21 －23.CHEN Bao-zhi，WU Min.Theory of accident causation and security concept［J］.Journal of Safety Science and Technology，2008，4(1):21 －23.

［10］Webera P，Jouffeb L.Complex system reliability modeling with Dynamic Object Oriented Bayesian Networks(DOOBN)［J］.Reliability Engineering and System Safety，2006，91(2):149 －162.

［11］白如鴻，王振華，董康乾，等.淺埋煤層綜采工作面設(shè)備選型與配套［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(2):221－225.BAI Ru-hong，WANG Zhen-hua，DONG Kang-qian，et al.Shallow seam mining equipment selection and matching［J］.Xi’an University of Science and Technology，2013(2):221－225.

［12］羅紅波，矯興艷，王 冉.礦井人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)［J］.礦業(yè)快報(bào)，2007:12.LUO Hong-bo，JIAO Xing-yan，WANG Ran.Safety assessment of man-machine-environment system in coal mine［J］.Express Information of Mining Industry，2007:12.

［13］李 磊，田水承，鄧 軍，等.礦工不安全行為影響因素分析及控制對(duì)策［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(6):794 －798，813.LI Lei，TIAN Shui-cheng，DENG Jun，et al.Analysis and control measures on miners’unsafe behavior factors［J］.Xi’an University of Science and Technology，2001(6):794 －798，813.

［14］楊桂東，范勝山.煤礦機(jī)械磨損失效的危害及預(yù)防［J］.采礦技術(shù)，2005，5(2):59 －61.YANG Gui-dong，F(xiàn)AN Sheng-shan.Harm and prevention of coal mining machinery abrasive wear lose effectiveness［J］.Mining Techonlogy，2005，5(2):59 －61.