煤礦掘進機可靠性評定標準研究

周 廷

（中國煤炭科工集團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， 對煤機裝備的智能化水平提出了越來越高的要求， 可靠性作為產(chǎn)品的一個重要基礎(chǔ)特性， 高可靠性是煤機裝備持續(xù)穩(wěn)定工作的前提和保障。 智能煤機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，高可靠性裝備對于提高設(shè)備開機率， 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)過程中各種技術(shù)、裝備、行為等進行統(tǒng)一規(guī)范，形成標準的框架和接口，便于各種建設(shè)推進，需要構(gòu)建由通用基礎(chǔ)標準、支撐技術(shù)與平臺標準、 煤礦信息互聯(lián)網(wǎng)標準、 智能控制系統(tǒng)及裝備標準、安全監(jiān)測及防控裝備標準、生產(chǎn)保障標準等6 個部分組成標準框架[1]。 其中，生產(chǎn)保障標準用于保障煤礦安全高效生產(chǎn)運行，包括設(shè)備可靠性、生產(chǎn)決策、管理等三個方面的內(nèi)容。

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

1 可靠性標準現(xiàn)狀

國外可靠性標準化工作開展較早， 形成了相對較完善的可靠性標準體系。1952 年，為提高軍用電子設(shè)備的可靠性水平，美國專門成立了電子設(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》等標準[2]。1962 年，德國提出成立了國際電工委員會（IEC）的第56 個技術(shù)委員會－TC56（“可信性”技術(shù)委員會），TC56應(yīng)用基于“工具箱”的結(jié)構(gòu)理念，制定、重組了一系列的標準，形成了由核心標準、過程標準、支撐標準、相關(guān)標準等四個層次的標準組成的可靠性標準體系[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)險評估、生命周期成本計算、產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計集成、維護和人因等方面，并在國際上得到充分應(yīng)用。

我國在借鑒IEC/TC56 可信性標準體系框架的基礎(chǔ)上，制定了一定數(shù)量的可靠性標準，其中包括GB/T、GJB、JB/T、SJ/T、QC/T 等方面，總共約有400 多項[4]。 在電子、工程機械、機床等領(lǐng)域，已經(jīng)形成了較多的針對產(chǎn)品的可靠性評價標準，并形成大量應(yīng)用，涉及機床、柴油機、低速汽車等多種產(chǎn)品。

在煤礦標準方面，現(xiàn)行國家標準不足100 項，煤炭行業(yè)標準（MT）1400 余項[5]，主要包括煤礦的術(shù)語、安全生產(chǎn)、設(shè)備的通用技術(shù)要求等多個方面，但是，煤礦機械相關(guān)可靠性基礎(chǔ)標準、過程標準、支撐標準均處于缺失狀態(tài)，可靠性工作開展缺乏相應(yīng)的標準依據(jù)，給產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、過程管理、評價改進等過程中的可靠性工作均帶來一定困難。

2 掘進機可靠性評定試驗主要內(nèi)容

掘進機的可靠性評定標準中， 主要包括了可靠性評定時的故障分類及判定原則、試驗方案和試驗方法、故障的監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集、 可靠性評定指標及試驗結(jié)果判定等多方面的內(nèi)容。

2.1 試驗方案的確定

懸臂式掘進機是集采、裝、運、行等多功能于一體的煤礦井下大型機械設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，并且，隨著快速掘進、智能化掘進等新技術(shù)的推進，許多掘進機在以往普通掘進機的基礎(chǔ)上進行功能擴展，增加了臨時支護裝置、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)測系統(tǒng)等諸多功能部件或系統(tǒng)，使掘進機的系統(tǒng)構(gòu)成更加復(fù)雜。

傳統(tǒng)的可靠性評定， 可以通過以可靠性鑒定試驗過程中采集的數(shù)據(jù)作為評定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)， 試驗可以采用試驗室試驗或者現(xiàn)場試驗的方法。 對于掘進機這類復(fù)雜大型設(shè)備， 通過試驗室試驗的方式進行試驗存在以下幾個方面的問題：

（1）以現(xiàn)有技術(shù)手段，在試驗室模擬掘進機工況存在較大困難， 假煤壁截割試驗也與掘進機的實際工況存在較大差距。

（2）試驗周期較長，在試驗室模擬試驗成本高昂。

（3）不便于同時開展多臺掘進機的試驗。

綜合考慮以上因素， 對掘進機采用現(xiàn)場試驗的方式進行試驗[6]，并采用隨機抽樣的方法確定試驗樣品，抽取一定數(shù)量的樣機進行現(xiàn)場試驗，同時兼顧不同地質(zhì)條件，對樣機的現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)進行記錄[7]。

2.2 故障判定準則的分析

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

根據(jù)掘進機的故障性質(zhì)和造成后果或潛在隱患的影響程度，將故障分為四個級別，每一級別的故障對應(yīng)相應(yīng)的當量故障系數(shù)。 其分類原則及當量故障系數(shù)見表1，累積當量系數(shù)按式（1）計算：

式中：rij—試驗期內(nèi)第i 臺掘進機發(fā)生的第j 類故障數(shù)；εj—第j 類故障的當量故障系數(shù)。

2.3 故障模式的分析

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

表2 掘進機故障模式及故障類別（示例）

3 可靠性水平的分析

根據(jù)掘進機故障數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析其可靠度水平，計算出掘進機MTBF、MTTR 等參數(shù)， 根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計要求判斷掘進機的可靠性是否符合要求。

3.1 平均故障間隔時間MTBF

平均故障間隔時間MTBF 值按式

（2）計算：

式中：t—累積掘進機試驗時間（定時截尾試驗）（單位：h）；rdi—試驗期內(nèi)第i 臺掘進機發(fā)生的當量故障數(shù)；n—掘進機樣機臺數(shù)。

3.2 平均修復(fù)時間MTTR

平均修復(fù)時間MTTR 值按式（3）計算：

式中：tri—試驗期內(nèi)第i 臺掘進機發(fā)生故障后的總修復(fù)時間，包括故障診斷、修理準備（不包含調(diào)配配件時間）和修理實施的時間（單位：h）；ri—試驗期內(nèi)第i 臺樣機發(fā)生的停機故障次數(shù)。

4 結(jié)束語

懸臂式掘進機是現(xiàn)在煤礦巷道掘進的主要設(shè)備，據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)各大煤礦企業(yè)的掘進循環(huán)作業(yè)中，有10%～15%的時間消耗是由設(shè)備故障引起。 通過采用現(xiàn)場統(tǒng)計試驗的方式，對掘進機的可靠性水平進行評定，可以促進掘進機可靠性的改過提升， 將大量減少設(shè)備故障引起的循環(huán)時間消耗，提高巷道掘進效率與速度，具有顯著的社會效益。 同時，為煤礦綜掘進工作面實現(xiàn)智能化，高可靠性的掘進機是其中的關(guān)鍵設(shè)備， 提高掘進機的可靠性水平具有重大意義。