原地浸礦注液孔施工設(shè)備鉆機FMECA 分析

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)，是我國南方地區(qū)獨有的珍稀礦種。離子型稀土以離子相礦物形態(tài)存在，通過酸性雨水反復(fù)淋積、富集，并最終吸附于高嶺土、白云母等礦物表面，具有重要的開采價值和經(jīng)濟價值[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程，其中原地浸礦工藝的發(fā)展經(jīng)過了負壓收液、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 個階段。原地浸礦工藝不開挖山體，不破壞植被，無尾砂排放，對保護生態(tài)環(huán)境具有重大意義。

礦塊的儲量和分布情況查定是原地浸礦開采前的準備工程。礦塊的儲量和分布情況越清楚，工程布置就會越合理、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 萬個注液孔，而鉆機是完成這項工作的重要設(shè)備保障。設(shè)備經(jīng)過長時間的運行，相關(guān)零部件容易出現(xiàn)故障，現(xiàn)場維修難度大，嚴重影響稀土礦山的開采進度。因此，分析鉆機故障十分必要。

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)中每一個產(chǎn)品所有可能的故障模式及其對系統(tǒng)造成的影響，并按照每一個故障模式的嚴重程度及其發(fā)生概率進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基地近一年來產(chǎn)品使用問題統(tǒng)計作為基礎(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)生模式及其對設(shè)備產(chǎn)生的影響，進而找出關(guān)鍵部件實施改進，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 鉆機層次及嚴酷度等級

2.1 鉆機層次

所研究鉆機由可移動式固定支架（橡膠輪、無級調(diào)節(jié)腳撐、框體）、垂直上升結(jié)構(gòu)（渦輪減速機、鏈條、固定臺）、鉆進結(jié)構(gòu)（汽油發(fā)動機、螺旋鉆桿、合金鉆頭、快卸銷）組成[3]，如圖2 所示?？梢苿邮焦潭ㄖЪ苁撬辛悴考某休d平臺，主要由不銹鋼焊接而成，底部加裝橡膠輪以提高工作效率、降低工人勞動強度，無級調(diào)節(jié)腳撐用來應(yīng)對崎嶇不平的山體。垂直上升機構(gòu)通過渦輪減速機的齒輪與鏈條的不斷嚙合帶動螺旋鉆桿上下移動。渦輪減速機的高減速比使其具有自鎖性，提高了設(shè)備的安全性。鉆進結(jié)構(gòu)中的汽油發(fā)動機與螺旋鉆桿通過聯(lián)軸器剛性連接，發(fā)動機帶動螺旋鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，使用鉆桿前端鑲嵌的合金鉆頭在其作用下不斷破開土壤。螺旋鉆桿與合金鉆頭為主要承力構(gòu)件，承受鉆進時來自土壤、樹根、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)動機主要為設(shè)備提供輸出動力。

圖2 設(shè)備三維模型

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

圖3 鉆機架構(gòu)層次

圖4 鉆機可靠性框圖

2.2 嚴酷度等級

嚴酷度是指某種故障模式影響的嚴重程度，是對產(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）定義嚴酷度等級，如表1 所示。

表1 嚴酷度等級

3 鉆機FMECA

根據(jù)圖3 鉆機約定層次劃分，以系統(tǒng)硬件組成為研究對象，以系統(tǒng)功能實現(xiàn)為結(jié)果，對系統(tǒng)進行FMEA 分析。

3.1 可移動式固定支架FMECA

采用定性分析法判斷故障模式發(fā)生概率的等級，劃分標準見表1。對可移動式固定支架進行FMECA，結(jié)果見表2。從表2 可以看到，框體作為主承力結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)故障會對設(shè)備產(chǎn)生比較嚴重的影響?？蚣苤饕刹讳P鋼焊接而成，故障原因為焊縫尺寸不符合要求、表面氣孔、表面裂紋等。這些故障的產(chǎn)生會降低其結(jié)構(gòu)強度，影響安裝在上面的其他零部件，如發(fā)動機、鉆桿等。

表2 可移動式固定支架FMEA 表

3.2 垂直上升機構(gòu)FMECA

垂直上升機構(gòu)由渦輪減速機、鏈條、固定平臺、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行[4]。渦輪減速機輸出軸上焊接有齒輪，齒輪與鏈條嚙合，鏈條與固定平臺（汽油發(fā)動機安裝面）連接在一起，通過轉(zhuǎn)動減速機輸入軸，使得輸出軸不斷旋轉(zhuǎn)，從而帶動鏈條和固定平臺不斷上下移動，完成注液孔的施工。在此過程中，鏈條不斷受到來自土壤、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、圓柱導(dǎo)軌均為采購件，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。對其進行FMECA，結(jié)果見表3。

表3 垂直上升機構(gòu)FMEA 表

3.3 鉆進結(jié)構(gòu)FMECA

螺旋鉆桿、合金鉆頭和快卸銷組成鉆進結(jié)構(gòu)。鉆進結(jié)構(gòu)的主要功能是破開土壤，并不斷將土壤帶離礦層，進而形成注液孔。合金鉆頭的性能穩(wěn)定性對鉆進系統(tǒng)性能有較大影響，對其進行FMECA，結(jié)果見表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、鉆進速度減慢，嚴重影響生產(chǎn)效率，應(yīng)優(yōu)化設(shè)計及改進工藝，如更換高強度材料、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準，應(yīng)通過完善零件工藝加工作業(yè)指導(dǎo)書、加強產(chǎn)品質(zhì)量檢測等方式，延長零件使用壽命，減少安全事故的發(fā)生。

表4 鉆進結(jié)構(gòu)FMEA 表

3.4 危害性分析

CA 是在FMEA 的基礎(chǔ)上進行的，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算結(jié)果的危害度值。根據(jù)每個故障模式出現(xiàn)的次數(shù)及對設(shè)備的影響情況，可將其分為SA、SB、SC、SD、SE共5 個等級。結(jié)合嚴酷度類別，得出鉆進系統(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)品危害度與嚴酷度等級的線性關(guān)系，也被稱為對角線。從故障模式分布點向線段OP做垂線，以該垂線與對角線的交點到原點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，危害性越大。從圖5 可以看到，編號為M03、M010、M011 這3 種故障模式對鉆機的危害性最大，對應(yīng)的故障模式分別為框體焊縫開裂、合金鉆頭高強度合金片脫落和快卸銷變形。針對這3 種故障模式，可以通過完善工藝流程、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

運用FMECA 方法對鉆機設(shè)備進行分析，結(jié)果表明框體焊縫開裂、合金鉆頭高強度合金片脫落和快卸銷變形是主要故障，會直接導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行，應(yīng)對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝改進，進而提高設(shè)備的穩(wěn)定性。未來將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等方法實現(xiàn)設(shè)備的實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障并進行修復(fù)。