排巖機輸送系統驅動機構模糊故障分析

石 鑫,寇保福,王志霞,霍鵬亮

(1.太原科技大學,太原 030024;2.石家莊煤礦機械有限責任公司,石家莊 050000)

排巖機通常用于露天礦場半連續開采的運輸環節和料場疏松物料的排棄和堆集,具有生產能力大、單次排棄區域大、輔助作業時間少、自動化程度高等優點,是礦產開采業的機電設備,用于地面運輸作業。其可靠性和安全性直接決定了礦物產量和生產安全。礦場作業運輸環境惡劣,物料輸送時排巖機所受沖擊載荷比較大,排巖機在使用過程中出現故障是不可避免的。排巖機的可靠性分析對于實際作業具有重要作用。目前可靠性分析中模糊動態故障樹分析的理論體系較為完整,但應用于排巖機上的模糊故障樹分析還較少。本文多參考其他機械的模糊故障樹分析為參考,黃洪鐘曾對太陽翼的驅動機構做模糊動態故障樹分析,并依據該分析找出亟待改進的部件并對易損壞零部件進行預防檢測[1],張梅等對礦井提升機做模糊故障樹分析提高了故障診斷效率[2];羅承昆等也曾以故障樹分析評估了航空裝備體系結構貢獻率[3],郭濟鳴等對動車制動系統進行故障樹分析為制定相應的檢修和維護方案提供了理論依據[4]。本文借鑒他們的分析方法,對排巖機帶式輸送機驅動機構做模糊故障樹分析。

本文以某項目排巖機帶式輸送機驅動機構在工程作業中經常喪失工作能力為基礎對其做故障樹分析。通過對排巖機工程作業中的故障案例整理排列,以此導出失效數據,對排巖機帶式輸送機驅動機構進行分析。常規的可靠性理論認為既有結構只存在有效和失效兩種完全對立的狀態,但實際工程中結構從有效狀態到失效狀態的轉變是漸變模糊的過程[5]。因此,需在傳統可靠性理論的基礎上進行結構的模糊可靠性分析?，F對排巖機帶式輸送機驅動機構進行模糊故障樹分析。排巖機帶式輸送機驅動機構故障發生頗率很低,無法獲得大量的數據,無法獲取事件精確的概率值;且由于系統受外界環境變化的影響,上述概率值通常也會發生變化,即在實際情況中,許多系統工作過程是非平穩和各態歷經的;為了克服上述缺點,本文將模糊集理論[6-12]引入故障樹分析中,將故障發生概率模糊修正,并引入“或門”“與門”以及“禁止門”相應的結構函數,依據現有的維修記錄將各零部件發生故障的概率應用模糊理論處理,將影響驅動機構正常工作的因素,對已發生故障進行模糊修正,并對已發生故障的危害性進行評級與歸納排列,借此完成排巖機帶式輸送機驅動機構現階段的可靠性評價。

本文對排巖機帶式輸送機驅動機構的模糊故障樹分析,旨在維持工程作業中排巖機帶式輸送機驅動機構的正常運行,并預判排巖機帶式輸送機驅動機構在工程作業中的薄弱環節,有規劃的進行保養;在排巖機帶式輸送機驅動機構發生故障時高效的檢索出失效原因并及時處理,以減少人力、物力資源的浪費造成的經濟損失。

1 結構體系

在故障樹分析前,本文先介紹排巖機帶式輸送機驅動機構結構分布。該機構有兩個子系統分別安裝在排料臂和受料臂上,每個子系統又分別具有左側右側兩個模塊,且每個模塊分別具有電機、聯軸器、減速器等部件,為直觀描述各級結構的關系,現作排巖機帶式輸送機機構結構分布圖如圖1所示。

圖1 結構分布圖

本文針對排巖機帶式輸送機驅動機構進行分析。排巖機的兩個帶式輸送機分別分布在受料臂與排料臂上,兩個帶式輸送機的驅動機構左右兩側均有電機、聯軸器和減速器。排巖機帶式輸送機驅動裝置結構不可再簡單化,每一部件都是必需品,且各零部件已達標準化設計;初始排巖機帶式輸送機驅動裝置中僅有聯軸器選用尼龍柱銷聯軸器,該聯軸器多根尼龍柱銷,自帶冗余設計,后更換鼓性齒式聯軸器,無冗余設計?？紤]到單驅運行的情況,子系統的左、右任一模塊正常工作,短時間內驅動機構無異常。

2 故障樹傳統分析

故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖,以樹狀圖形式展現,清晰的展示系統結構、故障、失效模式、失效原因等。它由上往下進行分析,根據系統結構層層展現,層次分明,以整個機構的失效作為頂事件,逐級追溯到各零部件最原始的直接原因,即底事件[13]。

本文假定排巖機在整機工程作業中其他部分均正常工作,且在此次分析中,不考慮重大地質災害與工作人員在作業中操作的影響。

此次分析以排巖機帶式輸送機的驅動機構失效作為頂事件,以排巖機帶式輸送機驅動機構的結構為依據,采用人工建樹的方式,應用演繹法,自上往下,逐級分析建立故障樹和模型事件表。

由于本文的分析對象僅為一臺排巖機,研究對象故障事件較少,案例統計中并非所有部件均發生過失效事件,現依據工程作業現場反饋數據,以零部件失效作為底事件建立故障樹如圖2所示,模型事件表如表1所示,底事件失效率表如表2所示。

表1 模型事件表

表2 底事件失效率表

圖2 排巖機帶式輸送機驅動機構故障樹

Xi(t)為排巖機帶式輸送機驅動機構各項底事件Xi在時刻t所處的狀態,以二點分布取值,即:

(1)

根據工程作業現場反饋維修記錄,統計時間節點并對各項底事件各時間節點的概率取期望值:

P(xi)=E[xi(tj)]j=1,2…

(2)

后文事件Xi的概率直接用xi表示,用布爾運算計算各底事件概率對頂事件影響,故障樹各邏輯結構函數為:

令Y為故障樹中X的上一等級事件

①或門"∨"結構函數:

Y∨=1-(1-x1)(1-x2)…(1-xn)=

(3)

或門為多輸入,單輸出。

②與門“∧"結構函數:

(4)

與門為多輸入,單輸出。

③禁止門"="結構函數:

Y==xi

(5)

禁止門為單輸入,單輸出。

從排巖機工程作業現場反饋失效率來看,對排巖機這種礦山作業重型裝備而言,各零部件失效率并較高。且受料臂左側尼龍柱銷與排料臂右側尼龍柱銷的失效率高于其他零部件,為高頻失效部件。在此結果下,作業單位應定期重點檢修受料臂左側尼龍柱銷與排料臂右側尼龍柱銷。

根據故障樹和模型事件表,結合布爾運算邏輯,基于各底事件發生概率求取頂事件發生概率P(T)如公式(6).

(6)

(7)

各底事件對頂事件體系結構貢獻率Iic:

(8)

經計算得表3.

表3 體系結構貢獻率表

如表3所示,該排巖機受料臂中各零部件的故障對驅動系統發生故障的貢獻率遠大于排料臂中各零部件的故障。因此,這也提示設備制造企業設計時應重點優化受料臂中的各零部件,尤其是受料臂子系統左側模塊中的零部件。

依據工程作業現場反饋故障及數據,對這些故障的危害性進行評級與歸納排列如表4所示。表中Qi為Xi在所有故障的占比。

表4 危害性分析表

如表4所示,各零部件發生故障燈分布較為均勻,檢修時應注意各零部件均需要檢查,而受料臂子系統左側模塊的尼龍柱銷與排料臂子系統右側模塊的尼龍柱銷發生故障的占比遠高于其他零部件發生故障,相較于其他部件檢修周期應當更短。

3 多層次綜合評價

由于排巖機的維修記錄受工作人員主觀推測影響較大,具有較大的不確定性,且研究對象單一,工程作業現場所記錄故障事件較少,故障數據的統計具有一定的偶然性,現對依據排巖機帶式輸送機驅動機構故障事件建立的故障樹和模型事件表,進行模糊綜合評判[13]。

導致驅動機構故障的因素不少,其中影響驅動機構工作時間正常運行的主要因素有:一、工作載荷;二、工作環境;三、故障嚴酷度。記三個主要因素分別為u1,u2,u3,得到因素劃分集:

U={u1,u2,u3}

(9)

各因素影響權重集:

W={w1,w2,w3}

(10)

建立表格分別為影響驅動機構工作時間正常運行的主要因素及其對應的評價集,根據帶式輸送機典型運行狀態對其驅動機構正常工作的影響,列表5.

表5 工作載荷評價集

參照中華人民共和國煤炭行業標準露天煤礦排土場技術規范,將各等級工作環境對驅動機構的影響進行模糊數化,列表6.

表6 工作環境評價集

將各零部件的失效對整個設備正常運行的影響進行嚴酷度劃分并模糊量化,列表7.

表7 失效程度評價集

因素集中各元素所處狀態,可用“Umn”等來表示。各因素狀態的集合稱為因素評價集:

Um={um1,um2,um3…}

(11)

因工程作業中故障的發生具有偶然性與不確定性,很難具體確定的將該故障劃分為某一狀態等級,需在各狀態等級上結合某一狀態下某一因素的隸屬度,這一系列隸屬度的集合通常被稱為模糊子集:

μmn={μm1,μm2,μm3…}

(12)

4 可靠性評價

本文依據以上多層次綜合評價中3×5×5=75種工況,可求取對應各工況的模糊修正系數:

Kabc=f1a·f2b·f3c

(13)

根據工程作業現場反饋維修記錄,無故障平均工作時間觀測值E(T),既而對平均無故障工作時間進行模糊修正與檢驗,排巖機帶式輸送機驅動系統平均無故障工作時間服從指數分布,以下為可靠性指標。

模糊修正無故障平均工作時間:

MTBF=Kabc·E(t)=1 010 h

(14)

檢修時,可以無故障平均工作時間為參考作檢修周期來制定維修計劃。

平均失效率:

(15)

排巖機帶式輸送機驅動系統千小時產品可靠度:

R(t)=e-9.9×10-4t=0.37

(16)

由于本文可靠性研究源自故障頻發的排巖機帶式輸送機驅動系統,該可靠度遠低于機械設備工程作業的要求,之后驅動系統的生產應注意提高產品可靠性,從本排巖機以往零部件對系統故障的貢獻來看,再對排巖機帶式輸送機驅動系統進行可靠性設計時,應注意受料臂子系統左側模塊零部件性能的提升,尤其是其中的尼龍柱銷。

5 結語

(1)根據排巖機帶式輸送機驅動機構結構建立了結構分布圖,并判斷了驅動機構的精簡化程度;

(2)以驅動機構結構分布結合工程作業現場反饋的零部件失效事件為依據,建立了故障樹,運用了布爾運算邏輯計算出驅動機構故障概率,找出高頻失效部件受料臂子系統左側尼龍柱銷等,求取了各零部件失效對整個機構故障的重要度指標貢獻率,然后對零部件失效事件進行排序,找出了對驅動機構故障影響最大的部件受料臂子系統左側尼龍柱銷;

(3)對工程作業現場反饋的記錄中影響機構正常運行的因素進行數據化,得到了模糊修正系數,并應用模糊修正系數修正工程作業現場反饋的記錄中驅動機構無故障工作時間,求取了排巖機帶式輸送機驅動機構作業至今的可靠度,可靠度結果為0.37,遠低于工程作業多應用要求,并分析了對機構可靠度低的原因,找出了設計與維修是應注意的零部件——受料臂子系統左側模塊中的零部件,尤其是其中的尼龍柱銷。

上述分析是對之前排巖機運行狀態的分析,接下來,可對上述分析所得結果進行模糊推測,繼而對排巖機帶式輸送機驅動機構進行維修性分析,制定維修性增長預計方案。