煤矿机器设备的可靠性研究＊

姜 杰

（西安科技大学管理学院，陕西 西安 710054）

0 引言

随着大型煤矿对科学技术和装备要求的提高，中国在煤矿机器成套装备和单机装备上取得了重大突破。然而煤矿技术装备的发展却没有带来矿井产量、经济效益的同步增长，许多关键元部件还依赖进口，同种型号的设备生产效率与国外相比也相差较大，因此，研究煤矿机器设备的可靠性，降低机器故障率，加强设备管理，对保证煤炭生产效率和降低开采事故有重要的意义。

40年代末50年代初，轨道交叉理论指出不能把事故的责任简单地说成是工人的不注意，应该同时注意机械的、物质的危险性在事故致因中的重要地位。斯奇巴(Skiba)提出，生产操作人员与机械设备两种因素都对事故的发生有影响，并且机械设备的危险状态对事故的发生作用更大些［1］。到20世纪50年代到60年代，系统安全理论在美国研制洲际导弹的过程中产生，该理论在事故致因理论的基础上，强调了硬件设备的影响因素［2］。系统安全理论引导人们开始关注系统的可靠性问题，考虑如何通过改善各种设备的安全性能来提高复杂系统的可靠性，从物的因素出发降低事故发生的可能性。英国煤矿［3］最早采用人机工程学的方法对煤矿机械进行评价，并作为煤矿机械的购买和改造的重要依据。加拿大哥伦比亚大学的 R.A.Hall博士［4］将可靠性分析技术作为露天采矿设备评价与造型的工具，通过对设备故障和维修时间数据的统计分析，制定了矿山公司设备选型新标准。

中国对煤矿机器设备的可靠性研究起步较晚。在80年代后期，山东矿业学院俞书伟［5］应用系统可靠性理论对矿井工艺连续运输系统中输送机串联系统、输送机－缓冲煤仓－运输机串联系统的可靠性进行了系统的研究，并给出了系统有效度的计算公式和计算方法。西安矿业学院唐祖章教授［6］对采煤生产系统可靠性进行了研究，把采煤生产系统作为可修复系统，通过分析采煤生产系统中的采煤机、刮板运输机、转载机、支架、下山胶带输送机、煤仓、电器设备等故障率以及故障时间来研究机器的可靠性问题。朱启建等［7］开始对矿井中某一具体工作面机械系统的可靠性进行了研究，初步介绍了模糊理论。黄洪钟教授等［8］提出将可靠性理论应用于机械系统可靠性的研究，得到了机械系统可靠性分析理论。

模糊综合理论在煤炭领域的可靠性研究，主要集中在综采工作面可靠性、井下运输、井下环境等方面。对煤矿机器的研究没有考虑设备使用中的可靠性，仅对采煤生产系统中部分固有设备，煤矿机械零件可靠性进行探讨。文中应用模糊综合理论对煤矿系统中机器的整体可靠性进行评价分析。

1 影响煤矿机器可靠性因素

1.1 煤矿机器设备的特殊性

就机器设备而言，可靠性是指机器及其零部件在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。一般来说，煤矿工作面机器设备的可靠性随使用时间的增加而逐渐降低，使用时间越长，可靠性越低［9］。煤矿工作面中机器设备暴露和运行在复杂的工作面环境当中，由于人、机、环境多种因素的影响，导致煤矿机械故障的原因是多方面的(见表1)。特别是煤矿井下环境特殊，工作空间狭小，机器设备的安装和使用受到很多限制，这就严重影响了机器设备的可靠性，因而对煤矿井下设备提出了很高的安全要求。

表1 机器设备可靠性影响因素结构模型Tab.1 structure model for factors affecting the reliability of machinery and equipment

1.2 机器可靠性通用模型分析

1.2.1 串联系统基本模型

设煤矿机器系统由n个部件串联组成，部件寿命服从指数分布，其故障率和修复率分别为λi，μi，其可靠性框图如图1所示。

图1 串联系统图Fig.1 Series system diagram

在串联系统中，任一单元的故障均导致系统故障，所以系统可靠度小于或至多等于各串联单元可靠度的最小值，即Rs≤mini{Ri}，Ri为第 i单元可靠度［10］。

在各单元的故障统计独立的条件下，可靠性为

1.2.2 并联系统基本模型

同理，设煤矿机器系统由n个部件并联组成，部件寿命服从指数分布，其故障率和修复率分别为 λi，μi.其可靠性框图如图2所示。

图2 并联系统图Fig.2 Parallel system diagram

并联系统中仅有一个单元也能完成系统功能，所以采用多单元并联可以提高系统的可靠性。一般说，当且仅当所有单元发生故障时并联系统才发生故障，系统可靠度大于或等于各并联单元可靠度的最大值，即Rs≥maxRi.

N个机器部件并联，单元间相互独立，则可靠性

考虑到煤矿生产现场机器连接方式的复杂性，采用机可靠性数学模型的通用公式对其可靠性进行定量计算，可操作性较差且计算结果不一定精确。因此，还需采用模糊综合评价的方法来确定煤矿机器系统的可靠性。

2 机器可靠性模糊综合评价模型的建立

煤矿机器的可靠性可分为设备固有可靠性和设备使用可靠性2个方面，设备固有可靠性主要包括回采设备、掘进设备、运输设备、通风设备和排水设备。而设备使用可靠性主要是指煤矿机械在规定时间内完成规定功能的能力，由表1可知使用可靠性主要包含设备运转情况、环境状况、维修状况和设计状况。

表2 煤矿机器可靠性的评价指标体系Tab.2 Evaluatin index system of coal mine machinery reliability

表2为煤矿机械的可靠性评判指标体系，作为一种层次结构，总的评价指标由2个一级子目标和9个二级子目标组成，其中环境状况子目标进一步细化分为2个三级子目标，中括号内的值为评价指标权重，根据专家评判法得出［11］。

另外，表2中影响煤矿机器可靠性的评价指标体系可以用树型结构来描述，如图3所示。第一层的根结点是总的评价目标，评价结果为B(0)，第i层第j个结点(中间子目标)的评价结果为B(ij)，各叶子结点为评价指标，处于各分支的最右层。

图3 评价指标结构体系的树形结构Fig.3 Tree-structure of evaluation index system

2.1 单级模糊评价

设某个子目标的指标集 U=﹛ u1，u2，…，um﹜，评价级 V= ﹛ v1，v2，…，vn﹜，评价集一般用差、中、良、优等评语标尺描述。则对应指标的权重集 A= ﹛ a1，a2，…，am﹜，ai表示指标 ui在该指标的重要程度，其中ai≫0，且Σ ai=1.权重集一般由专家给出，它反映对各因素的一种权衡。

这样m个着眼因素的评价集就构造出一个总的评价矩阵R

即每一个被评价对象确定了从U到V的模糊关系R，其中rij表示指标ui评为vj的隶属度(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)，rij由测评人员在评语标尺上打模糊分确定。Ri= ﹛ri1，ri2，…，rin﹜表示指标ui的评价集，则该子目标的模糊评价B=A*R(*为算子符号)为

2.2 多因素多级模糊综合评价

一般来说，在考虑的因素较多时会带来2个问题:一方面，权重分配很难确定；另一方面，即使确定了权重分配，由于要满足归一性，每一因素分得的权重必然很小。无论采用哪种算子，经过模糊运算后都会淹没许多信息，有时甚至得不出相关结果，所以需要采用分层的办法来解决问题［12］。

通过式(1)(2)得出单级子目标的综合评价，可得最低层子目标的评语集Bij构成新的模糊矩阵Ri'，式中t表示同一层子目标的个数。

给定各层子目标的权重集A={ai1，ai2，…，ait}，则上一层级子目标的模糊综合评价

式中 i－1表示第i层的父层，以此类推，由最底层逐层向上进行综合评判，最后可得最高层次即总目标的模糊综合评价 B0=(b01，b02，…，b0n)。

3 应用实例

前文建立了煤矿机器设备的可靠性模糊综合评价模型，现将该模型应用于某一具体煤矿进行计算和分析。将煤矿机器设备中各环节工作运行的状况分为很差、差、中、良、优5个等级，得到系统评价集为 V={v1，v2，v3，v4，v5}={很差、差、中、良、优}。结合对该煤矿机器设备的可靠性调研情况，通过发放问卷形式，将该煤矿建设中机器的可靠性评价指标进行定性量化，相应数据和计算结果见表3.

表3 某煤矿机器的模糊综合评价Tab.3 Fuzzy comprehensive evaluation of a coal mine machinery

根据煤矿机器设备的评价指标体系，首先对最低层的指标进行评价。

3)煤矿设备固有可靠性的综合评价b11=a11

4)煤矿机器总体可靠性的综合评价

该煤矿的可靠性模糊综合评价结果是

根据最大隶属原则，该煤矿机器系统的可靠性属于第二等级(良)，符合煤矿现场建设中机器设施的可靠性标准。然而从隶属度对应可知与良对应的隶属度仅为0.475，并且第三等级(中)评判占了一定的比重，由此可见该煤矿工程的机器可靠性还有很大的提升空间，有待进一步提高。

4 提高煤矿机器设备可靠性措施

煤矿建设中机器的可靠性不高，影响整个矿井的安全、绿色、高效生产，应积极采取有效措施，改善机器系统中薄弱环节，提高煤矿建设系统中机器设备的安全性和稳定性。对该煤矿而言，应重点提高机器设备使用的可靠性。

4.1 减少机器本身故障，延长使用寿命

利用可靠性高的元件，提高原材料和零部件的加工工艺水平和装配质量；在一定质量条件下增加系统备用量，尤其是煤矿的关键性设备；采用平行的并联配置系统，当其中一个部件出现故障，机器设备仍能正常工作；对恶劣环境下的机器设备应采取一定的保护措施。

4.2 改进煤矿机器的结构设计

加强安全装置的设计，一旦机器设备发生故障，可以起到终止事故，加强防护的作用；在满足相关条件的情况下，尽量简化煤矿机械的结构设计，降低设备的故障率［13］；采用可达性设计，机械的设计要为使用人员的操作、维修留出足够的操作空间，利于安装和维修；对煤矿机械的相关部件采用模块化、标准化和易识别性设计，提高机械部件的可替代性和易维修性，增强零部件的重复利用率，降低使用成本。

4.3 采用先进的故障诊断和机械维修技术

在煤矿机械实际故障诊断过程之中注重采用多种故障诊断相结合的方式，使用较高可靠性的维修技术，同时注意加强预防性维修，排除事故隐患，消除机器设备潜在危险，降低煤矿机器的故障率。

4.4 加强对煤矿机械设备的养护工作

在煤矿机器设备运行过程之中实行定期的检验维修工作，不仅对设备进行定期的洗涤和保养，同时对机械的精度进行定期点检，一旦发现其相关指标不在正常值范围内及时进行调整［14］；在煤矿的各个生产区域设立负责人，以所在区域的设备完好率及故障率作为责任人的考核指标，形成一个良性的管理机制；在煤矿生产中，提高煤矿机器的维护水平应该做到三化，即制度规范化、工艺化和制度化。

5 结论

1)在分析煤矿建设中机器特殊性的基础上，将模糊综合评价法应用于煤矿机器设备可靠性评判领域，推导了机器可靠性的多因素多级评价模式，最后给出煤矿机器可靠性的模糊综合评价示例。

2)模糊综合评价模型能定量化、系统化的处理各指标间的关系，可以综合考虑影响煤矿机器设备可靠性的主次因素，能比较客观的反映煤矿机器设备的可靠性水平，为鉴定煤矿机械质量，煤矿机器设备的选购和使用管理等提供了相关理论依据。

3)通过对煤矿机器可靠性进行分析和计算，能够客观地反映煤矿机器设备可靠性的总体水平，指出机器系统中的薄弱环节，提出降低机器故障率的措施，从而促进煤矿中复杂机器设备可靠性水平的不断提高。

4)随着现代化矿井建设机械化、智能化的不断提高，机器子系统日益复杂，运用模糊数学对煤矿机器可靠性的分析还处于发展阶段，在影响可靠性因子的考虑、因素权重的分配等方面还需进行大量的研究工作。

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