掘进机截割系统故障诊断分析方法

2018-08-02张海帆

机械管理开发 2018年7期

张海帆

（山西汾西矿业集团有限责任公司高阳煤矿，山西孝义 032300）

引言

掘进机在矿产开采中有着相当广泛的应用，作为其核心部件的截割系统直接关系着掘进机的运行效果，如果截割系统出现问题，可能会给矿井工作面的掘进效率造成负面影响。考虑矿产赋存条件的复杂性和多样性，在巷道掘进中，土层或矿层硬度突变的情况时有发生，可能造成截割结构损伤，如截割电机转子不平衡、截齿断裂等。基于此，技术人员需要做好掘进机截割系统的故障诊断与分析工作。

1 故障树与层次分析法

故障树本身属于一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，可以应用事件符号、转移符号以及逻辑门符号等对系统中不同事件的因果关系进行描述，属于安全系统工程中一种非常重要的分析方法，具有直观明了、逻辑性强的特点，可以应用于定性分析，也就可以应用于定量分析并就系统失效症状进行诊断，完成对故障源的快速查询与准确定位，为故障处理提供指导和参考。

层次分析法同样是一种系统分析方法，主要是以人的思维过程为依托，将定性分析与定量分析结合在一起的多准则决策方法，通过对比分析等方式得到不同因素相对于目标层的权重，为决策的制定和修改提供参考。

故障树与层次分析法的相互结合，可以有效解决故障树定性分析环节存在的底事件故障概率计算困难的情况。在实际操作中，一是应该依照具体研究对象，通过逐层分析找出事件根源，依照底事件与顶事件之间的逻辑关系，构建故障树模型；二是对故障树进行简化，形成层次分析模型，根据模型完成判断矩阵构建；三是依照层次分析法模型的评判规则，进行专家打分，得到判断矩阵及其一致性指标；四是将计算得到的底事件发生概率相对值代入故障树，通过定性分析得到不同事件的重要度信息[1-3]。

2 模型构建

EBZ-160型掘进机截割系统包括了电动机、减速器、截割头和截割臂，属于掘进机的核心工作机构，能够与固定在一起的回转座共同进行水平摆动，也可以进行垂直摆动。截割头由电机驱动，其他机构则由多维油缸驱动。从方便故障诊断和分析的角度，这里将截割系统定义为有截割部分、回转油缸和升降油缸构成的系统。

2.1 构建故障树模型

这里将截割系统故障看作顶事件，将故障分为截割臂摆动、截割头不转和截割臂振动超限三个部分，针对故障形成的具体原因进行分析。例如，在截割臂振动超限故障中，可能存在的诱发因素包括：减速器故障、截割头轴承故障和油缸故障，三者之间存在的逻辑关系为“或”，即任意因素都可能导致故障的发生，减速器故障的诱发因素同样存在“或”的逻辑关系。依次类推，能够得到其他故障的诱发因素，构建故障树模型（见下页图1）。对模型进行简化后，配合线性搜索，可以得到的故障树模块包括了G1、G7和G9，参照故障树模型，后两者均为G1的底事件。

经分析计算，可以得到G1的最小割集 {X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{G9}{X9}{X10}{X11}{G7}，代入G7与G9模块的分析结果，能够得到更加完善的最小割集。则顶事件发生的概率为：

式中：pi为Xi事件发生的概率；qi为Gi事件发生的概率。经分析简化后，X6相对于G1模块的总要度为：IpG1（X6）=IpG9（X6）IpG1（G9）。这里的IpG1（X6）、IpG9（X6）和IpG1（G9）分别对应X6事件相对于G1的重要度，X6事件相对于G9的重要度以及G9事件相对于G1的重要度。

图1 截割系统故障树模型

2.2 层次分析法模型

结合故障树模型，经简化后构建层次分析模型，生成两两比较判断矩阵，邀请专家依照现场经验，配合比较打分规则，得到相应的判断矩阵，利用层次分析法计算故障底事件的概率相对值，最终完成对于故障树的定性分析。截割系统可以分为目标层、准则层和指标层，以系统故障作为目标层，准则层包含了截割臂摆动、截割头不转和截割臂振动超限三个部分，其对应的目标层权重依次为0.154、0.607 2和0.238 8。其中，截割臂摆动对应的指标层事件及准则层权重包括：变量泵泄漏（0.1476）、过滤器堵塞（0.1238）、安全阀故障（0.0568）、油箱油量不足（0.0310）、升降油缸销钉脱落（0.0375）等。截割头不转对应的指标层事件及准侧层权重包括：冷却不充分（0.1069）、供电超额定值（0.0464）、减速器故障（0.1362）、电动机超负荷工作（0.3939）等。截割臂振动超限对应的指标层事件及准侧层权重包括：油压不稳（0.2402）、减速器故障（0.4769）、截割头轴承故障（0.2128）等[4-5]。

应用复合求解法，可以得到相对于顶事件的各个底事件概率相对值（见表1）。