FMEA在煤矿悬臂式掘进机截割系统可靠性分析中的应用

王燕华

(同煤集团永定庄煤业公司)

综采机械化随煤炭开采技术的发展而得到广泛应用，具有破、装、运一体化作业的悬臂式掘进机成为煤矿井下巷道和工作面掘进的重要设备之一。截割系统是悬臂式掘进机截割功能的核心，其工作状态会直接影响井下巷道的掘进效率。煤矿井下生产中地质环境十分复杂，悬臂式掘进机在运转过程中截割机构容易出现异常状况，如传动机构中减速器齿轮断齿、截齿直接断裂及电机运转等故障，影响生产正常进行[1]。

为分析悬臂式掘进机工作可靠性，需要一种能够对故障因素、故障影响都能做出准确评价的分析方法。故障模式和影响分析法(Failure Mode and Effects Analysis，简称FMEA)可以满足该分析要求，因此采用FMEA 对煤矿悬臂式掘进机进行故障分析[2]。

1 悬臂式掘进机截割系统

煤矿悬臂式掘进机主要应用于煤矿中的煤巷、软岩巷、半煤岩巷等巷道的掘进工作中，当前EBZ-132、EBZ-160等多种型号的煤矿悬臂式掘进机都能实现物料的连续切割、装载和运输。悬臂式掘进机整体结构性能良好、工作性能稳定、具有良好的地形适应能力并设计有保护系统。悬臂式掘进机通常由截割部、本体部、支撑部、行走部、运输机构、液压系统和电气系统集合而成。截割系统中的液压系统多为开式回路系统，由油缸、马达、操控台、泵体及配套的液压管线等组成，根据运行方向分为升降和水平2个分支回路[3]。

2 常见故障

悬臂式掘进机截割系统当出现液压系统压力、流量等异常现象时，说明该部分液压系统故障、设备运行失效，需要及时停机进行故障排查和诊断，以及时处置故障。悬臂式掘进机截割部液压系统常见故障分为3类：

(1)性能故障。具体现为设备截割臂故障，如截割臂升降失灵、速度异常、提升后截割臂非正常下沉等。

(2)传动故障。液压系统运转出现异常，如油路异常、油路异物或传动系统内齿轮泵、控制阀故障，表现为异常振动和噪音。

(3)结构性能故障。如油液泄露、油液污染、密闭失效等。

2 截割系统可靠性评价系统

2.1 FMEA原理

FMEA是安全系统工程中常用的评价方法之一，主要通过对系统各个子系统可能发生的故障状态进行分析，从而查清子系统对系统安全的影响和可能带来的危害，以此判断系统可靠性。

FMEA法主要分析步骤：

(1)确定评价对象。明确评价系统的主要内容，并对子系统的复杂程度、重要程度、所处环境等进行分析，确定故障模式。

(2)进行定性分析与定量计算。对各故障影响危害进行判断和量化，对各系统故障的发生概率进行估值，判断各故障发现的难易程度，然后根据各量化指标综合计算故障风险性。

(3)得出分析结论。找出系统的缺陷和薄弱环节，制定控制和改进措施，以降低风险程度，提高系统可靠性。

2.2 评价体系建立

根据FMEA法分析步骤，首先建立煤矿悬臂式掘进机截割系统可靠性评价体系，主要针对截割臂升降摆动异常、截割臂运行振动异常和液压系统漏油等常见故障进行分析，建立对应的评价体系。截割臂升降摆动异常由8个因素导致，截割臂运行振动异常由6个因素导致，液压系统漏油有3个因素导致，具体见图1。

图1 截割系统常见故障类型与故障原因

3 FMEA可靠性分析

3.1 分析步骤

根据评价体系可知，截割系统由3大故障模式、17个具体因素组成，对其进行可靠性分析。

(1)危害度判断与量化。危害度判断是根据故障发生后对整个系统的影响而进行的定性分析，为得到准确的计算结果，需要对危害度进行量化。如果导致整个系统破坏则危害等级为1级，则危害度量化为5；如果某段时间内不影响系统工作，即危害等级为5级，危害度量化为1，其余类推。

(2)发生概率判断与量化。发生概率是指故障发生的可能性，其量化是按照从一定不发生到一定发生，取值为0～1，中间值取一位小数。

(3)发现难易程度判断与量化。发现难易程度是指故障发生时是否容易找出，并采取及时的处理措施。按照直接可以发现(量化为1)到无法发现(量化为5)，对截割系统故障因素进行发现难易程度判断。

(4)结果计算。FMEA评价结果是将判断与量化后的危害度、发生概率和发现难易程度3个指标进行求积计算。计算结果越大，说明该指标风险越大，可靠性越差。

3.2 结果分析

根据悬臂式掘进机截割系统可靠性分析结果，按故障因素进行危害度、发生概率和发现难易程度量化和计算，结果见表1。

对表1计算结果进行分析，可以得出以下结论：

(1)在截割臂升降故障模式中，危害最严重的是油泵故障。一旦发生油泵故障，截割系统将完全不能升降运行。从风险性角度看，油泵故障风险最大，其次是单向阀故障和换向阀故障。因此要注意观察油泵的运行情况，发现异常及时处理。

表1 截割系统故障分析结果

(2)在截割臂运行故障模式中，危害最严重的是截割头故障。一旦发生就会导致截割工作完全停止，影响悬臂式掘进机掘进效率。从风险性角度看，齿轮、轴承风险度较高，截割头故障风险度很低。这是因为虽然截割头故障危害最大，但是发生概率低，且发生故障很容易就被发现；齿轮、轴承故障发生概率高，且发生故障时较不容易被发现，因此在生产实践中需要加强对齿轮、轴承的日常巡检，发现问题要及时维修或者更换零件。

(3)在液压系统故障模式中，润滑液污染风险度比较高。因此要加强润滑液密封检查，确保润滑液质量，发现润滑液污染要及时更换。

4 结 论

采用FMEA法对煤矿悬臂式掘进机截割系统常见的截割臂升降摆动异常、截割臂运行振动异常和液压系统漏油等常见故障进行危害度、发生概率和发现难易程度量化和计算。根据计算结果分析可靠性，得到较为客观合理的综合评价结果，可用来确定悬臂式掘进机生产中的日常检查重点。