灰色关联故障树分析法在TBM刀盘失效中的应用

2022-10-19张梦

价值工程 2022年28期

0 引言

TBM制造技术经过长时间的发展，使得TBM技术的地层应用范围逐步扩大。TBM技术不仅广泛应用于比较均匀、单一的土层，也能在软硬交替的复合地层中得到大量应用。在TBM施工中存在着由许多地质因素造成的风险，影响着TBM的掘进效率，在TBM掘进过程中，TBM总体风险事故中有50%以上是刀盘风险事故，主要表现为：刀盘的过度磨损、刀盘部分磨损、刀盘失去足够的推力和扭矩。这些事故导致TBM的施工效率和刀盘的耐久度大幅度下降，刀盘也发生了严重损坏。在此背景下，本文采用故障树分析法，分析TBM的刀盘时效问题，研究引发刀盘失效的机制和影响因素，分析各个因素的影响程度，并针对性地提出改进建议，为TBM施工技术的应用提供参考。

1 灰色关联故障模式分析法

1.1 关联度

1.2 灰色关联故障模式分析基本原理

在故障树分析模型中，导致故障树的顶事件发生的底事件有m种不同的组合，每种不同的底事件组合，被称为一个割集。将导致顶事件发生的最低限度的基本事件的组合称为最小割集，即当割集中包括的底事件全部发生时顶事件就会发生，代表了引起故障树顶事件发生的一种故障模式。假设第i个最小割集Ki，由ni个底事件X，X，L…，X组合而成，在最小割集Ki中，可令由ni个底事件概率全为1，其余（n-ni）个底事件概率为0，这样由m个最小割集就构成了一个典型故障的特征矩阵：

在故障树分析中，每个底事件对顶事件的贡献是不一样的，它反应了底事件对顶事件的重要度，以及各底事件的重要度组成一待检模式向量X，则：

若将关联度序列按从大到小的顺序进行排列，也就是提供了待检模式划归某种典型模式可能性大小的顺序，为后续决策提供依据，其他待检模式即可参考以上处理方式。

2 灰色关联故障树分析在刀盘失效中的应用

2.1 工程概况

新疆XX供水隧道XX隧道为奥陶系黑云母石英片岩、二云石英片岩、华力西期变质斜长花岗岩、花岗斑岩、闪长岩。隧道埋深15m～596m，大部分均为Ⅱ、Ⅲ类围岩，抗压强度为30MPa～170MPa，为中硬～坚硬岩，整体稳定性好。花岗岩、黑云母花岗岩、黑云母角闪斜长岩、片麻极少为Ⅳ、Ⅴ围岩，采用敞开式TBM掘进。TBM刀盘采用1+1不对称结构，共设置了48个滚刀刀刃，正滚刀刀间距78mm，最外两把滚刀刀间距为7.9mm。

2.2 建立刀盘失效故障树

故障树的建立一般是采用演绎分析的方法，本文把将研究的事件刀盘失效作为顶事件，找出致使刀盘失效的直接原因主要为三类：刀盘过度磨损、刀盘部分磨损和没有足够的推力或扭矩，通过阅读大量的文献和分析确定了10个基本事件，如表1所示。通过分析引起刀盘失效事故的各种原因建立故障树，如图1所示。请在现场的5位工程经验丰富的专家，根据经验对刀盘失效故障树的底事件发生失效的概率进行预测打分，综合结果各底事件的失效概率值见表2。本文采取的概率值与事件的可能性及严重程度间的对应关系如下：0.01表示不可能，0.1表示可能性较小，0.3表示可能但不经常发生，0.5表示可能且一般较为严重，0.7表示相当可能且严重，0.9表示完全可能且非常严重。

图1 刀盘失效体系故障图

表1 底事件所对应的代号

表2 底事件所对应的概率

2.3 定性分析

导致顶事件“刀盘失效”发生的基本事件集合采用故障树中的割集的概念来描述，其中最小割集用来表示导致定时间发生的低限度的基本事件的集合。定性分析主要是求出故障树的最小割集，即找到引发顶事件发生的所有可能的故障模式。本文采用布尔代数法来求最小割集，按照从顶事件自上而下的顺序。由于本文建立的故障树全部由“或”门组成，故各底事件即最小割集，即本系统的最小割集为：{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}。共有10个最小割集，即m=10；有10个底事件，即n=10，最小割集所包含的底事件在特征矩阵中的取值为1，其余取值为0。