东河煤矿综采工作面生产系统可靠性分析

董任海,刘混举

(1.太原理工大学 机械工程学院,太原 030024;2.太原煤气化集团公司,太原 030024)

随着我国综合机械化设备的不断研发,成熟的煤矿工作面配套设备日益增多,但由于矿井实际工况的复杂情况还需要对设备进行合理的选型。通过对东河煤矿综采工作面生产系统的可靠性分析可以对各设备的可靠性有个直观的认识,能够发现煤矿综采设备的薄弱环节,实现煤矿生产的高产高效。

1 综采工作面生产系统分析

综采工作面生产系统的可靠性是指矿井工作面生产系统中各个设备自己正常运行和设备之间相互协调配合的有效性[1]。深入分析综采设备的可靠性是一个十分复杂的问题,必须运用系统工程的办法对综采工作面生产系统中各个设备的有效性和这些设备之间配合的协调性进行分析。组成煤矿综采工作面生产系统的设备非常的多,而且影响它们可靠性的因素很多时候是随机的[2-4]。影响综采工作面生产系统可靠性的主要因素如图1所示。

图1 综采设备可靠性影响因素Fig.1 Reliability factors of fully mechanized mining equipment

矿井工作面综采生产系统是由操作人员、煤机装备和矿井环境条件组成的串联型功能系统,影响其可靠性的因素非常的多。 1)操作人员的业务水平。矿井综采工作面操作人员业务水平的高低对于综采生产系统的可靠性有重要的影响作用。从事生产活动操作人员的业务能力具有模糊性,对其进行正确的评价比较困难。对煤矿工作面综采生产系统操作人员的综合评价内容,应尽量全面的考虑到综采设备相关操作人员的文化程度、身体状况、工作年限、操作熟练程度、技术水平、工作态度等因素,如图2所示。可以采用综合评价的方法对其水平、对事故隐患的判别、处理能力、管理能力进行综合分析。

图2 评价综采工作面人员能力的内容Fig.2 Evaluation of personnel ability in fully mechanized mining face

国内许多综采工作面的生产效率非常的低,这是由于煤矿综采工作面生产时放顶煤效率低下、液压支架移动效率低、综采设备的正常开机率不高等原因造成的,有的比较大的综采生产队的开机率才在50%以上。综采工作面操作人员对综采生产系统各设备的管理和维护水平决定了综采系统能不能发挥各采煤设备的最大效能[5-7]。

2)综采工作面煤机装备条件。煤矿工作面综采生产系统经过多年发展已经比较成熟了,对于各种矿井条件的工作面都有相应的综采配套设备可供使用。刮板输送机、液压支架、采煤机以及相关的设备是煤矿综采工作面最主要的采煤设备。煤矿综采工作面生产系统可靠性的提高,依赖于综采生产系统各个设备能够性能良好的正常运行,且各个设备之间能够协调运行,这样才能保证综采系统里各个分系统和设备的效能保持在最佳状态,使工作面综采生产系统的可靠性和效率得到提高。

3)矿井环境条件。影响矿井工作面综采生产系统可靠性的矿井环境条件包括作业环境和矿井地址条件。作业环境主要是指顶板淋水、地温、噪声、煤尘等对综采系统的可靠性和正常运转有影响的工作面区域内的环境因素。矿井地址条件是指矿井里面的水文情况、瓦斯气体的浓度、煤层的分布情况、矿井里的地质结构、煤层深度及煤质硬度等。

实践证明,人员素质越高,工作面生产系统的可靠性就越高;反之,人员素质越差,工作面生产系统的可靠性就越低。

2 建立矿井综采系统可靠性数学模型

图3为矿井综采工作面设备系统的可靠性框图。从图中可以知道矿井综采生产系统是串联系统,也就是说综采生产系统的正常运行必须保证每一个子系统或者装备的正常良好工作。由于矿井综采生产系统的七个子系统之间是串联的关系,所以它们的数学模型是相同的,运用马尔科夫过程可以分别求出综采生产系统所有设备单元的可靠性特征值。由于综采生产系统有些设备能够在发生故障时被修复继续使用,所以综采系统是一个可修复的系统。由相关的实际数据分析研究可知综采系统和其子系统的故障时间和无故障工作时间都呈负指数分布。

假设工作时间X服从负指数分布,则:

P{X≤t}=1-e-λt,t≥0,λ>0 .

(1)

修复时间Y也服从负指数分布,则:

P{Y≤t}=1-e-ut,t≥0,u>0 .

(2)

式中:λ为综采生产系统的故障率;u为综采生产系统的修复率。

设E={0,1,…,n}是综采生产系统的状态集,其中综采系统的故障状态集为F={i+1,…,n},综采系统的无故障状态集为W={0,1,…,i}。

若综采系统发生故障,用1来表示,正常运行用0来表示,则:E={0,1},W={0},F={1}。

P为综采系统的状态转移矩阵,则:

(3)

假定x0、x1依次是综采系统在稳定状态下处于正常和故障的概率。解方程组

(4)

得

(5)

系统有效度为:

(6)

系统的故障频数为:

(7)

系统平均无故障工作时间为:

(8)

因为矿井综采生产系统是由各个分系统相互串联构成的,设综采生产系统共有n各分系统,现在作如下定义:状态0表示综采生产系统的n个分系统都正常工作,状态i表示综采系统里除了第i个分系统发生故障外都正常工作(i=1,2,…,7)。则,E={0,1,…,7},W={0},F={0,1,…,7}.

系统状态转移矩阵为:

(9)

解方程组

(10)

得

(11)

系统有效度为:

(12)

系统的故障频度为:

(13)

系统平均无故障工作时间为:

(14)

系统的可靠度为:

(15)

3 确定设备故障时间的函数分布

运用MATLAB对矿井综采生产系统配套设备故障时间的函数分布类型进行假设检验和相关参数的估计,其结果如表1和表2所示。表中:Muhat为正态分布式μ的估计值;Muci为参数估计的置信区间;H为判别值,取0或1,H=0不可以拒绝原假设,H=1可以拒绝原假设;KSSATA为假设检验测试统计量的值;CV为是否接受假设的临界值。

表1 综采生产系统设备无故障运行时间参数估计Table 1 Parameter estimation of trouble-free operation time of fully mechanized mining equipment

表2 综采生产系统设备故障时间参数估计

由表1和表2可知,两个检验结果为:H=0,KSSATA

4 可靠性指标的计算

运用上面的数据分析和综采工作面设备系统的数学模型来计算可靠性指标:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

式中:MTBF为综采设备的平均无故障工作时间,h;MTTR为综采设备的平均修复时间,h。

通过计算结果可知,东河煤矿综采工作面的生产系统的有效度不是很高。组成综采系统各个分系统的可靠度的高低会影响到整体系统的有效度,可以通过一样的方法求出工作面生产系统各分系统和设备的可靠性特征值,如表3所示。

表3 工作面各设备可靠性指标值Table 3 Reliability indicators of equipment of the working face

表3 工作面各设备可靠性指标值Table 3 Reliability indicators of equipment of the working face

分析表3中数据可以发现,在东河煤矿综采工作面生产系统中采煤机和刮板输送机是可靠性最低的设备,它们在生产过程中最易发生故障。综采工作面泵站、带式运输机和转载机的可靠性较高,但是对于综采系统来说,决定其可靠性水平的是这个串联系统里面可靠性较低的组成单元,故应加强采煤机和刮板输送机的维护检测,提高它们的可靠性水平。

5 结束语

通过对东河煤矿综采工作面生产系统的分析,可知道影响综采工作面生产系统可靠性的主要因素有综采工作面环境、设备条件和人员素质等。通过建立综采工作面设备系统的可靠性数学模型,确定了故障发生函数的分布类型,计算出了综采系统整体和各分系统的可靠性指标,并确定了综采系统的最薄弱的子系统为采煤机。