排岩机输送系统驱动机构模糊故障分析

石 鑫,寇保福,王志霞,霍鹏亮

(1.太原科技大学,太原 030024;2.石家庄煤矿机械有限责任公司,石家庄 050000)

排岩机通常用于露天矿场半连续开采的运输环节和料场疏松物料的排弃和堆集,具有生产能力大、单次排弃区域大、辅助作业时间少、自动化程度高等优点,是矿产开采业的机电设备,用于地面运输作业。其可靠性和安全性直接决定了矿物产量和生产安全。矿场作业运输环境恶劣,物料输送时排岩机所受冲击载荷比较大,排岩机在使用过程中出现故障是不可避免的。排岩机的可靠性分析对于实际作业具有重要作用。目前可靠性分析中模糊动态故障树分析的理论体系较为完整,但应用于排岩机上的模糊故障树分析还较少。本文多参考其他机械的模糊故障树分析为参考,黄洪钟曾对太阳翼的驱动机构做模糊动态故障树分析,并依据该分析找出亟待改进的部件并对易损坏零部件进行预防检测[1],张梅等对矿井提升机做模糊故障树分析提高了故障诊断效率[2];罗承昆等也曾以故障树分析评估了航空装备体系结构贡献率[3],郭济鸣等对动车制动系统进行故障树分析为制定相应的检修和维护方案提供了理论依据[4]。本文借鉴他们的分析方法,对排岩机带式输送机驱动机构做模糊故障树分析。

本文以某项目排岩机带式输送机驱动机构在工程作业中经常丧失工作能力为基础对其做故障树分析。通过对排岩机工程作业中的故障案例整理排列,以此导出失效数据,对排岩机带式输送机驱动机构进行分析。常规的可靠性理论认为既有结构只存在有效和失效两种完全对立的状态,但实际工程中结构从有效状态到失效状态的转变是渐变模糊的过程[5]。因此,需在传统可靠性理论的基础上进行结构的模糊可靠性分析。现对排岩机带式输送机驱动机构进行模糊故障树分析。排岩机带式输送机驱动机构故障发生颇率很低,无法获得大量的数据,无法获取事件精确的概率值;且由于系统受外界环境变化的影响,上述概率值通常也会发生变化,即在实际情况中,许多系统工作过程是非平稳和各态历经的;为了克服上述缺点,本文将模糊集理论[6-12]引入故障树分析中,将故障发生概率模糊修正,并引入“或门”“与门”以及“禁止门”相应的结构函数,依据现有的维修记录将各零部件发生故障的概率应用模糊理论处理,将影响驱动机构正常工作的因素,对已发生故障进行模糊修正,并对已发生故障的危害性进行评级与归纳排列,借此完成排岩机带式输送机驱动机构现阶段的可靠性评价。

本文对排岩机带式输送机驱动机构的模糊故障树分析,旨在维持工程作业中排岩机带式输送机驱动机构的正常运行,并预判排岩机带式输送机驱动机构在工程作业中的薄弱环节,有规划的进行保养;在排岩机带式输送机驱动机构发生故障时高效的检索出失效原因并及时处理,以减少人力、物力资源的浪费造成的经济损失。

1 结构体系

在故障树分析前,本文先介绍排岩机带式输送机驱动机构结构分布。该机构有两个子系统分别安装在排料臂和受料臂上,每个子系统又分别具有左侧右侧两个模块,且每个模块分别具有电机、联轴器、减速器等部件,为直观描述各级结构的关系,现作排岩机带式输送机机构结构分布图如图1所示。

图1 结构分布图

本文针对排岩机带式输送机驱动机构进行分析。排岩机的两个带式输送机分别分布在受料臂与排料臂上,两个带式输送机的驱动机构左右两侧均有电机、联轴器和减速器。排岩机带式输送机驱动装置结构不可再简单化,每一部件都是必需品,且各零部件已达标准化设计;初始排岩机带式输送机驱动装置中仅有联轴器选用尼龙柱销联轴器,该联轴器多根尼龙柱销,自带冗余设计,后更换鼓性齿式联轴器,无冗余设计。考虑到单驱运行的情况,子系统的左、右任一模块正常工作,短时间内驱动机构无异常。

2 故障树传统分析

故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图,以树状图形式展现,清晰的展示系统结构、故障、失效模式、失效原因等。它由上往下进行分析,根据系统结构层层展现,层次分明,以整个机构的失效作为顶事件,逐级追溯到各零部件最原始的直接原因,即底事件[13]。

本文假定排岩机在整机工程作业中其他部分均正常工作,且在此次分析中,不考虑重大地质灾害与工作人员在作业中操作的影响。

此次分析以排岩机带式输送机的驱动机构失效作为顶事件,以排岩机带式输送机驱动机构的结构为依据,采用人工建树的方式,应用演绎法,自上往下,逐级分析建立故障树和模型事件表。

由于本文的分析对象仅为一台排岩机,研究对象故障事件较少,案例统计中并非所有部件均发生过失效事件,现依据工程作业现场反馈数据,以零部件失效作为底事件建立故障树如图2所示,模型事件表如表1所示,底事件失效率表如表2所示。

表1 模型事件表

表2 底事件失效率表

图2 排岩机带式输送机驱动机构故障树

Xi(t)为排岩机带式输送机驱动机构各项底事件Xi在时刻t所处的状态,以二点分布取值,即:

(1)

根据工程作业现场反馈维修记录,统计时间节点并对各项底事件各时间节点的概率取期望值:

P(xi)=E[xi(tj)]j=1,2…

(2)

后文事件Xi的概率直接用xi表示,用布尔运算计算各底事件概率对顶事件影响,故障树各逻辑结构函数为:

令Y为故障树中X的上一等级事件

①或门"∨"结构函数:

Y∨=1-(1-x1)(1-x2)…(1-xn)=

(3)

或门为多输入,单输出。

②与门“∧"结构函数:

(4)

与门为多输入,单输出。

③禁止门"="结构函数:

Y==xi

(5)

禁止门为单输入,单输出。

从排岩机工程作业现场反馈失效率来看,对排岩机这种矿山作业重型装备而言,各零部件失效率并较高。且受料臂左侧尼龙柱销与排料臂右侧尼龙柱销的失效率高于其他零部件,为高频失效部件。在此结果下,作业单位应定期重点检修受料臂左侧尼龙柱销与排料臂右侧尼龙柱销。

根据故障树和模型事件表,结合布尔运算逻辑,基于各底事件发生概率求取顶事件发生概率P(T)如公式(6).

(6)

(7)

各底事件对顶事件体系结构贡献率Iic:

(8)

经计算得表3.

表3 体系结构贡献率表

如表3所示,该排岩机受料臂中各零部件的故障对驱动系统发生故障的贡献率远大于排料臂中各零部件的故障。因此,这也提示设备制造企业设计时应重点优化受料臂中的各零部件,尤其是受料臂子系统左侧模块中的零部件。

依据工程作业现场反馈故障及数据,对这些故障的危害性进行评级与归纳排列如表4所示。表中Qi为Xi在所有故障的占比。

表4 危害性分析表

如表4所示,各零部件发生故障灯分布较为均匀,检修时应注意各零部件均需要检查,而受料臂子系统左侧模块的尼龙柱销与排料臂子系统右侧模块的尼龙柱销发生故障的占比远高于其他零部件发生故障,相较于其他部件检修周期应当更短。

3 多层次综合评价

由于排岩机的维修记录受工作人员主观推测影响较大,具有较大的不确定性,且研究对象单一,工程作业现场所记录故障事件较少,故障数据的统计具有一定的偶然性,现对依据排岩机带式输送机驱动机构故障事件建立的故障树和模型事件表,进行模糊综合评判[13]。

导致驱动机构故障的因素不少,其中影响驱动机构工作时间正常运行的主要因素有:一、工作载荷;二、工作环境;三、故障严酷度。记三个主要因素分别为u1,u2,u3,得到因素划分集:

U={u1,u2,u3}

(9)

各因素影响权重集:

W={w1,w2,w3}

(10)

建立表格分别为影响驱动机构工作时间正常运行的主要因素及其对应的评价集,根据带式输送机典型运行状态对其驱动机构正常工作的影响,列表5.

表5 工作载荷评价集

参照中华人民共和国煤炭行业标准露天煤矿排土场技术规范,将各等级工作环境对驱动机构的影响进行模糊数化,列表6.

表6 工作环境评价集

将各零部件的失效对整个设备正常运行的影响进行严酷度划分并模糊量化,列表7.

表7 失效程度评价集

因素集中各元素所处状态,可用“Umn”等来表示。各因素状态的集合称为因素评价集:

Um={um1,um2,um3…}

(11)

因工程作业中故障的发生具有偶然性与不确定性,很难具体确定的将该故障划分为某一状态等级,需在各状态等级上结合某一状态下某一因素的隶属度,这一系列隶属度的集合通常被称为模糊子集:

μmn={μm1,μm2,μm3…}

(12)

4 可靠性评价

本文依据以上多层次综合评价中3×5×5=75种工况,可求取对应各工况的模糊修正系数:

Kabc=f1a·f2b·f3c

(13)

根据工程作业现场反馈维修记录,无故障平均工作时间观测值E(T),既而对平均无故障工作时间进行模糊修正与检验,排岩机带式输送机驱动系统平均无故障工作时间服从指数分布,以下为可靠性指标。

模糊修正无故障平均工作时间:

MTBF=Kabc·E(t)=1 010 h

(14)

检修时,可以无故障平均工作时间为参考作检修周期来制定维修计划。

平均失效率:

(15)

排岩机带式输送机驱动系统千小时产品可靠度:

R(t)=e-9.9×10-4t=0.37

(16)

由于本文可靠性研究源自故障频发的排岩机带式输送机驱动系统,该可靠度远低于机械设备工程作业的要求,之后驱动系统的生产应注意提高产品可靠性,从本排岩机以往零部件对系统故障的贡献来看,再对排岩机带式输送机驱动系统进行可靠性设计时,应注意受料臂子系统左侧模块零部件性能的提升,尤其是其中的尼龙柱销。

5 结语

(1)根据排岩机带式输送机驱动机构结构建立了结构分布图,并判断了驱动机构的精简化程度;

(2)以驱动机构结构分布结合工程作业现场反馈的零部件失效事件为依据,建立了故障树,运用了布尔运算逻辑计算出驱动机构故障概率,找出高频失效部件受料臂子系统左侧尼龙柱销等,求取了各零部件失效对整个机构故障的重要度指标贡献率,然后对零部件失效事件进行排序,找出了对驱动机构故障影响最大的部件受料臂子系统左侧尼龙柱销;

(3)对工程作业现场反馈的记录中影响机构正常运行的因素进行数据化,得到了模糊修正系数,并应用模糊修正系数修正工程作业现场反馈的记录中驱动机构无故障工作时间,求取了排岩机带式输送机驱动机构作业至今的可靠度,可靠度结果为0.37,远低于工程作业多应用要求,并分析了对机构可靠度低的原因,找出了设计与维修是应注意的零部件——受料臂子系统左侧模块中的零部件,尤其是其中的尼龙柱销。

上述分析是对之前排岩机运行状态的分析,接下来,可对上述分析所得结果进行模糊推测,继而对排岩机带式输送机驱动机构进行维修性分析,制定维修性增长预计方案。