掘進機截割系統故障診斷分析方法

張海帆

（山西汾西礦業集團有限責任公司高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

掘進機在礦產開采中有著相當廣泛的應用，作為其核心部件的截割系統直接關系著掘進機的運行效果，如果截割系統出現問題，可能會給礦井工作面的掘進效率造成負面影響。考慮礦產賦存條件的復雜性和多樣性，在巷道掘進中，土層或礦層硬度突變的情況時有發生，可能造成截割結構損傷，如截割電機轉子不平衡、截齒斷裂等。基于此，技術人員需要做好掘進機截割系統的故障診斷與分析工作。

1 故障樹與層次分析法

故障樹本身屬于一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關系圖，可以應用事件符號、轉移符號以及邏輯門符號等對系統中不同事件的因果關系進行描述，屬于安全系統工程中一種非常重要的分析方法，具有直觀明了、邏輯性強的特點，可以應用于定性分析，也就可以應用于定量分析并就系統失效癥狀進行診斷，完成對故障源的快速查詢與準確定位，為故障處理提供指導和參考。

層次分析法同樣是一種系統分析方法，主要是以人的思維過程為依托，將定性分析與定量分析結合在一起的多準則決策方法，通過對比分析等方式得到不同因素相對于目標層的權重，為決策的制定和修改提供參考。

故障樹與層次分析法的相互結合，可以有效解決故障樹定性分析環節存在的底事件故障概率計算困難的情況。在實際操作中，一是應該依照具體研究對象，通過逐層分析找出事件根源，依照底事件與頂事件之間的邏輯關系，構建故障樹模型；二是對故障樹進行簡化，形成層次分析模型，根據模型完成判斷矩陣構建；三是依照層次分析法模型的評判規則，進行專家打分，得到判斷矩陣及其一致性指標；四是將計算得到的底事件發生概率相對值代入故障樹，通過定性分析得到不同事件的重要度信息[1-3]。

2 模型構建

EBZ-160型掘進機截割系統包括了電動機、減速器、截割頭和截割臂，屬于掘進機的核心工作機構，能夠與固定在一起的回轉座共同進行水平擺動，也可以進行垂直擺動。截割頭由電機驅動，其他機構則由多維油缸驅動。從方便故障診斷和分析的角度，這里將截割系統定義為有截割部分、回轉油缸和升降油缸構成的系統。

2.1 構建故障樹模型

這里將截割系統故障看作頂事件，將故障分為截割臂擺動、截割頭不轉和截割臂振動超限三個部分，針對故障形成的具體原因進行分析。例如，在截割臂振動超限故障中，可能存在的誘發因素包括：減速器故障、截割頭軸承故障和油缸故障，三者之間存在的邏輯關系為“或”，即任意因素都可能導致故障的發生，減速器故障的誘發因素同樣存在“或”的邏輯關系。依次類推，能夠得到其他故障的誘發因素，構建故障樹模型（見下頁圖1）。對模型進行簡化后，配合線性搜索，可以得到的故障樹模塊包括了G1、G7和G9，參照故障樹模型，后兩者均為G1的底事件。

經分析計算，可以得到G1的最小割集 {X1}{X2}{X3}{X4}{X5}{G9}{X9}{X10}{X11}{G7}，代入G7與G9模塊的分析結果，能夠得到更加完善的最小割集。則頂事件發生的概率為：

式中：pi為Xi事件發生的概率；qi為Gi事件發生的概率。經分析簡化后，X6相對于G1模塊的總要度為：IpG1（X6）=IpG9（X6）IpG1（G9）。這里的IpG1（X6）、IpG9（X6）和IpG1（G9）分別對應X6事件相對于G1的重要度，X6事件相對于G9的重要度以及G9事件相對于G1的重要度。

圖1 截割系統故障樹模型

2.2 層次分析法模型

結合故障樹模型，經簡化后構建層次分析模型，生成兩兩比較判斷矩陣，邀請專家依照現場經驗，配合比較打分規則，得到相應的判斷矩陣，利用層次分析法計算故障底事件的概率相對值，最終完成對于故障樹的定性分析。截割系統可以分為目標層、準則層和指標層，以系統故障作為目標層，準則層包含了截割臂擺動、截割頭不轉和截割臂振動超限三個部分，其對應的目標層權重依次為0.154、0.607 2和0.238 8。其中，截割臂擺動對應的指標層事件及準則層權重包括：變量泵泄漏（0.1476）、過濾器堵塞（0.1238）、安全閥故障（0.0568）、油箱油量不足（0.0310）、升降油缸銷釘脫落（0.0375）等。截割頭不轉對應的指標層事件及準側層權重包括：冷卻不充分（0.1069）、供電超額定值（0.0464）、減速器故障（0.1362）、電動機超負荷工作（0.3939）等。截割臂振動超限對應的指標層事件及準側層權重包括：油壓不穩（0.2402）、減速器故障（0.4769）、截割頭軸承故障（0.2128）等[4-5]。

應用復合求解法，可以得到相對于頂事件的各個底事件概率相對值（見表1）。

表1 底事件概率相對值（部分）

應用故障樹對底事件概率相對值進行定性分析，則能夠得到相對于頂事件的底事件概率重要度（見表2）。

表2 底事件相對于頂事件概率重要度（部分）

3 結語

結合分析結果，在EBZ-160型掘進機截割系統中，最容易的四類故障依次為電動機超負荷運轉、電動機停轉、減速器軸承磨損和電動機過熱停機，其概率值的變化存在很大概率，會導致截割系統故障的發生，因此，在系統設計環節應充分考慮這四類事件發生的概率，通過合理優化來保證掘進機的穩定可靠運行。