煤礦用手持式氣動鉆機評判方法研究

李耀武

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

鉆鑿孔設(shè)備廣泛用于煤礦井下鑿鉆爆破孔、錨桿支護、頂板控制、巖層加固、通風(fēng)孔與溜煤孔施工等，是煤礦安全生產(chǎn)的重要裝備，全國每年約有數(shù)十萬臺各種手持類鉆機投入煤礦市場，涉及的操作人員數(shù)量龐大。氣動鉆機是由氣動馬達經(jīng)減速機構(gòu)驅(qū)動主軸輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，并同步傳遞給鉆桿的鉆孔設(shè)備，具有體積輕小、移動便捷、操作靈活、維護方便等特點，主要用于煤巷、半煤巷鉆鑿錨桿孔、攪拌及安裝樹脂類錨桿等作業(yè)，其性能直接關(guān)系著礦工安全健康和勞動強度、樹脂錨桿安裝效率和支護質(zhì)量等問題[1-2]，因此對其安全性能進行綜合評判分析具有重要意義。

1 氣動鉆機性能分析

氣動鉆機產(chǎn)品已納入“安全標(biāo)志產(chǎn)品”管理范圍內(nèi)，《礦用手持式氣動鉆機》(MT/T 994—2006)標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的技術(shù)要求和安全性能進行了明確規(guī)定，其鉆進效果取決于鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等各參數(shù)間的合理匹配。其中，氣動鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩是影響鉆進速度的關(guān)鍵因素，也是產(chǎn)品型號定型的主要參數(shù)。由于煤礦進行施工存在空間狹小、工作環(huán)境惡劣、操作人員組成復(fù)雜等特點，氣動鉆機除滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)外，額定轉(zhuǎn)矩相同的鉆機在性能綜合評判時，宜應(yīng)綜合考慮輸出功率、能耗(耗氣量)、安全性、可靠性、人性化設(shè)計等多種因素[3]。

1.1 安全特性

在滿足MT/T 994—2006標(biāo)準(zhǔn)對氣動鉆機安全性要求的前提下，本文重點分析轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)、噪聲等參數(shù)指標(biāo)。

輸出轉(zhuǎn)矩是決定氣動鉆機鉆孔速度的核心參數(shù)，其大小往往成為產(chǎn)品競爭的關(guān)鍵，氣動鉆機在鉆孔作業(yè)時由操作者手臂承擔(dān)回轉(zhuǎn)反力矩。轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)是評價手持類回轉(zhuǎn)鉆機輸出轉(zhuǎn)矩是否超過人力操作承受能力的因數(shù)，它等于鉆機的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與操作力臂長度的比值，MT/T 994—2006標(biāo)準(zhǔn)對該參數(shù)進行了明確要求。根據(jù)其定義，理論上在合理當(dāng)量力臂值(操作手柄間距)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩安全因數(shù)越小越安全，但考慮到人體基本條件等限制因素，氣動鉆機的操作手柄間距應(yīng)為350～750 mm。

氣動鉆機自身噪聲主要是由于排除的高速氣流與相對穩(wěn)定的空氣相互作用引起的排氣噪聲，以及回轉(zhuǎn)機構(gòu)齒輪嚙合摩擦、機械內(nèi)部件振動等產(chǎn)生的機械噪聲。高噪聲會嚴(yán)重危害操作人員和周邊人員的健康安全，影響作業(yè)時的必要交流和指揮工作[4]。

1.2 耗氣量/輸出功率

輸出功率是氣動鉆機在一定工作氣壓下，輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)速綜合特性關(guān)系的反映，與消耗的壓縮空氣量(耗氣量)是關(guān)聯(lián)參數(shù)。考慮到不同規(guī)格型號的氣動鉆機輸出功率和耗氣量也不同，無法直接評價，且綠色低能耗已逐漸成為機電設(shè)備的發(fā)展趨勢和重要屬性，本文引入氣動鉆機耗氣量和輸出功率的概念以便于研究分析。

1.3 可靠性

氣動鉆機可靠性主要分析設(shè)備抵抗意外事件能力以及連續(xù)無故障工作能力。由于煤礦井下環(huán)境特殊，設(shè)備長期暴露和運行在空間狹小、潮濕、粉塵等工作環(huán)境中，同時操作人員水平存在諸多不確定性，人、機、環(huán)境等因素復(fù)雜，要求氣動鉆機具備一定的抵抗意外事件的能力。連續(xù)無故障工作能力是產(chǎn)品鉆鑿錨桿孔等施工的基本保障。

1.4 人性化設(shè)計

人性化設(shè)計是指以人為核心，全面考慮人的精神、物質(zhì)需求的一種設(shè)計價值觀，在滿足產(chǎn)品基本功能的基礎(chǔ)上，尊重使用者的生理和心理需要，保護人體健康，使人和設(shè)備有良好的互動關(guān)系。在煤礦井下工作過程中，惡劣的環(huán)境因素對操縱者和設(shè)備均帶來不利的影響，設(shè)備良好的人性化設(shè)計，充分考慮人的因素，把人放到人-機-環(huán)境的系統(tǒng)中來研究，保證系統(tǒng)性能的整體最優(yōu)化，有利于減輕操作人員的勞動強度和精神負(fù)擔(dān)，提高工作效率，減少事故發(fā)生。本文從以下方面評價氣動鉆機的人性化設(shè)計，即符合人體工程學(xué)，便于保養(yǎng)維修、機重[5-6]。

2 氣動鉆機的評判

氣動鉆機綜合性能模糊評判是指在滿足相關(guān)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品多種性能指標(biāo)，建立評判數(shù)學(xué)模型，通過定量分析和定性描述進行性能評價，在評價過程中兼顧思維的主動性、模糊性[7-8]。

2.1 建立評判體系

根據(jù)研究確定氣動鉆機的評判因子建立氣動鉆機綜合性能評判體系，為二級評判體系，如圖1所示。

圖1 氣動鉆機綜合性能評判體系

2.2 建立權(quán)重向量

權(quán)重是指某個評判因子在氣動鉆機性能評價過程中相對于其他因子重要程度，為無量綱參數(shù)，本文應(yīng)用AHP確定各評判因子的權(quán)重。AHP是對定性問題進行定量分析的多準(zhǔn)則決策方法，經(jīng)兩兩對比確定層次中各評判因子的相對重要性，得出不同因子的相對權(quán)重，適用于存在多個因素指標(biāo)情況下評價事物的優(yōu)劣程度[9-10]。建立氣動鉆機各評判因子權(quán)重向量c，如公式(1)所示。

c=[c1，c2，…，cn]

(1)

式中:cn為第n個評判因子的權(quán)重。

2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

將各評判因子分級標(biāo)準(zhǔn)劃分為優(yōu)秀、良好、一般、差四個區(qū)段，分別與評判標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段值中的I、II、III、IV相對應(yīng)。根據(jù)模糊數(shù)學(xué)評判理論構(gòu)建評判等級隸屬函數(shù)，用隸屬函數(shù)φ(x)表示各因子值隸屬于不同等級的程度，本文應(yīng)用的隸屬函數(shù)模型如公式(2)(3)(4)(5)所示。評判因子值一般通過兩種方式得出，一是直接測量并經(jīng)計算處理后得出，二是對于無法直接測量的因子值由專家根據(jù)工程經(jīng)驗進行取值。

I級隸屬函數(shù)：

(2)

II級隸屬函數(shù)：

(3)

III級隸屬函數(shù)：

(4)

IV級隸屬函數(shù)：

(5)

式中:x為因子值；γi1、γi2、γi3、γi4分別為I、II、III、IV級的標(biāo)準(zhǔn)值。

將各一級評判因子數(shù)值分別代入公式(2)(3)(4)(5)，得出其在I級、II級、III級、IV級模型評判下的模糊關(guān)系矩陣R1、R2、R3、R4，如公式(6)所示。二級評判因子模糊關(guān)系矩陣由一級評判因子隸屬度向量構(gòu)成。

(6)

2.4 綜合性能模糊評判

本文建立氣動鉆機綜合性能評判體系層次結(jié)構(gòu)為二層，模糊綜合評判亦為二級評判，評判步驟見圖2，逐次進行一級、二級綜合評判，隸屬度向量B計算如公式(7)所示。

圖2 模糊綜合評判流程

B=c×R

(7)

式中:c為權(quán)重向量；R為模糊關(guān)系矩陣。

評判結(jié)果表現(xiàn)形式為評判向量，為得到更為直觀評判結(jié)果，本文引入邏輯權(quán)重矩陣C=[7，5，3，1]T，對評判向量進行二次處理，定義氣動鉆機性能等級系數(shù)σ，如公式(8)所示。

σ=B×C

(8)

式中:B為隸屬度向量；C為邏輯權(quán)重矩陣。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程實踐，確定各分級標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。分級標(biāo)準(zhǔn)采用無量綱數(shù)值，即各物理量值均為相對量，本文將評判標(biāo)準(zhǔn)劃分為優(yōu)秀、良好、一般、差”四段，分別與I、II、III、IV級評判標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段值對應(yīng)。

表1 等級評判標(biāo)準(zhǔn)

3 綜合性能評判軟件設(shè)計

在C語言編程環(huán)境下開發(fā)設(shè)計氣動鉆機評判系統(tǒng)軟件，軟件設(shè)計如圖3所示。對錄入到計算機的氣動鉆機性能參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理和運算分析，調(diào)用隸屬函數(shù)程序生成模糊關(guān)系矩陣，并根據(jù)各因子權(quán)重計算隸屬度向量，進而調(diào)用邏輯權(quán)重矩陣，計算出氣動鉆機綜合性能等級，確保評判過程的準(zhǔn)確高效。

圖3 軟件設(shè)計

4 工程實例分析

以某企業(yè)生產(chǎn)的ZQS-50/2.5S型氣動鉆機為例，采用本文建立的評估模型進行綜合性能評判分析。該產(chǎn)品在0.5 MPa供氣壓力下工作時，各評判因子取值以及分級標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示，抵抗意外事件能力、符合人體工程學(xué)、便于保養(yǎng)維修等不能直接通過測試量化的指標(biāo)，由行業(yè)專家根據(jù)理論經(jīng)驗并結(jié)合操作工人意見得出。各評判因子權(quán)重如表3所示。經(jīng)計算，得出σ=4.7，根據(jù)評判標(biāo)準(zhǔn)該氣動鉆機性能為“良好”。本文評價的設(shè)備在煤礦井下取得了良好應(yīng)用效果，驗證了本文建立的氣動鉆機綜合性能評價方法的科學(xué)性和實用性。

表2 評判因子值及分級標(biāo)準(zhǔn)值

表3 評判因子值權(quán)重

5 結(jié)論

隨著“機械化換人，自動化減人”政策的提出，煤礦用液壓錨桿鉆車等大型機電設(shè)備在煤礦井下鑿鉆孔施工領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，但在一段時期內(nèi)氣動鉆機的應(yīng)用將依然廣泛，且涉及的操作人員數(shù)量龐大，為人體直接接觸操作，其性能直接影響煤礦安全生產(chǎn)和礦井工人健康安全，為此提出了安全性、能耗、可靠性、人性化設(shè)計等四個方面指標(biāo)，對氣動鉆機綜合性能進行了分析。并在建立了氣動鉆機評判體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)用AHP和模糊評判理論建立了其綜合性能評判數(shù)學(xué)模型，通過工程實例驗證了本文研究成果的科學(xué)性、實用性，可以作為生產(chǎn)企業(yè)和煤礦用戶設(shè)計選型的理論工具。