基于層次分析法和模糊數學的鑿巖機性能評價*

龔斌

(煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

氣動鑿巖機因具有操作移動方便、結構簡單、易于維修保養、成本低廉的特點，在煤礦井下廣泛應用于巷道掘進過程中的鑿鉆作業，該類設備在工作時產生高噪聲、高振動，其性能不僅決定破巖效率，還直接影響操作人員身心健康、勞動強度和生命安全。目前，氣動鑿巖機生產企業及產品良莠不齊，且涉及的煤礦井下操作人員數量龐大，需要科學的方法對氣動鑿巖機性能進行可量化的多角度綜合評價[1-2]。

1 氣動鑿巖機評價指標的研究

評價的關鍵是確定評價指標及其權重。在氣動鑿巖機產品滿足MT/T 903—2002《煤礦用氣動鑿巖機通用技術條件》要求的基本前提下，本文對其綜合性能評價指標，主要包括工作能力、安全特性、可靠性、人性化設計4個方面[3]。

1)工作能力。在工作過程中，壓縮空氣驅動活塞做高速往復運動實現巖石破碎。沖程時，通過活塞沖擊釬具尾端鑿碎巖石；回程時，活塞帶動釬具回轉實現巖石的破碎與鉆進。由氣動鑿巖機工作原理可知，沖擊能、沖擊頻率、回轉轉矩、回轉轉速是影響其鑿孔效率主要參數，其中沖擊能是核心因素。

2)安全特性。主要包括噪聲、沖擊振動兩項指標。噪聲是污染礦山環境的公害之一，氣動鑿巖機是井下嚴重的噪聲源，其自身噪聲主要是排氣噪聲，以及活塞沖擊和零部件振動產生的機械噪聲。高噪聲嚴重危害作業人員的生理和心理健康，引發多種疾病，并使井下工人勞動效率降低，警覺遲鈍，影響必要的作業交流，增加安全生產事故的可能性。同時，氣動鑿巖機是手持類設備，沖擊振動直接作用于操作工人的手臂，對操作工人的身心健康產生負面影響[4-5]。

3)可靠性能。由于煤礦井下空間狹小，存在粉塵、潮濕等惡劣環境，更要重視設備的可靠性，連續無故障工作能力是高效率地進行井巷施工的基本保障，同時還應加強設備整機及零部件抵抗井下實際使用過程中發生的意外事件能力，盡量減少意外事件對氣動鑿巖機性能造成的影響。

4)人性化設計。主要包括主要操作單元是否實用、是否符合人體工程學、是否便于保養維修、機重等評價指標。

2 評價模型

本文應用層次分析法確定煤氣動鑿巖機各性能指標的權重，提高權重確定的準確性，應用模糊數學進行評價，進而客觀準確地反映氣動鑿巖機的綜合性能。

2.1 確定權重

層次分析法是將一個復雜多目標決策分解為多個指標，進而分解為多指標的若干層次，利用定性指標模糊量化方法將各層次各因素間的相對重要性量化，確定各指標的權重值，以作為多指標、多方案決策的系統方法[6]。在前文研究分析的基礎上，將氣動鑿巖機綜合性能評價的主要指標u分解為：

1)工作能力評價u1，該指標可細化為沖擊能u11、沖擊頻率u12、回轉轉矩u13、回轉轉速u14。

2)安全特性評價u2，可細化為噪聲u21、沖擊振動u22。

3)可靠性能評價u3，可細化為連續無故障工作能力u31、抵抗意外事件能力u32。

4)人性化設計評價u4，可細化為操作單元實用性u41、符合人體工程學u42、便于保養維修u43、機重u44。

本文采用專家打分法確定各評價指標權重，以問卷的形式征詢檢驗檢測人員、設備管理人員、氣動鑿巖機操作人員和業內專家等方面意見，進行統計分析后得出各要素間重要性的合理分配，如表1所示，則可得到權重向量w=[w1，w2，w3，w4]，即w=[0.3，0.3，0.2，0.2]。同理，可分別得到權重向量w1=[0.4，0.3，0.2，0.1]，w2=[0.6，0.4]，w3=[0.7，0.3]，w4=[0.2，0.3，0.2，0.3]。

表1 評價指標及權重表

2.2 模糊綜合評判

在本文建立的氣動鑿巖機性能評價指標體系中，可靠性能、人性化設計等部分指標具有模糊性不能直接量化，需應用模糊數學進行分析研究。模糊數學的綜合評判涉及評價指標集U、權重向量W、隸屬度矩陣R、評價集V4個方面，將權重向量W與隸屬度矩陣R的乘積，即隸屬度向量B作為評判標準，通過評價集V確定評價結果。

這里V=[優，良，中，差]，評價指標集U與權重向量W經上文分析得出。隸屬度矩陣R通過隸屬度函數計算得出，即將一級評判指標值代入隸屬度函數φ(x)，得出隸屬度矩陣Ri；二級評判指標隸屬度矩陣由一級評判指標的隸屬度向量構成。

Ⅰ級隸屬函數：

(1)

Ⅱ級隸屬函數：

(2)

Ⅲ級隸屬函數：

(3)

Ⅳ級隸屬函數：

(4)

式中：x為評價指標值；γi1、γi2、γi3、γi4為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級標準值。

本文采用的隸屬度函數按公式(1)(2)(3)(4)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級分別與評價集Ⅴ的優、良、中、差相對應。隸屬度矩陣按公式(5)。

(5)

3 工程實例分析

本文對兩個不同企業生產的YT28型氣動鑿巖機(編號A、B)進行綜合性能評價分析。產品在0.5 MP額定供氣壓力下指標值以及分級標準值見表2，其中，沖擊振動、抵抗意外事件能力、操作單元實用性、符合人體工程學、便于保養維修等無法直接測量的指標，由行業專家、操作工人意見得出，為無量綱參數。

以A鑿巖機為例，進行計算分析。沖擊能、沖擊頻率、回轉轉矩、回轉轉速參數值越大，設備性能越好，與隸屬度函數分級評判相反，故對上述指標值及其分級標準值進行取倒數處理后作為最終評價參數。帶入函數計算得到隸屬度向量，即沖擊能B11=[0.001，0.999，0，0]，沖擊頻率B12=[1，0，0，0]，轉矩B13=[0.012，0.988，0，0]，轉速B14=[1，0，0，0]。

表2 評價指標值及分級標準值

工作能力隸屬度矩陣：

工作能力隸屬度向量B1=w1×R1，即：

B1=[0.4,0.3,0.2,0.1]×

[0.403,0.597,0,0]

同理，依次計算出安全特性隸屬度向量B2=[0，0，1，0]，可靠性能隸屬度向量B3=[0.7，0，0.3，0]，人性化設計隸屬度向量B4=[0.7，0.3，0，0]，則得到氣動鑿巖機綜合性能隸屬度矩陣：

則A鑿巖機綜合性能隸屬度向量B=w×R，即：

B=[0.3，0.3，0.2，0.2]×

[0.401，0.239，0.36，0]

根據評價集V=[優，良，中，差]，對應“優”的隸屬度為0.401，且為最高，則可判定A鑿巖機綜合性能評價等級為“優”。同理，經計算分析可得B鑿巖機的綜合性能隸屬度向量為[0.35，0.41，0.18，0.06]，根據最大隸屬度原則，對照評價集，可判定其綜合性能評價等級為“良”。可見應用本文評價方法，能夠有效判定及區分不同氣動鑿巖機性能等級。

4 結論

氣動鑿巖機廣泛應用于煤礦井下巷道作業，其性能直接影響掘進效率和操作人員安全健康，本文應用層次分析法和模糊數學原理，在分析鑿巖機工作性、安全性、可靠性和人性化設計四個評價指標的基礎上，建立了其綜合性能評價體系，并通過對不同產品實例評價，驗證了本文研究成果能夠客觀、定量地反映出鑿巖機綜合性能，具有很強的實用性。