原地浸礦注液孔施工設備鉆機FMECA 分析

郭勇軍

（江西離子型稀土工程技術研究有限公司，贛州 341000）

離子型稀土是由我國發現并命名的一種新型稀土礦物，最早于1969 年在江西省贛州市龍南縣境內足洞地區發現，是我國南方地區獨有的珍稀礦種。離子型稀土以離子相礦物形態存在，通過酸性雨水反復淋積、富集，并最終吸附于高嶺土、白云母等礦物表面，具有重要的開采價值和經濟價值[1]。離子型稀土礦提取工藝大體經歷了從池浸工藝到原地浸礦工藝的演變過程，其中原地浸礦工藝的發展經過了負壓收液、天然底板收液、密集導流孔收液以及目前正在研究的人造地板收液4 個階段。原地浸礦工藝不開挖山體，不破壞植被，無尾砂排放，對保護生態環境具有重大意義。

礦塊的儲量和分布情況查定是原地浸礦開采前的準備工程。礦塊的儲量和分布情況越清楚，工程布置就會越合理、有效。目前，查礦采用打孔取樣的方式。根據工藝要求，10 000 m2的礦山需要布置約2 萬個注液孔，而鉆機是完成這項工作的重要設備保障。設備經過長時間的運行，相關零部件容易出現故障，現場維修難度大，嚴重影響稀土礦山的開采進度。因此，分析鉆機故障十分必要。

1 FMECA 方法

故障模式影響與危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，FMECA）是分析系統中每一個產品所有可能的故障模式及其對系統造成的影響，并按照每一個故障模式的嚴重程度及其發生概率進行分類的一種歸納方法。文章選取江西省定南縣某礦山中試驗基地近一年來產品使用問題統計作為基礎，利用失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）表格和危害性分析（Criticality Analysis，CA）矩陣方法進行FMECA 失效模式分析，獲取設備故障模式和故障發生模式及其對設備產生的影響，進而找出關鍵部件實施改進，提高產品的安全性和可靠性。根據《故障模式、影響及危害性分析指南》（GJB/Z 1391—2006）的建議，硬件FMECA 步驟如圖1 所示[2]。

圖1 FMECA 的步驟

2 鉆機層次及嚴酷度等級

2.1 鉆機層次

所研究鉆機由可移動式固定支架（橡膠輪、無級調節腳撐、框體）、垂直上升結構（渦輪減速機、鏈條、固定臺）、鉆進結構（汽油發動機、螺旋鉆桿、合金鉆頭、快卸銷）組成[3]，如圖2 所示?？梢苿邮焦潭ㄖЪ苁撬辛悴考某休d平臺，主要由不銹鋼焊接而成，底部加裝橡膠輪以提高工作效率、降低工人勞動強度，無級調節腳撐用來應對崎嶇不平的山體。垂直上升機構通過渦輪減速機的齒輪與鏈條的不斷嚙合帶動螺旋鉆桿上下移動。渦輪減速機的高減速比使其具有自鎖性，提高了設備的安全性。鉆進結構中的汽油發動機與螺旋鉆桿通過聯軸器剛性連接，發動機帶動螺旋鉆桿高速旋轉，使用鉆桿前端鑲嵌的合金鉆頭在其作用下不斷破開土壤。螺旋鉆桿與合金鉆頭為主要承力構件，承受鉆進時來自土壤、樹根、巖石及自身的摩擦力?？煨朵N為各部件之間的連接件，主要承受剪切力。汽油發動機主要為設備提供輸出動力。

圖2 設備三維模型

根據鉆機的組成、結構層次關系劃分約定層次。初始約定層次為鉆機，約定層次為可移動式固定支架、垂直上升結構和鉆進結構，最低約定層次為系統各零組件。鉆機的結構層次和可靠性框圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 鉆機架構層次

圖4 鉆機可靠性框圖

2.2 嚴酷度等級

嚴酷度是指某種故障模式影響的嚴重程度，是對產品故障造成的最壞潛在后果的量度[3]。根據設備不同故障模式對設備造成的影響，結合《故障模式、影響及危害性分析指南》（GJB/Z 1391—2006）定義嚴酷度等級，如表1 所示。

表1 嚴酷度等級

3 鉆機FMECA

根據圖3 鉆機約定層次劃分，以系統硬件組成為研究對象，以系統功能實現為結果，對系統進行FMEA 分析。

3.1 可移動式固定支架FMECA

采用定性分析法判斷故障模式發生概率的等級，劃分標準見表1。對可移動式固定支架進行FMECA，結果見表2。從表2 可以看到，框體作為主承力結構，出現故障會對設備產生比較嚴重的影響?？蚣苤饕刹讳P鋼焊接而成，故障原因為焊縫尺寸不符合要求、表面氣孔、表面裂紋等。這些故障的產生會降低其結構強度，影響安裝在上面的其他零部件，如發動機、鉆桿等。

表2 可移動式固定支架FMEA 表

3.2 垂直上升機構FMECA

垂直上升機構由渦輪減速機、鏈條、固定平臺、圓柱導軌和限位彈簧等組成，主要功能是控制螺旋鉆桿的上下運行[4]。渦輪減速機輸出軸上焊接有齒輪，齒輪與鏈條嚙合，鏈條與固定平臺（汽油發動機安裝面）連接在一起，通過轉動減速機輸入軸，使得輸出軸不斷旋轉，從而帶動鏈條和固定平臺不斷上下移動，完成注液孔的施工。在此過程中，鏈條不斷受到來自土壤、植物根莖和未風化的巖石等的反彈力作用，是故障發生概率較大的部件。渦輪減速機、圓柱導軌均為采購件，具有自鎖功能，可以有效避免鉆桿由于自身重力作用的自然下落，故障發生概率較小。對其進行FMECA，結果見表3。

表3 垂直上升機構FMEA 表

3.3 鉆進結構FMECA

螺旋鉆桿、合金鉆頭和快卸銷組成鉆進結構。鉆進結構的主要功能是破開土壤，并不斷將土壤帶離礦層，進而形成注液孔。合金鉆頭的性能穩定性對鉆進系統性能有較大影響，對其進行FMECA，結果見表4。由表4 可知，螺旋鉆桿的故障模式以葉片磨損、卷刃為主，導致帶離土壤肥力減弱、鉆進速度減慢，嚴重影響生產效率，應優化設計及改進工藝，如更換高強度材料、葉片滲氮處理、優化葉面曲率以及螺旋升角等[5]。合金鉆頭的主要故障模式是鑲嵌在鉆頭前端左右兩側的高強度合金脫落造成鉆頭磨損甚至斷裂等危害。故障原因往往是熱熔工序不符合標準，應通過完善零件工藝加工作業指導書、加強產品質量檢測等方式，延長零件使用壽命，減少安全事故的發生。

表4 鉆進結構FMEA 表

3.4 危害性分析

CA 是在FMEA 的基礎上進行的，基本分析方法有定性分析法和定量分析法兩種，文章采用定量分析法計算結果的危害度值。根據每個故障模式出現的次數及對設備的影響情況，可將其分為SA、SB、SC、SD、SE共5 個等級。結合嚴酷度類別，得出鉆進系統危害矩陣圖，如圖5 所示。

圖5 危害性矩陣圖

圖5 中，OP表示產品危害度與嚴酷度等級的線性關系，也被稱為對角線。從故障模式分布點向線段OP做垂線，以該垂線與對角線的交點到原點的距離作為度量故障模式或產品危害性的依據，距離越長，危害性越大。從圖5 可以看到，編號為M03、M010、M011 這3 種故障模式對鉆機的危害性最大，對應的故障模式分別為框體焊縫開裂、合金鉆頭高強度合金片脫落和快卸銷變形。針對這3 種故障模式，可以通過完善工藝流程、按周期更替易損件等方式解決，并做好記錄，以便查閱。

4 結語

運用FMECA 方法對鉆機設備進行分析，結果表明框體焊縫開裂、合金鉆頭高強度合金片脫落和快卸銷變形是主要故障，會直接導致設備無法正常運行，應對其進行結構優化和工藝改進，進而提高設備的穩定性。未來將結合物聯網、大數據等方法實現設備的實時監測，發現設備潛在故障并進行修復。