東河煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性分析

董任海,劉混舉

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030024;2.太原煤氣化集團(tuán)公司,太原 030024)

隨著我國(guó)綜合機(jī)械化設(shè)備的不斷研發(fā),成熟的煤礦工作面配套設(shè)備日益增多,但由于礦井實(shí)際工況的復(fù)雜情況還需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理的選型。通過(guò)對(duì)東河煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性分析可以對(duì)各設(shè)備的可靠性有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí),能夠發(fā)現(xiàn)煤礦綜采設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效。

1 綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)分析

綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性是指礦井工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備自己正常運(yùn)行和設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)配合的有效性[1]。深入分析綜采設(shè)備的可靠性是一個(gè)十分復(fù)雜的問題,必須運(yùn)用系統(tǒng)工程的辦法對(duì)綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的有效性和這些設(shè)備之間配合的協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析。組成煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備非常的多,而且影響它們可靠性的因素很多時(shí)候是隨機(jī)的[2-4]。影響綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的主要因素如圖1所示。

圖1 綜采設(shè)備可靠性影響因素Fig.1 Reliability factors of fully mechanized mining equipment

礦井工作面綜采生產(chǎn)系統(tǒng)是由操作人員、煤機(jī)裝備和礦井環(huán)境條件組成的串聯(lián)型功能系統(tǒng),影響其可靠性的因素非常的多。 1)操作人員的業(yè)務(wù)水平。礦井綜采工作面操作人員業(yè)務(wù)水平的高低對(duì)于綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性有重要的影響作用。從事生產(chǎn)活動(dòng)操作人員的業(yè)務(wù)能力具有模糊性,對(duì)其進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)比較困難。對(duì)煤礦工作面綜采生產(chǎn)系統(tǒng)操作人員的綜合評(píng)價(jià)內(nèi)容,應(yīng)盡量全面的考慮到綜采設(shè)備相關(guān)操作人員的文化程度、身體狀況、工作年限、操作熟練程度、技術(shù)水平、工作態(tài)度等因素,如圖2所示?？梢圆捎镁C合評(píng)價(jià)的方法對(duì)其水平、對(duì)事故隱患的判別、處理能力、管理能力進(jìn)行綜合分析。

圖2 評(píng)價(jià)綜采工作面人員能力的內(nèi)容Fig.2 Evaluation of personnel ability in fully mechanized mining face

國(guó)內(nèi)許多綜采工作面的生產(chǎn)效率非常的低,這是由于煤礦綜采工作面生產(chǎn)時(shí)放頂煤效率低下、液壓支架移動(dòng)效率低、綜采設(shè)備的正常開機(jī)率不高等原因造成的,有的比較大的綜采生產(chǎn)隊(duì)的開機(jī)率才在50%以上。綜采工作面操作人員對(duì)綜采生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備的管理和維護(hù)水平?jīng)Q定了綜采系統(tǒng)能不能發(fā)揮各采煤設(shè)備的最大效能[5-7]。

2)綜采工作面煤機(jī)裝備條件。煤礦工作面綜采生產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)比較成熟了,對(duì)于各種礦井條件的工作面都有相應(yīng)的綜采配套設(shè)備可供使用。刮板輸送機(jī)、液壓支架、采煤機(jī)以及相關(guān)的設(shè)備是煤礦綜采工作面最主要的采煤設(shè)備。煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的提高,依賴于綜采生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備能夠性能良好的正常運(yùn)行,且各個(gè)設(shè)備之間能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行,這樣才能保證綜采系統(tǒng)里各個(gè)分系統(tǒng)和設(shè)備的效能保持在最佳狀態(tài),使工作面綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性和效率得到提高。

3)礦井環(huán)境條件。影響礦井工作面綜采生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的礦井環(huán)境條件包括作業(yè)環(huán)境和礦井地址條件。作業(yè)環(huán)境主要是指頂板淋水、地溫、噪聲、煤塵等對(duì)綜采系統(tǒng)的可靠性和正常運(yùn)轉(zhuǎn)有影響的工作面區(qū)域內(nèi)的環(huán)境因素。礦井地址條件是指礦井里面的水文情況、瓦斯氣體的濃度、煤層的分布情況、礦井里的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤層深度及煤質(zhì)硬度等。

實(shí)踐證明,人員素質(zhì)越高,工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性就越高;反之,人員素質(zhì)越差,工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性就越低。

2 建立礦井綜采系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型

圖3為礦井綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)的可靠性框圖。從圖中可以知道礦井綜采生產(chǎn)系統(tǒng)是串聯(lián)系統(tǒng),也就是說(shuō)綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行必須保證每一個(gè)子系統(tǒng)或者裝備的正常良好工作。由于礦井綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的七個(gè)子系統(tǒng)之間是串聯(lián)的關(guān)系,所以它們的數(shù)學(xué)模型是相同的,運(yùn)用馬爾科夫過(guò)程可以分別求出綜采生產(chǎn)系統(tǒng)所有設(shè)備單元的可靠性特征值。由于綜采生產(chǎn)系統(tǒng)有些設(shè)備能夠在發(fā)生故障時(shí)被修復(fù)繼續(xù)使用,所以綜采系統(tǒng)是一個(gè)可修復(fù)的系統(tǒng)。由相關(guān)的實(shí)際數(shù)據(jù)分析研究可知綜采系統(tǒng)和其子系統(tǒng)的故障時(shí)間和無(wú)故障工作時(shí)間都呈負(fù)指數(shù)分布。

假設(shè)工作時(shí)間X服從負(fù)指數(shù)分布,則:

P{X≤t}=1-e-λt,t≥0,λ>0 .

(1)

修復(fù)時(shí)間Y也服從負(fù)指數(shù)分布,則:

P{Y≤t}=1-e-ut,t≥0,u>0 .

(2)

式中:λ為綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的故障率;u為綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的修復(fù)率。

設(shè)E={0,1,…,n}是綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)集,其中綜采系統(tǒng)的故障狀態(tài)集為F={i+1,…,n},綜采系統(tǒng)的無(wú)故障狀態(tài)集為W={0,1,…,i}。

若綜采系統(tǒng)發(fā)生故障,用1來(lái)表示,正常運(yùn)行用0來(lái)表示,則:E={0,1},W={0},F={1}。

P為綜采系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,則:

(3)

假定x0、x1依次是綜采系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下處于正常和故障的概率。解方程組

(4)

得

(5)

系統(tǒng)有效度為:

(6)

系統(tǒng)的故障頻數(shù)為:

(7)

系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間為:

(8)

因?yàn)榈V井綜采生產(chǎn)系統(tǒng)是由各個(gè)分系統(tǒng)相互串聯(lián)構(gòu)成的,設(shè)綜采生產(chǎn)系統(tǒng)共有n各分系統(tǒng),現(xiàn)在作如下定義:狀態(tài)0表示綜采生產(chǎn)系統(tǒng)的n個(gè)分系統(tǒng)都正常工作,狀態(tài)i表示綜采系統(tǒng)里除了第i個(gè)分系統(tǒng)發(fā)生故障外都正常工作(i=1,2,…,7)。則,E={0,1,…,7},W={0},F={0,1,…,7}.

系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為:

(9)

解方程組

(10)

得

(11)

系統(tǒng)有效度為:

(12)

系統(tǒng)的故障頻度為:

(13)

系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間為:

(14)

系統(tǒng)的可靠度為:

(15)

3 確定設(shè)備故障時(shí)間的函數(shù)分布

運(yùn)用MATLAB對(duì)礦井綜采生產(chǎn)系統(tǒng)配套設(shè)備故障時(shí)間的函數(shù)分布類型進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)和相關(guān)參數(shù)的估計(jì),其結(jié)果如表1和表2所示。表中:Muhat為正態(tài)分布式μ的估計(jì)值;Muci為參數(shù)估計(jì)的置信區(qū)間;H為判別值,取0或1,H=0不可以拒絕原假設(shè),H=1可以拒絕原假設(shè);KSSATA為假設(shè)檢驗(yàn)測(cè)試統(tǒng)計(jì)量的值;CV為是否接受假設(shè)的臨界值。

表1 綜采生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間參數(shù)估計(jì)Table 1 Parameter estimation of trouble-free operation time of fully mechanized mining equipment

表2 綜采生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備故障時(shí)間參數(shù)估計(jì)

由表1和表2可知,兩個(gè)檢驗(yàn)結(jié)果為:H=0,KSSATA

4 可靠性指標(biāo)的計(jì)算

運(yùn)用上面的數(shù)據(jù)分析和綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算可靠性指標(biāo):

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

式中:MTBF為綜采設(shè)備的平均無(wú)故障工作時(shí)間,h;MTTR為綜采設(shè)備的平均修復(fù)時(shí)間,h。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知,東河煤礦綜采工作面的生產(chǎn)系統(tǒng)的有效度不是很高。組成綜采系統(tǒng)各個(gè)分系統(tǒng)的可靠度的高低會(huì)影響到整體系統(tǒng)的有效度,可以通過(guò)一樣的方法求出工作面生產(chǎn)系統(tǒng)各分系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性特征值,如表3所示。

表3 工作面各設(shè)備可靠性指標(biāo)值Table 3 Reliability indicators of equipment of the working face

表3 工作面各設(shè)備可靠性指標(biāo)值Table 3 Reliability indicators of equipment of the working face

分析表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在東河煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)是可靠性最低的設(shè)備,它們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程中最易發(fā)生故障。綜采工作面泵站、帶式運(yùn)輸機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)的可靠性較高,但是對(duì)于綜采系統(tǒng)來(lái)說(shuō),決定其可靠性水平的是這個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)里面可靠性較低的組成單元,故應(yīng)加強(qiáng)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的維護(hù)檢測(cè),提高它們的可靠性水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)東河煤礦綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的分析,可知道影響綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性的主要因素有綜采工作面環(huán)境、設(shè)備條件和人員素質(zhì)等。通過(guò)建立綜采工作面設(shè)備系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型,確定了故障發(fā)生函數(shù)的分布類型,計(jì)算出了綜采系統(tǒng)整體和各分系統(tǒng)的可靠性指標(biāo),并確定了綜采系統(tǒng)的最薄弱的子系統(tǒng)為采煤機(jī)。