FMEA在煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)可靠性分析中的應(yīng)用

王燕華

(同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)公司)

綜采機(jī)械化隨煤炭開采技術(shù)的發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用，具有破、裝、運(yùn)一體化作業(yè)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)成為煤礦井下巷道和工作面掘進(jìn)的重要設(shè)備之一。截割系統(tǒng)是懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割功能的核心，其工作狀態(tài)會直接影響井下巷道的掘進(jìn)效率。煤礦井下生產(chǎn)中地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中截割機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)異常狀況，如傳動機(jī)構(gòu)中減速器齒輪斷齒、截齒直接斷裂及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等故障，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行[1]。

為分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作可靠性，需要一種能夠?qū)收弦蛩亍⒐收嫌绊懚寄茏龀鰷?zhǔn)確評價的分析方法。故障模式和影響分析法(Failure Mode and Effects Analysis，簡稱FMEA)可以滿足該分析要求，因此采用FMEA 對煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行故障分析[2]。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)

煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用于煤礦中的煤巷、軟巖巷、半煤巖巷等巷道的掘進(jìn)工作中，當(dāng)前EBZ-132、EBZ-160等多種型號的煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)都能實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)切割、裝載和運(yùn)輸。懸臂式掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)性能良好、工作性能穩(wěn)定、具有良好的地形適應(yīng)能力并設(shè)計有保護(hù)系統(tǒng)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)通常由截割部、本體部、支撐部、行走部、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)集合而成。截割系統(tǒng)中的液壓系統(tǒng)多為開式回路系統(tǒng)，由油缸、馬達(dá)、操控臺、泵體及配套的液壓管線等組成，根據(jù)運(yùn)行方向分為升降和水平2個分支回路[3]。

2 常見故障

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)當(dāng)出現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力、流量等異常現(xiàn)象時，說明該部分液壓系統(tǒng)故障、設(shè)備運(yùn)行失效，需要及時停機(jī)進(jìn)行故障排查和診斷，以及時處置故障。懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部液壓系統(tǒng)常見故障分為3類：

(1)性能故障。具體現(xiàn)為設(shè)備截割臂故障，如截割臂升降失靈、速度異常、提升后截割臂非正常下沉等。

(2)傳動故障。液壓系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常，如油路異常、油路異物或傳動系統(tǒng)內(nèi)齒輪泵、控制閥故障，表現(xiàn)為異常振動和噪音。

(3)結(jié)構(gòu)性能故障。如油液泄露、油液污染、密閉失效等。

2 截割系統(tǒng)可靠性評價系統(tǒng)

2.1 FMEA原理

FMEA是安全系統(tǒng)工程中常用的評價方法之一，主要通過對系統(tǒng)各個子系統(tǒng)可能發(fā)生的故障狀態(tài)進(jìn)行分析，從而查清子系統(tǒng)對系統(tǒng)安全的影響和可能帶來的危害，以此判斷系統(tǒng)可靠性。

FMEA法主要分析步驟：

(1)確定評價對象。明確評價系統(tǒng)的主要內(nèi)容，并對子系統(tǒng)的復(fù)雜程度、重要程度、所處環(huán)境等進(jìn)行分析，確定故障模式。

(2)進(jìn)行定性分析與定量計算。對各故障影響危害進(jìn)行判斷和量化，對各系統(tǒng)故障的發(fā)生概率進(jìn)行估值，判斷各故障發(fā)現(xiàn)的難易程度，然后根據(jù)各量化指標(biāo)綜合計算故障風(fēng)險性。

(3)得出分析結(jié)論。找出系統(tǒng)的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，制定控制和改進(jìn)措施，以降低風(fēng)險程度，提高系統(tǒng)可靠性。

2.2 評價體系建立

根據(jù)FMEA法分析步驟，首先建立煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)可靠性評價體系，主要針對截割臂升降擺動異常、截割臂運(yùn)行振動異常和液壓系統(tǒng)漏油等常見故障進(jìn)行分析，建立對應(yīng)的評價體系。截割臂升降擺動異常由8個因素導(dǎo)致，截割臂運(yùn)行振動異常由6個因素導(dǎo)致，液壓系統(tǒng)漏油有3個因素導(dǎo)致，具體見圖1。

圖1 截割系統(tǒng)常見故障類型與故障原因

3 FMEA可靠性分析

3.1 分析步驟

根據(jù)評價體系可知，截割系統(tǒng)由3大故障模式、17個具體因素組成，對其進(jìn)行可靠性分析。

(1)危害度判斷與量化。危害度判斷是根據(jù)故障發(fā)生后對整個系統(tǒng)的影響而進(jìn)行的定性分析，為得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，需要對危害度進(jìn)行量化。如果導(dǎo)致整個系統(tǒng)破壞則危害等級為1級，則危害度量化為5；如果某段時間內(nèi)不影響系統(tǒng)工作，即危害等級為5級，危害度量化為1，其余類推。

(2)發(fā)生概率判斷與量化。發(fā)生概率是指故障發(fā)生的可能性，其量化是按照從一定不發(fā)生到一定發(fā)生，取值為0～1，中間值取一位小數(shù)。

(3)發(fā)現(xiàn)難易程度判斷與量化。發(fā)現(xiàn)難易程度是指故障發(fā)生時是否容易找出，并采取及時的處理措施。按照直接可以發(fā)現(xiàn)(量化為1)到無法發(fā)現(xiàn)(量化為5)，對截割系統(tǒng)故障因素進(jìn)行發(fā)現(xiàn)難易程度判斷。

(4)結(jié)果計算。FMEA評價結(jié)果是將判斷與量化后的危害度、發(fā)生概率和發(fā)現(xiàn)難易程度3個指標(biāo)進(jìn)行求積計算。計算結(jié)果越大，說明該指標(biāo)風(fēng)險越大，可靠性越差。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果，按故障因素進(jìn)行危害度、發(fā)生概率和發(fā)現(xiàn)難易程度量化和計算，結(jié)果見表1。

對表1計算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)在截割臂升降故障模式中，危害最嚴(yán)重的是油泵故障。一旦發(fā)生油泵故障，截割系統(tǒng)將完全不能升降運(yùn)行。從風(fēng)險性角度看，油泵故障風(fēng)險最大，其次是單向閥故障和換向閥故障。因此要注意觀察油泵的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

表1 截割系統(tǒng)故障分析結(jié)果

(2)在截割臂運(yùn)行故障模式中，危害最嚴(yán)重的是截割頭故障。一旦發(fā)生就會導(dǎo)致截割工作完全停止，影響懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率。從風(fēng)險性角度看，齒輪、軸承風(fēng)險度較高，截割頭故障風(fēng)險度很低。這是因?yàn)殡m然截割頭故障危害最大，但是發(fā)生概率低，且發(fā)生故障很容易就被發(fā)現(xiàn)；齒輪、軸承故障發(fā)生概率高，且發(fā)生故障時較不容易被發(fā)現(xiàn)，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中需要加強(qiáng)對齒輪、軸承的日常巡檢，發(fā)現(xiàn)問題要及時維修或者更換零件。

(3)在液壓系統(tǒng)故障模式中，潤滑液污染風(fēng)險度比較高。因此要加強(qiáng)潤滑液密封檢查，確保潤滑液質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)潤滑液污染要及時更換。

4 結(jié) 論

采用FMEA法對煤礦懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)常見的截割臂升降擺動異常、截割臂運(yùn)行振動異常和液壓系統(tǒng)漏油等常見故障進(jìn)行危害度、發(fā)生概率和發(fā)現(xiàn)難易程度量化和計算。根據(jù)計算結(jié)果分析可靠性，得到較為客觀合理的綜合評價結(jié)果，可用來確定懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)中的日常檢查重點(diǎn)。