煤礦用手持式氣動鉆機評判方法研究

李耀武

(煤炭科學技術研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

鉆鑿孔設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、通風孔與溜煤孔施工等，是煤礦安全生產的重要裝備，全國每年約有數十萬臺各種手持類鉆機投入煤礦市場，涉及的操作人員數量龐大。氣動鉆機是由氣動馬達經減速機構驅動主軸輸出轉矩轉速，并同步傳遞給鉆桿的鉆孔設備，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，其性能直接關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

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

1.1 安全特性

在滿足MT/T 994—2006標準對氣動鉆機安全性要求的前提下，本文重點分析轉矩安全因數、噪聲等參數指標。

輸出轉矩是決定氣動鉆機鉆孔速度的核心參數，其大小往往成為產品競爭的關鍵，氣動鉆機在鉆孔作業時由操作者手臂承擔回轉反力矩。轉矩安全因數是評價手持類回轉鉆機輸出轉矩是否超過人力操作承受能力的因數，它等于鉆機的回轉轉矩與操作力臂長度的比值，MT/T 994—2006標準對該參數進行了明確要求。根據其定義，理論上在合理當量力臂值(操作手柄間距)范圍內，轉矩安全因數越小越安全，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定的空氣相互作用引起的排氣噪聲，以及回轉機構齒輪嚙合摩擦、機械內部件振動等產生的機械噪聲。高噪聲會嚴重危害操作人員和周邊人員的健康安全，影響作業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，輸出轉矩與輸出轉速綜合特性關系的反映，與消耗的壓縮空氣量(耗氣量)是關聯參數。考慮到不同規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備的發展趨勢和重要屬性，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備抵抗意外事件能力以及連續無故障工作能力。由于煤礦井下環境特殊，設備長期暴露和運行在空間狹小、潮濕、粉塵等工作環境中，同時操作人員水平存在諸多不確定性，人、機、環境等因素復雜，要求氣動鉆機具備一定的抵抗意外事件的能力。連續無故障工作能力是產品鉆鑿錨桿孔等施工的基本保障。

1.4 人性化設計

人性化設計是指以人為核心，全面考慮人的精神、物質需求的一種設計價值觀，在滿足產品基本功能的基礎上，尊重使用者的生理和心理需要，保護人體健康，使人和設備有良好的互動關系。在煤礦井下工作過程中，惡劣的環境因素對操縱者和設備均帶來不利的影響，設備良好的人性化設計，充分考慮人的因素，把人放到人-機-環境的系統中來研究，保證系統性能的整體最優化，有利于減輕操作人員的勞動強度和精神負擔，提高工作效率，減少事故發生。本文從以下方面評價氣動鉆機的人性化設計，即符合人體工程學，便于保養維修、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準入標準的基礎上，統籌考慮產品多種性能指標，建立評判數學模型，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 建立權重向量

權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，本文應用AHP確定各評判因子的權重。AHP是對定性問題進行定量分析的多準則決策方法，經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重，適用于存在多個因素指標情況下評價事物的優劣程度[9-10]。建立氣動鉆機各評判因子權重向量c，如公式(1)所示。

c=[c1，c2，…，cn]

(1)

式中:cn為第n個評判因子的權重。

2.3 構建模糊關系矩陣

將各評判因子分級標準劃分為優秀、良好、一般、差四個區段，分別與評判標準區段值中的I、II、III、IV相對應。根據模糊數學評判理論構建評判等級隸屬函數，用隸屬函數φ(x)表示各因子值隸屬于不同等級的程度，本文應用的隸屬函數模型如公式(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工程經驗進行取值。

I級隸屬函數：

(2)

II級隸屬函數：

(3)

III級隸屬函數：

(4)

IV級隸屬函數：

(5)

式中:x為因子值；γi1、γi2、γi3、γi4分別為I、II、III、IV級的標準值。

將各一級評判因子數值分別代入公式(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系矩陣R1、R2、R3、R4，如公式(6)所示。二級評判因子模糊關系矩陣由一級評判因子隸屬度向量構成。

(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構為二層，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為權重向量；R為模糊關系矩陣。

評判結果表現形式為評判向量，為得到更為直觀評判結果，本文引入邏輯權重矩陣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為邏輯權重矩陣。

根據行業標準和工程實踐，確定各分級標準，如表1所示。分級標準采用無量綱數值，即各物理量值均為相對量，本文將評判標準劃分為優秀、良好、一般、差”四段，分別與I、II、III、IV級評判標準區段值對應。

表1 等級評判標準

3 綜合性能評判軟件設計

在C語言編程環境下開發設計氣動鉆機評判系統軟件，軟件設計如圖3所示。對錄入到計算機的氣動鉆機性能參數進行數據處理和運算分析，調用隸屬函數程序生成模糊關系矩陣，并根據各因子權重計算隸屬度向量，進而調用邏輯權重矩陣，計算出氣動鉆機綜合性能等級，確保評判過程的準確高效。

圖3 軟件設計

4 工程實例分析

以某企業生產的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準值如表2所示，抵抗意外事件能力、符合人體工程學、便于保養維修等不能直接通過測試量化的指標，由行業專家根據理論經驗并結合操作工人意見得出。各評判因子權重如表3所示。經計算，得出σ=4.7，根據評判標準該氣動鉆機性能為“良好”。本文評價的設備在煤礦井下取得了良好應用效果，驗證了本文建立的氣動鉆機綜合性能評價方法的科學性和實用性。

表2 評判因子值及分級標準值

表3 評判因子值權重

5 結論

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備在煤礦井下鑿鉆孔施工領域得到了大量應用，但在一段時期內氣動鉆機的應用將依然廣泛，且涉及的操作人員數量龐大，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、人性化設計等四個方面指標，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上，應用AHP和模糊評判理論建立了其綜合性能評判數學模型，通過工程實例驗證了本文研究成果的科學性、實用性，可以作為生產企業和煤礦用戶設計選型的理論工具。