基于層次分析法和模糊數(shù)學的鑿巖機性能評價*

龔斌

(煤炭科學技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單、易于維修保養(yǎng)、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(yè)，該類設(shè)備在工作時產(chǎn)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(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品良莠不齊，且涉及的煤礦井下操作人員數(shù)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(guān)鍵是確定評價指標及其權(quán)重。在氣動鑿巖機產(chǎn)品滿足MT/T 903—2002《煤礦用氣動鑿巖機通用技術(shù)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(shè)計4個方面[3]。

1)工作能力。在工作過程中，壓縮空氣驅(qū)動活塞做高速往復運動實現(xiàn)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(zhuǎn)實現(xiàn)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是影響其鑿孔效率主要參數(shù)，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(huán)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(chǎn)生的機械噪聲。高噪聲嚴重危害作業(yè)人員的生理和心理健康，引發(fā)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(yè)交流，增加安全生產(chǎn)事故的可能性。同時，氣動鑿巖機是手持類設(shè)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(chǎn)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(huán)境，更要重視設(shè)備的可靠性，連續(xù)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(shè)備整機及零部件抵抗井下實際使用過程中發(fā)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(shè)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(yǎng)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(quán)重，提高權(quán)重確定的準確性，應用模糊數(shù)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(quán)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(quán)重值，以作為多指標、多方案決策的系統(tǒng)方法[6]。在前文研究分析的基礎(chǔ)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩u13、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(xù)無故障工作能力u31、抵抗意外事件能力u32。

4)人性化設(shè)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(yǎng)維修u43、機重u44。

本文采用專家打分法確定各評價指標權(quán)重，以問卷的形式征詢檢驗檢測人員、設(shè)備管理人員、氣動鑿巖機操作人員和業(yè)內(nèi)專家等方面意見，進行統(tǒng)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(quán)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(quán)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(quán)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(shè)計等部分指標具有模糊性不能直接量化，需應用模糊數(shù)學進行分析研究。模糊數(shù)學的綜合評判涉及評價指標集U、權(quán)重向量W、隸屬度矩陣R、評價集V4個方面，將權(quán)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(jié)果。

這里V=[優(yōu)，良，中，差]，評價指標集U與權(quán)重向量W經(jīng)上文分析得出。隸屬度矩陣R通過隸屬度函數(shù)計算得出，即將一級評判指標值代入隸屬度函數(shù)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(gòu)成。

Ⅰ級隸屬函數(shù)：

(1)

Ⅱ級隸屬函數(shù)：

(2)

Ⅲ級隸屬函數(shù)：

(3)

Ⅳ級隸屬函數(shù)：

(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(shù)按公式(1)(2)(3)(4)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級分別與評價集Ⅴ的優(yōu)、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(yè)生產(chǎn)的YT28型氣動鑿巖機(編號A、B)進行綜合性能評價分析。產(chǎn)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(yǎng)維修等無法直接測量的指標，由行業(yè)專家、操作工人意見得出，為無量綱參數(shù)。

以A鑿巖機為例，進行計算分析。沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速參數(shù)值越大，設(shè)備性能越好，與隸屬度函數(shù)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(shù)處理后作為最終評價參數(shù)。帶入函數(shù)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(zhuǎn)矩B13=[0.012，0.988，0，0]，轉(zhuǎn)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(shè)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(jù)評價集V=[優(yōu)，良，中，差]，對應“優(yōu)”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(yōu)”。同理，經(jīng)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(jù)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(qū)分不同氣動鑿巖機性能等級。

4 結(jié)論

氣動鑿巖機廣泛應用于煤礦井下巷道作業(yè)，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(shù)學原理，在分析鑿巖機工作性、安全性、可靠性和人性化設(shè)計四個評價指標的基礎(chǔ)上，建立了其綜合性能評價體系，并通過對不同產(chǎn)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。