灰色關(guān)聯(lián)故障樹(shù)分析法在TBM刀盤失效中的應(yīng)用

0 引言

TBM制造技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，使得TBM技術(shù)的地層應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。TBM技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于比較均勻、單一的土層，也能在軟硬交替的復(fù)合地層中得到大量應(yīng)用。在TBM施工中存在著由許多地質(zhì)因素造成的風(fēng)險(xiǎn)，影響著TBM的掘進(jìn)效率，在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，TBM總體風(fēng)險(xiǎn)事故中有50%以上是刀盤風(fēng)險(xiǎn)事故，主要表現(xiàn)為：刀盤的過(guò)度磨損、刀盤部分磨損、刀盤失去足夠的推力和扭矩。這些事故導(dǎo)致TBM的施工效率和刀盤的耐久度大幅度下降，刀盤也發(fā)生了嚴(yán)重?fù)p壞。在此背景下，本文采用故障樹(shù)分析法，分析TBM的刀盤時(shí)效問(wèn)題，研究引發(fā)刀盤失效的機(jī)制和影響因素，分析各個(gè)因素的影響程度，并針對(duì)性地提出改進(jìn)建議，為TBM施工技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 灰色關(guān)聯(lián)故障模式分析法

1.1 關(guān)聯(lián)度

1.2 灰色關(guān)聯(lián)故障模式分析基本原理

在故障樹(shù)分析模型中，導(dǎo)致故障樹(shù)的頂事件發(fā)生的底事件有m種不同的組合，每種不同的底事件組合，被稱為一個(gè)割集。將導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的組合稱為最小割集，即當(dāng)割集中包括的底事件全部發(fā)生時(shí)頂事件就會(huì)發(fā)生，代表了引起故障樹(shù)頂事件發(fā)生的一種故障模式。假設(shè)第i個(gè)最小割集Ki，由ni個(gè)底事件X，X，L…，X組合而成，在最小割集Ki中，可令由ni個(gè)底事件概率全為1，其余（n-ni）個(gè)底事件概率為0，這樣由m個(gè)最小割集就構(gòu)成了一個(gè)典型故障的特征矩陣：

在故障樹(shù)分析中，每個(gè)底事件對(duì)頂事件的貢獻(xiàn)是不一樣的，它反應(yīng)了底事件對(duì)頂事件的重要度，以及各底事件的重要度組成一待檢模式向量X，則：

若將關(guān)聯(lián)度序列按從大到小的順序進(jìn)行排列，也就是提供了待檢模式劃歸某種典型模式可能性大小的順序，為后續(xù)決策提供依據(jù)，其他待檢模式即可參考以上處理方式。

2 灰色關(guān)聯(lián)故障樹(shù)分析在刀盤失效中的應(yīng)用

2.1 工程概況

新疆XX供水隧道XX隧道為奧陶系黑云母石英片巖、二云石英片巖、華力西期變質(zhì)斜長(zhǎng)花崗巖、花崗斑巖、閃長(zhǎng)巖。隧道埋深15m～596m，大部分均為Ⅱ、Ⅲ類圍巖，抗壓強(qiáng)度為30MPa～170MPa，為中硬～堅(jiān)硬巖，整體穩(wěn)定性好?；◢弾r、黑云母花崗巖、黑云母角閃斜長(zhǎng)巖、片麻極少為Ⅳ、Ⅴ圍巖，采用敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)。TBM刀盤采用1+1不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，共設(shè)置了48個(gè)滾刀刀刃，正滾刀刀間距78mm，最外兩把滾刀刀間距為7.9mm。

2.2 建立刀盤失效故障樹(shù)

故障樹(shù)的建立一般是采用演繹分析的方法，本文把將研究的事件刀盤失效作為頂事件，找出致使刀盤失效的直接原因主要為三類：刀盤過(guò)度磨損、刀盤部分磨損和沒(méi)有足夠的推力或扭矩，通過(guò)閱讀大量的文獻(xiàn)和分析確定了10個(gè)基本事件，如表1所示。通過(guò)分析引起刀盤失效事故的各種原因建立故障樹(shù)，如圖1所示。請(qǐng)?jiān)诂F(xiàn)場(chǎng)的5位工程經(jīng)驗(yàn)豐富的專家，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)刀盤失效故障樹(shù)的底事件發(fā)生失效的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)打分，綜合結(jié)果各底事件的失效概率值見(jiàn)表2。本文采取的概率值與事件的可能性及嚴(yán)重程度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：0.01表示不可能，0.1表示可能性較小，0.3表示可能但不經(jīng)常發(fā)生，0.5表示可能且一般較為嚴(yán)重，0.7表示相當(dāng)可能且嚴(yán)重，0.9表示完全可能且非常嚴(yán)重。

圖1 刀盤失效體系故障圖

表1 底事件所對(duì)應(yīng)的代號(hào)

表2 底事件所對(duì)應(yīng)的概率

2.3 定性分析

導(dǎo)致頂事件“刀盤失效”發(fā)生的基本事件集合采用故障樹(shù)中的割集的概念來(lái)描述，其中最小割集用來(lái)表示導(dǎo)致定時(shí)間發(fā)生的低限度的基本事件的集合。定性分析主要是求出故障樹(shù)的最小割集，即找到引發(fā)頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式。本文采用布爾代數(shù)法來(lái)求最小割集，按照從頂事件自上而下的順序。由于本文建立的故障樹(shù)全部由“或”門組成，故各底事件即最小割集，即本系統(tǒng)的最小割集為：{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}，{X}。共有10個(gè)最小割集，即m=10；有10個(gè)底事件，即n=10，最小割集所包含的底事件在特征矩陣中的取值為1，其余取值為0。

2.4 定量分析

2.4.1 構(gòu)建特征矩陣

特征矩陣為：

2.4.2 確定待檢模式向量

根據(jù)表2中每個(gè)底事件發(fā)生失效的概率，按下式可以計(jì)算出每個(gè)最小割集發(fā)生的概率F和系統(tǒng)頂事件發(fā)生的概率F如表3所示。

表3 最小割集發(fā)生的概率

重要度是表示底事件影響頂事件的程度，其數(shù)學(xué)公式為：

計(jì)算所得到的各底事件重要度如表4所示。

因此，由表4底事件的重要度得出待檢向量為：

表4 各底事件的重要度

2.4.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度

對(duì)X做歸一化處理：

求序列差：

根據(jù)上述結(jié)果求得兩級(jí)最大差和最小差分別為Vmax=1.670和Vmin=0。

表5 關(guān)聯(lián)系數(shù)法

由關(guān)聯(lián)度定義公式求得關(guān)聯(lián)度ε（K）見(jiàn)表6。

表6 關(guān)聯(lián)度表

關(guān)聯(lián)度排序?yàn)镽＞R=R＞R＞R=R＞R＞R=R=R，故該項(xiàng)目造成TBM刀盤失效的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素按重要程度排序?yàn)椋旱毒吒鼡Q不及時(shí)，硬巖和極硬巖，地層中含有大量石英，復(fù)合地層，刀盤的直徑、推力、扭矩，操作員的熟練程度，巖石類型，刀盤的設(shè)計(jì)，刀盤開(kāi)口率的管理，刀盤型號(hào)的選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

利用灰色關(guān)聯(lián)故障樹(shù)分析法對(duì)TBM刀盤的失效模式進(jìn)行了分析，找出了失效模式發(fā)生的可能性，并通過(guò)關(guān)聯(lián)度排序，找出了TBM刀盤失效發(fā)生可能性的大小，從而識(shí)別出引起刀盤失效的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，為改善刀盤，控制失效概率提供提論基礎(chǔ)。