用于維護(hù)管理的自卸車電機(jī)系統(tǒng)可靠性分析

王浩楠，付景浩

（山東港口煙臺(tái)港股份有限公司礦石碼頭分公司，山東煙臺(tái) 264000）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)礦山使用的大型電動(dòng)輪車主要依賴進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格高，配件昂貴而又短缺，維護(hù)困難，維修成本高，超期服役嚴(yán)重。

可靠性分析是評(píng)估系統(tǒng)效率和選擇維護(hù)策略的重要方式[1]。可靠性已成為公認(rèn)的系統(tǒng)性能因素。在煤礦領(lǐng)域，高可靠性也是至關(guān)重要的[2]。在露天礦開采項(xiàng)目中，自卸卡車等設(shè)備在生產(chǎn)計(jì)劃中起著關(guān)鍵作用。在現(xiàn)代采礦中，預(yù)測(cè)產(chǎn)量對(duì)管理者和利益相關(guān)者至關(guān)重要。生產(chǎn)量不符合計(jì)劃的一個(gè)常見原因是設(shè)備不可用，大多數(shù)露天礦的主要機(jī)器類型之一是卡車[3]。胡興志[4]結(jié)合狀態(tài)觀測(cè)和控制的整體魯棒思想，設(shè)計(jì)了新型的模糊滑模轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，滿足了礦用自卸車輪邊驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)對(duì)輸出扭矩實(shí)時(shí)控制的要求。趙玉梅[5]將維修理論拓展到礦用自卸車的維修策略研究中，對(duì)維修策略按可用度最大和總費(fèi)用最小的原則進(jìn)行了建模和優(yōu)化。劉炳文[6]將改進(jìn)后的平均相關(guān)子空間方法應(yīng)用在自卸車上，有效地降低了故障與事故發(fā)生的概率，保障了車輛行車安全與可用性。李衛(wèi)波[7]通過對(duì)自卸車存在的常見故障及產(chǎn)生原因進(jìn)行了一定的分析，并針對(duì)這些故障提出了維修方法。Morad 等人[8]評(píng)估了10 輛卡車的可靠性，并通過加權(quán)重要性度量方法，計(jì)算每個(gè)部件的重要性。董金國(guó)[9]通過CAE 受力仿真分析、生產(chǎn)工藝現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，以及標(biāo)桿對(duì)比分析法，得到了自卸車故障原因。自卸車是露天礦的主要機(jī)械之一，其停機(jī)時(shí)間的減少直接影響到生產(chǎn)計(jì)劃。本文以內(nèi)蒙石拉烏素煤礦的一輛自卸車為研究對(duì)象進(jìn)行可靠性分析，該車使用時(shí)間約為15 600 h，自卸車的技術(shù)規(guī)格信息見表1。該電機(jī)系統(tǒng)溫度的最大和最小可靠性分析為35 °C 和15 °C。通過對(duì)故障次數(shù)的分析，確定自卸車的電機(jī)子系統(tǒng)具有最高的故障頻率，因此選擇該子系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。

表1 自卸車技術(shù)參數(shù)

1 可靠性

可靠性被視為工程和概率概念[10-11]，其定義為“在規(guī)定條件下無故障性能的持續(xù)時(shí)間或概率”。可靠性函數(shù)R（t）或系統(tǒng)在時(shí)間t 之前未發(fā)生故障的概率由式（1）確定：

其中，R（t）是時(shí)間t 的可靠性；F（t）為累積失效分布函數(shù)；f（t）是失效概率密度函數(shù)。

2 數(shù)據(jù)收集和分析

收集統(tǒng)計(jì)了煤礦20 個(gè)月內(nèi)自卸車的故障數(shù)據(jù)，并將自卸車分為6 個(gè)子系統(tǒng)。故障數(shù)據(jù)顯示，最常見的故障事故發(fā)生在電機(jī)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)故障率最高，達(dá)到47%、占了近1/2。因此，關(guān)注電機(jī)的可靠性對(duì)于提高機(jī)器的性能非常重要。

自卸車的電機(jī)子系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、冷卻、潤(rùn)滑、進(jìn)氣和排氣和燃料組成。這些部件的故障被視為電機(jī)子系統(tǒng)故障。電機(jī)停機(jī)的主要原因是進(jìn)氣和排氣故障。液壓系統(tǒng)等其他子系統(tǒng)由液壓油箱、制動(dòng)控制裝置、軟管、管道、接頭、提升液壓缸和相關(guān)部件組成。電氣部件包括電池、交流發(fā)電機(jī)、電纜、起動(dòng)器和燈。變速箱、差速器、萬向節(jié)、離合器和車輪被視為傳動(dòng)子系統(tǒng)。

為了選擇合適的建模方法，進(jìn)行2 次統(tǒng)計(jì)測(cè)試以驗(yàn)證故障間隔時(shí)間（TBF）數(shù)據(jù)的獨(dú)立和相同分布（IID）假設(shè)。分析過程采用圖解法來測(cè)試趨勢(shì)和序列相關(guān)性的存在。借助累積TBF 與累積故障數(shù)的散點(diǎn)圖進(jìn)行測(cè)試趨勢(shì)，如果該圖近似為直線，則TBF 數(shù)據(jù)分布相同且無趨勢(shì)。趨勢(shì)手冊(cè)測(cè)試是分析趨勢(shì)測(cè)試的一種，也是本文的應(yīng)用。該測(cè)試使用計(jì)算測(cè)試統(tǒng)計(jì)U 來檢查數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。

式中：n 是故障總數(shù)；Tn是第n 次故障的時(shí)間；Ti是第i 次故障的次數(shù)。

在HPP 的0 假設(shè)下，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量U 為卡方分布，自由度為2（n-1），分析趨勢(shì)測(cè)試結(jié)果如表2 所示。分析過程可以通過繪制第（i）個(gè)TBF 與第（i-1）TBF 來測(cè)試序列相關(guān)性。如果該圖沒有任何模式，則TBF 數(shù)據(jù)無串行相關(guān)性。對(duì)TBF 數(shù)據(jù)的測(cè)試結(jié)果表明，數(shù)據(jù)是獨(dú)立的且分布相同（IID），因此，更新過程（RP）是建模的最佳方法。

表2 TBF 分析（子系統(tǒng)：電機(jī)）趨勢(shì)測(cè)試結(jié)果

3 可靠性建模

使用Easyfit 軟件來找到正確的分布。對(duì)可靠性分析中常用的威布爾分布、指數(shù)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布等進(jìn)行檢驗(yàn)，然后應(yīng)用Kolmogorov-Sminov（K-S）檢驗(yàn)，選擇可靠性模型的最佳分布。根據(jù)分析Weipull（3P）是最好的（表3）。

表3 建模參數(shù)估計(jì)結(jié)果

基于這些數(shù)據(jù)的開發(fā)模型表明，電機(jī)子系統(tǒng)的可靠性在運(yùn)行約430 h 后降至0 值，可靠性在運(yùn)行90 h 后降至50%。

考慮到自卸車在使用過程中忽視經(jīng)濟(jì)壽命，只注重物質(zhì)壽命的現(xiàn)象，本文通過建立模型對(duì)其經(jīng)濟(jì)壽命做進(jìn)一步分析。汽車經(jīng)濟(jì)壽命的預(yù)測(cè)模型分為2 種，一種不考慮金錢的時(shí)間價(jià)值稱為靜態(tài)模型，另一種考慮金錢的價(jià)值稱為動(dòng)態(tài)模型。

（1）靜態(tài)計(jì)算模式：由于車輛的磨損，導(dǎo)致維護(hù)費(fèi)用逐年增加，這種現(xiàn)象稱為低劣化。但通常情況下，運(yùn)輸成本的劣化價(jià)值不是線性增長(zhǎng)的，應(yīng)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的線性回歸方法，然后計(jì)算出實(shí)際成本的最小二乘擬合直線，擬合直線的斜率為成本增加速度。車的經(jīng)濟(jì)壽命。其中，K0為原始購(gòu)置成本；λ 為劣化值。

每輛車原始購(gòu)置成本K0=11 600 926.59 元，以2005 年為第一年，以消除工作量因素劣化值的影響，估算運(yùn)營(yíng)成本λ=23 701元，求得靜態(tài)模式下10 年的經(jīng)濟(jì)壽命。

（2）動(dòng)態(tài)計(jì)算模型采用MAPI 方法，年平均折舊額為K0/n，平均利息負(fù)擔(dān)額為iK0/n，自卸汽車年平均成本U=（n-1）λ/2+K0/n+iK0/n。當(dāng)n=10 時(shí)，相應(yīng)的年平均運(yùn)行費(fèi)用最低、U=2 342 678.425元，獲得最優(yōu)經(jīng)濟(jì)壽命10 年。

計(jì)算經(jīng)濟(jì)壽命期內(nèi)的備件費(fèi)用。為了消除管理工具和工作量的影響，采用備件成本法計(jì)算礦井電動(dòng)輪車的經(jīng)濟(jì)壽命。自卸車屬于進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，保修期內(nèi)收取的費(fèi)用占的比重較小，因此選擇了備件費(fèi)用與總費(fèi)用的比值為0.7。該車型的維修備件費(fèi)用見表4，電動(dòng)輪汽車的經(jīng)濟(jì)壽命為11.79 年，是通過差數(shù)值法確定的。基于上述算法，大型礦用自卸車的經(jīng)濟(jì)使用壽命為10～12 年，最佳經(jīng)濟(jì)壽命為11 年左右。

表4 維修備件費(fèi)用

4 維修

以可靠性為中心的維護(hù)（RCM）是一種確定組織維護(hù)計(jì)劃水平的工程方法，可靠性是其關(guān)鍵概念。考慮了自卸車電機(jī)子系統(tǒng)的不同可靠性水平，以制定預(yù)防性維護(hù)（PM）間隔（表5）。

表5 不同可靠性水平下自卸車電機(jī)子系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)間隔

PM 最重要的目標(biāo)之一是提高設(shè)備的可靠性。使用所需水平的預(yù)測(cè)間隔進(jìn)行維護(hù)，管理者可以減少不可預(yù)測(cè)的停機(jī)時(shí)間和成本。這些時(shí)間間隔計(jì)劃用于檢查、糾正、清潔、潤(rùn)滑、更換備件和維修系統(tǒng)。

5 結(jié)論

收集并分析了礦用自卸車的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，最常見的故障事件發(fā)生在該自卸車的電機(jī)系統(tǒng)中。因此，將重點(diǎn)放在電機(jī)子系統(tǒng)上，以提高自卸車的可靠性。最關(guān)鍵的電機(jī)系統(tǒng)也是故障頻率最高的子系統(tǒng)。RCM 可識(shí)別最關(guān)鍵的部件，并使用適當(dāng)且經(jīng)濟(jì)高效的方法優(yōu)化其維護(hù)策略。結(jié)果表明，TBF 數(shù)據(jù)是IID。因此采用更新過程進(jìn)行可靠性分析。數(shù)據(jù)服從Weibull（3P）分布。通過合理預(yù)測(cè)維修間隔用于安排檢查、糾正、清潔、潤(rùn)滑、更換備件和維修系統(tǒng)。對(duì)于PM 可以將任務(wù)分組，以便以最經(jīng)濟(jì)的方式執(zhí)行。RCM 提高了可靠性，從而減少故障、提高可用性，降低了維護(hù)成本。