掘进机行走机构故障分析与可靠性评价.pdf

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收稿日期 2 0 1 9 - 0 5 - 0 6 作者简介 赵泽鹏( 1 9 9 5 ) , 男, 山西阳高人, 2 0 1 6年毕业于太原科 技大学自动化专业, 助理工程师, 现从事综采技术工作。 掘进机行走机构故障分析与可靠性评价 赵泽鹏 ( 大同煤矿集团有限责任公司四台煤矿, 山西 大同 0 3 7 0 0 0 ) 摘 要 掘进机对煤矿井下巷道开拓十分重要, 而行走机构是掘进机中非常重要的一环。通过对掘 进机工作原理进行分析, 建立了掘进机行走机构故障树分析模型, 清晰直观地展示了机械故障和液 压系统故障两个大类和具体的 1 3个指标, 梳理了各因素之间的逻辑关系; 在此基础上, 建立了基于 层次分析法的可靠性评价模型。该模型能够通过不同指标的重要性和现场情况打分得出较为科 学、 客观的评价结果, 为掘进机行走机构的故障判断、 可靠性分析提供理论依据。 关键词 掘进机; 行走机构; 故障分析; 层次分析法; 可靠性评价 中图分类号 T D 4 2 1 . 5 ; T P 1 8 3 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 7 4 9 X ( 2 0 2 0 ) 0 2 - 0 0 8 8 - 0 4 F a u l t a n a l y s i s a n dr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no f w a l k i n gme c h a n i s m o f r o a d h e a d e r Z H A OZ e  p e n g ( S i t a i C o a l M i n e , D a t o n gC o a l M i n e G r o u pC o ., L t d ., D a t o n g0 3 7 0 0 0 , C h i n a ) A b s t r a c t T h e r o a d h e a d e r i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e d e v e l o p m e n t o f c o a l m i n e u n d e r g r o u n dr o a d w a y , a n dt h e w a l k i n g m e c h a  n i s mi s av e r y i m p o r t a n t p a r t o f t h e r o a d h e a d e r . T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e r o a d h e a d e r , e s t a b l i s h e s t h e f a u l t t r e ea n a l y s i s m o d e l o f t h e r o a d h e a d e r ’ s w a l k i n g m e c h a n i s m , a n ds o r t s o u t t h e l o g i c a l r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u s f a c  t o r s . O nt h i s b a s i s , a r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e l w a s e s t a b l i s h e d . T h e m o d e l c a ng e t m o r e s c i e n t i f i c a n do b j e c t i v e e v a l u a t i o n r e s u l t s t h r o u g ht h e i m p o r t a n c e o f d i f f e r e n t i n d i c a t o r s a n df i e l dc o n d i t i o n s , a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e f a u l t j u d g m e n t a n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i s o f t h ed r i v i n gm e c h a n i s mo f t h er o a d h e a d e r . K e yw o r d s r o a d h e a d e r ; w a l k i n gm e c h a n i s m ; f a u l t a n a l y s i s ; A H P ; r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n 0 引言 掘进机在煤矿井下作业设备中扮演着十分重要 的作用, 掘进机的可靠性影响着巷道综合掘进的高 效性和企业的经济效益[ 1 ]。而掘进机又由行走机 构、 截割机构、 转运机构、 提升、 回转机构等各液压系 统组成[ 2 ]。并且当前掘进机液压系统随着科学技 术的进步, 逐步由定量输出液压系统变为变量液压 系统, 该类型虽然效率和工作能力都有极大改善, 但 是增加了比例电磁阀等辅助控制回路, 机电系统更 为复杂, 设备出现故障后不易确定故障原因[ 3 ]。为 此, 利用故障树分析法对掘进机的行走机构故障进 行分析, 通过构建树状分析模型将故障原因的逻辑 关系梳理清晰, 并以此建立了可靠性分析模型, 为故 障诊断、 排查以及可靠性判断提供理论依据。 1 掘进机运行机理与行走机构常见故障 1 . 1 掘进机运转机理 掘进机作为井下巷道的主要开凿机械设备, 掘 进机通过截割部对井巷内的围岩进行破碎处理, 再 通过转运机构运离井巷开凿段, 而行走机构直接影 响设备移动效率。该设备的主要构成部位包含行走 机构、 截割机构、 转运机构、 提升机构等, 而行走机构 88赵泽鹏 掘进机行走机构故障分析与可靠性评价 2 0 2 0年 主要有对称布置的两条履带及驱动马达, 行走机构 具体包含履带、 履带架、 履带护板、 张紧装置、 张紧油 缸、 支重轮、 拖轮、 行走减速器、 液压马达等。通常动 力系统由液压马达通过行走减速器后由驱动链轮带 动履带转动[ 4 ]。 1 . 2 行走机构常见故障类型 掘进机行走机构可将常见故障分为机械故障和 液压系统故障两大类。其中机械故障包含行走减速 器故障、 驱动链轮故障、 履带张紧装置故障等[ 5 ]。 液压系统故障有左右两侧驱动速度不统一、 行 走效率低、 机构停止工作、 液压系统不稳定等[ 6 ]。 具体可能由于液压系统中的各液压缸、 管路密封性 出现故障, 发生密闭泄露、 液压油污染、 环境因素、 履 带链条本身强度、 设备中链轮安装偏轴等问题。 2 故障树模型的建立 2 . 1 故障树分析法 故障树分析法针对机械设备的故障分析, 通常 将整体系统故障逐级分解到部分系统, 再逐级下降 分解到设备零件形成树状分析图。故障树分析法的 定量分析是以布尔代数和概率论作为研究基础的, 而针对特定的机械设备故障进行精准的定量分析需 要对各型零件故障概率做出详细故障统计[ 7 ]。故 障树分析法通过对设备的故障分析研究设备的可靠 性, 能及时进行设备必要的维护从而减少设备故障 率; 在设备出现故障后, 将系统故障作为顶上事件进 行事故分析, 自顶上事件逐级展开, 到达事故基本事 件中。根据事故树中各级间的逻辑关系, 对引发系 统故障的基础事件进行判断, 及时对设备进行故障 排查和维修[ 8 - 1 0 ]。 2 . 2 故障树模型建立 根据现场常见故障属性不同, 对行走机构的故 障分析建立故障树分析模型, 如图 1所示, 各事件说 明见表 1 。 2 . 3 故障树的逻辑运算 从图 1故障树中可以看出, 掘进机行走机构故 障树由 6个或门和 1 3个底事件组成。根据布尔运 算的原则, 或门的逻辑运算法则为逻辑加, 因此, 可 得图 1故障树的逻辑运算结果为 T= A 1+ A2 = B 1+ B2+ B3+ x1 0+ x1 1+ x1 2+ x1 3 = x 1+ x2+ x3+ 爥 + x1 1+ x1 2+ x1 3 ( 1 ) 图 1 掘进机行走机构故障树分析模型 表 1 掘进机行走机构故障树分析模型说明 事件说明事件说明 T掘进机行走系统故障x5张紧装置故障 A 1 机械故障x6偏轴 A 2 液压系统故障x7链轮架变形 B 1 减速器故障x8轴变形 B 2 履带断链或脱链 x 9 设计、 加工缺陷 B 3 链轴出现偏心x1 0油路堵塞 x 1 齿轮磨损或损坏x1 1溢流阀故障 x 2 轴承损坏x1 2转向阀故障 x 3 齿轮不啮合 x 1 3 油缸泄露 x 4 主、 从动轮磨损或损坏 进而, 可以求得故障树的最小割集为{ x 1} , { x 2} , { x3} , 爥, { x1 1} , { x1 2} , { x1 3} , 共 1 3个。这 1 3 个基本事件都是掘进机行走机构故障这个顶上事件 的最小割集, 换言之, 上述基本事件任意一个事件的 发生都将导致掘进机行走机构出现故障, 所以在事 故发生后应根据故障设备故障特征及基本事件故障 概率进行故障排查。 2 . 4 基于故障树的故障判断方法 井下掘进机行走机构出现故障后, 单纯通过故 障概率逐一进行排查, 工作量较大, 而且井下工作环 境恶劣且缺少大型辅助维修设备, 全部对机构进行 拆解维修会延长维修时间, 同时不当操作会引发新 的设备故障。 因此, 可以结合故障树分析模型, 简化故障排查 过程。先行判别掘进机故障是机械故障或是液压故 障, 观察故障特征。如判别机械故障, 通常履带断链 或脱链、 链轴出现偏心可直接从表象中判断, 而减速 98第 2期赵泽鹏 掘进机行走机构故障分析与可靠性评价 器故障也较为直观, 可能会出现单侧机构运行正常, 而另一侧表现为无法正常工作或只能在无负荷下工 作。如果判断为液压系统中的故障, 则通常都会表 现出油压不稳定, 出现油路堵塞、 泄漏、 溢流阀故障、 转向阀故障等问题, 应及时对油路、 阀门进行维护和 更换, 严重时应及时更换液压马达。设备的故障大 部分情况都能提前发现和判断, 如减速器异常会发 出噪音和异常高温, 而且定期检查、 维护和更换易损 零部件也能避免设备出现故障。 3 基于层次分析法的可靠性评价 层次分析法( A n a l y t i cH i e r a r c h yP r o c e s s , A H P ) 是既包含定性分析, 又通过定量分析将主观的判断 转化为数值性的客观评价的一种决策方法。通过建 立对比标度, 对单一准则层下的指标进行两两对比 构建判断矩阵( 列表) , 能够将无形指标的测量转化 为有形的判断指标, 从而得到更加准确、 客观、 科学 的评价结果, 层次分析法在对多指标系统的评价中 使用广泛。 3 . 1 可靠性评价体系的建立 可靠性评价模型 根据上述故障树分析的结论, 建立可靠性评价体系。该评价体系主要针对减速器 故障、 液压系统故障、 履带故障、 链轴故障进行分析, 如图 2所示。 B 1= 1223 1 / 2123 1 / 2 1 / 212 1 / 3 1 / 3 1 /            2 1 , B 2= 1233 1 / 2123 1 / 3 1 / 212 1 / 3 1 / 3 1 /            2 1 , B 3= 123 1 / 212 1 / 3 1 /        2 1 , B 4= 12 1 / [] 2 1 ( 2 ) 3 . 2 可靠性评价体系的分析 单一特征向量 A H P中, 可靠性评价的方法是 通过计算判断矩阵的特征向量得到各因素的权重 值, 然后对各因素的实际情况进行打分, 最终得到可 靠性的定量数据。利用 M A T L A B软件可以计算判 断矩阵的单一特征向量, 计算结果如下 HA= [ b 1, b2, b3, b4] T = [ 0 . 4 3 59 , 0 . 3 2 70 , 0 . 1 4 19 , 0 . 0 9 51 ] T, λ m a x A= 4 . 1 3 23 HB 1= [ c 1, c2, c3, c4] T = [ 0 . 4 1 55 , 0 . 2 9 26 , 0 . 1 8 49 , 0 . 1 0 70 ] T, λ m a x B 1= 4 . 0 7 10 HB 2= [c 5, c6, c7, c8] T = [ 0 . 4 4 76 , 0 . 2 8 29 , 0 . 1 6 36 , 0 . 1 0 59 ] T, λ m a x B 2= 4 . 0 7 10 HB 3= [c 9, c1 0, c1 1] T = [ 0 . 5 3 96 , 0 . 2 9 70 , 0 . 1 6 34 ] T, λ m a x B 3= 3 . 0 9 2 HB 4= [ c 1 2, c1 3] T= [ 0 . 6 6 67 , 0 . 3 3 33 ]T, λ m a x B4= 2 可靠性计算结果 各因素的综合权重大小是通 过单一权重与上层权重的乘积求得的, 计算结果见 表 2 。 根据现场情况对各因素进行打分, 为了得到定 量的评价结果, 还要为每个不同等级赋予分数, 其中 没有任何问题为 5分, 存在轻微故障隐患为 4分, 存 在严重故障隐患为 3分, 已发生故障为 0 。综合评 价结果为可靠性高( 4分 ~ 5分) 、 可靠性一般( 3分 ~ 4分) , 可靠性差( 2分 ~ 3分) , 故障( 2分以下) 。 综合评价结果 综合评价结果的计算如下式 09陕 西 煤 炭 2 0 2 0年 图 2 掘进机行走机构可靠性评价模型 判断矩阵 通过 A H P的基本理论, 结合煤矿实 际以及与一线技术人员的沟通, 建立 A- B层、 B 1- C层、 B 2- C 、 B3- C和 B4- C层判断矩阵如下 A= 1233 1 / 2134 1 / 3 1 / 312 1 / 3 1 / 4 1 /            2 1 , ( 3 ) 所示。 F=Q TP=∑ 1 3 k = 1q kpk, k=1 , 2 , 3 , 爥, 1 3 ( 3 ) 式中 F 掘进机行走机构可靠性得分; P 因 素 c 1、 c2, 爥, c1 3的得分矩阵; pk 各因素的实际情况 分数。 表 2 掘进机行走机构可靠性计算结果 项目指标单一权重总权重评分 齿轮磨损或损坏 c 1 0 . 4 1 550 . 1 8 111 减速器 故障 B 1 轴承损坏 c 2 0 . 2 9 260 . 1 2 755 齿轮不啮合 c 3 0 . 1 8 490 . 0 8 065 主、 从动轮磨损或损坏 c 4 0 . 1 0 700 . 0 4 663 油路堵塞 c 5 0 . 4 4 760 . 1 4 645 液压系 统可靠 性 B 2 油缸泄露 c 6 0 . 2 8 290 . 0 9 255 溢流阀故障 c 7 0 . 1 6 360 . 0 5 355 转向阀故障 c 8 0 . 1 0 590 . 0 3 465 张紧装置故障 c 9 0 . 5 3 960 . 0 7 663 履带 故障 B 3 偏轴 c 1 0 0 . 2 9 700 . 0 4 213 链轮架变形 c 1 1 0 . 1 6 340 . 0 2 325 链轴 故障 B 4 轴变形 c 1 2 0 . 6 6 670 . 0 6 345 设计、 加工缺陷 c 1 3 0 . 3 3 330 . 0 3 173 以同煤集团煤峪口煤矿为例, 通过机电技术员 对掘进机行走机构打分( 结果见表 2 ) , 根据式( 3 ) 计算得 F= 3 . 8 8 06 。因此, 该掘进机行走机构可靠 性一般。通过打分可以看出齿轮磨损问题较为严 重, 另外履带部分也需要加强维护。 4 结论 ( 1 ) 采用故障树分析法对掘进机行走机构常见 故障进行分析, 直观清晰地展示了机械故障和液压 系统故障两个大类和具体的 1 3个指标, 为现场故障 判断和分析提供了很好的方法, 提高了工作效率。 ( 2 ) 建立了掘进机行走机构可靠性评价模型, 该模型能够通过不同指标的重要性和现场情况打分 得出较为科学、 客观的评价结果, 为掘进机行走机构 可靠性分析提供理论依据。 参考文献 [ 1 ] 毛君, 吴常田, 谢苗. 浅谈悬臂式掘进机发展及趋 势[ J ] . 中国工程机械学报, 2 0 0 7 , 5 ( 2 ) 2 4 0 - 2 4 2 . 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