煤矿智能掘进系统可靠性分配的探讨分析
煤矿智能掘进系统可靠性分配的探讨分析
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煤炭长期在我国能源消费中占较大比重，2021年全国原煤产量41.3 亿t，创历史新高，占能源消费总量56%，预计在未来较长时期内，煤炭在我国能源体系中的主体地位和压舱石作用不会改变。按照规划，到“十四五”末，国内煤炭产量控制在41亿t左右，煤炭消费量控制在42亿t左右，将继续推动建设大型智能化煤矿，全国煤矿数量将由5 300处减少至4 000处左右，建成智能化生产煤矿1 000处以上。目前，综采智能化发展水平已经相对较高，但掘进系统智能化受生产工艺及复杂环境条件，各配套智能设备相对不成熟等多方面因素影响，发展水平仍相对较低。其中，设备可靠性水平相对较低是制约实现掘进智能化的1个关键因素。
掘进系统智能化的可靠性水平可从基本可靠性和任务可靠性2个方面评价，其中任务可靠性是指产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力，反映了产品对任务成功性的要求。对于煤矿智能掘进系统，在1个工作循环中，涉及多个工序，任务剖面较多，在不同任务剖面中，各子系统、工作装置、工作状态也有较大差别。煤矿智能掘进系统可靠性分配对各系统合理分配可靠性指标，对实现智能掘进系统可靠运行具有重要意义。笔者以1种以掘进机为龙头的智能掘进系统为例，研究探讨了任务可靠性分配。
文章来源： 《智能矿山》 2022年第9期“智能采掘”专栏
作者简介： 周廷，副研究员
引用格式： 周廷 . 煤矿智能掘进系统可靠性分配的探讨分析 [J].智能矿山，2022，3（9）72-74.
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经过近些年的发展，煤矿智能掘进技术水平有了很大进展，各大煤机企业纷纷推出了适应不同工况的智能掘进系统产品。以适应国内多数煤矿复杂地质条件的某种智能掘进系统为例，该系统由智能掘进机、智能运锚机、输送带转载机、智能迈步机尾、智能除尘系统、辅助运输系统等设备配套组成。其中，智能掘进机的功能主要是完成巷道截割、部分锚杆支护，以及收集落煤并输送至后续设备；智能运锚机与掘进机配套使用，承接掘进机的卸煤并向后续设备转运，同时完成其余锚杆、锚索支护；带式转载机与智能迈步机尾组成输送带搭接系统，可提供不低于30 m的重合段长度，用于掘进过程中，实时与智能运锚机搭接，实现生产班中无需对输送带系统进行人工干预。
煤矿智能掘进系统的一级子系统划分及其功能见表1。由表1可知，根据各部分功能及结构组成，可将该智能掘进系统分成6个子系统；根据掘进工艺特点，可按智能掘进工艺流程，将该智能掘进系统分为掘进、锚护、运输、位姿调整、除尘、辅助运输等工艺环节。其主要任务状态可分为掘进阶段和检修及辅助施工阶段2个阶段：①掘进阶段。智能掘进机进行巷道掘进，智能运锚机、输送带转载机、智能迈步机尾同时进行转载运输，智能除尘系统进行除尘，辅助运输系统进行物料运输；②检修及辅助施工阶段。智能掘进机、智能运锚机进行锚杆支护，输送带转载机停机检修，智能迈步机尾进行迈步自移实现延皮带，智能除尘系统停机检修，辅助运输系统进行人员运输。
智能掘进系统的可靠性分配工作在系统设计初期进行，掘进系统经过多年的使用，积累了一定的数据。由于智能掘进系统是在掘进系统的基础上，为了适应智能掘进工况，进行了较多的智能化升级及相应改进，目前仍然存在可靠性数据不足的问题。因此，采用评分分配法对任务可靠性指标进行分配，得到系统或设备的任务可靠性。可靠性分配的5个基本步骤如下：
（1）系统设计师或相关领域专家按照复杂度、技术成熟度、重要度、环境严酷度、时间因子5种因素进行评分。
（2）根据评分情况，将智能掘进系统的任务可靠度分配到各一级系统。
（3）根据各任务剖面，将任务划分为不同阶段，将一级系统的可靠度分配到各阶段。
（4）参考一级系统在各阶段的任务可靠性框图，将一级系统各阶段的任务可靠度分配到系统或设备。
（5）汇总分系统或设备在各阶段的任务可靠度，处理得到分系统或设备的任务可靠度。
智能掘进系统可靠性模型
智能掘进系统中的各系统组成设备是由相互完全独立的设备组成，在各设备间通过相互有机协作完成系统功能，互相之间不存在冗余或可替代的关系，系统中任一设备如果因故障完全停机，均会导致掘进工作无法按相关规定要求正常开展，其基本可靠性模型为串联系统，智能掘进系统基本可靠性模型框图如图1所示。
图1 智能掘进系统基本可靠性模型框图
智能掘进系统的任务剖面，依据其主要工作情况可分为掘进、锚护、运输、位姿调整、除尘、辅助运输等阶段，各组成设备在不同任务阶段的使用情况见表2。
智能掘进系统一级子系统可靠性分配
分析可知，在巷道掘进的全过程中，智能掘进系统各设备在不同工艺阶段承担的功能具有较大差别，同一设备在不同的工艺阶段，承担的工作任务及重要性也具有很大差别。对组成系统的各设备，根据复杂度、工作重要度、环境条件、功能部分的成熟度、时间因子等多个因素，进行可靠度分配，实现在不过大幅度提高系统可靠度的前提下，尽可能地保证各系统均能以较高的可靠度运行，保证智能掘进工作面的正常运行。以要求智能掘进系统总故障率不大于0.1/d为例，对系统的基本可靠性进行分配，结果见表3。
表3 智能掘进系统一级子系统可靠性分配
表3中各评分因素的评分原则如下：
（1）复杂度
根据各子系统的功能部件数量及组装、维修难易程度，最复杂的10分，最简单的1分。
（2）技术成熟度
根据子系统的技术成熟程度评分，成熟程度最低的10分，成熟程度最高的1分。
（3）重要度
根据子系统的重要程度评分，重要程度最低的10分，重要程度最高的1分。
（4）环境严酷度
根据工作环境严酷程度评分，环境最严酷的10分，环境条件最好的1分。
（5）时间因子
根据总工作时长评分，时间最长的10分，时间最短的1分。
智能掘进机在各任务阶段可靠性分配
以智能掘进机为例，进行掘进机在各任务阶段的可靠性分配，其中，在掘进机不参与工作的任务阶段，给掘进机分配的故障率为0；在工作阶段，根据工作任务对相应二级子系统的要求，对二级子系统的复杂度、技术成熟度、重要度、环境严酷度、时间因子等进行专家评分，将表3中故障率为0.039的智能掘进机，依据评分系数对掘进机各二级子系统的故障率进行分配，结果见表4。对智能掘进系统中其余配套设备也可依据该方法进行分配。
表4 智能掘进机可靠性分配
根据上述分析，分配结果与工程实际中的掘进机各功能部分的故障分布状态基本一致，同时，因智能控制系统对智能掘进功能的实现具有重要作用，也对其提出了更低的故障率要求，需要智能控制系统具有较高的可靠性。
《智能矿山》 （月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139），是首个聚焦矿山智能化领域产学研用最新进展的综合性技术刊物，王国法院士担任杂志主编。
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