基于FMEA和FTA的液壓支架掩護(hù)梁可靠性分析

盧肖琳

(同煤集團(tuán)機(jī)電裝備力泰有限責(zé)任公司)

目前，綜合機(jī)械化采煤工藝已經(jīng)成為當(dāng)前的主要采煤技術(shù)。在綜采工藝中，液壓支架是工作面“三機(jī)”之一，其發(fā)展水平和先進(jìn)性代表著煤機(jī)裝備的現(xiàn)代化程度，其性能與可靠性則決定著煤炭開采的效率與安全性[1-3]。因此如何判斷液壓支架的可靠性，提出具有針對(duì)性的改善措施非常必要。

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA)是一種從下到上、從因到果、從系統(tǒng)底層開始分析的方法；故障樹(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)則是一種從上到下、從果到因、從系統(tǒng)頂層開始分析的方法。FMEA主要是對(duì)故障模式和嚴(yán)酷度進(jìn)行研究分析，而FTA可以對(duì)人—機(jī)—環(huán)境等各類因素進(jìn)行分析，兩者之間可以相互彌補(bǔ)，提高分析結(jié)果的全面性、完整性和可靠性。為提高液壓支架掩護(hù)梁在可靠性，采用FMEA和FTA方法對(duì)存在的可靠性問(wèn)題進(jìn)行分析研究，以得出科學(xué)、合理、客觀的結(jié)論，提出具體改進(jìn)措施。

1 液壓支架掩護(hù)梁可靠性FMEA分析

1.1 FMEA分析方法

FMEA的研究對(duì)象是系統(tǒng)中的各個(gè)零部件，通過(guò)重點(diǎn)判斷零部件可能發(fā)生的故障模式、嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率和發(fā)現(xiàn)難易度來(lái)判斷其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大小(風(fēng)險(xiǎn)度大小)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定，從而準(zhǔn)確判斷系統(tǒng)弱點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，消除不良影響[4]。因此FMEA是對(duì)未發(fā)生故障的預(yù)測(cè)，是將預(yù)想分析盡可能科學(xué)化、合理化的一種方法。FMEA主要分析步驟見(jiàn)圖1。

1.2 分析步驟

(1)嚴(yán)酷度劃分。嚴(yán)酷度是指故障類型發(fā)生后，對(duì)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與危害大小。液壓支架掩護(hù)梁故障嚴(yán)酷度劃分等級(jí)見(jiàn)表1。

圖1 FMEA主要分析步驟

表1 液壓支架掩護(hù)梁故障嚴(yán)酷度劃分等級(jí)

(2)發(fā)生概率劃分。發(fā)生概率指故障發(fā)生的可能性，取值可根據(jù)發(fā)生可能性的高低從表2中選擇。

表2 液壓支架掩護(hù)梁故障發(fā)生概率取值

(3)發(fā)現(xiàn)難易程度劃分。發(fā)現(xiàn)難易程度是指故障出現(xiàn)時(shí)，能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)的操作。發(fā)現(xiàn)難易程度劃分見(jiàn)表3。

表3 液壓支架掩護(hù)梁故障發(fā)現(xiàn)難易程度劃分

(4)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性的綜合判斷，是對(duì)嚴(yán)酷度、發(fā)生概率及發(fā)現(xiàn)難易程度的綜合考慮。計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

RPN=S×O×D ,

(1)

式中，S為嚴(yán)酷度；O為發(fā)生概率；D為找到故障原因的難易程度。

1.3 故障類型分析

根據(jù)FMEA基本原理，對(duì)液壓支架掩護(hù)梁常見(jiàn)的開裂、變形、斷裂3大故障類型對(duì)進(jìn)行分析。

表4 液壓支架掩護(hù)梁FMEA分析結(jié)果

由表4可見(jiàn)，變形故障模式的RPN值最大，因此在支架使用和維護(hù)過(guò)程中要特別注意這一故障模式，及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制，以降低該故障模式下的風(fēng)險(xiǎn)性。嚴(yán)酷度等級(jí)最高的是斷裂故障模式，在液壓支架掩護(hù)梁使用中必須避免該故障出現(xiàn)。

2 液壓支架掩護(hù)梁可靠性FTA分析

FMEA是一種判斷故障模式對(duì)系統(tǒng)影響大小的方法，但不能進(jìn)行故障因素的具體分析，因此可以結(jié)合其他可靠性分析方法進(jìn)行綜合研究。故障樹(FTA)就是分析某一事件發(fā)生的全部因素，并通過(guò)樹形結(jié)構(gòu)羅列各因素之間的關(guān)系從而進(jìn)行定量和定性分析的手段[5]。通過(guò)FTA分析發(fā)現(xiàn)，液壓支架掩護(hù)梁開焊、變形、斷裂的主要原因?yàn)楹腹ぜ夹g(shù)差、焊接工藝不當(dāng)、材料質(zhì)量差、設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度不足、材料熱處理不當(dāng)?shù)?。以此建立故障樹，?jiàn)圖2，圖中各參數(shù)說(shuō)明見(jiàn)表5。

圖2 液壓支架掩護(hù)梁故障樹

參數(shù)說(shuō)明參數(shù)說(shuō)明參數(shù)說(shuō)明T掩護(hù)梁故障x1載荷過(guò)大x4材料處理不當(dāng)M1質(zhì)量問(wèn)題x2設(shè)計(jì)問(wèn)題,強(qiáng)度不足x5焊接工藝問(wèn)題M2焊接問(wèn)題x3材料質(zhì)量差x6焊工技術(shù)差

對(duì)故障樹進(jìn)行布爾運(yùn)算，邏輯關(guān)系均為“或”門，計(jì)算式：

T=x1+x2+x3+x3+x4+x5+x6.

(2)

因此系統(tǒng)最小割集有6個(gè)，且都是一階割集，只要有1個(gè)發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障，系統(tǒng)可靠性較差。

3 提高液壓支架掩護(hù)梁可靠性

綜合FMEA和FTA分析結(jié)果，制定提高液壓支架掩護(hù)梁可靠性的措施，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

(1)確保材料滿足要求。對(duì)材料和焊接工藝操作進(jìn)行分析，通過(guò)成分化驗(yàn)和性能試驗(yàn)檢查其是否滿足工作要求，同時(shí)定期抽查檢查結(jié)果記錄。

(2)確保結(jié)構(gòu)件焊后尺寸。為確保結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生變形，必須保證結(jié)構(gòu)件焊后尺寸正確，板材連接點(diǎn)需采用剛性拉筋進(jìn)行加固。焊接后，拉筋要磨平。

(3)確保焊接質(zhì)量。在焊接前要清除兩端銹漬、油污或其他雜質(zhì)。為確保焊接性能，還要預(yù)熱板材并控制好焊接溫度，防止因溫度不適宜導(dǎo)致焊接變形。在焊接過(guò)程中，還要注意合理選擇焊接工藝和焊接順序，先焊接四周主筋板再焊接其他筋板，按從里到外、先縱后橫順序進(jìn)行。結(jié)構(gòu)件采用平焊。凡是有橫筋和縱筋的位置蓋板均應(yīng)塞焊，確保焊接后強(qiáng)度。焊縫間隙小于1 mm，尺寸要均勻，表面要光滑。焊接質(zhì)量要依據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。由于焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，因此焊接后需進(jìn)行退火處理。

(4)對(duì)操作工進(jìn)行培訓(xùn)。在作業(yè)過(guò)程中，工人誤操作會(huì)對(duì)液壓支架造成一定的損壞，因此要加強(qiáng)對(duì)操作工的培訓(xùn)，使其充分掌握相關(guān)知識(shí)和操作技能，降低人為因素影響。加強(qiáng)對(duì)支架的日常巡檢和維護(hù)，保證支架良好的工作狀態(tài)，確保工作面高效安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)液壓支架掩護(hù)梁可靠性進(jìn)行FMEA分析，可以判斷掩護(hù)梁常見(jiàn)的故障模式，并對(duì)嚴(yán)酷度、發(fā)生概率和發(fā)現(xiàn)難易程度進(jìn)行取值，進(jìn)而計(jì)算出各故障模式的RPN值，并據(jù)此確定控制重點(diǎn)。

(2)壓支架掩護(hù)梁故障系統(tǒng)有6個(gè)最小割集組成，且均為一階割集，只要有1個(gè)發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致掩護(hù)梁故障。

(3)針對(duì)性液壓支架掩護(hù)梁故障，提出了從材料質(zhì)量、焊接質(zhì)量、操作和維護(hù)等方面提高液壓支架的可靠性措施，保證其良好的工作狀態(tài)，確保煤炭開采順利進(jìn)行。