基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的鑿巖機(jī)性能評(píng)價(jià)*

龔斌

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

氣動(dòng)鑿巖機(jī)因具有操作移動(dòng)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維修保養(yǎng)、成本低廉的特點(diǎn)，在煤礦井下廣泛應(yīng)用于巷道掘進(jìn)過(guò)程中的鑿鉆作業(yè)，該類(lèi)設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生高噪聲、高振動(dòng)，其性能不僅決定破巖效率，還直接影響操作人員身心健康、勞動(dòng)強(qiáng)度和生命安全。目前，氣動(dòng)鑿巖機(jī)生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品良莠不齊，且涉及的煤礦井下操作人員數(shù)量龐大，需要科學(xué)的方法對(duì)氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能進(jìn)行可量化的多角度綜合評(píng)價(jià)[1-2]。

1 氣動(dòng)鑿巖機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究

評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重。在氣動(dòng)鑿巖機(jī)產(chǎn)品滿(mǎn)足MT/T 903—2002《煤礦用氣動(dòng)鑿巖機(jī)通用技術(shù)條件》要求的基本前提下，本文對(duì)其綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要包括工作能力、安全特性、可靠性、人性化設(shè)計(jì)4個(gè)方面[3]。

1)工作能力。在工作過(guò)程中，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)巖石破碎。沖程時(shí)，通過(guò)活塞沖擊釬具尾端鑿碎巖石；回程時(shí)，活塞帶動(dòng)釬具回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)巖石的破碎與鉆進(jìn)。由氣動(dòng)鑿巖機(jī)工作原理可知，沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是影響其鑿孔效率主要參數(shù)，其中沖擊能是核心因素。

2)安全特性。主要包括噪聲、沖擊振動(dòng)兩項(xiàng)指標(biāo)。噪聲是污染礦山環(huán)境的公害之一，氣動(dòng)鑿巖機(jī)是井下嚴(yán)重的噪聲源，其自身噪聲主要是排氣噪聲，以及活塞沖擊和零部件振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。高噪聲嚴(yán)重危害作業(yè)人員的生理和心理健康，引發(fā)多種疾病，并使井下工人勞動(dòng)效率降低，警覺(jué)遲鈍，影響必要的作業(yè)交流，增加安全生產(chǎn)事故的可能性。同時(shí)，氣動(dòng)鑿巖機(jī)是手持類(lèi)設(shè)備，沖擊振動(dòng)直接作用于操作工人的手臂，對(duì)操作工人的身心健康產(chǎn)生負(fù)面影響[4-5]。

3)可靠性能。由于煤礦井下空間狹小，存在粉塵、潮濕等惡劣環(huán)境，更要重視設(shè)備的可靠性，連續(xù)無(wú)故障工作能力是高效率地進(jìn)行井巷施工的基本保障，同時(shí)還應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備整機(jī)及零部件抵抗井下實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生的意外事件能力，盡量減少意外事件對(duì)氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能造成的影響。

4)人性化設(shè)計(jì)。主要包括主要操作單元是否實(shí)用、是否符合人體工程學(xué)、是否便于保養(yǎng)維修、機(jī)重等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 評(píng)價(jià)模型

本文應(yīng)用層次分析法確定煤氣動(dòng)鑿巖機(jī)各性能指標(biāo)的權(quán)重，提高權(quán)重確定的準(zhǔn)確性，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而客觀準(zhǔn)確地反映氣動(dòng)鑿巖機(jī)的綜合性能。

2.1 確定權(quán)重

層次分析法是將一個(gè)復(fù)雜多目標(biāo)決策分解為多個(gè)指標(biāo)，進(jìn)而分解為多指標(biāo)的若干層次，利用定性指標(biāo)模糊量化方法將各層次各因素間的相對(duì)重要性量化，確定各指標(biāo)的權(quán)重值，以作為多指標(biāo)、多方案決策的系統(tǒng)方法[6]。在前文研究分析的基礎(chǔ)上，將氣動(dòng)鑿巖機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)u分解為：

1)工作能力評(píng)價(jià)u1，該指標(biāo)可細(xì)化為沖擊能u11、沖擊頻率u12、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩u13、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速u(mài)14。

2)安全特性評(píng)價(jià)u2，可細(xì)化為噪聲u21、沖擊振動(dòng)u22。

3)可靠性能評(píng)價(jià)u3，可細(xì)化為連續(xù)無(wú)故障工作能力u31、抵抗意外事件能力u32。

4)人性化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)u4，可細(xì)化為操作單元實(shí)用性u(píng)41、符合人體工程學(xué)u42、便于保養(yǎng)維修u43、機(jī)重u44。

本文采用專(zhuān)家打分法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，以問(wèn)卷的形式征詢(xún)檢驗(yàn)檢測(cè)人員、設(shè)備管理人員、氣動(dòng)鑿巖機(jī)操作人員和業(yè)內(nèi)專(zhuān)家等方面意見(jiàn)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出各要素間重要性的合理分配，如表1所示，則可得到權(quán)重向量w=[w1，w2，w3，w4]，即w=[0.3，0.3，0.2，0.2]。同理，可分別得到權(quán)重向量w1=[0.4，0.3，0.2，0.1]，w2=[0.6，0.4]，w3=[0.7，0.3]，w4=[0.2，0.3，0.2，0.3]。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重表

2.2 模糊綜合評(píng)判

在本文建立的氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，可靠性能、人性化設(shè)計(jì)等部分指標(biāo)具有模糊性不能直接量化，需應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行分析研究。模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判涉及評(píng)價(jià)指標(biāo)集U、權(quán)重向量W、隸屬度矩陣R、評(píng)價(jià)集V4個(gè)方面，將權(quán)重向量W與隸屬度矩陣R的乘積，即隸屬度向量B作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)評(píng)價(jià)集V確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

這里V=[優(yōu)，良，中，差]，評(píng)價(jià)指標(biāo)集U與權(quán)重向量W經(jīng)上文分析得出。隸屬度矩陣R通過(guò)隸屬度函數(shù)計(jì)算得出，即將一級(jí)評(píng)判指標(biāo)值代入隸屬度函數(shù)φ(x)，得出隸屬度矩陣Ri；二級(jí)評(píng)判指標(biāo)隸屬度矩陣由一級(jí)評(píng)判指標(biāo)的隸屬度向量構(gòu)成。

Ⅰ級(jí)隸屬函數(shù)：

(1)

Ⅱ級(jí)隸屬函數(shù)：

(2)

Ⅲ級(jí)隸屬函數(shù)：

(3)

Ⅳ級(jí)隸屬函數(shù)：

(4)

式中：x為評(píng)價(jià)指標(biāo)值；γi1、γi2、γi3、γi4為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。

本文采用的隸屬度函數(shù)按公式(1)(2)(3)(4)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)分別與評(píng)價(jià)集Ⅴ的優(yōu)、良、中、差相對(duì)應(yīng)。隸屬度矩陣按公式(5)。

(5)

3 工程實(shí)例分析

本文對(duì)兩個(gè)不同企業(yè)生產(chǎn)的YT28型氣動(dòng)鑿巖機(jī)(編號(hào)A、B)進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)分析。產(chǎn)品在0.5 MP額定供氣壓力下指標(biāo)值以及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2，其中，沖擊振動(dòng)、抵抗意外事件能力、操作單元實(shí)用性、符合人體工程學(xué)、便于保養(yǎng)維修等無(wú)法直接測(cè)量的指標(biāo)，由行業(yè)專(zhuān)家、操作工人意見(jiàn)得出，為無(wú)量綱參數(shù)。

以A鑿巖機(jī)為例，進(jìn)行計(jì)算分析。沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速參數(shù)值越大，設(shè)備性能越好，與隸屬度函數(shù)分級(jí)評(píng)判相反，故對(duì)上述指標(biāo)值及其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行取倒數(shù)處理后作為最終評(píng)價(jià)參數(shù)。帶入函數(shù)計(jì)算得到隸屬度向量，即沖擊能B11=[0.001，0.999，0，0]，沖擊頻率B12=[1，0，0，0]，轉(zhuǎn)矩B13=[0.012，0.988，0，0]，轉(zhuǎn)速B14=[1，0，0，0]。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

工作能力隸屬度矩陣：

工作能力隸屬度向量B1=w1×R1，即：

B1=[0.4,0.3,0.2,0.1]×

[0.403,0.597,0,0]

同理，依次計(jì)算出安全特性隸屬度向量B2=[0，0，1，0]，可靠性能隸屬度向量B3=[0.7，0，0.3，0]，人性化設(shè)計(jì)隸屬度向量B4=[0.7，0.3，0，0]，則得到氣動(dòng)鑿巖機(jī)綜合性能隸屬度矩陣：

則A鑿巖機(jī)綜合性能隸屬度向量B=w×R，即：

B=[0.3，0.3，0.2，0.2]×

[0.401，0.239，0.36，0]

根據(jù)評(píng)價(jià)集V=[優(yōu)，良，中，差]，對(duì)應(yīng)“優(yōu)”的隸屬度為0.401，且為最高，則可判定A鑿巖機(jī)綜合性能評(píng)價(jià)等級(jí)為“優(yōu)”。同理，經(jīng)計(jì)算分析可得B鑿巖機(jī)的綜合性能隸屬度向量為[0.35，0.41，0.18，0.06]，根據(jù)最大隸屬度原則，對(duì)照評(píng)價(jià)集，可判定其綜合性能評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”?？梢?jiàn)應(yīng)用本文評(píng)價(jià)方法，能夠有效判定及區(qū)分不同氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能等級(jí)。

4 結(jié)論

氣動(dòng)鑿巖機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦井下巷道作業(yè)，其性能直接影響掘進(jìn)效率和操作人員安全健康，本文應(yīng)用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)原理，在分析鑿巖機(jī)工作性、安全性、可靠性和人性化設(shè)計(jì)四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立了其綜合性能評(píng)價(jià)體系，并通過(guò)對(duì)不同產(chǎn)品實(shí)例評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了本文研究成果能夠客觀、定量地反映出鑿巖機(jī)綜合性能，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。