煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型下的掘進(jìn)機器人可靠性分析

王磊

摘?要：在當(dāng)前煤礦企業(yè)面對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，低碳發(fā)展的情況下，為了分析掘進(jìn)機器人的可靠性，提升采礦過程中操作人員安全，幫助企業(yè)更好、更平穩(wěn)地度過轉(zhuǎn)型期。通過對煤巷掘進(jìn)機器人的故障模式影響和危害性分析，本文探討了其可靠性的評估方法。結(jié)果表明掘進(jìn)機器人最容易出現(xiàn)故障的部位是示教機，所以應(yīng)該加緊進(jìn)行智能化改裝，讓其擁有自主工作能力，減少操作人員的介入，避免發(fā)生人員傷害，以此幫助企業(yè)轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機器人；FMECA；可靠性分析

中圖分類號：F27?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.24.027

0?引言

隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略以及“十四五”規(guī)劃的提出，在我國工業(yè)發(fā)展上，智能化已經(jīng)成為一種必然趨勢。作為工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基石，煤礦工業(yè)的安全高質(zhì)量發(fā)展是至關(guān)重要的。目前的煤礦掘進(jìn)裝備仍然需要輔助人力，需要先對機器人的示教機進(jìn)行編程，然后根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行協(xié)調(diào)指揮。但是由于礦井下復(fù)雜的地理環(huán)境以及不確定性的安全隱患，對于操作人員的人身安全造成威脅。鑒于此，掘進(jìn)設(shè)備的智能化和機器人化是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的有效途徑。

1?掘進(jìn)機器人

本文以ELMB型煤巷掘進(jìn)機為例（如圖1-1），為了應(yīng)對井下復(fù)雜的工作環(huán)境，掘進(jìn)機器人需要具備高級的智能控制和參數(shù)感知能力。

圖1?ELMB型煤巷掘進(jìn)機

1—截割頭；2—工作臂；3—減速器；4—伸緒導(dǎo)軌；5—托梁器；6—升降油缸；7—伸縮油缸；8—回轉(zhuǎn)座；9—回轉(zhuǎn)油虹；10—液壓泵站；11—操縱臺；12—刮板輸送機；13—皮帶轉(zhuǎn)載機；14—皮帶升降油缸；15—起重油缸；16—履帶行走機構(gòu)；17—主機架；18—鏟板升降油缸；19—蟹爪裝載機

機械、電子、計算機等多種類型的元器件和控制軟件共同組成掘進(jìn)機器人的復(fù)雜系統(tǒng)。為了滿足本文研究的需求，同時夜微涼突出掘進(jìn)機器人關(guān)鍵部件所產(chǎn)生的重要性，將掘進(jìn)機器人整體拆分，劃分為本體、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三個子系統(tǒng)，他們具備的特點和功能如下：

1.1?本體

掘進(jìn)機器人的本體一般由多個部分組成，通常包括回轉(zhuǎn)座、工作臂、運動油缸、液壓泵站等，是掘進(jìn)機器人動作的執(zhí)行部件?；剞D(zhuǎn)座是機器人的核心部件，它負(fù)責(zé)控制機器人的運動方向，具有足夠的強度和剛度，并且穩(wěn)定性良好。工作臂位于回轉(zhuǎn)座的上方，可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動，從而改變機器人的工作范圍。伸縮、升降油缸通過控制油缸內(nèi)的壓力，來調(diào)節(jié)工作臂的位置，從而幫助機器人完成工作。液壓泵站的主要功能是為油缸提供壓力。

1.2?控制系統(tǒng)

掘進(jìn)機器人的控制系統(tǒng)的主要功能有：一是控制機器人的本體完成指令規(guī)定的動作，二是需要能夠做到人機交互，把操作人員的指令通過編碼傳輸給機器本體之中。掘進(jìn)機器人的控制系統(tǒng)由以下幾個部分組成：示教器、傳感器、編碼器、通信接口等，可以快速對附加硬件進(jìn)行集成，對提升機器人的云頂精度、性能等能力具有至關(guān)重要的作用。

1.3?驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)是掘進(jìn)機器人的核心部分，它可以通過輸入伺服信號來控制電機的運行，這些驅(qū)動方式包括液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動和電動驅(qū)動等，它們可以滿足不同的工業(yè)需求，其中通過電機直接驅(qū)動取消機械傳動部件是工業(yè)機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)前的研究熱點和發(fā)展趨勢。由于掘進(jìn)機器人所要進(jìn)行的工作是進(jìn)行隧道挖掘、破壁等工作，所以采用液壓驅(qū)動的方式，通常液壓驅(qū)動系統(tǒng)也被用于大型工業(yè)機器人。液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要是為掘進(jìn)機器人提供巨大的速度和強度，在掘進(jìn)機器人工作過程中需要提供前進(jìn)方向的動力以及對于巷道的支撐力，防止掘進(jìn)過程中巷道塌方而被掩埋。

2?可靠性分析

為了保障掘進(jìn)機器人能夠正常安全地運行，就要求機器人的各個子系統(tǒng)都能夠可靠地運行，這就意味著在掘進(jìn)機器人的設(shè)計過程中不僅僅元器件的可靠性和制造工藝的可靠性需要重視，各個子系統(tǒng)在可靠性方面也要同樣的重視?？煽啃允嵌攘慨a(chǎn)品可信賴、可靠程度的評價指標(biāo)，其定義是在規(guī)定的條件、時間下完成規(guī)定功能的能力。可靠性評估方法通常包括故障模式及影響分析和危害性分析（Failure?Mode?Effects?and?Criticality?Analysis，F(xiàn)MECA）、故障樹分析法（Fault?Tree?Analysis，F(xiàn)TA）。

故障模式影響及危害性分析（Failure?Mode，Effects?and?Criticality?Analysis，簡稱FMECA）是由故障模式影響分析（FMEA）和危害性分析（Criticality?Analysis，即CA）組合構(gòu)成的用于分析故障模式的方法，能夠定性、定量地分析歸納全部子系統(tǒng)和零部件可能發(fā)生的每一種故障模式及故所產(chǎn)生的影響，再按照嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。對各種不同的故障模式進(jìn)行定性、定量的評估，以確保主機的安全運行，并有效地預(yù)測潛在的損失，從而進(jìn)一步提高主機的安全效率，提升主機的整體壽命，進(jìn)一步提高主機的安全運行效果。20世紀(jì)50年代初，美國格魯門公司開始使用FMECA分析法來評估飛機的性能。經(jīng)過多年的實踐，F(xiàn)MECA的準(zhǔn)確性和可靠性得到了顯著的改善。而1964年，美國科學(xué)院的Coutinbo也首次發(fā)表了他的分析結(jié)論，指明了故障的類型和可能的原因。在80年代初期，F(xiàn)MECA技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，從航空航天到福特汽車，它不僅能夠有效地提高電子元器件的可靠性，還能夠有效地改善汽車的電氣設(shè)計。此外，中國也在這段時期內(nèi)，積極推廣FMECA，并將其應(yīng)用到本土，制定出多項與本土相匹配的規(guī)范。在接下來的幾十年中，F(xiàn)MECA的使命已經(jīng)超越了原本的高科技領(lǐng)域，如飛行、火箭、軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、教育、衛(wèi)星、能源、環(huán)境監(jiān)測、能源管理、能源利用、能源保障、能源安全。FMECA分析法已經(jīng)發(fā)展為全球領(lǐng)先的可靠性分析技術(shù)，其結(jié)果被嚴(yán)格按照《GJB/Z?1391-2006?故障模式、影響及危害性分析指南》的要求進(jìn)行評估，這也使得FMECA分析法得到了更加完善的發(fā)展。

FMECA分析是一種十分先進(jìn)的技術(shù)，它不僅能夠幫助企業(yè)更好地了解產(chǎn)品的失效情況，還能幫助企業(yè)更好地識別出潛在的問題，從而更好地改善產(chǎn)品的質(zhì)量，它的使用十分方便，非常適合各種行業(yè)的需求。盡管采取的定性分析只能夠解決部分問題，比如單個影響因素，也不能夠充分反映出不同的故障模式，比如說，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某種設(shè)備或者產(chǎn)品出現(xiàn)了共同的問題時，這種分析方法就會受到較大的制約，盡管如此，它的應(yīng)用范圍也相當(dāng)廣闊，能夠覆蓋到整體壽命的每個環(huán)節(jié)，從而獲得較好的實際應(yīng)用價值。這里為了驗證掘進(jìn)機器人的可靠性，就使用FMECA分析法對機器人以及各個子系統(tǒng)進(jìn)行分析。

2.1?FMECA分析步驟

（1）系統(tǒng)定義。方便分析人員對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和功能框圖繪制。

（2）故障模式分析。分析掘進(jìn)機器人工作過程中可能發(fā)生的故障。

（3）產(chǎn)生故障原因分析。針對每個故障，找到引發(fā)故障的原因，例如設(shè)計缺陷、環(huán)境因素等。

（4）故障影響及嚴(yán)酷度分析。通過嚴(yán)格的評估，我們可以準(zhǔn)確地衡量機器人故障模式對系統(tǒng)性能的影響。詳情請參見表1。

（5）故障發(fā)生概率等級（OPR）。通過對某個故障模式的實際發(fā)生可能性進(jìn)行評估，我們可以將其分為不同的等級，并以此為基礎(chǔ)確定它們的概率值范圍。發(fā)生概率等級評定準(zhǔn)則如表2所示。

（6）CA分析。通過采用RPN法，我們可以根據(jù)風(fēng)險優(yōu)先級的不同，對掘進(jìn)機器人的風(fēng)險進(jìn)行有效的排序，從而更加直觀地識別出風(fēng)險最高的部位。

RPN、ESR、OPR三者的關(guān)系如：RPN=ESR*OPR

2.2?FMECA約定層次

合理的約定層次是FMECA的基本要求，在本文中將掘進(jìn)機器人按照結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，所以將掘進(jìn)機器人分為三個子系統(tǒng)，分別為本體、控制、驅(qū)動，其各自的結(jié)構(gòu)組成如圖2示

2.3?掘進(jìn)機器人FMECA分析結(jié)果

通過詳細(xì)分析，我們得出了表3中的詳細(xì)結(jié)論。

由表3-3和圖3-2可以看出機器人各種功能、故障以及出現(xiàn)故障的原因，由結(jié)果來看示教器的故障頻繁性是最高的，緊隨其后的是回轉(zhuǎn)座與工作臂。由此可知，在掘進(jìn)機器人工作過程中由于采礦通道的環(huán)境以及示教器在設(shè)計方面智能化水平過低，在面對復(fù)雜的工作環(huán)境中，經(jīng)常會發(fā)生一些風(fēng)險優(yōu)先數(shù)比較高的風(fēng)險，不僅采礦的進(jìn)程會受到影響，操作人員的安全也得不到保證。

3?總結(jié)與展望

本文對掘進(jìn)機器人的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行了分析，為了驗證掘進(jìn)機器人的可靠性，采用了常用的故障模式影響及危害性分析（簡稱FMECA）。經(jīng)過系統(tǒng)深入的分析，我們發(fā)現(xiàn)，ELMB掘進(jìn)機器人的智能化水平較低，不能根據(jù)工作環(huán)境自主分析和判斷，導(dǎo)致了在煤礦巷道作業(yè)時，需要的作業(yè)人員數(shù)量多，工作環(huán)境惡劣。人員需要付出的勞動強度大，嚴(yán)重危害了工作人員的健康和安全。

所以在此基礎(chǔ)之上，由于現(xiàn)在信息技術(shù)的進(jìn)步，可以給老式的掘進(jìn)機進(jìn)行現(xiàn)代化改裝，讓其能夠自行在危險的井下環(huán)境中工作，不僅提高了工作效率，也減少各種機器故障和人員傷害。加裝人工智能決策系統(tǒng)以及視覺系統(tǒng)，讓掘進(jìn)機器人能夠根據(jù)井下的情況自行判斷各個子系統(tǒng)的工作方式，減少人員的介入，降低勞動強度，免受惡劣環(huán)境的侵害，才能幫助現(xiàn)代煤礦行業(yè)更快地進(jìn)行技術(shù)升級和轉(zhuǎn)型。

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