林廣旭，楊 杰

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦裝備技術(shù)也日趨現(xiàn)代化、先進化?，F(xiàn)代化煤礦開采設(shè)備的精益化管理勢在必行，能夠降低礦井生產(chǎn)運營成本，提高管理水平，增加利潤收入。神華神東是世界煤炭企業(yè)的領(lǐng)跑者，其噸煤設(shè)備采購、使用、維修保障費用已經(jīng)占到其噸煤生產(chǎn)總成本的85%以上，目前設(shè)備故障處理模式多采用事后維修和預(yù)防性檢修兩種方式，具有滯后性和可靠性低的缺點，并且維修效率低，耗時多，僅維修費一項就為6.15元/噸。本文旨在提高設(shè)備的利用率，降低設(shè)備采購、使用和維修總費用，降低設(shè)備的故障影響，從而降低噸煤生產(chǎn)成本，實現(xiàn)煤礦企業(yè)由傳統(tǒng)的粗放型管理向基于先進技術(shù)的 “精益化管理”戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。本著以上目標(biāo)引入了基于PHM的煤礦裝備精益化故障處理模式。

煤礦設(shè)備精益化故障處理模式是一種全新的先進的保障理念，是一種可靠性高、智能化、規(guī)范化、準(zhǔn)時的先導(dǎo)式故障處理理念。強調(diào)準(zhǔn)時性JIT（Just in Time），不滯后也不做可靠性低的浪費性故障處理，以正確的時間做準(zhǔn)確的故障處理為目標(biāo)。它通過對煤礦裝備健康狀況的管理，結(jié)合基于數(shù)據(jù)挖掘的煤礦裝備壽命模型，實時地對煤礦裝備各部件的剩余壽命進行預(yù)測，并生成維修決策。而分布式信息傳輸技術(shù)保證了整個保障系統(tǒng)信息實時、準(zhǔn)確、全方位傳輸。煤礦裝備精益化故障處理體系的構(gòu)建，將克服現(xiàn)行的事后維修和預(yù)防性維修滯后性和可靠性低的缺點，促進煤礦裝備的故障處理策略由現(xiàn)行的事后維修加預(yù)防性維修轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的、科學(xué)的、準(zhǔn)確的、智能的、適應(yīng)現(xiàn)代化企業(yè)設(shè)備的基于狀態(tài)的可靠性維修（RCM），縮小設(shè)備物資儲備和管理規(guī)模，減少故障處理成本。實現(xiàn)精益化故障處理的一項關(guān)鍵和核心技術(shù)就是故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)。

1 PHM技術(shù)

PHM（Prognostic and Health Management）技術(shù)指故障預(yù)測和健康管理，是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的最新研究成果而提出的一種全新的管理健康狀態(tài)的解決方案。重點是利用先進傳感器集成技術(shù)獲取各部件原始的特征數(shù)據(jù)，并借助各種算法（如遺傳算法等）和智能模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）來實時預(yù)測、監(jiān)控和管理煤礦設(shè)備及部件的狀態(tài)，為決策層制定科學(xué)合理的維護策略提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)?？梢詫崿F(xiàn)的功能有：①狀態(tài)實時檢測；②故障隔離；③故障預(yù)測；④壽命跟蹤；⑤剩余使用壽命預(yù)計；⑥輔助決策和健康管理；⑦信息融合和推理機；⑧健康狀態(tài)信息管理，把準(zhǔn)確及時的設(shè)備狀態(tài)信息在準(zhǔn)確的時間反饋給準(zhǔn)確的管理和維修人員。

以神華神東某礦JOY—LWS627采煤機為例，參照典型的PHM系統(tǒng)分層原則，我們構(gòu)建了PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括成員級、區(qū)域級和平臺級三層結(jié)構(gòu)，即：成員級為采煤機電機、搖臂、滾筒、齒輪箱、泵及液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部件所對應(yīng)的檢測、傳感系統(tǒng)；區(qū)域級為檢測、傳感系統(tǒng)采集的信號進行數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)處理，為平臺級數(shù)據(jù)管理提供能夠識別的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；平臺級為數(shù)據(jù)的管理平臺，通過信號處理后的數(shù)據(jù)來完成數(shù)據(jù)積累、數(shù)據(jù)狀態(tài)監(jiān)測、設(shè)備數(shù)據(jù)對比后的健康評估、故障預(yù)測、故障診斷、數(shù)據(jù)分類等，為技術(shù)人員及維護人員提供參考依據(jù)。

圖1 采煤機PHM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shearer PHM system

2 煤礦設(shè)備PHM系統(tǒng)研究

2.1 功能延伸了的FMEA定義

失效模式與后果分析FMEA（Failure Mode Effect Analysis，F(xiàn)MEA）是一種系統(tǒng)化的缺陷預(yù)防工具。PHM系統(tǒng)具備故障檢測、故障隔離、增強的診斷、性能檢測、故障預(yù)測、健康管理、部件壽命追蹤等能力，通過聯(lián)合分布式信息系統(tǒng)（JDIS）與自主保障系統(tǒng)交聯(lián)。提高系統(tǒng)的運行可靠性，減少系統(tǒng)的維修費用和提高維修準(zhǔn)確性，功能延伸了的FMEA，見表1，能夠全面的預(yù)判出煤機產(chǎn)品發(fā)生的故障類型、故障預(yù)警等，分析出故障帶來的影響以及故障原因，確定故障檢測數(shù)據(jù)及處理方法，通過數(shù)據(jù)對比，給技術(shù)人員或者決策層提供維護、設(shè)計等參考數(shù)據(jù)。

表1 延伸了的FMEA表Tab.1 Extended FMEA table

2.2 功能延伸了的FMEA設(shè)計理念

功能延伸了的FMEA設(shè)計理念為設(shè)備故障的預(yù)診斷，利用先進的檢測、傳感技術(shù)將煤機產(chǎn)品故障點，通過傳感器、檢測參數(shù)、故障征兆、故障模式、故障影響、故障原因進行層層映射，見圖2，得出故障預(yù)處理結(jié)果，積累故障數(shù)據(jù)庫，分析故障原因，形成數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

圖2 延伸了的FMEA映射鏈Fig.2 Extended FMEA mapping chain

2.3 功能延伸了的FMEA在煤機產(chǎn)品中的應(yīng)用

煤機產(chǎn)品在惡劣的使用條件中，對產(chǎn)品使用穩(wěn)定性要求非常高，以JOY—LWS627采煤機應(yīng)用功能延伸了的FMEA方法，通過在該設(shè)備搖臂、減速器、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)布置壓力、振動、溫度、流量、電流、電壓等傳感器，將采集的傳感器信號進行相對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理上傳至系統(tǒng)管理設(shè)備，實現(xiàn)各檢測點的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)進行對比，判斷檢測信號曲線是否有較大偏差，提供顯示報警給決策層提供信息。

3 建立故障預(yù)測數(shù)學(xué)模型

由功能延伸了的FMEA可知，故障因素的不確定性有很多。需要通過模糊綜合評價法建立數(shù)學(xué)模型來分析PHM系統(tǒng)故障預(yù)測方法。模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評標(biāo)方法。該綜合評價法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體的評價。它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

圖3 綜合評價模型系統(tǒng)圖Fig.3 Comprehensive evaluation model system diagram

3.1 建立綜合評價模型

通過功能延伸了的FMEA可以得出影響因素集合為C={c1c2…cn}。測量點集合為P={p1p2…pm}，兩者間綜合評價模型矩陣為：

由叉乘計算出模糊關(guān)系R，定義向量B={b1b2…bn}，可以得出故障預(yù)測綜合評價模型為：

根據(jù)計算出向量B和模糊關(guān)系R，通過模糊叉乘運算，評判出模糊評價預(yù)測結(jié)果為：

通過以上數(shù)學(xué)模型的建立可以確定，得到的ak即為故障預(yù)測發(fā)生在k點。

3.2 建立多級綜合評價模型

煤機產(chǎn)品比較笨重，各系統(tǒng)配合繁瑣，產(chǎn)品穩(wěn)定性要求較高，以JOY—LWS627采煤機為例，包括牽引系統(tǒng)、截割系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等，為了驗證模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型分析結(jié)果，建立二級模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型進行更詳實的評價，多級評價思路以此類推，最后得出評價結(jié)果。多級模糊綜合評價通過下面敘述完成：

（1）功能延伸了的FMEA可以得出影響因素集合為C的影響因素ci分解后得出i個子影響因素：

（2）通過ci中各個因素分別進行綜合評價，定義向量Bi和 Ri，得出：

（3）一級、二級、三級等等，以此類推模糊綜合評價。得出綜合評價模型矩陣為：

由叉乘運算A=B·R，可得出故障預(yù)測二級模糊綜合評價的評價結(jié)果。

4 算例分析

搖臂是某礦JOY—LWS627采煤機的關(guān)鍵重要部件，搖臂裝置的可靠性對煤機的安全正常運行影響很大。通過上述計算和圖表分析出設(shè)備故障原因有以下幾個方面：搖臂液壓回路油壓增高，搖臂升降油缸油溫增高，搖臂升降油缸油樣檢測異常，搖臂升降油缸銷子磨損，搖臂鉸接銷磨損，搖臂鉸接板變形，搖臂齒輪箱鉸接齒磨損變形，搖臂齒輪箱鉸接齒磨損變形，搖臂扭矩軸磨損變形，截割滾筒旋轉(zhuǎn)不暢，振動信號大；評價集由如下幾個因素構(gòu)成：搖臂油缸故障，搖臂連接機構(gòu)部件磨損變形，搖臂齒輪箱故障，油樣及振動檢測異常。

根據(jù)某礦JOY—LWS627采煤機搖臂設(shè)計數(shù)據(jù)建模后，計算出，歸一化得出。分析其主要原因第一客觀因素，即采煤機和搖臂本身原因比如設(shè)備部件配套不合理、設(shè)備老化等原因；第二主觀因素，主要是部件維修更換時沒有按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和操作工操作不當(dāng)，比如截割滾筒作業(yè)時的載荷不均勻?qū)е逻B接部件發(fā)熱變形等。

得出預(yù)測結(jié)果之后，搖臂鉸接銷、搖臂鉸接板磨損變形是應(yīng)該注意的重點，充分利用振動檢測技術(shù)做頻譜分析，實現(xiàn)可靠性和JIT（準(zhǔn)時性）的精益化故障處理模式。

5 結(jié)束語

PHM技術(shù)、功能延伸了的FMEA方法及模糊綜合評價數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，能夠探索出一種新的精益化故障處理、診斷、排查理念，通過引用JOY—LWS627采煤機實例分析，更能體現(xiàn)出精益化故障處理模式的重要性，值得說明的是如何構(gòu)造更符合實際的精益化故障診斷系統(tǒng)，是基于PHM的煤礦設(shè)備精益化故障處理模型需要深層次研究的問題。