文章來源：《智能礦山》2022年第9期“智能采掘”專欄
作者簡介：周廷，副研究員
引用格式：周廷.煤礦智能掘進系統可靠性配置設定的探讨分析[J].智能礦山，2022，3（9）72-74.
煤炭長期在大陸能源消費中占較大比重，2021年全國原煤産量41.3億t，創曆史新高，占能源消費總量56%，預計在未來較長時期内，煤炭在大陸能源體系中的主體地位和壓艙石作用不會改變。按照規劃，到“十四五”末，國内煤炭産量控制在41億t左右，煤炭消費量控制在42億t左右，将繼續推動建設大型智能化煤礦，全國煤礦數量将由5 300處減少至4 000處左右，建成智能化生産煤礦1 000處以上。目前，綜采智能化發展水準已經相對較高，但掘進系統智能化受生産工藝及複雜環境條件，各配套智能裝置相對不成熟等多方面因素影響，發展水準仍相對較低。其中，裝置可靠性水準相對較低是制約實作掘進智能化的1個關鍵因素。
掘進系統智能化的可靠性水準可從基本可靠性和任務可靠性2個方面評價，其中任務可靠性是指産品在規定的任務剖面内完成規定功能的能力，反映了産品對任務成功性的要求。對于煤礦智能掘進系統，在1個工作循環中，涉及多個工序，任務剖面較多，在不同任務剖面中，各子系統、工作裝置、工作狀态也有較大差别。煤礦智能掘進系統可靠性配置設定對各系統合理配置設定可靠性名額，對實作智能掘進系統可靠運作具有重要意義。筆者以1種以掘進機為龍頭的智能掘進系統為例，研究探讨了任務可靠性配置設定。
01 智能掘進系統構成
經過近些年的發展，煤礦智能掘進技術水準有了很大進展，各大煤機企業紛紛推出了适應不同工況的智能掘進系統産品。以适應國内多數煤礦複雜地質條件的某種智能掘進系統為例，該系統由智能掘進機、智能運錨機、輸送帶轉載機、智能邁步機尾、智能除塵系統、輔助運輸系統等裝置配套組成。其中，智能掘進機的功能主要是完成巷道截割、部分錨杆支護，以及收集落煤并輸送至後續裝置；智能運錨機與掘進機配套使用，承接掘進機的卸煤并向後續裝置轉運，同時完成其餘錨杆、錨索支護；帶式轉載機與智能邁步機尾組成輸送帶搭接系統，可提供不低于30 m的重合段長度，用于掘進過程中，實時與智能運錨機搭接，實作生産班中無需對輸送帶系統進行人工幹預。
煤礦智能掘進系統的一級子系統劃分及其功能見表1。由表1可知，根據各部分功能及結構組成，可将該智能掘進系統分成6個子系統；根據掘進工藝特點，可按智能掘進工藝流程，将該智能掘進系統分為掘進、錨護、運輸、位姿調整、除塵、輔助運輸等工藝環節。其主要任務狀态可分為掘進階段和檢修及輔助施工階段2個階段：①掘進階段。智能掘進機進行巷道掘進，智能運錨機、輸送帶轉載機、智能邁步機尾同時進行轉載運輸，智能除塵系統進行除塵，輔助運輸系統進行物料運輸；②檢修及輔助施工階段。智能掘進機、智能運錨機進行錨杆支護，輸送帶轉載機停機檢修，智能邁步機尾進行邁步自移實作延皮帶，智能除塵系統停機檢修，輔助運輸系統進行人員運輸。
表1 煤礦智能掘進系統子系統劃分
02 智能掘進系統可靠性結構
可靠性配置設定步驟
智能掘進系統的可靠性配置設定工作在系統設計初期進行，掘進系統經過多年的使用，積累了一定的資料。由于智能掘進系統是在掘進系統的基礎上，為了适應智能掘進工況，進行了較多的智能化更新及相應改進，目前仍然存在可靠性資料不足的問題。是以，采用評分配置設定法對任務可靠性名額進行配置設定，得到系統或裝置的任務可靠性。可靠性配置設定的5個基本步驟如下：
（1）系統設計師或相關領域專家按照複雜度、技術成熟度、重要度、環境嚴酷度、時間因子5種因素進行評分。
（2）根據評分情況，将智能掘進系統的任務可靠度配置設定到各一級系統。
（3）根據各任務剖面，将任務劃分為不同階段，将一級系統的可靠度配置設定到各階段。
（4）參考一級系統在各階段的任務可靠性框圖，将一級系統各階段的任務可靠度配置設定到系統或裝置。
（5）彙總分系統或裝置在各階段的任務可靠度，處理得到分系統或裝置的任務可靠度。
智能掘進系統可靠性模型
智能掘進系統中的各系統組成裝置是由互相完全獨立的裝置組成，在各裝置間通過互相有機協作完成系統功能，互相之間不存在備援或可替代的關系，系統中任一裝置如果因故障完全停機，均會導緻掘進工作無法按相關規定要求正常開展，其基本可靠性模型為串聯系統，智能掘進系統基本可靠性模型框圖如圖1所示。
圖1 智能掘進系統基本可靠性模型框圖
智能掘進系統的任務剖面，依據其主要工作情況可分為掘進、錨護、運輸、位姿調整、除塵、輔助運輸等階段，各組成裝置在不同任務階段的使用情況見表2。
表2 各任務剖面時裝置工作狀态
03 智能掘進系統可靠性配置設定
智能掘進系統一級子系統可靠性配置設定
分析可知，在巷道掘進的全過程中，智能掘進系統各裝置在不同工藝階段承擔的功能具有較大差别，同一裝置在不同的工藝階段，承擔的工作任務及重要性也具有很大差别。對組成系統的各裝置，根據複雜度、工作重要度、環境條件、功能部分的成熟度、時間因子等多個因素，進行可靠度配置設定，實作在不過大幅度提高系統可靠度的前提下，盡可能地保證各系統均能以較高的可靠度運作，保證智能掘進工作面的正常運作。以要求智能掘進系統總故障率不大于0.1/d為例，對系統的基本可靠性進行配置設定，結果見表3。
表3 智能掘進系統一級子系統可靠性配置設定
表3中各評分因素的評分原則如下：
（1）複雜度
根據各子系統的功能部件數量及組裝、維修難易程度，最複雜的10分，最簡單的1分。
（2）技術成熟度
根據子系統的技術成熟程度評分，成熟程度最低的10分，成熟程度最高的1分。
（3）重要度
根據子系統的重要程度評分，重要程度最低的10分，重要程度最高的1分。
（4）環境嚴酷度
根據工作環境嚴酷程度評分，環境最嚴酷的10分，環境條件最好的1分。
（5）時間因子
根據總工作時長評分，時間最長的10分，時間最短的1分。
智能掘進機在各任務階段可靠性配置設定
以智能掘進機為例，進行掘進機在各任務階段的可靠性配置設定，其中，在掘進機不參與工作的任務階段，給掘進機配置設定的故障率為0；在工作階段，根據工作任務對相應二級子系統的要求，對二級子系統的複雜度、技術成熟度、重要度、環境嚴酷度、時間因子等進行專家評分，将表3中故障率為0.039的智能掘進機，依據評分系數對掘進機各二級子系統的故障率進行配置設定，結果見表4。對智能掘進系統中其餘配套裝置也可依據該方法進行配置設定。
表4 智能掘進機可靠性配置設定
根據上述分析，配置設定結果與工程實際中的掘進機各功能部分的故障分布狀态基本一緻，同時，因智能控制系統對智能掘進功能的實作具有重要作用，也對其提出了更低的故障率要求，需要智能控制系統具有較高的可靠性。
04 結 語
在智能化掘進系統中，為保證系統整體故障率處于較低水準，對各組成裝置的可靠度提出了較高要求。同時，因掘進過程中環境條件惡劣、工況複雜多變，各子系統工作狀态差别巨大，通過考慮不同任務階段、不同因素對任務可靠性配置設定的影響，能充分展現出不同組成單元對任務可靠性要求的差異，配置設定結果更接近工程實際，對指導工程實際具有更強的指導意義。