煤矿皮带运输系统可靠性分析研究

煤矿皮带运输系统可靠性分析研究

王尧

陕西澄合合阳煤炭开发有限公司 陕西省 渭南市 715300

摘要:在井工煤矿开采中，原煤的运输主要依赖皮带输送装置。然而，由于巷道走向、作业环境及运输工艺等众多因素影响，使得皮带输送系统在运输过程中往往伴随着多节点的转变现象。为了确保整个煤矿原煤的顺利输送，各台设备间必须实现协调运作。本文将结合煤矿皮带运输系统的原煤运输流程，对关键设备所产生的故障进行详尽剖析，构建基于流程的故障树分析模型。在此基础上，通过定性和定量的故障树分析，找出故障树顶事件发生的最小割集，并从多个视角深入挖掘系统的关键底事件，揭示系统的潜在弱点。

关键词：皮带运输；故障树；定性分析；可靠性；

井工煤矿原煤运输的显著特征在于运输线路节点众多，运输量庞大，运输距离较远，且运输设备种类繁多。鉴于原煤输送系统的复杂性，包括多设备、多样化以及输运场所频繁变动等情况，导致了系统内各设备协同作业程度无法完全匹配，甚至可能因某一台设备的微小故障而引发整个系统的停滞。因此，通过可靠性分析来识别系统或设备的薄弱环节，对关键环节采取重点维护、保养等措施，有助于保证系统的稳定运行。故障树分析法是从可能的底层故障出发，逐层向上推导可能导致系统故障的可能性及其概率，探究故障之间的内在逻辑关联。故障树由顶事件、底事件、中间事件三部分组成，各事件间的逻辑关系包括与门、或门、非门。故障树分析需满足以下条件：底事件具备独立性；事件具有0-1状态性；事件间存在逻辑性。

1.皮带运输系统的构成与运行流程

本文以某煤矿皮带系统为分析对象。原煤运输系统是由3个胶带输送机和多个煤仓、给煤机串联组合而成的一个复杂运输系统。其中溜煤眼是来自于其他工作面的原煤，主运输皮带还担负着其他采煤面部分原煤的运输工作。

根据原煤的输送布置和路径，绘制原煤输送的流程。工作面煤流依次经胶带输送机、煤仓、K4型给煤机、胶带输送机、煤仓、K4型给煤机、主巷道胶带输送机进入主巷道，将原煤运输到地面上。

其中的带宽为1 400 mm，带速为4.5m/s，运输距离1 260 m，采用3个400 k W的永磁电机进行驱动；胶带输送机的带宽为1 400 mm，额定带速4 m/s，运输距离1 550 m，采用4台400 k W的永磁电机进行驱动；负责的主巷道胶带输送机的带宽为1 200 mm，带速为4.5 m/s，运输距离655m，采用3个400 k W的永磁电机进行驱动；3台输送机的张紧装置为变频张紧。

每个输送带转接部分设计有煤仓，用于临时存储原煤和进行原煤的转运工作。二部煤仓的最大直径为6 m，深度18 m，设计容积500 t；主煤仓的最大直径为5 m，深度为35.1 m，容积530 t。每个煤仓下部设置有K4型复试给煤机。

2 故障树建模

故障树分析是对系统安全性和可靠性分析的方法。故障树是利用系统故障发生的因果关系，以顶事件为分析对象，并层层分析造成顶事件发生的原因，并以此作为子事件，搭建的可靠性分析模型。其中子事件包括中间事件和底事件，底事件是故障树最底层的事件，其不能在进行展开。

事件之间的因果逻辑关系主要有与、或、表决等。最常用的是与和或的逻辑关系。与门含义是输入事件均发生时逻辑门的父事件才会发生；或门含义是输入事件中任意一个发生逻辑门的父事件就会发生。

2.1 系统故障分析

按照主运系统的构成，将故障按照设备分为：输送机故障、煤仓故障、给煤机故障和3个工作面的运输系统故障。

(1）输送机故障

系统共3台输送机分别为输送机，输送机和主巷输送机，其作为整个故障树的中间事件，代表符号分别为（G3,G4,G5）。按照输送机的组成，将输送机故障分为皮带故障（X1,X5,X9）、张紧故障（X2,X6,X10）、控制系统故障（X3,X7,X11）、传感系统故障（X4,X8,X12）等。

(2）煤仓和给煤机故障

系统中共有两个煤仓和给煤机，分别作为3条皮带中间的转运装置。给煤机和煤仓是一体的，因此系统中将煤仓和给煤机看做一个中间事件，事件代表符号为G6,G7。

引起煤仓故障的主要因素有煤仓堵塞（X13,X15）、机械零件故障（X14,X16）等。引起给煤机故障原因机械部件故障（X17,X19）和控制装置故障（X18,X20）。

(3）其他设备

整个主运系统除了进行的原煤运输外，还负担着一部分其他采面原煤的运输工作。因此需要引入其他采面运输故障进入整个故障树，故障为：7300主运故障（X23),7302主运故障（X21),7304主运故障（X22）。

2.2 主运系统（T1）故障树建模

按照皮带运输流程设计主运系统的故障树，由于二部皮带系统运输的原煤来源于工作面以及7302和7304工作面，因此需要设置一个二部总主运系统故障（G1）作为中间事件。同样胶带输送机还担负着7300工作面部分原煤的输送工作，因此设置主皮带系统故障（G2）作为中间事件。

3 故障树分析

故障树的分析方法包括定性和定量分析。其中定性分析方法的目的是寻找导致顶事件发生的所有底事件的组合因素，判断各种故障产生的模式。这种组合因素叫做故障树的最小割集。二元决策图分析法(Binary Decision Diagrams,BDD)是分析故障树最小割集的分析方法之一，也是最为方便和快捷的方法。

BBD分析法是根据故障树逻辑对布尔运算进行Shannon分解，得到能够直观反映故障树结构的逻辑表达式，将故障树转化成只含底事件的BDD图，并运用布尔表达式分析导致顶事件为1的所有最小底事件组合，从而确定故障树的最小割集，完成故障树的定性分析。定量分析是对故障树的顶事件和中间事件的发生概率以及各个事件的重要度指标进行分析的过程。本文中主要分析了中间事件的概率和事件的结构重要度。结构重要度分析的是系统中事件所处的位置，和其概率值没有关系。因此，结构重要度，更能够体现设备在原煤运输流程中的重要程度。通过对煤矿近几年的皮带维修保养记录和对皮带维护使用人员进行问卷调查，总结得出各个底事件的发生概率。通过故障树的定性分析求解主运输系统的最小割集，最小割集的求解过程是寻求顶事件发生的原因事件的过程。通过求解最小割集可以发现潜在的故障和主运系统的薄弱环节。求解得出主运系统的最小割集为{X1,X21,X22},{X2,X21,X22},{X3,X21,X22},{X4,X21,X22},{X5,X23},{X6,X23},{X7,X23},{X8,X23},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X14},{X15},{X16},{X17},{X18},{X19},{X20}。

对故障树进行定量分析，求解中间事件的概率和各个底事件的关键度，判断各个设备的重要程度。首先求解各个设备代表的中间事件的故障发生概率。通过故障发生概率分析，G3（输送机）和G4（二部输送机）对整个主运输系统的重要度较高。对故障树模型进行底事件重要度分析，得出各个底事件的结构重要度。底事件X1-X4为二部输送机的故障事件，X5-X8为输送机的故障事件，X9-X12为主巷输送机的故障底事件，通过对底事件结构重要度进行分析，可以看出靠近主巷道的输送机，其对系统的重要度越高；同样对于煤仓和给煤机来说，其虽然没有输送机复杂程度高，但因其担负着原煤输送的一个重要环节，其底事件的重要度也不低于皮带。在进行主运系统运维过程中应该着重关注给煤机和煤仓。

4 结论

本文分析了煤矿主运系统的关键设备，并根据设备的作用绘制了原煤运输系统的工作流程，并以此为基础分析关键设备的故障，基于工作流程建立主运系统故障树模型。通过对故障树的定性，得出系统故障的最小割集。同时通过多角度的定量分析得出整个系统的设计薄弱环节。为主运输系统的重点运维部位提供了参考依据。同时在进行较大系统的故障树分析时，需要结合运行流程进行分析。

参考文献

[1] 种磊.带式输送机保护可靠性研究与应用[J].煤矿机械, 2022(8):43.

[2] 沈建明,石云飞.基于故障树的带式输送机齿轮箱故障诊断[J].煤矿机械,2020,41(11):151-153.

[3]李文军.矿用带式输送机故障树分析[J].现代矿业,2015,31(7):179-180,189.

[4] 孙红梅,牟明明,高磊.故障树分析法的定性和定量分析研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2023,41(3):22-26.

[5] 李鹏.带式输送机的可靠性分析及故障诊断专家系统的研究[D].徐州：中国矿业大学,2017.