基于层次分析法和模糊数学的凿岩机性能评价*

龚斌

(煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

气动凿岩机因具有操作移动方便、结构简单、易于维修保养、成本低廉的特点，在煤矿井下广泛应用于巷道掘进过程中的凿钻作业，该类设备在工作时产生高噪声、高振动，其性能不仅决定破岩效率，还直接影响操作人员身心健康、劳动强度和生命安全。目前，气动凿岩机生产企业及产品良莠不齐，且涉及的煤矿井下操作人员数量庞大，需要科学的方法对气动凿岩机性能进行可量化的多角度综合评价[1-2]。

1 气动凿岩机评价指标的研究

评价的关键是确定评价指标及其权重。在气动凿岩机产品满足MT/T 903—2002《煤矿用气动凿岩机通用技术条件》要求的基本前提下，本文对其综合性能评价指标，主要包括工作能力、安全特性、可靠性、人性化设计4个方面[3]。

1)工作能力。在工作过程中，压缩空气驱动活塞做高速往复运动实现岩石破碎。冲程时，通过活塞冲击钎具尾端凿碎岩石；回程时，活塞带动钎具回转实现岩石的破碎与钻进。由气动凿岩机工作原理可知，冲击能、冲击频率、回转转矩、回转转速是影响其凿孔效率主要参数，其中冲击能是核心因素。

2)安全特性。主要包括噪声、冲击振动两项指标。噪声是污染矿山环境的公害之一，气动凿岩机是井下严重的噪声源，其自身噪声主要是排气噪声，以及活塞冲击和零部件振动产生的机械噪声。高噪声严重危害作业人员的生理和心理健康，引发多种疾病，并使井下工人劳动效率降低，警觉迟钝，影响必要的作业交流，增加安全生产事故的可能性。同时，气动凿岩机是手持类设备，冲击振动直接作用于操作工人的手臂，对操作工人的身心健康产生负面影响[4-5]。

3)可靠性能。由于煤矿井下空间狭小，存在粉尘、潮湿等恶劣环境，更要重视设备的可靠性，连续无故障工作能力是高效率地进行井巷施工的基本保障，同时还应加强设备整机及零部件抵抗井下实际使用过程中发生的意外事件能力，尽量减少意外事件对气动凿岩机性能造成的影响。

4)人性化设计。主要包括主要操作单元是否实用、是否符合人体工程学、是否便于保养维修、机重等评价指标。

2 评价模型

本文应用层次分析法确定煤气动凿岩机各性能指标的权重，提高权重确定的准确性，应用模糊数学进行评价，进而客观准确地反映气动凿岩机的综合性能。

2.1 确定权重

层次分析法是将一个复杂多目标决策分解为多个指标，进而分解为多指标的若干层次，利用定性指标模糊量化方法将各层次各因素间的相对重要性量化，确定各指标的权重值，以作为多指标、多方案决策的系统方法[6]。在前文研究分析的基础上，将气动凿岩机综合性能评价的主要指标u分解为：

1)工作能力评价u1，该指标可细化为冲击能u11、冲击频率u12、回转转矩u13、回转转速u14。

2)安全特性评价u2，可细化为噪声u21、冲击振动u22。

3)可靠性能评价u3，可细化为连续无故障工作能力u31、抵抗意外事件能力u32。

4)人性化设计评价u4，可细化为操作单元实用性u41、符合人体工程学u42、便于保养维修u43、机重u44。

本文采用专家打分法确定各评价指标权重，以问卷的形式征询检验检测人员、设备管理人员、气动凿岩机操作人员和业内专家等方面意见，进行统计分析后得出各要素间重要性的合理分配，如表1所示，则可得到权重向量w=[w1，w2，w3，w4]，即w=[0.3，0.3，0.2，0.2]。同理，可分别得到权重向量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 评价指标及权重表

2.2 模糊综合评判

在本文建立的气动凿岩机性能评价指标体系中，可靠性能、人性化设计等部分指标具有模糊性不能直接量化，需应用模糊数学进行分析研究。模糊数学的综合评判涉及评价指标集U、权重向量W、隶属度矩阵R、评价集V4个方面，将权重向量W与隶属度矩阵R的乘积，即隶属度向量B作为评判标准，通过评价集V确定评价结果。

这里V=[优，良，中，差]，评价指标集U与权重向量W经上文分析得出。隶属度矩阵R通过隶属度函数计算得出，即将一级评判指标值代入隶属度函数φ(x)，得出隶属度矩阵Ri；二级评判指标隶属度矩阵由一级评判指标的隶属度向量构成。

Ⅰ级隶属函数：

(1)

Ⅱ级隶属函数：

(2)

Ⅲ级隶属函数：

(3)

Ⅳ级隶属函数：

(4)

式中：x为评价指标值；γi1、γi2、γi3、γi4为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级标准值。

本文采用的隶属度函数按公式(1)(2)(3)(4)，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级分别与评价集Ⅴ的优、良、中、差相对应。隶属度矩阵按公式(5)。

(5)

3 工程实例分析

本文对两个不同企业生产的YT28型气动凿岩机(编号A、B)进行综合性能评价分析。产品在0.5 MP额定供气压力下指标值以及分级标准值见表2，其中，冲击振动、抵抗意外事件能力、操作单元实用性、符合人体工程学、便于保养维修等无法直接测量的指标，由行业专家、操作工人意见得出，为无量纲参数。

以A凿岩机为例，进行计算分析。冲击能、冲击频率、回转转矩、回转转速参数值越大，设备性能越好，与隶属度函数分级评判相反，故对上述指标值及其分级标准值进行取倒数处理后作为最终评价参数。带入函数计算得到隶属度向量，即冲击能B11=[0.001，0.999，0，0]，冲击频率B12=[1，0，0，0]，转矩B13=[0.012，0.988，0，0]，转速B14=[1，0，0，0]。

表2 评价指标值及分级标准值

工作能力隶属度矩阵：

工作能力隶属度向量B1=w1×R1，即：

B1=[0.4,0.3,0.2,0.1]×

[0.403,0.597,0,0]

同理，依次计算出安全特性隶属度向量B2=[0，0，1，0]，可靠性能隶属度向量B3=[0.7，0，0.3，0]，人性化设计隶属度向量B4=[0.7，0.3，0，0]，则得到气动凿岩机综合性能隶属度矩阵：

则A凿岩机综合性能隶属度向量B=w×R，即：

B=[0.3，0.3，0.2，0.2]×

[0.401，0.239，0.36，0]

根据评价集V=[优，良，中，差]，对应“优”的隶属度为0.401，且为最高，则可判定A凿岩机综合性能评价等级为“优”。同理，经计算分析可得B凿岩机的综合性能隶属度向量为[0.35，0.41，0.18，0.06]，根据最大隶属度原则，对照评价集，可判定其综合性能评价等级为“良”。可见应用本文评价方法，能够有效判定及区分不同气动凿岩机性能等级。

4 结论

气动凿岩机广泛应用于煤矿井下巷道作业，其性能直接影响掘进效率和操作人员安全健康，本文应用层次分析法和模糊数学原理，在分析凿岩机工作性、安全性、可靠性和人性化设计四个评价指标的基础上，建立了其综合性能评价体系，并通过对不同产品实例评价，验证了本文研究成果能够客观、定量地反映出凿岩机综合性能，具有很强的实用性。