ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

КРАВЧЕНКО Володимир Михайлович

УДК 622.271.3.002.5

Розвиток наукових основ функціонування і підвищення ефективності використання кар'єрного обладнання

Спеціальність 05.05.06 “Гірничі машини”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Донецьк – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі "Гірничі машини" Донецького національного технічного університету (ДонНТУ, м. Донецьк)Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор СЕМЕНЧЕНКО Анатолій Кирилович, Донецький національний технічний університет, професор кафедри "Гірничі машини".

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ПАК Вітольд Вітольдович, Донецький національний технічний університет, завідувач кафедри "Вища математика";

доктор технічних наук, професор КАВАРМА Ігор Іванович, Криворізький технічний університет, професор кафедри “Гірничі машини” ;

доктор технічних наук, професор Дриженко Анатолій Юрійович, Національний гірничий університет, професор кафедри "Відкриті гірничі роботи".

Провідна установа:

Інститут геотехнічної механіки НАН України, відділ "Механіки машин і процесів переробки мінеральної сировини", м. Дніпропетровськ.

Захист відбудеться 18 жовтня 2002 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 11.052.05 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 1 уч. корпус, ауд. 1.201, тел. (0622) 92-30-35.

С дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці ДонНТУ

(адреса: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 уч. корпус).

Автореферат розісланий 6 вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д11.052.05,

доктор технічних наук, професор М.Р. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На цей час Україна має найбільшу машинобудівну базу по виробництву гірничого устаткування, у тому числі такі найбільші підприємства як “Азовмаш”, НКМЗ, “Донецькгірмаш”, Горлівський, Ясинуватський машинобудівні заводи тощо. Значна частина продукції цих підприємств приходиться на випуск засобів механізації для відкритих робіт.

Для успішної інтеграції України, в світову економіку необхідно забезпечити високу конкурентоспроможність вітчизняної продукції.

Особливістю засобів механізації для відкритих робіт є їх висока теоретична продуктивність і вартість, а отже, і суттєві втрати видобутку і збитки, пов'язані з усуненням відмов цього устаткування.

Досвід експлуатації технологічних систем гірничо-збагачувальних галузей, оснащених цим устаткуванням, показав його недостатню надійність при експлуатації, що негативно впливає на собівартість продукту виробництва. Ці негативні наслідки значно посилюються під час роботи комплексів устаткування, що являють собою, як правило, системи послідовно з'єднаних за функціональною ознакою машин і їх груп.

Тому, підвищення експлуатаційної надійності гірничого устаткування для відкритих робіт є актуальною проблемою, що має важливе практичне значення.

Разом із тим, слід відзначити, що вивченість процесу функціонування гірничих машин, які являють собою систему елементів, напрацювання на відмову яких має різні закони розподілу, і закономірностей процесу відновлення, з урахуванням перехідних процесів формування параметру потоку відмов не можна визнати достатньою. Необхідні також подальші дослідження по виявленню впливу ресурсу роботи машин, які входять в комплекс для відкритих робіт, на ефективність його використання.

Актуальними завданнями також є: формалізація процесів функціонування гірничих машин і комплексів для відкритих робіт як динамічних систем різноресурсних елементів; обгрунтування методів оптимізації процесу відновлення їх працездатного стану з урахуванням як перехідних, так і усталених процесів формування параметра потоку відмов їх елементів за критеріями, які забезпечують підвищення ефективності їх використання, розробка адаптивної системи сервісного обслуговування.

Вище викладене свідчить про актуальність наукової і практичної значущості вирішення проблеми, яка полягає в розвитку теорії функціонування і оптимізації процесу відновлення кар'єрного обладнання як динамічної системи різноресурсних елементів, що дозволяє забезпечити подальше підвищення технічного рівня й ефективності його використання, а, отже, і конкурентноздатності на світовому ринку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження проведені відповідно до наукового напрямку кафедри "Гірничі машини" Донецького національного технічного університету “Розробка й вдосконалення параметрів, режимів роботи і технології виробництва гірничих машин і комплексів високого технічного рівня”.

Мета роботи. Узагальнення і розвиток наукових основ функціонування кар'єрного обладнання для підвищення його технічного рівня й ефективності використання при видобуванні корисних копалин відкритим способом.

Поставлена мета визначила необхідність вирішення таких головних завдань:

1. Формалізувати процес відновлення гірничої машини для відкритих робіт як динамічної системи елементів різного ресурсу (що визначається їх законами і параметрами напрацювання на відмову), які вибувають і вводяться в експлуатацію в різний час.

2. Встановити вплив законів напрацювання на відмову і плановості замін елементів гірничої машини, на коефіцієнт готовності, кількість необхідних запасних частин, а також вплив експлуатаційних чинників на технологічний процес відновлення.

3. Розробити математичну модель функціонування комплексу для відкритих робіт як системи машин різного функціонального призначення і ресурсу, з урахуванням його можливих структур і нестаціонарності процесу відновлення обладнання, що входить до його складу.

4. Встановити вплив структури і параметрів комплексу для відкритих робіт як системи машин різноманітного функціонального призначення і ресурсу на ефективність його використання.

5. Обгрунтувати метод багатокритеріальної оптимізації планово-попереджувальних ремонтів гірничого обладнання для відкритих робіт як динамічної системи елементів і машин різноманітного ресурсу і розробити систему його комплексного адаптивного сервісного обслуговування.

6. Апробувати загальні положення теорії функціонування і синтезу процесу відновлення гірничих машин як динамічної системи елементів різноманітного ресурсу.

Об'єкт дослідження – експлуатація устаткування кар'єрів.

Предмет дослідження – процеси функціонування і відновлення працездатного стану гірничого устаткування для відкритих робіт.

Ідея роботи полягає в розгляді гірничої машини і комплексу гірничих машин як динамічних систем із різноресурсними елементами їх роботи і встановлення особливостей перехідних процесів формування параметра потоку відмов, що дозволить підвищити технічний рівень й ефективність використання кар'єрного устаткування.

Методи досліджень. Досягнення поставленої мети забезпечується на основі використання методології системного підходу і раціонального поєднання теоретичних і експериментальних методів досліджень. Експериментальні дослідження щодо встановлення законів напрацювання на відмову елементів машини і параметра потоку її відмов реалізовані на машинах, що серійно випускаються, у реальних умовах їх експлуатації. Обробка результатів експериментальних досліджень проводилась на ЕОМ методами теорії ймовірностей і математичної статистики. При розробці математичних моделей функціонування машин і комплексів для відкритих робіт використовувались основні положення класичної теорії надійності й чисельні методи обчислень. Адекватність математичної моделі гірничої машини як об'єкта надійності, що складається з великої кількості елементів різного ресурсу, встановлювалась методами регресійного аналізу на основі порівняння, за критерієм Фішера, параметра потоку відмов гірничої машини за результатами натурних і обчислювальних експериментів, а також шляхом порівняльного аналізу.

Основні наукові положення, що виносяться на захист.

1. Теоретично й експериментально вперше встановлений нестаціонарний процес формування параметра потоку відмов гірничої машини, що полягає в різноресурності її елементів. При цьому різноресурсність елементів визначається характером і видом закону зміни потоку відмов кожного елемента і їх наробітку до планової заміни.

2. Вперше встановлено, що коефіцієнт готовності гірничої машини не змінюється при планових замінах її елементів, наробіток на відмову яких не суперечить експоненціальному закону розподілу, збільшується при планових замінах для законів Вейбулла з коефіцієнтом форми k>1 і усіченого нормального, а також при попередній припрацьовуванні елементів для закону Вейбулла з k<1. Ці закономірності визначають шляхи підвищення ефективності використання кар'єрного устаткування.

3. Розроблена математична модель функціонування гірничої машини як динамічної системи з різноресурсних елементів, яка враховує кількість, вид і параметри законів розподілу наробітку на відмову елементів і їх планової заміни. Модель дозволяє визначати зміни коефіцієнта готовності від наробітку машини, тимчасових, трудових і матеріальних витрат на підтримку працездатного стану.

4. Вперше установлено вплив нестаціонарності процесу відновлення гірничих машин на продуктивність комплексу. При цьому показано, що технічна продуктивність комплексу є випадковою величиною математичне сподівання і коефіцієнт варіації, якої визначається структурою комплексу, зміною коефіцієнта готовності його машин, збалансованістю машин по теоретичній продуктивності і моментом їхнього запровадження в роботу. Цей процес описаний уперше розробленою математичною моделлю функціонування комплексу як динамічної системи машин різноманітного ресурсу і продуктивності.

5. Обгрунтовано структуру і метод багатокритериальної оптимізації експлуатації і ремонту гірничих машин, що базується на фактичному урахуванні перехідних процесів формування параметра потоку відмов елементів машин і на використанні розробленої системи математичних моделей, що дозволяє визначати доцільність виробництва поточних або капітального ремонтів гірничої машини. За умови капітального ремонту машини оптимізується тривалість його проведення і рівномірність трудових витрат протягом усього періоду проведення ремонту.

Наукові положення, які виносяться на захист, розвивають наукові основи теорії функціонування і підвищення ефективності використання кар'єрного обладнання.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій.

Наукові положення, висновки і рекомендації обгрунтовані:

·

· результатами теоретичних і експериментальних досліджень роботи екскаваторів типу ЕКГ-8І, що серійно випускаються, як об'єктів надійності в реальних умовах їх експлуатації;

· розробленими математичними моделями, які описують процес функціонування гірничої машини як об'єкта надійності, що являє собою систему елементів різного ресурсу, і комплексу гірничих машин як системи машин різного ресурсу і продуктивності, які адекватно відображають реальні процеси зміни в часі показників надійності під час їх використання.

Достовірність результатів досліджень забезпечується:

·

· використанням при обробці цієї інформації сучасних методів математичної статистики;

· гіпотезами про види функцій розподілу досліджуваних випадкових величин, що підтверджуються з довірчою ймовірністю не нижче 0,95 і граничною відносною помилкою не вище 0,2;

· позитивними результатами впровадження розроблених рекомендацій.

Наукове значення роботи полягає у встановленні впливу перехідних процесів, що протікають при експлуатації і ремонті устаткування кар'єрів на характер і величину коефіцієнта готовності.

Практична цінність роботи полягає у підвищенні експлуатаційної надійності, встановленні закономірностей впливу експлуатаційних факторів на процес відновлення гірничих машин і комплексів та розробці:

- структури системного комплексного адаптивного сервісного обслуговування гірничого устаткування для відкритих робіт, яка дозволяє забезпечити організацію його ремонтів із урахуванням конкретних умов експлуатації, а також підвищення коефіцієнта готовності машин, скорочення тривалості ремонтів і зниження трудових витрат на їх реалізацію, обгрунтування раціональної кількості запасних частин і часу їх поставки;

- методики оптимізації капітального ремонту гірничого устаткування для відкритих робіт за критерієм рівномірності ресурсу робіт при його реалізації;

- математичного забезпечення адаптивної оптимізації проведення планово-запобіжних ремонтів гірничих машин як системи елементів різного ресурсу;

- математичного і програмного забезпечення для моделювання процесу функціонування гірничих машин і комплексів, що являють собою систему елементів різного ресурсу (і продуктивності для комплексу), що дозволяють описати процес відновлення цих машин із урахуванням як усталених, так і перехідних процесів формування параметра потоку відмов їх складових частин і об'єктів у цілому;

- методики проведення й обробки статистичних даних експериментальних досліджень функціонування екскаваторів типу ЕКГ-8І, встановлення законів розподілу: напрацювання між відмовами, тривалості, трудомісткості і вартості усунення відмов;

- технології капітальних ремонтів екскаватора ЕКГ-8І незнеособленим методом, яка дозволила підвищити ефективність його реалізації за рахунок скорочення тривалості ремонтних робіт і рівномірного розподілу трудових ресурсів;

- технології капітального ремонту екскаватора ЕКГ-8І методом знеособлених замін складальних одиниць і агрегатів, яка дозволила збільшити комплексні показники надійності на різних екскаваторах на 12-30% і скоротити тривалість ремонту в 1,5 рази.

Рівень реалізації та впровадження наукових висновків і рекомендацій.

Основні висновки і рекомендації роботи використані ВАТ "Азовмаш" при модернізації устаткування, що випускається, проведенні та організації його капітального ремонту, а також при організації технічних центрів системи фірмового обслуговування.

Результати досліджень включені в книгу "Ремонтна технологічність кар'єрних механічних лопат", монографію "Теоретичні основи аналізу і синтезу гірничих машин і процесу їх відновлення, як динамічних систем", а також використані при читанні курсів "Експлуатація і ремонт гірничого устаткування" , "Проектування гірничих машин та комплексів" і "Автоматизація проектування" у ДонНТУ.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні й експериментальні дослідження, що увійшли в дисертаційну роботу, виконані разом із співробітниками ДонНТУ, МДГУ, ВАТ "Азовмаш" та інших організацій при активній участі автора або під його керівництвом. Результати цих досліджень опубліковані в співавторстві з ними. Основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень належать автору.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й одержали схвалення на міжвузівських науково-технічних конференціях: міжнародному симпозіумі "Гірнича техніка на порозі ХХІ сторіччя" (Москва 1995 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ сторіччя” (Севастополь 1999 р.); міжнародному симпозіумі "Тиждень гірника - 2000" (Москва 2000 р.); міжнародному науково-практичному семінарі "Практика і перспективи розвитку інституційного партнерства" (Таганрог 2000 р.); VII міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування і техносфера на рубежі ХХІ сторіччя” (Севастополь 2000 р.), міжнародному симпозіумі "Тиждень гірника - 2001" (Москва 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича електромеханіка та автоматика" (Донецьк 2001 р.).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 34 наукові роботи, у тому числі: 2 монографії, 1 брошура, 22 статті у наукових фахових виданнях України (10 – без співавторів), 4 тези доповідей на конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів (10 підрозділів) і висновку; містить 324 сторінки, у тому числі 272 сторінки машинописного тексту, 48 рисунків, 26 таблиць, список посилань із 248 найменувань, 3 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації “Стан проблеми, мета, завдання і методологія досліджень” складається з двох підрозділів і присвячений аналізу й обгрунтуванню актуальності проблеми, формулюванню мети, постановці задач і обгрунтуванню методології досліджень.

Актуальність проблеми, яка розглядається, обумовлюється значним обсягом видобутку сировини відкритим способом, високими виробничими потужностями заводів України – виготовлювачів кар'єрного устаткування, необхідністю підвищення ефективності його використання.

Аналіз стану проблеми показав, що підвищення ефективності використання гірничих машин забезпечується як на стадії їх створення і модернізації шляхом підвищення напрацювання на відмову їх елементів на основі удосконалювання методів їх розрахунку й оптимізації структури і параметрів, так і в період їх експлуатації шляхом зниження витрат часу на усунення відмов і підвищення коефіцієнта готовності на основі удосконалювання організаційної структури і технології реалізації процесу відновлення.

Питанням підвищення ефективності використання гірничого устаткування і комплексів машин для відкритих робіт присвячені праці багатьох науково-дослідних і проектно-конструкторських організацій, а також вузів і заводів гірничого машинобудування, серед яких слід зазначити ІГТМ АН України, НГУ, ІГС ім. Скочинського, Дондіпровуглемаш, НДПКТІвуглегірмаш, Діпровуглемаш, ВНДПІрудмаш, ДонВУГІ, ДонНТУ, МГІ, КТІ, Донецькгірмаш, Діпромашвуглезбагачення, Новокраматорський, Ясинуватський, Горлівський, Маріупольський заводи машинобудування й ін.

Найбільш вагомий внесок у вирішення даної проблеми зробили: Докукін А. В., Потураєв В. Н., Алейніков А. А., Александров Є. В., Альшиць Я. І., Анкудінов Д. Т., Барзелович Є. Ю., Барон Л. І., Берман В. М., Берон А. І., Бойко М. Г., Бренер В. А., Васильєв Ю. Н., Верклов Б. А., Водянник Г. Н., Волков П. І., Генкін Н. Д., Гетопанов В. Н., Глатман Л. Б., Гнеденко Б. В., Горбатов П. А., Гуляєв В. Г., Дедков В. К., Дриженко О. Ю., Дружинін А. А., Дьяков В. А., Іцкович А. А., Каварма І. І., Кантович Л. І., Картавий Н. Г., Кічігін А. Ф., Кіяновський Н. В., Кондрахін В. П., Корляков П. А., Кох П. І., Крапівін М. Г., Красніков Ю. Д., Кузнецов В. І., Малєєв Г. В., Морозов В. І., Надутий В. П., Назаренко В. Н., Нестеров В. І., Пак В. В., Пастоєв І. Л., Позін Є. З., Поляков Н. С., Рахутін Г. С., Рачек В. М., Резніков І. Г., Рогів А. Я., Рудь Ю. С., Рунов Б. Т., Русихін В. І., Сафохін М. С., Сапицький К. Ф., Седуш В. Я., Семенча П. В., Семенченко А. К., Сєров В. І., Сидоров П. Г., Сілаєв В.І., Скородумов Б. А., Смирнов Н. Н., Сокур М. І., Солод В. І., Солод Г. І., Солод С. В., Сургай Н. С., Тон В. В., Топчієв А. В., Ушаков Л. С., Фінкельштейн З. Л., Франчук В. П., Фролов А. Г., Хорін В. Н., Хургін З. Я., Шахтарь П. С., Шилов П. М., Шпільберг І. Л., Цапко В. К. й інші.

У результаті аналізу робіт цих учених встановлено, що існуюча теорія функціонування гірничого устаткування не враховує нестаціонарність процесу відновлення, зумовлену плановістю замін і різницею ресурсу (що визначається видом і параметрами законів розподілу їх напрацювань на відмову) його елементів. Для підвищення технічного рівня й ефективності використання гірничих машин необхідна розробка системи комплексного адаптивного сервісного їх обслуговування як динамічної системи керування надійністю і технічним рівнем у межах повного “життєвого” циклу, починаючи від створення і до кінця експлуатації. Оптимізація процесу відновлення гірничого устаткування повинна проводитися із урахуванням перехідних процесів формування параметра потоку відмов елементів. Недостатньо вивчене питання впливу цих перехідних процесів на характер зміни і величину коефіцієнта готовності машин, а також на ефективність функціонування комплексів як системи машин різного функціонального призначення і ресурсу.

У другому підрозділі на підставі виконаного аналізу технологічних процесів і засобів механізації відкритих робіт розроблені їх структурні формули і показано, що найбільш перспективними засобами механізації відкритих робіт є використання комплексів як систем гірничих машин різного функціонального призначення і ресурсу, що вводяться в експлуатацію в різний час.

Із урахуванням проведеного аналізу стану проблеми, технологічних процесів і засобів механізації для відкритих робіт сформована мета, поставлені задачі й обгрунтована методологія досліджень.

Другий розділ “Теоретичні основи функціонування і синтезу процесу відновлення гірничих машин для відкритих робіт як системи елементів різного ресурсу” включає три підрозділи і є теоретичною базою наукових основ функціонування і підвищення експлуатаційної надійності кар'єрного устаткування як динамічної системи різноресурсних елементів.

Перший підрозділ присвячений розробці й автоматизованому формуванню математичної моделі процесу відновлення гірничої машини.

На основі аналізу функціонування гірничих машин для розробки математичних моделей (формалізації) їх функціонування як систем елементів різного ресурсу були обгрунтовані і прийняті такі вихідні положення.

1. Гірнича машина це - система послідовно взаємопогоджуваних елементів різного ресурсу, що мають свої характеристики надійності.

2. Основними критеріями ефективності використання гірничої машини є: коефіцієнт її готовності і витрати на підтримання її працездатного й справного стану у момент експлуатації, необхідна кількість запасних частин.

3. Процес відновлення машини розглядається як нестаціонарний і ординарний з обмеженою післядією.

4. Показниками надійності елементів машини є їх закони розподілу напрацювання на відмову і параметри цих законів.

5. Відмови розглядаються у вигляді двох типів: прогнозовані, випадкові.

З урахуванням цих положень була розроблена математична модель (1) процесу відновлення гірничої машини як динамічної системи різноресурсних елементів (1).

Де f - функція визначення параметра потоку відмов, що відбиває чисельний метод рішення рівняння Вольтерра другого роду; - функція параметра потоку відмов i-того елемента при його плановій заміні через наробіток (ki - коефіцієнт відносної заміни, рівний відношенню наробітку елемента до його планової заміни до математичного чекання його наробітки tpi); - очікувані витрати на підтримку працездатності машини за наробіток t; Nпj - кількість замін за результатами діагностики j-го елемента; Nнi, Nпi, Nci - відповідно позапланова, планова і загальна кількість замін i-го елемента; Твпj - час відновлення працездатності j-го елемента; Твнi, Твпi, Твi - відповідно позаплановий, плановий і загальний час відновлення працездатності i-го елемента; Свпj - вартість відновлення j-го елемента; Свнi, Свпi, Свi - відповідно позапланова, планова і загальна вартість відновлення i-го елемента; cвj, tвj, cвi, tвi - вартість і тривалість одиничного відновлення j-го і i-го елемента; Твн, Твп - час відновлення позапланових і планових відмов машини за наробіток t; , - коефіцієнт готовності машини на момент її наробітки t і його середній розмір за наробіток t.

Для розв'язування рівняння Вольтерра був запропонований метод чисельного інтегрування у вигляді рекурентних залежностей, що базується на використанні методів Сімпсона (із збільшеним кроком інтегрування М?t) і трапецій (з кроком інтегрування ?t), що дозволяють значно скоротити витрати комп'ютерного часу на одержання розв'язку.

Математична модель процесу відновлення гірничої машини як інтегрованого функціонально закінченого елемента запишеться:

(2)

де – вхідний вектор машини (напрацювання машини – t, ki); – вектор параметрів машини, компонентами якого є вектори параметрів елементів, що входять у машину (ai(t), tвi, свi) і Nе; – вихідний вектор функціонування машини. Компонентами цього вектора є вихідні вектора елементів (Nнi, Nпi, Nci, Твнi, Твпi, Твci, Свнi, Свпi, Свci), а також час і витрати на підтримку працездатності машини за напрацювання t, середній і поточний коефіцієнти готовності машини.

Для реалізації цієї моделі було розроблено програмне забезпечення на основі використання шести типів елементів машини, напрацювання на відмову яких не суперечить законам розподілу: експоненціальному, Релея, Вейбулла, гамма, зрізаному нормальному і логарифмічно нормальному.

В другому підрозділі наведена розроблена математична модель функціонування комплексу як системи машин різної продуктивності і ресурсу, яка при розгляді комплексу як інтегрованого ФЗЕ була подана у вигляді:

де Т – напрацювання комплексу; – вектор вихідних параметрів комплексу (розподілення продуктивностей комплексу на виходах); – вектор вхідних параметрів комплексу; – вектор параметрів комплексу, який враховує структури і параметри машин.

При розробці цієї моделі були прийняті такі вихідні положення.

1. Комплекс для відкритих робіт - це система взаємозв'язаних гірничих машин різного функціонального призначення і ресурсу.

2. Структура комплексу характеризується його складом (кількістю машин, що входять у комплекс, і їх параметри), а також з'єднанням машин між собою.

3. Основними параметрами гірничих машин, які входять у комплекс, є: теоретична продуктивність і коефіцієнт їх готовності, а також трудовитрати на відновлення і вартість ремонтів.

4. Вихідними показниками, що визначають ефективність його функціонування, є: середньозважена технічна продуктивність комплексу в різний період його експлуатації; рівень використання машин, які входять у комплекс, за продуктивністю з урахуванням їх ресурсу, що оцінюється за величиною коефіцієнтів збалансованості машин комплексу: , де - реальна середньозважена продуктивність k-тої машини комплексу при його функціонуванні на протязі інтервалу часу; - середньозважена технічна продуктивність k-тої машини комплексу при його функціонуванні на протязі інтервалу часу .

Дане уявлення функціонування комплексу дозволяє врахувати нестаціонарність процесу його відновлення й оцінити рівень збалансованості машин, що входять до складу комплексу, як за продуктивністю, так і за їх ресурсом, а також структуру комплексу як складної системи.

Реалізація робочого циклу комплексу забезпечується зміною за часом показників напрацювання на відмову його машин tpi, яка буде залежати від обсягу робіт, виконаних кожною машиною при роботі комплексу.

У якості ФЗЕ комплексу були прийняті його складові частини, процес функціонування яких описується залежністю: , де - вихідний вектор, що описує результат функціонування ФЗЕ; - вектор параметрів елемента; - вхідний вектор, що характеризує параметри потоку матеріалу на вході елемента; - вектор-функція перетворення вхідного вектора у вихідний.

У табл. 1 наведені основні типи ФЗЕ комплексів для відкритих робіт, їх умовні позначення і математичні моделі як інтегрованих елементів.

Таблиця 1

Основні типи ФЗЕ комплексу для відкритих робіт і їх опис

Типи ФЗЕ Умовні позначення ФЗЕ Математична модель ФЗЕ

k-та машина або група машин

l-та машина, яка має бункер (Б) на вході

i-тий вузол розділення потоку зі стратегією керування Су

j-тий вузол підсумовування потоків

У табл. 2 наведені ФЗЕ комплексу типу машина або група машин, їх структури, умовні зображення і математичні моделі, а також структурні формули і математичні моделі для визначення вектора їх параметрів.

Таблиця 2

ФЗЕ комплексу типу машина або група машин, їх умовні позначення

і математичні моделі

Тип ФЗЕ Рівень Структура Умовне зображення Математична модель Cтрук-турна формула Вектор параметрів

k-та машина комплексу 0 k

k-та група паралельного з'єднання ФЗЕ 0 рівня 1 k1= =(1, 2, …, N)

k-та група послідовного з'єднання ФЗЕ 0 рівня k1= =[1, 2, …, N]

k-та група паралельного з'єднання ФЗЕ від 0 до і-1 рівня i ki= =(k, k1, …, ki-1)

k-та група послідовного з'єднання ФЗЕ від 0 до і-1 рівня ki= =[k, k1, …, ki-1]

Для практичної реалізації моделі функціонування комплексу були розроблені математичні моделі (f1, f2, f3, f4) ФЗЕ комплексу, вектор функцій () і програмне забезпечення для автоматизованого її формування в комп'ютері.

У третьому підрозділі наведені розроблені теоретичні основи оптимізації часу проведення чергового ремонту машин і устаткування й обгрунтування виду ремонту і витрат для його реалізації.

На рис. 1 наведена структурна схема адаптивної оптимізації ремонтів гірничої машини як системи елементів різного ресурсу.

Згідно із схемою, вихідним моментом оптимізації ремонтів є процес функціонування гірничої машини, який полягає в зміні кількості і стану елементів, що входять в неї.

Вхідними даними для цього блока є: N0i - кількість елементів (або їх груп) після чергового виконаного ремонту, стан яких характеризується накопиченням необоротних ушкоджень; N0j - кількість елементів (або їх груп) після чергового виконання ремонту, стан яких не діагностується і які характеризуються раптовими (непрогнозованими) відмовами. Результатом функціонування машини є поточні стани Ni – елементів, що діагностуються і Nj – що не діагностуються.

В процесі діагностування, що реалізується в момент часу, який відповідає черговому діагностуванню Т0, проводиться вибракування і на його основі заміна елементів, накопичена необоротна пошкоджуваність яких не забезпечує необхідної їх працездатності і працездатності машини в цілому. Отримані результати діагностики обробляються відповідними методами з метою визначення оптимального часу наступної діагностики tiопт, а також вибракування і заміни елементів (або їх груп), які діагностуються.

На протязі чергового міжремонтного періоду ведеться також збір інформації про позапланові заміни елементів із непрогнозованими відмовами . При цьому фіксується час установки (заміни) елементів, які відмовили, що забезпечує адаптивну оптимізацію. На основі аналізу результатів збору інформації про позапланові заміни реалізується прогнозування оптимального часу tjопт заміни елементів (або їх груп), які не діагностуються.

На основі даних про tiопт і tjопт відомими методами розробки структури ремонтного циклу визначається час чергового ремонту машини Тор. Суть цих методів може бути зведена ось до чого. За даними tiопт та tjопт проводять об'єднання в ремонтні групи елементів машини (деталі, вузли тощо) із близькими або кратними оптимальними часами замін (термінами служби). Центрами групування, як правило, обирають найбільш коштовні елементи або елементи, збиток від несвоєчасної заміни яких найбільший.

При оптимізації міжремонтних періодів, у якості функції мети, приймають мінімальні витрати на ремонт.

Із урахуванням визначеного оптимального часу Тор прогнозуються витрати на черговий ремонт і оцінюється величина поточного коефіцієнта готовності машини kг на наступний міжремонтний період. Основними характеристиками чергового ремонту є величини, відповідно, для прогнозованих і випадкових відмов: Твi, Tвj - витрати часу, необхідного для виконання ремонтних робіт; Nзi, Nзj - кількість запасних частин, необхідних для чергового ремонту; Срi, Cpj - вартість витрат на ремонт або заміну елементів машини; Трi, Tpj - трудовитрати на виконання чергових ремонтів. Ці величини визначаються на основі використання математичної моделі процесу відновлення машини.

На підставі одержаних даних про витрати на черговий ремонт із урахуванням прогнозування коефіцієнта готовності машини і даних про коефіцієнти готовності kгl інших машин, що входять до складу комплексу, в якому працює машина, визначається вид чергового ремонту, який може бути поточним або капітальним, а також необхідний час його реалізації Тп, Тк.

Для реалізації запропонованого методу багатокритерійної адаптивної оптимізації ремонтного циклу були розроблені такі методики і математичне забезпечення оптимізації:

1. Часу діагностування елементів машини з прогнозованими відмовами на основі використання статистичних даних про втрату їх працездатності в процесі експлуатації. Критеріями обгрунтування цього часу є показники працездатності машини і безпеки її експлуатації.

2. Часу використання елементів машини з непрогнозованими відмовами за статистичними даними про напрацювання цих елементів на відмову (параметра потоку відмов). Критерієм оптимального часу використання таких елементів машини прийнята економічна доцільність подальшого використання (заміни) елементів.

3. Часу поставки гірничої машини на капітальний ремонт і оптимізації процесу його реалізації як за часом, так і по рівномірності використання трудових ресурсів, необхідних для ремонту.

Сукупність викладених вище методів і математичних моделей, які враховують виявлені особливості процесу відновлення гірничих машин і функціонування комплексу є теоретичною базою наукових основ функціонування і підвищення ефективності експлуатації кар'єрного устаткування як динамічної системи різноресурсних елементів.

Третій розділ “Експериментальні і теоретичні дослідження процесу відновлення гірничих машин як системи елементів різного ресурсу” включає три підрозділи і присвячений встановленню законів процесу відновлення гірничого устаткування і факторів, що впливають на цей процес, дослідженню впливу законів напрацювання на відмову і плановості замін елементів на показники працездатності гірничих машин і необхідна кількість запасних частин, а також встановленню впливу структури і параметрів комплексу як системи машин різної продуктивності і ресурсу на ефективність його використання.

У першому підрозділі наведені результати експериментальних досліджень процесу відновлення екскаватора типу ЕКГ-8І, метою яких було одержання і накопичення даних про фактичні показники надійності як для екскаватора в цілому, так і для його основних систем і елементів, а також одержання необхідних даних для оцінки розробленої математичної моделі процесу відновлення гірничої машини як системи різноресурсних елементів.

У цьому підрозділі приведені основні результати обробки статистичних даних про фактичні показники надійності елементів і вузлів екскаватора типу ЕКГ-8І, одержані в результаті спостережень (напрацювання 30 000 годин) за роботою 14 екскаваторів цього типу.

В результаті аналізу цих даних експериментально було встановлено наступне. Процес відновлення гірничої машини повинний розглядатися як нестаціонарний, ординарний, з обмеженою післядією, а машина – як система елементів різного ресурсу, що визначається видом і параметрами закону напрацювання на відмову елемента. Трудомісткість, вартість і тривалість ремонтів екскаваторів типу ЕКГ-8І підпорядковані логарифмічно нормальному закону. Основними законами напрацювання елементів машини на відмову є закони: Вейбулла, Релея, експоненціальний, нормальний і логарифмічно нормальний.

В другому підрозділі наведені результати експериментальних досліджень впливу експлуатаційних факторів на процес відновлення кар'єрних механічних лопат.

Аналіз результатів досліджень дозволив встановити:

- напрацювання між ремонтами при підвищенні класності порід знижується, а тривалість, трудомісткість і вартість зростають. Це пояснюється тим, що з підвищенням класності розроблюваних порід збільшується інтенсивність зносу елементів екскаватора і, як наслідок, збільшуються обсяги робіт і кількість ремонтів;

- зміна навантажень у часі, під час керування екскаватором оператором із високою кваліфікацією, має порівняно спокійний характер із математичним чеканням у межах номінальних величин, у той час як при роботі оператора з низькою кваліфікацією навантаження головних приводів носять яскраво виражений нестабільний коливальний характер і різко зростають за достатньо короткий проміжок часу, досягаючи значень, близьких до стопорних, що згубно впливає на роботу основних складальних одиниць екскаватору, особливо в погано підготовлених вибоях і в умовах низьких температур;

- основними факторами, що характеризують зовнішнє середовище кар'єрних механічних лопат, є: температура, вологість і запиленість повітря. Крім того, у деяких випадках з'являються й інші фактори, такі як барометричний тиск (у високогірних районах) і сонячна радіація;

- помітне зниження коефіцієнта готовності як екскаватора в цілому, так і елементів його механічної частини в зимові місяці проходить, головним чином, не за рахунок зменшення напрацювання на відмову, а за рахунок збільшення часу відновлення. Це явно простежується на елементах, які не генерують теплову енергію і не ізольовані від зовнішнього середовища, а також на елементах, що знаходяться в деяких зонах кузова, де має місце значне збільшення часу відновлення в зимові місяці порівняно з літніми. Коефіцієнт готовності електрообладнання досить стабільний. Це пояснюється значним збільшенням часу відновлення відмов зимою і майже незмінним напрацюванням на відмову на протязі року;

- процес відновлення кар'єрних механічних лопат залежить від великої кількості суб'єктивних факторів, що поділяються, в основному, на дві групи: конструктивні й експлуатаційні. Конструктивні фактори, такі як складність складальних одиниць і деталей, негабарити, маса, способи спряження і взаємозамінність змінних деталей і складальних одиниць, а також доступність для проведення ремонту в значній мірі визначають тривалість і трудомісткість ремонтних робіт. До експлуатаційних факторів, які впливають на процес відновлення кар'єрних механічних лопат, відносяться такі фактори, як технічне оснащення ремонтних баз, наявність і способи утримання ЗІП, система технічного обслуговування і ремонту, кваліфікація обслуговуючого і ремонтного персоналу, наявність відповідної експлуатаційної і ремонтної документації та інші.

Таким чином, факторами, що суттєво впливають на процес відновлення гірничих машин і його ефективність, є: якість підготовки вибою і класність порід, що руйнуються; рівень кваліфікації обслуговуючого персоналу; кліматичні умови виконання ремонтів; фактична технічна оснащеність ремонтних баз і територіальна розкиданість кар'єру.

Дослідження дозволили зробити висновок, що система технічного обслуговування і ремонту повинна враховувати вплив цих факторів і бути направленою на максимальну адаптацію до гірничотехнічних умов, забезпечення підвищення кваліфікації обслуговуючого персоналу, підвищення рівня спеціалізації й оснащення засобами механізації ремонтних робіт, а також на максимальне використання періоду сприятливих кліматичних умов для проведення планово-запобіжних ремонтів.

У третьому підрозділі наведені результати досліджень впливу законів розподілу напрацювання на відмову і плановості замін елементів на коефіцієнт готовності гірничих машин і необхідну кількість запасних частин, і впливи структури та параметрів комплексу як системи машин різної продуктивності і ресурсу на ефективність його використання.

Дослідження законів напрацювання на відмову і плановості замін на коефіцієнт готовності гірничих машин і необхідна кількість запасних частин були проведені за допомогою ЕОМ на базі математичної моделі (1) із використанням спеціального програмного забезпечення.

Адекватність математичної моделі (1) процесу відновлення гірничої машини як об'єкта надійності, що складається з великої кількості елементів різного ресурсу, була встановлена методами регресійного аналізу на основі порівняння за критерієм Фішера параметра потоку відмов гірничої машини за результатами натурних і обчислювальних експериментів за функціонуванням екскаватора ЕКГ-8І, а також шляхом їхнього порівняльного аналізу.

Як приклад, на рис. 2а наведені залежності коефіцієнтів готовності kг у функції відносного напрацювання на відмову для законів Вейбулла, Релея, експоненціального і зрізаного нормального, які характеризуються такими параметрами: k - коефіцієнт форми (для елементів, напрацювання на відмову яких підпорядковано закону Вейбулла); н - ?оефіцієнт варіації tp (для елементів, напрацювання на відмову яких підпорядковано зрізаному нормальному закону). На рисунку прийняті такі позначення: t - напрацювання на відмову; kз - відносна величина математичного чекання напрацювання на відмову , де tp - математичне чекання напрацювання на відмову елемента, Tp - ресурс машини. Для прогнозування необхідної кількості замін елементів у процесі експлуатації в функції напрацювання на відмову на рис. 2б наведені залежності математичного чекання кількості деталей, які вичерпали свій ресурс, для різних законів напрацювання при kз = 0,2.

Вплив рівня плановості заміни елементів гірничих машин на їх коефіцієнт готовності проявляється в скороченні числа відмов їх елементів у процесі функціонування й обумовлюється зміною характеру формування їх параметра потоку відмов у часі з причини планової заміни елементів до вичерпання ними свого ресурсу.

На рис. 3 наведені залежності поточного kг і усередненого коефіцієнтів готовності екскаватора ЕКГ-8І від відносного часу його напрацювання при різних значеннях коефіцієнта відносної заміни ki.

При оцінці впливу структури комплексу і ресурсної збалансованості машин, що входять в нього, на ефективність його роботи у якості критерія був прийнятий коефіцієнт збалансованості комплексу, що відображає співвідношення реальної технічної продуктивності комплексу до можливої технічної продуктивності першої (видобувної) машини або першої групи машин. На рис. 4а, 4б, 4в наведені зміни величини коефіцієнта збалансованості комплексу від числа послідовно з'єднаних машин при різних значеннях коефіцієнтів готовності kгj і збалансованості за продуктивністю кQ. На рис. 4 г та рис. 4д наведені залежності коефіцієнта збалансованості та коефіцієнта варіації технічної продуктивності ? комплексу (при різних його структурах і величині коефіцієнта готовності машин kгj = 0,85) у вигляді графіків, де: крива 1 - для N послідовно з'єднаних машин різного функціонального призначення; криві 2 і 4 - для N послідовно з'єднаних груп машин різного функціонального призначення (відповідно по 2 і 4 машини в групі); крива б - для N послідовно з'єднаних машин різного функціонального призначення, обладнаних бункерами, що забезпечують збалансованість комплексу.

На рисунку прийняті такі позначення: kг1 - коефіцієнт готовності першої (видобувної) гірничої машини комплексу; Q1 - теоретична продуктивність першої машини; Qj - теоретична продуктивність j-тої машини; kгj - коефіцієнт готовності j-тої машини комплексу.

Дані для побудови графіків були отримані розрахунковим шляхом із використанням розробленої математичної моделі функціонування комплексу (3).

Проведені дослідження дозволили встановити:

1. Процес формування потоку відмов елементів гірничої