Методология обоснования предельных состояний и резерва элементов гидропривода горных машин

На правах рукописи

Рахутин Максим Григорьевич МЕТОДОЛОГИЯ ОБОСНОВАНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ И РЕЗЕРВА ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА ГОРНЫХ МАШИН Специальность 05.05.06 – «Горные машины» Ав то р е ф ер а т диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Кантов ич Леонид Иванов ич Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Жабин Александр Борисович доктор технических наук, профессор Остров ский Михаил Се ргеевич доктор технических наук, профессор Сысоев Николай Иванович Ведущее предприятие: Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. А.А. Скочинского (МО, г. Люберцы)

Защита диссертации состоится 28 декабря 2010г в 12.00 в ауд. Д-251 на за седании диссертационного совета Д-212.128.09 в Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государ ственного горного университета

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук профессор Шешко Евгения Евгеньевна ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ ИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Гидропривод используется в большинстве гор ных машин. Ежегодно на угледобывающих предприятиях РФ в эксплуатации находится более 200 тыс. элементов гидропривода - насосов, гидроцилиндров и распределителей механизированных крепей, проходческих комбайнов, гидрав лических экскаваторов, буровых станков и других горных машин. На гидро привод приходится 15-30 % отказов. Для однотипных горных машин различа ются по условиям применения в 3-5 раз, по стоимости однотипных элементов гидропривода до 20 раз и их ресурсам - до 5 раз.

Элементы гидропривода в процессе эксплуатации имеют свойство по степенного изменения объемного КПД и других определяющих параметров.

Постепенное изменение параметров не только повышает вероятность внезап ного отказа, но и приводит к уменьшению производительности машины, так как гидропривод задействован при выполнении практически всех рабочих и вспомогательных операций. В связи с этим в ряде случаев целесообразна заме на еще работоспособного элемента гидропривода при достижении его опреде ляющим параметром определенной величины, называемой предельным со стоянием.

В настоящее время для элементов гидропривода в стандартах и руково дствах по эксплуатации наз начаются одинаковые («жесткие») величины пре дельных состояний, не учитывающие разнообразия условий использования и конструктивных особенностей горных машин.

Отсутствуют научно обоснованные методы расчета запасных частей, учи тывающие специфику эксплуатации элементов гидропривода. На практике снабжение запасными частями осуществляется исходя из среднего расхода и выделенных средств без учета ущерба из-за их нехватки, что не всегда эффек тивно.

Таким образом, разработка методологии обоснования предельных со стояний и расчета необходимого количества запасных частей элементов гидро привода горных машин с учетом основных факторов эксплуатации является актуальной научной проблемой.

Цель работы. Разработка методологии обоснования предельных состоя ний и резерва элементов гидропривода с учетом влияния их технического со стояния на производительнос ть и надежнос ть горных машин для повышения эффективности эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что для одного и того же элемента гид ропривода целесообразно устанавливать различные по величине значения пре дельного состояния и количес тво запасных частей в зависимости от основных факторов эксплуатации, конструкции машины, степени влияния технического состояния элемента на производительность и надежность горных машин.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы ис пользовались теория гидропривода, математический аппарат теории вероятно стей, эксплуатационные наблюдения за работой горных машин, методы мате матической статис тики, теории надежнос ти и управления запасами, системного анализа и математического моделирования с применением компьютерной тех ники.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели функционирования элементов гидропривода с постепенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение произ водительнос ти машины, позволяющие рассчитывать наработку между замена ми и величину предельного состояния таких элементов.

2. Методы расчета величины предельного состояния и наработки между заменами элементов гидропривода горных машин на продолжительном и огра ниченном интервале эксплуатации, учитывающие скорость ухудшения техни ческого состояния, затраты на замену и ущерб из-за изменения производитель ности, и полученные зависимости дифференцированных значений предельного состояния и оптимальных наработок между заменами от вышеперечисленных факторов.

3. Закономерности влияния конструктивных особенностей горной маши ны, элемента, экономических и горнотехнических условий эксплуатации на оп тимальные величины наработок между заменами и предельного состояния эле ментов гидропривода.

4. Метод расчета коэффициента готовнос ти, технической и эксплуатаци онной производительности гидрофицированных горных машин, отличающийся тем, что учитывает зависимость их производительнос ти от технического со стояния элементов гидропривода.

5. Метод оценки эффективности эксплуатации гидропривода горных ма шин, учитывающий степень соответствия фактических и оптимальных затрат времени и средств на его функционирование.

6. Метод расчета необходимого количества запасных частей элементов гидропривода горных машин, учитывающий влияние технического состояния элементов на производительность и увеличение вероятности внезапных отка зов в процессе эксплуатации, а также возможность частичного использования ранее замененных элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью использованных теорий гид ропривода, вероятности, надежнос ти и математической статис тики;

адекватно стью математических моделей процессу функционирования гидропривода гор ных машин и использованием данных, полученных с доверительной вероятно стью не менее 0,9 и величиной относительной ошибки не более 0,1.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан метод установления дифференцированных предельных со стояний элементов гидропривода горных машин, учитывающий их конструк тивные особенности, скорость ухудшения технического состояния элемента и степень его влияния на производительнос ть, затраты на замену, ущерб из-за простоя;

- установлены зависимости потери производительнос ти горной машины от степени задействования элемента гидропривода в процессе работы, началь ной и конечной величины его определяющего параметра;

- установлены закономерности влияния технического состояния элемен тов гидропривода на производительность и коэффициент готовности горных машин и разработана система показателей и коэффициентов для их анализа;

- установлены закономерности влияния стоимос ти и продолжительности замены, ущерба из-за простоя, скорости изменения параметра, взаимосвязи технического состояния элемента гидропривода и производительности маши ны в различных условиях на величины оптимальных наработок между заме нами, критериев предельного состояния, необходимого количества запасных частей;

- разработаны показатели оценки и установлены закономерности влияния изменения технического состояния элементов гидропривода на надежность, производительность и эффективность эксплуатации горных машин;

- установлены закономерности влияния конструктивных особеннос тей машины и элемента, экономических и горнотехнических условий эксплуатации на оптимальные величины наработок между заменами и предельных состоя ний элементов гидропривода горных машин;

- разработан метод расчета необходимого количес тва запасных частей для элементов гидропривода забойных машин, отличающийся тем, что учитывает влияние их технического состояния на надежнос ть и производительнос ть ма шины, экономические факторы, вероятность использования замененного ранее элемента.

Научное значение заключается в создании методологии обоснования предельных состояний и резерва элементов гидропривода горных машин, вы разившейся в разработке теории и моделей функционирования элементов гид ропривода, ухудшение технического состояния которых вызывает уменьшение производительности горных машин, на основе которых уточнены формулы для расчета коэффициента готовности, технической и эксплуатационной произво дительности, получены выражения для установления оптимальных предельных состояний и наработок между заменами, необходимого количества запасных частей, минимально возможных затрат и оценки эффективности эксплуатации в заданных условиях Практическое значение работы заключается в разработке:

- методики расчета дифференцированных наработок до замен и предель ных состояний элементов гидропривода горных машин;

- методики определения влияния технического состояния элементов гид ропривода на производительность горных машин;

- методики расчета резерва параметра элементов гидропривода горных машин;

- методики расчета коэффициента готовнос ти, технической и эксплуата ционной производительнос ти гидрофицированных горных машин с учетом технического состояния элементов гидропривода;

- методики расчета необходимого количества запасных частей элементов гидропривода горных машин.

Реализация результатов работы. Методики «Определение влияния тех нического состояния элементов гидропривода на производительность горно проходческих машин», «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидропривода горнопроходческих машин», «Расчет коэффициента готовности, технической и эксплуатационной произво дительности гидрофицированных горнопроходческих машин с учетом техни ческого состояния элементов гидропривода», «Определение ущерба от ухуд шения технического состояния элементов гидропривода горнопроходческих машин», «Расчет резерва параметра элементов гидропривода горнопроходче ских машин» приняты к использованию в ОАО «ЦНИИподземмаш» для проек тирования горнопроходческих машин. Методики «Определение влияния тех нического состояния элементов гидросистемы на производительнос ть угледо бывающих комплексов», «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидросистемы угледобывающих комплек сов», «Расчет коэффициента готовнос ти, технической и эксплуатационной производительности угледобывающих комплексов с учетом технического со стояния элементов гидросистемы», «Расчет резерва параметра элементов гид росистемы угледобывающих комплексов» использованы в ОАО «Объединен ные машиностроительные технологии» при проектировании угледобывающих комплексов. Методики «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидропривода горных машин» и «Расчет не обходимого количества запасных частей элементов гидропривода горных ма шин» использованы в ОАО «ХК СДС - Уголь» при эксплуатации гидрофици рованных горных машин.

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе Московского государственного горного университета при подготов ке дипломированных с пециалис тов по специальнос ти 150402 – «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докла дывались на международном семинаре "Проблемы и перспективы развития горной техники" (Москва, МГГУ, 1994 г.), международном симпозиуме "Гор ная техника на пороге XXI века" (Москва, МГГУ, 1995г.), второй международ ной конференции «Проблемы механики современных машин» (Улан-Удэ, ВСТГУ, 2003 г.), весенних и осенних сессиях Пятого и Шестого Всероссийских симпозиумов по прикладной и промышленной математике в Кисловодске, Со чи, Санкт-Петрбурге 2004, 2005г.г., международных конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1999 – 2010 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 29 науч ных трудах, включая 23 статьи, опубликованные в научных изданиях, реко мендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 7 глав, заключения и приложений, содержит 58 рисунков, 28 таблиц и список литературы из 223 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры «Горные машины и оборудование» Московского государственного горного университе та и специалис там отрасли за помощь в процессе выполнения работы и чтит память скончавшегося проф., д.т.н. В.Н. Гетопанова, оказавшего неоценимую методическую помощь в выполнении работы на начальных этапах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для постановки задачи исследования выполнен анализ работ по опыту эксплуатации, надежности и техническому обслуживанию гидропривода гор ных, дорожно-строительных, сельскохозяйственных машин, станков и авиаци онной техники.

В настоящее время гидропривод используется в большинстве горных ма шин - механизированных крепях, проходческих комбайнах, породопогрузоч ных машинах, буровых установках и станках для подземных и открытых работ, гидравлических экскаваторах и еще ряде машин.

Это результат усилий многих конструкторов, ученых, производственников - перечислить всех достаточно сложно – это Балабышко А.М, Бернацкий В. А.,Бреннер В. А., Бродский Г.С., Докукин А. В., Домбровский Н.Г., Ефимов В. Н., Жабин А.Б., Кантович Л.И., Козин Г.Ю., Коровкин Ю.А.,Красников Ю.Д., Кубачек В.Р., Мамонтов С.В., Махно Д.Е., Мышляев Б.К., Пастоев И.Л., Подэрни Р.Ю., Пономаренко Ю.Ф., Санин С.А., Слесарев В.Д., Солода В.И., Старичнев В. В., Сысоев Н.И., Ушаков Л.С., Финкильштейн З.Л., Хорин В.Н., Шахмейстер Ю.Л., Шеин Ю.Г., Шендеров А.И., Штейнцайг В.М. и многие дру гие.

Применение гидропривода в условиях горной промышленности было бы невозможно без дальнейшей разработки теории надежности и технического обслуживания. Свой вклад в развитие этого направления науки внесли работы Гетопанова В. Н., Гимельшейна Л.Я., Гуляева В.Г., Карпухина В.Д., Логова А.Б., Морозова В.И., Мостакова В.А., Островского М.С, Радкевича Я.М., Со лода С.В., Рахутина Г.С., Френкеля В. Ш., Хазановича Г.Ш, Шадрина А.И. и многих других.

Их работы были основаны на трудах Барлоу Р., Беляева Ю.К., Герцбаха И.Б, Гнеденко Б. В., Дружинина Г.В., Кокса Д.Р., Кугеля Р.В., Прошана Ф., Смита В.Л., Соловьева А.Д. и многих других ученых, работавших в области надежнос ти и технического обслуживания.

Существующий уровень развития науки и техники позволяет установить влияние условий эксплуатации на характеристики надежности элементов, и для многих условий и элементов такие характеристики установлены. Специфика функционирования элементов гидропривода – постепенное изменение опреде ляющих параметров элементов.

Имеющиеся теории и методы позволяют прогнозировать ресурс и надеж ность элементов, а также их уменьшение вследствие износа, в основном вы званного загрязнением рабочей жидкости.

Ряд работ посвящен техническому обслуживанию горных машин, возмож ным стратегиям, влиянию условий эксплуатации на надежность и необходи мый объем профилактических воздействий. В них рассмотрены стратегии тех нического обслуживания по отказам, по наработке, стратегия по техническому состоянию и групповая.

Наиболее прогрессивной в настоящее время признается стратегия обслу живания по техническому состоянию.

Надежность элементов гидропривода рассматривалась с точки зрения влияния на общую надежность машины или комплекса.

Изменение технического состояния элементов гидропривода влияет не только на надежнос ть работы машины, но и на ее производительность. Однако руководящие документы при назначении критериев предельного состояния данный факт не учитывают.

Отсутствуют теория и методы расчета дифференцированных предельных состояний с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей горных машин, так же как и методики определения влияния изменения пара метров элементов на их производительнос ть.

Изучение опыта применения гидропривода в других отраслях промыш леннос ти показало, что идеи расчета дифференцированных предельных со стояний рассматривались для дорожно-строительных машин, в основном гид равлических экскаваторов.

Сарицыным Т.А предлагалось выражение для определения общих приве денных затрат как суммы приведенных затрат на приобретение привода, экс плуатацию и техническое обслуживание. При допущении, что затраты на тех ническое обслуживание не зависят от израсходованного ресурса, предполага лось, что оптимальный ресурс гидропривода определяется целевой функцией затрат. Требовалось иметь статис тические данные по эксплуатации и опреде лить значения ряда эмпирических коэффициентов в предложенной формуле, и тогда можно было бы приближенно определить оптимальный ресурс до капи тального ремонта или замены.

А.М.Харазов также считал, что величина предельного значения объемного КПД должна рассчитываться. Он предлагал использовать для этого функцию прибыли, предполагая при этом, что скорость прибыли пропорциональна объ емному КПД гидропривода в целом. Найдя интервал, на котором прибыль при нимает максимальное значение, и зная скорость изменения объемного КПД, автор предполагал определить величину предельного состояния, при котором целесообразна замена.

Сложность использования предложенных методов заключается в отсутст вии возможности установления значений используемых при расчете коэффи циентов и методов учета ущерба из-за снижения объемного КПД и влияния изменения параметров элементов и гидропривода в целом на производитель ность машины.

Резервирование параметров элементов гидропривода, изменение которых может оказать влияние на производительность машины, не рассматривалось, хотя такой резерв часто интуитивно используется конструкторами.

Изучение теории и практики применения существующих методов показа ло, что научно обоснованные методы расчета запасных частей требуют даль нейшей разработки.

Количество запасных частей рассчитывается или по среднему расходу, или исходя из вероятнос ти достаточности запаса для обеспечения заданного значения коэффициента готовнос ти, что, на наш взгляд является подменой ус ловий задачи, так как нигде не обосновывается и не рассчитывается само его значение, в связи с чем возникает закономерный вопрос: почему значение ко эффициента готовности должно быть равно 0.9, а, например, не 0.88 или 0.92?

Разработанные ранее экономико-вероятностные методы расчета запасных частей не учитывали ущерб при развитии постепенного отказа.

Анализ состояния вопроса показал необходимость разработки методоло гии обоснования предельного состояния элементов гидропривода горных ма шин и уточнения методов расчета величины их запаса, для чего предусмотрено решение следующих основных задач:

- разработать модели функционирования элемента гидропривода с посте пенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение производи тельнос ти горных машин;

- разработать методику определения и установить степень влияния изме нения величины параметров основных элементов гидропривода на производи тельнос ть горных машин;

- разработать метод установления наработок до замен и дифференциро ванных значений предельных состояний элементов гидропривода горных ма шин с учетом их конструктивных параметров и условий эксплуатации;

- уточнить методы расчета технической и эксплуатационной производи тельнос ти горных машин и значения коэффициента готовности с учетом влия ния на их величины изменяющегося технического состояния элементов гидро привода горных машин;

- разработать метод расчета запасных час тей с учетом влияния изменения технического состояния элементов гидропривода на производительнос ть и на дежность горных машин;

- разработать методику оценки эффективности эксплуатации гидроприво да горных машин.

Для установления наработок до замен и дифференцированных значений предельного состояния разработаны математические модели функционирова ния элементов гидропривода с постепенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение производительности горной машины, учитываю щие следующие факторы и понятия: начальные Р н, Qн и текущие Р э, Q м зна чения параметров элемента и производительности машины;

скорости измене ния определяющего параметра элемента S и уменьшения производительности машины, вызванного изменением параметра элемента - Sм(P ) ;

интервал между заменами элемента - Т, продолжительность tz и стоимость Сz замены элемен та, необходимые затраты времени и средств на поддержание нормального функционирования элемента, возрастающие Уt (Т ), Уc(Т ) и остающиеся посто янными Zt, Zc в процессе эксплуатации, коэффициенты b и a, характери зующие увеличение затрат времени и средств на поддержание нормального функционирования элемента, продолжительность функционирования элемента без влияния изменения его определяющего параметра на производительнос ть машины То Одной из самых сложных задач является определение ущерба из-за посте пенного изменения параметров элементов и гидропривода в целом. Для ее ре шения нами введены два новых понятия - «коэффициент влияния» и «услов ный прос той» и предложены методы для их определения..

Наблюдения показали, что изменение технического состояния элементов гидропривода вызывают изменение скорости выполнения рабочих и вспомога тельных операций и, как следствие, уменьшение производительности горной машины, причем различное в зависимости от горнотехнических условий.

Изучение структуры рабочих и вспомогательных операций, выполняемых горными машинами, показало весьма различную относительную продолжи тельнос ть задействования элементов их гидропривода.

Для учета степени влияния ухудшения технического состояния элемента гидропривода на уменьшение производительности горной машины предложен коэффициент влияния. Значение коэффициента влияния может быть абсолют ным К а и относительным К вл.

вл Значение абсолютного коэффициента влияния показывает, на сколько еди ниц уменьшится производительнос ть горной машины Qед при изменении па раметра элемента гидропривода на одну единицу P1ед, имеет размерность от ношения единицы производительности машины к единице параметра элемента и определяется из выражения:

К вл = Qед = Qн Qк (P1ед) = Qн Qк (Рк).

а (1) P1ед P1ед Pн Pк Значение относительного коэффициента влияния К вл показывает, на сколько процентов уменьшится производительнос ть горной машины Q% при изменении определяющего параметра элемента гидропривода на один процент P1%, является безразмерной величиной и определяется из выражения:

Qн Qк( Pк ) Q% Qн К вл =. (2) = Pн Pк P1% Pн Значение абсолютного и относительного коэффициентов влияния в зави симости от вида производительнос ти машины может быть «расчетным», «тех ническим» и «эксплуатационным».

Если числитель и знаменатель формулы (1) разделить на величину интер вала эксплуатации, на котором произошло изменение величин параметра эле мента и вызванное этим уменьшение производительности машины, то «абсо лютный» и «относительный» коэффициенты влияния будут характеризовать отношение «абсолютной» и «относительной» скорости изменения параметра элемента к соответствующей скорости уменьшения производительности ма шины:

К вл = Qед / Т = (Qн Q к( P1ед)) / Т = S м( P ). (3) а P1ед / Т P1ед / Т S С использованием формул (2) и (3) можно составить следующее равенст во:

Qн = Рн. (4) Sм( Р) S Квл Отношение начальной величины параметра элемента (или величины, на чиная с которой оказывается влияние на производительнос ть машины) к ско рости его изменения характеризует продолжительность эксплуатации элемента в случае, если бы замена происходила после полной выработки ресурса, т.е.

достижением параметром нулевого значения. Поскольку обычно ресурс полно стью не вырабатывается и замена производится раньше, такую величину пред ложено назвать «квазиресурс параметра элемента».

Методика установления значений К вл отработана на примере проходче ского комбайна. Данные о продолжительности задействования элементов гид ропривода получены на основе проведенных хронометражных наблюдений.

Доля рабочих и вспомогательных операций в работе проходческого ком байна 1ГПКС, установленная в результате личных наблюдений в различных условиях эксплуатации, представлена на рис. 1, а относительная продолжи тельнос ть задействования элементов гидропривода на рис. 2.

На гистограмме не помещены данные о времени задействования распреде лителей и гидроцилиндров управления питателем 0.002, поворота и подъема конвейера – по 0. Так как гидроцилиндры парные, то значения их коэффициентов влияния будут в 2 раза меньше доли задействования.

Как следует из гистограммы, например, величина коэффициента влияния гидроцилиндров поворота исполнительного орган составит 0.15, а гидроци линдров подъема исполнительного органа - 0.05.

отбо йка по роды 5% 4% межоперацио нные пау зы 5% 6% маневровые операции 38% по гр узка горно й массы 9% внедрение исполнительного органа в массив перемещение питателя, опор ных домкр атов, конвейера 33% перемещение исполнительного ор гана без отбойки горной массы.

Рис. 1. Доля времени выполнения рабочих и вспомогательных операций от про должительности работы проходческого комбайна 1ГПКС.

0. Квл 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 Элементы гидропривода Рис. 2. Относительная продолжительность задействования элементов гидропри вода при работе проходческого комбайна1ГПКС.

1 - насос 0.5;

2 - распределитель гидроцилиндров поворота исполнительного орга на 0.3;

3 - гидроцилиндр поворота исполнительного органа 0.3;

4 - распределитель гид роцилиндров подъема исполнительного органа 0.1;

5 - гидроцилиндр подъема испол нительного органа 0.1;

6 - распределитель гидроцилиндров выдвигания исполнитель ного органа 0.04;

7 - гидроцилиндр выдвигания исполнительного органа 0.04;

8 - рас пределитель опорных домкратов (аутригеров) 0.002;

9 - опорный домкрат (аутригер) 0.002;

Для гидрораспределителей и гидронасосов величина коэффициента «влия ния» находится как сумма значений коэффициентов влияния взаимодействую щих с ними элементов.

При всем разнообразии конструкций горных машин и условий их приме нения в продолжительности и степени задействования элементов гидропривода выявлены общие закономернос ти:

- менее 20% элементов в сумме задействованы 80% времени от использо вания гидропривода: это насос и гидроцилиндры с распределителями, участ вующими в основных рабочих операциях;

- часть времени задействования гидропривода никаких операций не вы полняется, т.е. имеет место работа насоса без нагрузки, причем доля времени такой работы примерно одинакова для большинства машин и составляет около 20 %.

С использованием результатов наблюдений или экспертных оценок про должительнос ти задействования рассматриваемого элемента и работы маши ны, значение относительного коэффициента влияния можно рассчитать с раз личной степенью точности, зависящей от конструктивных особенностей ма шины и факторов эксплуатации.

Диапазон значений коэффициентов влияния для элементов гидропривода различных горных машин представлен в табл. Для расчета величины ущерба, вызванного уменьшением производитель ности машины вследствие изменения параметра элемента, предложено исполь зовать понятие «условного простоя» - разницу между фактическим и расчет ным временем выполнения заданного объема работы V - и показатель «про должительнос ть условного простоя» t уп, являющийся функцией от снижения производительности горной машины (средняя производительность Qср мень ше начальной Qн ) и объема выполняемой работы, а, следовательно, и наработ ки между заменами элемента:

t уп = t ф(V, Qср ) tрн(V, Qн), (5) где t ф(V, Qср ) - фактическое время выполнения заданного объема работы V как функция от постепенно снижающейся производительности горной машины вследствие изменения параметра элемента;

t рн(V, Qн) - расчетное время выпол нения заданного объема работы, полученное исходя из условия, что начальная величина параметра элемента и, соответственно, производительнос ти горной машины Qн с течением времени не изменяется.

Величина условного простоя, полученная в результате преобразований ис ходя из изменения параметра (производительности) по линейному закону, рас считывается по формуле (6).

Значения коэффициентов влияния элементов гидропривода горных машин Вид Элемент гидропривода Значение Выполняемые опера маши- коэффи- ции ны циента 0.2-0.4 Гидроцилиндры поворота ИО Перемещение испол Распределитель гидроцилиндр. поворота ИО 0.2-0.4 нительного органа 0.07-0.14 Гидроцилиндры подъема ИО (ИО) Распределитель гидроцилиндр. подъема ИО 0.07-0.14 отбойка породы 0.04-0.06 Гидроцилиндр. телескопичес. выдвижки ИО Внедрение ИО Распределитель гидроцилинд. выдвижки ИО 0.04-0.06 в массив 0.004-0.006 Гидроцилиндры поворота конвейера Перемещение экска- Насосная стан- Проходческий комбайн Распределитель гидроцилиндров поворота 0.004-0.006 хвостовика 0.004-0.006 Плунжеры подъема конвейера конвейера Распределитель плунжеров подъема 0.004-0. 0.015-0.025 Гидроцилиндры подъема питателя Перемещение Распределитель гидроцилиндров подъема 0.015-0.025 питателя 0.015-0.025 Опорные домкраты (аутригеры) Распор Распределитель опорных домкратов 0.015-0.025 комбайна Насос 0.35-0.65 Все операции 0.7-0.9 Насос насосной станции Все операции 0.4- 0.6 1;

Гидродомкрат Передвижка секции и конвейера ция и крепь 0.4- 0.6 1;

Распределитель гидродомкрата* Опускание, распор, 0.05-0.15 1;

Распределитель гидростойки* передвижка секции и 0.45-0.75 1;

БУС (блок управления секцией) конвейера 0.65-0.85 Насос Все операции 0,08 -0.16 Гидроцилиндр напора Копание Обратная ло-Прямая лопата 0,08 -0.16 Гидроцилиндр подъема Подъем с Гидромотор поворотной платформы 0.5-0.7 Поворот Буровой станок СБШ Гидравлический Гидроцилиндр ковша 0,2 – 0.3 Копание ковшом Гидроцилиндр рукояти 0,2 – 0.3 Копание рукоятью Гидроцилиндр подъема 0,16 – 0.24 Подъем ватор пата Гидромотор поворотной платформы 0,18 – 0.24 Поворот Насос 0.65-0.85 Все операции Гидроцилиндр подачи 0.5-0.7 Бурение Гидроцилиндр заваливания мачты 0.008-0.012 Горизонтирование мачты Гидродомкрат аутригер 0.008-0.012 Распор станка Гидроцилиндр механизмов развинчивания 0.002-0.004 Развинчивание штанг штанг Гидроцилиндр поворота сепаратора 0.002-0.004 Поворот сепаратора Для установления значения коэффициента влияния единичного элемента данную величину необходимо разделить на:

– количество одновременно задействованных гидроцилиндров (гидродомкратов, гидро стоек);

– количество одновременно задействованных насосов;

3_ количество секций в механизированном комплексе t уп = t ф tрн = VV V Qср = (1 )= Qср Qн Qср Qн (6) V Qн Qср = V Qн Qср = t ф Qн Qср = t рн Qн Qср.

= Qср Qн Qн Qср Qн Qср При наличии резерва параметра То величину условного простоя можно найти из выражения:

Qн Qср(t ф То) Sм( P ) (t ф To) t уп = (t ф То). (7) = Qн 2 Qн С использованием коэффициента влияния, начального Рн и конечного Рк значения величины параметра элемента выражение для определения продол жительнос ти условного простоя примет вид:

t уп = tф ( Рн Рк) Квл. (8) 2 Рн Целевые функции затрат времени на единицу продолжительности функ ционирования системы Фt и затрат средств на единицу произведенной про дукции Фcvy имеют вид:

Zt T + t уп(Т То) + t z = Zt + Sм(Р ) (T То)2 + t z, Фt = (9) 2Qн Т T T Zc T + t уп(Т То ) Супр + Cz + Уc (T ) Фcvy = = T Qср(T ) Sм (Р ) (T То ) (10) Zc T + (T То ) Супр + Cz + Уc а T 2Q н =, 1 (T To ) Qн S T 2 T где С упр – ущерб за единицу продолжительнос ти условного простоя.

Величина С упр зависит от стоимости машино-часа рассматриваемой и смежных с ней машин с учетом стоимости расходуемых энергии и ресурса.

Целевые функции затрат средств на единицу произведенной продукции имеют ярко выраженные экстремумы. На рис.3 представлены расчетные удель ные затраты С уд на эксплуатацию гидроцилиндра поворота стрелы проходче ского комбайна 1 ГПКС в различных условиях эксплуатации: при стоимос ти замены в 10 000 руб., ущербе из-за условного простоя в 4000 руб/час, значении коэффициента влияния К вл =0.15, начальном значении объемного КПД - 98%, скорости изменения параметра S = (0.002 – 0.003) %/час, продолжительнос ти эксплуатации гидроцилиндра без влияния на производительность комбайна (при резерве параметра) То = (0 – 1000) час.

Суд р яд 15 р яд р яд 500 1000 1500 2000 2500 Т Рис. 3. Зависимость удельных затрат от продолжительности эксплуатации эле мента. Ряд 1 – S = 0.002, To = 500;

Ряд 2 – S = 0.003, To = 0;

Ряд 3 – S = 0.003, To = 1000.

Производные упомянутых выше функций приравнены к нулю, и в резуль тате решения уравнений получены выражения для определения оптимальной величины наработки между заменами, некоторые из которых представлены ниже.

Расчетные выражения наработок между заменами с учетом равенства (4) для минимизации затрат:

- времени на единицу продолжительности эксплуатации машины Tty = То S К вл + 2 t z Рн ;

(11) ( S К вл + 2 У t b Рн ) - средств на единицу произведенной продукции без учета затрат, возрас тающих в процессе эксплуатации Рн Cz Cz Cz Тcv = 2 + (То + ;

(12) ) S К вл Cупр + Zc Cупр + Zc Cупр + Zc - средств на единицу произведенной продукции в случае влияния измене ния параметра элемента на производительность машины с начального момента времени Рн Сz Сz Tcvу = 2 +( ) Рн Рн S Квл ( Cупр + Zc + 2 Ус а ) C упр + Zc + 2 Ус а S Квл S К вл (13) Сz.

Рн Cупр + Zc + 2 Ус а S Квл Ряд других выражений для расчета наработок между заменами при мини мизации затрат времени или средств на единицу продолжительности функцио нирования системы и произведенной системой продукции, в том числе и при изменении параметра по нелинейному закону, приведены в диссертационной работе.

Величина предельного состояния определяется из выражения Рпс = Рн S Т. (14) Для анализа факторов эксплуатации предложены коэффициенты относи тельных затрат времени К озt и средств К озс, определяемых как отношения продолжительности или стоимос ти замены к величине пос тоянных затрат вре мени или средств (в том числе ущерба из-за условного простоя) на поддержа ние функционирования элемента.

Влияние различных факторов эксплуатации на величину наработки между заменами и оптимального предельного состояния представлены на рис. 4.

Анализ расчетных и графических зависимостей позволяет сделать вывод, что оптимальная величина наработки между заменами уменьшается, а пре дельного состояния соответственно возрастает:

- с увеличением значения коэффициента влияния (рис.4 а, в). При увели чении значения коэффициента влияния в 2 раза, величина оптимального интер вала между заменами увеличивается в 1.4 раза;

- с уменьшением скорости изменения параметра. Этот? неочевидный, на первый взгляд, вывод можно объяснить тем, что с возрастанием продолжи тельнос ти эксплуатации возрастает величина возможного ущерба из-за услов ного простоя, возрастающего пропорционально сроку эксплуатации. Из этого следует, что при относительно больших скоростях изменения параметра воз можна ситуация, когда целесообразно использование элемента до полной по тери им работоспособности (рис.4 а-г );

- с увеличением постоянных затрат, необходимых для поддержания функ ционирования элемента (рис. 4 а - г);

8000 Тоpt Тоpt 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 25 50 75 100 0.01 0.25 0.5 0.75 К озс Квл а) б) 100 10 Роpt 80 Роpt 0.01 0.25 0.5 0.75 1 25 50 75 Квл К озс в) г) Рис. 4. Зависимости оптимальной величины наработки между заменами Торt (а, б) и оптимальной величины параметра элемента Рорt (в, г) от величин коэффици ентов К вл и К озс при различной скорости изменения параметра S (ед/час) и резерве параметра То : S =0.02, То = 0 – ряд «»;

S =0.02, То =1000 - ряд «»;

S =0.002, То =0 ряд «», S =0.002, То =1000 - ряд «Х», Рн80 % - ряд «--».

- с уменьшением отношения стоимости замены к величине ущерба услов ного простоя (коэффициент К озс ) (рис. 4 б, г). Из этого следует, что с увеличе нием стоимости замены величина оптимальной наработки возрастает, а с уве личением ущерба из-за условного простоя величина оптимальной наработки уменьшается. При увеличении затрат на замену в 2 раза в типичных условиях эксплуатации величина оптимального интервала возрастает в 1.3 – 1.6 раза, а величина предельного состояния уменьшается на 5 – 15 %.

Как следует из анализа графиков, при уменьшении скорости изменения параметра, а также с увеличением значений К озс и К вл разница между опти мальными наработками с резервом и без резерва параметра уменьшается.

Пунктирной горизонтальной линией (рис. 4 в, г) показано рекомендуемое действующими руководящими документами для ряда элементов гидропривода предельное состояние в 80% от начальной величины параметра Рн80%. В случае маленькой скорости изменения параметра (на 20% за 10000 час.) замена целе сообразна до Рн80 %, так же как и при большей скорости изменения параметра (на 20% за 1000 час.), но низкой стоимости замены ( К озс 25) и отсутствии резерва параметра. С увеличением значения К озс целесообразна замена после изменения параметра на 20%.

При отсутс твии резерва параметра оптимальная наработка между замена ми зависит от скорости изменения параметра, коэффициента влияния и услов ного простоя по квадратичной зависимости.

Доказано, что оптимальная наработка элемента для минимизации затрат времени и средств меньше при минимизации на единицу произведенной про дукции (работы), чем на единицу продолжительности функционирования (экс плуатации).

Установлено, что в определенных условиях целесообразно использование элемента до полной потери работоспособности, в частности при высоких ско ростях изменения параметра и малых значениях коэффициента влияния.

На практике достаточно часто эксплуатация машин осуществляется при выполнении или ограниченного объема работы, или на ограниченном интерва ле эксплуатации. Для такого случая разработан порядок нахождения оптималь ного интервала между заменами элемента с постепенно изменяющимися пара метрами. Суть метода заключается в предложенном алгоритме пересчета оп тимального интервала между заменами элемента, полученного для неограни ченного интервала эксплуатации.

Алгоритм и расчетные формулы предс тавлены в диссертации, в реферате для краткости изложения опущены. Также в диссертации представлены полу ченные выражения для расчета интервалов между заменами в случае, когда из менение параметра элемента не влияет на изменение производительности, но с увеличением интервала между его заменами возрастает вероятность внезапно го отказа.

Как следует из выражений, представленных выше, на расчетный интервал между заменами и предельное состояние элементов гидропривода влияет про должительнос ть функционирования элемента То без влияния изменения его параметра на производительнос ть машины. Умножив эту величину на скорость изменения параметра S, получим величину параметра Ров, на которую может измениться его первоначальное значение без уменьшения производительнос ти машины:

Ров = То S. (15) Значение параметра, при котором отсутс твует влияние изменения пара метра элемента на производительность машины, предложено называть «вели чиной резерва параметра».

Для оценки резерва параметра предложен коэффициент резерва параметра К рп :

К рп = Ров = Рн Рнв, (16) Рн Рк Рн Рк где Рн – начальное значение параметра;

Ров – значение параметра, при кото ром отсутствует влияние изменения параметра элемента на производитель ность машины;

Рнв - величина параметра, с которой начинается влияние изме нения параметра элемента на производительнос ть машины;

Рк – величина па раметра, при достижении которой функционирование элемента невозможно.

Учет резерва параметра, а следовательно, и предлагаемый коэффициент можно использовать как при проектировании, так и при эксплуатации гидро фицированных горных машин.

Понятие резерва параметра иллюс трирует рис. 5, на котором представлено изменение производительности Q проходческого комбайна 1ГПКС в результа те уменьшения давления Р в рабочих полостях гидроцилиндров поворота ис сж полнительного органа, при различной прочности разрушаемой породы (расчеты выполнены совместно с аспирантом Поминовым К. П.).

4 0. Крп Q м.куб./мин 3.5 0. 2 0. 0. 2.5 3 0. 4 0. 1. 5 0. 0. А 0.5 0. 0 20 30 40 50 МПа а) б) dP МПа Рис. 5. Зависимости от прочности разрушаемой породы а) производительности комбайна 1ГПКС при уменьшении давления в рабочих полостях гидроцилиндра пово рота стрелы и б) величины коэффициента резерва параметра 1- cж = 20 Мпа;

2 - cж = 30 Мпа;

3 - cж = 40 Мпа;

4 - cж = 50 Мпа;

5 - cж = 60 Мпа Горизонтальная линия свидетельс твует об отсутствии влияния на произ водительнос ть комбайна изменения определяющего параметра гидроцилинд ров поворота в рассматриваемой операции – уменьшения давления в рабочей полости.

Длине горизонтальной линии соответствует величина Ров. Из графиче ской зависимости видно, что с увеличением прочности разрушаемой породы уменьшаются значение коэффициента и величина резерва параметра.

После уменьшения давления до определенной величины (кривая А), из менение параметров гидроцилиндров приводит к уменьшению производитель ности комбайна.

Наклонные части соответс твуют величине изменения параметра, при ко торой оказывается влияние на производительность комбайна.

Кривая А указывает в различных условиях на значения Рнв – величин па раметра, при достижении которых начинается влияние изменения параметра элемента на производительность машины.

Анализ кривой А наглядно показывает влияние конструктивных парамет ров комбайна и прочности разрушаемой породы на величину резерва парамет ра.

Как следует из графической зависимости приведенного примера, резерв параметра гидроцилиндра поворота стрелы зависит от прочности разрушаемой породы и находится в диапазоне от 0,1 до 0,9.

В зависимости от условий эксплуатации и конструктивных особенностей горной машины и элемента гидропривода коэффициент принимает значение от 0 до 1. Коэффициент резерва параметра может быть использован при проекти ровании и эксплуатации горных машин.

Рассмотрим влияние изменения технического состояния элементов гидро привода на производительность машин.

Изменение параметров элементов гидропривода вследствие износа приво дит к увеличению продолжительнос ти выполнения рабочих и вспомогательных операций горными машинами. Вследствие этого уменьшаются значения их технической и эксплуатационной производительности. Из-за уменьшения про изводительнос ти в большинстве случаев возрастает доля времени работы ма шины – t р.

Использование существующих расчетных формул формально приводит к увеличению значений технической и эксплуатационной производительностей, хотя фактически они уменьшаются.

Для предотвращения таких ошибок целесообразно использовать предло женное нами понятие «продолжительности условного простоя» t уп - разницу между фактическим временем выполнения работы t р (исходя из сложившейся практики расчета производительности машин t ф =t р ) и расчетным t рн, (исходя из неизменной теоретической производительности):

tуп = tр tрн. (17) Также продолжительность условного простоя t уп можно понимать как до полнительно затрачиваемое время на выполнение рассматриваемого объема работы вследствие снижения величины начальной производительнос ти маши ны.

С учетом выражений (7) и (17) формула для расчета уточненной (с учетом условного простоя) эксплуатационной Qэу производительности горных машин принимает следующий вид:

tр tуп Qэу = Q = tр tуп + tуп + tуо + tво + tоп (18) tр (1 ( Рнi Ркi )Квлi ), N = Q tр + tуо + tво + tоп i =1 2Рнi где t во –затраты времени на вспомогательные операции;

t уо - затраты времени на устранение отказов;

t оп - потери времени по организационным причинам;

N – количество рассматриваемых элементов гидропривода, изменение техниче ского состояния которых влияет на производительнос ть машины.

Предложено ввести коэффициенты влияния условного простоя на экс плуатационную Куэ производительность c учетом того, что разница между расчетной величиной эксплуатационной производительности Qэ с учетом и без учета продолжительности условного простоя (исходя из выражения (18)) составит:

tр (1 ( Рнi Ркi )Квлi ) = Q Куэ.

N Qэ = Q (19) tр + tуо + tво + tоп 2Рнi i = Аналогично определяются уточненное значение технической производи тельнос ти и коэффициента влияния на нее условного простоя.

Используя понятие коэффициента готовности и продолжительности ус ловного простоя, составим выражение для определения уточненного коэффи циента готовнос ти Кгу «с учетом условного простоя» - выражение (20):

Рнi Ркi )Квлi N tуп = Кг tр ( tр tуп 2Рнi Кгу = = Кг i= tр tуп + tуп + tуо tр + tуо tр + tуо (20) = Кг (1 ( Рнi Ркi)Квлi ).

N 2Рнi i = Используя понятия теоретической производительнос ти и продолжитель ности условного простоя, напишем выражение для определения уточненной (с учетом влияния изменения технического состояния элементов гидропривода) технической производительности горных машин:

Qэ = Q. (21) tво 1+ ( Р нi Р кi)Квлi Кгу tр (1 N ) 2Рнi i= Аналогично получено выражение для определения эксплуатационной про изводительнос ти.

Предложенные формулы позволяют более точно рассчитывать (величина уточнения может достигать 35%) производительнос ть и коэффициент готовно сти горных машин с учетом влияния на них изменения параметров элементов гидропривода в процессе эксплуатации.

Для оценки влияния постепенных и внезапных отказов элементов гидро привода на техническую и эксплуатационную производительнос ть машин предложена система коэффициентов и показателей, часть из которых пред ставлены ниже.

Коэффициенты, использующие величину продолжительнос ти условного простоя, - это «расчетный» («теоретический») К ср (22), «технический» К ст (23), и «эксплуатационный» К сэ (24), коэффициенты удельного условного простоя, а также коэффициенты удельных потерь за время работы (25) и экс плуатации (26):

tуп = tуп К ср = t уп (22);

Кст = tуп = tуп (23);

К сэ = (24);

tрн tт tр + tво tэ tр + tво + tуо + tоп tуп (25);

К отэ = t уп (26).

п п К ор = tр Тэ Также предложены коэффициенты удельных потерь времени из-за отка зов: постепенного (27), внезапного (28) (коэффициент был известен ранее), суммы постепенного и внезапного (29):

К пv = tуп (27);

К вv = tуо (28);

К оv = tуо + tуп об об об (29).

V V V Предложены формулы для расчета скорректированных значений коэффи циентов готовнос ти с учетом отказов: постепенных (30), внезапных (31), сум мы постепенных и внезапных (32):

tрн (30);

К об = tрн (31);

К об = tрн tрн (32).

об Кп = = в о tрн + tуп tрн + tуо tрн + tуп + tуо tр + tуо Актуальной на любом предприятии является проблема запасных частей.

Их недостаток приводит к повышению продолжительности простоя, избыток (крайне редкое явление на производстве) - к замораживанию средств, повы шенным затратам на хранение.

Если иметь запасные части соответственно среднему расходу прошлых периодов, то примерно в половине случаев их будет недостаточно. Поэтому необходимое количество запасных частей рассчитывается исходя из минимума потерь от нехватки запасных частей и затрат на их приобретение и хранение.

Предложено кроме учета потерь от нехватки запасных частей вследствие внезапных отказов также учитывать ущерб от дальнейшей эксплуатации эле мента после достижения его определяющим параметром оптимального расчет ного предельного состояния.

Для расчета необходимого количества запасных частей разработана мо дель для типичных условий горнодобывающих предприятий, учитывающая следующие условия эксплуатации:

- запасные части приобретаются заранее на определенный интервал экс плуатации (например, на год или квартал). В конце этого периода производит ся пополнение запаса до расчетной величины N z ;

- в работе находится N o элементов, вероятность отказа поставленного за пасного элемента (вместо отказавшего) пренебрежимо мала;

- при внезапном отказе элемент экстренно заменяется, при отсутствии за пасной части имеет место ущерб;

- элемент при достижении расчетного предельного состояния и наличии запасной части заменяется и помещается на склад. При внезапном отказе и от сутствии запасных частей такой элемент снова устанавливается. При этом име ет место ущерб из-за потери производительности, перерасхода ресурса и энер гии;

- при достижении расчетного предельного состояния элемент заменяется при наличии запасной части;

если запасная часть отсутствует, элемент не заме няется и имеет мес то ущерб из-за потери производительности и перерасхода ресурса оборудования;

- величина ущерба зависит от времени функционирования элемента после достижения расчетного предельного состояния. В данной модели рассматрива ется математическое ожидание этой величины.

Исходя из этих условий целевая функция затрат имеет следующий вид:

No Nzi No Nz P( Nz + i ) R ( j ) j Cupc Tcp + C e = Nz Cz1 + j= 0 i = (33) No Nz No Nz +i Nz P ( Nz + i) i Cuvn + P(i ) R (k ) k Cupc Tcp, + i =0 j= 0 i = где С e - суммарные затраты на эксплуатацию при использовании N z элемен тов;

N z - рассчитываемое количество запасных частей;

N o - количество экс плуатируемых элементов;

С z1 - затраты на хранение одной запасной части (без стоимости приобретения);

С uvn - ущерб из-за нехватки одной запасной час ти при внезапном отказе (без стоимости приобретения запасной части);

С upc ущерб в единицу времени при продолжении эксплуатации элемента после дос тижения им установленного предельного состояния;

Tcp - математическое ожидание эксплуатации элемента после достижения предельного состояния;

P - вероятность внезапного отказа;

R - вероятность пос тепенного отказа;

i - воз можное количество внезапно отказавших элементов;

j - возможное количество постепенных отказов;

k - возможное количество постепенных отказов без за мены элемента при условии i N z, - k = 0 при j + i Nz 0 и k = j + i N z при j + i Nz 0 ;

P( Nz + i ) - вероятность наступления ровно Nz + i внезапных отка зов;

R ( j ) - вероятность нас тупления ровно j постепенных отказов;

R (k ) - веро ятность наступления ровно k постепенных отказов.

Так как повторная замена элемента маловероятна, то при расчете вероят ностей определенного числа отказов можно воспользоваться свойствами бино минального распределения. Тогда выражение (33) примет вид, представленный выражением (34).

N o!

No i!( N o i )! P C e = N z C z1 + (1 P ) No i (i N z ) C uvn + i i = Nz N o! N o!

No i Nz i!( N o i )! P i (1 P ) No i k !( N o k )! R k (1 R ) No k ( k N z + i ) C up + (34) + i=0 k = Nz i N o! N o!

No i No R k (1 R ) No k k C up, P i (1 P ) No i + i!( N o i )! k !( N o k )!

i = Nz k = i Nz где С up - ущерб из-за нехватки одной запасной части при постепенном отказе (без стоимости приобретения запасной части).

В данной модели первое слагаемое представляет затраты на запасные час ти, второе слагаемое - ущерб из-за внезапных отказов после израсходования запасных частей на внезапные отказы, третье - ущерб из-за постепенных отка зов после израсходования запасных час тей на внезапные и пос тепенные отка зы, четвертое слагаемое - ущерб из-за постепенных отказов при количестве внезапных отказов, большем, чем количество запасных частей.

На рис. 6а показаны затраты на запасные части в зависимости от их коли чества, при эксплуатации десяти однотипных элементов, стоимости запасной части С z = 3000 руб., ущербе из-за наступления отказов внезапных С p = руб. и постепенных С r = 15000 руб. и, соответственно, их вероятностей P = 0. и R = 0.2.

Ce 40 12 Се 35 ряд 1 ряд 10 ряд 2 ряд ряд ряд 20 15 ряд ряд 10 ряд ряд 0 1 2 3 4 5 6 7 01234567 Nz Nz а) б) Рис. 6. Зависимости затрат на эксплуатацию от количества запасных частей:

а) ряд 1 – ущерб из-за внезапных отказов;

ряд 2 - ущерб из-за постепенных отка зов;

ряд 3 – затраты на неизрасходованные запасные части;

ряд 4 - затраты на запас ные части;

ряд 5 – суммарные затраты;

б) ряд 1 – P =0.1;

R =0.2;

Cz =6 000 руб.;

ряд 2 - P =0.2;

R =0.4;

Cz =6 000 руб., ряд - P =0.1;

R =0.1;

Cz =3 000 руб.;

ряд 4 - P =0.1;

R =0.2;

Cz =3 000 руб.;

ряд 5 - P =0.2;

R =0.4;

Cz =3 000 руб.

На рис. 6б приведены зависимости оптимального количества запасных частей от вероятнос ти нас тупления отказов и стоимости запасной части.

Из графиков наглядно видно, что при количестве запасных частей, отлич ном от оптимального, возрастают затраты на эксплуатацию.

Предложенные модели расчета необходимого количества запасных эле ментов гидропривода горных машин позволяют прогнозировать расход и оп тимизировать запас для различных условий эксплуатации.

При выборе и эксплуатации оборудования существует необходимость оценки эффективности его эксплуатации.

Предлагаемый метод оценки эффективнос ти эксплуатации гидропривода горных машин заключается в следующем.

Сравнивая полученную минимальную величину эксплуатационных затрат на единицу произведенной продукции С ev(Торt) с их фактической величиной С ev(Тф), можно установить эффективность эксплуатации рассматриваемого элемента или их совокупности, оцениваемую коэффициентом эффективнос ти К эф:

К эф = С ev(Торt), (35) Сev(Тф) где Торt - оптимальный (расчетный) интервал эксплуатации до замены элемен та;

Tф – фактический интервал эксплуатации до замены элемента, отличаю щийся от расчетного;

С ev(Торt), С ev(Тф) – стоимость единицы продукции при соответс твующих интервалах эксплуатации элемента.

При оценке эффективнос ти эксплуатации гидропривода по влиянию на производительность машины необходимо оперировать затратами времени на единицу продолжительности эксплуатации (наработки в машино-часах).

Для определения минимальных затрат средств на единицу произведенной машиной продукции в исходную целевую функцию вместо величины интерва ла между заменами подставляется расчетное выражение для определения оп тимального интервала между заменами (36).

Подс тановкой в исходное выражение значения затрат и убытков при оп тимальных, определяемых по формуле (36), и фактических наработках между заменами устанавливается значение коэффициента эффективности.

S м ( Р ) (T T o )2 C z C min cvy = Z c + С упр + Уc а T = + 2Q н T T S К вл С упр T o 2 + 2 C z Р н S ( То ) (36) S К вл С упр + 2 Уc а Рн = Z c + С упр + S К вл С упр T o 2 + 2 C z Рн 2 Рн S К вл С упр + 2 Уc а Рн S К вл С упр T o 2 + 2 C z Рн Cz + Уc а +.

S К вл С упр + 2 Уc а Р н S К вл С упр T o 2 + 2 C z Рн S К вл С упр + 2 Уc а Р н Рассмотрено влияние разницы между фактической и оптимальной расчет ными величинами интервала между заменами на эксплуатационные затраты в зависимости от различных факторов.

Зависимость изменения величины затрат на единицу произведенной продукции или продолжительности эксплуатации от величины отклонения наработки между заменами от оптимальной предложено учитывать коэффи циентом «пологости» К п, определяемым из следующего выражения:

Т ф Т орt А 1 А Т орt Кп =,(37) = = С eд ( А Т орt ) С eд ( Т орt ) С ф Сорt С et ( Т орt ) С орt С eд ( Т орt ) С eд ( Т орt ) где Тф – наработка (фактический интервал эксплуатации) до замены;

Торt оптимальная наработка (расчетный интервал эксплуатации) до замены;

А – ве личина, характеризующая отклонение от оптимальной наработки (в долях от ее величины);

С ф, С eд( А Торt) – фактическая величина затрат на единицу произ веденной продукции или продолжительности эксплуатации;

С опт, С eд(Торt) оптимальная (расчетная) величина затрат на единицу произведенной продук ции или продолжительности эксплуатации;

Сet (Торt) - разница значений за трат при различных наработках.

Величине А, характеризующей отклонение от оптимальной наработки, соответс твует выражение А = Тф. (38) Торt Предлагается анализировать изменение затрат при следующих значениях А – 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 2.0, 3.0.

На рис. 7 приведена зависимость разности затрат на час работы и значения коэффициента пологости от отношения фактической наработки к оптимальной при различных начальных значениях параметра и постоянных затратах.

30 % Кп 25 ряд 1 ряд 20 ряд 2 ряд 15 ряд ряд 10 0 ряд ряд 0. 0. 1. 1. 2. 2. 3. 3. 0. 0. 1. 1. 2. 2. 3. 3. А А а) б) Рис. 7. Зависимости а) разности затрат на час работы С еt и б) значения коэффи циента пологости Кп от отношения фактической наработки к оптимальной А, ряд 1 Рн = 98, Z c = 20 ;

ряд 2 - Р н = 98, Z c = 0 ;

ряд 3 - Р н = 90, Zc = 20 ;

ряд 4 - Рн = 90, Zc = 0.

Значение коэффициентов пологости меняется в несколько раз медленнее, чем влияющие на его значение факторы - затраты на замену и поддержание функционирования элемента гидропривода, коэффициент влияния, скорость изменения параметра и вызываемый этим ущерб.

При несоблюдении оптимальных расчетных наработок между заменами эффективность уменьшается быстрее при уменьшении наработок между заме нами относительно оптимальных, чем при увеличении, из чего следует, что не доиспользование ресурса - наименее эффективная стратегия эксплуатации эле ментов гидропривода горных машин.

Предложены классификационные признаки, учитывающие влияние техни ческого состояния элементов гидропривода на производительность и эффек тивность эксплуатации горных машин: с тепень влияния ухудшения техниче ского состояния элемента гидропривода на производительнос ть машины, сте пень эффективности эксплуатации, коэффициент пологости, удельный услов ный прос той.

На основе выполненных исследований разработаны методы и методики, позволяющие обоснованно устанавливать наработку между заменами, крите рии предельного состояния и резерв элементов гидропривода горных машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе теоретически обоснована и решена крупная научно-техническая проблема в области надежности и технического обслужи вания, заключающаяся в разработке методологии обоснования предельных со стояний и резерва элементов гидропривода горных машин, включающей мате матические модели, методы и методики их установления, закономерности и за висимости, систему показателей и коэффициентов и позволяющей рассчиты вать дифференцированные наработки между заменами и предельные состоя ния, количество запасных частей, уточненные значения коэффициентов готов ности, технической и эксплуатационной производительности, что существенно повышает эффективность проектирования и эксплуатации и имеет важное хо зяйственное значение для горнодобывающей отрасли.

Основные научные выводы и результаты, полученные лично автором, за ключаются в следующем:

1. Разработана методология обоснования дифференцированных предель ных состояний и резерва элементов гидропривода с учетом влияния их техни ческого состояния на производительность горной машины в различных усло виях, ущерба из-за ее уменьшения, скорости изменения параметра, затрат на замену и возможности повторного использования элемента.

2. Разработаны математические модели функционирования элементов гид ропривода с постепенно изменяющимися параметрами, учитывающие их влия ние на уменьшение производительнос ти машины, позволяющие рассчитывать наработку между заменами и величину предельного состояния таких элемен тов.

3. На основе анализа установленных зависимостей выявлен ряд законо мерностей формирования дифференцированных значений предельного состоя ния и оптимальных наработок между заменами с учетом основных факторов эксплуатации. В частнос ти, установлено, что величина оптимальной наработки возрастает, а оптимального предельного состояния уменьшается с увеличением стоимости замены элемента, с уменьшением скорости изменения параметра, значения коэффициента влияния, величины ущерба из-за условного простоя.

4. Разработан метод установления зависимости производительности ма шины от ухудшения технического состояния элемента, использующий пред ложенный коэффициент влияния. Установлено, что значения коэффициентов влияния для насосов, гидрораспределителей, гидроцилиндров проходческих и очистных комбайнов, механизированных крепей, насосных станций, буровых станков и гидравлических экскаваторов находятся в диапазоне от 0.0003 до 0.7.

Широкий диапазон их величин доказывает целесообразность установления дифференцированных значений предельного состояния элементов гидроприво да.

5. Предложена система показателей, позволяющая оценить влияние техни ческого состояния элементов гидропривода на коэффициент готовности, тех ническую и эксплуатационную производительность горных машин, и метод оценки эффективности эксплуатации гидропривода, позволяющий обоснован но выбирать и выводить из эксплуатации оборудование.

6. Для анализа факторов, влияющих на величины наработок до замены и предельных состояний, и удобства использования разработанных расчетных зависимостей предложена система коэффициентов резерва параметра и отно сительных затрат времени и средств.

7. Установленные зависимости производительности горных машин, а так же оптимальных предельных состояний элементов гидропривода от скорости ухудшения их технического состояния и величины резерва параметра целесо образно учитывать при конструировании горных машин для выбора парамет ров элементов гидропривода и установления критериев предельного состояния.

8. Разработан метод расчета количества запасных частей для гидропривода горных машин, учитывающий влияние изменения параметров элементов на производительность и безотказность горных машин, горнотехнические и эко номические факторы эксплуатации, возможность повторного использования ранее замененного элемента. Выполненными расчетами для типовых условий установлено, что необходимое количес тво запасных частей отличается от среднего расхода в 1.1 – 2.2 раза.

9. Методики «Определение влияния технического состояния элементов гидропривода на производительность горнопроходческих машин», «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидропривода горнопроходческих машин», «Расчет коэффициента готовности, технической и эксплуатационной производительнос ти гидрофицированных горнопроходческих машин с учетом технического состояния элементов гидро привода», «Определение ущерба от ухудшения технического состояния эле ментов гидропривода горнопроходческих машин», «Расчет резерва параметра элементов гидропривода горнопроходческих машин» приняты к использова нию в ОАО «ЦНИИподземмаш» для проектирования горнопроходческих ма шин. Методики «Определение влияния технического состояния элементов гид росистемы на производительность угледобывающих комплексов», «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидросистемы угледобывающих комплексов», «Расчет коэффициента готовно сти, технической и эксплуатационной производительности угледобывающих комплексов с учетом технического состояния элементов гидросистемы», «Рас чет резерва параметра элементов гидросистемы угледобывающих комплексов» использованы в ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» при проектировании угледобывающих комплексов. Методики «Расчет дифферен цированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидропри вода горных машин» и «Расчет необходимого количества запасных частей эле ментов гидропривода горных машин» использованы в ОАО «ХК СДС - Уголь» при эксплуатации гидрофицированных горных машин.

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе Московского государственного горного университета при подготов ке дипломированных с пециалис тов по специальнос ти 150402 – «Горные машины и оборудование».

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Рахутин М.Г. Выбор рациональных предельных состояний элементов гидросистемы проходческих комбайнов / М.Г. Рахутин, В.Н. Гетопанов // Про блемы повышения надежнос ти, уровня безаварийной эксплуатации электро технических и электромеханических систем, комплексов и оборудования гор ных и промышленных предприятий: сб. науч. тр. / Мос. гос. горный ун-т. - М.:

МГГУ, 1994. - С. 58-59.

2. Рахутин М.Г. Перспективы применения полимерных композитных ма териалов в угольной промышленности // Материалы международного семинара "Проблемы и перспективы развития горной техники". - М., МГГУ 1995. - С. 71 72.

3. Рахутин М.Г. Формализация процесса выбора между заменой и ремон том // Материалы международного симпозиума "Горная техника на пороге XXI века". - М., МГГУ, 1996. - С.60-61.

4. Рахутин М.Г. Установление предельного состояния элементов гидро оборудования в зависимости от условий эксплуатации // Горный информаци онно-аналитический бюллетень. - 1999. - № 7. - С. 166-167.

5. Рахутин М.Г. Установление предельных состояний элементов забойного оборудования для конечного интервала эксплуатации // Горный информацион но-аналитический бюллетень. - 2000. - № 4. - С. 71-73.

6. Рахутин М.Г. Перспективы применения нейросетей для прогноза расхо да запасных частей гидрооборудования // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2002. - № 3. - С. 146-147.

7. Гетопанов В.Н. Определение уровня надежности дробильно-фрезерной машины ДФМ-11А для измельчения смерзшегося угля на тепловых электро станциях / В.Н. Гетопанов, М.Г. Рахутин, И.А. Полосина // Горный информа ционно-аналитический бюллетень. - 2002. - № 3. - С. 139-141.

8. Рахутин М.Г. Влияние параметров элементов гидросистемы на ресурс и производительность забойного оборудования // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2003. - № 7 - С. 166-167.

9. Рахутин М.Г. Установление оптимальных предельных состояний эле ментов гидропривода на примере горношахтного оборудования. // Материалы II международной конференции «Проблемы механики современных машин» Т.2. - Улан-Удэ: ВСТГУ, 2003. - С. 246-248.

10. Рахутин М.Г. Влияние параметров гидросистемы на производитель ность проходческого комбайна избирательного действия / М.Г. Рахутин, К.М.

Поминов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 4. С. 247-248.

11. Рахутин М.Г. Классификация элементов гидросистем по степени их влияния на производительность оборудования // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2004. - № 6. - С. 291-292.

12. Рахутин М.Г. Принципы управления запасом элементов гидросистем забойного оборудования // Горный информационно-аналитический бюллетень.

- 2005. - № 11. - С. 289-291.

13. Рахутин М.Г. Расчет рационального количества запасных частей эле ментов с постепенно изменяющимися параметрами // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2005. - № 12. - С. 221-222.

14. Рахутин М.Г. Модель оптимизации наработок до замен элементов гид ропривода, влияющих на производительнос ть // Обозрение прикладной и про мышленной математики. – 2004. - Выпуск 2. – Т. 11. - С. 390-391.

15. Рахутин М.Г. Влияние скорости изменения параметров на величину предельного состояния элементов гидропривода технологических машин // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2004. - Выпуск 4. – Т.

11. - С. 909-910.

16. Рахутин М.Г. Модель расчета резерва запасных частей с учетом пара метрических отказов // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2005. - Выпуск 2. – Т. 12. - С. 494-495.

17. Рахутин М.Г. Специфика управления запасом элементов гидросистем забойных машин // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2005. - Выпуск 4. – Т. 12. - С. 1070.

18. Рахутин М.Г. Установление интервала между заменами элементов за бойного гидрооборудования для ограниченного срока эксплуатации // Обозре ние прикладной и промышленной математики. – 2005. - Выпуск 4. – Т. 12. - С.

1071.

19. Рахутин М.Г. Учет влияния изменения параметров элементов гидро привода на производительнос ть забойных машин // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2006. - № 5. - С. 78-81.

20. Рахутин М.Г. Изыскание резервов повышения эффективности эксплуа тации оборудования // Уголь. - 2006. - № 5. С. 44 – 46.

21. Рахутин М.Г. Управление резервом запасных частей – один из путей повышения эффективности работы горнодобывающих предприятий // Горный журнал. - 2006. - № 12. - С. 32-33.

22. Рахутин М.Г. Зависимость производительности забойных машин от технического состояния гидропривода // Горный информационно аналитический бюллетень. - 2006. - № 8. - С. 122-124.

23. Рахутин М.Г. Анализ влияния изменения параметров элементов гидро привода на производительнос ть забойных машин / М.Г. Рахутин // Горный журнал - известия вузов. - 2007. - № 3. С. 20-22.

24. Рахутин М.Г. Концепция формирования моделей оптимизации пре дельных состояний элементов гидросистем забойного оборудования // Горное оборудование и электромеханика. – 2007. - № 1. - С. 16-18.

25. Поминов К.П. Обоснование рациональных соотношений усилия пода чи и мощности привода исполнительного органа проходческого комбайна из бирательного дейс твия. / К.П. Поминов, М.Г. Рахутин // Горное оборудование и электромеханика. – 2008. - № 6. - С. 14 – 17.

26. Рахутин Г.С. Стандарт ИСО 9004: принципы разработки раздела по анализу несоответс твий / Г.С. Рахутин, М.Г. Рахутин // Стандарты и качество. – 2008. - № 11. - С. 22-25.

27. Рахутин М.Г. Концепция оптимизации предельных состояний элемен тов гидросистем забойного оборудования // Научные школы Московского го сударственного горного университета: сб. науч. тр. / Мос. гос. горный ун-т. М.: МГГУ, 2008. - Т.2. - С. 362-364.

28. Рахутин М.Г. Оценка эффективности эксплуатации гидропривода гор ных машин // Горное оборудование и электромеханика. – 2009. - № 1. - С. 19 22.

29. Рахутин М.Г. Резервы повышения эффективности эксплуатации обо рудования // Нерудные материалы. – 2010. - № 43. - С. 23-25.

Подписано в печать «_» 2010 г. Формат 60х90/ Объем 2 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №_ ОИУП МГГУ, Москва, Ленинский пр., 6.