Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса, задачи и методы исследования ... 8
1.1. Анализ методов исследований надежности очистных, механизированных, комплексов 8
1.2. Модели определения, надежности очистного механизированного комплекса, на стадии разработки 14
1.3. Предпосылки создания комплексной математической, модели обоснования надежности очистного механизированного комплекса. 23
1.4.. Выводы по главе и задачи исследовании 30
Глава 2. Исследование показатели надежности оборудования очистных. механизированных комплексов, работающих на тонких и средней мощности пластах 32
2.I.. Влияние длительности простоев комплекса и скорости подачи комбайна на нагрузку очистного забоя 32
2.2.. Определение областей рационального повышения надежности оборудования, очистных, механизированных комплексов 46
2.3. Анализ показателей надежности оборудования 54
Выводы по главе 2 67
Глава 3.. Разработка систематической модели оценки надежности очистного механизированного комплекса на стадии разработки 72
3.1. Определение целевой функции модели оценки надежности очистного комплекса 72
3.2., Исследование надежности очистного комплекса, как сложной системы 90
3.3. Разработка методики обоснования уровня надежности очистных: механизированных комплексов на стадии разработки 101
Выводы по главе 3 115
Глава 4. Реализация методики обоснования уровня надежности очистных моделирования комплексов на стадии разработки 118
4.1. Априорная оценка уровня надежности оборудования 118
4.2. Определение эффективности работоспособных состояний системы 146
Выводы по главе 4 152
Глава 5. Достоверность полученных результатов 154
5.1. Достоверность и оценка погрешности результатов 154
5.2. Ожидаемая экономическая эффективность применения методики обоснования уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки 163
Выводы по главе 5 184
Заключение 185
Литература - 188
- Модели определения, надежности очистного механизированного комплекса, на стадии разработки
- Определение областей рационального повышения надежности оборудования, очистных, механизированных комплексов
- Исследование надежности очистного комплекса, как сложной системы
- Определение эффективности работоспособных состояний системы
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятыми на ХХУІ съезде КПСС, предусмотрено "ускорить разработку и освоение серийного производства высокопроизводительных комплексов оборудования для выемки угля в сложных горно-геологических условиях", а также "значительно поднять экономичность и производительность техники, её надежность и долговечность" /I/.
Развитие очистных механизированных комплексов сопровождается усложнением их конструїщии, структурншли изменениями, увеличением потоков информации между функциональными машинами, что требует всестороннего исследования системы. Повышение качества машин определяется совершенством процесса проектирования, "развитием методов расчета параметров машин, обеспечением их оптимальной долговечности и надежности, ... формированием оптимальных систем машин для решения задач комплексной механизации" / 2 Для оборудования комплексов со взаимоувязанными параметрами эксплуатации и технического обслуживания на этапе проектирования отсутствуют методы расчета оптимального уровня надежности, как подсистем, так и системы, правила выбора количественных значений показателей надежности.. Поэтому научная задача обоснования уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки является актуальной.
Процесс проектирования очистных механизированных комплексов с учетом показателей надежности является многошаговым процессом, требующим применения математических методов как для анализа, так и синтеза на различных этапах их проектирования. Рациональным путем решения данных задач является создание модели очистного комплекса и средств направленного изменения внутренних параметров оборудования с целью получения заданных значений их внешних параметров.
Целью диссертационной работы является установление зависимостей между технико-эксплуатавдонными, экономическими показателями функционирования и показателями безотказности и ремонтопригодности очистных механизированных комплексов для обоснования уровня их надежности на стадии разработки, что обеспечивает повышение производительности комплексов.
При исследовании надежности очистного механизированного комплекса использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории массового обслуживания, методы определения количественных показателей надежности и экономической эффективности и прогнозирования надежности /3-12/.
Работа базируется на результатах теоретических исследований, выполненных на кафедре "Горные машины и комплексы" Московского горного института, нормативных документах пшроуглемаша, методических разработках ИГД им. А.А.Скочинского.
Идея работы. Получение априорных оценок уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки произво дится на основании показателей функционирования комлексов-анало-гов и прогнозных значений технико-экономических показателей разрабатываемого оборудования. Научные положения, разработанные лично соискателем и новизна.
Метод оценки надежности очистных механизированных комплексов на стадии их разработки, отличающийся тем, что он основывается на анализе структуры выемочного цикла, учитывающей количество, вид, последовательность операций и связи между ними.
Математическая модель оценки показателей надежности очистных механизированных комплексов, отличающаяся тем, что она учитывает структуру выемочного цикла, возможные структурные состояния комплексов с различной эффективностью функционирования и позволяет нормировать показатели надежности оборудования из условия обеспечения заданной производительности.
Оптимизация уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки, отличающаяся тем, что она производится на основе показателей безотказности и ремонтопригодности, определяемых из условия достижения заданной производительности при прогнозируемых стоимостных ограничениях.
Научное значение работы заключается в разработке математичес кой модели оценки надежности очистных механизированных комплексов, используещей зависимости между технико-эксплуатационными, экономическими показателями функционирования и показателями безотказности и ремонтопригодности оборудования для обоснования уровня надежности на стадии разработки.
Практическое значение работы заключается в том, что получены количественные значения показателей надежности и установлены характерные отказы оборудования механизированных комплексов-аналогов, работающих в условиях тонких и средней мощности пластов, позволяющие принимать обоснованные решения по их повышению. Предложена методика обоснования уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки, обеспечивающая автоматизацию проведения расчетов уровня надежности оборудования и позволяющая оптимизировать его параметры.
Методика обоснования уровня надежности очистных механизированных комплексов на стадии разработки утверждена ШКТИ ПТМ и используется при составлении нормативных документов на проектирование комплексов.
Расчетный годовой экономический эффект от увеличения нагрузки на забой за счет реализации выбранных оптимальных показателей надежности оборудования составил 62 тысячи рублей на один \комплекс..
Объектом исследовании в работе является очистной механизированный комплекс, предназначенный для выемки угля из тонких и средней мощности пластов с углами падения до 35°.
Работа выполнена в соответствии с целевой программой 0.05.03 ЇЖТ СМ СССР, постановление & 472/248 от 12.12.80 г. по теме ПУ-І-І95 "Разработка теоретических основ проектирования высокопроизводительных комплексов и агрегатов".
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю - проф., д.т.н. Гетопанову В.Е., доц., к.т.н. Рачеку В.М., к.т.н. Берсеневу Н.В. за оказание консультаций и помощь при работе над диссертацией.
Модели определения, надежности очистного механизированного комплекса, на стадии разработки
Развитие очистных механизированных комплексов, как систем забойного оборудования, сопровождается усложнением их конструкции, структурными изменениями, увеличением потоков информации между подсистемами.
Уровень надежности очистных механизированных комплексов зависит от уровней надежности и состава функциональных машин, от вида связей, объединяющих оборудование в систему.
Надежность является важнейшим свойством, которое должно учитываться при разработке новых средств комплексной механизации очистных работ. Поэтому необходимо совершенствовать методы обоснования уровня надежности и его обеспечения. Расчет надежности на стадии проектирования является априорным анализом выбранной схемы системы по заранее принятой модели отказов. Результатами этого анализа пользуются для сравнения различных вариантов системы, поскольку решение задач инженерного проектирования и обеспечения надежности приводит к компромиссному выбору одного из многих вариантов.
Надежность системы является основой для проведения сравнения различных вариантов проекта и выбора оптимального решения. Поэтому обоснование уровня надежности необходимо производить на самой ранней стадии проектирования, когда внесение изменений не вызывает затруднений и связано с минимальными затратами средств.
Базой проектирования системы очистной комплекс является его схема, поскольку каждая структурная схема в заданных условиях ограничена по производительности. В настоящее время при выборе схем используется не формализованный, а субъективный подход, отсутствует целенаправленное движение от множества первоначальных компоновочных схем выемочного комплекса до окончательного решения путем сравнения параметров каждого варианта. Проектирование подсистем в системе очистной комплекс идёт по частным алгоритмам, без учета связей между ними. Стыковка подсистем происходит на основе выбора одной схемы. Поэтому при эксплуатации 40$ длительности простоев выемочных комплексов из-за отказов обусловлены недостатками конструкции оборудования комплексов / 48 /. При проектировании выемочного комплекса, как сложной системы со взаимосвязанными параметрами эксплуатации и технического обслуживания, отсутствуют инженерные методы расчета оптимального уровня надежности, как подсистем, так и системы.
Выбор значений показателей надежности создаваемого оборудования производится по опыту создания предшествовавших конструкций с учётом аналогичных отечественных и зарубежных разработок.
По отраслевой методике / 49 / оценка надежности серийно выпускаемых очистных комбайнов, крепей, скребковых конвейеров производится по среднестатистическим данным эксплуатации или по данным научно-технической документации.
Так, коэффициент готовности очистных комбайнов имеет нижнее предельное значение K g- = 0,87, коэффициент готовности механизированных крепей Кр пр = 0,88, для скребковых конвейєра Кг.пред = 85 Государственный стандарт по выбору номенклатуры и количественных значений показателей надежности оборудования очистного комплекса на стадии проектирования отсутствует. Поэтому сложные системы часто оценивают показателями, заимствованными из теории надежности "простых" систем. Это - среднее время безотказной работы, "вероятность безотказной работы в течение заданного интервала времени", которые учитывают факт появления или отсутствия отказов в подсистемах, но не дают представления о влиянии отказов на конечный эффект функционирования сложной системы. Отказом выемочного комплекса считаем событие, заключающееся в прекращении выполнения системой основных технологических функций - собственно выемки (отделения и погрузки угля), доставки отделенного от массива угля, крепления призабойного пространства, управления кровлей. Отказ бывает полный или частичный, выражающийся в снижении уровня функционирования системы.
На этапе проектирования при оценке надежности производят сравнение различных вариантов системы с целью выбора лучшего и поиска "слабых мест" системы с целью её совершенствования. Большинство основных моделей распределения требований к надежности основаны на допущениях, что подсистемы и элементы отказывают независимо друт от друга и их отказ приводит к отказу всей системы (т.е. система состоит из последовательно взаимодействующих подсистем, элементов), и что интенсивность их отказов постоянна Jin(t) = Ji п . Распределение заданной надежности по подсистемам и элементам требует решения неравенства где QN - заданная вероятность безотказной работы /? -го элемента; f - функциональное соотношение между элементами подсистем и системой. Для систем с последовательным и параллельным соединением элементов это функциональное соотношение хорошо известно. При учете перечисленных допущений частный вид неравенства для системы с последовательно взаимодействующими элементами имеет вид В показателях интенсивности отказов Jin П -го элемента и системы X неравенство имеет вид
На этапе проектирования при заданных общих требованиях к надежности Р() и Я , при их распределении и сравнении проектируемых подсистем используются аналогичные методы.
Определение областей рационального повышения надежности оборудования, очистных, механизированных комплексов
Анализ показателей надежности комплексов, работающих в условиях тонких и средней мощности пластов Донбасса, позволяет выявить те элементы подсистем, повышение надежности которых способствует росту уровня надежности очистных механизированных комплексов в целом. В табл.2.4 приведены средние значения показателей надежности оборудования очистных механизированных комплексов. Комплексы при различных сочетаниях типов эксплуатационных машин имеют разные значения средней наработки на отказ, среднего времени восстановления работоспособного состояния, коэффициентов готовности. В табл.2.5 представлены показатели надежности оборудования в составе конкретных очистных механизированных комплексов. На основании данных наблюдений за работой комплексов установлено, что наибольший удельный вес (50-70%) от общего числа отказов составляют непродолжительные отказы, на ликвидацию которых затрачивается только 20-30% общих потерь времени, вызванных всеми отказами. Наибольший же удельный вес простоев из-за отказов (до 60%) связан с появлением 10-30% длительных отказов. Комплексы "Донбасс", IKMK97, КМ88, КМ87Э в рассматриваемых условиях характеризуются коэффициентом готовности Кг = 0,61-0,80. Наработка на отказ комплексов составляет 67-133 мин, время восстановления 32-54 мин.
Рассмотрим показатели надежности оборудования комплексов для выявления областей рационального повышения коэффициентов готовности оборудования.
Очистные узкозахватные комбайны имеют коэффициент готовности \ r = 0,85-0,89, что обеспечивается наработкой на отказ Т0 = 255-275 мин и средним временем восстановления работоспособного состояния Те. = 33-44 мин (область I). При этом разброс значений средней наработки на отказ находится в пределах 201-379 мин, среднего времени восстановления 31-49 мин (область 2), рис.2.4.
Передвижные скребковые конвейеры характеризуются Кг = = 0,86-0,92, наработкой на отказ 231-528 мин и средним временем восстановления 38-46 мин (область I). Причем разброс значений средней наработки на отказ находится в пределах 197-528 мин, среднего времени восстановления работоспособного состояния в пределах 30-47 мин (область 2), рис.2.5.
Для механизированных крепей с наработкой на отказ 337-452 мин и временем восстановления 19-40 мин коэффициент готовности находится в пределах k = 0,89-0,96 (область I). Значения средней наработки на отказ при этом находятся в пределах 337-513 мин, среднего времени восстановления работоспособного состояния в пределах 19-40 мин (область 2), рис.2.6.
При достигнутом уровне коэффициента готовности комбайнов снижение на 10 мин среднего времени восстановления приводит к росту коэффициента готовности на 4,3$, повышение наработки на отказ на 10 мин приводит к его росту на 1,9$, Для скребковых конвейеров повышение коэффициента готовности от достигнутого его уровня составляет 8,8$ на 10 мин снижения среднего времени восстановления и 0,2% на 10 мин повышения наработки на отказ.
Для механизированных крепей снижение на 10 мин среднего времени восстановления приводит к росту коэффициента готовности на 3,7%, тогда как повышение наработки на отказ на 10 мин повышает коэффициент готовности на 0,7%.
При достигнутом уровне коэффициентов готовности оборудования очистных механизированных комплексов рациональным путем их дальнейшего повышения, как это видно из рис.2.4-2.6, является уменьшение среднего времени восстановления работоспособного состояния оборудования.
Анализ распределения отказов по структурным единицам рассматриваемого оборудования показал, что для очистных комбайнов 30,7% отказов приходится на систему энергоснабжения, 20,5% - на систему пылеподавления, 9,6% - на гидросистему, 6,3% - на орган перемещения, 5,5% - на режущую часть, 4,2% - на механизм подачи, 3,5% - на электрооборудование, 1,9% - на опорную часть, 0,9% -на погрузочное устройство, 16,9% - на прочие отказы (рис.2.7).
Отказы структурных единиц скребковых конвейеров распределились следующим образом: 44,8% - отказы тягового органа, 11,5%-электрооборудования, 7,7% - приводной головки, 5,5% - рештачного става, 0,6% - концевой головки, 29,9% - прочие отказы, рис.2.8.
По гидрофицированным крепям: 51,2% - отказы металлоконструкции секции, 19,9% - отказы гидроразводки по секции, 17,6% -отказы насосной станции, 9,1% - отказы магистрального трубопровода, 1,9% - прочие отказы, рис.2.9.
Исследование надежности очистного комплекса, как сложной системы
Многофункциональная система - очистной комплекс рассматривается по отношению к выполнению каждой отдельной задачи, как однофункциональная. В общем виде эти функции представляют собственно выемку (отделение и погрузку) угля, доставку отделенного от массива и погруженного угля, крепление призабойного пространства и управление кровлей. Относительно одной функции математическая модель функционирования сложной системы учитывает не только появление и отсутствие отказов подсистем, но и снижение уровня функционирования системы при частичных отказах подсистем / 57 /. Задание величин параметра потока отказов и потока восстановления подсистем достаточно для математического описания функционирования системы. Известно, что оборудование очистного комплекса наиболее часто характеризуется экспоненциальным законом распределения случайных значений времени работы между отказами с параметрами потока отказов J п . Тогда для системы М Время восстановления оборудования описывается экспоненциальным и логариршчески нормальным законами распределения /27/. Параметр восстановления каждой подсистемы Очистной комплекс должен непрерывно выполнять своё назначение в течение интервала времени 0 t ±р . Каждая п -ая подсистема комплекса находится в одном из двух состояний I, если П -ая подсистема работоспособна;
О, если п -ая подсистема неработоспособна. Потребность в выполнении каждой / -той задачи описывается г I, если есть потребность в выполнении данной і-той задачи; О, если нет потребности в выполнении данной -той задачи, j = I, 2, ... ю - номера задач, которые может выполнять система. Потребность в выполнении задач системы в любой момент времени выражается случайным вектором Состояние системы описывается ( n + 1)-мерным вектором Z (.), компоненты которого могут быть О и I Рассмотрим очистной комплекс по отношению к выполнению задачи - выемка, как однофункциональную систему. Для этой задачи состояние системы описывает вектор Zi(t) Y W где pa a П - число подсистем системы. Л - первых компонент векто- (t) описывают состояние элементов системы Шп№)= Х-п( к), УД"0 описывает наличие потребности в выполнении задачи в течение всего интервала времени и равен I Y (t)s \ . Поэтому в дальнейшем состояние очистного комплекса описывается л -мерным вектором Х-(±) каждая компонента которого описывает состояние одной из подсистем системы. Состояние Х{±) системы интерпретируем как двоичное число. Все возможные состояния системы запишем в порядке следования натурального ряда чисел в двоичной системе счисления. Пространство состояний системы из трех подсистем состоит из 23 = 8 состояний. более одной подсистемы, то переход из состояния XJ в состояние ХТ-н возможен лишь в том случае, если вектор X] отличается от вектора X"L. . значением только одной компоненты X « , равной нулю или единице.
Возможные состояния (Xj системы и переходы между ними изображены с помощью графа состояний. Для п = Каждому состоянию системы надо сопоставить характеристику функционирования ф R (.t) системы в этом состоянии. Способ выполнения задачи определяется набором ( W і) подсистем, одновременно используемых для этой цели. Оборудование из набора (Wj) необходимо и достаточно для выполнения задачи этим способом, состояние.остального оборудования системы безразлично для данного способа. Полный отказ системы также считается способом выполнения задачи. Набор ( Wj) оборудования системы, соответствующий этому способу, состоит из подсистем, оставшихся исправными к моменту отказа.
Определение эффективности работоспособных состояний системы
Совокупность формул и соотношений, объединенных в расчетном цикле модели оценки уровня надежности комплекса, устанавливает зависимости показателей надежности оборудования от показателей эффективности эксплуатации системы, что позволяет выявить пути рационального в стоимостном отношении изменения показателей надежности, перейти к оптимизации и нормированию уровня надежности при обеспечении заданнрй производительности.
В блоке " START " вычисляются характеристики комплекса в зависимости от среднестатистического уровня надежности комплек-со-аналогов, определяются режимные параметры, эффективность работоспособных состояний системы, структура и длительность выемочного цикла.
Время выемочного цикла формируется длительностью операции подсистем, объединенных в непрерывную совокупность последовательных действий, связанных с несовмещенными затратами времени на управление в операциях ж перемещениями в пространстве.
Определим средние значения полной ожидаемой эффективности пребывания в работоспособных состояниях очистных комплексов в условиях тонких и средней мощности пластов на примере оборудования (табл. 2.4).
Удельную эффективность работоспособного состояния очистного комплекса С4 считаем, как эквивалент ущерба от простоя комплекса вследствие отказов оборудования, по методике /59, 87/. Для очистных комплексов; работающих на тонких и средней МОЩНОСТИ пластах в условиях Донбасса, исходные данные для определения С приведены в табл. 4,9.
Общешахтные условно-постоянные затраты, не зависящие от числа действующих лав jB ш по Донецкому бассейну, составляют 411 тыс.руб/мес. /61/.
Средняя глубина разработки по Украинскому Донбассу составляет Г = 600 м. Длина лавы L = 150-200 гл. Длина поддерживаемых выработок на участке равна 1ъ - 600 м /61/. Для мощности пластов Н = 0,75-1,1 м при суточной нагрузке на лаву Оз = 300 т/сут условно-постоянные затраты по очистное механизированному забою составят 488 руб/сут J n - 595 руб/сут (J ncp = 542 руб/сут). При нагрузке на лаву Q3 = 600 т/сут эти затраты составят 576 руб/сут $ п 631 руб/сут.
Результаты расчета эффективности пребывания очистных механизированных комплексов в работоспособных состояниях приведены в таблице 4.10.
Удельная эффективность пребывания очистного комплекса в работоспособных состояниях в рассматриваемых условиях при эксплуатационной производительности комплекса Qs = 50 - 100 т/ч составит Ct = 90-160 руб/ч.
Величина расхода средств на ремонт и восстановление определяется через ориентировочную стоимость технического обслуживания и текущего ремонта забойного оборудования /74/, табл. 4.II.
Исследованиями установлено, что в структуре времени использования очистных комплексов, простои из-за отказов комбайнов составляют 3,2-6$, из-за отказов конвейеров 2,8-6$, из-за отказов крепи 18-5,3$, рис. 2.3. Поскольку очистной механизированный комплекс является восстанавливаемой системой, затраты на ремонт оборудования включают в себя стоимость заменяемых при ремонте элементов и заработяую плату ремонтных рабочих.
Считаем, что ориентировочная стоимость технического обслу-яивания и текущего ремонта оборудования включает эти составляющие. Тогда, суммарные затраты по подсистемам очистного комплекса на ремонт и восстановление составляют 0,2-0,8 руб/ч. Рассматриваемые, как аналоги, комплексы характеризуются коэффициентом готовности в пределах 0,6-0,8 при наработке на отказ 67-133 мин ( jl -10 = 1,5-0,8 мин ) и времени восстановления 32-54 млн (JU «КГ6 = 3,1-1,9 мин ). Граничные значения Т0 и Те определяют Кр системы в пределах 0,55-0,8. При повышении коэффициента готовности комплекса с 0,55 до 0,8 полная эффективность применения системы возрастает с 1270 руб/сут до 1760 руб/сут.
На рис. 4.7 представлена номограмма определения полной ожидаемой эффективности очистных комплексов в условиях тонких и средней мощности пластов для граничных значений /I и р При повышении коэффициента готовности системы с 0,55 до 0,68 за счет увеличения наработки на отказ с 67 мин до 115 мин ( Д »10 = 1,5-0,9 мин ) и времени восстановления 54 мин ( JU »10 = 1,9 мин"" ), уменьшение параметра потока отказа }. на 10$ увеличивает эффективность комплекса на 35 руб/сут. При увеличении коэффициента готовности в этих же пределах за счет уменьшения времени восстановления с 55 мин до 32 мин ( р ФЮ = 1,9-3,1 мин ) и наработке на отказ 67 мин
