Основы теории функционирования и повышение эксплуатационной надежности карьерного оборудования как динамической системы разноресурсных элементов Кравченко, Владимир Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Для успешной интеграции Украины, как суверенного государства, в мировую экономику необходимо обеспечить высокую конкурентоспособность выпускаемой отечественной продукции.

В настоящее время Украина располагает крупнейшей машиностроительной базой по производству горного оборудования, в том числе такими крупнейшими предприятиями как "Азовмаш". НКМЗ, "Донецкгормаш", Горлов-ский, Ясиноватский машиностроительные заводы и т. д.. Значительная часть продукции этих предприятий приходится на выпуск средств механизации для открытых работ.

Особенностью средств механизации для открытых работ является их высокая теоретическая производительность и стоимость, а следовательно, и существенные потери добычи и убытки, связанные с устранением отказов этого оборудования.

Опыт эксплуатации технологических систем горно-обогатительных отраслей, оснащенных данным оборудованием, показал его недостаточную надежность при эксплуатации, что отрицательно сказывается на себестоимости продукта производства. Эти отрицательные последствия значительно усугубляются при работе комплексов оборудования, представляющих собой, как правило, системы последовательно соединенных по функциональному признаку машин и их групп.

Поэтому, повышение эксплуатационной надежности горного оборудования для открытых работ является актуальной проблемой, имеющей важное практическое значение.

Вместе с тем, следует отметить, что изученность процессов функционирования горных машин как объектов надежности, представляющих систему элементов, наработка на отказ которых имеет как различные законы, так и параметры этих законов (т.е. систем различного ресурса) и закономерностей формирования параметра потока отказов как элементов, так и машины в целом, с учетом переходных процессов нельзя признать достаточной. Необходимы также дальнейшие исследования по выявлению влияния ресурса работы машин, входящих в комплекс для открытых работ, на эффективность его использования.

Актуальными задачами также являются: формализация процессов функционирования горных машин и комплексов для открытых работ как объектов надежности; создание методов оптимизации восстановления их работоспособного состояния, с учетом как переходных, так и установившихся процессов формирования параметра потока отказов их элементов по критериям, обеспечивающим повышение эффективности их использования, а также разработка адаптивной системы сервисного обслуживания.

Выше изложенное свидетельствует об актуальности научной и практической значимости решения проблемы, заключающейся в разработке научных основ теории функционирования и повышения эксплуатационной надежности карьерного оборудования как динамической системы разноресурсных элемен-

тов, что позволяет обеспечить дальнейшее повышение его технического уровня и эффективности использования.

Связь работы с научными программами, планами и темами. Исследования проведены в соответствии с научным направлением Донецкого государственного технического университета "Разработка и совершенствование параметров, режимов работы и технологии производства горных машин и комплексов высокого технического уровня", а также согласно приказам ЦК КПСС и Совета Министров СССР №773 от 7.08.85г. "О мерах по коренному повышению технического уровня, качества машиностроительной продукции и развитию машиностроения как основы научно-технического прогресса в XII пятилетке и в перспективе до 2000 года" и № 718-214 от 13.Об.86г. "О дополнительных мерах по повышению технического уровня продукции машиностроения".

Цель работы. Повышение технического уровня и эффективности использования карьерного оборудования на основе разработанной теории функционирования и многокритериального синтеза процесса восстановления его работоспособности как динамической системы разноресурсных элементов.

Поставленная цель определила необходимость решения следующих главных задач.

1. Формализовать процесс восстановления горной машины для открытых работ как объекта надежности, представляющей сложную динамическую систему элементов различного ресурса (определяемого их законами и параметрами наработки на отказ), убывающих и вводящихся в эксплуатацию в различное время.

2. Установить влияние законов наработки на отказ и плановости замен элементов горной машины на нестационарность процесса их восстановления на показатели надежности, техническую производительность и количество необходимых запасных частей, а также влияние эксплуатационных факторов на технологический процесс восстановления.

3. Разработать математическую модель функционирования комплекса для открытых работ как системы машин различного функционального назначения и ресурса, автоматизировать ее формирование в ЭВМ на базе математических моделей функционально законченных элементов, учитывающих возможные структуры средств механизации добычи полезного ископаемого и нестационарность процесса их восстановления.

4. Установить влияние структуры и параметров комплекса горных машин для открытых работ как системы машин различного функционального назначения и ресурса на эффективность его использования.

5. Разработать метод адаптивной оптимизации планово-предупредительных ремонтов горного оборудования как системы элементов различного ресурса с обоснованием оптимального времени проведения очередного ремонта, его вида и затрат на его реализацию.

6. Разработать систему комплексного адаптивного сервисного обслуживания оборудования для открытых работ как динамической системы элементов и машин различного ресурса.

7. Апробировать разработанные научные основы теории функционирования и повышения эксплуатационной надежности горных машин как динамической системы элементов различного ресурса.

Объект исследования - эксплуатация оборудования карьеров.

Предмет исследования - процесс функционирования и синтез процесса восстановления работоспособного состояния горного оборудования для открытых работ.

Идея работы Учет особенностей переходных процессов формирования параметра потока отказов элементов горного оборудования, обусловленных плановыми заменами, видом и параметрами их законов наработки на отказ, при определении оперативного коэффициента готовности и структурно-параметрической оптимизации процесса восстановления его работоспособности.

Методы исследований. Достижение поставленной цели обеспечивается на основе использования методологии системного подхода и рационального сочетания теоретических и экспериментальных методов исследований. Экспериментальные исследования по установлению законов наработки на отказ элементов машины и параметра потока ее отказов реализованы на серийно выпускаемых машинах в реальных условиях их эксплуатации. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась на ЭВМ методами теории вероятностей и математической статистики. При разработке математических моделей функционирования машин и комплексов для открытых работ использовались основные положения классической теории надежности и численные методы вычислений. Адекватность математической модели горной машины как объекта надежности, состоящего из большого количества элементов различного ресурса, устанавливалась методами регрессионного анализа на основе сравнения по критерию Фишера параметра потока отказов горной машины по результатам натурных и вычислительных экспериментов, а также путем сравнительного анализа.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Функционирование горной машины сопровождается переходными процессами формирования параметра потока отказов элементов, входящих в ее состав. Впервые показано, что длительность этих процессов для основной части элементов машины соизмерима с ресурсом ее работы и обуславливает нестационарность процесса восстановления работоспособного состояния, величину и характер изменения оперативного коэффициента готовности, эффективность ее использования во времени. Факторами, определяющими длительность и характер изменений этих переходных процессов, являются вид и параметры законов распределения вероятности наработки на отказ, а также время их плановой замены.

2. Нестационарный процесс восстановления горной машины, характеризуемый оперативным коэффициентом готовности, временными, трудовыми и материальными затратами на восстановление машины во времени, адекватно описывается математической моделью функционирования машины как динамической системы разноресурсных элементов, учитывающей переходные процессы формирования параметра потока отказов и плановую замену ее элементов.

3. Функционирование комплекса как динамической системы машин различного функционального назначения и ресурса, которые могут вводиться в эксплуатацию в различное время, характеризуется случайным процессом формирования его технической производительности, параметры распределения которого определяются сбалансированностью машин по ресурсу и производительности. Этот процесс может быть описан совокупностью взаимоувязанных, с учетом его структуры, математических моделей следующих функционально-законченных элементов: горная машина или группа машин (последовательно, параллельно или смешанно соединенных); горная машина или группа машин (последовательно, параллельно или смешанно соединенных) с бункером, расположенным на ее (их) входе; узел суммирования потоков добываемого материала; узел разделения потока добываемого материала, учитывающий стратегию управления им.

4. Повышение технического уровня и эффективности использования горных машин может быть достигнуто комплексным адаптивным сервисным обслуживанием на основе многокритериальной оптимизации процесса восстановления их работоспособности с учетом переходных процессов формирования параметра потока отказов элементов. Это обеспечивается увеличением: ресурса и ремонтопригодности их элементов; оперативного коэффициента готовности на основе сокращения числа неплановых простоев, обусловленных внезапными отказами; коэффициента использования машины с рациональными технико-экономическими показателями ее работы и безопасности эксплуатации на основе сокращения частоты диагностирований, длительности капитальных ремонтов и рационального использования трудовых ресурсов при их реализации.

5. Многокритериальная адаптивная оптимизация процесса восстановления работоспособности горных машин обеспечивается разработанным методом комплексного решения следующих задач: определения оптимального времени диагностирования, выбраковки и замены элементов с прогнозируемыми отказами по критерию минимально допустимой работоспособности и (или) безопасности эксплуатации; определения оптимального времени плановой замены элементов с непрогнозируемыми отказами по критерию минимального ущерба от неплановых простоев от замены этих элементов; обоснования вида очередного ремонта (текущего или капитального) по критерию эффективности работы комплекса, в состав которого они входят; определения оптимального времени постановки машины на капитальный ремонт по критерию снижения приведенных затрат на эксплуатацию машины в случае реализации капитального

ремонта; сокращения длительности нахождения машины в капитальном ремонте по критерию минимального времени его реализации и снижения затрат на его реализацию по критерию равномерного распределения трудовых ресурсов.

Выносимые на защиту научные положения составляют научные основы теории функционирования и повышения эксплуатационной надежности горных машин как объектов надежности, представляющих собой систему элементов различного ресурса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы:

корректным использованием методологии системного подхода, апробированных современных методов теории надежности, теории вероятностей, математической статистики, а также современных методов оптимизации;

результатами теоретических и экспериментальных исследований работы серийно выпускаемых экскаваторов типа ЭКГ-8И как объектов надежности в реальных условиях их эксплуатации;

разработанными математическими моделями, описывающими процесс функционирования горной машины как объекта надежности, представляющего систему элементов различного ресурса, и комплекса горных машин как системы машин различного ресурса и производительности, адекватно отражающих реальные процессы изменения во времени показателей надежности при их использовании.

Достоверность результатов исследований обеспечивается: представительностью условий и объема проведенных экспериментальных исследований по сбору статистической информации наработки на отказ и восстановлению работоспособного состояния элементов экскаватора; использованием при обработке этой информации современных методов математической статистики; достаточной степенью адекватности разработанных математических моделей процесса функционирования горных машин и комплексов как объектов надежности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

впервые установлены особенности процесса восстановления горных машин и комплексов, представляющих динамические системы элементов различного ресурса, и обоснована необходимость учета нестационарного характера параметра потока отказов этих элементов при оптимизации процесса сервисного обслуживания и восстановления работоспособного состояния горных машин;

разработаны научные основы процесса функционирования горных машин и комплексов как объектов надежности, представляющих динамические системы элементбв различного ресурса (и производительности для комплекса), позволяющие описать процесс восстановления этих машин с учетом как установившихся, так и переходных процессов формирования параметра потока отказов, их составных частей и объектов в целом;

разработан метод формализации функционирования комплекса как системы сложной структуры, представляющей последовательное, параллельное и смешанное соединение горных машин различного функционального назначения,

ресурса и производительности, позволяющий автоматизировать формирование математической модели этого процесса в ЭВМ на основе разработанных и обобщенных универсальных математических моделей функционально законченных элементов (ФЗЭ);

разработаны математические модели оптимизации процесса восстановления горных машин как системы элементов с диагностируемыми и недиагностируе-мыми отказами, позволяющие оптимизировать планово-предупредительные ремонты горных машин с учетом изменения во времени показателей надежности, как самой машины, так и других машин, входящих в комплекс;

экспериментально установлены законы и параметры распределения наработок между отказами элементов серийно выпускаемых экскаваторов типа ЭКГ-8И и показано, что параметр потока отказов машины есть величина нестационарная, зависящая от ее наработки и изменяющаяся на протяжении всего срока эксплуатации;

развита теория комплексного адаптивного сервисного обслуживания горного оборудования как динамической системы элементов и машин различного ресурса.

Научное значение работы состоит в развитии теории функционирования и методов синтеза процесса восстановления горных машин и комплексов для открытых работ на основе установленных закономерностей формирования параметра потока отказов их элементов.

Практическое значение работы заключается в повышении эксплуатационной надежности, установлении закономерностей влияния эксплуатационных факторов на процесс восстановления горных машин и комплексов и разработке:

структуры системного комплексного адаптивного сервисного обслуживания горного оборудования для открытых работ, позволяющей обеспечить организацию его ремонтов с учетом конкретных условий эксплуатации, а также повышение оперативного коэффициента готовности машин, сокращение длительности ремонтов и снижение трудовых затрат на их реализацию, обоснование рационального количества запасных частей и времени их поставки;

методики оптимизации капитального ремонта горного оборудования для открытых работ по критерию равномерности ресурса работ при его реализации;

математического обеспечения адаптивной оптимизации проведения планово-предупредительных ремонтов горных машин как системы элементов различного ресурса;

математического и программного обеспечения для моделирования процесса функционирования горных машин и комплексов как объектов надежности, представляющих систему элементов различного ресурса (и производительности для комплекса), позволяющих описать процесс восстановления этих машин с учетом как установившихся, так и переходных процессов формирования параметра потока отказов их составных частей и объектов в целом;

- методики проведения и обработки статистических данных эксперименталь
ных исследований функционирования экскаваторов типа ЭКГ8-И как объектов

надежности, установления законов распределения между отказами, времени, трудоемкости и стоимости устранения отказов;

технологии капитальных ремонтов экскаватора ЭКГ - 8И необезличенным методом, позволившая повысить эффективность его реализации за счет сокращения длительности ремонтных работ и равномерного распределения трудовых ресурсов;

технологии капитального ремонта экскаватора ЭКГ-8И методом обезличенных замен сборочных единиц и агрегатов, позволившая увеличить комплексные показатели надежности на различных экскаваторах на 12-30% и сократить длительность ремонта в 1,5 раза.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Основные выводы и рекомендации работы использованы АОО «Азов-маш» при модернизации выпускаемого оборудования, проведении и организации его капитального ремонта, а также при организации технических центров системы фирменного обслуживания.

Результаты исследований включены в книгу «Ремонтная технологичность карьерных механических лопат», а также использованы при чтении курса "Эксплуатация и ремонт горного оборудования" в ДонГТУ.

Личный вклад соискателя. Теоретические и экспериментальные исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнены совместно с сотрудниками ДонГТУ, МГГУ, АОО «Азовмаш» и других организаций при активном участии автора или под его руководством. Результаты этих исследований опубликованы в соавторстве с ними. Основные идеи работы и методики теоретических и экспериментальных исследований принадлежат автору.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на межвузовских научно-технических конференциях: Международном симпозиуме «Горная техника на пороге XXI века» (Москва 1995г.); Международной научно-технических конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" (Севастополь 1999г.); Международном симпозиуме «Неделя горняка - 2000» (Москва 2000г.); международном научно-практическом семинаре «Практика и перспективы развития институционного партнерства» (Таганрог 2000г.); VII Международной научно-технических конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века" (Севастополь 2000г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано более 34 научные работы, в том числе: 1 монография, 2 брошюры, 20 статей в научных специальных изданиях Украины (8 - без соавторства), опубликовано 3 тезиса докладов наконференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов (10 подразделов) и заключения; содержит 325 страницы, в том числе 272 страниц машинописного текста, 48 рисунков, 26 таблиц, список ссылок из 248 наименований и приложения.