Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жабин Александр Борисович

доктор технических наук, профессор Островский Михаил Сергеевич

доктор технических наук, профессор Сысоев Николай Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидропривод используется в большинстве горных машин. Ежегодно на угледобывающих предприятиях РФ в эксплуатации находится более 200 тыс. элементов гидропривода - насосов, гидроцилиндров и распределителей механизированных крепей, проходческих комбайнов, гидравлических экскаваторов, буровых станков и других горных машин. На гидропривод приходится 15-30 % отказов. Для однотипных горных машин различаются 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 постепенного изменения объемного КПД и других определяющих параметров.

Постепенное изменение параметров не только повышает вероятность внезапного 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 замена еще работоспособного элемента гидропривода при достижении его определяющим параметром определенной величины, называемой предельным состоянием.

В настоящее время для элементов гидропривода в стандартах и руководствах по эксплуатации назначаются одинаковые («жесткие») величины предельных состояний, не учитывающие разнообразия условий использования и конструктивных особенностей горных машин.

Отсутствуют научно обоснованные методы расчета запасных частей, учитывающие 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 эффективно.

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

Цель работы. Разработка методологии обоснования предельных состояний и резерва элементов гидропривода с учетом влияния их технического состояния на производительность и надежность горных машин для повышения эффективности эксплуатации.

Идея работы заключается в том, что для одного и того же элемента гидропривода целесообразно устанавливать различные по величине значения предельного состояния и количество 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 использовались теория гидропривода, математический аппарат теории вероятностей, эксплуатационные наблюдения за работой горных машин, методы математической статистики, теории надежности и управления запасами, системного анализа и математического моделирования с применением компьютерной техники.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели функционирования элементов гидропривода с постепенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение производительности машины, позволяющие рассчитывать наработку между заменами и величину предельного состояния таких элементов.

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

3. Закономерности влияния конструктивных особенностей горной машины, элемента, экономических и горнотехнических условий эксплуатации на оптимальные величины наработок между заменами и предельного состояния элементов гидропривода.

4. Метод расчета коэффициента готовности, технической и эксплуатационной производительности гидрофицированных горных машин, отличающийся тем, что учитывает зависимость их производительности от технического состояния элементов гидропривода.

5. Метод оценки эффективности эксплуатации гидропривода горных машин, 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 отказов в процессе эксплуатации, а также возможность частичного использования ранее замененных элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью использованных теорий гидропривода, вероятности, надежности и математической статистики; адекватностью математических моделей процессу функционирования гидропривода горных машин и использованием данных, полученных с доверительной вероятностью не менее 0,9 и величиной относительной ошибки не более 0,1.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- разработан метод установления дифференцированных предельных состояний элементов гидропривода горных машин, учитывающий их конструктивные особенности, скорость ухудшения технического состояния элемента и степень его влияния на производительность, затраты на замену, ущерб из-за простоя;

- установлены зависимости потери производительности горной машины от степени задействования элемента гидропривода в процессе работы, начальной и конечной величины его определяющего параметра;

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

- установлены закономерности влияния стоимости и продолжительности замены, ущерба из-за простоя, скорости изменения параметра, взаимосвязи технического состояния элемента гидропривода и производительности машины в различных условиях на величины оптимальных наработок между заменами, 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 особенностей машины и элемента, экономических и горнотехнических условий эксплуатации на оптимальные величины наработок между заменами и предельных состояний элементов гидропривода горных машин;

- разработан метод расчета необходимого количества запасных частей для элементов гидропривода забойных машин, отличающийся тем, что учитывает влияние их технического состояния на надежность и производительность машины, экономические факторы, вероятность использования замененного ранее элемента.

Научное значение заключается в создании методологии обоснования предельных состояний и резерва элементов гидропривода горных машин, выразившейся в разработке теории и моделей функционирования элементов гидропривода, ухудшение технического состояния которых вызывает уменьшение производительности горных машин, на основе которых уточнены формулы для расчета коэффициента готовности, технической и эксплуатационной производительности, 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 предельных состояний элементов гидропривода горных машин;

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

- методики расчета резерва параметра элементов гидропривода горных машин;

- методики расчета коэффициента готовности, технической и эксплуатационной производительности 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 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 производительности гидрофицированных горнопроходческих машин с учетом технического состояния элементов гидропривода», «Определение ущерба от ухудшения технического состояния элементов гидропривода горнопроходческих машин», «Расчет резерва параметра элементов гидропривода горнопроходческих машин» приняты к использованию в ОАО «ЦНИИподземмаш» для проектирования горнопроходческих машин. Методики «Определение влияния технического состояния элементов гидросистемы на производительность угледобывающих комплексов», «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидросистемы угледобывающих комплексов», «Расчет коэффициента готовности, технической и эксплуатационной производительности угледобывающих комплексов с учетом технического состояния элементов гидросистемы», «Расчет резерва параметра элементов гидросистемы угледобывающих комплексов» использованы в ОАО «Объединенные машиностроительные технологии» при проектировании угледобывающих комплексов. Методики «Расчет дифференцированных наработок до замен и предельных состояний элементов гидропривода горных машин» и «Расчет необходимого количества запасных частей элементов гидропривода горных машин» использованы в ОАО «ХК СДС - Уголь» при эксплуатации гидрофицированных горных машин. производительность горнотехнический эксплуатация

Основные научные результаты диссертации используются в учебном процессе Московского государственного горного университета при подготовке дипломированных специалистов по специальности 150402 - «Горные машины и оборудование».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международном семинаре "Проблемы и перспективы развития горной техники" (Москва, МГГУ, 1994 г.), международном симпозиуме "Горная техника на пороге XXI века" (Москва, МГГУ, 1995г.), второй международной 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, Сочи, Санкт-Петрбурге 2004, 2005г.г., международных конференциях «Неделя горняка» (Москва, МГГУ, 1999 - 2010 гг.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 29 научных трудах, включая 23 статьи, опубликованные в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 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 университета и специалистам 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 горных, дорожно-строительных, сельскохозяйственных машин, станков и авиационной техники.

В настоящее время гидропривод используется в большинстве горных машин - механизированных крепях, проходческих комбайнах, породопогрузочных 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 другие.

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., Солода 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 надежности 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 определяющих параметров элементов.

Имеющиеся теории и методы позволяют прогнозировать ресурс и надежность элементов, а также их уменьшение вследствие износа, в основном вызванного загрязнением рабочей жидкости.

Ряд работ посвящен техническому обслуживанию горных машин, возможным стратегиям, влиянию условий эксплуатации на надежность и необходимый объем профилактических воздействий. В них рассмотрены стратегии технического обслуживания по отказам, по наработке, стратегия по техническому состоянию и групповая.

Наиболее прогрессивной в настоящее время признается стратегия обслуживания 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 надежность 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 параметров элементов на их производительность.

Изучение опыта применения гидропривода в других отраслях промышленности показало, что идеи расчета дифференцированных предельных состояний рассматривались для дорожно-строительных машин, в основном гидравлических экскаваторов.

Сарицыным Т.А предлагалось выражение для определения общих приведенных затрат как суммы приведенных затрат на приобретение привода, эксплуатацию и техническое обслуживание. При допущении, что затраты на техническое обслуживание не зависят от израсходованного ресурса, предполагалось, что оптимальный ресурс гидропривода определяется целевой функцией затрат. Требовалось иметь статистические данные по эксплуатации и определить значения ряда эмпирических коэффициентов в предложенной формуле, и тогда можно было бы приближенно определить оптимальный ресурс до капитального 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 объемному КПД гидропривода в целом. Найдя интервал, на котором прибыль принимает максимальное значение, и зная скорость изменения объемного КПД, автор предполагал определить величину предельного состояния, при котором целесообразна замена.

Сложность использования предложенных методов заключается в отсутствии возможности установления значений используемых при расчете коэффициентов и методов учета ущерба из-за снижения объемного КПД и влияния изменения параметров элементов и гидропривода в целом на производительность 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 показало, что научно обоснованные методы расчета запасных частей требуют дальнейшей разработки.

Количество запасных частей рассчитывается или по среднему расходу, или исходя из вероятности достаточности запаса для обеспечения заданного значения коэффициента готовности, что, на наш взгляд является подменой условий задачи, так как нигде не обосновывается и не рассчитывается само его значение, в связи с чем возникает закономерный вопрос: почему значение коэффициента 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 методологии обоснования предельного состояния элементов гидропривода горных машин и уточнения методов расчета величины их запаса, для чего предусмотрено решение следующих основных задач:

- разработать модели функционирования элемента гидропривода с постепенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение производительности горных машин;

- разработать методику определения и установить степень влияния изменения величины параметров основных элементов гидропривода на производительность горных машин;

- разработать метод установления наработок до замен и дифференцированных значений предельных состояний элементов гидропривода горных машин с учетом их конструктивных параметров и условий эксплуатации;

- уточнить методы расчета технической и эксплуатационной производительности горных машин и значения коэффициента готовности с учетом влияния на их величины изменяющегося технического состояния элементов гидропривода горных машин;

- разработать метод расчета запасных частей с учетом влияния изменения технического состояния элементов гидропривода на производительность и надежность горных машин;

- разработать методику оценки эффективности эксплуатации гидропривода горных машин.

Для установления наработок до замен и дифференцированных значений предельного состояния разработаны математические модели функционирования элементов гидропривода с постепенно изменяющимися параметрами, влияющими на уменьшение производительности горной машины, учитывающие следующие факторы и понятия:

- начальные _, и текущие _, значения параметров элемента и производительности машины;

- скорости изменения определяющего параметра элемента и уменьшения производительности машины, вызванного изменением параметра элемента - ;

- интервал между заменами элемента - ,

- продолжительность и стоимость замены элемента, необходимые затраты времени и средств на поддержание нормального функционирования элемента, возрастающие , и остающиеся постоянными , в процессе эксплуатации,

- коэффициенты и , характеризующие увеличение затрат времени и средств на поддержание нормального функционирования элемента, продолжительность функционирования элемента без влияния изменения его определяющего параметра на производительность машины

Одной из самых сложных задач является определение ущерба из-за постепенного изменения параметров элементов и гидропривода в целом.

Для ее решения нами введены два новых понятия - «коэффициент влияния» и «условный простой» и предложены методы для их определения..

Наблюдения показали, что изменение технического состояния элементов гидропривода вызывают изменение скорости выполнения рабочих и вспомогательных 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 продолжительность 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 абсолютным и относительным .

Значение абсолютного коэффициента влияния показывает, на сколько единиц уменьшится производительность горной машины при изменении параметра элемента гидропривода на одну единицу , имеет размерность отношения единицы производительности машины к единице параметра элемента и определяется из выражения:

. (1)

Значение относительного коэффициента влияния показывает, на сколько процентов уменьшится производительность горной машины при изменении определяющего параметра элемента гидропривода на один процент , является безразмерной величиной и определяется из выражения:

. (2)

Значение абсолютного и относительного коэффициентов влияния в зависимости от вида производительности машины может быть «расчетным», «техническим» и «эксплуатационным».

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

. (3)

С использованием формул (2) и (3) можно составить следующее равенство:

. (4)

Отношение начальной величины параметра элемента (или величины, начиная с которой оказывается влияние на производительность машины) к скорости 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 полностью не вырабатывается и замена производится раньше, такую величину предложено назвать «квазиресурс параметра элемента».

Методика установления значений отработана на примере проходческого комбайна. Данные о продолжительности задействования элементов гидропривода получены на основе проведенных хронометражных наблюдений.

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

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

На гистограмме не помещены данные о времени задействования распределителей и гидроцилиндров управления питателем 0.002, поворота и подъема конвейера - по 0.0005

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 гидроцилиндров подъема исполнительного органа - 0.05.

Рис. 2. Относительная продолжительность задействования элементов гидропривода при работе проходческого комбайна1ГПКС.

1 - насос 0.5; 2 - распределитель гидроцилиндров поворота исполнительного органа 0.3; 3 - гидроцилиндр поворота исполнительного органа 0.3; 4 - распределитель гидроцилиндров подъема исполнительного органа 0.1; 5 - гидроцилиндр подъема исполнительного органа 0.1; 6 - распределитель гидроцилиндров выдвигания исполнительного органа 0.04; 7 - гидроцилиндр выдвигания исполнительного органа 0.04; 8 - распределитель опорных домкратов (аутригеров) 0.002; 9 - опорный домкрат (аутригер) 0.002;

Для гидрораспределителей и гидронасосов величина коэффициента «влияния» находится как сумма значений коэффициентов влияния взаимодействующих с ними элементов.

При всем разнообразии конструкций горных машин и условий их применения в продолжительности и степени задействования элементов гидропривода выявлены общие закономерности:

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

- часть времени задействования гидропривода никаких операций не выполняется, 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 продолжительности задействования рассматриваемого элемента и работы машины, значение относительного коэффициента влияния можно рассчитать с различной степенью точности, зависящей от конструктивных особенностей машины и факторов эксплуатации.

Диапазон значений коэффициентов влияния для элементов гидропривода различных горных машин представлен в табл. 1

Для расчета величины ущерба, вызванного уменьшением производительности машины вследствие изменения параметра элемента, предложено использовать понятие «условного простоя» - разницу между фактическим и расчетным временем выполнения заданного объема работы - и показатель «продолжительность условного простоя» , являющийся функцией от снижения производительности горной машины (средняя производительность меньше начальной ) и объема выполняемой работы, а, следовательно, и наработки между заменами элемента:

, (5)

где - фактическое время выполнения заданного объема работы как функция от постепенно снижающейся производительности горной машины вследствие изменения параметра элемента;

- расчетное время выполнения заданного объема работы, полученное исходя из условия, что начальная величина параметра элемента и, соответственно, производительности горной машины с течением времени не изменяется.

Величина условного простоя, полученная в результате преобразований исходя из изменения параметра (производительности) по линейному закону, рассчитывается по формуле (6).

Таблица 1

Значения коэффициентов влияния элементов гидропривода горных машин

(6)

При наличии резерва параметра величину условного простоя можно найти из выражения:

 . (7)

С использованием коэффициента влияния, начального и конечного значения величины параметра элемента выражение для определения продолжительности условного простоя примет вид:

. (8)

Целевые функции затрат времени на единицу продолжительности функционирования системы и затрат средств на единицу произведенной продукции имеют вид:

, (9)

(10)

где - ущерб за единицу продолжительности условного простоя.

Величина 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 удельные затраты на эксплуатацию гидроцилиндра поворота стрелы проходческого комбайна 1 ГПКС в различных условиях эксплуатации: при стоимости замены в 10 000 руб., ущербе из-за условного простоя в 4000 руб/час, значении коэффициента влияния =0.15, начальном значении объемного КПД - 98%, скорости изменения параметра S = (0.002 - 0.003) %/час, продолжительности эксплуатации гидроцилиндра без влияния на производительность комбайна (при резерве параметра) То = (0 - 1000) час.

Рис. 3. Зависимость удельных затрат от продолжительности эксплуатации элемента. 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 результате 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

; (11)

- средств на единицу произведенной продукции без учета затрат, возрастающих в процессе эксплуатации

; (12)

- средств на единицу произведенной продукции в случае влияния изменения параметра элемента на производительность машины с начального момента времени

(13)

Ряд других выражений для расчета наработок между заменами при минимизации затрат времени или средств на единицу продолжительности функционирования 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

. (14)

Для анализа факторов эксплуатации предложены коэффициенты относительных затрат времени и средств , определяемых как отношения продолжительности или стоимости замены к величине постоянных затрат времени или средств (в том числе ущерба из-за условного простоя) на поддержание функционирования элемента.

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

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 проектировании и эксплуатации горных машин.

Рассмотрим влияние изменения технического состояния элементов гидропривода на производительность машин.

Изменение параметров элементов гидропривода вследствие износа приводит к увеличению продолжительности выполнения рабочих и вспомогательных операций горными машинами. Вследствие этого уменьшаются значения их технической и эксплуатационной производительности. Из-за уменьшения производительности в большинстве случаев возрастает доля времени работы машины - .

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

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

 . (17)

Также продолжительность условного простоя можно понимать как дополнительно затрачиваемое время на выполнение рассматриваемого объема работы вследствие снижения величины начальной производительности машины.

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

(18)

где -затраты времени на вспомогательные операции; - затраты времени на устранение отказов; - потери времени по организационным причинам; N - количество рассматриваемых элементов гидропривода, изменение технического состояния которых влияет на производительность машины.

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

. (19)

Аналогично определяются уточненное значение технической производительности и коэффициента влияния на нее условного простоя.

Используя понятие коэффициента готовности и продолжительности условного простоя, составим выражение для определения уточненного коэффициента готовности «с учетом условного простоя» - выражение (20):

(20)

Используя понятия теоретической производительности и продолжительности условного простоя, напишем выражение для определения уточненной (с учетом влияния изменения технического состояния элементов гидропривода) технической производительности горных машин:

. (21)

Аналогично получено выражение для определения эксплуатационной производительности.

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

Для оценки влияния постепенных и внезапных отказов элементов гидропривода на техническую и эксплуатационную производительность машин предложена система коэффициентов и показателей, часть из которых представлены ниже.

Коэффициенты, использующие величину продолжительности условного простоя, - это «расчетный» («теоретический») (22), «технический» (23), и «эксплуатационный» (24), коэффициенты удельного условного простоя, а также коэффициенты удельных потерь за время работы (25) и эксплуатации (26):

(22); (23); (24);

(25); (26).

Также предложены коэффициенты удельных потерь времени из-за отказов: постепенного (27), внезапного (28) (коэффициент был известен ранее), суммы постепенного и внезапного (29):

(27); (28); (29) .

Предложены формулы для расчета скорректированных значений коэффициентов готовности с учетом отказов: постепенных (30), внезапных (31), суммы постепенных и внезапных (32):

(30); (31); (32).

Актуальной на любом предприятии является проблема запасных частей. Их недостаток приводит к повышению продолжительности простоя, избыток (крайне редкое явление на производстве) - к замораживанию средств, повышенным 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 элемента после достижения его определяющим параметром оптимального расчетного предельного состояния.

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

- запасные части приобретаются заранее на определенный интервал эксплуатации (например, на год или квартал). В конце этого периода производится пополнение запаса до расчетной величины ;

- в работе находится элементов, вероятность отказа поставленного запасного элемента (вместо отказавшего) пренебрежимо мала;

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

- элемент при достижении расчетного предельного состояния и наличии запасной части заменяется и помещается на склад. При внезапном отказе и отсутствии запасных частей такой элемент снова устанавливается. При этом имеет место ущерб из-за потери производительности, перерасхода ресурса и энергии;

- при достижении расчетного предельного состояния элемент заменяется при наличии запасной части; если запасная часть отсутствует, элемент не заменяется и имеет место ущерб из-за потери производительности и перерасхода ресурса оборудования;

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

Исходя из этих условий целевая функция затрат имеет следующий вид:

(33)

где - суммарные затраты на эксплуатацию при использовании элементов; - рассчитываемое количество запасных частей; - количество эксплуатируемых элементов; - затраты на хранение одной запасной части (без стоимости приобретения); - ущерб из-за нехватки одной запасной части при внезапном отказе (без стоимости приобретения запасной части); - ущерб в единицу времени при продолжении эксплуатации элемента после достижения им установленного предельного состояния; - математическое ожидание эксплуатации элемента после достижения предельного состояния; - вероятность внезапного отказа; - вероятность постепенного отказа; - возможное количество внезапно отказавших элементов; - возможное количество постепенных отказов; - возможное количество постепенных отказов без замены элемента при условии , - при и при ; - вероятность наступления ровно внезапных отказов; - вероятность наступления ровно постепенных отказов; - вероятность наступления ровно постепенных отказов.

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

(34)

где - ущерб из-за нехватки одной запасной части при постепенном отказе (без стоимости приобретения запасной части).

В данной модели первое слагаемое представляет затраты на запасные части, второе слагаемое - ущерб из-за внезапных отказов после израсходования запасных частей на внезапные отказы, третье - ущерб из-за постепенных отказов после израсходования запасных частей на внезапные и постепенные отказы, 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 количества, при эксплуатации десяти однотипных элементов, стоимости запасной части = 3000 руб., ущербе из-за наступления отказов внезапных = 30000 руб. и постепенных = 15000 руб. и, соответственно, их вероятностей = 0.1 и = 0.2.

На рис. 6б приведены зависимости оптимального количества запасных частей от вероятности наступления отказов и стоимости запасной части.

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

Предложенные модели расчета необходимого количества запасных элементов гидропривода горных машин позволяют прогнозировать расход и оптимизировать запас для различных условий эксплуатации.