Введение к работе
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.
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.
