Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование техники и технологии горно-подготовительных работ является приоритетной задачей на ближайшую перспективу. Более 40 % объемов работ, связанных с проведением выработок по породе или с присечкой крепких пород, могут быть выполнены только с использованием буровзрывного способа проходки. Более 55 % объемов таких выработок приходятся на наклонные. Существующий уровень отечественной техники для этой технологии не обеспечивает требуемых скоростей проведения выработок и производительности труда проходчиков.
Изменить сложившееся положение возможно путем создания средств комплексной механизации горнопроходческих работ и, в частности, проходческих комплексов «Сибирь», которые прошли опытно-промышленную проверку и требуют расширения области их применения при одновременном повышении надежности и эффективности. Для таких комплексов, разрабатываемых на основе агрегатирования со взаимоувязанными параметрами работы подсистем в процессе проходческого цикла, отсутствуют эффективные методы системного исследования и расчетов рабочих параметров с учетом фактора надежности.
На основании вышеизложенного представляются актуальными научное обоснование и разработка методов рационального проектирования комплексов типа «Сибирь» с учетом надежности оборудования.
Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательских работ Кузниишахтостроя 2792061000, 2713340000-077, 2721200000, 2701006000 «Создание комплекса («Сибирь») для проведения наклонных (до 25) выработок», входящих в целевую комплексную программу Минуглепрома СССР ЦІ50805, - «Разработать и усовершенствовать технологию и средства комплексной механизации проходки наклонных выработок», №ГР 8189014, ЛГГР 01850022498, №ГР 72038042; по заказам-нарядам ВПО «Кузбассуголь» и ПО «Северокузбассуголь» по темам 003822, 2792551, 4321117206, 2792338000, 2792061000, 2792557000 -«Исследование и создание комплексов «Сибирь - 1», выполнялись в рамках программы «Уголь Кузбасса»; по договору с Мосметростроем по теме 2794040000 «Исследование и создание проходческого комплекса ;<Сибирь-2ТМ» для условий Мосметростроя»; по заказу «Росугля», по геме 30 «Исследование и разработка проходческих комплексов со съемными модулями («Сибирь-3 Универсал», «Сибирь-1 Универсал») и уни-зерсальным грузолюдским транспортом», входящей в отраслевую программу «Уголь России»; по федеральной программе (Минтопэнерго РФ) то темам 11, 12 «Исследование и модернизация комплексов «Сибирь-1»,
«Сибирь-2», теме 13 «Разработка оснащения поверхности, технологии проходки и схем технологического транспорта протяженных наклонных горных выработок».
Цель работы - повышение технического уровня проходческих комплексов типа «Сибирь» и разработка методов их проектирования с учетом фактора надежности.
Идея работы заключается в рассмотрении проходческого комплекса как вероятностно-динамической системы, эффективность функционирования которой определяется составом и надежностью операционных машин и материальных связей в определенных горно-геологических и горнотехнических условиях эксплуатации.
Задачи исследований:
провести стендовые и шахтные исследования по установлению и уточнению технических параметров и надежности оборудования, входящего в состав комплексов «Сибирь», установить закономерности распределения случайных величин показателей надежности комплексов;
разработать математическую модель процесса функционирования комплексов в подготовительном забое с учетом фактора надежности и вероятностного протекания работы оборудования в процессе проходческого цикла;
разработать методику проектирования проходческих комплексов «Сибирь» с учетом фактора надежности на основе системного подхода и использования имитационного моделирования.
Методы исследований:
анализ и обобщение результатов научных исследований и производственного опыта, широкомасштабные хронометражные наблюдения за работой комплексов в подготовительных забоях;
теории вероятностей, надежности и математической статистики, имитационное моделирование на ЭВМ работы комплексов при выполнении процессов проходческого цикла на основе системного подхода и вероятностного характера их функционирования.
Научные положения, выносимые на защиту:
'-эффективность работы проходческих комплексов типа «Сибирь» при проведении наклонных выработок снижается на 25-30 % из-за простоев, связанных с отказами оборудования. Наибольшее количество отказов приходится на базовые подсистемы- 34-37 %. Полученные случайные значения показателей надежности описываются экспоненциальным законом распределения;
- надежность конструктивных и кинематических связей между
функциональными машинами и базами комплексов имеет существенное
значение в структуре отказов (до 10 %) и должна учитываться при опре
делении производительности и показателей надежности комплексов;
- разработанная математическая модель процесса функционирова
ния комплексов отличается учетом вероятности оезотказкой работы
функциональных машин и связанных с этим потерь производительности
в заданных горно-геологических и горнотехнических условиях их экс
плуатации;
...,, -методика проектирования комплексов базируется на имитационном моделировании процессов их функционирования с учетом структуры и надежности подсистем и предусматривает применения ряда модификаций в зависимости от условий работы.
Научная новизна ра боты заклю чается:
в системном подходе к исследованию технического уровня и надежности комплексов «Сибирь», эффективность функционирования которых определятся составом оборудования, характером материальных связей между подсистемами комплексов, их надежностью в заданных горно-геологических условиях эксплуатации;
в определении количественных значений показателей надежности функциональных машин и их материальных связей с базами комплексов и установлении законов их распределения;
в разработке математической модели и алгоритма ее реализации на ЭВМ, позволяющих моделировать процесс функционирования комплексов в подготовительном забое с учетом порядка и продолжительности работы функциональных машин, их надежности и вероятностного характера протекания процессов проходческого цикла.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендацийподтверждается: .:.
применением апробированных методов, основанных; на фундаментальных положениях теорий вероятностей, математической статистики и массового обслуживания,, методов определения количественных показателей надежности и эффективности на основе проведения широкомасштабных хронометражных наблюдений за работой опытных образцов комплексов на шахтах отрасли; адекватностью вероятностных моделей реальному процессу при принятой доверительной вероятности, равной 0,9, и относительной ошибке в определении среднего значения, не превышающей 15%; .' ,
положительными результатами, полученными при внедрении основных положений диссертационной работы в практику сооружения наклонных выработок модернизированными комплексами, обеспечившими
повышение скорости проходки и производительности труда в 1,6-2,5 раза.
Личный вклад автора заключается:
в определении фактических показателей надежности функциональных машин и материальных связей базовых образцов комплексов «Сибирь» и их модификаций;
в установлении необходимого уровня надежности комплексов для достижения ими заданной производительности;
в расчете рабочих параметров комплексов при проведении подготовительных выработок с учетом надежности подсистем и материальных связей и вероятностного характера работы комплексов в подготовительном забое;
в разработке имитационного моделирования, позволяющего производить сравнение и выбор вариантов конструкций комплексов, обеспечивающих максимальную производительность с учетом конкретных горно-геологических условий сооружения подготовительных выработок.
Практическое значение работы заключается:
в определении фактических показателей надежности функциональных машин и материальных связей базовых образцов проходческих комплексов типа «Сибирь;
в установлении необходимого уровня надежности комплексов для достижения ими заданной производительности;
в расчете рабочих параметров комплексов при проведении подготовительных выработок с учетом надежности подсистем и материальных связей и вероятностного характера работы комплексов в подготовительном забое;
"- в разработке методики проектирования комплексов на основе системного подхода и имитационного моделирования.
Реализация работы. Содержащиеся в диссертации результаты исследований и разработок включены в следующие нормативно- технические документы:
1 .Технические задания институтам «ЦНИИподземмаш», «Сибгипрогормаш» и КузНИУИ на модернизацию проходческих комплексов типа «Сибирь» по темам 11 и 12 Федеральной программы Минтопэнерго РФ «Исследование и модернизация комплексов «Сибирь-1» и «Сибирь-2» / Кузниишахтострой. - Кемерово, 1993г.; «Разработать и усовершенствовать технологии и средства комплексной механизации проходки наклонных выработок» (№ГР 8189014; №01850022498; № ГР 72038042) / Кузниишахтострой. - Кемерово, 1993г.; Исследование и разработка проходческих комплексов со съемными модулями («Сибирь-3 Универсал», «Сибирь-1 Универсал» / Кузниишахтострой. Кемерово, 1996;
2. Альбом технологических схем по теме 13 «Разработка оснаще
ния ГТОВСрХНОСТИ ТеХНОЛОГЙЙ Пт^ОХОггь*И й СХ**й,г TVYwrtrTornufW-fYrn
транспорта протяженных наклонных горных выработок» / Кузнии-шахтострой, .Кемерово, lyya;
-
Методика сбора и обработки информации о надежности проходческих комплексов типа «Сибирь»/ Кузниишахтострой -КузГТУ, - Кемерово, 1998. -44 с;
-
Рабочая конструкторская документация на базовые образцы комплексов «Сибирь» и их модификации/ Кузниишахтострой-Сибг'ипрбгормаш.- Кемерово, 1996-1998 гг.;
5. Повышение технического уровня буровзрывных проходческих
комплексов типа «Сибирь» на стадии разработки : Методические реко
мендации / Кузниишахтострой - КузГТУ, - Кемерово, 1998 - 48 с,.
Общий экономический эффект от внедрения научных разработок по теме составил около 2 млн. р. (в ценах 1991 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-технической конференции с участием стран-членов СЭВ «Повышение надежности и качества технологических процессов в угольной промышленности» /ИГД им. А.А. Скочин-ского (Москва, 1987); научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов «Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства» (Кемерово, 1987-1989); Первом семинаре по угольному машиностроению Кузбасса (Кемерово, 1989); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Совершенствование технологии и средств комплексной механизации сооружения наклонных выработок» (Донецк, 1990); отраслевом семинаре «Горно-подготовительные работы на шахтах состояние, проблемы и перспективы развития»(г. Междуреченск, 1994); III — IV Международных конференциях «Нетрадиционные и интенсивные технологии разработки полезных ископаемых» (Новокузнецк, 1998; 1999); Ш Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 печатные работы, в том числе 3 авторских свидетельства и 3 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературных источников из 101 наименования и приложений. Изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков и 33 таблицы.
' Автор выражает глубокую признательность за методическую помощь научному руководителю докт. техн. наук, проф. В.Ф.Горбунову. В различные периоды помощь в проведении исследований и экспериментальных работ оказывали В.И.Бунин, Г.Ф.Винокуров, М.Д.Войтов,
С.В.Гордеев, А.Н.Раевский, Н.И.Рябов, Л.С.Чупин и другие специали-
'""ГЫ КОТОРЫМ 3.BT01") BbP"}S)KST СВОЮ блйГОДй1")НОСТЬ