CC BY
43
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
УДК 519.248 Долгих Евгений Сергеевич,
аспирант, кафедра ГМ и ЭМС, Иркутский государственный технический университет, e-mail: dolgih.es@istu.edu
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЕE СУТОЧНОГО ГРАДИЕНТА НА НАДЕЖНОСТЬ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ФРОНТАЛЬНЫХ ПОГРУЗЧИКОВ
E. S. Dolgih
ANALYSIS OF THE EFFECT OF TEMPERATURE AND ITS DAILY GRADIENT ON THE RELIABILITY OF THE WHEEL LOADERS EQUIPMENT
Аннотация. В статье представлены результаты статистического анализа хрупких разрушений металлоконструкций фронтальных погрузчиков L-1100. Установлено, что наиболее часто выходящим из строя узлом является ковш. Максимальное количество отказов ковшей приходится на конец зимы и весну. Характер распределения доли отказов по месяцам является идентичным по каждому погрузчику. Для периода максимального количества отказов характерно увеличение суточного градиента температуры и скорости ветра в сочетании с отрицательными температурами. С целью определения степени влияния погодно-климатических факторов проведён корреляционно-регрессионный анализ. При проведении анализа выполнялось определение степени влияния на надёжность ковша погрузчика погодно-климатических факторов по отдельности и при их взаимодействии. Установлено, что относительная частота отказов увеличивается по мере роста величины суточного градиента и среднесуточной скорости ветра. Высокие коэффициенты корреляции подтверждают сильный уровень связи погодно-климатических факторов с относительной частотой отказов. Увеличение относительной частоты отказов в зависимости от величины абсолютно минимальной суточной температуры выражено не явно. Увеличение относительной частоты отказов отмечается при температурах ниже -45 °С и на диапазоне от -30 до 0 °C. Уравнения регрессии, описывающие комплексное влияние погодно-климатических факторов, хорошо поясняют вариацию величины относительной частоты отказов и обладают высокой степенью значимости. Полученные уравнения могут служить основой для обоснования метода ограничения предельно допустимой нагрузки в целях повышения ресурса рабочего оборудования фронтальных погрузчиков.
Ключевые слова: горные машины, корреляционно-регрессионный анализ, погодно-климатические факторы, надёжность, хладноломкость, статистика.
Abstract. The article presents the results of the statistical analysis of brittle fractures of metal structures of wheel loaders L-1100. It is found that the most frequently failing node is a bucket. Maximum number of buckets failures is in the end of winter and spring. The distribution pattern of the share offailures by month is identical for each loader. The period of the maximum number offailures is characterized by increased diurnal temperature gradients and wind speeds in combination with negative temperatures. In order to determine the impact of climatic factors correlation and regression analysis is conducted. During the analysis the influence of the climatic factors individually and in their interaction on the loader bucket reliability was determined. It was found that the relative frequency of failures increases with increasing magnitude of gradient and average daily wind speed. High correlation coefficients confirm the strong level of connection of climatic factors with relative frequency of failures. Increasing the relative failure rates depending on the minimum daily temperature is not clearly stated. Increase in the relative frequency of failures is observed at temperatures below -45 °C and in range from -30 to 0 °C. The regression equations describing the complex influence of climatic factors explain the relative variation of frequency of failures and have a high degree of significance. The resulting equations can serve as a basis for the justification of the method of limiting the maximum allowable load in order to increase the resource of the wheel loaders equipment.
Keywords: mining machinery, correlation and regression analysis, weather and climatic factors, reliability, cold brittleness, statistics.
Горнодобывающая промышленность занимает одно из ключевых мест в экономике Российской Федерации. На территории Северо-Востока страны, а именно в Якутии, добывается почти 100 % алмазов, являющихся наиболее ценным минеральным сырьем на мировом рынке. Специфичность добычи полезного ископаемого на террито-
рии Якутии заключается в интенсивном снижении установленной прочности металлоконструкций горнодобывающего оборудования в связи с хрупкими разрушениями вследствие влияния отрицательных температур, которые могут достигать в зимние месяцы отметки -60 градусов, а также
больших суточных градиентов температуры до 30 градусов в весенние месяцы [1].
Очевидно, что данные факторы снижают уровень эксплуатационной надежности техники, работающей в условиях Севера, что в дальнейшем ведет к снижению технико-экономических показателей добычи минерального сырья.
Согласно наблюдениям за работой погрузчиков марки L-1100 на предприятии Удачнинский ГОК, констатируем, что значительная доля хрупких разрушений приходится на ковш и составляет 68 % от общего количества. На рис. 1 представлена диаграмма распределения количества хрупких разрушений по узлам фронтальных погрузчиков L-1100.
Рис. 1. Распределение количества хрупких разрушений по узлам фронтальных погрузчиков L-1100
Установлено, что общее число зафиксированных отказов ковшей фронтальных погрузчиков за период 2000-2001 и 2003-2004 гг. составляет 70, (у погрузчика № 401 38 отказов, № 402 - 32 отказа).
В соответствии с рис. 2, наибольшее количество поломок ковшей приходится на зимние и весенние месяцы, где пик поломок приходится на апрель и май. Этот период соответствует высокому суточному градиенту отрицательной температуры.
Рис. 2. Распределение числа поломок фронтальных погрузчиков марки L-1100 по месяцам за период с 2000-2001 и 2003-2004 гг.
При сравнении распределения доли отказов ковшей по месяцам за периоды 2000-2001, 20032004 с 1998-2001, 2003-2004, 2008-2009 (рис. 3) установлено, что характер распределения доли отказов меняется незначительно, что говорит о хорошем качестве выборки рассматриваемых статистических данных и устойчивом влиянии погод-но-климатических факторов.
Рис. 3. Распределение доли поломок по месяцам
С целью определения степени влияния на надёжность отрицательной температуры при разных её суточных градиентах и скорости ветра проведён статистический анализ отказов ковшей погрузчиков.
Подготовка данных и проведение статистического анализа выполнялись в три этапа с использованием программ Excel и Statistica [2, 3].
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ш
Первый этап направлен на оценку изменения относительной частоты отказов в зависимости от погодно-климатических факторов.
Относительная частота отказов рассчитывается по формуле
п
е = —, (1)
А ' ^
где п - абсолютное число поломок данного узла в принятом интервале погодно-климатического фактора; А - количество дней работы в интервале
погодно-климатического фактора за период наблюдений [4].
Целью второго этапа является выявление аналитической зависимости относительной частоты отказов от температуры при разных величинах ее суточного градиента.
Третий этап направлен на определение степени влияния отрицательной температуры и её суточного градиента при среднесуточных скоростях ветра в двух интервалах: от 0 до 3 м/с и от 3 до 7 м/с.
Согласно данным первого этапа статистического анализа определено, что относительная частота отказов увеличивается по мере роста суточного градиента температуры и среднесуточной скорости ветра. На рис. 4 и 5 в виде линии тренда, проходящей через поле корреляции, представлены зависимости относительной частоты отказов от величины суточного градиента температуры и величины среднесуточной скорости ветра. Высокие коэффициенты корреляции подтверждают сильный уровень связи погодно-климатического фактора с относительной частотой отказов.
Рис. 5. Распределение относительной частоты отказов ковшей погрузчиков в зависимости от величины среднесуточной скорости ветра
По интервалам абсолютно минимальной суточной температуры распределение относительной частоты отказов описывается нелинейной зависимостью. Максимальная величина относительной частоты отказов приходится на температуры менее -45 градусов, и имеются пики на интервале от -30 до 0 градусов. Такое распределение относительной частоты отказов можно пояснить тем, что температура -45 градусов соответствует пределу хладностойкости стали, а причиной возникновения пиков в диапазоне температуры от -30 до 0 градусов являются поломки, произошедшие в весенний период из-за быстрых изменений температуры окружающей среды в сочетании с большими скоростями ветра. Из эксплуатационной практики известны случаи разрушения крупных металлоконструкций горных машин, произошедшие в период падения не очень низких по своему значению (от -10 до -25 градусов) температур воздуха [5].
Рис. 4. Распределение относительной частоты отказов ковшей погрузчиков в зависимости от величины суточного градиента температуры
Рис. 6. Распределение относительной частоты отказов ковшей погрузчиков в зависимости от величины абсолютно минимальной суточной температуры
Определение аналитической зависимости относительной частоты отказов от значения температуры при разных величинах её суточного градиента выполнялось при использовании регрессионного анализа. Подготовленный для этого массив данных представляет собой зависимость относительной частоты отказов от разных сочетаний значений абсолютно минимальной суточной температуры и величины ее суточного градиента. По этим данным получены уравнения регрессии. Поверхности отклика, описываемые линейным и экспоненциальным уравнениями регрессии, представлены на рис. 7.
Вариацию значений относительной частоты отказов в большей степени объясняет уравнение
экспоненциального вида. Линейное уравнение хорошо описывает вариацию относительной частоты отказов только в интервале отрицательных температур. Проведение стандартных проверок регрессионных уравнений [6] показало, что уравнения и каждый их коэффициент обладают высокой степенью значимости. В табл. 1 представлены данные регрессионной статистики для уравнения экспоненциального и линейного вида.
Аналитическая зависимость относительной частоты отказов от температуры и ее суточного градиента определяется также по интервалам среднесуточной скорости ветра. Массив данных, используемых для определения аналитической зависимости относительной частоты отказов от
Рис.7. Поверхности отклика, описываемые линейным и нелинейным уравнениями регрессии
Т а б л и ц а 1
Данные регрессионного анализа
Уравнение регрессии Коэффициент Коэффициент Стандартная ^критерий Уровень зна-
множественной регрессии ошибка чимости
корреляции
Линейное 0,79 ъ0 -0,079 0,0254 -3,12 4-10"3
-0,002 0,0006 -3,07 4,5 -10~3
Ь2 0,015 0,0022 6,31 6 -10"7
Экспоненциальное 0,83 ¡Н 0,009 0,0023 4,33 8-10"5
ь2 -0,175 0,0141 -12,37 1-10"6
Ъз -0,047 0,0092 -5,08 7-10"6
Примечание. х - абсолютно минимальная суточная температура; у - суточный градиент.
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
m
комплексного влияния температуры и её суточного градиента, разделяется на два массива, соответствующие разным интервалам среднесуточных скоростей ветра: 0 до 3 м/с и от 3 до 7 м/с. После этого проводится расчет коэффициентов регрессии для уравнения экспоненциального вида. Полученные величины коэффициентов регрессии и данные о их проверке представлены в табл. 2. В обоих случаях уравнения регрессии отвечают предъявляемым требованиям проверки.
Полученные уравнения можно представить в виде графиков зависимости относительной частоты отказов ковшей от рассматриваемого комплекса погодно-климатических факторов.
Результаты анализа показывают, что ковш погрузчика чувствителен к отрицательным температурам и возникающим напряжениям, зависящим от величины суточных перепадов температуры.
Полученные аналитические зависимости могут служить основой для обоснования метода
ограничения предельно допустимом нагрузки в целях повышения ресурса рабочего оборудования фронтальных погрузчиков.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Авдеев А. Н. Распределение напряжений в базовых узлах карьерных экскаваторов и хрупкие разрушения конструкций // Авдеев А. Н., Бо-лотнев А. Ю., Унагаев Е. И. // Вестник ИрГТУ. 2009. №2. С. 17-19.
2. Додж М. Эффективная работа с Microsoft Excel 97 / Додж М., Кината К., Стинсон К. // - СПб: Питер, 1998. - 1072 с.: ил.
3. STATISTICA Electronic Manual.
4. Махно Д. Е. Хладноломкость и хладно стойкость металлоконструкций горных машин в условиях Севера / Махно Д. Е., Шадрин А. И., Авдеев А. Н., Макаров А. П. // монография. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2010. 232 с.
Т а б л и ц а 2
Данные регрессионного анализа с учетом ветрового воздействия
Уравнение регрессии для интервала среднесуточной скорости ветра Коэффициент множественной корреляции Коэффициент регрессии Стандартная ошибка t-критерий Уровень значимости
0 до 3 м/с 0,63 ¡h 0,024 0,0085 2,80 8,6 • 10"3
Ь2 -0,132 0,0235 -5,68 3-10"6
Ьэ -0,034 0,0154 -2,18 3,7 -10~2
3 до 7 м/с 0,86 ¡h 0,028 0,0069 4,01 1 • 103
Ьг -0,16 0,0175 -9,13 1 • 106
Ьэ -0,043 0,0200 -2,15 4,8 -10"2
-1 = -20 С°; V < 3 т/с
.........t = -40 С°; V < 3 т/с
- * -1 = -20 С°; V > 3 т/с ---1 = -40 С°; V > 3 т/с
Рис. 8. Распределение относительной частоты отказов ковшей фронтальных погрузчиков в зависимости от величины температуры, суточного изменения температуры, скорости ветра: I - абсолютно минимальная суточная температура; V - среднесуточная скорость ветра
5. Кох П. И. Надёжность механического оборудования карьеров. М.: Недра, 1978, 189 с.
6. Бараз В.Р. Корреляционно-регрессионный анализ связи показателей коммерческой деятель-
ности с использованием программы Excel: учебное пособие / В.Р. БАРАЗ. - Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2005. - 102 с.
