CC BY
40
Если причины отказов электрооборудования экскаваторов сгруппировать по условиям эксплуатации, технического обслуживания, конструирования, режимов управления, то можно получить оценку факторов, влияющих на его надежность. В процессе обработки полученных статистических данных на этой основе установлено, что, например, у генераторов подъема ПЭМ-151-8К 15 % отказов обусловлено горнотехническими условиями эксплуатации, 14 % - по-годно-климатическими условиями эксплуатации, 30 % отказов обусловлено конструктивными недостатками. 18 % - стратегией восстановления, 17 % - режимами управления и 8 % - факторами материально-технического обеспечения. У генератора поворота ПЭМ-141-4К 13 % отказов обусловлено горнотехническими условиями, 15 % отказов - погодно-климатическими условиями, 28 % - конструктивными недостатками, 18 % - стратегией восстановления, 17 % - режимом управления и 7 % - факторами материально-технического обеспечения. Аналогичная картина наблюдается и по двигателям постоянного тока. Так, у двигателя напора ДЭ-812 25 Уо отказов обусловлено горнотехническими условиями эксплуатации, 20 % - погодно-климатическими условиями, 35 % конструктивными недостатками, 10 %-стратегией восстановления. 10% режимами >правления. Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что наибольшее количество отказов генераторов и двигателей постоянного тока экскаваторов обусловлено конструктивными недостатками самих электрических машин. Следовательно, для повышения надежности электрооборудования экскаваторов ЭКГ-8И необходимо прежде всего создать новые машины постоянного тока, отвечающие специфическим условиям открытых горных работ (ОГ'Р) и лишенные выявившихся в эксплуатации конструктивных недостатков. Создание таких электрических машин для экскаваторов возможно только при полном учете еще на стадии проектирования технических требований предприятий, эксплуатирующих эти машины. Исходя из этого. Институт горного дела УрО РАИ разработал и выдал предприятиям электротехнической промышленности в установленном порядке тематическую карточку и технико-экономические требования на создание и освоение в производстве новых генераторов подъема и поворота, двигателей подъема и напора. Однако, предприятия и организации электрической промышленности, ответственные за создание этих машин, в силу различных финансовых и технических причин работ по освоению нового экскаваторного электрооборудования проводят в недостаточном темпе и объеме.
УДК 621.643
Н. П. Дергунов
НОВЫЕ АСПЕКТЫ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ГОРНЫХ МАШИН
Математические модели теории надежности горных машин могут быть разбиты на две большие группы (I]. Первая группа - это структурные модели. Они основаны на лог ических схемах взаимодействия элементов, входящих в систему с точки зрения сохранения работоспособности системы в целом. При этом используют статистическую информацию о надежности элементов без привлечения сведений о физически* свойствах материалов, деталей и соединений, о внешних нагрузках и воздействиях, о механизмах взаимодействия между элементами. Структурные модели представляют в виде блок-схем и графов (например, деревьев событий), а исходную информацию ■задают в виде известных значений вероятности безотказной работы элементов, интенсивности отказов и т. п.
Другая группа математических моделей теории надежности (традиционные направления теории надежности машин и конструкций) учитывает механические, физические и другие реальные процессы, которые ведут к изменению свойств объекта и его составляющих (статистический анализ нагрузок, воздействий и механических свойств материалов, обоснование расчета выбранных нагрузок и их сочетаний, методология назначения коэффициента запаса). Поведение этих объектов существенным образом зависит от их взаимодействия с окружающей средой, от характера и интенсивности процессов эксплуатации. Для предсказания поведения деталей машин и эле-
ментов необходимо рассматривать процессы текущего деформирования, изнашивания, накопления повреждений и разрушения при текущих переменных нагрузках, температурных и других внешних воздействиях. Причем принципиальное значение имеет учет истории нагружения каждого элемента конструкции машины, что позволяет уточнить расчет текущего износа. Мы выбираем путь для оценки показателей надежности, основанный на применении второй группы моделей нового направления: разработки методов прогнозирования вектора выходных параметров машины (служебных свойств) Х(0 и прогнозирования соответствующей параметрической надежности, когда моделью параметрического отказа является математическое описание изменений указанных параметров с течением времени с учетом физики происходящих явлений и максимально приближенным к реальным объектам с широким использованием статистического вычислительною эксперимента. Опасность выхода рассматриваемых параметров за установленные пределы формирует показатели надежности всей системы. Хти1(1) - максимальное по времени значение вектор-функции Х(0 = (Х/(1), Хп(1)) оценивает диапазон требований потребителя по времени к
предельным значениям показателей машины. Для многих машин можно принять такую модель возникновения параметрического отказа, когда вначале определяется область состояния выходных параметров (область их нахождения в определенных границах с заданной вероятностью), а затем рассматривается постепенное изменение этой области в результате медленно действующих процессов [1].
Рис. 1. Схема использования информационных систем в жизненном цикле объектов горного машиностроения (ОГМ)
Главной причиной необратимого изменения технических характеристик машин в период их использования является износ основных сопряжений и механизмоз. При расчетах необходимо определять форму изношенной поверхности сопряжений, изменение относительного положения сопряженных тел в результате износа, изменение системы сил и, в первую очередь, эпюры контактных напряжений (давлений), продолжительность периода макрэприработки трущихся гел. влияние износа на выходные параметры трибосистемы, в том числе на ее динамические характеристики и другие. В исследованиях последних лет все чаще стремятся получить законы, описывающие ход процесса старения или разрушения как функцию времени [1-3]. В этих работах предложены различные способы определения статистических характеристик нагрузок, воздействий и фазовых координат системы, по которым уже можно с некоторой точностью рассчитать текущие характеристики скорости изменения параметров надежности и на основе этого осуществить про-
[ нрз расхода ресурса. Основная задача теории надежности - оценка вероятности безотказной ра-| в»гы на заданном отрезке времени - сводится либо к задаче о выбросах случайных процессов в югстранстве качества системы за допустимые области в этом прост ранетве [1]. либо к задаче по-ия методом Монте-Карло текущего закона распределения скорости износа каждою от дел ь-элемента машины. В работе [3] предложено математическое ожидание и дисперсию потен-ла работоспособности получать на основе решения специального детерминированного лиффе-ренциапьного уравнения для потенциала работоспособности ("имитационная модель одновремен-протекающих процессов старения и восстановления'').
Текстовая
программа
•&гсл\чс*с/ евьеяп гфкеомеииноочуснуц
I
1
Развивающаяся сЭеквалная имитюиоонная горной маил**г < с злементами
(геервопции/ и акгшних окончания отравотки А тоои Л ¿агностической
12
Сравнение с номинальны ни пара метрами
И
1
Заключение по техническая
состоянии}
Вектор прирощенщг по параметром развивающейся адекватной дМЙИР а по параметрам возмущений
Встроенное и навесная те^еизмери-тепьн*е проворы
идентификация параметров в Значимом диапазоне спектра
Невязка
Фгрмироватл критерия рассоглеесвачия
Ллгоритм спуска
Рис. 2. Схема диагностики с использованием текущей адекватной имитационной модели взаимодействия горной машины и внешних условий
Однако случайный процесс качества, как и закон распределения скорости износа, определяется случайными процессами наг рузок и воздействий, реализации которых в необходимом количестве для получения статистической точности оценок могут быть получены только из статистического имитационного моделирования функционирования машины. В этом случае имитационная модель функционирования машины должна быть развивающейся и содержать многомерные онтологические и феноменологические модели зависимости текущей скорости износа элементов машины от всех значимых текущих нагрузок и фазовых координат системы. При имитационном моделировании генерируется скорость износа для каждого текущего момента времени вычислительного эксперимента вплоть до отказа одного из элементов машины. При этой модели отказа не требуется определять статистические характеристики случайных процессов по нагрузкам и воздействиям. Поэтому мы используем статистическое моделирования системы до отказа (проведения вычислительных экспериментов с адекватной моделью системы, погруженной во внешнюю среду и промышленные условия) с определением закона распределения наработок. При этом используется апробированная многолетней практикой имитационная модель конкретной машины с многомерными онтологическими или феноменологическими моделями для определения текущих скоростей износа по текущим нагрузкам, фазовым координатам системы, но текущим условиям и воздействиям на систему. Такая система (рис. 1) позволяет шире использовать эксплуатацию машин и сооружений по техническому состоянию, назначая каждый раз допустимый срок (наработку) до следующей инспекции, а также увереннее применять методы неразрушаоощего контроля и технической диагностики (при определенных условиях ограничиваться выборочным контролем по планам, которые обеспечивают при наличии закона распределения наработок требуемый уровень надежности, оптимизируя по различным критериям эксплуатации).
Широкое применение средств технической диагностики позволяет отслеживать техническое состояние конструкции или машины, предупреждать приближающиеся отказы, выбирать оп-
тимальные планы технического обслуживания и ремонта и вовремя переходим» на щадящий режим эксплуатации. Наблюдение фазовых координат имитационной системы в процессе функционирования системы в рабочем режиме или при проведении спланированных экспериментов резко расширяет возможности системы диагностирования. Особенно информативны различного рода счетчики и индикаторы нагруженности, поврежденности и ресурса: в авиации уже длительное время используют десятки и более встроенных датчиков в штатном режиме работы (датчики перегрузок, углов, угловых скоростей, виброперегрузок в различных местах конструкции и т. д.).
Поошашм» и те/гущие упра&помхаие воздействия. Ремонтные АхзсЬиствив. Законы распределения ошибок
Ш ■гюцаоси аоМапчая имитацион-наямове/» ео{ной ма-мины (с элементами ¿еерасЬции) и внешни г условий к моменту окончание обработки Л/аенос-
■наосм
вектор прирегиуениа по параметрам развива^хлейсе адекватной модьпи и по
параметра** возмущений
Ьгтраенпю и наЛеснар »геи>еизмеРительные системы Измерения при разводе и ремонте
идентификаиия параметров в значимом диапазоне спектра
Формирование
критерии рассогласование
Ллеорйтм спуска
Рис. 3. Схема получения текущей адекватной имитационной мелели взаимодействия горной машины и вне ииих условий
Встроенные системы параметрического диагностирования значительно облегчают и ускоряют постановку диагноза и могут осуществлять мониторинг без выдачи диагностического заключения о неисправностях, оставляя заключение оператору, пилоту, техническому персоналу. На рис. 2 изображена предлагаемая схема диагностической системы |4 - 6].
Используется также параллельная система сопровождения по идентификации и проверке адекватности имитационной модели (рис. 3). При необходимости (в случае выхода системы за границу адекватности) проводятся уточнения модели, физические эксперименты, повышение точности идентификации моделей деградации (развивающаяся имитационная модель постепенного отказа [5]). Описанная методология оценки надежности и остаточного (безопасного) срока службы технического обьскта позволяет разработать новую схему принятия решений о сю дальнейшей эксплуатации с учетом обратной связи через системы диагностики и системы выработки ремонтных воздействий [6, 7].
Предлагаемая модель идентифицируется по фрагментам функционирования системы и по специальным экспериментам, планируемым при изменении режимов работы машины или целей, для которых она используется, постоянно проверяется на адекватность по невязке реального и модельного функционирования. Онтологические и феноменологические многомерные ре1рсссион-ные функции скоростей износа наблюдаемых деталей машины от многомерного вектора нагрузок на них и вектора состояния системы (многомерная поверхность отклика) по мере уточнения математического описания машины (идентификации по мере появления фактов функционирования), уточнения целен использования машины и условий эксплуатации должны проверяться на адекватность и соотвегствснно корректироваться. Имитационн ле модели уже имеются и апробированы практически во всех отраслях промышленности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Машиностроение: Энциклопедии / Ред. совет: К. В.Фролов (прел.) и др; М.: Машиностроение ТЗ-4: "Надежность машин" / В. В. Клюев. В. В. Болотин. Ф. Р. Сосннн и др: М.: Машиностроение. 1998. CJ9, 61-64, 70, 84.289-333.
2. Проников А. С. Макротрибология - основа теории параметрической надежности машин // Тру-Ai Международной конференции "Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте". «Ьсть 2. Самара: СГТУ. 1999. С. 34.
3. Ремонт автомобилей: Учебник для вузов /Л. В. Дехтерннский и лр : Под рел. Л В Дсхтерпн-сжого. М.: Транспорт, 1992. 295 с.
4. Дергунов Н. П. О современной теории надежности машин /, Тезисы докладов Международной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов". Екатеринбург: ИМАШ РАН. 2001.
5. Дергунов Н. П., Габигер В. В., Ссвостьянон А. Д., Чернышев Е. И. Схема процесса старения (молель параметрического отказа) // Тезисы докладов Международной конференции **Ря чрушение и мониторинг свойств металлов". Екатеринбург: ИМАШ РАН, 2001. С. 25 - 28.
6. Дергунов Н. N. Идентификация моделей и диагностика технического состояния современных машин // Тезисы докладов Международной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов" Екатеринбург: ИМАШ РАН, 2001. С. 18 20.
7. Дергунов N. N., Габигер В. В Севостьянов А. Д., Чернышев Е. И. Модель восстановления в современной теории надежности машин. Система синтеза ремонтных воздействий // Тезисы докладов Меж-д> народной конференции "Разрушение и мониторинг свойств металлов". Екатеринбург ИМАШ РАН. 2001. С. 20-25.
