CC BY
93
В.В. Куприянов, Д.А. Стадник, Б.И. Компаниец
ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ - ОДНА ИЗ ВАЖНЕЙШИХ ЗАДАЧ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ВЫЕМОЧНЫМ УЧАСТКОМ УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ
1. Понятие ресурса
ля того чтобы рассмотреть процесс оценки индивидуаль-
ного остаточного ресурса горно-шахтного оборудования
нам приходится оперировать понятиями теории надежности. В рамках этой теории решаются проблемы установления качественных и количественных закономерностей, определяющих ресурс, разработка методов оценки влияния различных факторов на средний ресурс и разброс ресурса, а также на остаточный ресурс эксплуатируемого объекта.
Рассмотрим основные понятия этой теории.
Технический ресурс (далее ресурс) — показатель долговечности, характеризующий запас возможной наработки объекта. Согласно ГОСТ 13377—75 ресурсом называют наработку объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния [1].
Единицы для измерения ресурса выбирают применительно к каждой отрасли и к каждому классу машин, агрегатов и конструкций отдельно. С точки зрения теории и общей методологии наилучшей и универсальной единицей остается единица времени.
Понятие предельного состояния, соответствующего исчерпанию ресурса, допускает различное толкование. В одних случаях причиной прекращения эксплуатации служит моральный износ, в других — чрезмерное снижение эффективности, которое делает дальнейшую эксплуатацию экономически нецелесообразной, в третьих — снижение показателей безопасности ниже предельно допустимого уровня.
Применительно к эксплуатируемым объектам понятие ресурса также можно толковать по-разному. Основным понятием здесь является индивидуальный остаточный ресурс — продолжительность
эксплуатации от данного момента времени до достижения предельного состояния.
Экономическое значение проблемы ресурса
Ресурс технических объектов (машин, систем машин, приборов, инструментов, конструкций и сооружении) является важной технико-экономической характеристикой.
Особое место занимает прогнозирование ресурса на стадии эксплуатации. В отличие от стадии проектирования, когда прогнозу подлежит ресурс генеральной совокупности еще не созданных технических объектов, прогнозирование на стадии эксплуатации выполняют для конкретных, существующих, объектов. При этом оценке подлежат остаточный ресурс и (или) остаточный срок службы.
Индивидуальное прогнозирование ресурса открывает дополнительные пути для получения экономического эффекта. Из-за естественного разброса свойств объектов и различных условий их эксплуатации (включая историю нагружения каждого из них) индивидуальные показатели ресурса лежат в широких пределах. Индивидуальное прогнозирование ресурса не только позволяет предупреждать возможные отказы и непредвиденные достижения предельных состояний, но и более правильно планировать режимы эксплуатации, профилактические мероприятия и снабжение запасными частями. Более того, переход к индивидуальному прогнозированию ведет к увеличению среднего ресурса машин, поскольку уменьшает долю машин, преждевременно снимаемых для ремонта, и открывает путь для обоснованного выбора оптимального срока эксплуатации.
Прогнозирование ресурса на стадии эксплуатации
Прогнозирование индивидуального остаточного ресурса относится к конкретному находящемуся в эксплуатации техническому объекту. Основой для прогнозирования служит информация, которую условно можно разделить на три части. Во-первых, это данные текущего (оперативного) поиска дефектов в процессе эксплуатации. Во-вторых, это данные о нагрузках и других условиях взаимодействия объекта с окружающей средой.
Третий вид информации для прогнозирования ресурса на стадии эксплуатации - весь объем априорных данных о материалах, элементах, узлах, нагрузках и т. п., т. е. информация, которая лежит
в основе прогнозирования ресурса и оценки показателей надежности на стадии проектирования.
Прогнозирование индивидуального ресурса включает целый комплекс задач: оценка текущего технического состояния объекта, прогнозирование развития этого состояния на ближайшее будущее и выдача на основе этого прогноза рекомендаций об оптимальном остаточном сроке эксплуатации (до списания данного объекта или его очередного ремонта). Вместе с тем в задачу прогнозирования входит оценка вероятностей наступления различных отказов с целью их предупреждения.
Еще одна задача индивидуального прогнозирования — оценка риска по отношению к опасным аварийным ситуациям, установление предельно допустимых остаточных сроков эксплуатации при наличии возрастающего риска и выдача рекомендации о мерах по повышению безопасности.
2. Постановка задачи
За последние 15-20 лет в угольной промышленности произошли значительные качественные изменения в технологии добычи угля. Угледобывающие предприятия оснащаются более современной горной техникой, а удельный вес машин и механизмов в структуре промышленно-производственных фондов сохраняет тенденцию к постоянному увеличению. Современные добычные участки шахт характеризуются высоким уровнем механизации работ, оснащаются дорогостоящим оборудованием.
В современных условиях цена ошибок от необоснованных и неквалифицированных решений управленческого характера оборачивается гораздо большими потерями для производства, чем ранее, в связи с успешным внедрением в горнодобывающих отраслях новых дорогостоящих технологий практически в каждом направлении своей деятельности, начиная от разведки месторождений и кончая переработкой горной массы.
Комплексная механизация и автоматизация процесса добычи угля на шахтах тесно связана с необходимостью обеспечения надежной работы очистного оборудования. В процессе эксплуатации оборудование изнашивается под воздействием различных постоянно и периодически действующих факторов, повреждаются отдельные узлы и агрегаты. В результате этого снижаются ритмичность работы и производительность очистного Аварийные простои комплекса КМ130
Показатели Лава
4-6-13 4-6-11 4-6-16 4-6-14
Общее время работы, ч. 3870 1656 3927 2716
Аварийные простои 996,3 250,9 1263,7 718,1
% от времени работы 25,7 15,2 32,2 26,4
Простой комплекса, ч. 395,4 83,8 232,8 417,5
% от общих простоев 39,7 33,4 18,4 58,1
% от общего времени работы 10,2 5,1 5,9 15,4
Комбайн, ч. 156,2 45,4 59,3 51,3
% простоев комплекса 39,5 54,2 25,5 12,3
Крепь, ч. 51 9 94 138
% простоев комплекса 12,9 1,7 40,4 31,3
Конвейер, ч. 164 29,4 76,5 220
% от простоев комплекса 41,5 35,1 32,9 52,7
Прочие, ч. 599,9 167,1 1030,9 300,6
% от общих простоев 60,2 66,6 81,6 41,9
% от общего времени работы 15,5 10,1 26,3 11
забоя, качество выполняемых оборудованием функций, что приводит к необходимости восстановления работоспособности машин и механизмов в процессе отработки запасов путем замены непригодных деталей и функциональных элементов.
Мероприятия по проведению своевременного ремонта и качественной замены узлов и агрегатов очистного оборудования входят в состав системы по техническому обслуживанию и ремонту оборудования шахт, направленной на предупреждение возникновения внезапных отказов элементов оборудования лавы при его использовании по назначению.
Эффективность работы очистных забоев во многом зависит от правильности установления объёма и периодичности работ по замене функциональных элементов оборудования. Отклонения в одну или другую сторону при определении момента потери ресурса приводит к необоснованным простоям и потерям добычи угля [3].
В таблице показаны аварийные простои комплекса КМ 130, используемого на шахте «Распадская».
Из таблицы видно, что простои комплекса составляют значительную долю от общих простоев - около 30 %. Для уменьшения этой величины необходимо проводить точную оценку индивидуального остаточного ресурса очистного оборудования.
Для долгосрочного планирования деятельности шахт и объединений предназначены и Временные нормативы технического обслуживания и ремонта основного подземного оборудования угольных шахт, при разработке которых использовались техникоэкономические расчёты и математический аппарат теории вероятностей.
В настоящее время на шахтах отрасли основными документами по планированию мероприятий по замене элементов оборудования являются графики планово-предупредительного ремонта, охватывающие не только замену, но и техническое обслуживание и ремонт комплекса добычного оборудования (графики ППР), технологические карты по безопасному техническому обслуживанию и текущему ремонту оборудования шахт, журналы нарядов.
Однако, наряду с достоинством указанных регламентирующих документов по организации ремонтно-профилактических работ, им присущ общий недостаток - они не учитывают разнообразие и изменчивость горно-геологических условий, в которых происходит работа добычного оборудования. Составленные при пуске механизированных комплексов графики планово-
предупредительных ремонтов не подлежат корректировке при появлении локальных зон геологических осложнений, в значительной степени влияющих на ресурс элементов оборудования. Нормы плановых замен узлов и деталей оборудования строятся с учётом только статистических значений наработки до отказа или интуиции персонала.
Очистной забой представляет собой сложную динамическую систему, условия функционирования очистных работ постоянно меняются. Забой лавы проходит участки геологических осложнений и для обеспечения эффективной отработки запасов в этих ситуациях необходимо учитывать влияние условий эксплуатации на величину ресурса оборудования.
На основе вышеизложенного можно сделать вывод, что в настоящее время не существует работоспособных методик прогнозирования ресурса очистного оборудования с учётом конкретных условий его работы.
Отсюда следует, что оценка остаточного ресурса горношахтного оборудования является актуальной задачей, а ее решение
- экономически целесообразным.
3. Выбор метода решения задачи
Методология прогнозирования индивидуального остаточного ресурса и других индивидуальных показателей надежности в принципе не отличается от методологии прогнозирования на стадии проектирования. Самое существенное различие состоит в том, что в дополнение к априорной информации о материалах, узлах, нагрузках следует использовать текущую информацию об объекте, полученную в результате наблюдений и измерений во время эксплуатации.
Задача оценки индивидуального остаточного ресурса объектов горного производства (ОГП) до списания или очередного ремонта, как правило, решается на базе детерминированных моделей, рассматривающих лишь неопределенность стохастической природы и не учитывающих неопределенность нечеткого характера. Поэтому ее решение лишь на основе априорной информации, т.е. использования моделей или экспериментально-статистических данных о режимах работы аналогичных, уже функционирующих объектов, не позволяет получать приемлемые результаты.
Вместе с тем решение этой задачи для ОГП в нечетких условиях среды функционирования предопределяет целесообразность формулировки решения с использованием аппарата теории нечетких множеств. Оправданность такого подхода очевидна, т.к. понятия индивидуальных показателей надежности - это формализация интуитивных представлений экспертов при решении вопроса о возможности дальнейшей эксплуатации конкретного объекта. Использование методов теории нечетких множеств предоставляет возможности для оперирования как нечетко определенными данными и моделями, так и в ситуациях (обусловленных накоплением дефектов во внутренних структурах объектов), которые могут быть отнесены к категориям аварий [2].
Формализация экспертной информации
Для формализации высказываний экспертов используется аппарат теории нечетких множеств из-за его общности и гибкости. Обработка нечеткой информации осуществляется введением лингвистических переменных типа "состояние для ...". Лингвистический подход позволяет использовать для описания субъективные оценки экспертов, выраженные с помощью нечетких понятий, отношений и высказываний профессионального языка; формализовать нечеткие описания с помощью нечетких множеств; опериро-
вать полученными формализованными объектами посредством лингвистических переменных.
В нашем случае использование лингвистических конструкций обусловлено несколькими причинами: критериальная основа оценки остаточного ресурса не может быть выражена в виде количественных соотношений; между рядом параметров, оказывающих влияние на процесс инспектирования состояния оборудования, не удается установить точных количественных зависимостей.
В общем случае лингвистическая переменная определяется кортежем
<в, т ,и, О, М >
где в - наименование лингвистической переменной; Т - множество ее значений, представляющих собой наименование нечетких переменных, областью определения каждой из которых является множество и (множество Т является базовым терм-множеством лингвистической переменной); Q - синтаксическая процедура, описывающая процесс образования из множества Т новых значений лингвистической переменной; М - семантическая процедура, отображающая каждое новое значение, образуемое процедурой О ,в нечеткую переменную.
Выберем показатели технологических ситуаций и горногеологических условий, которые наиболее существенно влияют на оценку остаточного ресурса очистного комбайна при добыче угля:
•_______ степень изношенности шнека;
•_______ состояние электродвигателя;
•_______ класс встречающихся в пласте угля прослоек;
•_______ степень изношенности редуктора.
Эти величины имеют неопределенные значения и соответствуют лингвистическим переменным. Для их использования строится нечеткая шкала "ниже-выше", т.е. пределы, в которых они могут изменяться, производится выбор термов и построение функции принадлежности для конкретных термов.
Заключение
В связи с успешным внедрением в горнодобывающих отраслях новых дорогостоящих технологий в современных условиях цена ошибок от необоснованных и неквалифицированных решений управленческого характера оборачивается гораздо большими потерями для производства, чем ранее. Во многом эффективность рабо-
ты очистных забоев зависит от точности, обоснованности оценки индивидуального остаточного ресурса очистного оборудования и от правильности установления объёма и периодичности работ по замене функциональных элементов оборудования.
Применяемые на практике способы оценки остаточного ресурса не учитывают разнообразие и изменчивость горногеологических условий, в которых происходит работа добычного оборудования, то есть в настоящее время не существует работоспособных методик прогнозирования ресурса очистного оборудования с учётом конкретных условий его работы.
Отсюда следует, что оценка остаточного ресурса горношахтного оборудования является актуальной задачей, а ее решение
- экономически целесообразным.
Из анализа существующих методов оценки индивидуального остаточного ресурса оборудования в нечетких условиях среды функционирования следует, что наиболее целесообразным является решение задачи с использованием аппарата теории нечетких множеств.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций, Москва, 1990.
2. Куприянов В.В, Фомичева О.Е. «Интеллектуализация технологий автоматизированных систем», Учебное пособие по дисциплине «Основы построения экспертных систем» для студентов специальности 22.02, Часть 1, Москва, 1994.
3. Кузнецов Ю.Н., Стадник Д.А. «Структура системы технологического картографирования отработки запасов выемочных участков угольных шахт».ЕШ
— Коротко об авторах -----------------------------
Куприянов В.В. - профессор, доктор технических наук, Стадник Д.А. - аспирант, каф. ПРПМ,
Компаниец Б.И. - магистрант каф. АСУ,
Московский государственный горный университет.
------------------------------------- © О.М. Курепин, 2008
О.М. Курепин
НОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС
