Проектирование рабочих органов шахтных погрузочных машин на основе прогнозных показателей надежности Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.619

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ШАХТНЫХ ПОГРУЗОЧНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ПРОГНОЗНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

© 2009 г. А.С. Носенко, Е.А. Шемшура

Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрено решение задачи выбора основных параметров шахтных погрузочных машин на стадии проектирования на основе прогнозных показателей надежности их элементов. Математическая модель функционирования погрузочной машины как сложной технической системы представлена в виде системы дифференциальных уравнений, описывающей вероятности состояния системы в любой момент времени. Приведены прогнозные значения параметров надежности гидрофицированных погрузочных органов и этапы методики для оценки эффективности применения различных конструктивных исполнений шахтных погрузочных машин.

Ключевые слова: шахтные погрузочные машины; гидрофицированные рабочие органы; прогнозные показатели надежности; эффективность применения.

A main choice ofparameters of the loading machines at the stage of designing based on prediction proofs of the safety is considered. The mathematical model of the function of the loading machine is regarded as a system of differential equations. The Prediction values ofparameters of safety of hydrolyzed loading units and methodic for value of effectiveness of usage of different constructive schemes are given here.

Keywords: mining loading machines; hydrolyzed working units; prediction indicators of safety; effectiveness of usage.

В настоящее время угольное машиностроение направлено на разработку, освоение производства техники новых поколений и модернизацию пользующегося спросом оборудования. Для проектирования систем горнопроходческих машин разработаны различные методики. Выбор призабойного погрузочного и транспортирующего оборудования, автоматизированный синтез технических решений и параметрическая оптимизация погрузочно-транспортных модулей рассматриваются как основные этапы решения задачи [1, 2].

Оптимизационная задача выбора параметров и оценки эффективности шахтных погрузочных машин может быть решена путем поэтапного математического моделирования процессов взаимодействия машины с погружаемым материалом, динамических свойств привода и исполнительных механизмов [3]. Окончательное решение в настоящих исследованиях рекомендуется принимать, при прочих равных показателях, на основе прогнозирования ожидаемых показателей надежности изделия в целом с учетом вероятностного распределения наработок на отказ и

времени восстановления отдельных составляющих элементов.

Целью исследований является разработка принципов выбора основных параметров шахтных погрузочных машин (ШПМ) на стадии проектирования с учетом показателей надежности на основе технико-экономической оценки эффективности их функционирования методом статистических испытаний.

Для достижения поставленной цели был осуществлен сбор данных, анализ и обобщение результатов исследований работоспособности погрузочных машин, проводимых кафедрой «Горные машины и оборудование» ШИ ЮРГТУ (НПИ), начиная с 70-х гг. прошлого столетия по настоящее время, в условиях Российского Донбасса.

Исследуемый в настоящей работе класс шахтных погрузочных машин относится к сложным системам, которые представляют совокупность взаимосвязанных элементов, обеспечивающих выполнение заданных функций несколькими различными способами, отличающимися уровнями качества функционирования системы.

Построение математической модели функционирования погрузочной машины производится на основании априорного анализа надежности сложной системы [4]. В общем случае шахтную погрузочную машину можно представить как сложную систему, состоящую из 4 последовательно соединенных составляющих: погрузочного органа (питателя), ходовой части, конвейера и гидравлической системы. Каждая составляющая также является сложной системой, состоящей из определенного количества простых систем. Состояние частичного отказа рассматривается внутри каждой системы на уровне узлов и деталей. При этом возможны такие отказы элементов сложной системы, которые снижают качество функционирования машины, но не приводят к ее полному отказу.

Исследования показали, что отказы перечисленных составляющих машины в основном подчинены экспоненциальному закону. Систему электрооборудования в теоретическом анализе не рассматриваем, так как количество ее отказов, полученное в ходе производственных наблюдений, мало, а функционально она непосредственно связана с другими подсистемами.

Элементы каждой i-й простой системы характеризуются интенсивностью отказов \р. Тогда простая система, как i-й элемент сложной системы, характеризуется также экспоненциальным законом распределения отказов с интенсивностью X,-:

К .

В конструкции погрузочных машин, как правило, резервирование подсистем отсутствует. Интенсивность восстановления ц,- каждой i-й простой системы вычисляется по формуле

h =

J_

T

Ei

(t ) = •

(1, если i-й элемент работоспособен; 10, если i-й элемент неработоспособен.

X (t ) =

X1 (t) X2 (t) X3 (t)

X4 (t)

где ТВ, - среднее время восстановления ,-й простой системы.

Величины X,- и ц,- является достаточным математическим описанием работы элементов погрузочной машины.

Погрузочная машина относится к однофункцио-нальной системе, задачей которой является непрерывная погрузка взорванной горной массы в течение интервала времени 0< t < 4, где 4 - время погрузки, предусмотренное проходческим циклом. Рассматриваемая система состоит из п = 4 элементов. Каждый элемент находится в одном из двух состояний:

В дальнейшем состояние рассматриваемой системы, описывается п-мерным вектором X (/):

где каждая компонента описывает состояние рабочего органа, ходовой части, конвейера, гидросистемы.

Состояние X системы можно интерпретировать как двоичное число, все возможные состояния системы выписать в порядке следования натурального ряда чисел в двоичной системе исчисления. Выпишем эти состояния, транспонировав вектор-столбец X в вектор-строку ХТ :

XT = (оооо) x¡ =(iooo) X¡ = (от) X12 =(iooi) XT =( 0001) xT5 =( ooii) x¡ =(1011) XT3 =( oiio) XT =( 0010) XT =(1101) xT0 =(1101) XT4 =(1100) X3T =(0100) XT =(1110) X/i =(1110) XT5 =(1111).

Считаем, что потоки отказов и восстановлений работоспособности системы ординарны. Тогда переход из состояния XT в состояние XTj возможен лишь

в том случае, когда вектор XT отличается от вектора XTj значением только одной компоненты.

Далее каждому состоянию системы сопоставим характеристику качества функционирования Фг (t)

системы в этом конкретном состоянии. Каждый из элементов выполняет определенные функции, необходимые для выполнения задачи системой в целом. В нашем случае для выполнения задачи - передачи взорванной горной массы из штабеля в призабойные транспортные средства - требуется, чтобы ходовая часть подавала питатель к штабелю, рабочий орган (питатель) перемещал груз на конвейер, а последний -в средства призабойного транспорта; гидросистема обеспечивает выполнение вспомогательных операций: подъем - опускание носка питателя, поворот и подъем конвейера, включение бортовых фрикционов.

Считаем, что в состоянии полного отказа системы нагрузка с элементов, оставшихся исправными, снимается. Поэтому в неработоспособном состоянии системы ее элементы больше не отказывают, и переход из одного неработоспособного состояния в другое неработоспособное состояние невозможен. Переход системы из одного состояния в другое характеризуется отказом или восстановлением только одного элемента системы. Учитывая высказанные условия, граф состояния системы с учетом состояния частичного отказа гидросистемы приводим к виду, представленному на рис. i.

Рис. 1. Ориентированный граф состояний системы

Каждый элемент системы характеризуется постоянной интенсивностью отказов X,- и восстановлений ц,-. Поэтому величины X,- dt и ц,- dt являются вероятностями перехода системы из одного состояния в другое за промежуток времени dt.

В связи с изменением состояния X(/) системы изменяются способы ] = 0,1,2...,I выполнения задачи и соответственно меняются характеристики Ф2 (/) = Фкачества функционирования системы. В

рассматриваемом случае будем считать, что характер перехода системы из состояния в состояние является Марковским, т.е. все будущее поведение системы зависит от ее настоящего состояния и не зависит от ее прошлого поведения.

Марковский процесс характеризуется матрицей

переходных вероятностей Р = (р), которая может

быть построена с помощью размеченного графа состояний (рис. 1):

р (() = р {X (/ + dt) = ] /X (/) = ,}.

В результате проведенных преобразований установлено, что Марковский процесс является однородным с непрерывным временем и конечным числом дискретных состояний, характеризуется стационарной матрицей интенсивности переходов; получена система дифференциальных уравнений (1) с постоянными коэффициентами для определения вероятностей состояния системы:

К ^) = - (Х + Х2 + Х + Х4 ) Ро ^) + Ц1Р1 (t) + +Ц2Р2 ^) + ЦзРз (t) + Ц4); Pl'(t) = \Ро (t) - Ц1Р1 ^);

р2(1 ) = Х 2 Ко ^ )-ц 2 Р2 (t);

Рз'^ ) = ^зРо (t )-ЦзРз (t); (1)

Р4 ^) = ^4Ро ^) - (^1 + Х + Х2 + Хз) Р4 (t); К' () = Хз Р4 (t )-МР (t); Р'(1 ) = Х2 Р4 (t )-ц 2 Кб (t);

Р^ )=Х^ (t )-Ц1Р7 ^).

Задавшись начальными условиями, решаем систему уравнений и получаем вероятности Р, ^) того, что система в момент 1 будет находиться в состоянии X ^ ) = ] , ] = 0,1,2 ... 7.

Таким образом, проведенный анализ надежности погрузочных машин позволяет заключить, что представленная матрица является матрицей коэффициентов системы дифференциальных уравнений для вероятностей Р (!) состояния системы. Это, в свою очередь, позволяет решать прямую и обратную задачи по надежности: прямая - оценка качества функционирования машины по известным показателям надежности, обратная - определение требуемого набора показателей надежности для заданных показателей качества функционирования системы (максимум производительности погрузки в заданный отрезок времени, минимум затрат потребителя и т.д.).

Применение гидропривода для традиционных кинематических схем погрузочных машин преследует цель повышения надежности погрузочных органов путем упрощения конструкции за счет уменьшения числа механических передач в приводе.

На основе вышерассмотренной математической базы, были проведены исследования влияния конструктивных компоновок гидрофицированных рабочих органов на эффективность применения шахтных погрузочных машин. К исследованиям приняты рабочие органы, приведенные на рис. 2, защищенные патентами и рассмотренные в работах [5 - 7]. При сопоставительном анализе нескольких конструкций определяется вариант, обеспечивающий требуемый уровень качества функционирования (заданная производительность) при наилучших показателях надежности.

Для определения показателей надежности и задания параметров законов распределения потоков наработок на отказ X и времени восстановления ц нагребающей части погрузочной машины выделены основные узлы, которые определяют работоспособность погрузочного органа (таблица). В таблице приведены также прогнозные значения показателей надежности рассматриваемых схем рабочих органов ШПМ.

Прогнозные значения показателей надежности

Виды компоновки погрузочных органов Основные узлы Назначенный ресурс, Vо, м3 Наработка на отказ, То, ч Время восстановления, Тв, ч Параметр экспоненциального закона распределения потока отказов, X Параметр экспоненциального закона распределения потока восстановлений,ц Коэффициент готовности, Кг

Схема 1 с клиновым носком Питатель (лоток) 100000 909,0 2 0,0011 0,5 0,9978

Клиновой рабочий элемент 100000 909,0 2 0,0011 0,5 0,9978

Приводные гидроцилиндры (2 шт.) 25000 66,67 3 0,015-2 = 0,03 0,333 0,95692

Гидроцилиндр подъема питателя 20000 181,8 2 0,0055 0,5 0,9891

Гидрораспределитель 20000 54,2 3 0,0185 0,333 0,9476

По погрузочному органу в целом: 0,0562 0,417 0,86

Схема 2 с поворотными клиновыми лапами Питатель 100000 909,0 2 0,0011 0,5 0,9978

Клиновые лапы (2 шт.) 50000 909,0 2 0,00112 = 0,0022 0,5 0,99782

Шарнир соединения лап с валом привода 20000 227,3 4 0,00439 0,25 0,9827

Гидропривод лопастной (2 шт.) 20000 104,6 6 0,00957-2 = 0,01914 0,1667 0,94572

Гидрораспределитель 20000 54,2 3 0,0185 0,333 0,9476

По погрузочному органу в целом: 0,04533 0,294 0,83

Схема 3 с клиновыми лапами и двухштоковым гидроцилиндром Питатель 100000 909,0 2 0,0011 0,5 0,9978

Двухштоковый гидроцилиндр 25000 58,3 4 0,01715 0,25 0,9357

Клиновые лапы(2 шт.) 50000 909,0 2 0,00112 = 0,0022 0,5 0,99782

Гидрораспределитель 20000 54,2 3 0,0185 0,333 0,9476

По погрузочному органу в целом: 0,03897 0,364 0,88

Схема 4 с двумя гидроцилиндрами и синхронизирующим валом Питатель 100000 909 2 0,0011 0,5 0,9978

Диски (2 шт.) 50000 909,0 2 0,00112 = 0,0022 0,5 0,99782

Лапы (2 шт.) 50000 909,0 2 0,00112 = 0,0022 0,5 0,99782

Гидроцилиндры (2 шт.) 25000 66,67 3 0,015-2 = 0,03 0,333 0,95692

Гидрораспределитель 20000 54,2 3 0,0185 0,333 0,9476

По погрузочному органу в целом: 0,054 0,421 0,86

2 3

2 13

4 6 13

MKIU1

Рис. 2. Рабочие органы шахтных погрузочных машин: а (схема 1) - с клиновым носком (1 - клиновой рабочий элемент, 2 - приводные гидроцилиндры, 3 - передаточный лоток); б (схема 2) - с поворотными клиновыми лапами (1 - конвейер, 2 - наклонная плита, 3 - клиновые нагребающие лапы); в (схема з) - с клиновыми лапами и двухштоковым гидроцилиндром (1 - стол, 2 - клиновые лапы, 3 - гидроцилиндр, 4 - конвейер); г (схема 4) - с двумя гидроцилиндрами и синхронизирующим валом (1 - нагребающие лапы, 2 - гидроцилиндры, 3 - ведущие диски, 4 - плита питателя, 5 - гидрораспределители, 6 - синхронизирующий вал)

1

1

2

3

б

а

3

4

2

5

в

г

Окончательный вывод о применении одного из конкурирующих вариантов для дальнейшего внедрения в производство осуществляется на основании использования методики прогнозной оценки эффективности применения шахтных погрузочных машин, реализующей следующие этапы (рис. з).

Разработанная методика позволяет в зависимости от поставленной цели сделать заключение либо о сравнительной оценке применения двух и более разнотипных машин, либо оценивать эффективность различных конструктивных исполнений составных частей машины.

Для шахтной погрузочной машины серии ПНБ проведена предпроектная подготовка документации на экспериментальный образец рабочего органа с парными нагребающими лапами и гидроприводом поступательного действия (рис. 2, схема 4).

Погрузочный орган содержит шарнирно закрепленные корпусами на приемном столе два гидравлических цилиндра 2, шток каждого из которых шар-нирно связан с установленным на столе 4 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости ведущим диском 3, несущим нагребающую лапу 1, связанную со столом, и дополнительный привод в виде синхронизирующего вала 6, предназначенного для обеспечения вывода штоков из «мертвой точки», в сочетании с соосно установленными на ведущих дисках нижними дисками.

На рис. 4 приведен чертеж редуктора нагребающих лап с приводом от силового гидроцилиндра. Вращательное движение нагребающих элементов обеспечивается совместным использованием двух гидроцилиндров и синхронизирующего вала [7].

х Я к о и и

03 X

Сечение выработки в проходке и темпы отработки ресурса машины

Средневзвешенная приведенная крепость горной массы по всей площади забоя

Ожидаемый (назначенный) межремонтный период работы машины

Количество межремонтных периодов до отработки заданного ресурса

я

&Ч

с

>я

(Li

4

(Li

н се он ев bi О С X Я и о

и у

я

5 о В о а

<Т>

и Я

я

<ц

ч

<Ц

ч

CD

&Н

с О

— Стоимость машины и транспортно-складские затраты потребителя

Я

я я

св

н

св >. ч я о а п

ч о

я &

(D

Я

О ад

с 3

Я и

£ ^ 2 ч

Я aj <и ч S о о Я

Стоимость запасных частей к исследуемому типу машины; разброс по цене представляется четырьмя группами затрат и считается равномерно распределенным при отказах машины (цена приводится в долях от стоимости машины)

Стоимость капитального ремонта и транспортно-складские расходы, связанные с его выполнением

Действующий тариф на потребляемую электроэнергию

— Тариф ремонтных слесарей

Количество ремонтников, занятых устранением отказов

Затраты труда и их стоимостное выражение по обслуживанию машины при погрузке горной массы, отнесенное к 1 м

я

се

н Г)

CQ О

а о «

я я

и

ч

CQ О Я

се

н

св о

н о я

CQ

О &

tu

tu

я я

<Ц

У

се Я со се I

& ° зЯ 2 « Й

и

Я н о

CQ св О У со св а

Н О

Для потока отказов рекомендуется принимать к исследованию экспоненциально-степенной закон распределения (распределение Вейбулла) с показателем степени к= 1 ... 1,5

Для потока восстановлений, кроме экспоненциального, возможно применение и логарифмически-нормального закона распределения

Определяется ожидаемая средняя наработка на отказ основных частей машины и интенсивность отказов

Назначается ожидаемое время восстановления по отдельным частям машины и интенсивность восстановления

Я

н о о я и J3 Я Я а

я се

я н и 2

св <Ц к

Н <Т) •вн -е m Я я 1) я

се 1)

И 2

я к

1) я я

О

Заполняются исходные данные в моделирующем алгоритме

Получают 5-6 реализаций отдельно по составным частям машины и 1-2 реализации по машине в целом

Количественная оценка эффективности применения определяется как среднее значение приведенных затрат на исследуемый момент отработки ресурса

Рис. 3. Этапы методики

Рис. 4. Привод погрузочного органа

Применение предложенной схемы позволит снизить материалоемкость погрузочного органа на 15 - 20 %, время восстановления работоспособного состояния, повысить наработку на отказ и увеличить межремонтную наработку привода до 25 тыс. м3.

Литература

1. Хазанович Г.Ш., Сильня В.Г. Основные положения методики выбора параметрического ряда погрузочных машин //Шахтный и карьерный транспорт. М., 1983. Вып. 8.

2. Морфологический синтез и конструктивное исполнение проходческих клиновых погрузочно-транспортных модулей / Ю.М. Ляшенко, Г.Ш. Хазанович, И.В. Ляшенко, Е.В. Никитин, В.Н. Чирков / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 1996. Деп. в ВИНИТИ 17.07.96, № 2432-В96.

Поступила в редакцию

3. Носенко С.И., Носенко А.С. Погрузочные машины с гидравлическими приводами: Монография. Новочеркасск, 2002. 205 с.

4. Методика выбора показателей для оценки надежности сложных технических систем. Госстандарт СССР, М., 1979.

5. Гидрофицированный погрузочно-транспортный модуль проходческого комплекса / Г.Ш. Хазанович, И.Ф. Хребто, С.И. Носенко, Ю.М. Ляшенко, А.С. Носенко // Изв. Сев.-Кавк. науч. центра ВШ. Техн. науки. 1989. № 1. С. 17-23.

6. А.с. 1678724 СССР, МКИ В65 G65/02. Погрузочная машина / Ю.М. Ляшенко, Е.В. Никитин, Г.Ш. Хазанович, В.Г. Сильня, В.Е. Александров. Заявл. 30.01.89; Опубл. 23.09.91. Бюл. № 35.

7. Носенко А.С., Меньшенина Е.А. Рабочие органы шахтных погрузочных машин непрерывного действия с гидравлическими приводами : Монография / Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997.

24 декабря 2008 г.

Носенко Алексей Станиславович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, кафедра «Сервис транспортных и технологических машин», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) Тел. 8 (8636)-22-10-89.

Шемшура Елена Анатольевна - старший преподаватель, кафедра «Сервис транспортных и технологических машин», Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 8 (8636)-22-10-89. E-mail: set@itsinpi.ru

Nosenko Aleksey Stanislavovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Service of transport and technological machines», Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 (8636)-22-10-89.

Shemshura Elena Anatolievna - senior lector, department «Service of transport and technological machines», Shakhty Institute (Branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 (8636)-22-10-89. E-mail: set@itsinpi.ru