CC BY
24
УДК 622.684-192
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ АВТОСАМОСВАЛОВ БЕЛАЗ-7540
© Ю.С. Бочкарев1, А.М. Ишков2, М.А. Викулов3
1,3Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова, 677000, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Белинского, 58. 2Якутский научный центр СО РАН,
677980, Россия, Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Петровского, 2.
Обобщена статистическая информация по результатам реальной эксплуатации карьерных автосамосвалов, которая систематизирована по узлам и системам. Определены основные узлы и системы, лимитирующие работоспособность техники. Для обработки статистической информации по работоспособности автосамосвалов БелАЗ -7540 использован математический аппарат на основе косинор-анализа, который нашел международное признание как инструмент для исследования временных рядов. Исследована периодичность возникновения отказов автосамосвалов БелАЗ-7540 для прогноза работоспособности. Установлено, что прогноз отказов в целом имеет хорошую сходимость. Прогноз числа отказов позволяет оптимизировать расходы на устранение отказов в условиях эксплуатации.
Ключевые слова: система; отказ; Mathcad; расчет; косинор-анализ; прогноз.
EFFECT OF OPERATION CONDITIONS ON BELAZ-7540 DUMP TRUCK PERFORMANCE Yu.S. Bochkaryov, A.M. Ishkov, M.A. Vikulov
North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov, 58 Belinsky St., Yakutsk, Sakha Republic (Yakutia), 677000, Russia. Yakut Scientific Center SB RAS,
2 Petrovsky St., Yakutsk, Sakha Republic (Yakutia), 677980, Russia.
The article summarizes systematized by assemblies and systems statistical information on the results of actual operation of open-pit dump trucks. The main assemblies and systems limiting the machinery performance are identified. To process statistical information on the performance of BelAZ-7540 dump trucks a cosinor analysis-based mathematical apparatus has been used which is internationally recognized as a tool for time series research. The frequency of BelAZ-7540 dump truck failure occurrence has been studied in order to predict truck performance. In general, the forecast of failures is found to have good repeatability. The forecast of the number of failures allows to optimize the costs of trouble repair under operation.
Keywords: system; failure; Mathcad; calculation; cosinor-analysis; forecast.
Северная часть Республики Саха (Якутия), в которой в последнее время наблюдается интенсивный рост объемов горных работ, отнесена к районам Крайнего Севера с очень холодным климатом, характерным температурным режимом с минимальными его значениями до -50оС в зимний период и высокими - до +30оС - в летний период года. Продолжительность сезо-
на с температурами выше 0оС составляет всего четыре месяца - с середины мая до середины сентября, а в остальные месяцы преобладают отрицательные климатические температуры [1].
Исследование работоспособности машин в условиях Севера носит особенный характер, так как при расчетах показателей надежности необходимо учитывать влия-
1
Бочкарев Юрий Семенович, аспирант, старший преподаватель кафедры горных машин, тел.: (4112) 496956, e-mail: ys.bochkarev@s-vfu.ru
Bochkaryov Yuri, Postgraduate, Senior Lecturer of the Department of Mining Machinery, tel.: (4112) 496956, e-mail: ys.bochkarev@s-vfu.ru
2Ишков Александр Михайлович, доктор технических наук, профессор, зав. отделом ритмологии и эргономики северной техники, тел.: (4112) 390506, e-mail: a.m.ishkov@prez.ysn.ru
Ishkov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Rhythmology and Ergonomics of Northern Machinery, tel.: (4112) 390506, e-mail: a.m.ishkov@prez.ysn.ru
3Викулов Михаил Александрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой горных машин, тел.: (4112) 496956, e-mail: gormashygu@mail.ru
Vikulov Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mining Machinery, tel.: (4112) 496956, e-mail: gormashygu@mail.ru
ние климатических температур. Согласно проведенными ранее исследованиям установлено, что низкие климатические температуры отрицательно влияют на работоспособность машин: ухудшаются триботех-нические свойства смазочных веществ, уменьшается ударная вязкость металлов, увеличивается расход топлива, нарушается термический режим машины и его силовой установки [4].
Авторами данной статьи были собраны и обобщены статистические данные по работоспособности карьерных автосамосвалов БелАЗ-7540, эксплуатируемым на горных участках предприятия ОАО «Алмазы Анабара». Всего под наблюдением находилось 10 автосамосвалов БелАЗ-7540. Информация об отказах, накопленная за три года эксплуатации, систематизирована и распределена по месяцам года и системам автосамосвала БелАЗ-7540 (табл. 1).
Из рис. 1 видно, что отказы ведущего моста, подвески, колес и шин, силовой установки с ее системами, трансмиссии, электрооборудования, тормозных систем составляют в сумме 91% от всех отказов по
машине. Данные системы требуют более тщательного анализа для выявления деталей, лимитирующих работоспособность техники.
Согласно ГОСТ 27.002-89 [2], отказ есть событие нарушения работоспособного состояния восстанавливаемого объекта. Кроме того, данное явление случайное, если рассматривать его как событие во времени, но если рассматривать последовательность отказов во временном отрезке, то мы увидим множество повторяющихся событий, подчиняющихся законам распределения.
Для обработки статистической информации по работоспособности автосамосвалов БелАЗ-7540 был использован математический аппарат на основе коси-нор-анализа, который получил международное признание как инструмент для исследования временных рядов [3].
Информация об отказах, техническом обслуживании и ремонтах была занесена в программную среду MS Excel, где в последующем была обработана, получены результаты, необходимые для проведения расчетов методом косинор-анализа.
передняя ось
3%
Рис. 1. Распределение отказов
со со
00 I
со сл
К)
о
Таблица 1
Число отказов по системам автосамосвалов БелАЗ-7540
Система / месяц 2007 г. 2008 г. 2009 г.
V VI VII VIII IX 1 II III IV V VI VII МИ IX X XI XII I II 111 IV V VI VII VIII IX
Силовая установка двигатель и система СМОЛКИ 11 10 7 9 7 12 9 7 6 4 5 7 8 16 15 9 26 7 10 14 4 11 9 7 10
система питания двигателя 1 3 2 6 5 5 4 4 4 1 3 3 8 6 15 17 2 8 4 9 8 10 6 10 15 7
система выпуска отработавших газов 0 0 0 0 0 2 5 2 0 3 0 0 5 7 6 4 1 1 2 4 4 10 6 2 4 3
система охлаждения двигателя 2 13 6 7 4 8 13 3 10 5 9 11 11 20 16 7 8 11 12 19 19 9 4 5 5
Трансмиссия гидромеханическая передача б 7 11 5 6 3 6 8 12 7 5 3 2 7 11 15 6 3 5 15 19 II 12 9 6 5
кардаппая передача 0 6 6 2 4 0 2 0 2 0 6 4 5 0 7 2 4 5 3 4 3 3 7 13 6 3
Ведущий мнет 6 15 14 23 22 8 12 15 17 17 29 21 25 15 27 13 14 10 5 7 17 14 31 30 28 23
Подвеска 22 38 36 20 37 36 24 19 30 38 45 38 20 26 47 44 19 13 20 18 34 54 39 30 29 15
Передняя ось 4 18 3 4 0 0 2 2 2 7 8 7 4 4 10 1 2 0 3 2 7 И 1 11 7
Колеса и шины 10 19 22 26 43 28 12 15 14 9 21 13 27 11 18 16 16 5 7 13 23 28 25 16 18 34
Рулевое управление 0 3 11 2 4 2 1 0 1 3 3 11 4 5 5 4 ■> 0 0 2 3 7 8 7 2 3
Термотные системы 4 14 25 20 17 15 6 3 10 15 17 29 24 19 14 21 15 5 16 22 16 16 14 19 20 16
'Электрооборудование 2 5 10 10 19 9 9 15 8 5 4 3 26 22 29 32 19 11 9 14 16 14 19 14 19 8
Кгбнна. оперение, татформа 2 7 3 7 9 7 3 3 8 4 9 9 6 2 11 8 8 10 3 5 3 7 18 9 6 4
Опрокидывающий механизм 0 3 5 1 2 2 0 0 2 0 2 5 1 2 2 4 0 1 3 0 3 2 2 2 3 0
Машина в целом 68 140 186 138 188 128 104 108 120 120 160 161 178 145 232 221 123 108 95 138 184 206 218 175 179 143
го гп
0 ч
1
тз
ю
о
К)
о сл
сл
Авторами предложена система обработки методом косинор-анализа в программной среде МаШсаЬ. Выбор среды для создания системы обработки был основан на том, что Ма^саЬ имеет интуитивно понятный интерфейс, формулы вводятся в обычном математическом виде, что дает возможность строить графики. Кроме того, нет необходимости во вводе каких-либо данных и проведения дополнительных действий по расчету на промежуточных этапах, то есть процесс автоматизирован, остается только забрать результаты обработки.
Расчеты, основанные на обработке информации об эксплуатации автосамосвалов БелАЗ-7540 в условиях Севера в среде автоматизированных расчетов МаШсаЬ, позволяют установить периодичность возникновения отказов для прогноза работоспособности автомобилей в условиях реальной эксплуатации.
Алгоритм прогноза числа отказов состоит из четырех блоков.
Блок 1 включает процесс по введению статистических данных об отказах (рис. 2).
Процесс выполнения расчетов в программной среде математического анализа МаШсаЬ сводится к тому, что в самом начале заносится период наблюдений t в
виде однострочной матрицы, далее требуется создать такую же матрицу U для отказов. Также необходимо задать период T, на который будет строиться прогноз, внести число записей в матрицу m.
Блок 2. Проведение расчетов методом косинор-анализа.
На рис. 3 приведена система уравнений, которые позволяют усреднить статистические данные (снимок с экрана).
На рис. 4 приведена методика получения коэффициентов и усредненных значений через решение матрицы четвертого порядка и последующее перемножение обратной матрицы a на матрицу Ь, на выходе получаем искомые значения x, у, h, p.
Блок 3. Определение скрытой периодичности и построение хронограммы отказов.
На рис. 5 приведен расчет амплитуды A и доверительного интервала б, через сравнение которых можно установить наличие периодичности в возникновении отказов.
Расчет числа отказов по месяцам на выделенном отрезке времени эксплуатации БелАЗ-7540 производится по метаматематической модели, приведенной на рис. 6.
Далее строится хронограмма отказов по результатам проведенных расчетов (рис. 7).
Рис. 2. Внесение статистических данных об отказах
Рис. 3. Расчет методом косинор-анализа
получение неизвестных х, у, h, р
а11 а12 а13 а14
"32 ЪЛ
а31 а32 а33 а34 а41 а42 а43 а44
12:25 0.433 0.5 45.755
0.433 12.75 0.566 -10.265
0.5 0.566 25 350
45.755 -10J65 350 61 х 10
\ V ' 369.356
Ъ2 345.695 V ' 19.549
Ь := 3 У -1, 1755
ъз 3.595 х 10 h := а b = 135.759
bi ч5.643 х Ю4,.' J>J , 1-151 ,
л! := л
xl = 19.549
yl := у yl = 1755
hl := h pl - Р
hl = 135.759 pl = 1.151
Рис. 4. Методика получения коэффициентов и усредненных значений
расчет амплитуды (А):
Л 1
A^V + iyl)2 А = 26.54
расчет акрофазы (<р):
Ф 1- tanj^^J if > О
Ч) | tanj^J + nj jfxKO lp:
уравнение для расчета числа отказов: Ш(1) := - + Ы + р1-|
доверительный интервал (5) для А:
IJ0B
2-Х2 У (Ul(t) - II)2 *2 := Ъ *2 " 5991
Ö
fififl
i= 1
ö = 23144
ще х2 - кванта ль х распределения верояности Р с двумя степенями свободы
определение скрытой периодичности:
Периодичность = Периодичность "есть" ¡Г 5 < А Периодичность 4— "нет" К 5 > А Периодичность = "есть"
Рис. 5. Определение скрытой периодичности возникновения отказов
ир - «а(А™(Шо-1 - + ы + Рм)
Ul(t)1 =
0 1 2 3 4 5 6 7 а 9
0 159 167 168 163 152 139 129 123 124 ...
Рис. 6. Расчет числа отказов всего автосамосвала БелАЗ-7540
Рис. 7. Хронограмма отказов всего автосамосвала БелАЗ-7540: и - фактические отказы; ЦЩ - усредненное число отказов; t - месяцы работы
в г
Рис. 8. Периодичность отказов: а - двигатель и система смазки; б - ведущий мост; в - тормозные системы; г - подвеска
Используя данную методику, мы установили периодичность возникновения отказов для систем автосамосвала БелАЗ-7540 (рис. 8).
Периодичность возникновения отказов различна для каждой из систем автосамосвала, например: двигатель и системы смазки имеют периодичность 11 месяцев, ведущего моста - 12 месяцев, тормозных систем - 11 месяцев, подвески - 12
месяцев.
Блок 4. Прогноз числа отказов.
Для прогноза рассчитывается число отказов U1(t) на срок, равный одному году, по той же математической модели (см. рис. 6) и строится хронограмма отказов, для чего период t необходимо увеличить на 12 месяцев, результат расчета приведен на рис. 9.
Срок работы в месяцах:
t := (I 2 3 4 5 6 1 t 9 10 11 12 13 14 15 Ii 17 IS 19 20 21 22 23 24 25 26 21 2В 29 30 31 32 33 34 35 36 37 ЗВ)1
Хронограмма
250
Ü0D
U 150
100
50
1- 1 • 1 ■ • J * i
t * _| 11 1 ■ ■ i f \ i / ■ \
. 1 , • I - Ii • ■ >!
250
200
150 Ul(l)
100
1
33
4?°
9 17 25 I
Рис. 9. Хронограмма прогноза отказов БелАЗ-7540: и - фактические отказы; - прогноз числа отказов; t - месяцы работы
Таблица 2
Сопоставление числа прогнозных и фактических отказов основных узлов
автосамосвала БелАЗ-7540
Наименование системы, узла Период эксплуатации (месяцы года)
I II III IV V VI VII VIII IX Всего
Ведущий мост прогноз 15 16 17 19 21 23 24 24 23 182
факт 10 5 7 17 14 31 30 28 23 165
Тормозная система прогноз 19 16 12 10 10 11 14 18 21 131
факт 5 16 22 16 16 14 19 20 16 144
Двигатель и система смазки прогноз 12 11 10 9 9 9 10 12 14 96
факт 26 7 10 14 4 11 9 7 10 98
Автосамосвал в целом прогноз 158 144 135 136 145 162 182 200 212 1474
факт 108 95 138 184 206 218 175 179 143 1446
Для оценки точности прогноза проведено сопоставление числа отказов автосамосвалов, вычисленных предложенным методом, в сравнении с фактическими данными. Результат приведен в табл. 2.
Анализ результатов, приведенных в табл. 2, показывает, что общее число отказов в целом за год имеет хорошее совпадение, в то же время результаты прогноза и фактические данные по месяцам года имеют расхождение в ту или иную сторону. Для установления причин расхождения необходимы дальнейшие исследования
По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:
1. Разработан метод прогнозирования работоспособности автосамосвалов на основе косинор-анализа в среде автоматизированного расчета Mathcad.
2. В результате обработки статистических данных установлен период возникновения отказов автосамосвалов БелАЗ-7540.
3. Прогноз числа отказов позволит оптимизировать расходы на устранение отказов в условиях эксплуатации.
Статья поступила 22.04.2015 г.
Библиографический список
1. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей. Переиздание. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 92 с.
2. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 37 с.
3. Ишков А.М. Математическая ритмология в работоспособности техники на Севере: монография. Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2000. 320 с.
4. Ишков А.М., Кузьминов М.А., Зудов Г.Ю. Теория и практика надежности техники в условиях Севера: монография. Якутск: ЯФ «Изд-во СО РАН», 2004. 313 с.
