книги из ГПНТБ / Бескровный Н.Т. Экономика и оптимизация надежности и ремонта горношахтного оборудования

Можно найти интенсивность тех отказов, устранение которых происходит за время, большее предельно допустимого времени t

V = h ? (г),

где =5° (t) — вероятность невыполнения ремонта за время, не пре­ вышающее предельно допустимое время f.

Другими словами, здесь как бы весь поток отказов разбивается на два, один из которых состоит только из отказов, которые могут быть восстановлены за предельное время t, и другой — из отказов, которые не могут быть восстановлены за предельное время t, т. е. отказов, появление которых приводит к невыполнению задания.

Так как поток отказов, появление которых приводит к невыпол­ нению задания, также будет простейшим, вероятность непоявления такого отказа на интервале времени Т, которая соответствует коэф­ фициенту готовности выцолнения задания кг 3, определится по формуле

Är. з = е-дачо.

Такой же вывод можно сделать, если из всего интервала вре­ мени Т выделить ту его часть Т ', на которой возможно появление отказов, приводящих к невыполнению задания, а именно

T‘ = Tlp{t).

В силу того что

&{і)= 1 — <?{t) = е~^,

коэффициент выполнения задания определится по формуле

Анализ формул вероятности безотказной работы (62), коэффи­ циента готовности оборудования (72) и коэффициента готовности вы­ полнения задания (73) показывает, что при увеличении времени Т вероятность безотказной работы и коэффициенты готовности умень­ шаются, и при Т -*- °° вероятность безотказной работы и коэффи­ циент готовности выполнения задания стремятся к нулю, а коэф­ фициент готовности оборудования стремится к выражению 1 — е~ѵЛ, что есть не что иное как ремонтопригодность оборудования.

Ыа рис. 31 приведено сравнение вероятности безотказной работы и готовности комбайна 1К-52ш на седьмом месяце эксплуатации. Для расчетов интенсивность отказов принята постоянной к — 0,00768 отказа в минуту, интенсивность восстановления отказов также при- 'нята постоянной и равной средней интенсивности восстановления р = 0,0756 отказа в минуту, предельно допустимое время обслужи­ вания t — 20 мин. Зависимости построены на основании расчетных

Так как выбранное предельно допустимое время, обслуживания в этом случае не изменяется, то значение ремонтопригодности, рас­ считанное по формуле (69), составило 77,9%.

70

чески приближается к линии, характеризующей ремонтопригод­ ность. С другой стороны, кривая коэффициента готовности выполне­ ния задания в пределе приближается к нулю. То же самое можно сказать и о кривой, характери­

ремонтопригодности. Вполне, очевидно, что количество оборудования, которое может быть отремонтировано, т. е. количество оборудова­ ния, в котором не возникло неустранимых отказов, определяется как 1 — е~^. Этот процент становится равным коэффициенту го­ товности оборудования, когда Т приближается к бесконечности, что является условием устойчивого состояния. Аналогично можно ска­ зать, что Р является коэффициентом готовности оборудования для выполнения заданий, требующих длительного времени.

Кривая, характеризующая коэффициент готовности выполне­ ния заданий кг 3, отличается от кривой коэффициента готовности

71

оборудования кг_0, так как она связана с-относительным количест­ вом успешно выполненных заданий. Кривая коэффициента готовности оборудования связана с относительным количеством оборудования, которое по предложению будет действовать в течение времени Т, или с относительным количеством оборудования, которое будет на­ ходиться в состоянии готовности. Очевидно, что при возрастании Т кг з приближается к нулю, так как вероятность появления отказа со временем возрастает, а вероятность устранения всех отказов в те­ чение времени t уменьшается. Другими словами, с возрастанием вероятности появления отказа увеличивается вероятность появления отказов, которые не могут быть устранены за время t. При этих усло­ виях с учетом того, что задание будет успешно выполнено, если все

отказы будут устранены за время t, коэффициент кг 3 также должен уменьшать­ ся, а по мере приближе­ ния Т к бесконечности кг 3 будет приближаться к нулю.

В любом случае, незави­ симо от того, рассматрива­ ется ли кг 0 или кг з, пове­ дение кривых (см. рис. 31) свидетельствует об особо важном влиянии параметра ремонтопригодности, так как общая готовность бла­ годаря этому параметру гораздо выше, чем можно

было бы ожидать от влияния только одной вероятности безотказной работы оборудования. Это значение подтверждается относительно быстрым приближением кривой Р (Т) к нулю.

В то же время нетрудно видеть, что выражения коэффициентов

^'г. о = К.з = Р(Т) = е~хт.

Таким образом, основное различие между коэффициентом /сг> 0 и кг 3 при их сравнении с Р (Т) состоит в том, что первый учитывает влияние предельно допустимого времени < > 0 на проведение ре­ монтов, в то время как второй не учитывает никакого предельного времени (t = 0), и, следовательно, в этом случае проведение ремонта невозможно. С другой стороны, коэффициенты кг 0 и кг 3 выражают вероятность безотказной работы в том случае, если отказом считать отказ, на устранение которого требуется время больше t.

72

Интерес представляет исследование закономерностей изменения показателей надежности в зависимости и от величины предельно допустимого времени t. На рис. 32 приведено изменение коэффи­ циента готовности оборудования, коэффициента готовности выполне­ ния задания, ремонтопригодности и вероятности безотказной работы в зависимости от величины предельного времени комбайна 1К-52ш. Для расчетов приняты %= 0,00768 отказа в мин, р, = 0,0756 отказа в мин. Время в расчете на одну смену принято равным 120 мни, т. е. без учета простоя оборудования из-за технологических перерывов, простоев по организационным причинам и отказов, возникновение которых не обусловлено непосредственно комбайном. Кривые на

Так как время Т в этом случае принято постоянным, то значение вероятности безотказной работы Р (Т), рассчитанное по формуле (62), остается постоянным и составляет 39,8%.

возрастают, приближаясь к единице, а вероятность безотказной работы остается постоянной и всегда меньше коэффициентов готов­ ности, за исключением точки, соответствующей t — 0.

Так как для большинства видов горношахтного оборудования коэффициенты готовности являются более полным отражением их надежности, следует считать целесообразным установление для опре­ деленных типов горношахтных машин предельного времени обслу­ живания t. Это время должно учитываться при проектировании, из­ готовлении и эксплуатации машин.

В связи с этим может быть поставлена и решена важная задача определения оптимального значения предельно допустимого вре­ мени обслуживания. С временем обслуживания связаны эксплуата­ ционные и капитальные затраты на приобретение машины и. затраты

73

на ремонт, а также убытки от простоев оборудования. Решение этой задачи позволит установить более четкую границу между устрани­ мыми и неустранимыми отказами с уметом времени обслуживания, что в свою очередь будет способствовать возможности прогнозирова­ ния неустранимых отказов, принятию экономически обоснованных решений, связанных' с заменой старого оборудования новым, поста­ новкой машин на капитальный ремонт и т. п.

Помимо рассмотренных выше к непрерывно действующим и обслу­ живаемым системам применяется [32] и другой критерий готовности,

Второй компонент характеризует переходной период работы, обусловленный тем, что в начале выполнения задания в течение короткого интервала времени Т вероятность безотказной работы оборудования больше, чем в течение большого интервала.

Полное выражение временного коэффициента готовности записы­

Это выражение представляет собой критерий готовности обору­ дования, так как оно указывает на то, что система работает время Т - Так как первый компонент коэффициента простоя' П является отношением времени простоя к суммарному времени работы и про­

стоя, можно записать

74

пли

Второй компонент коэффициента простоя также характеризует переходной период работы, обусловленный тем, что в начале выпол­ нения задания в течение короткого интервала времени Т вероятность йоявления отказа меньше, чем в течение большего интервала.

Полное выражение коэффициента простоя записывается так

между временным коэффициентом готовности и коэффициентом про­ стоя существуют соотношения

Таким образом, оказывается достаточным рассмотреть закономер­ ность изменения одного из коэффициентов. Поведение другого коэф­ фициента будет симметричным.

На рис. 33 показана закономерность изменения коэффициента простоя комбайна 1К-52ш в зависимости от Т, построенная на осно­

простоя приближается к асимптоте, которую можно определить по формуле (77) или (78). Поведение. временного коэффициента готов­ ности симметрично, а асимптота для него может быть определена по формуле (74) или (75).

75

Повышение эксплуатационной надежности горношахтного оборудования

Обеспечение надежности техники нельзя рассматривать в отрыве от условий применения той или иной машины. В зависимости от на­ значения машины требования к надежности могут оказаться различ­ ными. В тех случаях, когда руководствуются не экономическими со­ ображениями, необходимо стремиться к максимально возможной надежности. Там, где на первое место ставится экономический прин­ цип, машины должны иметь оптимальную надежность.

Завышенный уровень надежности резко увеличивает стоимость

. машины из-за применения дефицитных и более дорогих материалов, наиболее совершенных и уникальных приборов, из-за больших рас­ ходов на опытно-испытательные работы.

Как известно, надежность машины определяется комплексом показателей: безотказностью, ремонтопригодностью и долговеч­ ностью, каждый из которых имеет немаловажное экономическое зна­ чение. Повышению надежности машины могут способствовать меро­ приятия, проводимые в процессе конструирования, выбора материа­ лов, изготовления и эксплуатации оборудования.

Вцелом надежность машины при проектировании обеспечивается

впроцессе выбора конструктивной схемы, определения требуемой точности и функциональной взаимозаменяемости деталей и сопря­ жений; уточнения нагрузок в узлах и выбора экономичных запасов точности, прочности и удельных давлений на рабочие поверхности, а также скоростей, вызывающих равномерные изиосы до предель­ ных величин за оптимальный срок службы изделия; способов смазки; анализа воздействия окружающей среды на эксплуатационные свой­ ства деталей и машины и совершенствования конструкций де­ талей.

Впроцессе выбора конструктивной схемы высокая надежность

изделия может быть достигнута наилучшей компоновкой деталей

иузлов в изделии, а также резервированием, т. е. установкой в кон­ струкцию параллельных деталей и узлов.

Примерами резервирования могут служить установка в линию резания исполнительного органа комбайна двух резцов, дублирова­ ние вентиляторов в вентиляционных установках главного проветри­ вания, тормозов и тормозных приводов на подъемных установках, различного рода аккумулирующие емкости, параллельные насосные установки в насосных станциях механизированных крепей, сдвоен­ ные конвейерные установки на главных направлениях грузопотока

ит. п.

Вбольшинстве случаев применение резервирования оправды­ вается, так как увеличение стоимости за счет введения дополни­ тельных деталей или элементов компенсируется повышением на­ дежности.

Впроцессе конструирования требуемая надежность и другие эксплуатационные свойства машины могут быть обеспечены реализа­

76

цией некоторых мероприятий. К ним, в частности, относится защита трущихся пар от внешней абразивной среды.

В зазоре трущихся контактных поверхностей может образоваться абразивная прослойка. Абразивные частицы, составляющие эту прослойку, попадают в зазор из окружающей среды или возникают на поверхностях в процессе их износа. Рациональной конструкцией стыка будет такая, которая в наибольшей степени препятствует попаданию абразивных частиц между трущимися поверхностями. Это достигается минимальным радиусом закругления фасок на кромке стыка, а также минимальной шероховатостью трущихся поверх­ ностей, преградой у края зазора в виде ограждающей набивки; козырька, воздушного барьера или лабиринта [30]. Эти мероприятия в ряде случаев значительно сокращают попадание абразивных ча­ стиц в зону трения, что приводит к повышению износостойкости деталей в 2—3 раза.

Кроме того, поверхности деталей машины, подвергающихся ак­ тивному воздействию абразивной среды, можно в ряде случаев изо­ лировать от этой массы. Это достигается установкой дополнительных сменных деталей, которые непосредственно воспринимают воздей­ ствие абразивной массы и могут быть заменены быстро после их из­ носа. К таким сменным деталям относятся, например, стальные по­ лосы, привариваемые в кожухе дымососов, протекторные кольца, надеваемые на штанги бурильных труб, и т. п.

За последние годы получило распространение облицовывание ре­ зиной поверхностей деталей, подвергающихся абразивному износу. Гуммированные статоры и другие детали флотационных машин ра­ ботают в 2—3 раза дольше, чем изготовленные из чугуна, легиро­ ванного марганцем, а гуммированные пульпопроводные трубы имеют износостойкость, в 5—6 раз большую, чем чугунные.

Армирование детали резиной способствует увеличению долго­ вечности не только этой детали, но и детали, работающей с ней в со­ пряжении. Так, армирование резиновыми кольцами стальных под­ держивающих роликов на канатных откатках уклонов и бремсбергов позволило увеличить, срок службы поддерживающих роликов и ка­ натов в 2 раза [58].

Другим мероприятием по увеличению надежности конструкций является учет влияния жесткости деталей на эксплуатационные свойства машин.

Податливость деталей, общая или местная, позволяет ее рабочей поверхности следовать за деформацией сопряженной детали и при­ спосабливаться к неточностям геометрической формы. Самоустанавливающийся опорный подшипник представляет собой простей­ ший пример конструкции, обладающей угловой податливостью. Полнее роль податливости проявляется в резино-металлических вкла­ дышах и гуммированных деталях, во вкладышах из пластмассы и в мягких покрытиях.

Высокая деформируемость резины обусловливает более равно­ мерное распределение давления по длине вкладыша в условиях как

77

смешанного, так и жидкостного трения. Кроме того, абразивные ча­ стицы вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия. Аналогично ведет себя свинцовое покрытие вкладышей подшипников, податливость кото­ рого обусловлена малым сопротивлением пластической деформации. Пластмассы, подобно резине, способны также равномерно распреде­ лять нагрузку по длине вкладыша и при прочих равных условиях обеспечивать большую грузоподъемность смазочного слоя чем антпфрикационные металлы.

Повышение надежности машин может также быть обусловлено совершенствованием форм деталей для снижения концентратов на­ пряжения.

Многие детали машин в процессе работы находятся под действием сил, изменяющих свое значение как по величине, так и по знаку, что приводит к поломкам деталей вследствие усталости. Усталост­ ную прочность деталей резко снижают отверстия, выточки, галтели, резкие переходы от одного сечения к другому, шпоночные канавки и др. Конструктивными приемами повышения усталостной прочности являются тангенциальные надрезы у краев радиального отверстия, кольцевые утолщения у радиальных отверстий, канавки у веточек, разгружающие канавки у резких переходов одного сечения в другое, внутренние галтели и канавки.

Это в первую очередь касается коренных валов подъемных машші. Так, исследованиями причин разрушения коренных валов устано­ влены [39] значительные ісонструктивные недостатки, допущенные при конструировании подъемных машин: валы имеют много ступе­ ней, в которых галтели выполнены малыми радиусами (г < 0,'Ш) и пересечены в нескольких местах шпоночными канавками; было допущено большое количество поперечных резьбовых отверстий; шпоночные канавки без надобности выполнены излишне длинными, имеют ступенчатые выходы под переставными барабанами; некоторые машины не имеют предохранительных бронзовых втулок.

Указанные недостатки недопустимы для высоконагруженных де­ талей, находящихся под воздействием высоких переменных напря­ жений, и приводят к разрушению ответственных и дорогостоящих изделий. Кроме того, нарушение в процессе конструирования основ­ ного правила — не создавать на поверхности деталей концентраторов напряжений, если это не обусловлено необходимостью, — приводит к значительному утяжелению деталей при их недостаточной усталост­ ной прочности. Поэтому при рациональном конструировании корен­ ные валы подъемных машин можно существенно облегчить и повы­ сить их долговечность. Для этого должны, быть приняты меры по усилению или замене напряженных шпоночных соединений на участ­ ках зубчатого колеса механизма перестановки и зубчатого колеса редуктора. В напряженных шпоночных соединениях для заклинива­ ния рабочих барабанов необходимо устранить зазоры в сопряжениях вала со ступицами; предусмотреть плавные выходы шпоночных кана­ вок; исключить поперечные резьбовые отверстия для крепления зам­

78

ков; предусмотреть плавные радиусы закруглений у дна шпоночных канавок; не допускать перерезания галтелей шпоночными канав­ ками; увеличить радиусы на галтелях, а также устранить излишнюю ступенчатость валов.

Повышению надежности машин, в частности их ремонтнопригодности, способствует блочность конструкции.

Для улучшения ремонтопригодности машин быстроизнашивае­ мые детали необходимо изготовлять взаимозаменяемыми, а монтаж и демонтаж их не должен занимать много времени.

Экономически выгодной эксплуатации машин в пределах задан­ ного срока службы и заданной надежности способствует правильный выбор материалов деталей и узлов машины. Этот фактор в ряде слу­ чаев оказывается" решающим.

В себестоимости машины затраты на материалы составляют 20— 60%. Вследствие этого выбор материалов при конструировании, особенно высоконагруженных ответственных деталей, представляет сложную технико-экономическую задачу. Необходимым условием правильного выбора материала является обеспечение надежности

идолговечности детали в нормальных эксплуатационных условиях. Выбор материала зависит от конструктивных особенностей детали

иузла, вида и характера напряжений, имеющих место в нагружен­ ных сечениях и на отдельных поверхностях, технологии произ­ водства, условий эксплуатации и т. д.

При выборе материалов для изготовления деталей необходимо экономить дефицитные и дорогостоящие материалы. Исключением могут быть высоконагруженные ответственные детали, определя­ ющие надежность и долговечность машины. Эти детали, как правило,

целесообразно изготавливать из высококачественных легированных сталей с применением термической и химико-термической обработки.

При решении вопроса об экономической целесообразности выбора того или иного материала необходимо сравнивать не только стои­ мость материалов, но также учитывать сроки службы деталей и экс­ плуатационные расходы. Вследствие этого более дорогой материал, обеспечивающий высокую износостойкость, надежность, долговеч­ ность и экономию эксплуатационных расходов, может оказаться более экономичным, чем дешевый, но менее качественный материал.

Сравнительные коэффициенты экономичности [39] низколегиро­ ванных сталей и стали марки Ст. 3 приведены в табл. 12.

Из данных табл. 12 следует, что низколегированные стали, не­ смотря па их повышенную стоимость по сравнению со сталью марки Ст. 3, имеют высокий коэффициент экономической целесообразности. Важно также отметить, что при термической обработке низколегиро­ ванных сталей этот коэффициент повышается в 1,2—1,3 .раза.

Экономичность применения низколегированных сталей опреде­ ляется не только коэффициентом экономической целесообразности, но и высокой технологичностью стали, а именно: свариваемостью, возможностью применения ее при температуре 450—500° С, отсут­ ствием хрупкости при отрицательных температурах, коррозионной

79