1.2.2. Механизация и автоматизация

Это один из важнейших резервов повышения производительности труда.

Увеличение мощностей и скоростей машин привело к снижению возможностей человека как управляющего и контролирующего звена. Причиной этого стало весьма существенное препятствие – психологические и физиологические особенности человека, который управляет этим процессом.

На реакцию человека на определенный сигнал необходимо какое-то время, которое обусловлено инерционностью его нервной системы. В среднем, как показали исследования, время простой ответной реакции человека составляет 0,1 с. Время сложной реакции, когда информаторов может быть несколько и на каждый из них должен быть дан особый ответ, не менее 0,4 с. А если при этом учесть, что физические возможности каждого человека в отличие от машины зависят от субъективных факторов и окружающих условий, то можно утверждать, что это время даже у одного человека меняется значительно.

Человек, управляющий машиной и выполняющий подобные операции, быстро устает (физически и психически), замедляет и ограничивает темп выполнения производственных процессов, внимание начинает рассеиваться, что может привести к поломкам, авариям, несчастным случаям. Подтверждением этого может служить факт существования низких и высоких производственных показателей в любой отрасли промышленности, где преобладают ручные и машинно-ручные операции, причем они отличаются друг от друга в 1,5 – 2, а иногда и большее число раз.

Уровень механизации трудоемких процессов и операций можно определить из соотношения:

где Т_м – время механизированного труда (без применения ручного труда);

Т_Σ – общее время процесса.

Можно воспользоваться также коэффициентом фактической энерговооруженности труда:

где Э₁– энергия, потребленная всеми механическими приводами непосредственно от первичных двигателей, кВт;

Э₂ – вся энергия, потребленная электродвигателями, кВт;

Э₃ – энергия, потребленная электроаппаратами и приводами, кВт;

Σt – суммарное количество отработанных человеко-часов всем коллективом рабочих предприятия.

По коэффициенту фактической энерговооруженности труда судят об уровне механизации и автоматизации труда.

1.2.3 Надежность

Качественное решение вопросов проектирования производства и эксплуатации буровых машин и механизмов, а также бурового оборудования в настоящее время невозможно без использования и учета основных положений и рекомендаций теории надежности.

Надежностью бурового оборудования называют его свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является важнейшей качественной характеристикой бурового оборудования.

В зависимости от назначения применяемого объекта надежность может характеризоваться безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью в отдельности или определенным сочетанием перечисленных свойств.

Безотказностью систем оборудования различных буровых установок, их узлов и деталей называют свойство сохранения работоспособности в течение некоторого времени или некоторой наработки, измеряемой, например, погонными метрами бурения, машино-часами и др.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Различают восстанавливаемые и невосстанавливаемые объекты, т. е. их работоспособность в случае отказа подлежит или не подлежит восстановлению в данной ситуации. Кроме того, выделяют: ремонтируемые объекты, т. е. их работоспособность может быть восстановлена, но только на ремонтном предприятии или в ремонтной мастерской (станки, насосы, труборазвороты, электромоторы и др.), и неремонтируемые, работоспособность которых при отказе или повреждении не подлежит восстановлению (резьбовые соединения породоразрушающий инструмент). Неремонтируемые объекты являются одновременно и невосстанавливаемыми.

Надежность элементов одноразового срабатывания характеризуется вероятностью безотказного срабатывания:

где r – число отказавших элементов за время испытаний;

N – число элементов испытываемых объектов.

Сохраняемость – свойство непрерывного сохранения объектом исправного и работоспособного состояния в течение и после хранения и транспортирования.

Срок сохраняемости– календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение и после которой значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности сохраняются в установленных пределах.

Ниже приводятся также общие понятия о других, не мене важных, терминах надежности.

Исправное состояние (исправность) – состояние объекта, при котором он соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической или конструкторской документации.

Работоспособное состояние (работоспособность) – состояние объекта, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно, либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния.

Отказ– событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.

Показатель надежностипредставляет собой количественную характеристику одного (единичный показатель надежности) или нескольких (комплексный показатель надежности) свойств, составляющих надежность объекта.

Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.

Наработка на отказ Т_о это:

(7)

Где – наработка буровой машины или агрегата;

–суммарное число отказов n, соответствующего технического объекта в течение этой наработки;

N– количество однотипных технических объектов, каждый из которых имел наработкуt_i иn_i отказов.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки восстанавливаемого объекта к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Среднее время восстановления Т_с.в. – показатель ремонтопригодности восстанавливаемого технического объекта:

(8)

где N– количество технических объектов;

τ_i– суммарное время простоев каждого объекта, ч;

n_i– количество отказов.

Коэффициент готовности К_г– комплексный показатель надежности и используется для оценки влияния уровня надежности буровых машин и агрегатов на их производительность.

При установившемся режиме эксплуатации коэффициент готовности определяется из выражения:

(9)

Коэффициент готовности учитывает безотказность и ремонтопригодность объекта, а также характеризует вероятность его работоспособности в любой момент времени, кроме периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается или не производится.

Коэффициент технического использования К_т.и. зависит как от безотказности работы, так и от ремонтопригодности и определяется выражением:

где Т_раб – суммарная длительность исправной работы бурового оборудования за время его эксплуатации, ч;

Т_рем– суммарное время простоев оборудования из-за плановых и внеплановых ремонтов, ч;

Т_обсл – суммарное время простоев оборудования из-за планового и внепланового обслуживания, ч.

Интенсивность отказов– условная плотность вероятностиf(t) возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого отказ не возник. Математически она выражается отношением:

где Р(𝑡)– вероятность безотказной работы.

Интенсивность отказов изменяется со временем. В начальный период работы изделия интенсивность отказов велика; здесь многие изделия выходят из строя из-за скрытых дефектов, которые не были обнаружены в процессе производства. Этот период называется периодом приработки.

Во втором периоде интенсивность отказов примерно постоянная (или медленно возрастает). Это период нормальной эксплуатации.

В третьем периоде вероятность отказов возрастает из-за явлений износа и старения, которые наблюдаются в изделиях.

Приведенные выше уравнения являются общими и пригодны они для любых законов распределения наработки до отказа (срока службы).

Наиболее распространенными законами распределения для определения характеристик надежности и долговечности являются следующие:

• экспоненциальное распределение;

• нормальное распределение;

• распределение Вейбулла;

• логарифмически нормальное распределение.

Для оценки долговечности бурового оборудования применяются следующие основные показатели долговечности.

Средний ресурс, который может быть представлен следующим выражением:

(12)

где F(t)– функция распределения ресурса.

Гамма-процентный ресурс – наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с заданной вероятностьюv, %. Определяется он из уравнения:

где – гамма-процентный ресурс.

Назначенный ресурс – суммарная наработка объекта, при достижении которой применение по назначению должно быть прекращено.

Средний срок службы определяется по формуле (12).

Гамма-процентный срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта, в течение которого он не достигнет предельного состояния с заданной вероятностьюv, %. определяется по формуле (13).

Назначенный срок службы– календарная продолжительность эксплуатации объекта, при достижении которой применение объекта по назначению должно быть прекращено.

Долговечность буровых машин и агрегатов оценивается суммарной наработкой оборудования до полного исчерпания работоспособности или предельного состояния (капитального ремонта). различают три категории долговечности:

а) Физическая долговечность τ_ф бурового оборудования зависит от долговечности составляющих ее частей, агрегатов, сопряжения отдельных деталей. Определяется она по следующей зависимости:

где S_миS_н– соответственно предельно допустимый и начальный зазоры, мм;

tgβ– характеризует скорость изнашивания сопряжения (нарастание зазора) и определяется опытным путем.

б) Моральная долговечность τ_м оборудования выражает срок службы, после которого оно становится технически и экономически неэффективным по сравнению с новым более совершенной конструкции. Если последнее оборудование обладает малым «запасом совершенства», оно быстро стареет (морально изнашивается). Моральная долговечность существующего оборудования может быть настолько незначительной, что оно не успеет окупить себя достаточно эффективной работой.

Показателем моральной долговечности бурового оборудования является коэффициент морального износа, который определяется по следующей формуле:

Здесь С₁иС₂ – соответственно себестоимость единицы продукции старого и нового оборудования;

ΔС– экономия от ввода в эксплуатацию нового оборудования.

Значения коэффициента морального износа 0-1. В случае С₁=С₂ коэффициент=0, т.е. оборудование еще морально не износилось и современно. При С₂≤С₁ значениеΔС→1, а→1. это означает почти полный моральный износ оборудования, которое независимо от фактического физического состояния необходимо заменить новым, более совершенным. В этом случае ресурс работы оборудования не будет полностью использован и затраты на обеспечение высокой его долговечности окажутся неоправданными.

в) Технико-экономическая долговечность τ_э определяет экономически целесообразный срок службы бурового оборудования, который соответствует минимальному значению удельной себестоимости его эксплуатации. В проценте износа оборудования падает его производительность, возрастают эксплуатационные расходы и стоимость ремонта.

Важное значение в теории надежности отводится понятию отказа, или события заключающегося в нарушении работоспособности объекта.

Критерий отказапредставляет собой признак или совокупность признаков неработоспособного состояния объекта, которые установлены в нормативно-технической и (или) конструкторской документации.

К независимым относятся отказы, которые не вызваны отказом другого объекта, а к зависимым – отказы, обусловленные отказом другого объекта.

Внезапные отказы вызваны скачкообразным изменением одного или нескольких основных параметров элементов в результате различных воздействий. Причиной внезапных отказов могут быть различные нарушения рабочих режимов машин и механизмов, правил их эксплуатации, а также отдельные дефекты элементов машин. Характерным для внезапных отказов является их независимость от времени эксплуатации элемента. Постепенные отказы характеризуются постепенным изменением заданных параметров объекта, обусловленным изнашиванием, накоплением усталостных повреждений, а также старением деталей. Таким образом, с увеличением времени работы машины опасность постепенных отказов возрастает.

Различают перемежающийся (многократно возникающий самоустраняющийся отказ одного и того же характера), конструкционный (возникающий в результате нарушения правил и норм конструирования), производственный (возникающий при нарушении установленного процесса изготовления или ремонта) и эксплуатационный (нарушение правил и условий эксплуатации) отказы.

Своевременное и правильное установление вида (конструкционный, производственный и др.) и периода (при транспортировании, хранении или в процессе эксплуатации объекта) возникновения отказа позволяет обоснованно подходить к разработке мероприятий по повышению надежности бурового оборудования.

На этапе проектирования новой конструкции нужно придерживаться следующих правил надежности:

• конструкция должна содержать максимально возможное число элементов, проверенных на практике;

• использование стандартных и унифицированных деталей и узлов;

• конструкция должна обладать контролеспособностью;

• элементы конструкции должны подвергаться тщательному расчету на статическую и динамическую прочность (учитываются максимальные нагрузки, наиболее рабочие условия, минимальная прочность материала);

• устанавливаются нормы прочности, регламентирующие допустимые запасы прочности и необходимый объем экспериментальных исследований.

На этапе опытного производства и испытания:

• опытные экземпляры должны быть предназначены для всесторонних исследований и испытаний в лабораторных и стендовых условиях;

• определяется конструкционная прочность и износостойкость отдельных элементов конструкции;

• опытная конструкция испытывается на надежность в условиях, имитирующих натурные;

• проводятся специальные испытания, выявляющие работоспособность в экстремальных условиях эксплуатации;

• после устранения выявленных отказов или неисправностей проводятся приемочные производственные испытания, и утверждается эталон для серийного производства.