Применение нечеткого подхода для оценки влияния структуры и режимов управления на показатели эксплуатационной надежности карьерных экскаваторов
В.С. Великанов, к.т.н., А.А. Шабанов, аспирант, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
Нарушения режимов работы карьеров, если не учитывать длительные производственно-технологические простои, происходят в основном по причине отказов используемого оборудования, в том числе и карьерных экскаваторов.
Надежность карьерных гусеничных экскаваторов (ЭКГ) в условиях открытых горных разработок зависит от большого количества факторов, к которым можно отнести: горнотехнические условия эксплуатации, погодно-климатические условия, а также структуру и режимы управления.
Анализ надежности ЭКГ в конкретных условиях эксплуатации показывает на высокую долю отказов электромеханического оборудования (50–70% от их общего количества). Режимы управления главными приводами обуславливают продолжительность цикла экскавации и периода черпания а, следовательно, производительность и количественные характеристики эксплуатационной надежности экскаваторов. Режимы управления ЭКГ принято оценивать с помощью, так называемого коэффициента управления (kу). Известен ряд работ [1–4] в которых указывается о влиянии режимов и структуры управления на эксплуатационную надежность карьерных экскаваторов. Установлено [5] , что параметр потока отказов резко возрастает по мере уменьшения значения коэффициента управления, что свидетельствует о невозможности нормальной эксплуатации экскаватора при низких значениях kу. Изменение количественных характеристик эксплуатационной надежности ЭКГ с изменением коэффициента управления обуславливается тем, что режимы управления определяют величину и характер нагрузок в деталях экскаватора и, следовательно, число их отказов.
Отметим, что дальнейшие исследования по данной тематике актуальны и в настоящее время, так как на карьерах и разрезах Российской Федерации продолжает эксплуатироваться, широкий модельный ряд экскаваторов: ЭКГB5 (5А), ЭКГB8И, ЭКГB10, ЭКГB12, ЭКГB12,5, ЭКГB15, ЭКГB20, ЭШB10/70, ЭШB40/85, ЭШB100/100, ЭШРД-5000.
В Магнитогорском государственном техническом университете проводятся исследования влияния квалификации машинистов экскаваторов на качество управления ЭКГ.
Исследованиями и анализом осциллограмм рабочих процессов экскаваторов ЭКГB5А, эксплуатируемых на предприятиях Южного Урала [6], доказано, что режимы его управления влияют на возникновение дополнительных нагрузок в подъемных канатах. Установлено, что при работе на одном и том же экскаваторе и в одних и тех же эксплуатационных условиях нагрузки, возникающие в подъемных канатах, резко отличаются друг от друга при управлении машинистами различной квалификации (рис. 1, табл. 1).
В работе [9] проведены исследования причин отказов рукояти экскаваторов ЭКГB5А в условиях карьеров горно-обогатительного производства (ГОП) ОАО «ММК». Установлено, что наибольшее количество отказов связано с квалификацией машинистов. Распределение отказов рукояти экскаваторов типа ЭКГB5А при управлении машинистами с разными стажевыми группами представлены на рис. 2, табл. 2. Данные табл. 2 подтверждают: изменение скорости подъема ковша влияет на возникновение дополнительных нагрузок, приводящих к отказам оборудования; величина напряжений, возникающих в рукояти экскаваторов ЭКГB5А в процессе копания горной массы, при управлении экскаватором машинистами с различным стажем работы превышают допустимые значения [9].
В связи с тем, что коэффициент управления и скорость подъема ковша являются одними из определяющих факторов, влияющих на изменения усилий в подъемных канатах и соответственно напряжений в рукояти, и во многом зависят от уровня квалификации машиниста экскаватора, то для упрощения нахождения зависимости между ними может быть использован аппарат нечеткой логики. В ходе анализа влияющих факторов невозможно избежать проблем неточности и неясностей данных. Это связано как с объективными причинами – неопределенность, связанная с нестабильностью и изменчивостью среды, а также с неполнотой, неточностью имеющейся информации, так и с субъективными причинами. Результатом этого анализа становится возможность качественного представления влияющих факторов.
Наиболее удобной для этой цели служит платформа для проведения математических операций MATLAB с использованием Fuzzy Logic Toolbox (пакет нечеткой логики). В данной среде можно моделировать практически все процессы, в которых, так или иначе, участвует математический аппарат. К основным её достоинствам можно отнести наглядность и удобство интерфейса, а также достаточную простоту при построении модели [10].
Разработка модели начинается с составления функций принадлежности нечетких лингвистических переменных, таких как «коэффициент управления», «скорость подъема ковша» и «напряжения в рукояти», задаваемые на некоторой количественной шкале и принимающие значения в виде слов и словосочетаний естественного языка.
Рис. 3 Нечеткая переменная «коэффициент управления»
Для описания нечеткой переменной «коэффициент управления» используется область определения от 0 до 1, где значения от 0 до 0,65 будет обобщенно соответствовать понятию «недостаточный», подразумевающее под этим несоответствие профессиональной компетентности, от 0,55 до 0,9 «средний» и от 0,85 до 1 «достаточный» (рис. 3). Аналогичным образом выполняется описание остальных лингвистических переменных. Для нечеткой переменной «скорость подъема ковша» также – от 0 до 1 м/с, а для нечеткой переменной «напряжения в рукояти» область определения – от 100 до 350 МПа.
Следующий важный момент при составлении нечеткой модели представляет ввод правил нечеткой логики. Любое правило продукций состоит из посылок и заключения. Возможно наличие нескольких посылок в правиле, в этом случае они объединяются посредством логических связок И, ИЛИ. Обычно продукционное правило записывается в виде:
«ЕСЛИ (посылка_1) (связка) (посылка_2) (св) ...(св) (посылка_n), ТО (заключение)».
Логические правила сводятся в единую базу, которая представляет собой множество отдельных правил управления, согласованных относительно используемых в них лингвистических переменных.
Рис. 4 Вид программы просмотра правил нечеткого вывода после изменения значений входных переменных
Из законов комбинаторики составляется 9 правил для описания взаимосвязи между двумя входными – «коэффициент управления» и «скорость подъема ковша» и одной выходной переменной – «напряжения в рукояти» (табл. 3).
Процесс нечеткого моделирования предполагает анализ результатов нечеткого вывода при различных значениях входных переменных с целью установления адекватности разработанной нечеткой модели. На рис. 4 представлен случай, при котором значение скорости подъема ковша – 0,9 м/с, коэффициент управления – 0,61, в результате значение выходной переменной напряжения в рукояти составляет – 316 МПа, что сопоставимо с результатами экспериментальных исследований (см. табл. 1–2). По результатам анализа адекватности нечеткой модели с использованием средств визуализация Fuzzy Logic Toolbox™ могут быть внесены корректировки в базу лингвистических правил. В заключении отметим, что данная модель не может считаться идеальной, однако она позволяет оценить соотношения и взаимосвязи между факторами, которые вызывают напряжения, превышающие номинальные (допускаемые), что обусловливает возникновение усталостных трещин и разрушение металлоконструкции (рукояти) экскаватора.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Домбровский Н.Г. Повышение производительности одноковшовых экскаваторов. – М.: Стройиздат, 1951. – 319 с.
2. Голубев В.А., Троп А.Е. Надежность горного оборудования и эффективность его использования. – М.: Недра, 1974. – 80 с.
3. Панев Б.И. Режимы управления экскаваторами СЭ-3 и ЭКГ-4. – М.: Недра, 1966. – 121 с.
4. Подэрни Р.Ю. Механическое оборудование карьеров: Учеб. для вузов. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. – 606 с.
5. Голубев В.А., Троп А.Е., Карасев Н.М. и др. Эксплуатационная надежность и техническое обслуживание экскаваторов ЭКГ-8 и ЭКГ-8И: Учебно – методическое пособие. – Свердловск: 1971. – 119 с.
6. Великанов В.С. Повышение эффективности эксплуатации карьерных гусеничных экскаваторов с оборудованием «прямая механическая лопата» Дис. ... канд. техн. наук. – Екатеринбург, 2009. –118 с.
7. Великанов В.С. Методика оценки профессиональной компетентности операторов горно – транспортных машин // Горная промышленность. – 2012. – №2. – с.114–117.
8. Великанов В.С., Олизаренко В.В. К вопросу ранжирования профессиональных навыков машиниста карьерных экскаваторов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2010. – №3. – С. 315–319.
9. Шарипов P.X. Изучение влияния скорости подъема ковша на долговечность рукояти экскаваторов с зубчато-реечным напором (на примере ЭКГ-5А) : Дис. ... канд. техн. наук. – Екатеринбург, 2011. – 85 с.
10. Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 736 с.
