Повышение эффективности эксплуатации карьерных гусеничных экскаваторов с оборудованием «прямая механическая лопата»

Вид материала

Автореферат

Содержание 22» декабря Общая характеристика работы Цель работы Идея работы Задачи исследования Научные положения, выносимые на защиту Объект исследований Научную новизну результатов исследований Достоверность и обоснованность Методы научных исследований. Личный вклад автора Реализация выводов и рекомендаций работы. Апробация работы Объем и структура работы Основное содержание работы Во второй главе Кэрг с совокупностью комплексных показателей К Кэрг и совокупностью комплексных показателей К Кэрг с совокупностью комплексных показателей К В третьей главе ... Полное содержание

Подобный материал:

• Повышение эффективности функционирования карьерных дробильно-перегрузочных установок, 225.45kb.
• Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности, 30kb.
• Повышение эффективности эксплуатации главных судовых дизелей методами регулирования, 744.42kb.
• Заявка на участие во Всероссийской научно-практической конференции, 46.56kb.
• Проект по производству погрузчиков-экскаваторов с годовой производительностью 1000, 46.5kb.
• Повышение эффективности эксплуатации водоотливных установок медноколчеданных рудников, 396.9kb.
• Повышение эффективности универсального малогабаритного погрузчика с рабочим оборудованием, 297.4kb.
• Муниципальная программа «энергосбережение и повышение энергетической эффективности, 1085.05kb.
• Повышение эффективности эксплуатации скважин электроцентробежными насосами после гидравлического, 212.65kb.
• Повышение эффективности эксплуатации скважин электроцентробежными насосами после гидравлического, 237.59kb.

^{На правах рукописи}


Великанов Владимир Семенович


ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КАРЬЕРНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ С ОБОРУДОВАНИЕМ «ПРЯМАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ЛОПАТА»


Специальность: 05.05.06 – «Горные машины»


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Екатеринбург – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный горный университет»


Научный руководитель – доктор технических наук, доцент

Суслов Николай Максимович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кожушко Герман Георгиевич


кандидат технических наук, доцент

Закаменных Юрий Геннадьевич


Ведущая организация – ОАО «Уралгипрошахт» (г. Екатеринбург)


Защита диссертации состоится « 22» декабря 2009 г. в 14⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»


Автореферат разослан «20» ноября 2009 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Хазин М. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие рынка продукции горного машиностроения привело к нарастанию конкуренции и противодействию монопольному влиянию производителей горной техники. В этих условиях отношения производителей и потребителей техники формируются на основе оптимизации соотношения ее стоимости и потребительских свойств. В области экскаваторостроения наметилась тенденция к повышению конкурентоспобности продукции, обусловленной изменениями таких факторов, как: гуманизация труда, высокие темпы научно-технического прогресса и инновационные технологии, создание единого экономического пространства со странами СНГ и перспективы вступления России в ВТО.

Карьерные гусеничные экскаваторы (ЭКГ) занимают центральное место в технологической цепи добычи полезных ископаемых открытым способом. Очевидно, что их высокопроизводительная работа напрямую влияет на эффективность ведения горных работ.

Динамичность рынка горной техники, в том числе карьерных экскаваторов, требует проведения систематических эргономических исследований с целью повышения конкурентоспособности отечественного экскаваторного оборудования. Необходимость совершенствования эргономических показателей экскаваторов диктуется повышением требований к качеству, объемами и ценовыми показателями добычи, выходом отечественных горнодобывающих предприятий на мировые рынки сырья, оборудования и финансов.

В условиях научно-технического прогресса значения параметров, входящих в критерии оптимизации и ограничения, со временем изменяются, поэтому разработку нового подхода к определению эргономических показателей ЭКГ необходимо рассматривать как управляемый процесс повышения эффективности эксплуатации на основе рационального распределения функций в системе «человек – экскаватор – забой». Данный подход адекватен для современной конкурентной среды и рыночной конъюнктуры.

Опыт различных отраслей промышленности показывает, что комплексное решение задач эргономического обеспечения технологического оборудования позволяет повысить эффективность его функционирования на 10÷30 %. Поэтому проведение исследований в области совершенствования карьерных гусеничных экскаваторов по критерию эргономичности является актуальной научной задачей.

Цель работы: совершенствование эргономических показателей с практической реализацией комплекса алгоритмов и программ компьютерного моделирования системы «человек – экскаватор – забой», направленных на повышение эффективности эксплуатации карьерного гусеничного экскаватора.

Идея работы заключается в том, что повышение эффективности эксплуатации карьерного гусеничного экскаватора при совершенствовании эргономических показателей достигается рациональным распределением функций в системе «человек – экскаватор – забой».


Задачи исследования:

– выполнить анализ научных исследований и обосновать подход к совершенствованию эргономических показателей ЭКГ;

– определить степень влияния квалификации машиниста экскаватора на качество управления ЭКГ;

– усовершенствовать методику оценки профессиональных навыков и знаний машинистов экскаваторов;

– разработать классификацию системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления ЭКГ и его производительность;

– разработать и реализовать алгоритмы и программы для компьютерного моделирования системы «человек – экскаватор – забой».

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Совершенствование эргономических показателей карьерного гусеничного экскаватора необходимо рассматривать как управляемый процесс повышения эффективности его работы на основе рационального распределения выполняемых функций в системе «человек – экскаватор – забой».
   
2. Повышение эффективности эксплуатации карьерного гусеничного экскаватора с учетом его эргономического обеспечения должно базироваться на определении обобщенного эргономического показателя во взаимосвязи с совокупностью комплексных эргономических показателей ЭКГ.
   
3. Качественная оценка эффективности управления карьерным гусеничным экскаватором характеризуется коэффициентом эффективности деятельности машиниста и классификацией системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным гусеничным экскаватором и его производительность.
   

Объект исследований: карьерные гусеничные экскаваторы с оборудованием «прямая механическая лопата».

Предмет исследований: взаимодействие элементов системы «человек – экскаватор – забой».

Научную новизну результатов исследований составляют:

1. Разработка методики оценки теоретических знаний и профессиональных навыков машиниста экскаватора.
   
2. Обоснование коэффициента эффективности деятельности машиниста экскаватора, характеризующего степень влияния квалификации на качество управления карьерным гусеничным экскаватором.
   
3. Обоснование классификации системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность.
   

Практическая значимость работы:

1. Разработан механизм совершенствования эргономических показателей карьерного гусеничного экскаватора.
   
2. Разработана методика оценки профессиональных навыков и знаний машинистов экскаваторов.
   
3. Предложена классификация системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность.
   
4. Установлено влияние режимов управления и квалификации машиниста экскаватора на усилия, возникающие в подъемных канатах.
   
5. Сформированы алгоритмы и программы для построения трехмерных компьютерных моделей реальных объектов типа ЭКГ для систем виртуальной реальности.
   

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом исходной статистической информации; применением теоретически обоснованных методов исследования; адекватностью и высокой степенью точности полученных математических моделей; согласованностью полученных теоретических результатов и результатов компьютерного моделирования с практическими наблюдениями; положительными результатами применения методических положений диссертационной работы в деятельности ОАО «Учалинский ГОК» (ОАО «УГОК»).

Методы научных исследований. Системный анализ и научное обобщение результатов теоретических исследований, обработка результатов исследований с использованием методов математической статистики и экспертных оценок.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследований, сборе и обобщении материалов [2,4], построении компьютерных моделей [1,3], а также организации, проведении и анализе результатов всего комплекса экспериментальных исследований.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований использованы при обучении и переподготовке машинистов экскаваторов в Рудненском индустриальном институте (г. Рудный, Республика Казахстан), в учебном процессе кафедры «Механизация и электрификация горных производств» (МиЭГП) в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И.Носова» (МГТУ им. Г.И. Носова) и учебно-курсовом комбинате ОАО «УГОК» (г. Учалы, Республика Башкортостан).

Результаты работы переданы в горно-обогатительное производство ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ГОП ОАО «ММК»), (г. Магнитогорск) и ОАО «УГОК» (г. Учалы, Республика Башкортостан) для реализации программ развития горнодобывающих предприятий.

Апробация работы: результаты и основные положения диссертационной работы докладывались: на международных научно-технических конференциях «Добыча, обработка и применение природного камня» (г. Магнитогорск, 2006-2009 гг.), Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека» (г. Екатеринбург, 2009 г.), международных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2006-2009 гг.), ежегодных научно-технических конференциях МГТУ (г. Магнитогорск, 2006-2009 гг.), на заседаниях научного семинара кафедры МиЭГП и факультета горных технологий и транспорта МГТУ г. Магнитогорск, 2006-2009 гг..

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 научных статей.


Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 81 странице машинописного текста, содержит 45 рисунков, 18 таблиц, библиографический список из 132 наименований и 1 приложения.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


Введение посвящено актуальности выбранной темы и общей характеристике диссертационной работы.

В первой главе произведен анализ сырьевой базы Российской Федерации (РФ) и потребностей рынка в современных экскаваторах; установлено влияние условий эксплуатации, структуры и режимов управления на производительность ЭКГ; выполнен анализ исследований эргономического обеспечения ЭКГ.

Объем добычи железной руды в РФ в 2008 г. составил 99,9 млн тонн, объем добычи угля – 326 млн тонн. Для экскавации горной массы на карьерах и разрезах РФ в основном используются экскаваторы типа ЭКГ.

В настоящее время действующие мощности Объединенных машиностроительных заводов (ОМЗ) не в состоянии полностью обеспечить потребности горных предприятий в современных образцах оборудования, что в конечном итоге тормозит развитие российской горной промышленности.

Оценка состояния карьерной техники по сроку амортизации показала, что на горных предприятиях РФ и других стран СНГ в настоящее время эксплуатируется в среднем 60÷70 % карьерных экскаваторов со сверхнормативным сроком службы и без остаточной балансовой стоимости.

Выходом из создавшегося положения является разработка долгосрочной программы работ по увеличению срока безопасной эксплуатации горного оборудования, как нового, так и со сверхнормативным сроком службы.

Перспективным направлением программы является разработка рекомендаций по рациональному управлению ЭКГ и комплексный мониторинг с использованием компьютерных информационно-диагностических систем (ИДС).

Целью деятельности машиниста экскаватора является эффективная добыча полезного ископаемого, соответственно одним из критериев оценки данного процесса служит производительность. Разница в производительности труда машинистов экскаваторов, при работе на одной машине и в одинаковых условиях, может достигать 30÷40 %. Напряженный характер и монотонность работы машиниста экскаватора ведет к тому, что к концу смены возрастает опасность создания поломок и аварийных ситуаций. Анализ причин возникновения аварийных отказов ЭКГ на предприятиях показывает, что наибольшее количество их происходит по таким причинам, как: нарушение правил технической эксплуатации (ПТЭ) - (56,7 %); недостаточная подготовленность забоя (8,3 %); конструктивные недостатки (6,9 %); некачественный ремонт (7,6 %) и некачественное изготовление деталей и узлов (5,6 %).

Основой для определения производительности ЭКГ являются труды ученых Н.Г. Домбровского, А.Е. Тропа, В.В. Ржевского, Н.В. Мельникова, В.А. Голубева, Р.Ю. Подэрни и других.

Производительность ЭКГ формально зависит от двух конечных факторов – числа рабочих циклов и объема горной массы, перерабатываемой при каждом из них. В зависимости от горнотехнических условий изменяются значения параметров цикла экскавации, которые оказывают существенное влияние на нагрузки в рабочем оборудовании (РО) и приводах машины. При разработке скальных пород в процессе экскавации возникают значительные как статические, так и динамические нагрузки, численная величина которых в большинстве случаев не поддается определению для конкретных условий эксплуатации.

Кроме отмеченных факторов, на производительность ЭКГ оказывает влияние и уровень квалификации машинистов экскаваторов. Режимы управления карьерным экскаватором в существующих методиках оцениваются только с помощью коэффициента управления (k_у), при этом другим эргономическим показателям не уделяется должного внимания.

Недостаточное использование результатов эргономических исследований приводит к тому, что значительные резервы повышения производительности остаются нереализованными, а эффективность управления ниже проектной.

Эргономическая оценка ЭКГ как технического средства производится исходя из принадлежности его к системе «человек – экскаватор – среда» (ЧЭС). Интерес для исследования представляет эргономическое обеспечение производственной и эксплуатационной фаз жизненного цикла системы «человек – экскаватор – среда».

Во второй главе произведено определение обобщенного эргономического показателя экскаватора с использованием метода медианных рангов; предложена методика рейтинговой оценки теоретических знаний и профессиональных навыков машиниста экскаватора, а также классификация системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность.

Определение обобщенного эргономического показателя К_эрг карьерного гусеничного экскаватора основывается на работах В.С. Головина, В.П. Зинченко, В.Н. Мунипова, М. Монмолена, Г. Салвенди, М. Шмида и находится в полном соответствии с общепринятыми методиками по установлению комплексной оценки качества изделия.

В исследованиях по определению К_эрг использованы одновременно два метода – метод средних арифметических рангов и метод медианных рангов.

Данный подход находится в согласии с концепцией устойчивости, рекомендующей использовать различные методы для обработки одних и тех же данных с целью обобщить выводы, получаемые одновременно при всех методах. В исследованиях используется репрезентативная теория измерений, служащая основой теории экспертных оценок, прежде всего той ее части, которая связана с анализом заключений экспертов.

Эксперт присваивает ранг 1 (по 5–балльной шкале оценок) самому значимому эргономическому комплексному показателю, который доминирует в определении эргономичности экскаватора, и соответственно ранг 5 – показателю с наименьшим влиянием. Комплексные показатели К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ характеризуют соответственно обеспечение управляемости, обитаемости, обслуживаемости, осваиваемости и технологичности ЭКГ.

Итоговая ранжировка по методу средних арифметических баллов записывается в виде неравенства

К₁<К₂<К₃<К₄<К_5, (1)

упорядочение по методу медианных рангов имеет вид:

К₁<К₂<К₃<{К₄,К₅}. (2)

Сравнение ранжировок по методу средних арифметических и методу медиан (1) и (2) показывает их сходимость, комплексные показатели осваиваемости (K₄) и технологичности (K₅) из-за погрешностей экспертных оценок в одном методе признаны равноценными – ранжировка (2).

Корреляционным анализом определена теснота линейной взаимосвязи К_эрг с совокупностью комплексных показателей К₁, К₂ ,К₃, К₄, К₅, рассматриваемых в целом. Для исследования зависимости между обобщенным эргономическим показателем и комплексными показателями проведена выборка из 12 моделей экскаваторов отечественного и зарубежного производства. Теснота связи при этом измерится с помощью множественного коэффициента корреляции R, который является обобщением парного коэффициента корреляции.

Коэффициент корреляции R определен по формуле

(3)

где – определитель матрицы; p = 1,…5 (коэффициенты управляемости, обитаемости, обслуживаемости, осваиваемости и технологичности); – алгебраическое дополнение элемента r_ii той же матрицы.

Матрица выборочных коэффициентов корреляции представлена как

(4)

В результате выполненных расчетов установлено значение множественного коэффициента корреляции что указывает на достаточно устойчивую связь между К_эрг и совокупностью комплексных показателей К₁, К₂, К₃, К₄, К₅. При этом выборочный множественный коэффициент корреляции по абсолютной величине не меньше любого из парных коэффициентов корреляции , которые, в свою очередь, оказались равными 0,57 (рис.1).




Рис. 1. Диаграмма взаимосвязи К_эрг с совокупностью

комплексных показателей К₁, К₂ , К₃, К₄, К₅


Повышение квалификации рабочих кадров является важной задачей успешного функционирования любого горного предприятия. Это особенно справедливо в современных условиях, когда ускорение научно-технического прогресса значительно убыстряет процесс устаревания профессиональных знаний и навыков машинистов ЭКГ.

В отличие от развитых стран рыночной ориентации, на горных предприятиях РФ отсутствуют методики объективной оценки кадрового персонала. Основой более рационального использования рабочего времени и сокращения его потерь является повышение производительности труда. Для оценки качества управления экскаватором необходимо учитывать профессионализм машиниста или его рейтинг.

На величину рейтинга машиниста экскаватора, оцениваемого коэффициентом эффективности деятельности k_эф, влияют различные показатели: квалификация (разряд), профессионализм (теоретические знания и практические навыки), стаж работы по специальности, уровень образования (рис. 2).



Рис. 2. Распределение машинистов экскаваторов по стажевым группам и уровню образования на ОАО «УГОК»

Целью рейтинговой оценки теоретических знаний и профессиональных навыков является определение степени влияния перечисленных показателей, на основе которых можно определить машиниста с максимальным рейтинговым показателем и ранжировать группу машинистов экскаватора по уровням рейтинговой оценки.

Методика оценки теоретических знаний и профессиональных навыков машиниста экскаватора является многокритериальной задачей, которая включает следующие этапы:

1. Классификация по группам основных показателей, определяющих эффективность функционирования машиниста. К первой группе относят показатели, определяющие «теоретические знания» (N_тз), ко второй – «профессиональные навыки» машиниста экскаватора (N_пн).
   
2. Экспертная оценка важности групп и показателей внутри группы.
   
3. Определение значимости выбранных показателей.
   
4. Сбор и обработка исходной информации – обработка мониторинговых карт.
   
5. Нормирование показателей.
   
6. Определение рейтинга машинистов экскаваторов.
   
7. Анализ результатов.
   

Значение весомости каждой группы показателей определяется как:

, (5)

где i – номер эксперта; j – номер группы показателей; k_i,j – количество баллов, данных i–м экспертом j–й группе.

Весомость показателей внутри группы рассчитывается по формуле

(6)

где I – номер показателя в группе.

Определение общего рейтинга машиниста по группам показателей является типичной для задач социально-экономического характера. Для решения подобных задач используют метод обобщенного критерия на основе линейной свертки:

, (7)

где - вес группы показателей «теоретические знания»; - коэффициент эффективности по группе показателей «теоретические знания»; - вес группы показателей «практические навыки»; - коэффициент эффективности по группе показателей «практические навыки».

Комплексная оценка производилась для машинистов экскаваторов горно-обогатительного производства (ГОП) ОАО «ММК» и ОАО «УГОК» (рис. 3).



Рис. 3. Распределение машинистов экскаваторов по коэффициентам эффективности групп показателей: «теоретические знания» и «практические навыки»


В работе определена статистическая связь между коэффициентом управления (k_у) и коэффициентом эффективности деятельности (k_эф). Рассматриваются безразмерные величины, для этого использована стандартная система единиц измерения, в которой данные по различным характеристикам оказались бы сравнимы между собой. Такой величиной является выборочный коэффициент корреляции – R, который является безразмерным показателем тесноты связи между двумя и более величинами.

Коэффициент корреляции определяется как:

₍₈₎

где k_у, k_эф – соответственно коэффициент управления и коэффициент эффективности деятельности машиниста экскаватора; – средние арифметические значения коэффициента управления и коэффициента эффективности деятельности машиниста экскаватора; – среднеквадратические отклонения коэффициента управления и коэффициента эффективности деятельности машиниста экскаватора.

Минимальное значение коэффициента управления по экспериментальным данным составило 0,56, максимальное – 0,95. Минимальный коэффициент эффективности деятельности по результатам исследований составил 0,35, максимальный – 0,89. Полученное значение коэффициента корреляции составило 0,97, что указывает на весьма тесную связь между коэффициентом управления и коэффициентом эффективности деятельности машиниста экскаватора.

В соответствии с результатами исследований в работе предложена классификация системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность. Рекомендуется выделить 4 группы: управление на высоком уровне (УВ) – производительность высокая (ПВ), управление на достаточном уровне (УД) – производительность высокая (ПВ), управление на удовлетворительном уровне (УУ) – производительность низкая (ПН), управление на критическом уровне (УК) – производительность низкая (ПН) (рис. 4).



Рис. 4. Классификация системы «человек - экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность


В третьей главе определены показатели и критерии оценки технического состояния и использования экскаваторного оборудования; произведен расчет динамических усилий в рабочем оборудовании карьерного экскаватора; установлено влияние режимов управления на усилия, возникающие в подъемных канатах.

Для эффективной эксплуатации экскаватора необходимо выполнение ряда эксплуатационно-технических мероприятий, обеспечивающих производительную и безаварийную работу, таких как поддержание работоспособного состояния машины, определяющего готовность последней к эксплуатации; правильная подготовка забоя взрывом, управление и обслуживание экскаватора машинистом высокой квалификации.

Ухудшение функциональных характеристик ЭКГ в течение срока его эксплуатации связано в основном с износом его основных механизмов и элементов конструкции, величина которого зависит от интенсивности, времени и качества эксплуатации.

Известно, что в процессе эксплуатации экскаватора техническое состояние (ТС) Y любого его элемента (детали) непрерывно ухудшается под воздействием внешних факторов (горно-геологических, климатических, технических и эксплуатационных (C_v)) и внутренних свойств материала детали (C_si).

С учетом перечисленных факторов, ухудшение ТС i – детали во времени можно описать моделью:

Y_i = f (C_v,C_si,t_i), (9)

где t_i – продолжительность эксплуатации i – элемента.

Первопричинами аварийного состояния деталей ЭКГ являются: эксплуатация с повышенной нагрузкой, что определяется режимами управления; некачественное проведение ремонтов и другие факторы. Все это приводит к последовательному накоплению износа и повреждениям деталей и узлов и, как следствие, к их аварийному отказу. Так, в результате исследований на ГОП ОАО «ММК» и ОАО «УГОК» установлено распределение отказов: рабочее оборудование – 32,5 % , подъемный механизм – 20,5 %, напорный механизм – 24,9 %.

Особенность использования карьерных экскаваторов состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию рабочего оборудования (РО) и поворотную платформу машины, изменяются во времени и прилагаются с определенной частотой. Переменный характер нагружения ведет к периодическому изменению напряжений в элементах РО и металлоконструкциях машины, что обусловливает возникновение усталостных трещин и разрушение конструкций.

Для определения динамических нагрузок на элементы РО экскаватора использован классический способ, то есть приведение масс конструкции и жесткостей к более упрощенным расчетным схемам, обладающим двумя или несколькими массами. При расчетах интересуют напряжения в элементах ее металлоконструкции, а также внешние нагрузки, передаваемые на элементы металлоконструкции экскаватора, возникающие при режимах статического и динамического стопорения ковша в забое.

В ходе натурных исследований установлено, что режимы управления влияют на возникновение дополнительных нагрузок в подъемных канатах. Действительно, 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 разных стажевых групп (табл. 4, рис. 5, 6)

Таблица 4

Влияние квалификации машиниста на усилия в подъемных канатах

Стажевые группы машинистов, лет	Среднее максимальное усилие в подъемных канатах, кН	Среднее число переключений рукоятки командоконтроллера (раз)	Коэффициент управления	Среднестатистический коэффициент динамичности	Максимальный коэффициент динамичности
1-5	720	82	0,61	1,38	2,1
5-10	580	51	0,8	1,19	1,42
10-15	400	31	0,98	1,1	1,15

Рис. 5. Усилия, возникающие в подъемных канатах при работе машинистов различных стажевых групп по ходу цикла




Рис. 6. Коэффициент управления и коэффициент эффективности деятельности при разработке пород различной категории


Практическое освоение машинистами экскаваторов наиболее рациональных режимов управления ЭКГ в условиях ГОП ОАО «ММК» и ОАО «УГОК» позволило снизить максимальные усилия и уменьшить среднестатистические коэффициенты динамичности до 1÷1,12 и увеличить срок службы и работоспособность подъемных канатов в 1,5÷2 раза.

В четвертой главе выполнено программно-математическое обеспечение деятельности машиниста экскаватора; реализован комплекс алгоритмов и программ компьютерного моделирования системы «человек – экскаватор – забой»; модернизирована информационно-диагностическая система контроля технического состояния экскаватора и управления системами кондиционирования и освещения; разработан компьютерный тренажерно-моделирующий комплекс.

Исследования функционального и пространственного размещения основных и вспомогательных средств труда основываются на трудах Б.А. Душкова, В.А. Зубченко, Д. Мейстера, В.М. Мунипова, М. Шмида и других ученых.

Основное требование к компьютерным моделям – возможно более полное воспроиз­ведение структуры и принципов управления, с учетом решения сложных эргономических задач.

Для проведения эргономических исследований разработана трехмерная объемная модель системы «человек – экскаватор – забой». Модель позволяет посредством моделирования и экспериментирования выбрать рациональные конструктивно-технологические решения и выявить эргономические параметры ЭКГ, требующие совершенствования. Используя средства компьютерной графики для решения задачи пространственно-антропометрической совместимости машиниста экскаватора с элементами рабочего места, с помощью модели можно осуществить следующие операции:

• трехмерное моделирование рабочего места машиниста с компоновкой элементов и обеспечение информационного взаимодействия;
  

• моделирование манекена машиниста экскаватора для эргономических оценок и проектирование поверхностей по размещению тела, с учетом многообразия антропометрических признаков человека.
  

Компьютерная модель разработана на языке Visual Basic. Трехмерная сцена с имитационными моделями ландшафта, экскаватора и машиниста экскаватора изображена при помощи 3d studio MAX – виртуальная реальность.

Технической основой виртуальной реальности (ВР) служат технологии компьютерного моделирования и компьютерной имитации, которые в сочетании с ускоренной трехмерной визуализацией позволяют реалистично отображать на экране движение объекта.

При эргономическом моделировании системы «человек – экскаватор – забой» необходима формализация антропометрических характеристик, закладываемых в математическую модель «человек – машинист экскаватора». По антропометрическим параметрам человека создается имитационная модель машиниста (манекен). Манекен помещается в имитационную кабину экскаватора, в результате появляется возможность визуально оценивать такой эргономический показатель, как управляемость (рис. 7).



Рис. 7. Имитационная модель машиниста и кабины экскаватора


В разработанной модели учитываются: технические средства деятельности (рабочее место – кабина); трудовой процесс; производственная среда (освещенность и вибрация на рабочем месте); индивидуальные особенности (антропометрические характеристики человека).

Трехмерная модель состоит из четырех основных подсистем:

1. Компоновка рабочего места, обзорность рабочих пространств.
   
2. Виброизоляция рабочего места.
   
3. Освещенность рабочих пространств экскаватора.
   
4. Информационно-диагностическая система (ИДС) контроля технического состояния карьерного экскаватора и управления системами кондиционирования и освещения.
   

ИДС предназначена для повышения качества работы машиниста экскаватора за счет: непрерывного контроля состояния экскаватора (загрузка электроприводов, включая питание); оповещения машиниста об авариях в системах электроприводов; непрерывного контроля и регулирования климата в кабине машиниста; автоматического регулирования освещения кабины машиниста.

ИДС представляет собой распределенную структуру сбора, обработки, визуализации информации и включает в себя: комплекс средств вычислительной техники и программного обеспечения для приема и обработки поступающей от контролируемых объектов информации, систему визуализации (монитор), датчики для сбора информации (рис. 8).



Рис. 8. Панель текущей информации о состоянии экскаватора


Разновидностью лабораторного инженерно-психо­логического эксперимента при создании компьютерного тренажерно-моделирующего комплекса (КТМК) является компьютерное моде­лирование деятельности машиниста экскаватора по выполнению основных функций управления ЭКГ. Оно заключается в замещении деятельности машиниста экскаватора в реальных условиях ее модификацией.

В результате исследований создан компьютерный тренажерно-моделирующий комплекс (КТМК).

КТМК является многоцелевой универсальной системой, реализующей следующие функции: моделирование рабочих и аварийных ситуаций, возникающих при работе экскаватора; реализацию режимов управления и разра­ботки инженерных рекомендаций по усовершенствованию и модернизации существующих систем управления; проведение экспериментальных исследований для получения информации с целью обоснования модели идеального машиниста применительно к системе данного типа; обеспечение возможности тренировки машинистов в период разработки нового экскаваторного оборудования задолго до его воплощения в действующие конструкции.

КТМК предназначен для обеспечения комплексной имитации процесса экскавации и привития машинистам экскаватора навыков работы с реальным объектом как в нормальных условиях эксплуатации, так и при наиболее характерных отказах, отработке аварийных и нештатных ситуаций, возникающих при работе экскаватора.

В компьютерном тренажерно-моделирующем комплексе реализовано:

1. Функционирование на основе анализа взаимодействия элементов системы «человек – экскаватор – забой».
   
2. Алгоритмическое обеспечение процесса взаимодействия системы «человек – экскаватор – забой».
   
3. Структурное и программное обеспечение базового вычислительного комплекса, включая систему информационного обмена.
   
4. Приборное обеспечение и конструктивное оформление тренажерного комплекса, в том числе рабочих мест обучающегося машиниста экскаватора и инструктора.
   

Карьерный гусеничный экскаватор относится к категории сложных технических систем, что предполагает наличие многомодульной структуры программного обеспечения. В основу принципа имитации положено математическое моделирование характеристик в базовом вычислительном комплексе с использованием блочно-модульной структуры программного обеспечения.

Выполнение перечисленных функций в КТМК обеспечи­вается наличием систем: моделирования внешней обстановки (среды и объектов воздействия), моделирования динамики объекта управления – экскаватора, моделирования рабочего места машиниста с учетом антропометрических характеристик и анализа операторской деятельности, реализации режимов работы (рис. 9).




Рис. 9. Блок – схема КТМК


КТМК использован для выработки комплекса взаимосвязей, определяющих критерий (k_эф), по которому следует судить о качестве обучения и о готовности машиниста экскаватора к выполнению более сложных задач в реальных условиях горных предприятий. Возможно также сокращение срока освоения новой экскаваторной техники в 1,5÷2 раза за счет тщательной предварительной подготовки кадров и обеспечения горных работ высококвалифицированными специалистами.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В диссертации, являющейся законченной научно-квалификационной работой, дано новое решение актуальной научно-практической задачи, совершенствование эргономических показателей карьерных гусеничных экскаваторов с оборудованием «прямая механическая лопата», позволяющих повысить эффективность эксплуатации ЭКГ на основе рационального распределения функций в системе «человек – экскаватор – забой».

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлена теснота взаимосвязи К_эрг с совокупностью комплексных показателей К₁, К₂, К₃, К₄, К₅, рассматриваемых в целом. Теснота взаимосвязи определена с помощью множественного коэффициента корреляции. Полученный множественный коэффициент корреляции , указывает на то, что между К_эрг и совокупностью К₁, К₂, К₃, К₄, К₅ существует достаточно устойчивая связь.
   
2. Разработана методика оценки теоретических знаний и профессиональных навыков машинистов экскаваторов, адекватность которой подтверждена исследованиями и мониторингом, проведенными в условиях ГОП ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и ОАО «Учалинский ГОК».
   
3. Обоснован коэффициент эффективности деятельности машиниста, позволяющий оценить степень влияния квалификации машиниста экскаватора на качество управления ЭКГ.
   
4. Разработана классификация системы «человек – экскаватор» по критериям: качество управления карьерным экскаватором и его производительность.
   
5. Разработана трехмерная объемная модель системы «человек – экскаватор – забой», которая предоставляет следующие возможности:
   

– трехмерное моделирование рабочего места машиниста и экскаваторного оборудования с построением поверхностей по размещению органов управления и средств отображения информации;

– моделирование манекена – машиниста для эргономических оценок и проектирование поверхностей по размещению тела машиниста, с учетом многообразия антропометрических признаков человека.

6. Разработан компьютерный тренажерно-моделирующий комплекс, предназначенный для проведения экспериментальных исследований, а также для выработки комплекса взаимосвязей, определяющих коэффициент эффективности деятельности машиниста, по которому следует судить о готовности машиниста экскаватора к выполнению более сложных задач в реальных условиях эксплуатации на горных предприятиях.
   
7. При внедрении организационно-технических мероприятий, предлагаемых в настоящем диссертационном исследовании, увеличится объем работ, выполненных на один ЭКГ, на 20 %, или 12 528 тыс. руб. в год; снизятся ежегодные текущие затраты на 417 тыс. руб. в расчете на один ЭКГ; снизятся инвестиции в расчете на один год и один ЭКГ на 1 667 тыс. руб.
   

Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущем рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК:

1. Великанов В.С., Гуров М.Ю. Моделирование рабочего места оператора горной машины на основе антропометрических параметров // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2008. – № 2. – С. 72-77.
   
2. Великанов В.С., Исмагилов К.В. Проектирование отечественных мехлопат с учетом требований рынка горной техники и эргономических показателей // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ, 2009. – № 2. – С. 30-32.
   

Статьи, опубликованные в других изданиях:

3. Великанов В.С., Олизаренко В.В., Долганов А.В. Разработка трехмерной модели машиниста выемочно-погрузочных машин // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр.
   – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. – С. 146-150.
   
4. Великанов В.С., Олизаренко В.В., Исмагилов К.В. Анализ современного состояния проектирования карьерных машин с применением эргономических методов // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – С. 155-159.
   
5. Великанов В.С., Великанова С.С. Исследование связи между коэффициентом управления и квалификацией машиниста экскаватора // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. науч. тр. – Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГГУ», 2009. – С. 24-28.
   
6. Великанов В.С., Олизаренко В.В. Определение производительности одноковшового гусеничного экскаватора с учетом профессиональных навыков машиниста // Добыча, обработка и применение природного камня: сб. науч. тр. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 85-91.
   
7. Великанов В.С., Гуров М.Ю. К вопросу ранжирования профессиональных навыков машинистов карьерных экскаваторов // Вестник Костанайского социально–технического университета – Костонай, 2009. – № 2. – С. 42-48.
   
8. Великанов В.С. Определение обобщенного эргономического показателя карьерного гусеничного экскаватора с использованием метода медианных рангов // Материалы международной научно-практической конференции «Роль стратегии индустриально-инновационного развития Республики Казахстан в условиях глобализации: проблемы и перспективы», 22-23 октября 2009 г. – Рудный: Изд–во РИИ, 2009. – С. 72-76.
   

Подписано в печать 16.11.2009. Формат 60х84х 1/16. Бумага тип. №1.

Плоская печать. Усл.печ.л. 1,00 Тираж 100 экз. Заказ.


455000, Магнитогорск, пр. Ленина, 38

Полиграфический участок МГТУ