ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (ГШО)

Одним из основных факторов, напрямую влияющих на эффективность работы, а соответственно, экономическое благополучие российских горно-добывающих предприятий, является непрерывное старение парка горно-шахтного оборудования (ГШО). Сегодня темпы старения ГШО опережают его воспроизводство, модернизацию и реновацию. Среди некоторых видов ГШО доля машин с выработанным ресурсом уже превышает 50%. Эксплуатация техники в «предотказном» состоянии приводит к постоянному увеличению доли затрат на ее содержание в себестоимости добычи и переработки продукции горного производства. В настоящее время рост расходов на эксплуатацию и ремонт ГШО на горно-добывающих предприятиях опережает рост стоимости основной продукции. Если имеющаяся тенденция сохранится, то уже через 5–7 лет затраты на ремонт сравняются со стоимостью нового ГШО.

Актуальность проблемы повышения эффективности работы машиностроительного и ремонтного производства с целью обеспечения успешного решения задач управления надежностью ГШО определяется действием целого комплекса факторов и тенденций, среди которых помимо старения техники следует выделить:

• напрямую связанное с уменьшением надежности ГШО снижение уровня безопасности и эффективности его работы;
• недостаточный уровень квалификации кадров в машиностроительном и ремонтном производстве, не позволяющий выйти на оптимальное соотношение критерия «цена-качество»;
• сохраняющие свою силу негативные последствия распада комплекса горного машиностроения (как сокращение номенклатуры, так и уменьшение объемов производства);
• процессы монополизации в горном машиностроении;
• определяемую изменением структуры промышленного производства тенденцию формирования преобладающей части производственных мощностей ремонтного производства на горных предприятиях, с одновременным прекращением функционирования существовавших ранее централизованных отраслевых ремонтных структур (таких как, например, «Уралцветметремонт», «Уралчерметремонт» и проч.).

В настоящее время основной объем ремонта ГШО выполняется горными предприятиями, эксплуатирующими оборудование. Связанное с этим распыление производственных мощностей приводит к увеличению в ремонтном производстве доли ручного труда, снижению качества работ, нарушениям регламента ремонта, росту доли запасных частей, произведенных в условиях единичного и мелкосерийного производства (а значит их существенному удорожанию). И как результат – трудоемкость ремонтов значительно превышает трудоемкость изготовления ГШО.

Переломить преобладающие пока негативные тенденции можно с помощью специализации ремонтного производства. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что наиболее эффективной формой ее реализации является создание межотраслевых производственных мощностей по ремонту оборудования в местах наибольшего сосредоточения предприятий горно-добывающего комплекса.

Наряду с созданием специализированных ремонтных предприятий требует развития фирменный ремонт ГШО, выполняемый заводами-изготовителями. Опыт фирм Sandvik Coromant (Швеция), «Комета» (Финляндия) и других показывает высокую эффективность таких производственно-технических структур. Предпосылки для реализации аналогичных подходов имеются и в отечественной практике (например, на базе ОАО «Уралмаш», АООТ «Завод бурового и металлургического оборудования», АООТ «Копейский машиностроительный завод», АООТ «Артемовский машиностроительный завод» и др.).

Качество фирменного ремонта значительно выше, чем при других формах его организации, поскольку работы выполняются квалифицированным персоналом, в полной мере использующим нормативную и эффективную материально-техническую базы. Кроме того, фирменный ремонт дает возможность наладить надежную обратную связь между производителями и эксплуатирующими организациями, позволяет в серийном производстве использовать базу данных о надежности и эффективности ГШО для модернизации действующих и создания новых образцов горной техники, благодаря чему процесс управления надежностью и качеством ремонта приобретает системный и непрерывный характер.

Наряду с развитием специализации ремонтного производства и укрупнением объемов однородных ремонтных работ необходимо значительное увеличение централизованного выпуска запасных частей на специализированных ремонтных предприятиях. Заводы горного машиностроения все еще выпускают недостаточное количество запасных частей для производимого ими ГШО, считая их производство невыгодным и трудоемким (и, действительно, при существующем ценообразовании от реализации запасных частей предприятия получают прибыли на единицу трудовых затрат в 2–3 раза меньше, чем от реализации машины в целом). Целесообразно формировать цену на запасные части таким образом, чтобы рентабельность их производства была в 3–7 раз выше, чем у основной продукции, так как даже в этом случае для горных предприятий они обойдутся значительно дешевле, нежели изготовленные силами собственных небольших ремонтных подразделений.

Особого внимания заслуживает организация специализированных производств запасных частей для ГШО с выработанным ресурсом и снятого с серийного производства, поскольку сохранение первоначальных (или близких к ним) параметров ГШО в значительной мере зависит от качества запасных частей и ремонта.

Эффективная стратегия эксплуатации ГШО с выработанным ресурсом может быть обеспечена на основе адаптированного к конкретным условиям технического регламента. По инициативе и активном участии специалистов УГГУ на ряде горных предприятий проведен технологический аудит, по результатам которого разработаны технические регламенты. Выполненная работа позволила выявить и обосновать перспективные направления решения проблемы эксплуатации ГШО с выработанным ресурсом. В дальнейшем предусматривается развитие специализированных ремонтных, диагностических и экспертных подразделений, обеспечивающих более эффективный регламент эксплуатации и ремонта.

И хотя на нынешнем этапе деятельность таких структур ограничивается исключительно техническими аспектами, по мере накопления информации и создания базы данных о фактическом техническом состоянии и остаточном ресурсе технологического оборудования возникают предпосылки формирования достаточно обоснованного механизма оценки остаточной стоимости оборудования и оптимизации технико-экономических показателей его работы.

Существующая система периодических планово-предупредительных ремонтов (ППР) заключается в исключении отказов оборудования и непредвиденных расходов путем планирования проведения технического обслуживания ранее момента вероятного среднестатистического отказа.

Традиционно считалось, что ППР способствует снижению темпа выхода оборудования из строя (кривая 2) и уменьшению потерь из-за аварийных остановок. Однако такое предположение не совсем верно, так как не учитывает вносимую ремонтом дополнительную вероятность отказов оборудования (кривая 3 показывает, что темп выхода из строя сразу после ремонта резко увеличивается). Поэтому более целесообразным представляется, при условии постоянного контроля безразборными методами технического состояния оборудования – диагностики, вести его эксплуатацию до вероятности отказа, не превышающей вероятность отказа после ремонта (кривая 4).

ПРЕДПОСЫЛКИ ОРГАНИЗАЦИИ РЕМОНТА ГОРНО-ШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМИЗАЦИИ РЕСУРСНЫХ ЗАТРАТ

Характер протекания процесса старения узлов и деталей ГШО, как практически и всех технических систем, зависит от времени. Эта зависимость характеризуется тремя основными периодами (рис. 1).

Рис. 1.
а) Закономерности изменения физико-механических свойств материалов и удельных нагрузок в процессе старения типовых элементов машин;
б) Изменение технико-экономических эксплуатационных показателей типовых элементов машин в процессе их старения:
1 – Коэффициент трения К;
2 – Энергозатраты Э;
3 – Абсолютный износ i.
в) Вероятностно-статистические характеристики надежности для определения межремонтного периода типовых элементов машин:
1 – ƒ(t);
2 – λ₁(t)=t_itgα₁;
3 – λ₂(t)=t_jtgα₂–b₁;
4 – λ(t);
5 – λ*(t).

Зона «0-t₁», связанная с уменьшением интенсивности отказов λ(t), скорости изнашивания и удельных энергозатрат, называется периодом приработки. Именно в этот период наиболее отчетливо проявляются дефекты деталей, приобретенные в результате ошибок на этапах конструирования, производства и эксплуатации. Основная доля дефектов, как правило, связана с производственными ошибками: несоблюдением техпроцесса, износом станков и оборудования, неудовлетворительным качеством материалов и комплектующих, и др. Ошибки конструирования могут быть вызваны недостаточным учетом реальных условий работы деталей и механизмов.

Для начала эксплуатации весьма важным моментом является обоснованный выбор режима работы (приработки), при котором обеспечивается минимальный первичный износ деталей.

Зона «t₁-t₂» соответствует периоду установившихся режимов эксплуатации и характеризуется стабилизацией интенсивности отказов. Расходы на ремонт и энергозатраты в этот период минимальны. На этом участке λ(t)≈const, т.е. имеет место экспоненциальный закон распределения контролируемых параметров работы машин.

По мере накопления остаточных деформаций и износа несущих поверхностей деталей, нарушается нормальная работа триботехнических сопряжений, увеличивается коэффициент трения К и растут удельные энергозатраты Э (рис 1, б) [3, 4]. Начиная с момента t₂ оборудование вступает в третью зону эксплуатации — ускоренного старения, при котором интенсивность отказов возрастает, точка перелома, как правило, связана с наступлением предельного состояния.

Для определения верхнего предела области изменения удельных затрат на ремонт и, соответственно, периода нахождения машины в эксплуатации, ограниченной пределом существования механической системы, необходимо определить значение ординаты характерной точки перелома λ характеристики.

Можно принять, что физико механические свойства, являясь случайной величиной с диапазоном рассеяния от S_М1 до S_М2, в ходе эксплуатации по мере развития процессов старения ухудшаются и математическое ожидание значений этих свойств (см. рис. 1, а, линия В) падает.

Возрастающая удельная нагрузка, воздействующая на изделие, также является случайной величиной с начальным рассеиванием S_Н1 и последующим его возрастанием до S_Н2, а математическое ожидание (см. рис. 1, а, линия А) изменяется во времени, что также связано с развитием процессов старения. Очевидно, что отказы из-за старения произойдут в области перекрытия S распределений ƒ₁(σ_М) и λ₂(σ_Н) с определенной вероятностью отказов. Характерная точка M[λ(t),t] перелома эмпирической λ* характеристики, как правило, соответствует области перекрытия распределений ƒ₁(σ_М) и ƒ₂(σ_Н) и объясняется нарастающим во времени удельным нагружением деталей и снижением их несущей способности, приводящим к соответствующим отказам. Точка перелома на кривых интенсивностей отказов, как правило, располагается в правой части кривой распределения (см. рис. 1, в).

Таким образом, очевидно, что эффективный период восстановления нормированного состояния системы связан с зоной ускоренного старения – M[λ(t),t]. Наличие характерной точки перелома зависимости λ*(t) позволяет выявить период установившихся процессов старения и этим предотвратить эксплуатацию в третьей зоне, характеризующейся возрастающей интенсивностью отказов, увязав межремонтный период с этой точкой, и решить рассматриваемую задачу в случае нормального закона и закона распределения Вейбулла сопоставлением и исследованием статистических зависимостей λ*(t) и ƒ*(t). При явно выраженной корреляции роста затрат на ремонт с интенсивностью отказов (рис. 1, б), определяемая величина верхнего предела периода эксплуатации Т^В_П.С. (рис. 1, в) на основе статистических моделей состояния будет адекватна моменту постановки оборудования на ремонт по критериям минимизации ремонтных затрат и энергосбережения.

С целью определения координаты характерной точки перелома М[λ(t),t] (см. рис. 1, в) в соответствии с методикой [5] общая совокупность λ*(t) разбивается на две – i е и j е совокупности, причем соотношение соседних (по интервалам) величин эмпирической интенсивности отказов принимается λ_i(t)/λ_j(t)≥2 и составляются два линейных уравнения:

λ_i(t)=Y₁ (t_i,tgα_i)   (1)

λ_i(t)=Y₂ (t_j,tgα_j)   (2)

Совместное решение этих уравнений позволяет определить оптимальную величину периода эксплуатации с заданным уровнем доверительной вероятности на основе статистических данных о работе машины.

Таким образом, в предлагаемой адаптивной системе ремонта согласуются периодичность ремонта с закономерностями изменения технико-экономических эксплуатационных показателей машин. Система ремонта будет полностью соответствовать реальному состоянию парка оборудования предприятия при ведении постоянного сбора, учета и обработки информации о надежности машин, тем самым отражая динамику изменения технического состояния оборудования в процессе эксплуатации. В результате каждый ремонтный цикл будет базироваться на собственной уточненной модели предельного состояния по критериям минимизации ремонтных затрат и энергосбережения.

Для определения момента выхода энергозатрат за установленные пределы необходимо в предложенную адаптивную систему восстановления включить элементы диагностирования, что по существу создает основу для мониторинга технических параметров машины и позволяет исключить необратимость процесса старения благодаря определению верхнего предела предельного состояния.

Решение задачи определения моментов диагностирования предельного состояния сводится к определению таких моментов времени Х₁, Х₂, Х₃, …, Х_К, которые оптимизируют величину полных затрат от отказов и от проведения диагностирования [4].

Стоимостная величина энергозатрат в описанной ситуации может быть найдена как

(3)

причем решение удовлетворяет условию

(4)

где k=1,2,… – порядковый номер диагностирования; Х_k – моменты наступления диагностирования; С₁ – потери от выхода эксплуатационных параметров за установленные нормы; С₂ – затраты на диагностику; F – закон распределения контролируемых параметров в интервале времени [0,Т^В_П.С.].

Пользуясь минимаксным методом и обозначив конечное число моментов диагностирования через n, получаем выражение для определения момента диагностирования [4]

(5)

Число моментов диагностирования n выбирается как наибольшее целое число, удовлетворяющее следующему неравенству

(6)

После того, как n выбрано, определяются моменты проведения диагностирования Х₁,Х₂,Х₃,…,Х_К, соответствующие условию (5). Рассчитанное оптимальное число моментов диагностирования позволяет при любой интенсивности изменения технического состояния на участке эксплуатации в интервале [0,Т^В_П.С.] установить оптимальную продолжительность эксплуатации за межремонтный период, ремонтный цикл и срок службы по критериям минимизации ремонтных затрат и энергосбережения.

На основе анализа изменений измеренных диагностических параметров возможно предсказывать необходимость и планировать сроки проведения ремонта, т.е. ремонтировать не все подряд, а только действительно нуждающиеся в этом агрегаты. Такой вид обслуживания называется «предупредительным», или «ремонтом по фактическому техническому состоянию» (РФС). Основная идея РФС состоит в устранении отказов оборудования путем применения метода распознавания технического состояния по совокупности диагностических признаков. Его основное достоинство — минимизация ремонтных работ (за счет исключения ремонта бездефектных узлов) и увеличение (на 25–40%) межремонтного ресурса по сравнению с ППР.

Ремонт по фактическому техническому состоянию обладает целым рядом преимуществ по сравнению с ППР, среди которых особо следует выделить:

• возможность планирования и выполнения технического обслуживания и ремонта без остановки производства, практически исключив отказы оборудования;
• увеличение эффективности производства от 2 до 10% (усредненные расходы на ремонт при аварийных отказах оборудования в среднем в 10 раз превышают стоимость ремонта при вовремя обнаруженном дефекте);
• более эффективное планирование расхода запасных частей и инструмента; возможность сокращения резервного оборудования;
• улучшение условий труда и устранение нарушений экологических требований;
• снижение энергозатрат;
• более действенную регламентацию взаимоотношений эксплуатирующих организаций с производителями оборудования и исполнителями сервисных услуг.

Для решения этих задач должна быть подготовлена новая методология управления надежностью ГШО на всех стадиях его жизненного цикла на основе мониторинга технического состояния. Кафедрой эксплуатации горного оборудования УГГУ разработаны технико-экономические модели старения и критерии оценки состояния ГШО, позволяющие обоснованно выбирать межремонтный период, продолжительность ремонтного цикла и срок службы ГШО, а также рациональную структуру ремонтного производства горного предприятия. Основным критерием для принятия этих решений становится ее отношение «стоимость-качество ремонта» и «стоимость-надежность» ГШО. [1, 2].

Рассмотренные выше направления специализации ремонтного и машиностроительного производства не позволяют минимизировать удельные затраты на эксплуатацию и ремонт ГШО без использования рыночных механизмов регулирования соотношений «стоимость изготовления-качество продукции горного машиностроения» и «стоимость-качество ремонта». Решение такой задачи вызывает необходимость формирования систем управления этими соотношениями не только на горном предприятии, но и на рынке продукции горного машиностроения и ремонтных услуг. В первом случае в рамках действующих структур ремонтного производства горных предприятий оптимальное решение найти практически невозможно. Во втором – необходимо развитие дилерской сети машиностроительных производств и базы фирменного обслуживания и ремонта.

Мировой практикой проверены достаточно универсальные показатели оптимального уровня указанных соотношений по доле затрат на резервный фонд запчастей и капитальный ремонт от первоначальной стоимости ГШО. [2]

Повышение уровня специализации путем увеличения числа предприятий с неполным циклом производства требует формирования более тесных производственных связей между ними по выпуску одной и той же продукции и связывания ремонтных предприятий в единые комплексы в пределах региона. Сочетание предметной и подетальной специализации обеспечит получение дополнительного экономического эффекта за счет специализации и кооперации заготовительных, ремонтных и вспомогательных производств.

Но увеличение числа предприятий с неполным циклом и углубление производственных связей существенно усложняют управление производством, вызывая необходимость создания производственных структур, специализированных на изготовлении и ремонте запчастей, узлов и агрегатов ГШО на основе специализации и кооперирования, входящих в них предприятий с неполным циклом производства. В составе таких объединений могут создаваться единые заготовительные предприятия или цеха для обслуживания целой группы горных предприятий или всего региона. Преодолеть существующее отставание заготовительных производств ремонтных и машиностроительных предприятий следует путем создания новых заготовительных участков, одновременно ликвидируя отсталые и маломощные заготовительные подразделения. На вновь создаваемых заготовительных предприятиях вследствие однородного характера производства возникнут необходимые условия для внедрения поточной, механизированной и автоматизированной технологии, в том числе холодной штамповки точного литья и др., после которых требуется минимальная механическая обработка.

Следовательно, повышение эффективности процессов изготовления и ремонта ГШО вызывает необходимость концентрации и специализации заготовительных производств, сохранения в производственной структуре машиностроительных и ремонтных предприятий подразделений по механической обработке в основном базовых деталей и сборке изделий. Об этом свидетельствует опыт завода «Металлист» (г. Качканар), имеющего широкую номенклатуру поставок горным предприятиям по запасным частям к самым различным видам ГШО: экскаваторам, буровым станкам, тракторам, автогрейдерам, дробилкам, мельницам и проч., что позволяет снижать затраты на ремонт и повышать качество его выполнения.

Следующим важным направлением подетальной специализации, как с полным, так и с неполным циклом, является совмещение фирменного обслуживания близко расположенных горных предприятий. Опыт показывает, что подетально-специализированные предприятия или подразделения обеспечивают увеличение выработки на одного работающего на 15–20% наряду со значительным снижением себестоимости изготовления и ремонта без ухудшения качества продукции. В случае развития таких тенденций следует ожидать в перспективе, что специализированные машиностроительные и ремонтные предприятия будут перестраиваться в технологически специализированные сборочные предприятия.

Анализ тенденций развития машиностроительного и ремонтного производства подсказывает необходимость комплексного развития всех видов специализации с организацией выпуска деталей и узлов на подетально-специализированных, а заготовок – на технологически специализированных предприятиях с передачей их на головные предприятия. Концентрация однородных работ расчленяет производственный процесс изготовления или ремонта на простейшие операции и закрепляет их за определенным оборудованием и рабочим местом. В результате существенно повышается производительность труда, качество изделий и создаются условия для совершенствования и типизации технологических процессов, их механизации и автоматизации.

Эффективность специализации фирменного производства и ремонта ГШО, как показывает мировая практика, в значительной степени зависит от уровня развития фирменной дилерской сети, которая гарантирует стабильность поставок, единый механизм ценообразования, рекламную поддержку производителя и заданное качество поставляемой продукции. В связи с этим заслуживает внимания и использования опыт фирм Caterpillar, «Комета», «Фагерста» и др. по созданию системы дилерских складов и баз фирменного ремонта в местах эксплуатации горной техники.

Уровень специализации ремонтной и машиностроительной баз горных предприятий в данной экономической ситуации характеризуется отсутствием положительных тенденций развития форм специализации. В настоящее время еще не сложились предпосылки для предметной, подетальной и технологической специализации ремонтной и машиностроительной баз горных предприятий, которые, как известно, в оптимальном соотношении обеспечивают значительный экономический эффект. Имеющееся число предметноспециализированных заводов, занимающихся изготовлением ГШО, и ремонтных заводов охватывает лишь отдельные виды оборудования. Быстрое развитие этого вида специализации трудно прогнозировать при существующих состояниях форм собственности и экономических интересах собственников. Дальнейшее повышение эффективности ремонтных и машиностроительных производств можно ожидать лишь в небольших пределах. Поэтому основное внимание должно уделяться развитию подетальной специализации и созданию предметных производств с неполным циклом.

Сегодня в УГГУ ведутся научно-исследовательские и научно методические работы по созданию технико-экономических моделей надежности и ремонтопригодности ГШО, благодаря чему удалось установить основные закономерности изменения надежности в процессе эксплуатации ГШО, позволяющие управлять техническим состоянием оборудования по критериям оптимизации соотношения «себестоимость ремонта-надежность ГШО» и разрабатывать гибкие стратегии ремонта по его фактическому состоянию. Проводятся экспертизы технического состояния ГШО и технологический аудит ремонтных баз горных предприятий. Разработан предлагаемый горным и машиностроительным предприятиям комплекс научно-технических, образовательных и экспертных услуг и разработок по обеспечению надежности, безопасности и эффективности ГШО.

Список литературы

1. Боярских Г. А. Теория старения машин. Екатеринбург: УГГУ, 2005, 190 с.
2. Боярских Г. А. Надежность и ремонт горных машин. Екатеринбург: УГГУ, 2003, 340 с.
3. Боярских Г. А., Куклин Л. Г. Теория старения машин. – Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1998. – 192 с.
4. Боярских Г. А. Надежность и ремонт горных машин. – Екатеринбург: Изд. УГГГА, 1998. – 340 с.
5. Бабаев С. Г. Надежность нефтепромыслового оборудования. – М.: Недра, 1987. – 264 с.