автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование показателей надежности тоннелепроходческих комплексов для проведения эскалаторных тоннелей

На правах рукописи

Панкратенко Никита Александрович

ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013

005542059

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет»

доктор технических наук, доцент Рахутин Максим Григорьевич

доктор технических наук, профессор Островский Михаил Сергеевич

профессор кафедры ТМР* МГТУ

кандидат технических наук Григорьев Александр Сергеевич Генеральный директор ООО «ГИДРОГОРМАШ»

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», (г. Тула)

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.09 при Московском государственном горном университете в аудитории Д-251 по адресу-.119991, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом б, E-mail: ud@tnsmu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан 19 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

канд. техн. наук, профессор

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Е.Е. Шешко

ганизовать ее эксплуатацию и, что не менее важно, точнее прогнозировать сроки строительства туннеля. Надежность 'ГГТК при строительстве как эскалаторных, так и горизонтальных тоннелей ранее не исследовалась. Опыт исследования надежности горных машин, в т.ч. машин для проведения выработок, непосредственно использовать нельзя вследствие специфики конструкции и режима эксплуатации ТПК.

Как показал опыт применения ТПК при строительстве эскалаторных тоннелей, для повышения эффективности их эксплуатации в первую очередь необходимо обосновать показатели надежности, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является повышение эффективности и прогнозирования сроков строительств эскалаторных тоннелей за счет использования обоснованных показателей надежности тоннелепроходческих комплексов.

Идея работы заключается в обоснование статистически устойчивых показателей надежности, отнесенных к проходческому циклу.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- использование для анализа и повышения надежности ТПК предложешюго показателя «коэффициент удельного времени восстановления за проходческий цикл», характеризующего долю времени восстановления от общего времени продолжительности работ и восстановления за проходческий цикл ТПК, и отнесенных к проходческому циклу средней наработки на отказ, среднего времени восстановления, параметра потока отказов, коэффициента готовности;

- модель надежности ТПК и установленная зависимость вероятности отказа от величины наработки;

-установленный закон распределения времени восстановления и полученные зависимости вероятности восстановления от ее продолжительности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием математического анализа, теорий вероятностей, математической статистики и надежности, а также ре-

зультатами установления показателей надежности, полученных с доверительной вероятностью 0.9 и погрешностью не более 10%.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели надежности ТПК для строительства эскалаторных тоннелей, позволяющей установить зависимость вероятности отказа от величины наработки, в обосновании и установлении показателей надежности с учетом специфики его эксплуатации, что является дальнейшим развитием теории надежности горных машин.

Практическое значение работы состоит в разработке методики установления и анализа показателей надежности тоннелеироходческих комплексов, позволяющей повысить надежность и эффективность эксплуатации ТПК.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика «Установления и анализа показателей надежности топнелепроходческих комплексов» принята в ОАО «МОСМЕТРОСТРОЙ» для использования при эксплуатации ТПК.

Научная новизна и личный вклад автора диссертационной работы состоит в следующем:

- обоснованы показатели для анализа надежности, отличающиеся тем, что отнесены к проходческому циклу работы ТПК.

-установлены зависимости вероятности восстановления от ее продолжительности и закон распределения времени восстановления

- установлена зависимость вероятности отказа от величины наработки,

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили одобрение:

- на научных симпозиумах: «Неделя горняка-2011», «Неделя горняка-2012» «Неделя горняка-2013» (г. Москва, МГГУ);

- на международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, ТулГУ, 2012 г);

- на 17-ой международной экологической конференции студентов и молодых ученых « Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» (г. Москва, МГГУ, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 93 наименований и включает 46 рисунков и 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объектом исследования в данной работе является надежность ТПК для проведения эскалаторных тоннелей.

Обзор и критический анализ исследований надежности ТПК показал, что объемные исследования в этой области фактически отсутствуют, что напоминает ситуацию, сложившуюся в 60-х годах при начале работ по исследованию надежности отдельных забойных машин. За прошедшие годы появилось большое число работ, посвященных надежности горных машин. Это работы Гетопанова В.Н., Галкина В.И, Гимелыпейна Л.Я., Дмитриева В.Г., Кантовича Л.И., Морозова В.И., Мостакова В.А., Островского М.С, Подэрни Р.Ю., Радкевича Я.М., Рахути-на Г.С., Рахутина М.Г., Хазановича Г.Ш., Шадрина А.И., Черных В.Г. и многих других авторов.

Большинство работ связано с увеличением надежности конкретных машин или их узлов. Также достаточно много трудов посвящено обоснованию использования или получению численных значений показателей надежности горных машин. Однако существенные отличия конструкции и технологии применения ТПК от горно-шахтного оборудования делают невозможным использование в полной мере результатов проведенных исследований.

В состав ИЖ для строительства наклонного эскалаторного тоннеля входят: ротор с набором резцов, камера грунтопригруза с использованием шнекового конвейера для выдачи горной массы, гидроцилиндры для передвижки щита и артикуляционные, тюбингоукладчик для возведения крепи. Доставка тюбингов и

А9а1 у я! ппоаГ I аёш ёу

Время восстановления мин

а) б)

Рисунок 3 - Гистограммы частот времени восстановления: а) за период наблюдений б) в диапазоне до 200 мин.

Продолжительность восстановления распределена по экспоненциальному закону с плотностью вероятности, описываемой выражением:

/(/) = . =0.541-е~омш (7)

1,85

Ингегральная функция распределения и плотность вероятности времени восстановления представлены на рисунке 4.

Ерем я еосстэнс1Влёния, чэз

1- интегральная функция распределения (вероятность восстановления); 2 - плотность вероятности.

Рисунок 4 - Интегральная функция распределения и плотность вероятности времени восстановления.

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский государственный горный университет

На правах рукописи

042иН5иу46

ПАНКРАТЕНКО НИКИТА АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭСКАЛАТОРНЫХ ТОННЕЛЕЙ

Специальность 05.05.06 — «Горные машины»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: докт. техн. наук, проф. Рахутин М.Г.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ОГЛАВЛЕНИЕ....................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................................................8

1.1 Перспективы применения ТПК при строительстве эскалаторных тоннелей..............................................................................................8

1.2 Методы исследования надежности горных машин................................13

1.3. Показатели надежности горных машин..................................................19

Выводы по главе и постановка задач исследования.....................................29

2. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ И РЕМОНТОПРИГОДНОСТИ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ........................................................................................................31

2.1 Методика первичного сбора данных о надежности ТПК при строительстве эскалаторного тоннеля...................................................................31

2.2 Установление и анализ показателей безотказности ТПК.......................40

2.3 Установление и анализ показателей ремонтопригодности ТПК............47

Выводы по главе................................................................................................59

3. ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТОННЕЛЕПРОХОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.........................................................................................................60

3.1. Анализ значений коэффициента готовности..........................................60

3.2 Обоснование, установление и анализ коэффициента доли продолжительности устранения отказов.................................................................65

3.3 Установление и анализ количества отказов и среднего времени восстановления при возведении одного кольца......................................69

Выводы по главе...............................................................................................83

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ И АНАЛИЗУ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТПК И

РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЕЕ ПОВЫШЕНИЮ........................................................84

4.1 Анализ надежности ТПК с использованием ABC - анализа................84

4.2 Разработка методики установления и анализа показателей надежности ТПК.......................................................................................................92

4.3 Разработка рекомендаций по повышению надежности ТПК

для строительства эскалаторных тоннелей............................................................95

Выводы по главе.............................................................................................101

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................102

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.....................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................112

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Строительство метрополитена в крупных городах любой страны мира всегда было и сейчас остается весьма актуальной задачей для улучшения городской инфраструктуры транспорта. В комплексе подземных выработок метрополитена наиболее сложными с точки зрения технологии строительства являются наклонные выработки (эскалаторные тоннели).

Строительство эскалаторных тоннелей до недавнего времени было весьма трудоемким процессом, так как еще до начала проходки требовалось, как правило, применять специальные способы подготовки породного массива. Чаще всего в качестве специальных способов применяют искусственное замораживание грунтов, которое длится примерно 5-6 месяцев. Кроме того, осложняло процесс строительства и то, что в выработках с углом наклона 30 град достаточно трудно механизировать основные и вспомогательные операции проходческого цикла. В результате этого скорость проходки таких тоннелей не превышает 5-7 м/мес, а стоимость их строительства остается высокой.

Применение тоннелепроходческого комплекса (ТПК) при строительстве эскалаторных тоннелей станции московского метрополитена «Марьина роща» в 2010 и 2011 гг. позволило отказаться от специальных способов проходки и практически полностью механизировать все трудоемкие процессы, связанные с разработкой породы в забое и выдачей ее на поверхность, а также с возведением крепи. Таким образом, значительно сократились трудоемкость и сроки строительства эскалаторных тоннелей.

Анализ результатов работы тоннелепроходческого комплекса при проходке наклонных выработок на станции метро «Марьина роща» показал, что имеются значительные резервы повышения производительности работ при строительстве таких тоннелей, в первую очередь за счет улучшения показателей надежности ТПК.

При эксплуатации сложных горно-проходческих комплексов важной проблемой является установление показателей надежности и их ранжирование. Использование информации о надежности машины позволяет более эффективно организовать ее эксплуатацию и, что не менее важно, точнее прогнозировать сроки строительства туннеля. Надежность ТПК при строительстве как эскалаторных, так и горизонтальных тоннелей ранее не исследовалась. Опыт исследования надежности горных машин, в т.ч. машин для проведения выработок, непосредственно использовать нельзя вследствие специфики конструкции и режима эксплуатации ТПК.

Как показал опыт применения ТПК при строительстве эскалаторных тоннелей, для повышения эффективности их эксплуатации в первую очередь необходимо обосновать показатели надежности, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является повышение эффективности и прогнозирования сроков строительств эскалаторных тоннелей за счет использования обоснованных показателей надежности тоннелепроходческих комплексов.

Идея работы заключается в обоснование статистически устойчивых показателей надежности, отнесенных к проходческому циклу.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

- использование для анализа и повышения надежности ТПК предложенного показателя «коэффициент удельного времени восстановления за проходческий цикл», характеризующего долю времени восстановления от общего времени продолжительности работ и восстановления за проходческий цикл ТПК, и отнесенных к проходческому циклу средней наработки на отказ, среднего времени восстановления, параметра потока отказов, коэффициента готовности;

- модель надежности ТПК и установленная зависимость вероятности отказа от величины наработки;

-установленный закон распределения времени восстановления и полученные зависимости вероятности восстановления от ее продолжительности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием математического анализа, теорий вероятностей, математической статистики и надежности, а также результатами установления показателей надежности, полученных с доверительной вероятностью 0.9 и погрешностью не более 10%.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели надежности ТПК для строительства эскалаторных тоннелей, позволяющей установить зависимость вероятности отказа от величины наработки, в обосновании и установлении показателей надежности с учетом специфики его эксплуатации, что является дальнейшим развитием теории надежности горных машин.

Практическое значение работы состоит в разработке методики установления и анализа показателей надежности тоннелепроходческих комплексов, позволяющей повысить надежность и эффективность эксплуатации ТПК.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика «Установления и анализа показателей

надежности тоннелепроходческих комплексов» принята в ОАО

____ ___ ——

«МОСМЕТРОСТРОИ» для использования при эксплуатации ТПК.

Научная новизна и личный вклад автора диссертационной работы состоит в следующем:

- обоснованы показатели для анализа надежности, отличающиеся тем, что отнесены к проходческому циклу работы ТПК.

-установлены зависимости вероятности восстановления от ее

продолжительности и закон распределения времени восстановления

- установлена зависимость вероятности отказа от величины наработки,

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили одобрение:

- на научных симпозиумах: «Неделя горняка-2011», «Неделя горняка-2012» «Неделя горняка-2013» (г. Москва, МГГУ);

- на международной научной конференции «Геомеханика. Механика подземных сооружений» (г. Тула, ТулГУ, 2012 г);

- на 17-ой международной экологической конференции студентов и молодых ученых « Горное дело и окружающая среда. Инновационные и высокие технологии XXI века» (г. Москва, МГГУ, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, утвержденных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка использованных источников информации из 93 наименований и включает 46 рисунков и 20 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Перспективы применения ТПК при строительстве эскалаторных тоннелей.

Для строительства перегонных тоннелей метрополитенов, а также других сооружений подземного строительства в условиях города, в грунтах, требующих крепления выработки, давно и широко применяют проходческие щиты (ПЩ) и тоннелепроходческие комплексы (ТПК).

Впервые проходческий щит был использован в 1828 году [44] при строительстве тоннеля метрополитена под р. Темза в Лондоне. Щит имел прямоугольную форму сечения, крепление осуществлялось с помощью кирпичной кладки.

Придания щитам цилиндрической формы и использование чугунных тюбингов для крепления в 1869 г. послужило для дальнейшего расширения использования щитов.

В СССР ПЩ впервые использовались с 1934 г. при строительстве Московского ^метрополитена, и уже в 1936 г. работало 30 перегонных и 12 станционных ПЩ [66].

Совершенствование конструкции ПЩ шло по пути создания исполнительных органов для разработки грунта, механизации процессов крепления, погрузки и транспортировки породы [46].

В настоящее время в ТПК предусмотрено выполнение следующих основных операций: разрушение забоя, выдача породы, передвижка щита щитовыми домкратами и возведение обделки.

Так как ПЩ и ТПК используются в различных условиях и для решения разнообразных задач, имеется большое количество конструкционных и технологических решений. Существуют различные классификации и классификационные признаки механизированных ПЩ [55, 76 , 82].

Рассмотрим основные классификационные признаки:

1. По области применения.

- неустойчивые грунты:

естественной влажности, водонасыщенные,

- мягкие грунты;

- скальные грунты:

слабые и средней крепости, крепкие.

2. По способу разработки забоя:

- сплошная,

- избирательная.

3. По способу крепления забоя:

- специальными устройствами:

выдвижной козырек, прижимные поворотные плиты, горизонтальные площадки.

- посредством исполнительного органа.

4. По типу исполнительного органа:

- по характеру работы:

непрерывного действия, циклического действия.

- по конструктивному исполнению:

роторный

а) дисковый

б) лучевой планетарный, качающийся, фрезерный (стреловой), экскаваторный.

5. По типу погрузочного органа:

- по характеру работы:

непрерывного действия, периодического действия,

- по конструкции:

совмещенные с исполнительным органом, не совмещенные с исполнительным органом.

6. По типу возводимой обделки:

- сборная;

- монолитно-прессованная бетонная.

7. По виду опирания при передвижке:

- на торец обделки;

- на распорное кольцо.

С самого начала использования щитовой проходки большое внимание уделялось проведению выработок в сложных условиях [16]..

Одним из направлений было создание щитов, способных работать под гидростатическим давлением [17, 85,].

В первых конструкциях уравновешивание гидростатического давления осуществлялось созданием избыточного давления в камере сжатым воздухом.

Впервые использование такой конструкции была осуществлена в щите Грэтхеда в 1886 г. в Лондоне.

Также с использованием сжатого воздуха был щит Галлингера, использовавшийся в 1933 г. при строительстве тоннеля под Дунаем.

В дальнейшем развитие щитовой проходки для подобных условий пошло по линии создания герметических щитов с гидравлической пригрузочной камерой для уравновешивания гидростатического давления в забое (Россия, Япония. Англия) и щитов с призабойной кессонной камерой (Франция, США, ФРГ, Россия), исключающей возможность нахождения людей в зоне повышенного давления сжатого воздуха. [42, 54, 88-93]

В водонасыщенных, неустойчивых грунтах применяются ТПК с

грунтопригрузом, поэтому при строительстве эскалаторных тоннелей в

10

Москве и был использован такой ТПК.

Рассмотрим более подробно принципиальную конструкцию ТПК с грунтопригрузом (рисунок 1.1) [14].

Грунт, отделенный от забоя исполнительным органом 1, через отверстия в нем поступает в камеру 2, где смешивается со специальной пластической массой и выдается шнековым транспортером 5. Проходческие домкраты 4 передают усилие на грунт через стенку 3, тем самым препятствуя неконтролируемому перемещению грунта из забоя в камеру. Крепление тюбингами 7 осуществляется с использованием блокоукладчика (эректора) 6.

Строительство эскалаторных тоннелей достаточно сложная и трудоемкая инженерная задача.

В условиях плотной застройки подземный способ зачастую более приемлем и эффективен, чем открытый.

При традиционном подземном способе вначале необходимо в течении около 6 мес. проводить заморозку грунта, скорость проходки, составляет примерно 6 м/мес. Одна из причин невысокой скорости проходки существующими методами - наклон проводимой выработки (30 град), в связи, с чем затруднено применение типовых средств механизации.

Впервые в мире в 2010 г. для строительства наклонного эскалаторного тоннеля № 1 вестибюля станции метрополитена «Марьина роща» в г. Москве [86] был применен ТПК. Его схема представлена на рисунке 1.2, а вид на рисунке 1.3

Этот же ТПК "Lovât" [87] был использован при строительстве наклонного эскалаторного тоннеля № 2 этой же станции в 2011 г.

Применение ТПК позволило сократить сроки строительства в несколько раз по сравнению с традиционным способом с использованием предварительной заморозки грунта.

S 6

Рисунок 1.1 Проходческий щит с грунтопригрузом

Рисунок 1.2 Схема ТПК "Lovât" для эскалаторных тоннелей.

Рисунок 1.3 Вид ТПК "Lovât" для эскалаторных тоннелей.

К недостаткам можно отнести то, что кроме трудоемких процессов монтажа и демонтажа ТПК необходим еще большой объем подготовительных работ

Кроме обустройства строительной площадки и перекладки коммуникаций, что потребовалось бы при любом способе проходки, были произведены следующие работы: сооружение ограждения стартового котлована из 178 буросекущих свай, сооружение 76 свай пригруза для обеспечения старта ТПК, разработка 5672 м3 грунта стартового котлована с креплением котлована, устройство ложа для монтажа ТПК (5672 м3).

Несмотря на большой объем подготовительных работ, а также трудоемкости и продолжительности монтажа и демонтажа, использование ТПК оказалось эффективным.

Следует сказать, что использование ТПК для строительства наклонных эскалаторных тоннелей метрополитенов перспективно, т.к. позволяет осуществить большую скорость проходки с меньшей трудоемкостью, без предварительной заморозки грунта.

Сравнение скоростей проходки ТПК для эскалаторных тоннелей с ТПК для перегонных тоннелей, показало, что весьма актуальным вопросом, требующим первоочередного решения, является повышение надежности, что значительно бы позволило увеличить скорость проходки.

Анализ литературных источников показал, что исследования надежности ТПК для эскалаторных тоннелей не проводилось

Соответственно задача по анализу надежности ТПК является новой и актуальной в связи с тем, что надежность ТПК ранее не исследовалась.

1.2. Методы исследования надежности горных машин.

Одним из самых важных показателей горных машин является их надежность. Надежность во многом определяет эффективность, безопасность, качество эксплуатации машин [65].

13

Согласно ГОСТ 27.002-89 [29] Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое может включать все или ряд таких свойств как безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Условия применения объекта и его назначение определяют, какие свойства включаются в понятие «надежность» Обзор