Ocena niezawodnościowa kolejowych

Tadeusz Cisowski
Ocena niezawodnościowa
kolejowych łańcuchów dostaw węgla
Łańcuchy dostaw obejmują trzy podstawowe operacje
technologiczne: załadunek – przewóz – wyładunek. Elementem łańcucha dostaw jest mechanizm lub urządzenie,
które wykonuje dowolną operację procesu technologicznego. Stopień detalizacji procesu technologicznego związany jest z dokładnością obliczeń, możliwościami wpływu
czynników technologicznych oraz organizacyjnych na
czas i technologię operacji oraz możliwościami włączenia
lub wyłączenia danej operacji do i z procesu technologicznego. Sformułowane podejście można zastosować
w budowie schematu blokowego kolejowego łańcucha
dostaw węgla. Detalizacja procesu technologicznego może być odzwierciedlona w analizie i budowie modeli zależności między poszczególnymi jego elementami.
Celem badań zaprezentowanych w artykule będą oceny ilościowe i jakościowe pracy realnych kolejowych łańcuchów dostaw
węgla. Przez ocenę jakościową rozumiana będzie ocena wpływu
czynników zewnętrznych i wewnętrznych na realizację procesu
technologicznego. Oceny ilościowe pokazywać będą miarę wpływu tych elementów na funkcjonowanie systemu.
Analiza niezawodności elementów
w podsystemie załadunku węgla
Najbardziej rozpowszechnionymi w śląskich kopalniach węgla są
podsystemy z załadunkiem z zasobników, podsystemy z załadunkiem za pomocą przenośników taśmowych oraz podsystemy z załadunkiem wykorzystujące ładowarki.
Rozpatrzono powszechnie występujący podsystem załadunku
węgla z zasobników do węglarek, pokazany w postaci schematu
blokowego na rysunku. 1.
Głównymi przyczynami uszkodzeń technicznych były: remont
lei zsypowych zasobników, remonty i przeglądy urządzeń manewrowych, remont przenośników przemieszczających węgiel z placów składowych do zasobników.
Produktywność kompleksu załadunku węgla zależy od wydajności zasobników węgla i może zmieniać się zasadniczo.
Produktywność normatywna w znacznym stopniu zależy od
współczynnika gotowości do pracy. Wydajność eksploatacyjna
Qmj, wyrażona w środkach transportu, wynosi:
Qmj = Z·RK·Kbp
gdzie:
Z – wydajność normatywna zasobnika wyrażona w wagonach/
/godzinę;
RK – współczynnik gotowości do pracy;
Kbp– współczynnik wykorzystania kompleksu załadunku w czasie, określony normami eksploatacji technicznej.
Z analizy śląskich kompleksów załadunku węgla w wagony
oraz z tabeli 1 wynika, że infrastruktura tych kompleksów jest ściśle powiązana z ich wydajnością. Fakt ten jest szczególnie ważny
dla:
„„
określenia miary ilościowej współpracy centrum i peryferii infrastruktury,
„„
syntezy struktury kompleksów według zadanych parametrów,
„„
określenia rzeczywistej wydajności kompleksów składających
się z podsystemów załadunku i wyładunku.
Tabela 1
Charakterystyki niezawodnościowe kompleksów załadunku
z zasobników węgla
Wskaźnik
Jednostka Wartość wskaźnika
Schemat blokowy
schemat
kombinowany
–
jeden
Gęstość rozkładu czasu pracy bezawaryjnej
wzór
f(tc) = le–lt1
Czas pracy bezawaryjnej tspo
min
122
Intensywność uszkodzeń λ
1/h
0,49
–
0,903
Liczba kanałów obsługi
Rys.1. Organizacja załadunku węgla z zasobników do węglarek
Na rysunku 1 przyjęto następujące oznaczenia: TP – tory
przygotowawcze do załadunku; TZ – tory załadunkowe, nad którymi położone są zasobniki; PS – plac składowy; P – przenośniki;
Z – zasobniki węgla; TO – tory odjazdowe.
W tabeli 1 przedstawiono charakterystyki niezawodnościowe
typowych, jednokanałowych kompleksów załadunkowych z zasobników węgla. Określono również podstawowe przyczyny
uszkodzeń technologicznych w analizowanym podsystemie. Dotyczyły one: oględzin technicznych wagonów przed załadunkiem,
przygotowania dokumentów przewozowych, podstawienia wagonów próżnych pod załadunek, przerw w załadunku spowodowanych usterkami technicznymi wagonów.
(1)
Współczynnik wariacji intensywności uszkodzeń ν
Średni czas przywracania zdatności tp
min
40
Intensywność przywracania zdatności µ
1/h
1,50
–
1,10
Współczynnik wariacji intensywności przywracania zdatności ν
Współczynnik niezawodności technicznej Rm
–
0,900
Współczynnik niezawodności technologicznej Rc
–
0,837
Współczynnik gotowości do pracy Rk
–
0,753
3/2012
53
Analiza niezawodności elementów
w podsystemie wyładunku węgla
Głównym elementem w kompleksach wyładunku węgla (elektrowniach węglowych) są wywrotnice wagonowe różnych typów
oraz estakady wyładunkowe.
Poniżej poddano analizie różne kompleksy wyładunkowe węgla ze stacjonarną wywrotnicą wagonową (rys. 2).
Tabela 2
Charakterystyka produktywności i przywracania stanu
zdatności funkcjonalnej kompleksu wyładunku węgla
Charakterystyka gęstości rozkładu czasu
pracy bezawaryjnej
przywracania zdatności funkcjonalnej
Tory do napychania wagonów
–2ti
–2t
—
—bi
1. f(t) = 4ti · etsp
1. f(tbi) = 4tbi · etsp
2. tsp = 296,6 min
2. tsp = 23,1 min
3. n = 0,876
3. n = 0,672
4. rmi = 1,0
5. rci = 0,924
Rys. 2. Warianty schematów blokowych kompleksów wyładunku węgla ze stacjonraną wywrotnicą wagonową
TN – tory do napychania wagonów; WW – wywrotnica wagonowa; LZ – lej
zsypowy, który może być wyposażony w urządzenie rozdrabniające węgiel –
UR; Z – zasobnik węgla; TW – tory wyciągowe dla wagonów próżnych, po
wyładunku; ST – system taśmociągów łączących zasobniki węgla z placami
składowymi; PS – plac składowy; PS1 – plac składowy otwarty; PS2 – plac
składowy zamknięty; BW – linia bezpośredniego przemieszczenia węgla do
produkcji z pominięciem placu składowego
Lej zsypowy
–2tbi
tbi —
1. rmi = 1,0
1. f(tbi) = — · etsp
s2t
2. rci = 0,924
tsp
2. st = ——
1,253
3. tsp = 23,1
4. n = 0,66
Zasobnik węgla
1.
2.
3.
4.
5.
f(ti) = l·e–lti
tsp = 1076,5 min
n = 0,888
rmi = 1,0
rci = 0,981
1. f(tbi) = mi · e–mi×tbi
2. tsp = 19,9 min
3. n = 0,93
Tory wyciągowe
Z opisu parametrycznego łańcuchów dostaw węgla wynika, że
budowa jego modelu niezawodnościowego wymaga określenia
następujących mierników empirycznych:
lmi; lci-intensywności uszkodzeń technicznych i technologicznych i-tego elementu;
mmi; mci-intensywności przywracania zdatności i-tego elementu;
tmi; tci-średniego czasu bezawaryjnej pracy i-tego elementu;
tmi; tci-średniego czasu przywracania zdatności i-tego elementu;
rmi; rci; rki-niezawodności technicznej, technologicznej i-tego elementu i ogólnej całego systemu;
lo; lp; lk – intensywności uszkodzeń systemu podstawowego,
równoległego i mieszanego;
mo; mp; mk – intensywności przywracania zdatności systemu podstawowego, równoległego i mieszanego;
Tspo; Tspp; Tspk – średniego czasu pracy bezawaryjnej systemu podstawowego, równoległego i mieszanego;
tbo; tbp; tbk – średniego czasu przywracania zdatności systemu
podstawowego, równoległego i mieszanego;
Ro; Rp; Rk – niezawodności ogólnej systemu podstawowego, równoległego i mieszanego.
Zadaniem jest określenie funkcji wymienionych mierników
w czasie, tj. zbudowanie modelu uszkodzeń i przywracania stanu
zdatności funkcjonalnej elementów i całego kompleksu wyładunku węgla.
W tabeli 2 pokazano wyniki dokonanych obliczeń.
Na rysunku 3a przedstawiono funkcję gęstości rozkładu czasu
pracy bezawaryjnej kompleksu wyładunku węgla, a na rysunku 3b
– funkcję gęstości rozkładu czasu przywracania stanu zdatności
funkcjonalnej.
54
3/2012
1. rmi = 1,0
2. rci = 1,0
System taśmociągów
1.
2.
3.
4.
5.
f(ti) = l·e–lti
tsp = 1071,3 min
n = 0,94
rmi = 0,98
rci = 0,956
1. f(tbi) = mi · e–mi×tbi
2. tsp = 60,9 min
3. n = 0,98
Urządzenia rozdrabniające węgiel
1.
2.
3.
4.
5.
f(ti) = l·e–lti
tsp = 556,0 min
n = 1,1
rmi = 0,96
rci = 1,0
1. f(tbi) = mi · e–mi×tbi
2. tsp = 30,0 min
3. n = 1,0
Place składowe
1.
2.
3.
4.
5.
f(ti) = l·e–lti
tsp = 787,5 min
n = 1,1
rmi = 1,0
rci = 0,962
System jako całość
1. f(ti) = l·e–lti
2. tsp = 104,5 min
3. n = 1,20
1. f(tbi) = mi · e–mi×tbi
2. tsp = 60,9 min
3. n = 0,98
a)
Tabela 3
Podstawowe przyczyny uszkodzeń elementów
w podsystemie wyładunku węgla
Techniczne
Technologiczne
Tory do napychania wagonów
Napychanie nowych grup wagonów, obróbka
Awarie lokomotywy manewrowej, wagonów przed wyładunkiem, przyjazd lokomotywy
uszkodzenia torów, niesprawne sprzęgi napychającej po nową grupę wagonów
wagonów, wykolejenia wagonów
Wywrotnica wagonowa
Usterki w węzłach, silnik nie funkcjonuje, Technologicznych przyczyn brak, ale określając
nie funkcjonują wibratory, wywrotnica liczbę wyładowanych wagonów należy uwzględnić
nie powraca w położenie początkowe
współczynnik powtórnego obrotu wywrotnicy Kpk
Lej zapasowy
Usterki w urządzeniach rozdrabniających Powolny zsyp węgla obok leja, czyszczenie
węgiel
z desek, drzwi wagonowych i innych przedmiotów
b)
Zasobnik Usterki w wibratorach, jeśli zasobnik Zawieszanie się węgla, powolny zsyp węgla
jest wyposażony w te urządzenia
poprzez otwór wejściowy, niezgodność rozmiarów węgla z otworami zsypowymi, zasypanie zasobnika
przed jego uruchomieniem
System taśmociągów
Przegrzanie się silników, wypadnięcie Zmiana asortymentu węgla, niedostateczna
taśmy nośnej z prowadnic, szerokość taśmy, zasypanie węzłów pośrednich
przerwanie się taśmy, sprawdzenie przy przejściu na drugą taśmę
jej naciągu, usterki łożysk
Tory wyciągowe
Usterka lokomotyw, torów i urządzeń Chwilowy brak lokomotywy, zajętość toru
manewrowych
przyjazdowego na stacji przyjmującej puste
wagony, oczyszczanie toru
Urządzenia rozdrabniające Awarie spowodowane dostawaniem Postoje urządzeń wymuszone zmianami położenia
się innych przedmiotów
określonych elementów
Place składowe
Usterki w urządzeniach mechanicznych Zapełnienie placu wymagające przerwania procesu
eksploatowanych na placu składowym wyładunku, zmiana położenia systemów taśmociągów
Rys. 3. Gęstość rozkładu czasu pracy bezawaryjnej i czasu przywracania
stanu zdatności funkcjonalnej
Z analizy czasu pracy bezawaryjnej i czasu przywracania zdatności funkcjonalnej kompleksu terytorialnie rozrzuconych maszyn
i urządzeń wynika, że podlegają one ogólnym zasadom teorii niezawodności. Wniosek ten jest niezwykle ważny z punktu widzenia
wykorzystania teorii niezawodności w obliczeniach wskaźników
eksploatacyjnych kompleksów, składających się z oddzielnych
elementów, a także w zadaniach ich syntezy zarówno w fazie projektowania, jak i w modernizacji.
W tabeli 3 przedstawiono podstawowe przyczyny uszkodzeń
elementów w podsystemach wyładunku węgla (elektrowniach
węglowych).
W tabeli 4 przedstawiono udział procentowy wszystkich przyczyn przerw w pracy kompleksu wyładunku węgla za pomocą wywrotnicy wagonowej.
Z tabeli 4 wynika, że największe przerwy w pracy notowane są
na torach do napychania wagonów pod wyładunek oraz na torach
wyciągowych próżnych wagonów po wyładunku. Związane to jest
z ich zróżnicowaną pojemnością, która waha się od 10 do 32 wagonów.
Ponadto przerwy z przyczyn technologicznych są o wiele
częstsze niż z przyczyn technicznych. To świadczy o braku możliwości wykorzystania pełnej wydajności wywrotnic wagonowych.
Główna rezerwa zwiększenia produktywności systemów wyładunku węgla tkwi w rozwoju infrastruktury elementów peryferyjnych.
Tabela 4
Udział procentowy przyczyn przerw w pracy w systemach
wyładunku węgla za pomocą wywrotnicy wagonowej
Element systemu
Tory do napychania wagonów
Przyczyny awarii
techniczne
technologiczne
ogólne
2
27–42 29–44
Wywrotnica wagonowa
4
0
4
Lej zsypowy
0–2 4–20 4–22
Zasobnik
0
2,5
2,5
Systemy taśmociągów
2
5
7
Tory wyciągowe
2
10–17 12–19
Urządzenia rozdrabniające węgiel
4
0
4
Place składowe:
0
2
0
2
0
4
otwarte
zamknięte
Przy wydajności wywrotnic wagonowych rzędu 30 wagonów na
godzinę, produktywność systemów wyładunku zmienia się znacznie, w zależności od ich struktury.
Na rysunku 4 pokazano różne warianty struktur systemów wyładunku węgla za pomocą wywrotnic wagonowych, a w tabeli 5
– ich wydajność.
Przedstawione w tabeli 5 wskaźniki niezawodności odzwierciedlają powiązania między elementami systemów wyładunku
węgla, przy założeniu, że prawdopodobieństwo pracy bezawaryjnej i prawdopodobieństwo przywracania stanu zdatności podlegają rozkładowi wykładniczemu.
3/2012
55
Wnioski
Przeprowadzona analiza niezawodnościowa realnych kolejowych
łańcuchów dostaw węgla pozwoliła określić ilościowe wskaźniki
ich produktywności oraz poszczególnych ich elementów. Zależności między elementami łańcuchów dostaw mogą być wyrażone
w terminach teorii niezawodności, pod warunkiem, że prawdopodobieństwo ich pracy bezawaryjnej i przywrócenia zdatności
funkcjonalnej opisane są rozkładem wykładniczym. Charakter tego rozkładu potwierdziła analiza opisana w artykule.
Uwzględniając wpływ podsystemów załadunku i wyładunku
na parametry wyjściowe można budować kolejowe łańcuchy dostaw węgla z kopalń do elektrowni o mniejszych kosztach, wynikających ze zmniejszenia liczby lub eliminacji placów składowych.
q
Literatura
[1]Barcik R.: Logistyka dystrybucji. Wydawnictwo Naukowe Akademii
Techniczno-Humanistycznej, wyd. II zm., Bielsko-Biała, 2005.
[2]Kazimierczak J.: Eksploatacja systemów technicznych. Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
[3]Materiały niepublikowane Katowickiego Holdingu Węglowego S.A.
[4]Materiały niepublikowane Grupy Energetycznej Centrum Enea.
Rys. 4. Warianty struktur systemów wyładunku węgla za pomocą wywrotnicy wagonowej
TN – tory do napychania; WW – wywrotnica wagonowa; LZ – lej zsypowy;
Z – zasobnik; TW – tory wyciągowe; ST – system taśmociągów; PS – plac
składowy
Tabela 5
Wskaźniki niezawodności i produktywności godzinowej
systemów wyładunku węgla
Numer wariantu
Niezawodność
Produktywność
(rys. 4)
Rmj
Rcj
Rkj
Qj [wag/godz.]
1
0,894
0,713
0,637
17,20
2
0,868
1,000
0,868
23,44
3
0,931
0,843
0,785
21,19
4
1,000
0,699
0,699
18,87
5
1,000
0,651
0,651
17,58
6
0,698
1,000
0,698
18,85
7
1,000
0,656
0,656
17,71
8
1,000
0,995
0,995
26,86
56
3/2012
Tadeusz Cisowski
Wyższa Szkoła Ekonomii i Innowacji w Lublinie
[email protected]