Механизация погрузки угля - Исследование режимов работы углепогрузочных комплексов

3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УГЛЕПОГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Определение основных показателей
Завершающими операциями процесса угледобычи являются погрузка угля в железнодорожные вагоны и подготовка составов к отправке потребителям. Процессы формирования грузопотоков в очистных забоях являются сложными, прерывистыми, случайными процессами. Исследование забойных грузопотоков [17] показало, что эмпирическое распределение минутных грузопотоков лав хорошо аппроксимируется нормальным законом распределения. Магистральный транспорт, оборудование околоствольного двора и подъема оказывают воздействие на эти потоки, усредняя и сглаживая их неравномерности. Последним звеном грузопотока является подъемная установка. При прочих равных условиях характеристики потока угля из шахты определяются режимом ее работы.
Обработка статистических данных работы подъемных установок показала, что процесс поступления угля через ствол является пуассоновским, а интервалы между периодами поступления угля распределяются в соответствии с экспоненциальным законом [18]:
Потоки угля от приемной воронки скипового подъема до железнодорожных вагонов в зависимости от различных факторов выглядят следующим образом: подъем—вагон, подъем— бункер—вагон, подъем—склад—вагон. При использовании конвейерных линий для передачи угля на обогатительные фабрики схемы формирования грузопотоков имеют вид: подъем — ОФ — вагон, подъем — ОФ — бункер — вагон, подъем — ОФ—склад— вагон.
Во многих случаях имеется возможность производить погрузку угля одновременно по двум цепочкам, например из приемной воронки и со склада или из бункера и со склада, что значительно сокращает время загрузки вагонов. При установившихся процессах формирования потоков угля и потоков поступающих порожних вагонов режим работы погрузочных пунктов шахт определяется комплексом применяемого оборудования.
На старых шахтах, не подвергавшихся реконструкции, сложность и громоздкость технологических схем поверхности, значительная протяженность транспортных средств, применение большого количества оборудования, не отвечающего требованиям надежности, его техническое несовершенство и нерациональное использование приводят к большим трудозатратам при обслуживании погрузочных пунктов и увеличению времени загрузки вагонов. Сверхнормативные простои вагонов (а в зимнее время они значительно возрастают, особенно в районах Крайнего Севера) снижают эффективность использования подвижного состава, нарушают сроки реализации угля и влекут за собой штрафы как за простои, так и за несвоевременную отгрузку продукции потребителям. Новые и реконструируемые шахты имеют упрощенные технологические схемы погрузки и более совершенное оборудование, что позволяет эффективно управлять потоком угля на поверхности.
На режим работы пунктов погрузки существенное влияние оказывает организация работы погрузочных транспортных управлении (ПТУ), осуществляющих формирование вагонопотоков. В соответствии со сложившейся практикой, определяемой различными законодательными материалами [19], ПТУ обеспечивает транспортное обслуживание предприятий угольной промышленности, выступая в качестве посредника между МПС и предприятиями. В связи с этим организация работы ПТУ должна быть увязана с технологией погрузочно-разгрузочных работ на добывающих и перерабатывающих предприятиях.
Специфика работы железной дороги обусловливает круглосуточное поступление вагонов в ПТУ, а следовательно, и круглосуточную работу пунктов погрузки и сдачу железной дороге загруженных вагонов на станциях примыкания.
Вагоны подаются предприятию на основании договора с ПТУ о транспортном обслуживании, в котором определяются количество вагонов в одной подаче, количество подач (составов) в сутки и время обслуживания. Показатели обслуживания устанавливаются в соответствии с Уставом железных дорог, технологическими процессами погрузочного пункта и с учетом технических возможностей его оборудования.
Исходя из ресурса угля, отправляемого с шахты железнодорожным транспортом, определяют суточное количество вагонов, поступающих с ПТУ на шахту. Число вагонов в подаче зависит от протяженности и числа погрузочных путей, максимального тягового усилия маневрового устройства, интервалов между подачами, производительности погрузочного и маневрового оборудования, нормативного и фактического времени погрузки, технологии подачи порожних и вывоза загруженных вагонов, требований маршрутизации, расстояния до станции примыкания, продолжительности подготовительных и заключительных операций.

Поступление порожних вагонов в ПТУ определяется системой потоков на дорогах МПС, пропускной способностью дорог, ремонтными работами, климатическими условиями и многими другими факторами, которые учесть расчетом невозможно. Поэтому для изучения работы погрузочного пункта и определения ее основных характеристик необходимо использовать вероятностные методы.
В результате анализа работы пунктов погрузки некоторых шахт комбината Карагандауголь было установлено, что уголь отгружается, как правило, ежедневно, включая выходные и праздничные дни. Когда добыча не производится, отгружается уголь, аккумулированный в бункерах и на складах.
На рис. 4 показаны месячные графики добычи и отгрузки угля для шахты «Вертикальная» (сплошными линиями показана добыча, штриховыми — отгрузка).
Анализ статистических данных показывает, что основное влияние на режим работы пунктов погрузки оказывают производительность погрузочного и маневрового оборудования, оборудования складов и линий обратной подачи и интенсивность потока порожних вагонов. Поскольку последний существенно влияет на работу погрузочного пункта, были изучены некоторые его параметры за длительное время (табл. 2). 

Таблица 2

Рис. 4. Графики добычи и отгрузки угля в январе (а), феврале (б) и марте (б) для шахты «Вертикальная»
В таблице приведены следующие данные: число подач Ν, число вагонов п, размахи вариаций числа подач в сутки, числа вагонов в сутки, числа вагонов в подаче, суммарное время обслуживания вагонов Тоб и суммарное нормативное время погрузки Тп.
На рис. 5 показаны квартальные графики поступления составов, а на рис. 6 — поступления вагонов на шахты. Из приведенных данных видно, что по некоторым шахтам среднесуточное число подач, рассчитанное в декадном и месячном интервалах, мало отличается (шахта им. 50-летия СССР и «Михайловская»). В то же время по шахтам «Западная» и «Вертикальная» разница составляет соответственно 60 и 20%. Интенсивная отгрузка с шахты «Западная» в январе и особенно в его первой декаде, когда число подач в сутки достигало 11, а вагонов —  114, объясняется накоплением большого запаса угля на складе и возможностью ПТУ подавать больше вагонов.

Рис. 5. Квартальные графики прибытия подач на шахты: а — «Западная»; б — «Вертикальная»; в — «Михайловская»; г—им. 50-летия СССР

Данные табл. 3 свидетельствуют о стохастическом характере прибытия вагонов на погрузочный пункт, несмотря на согласованный с шахтами график. При соблюдении графика поток можно было бы рассматривать как детерминированный. Однако стахостический характер прибытия порожних вагонов в ПТУ, влияние требований по отгрузке определенных марок угля, климатических, сезонных и организационных факторов заставляют искать другие модели описания потока вагонов.

Рис. 6. Квартальные графики поступления вагонов на шахты:
а — «Западная»; б — «Вертикальная»; в — «Михайловская»; г —им. 50-летия СССР

Представляет интерес изучение средних значений исследуемых параметров. В табл. 3 приведены, средние за 90 дней наблюдения значения числа подач в сутки Ncp, числа вагонов в сутки ncр.с, числа вагонов в подаче ncр.п, времени обслуживания вагона tоб.ср, продолжительности интервала между подачами tи.ср, времени работы пункта погрузки в сутки Тcр.п.п и его производительности Qcр.п.п. Помимо этого найдены размахи вариаций времени загрузки Rtоб и интервалов между подачами Rtи, коэффициенты неравномерности числа подач в сутки kN, числа вагонов в подаче kn. п, числа вагонов в сутки kn.с, продолжительности интервалов между подачами ktи и продолжительности обслуживания вагонов ktоб. Указанные коэффициенты определены как отношения максимальных значений изучаемых параметров к их средним значениям.
На рис. 7 показаны графики поступления составов, а на рис. 8 — графики поступления вагонов на погрузочный пункт, построенные по результатам наблюдений за 90 суток. Из рисунков видно, что поступление подач и вагонов имеет стахостический характер с минимальными числами подач и вагонов в интервалах 9—10 и 21—22 ч. Явно выраженных максимальных значений не наблюдается.
Из анализа полученных средних значений показателей, характеризующих поступление вагонов на погрузочный пункт, и анализа режима его работы видно, что имеются значительные колебания числа подач по отдельным часам и суткам, в то время как колебание среднемесячных значений гораздо меньше. Число вагонов в подаче также колеблется в больших пределах. 

Рис. 7. Суточные графики прибытия подач на шахты:
а — «Западная»; б—«Вертикальная»; а — «Михайловская»; г — им. 50-летня СССР

Рис. 8. Суточные графики поступления вагонов на шахты: а — «Западная»; б — «Вертикальная»; в — «Михайловская»; г — им. 50-летия СССР
Продолжительность интервалов между отдельными подачами и продолжительность обслуживания вагонов имеют значительные колебания, и их коэффициенты неравномерности достигают больших значений.
Следует отметить, что большие значения tоб [более (1,5-2,0) tн, где tн — нормативное время загрузки одного вагона] обусловлены неисправностями оборудования и организационными факторами, а значения (1,5-2,0) tн.ср — неритмичностью поступления порожних составов в ПТУ, временем их обработки и оперативным распределением составов по шахтам в зависимости от категории потребителя.
Приведенные данные дают общую оценку параметров вагонопотока и показателей режима работы погрузочного пункта. И если средние значения исследуемых величин в достаточно полной мере характеризуют их, то степень рассеяния исследуемых значений, определяемая как размах вариации признака, не дает полного представления о мере колебания, поскольку величина его зависит от двух вариантов исследуемого параметра — максимального и минимального — и сильно подвержена влиянию случая. Полное представление о характере потоков и их параметров, а также о пункте погрузки как системе массового обслуживания может быть получено при использовании математических методов теории вероятностей и массового обслуживания. Как известно [20], в качестве математической модели прибытия автомашин, железнодорожных составов, речных и морских судов и самолетов обычно принимается теоретическое распределение Пуассона, охватывающее важнейшие стороны транспортных потоков.
Сложность реальных групповых вагонопотоков по сравнению с ординарными и разнообразие явлений, их сопровождающих, вызывает необходимость выделять лишь основные параметры вагонопотока. Однако и при этом неординарный поток требует решения многовариантной задачи изучения распределения количества подач N (либо интервалов между подачами tп), количества вагонов в подаче п и времени обслуживания одного вагона tоб.
Поток подач.
Поскольку вагонопоток складывается из отдельных подач (составов), каждую из них можно рассматривать как самостоятельную транспортную единицу, состоящую из п вагонов с временем обслуживания

где μ — интенсивность обслуживания.
Групповой поток можно аппроксимировать как ординарный, что не приведет к серьезным смещениям в получаемых оценках.
Свойство ординарности потока подач подтверждается изучением его структуры и статистическими данными, из которых видно, что практически невозможно наличие двух или более подач на одном и том же погрузочном пути в один и тот же момент времени Δt, т. е. вероятность появления более одной подачи близка к нулю.
Общепринятая система учета подаваемых под погрузку вагонов в единицах позволяет рассматривать каждую подачу как состоящую из однородных единиц, а вагонопоток—как последовательность однородных событий.
Установление структуры потока подач и его основных характеристик можно производить делением всего периода наблюдения (в данном случае. 2160 ч.) на равные последовательные интервалы времени равные 1, 2, 4, 6, 8, 12 и 14 ч. В каждом интервале определяется число подач. Интервалы с одинаковым числом подач группируются и для каждого из них рассчитываются статистические вероятности отсутствия и прибытия 1, 2, т подач (Р0, P1, Р2, ..., Рm). Статистические вероятности количества подач Ρν(t) для различных значений λt показаны на рис. 9. Интенсивность потока подач λ определена по исходным данным (см. табл. 2), причем значения λ для шахт «Михайловская» и «Западная» примерно равны и графики зависимости Pν(t) =f(N) совпадают.
Из рис. 9 видно, что характер эмпирического распределения количества подач близок к теоретическому распределению Пуассона. Вероятность W подач при средней интенсивности потока λ для процесса Пуассона определяется по формуле

Характерные для простейшего пуассоновского потока свойства стационарности, ординарности и отсутствия последействия присущи в основном и потоку подач. Как отмечалось выше, ординарность потока подтверждается. Анализ значений λ, подсчитанных последовательно в интервалах пять суток, декада, месяц и квартал, показывают, что поступление составов происходит довольно равномерно со случайными колебаниями интенсивности потока вокруг среднего значения. Это является достаточным основанием для исследования потока как стационарного.
Следует отметить также, что число подач за исследуемый интервал не связано какой-либо зависимостью с началом отсчета, а определяется лишь продолжительностью интервала. Следовательно, вероятность числа подач также определяется продолжительностью интервала и не зависит от начала наблюдений. Большие значения на шахте «Западная» в первые дни наблюдений обусловлены, как указывалось выше, интенсивной отгрузкой в первой декаде угля, накопленного в предыдущем квартале.
Выраженного последствия, т. е. зависимости количества составов, поступивших в данный интервал, от их количества, поступивших в предыдущие интервалы, при анализе статистических данных обнаружено не было.

Рис.9. Статистические вероятности прибытия N подач для шахт: а — «Вертикальная»; б — «Михайловская»; в — им. 50-летия СССР

  Таблица 4

В табл. 4 приведены основные характеристики распределения количества подач: математическое ожидание Μ(Ν), дисперсия D(N), среднеквадратичное отключение σN и коэффициент вариации kN.
Из данных таблицы видно, что для всех рассматриваемых шахт M(N)≈D(N)≈λ. Равенство или близкие значения указанных параметров являются характерным свойством распределения Пуассона.
Для оценки соответствия эмпирического распределения теоретическому был применен критерий Пирсона. Принимая в качестве независимых условий равенство суммы частот единице и совпадение λ статистического и теоретического распределений, были найдены значения χ2 распределения для шахт «Западная», «Вертикальная», «Михайловская» и им. 50-летия СССР. Вероятность того, что фактическое распределение является пуассоновским, составляет для указанных шахт соответственно 0,95; 0,96; 0,70 и 0,63. Значения вероятностей свидетельствуют о соответствии потока подач пуассоновскому потоку.
На рис. 10 показаны изменения вероятности поступления на пункт погрузки N подач (N=0; 1; 2; 3...) в зависимости от времени (/), а также вероятностей P(N≤k) и P(N>k) при k=0; 1; 2; 3... (соответственно // и ///). Штриховыми линиями показаны теоретические кривые для шахты «Вертикальная».
Наряду с установлением вида распределения подач, были определены и основные характеристики распределения интервалов между подачами tu (табл. 5).
Таблица 5

Рис. 10. Вероятности прибытия N, N≤k и N>k подач для шахт: а — «Вертикальная»; б — «Михайловская»; в — им. 50-лстия СССР
Из данных таблицы видно, что наблюдается большое рассеяние продолжительности интервалов между подачами. Исследования рассчитанных на ЭВМ гистограмм распределения tи для различных интервалов группирования показывает, что при значениях, близких к М(tи), распределение может быть описано экспоненциальным законом. При- распределение близко к распределению Эрланга или пуассоновскому с переменным значением λ.
Следует отметить, что распределение интервалов между подачами существенно не влияет на характеристики обслуживания, даже при слабом соответствии статистического распределения теоретическому. Допущение о пуассоновском распределении позволяет значительно упростить математический аппарат, не искажая реального процесса обслуживания [20].

 
Таблица 6

Число вагонов в подаче

Описание потока подач не дает представления о вагонопотоке в целом без учета реального распределения числа вагонов в подаче. Это распределение было рассчитано на ЭВМ для ряда шахт и различных интервалов группирования. В табл. 6 приведены значения математического ожидания числа вагонов в подаче М(п), дисперсии D(п), среднего квадратичного отклонения σn и коэффициента вариации kn.
Из анализа семейства гистограмм, а также данных таблицы следует, что число вагонов в подаче колеблется в больших пределах. Некоторые распределения имеют несколько модальных значений, имеющих близкие частоты появления.