Сопротивление старению машин как условие реализации их потенциала, альтернатива производству и фактор снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду

УДК 40.72 В.А. Ушанов, А.А. Васильев

СОПРОТИВЛЕНИЕ СТАРЕНИЮ МАШИН КАК УСЛОВИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ИХ ПОТЕНЦИАЛА, АЛЬТЕРНАТИВА ПРОИЗВОДСТВУ И ФАКТОР СНИЖЕНИЯ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

В статье раскрыт двойственный характер оценки ресурсосберегающих свойств системы ТОР машин. Одна из них связана непосредственно с экономической эффективностью, «потеря» которой на одном этапе технологического процесса может быть компенсирована на другом. Экономический эффект замкнут (локален) на производственном процессе и оценивается в рублях. Другая составляющая ресурсосбережения оценивается снижением нового производства машин и связанных с ним вредных выбросов, экономией невосполнимых природных ресурсов, не является имманентной, обладает самостоятельной оценкой, не тождественной экономической эффективности.

Ключевые слова: старение машин, экономическая эффективность, периодичность, техническое состояние, изношенность, норматив, ресурс, оптимизация.

V.A. Ushanov, A.A. Vasilyev RESISTANCE TO MACHINE AGEING AS THE CONDITION OF THEIR POTENTIAL REALIZATION, ALTERNATIVE TO MANUFACTURE AND THE FACTOR OF DECREASE IN THE ANTHROPOGENOUS LOADINGS ON ENVIRONMENT

Dual character of estimation of the TORAHS machine system resource-saving properties is reported in depth. One of them is connected directly with the economic efficiency which "loss" at one stage of technological process, can be compensated on the other one. Economic benefit is closed (local) on production and it is estimated in roubles. Another component of resource-saving is estimated by decrease in new machine manufacture and the harmful emissions connected with it, saving of the irreplaceable natural resources, it isn't immanent, possesses an independent estimation, not identical to economic efficiency.

Key words: machine aging, economic efficiency, periodicity, mechanical condition, deterioration, specification, resource, optimization.

Введение

В процессе использования машин они стареют. Старение - это снижение потенциальных возможностей машины выполнять свои служебные функции в пределах допустимых отклонений по качеству и экономичности в течение срока ее службы [1]. Напомним, что А.И. Селиванов, вводя в анализ понятие «годность машины», соотносил ее с понятием «здоровье» и настойчиво, хотя, по его собственному выражению, безуспешно, искал физическую и абсолютную (а не только экономическую и относительную) меру оценки этой величины. Следуя в этом направлении, будем понимать под сопротивлением машины старению систему мер по сохранению запаса ее годности и потенциальной ценности, которые убывают в процессе использования и периодически модифицируются путем ремонтно-обслуживающих работ (РОР).

Причины старения машин самые разные: конструкторские, условия эксплуатации, используемые приемы технического обслуживания и ремонта, человеческий фактор и т.п. [2]. Здесь важно отметить, что вероятность технических отказов по мере старения машины возрастает, увеличиваются и связанные с ними издержки от простоев. Негативные последствия старения в будущем будут только возрастать, поскольку удельная стоимость простоев повышается с увеличением урожайности культур, стоимости машин и их обслуживания (особенно импортных), повышением заработной платы и др.

Потребление машин и сопротивление их старению - два тесно взаимосвязанных процесса одной комбинированной проблемы эффективного использования машин и их надежности.

Объект и методы исследования

Анализ работ по проблеме, связанной с исследованиями по обоснованию моментов проведения и содержания ремонтно-обслуживающих работ, предназначенных для продления сроков использования машин, позволил классифицировать их и представить в виде схемы (рис.1) [3].

Можно утверждать, что разрабатывались и реализуются три основных направления (стратегии) - С. Содержание этих стратегий по обоснованию ремонтно-обслуживающих работ сводится к следующему:

С - выполнение ремонтно-обслуживающих работ по потребности, т.е. после возникновения отказов для устранения их последствий;

С2 - регламентное выполнение ремонтно-обслуживающих работ с жестким циклом по действительной наработке или расходу топлива, или фактически выполненному объему механизированных работ;

Сз - применение ремонтно-обслуживающих работ в зависимости от фактического технического состояния машин и их составных частей, определяемого периодическим диагностированием по показаниям бортовых систем непрерывного контроля и другими инструментальными способами.

Ниже коротко приведена характеристика каждого направления.

Первая стратегия (С1) наиболее проста для реализации, но имеет относительно невысокую эффективность. Недостатки этого подхода особенно возрастают в связи с повышением сложности машин, урожайности возделываемых культур, квалификации исполнителей и др., то есть с повышением издержек при простоях машинно-тракторных агрегатов. Поскольку при такой стратегии ремонтно-обслуживающие работы проводятся после отказа, когда машина уже неработоспособна и простаивает по техническим причинам. По мере насыщения сельскохозяйственных технологий сложными техническими средствами эти издержки будут возрастать, а эффективность такого подхода резко падать. Однако эта стратегия все-таки имеет право на существование и может быть использована при устранении последствий внезапных технических отказов. На долю последних приходится 8-10% от общего объема ремонтно-обслуживающих работ. Следовательно и весомость этой стратегии в системе технического обслуживания и ремонта машин невелика. Эта стратегия не требует разработки нормативов и на схеме не показана.

Рис. 1. Классификация методов сопротивления старению машин

Наибольшее распространение получила стратегия (С2) с жестким циклом регламентации ремонтнообслуживающих работ. Этот подход основательно разработан отечественными учеными и инженерами. В

результате для пользователя машин созданы стандарты, нормативы, инструкции и др. Потребитель машин имеет всю нормативно-техническую документацию, необходимую для успешного внедрения этого подхода при назначении ремонтно-обслуживающих работ. Этот подход обозначен на схеме как направление 1 и 2.1.

Направление, обозначенное на рисунке 1 под номером один, включает в себя все работы по совершенствованию системы ТОР, рассматривающие машину как единое целое (как элемент парка). Имеющиеся исследования в этом направлении (1.1, 1.2) связаны с совершенствованием методики путем различных корректировок без изменения принципов подхода. Например, вводились поправочные коэффициенты, учитывался фактор рассеивания средних величин и др. Результатом этих исследований является обоснование периодичности проведения операций ремонта для машины в целом. Кроме недостатков, связанных с детерминированным представлением изменения технического состояния, такой подход (машина как элемент парка) не позволяет обосновать рекомендации для обслуживания составных частей машины ремонтнообслуживающими работами.

Обозначенное на схеме второе направление (машина как система элементов) содержит несколько методических подходов. Результатом работ, лежащих в русле направления 2.1, является периодичность обслуживания машин и их составных частей. Работы направлены на повышение точности обоснования этой периодичности. Использование полученных таким путем нормативов вынуждает потребителя проводить ремонтно-обслуживающие работы в режиме регламентных систем.

Общим недостатком регламентных систем ТОР машин (направления 1 и 2.1) является предположение о наличии тесной зависимости между наработкой и проводящимися ремонтно-обслуживающими работами [4]. При таком подходе не удается полностью реализовать технический ресурс машин, либо наоборот - возможна работа элементов машины в таком техническом состоянии, которое сопровождается повышенной вероятностью возникновения внезапного простоя (технического отказа) и увеличенным расходом запасных частей. Наперед заданная периодичность обслуживания машин операциями ремонта никогда не совпадает с фактическим распределением их наработок до технического отказа. Стало очевидным противоречие между методами планово-предупредительной системы и неопределенностью технического состояния машин. Названные недостатки такой системы сопротивления машин старению можно проиллюстрировать следующим образом (рис. 2).

Развивается и совершенствуется более прогрессивный подход (стратегия Сз), используемый при назначении ремонтно-обслуживающих работ - по фактическому техническому состоянию (см. направление 2.2, рис. 1) [5].

Характерной особенностью этого подхода является отсутствие предварительно установленного периода, через который проводится соответствующая ремонтно-обслуживающая операция.

Опытная группа машин

Рис. 2.. Схема формирования нормативов “по периодичности” на основе прошлой информации:

^ - среднее значение технического ресурса (наработки) до отказа (норматив);

R ф - фактические значения ресурса до технического отказа; п - количество машин в опытной группе

Основой этого метода является техническая диагностика как средство получения объективной информации о техническом состоянии машины и ее составных частей.

Этот подход обладает максимальной возможностью по числу управляющих показателей, что позволяет более эффективно использовать технический ресурс, заложенный в машинах. Эта стратегия является перспективной для дальнейшей ее разработки. Результатом работ этого направления являются допустимые значения параметров состояния, определяющих содержание ремонтно-обслуживающих работ для отдельных элементов.

При этом отсутствует возможность исследования многих альтернативных вариантов восстановления работоспособности машин, например: «либо ремонт отдельного агрегата, либо ремонт машины в целом» и др.

По нашему мнению, в этом направлении имеется существенный резерв по совершенствованию этого подхода. Общим содержанием рабочей гипотезы по совершенствованию системы ТОР, которая в большей степени отвечала бы задачам по сопротивлению старению машин и связанными с этим следствиями, являются следующие предположения. В связи с тем, что причиной потери работоспособности машиной является изменение технического состояния ее агрегатов, то и основанием для управления составом ремонтнообслуживающих работ должна быть мера изношенности машины как системы элементов (степень ее «старости»). Глубина же обслуживания операциями ремонта (содержание РОР) должна определяться количественным значением этой меры (нормативами нового содержания).

Ниже коротко приведены основные технико-экономические противоречия, которые могут, на наш взгляд, стать основой для дальнейшего развития исследований по совершенствованию системы ТОР.

Машина представляет собой систему стареющих элементов и характеризуется неопределенностью технического состояния в момент контроля. Потребность в ремонтно-обслуживающих работах наступает в случайное время. В результате происходит постоянное перераспределение ресурсов составных частей у каждой конкретной машины в соответствии с ее индивидуальными показателями надежности.

Практически невозможно зафиксировать одинаковое техническое состояние даже у машин одной марки после равной наработки. Именно поэтому потребитель оказывается бессильным перед дальнейшим повышением эффективности системы ТОР, предусматривающей средние нормативы для определения момента проведения и содержания ремонтно-обслуживающих работ. Мы исходим из того, что машина представляет собой вероятностную систему, техническим состоянием которой можно управлять. Графическая интерпретация этого утверждения, в первом приближении (истинное взаимное влияние показателей сложнее), приведена на рисунке 3. При этом в процесс исследования вводится несколько потенциальных нормативов, тем самым предполагается обеспечить комплексное сопротивление старению машин.

Д<2

фрор г д(3 р°р

\ I1 У 1 \ /

V — 1Ф,

/

/

1Ф

а) а т а

Щ кн\’Кн\’Ч 1’г(1)’<21

б)

в) ^яз Г(3), «з

Рис. 3. Влияние управляющих параметров системы ТОР на общую эффективность использования машин На рисунке приняты следующие обозначения:

Я- численное значение изношенности машины, если изношенность равна или меньше этого зна-н

чения - производится полнокомплектный ремонт, если больше - текущий (т.е. этот параметр управляет соотношением между капитальным и текущим ремонтами);

Я^2) - численное значение изношенности, меньше которой текущий ремонт производится с использованием отремонтированных агрегатов, больше - новых (т.е. этот параметр управляет потребностью в агрегатах разного технического ресурса и стоимости);

д- степень восстановления технического ресурса при капитальном ремонте;

тг - продолжительность гарантийного периода работы машин без ресурсных отказов после текущего ремонта с вероятностью а;

Фрор - затраты, связанные с проведением ремонтно-обслуживающих работ, повышающих надежность работы машины как системы элементов;

Д<2 - потери от простоев машин;

^Ф - затраты потребителя, оценивающие экономическую эффективность использования машин;

Т - параметр времени либо наработки, либо объемов выработки.

На рисунке 3 показано возможное изменение затрат потребителя в зависимости от принятых численных значений управляющих параметров системы ТОР, используемых в процессе принятия решений о виде и содержании ремонтно-обслуживающих работ. В основе этого изменения лежат технико-экономические противоречия, которые объективно возникают при использовании разных вариантов. Так, в вариантах а, б и в изменение управляющих параметров Я(^\Я(^\д,хг и а приводит к изменению количества ремонтных

событий и показателей надежности работы машин в период напряженных полевых работ. Это с одной стороны. С другой - противоположно изменяются затраты на проведение ремонтно-обслуживающих работ

ФРОР и потери от простоев, связанные с ликвидацией технических отказов Д<2. В результате управления параметрами системы ТОР потребитель несет различные суммарные издержки ЕФХ Ф ЕФ2 ф ЕФ3.

Изменение названных параметров системы ТОР оказывает сложное (противоречивое) влияние и на перераспределение технического ресурса машин и связанных с этим затрат потребителя.

Таким образом, принятие решения о виде и содержании ремонтно-обслуживающих работ производится в противоречивых технико-экономических условиях, когда, с одной стороны, перед потребителем оказывается машина как вероятностная система стареющих элементов, техническое состояние которой оценивается случайной величиной. С другой, - различные варианты поддержания и возобновления ее работоспособности, которыми располагает система ТОР. Содержание каждого варианта определятся численными значениями параметров, изменяя которые потребитель может управлять техническим состоянием этой системы. Задача состоит в оптимизации численных значений параметров системы ТОР для различных производственных условий, использование которых в качестве управляющих содержанием ремонтнообслуживающих работ позволит получить максимальный эффект.

Результаты исследования

Чтобы реализовать преимущества этого направления исследований, в котором в качестве управляющих составом ремонтно-обслуживающих работ используются параметры технического состояния, связанные с количественной оценкой изношенности машины в целом, необходимо решить, как минимум, два комплекса задач.

Первый комплекс - научный. В результате экономико-математического описания технических процессов должна быть разработана методологическая система, позволяющая реализовать дополнительные возможности в исследовании эффективности разных вариантов системы ТОР и обосновании состава ремонтнообслуживающих работ. При этом численные значения параметров технического состояния машины обосновываются как результат конкуренции альтернативных вариантов: обслуживание отдельных элементов, группы элементов или машины в целом, использование новых или капитально отремонтированных агрегатов. В процессе разработки методического инструмента необходимо реализовать возможность количественной оценки технического состояния сложных объектов, которое описывается композицией законов распределения. Обеспечить количественное измерение синтетической оценки технического состояния машины с помощью существующих методов и средств технической диагностики.

Основным содержанием второго комплекса задач являются результаты оптимизации численных значений параметров технического состояния (изношенности) машины, управляющих моментом назначения и содержанием описанных выше альтернативных вариантов восстановления работоспособности машин (после оптимизации параметры становятся нормативами). Разработка методики прогнозирования объема и номенклатуры ремонтно-обслуживающих работ, обеспечивающих решение задач маркетинговых исследований на рынке технических услуг. Разработка практических процедур для принятия решения о составе РОР с использованием новых по содержанию нормативов, в различных производственных условиях. Оценка эф-

фективности снижения производства новых машин и антропогенной нагрузки на окружающую среду за счет развитой системы сопротивления старению машин.

Решение задач, обозначенных в двух вышеназванных комплексах, будет являться предметом дальнейших исследований.

Литература

1. Селиванов А.И. Основы теории старения машин. - М.: Машиностроение, 1971. - 408 с.

2. Система технического обслуживания и ремонта сельскохозяйственных машин по результатам диагностирования. - М.: ГОСНИТИ, Информагротех, 1995. - 64 с.

3. Ушанов В.А. Проблемы и результаты поиска новых нормативов системы ТОР машин и их использование на рынке технических услуг в АПК / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2005. - 267 с.

4. Михлин В.М. Управление надежностью сельскохозяйственной техники. - М.: Колос, 1984. - 335 с.

5. Черепанов С.С. Инженерное обеспечение современного сельскохозяйственного производства // Механизация и электрификация с.х. - 1994. - №1. - С.4-7.

УДК 40.72 В.А. Ушанов, А.В. Линд

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАШИН СТАРЕНИЮ

Обоснован метод исследования процесса старения машин как сложных вероятностных систем, техническое состояние которых интерпретируется композицией законов распределения. Разработанная имитационная модель реализует возможность оптимизации сложных по содержанию нормативов, которые используются при управлении моментом назначения и составом РОР, по результатам количественного анализа технического состояния машины. Имитационная модель позволяет осуществлять прогноз в различных производственных условиях потребности в любых ремонтных операциях, необходимых для эффективной реализации системы ТОР, как действенного средства противостояния машин старению.

Ключевые слова: параметр, ремонт, оптимизация, формализация, эффективность, восстановление, функция, алгоритм, изношенность, отказ.

V.A. Ushanov, A.V. Lind IMITATING MODEL OF RESEARCH AND OPTIMIZATION OF THE PARAMETERS OF MACHINE RESISTANCE TO AGEING

The technique for machine aging process research as the difficult likelihood systems which mechanical condition is interpreted by the distribution law composition is proved. The developed imitating model realizes possibility for optimization of the difficult specifications that are used in the process of the appointment moment management and ROR structure, on the basis of the quantitative analysis results of machine mechanical condition. The imitating model allows to forecast in various working conditions the requirements for any repair operations necessary for effective realization of the TORAHS system as effective means for machine resistance to aging.

Key words: parameter, repair, optimization, formalization, efficiency, restoration, function, algorithm, deterioration, break-down.

Введение

Оптимизация параметров комплексного содержания, предназначенных для управления техническим состоянием машин-систем, является весьма сложной проблемой. Аналитическое решение задач является наиболее предпочтительным, поскольку оно позволяет получать функциональные зависимости изучаемых параметров. Однако для сложных процессов такое решение часто оказывается затруднительным. Например, для рассматриваемого здесь случая, когда техническое состояние машины оценивается как состояние вероятностной системы, описываемой композицией законов распределения показателей надежности составляющих ее узлов и агрегатов, задача сводится к неразрешимым аналитически многомерным интегралам