Концепция управления ресурсом АО как сложных трибосистем

Савицкий В.Я. КОНЦЕПЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСОМ АО КАК СЛОЖНЫХ ТРИБОСИСТЕМ

Руководящими документами, регламентирующими показатели долговечности изделий ракетноартиллерийского вооружения, не определены предельные и межремонтные ресурсы артиллерийских орудий (АО) на износ конструкций. Корректное обоснование и назначение величин ресурсов АО до среднего и капитального ремонтов (СР и КР) затруднено из-за многообразия в их конструкциях оригинальных деталей и сборочных единиц, высокой динамичности кинематических звеньев вследствие импульсного силового воздействия, стохастичности режимов стрельбы и транспортирования, разнообразия климатических зон эксплуатации избирательности боевого применения тех или иных типов АО, сложности математического описания процессов изнашивания высокоскоротсных узлов реверсивного трения (ВУРТ), определяющих интенсивность выхода параметров работоспособности за предельные значения. С учетом этого для решения задач прогнозирования и управления ресурсом АО как сложных трибосистем (СТС) из всего комплекса выходных параметров, определяющих техническое состояние и возможности АО по выполнению заданных функций, в системном анализе использовались только те, которые подвержены изменению в результате изнашивания узлов трения (УТ).

Анализ устойчивости функционирования АО в поле возмущающих воздействий на фоне протекающих де-градационных процессов обусловливает его системное описание посредством входов, выходов, элементов, процессов, прямых и обратных связей, свойств, ограничений (рис. 1).

АО является открытой системой, обменивающейся с окружающей средой массой, энергией и информацией. Одна из наиболее важных особенностей открытых систем состоит в том, что в них "проявляются термодинамические закономерности", которые кажутся парадоксальными и противоречат второму началу термодинамики (сформулированному для закрытых систем), характеризующему систему ростом энтропии, стремлением к неупорядоченности[1]. Проявляется этот закон и в открытых системах. Однако в отличие от закрытых в открытых системах возможен "ввод энтропии", ее снижение; "подобные системы могут сохранять свой высокий уровень и даже развиваться в сторону увеличения порядка сложности". Закономерности самоорганизации улучшают обмен информацией между управляющей и управляемой системами [2].

Границей разделения исследуемой трибосистемы с окружающей средой принята собственно конструкция АО, а также совокупность входов от окружающей среды. При этом окружающая среда представляет собой определенное множество естественных и искусственных систем, для которых данная система не является функциональной подсистемой. Входными возмущающими воздействиями являются импульс, инициируемый выстрелом снаряда, воздействия боевого расчета и т.п. Кроме того, входные компоненты составляют: результат процесса данной системы, который вновь вводится в нее; результат предшествующего процесса, последовательно связанный с данным; результат предшествующего процесса, случайно связанный с данным.

Рис. 1. Взаимосвязь исследуемой СТС

На выходе система реализует функциональное предназначение, а также конечные состояния протекающих процессов с присущими им свойствами.

Связи определяют следование процессов. Обратные связи вызывают изменения происходящих в системе процессов. Причем, положительные обратные связи сохраняют тенденции изменений выходных параметров, отрицательные - противодействуют тенденциям изменения выходных параметров, а, следовательно, изменению технического состояния. Применительно к АО управляющие воздействия обратных связей реализуются в виде планово-предупредительных мероприятий, восстановительных операций при СР и КР и т.п. с целью сохранения или совершенствования функционирования СТС, целенаправленного изменения вида технического состояния (неработоспособное, работоспособное, неисправное, исправное). Общими элементами управления с помощью обратных связей являются: перестройка подсистем,

элементов, свойств и связей существующей системы; регулирование входа и критериев функционирования системы; анализ текущего технического состояния и вариантов прогнозируемого.

Выполненные исследования динамики АО и его составных частей, рассмотренных в качестве простых и сложных трибосистем, предопределили

Рис. 2. Структурно-функциональная модель перехода АО как СТС

в различные виды технического состояния описание поведения АО не в представлениях "черного ящика", а семейством моделей, отражающих сложность объекта исследования [3].

Так, взаимосвязь подсистем на уровне сборочных единиц, отражающая качественную картину перехода АО как СТС из работоспособного состояния в неработоспособное в результате возникновения параметрических отказов, была раскрыта на структурно-функциональной модели (рис. 2) [4].

Таблица 1 Информационная модель АО

Наименование сборочных единиц Наименование трибосопряжений Изменяющиеся в результате изнашивания размеры Диагностические признаки Выходные (измеряемые) параметры

Ствол, "вкладыши- х 4х Вертикальная шаткость уі

люлька полозки" х5, х6, х7, хэ горизонтальная шаткость у 2

Затвор "зуб правого кривошипа-флажок оси взвода" х 9 невзведение ударника

"взвод-ударник" хіо выход ударника уз

"взвод-стопор" износ граней самопроизвольный спуск ударника

Накатник "шток- уплотнения" хіі утечка жидкости у 4

"шток- уплотнения" хі2 утечка жидкости у 5

Тормоз отката "шток- модератор" хіз накат со стуком

"рубашка порш-ня-цилиндр" хі4 удлиненный откат уб

Уравновешивающий механизм "цилиндр- уплотнения" хі5 утечка жидкости у 7

Верхний станок, нижний станок "втулка-цапфа" хі6 вертикальная шаткость уі

Механизм вертикального наведения "червячное колесо-червяк" хі7 то же уі

"червяк-опорные втулки" хі8, хі9 то же уі

Механизм горизонтального наведения "червяк-венец" х20 горизонтальная шаткость у 2

Ходовая часть "кривошипы- втулки" х2і деформация втулок

"полуоси- втулки"

При отображении АО в виде информационной модели СТС были выделены наиболее существенные трибо-элементы (табл. 1). Данная модель характеризуется набором входных и выходных параметров. Определенному выбору параметров модели способствовали ранее проведенные исследования режимов работы УТ АО при стрельбе и буксировании за тягачом. Организованный таким образом системный анализ способствует накоплению информации о СТС, фиксации новых связей, получению отображения последовательных состояний системы, обеспечивающих формирование все более адекватной модели исследуемого АО.

При описании СТС на уровне подсистем с целью анализа совокупности воздействующих факторов на каждый УТ строились графические модели трения. Такие модели обеспечивают установление взаимосвязи причинно-следственных соотношений между входами и выходами с физической картиной исследуемых процессов.

Прогнозирование ресурса АО как СТС на стадиях жизненного цикла (ЖЦ) составляет основу управляющих воздействий, направленных на формирование желаемых свойств его поведения. Целевая направленность прогнозирования ресурса АО на стадии разработки сводится к описанию динамики расходования ресурса в процессе будущей эксплуатации по изменению выходных параметров. В качестве объекта прогнозирования выступают развивающиеся структурно-функциональные, информационные и другие модели. На основе концептуальных моделей строятся математические модели, которые отличаются тем, что законы преобразования информации конкретизируются, приобретают вид логических, дифференциальных, интегральных, разностных соотношений. Тем самым структура системы, выявленная при создании концептуальной модели, наполняется однозначным математическим содержанием. Концептуальная модель позволяет проводить качественные исследования, а введение математической модели означает переход к количественным методам анализа.

Модель упрощает исследуемый процесс и не может охватить все элементы и связи реальной действительности. Модели процесса управления охватывают, как правило, лишь основные его части и связи. Увеличению числа охватываемых в модели элементов и связей всегда сопутствует упрощение их содержания. Чем больше формализованы применяемые модели, тем острее становится конфликт между двумя требованиями - повышение комплексности и содержательности [5]. В случае применения математических моделей можно представить лишь единственную возможность преодоления указанного противоречия: ограничение рамок реализации моделей отдельными элементами и связями процесса управления, что повышает их содержательность, с одной стороны, и с другой - обеспечение согласованности всех моделей на уровне положений теории управления. При этом эффективным способом предопределения сложности математического моделирования является использование принципа декомпозиции.

Интерпретацией принципа декомпозиции являются принципы последовательной детализации задач анализа и синтеза. Модели анализа разделяются на последовательную цепочку моделей с обратными связями. Каждая последующая модель в цепочке позволяет получить дополнительное описание определенной фазы ЖЦ объекта и обеспечивает подготовку информации, необходимой для решения задач, связанных с последующей фазой. Процесс моделирования в цепочке моделей, структурированных по фазам ЖЦ, обеспечивает возможность комплексного решения задач по достижению поставленной цели.

Итерационная процедура совершенствования прогнозируемого объекта осуществляется до тех пор, пока не будет достигнут установленный минимум различия между требуемой и спрогнозированной величинами среднего, гамма-процентного, доремонтного, полного ресурсов, т.е. пока не будет решена проблема прогнозирования.

Верификация получаемых прогнозов сводится к многостороннему анализу количественных отношений с использованием определенной совокупности критериев, которые позволяют сделать прогнозы полезными в управлении, обеспечивают получение достоверного описания объекта на определенную перспективу.

Основные направления для определения качества прогноза следует искать не только в статистических характеристиках, сравнивающих реальные и модельные значения, но и в оценке энтропии, которую несет в себе то или иное описание объекта. Получение прогнозных результатов с учетом изменяющихся внешних условий повышает эффективность прогнозирования, делает его необходимым инструментом управления сложными системами. Используя такие системные характеристики как устойчивость, инерционность, связность, сложность, точность и полнота описания, функциональная целостность объекта, оказывается возможным выявить ту неопределенность, которая формирует погрешность прогнозных результатов. С другой стороны, формализованное принятие решения предполагает использование понятия риска в зависимости от погрешностей, заложенных в эту формализацию.

Таким образом, верификация прогнозов должна отвечать следующим основным требованиям:

- обеспечивать баланс между информационными и системными характеристиками;

- определять степень связности объекта с субъектом управления и внешней седой;

- устанавливать степень агрегирования и его влияния на точность списания объекта;

- обеспечивать корреляцию точности с полнотой описания объекта;

- устанавливать взаимосвязь точности с глубиной интервала прогнозирования.

Прогнозирующая система выполняет две основные операции: формирование альтернатив обликов объекта прогнозирования; сравнение и выбор предпочтительной альтернативы. Прогнозирующая система является динамической системой управления с обратными связями от объекта управления к управляющей системе (см. рис. 1).

В прогнозирующей системе реализуются следующие основные принципы:

- взаимоувязанности и соподчиненности прогнозов различных уровней иерархии объекта прогнозирования, различных аспектов анализа объектов прогнозирования;

- согласованность нормативных и получаемых прогнозов;

- непрерывность прогнозирования, обусловленная корректированием прогнозов по мере поступления новой информации;

- поризм.

Традиционная система разработки АО обеспечивала в среднем только через пять-семь лет их постановку на серийное производство, что обусловливало моральное старение образцов вооружения при сравнительно небольшом сроке службы, а такие неоправданные материальные затраты в ходе различных видов полигонных испытаний с целью достижения заданных показателей надежности. Разрешение проти-

воречий между длительностью сроков разработки АО и сопутствующими материальными затратами видится в применении современных информационных технологий (по типу CALS-технологий).

Основная идея CALS состоит в совместном использовании информации заинтересованнми сторонами на всех стадиях ЖЦ изделия. Для обеспечения этого создаются единые информационные модели изделий, ЖЦ изделий, бизнес-процессов на всех стадиях ЖЦ, производственной и эксплуатационной среды, стандартизируются способы доступа к информации, ее интерпретации, разрабатываются методы защиты информации и определяются юридические вопросы ее совместного использования. Это позволяет обеспечить эффективную информационную кооперацию всех участников ЖЦ изделия, решать задачи анализа эффективности бизнес-процессов, повышения качества изделий, стандартизации, преобразования в электронную форму и обмена конструкторской документации, электронных расчетов потребности в материалах, создания справочников по эксплуатации и т.п.

В соответствии с таким подходом создание АО должно начинаться с представления его в виде информации, описывающей взаимосвязь определяющих параметров с видами технического состояния АО. Моделируя процессы физического старения (изнашивания, роста трещин, деформации элементов и т.п.) проектируемой конструкции АО, можно прогнозировать его наработку на отказ в зависимости от количества произведенных выстрелов и километров пробега (буксирования за тягачом) для наиболее вероятных условий эксплуатации.

Визуализация электронных моделей, их многоуровневый анализ существенно расширяют возможности информационных систем. Особая роль при этом отводится системам автоматизированного инженерного анализа (САЕ). Главная задача, решаемая при использовании САЕ, - это устранение из процесса эскизного проектирования принципиально неверных вариантов и идей. Следовательно, первая проектная итерация должна быть успешной, что значительно сокращает затраты на последующую экспериментальную доработку объекта.

Важнейшая роль в системах автоматизированного инженерного анализа отводится процедуре организации информационных потоков, в основу которой должны быть положены следующие принципы:

1.Строгое соблюдение обоснованной последовательности этапов разработки изделия. При ее отсутствии возможен пропуск мероприятий, порождающий большие материальные затраты или катастрофические последствия на финишных этапах разработки.

2. Проведение прогрессирующего от этапа к этапу инженерного анализа. Начиная с самых первых стадий разработки изделий, результаты инженерного анализа должны являться своеобразным фильтром, отделяющим неверные технические решения. Решаемая при этом задача синтеза конструкций базируется на САЕ среднего уровня. На заключительных стадиях разработки оправданным является использование более мощных САЕ верхнего уровня, предельно минимизирующих или исключающих проведение доработок серийно изготавливаемых изделий.

3. В максимальной степени использование привлекаемых программных средств, форм представления и четкое задание направлений информационных потоков. Наибольшее внимание необходимо уделять информационным потокам между САD, САЕ и САМ.

Исследуемая СТС является деградационной, поэтому прогнозированию ресурса предшествуют операции моделирования изнашивания УТ, лимитирующих ресурс. Моделирование реализуется с использованием необходимых закономерностей изнашивания. Получаемые затем вероятностные значения ресурсов составляют информацию, используемую для управления прогнозированием и эшелонированием (в соответствии с видами ремонта) составов ЗЧ (рис. 3). Во взаимосвязи решаются проектные задачи выбора оптимальных конструкций УТ и материалов для трибоэлементов.

Рис. 3. Система управляющих воздействий на АО как СТС

на стадиях разработки и производства

Модели, формируемые при разработке, в определенной мере отличаются от реального объекта, поэтому для повышения эффективности системы управления целесообразно вводить в ее состав блок идентификации (см. рис. 3), обеспечивающий создание объекта в соответствии с тактико-техническими требованиями (ТТТ). Процедуры идентификации заключаются в том, чтобы по результатам наблюдений за входными и выходными переменными СТС формировать оптимальный для рассматриваемой стадии ЖЦ облик. В рамках вычислительных сетей осуществляется оперативная циркуляция информации о состоянии объекта.

На стадии производства реализуется управление технологическим обеспечением заданного ресурса (см. рис. 3). Образующиеся в результате сборочных и регулировочных операций значения выходных параметров составляют блок информации, используемой при прогнозировании остаточного ресурса.

На стадии эксплуатации АО могут находиться в исправном, неисправном, работоспособном или неработоспособном техническом состоянии (ТС). Переход АО из одного состояния в другое происходит вследствие повреждений и отказов, характеризуемых определенными значениями выходных параметров и совокупностью диагностических признаков. Если восстановление АО в процессе ремонта технически невозможно или экономически нецелесообразно, то оно переводится в предельное состояние и утилизируется (рис. 4).

Рис. 4. Система управляющих воздействий на АО как СТС на стадии эксплуатации

Одно из ограничений, накладываемых на исследуемый объект в рамках предлагаемой концепции, постулируется: при соблюдении установленных норм и правил проектирования, изготовления и эксплуатации, исключающих возникновение соответственно конструктивных, производственных отказов, в конструкциях АО, рассматриваемых в качество СТС, возникают только деградационные отказы, обусловленные изнашиванием УТ.

Целью прогнозирования остаточного ресурса СТС на стадии эксплуатации является своевременное предупреждение деградационных отказов и выработка таких решений, которые наиболее рационально обеспечивают расходование остаточного ресурса или восстановление первоначального ресурса. Из неработоспособного состояния в работоспособное с восстановлением ресурса объект переходит в результате технических воздействий (СР и КР) на него. В этом случае реализуется прямая связь между объектом и управляющей системой. Обратная связь обеспечивает корректирование управляющих воздействий (см. рис. 4). В такой схеме техническое диагностирование является активным звеном при оценке ТС объекта, инструментом при проведении необходимых регулировочных операций и контрольным звеном при оценке качества проведенных технических воздействий или величины восстановленного ресурса.

Отказы, возникающий при эксплуатации АО как СТС, сопровождаются изменениями таких структурных параметров, как износ, зазор, давление воздуха в накатнике или уравновешивающем механизме и т.п., а также диагностических параметров, таких как шаткость ствола, длина отката, нагрев жидкости в тормозе отката, усилия на маховиках приводов наведения и т.п. При обеспечении достоверности диагностирования важно, чтобы конкретному виду ТС вполне однозначно соответствовали величины структурных и диагностических параметров. Информативность применяемых при техническом диагностировании параметров определяется уровнем снижения энтропии о ТС объекта. По характеру информированности диагностические параметры условно можно разделить на:

- параметры, обеспечивающие получение информации о ТС объекта;

- параметры, обеспечивающие получение информации о функциональных возможностях объекта;

- параметры, обеспечивающие получение информации как о функциональных возможностях, так и о ТС

объекта.

Рассматривая объект в качестве гомеостатической системы сохранение его устойчивого работоспособного ТС при изменениях внешней среды может осуществляться с учетом взаимодействующих противоположных начал. Так, при значительном понижении температуры окружающего воздуха происходит увеличение вязкости рабочей жидкости противооткатных устройств и, как следствие, изменение динамики откатных частей, поэтому в противовес повышенному увеличению гидравлического сопротивления тормоза отката стрельбу ведут на уменьшенных зарядах. При допустимых износах УТ производится регулирование с помощью компенсационных элементов (заводных пружин, нажимных гаек, дополнительных прокладок и т.п.). Однако применение гомеостатических принципов при управлении АО как СТС с целью повышения их живучести традиционными способами имеет конструктивные ограничения. Перспективы прикладного применения гомеостатики видятся в модернизации конструкций АО путем применения принципиально новых УТ, своевременной корректировки составов ЗЧ, улучшением технологического оснащения ремонтных органов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Берталанфи Л. фон. Общая теория систем: критический обзор// Исследования по общей теории

систем. - М.: Прогресс, 1969, с. 23-82.

2. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа: Учебник. Изд. 2-е, перераб. и доп. - СПб..: Изд-во СПбГТУ, 2001 - 512 с.

3. Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем: Монография / И.И. Артемов,

В.Я. Савицкий, С.А. Сорокин. - Пенза: Информ. - издат. центр Пенз. гос. ун-та, 2004. - 374 с.

4. Савицкий В.Я. Ремонт ракетно-артиллерийского вооружения: Учебник. - Пенза: ПАИИ, 2004. -

398 с.

5. Волчихин В.И., Вершинин Н.Н., Тихомиров А.В. Управление сложными производственными и технологическими системами: Монография. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 244 с.