К методике формирования и оптимизации новых нормативов системы сопротивления машин старению

УДК 40.72 В.А. Ушанов, Н.В. Петровский

К МЕТОДИКЕ ФОРМИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ НОВЫХ НОРМАТИВОВ СИСТЕМЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАШИН СТАРЕНИЮ

В статье рассматриваются вопросы, связанные с сопротивлением машин старению. Предлагаемый в этих целях норматив учитывает индивидуальный характер изменения годности каждой единицы и в принципе лишён недостатков, присущих аналогам, основанным на средних показателях наработки, выработки и т.п. Предложенная математическая интерпретация количественной оценки изношенности машины может быть реализована в исследованиях с использованием имитационных моделей и в процедурах оценки в производственных условиях с привлечением средств диагностики.

Ключевые слова: оценка, критерий, ремонтная единица, норматив, изношенность, оптимизация,

отказ.

V.A. Ushanov, N.V. Petrovsky TO THE TECHNIQUE OF FORMATION AND OPTIMIZATION OF NEW SPECIFICATIONS IN THE SYSTEM OF MACHINE RESISTANCE TO AGING

The issues connected with machine resistance to aging are considered in the article. The specification offered for these purposes considers individual character of change of each unit validity and basically is deprived of the lacks inherent in analogs, based on average indices of the operating time, development, etc. Offered mathematical interpretation of the quantitative estimation of machine deterioration can be realized in the research with the use of the imitating models and in estimation procedures under production conditions with diagnostic aids application.

Key words: estimation, criterion, repair unit, specification, deterioration, optimization, refusal.

Введение. Содержание методических инструментов исследования, в общем случае, определяется целью работы и свойствами изучаемого объекта. Поэтому, прежде чем приступить к изложению методического подхода и частных методик, рассмотрим некоторые характерные особенности исследуемой проблемы, которые оказывают на них непосредственное влияние.

Известно [1], что мощным средством противостояния машин старению является система ТОР. В свою очередь, важнейшей её составной частью являются нормативы, используя которые, принимаются решения о времени проведения и содержании ремонтных работ. В результате анализа действующей нормативной базы этой системы было показано, что для более эффективного сопротивления старению машин нужны другие индикаторы, способные наиболее полно реализовать технический ресурс элементов машин при сохранении установленного качества выполняемых работ. Корневой сутью принципиально новых по содержанию нормативов системы сопротивления машин старению является величина, связанная с количественной оценкой изношенности машины в целом.

Объекты и методы исследований. Для разработки новой стратегии ТОР необходимо сформулировать основные требования, которые предъявляются к количественной оценке изношенности машины и к параметру, который в качестве норматива мог бы выполнять возлагаемые на него задачи. Здесь ещё раз подчеркнём, что оценка изношенности машины и норматив имеют одно корневое содержание. Только изношенность машины - это количественное значение её текущего технического состояния, а норматив - это её некоторая количественная мера, которая используется при обосновании момента назначения и содержания ремонтно-обслуживающих работ. После оптимизации количественного значения этой меры она становится нормативом. Итак, требования:

1. Предлагаемый параметр должен быть связан не с периодичностью (которая может быть выражена в единицах наработки, выработки, в мото-часах и др.), а с фактическим техническим состоянием машины.

2. Являться результатом синтеза технического состояния такого количества элементов машины, которое представляют её как достаточную систему объектов обслуживания. Учитывать весомость каждого выделенного элемента в технико-экономическом балансе машины.

3. Учитывать вероятностный характер изменения показателей надёжности составляющих машину элементов и интерпретироваться как композиция законов их распределения.

4. Параметр может быть использован для группы машин, индивидуальной машины и для отдельных её элементов.

5. Параметр технического состояния может быть количественно измерен в любое время с помощью средств технической диагностики.

6. Параметр состояния должен быть безразмерной величиной.

7. Математическая интерпретация количественной оценки может быть реализована в имитационных моделях в процессе оптимизации и использована в процедурах оценки текущего технического состояния машины в производственных условиях.

Выше было отмечено, что в подобных условиях в качестве отдельного элемента машины целесообразно выделять агрегаты и узлы, требующие наиболее высоких затрат при обслуживании и представляющих собой самостоятельную ремонтную единицу.

Математическая интерпретация параметра количественной оценки изношенности машины представляет собой функцию нормированного взвешенного остаточного ресурса составляющих её элементов:

п К

£Д0 =

/=1 Л .

иг

где - количественная оценка текущего технического состояния машины (ее изношенность,

степень её «старости») в момент контроля ( е 0...1);

1,...,'>,...,п - выделенное количество элементов машины, которое подлежит оценке технического состояния в момент контроля, шт.;

у; - коэффициент, характеризующий весомость элемента в технико-экономическом балансе машины;

% - остаточный ресурс ко элемента в момент оценки изношенности машины, мото-ч (определяется с помощью средств технической диагностики);

К, - исходный ресурс ко элемента, мото-ч.

Если предположить, что отказ любого элемента имеет одинаковые последствия для состояния машины в целом, то оценку общей её изношенности ) можно было бы производить, разделив для этого

сумму нормированных остаточных ресурсов элементов на их количество. В действительности же какие-то агрегаты и узлы машины оказываются важнее (разная цена, стоимость обслуживания и др.). Кроме этого, трудоемкость разборо-сборочных работ при замене какого-то элемента может быть настолько высокой, что становится целесообразной попутная замена наиболее изношенных элементов машины (сокращаются балластные работы). В связи с этим весомость элементов предлагается оценивать:

4'’+{/(о,+С(о, ™

У, =------------------------- Р)

£

7 = 1

п

где у. п - см. формулу (1) £у, = 1;

7=1

£’ - стоимость капитального ремонта ко элемента, руб.;

и(/)г - затраты на устранение эксплуатационных отказов ко элемента, руб.;

Q(t)i - величина потерь при простоях из-за ко элемента, руб.

Чтобы осуществить оптимизацию параметра технического состояния и придать ему, тем самым, статус управляющего норматива, необходим критерий, с помощью которого можно обосновывать целесообразность определённого вида ремонтно-обслуживающих работ из их конкурирующих вариантов. В связи с этим к выбору критерия предъявляют особые требования. В первую очередь, критерий эффективности должен максимально отображать структуру изучаемого процесса и быть чувствительным к изменению переменных, вовлеченных в процесс исследования.

В рассматриваемой задаче за критерий эффективности принят минимум издержек Фтт, необходимых на содержание машины за весь срок службы. Поскольку параметры системы ТОР действуют в течение всего срока службы, управляя содержанием ремонтно-обслуживающих работ, перераспределяют технический ресурс составных частей машин, обладают последствием и формируют суммарные издержки. В це-

левую функцию включены затраты, которые существенно зависят от содержания ремонтно-обслуживающих работ, предусмотренных системой ТОР. При этом учитываются издержки, связанные с простоями по техническим причинам, поскольку все превентивные сервисные мероприятия, оправданы только их будущим снижением. Ниже описаны составляющие этих затрат.

Стоимость капитального ремонта - ДФя/> - может быть принята по результатам производственной

деятельности обслуживающего ремонтного предприятия. При этом издержки потребителя машины складываются следующим образом:

п

дФ'1' = ^4->+аож,

/ = 1

П

где ^£(2г) - затраты на капитальный ремонт п выделенных элементов машины, руб.;

г= 1

с - стоимость одного часа простоя, руб/ч;

/ож - время ожидания машины, ч.

Затраты на полнокомплектный ремонт, который производится в результате профилактического осмотра АФППР, определяются по формуле (3), но без учета затрат ~аож.

При текущем ремонте машины могут возникнуть различные варианты ее обслуживания, которым будут соответствовать разные затраты. Рассмотрим их.

В случае, когда технический ресурс машины восстанавливается (или частично восстанавливается) путем воздействия только на отказавший элемент, затраты потребителя будут определяться следующим образом.

При замене отказавшего элемента на новый (вынужденная замена) затраты составят:

ДФ" = Д'> +С"+и

где ДФ^ - затраты потребителя при замене элемента, исчерпавшего свой технический ресурс полностью на новый, руб.;

Ь{{) - издержки, связанные со снятием, установкой и транспортировкой элемента, руб.;

С^ - стоимость нового элемента, руб.;

и(^)( - затраты, идущие на устранение эксплуатационных отказов элемента от начала его эксплуатации до капитального ремонта, руб;

А0(0, - издержки потребителя, связанные с простоями машины при устранении эксплуатационных

отказов заменяемого элемента за время от начала эксплуатации до капитального ремонта, руб.

При замене отказавшего элемента на капитально отремонтированный (вынужденный ремонт) затраты составят:

=Ё‘'+Щ'+иа)1+,0

где ДФ^ - затраты потребителя при замене элемента, исчерпавшего свой технический ресурс на капитально отремонтированный, руб.;

Ь{^) - стоимость капитального ремонта заменяемого элемента, руб.

Если необходимость в текущем ремонте элемента возникает в результате планового профилактического осмотра машины, затраты определяют подобно (4) и (5), но без потерь, вызванных извлечением, постановкой и транспортировкой заменяемого элемента - ^, поскольку эта операция запланирована и потребитель должен производить её в период, когда машина свободна от работы. При этом учитывается, что сме-

няемый элемент проработал только время, равное ДГЯ .

Так, затраты при замене элемента на новый (замена при профилактическом осмотре) составят:

ДФ ,ш=С«>+^дГя+ДдГя,

где дФгяз - затраты потребителя, связанные с заменой элемента на новый при профилактическом осмотре машины, руб.;

kj - коэффициент, характеризующий величину затрат на устранение эксплуатационных отказов за один мото-час работы машины, руб./мото-ч;

р. - коэффициент, характеризующий величину издержек, связанных с устранением эксплуатационных отказов, за один мото-час работы машины, руб/мото-ч.

Затраты при замене элемента на капитально отремонтированный (ремонт при профилактическом осмотре) определяются по формуле:

дФГ = 4'’+*А+лА' Р)

где ДФЯРЭ - затраты потребителя, связанные с заменой элемента на капитально отремонтированный в период профилактического осмотра, руб.

Если же для обеспечения гарантийной наработки тг после текущего ремонта потребуется одновременная (попутная с уже отказавшим элементом) замена нескольких элементов, то к затратам, идущим на ремонт инициатора, следует добавить затраты на попутно заменяемые элементы с учетом недоработки их до ресурсного отказа и уменьшением времени на монтаж и демонтаж .

Таким образом, затраты при попутной замене на новые элементы составят:

4ф»ш = £п + с« +

а при попутной замене на капитально отремонтированные элементы:

аф^ = £<>++т), - ) +Ш‘), - р,*г).

где АФ?ПЗ,АФ1;ПР - соответственно затраты потребителя при текущем ремонте попутно заменяемых элементов на новые и капитально отремонтированные, руб.;

И1 >, 1} 1) - дополнительные затраты, обусловленные попутным извлечением и установкой элемента,

руб.

При одновременной замене нескольких элементов в период профилактического осмотра затраты определяются суммированием по каждому заменяемому элементу в соответствии с выражениями (6) и (7).

В процессе реальной эксплуатации машины имеют место различные виды ремонтных воздействий,

потребность в которых возникает в случайное время, а обоснование их состава производится с использованием управляющих параметров Я^, тр и а. Использование каждого из них в качестве управляю-

н

щего приводит к разным по содержанию ремонтно-обслуживающим работам и затратам. Напомним, что параметры Я, Я(2 являются некоторой мерой общей изношенности машины - 2Х (т.е.

е ) и служат основанием для принятия следующих решений: если изношенность машины в момент контроля ^Я^}, то производится капитальный ремонт машины, в противном - текущий. При этом, если >Я^), то текущий ремонт осуществляется с использованием новых

агрегатов, в противном - отремонтированных. Допустимые значения изношенности (Я и Я^2)) подлежат оптимизации.

Суммарные затраты для машин в целом должны состоять из суммы затрат для каждого элемента на весь срок службы -Тс. Суммирование осуществляется по порядку производимых ремонтных работ (1, 2,..., К,...,m) и по всем элементам машины (1, 2,..., 1,...,п)\

__ т п

=ЕХ>

1 Ы1

В процессе оптимизации параметров технического состояния определяются такие их численные зна-

чения, использование которых в качестве управляющих содержанием ремонтно-обслуживающих работ приводит к минимальным издержкам потребителя за срок службы, т.е.:

т п

ЕФ------------^------> тт I I АФ

0<Я

п

После оптимизации такие параметры приобретают статус нормативов

Результаты исследований. Оптимизация в описанных условиях является весьма сложной задачей. Аналитическое решение задач является наиболее предпочтительным, поскольку оно в большинстве случаев позволяет получать функциональные зависимости изучаемых параметров. Однако для сложных процессов такое решение часто оказывается затруднительным. Например, для рассматриваемого здесь случая техническое состояние машины представляет собой сложную вероятностную систему, описываемую композицией законов распределения показателей надежности составляющих её узлов и агрегатов. Это приводит к неразрешимым аналитически многомерным интегралам [4-5]. Кроме этого, изучаемая здесь система имеет специфические особенности, которые усугубляют сложность исследований. А именно, различная и случайная скорость потери элементами своего технического ресурса, с одной стороны, и возможность нескольких вариантов восстановления работоспособности машины (ремонт, замена только отказавшего элемента, попутная замена нескольких элементов на новые или капитально отремонтированные, полнокомплектный ремонт) - с другой. Для получения только одного достоверного значения критерия оптимизации (например, суммарных издержек ) при одном значении управляющего параметра системы ТОР нужно произвести наблюдение за представительной группой машин в течение срока службы. Для осуществления же оптимизации этого параметра необходимо получить некоторое множество значений . Названные обстоятельства и

исключительная трудность анализа конкурирующих вариантов системы ТОР, требующего постоянной численной оценки технического состояния в условиях рядовой эксплуатации, делают очевидным невозможность и натурного эксперимента для решения поставленных задач. Опыт законченных исследований у нас и за рубежом [6,7,8] показывает, что в подобных условиях хороших результатов можно достигнуть с помощью метода статистических испытаний (метод Монте-Карло). Этот метод предусматривает использование имитационных моделей.

Разработка таких моделей и будет являться предметом наших дальнейших исследований.

Литература

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

2. Eichler Chr. Probleme der Modellierung von Instandhatungsprozessen // Deutsche Agrartechnik. - 1971. -

№ 21. - Р. 391.

3. Ушанов В.А. Проблемы и результаты поиска новых нормативов системы ТОР машин и их использо-

вание на рынке технических услуг в АПК / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2005. - 267 с.

4. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1968. - 355 с.

5. Вагнер Т. Основы исследования операций. - М.: Мир, 1972. - Т. 1. - 336 с.

6. Гальперин А.С., Либов Л.С., Богатов О.А. Оптимизация соотношения между агрегатным и полноком-

плектным методами ремонта // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. - 1972. - № 11. - С. 28-31.

7. Либов Л.С. Применение физико-кибернетического подхода для определения стратегии технико-

экономических разработок в области ремонта и технического обслуживания машин на длительную перспективу // Тр. ГОСНИТИ. - М., 1977. - Т. 56. - С. 16-19.

8. Brosch O. Eine Anwendung der Monte-Karlo-Methode zur Beurtulung Von Reparatur Strategien // Wiss.z.

Humbolt- Universitat, Berlin. Ges.-Spach-Wiss. Reihe. - 1967. - № 6. - Р. 16.