Идентификация несущей системы автотранспортного средства в задаче ситуационного управления ее надежностью

Рассоха В.И., Щурин К.В.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ АВТОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА В ЗАДАЧЕ СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТЬЮ

На основе идентификации несущей системы автотранспортного средства, подверженной в эксплуатации усталостным повреждениям, сделан вывод о возможности отнесения ее к объектам, к которым применима схема ситуационного управления.

Изложенная в предыдущей статье постановка проблемы повышения системной эффективности эксплуатации автомобильного транспорта за счет ситуационного управления подразумевает обязательное научно-практическое сопровождение в виде решения конкретных задач.

Системы обеспечения (на этапах проектирования и изготовления) и поддержания (на этапе эксплуатации) автотранспортных средств в работоспособном состоянии представляют собой типичные сложные организационно-технические системы, поскольку в них задействованы и технические объекты (автотранспортные средства, испытательное и технологическое оборудование и т.д.), и люди, как непосредственно управляющие этими техническими объектами, так и организующие управление процессами испытаний, производства, технического обслуживания и ремонта. Поэтому идентификация этих систем дала бы однозначное соответствие по всем шести критериям (см. ниже).

Целесообразнее, на наш взгляд, из перечисленных систем выделить подсистему обеспечения и поддержания в работоспособном состоянии какого-либо из базовых агрегатов или систем автотранспортного средства.

В качестве примера рассмотрим задачу повышения долговечности несущих систем автотранспортных средств, подверженных в эксплуатации усталостным разрушениям [1 - 3 и др.] . Для различных автотранспортных средств несущая система может включать раму, подрамник, основание грузовой платформы, несущий кузов и некоторые другие элементы в различных их сочетаниях.

Проведем идентификацию несущей системы автотранспортного средства по шести основным свойствам, которые можно рассматривать в качестве критериев идентификации [4], то есть отнесения рассматриваемых объектов к классу объектов ситуационного управления: уникальность, отсутствие формализуемой цели существования, отсутствие оптимальности, динамичность, неполнота описания, наличие «свободы воли».

а) Уникальность

Согласно этому свойству объект обладает такой структурой и функционирует таким образом, что система управления им должна строиться с учетом всех его качеств, и к нему нельзя применить какую-либо типовую стандартную процедуру управления [4].

Как известно, детали, узлы, агрегаты и системы автотранспортных средств в эксплуатации испытывают воздействие разрушающих процессов, основными из которых являются изнашивание, усталостные повреждения, коррозия, ползучесть, старение и некоторые другие, играющие в снижении работоспособности менее заметную роль. Среди разрушающих процессов наиболее критичными являются усталостные повреждения. Это связано с тем, что все другие виды повреждений могут быть либо заранее спрогнозированы, оперативно выявлены и устранены методами отработанных технологий ремонта (износ, коррозия и т.д.), либо являются следствием грубейших нарушений правил технической эксплуатации автотранспортных средств (пластические деформации вследствие перегрузок, засорения и т.д.).

В отличие от внезапных, возникающих в результате сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, скачкообразно превышающих возможности объекта (поломки от перегрузок, заедания и т.д.), и постепенных, представляющих собой выходы параметров за границы допуска в процессе эксплуатации или хранения (изнашивание, старение, коррозия и т.д.), усталостные разрушения относятся к процессам, постепенным по развитию и внезапным по проявлению [5, 6]. Причем при, ка-

залось бы, одинаковых условиях эксплуатации, наблюдаются значительные рассеяния параметров усталостных повреждений. Причинами этого является микроструктурная неоднородность металла, наличие дефектов, отклонений в микрогеометрии поверхности и свойствах поверхностного слоя. Имея в виду влияние этих факторов на рассеяние усталостной долговечности, говорят о статистической природе процесса усталостного разрушения [7].

Одним из наиболее типичных основных агрегатов и систем автотранспортного средства, подверженных усталостным повреждениям, является несущая система. По данным различных авторов, доля повреждений усталостного характера в рамах мобильных машин составляет более 90%. Поэтому сказанное о статистическом характере может быть в полной мере отнесено и к техническому состоянию несущей системы автотранспортного средства в эксплуатации.

Таким образом, выбор несущей системы автотранспортного средства в качестве объекта исследования объясняется максимальной критичностью усталостных повреждений среди эксплуатационных и наибольшей типичностью несущей системы как объекта, подверженного этим повреждениям. Применение к несущей системе какой-либо типовой стандартной процедуры управления затруднено, а зачастую и невозможно, что подтверждает соответствие выбранного объекта критерию уникальности.

б) Отсутствие формализуемой цели существования

Несущая система автотранспортного средства является базовой конструкцией, обеспечивающей взаимное расположение ряда узлов и агрегатов и выполнение машиной транспортных функций. От ее свойств зависят такие важные характеристики, как плавность хода, устойчивость, управляемость и вибронагруженность автотранспортного средства.

Разрушение несущей системы полностью приводит автотранспортное средство к отказу в работе и необходимости в проведении трудоемких и дорогостоящих ремонтных работ, связанных с полной или частичной разборкой машины и ее последующей сборкой. Поэтому несущая система должна иметь долговечность, равную ресурсу автотранспортного средства до капитального ремонта или списания.

Таким образом, цель существования несущей системы - обеспечение функционирования автотранспортного средства - может быть однозначно формализовано описана.

в) Отсутствие оптимальности

Основной характеристикой несущей системы является прочность, характеризующая способность воспринимать эксплуатационные нагрузки без разрушения в течение ресурса автотранспортного средства до капитального ремонта или списания. Вместе с тем, несущая система не должна иметь излишнего запаса прочности, сказывающегося на металлоемкости автотранспортного средства.

Однако еще до полного разрушения несущей системы наличие усталостных трещин в узлах может привести к чрезмерному снижению ее угловой жесткости и, вследствие этого, к потере автотранспортным средством устойчивости в экстремальных условиях эксплуатации.

Поэтому оптимальные конструкция и долговечность несущей системы должны определяться во многом противоречащими друг другу требованиями со стороны прочности, металлоемкости и долговечности.

Эта противоречивость приводит к тому, что на различных этапах развития мобильных, и не только, машин преобладал тот или иной принцип конструирования и обеспечения заданной долговечности. В

настоящее время доминирующим является принцип обеспечения необходимого ресурса деталей с установленной вероятностью неразрушения, то есть обеспечения их необходимой и экономически целесообразной надежности [8]. Опыт последних лет, достигнутый в продлении ресурса при эксплуатации таких объектов, как подвижной состав железнодорожного транспорта, теплоэнергетическое оборудование, оборудование и трубопроводы нефтегазового комплекса и прочие [9 - 15 и др. ] позволяет говорить о наметившемся переходе к принципу регламентированного разрушения.

Таким образом, с одной стороны, доминирующий в текущий момент времени принцип обеспечения работоспособности позволяет сформулировать критерий оптимизации параметров несущей системы, с другой же стороны этот критерий становится субъективным, целиком зависящим от субъекта управления. Поэтому следует признать возможность условной оптимизации параметров несущей системы.

г) Динамичность

Усталостные повреждения относятся к процессам, постепенным по развитию и внезапным по проявлению, интенсивность которых определяется случайными процессами, являющимися следствием воздействия на несущие системы автотранспортных средств неровностей пути, сил сопротивления движению, изменения скорости и других факторов.

В эксплуатации состояние несущих систем нельзя считать статичным, поскольку усталостные повреждения постепенно изменяют прочностные и жесткостные характеристики. Причем зачастую трещины в элементах несущей системы, зарождающиеся при сравнительно небольшом пробеге автотранспортного средства, не развиваются дальше или увеличиваются медленно в течение значительного пробега, что, по-видимому, объясняется перераспределением напряжений после образования трещин.

Указанное подтверждает определенную степень адаптивности несущих систем в эксплуатации и их соответствие критерию динамичности.

д) Неполнота описания

В работе [4] приводятся четыре возможных причины неполноты описания объекта управления: а)

различие в знаниях экспертов, знающих объект управления и определяющих уровень допущений при его описании, но не являющихся специалистами по управлению (так называемых Технологов), и Управленца, недостаточно знающего сам объект управления; б) незнание Технологом некоторых сторон функционирования объекта управления, например, в случаях, когда они ранее не проявлялись из-за новизны объекта и т.д.; в) отсутствие у самого Технолога четкого понимания функционирования объекта; г) невозможность количественного описания многих особенностей функционирования объекта, а иногда и его структуры, в то время как качественное описание трудно формализуемо.

Вследствие того, что процессы, определяющие усталостные повреждения, протекают на атомарном и кристаллическом уровнях, эти повреждения не могут быть, на современном уровне развития науки, однозначно описаны в рамках модели сплошной среды. Существующая теория усталостного разрушения, к сожалению, не позволяет учесть все многообразие металлургических, технологических, конструктивных и эксплуатационных факторов, влияющих на сопротивление усталости. Поэтому при прогнозировании усталостной долговечности широкое применение находят всевозможные эмпирические подходы, зависимости и коэффициенты, составляющие настоящую справочную и нормативную базу [16] . Схема факторов, влияющих на полноту описания и эффективность принимаемых решений при управлении техническим состоянием конструкций, подверженных усталостным повреждениям, представлена на рисунке 1.

Таким образом, делаем вывод, что по причине третьей и четвертой, перечисленным в начале подпункта, несущая система автотранспортного средства соответствует в настоящее время критерию неполноты описания.

е) Наличие «свободы воли»

Соответствие этому критерию следует рассматривать с позиций эксплуатации несущей системы на стадии живучести, характеризующей сопротивление конструкции развитию усталостной трещины до потери несущей способности.

К примеру, технологическая документация по ремонту грузовых автомобилей и прицепов/полуприцепов устанавливает, что трещины в раме недопустимы, и рама должна быть подвергнута ремонту. Однако публикации последних лет [1, 9, 11, 13, 14, 17 - 19 и др.] подтверждают безопас-

ность эксплуатации машин различного назначения с развившимися трещинами усталости в несущих конструкциях. При этом одним из основных факторов при решении вопроса о допущении такой эксплуатации большинством исследователей называется возможность наблюдения за ростом трещин.

Рисунок 1. Схема факторов, влияющих на полноту описания и эффективность принимаемых решений при управлении техническим состоянием конструкций, подверженных усталостным повреждениям

Таким образом, при традиционном подходе, подразумевающем запрет эксплуатации несущих элементов с трещинами, «свобода воли» проявлялась лишь в осуществлении такого запрета при обнаружении трещин. Вместе с тем, в настоящее время наметился переход к значительному возрастанию объема и значимости «свободы воли» в вопросах допущения эксплуатации несущих систем с регламентированным разрушением и ее эргатического «сопровождения» до наступления предельной поврежденности.

Подводя итог, можно констатировать, что для несущей системы автотранспортного средства однозначно подтверждается соответствие трем (а, г, д) и условно (при определенных обстоятельствах) двум (в, е) критериям отнесения их к слабоструктурируемым объектам, к которым применима схема ситуационного управления.

литература

1. Повышение долговечности транспортных машин / В.А. Бондаренко, К.В. Щурин, Н.Н. Якунин, В.И. Рассоха, В.Ю. Филиппов; под ред. В.А. Бондаренко. - М.: Машиностроение, 1999. - 144 с.

2. Рассоха, В.И. Оценка живучести рам мобильных машин в условиях эксплуатации / В.И. Рассоха,

B.Ю. Филиппов // Механика и процессы управления : труды XXXII Уральского семинара. - Екатеринбург: УроРАН, 2002. - С. 235-238.

3. Рассоха, В.И. Контроль живучести рамных несущих систем мобильных машин в процессе эксплуатации / В.И. Рассоха // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2009. - № 1(95). -

C. 149-153.

4. Поспелов, Д.А. Ситуационное управление : теория и практика / Д.А. Поспелов. - М.: Наука,

1986. - 288 с.

5. Рассоха, В.И. Основы теории надежности и диагностика автомобилей : учебное пособие / В.И.

Рассоха. - Оренбург: ОГУ, 2002. - 144 с.

6. Щурин, К.В. Основы теории надежности мобильных машин : учебное пособие для вузов / К.В. Щурин. - М.: МГУЛ, 2004. - 216 с.

7. Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин : учебное пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. - М.: Высшая школа, 19 91. -

319 с.

8. Почтенный, Е.К. Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин / Е.К. Почтенный. - Мн.: Наука и техника, 1983. - 246 с.

9. Волохов, Г.М. Остаточный ресурс несущих конструкций тягового подвижного состава железных дорог : монография / Г.М. Волохов, В.П. Тихомиров. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 158 с.

10. Иванов, С.И. Обеспечение безопасной эксплуатации трубопроводов, транспортирующих сероводородсодержащие среды / С.И. Иванов, А.В. Швец, В.М. Кушнаренко, Д.Н. Щепинов. - М.: Недра-

Бизнесцентр, 2006. - 215 с.

11. Комаровский, А.А. Прогнозирование остаточного ресурса и долговечности / А. А. Комаровский // Тяжелое машиностроение. - 2000. - №12. - С. 16-19.

12. Коротких, Ю.Г. Оценка выработанного и прогноз остаточного ресурса крановых конструкций с учетом усталостных повреждений / Ю.Г. Коротких, Г.Ф. Горохов, В.А. Панов и др. // Безопасность труда в промышленности. - 2002. - №12. - С. 27-29.

13. Махутов, Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность: в 2-ч ч. /

Н.А. Махутов. - Новосибирск: Наука, 2005. - Ч. 2: Обоснование ресурса и безопасности. - 610 с.

14. Митрофанов, А.В. Методы управления состоянием технологического оборудования по критериев вероятности и риска отказа / А.В. Митрофанов. - М.: Недра, 2007. - 384 с.

15. Швец, А.В. Прогнозирование работоспособности металла трубопроводов с металлургическими и

эксплуатационными дефектами : автореферат дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 / Швец А.В. -

Оренбург, 2008. - 17 с.

16. Дмитриченко, С.С. Новые возможности для повышения усталостной прочности / С.С. Дмитричен-ко, Э.А. Горин, Н.М. Панкратов, Ю.С. Борисов // Автомобильная промышленность. - 1995. - № 2. - С.

13-15.

17. Волохов, Г.М. Остаточный ресурс несущих конструкций тягового подвижного состава : авторе-

ферат дис. . д-ра. техн. наук : 01.02.06 / Волохов Г.М. - Орел, 2006. - 39 с.

18. Кулешов, В.В. Расчет остаточного ресурса мостового крана / В.В. Кулешов, П.П. Сохрин //

Безопасность труда в промышленности. - 2001. - №1. - С. 35-36.

19. Чекурова, Г.А. Прогнозирование живучести несущих систем мобильных машин по критериям хрупкой и усталостной прочности : автореферат дис. ... канд. техн. наук : 05.22.10 / Чекурова Г.А. -

Оренбург, 1998. - 18 с.