Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования . 9
1.1. Анализ технической оснащенности животноводческих ферм и краткая характеристика состояния доильно-молочного оборудования России и Волгоградской области 9
1.2. Особенности использования доильных установок 17
1.3.Надежность оборудования 24
1.3.1 Показатели надежности 26
1.4.Обзор работ по исследованию эффективности использования доильных установок 31
1.6.Цели и задачи исследования 36
2. Теоретические предпосылки обоснования показателей оценки надежности вакуумной системы 37
2.1. Обоснование условий эксплуатации доильных установок 37
2.2. Теоретическая оценка показателей надежности вакуумной системы 44
2.3. Параметры, характеризующие работу вакуумной системы 50
2.4. Влияние конструктивных параметров вакуумного насоса на его производительность и функциональную надежность 55
2.5. Обоснование периодичности диагностирования узлов вакуумной системы 59
3. Программа и методика экспериментальных исследований 64
3.1 .Программа исследований 64
3.2. Методика сбора статистической информации по безотказности и использованию доильных установок 65
3.3. Методика экспериментальных исследований безотказности вакуумной системы доильных установок 67
3.4. Частные методики определения конструктивных параметров вакуумной системы 69
3.4.1 Частная методика определения фактической производительности вакуумного насоса 69
3.4.2 Частная методика измерения оборотов вакуумного насоса 71
3.4.3 Частная методика определения засоренности вакуумпровода 72
3.4.4 Частная методика определения герметичности вакуумной системы 73
3.4.5 Частная методика измерения конструктивных параметров вакуумрегулятора 74
3.5. Методика расчета показателей надежности вакуумной системы 76
3.6. Методика обработки результатов экспериментальных исследований 79
4. Результаты экспериментальных исследований... 82
4.1. Оценка технического состояния системы доения 82
4.1.1. Анализ общей комплектации доильных установок и их технического состояния 82
4.1.2. Результаты исследования использования доильных установок 83
4.1.3. Оценка технологических параметров доильной установки. 85
4.2. Характеристика отказов доильных установок и их классификация 86
4.2.1. Классификация отказов 86
4.2.2. Характеристика отказов узлов вакуумной установки 91
4.3. Оценка показателей фактического уровня безотказности вакуумной системы 93
4.4. Определение периодичности диагностирования элементов вакуумной системы 102
4.5. Конструктивные решения для повышения производительности вакуумной системы доильной установки 111
5. Повышение эффективности работы вакуумной системы за счет оптимизации периодичности технического обслуживания 116
5.1. Обоснование оптимальной периодичности технического обслуживания вакуумной системы 116
5.2. Оценка функциональной надежности вакуумной системы доильной установки 119
5.3. Экономическое обоснование использования системы стабилизации вакуумного режима 121
Общие выводы 125
Литература 127
Приложения 142
- Особенности использования доильных установок
- Теоретическая оценка показателей надежности вакуумной системы
- Методика сбора статистической информации по безотказности и использованию доильных установок
- Характеристика отказов доильных установок и их классификация
Введение к работе
Одним из основных направлений при повышении эффективности работы доильных установок является стабилизация вакуумного режима. Следствиями нарушения вакуумного режима являются снижающаяся продуктивность животных, повышающаяся заболеваемость маститом, торможение рефлекса молокоотдачи, а также нарушения в работе доильных аппаратов. Основными параметрами характеризующими стабильность работы вакуумной системы являются вакуумметрическое давление и производительность вакуумного насоса. В связи с этим все острее встает вопрос о повышении надежности элементов вакуумной системы, как об одном из основных резервов повышения производительности, сокращения простоев доильно-молочного оборудования (ДМО) из-за устранения технических и технологических отказов.
Надежность является одной из основных проблем современной техники, так как качество машин характеризуется главным образом, уровнем надежности — свойством машины сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования [29].
Надежность машин, как известно, закладывается при конструировании и изготовлении, но проявляется и реализуется только в процессе эксплуатации, и инженерная служба АПК должна делать все от нее зависящее, чтобы поддерживать нужный уровень надежности. А для этого необходимо располагать определенной информацией о факторах, влияющих на надежность этих машин в условиях реальной эксплуатации, которая в дальнейшем будет способствовать совершенствованию как самого процесса эксплуатации, так и технологии изготовления и проектирования этих машин, их агрегатов и узлов, то есть получению необходимой обратной связи эксплуатационников с конструкторскими бюро и заводами-изготовителями.
Повышение эффективности использования ДМО, рациональное
использование всех его систем и агрегатов, своевременное выявление, предотвращение отказов и неисправностей во многом зависят от своевременного и качественного проведения диагностики и ТО.
Поэтому для более эффективного использования ДМО, снижения затрат при его эксплуатации, повышения производительности и снижения потерь молока имеется необходимость в решении вопросов улучшения его функциональной надежности.
Целью настоящей работы является повышение функциональной надежности доильно-молочного оборудования путем стабилизации работы вакуумной системы доильной установки.
Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- обосновать условия эффективного использования доильного
оборудования, определить взаимосвязь технологических и конструктивных
параметров работы вакуумной системы доильной установки;
определить фактический уровень надежности элементов вакуумной системы в условиях реальной эксплуатации;
усовершенствовать технологию и технические средства повышения функциональной надежности и производительности вакуумной системы доильной установки;
определить периодичность диагностирования и технического
обслуживания элементов вакуумной системы доильной установки;
дать оценку экономической эффективности применения
разработанной системы стабилизации вакуумного режима доильной
установки.
В качестве объекта исследования взята доильная установка АДМ-8А с
вакуумной установкой УВУ 60/45.
В соответствии с поставленными целью и задачами в работе
предусматривалось выполнение трех этапов:
1. Сбор статистической информации по безотказности использования
вакуумной системы доильной установки;
Обработка статистической информации и оценка фактического уровня надежности узлов и деталей вакуумной системы;
Оценка использования узлов и агрегатов вакуумной системы в зависимости от внедрения конструкторско-технологических мероприятий.
Обработка статистической информации проводилась по существующим методикам на ЭВМ с использованием теории вероятностей, математической статистики и массового обслуживания.
Научная новизна работы состоит в установлении зависимости
эффективности использования вакуумной системы от конструктивно-
технологических параметров; разработке математической модели
определения периодичности диагностирования основных узлов вакуумной
системы в зависимости от наработки на отказ и изменения конструктивных
параметров; определении закономерностей изменения основных показателей
безотказности элементов вакуумной системы от их наработки; разработке
системы стабилизации вакуумного режима для повышения
производительности и функциональной надежности; разработке программного
комплекса моделирования процесса выбора закона распределения плотности
отказов в дискретном времени.
Практическую ценность представляет предложенная периодичность диагностирования, а также обоснование периодичности ТО для элементов вакуумной системы и представленная конструкция пневматического вариатора привода вакуумного насоса.
Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, актами внедрения, апробацией на научных конференциях.
Результаты исследований внедрены в ПЗ «Кузьмичевский», ОАО «Племзавод Котлубань» Городищенского района Волгоградской области.
. 7
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава (2007 - 2009 г.г.), конференциях молодых ученых и специалистов (2008 - 2009 г.г.) Волгоградской ГСХА, Международном симпозиуме по машинному доению г. Углич (2008г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях, получено 2 патента на полезную модель и свидетельство о регистрации электронного ресурса. Из них 1 статья опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ. Общий объём публикаций 2,44 п.л., на долю автора приходится 1,16 п.л.
На защиту выносятся следующие научные положения:
- обоснование влияния конструктивных параметров основных узлов
вакуумной системы на эффективность её работы;
результаты оценки фактического уровня надежности основных узлов вакуумной системы на основе анализа технического состояния доильных установок в условиях Волгоградской области;
математическая модель определения периодичности диагностирования элементов вакуумной системы;
усовершенствованная конструкция вакуумной установки, повышающая функциональную надежность и производительность вакуумной системы доильной установки;
обоснование периодичности технического обслуживания вакуумной системы доильной установки;
оценка эффективности использования вакуумной системы с учетом совершенствования её конструкции.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.
Материал изложен на 141 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 37 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 138 наименования, из них 9 — на иностранных языках.
Особенности использования доильных установок
Рост агропромышленного комплекса страны зависит от научно-технического прогресса, разработки и внедрения высокоэффективных технологий и машин в сельское хозяйство. При этом эффективность мероприятий, направленных на развитие агропромышленного комплекса определяется степенью их влияния на конечные результаты производства, то есть на количество и качество получаемой продукции, а также величину затрат на ее производство. Чтобы управлять процессами разработки, изготовления и использования техники, на каждом этапе необходима достоверная и оперативная оценка состояния дел.
Важнейшим направлением научно-технического прогресса в сельском хозяйстве является повышение эффективности использования техники, которое достигается путем целенаправленного PI оперативного управления процессом производственной эксплуатации машин. Результативность управления в первую очередь определяется объемом и качеством информации по комплексной оценке управляемого объекта и ее оперативностью.
Сложность разработки методов оценки эффективности использования животноводческой техники заключается в том, что эта проблема решается на стыке таких наук, как: механизация сельского хозяйства, эксплуатация сельскохозяйственной техники, физиология животных, зооинженеррія, экономика, теория управления, прикладная математика. Необходимо учитывать множество особенностей оцениваемых технологий, машин и условий их эксплуатации [122].
Основной особенностью использования техники на сельскохозяйственных предприятиях является то, что производство продукции представляет собой процесс функционирования биотехнических систем "человек - машина - биологический объект", направленный на. получение продукции, обладающей определенным качеством. Процесс
функционирования биотехничесішх систем в животноводстве осуществляется путем последовательных воздействий человека при помощи промежуточного, исполнительного звена - машины на организм животного.
Технологическая система машинного доения коров включает в себя животное, доильную аппаратуру, оператора машинного доения и внешнюю среду [74, 75 ,76, 77] и каждому из этих звеньев отводятся строго определенные функции:
- оператор определяет характер и время воздействий на организм животного;
- доильная аппаратура правильно и своевременно производит эти воздействия;
- животное формирует в своем организме возможность выделения продукции в зависимости от качества реализации первых двух функций;
- внешняя среда создает условия для благоприятной реализации всех предыдущих функций.
Животное в этой схеме является основным средством производства и в процессе доения доильная аппаратура непосредственно воздействует на животное как на предмет труда. При. этом оператор также непосредственно воздействует на животное, руководствуясь своими знаниями в области физиологии, этологии и зооинженерных наук.
Л.П. Карташов, разрабатывая теоретические основы управления процессом выведения молока из вымени, при машинном доении коров определяет систему "оператор - машина - животное" как самонастраивающуюся, иерархическую, в которой алгоритмы управления носят вероятностный характер [48, 49].
Эффективность функционирования - главное требование, предъявляемое к системе. С.В.Мельников отмечает, что "эффективность использования техники, эффективность труда операторов, эффективность использования животных - вот основные критерии, с помощью которых можно оценить совершенство эксплуатации технологического оборудования в животноводстве" [70].
Технический уровень выпускаемых промышленностью машин характеризуется прежде всего их производительностью, качеством и надежностью, которые и определяют их конкурентоспособность и спрос на них в условиях рыночных отношений. Чем выше надежность машин, меньше трудоемкость их технологической подготовки к работе технического обслуживания и ремонта, тем меньше требуется техники, механизаторов и ремонтно-обслуживающего персонала для выполнения работ, тем выше производительность труда [104].
Технические характеристики и условия эксплуатации доильных установок определяют эффективность доения коров. Установлено, что вакуумный режим доильной установки оказывает значительное влияние на продуктивность поголовья - неустойчивое разрежение ведет к нарушению молокоотдачи у животных и снижению продуктивности [111].
Между значением рабочего разрежения и скоростью извлечения молока из вымени имеется прямая зависимость. При уменьшении разрежения в подсосковых камерах доильных стаканов до 27.. .33 кПа происходит неполное раскрытие сфинктера соска коровы, и поток молока прекращается, что приводит к снижению скорости доения, уменьшению жирности молока и общему падению продуктивности. Кроме того, пониженное разрежение в вакуумной магистрали приводит к нарушению процесса доения и снижению производительности труда операторов [111].
Теоретическая оценка показателей надежности вакуумной системы
Расчеты надежности имеют своей целью получение количественных значений показателей надежности исследуемого объекта. Эти расчеты стали обязательным элементом на всех этапах разработки, создания и использования технических систем. При анализе надежности системы основную трудность представляет составление структурной схемы расчета и аналитических (расчетных) формул [54].
Сложные системы состоят из более простых объектов (элементов). В зависимости от характера влияния надежности элементов на надежность системы в целом различают два типа соединений элементов - основное (последовательное) и параллельное. Под последовательным соединением, с точки зрения надежности, понимают такое, при котором отказ любого элемента приводит к отказу системы в целом. Под параллельным соединением понимают такое, при котором отказ системы наступает только при отказе всех ее элементов (отказ не наступает, если работоспособен хотя бы один элемент).
Пусть система состоит из п элементов, каждый из которых имеет определенные характеристики надежности (О/ЖОДІСОД (средняя наработка на отказ). Тогда аналогичные показатели надежности системы можно обозначить соответственно через Р(t), f(t), -Я(і), t.
Исследования [5,109] свидетельствуют о том, что вероятности работы Р± ( )э 2 00 ---PR (0 подчиняются законам распределения: нормальному, Вейбулла-Гнеденко, экспоненциальному и др. И, как правило, для описания распределений отказов сельскохозяйственных машин или их систем выбирается один из перечисленных законов.
При исследовании вероятностных характеристик надежности центральное место занимает выбор и оценка параметров таких теоретических распределений (законов распределений), которые находятся в наилучшем согласии с эмпирическими распределениями вероятности исследуемых величин.
В связи с многообразием причин и условий возникновения отказов в этот период для описания надежности применяют несколько законов распределений, которые устанавливают путем аппроксимации результатов испытаний или наблюдений в эксплуатации.
Теория вероятностей предлагает много законов распределений, но лишь некоторые из них применяются для практических расчетов показателей надежности [98].
Нормальное распределение (распределение Гаусса) [5,102,109] (ЗНР), является наиболее универсальным, удобным и широко применяемым для практических расчетов. Распределение всегда подчиняется нормальному закону, если на изменение случайной величины оказывают влияние многие примерно равнозначные факторы. Нормальному распределению подчиняется наработка до отказа многих восстанавливаемых и невосстанавливаемых изделий, размеры и ошибки измерений деталей и т.д. Плотность распределения отказов оценивается по формуле
Распределение имеет два независимых параметра: математическое ожидание а, и среднее квадратическое отклонение а.
Вероятность безотказной работы соответственно равна где Ф(х) - функция Лапласа Распределение Вейбулла (ЗРВ) довольно универсальное распределение, охватывающее путем варьирования параметров широкий диапазон случаев изменения вероятностей. Оно удовлетворительно описывает наработку деталей и узлов технологического оборудования по усталостным разрушениям, применяется также для оценки надежности по приработочным отказам [5]. Распределение характеризуется следующей функцией вероятности безотказной работы Плотность распределения отказов
Форма зависимости параметров надежности от времени в соответствии с распределением Вейбулла зависит от параметра 5.
Доильная установка представляет собой совокупность отдельных восстанавливаемых систем, которые, в свою очередь, состоят из последовательно и параллельно соединенных элементов. Если рассмотреть доильную установку, представляющую собой систему с конечным временем восстановления каждого из соединенных элементов, то вероятность безотказной работы системы в целом мы можем представить в виде:
Ранее проведенные исследования показывают, что отказы в доильных аппаратах соединенных параллельно подчиняются нормальному закону распределения. Так как в данной работе не рассматриваются доильные аппараты, обозначим вероятность безотказной работы параллельно соединенных элементов как:
Как показал предварительный анализ надежности вакуумной системы доильной установки, возникающие отказы подчиняются двум законам распределения: ЗРВ и ЗЫР.
Тогда вероятность безотказной работы отдельных элементов вакуумной системы представляется следующим образом
Методика сбора статистической информации по безотказности и использованию доильных установок
Исследования показателей надежности производились с помощью данных хронометража доильного оборудования, а также учетно-статистической документации хозяйств.
Хронометраж - это изучение производственного процесса, измерение затрат времени на выполнение производственных операций, затрачиваемых на выполнение отдельных работ, подготовительно-заключительных работ и обслуживание рабочих мест.
В 2006-08 годах для сбора статистической информации о работе доильных установок применялись три метода: сплошной и выборочный хронометражи и корреспондентский метод обследования. Под наблюдение сплошным хронометражем было поставлено 26 доильных установок. Осуществлялось постоянное наблюдение за каждой установкой с целью выявления отказов, планового технического обслуживания и замены оборудования.
Для всех машин и агрегатов животноводческих ферм предусмотрено ежесменное техническое обслуживание (ЕТО). Оно заключается в наружной очистке и подтягивании креплений и соединений, смазывании узлов и агрегатов, дозаправке масла, проверке работы автоматических устройств, промывке. Во время проведения ЕТО проходила предварительная обработка наблюдательных листов. Ежесменное техническое облуживание проводится ежедневно в конце или начале смены через восемь часов работы. После проведения всех хронометражей была проведена полная обработка наблюдательных листов. При этом вычислялось: время основной работы (Во) (машинное доение коров и машинный додой); время на одевание и снятие доильных аппаратов (В1); время на подготовку доильного аппарата (В2) (подогрев стаканов, проверка частоты пульсаций, проверка сосковой резины) и животного (обмыв вымени, сдаивание первых струек); время на устранение технологических отказов и технологические регулировки (ВЗ) (вакуумметрическое давление, частота пульсаций); время на слив молока из доильных ведер и перенос доильного аппарата (В4); время на отключение и подключение доильного аппарата (В5); время на обработку вымени после доения (В6); время на ежесменное ТО (В7); время на периодическое ТО (1 раз в неделю) (В8); время на периодическое ТО (1 раз в месяц) (В9); время на устранение технических отказов (В 10) и время на организационно-подготовительные работы (В 11) (подготовка стойл, раздача корма, привязь животных, подготовка оператора и другие).
Информация по надежности работы доильных установок в условиях эксплуатации нами получалась одновременно с данными хронометража и первичной документации.
В карту отказа, которая заполнялась на каждый отказ, заносилась информация: - внешнее проявление отказа; - причины отказа; - наименование отказавшего элемента; - место установки отказавшей детали; - описание характера отказа; - способ устранения отказа.
Восстановление и регулировка сопряженных деталей одного элемента проводилась с целью восстановления его работоспособности, и считалось как один отказ для системы [86].
При выявлении детали, которая вызывала неработоспособность устройства или других деталей, это принималось за один отказ, а группа сложности определялась относительно наибольшей группы сложности вышедших из строя деталей.
По результатам ЕТО, проводилась предварительная обработка карт технического отказа и наблюдательных листов: суммирование продолжительности операций и составление баланса сменного Д.» и эксплуатационного времени Вэк.
Сплошной хронометраж проводился от начала до конца процесса работы доильного оборудования.
Кроме данных сплошного хронометража работы машин, использовались данные, полученные в результате корреспондентского метода опроса, который проводился периодически в течении эксплуатации доильного оборудования.
Доильная установка - это совокупность узлов и агрегатов, предназначенная для доения коров, а также сбора в емкость или перекачки для хранения молока.
Показатели безотказности, установленные по выборочным данным, являются величинами случайными и располагаются в определенных интервалах, зависящих от рассеивания показателей и количества объектов в выборке [109].
Поэтому, для получения оценок показателей безотказности вакуумной системы доильных установок с заданной точностью и достоверностью определяем минимальный, но достаточный объем объектов наблюдения, так как значительное увеличение объема взятых под наблюдение объектов несет дополнительные трудовые и материальные затраты и не всегда дает возможность своевременно провести исследования.
Из ряда существующих методик [35, 86, 99, 103, 109] определения минимальной выборки объектов наблюдения и согласно принятым планам наблюдений [NM(r, Т)] и [NR(r, Т)] считаем, что наиболее приемлемыми для нас являются методики, изложенные в работах [35,109].
Характеристика отказов доильных установок и их классификация
Как известно из практики, на показатели эффективности влияет надежность отдельных узлов и агрегатов доильной установки: вакуумной системы (1); доильно-молочного оборудования (2); системы первичной обработки молока (3); системы промывки (4). Изучение и анализ работ, связанных с выявлением и устранением неисправностей доильно-молочного оборудования, проведенный на фермах Волгоградской области, показывает следующее количественное распределение отказов среди отдельных систем доильной установки (рисунок 4.1).
Как видно из диаграммы, наибольшее число отказов в доильных установках приходится на вакуумную систему 47%.
В результате обработки полученной статистической информации об отказах доильных установок проводилась характеристика отказов, выявление наиболее типичных отказов, распределение отказов по узлам и агрегатам вакуумной системы. Отказы классифицировались по причинам возникновения и группам сложности.
В результате распределения по причинам возникновения наиболее характерными конструктивными отказами вакуумной системы [10] являются выход из строя лопаток насоса (торцевой износ), выход из строя подшипников; производственными отказами - использование некачественных материалов, некачественное литье; эксплуатационными - несоблюдение правил ТО.
Следует отметить, что с ростом наработки доля отказов по конструктивным причинам уменьшается, по производственным в начальный период возрастает, затем уменьшается, а по эксплуатационным причинам возрастает с начального периода эксплуатации (рисунок 4.2).
Из графиков, приведенных на рисунке 4.2, следует, что отказы по конструктивным причинам, обусловленные ошибками в расчетах на прочность, неправильностью компоновки отдельных узлов, проявляются на начальном этапе эксплуатации. Таких отказов было выявлено 33, что составило 10,9% от общего числа отказов. Устранить причины таких отказов, как правило, в условиях реальной эксплуатации, не внося каких-либо существенных изменений, не удается.
Преобладание в начальный период эксплуатации отказов производственного характера позволяет сделать заключение о том, что этот период характеризует уровень изготовления и сборки узлов и агрегатов вакуумной системы. Устранение заводских дефектов, появившихся в начальный период, позволяет в процессе дальнейшей эксплуатации заметно снизить долю производственных отказов для вакуумной системы. По полученным данным количество производственных отказов 109, что составило 35,9%. Количество эксплуатационных отказов 162, что составило 53,2%), вызвано прежде всего, несоблюдением правил эксплуатации вакуумных систем (несоблюдением вакуумного и температурного режима, низким уровнем технической диагностики и технического обслуживания) в начальный период их количество незначительно, в дальнейшем происходит резкое увеличение, но со временем стабилизируется [10].
Результаты проведенного анализа отказов вакуумной системы доильной установки по группам сложности, наработки на отказ, времени устранения отказов (таблица 4.4) показывает, что наибольшее количество отказов приходится на вторую группу сложности - разрушение лопаток насоса, износ внутренних рабочих поверхностей насоса. где in — общее количество отказов в процентах; кв - среднее время устранения отказа. Как видно из таблицы 4.4 все отказы вакуумного насоса относятся к второй группе сложности 63.81%, все отказы вакуумпровода 24,36% и вакуумрегулятора 3,94% к первой группе сложности, а отказы вакуумного баллона разделятся по группам сложности: к первой относится 4,34%), а ко второй 3,55%).
Данные, полученные в результате сбора и обработки статистической информации позволили распределить изменения количества отказов вакуумной системы по двум группам сложности, в зависимости от наработки (рисунок 4.3).
