Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы и определение путей и методов решения задач повышения работоспособности мобильных машин 14
1.1. Анализ уровня развития и основных положений системы технического обслуживания и ремонта парков мобильных машин в структурах АПК 14
1.2. Мобильные машины, их основные элементы, узлы, агрегаты и системы, как объекты обслуживания и диагностирования 34
1.3. Анализ исследований в области технической эксплуатации отечественных и зарубежных мобильных машин, обслуживания их основных систем, агрегатов и узлов 39
1.4. Анализ исследований в области теории обслуживания сложных технических систем и их элементов 43
1.5. Анализ методов оптимизации периодичности ТО машин 51
1.6. Распознавание функциональных состояний мобильных машин и их элементов при организации контроля технического состояния 58
1.7. Использование информационных технологий при организации ТО и ремонта парков машин 65
1.8. Основные выводы по результатам обзора работ в области технической эксплуатации мобильных машин, выбор цели и постановка задач исследований 70
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование ситуационно- комбинированного обслуживания и ремонта мобильных машин в структурах АПК 75
2.1. Общие методологические подходы и принципы 75
2.2. Формализация описания процессов изменения технического состояния систем и элементов мобильных машин 97
2.3. Выбор и обоснование репрезентативности критерия качества функционирования парка мобильных машин 100
2.4. Оценка жесткости условий эксплуатации парков мобильных машин 109
2.5. Многокритериальное решение задачи выбора подсистемы обеспечения работоспособности мобильных машин в структурах АПК 113
2.6. Характеристики предлагаемой подсистемы поддержания и восстановления работоспособного состояния парков мобильных машин в эксплуатации 123
2.7. Формирование функции потери качества функционирования парка обслуживаемых мобильных машин 126
2.8. Математические модели систем и оптимизационных задач 134
2.8.1. Математическая модель однокритериальной задачи оптимизации периодичности обслуживания (контроля ТС) мобильных машин 140
2.8.2. Математическая модель многокритериальной задачи оптимизации периодичности обслуживания (контроля ТС) мобильных машин 141
2.8.3. Однокритериальная математическая модель выбора оптимальной стратегии обслуживания парка мобильных машин 144
2.8.4. Многокритериальная математическая модель задачи оптимального проектирования стратегии обслуживания и ремонта парка мобильных машин 146
2.8.5. Математическая модель задачи выбора «оптимального образца» стратегии обслуживания парка мобильных машин 148
2.8.6. Математическая модель задачи выбора «оптимального образца» стратегии обслуживания и ремонта парка мобильных машин по множеству критериев 152
2.9. Интегрированное управление процессами ТО и ремонта мобильных машин с использованием информационных технологий 156
2.10. Стохастический метод формального описания изменения технического состояния мобильных машин в эксплуатации 170
2.11. Обоснование метода оптимизации периодичности контроля технического состояния мобильных машин 182
2.12. Определение показателей работоспособности парка ММ и ресурса мобильных машин в эксплуатации 188
Выводы по второй главе 197
ГЛАВА 3. Методики организации и особенности технологии ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта мобильных машин на основе мониторинга условий их эксплуатации и изменения технического состояния 201
3.1. Организация мониторинга изменения технического состояния мобильных машин в эксплуатации 201
3.2. Методика формализованного описания потока требований и заявок на обслуживание парка мобильных машин при реализации принципов подсистемы СКОР 209
3.3. Методика формализованного описания РСТП как «обслуживающего устройства» 214
3.4. Методика формализованного описания ресурсов, используемых для технического обслуживания и ремонта мобильных машин 218
3.5. Методика оценки эффективности и качества технического обслуживания и ремонта парка мобильных машин при использовании подсистемы СКОР 220
3.6. Методика разработки и формализованного описания структуры РСТП 226
3.7. Методика формирования ИПЗ - информационного поля заявок на обслуживание парка мобильных машин 232
3.8. Методика формирования ДИПЗ - динамического информационного поля заявок на обслуживание парка мобильных машин 234
3.9. Методика оптимизации комплекса технических воздействий подсистемы СКОР, реализуемой в РСТП 247
3.10. Методика интегрированной логистической поддержки подсистемы СКОР с помощью CALS-технологий 250 Выводы по третьей главе 254
ГЛАВА 4. Результаты исследований и их реализация .258
4.1. Результаты анализа изменения параметров технического состояния мобильных машин в процессе эксплуатации 258
4.2. Результаты моделирования процессов эксплуатации ПММ и определения величин комплексного показателя качества их функционирования 265
4.3. Результаты определения оптимальной периодичности контрольных и ремонтно-профилактических работ для обеспечения требуемого качества функционирования мобильных машин 286
4.4. Результаты прогнозирования изменений технического состояния парков мобильных машин на обслуживаемой РСТП территории 291
4.5. Результаты оценки жесткости условий эксплуатации парков мобильных машин в агропромышленном комплексе Забайкальского региона 297
4.6. Результаты формирования динамического поля требований и заявок на ТО и ремонт ПММ и их программная реализация 301
4.7. Результаты оптимизации комплекса технических средств мониторинга технического состояния мобильных машин 314
4.8. Результаты оптимизации комплекса технических средств РСТП 315
4.9. Результаты проверки адекватности аналитических и имитационных моделей 316
Выводы по четвертой главе 321
ГЛАВА 5. Экономическая эффективность применения подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта мобильных машин 324
Общие выводы 349
Литература 354
Приложения 394
- Мобильные машины, их основные элементы, узлы, агрегаты и системы, как объекты обслуживания и диагностирования
- Математическая модель многокритериальной задачи оптимизации периодичности обслуживания (контроля ТС) мобильных машин
- Методика формализованного описания РСТП как «обслуживающего устройства»
- Результаты прогнозирования изменений технического состояния парков мобильных машин на обслуживаемой РСТП территории
Введение к работе
Обеспечение нормального функционирования агропромышленного комплекса (АПК) страны невозможно без использования разнообразных средств механизации технологических процессов сельскохозяйственного производства. Совокупность средств механизации является наиболее важным и крупным подкомплексом АПК. Структура подкомплекса сложилась преимущественно из парков мобильных машин (ПММ) различного назначения. Механизация большинства технологических и производственных процессов сельскохозяйственного производства не мыслится без автомобилей, тракторов, комбайнов, погрузчиков, тягачей и других мобильных средств механизации отечественного и зарубежного производства. Численность машинотракторного парка АПК составляет порядка 1,5 млн. единиц [110, 348, 349], поддержание его в работоспособном состоянии очень важная и актуальная задача. Она усложняется тем, что большинство тракторов и других мобильных сельскохозяйственных машин в структурах АПК морально устарели и находятся на грани физического износа [110, 348, 350]. За последние пять лет в России обновление машинотракторного парка практически не ведется, а остаточный ресурс используемых мобильных машин не превышает 15... 25 % исходного [348, 350]. Сезонная нагрузка на пропашные тракторы, зерноуборочную и кормоуборочную технику АПК более чем в 2,5 раза превышает нормативные показатели [348, 349, 350].
В немалой степени развитию системного кризиса в АПК способствуют устаревшие (традиционные) подходы к организации обслуживания и ремонта используемого парка машин и механизмов. Время простоев по техническим причинам составляет на сегодняшний день 25... 30 % от общего рабочего времени [277, 348, 350], в результате чего техническая готовность тракторов и других мобильных сельскохозяйственных машин снижается на 60... 70 %, удлиняются сроки выполнения полевых работ, увеличиваются потери сельскохозяйственной продукции [277, 348, 350].
7 Обеспечение высокой производительности, работоспособности и других
качественных показателей функционирования мобильных машин (ММ) невозможно без совершенствования существующих и поиска новых стратегий и организационных форм их технического обслуживания и ремонта, т.е. эффективно организованного технического сервиса.
Серьезную проблему в поддержании надежности и обеспечении работоспособности ММ в эксплуатации представляет своевременность и эффективность выполнения для машин различных технических воздействий, прежде всего технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (ТР) [1, ПО, 111, 277, 297, 348, 349, 390, 399, 408, 423, 424, 430 и др.].
При этом следует учитывать, что мобильные машины в структурах АПК играют определяющую роль в обеспечении своевременного и полнообъемного выполнения большинства технологических процессов в растениеводстве и животноводстве [ПО, 293, 348, 372].
Существенным, почти неиспользованным резервом повышения работоспособности ММ является применение новых информационных технологий, которые позволяют обрабатывать информационные потоки и формировать информационную базу данных технической эксплуатации машин, включающую в себя информационно-справочные базы данных, информационные системы диагностики и прогнозирования, системы выработки и анализа управленческих решений.
В связи с вышеизложенным, проблема совершенствования и повышения эффективности систем поддержания и восстановления работоспособного состояния (СПВРС) ММ за счет разработки и внедрения новых информационных технологий, стратегий и технологических методов организации ТО и ТР имеет важное народнохозяйственное значение.
Стремление решить эту проблему вступает в противоречие с недостатком знаний о закономерностях процессов формирования информационных потоков, характеризующих условия эксплуатации (УЭ), изменения технического со-
8 стояния мобильных машин (ТС ММ) и их связей с показателями эффективности СПВРС. Взаимосвязи информационных потоков в СПВРС с качеством функционирования парков мобильных машин (КФ ПММ) изучены недостаточно, отсутствуют какие-либо количественные характеристики оценочных показателей, слишком большое количество разнообразных факторов определяют положение дел в данной сфере и многие из них вступают в противоречие между собой.
Поэтому тема исследований, направленных на решение проблемы повышения работоспособности и в целом качества функционирования мобильных машин в структурах АПК на основе применения подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта (СКОР) с использованием новых информационных технологий, является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.
Представленная работа выполнена в соответствии с планом решения отраслевой научно-технической программы на тему «Совершенствование организации и технологии технического сервиса парков машин в сельскохозяйственном производстве» (№ ГР 01982528752). Результаты работы также использованы при формировании региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкальского региона». Работа явилась основой для выполнения госбюджетной темы Читинского государственного университета «Совершенствование систем технического обслуживания дорожностроительных машин, эксплуатируемых в условиях холодного климата, с целью приближения их к фирменному обслуживанию» (№ ГР 01994356541) и разработки планов НИР ЧитГУ.
Для решения сформулированной проблемы в качестве рабочей гипотезы принято предположение о том, что существенное повышение работоспособности ММ в структурах АПК может быть достигнуто использованием подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта, в которой основ-
9 ными связующими звеньями между уровнем работоспособности, условиями
эксплуатации, динамически изменяющимся техническим состоянием и качеством функционирования мобильных машин являются организованные информационные потоки. Применение новых информационных технологий позволит реализовать принципы ситуационного реагирования СПВРС, что на основе учета динамики регистрируемых информационных процессов, отражающих причинно-следственные связи изменения ТС ММ и КФ ПММ с условиями их эксплуатации, приведет к повышению работоспособности ММ.
Цель исследований: обосновать эффективные методы и средства повышения работоспособности мобильных машин при эксплуатации в структурах АПК на основе применения подсистемы ситуационно-комбиниро-ванного обслуживания и ремонта.
Объект исследований. Процесс обеспечения работоспособности мобильных машин в структурах АПК на основе реализации принципов подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта.
Предмет исследований. Закономерности, взаимосвязи, количественные характеристики и статистические оценки процесса изменения работоспособности мобильных машин в структурах АПК.
Методы исследований. Общая методология исследований основана на системном подходе. Иссследования проводились с использованием математического моделирования, математических методов теории вероятностей, численных методов математического анализа, исследования операций, теории надежности машин, логистики, дисперсионного и технико-экономического анализа, а также методов теории информации. При проведении экспериментальных исследований использовались методы длительных эксплуатационных испытаний на надежность, методы имитационного моделирования условий эксплуатации ММ и процессов изменения их технического состояния, а также технического обслуживания и ремонта ПММ. Обработка полученных экспериментальных данных осуществлялась при помощи вероятностных методов и методов мате-
матической статистики (корреляционный, регрессионный, кластерный и дис-
криминантный методы анализа, а также анализ временных рядов). При этом использованы математические пакеты Mathcad 11 и Statistica 5.0.
Работа обобщает результаты многолетних исследований автора, выполненных в Читинском политехническом институте, Саратовском политехническом институте, Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете), Читинском государственном университете, Иркутском государственном техническом университете с 1977 по 2004 гг.
Исследования выполнялись в рамках научно-технических программ, связанных с повышением надежности сельскохозяйственной, автомобильной, строительной, дорожной техники; по темам, направленным на разработку более совершенных систем управления надежностью машин в эксплуатации, систем технического обслуживания и ремонта парков машин, на разработку систем поправочных коэффициентов к нормативам периодичности и трудоемкости обслуживания и ремонта машин, исполнителем, ответственным исполнителем или научным руководителем которых являлся автор. Основные из этих тем: per. № 01810011283, инв. № 02830045239; per. № 0183005658, инв. № 0286673432, выполненные при непосредственном участии автора под руководством проф. A.M. Шейнина; per. № 01822014450, инв. № 02850020078; per. № 01890017831, инв. № 02900015095, выполненные при научном руководстве автора.
Научную новизну представляют:
методологические положения, включающие комплекс технологических процессов подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта мобильных машин с информационным мониторингом условий эксплуатации и технического состояния ММ, оптимизируемый с использованием показателя качества функционирования;
совокупность математических моделей мобильных машин, технологических и информационных процессов, используемая для оценки эффективности
комплекса технологических процессов ТО и ремонта, применяемого для обеспечения работоспособного состояния парков мобильных машин;
- закономерности изменения плотностей информационных потоков и формирования динамических информационных полей, включающих параметры технического состояния и результаты диагностирования, зависящие от показателей условий эксплуатации, используемые для повышения работоспособности мобильных машин.
Практическая значимость работы заключается в повышении работоспособности мобильных машин применением принципов подсистемы ситуационно-комбинированного обслуживания и ремонта (СКОР), в основу разработки которых заложен комплекс информационных и технологических процессов, позволяющий сократить простои машин в ТО и ТР, снизить расход запасных частей, топлива, масел и других эксплуатационных материалов. Разработанные методические рекомендации способствуют повышению эффективности функционирования парков мобильных машин в структурах АПК.
Результаты исследований могут быть использованы директивными органами и структурами АПК при: организации эффективной технической эксплуатации парков мобильных машин, разработке технологии технического сервиса парков мобильных машин, проектировании и организации работы предприятий технического сервиса, разработке рекомендаций машиностроительным предприятиям по повышению контролепригодности и эксплуатационной надежности мобильных машин, а также вузами при организации учебного процесса подготовки инженеров-механиков и сервисных инженеров для сельскохозяйственного производства и других хозяйственных отраслей, использующих мобильную технику.
Реализация результатов работы. Материалы исследований одобрены Комитетом сельского хозяйства и продовольствия администрации Читинской области, внедрены в технической службе МУП ЧитарегионОПР и в РСТП При-аргунского района Читинской области, а также в ряде эксплуатационных пред-
12 приятии ГУП «Читинские автомобильные дороги». Результаты исследований
приняты к внедрению Министерством сельского хозяйства и продовольствия Республики Бурятия. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на автотранспортном факультете Читинского государственного университета.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили одобрение на 5 - 7-й (1979-1981 гг.), 12 - 16-й (1985 - 1990 гг.) научно-технических конференциях Читинского политехнического института, обсуждались на 38-й (1978 г.) научно-технической конференции Саратовского политехнического института, на 41-й (1983 г.) и на 42-й (1984 г.) научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ), где также были одобрены. В 1986 г. материалы исследований были доложены на VI Республиканской конференции по качеству Минавтодо-ра РСФСР в г. Верхний Уфалей, Свердловской области. Результаты исследований рассмотрены и одобрены на 18 - 24-й научно-технических конференциях ЧитПИ, ЧитГТУ, ЧитГУ; на международных конференциях: «АГРОИНФО -2003», РАСХН. Сиб. отд-ние. - Новосибирск, 22 - 23 октября 2003 г.; X Международная научно-практическая, ВлГУ, г. Владимир, 27-29 мая 2004 г.; на конференциях государственного и регионального уровней: Вторая межрегиональная научно-практическая конференция, ЧитГТУ, г. Чита, 5-6 декабря 2002 г.; Третья межрегиональная научно-практическая конференция, ЧитГУ, г. Чита, 23 - 24 октября 2003 г.; Межрегиональная научно-техническая конференция, БрГТУ, г. Братск, 19-23 апреля 2004 г.; IY Межрегиональная научно-практическая конференция «Кулагинские чтения», ЧитГУ, г. Чита, 30 ноября -1 декабря 2004 г.; на заседаниях научно-технических советов: Министерства сельского хозяйства и продовольствия Республики Бурятия; Комитета сельского хозяйства и продовольствия администрации Читинской области; на заседаниях ученых советов: ЧитГУ, Читинского аграрного института (филиала Ир-ГСХА); на заседаниях кафедр: Автомобильного транспорта и Строительные и
дорожные машины ЧитГУ, Эксплуатации МТП и Ремонта машин ИрГСХА, Автомобильного транспорта ИрГТУ; на научных семинарах МАДИ, СибАДИ, ИрГТУ, ИрГСХА, БГСХА, ЧитГУ.
Публикации. По результатам исследований опубликовано около 40 работ общим объемом 54 п.л., в том числе монография (14,3 п.л.), два учебных пособия (5,54 и 6,85 п.л.) с грифом ДВ РУМЦ по инженерному образованию, методические рекомендации (2,8 п.л.) для практического применения СКОР ПММ с использованием результатов исследований.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Содержит 393 страницы машинописного текста, 83 рисунка и 38 таблиц. Библиография состоит из 447 наименований (включая труды автора). В приложениях приведены документы, отражающие уровень практического использования результатов исследований и расчетно-информационные материалы.
Автор выражает искреннюю благодарность заслуженному деятелю науки и техники РФ, академику МАН ВШ, доктору технических наук, профессору Иркутской государственной сельскохозяйственной академии Ивану Петровичу Терских, а также бдагодарность и признательность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Иркутского государственного технического университета Александру Ивановичу Федотову за помощь в работе, своевременные и ценные консультации, основательное и доброжелательное рецензирование работы.
Мобильные машины, их основные элементы, узлы, агрегаты и системы, как объекты обслуживания и диагностирования
Современные мобильные машины, как объекты обслуживания и диагностирования {ООД), безусловно, могут быть отнесены к категории сложных технических систем [СТС — (ММ - ООД)]. Усложнение конструкций ММ в связи с применением элементов автоматизации управления, электроники, бортовых компьютеров, электрических и гидравлических приводов, увеличением мощностей двигателей в еще большей степени оправдывает рассмотрение их в качестве сложных технических систем. Техническое обслуживание и ремонт такого рода систем требует квалифицированного технического сервиса. Из этого можно заключить, что техническое обслуживание и текущий ремонт ММ в структурах АПК должны выделиться в специализированную отрасль, которая будет выполнять функции технического сервиса машин.
В результате исследований, выполненных ГОСНИТИ, установлено, что доля затрат на технический сервис машин достигает 20... 25 % от их балансовой стоимости [348]. В целом в сельскохозяйственной отрасли затраты на ТО и ТР машин составляют 7,5 % стоимости валовой продукции, причем около 50 % этих затрат составляет стоимость запасных частей [348]. Порядка 38... 42 % от всех затрат на ТО и ремонт тракторов и 56... 65 % комбайнов приходится на ТР, связанный с устранением последствий отказов {табл. 1.3) [348].
Приведенные данные показывают, что значительная доля средств расходуется на устранение последствий отказов машин восстановлением работоспособности при ТР. Затраты же на ТО составляют долю для тракторов в три раза, а для комбайнов - в двадцать раз меньшую. Это, прежде всего, говорит о том, что многие из отказов просто не предупреждаются своевременным выполнением профилактических воздействий. Отсюда следует, что приоритетным направлением технической эксплуатации ММ является повышение их безотказности в процессе эксплуатации [348], т.е. повышение качества функционирования.
В соответствии с [75, 76] надежность - свойство объекта 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; безотказность - свойство объекта сохранять работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденых перерывов. Надежность - наиболее сложное свойство ММ, в зависимости от их назначения и условий применения состоит из сочетаний свойств безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Надежность ММ в целом и их основные свойства (в том числе и безотказность) оцениваются регламентированными ГОСТом показателями, зависящими от конструкции ММ и условий их производства и эксплуатации [75, 76, 77, 85]. Под работоспособностью машины принято понимать такое ее состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической или конструкторской документации [75].
Закономерности влияния на надежность отдельных агрегатов, узлов и элементов ММ структуры, периодичности и качества выполнения плановых операций ТО (с целью поддержания работоспособности) исследовались и установлены в работах многих известных авторов [1, 5, 19, 34, 36, 115, 124, 127, 130, 141, 143, 196, 198, 199, 207, 321, 329, 335, 341, 409, 410, 415, 419, 420, 423, 426, 429, 434, 437, 438 и др.].
Большинство из этих исследований показывают, что несоблюдение правил ТО приводит к ощутимому снижению ресурса как отдельных агрегатов, узлов и элементов, так и машин в целом. Кроме этого, возрастают удельные затраты на поддержание работоспособного состояния машин в 2,5... 5 раз и в 1,5... 2 раза уменьшается время полезной работы [36], перерасход топлива может составлять 15... 25 % [127].
Современная ММ представляется иссследователями как ремонтопригодная техническая система, состоящая из совокупности элементов (деталей), имеющих определенный ресурс (срок службы). Надежность этой системы рассматривается в зависимости от надежности отдельных ее элементов [339, 341, 348, 359, 372, 376, 381, 390, 398, 399, 403, 404, 416, 419, 420, 426, 429, 430, 437 и др.]. При использовании ММ по назначению (в эксплуатации) по самым разным причинам возникают отказы, которые приводят к потере работоспособности или снижению качества функционирования. При устранении возникших неисправностей ММ в процессе эксплуатации производится только замена элементов (деталей), достигших своего предельного состояния и вызвавших отказ [420, 429]. Кроме этого, при выполнении планового (а иногда и непланового) ТР, как правило, заменяют детали, вероятности отказа которых в период до следующего планового ТР велики. Таким образом, выполняется так называемая предупредительная замена, позволяющая добиться некоторого уменьшения числа отказов в процессе интенсивного использования ММ. Однако это влечет за собой увеличение расхода запасных частей из-за недоиспользования ресурса деталей ММ [23, 33, 35. 48, 58, 61, 92, 100, 115, 127, 130, 175, 199, 200, 212, 219, 230, 256, 259, 262, 313, 337, 339, 340, 341, 376, 399, 410, 420, 430, 438 и др.].
Основной причиной выхода из строя деталей ММ является их износ. Замена изношенных деталей, узлов и агрегатов ММ на новые или восстановленные может производиться в эксплуатации (теоретически) бесконечно. При этом каждый раз восстанавливается работоспособность ММ. Исходя из этого, некоторыми авторами делается вывод о том, что с технической точки зрения ресурс ММ (срок службы) не имеет предела [13, 23, 35, 47, 92, 128].
Следует учитывать, что искусственное увеличение периода эксплуатации ММ влечет за собой рост числа отказов и, соответственно, затрат на устранение их последствий. При этом, в соответствии с теорией старения (А.И. Селиванов [359]) и теорией восстановления (Кокс Д., Смит В. [167]), снижается производительность ММ, повышается себестоимость продукции, получаемой с ее помощью, т.е. ухудшается качество функционирования. К тому же снижается безопасность эксплуатации ММ и ухудшаются условия труда водителей (машинистов). В этих случаях прекращение эксплуатации ММ и ее списание должны производиться исходя из экономических соображений и критериев.
Функциональная схема мобильной машины (с учетом положений работы [424]) условно представлена в виде структурной модели, объединяющей ряд систем различной целенаправленности (по выполняемым функциям) (рис. 1.1).
По функциональному назначению и связям образующих ММ систем, подсистем и элементов их целесообразно (по классификации A.M. Шейнина [430]) структурно разделить на три вида систем: а) основные (системообразующие), которые выполняют главные функции в ММ и характеризуют ее как единое целое; б) последовательно вспомогательные, включаемые фактически в ряд основных; в отличие от основных систем их отказы не вызываются предельным состоянием; в) параллельно вспомогательные, выполняющие вспомогательные функции в агрегатах и в ММ в целом.
Математическая модель многокритериальной задачи оптимизации периодичности обслуживания (контроля ТС) мобильных машин
Повышение работоспособности ПММ должно быть направлено на достижение необходимого уровня качества их функционирования и, в первую очередь, требует обеспечения своевременности и качества выполнения всех видов ТО и ремонта машин. Решение проблемы качества должно опираться на требования стандарта ГОСТ Р ИСО 9001-96 [90], в соответствии с которыми в сельскохозяйственной отрасли необходимо создание системы менеджмента качества (СМК).
СМК формируется с использованием так называемого «процессного подхода» [372, 431], основанного на функциональном моделировании процессов. Обеспечением качества предоставляемых услуг ТО и ремонта, а также качества функционирования обслуживаемых ММ в рамках СМК должны заниматься создаваемые предприятия технического сервиса. С этой точки зрения система менеджмента качества должна рассматриваться как подсистема соответствующего предприятия, интегрированная с информационной средой. Модель системы менеджмента качества, основанная на "процессном подходе", приведена яз.рис.2.14.
Данная модель показывает, что целевая объективная информация на входе модели формируется заинтересованными сторонами, в качестве которых выступают, в основном, потребители услуг технического сервиса. Удовлетворенность заинтересованных сторон (выход) оценивается с помощью субъективной информации, касающейся восприятия ими степени выполнения их ожиданий и потребностей.
Поскольку данная модель не отражает протекание процессов обслуживания ММ на детальном уровне, то с ее помощью отслеживаются только функциональные связи в СМК и формируемые информационные потоки. Любой из процессов технической эксплуатации ММ состоит как минимум из двух взаимосвязанных операций, а большинство процессов представляется в виде множества операций в их функциональном взаимодействии.
Улучшение отдельных операций может дать импульс процессу совершенствования, но не приводит к реинтеграции и рационализации производственного процесса ТО и ремонта ПММ в целом. При сохранении функциональных отношений между отдельными технологическими операциями производственного процесса ТО и ремонта ММ неизменными, реинтеграция этого процесса невозможна. Для выявления взаимозависимости операций наиболее эффективным инструментом представляется функциональное моделирование процессов на основе новых информационных технологий.
Таким образом, для обеспечения качества функционирования ПММ необходимо создание информационной базы (мониторинга условий эксплуатации и технического состояния ММ), на основе которой должны ситуационно выбираться эффективные стратегии ТО и ремонта, располагающие соответствующими ресурсами.
Мониторинг технического состояния (МонТС) машин, их агрегатов, узлов и отдельных элементов должен осуществляться с помощью технического диагностирования, которое позволяет получать и частично обрабатывать необходимую информацию. Однако информация о техническом состоянии ММ, получаемая с помощью диагностирования, носит дискретный характер. Источниками информации являются механические и частично электронные устройства, как правило, не связанные ни с системами управления ММ, ни с управленческими подразделениями технической службы.
Принятие и реализация решений по воздействию на техническое состояние ММ требуют организации переработки и анализа получаемой при помощи технического диагностирования информации, ее накопления в соответствующих базах данных. Сокращению затрат времени и средств на диагностирование способствует выявление функциональных связей между отдельными системами и элементами машин. При этом с помощью функционального моделирования возможно значительное сокращение количества контролируемых параметров и элементов, а также выполнение экспертной оценки технического состояния ММ. Так, например, поэтапное диагностирование трактора Т-170 с периодичностью 1050 мото-ч предполагает проверку на первом этапе 25 элементов, на втором - 98, 26 из которых диагностируются вторично, на третьем этапе — проверку 47 элементов, из которых 24 диагностируются третий раз. Наконец, четвертое диагностирование предполагает проверку 98 элементов. Необходимо учесть, что для оценки технического состояния каждого из элементов требуется, как правило, не один показатель, а несколько [149].
Выявленные функциональные связи между системами и элементами двигателя трактора Т-170 (рис. 2.15) позволили на порядок сократить число контролируемых параметров (вместо нормативных 48 показателей требуется контролировать 5). Двигатель ММ в данном случае рассматриваем как СТС, состоящую из основных, последовательно вспомогательных (БЩ) и параллельно вспомогательных (Qj) систем. К категории основных систем отнесены цилин-дропоршневая группа, кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения. В группу последовательно вспомогательных систем (йщ) включены приводы механизма газораспределения, масляного насоса, топливного насоса высокого давления, а также приводы вентилятора системы охлаждения, генератора и пускового двигателя.
Методика формализованного описания РСТП как «обслуживающего устройства»
При анализе ДИПЗ будем считать, что значения составляющих вектора ЗнО равны максимальным значениям соответствующих составляющих ТнО, входящих в данную ЗнО. Это дает возможность выделить области ДИПЗ с максимальной напряженностъю информационного поля, указывающей на максимальную концентрацию ТнО одного класса или на максимальное значение ИП.
Примем размерность вектора 3 равной размерности вектора Т плюс 1. Дополнительную составляющую поставим в соответствие числу однородных ТнО, образующих заявку ЗнО.
Характер генерации ЗнО и порядка поступления их на обслуживание в РСТП - динамический. Поэтому при формировании ДИПЗ помимо информационных, технических и технологических признаков, характеризующих ТнО и ЗнО, приходится рассматривать динамику самого процесса поступления заявок, т.е. заявку 3х будем рассматривать как функцию времени /, 3х = 3х (t). При учете этого фактора увеличивается размерность ДИПЗ и при организации обслуживания ПММ в РСТП это вызывает проблемы, связанные с неравномерностю поступления ЗнО во времени.
В ряде случаев ТнО и ЗнО оказываются распределенными не только во времени, но и в пространстве. Это дополнительно увеличивает размерность ДИПЗ на одну, две или три единицы в зависимости от числа измерений пространства, в котором формируются ТнО. В случае, когда генерация ТнО и порядок их обслуживания связаны с географическими координатами местности, размерность дополнительных измерений пространства ДИПЗ чаще всего равна 2. Если же в дополнение к координатам долготы и широты приходится рассматривать высоту над уровнем моря, то размерность будет равна 3. Учет пространственных или плоскостных геометрических координат распределения ДИПЗ вызывает ряд трудностей в формировании и реализации модели.
Для обслуживания требований необходимо создать "обслуживающее устройство". В соответствии с теорией массового обслуживания (ТМО) [54, 96] обслуживающим устройством называется машина или комплекс машин и приспособлений, способных автономно произвести полный объем работ по обслуживанию отдельного требования. При проектировании обслуживающих устройств их обычно представляют в виде некоторого самостоятельно функционирующего комплекса технических средств (КТС).
В рассматриваемом случае в качестве обслуживающего устройства технического сервиса ГТММ в структурах АПК принимаем районный (региональный) сервисный технический пункт РСТП, оборудованный соответствующим КТС. При этом КТС РСТП должен соответствовать определенным условиям для удовлетворения основных требований сельских товаропроизводителей к техническому сервису ПММ.
Экспертную оценку КТС РСТП выполним по трем гуппам параметров: 1) конструктивным; 2) технологическим; 3) эксплуатационным. Группой (1) конструктивных параметров (КП) охарактеризуем технологические возможности КТС РСТП. Второй группой - технологических параметров (ТП) охарактеризуем сложность технологии и организации обслуживания ПММ с помощью КТС РСТП. К третьей группе отнесем параметры (ЭП), учитывающие эксплуатационные особенности КТС РСТП и опредлеляющие технологию их эксплуатации. Для включения параметров КТС РСТП в общее информационное поле технической экплуатации ПММ зададимся их математическими отображениями с помощью соответствующих векторов. Вектор с числом параметров, равным числу параметров заявок ЗнО, для обслуживания которых проектируется и создается КТС РСТП, назовем вектором конструктивных параметров (ВКП) КТС РСТП. Значения составляющих ВКП КТС РСТП равны максимальным значениям соответствующих составляющих вектора заявок ЗнО. Таким образом, базис информационного пространства ВКП КТС РСТП будет совпадать с базисом вектора требований ТнО, которые могут быть обслужены данным КТС РСТП. Для целей дальнейшего использования в моделировании процессов обслуживания ВКП КТС РСТП А:-го типа выразим математическим выражением вида Вектор, характеризующий технологию применения КТС РСТП, назовем вектором технологических параметров (ВТП) КТС РСТП. В целях дальнейшего использования в математических моделях обозначим его Л и выразим следующим образом: где Ш2- количество учитываемых технологических параметров КТС РСТП; к — тип КТС РСТП; Т- знак транспонирования. В состав вектора Л входят составляющие Я, характеризующие техническое оснащение РСТП, материалы и запасные части, которые используются в процессе обслуживания ММ в условиях данного РСТП.
Результаты прогнозирования изменений технического состояния парков мобильных машин на обслуживаемой РСТП территории
Исследование характера влияния отказов на работоспособность ММ (в зависимости от степени использования их ресурса) проводилось сотрудниками кафедр строительно-дорожных машин (СДМ) и автомобильного транспорта (AT) ЧитГУ в течение ряда лет (с 1978 г. по настоящее время; с 1984 г. под руководством автора) [148, 149]. Была организована подконтрольная длительная эксплуатация целого ряда различных машин. Проведено наблюдение за эксплуатацией 236 тракторов К-700, К-700А, К-701, Т-150К, МТЗ-82, 142 автомобилей КамАЗ-5511, используемых в агропредприятиях Приаргунского, Красно-каменского и Читинского районов Читинской области, а также 29 бульдозеров ДЗ-29АС и 37 бульдозеров ДЗ-27, работающих в строительных и горнорудных предприятиях Забайкальского региона и республики Саха-Якутия. Результаты наблюдений показали, что отказы (приработочные) начального периода эксплуатации (до 150... 200 ч наработки тракторов или до 8... 10 тыс. км пробега автомобилей) происходили из-за нарушения технологии и низкого качества сборки машин. Они отличались высокой частотой появления и незначительными затратами времени и средств на их устранение. Причинами наиболее характерных приработочных отказов являются: а) протечки сжатого воздуха, охлаждающей и тормозной жидкости, масла и топлива в соединениях трубопроводов, шлангов и других арматурных элементов из-за низкого качества их выполнения; б) нарушение герметичности сальниковых уплотнений из-за несоосности валов (штоков) и отверстий в корпусных деталях; в) выход из строя недолговечных и сравнительно недорогих элементов электрооборудования, уплотнений (прокладок) корпусных деталей двигателей, агрегатов трансмиссии, а также гидравлических и пневматических систем ММ.
После 200... 250 ч работы тракторов и бульдозеров и 8,5... 10,0 тыс. км пробега автомобилей отказы наблюдались реже, однако их устранение было связано со значительными затратами труда и средств, а также увеличенными простоями в ремонте. Причиной этого явилось интенсивное изнашивание узлов и элементов ММ, связанное с несоблюдением норм нагрузочных режимов, низким качеством эксплуатационных материалов, несоблюдением регламента обслуживания или снижением его качества, несовершенством технологии ре-монтно-восстановительных воздействий. Например, по двигателям внутреннего сгорания ММ наблюдались: проворачивание вкладышей подшипников коленчатого вала, значительный износ цилиндро-поршневой группы, обрыв шатунных болтов и стержней клапанов, прогорание поршней, заклинивание плунжерных пар ТНВД, закоксовывание распылителей форсунок.
На устранение последствий одного отказа (за период работы тракторов от 200... 250 до 1000... 1100 мото-ч, автомобилей от 10 до 50 тыс. км пробега) затрачивалось значительное время. Среднее время простоя в ремонте (восстановлении) ТвХ составило около 8 ч. Причем в начальный период эксплуатации Тв} = 4,25 ч, а в последующих периодах постепенно увеличивается до 11,30 ч. Эти данные получены при наблюдении за ММ, техническое обслуживание которых выполнялось несвоевременно, с низким качеством. Отмечен целый ряд случаев эксплуатации ММ, когда ТО вообще не выполнялось. Следовательно, основной причиной быстрого снижения работоспособности ММ в отмеченные периоды эксплуатации, является отсутствие контроля технического состояния, несвоевременность обслуживания и низкое качество ремонтно-восстановитель-ных воздействий.
Работоспособность мобильных машин оценивалась по безотказности выполнения заданной функции, иначе говоря, качеством функционирования. С учетом того, что частота появления отказов является объективным оценочным критерием работоспособности ММ, качество функционирования косвенно оценено интенсивностью нарастания потока отказов. При исследовании причин изменения работоспособности ММ традиционно определялась природа отказов, а затем уточнялся характер влияния их на работоспособность машин в целом.
Отказы ММ при этом подвергнуты классификации по причинам возникновения в зависимости от факторов условий эксплуатации, конструктивно-технологических свойств ММ, а также качества выполнения ТО и ремонтов.
Большинство отказов ММ отнесено к категории износовых, возникающих вследствие изнашивания (старения) элементов. В зависимости от долговечности элементов подобные отказы появляются в различные периоды эксплуатации ММ. Предотвращение таких отказов возможно путем своевременной замены элементов. Своевременность замен должна обеспечиваться знанием характера и скорости изнашивания элементов, или определяться по результатам диагностирования технического состояния ММ.
В процессе эксплуатации ММ наблюдались также внезапные отказы, которые возникали вследствие неблагоприятного стечения обстоятельств, приводящего к мгновенной концентрации нагрузок (механических, тепловых, химических и др.), кратно превышающих расчетные предельно допустимые величины. Поскольку подобные отказы преимущественно возникали из-за нарушения нагрузочных режимов или значительного утяжеления условий эксплуатации ММ, предугадать их появление было достаточно сложно, чаще всего невозможно. Поэтому оправданным являлось стремление свести к минимуму количество внезапных отказов путем строгого соблюдения правил эксплуатации и организации мониторинга изменения технического состояния элементов, узлов, агрегатов и ММ в целом.
Характер и скорость изнашивания элементов и узлов ММ в значительной степени зависят от конструктивных свойств машин, а также от эффективности используемых стратегий поддержания и восстановления работоспособности в изменяющихся условиях эксплуатации. Для выявления этой зависимости под руководством автора проведены специальные сравнительные исследования скоростей изнашивания элементов двигателей сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин при изменяющихся условиях эксплуатации и обслуживания.
Исследование 85 дизельных двигателей показали, что при достижении наработки 2... 3 тыс. мото-ч формируется ощутимый поток отказов, причинами которых являются: а) по базовым деталям (блокам цилиндров) - износ и коррозия посадоч ных гнезд под гильзы цилиндров с коэффициентом повторяемости кповт= 0,25 (износ цилиндров в негильзованных блоках кповт= 0,95); износ посадочных мест под вкладыши коренных подшипников кповт= 0,53; трещины поперечных пере городок у коренных опор кповт 0,22; смятие резьбы для установки силовых шпилек и шпилек выпускного коллектора кповт= 0,72; нарушение соосности по садочных мест под вкладыши коренных подшипников (тепловые деформации блока) кповт 0,68; трещины в стенках рубашки охлаждения кповт= 0,21; корро зия стенок рубашки охлаждения кповт= 0,78.
