Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор состояния проектирования звеносборочно-разборочной и ремонтной техники и постановка научно-технической проблемы 10
1.1. Специфичность звеносборочно-разборочно-ремонтной техники и технологических процессов 10
1.2. Обзор исследований в области проектирования ЗТЛ 15
Глава 2. Методология организации звеносборочно-разборочно-ремонтной техники и процесса ее проектирования 30
2.1. Логическая организация проектирования звеносборочно-разборочно-ремонтной техники 30
2.2. Структурная организация проектирования звеносборочно-разборочно-ремонтной техники 38
2.3. Методическая организация проектирования звеносборочно-разборочно-ремонтной техники 61
Глава 3. Системное проектирование звеносборочно-разборочной и ремонтной техники 66
3.1. Основные положения системного проектирования звеносборочно-разборочной и ремонтной техники 66
3.2. Критерии и целевые функции проектных задач
3.2.1. Критерии системной эффективности внешних связей технологических комплексов, линий и агрегатов 68
3.2.2. Ранжирование критериев многокритериальных задач 76
3.2.3. Стоимостная оценка показателей качества продукции зве-носборочно-разборочно-ремонтной техники 81
3.3. Методики и условия решения оптимизационных задач 84
3.3.1. Выбор функционально оптимального способа производства работ 84 103
3.3.2. Выбор функционально оптимального технологического маршрута
3.3.3. Выбор функционально оптимальной конструктивно-структурной схемы
3.3.4. Функциональная параметрическая оптимизация 118
3.3.5. Структурно-параметрические оптимизационные задачи 136
3.3.6. Многокритериальная оценка проектных решений 139
Глава 4. Рабочие методы прогнозного проектирования звеносборочно разборочно-ремонтной техники 143
4.1. Общие положения 143
4.2. Последовательная экстраполяция по времени 144
4.3. Параллельная экстраполяция 149
4.3.1. Количественно-квалификационный состав обслуживающего и ремонтного персонала 150
4.3.2. Металлоемкость проектируемых объектов 152
4.3.3. Энергетические показатели технологического процесса 159
4.3.4. Себестоимость изготовления технологического объекта
4.4. Экспертный опрос 161
4.5. Прогнозная патентно-реферативная экспертиза 165
4.6. Имитационное моделирование объектов и процессов звеносбо-рочно-разборочно-ремонтной техники
4.6.1. Общие вопросы 169
4.6.2. Имитационное моделирование взаимодействия в пространстве объектов - участников звеносборочно-разборочно-ремонтных технологических процессов 181
4.6.3. Имитационное моделирование функционирования во времени звеносборочно-разборочно-ремонтной техники в составе технологической инфраструктуры 211
Глава 5. Системное проектирование в практике создания звеносборочно разборочно-ремонтной техники 240
5.1. Прогнозирование развития звеносборочно-разборочно- ремонт ной техники 240
5.2. Проектирование производственных баз и участков сборки, разборки и ремонта звеньев РШР 244
5.3. Разработка новых способов производства работ и соответствующих транспортных подсистем ЗТЛ 248
5.4. Автоматизация сборки крепежных комплектов 250
Основные научные результаты и выводы 253
Литература 255
- Обзор исследований в области проектирования ЗТЛ
- Методическая организация проектирования звеносборочно-разборочно-ремонтной техники
- Ранжирование критериев многокритериальных задач
- Количественно-квалификационный состав обслуживающего и ремонтного персонала
Обзор исследований в области проектирования ЗТЛ
В работе [14] (руководитель - Доронин В.И.) рассматриваются возможности автоматизации технологических операций сборки звеньев РШР на деревянных шпалах, основное внимание уделяется выбору принципиальных схем средств автоматизации вспомогательных предсборочных технологических операций и переходов, производимых с костылем и подкладкой, таких, как поштучное извлечение изделия из навала, поштучная транспортировка в зону сборки, ориентирование перед транспортировкой, предсборочное взаимоориентирование собираемых деталей. Работа построена по принципу обзора средств и способов автоматизации аналогичных технологических операций и переходов в других отраслях техники (преимущественно - в машиностроении и приборостроении) и оценки их применимости в условиях звенос-борочного производства. Работа важна тем, что в ней впервые проведена параллель между звеносборочным производством и сборочными операциями в машиностроении и приборостроении. Результаты работы носят обще рекомендательный характер. Вместе с тем, специфичность условий звеносбороч-ного производства не обговорена, конструктивные признаки применимости технических средств и способов производства работ в этих условиях не выделены. В качестве основного признака применимости принято сходство геометрических и массовых параметров изделий. Тем не менее, в результате работы сформирован основной фонд прототипов технических средств автоматизации рассматриваемых операций.
Работа [43] (авторы - Клементов А.С., Леонов Э.А., Солдатова Ю.А., Штарев С.Г.) является логическим продолжением предыдущей. В методологии работы выделяются два подхода к звеносборочному производству: во-первых, широко используются аналогии со смежными отраслями науки и техники, во-вторых, учитываются специфические черты этого производства. В работе рассматривается практически весь спектр вопросов, связанных с данной техникой. Произведен анализ ЗТЛ как системы массового обслуживания и составлены основные аналитические описания участка линии, состоящего из двух технологических агрегатов и межоперационного накопителя. Основные положения имитационного моделирования взаимодействия в пространстве собираемых элементов и рабочих органов технологического оборудования при выполнении отдельных комплектовочных операций и переходов, впервые выдвинутые в [52], распространены на все технологические операции звеносборочного производства. Разработана методика выбора принципиальных схем и принципов действия технических средств автоматизации вспомогательных технологических операций и переходов звеносборочного производства. За основу взят фонд прототипов, сформированный в работе [14], но, в отличие от последней, в данной работе приведены признаки соответствия технических средств специфичным условиям звеносборочного производства. Как основное специфическое условие определено отсутствие технологической подготовки собираемых деталей к автоматизированной сборке, а как соответствующий этому признак применимости - принцип открытости распределительных, ориентирующих и транспортных устройств. Разработанная методика оценки прототипов по применимости в специфических условиях включает в себя построение полных морфологических матриц вариантов принципиальных схем устройств с последующим многошаговым сворачиванием их. Выделены наиболее перспективные принципиальные схемы автоматических распределительных, ориентирующих и транспортирующих устройств для костылей и подкладок. Вместе с тем, работа тематически ограничена только вопросами, связанными со сборкой звеньев РШР на деревянных шпалах. Вопросы, связанные с остальными технологическими операциями со звеньями, в том числе на железобетонных шпалах, не затронуты. Для исследования взаимовлияния технологического оборудования, работающего в стохастическом режиме, и межоперационных накопителей, построена только аналитическая модель. Отсюда два ограничения применения предло женной модели, отмеченные в самой работе: во-первых, потоки накопитель оборудование и оборудование — накопитель должны быть пуассоновски-ми [5], что может быть принято только для некоторых взаимодействий в структуре ЗТЛ; во-вторых; в многофазных и многопоточных системах массового обслуживания с неоднородными потоками (типовая технологическая структура ЗТЛ) необходимость взаимокорреляции отдаленных фаз обслуживания приводит к усложнению аналитической модели и снижению точности ее решения [1] (именно поэтому в работе смоделирован ограниченный участок ЗТЛ). Основы имитационного моделирования разработаны только относительно взаимодействия элементов РШР и технологического оборудования в пространстве. Не разработаны имитационные модели функционирования во времени ЗТЛ как системы массового обслуживания.
Работа [16] (авторы Кузнецова Л.Л., Скрипачев И.Ф., Штарев С.Г.) посвящена вопросам прогнозирования развития звеносборочной, звеноразбо-рочной и звеноремонтной техники. Определена специфика данного направления техники в области прогнозирования и в соответствии с этой спецификой определены признаки применимости методов прогнозирования. Проанализированы на соответствие этим признакам все основные современные методы прогнозирования. Разработаны частные методики прогнозирования развития отдельных параметров ЗТЛ. Определена модель комплексного прогноза ЗТЛ нового поколения. Разработанные методики реализованы в виде прогноза развития звеносборочной, звеноразборочной и звеноремонтной техники на период 2000 - 2015 годы. Так как разработчики были ограничены целевым назначением прогноза, разработанные методики привязаны к конкретным объектам, цели, ситуации и срокам прогнозирования, то есть не обладают общим, универсальным (в пределах специфики ЗТЛ) характером.
Методическая организация проектирования звеносборочно-разборочно-ремонтной техники
Стоимостная оценка приращения показателей качества продукции путе-ремонтного комплекса представляет собой сумму приращения прибыли по формуле 3.21, уменьшения эксплуатационных расходов пути (3.25) и стоимостной оценки качества демонтажа пути (3.27).
Иерархия взаимозависимостей между объектами звеносборочно-разборочно-ремонтной техники не только структурная, но и технологическая. Поэтому стоимостная оценка качества работы объектов, начиная с уровня ЗТК, представляет собой удельную часть стоимости окончательной продукции, имеющей товарную ценность - транспортных услуг оослуживаемого ареала железной дороги где ACk - переменная часть стоимости продукции, зависящая от качества работы объекта к -го иерархического уровня; АСптК - переменная часть стоимости продукции ПТК, руб.; -Ку /л+і - удельная доля качественного фактора продукции объекта / -го уровня в балансе переменной части стоимости продукции объекта / — 1-го уровня.
Общие положения Блок - схема общего алгоритма решения задачи выбора оптимально-го способа производства работ приведении рисунке 3.1. Блок 3.2.1 алгоритма - определение критерия минимального риска при нескольких условиях сравнения вариантов - приведен на рисунке 3.2. На рисунках: \Fa г - совокупность активных факторов и условий, внешних относительно оптимизируемого объекта; р / L и {/ Л - совокупности характеристик граничных способов производства работ, соответственно - экстенсивного и интенсивного; nvc - число условий, по которым производится сравнение промежуточных способов; К() критерий оптимизации, при одном условии сравнения (ситуация 3.1) - параметр, характеризующий это условие, при нескольких условиях (ситуация 3.2) критерий минимального экономического риска проектного решения; к и пк индекс и число сравниваемых способов; m - индекс условия сравнения; пб максимальное число балов оценки параметра сравнения промежуточного спо соба; ASm - интервал стоимостей граничных способов характеризующего параметра ш-го условия, приведенный к 1 километру обработанной РШР, руб./км; S3 т и Spj т - стоимость ш-го условия, отнесенная к году эксплуатации для экстенсивного и интенсивного способов; Rm к и Rm к - бальная и стоимостная оценка к -го способа по m -му условию.
Сравнительный показатель - значение параметра функционирования оптимизируемого объекта в технологической надструктуре, характеризующего сравниваемые способы. Каждое условие сравнения соответствует активному фактору функционирования. Если несколько условий измеряются одинаковыми единицами и если взаимосвязь между ними полностью и однозначно определяется на текущей стадии проектирования, они обобщаются в единое условие.
Частные условия выбора оптимального способа производства работ Путеукладочный технологический комплекс. Оптимизируется способ организации укладки железнодорожного пути в диапазоне от раздельного (все технологические процессы производятся на фронте укладки, все элементы РШР подаются на фронт укладки и с него раздельно) до звеньевого (наиболее трудоемкая часть технологических процессов вынесена на производственную базу; РШР обращается в технологических процессах в виде звеньев).
Обобщенный критерий оптимизации - затраты на укладку 1 км пути с учетом недополученной прибыли от задержки сдачи пути в эксплуатацию и затрат на техническое оснащение вновь разрабатываемой технологии, руб./км: с направлением оптимизации С — min, где Q - суммарная программа ук 1 - для раздельного способа - технологические комплексы сборки РШР на перегоне; для звеньевого способа - подвижной состав для перевозки звеньев, путеукладочная техника, тех нологические комплексы 1 порядка, включая 3TJ1 2 - включая заработную плату не только обслуживающего и ремонтного персонала, но и вспомогательных технологических рабочих ладки пути, для обеспечения которой предназначается оптимизируемый техно-логический комплекс, км; С-ітл, Ссп, Спт - суммарные эксплуатационные затраты соответственно ЗТЛ, специализированного подвижного состава для перевозки звеньев РШР, путеукладочной техники, задействованных в технологи ческом комплексе, за время реализации программы укладки, руб.; Сткп у суммарные эксплуатационные затраты технологического комплекса по сборке РШР на фронте укладки пути, за время реализации программы укладки, руб.; ССз - расчетные затраты на создание технических средств обеспечения новых технологий, руб.; 2 Qoc планируемый объем работ на сети железных дорог с использованием проектируемой технологии, км; Ти , Ti - темпы работы, соответственно, при интенсивном и /-том способе организации, км/час; tCM - продолжительность рабочей смены на укладке, час; псм - число смен в рабочем дне; Прэ - расчетная прибыль эксплуатации укладываемого пути, руб./день.
Все члены правой части выражения 3.32 определяются путем анализа эксплуатационных характеристик существующих технологий и программ создания новой техники и экстраполяционного прогнозирования этих показателей на период функционирования оптимизируемого технологического комплекса. Второе условие обобщения критерия сравнения (полное и однозначное определение взаимосвязей параметров на текущей стадии проектирования) выполнено, отсюда - предлагаемый обобщенный критерий признается правомочным. Ситуация оптимизации -3.1 (проверка вариантов по обобщенному критерию).
Путеразборочный технологический комплекс. Оптимизируется способ организации демонтажа железнодорожного пути в диапазоне от раздельного до звеньевого. Первое условие обобщения критерия оптимизации по данным таблицы 3.3 выполнено. Таблица 3.3 - Условия сравнения и характеризующие параметры спосо-бов организации демонтажа пути
Условие Характеризующий Ед. Значения параметра для сравнения параметр измерения граничных способов: Раздельный Звеньевой Темп демонтажа Недополученная при- пути быль от задержки сдачи элементов РШР в повторную эксплуатацию Руб. Мах. Min. Парк специали- Годовые затраты на ра- зированной тех- боту парка Руб. Min. Мах. ники Обобщенный критерий оптимизации - затраты на демонтаж 1 км пути с учетом недополученной прибыли от задержки сдачи элементов РШР в повторную эксплуатацию и затрат на техническое оснащение вновь разрабатываемой технологии, руб./км:
Ранжирование критериев многокритериальных задач
Варьируемая часть числа психомоторных реакций на один рабочий такт ПтЛ (РМ,1 А )= V/ fc & - ЇМ )+ЇЇт.і (і »А )) (3-107) где п01п і - число элементарных технологических воздействий в структуре / -й —/С операции; 7]т) - математическое ожидание числа силовых психомоторных реакций при выполнении немеханизированного элементарного технологического —/У воздействия; Цт -L - математическое ожидание числа психомоторных реакции управления при выполнении неавтоматизированного элементарного технологического воздействия; в эскизных расчетах последние два члена принимаются экстраполяцией аналогов на условия рабочей позиции. Варьируемая часть вероятности нештатной ситуации управления определяется из предположения, что при ручном способе управления Рнш,0 0 (интеллект оператора достаточен для принятия истинного решения в любой ситуации) РНШ( А) = Є 3 (3-Ю8) где S - показатель ситуационной энтропийности автоматизированной части системы управления, ncum общее число статистически обоснованных ситуаций управления (определяется на основе анализа качества объектов технологических воздействий и качества выполнения предыдущих операций); Псит - число формализованных ситуаций, для которых при заданном /ЛА предусмотрен автоматический выход (условный или безусловный переход).
Варьируемая часть изменения к -го показателя качества j -го объекта технологических воздействий определяется как уменьшение относительной погрешности параметра ПК при автоматизации управления. Из предположений о нормальном характере распределения погрешностей и ± 3(7 доверительном интервале где DnK , DnK о - дисперсии распределений параметра качества, COOT ветственно при уровне автоматизации jUA (определяется из анализа технических характеристик средств автоматизации) и ручном способе управления (определяется из статистического анализа натурных наблюдений аналогов).
Корректировка исходных данных к оптимизации и итерационная оптимизация эргономических параметров объектов /-го уровня на основе уточненных внешних характеристик объектов / — 1 уровня. Производится при выполнении условий качестве статистического обоснования принимается вероятность наступления события в течении рабочей смены, попадающая в ± Зет доверительный интервал где [Ajp - доверительная погрешность принятия исходных данных к эргономической оптимизации; JF) IP,- ), P yPj ), - соответственно, корректированные и эскизно определенные функции взаимосвязей потенциальных параметров активных факторов эргономического критерия эффективности; пР - общее число потенциальных параметров.
Постановка задачи формулируется как корректировка эскизно определенного оптимума пооперационной совокупности уровней механизации и автоматизации і-то уровня на основе уточненных значений потенциальных параметров объектов / — 1 уровня. Расчетные формулы выводятся из 3.8.
Корректировка исходных данных к оптимизации и итерационная оптимизация технологических параметров объектов і-го уровня на основе уточненных эргономических характеристик объектов этого же уровня. Производится при выполнении условия См + СтОР - СЗП1 [А?РР + [А$,, (3.113) где [Ajy - доверительная погрешность принятия исходных данных к технологической оптимизации. Постановка задачи формулируется как корректировка эскизно определенного оптимума соотношения характеристик неритмичности работы объекта и контрагента и совокупных расходов на амортизацию и техническое обслуживание оборудования на основе уточненных значений потенциальных параметров эргономических факторов. Методика решения оптимизационной задачи - смотри проектные ситуации технологической оптимизации.
Частные условия параметрической оптимизации по критерию ремонтно-сервисной эффективности имальных параметров взаимосвязей проектируемого объекта с ремонтно-эксплуатационными службами по критерию ремонтно-сервисной эффективности К ф гз производится после оптимизации параметров техноло 130 гических
В соответствии с приоритетностью частных направлений оптимизации, определение опт взаимосвязей и эргономической эффективности в пределах оставленных ресурсов совершенствования конструкции.
Потенциальными параметрами наиболее приоритетного фактора критерия ремонтно-сервисной эффективности (3.9) - оплаты восстановления работоспособности проектируемого объекта - являются: принятый баланс эксплуатационных затрат; удельная стоимость единицы наработки (при проектировании ПТК, ЗТК и ЗТЛ - 1 км РШР, на уровне агрегатов и механизмов - 1 час).
Потенциальные параметры второго по приоритетности фактора (числа элементарных технологических воздействий, потребных для восстановления работоспособности объекта за расчетный интервал времени) - принятая система технического обслуживания и ремонтов; совокупность показателей ремонтопригодности и межремонтных периодов составных частей проектируемого объекта, уровень агрегатированности конструкции
Потенциальные параметры коэффициента приведения остальных факторов к первым двум: показатели времени простоев ремонтного персонала и фонда ремонтных комплектующих из за их вынужденной избыточности; степень планируемости ТО и ремонтов.
Количественно-квалификационный состав обслуживающего и ремонтного персонала
Математическое ожидание генерированной выборки определяется статистической обработкой результатов контрольной серии генерации величины X по модельному алгоритму.
Вероятность сходимости вычислительного алгоритма с имитируемой структурой причинно-следственных взаимосвязей оригинала определяется сравнением результатов контрольной серии модельных экспериментов с данными натурных наблюдений при полной адекватности исходных данных где Рхконт и Рхэмп - контрольное и эмпирическое значения характеризующего параметра . Полная адекватность исходных данных эмпирическим условиям достигается при задании в модельных экспериментах членов последовательности эмпирического ряда значений, полученных в результате натурных наблюдений, а не генерированных значений случайных величин. Это условие достигается при наличии действующего и наблюдаемого прототипа, структурная схема которого является прямым аналогом схемы проектируемого объекта. При отсутствии прямого структурного аналога (ситуация, характерная в проектной практике) max\rxKOftm, к п гхАн j где РхАп - значение характеризующего параметра по результатам наблюдений за приближенным структурным аналогом проектируемого объекта; Кп коэффициент подобия структуры приближенного аналога проектируемой, определяется либо методом экстраполяции структурных характеристик приближенного аналога на проектируемый объект, либо, при недостаточности исходной информации для экстраполяции - методом экспертного опроса.
Имитационное моделирование взаимодействия в пространстве объектов - участников звеносборочно разборочно-ремонтных технологических процессов
Задача моделирования взаимодействия в пространстве объектов, обладающих стохастическими геометрическими характеристиками, характерна для уровней технологических агрегатов ЗТЛ (взаимодействие между объектами технологических воздействий и рабочими органами или полями) и механизмов (взаимодействие между агентами кинематических пар). 1 - под характеризующим параметром понимается параметр функционирования моделируемого объекта, в наибольшей степени зависящий от причинно-следственных связей
Общий алгоритм и субблоки имитационных моделей взаимодействия в пространстве объектов - участников звеносбороч-но-разборочно-ремонтных технологических процессов Блок - схема общего алгоритма реализации имитационной модели, представляющей собой серию модельных экспериментов при неизменных исходных данных, приведена на рисунке 4.6. Алгоритм обладает двумя вариантами задания исходных данных: - ручное задание исходных данных в диалоговом режиме; - программное задание исходных данных с варьированием их по заранее заданному алгоритму в соответствии с теорией планирования активного эксперимента.
В последнем случае реализуется не единичная модель, а серия моделей, предназначенная для моделирования единичной зависимости результатов моделируемого процесса от исходных данных при изменении последних max случайных параметров ооъектов взаимодействия, генерированная в соответствии с исходными статистическими характеристиками для /-го мо И I max ных событий, внешних по отношению к z-му модельному эксперименту и могущих повлиять на характер его проведения, генерированная в соответст к вии с исходными статистическими характеристиками;
Результаты статистической обработки серии из Ов экспериментов: для параметрических результатов мом /тах видов зако нов распределения выходных параметров моделируемого процесса,
Алгоритмы типовых субблоков 1 - «Формирование множества случайных параметров активных факторов» и 2 - «Формирование множества случайных событий» приведены соответственно на рисунках 4.7 и 4.8. На рисунках: /тах - число исходных случайных параметров (событий); Stf показатель стохастичности / -го параметра (Stt = 1 - параметр обладает стохастическим характером, Stt - О - детерминированным); Щ \И - исходное значение детерминированного параметра; для дискретных исходных данных Кк t - условия, выдвигаемые в силу причинно-следственной связи
Функциональное назначение имитационного моделирования на данном иерархическом уровне - определение в численном виде не поддающихся аналитическому определению взаимозависимостей между геометрическими параметрами объектов технологических воздействий, структурными схемами и параметрами технологических агрегатов и входящих в их состав механизмов и результатами технологического процесса при стохастическом характере хотя бы части активных факторов. Моделируются процессы, происходящие в узлах структурно-технологических схем ЗТЛ. Применяются данные модели при решении структурных, структурно-параметрических и параметрических оптимизационных задач в ситуационных вариантах проектных задач ЗТЛ2.2, ЗТЛ2.3, ЗТЛ2.4, ЗТЛ2.5 и ЗТЛ3.5 и при проверки принятых теоретических положений и проектных решений ситуационных вариантов задач уровня ПУ1 (таблица 2.10).
Применимость имитационного моделирования, как метода исследования, представление исходных данных, вычислительный алгоритм и характер результатов моделирования различаются в зависимости от функционального назначения агрегатов, рабочие процессы которых моделируются.
Комплектовочные технологические агрегаты выполняют технологические операции вида «Сборка сопряжения». Стохастический характер объектов технологических воздействий оказывает влияние на характеристики рабочих процессов. Активные факторы имитационных моделей процессов сборки сопряжений в соответствии с классификацией таблицы 4.2 приведены в таблице 4.4.
