Обоснование оптимальной системы технического обслуживания систем гидроманипулятора по критерию минимальных затрат и потерь в период эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Обоснование оптимальной системы технического обслуживания систем гидроманипулятора по критерию минимальных затрат и потерь в период эксплуатации

Мазуркевич М.А.1 Кильпеляйнен С.А. Петрозаводский государственный университет

Раскрываются проблемы обоснования системы технического обслуживания и ремонта путем оптимизации вероятности безотказной работы систем манипулятора по критерию минимальных затрат на техническое обслуживание и текущий ремонт.

Ключевые слова: вероятность безотказной работы, затраты, потери, подсистема, металлоконструкция, гидросистема.

Вопросы оценки показателей надежности интересовали многих ученых и конструкторов, работающих в области проектирования манипуляторов. В работах В.С.Кралина оптимизируется вероятность безотказной работы металлоконструкций манипулятора по критерию металлоемкости. В работах Ю.Ю.Герасимова рассматриваются показатели долговечности металлоконструкций в процессе зарождения и развития трещин в них. В своих исследованиях В.М.Костю-кевич использует в качестве показателей надежности как показатели безотказности, так и показатели долговечности применительно к опорно-поворотному устройству манипулятора. В основном вопросы надежности рассматриваются в процессе проектирования и производства. В то же время в процессе эксплуатации каждый из элементов гидроманипулятора и их соединения подвергаются ряду технических воздействий - обслуживанию и текущему ремонту. Без выполнения этих операций даже сверхнадежные элементы функционировать не могут. Ослабление болтовых соединений, отсутствие смазки в шарнирах приводят к превышению расчетных нагрузок, изменению точек их приложения и направления. Происходит замена шарнирных соединений жесткой связью, возникают нерасчетные изгибающие моменты, что приводит к отказу надежного элемента. Таким образом, реализовать заложенную в процессе проектирования и производства надежность возможно только при обосновании соответствующей системы технического обслуживания и ремонта.

Анализ работы лесозаготовительной гидро-манипуляторной техники показывает, что в существующей системе технического обслуживания надежность ее ниже, чем планировалось при проектировании.

1 Авторы, соответственно, заведующий и старший преподаватель кафедры тяговых машин. © М.А.Мазуркевич, С.А.Кильпеляйнен, 1996

Основным назначением системы технического обслуживания и ремонта является обеспечение надежного функционирования техники при минимальных материальных и трудовых затратах. Существующая периодичность и трудоемкость технического обслуживания и ремонта, заложенная заводом-изготовителем, обосновывается на усредненных условиях эксплуатации, однако и эти материальные и трудовые затраты зачастую являются эмпирическими (установленными без достаточного научного обоснования), что приводит к снижению наработки на отказ, сокращению наработки до капитального ремонта и, как следствие снижению вероятности безотказной работы. Следует отметить, что периодичность технического обслуживания (ТО) и текущего ремонта (TP) технологического оборудования задается по базе машины, хотя нагрузочный режим технолог ического оборудования намного выше, чем базовой машины. Обоснуем периодичность ТО и TP технологического оборудования (в частности гидроманипулятора). В качестве показателя надежности примем вероятность безотказной работы (ВБР), а оптимизирующего параметра - затраты на ТО и TP

Рассмотрим гидроманипулятор как систему, состоящую из последовательно соединенных независимых подсистем (металлоконструкции захвата, рукояти, стрелы и опорно-поворотной части, а также гидросистемы). Учитывая характер работы гидроманипуля-тора, примем соединение подсистем последовательным, каждая из которых должна обслуживаться самостоятельно. Существующая в настоящее время система ТО и TP гидроманипуляторов обеспечивает определенную его начальную вероятность безотказной работы (ВБР). Изменение периодичности ТО приводит к изменению затрат, изменяет наработку на отказ и как следствие - ВБР.

Для каждой подсистемы определим вероятность безотказной работы, при которой достигаются минимальные затраты на систему технического обслуживания и потери в связи с простоем при ТО и ТР. На достижение требуемой вероятности R* при изменении периодичности технического обслуживания, текущего ремонта, на внедрение более новой совершенной технологии и средств технической диагностики и т.д. потребуются определенные затраты. Введем функции затрат G (R ¡,R i*), i = I...5, определяющие затраты, связанные с повышением показателя надежности i-й подсистемы от уровня R i до уровня R Л

Сформулируем задачу оптимизации: минимизировать

5

X G (R i,R ¡*) —> min, (1)

i=l

при ограничении

5

П R i* >R *;

¡=1

0< R i < Ri* < 1 , i = 1...5.

Мазуркевич М.А., Кильпеляйнен С.А. "Обоснование оптимальной системы

49

Ладим определение следующих величии:

So=R*

R" - требуемое значение вероятное™ безотказной работы гидроманипулятора , ()<R*<1, R ,- существующее (начальное) значение вероятное™ безотказной работы i-й подсистемы манипулятора при настоящем состоянии разработки, ()<R,< 1;

R - текущее (изменяемое) значение вероятностн-безотказной работы i-подснстемы i идроманн-пулятора. Ri<Ri< I; R Г - оптимальное значение вероятности безотказной работы ¡-подсистемы, получаемое при min G (R ,. R Г ).

Каждая из подсистем определяет этап решения задачи о распределении требований к надежности. Решение принимается последовательно на каждом этапе. Определим множество SK- всех возможных значений вероятности безотказной работы SK на этапе К (схематический алгоритм, см. рис.)

Важную роль в определении вероятности безотказной работы играет распределение требований надежности R'no элементам системы R , . Безотказность системы, состоящей из п статистически независимых, последовательно соединенных элементов, на некоторые наработки Г определяется зависимостью

Р(Т) = Р,(Т) Рз(Т)...... Р„(Т)= ПРк(Т).

k=l

(2)

При равномерном распределении требований к безотказности элементов получим:

Pi = tyP(T)

(3)

где

Р(Т) - задаваемая в техническом задании установленная безотказность системы.

Однако из-за сложности обеспечения равнопрочное™ элементов систем гпдроманнпулятора использование вышеприведенной формулы ограничено

По результатам исследования отказов гпдроманипу-лятора трактора ТЬ-1М было выявлено, что подсистемы имеют различную постоянную интенсивность отказов л, (интенсивность отказов гидросистемы выше, чем металлоконструкции манипулятора /.]>!« Хз А.4 А5|, а металлоконструкции захвата выше, чем металлоконструкций других подсистем к >'/.: >м >Я.з ). Используя метод разработанный фирмой "Асгопо(сса1 гевсатсИ" [I] задаемся весовыми множителями со, ¡=1...5 для каждой подсистемы в соответствии с интенсивностью о тказов:

G(Ri, Ri)

Si= R2S2 /\

R2< R2 < 1

G(R:, R2)

s2= R3S3 А

S3= R4S4 А

R4< R4< 1

C(R4, R4)

s?= 1

Рис. Схематический алгоритм I - гидросистема,

2- металлоконструкция опорно-поворотной части,

3- металлоконструкция стрелы,

4- металлоконструкция рукояти,

5- мет аллоконструкция захва та.

к

о), =-, ¡=1....5. (4)

5

X А, 1=1

Таким образом, со. показывает относительную уязвимость 1-го элемента. Вычислим вероятности безотказной работы подсистем по заданному Я* с использованием соотношений

Я' = ехр(-А.Ч); АЛ = ю | X*;

Я, = ехр(-А, Ч), ¡=1 ...5.

где

X * - интенсивность отказов гидроманипулятора в целом,

- интенсивность отказов ¡-подсистемы гидроманн-пулятора.

В качестве функции затрат О (Я ¡,Я ¡* ) предлагается использовать сумму трудозатрат на проведение технического обслуживания и текущего ремонта систем гидроманипулятора и величину простоя при ТО и ТР, как потерянную прибыль от работы машины. Целесообразно определять не абсолютную величину затрат, а относительную. За начальное значение относительной величины затрат можно принять какое-то число, которое соответствует принятой в настоящее время системе ТО и ТР. и сравнение затрат при изменении системы технического обслуживания проводить относительно принятого начального значения. Считаем, что затраты при существующем варианте ТО и ТР

С(Я,Д|)=1. (5)

где

Я: - существующая в настоящее время вероятность безотказной работы ¡-подсистемы гидроманипулятора .

Величина затрат при_текущем значении вероятности безотказной работы Я,

О (Я I, Я!) = п< Я|) + г*( яо. (6)

где_

Г( Я ) - функция затрат на ТО и ТР при вероятности безотказной работы ¡-подсистемы манипулятора Я*;

Г"Ч Я.) - функция потерь прибыли при вероятности безотказной работы ¡-подсистемы манипуля тора Я. (время простоя при ТО и ТР ).

Следовательно, значение затрат в целом по гидроманипулятору

5

Ев (Я ¡Д|')->тт, (7)

¡=1

при оптимальном значении вероятности безотказной работы всего манипулятора 5

я* = П ял

¡=1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный метод обоснования системы технического обслуживания является попыткой связать надежность, заложенную при проектировании, с ее реализацией в процессе эксплуатации. Статья носит чисто теоретический характер, раскрывая направление исследований. В дальнейшем на основе экспериментальных данных по гидроманипулятору трактора ТБ-1М планируется построение расчетной оптимизационной модели.

ЛИТЕРАТУРА

1 Капур К.. Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980. 604 с.