К вопросу о разработке системы эксплуатации лесозаготовительных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 658.581: 630*36

В.Н. Шиловский, Е.В. Кутырев

Шиловский Вениамин Николаевич родился в 1945 г., окончил в 1970 г. Петрозаводский государственный университет, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта ПетрГУ. Имеет более 170 печатных трудов в области надежности и ремонта лесных машин.

Кутырев Евгений Владимирович родился в 1980 г., окончил в 2004 г. Петрозаводский государственный университет, аспирант ПетрГУ. Имеет 2 печатные работы в области организации ремонта лесозаготовительных машин.

К ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Предложены теоретические положения разработки системы технических воздействий на лесозаготовительные машины по их состоянию.

Ключевые слова: техническая эксплуатация, диагностика, ремонт, техническое обслуживание, техническое состояние, условия эксплуатации, экономическая эффективность.

Эффективность лесозаготовительного производства зависит от технической готовности используемых машин и оборудования, определяемой коэффициентом Кт.г, и затрат на обеспечение его оптимального значения.

Наиболее тесную связь между техническим состоянием машин (Ктг) и затратами на поддержание их работоспособности обеспечивают системы, основанные на стратегиях технических воздействий по состоянию эксплуатируемого объекта [2].

Развитие теории эксплуатационной эффективности системы технических воздействий на лесозаготовительные машины (ЛЗМ) предполагает решение следующих задач:

- раскрытие взаимных связей между производительностью, надежностью и экономичностью на основе моделирования (исследования) соответствующей целевой функции, отражающей процесс рядовой эксплуатации ЛЗМ;

- разработка теоретических основ построения гибкой (адаптивной) структуры планово-предупредительной системы технических воздействий на ЛЗМ с учетом результатов диагностики их элементов;

- разработка моделей рядовой эксплуатации и эксплуатационной надежности и на их основе выбор адекватной конкретным условиям стратегии технического обслуживания (ТО), ремонта (Р) и диагностики системы ЛЗМ;

- формирование требований к ремонтопригодности, эксплуатационной технологичности и технической оснащенности ремонтно-обслуживающей базы (РОБ) эксплуатирующих ЛЗМ предприятий;

- решение вопросов автоматизации процесса управления техническим состоянием ЛЗМ, обеспечения оптимальных периодичности и объема работ по диагностике, ТО и ремонту машин.

Минимальная совокупность показателей, характеризующих выполнение основных требований эксплуатационной эффективности, предъявляемых на всех уровнях лесозаготовительного производства, приведена в табл. 1.

Таблица 1

Стадия процесса Показатели эффективности

Надежность Производительность Экономичность

Технологи- ^ - средняя на- П, - средняя произ- См/ - средняя се-

ческая экс- работка на отказ /-го водительность; бестоимость еди-

плуатация кон- вида ЛЗМ Ки - коэффициент ис- ницы продукции по

кретного пользования конкретной

вида ЛЗМ операции лесоза-

готовок

Техническая - среднее вре- Кт.г - коэффициент См,- - средняя

эксплуатация мя восстановления технической готовности; удельная стоимость

ЛЗМ (устранения Ту1- - средние удельные технических

отказа, проведения простои при техниче- воздействий

ТО и диагностики) ских воздействиях

/-го вида ЛЗМ

Технологи- 4 - средняя нара- По - производитель- Со - себестои-

ческая эксп- ботка на отказ, ность системы машин мость единицы

луатация приводящий к конечной про-

системы остановке техно- дукции;

ЛЗМ логического по- Р - рентабель-

гока ность

Необходимые условия для формирования эффективной стратегии технических воздействий по фактическому состоянию входящих в систему ЛЗМ объектов вытекают из требований обеспечения технологии производства конечного продукта, производительности, экономичности эксплуатации машин и оборудования (табл. 2).

Целевую функцию эффективности системы ЛЗМ можно определить по формуле

' р«)=шКа=т_1_, (1)

ГЦ) 3 ГЦ) К2КпЦ)КТТЦ) где П(У) - прибыль, получаемая при эксплуатации системы ЛЗМ за время Г, зависящая от показателей свойств эффективности, приведенных в

табл. 1;

V(t) - объем продукции, произведенной за время t, зависящий от показателей эффективности эксплуатации ЛЗМ (табл. 1);

Кэ - коэффициент эксплуатационной эффективности ЛЗМ;

Kz - коэффициент, учитывающий степень использования по назначению в соответствии с современной технологией производства продукта;

Kjj(t) - коэффициент эффективности использования ЛЗМ;

Ктг (t) - коэффициент технической готовности ЛЗМ.

Фактор времени t позволяет учитывать изменения параметров целевой функции в период эксплуатации и динамику этого процесса.

Таблица 2

Цель Показатель Постоянные факторы

и управляющий

фактор

Минимизация зат- Производительность Контролепригодность

рат на техничес- ремонтно-восстанови- Доступность

кую эксплуатацию тельных работ и диаг- Легкосъемностъ

ЛЗМ за счет стра- ностики (возможность Взаимозаменяемость

тегии технических своевременной диаг- Ремонтопригодность

воздействий по со- ностики и быстрой за- Состояние РОБ (наличие средств и

стоянию постоян- мены и восстановления методов контроля технического со-

ных(неуправля- элемента объекта; экс- стояния объекта, условия работы, ме-

емых) факторов и плуатационная и ре- хановооруженность, возможность вос-

самого объекта монтная контролепри- становления и ремонта и т. п.)

годность и технологич- Наличие зависимости диагностических

ность) признаков и технического состояния

элементов объекта для оценки и про-

гноза уровня его работоспособности

Средний объем хлыста

Технология разработок

Рельеф

Зона эксплуатации (сезон

эксплуатации)

Производственно-техно- Квалификация рабочих

логическая производи- Сменность (интенсивность

тельность работы)

Среднее расстояние трелевки,

вывозки

Уровень организации труда

Процентное соотношение

категории дорог и т. п.

Экономическая эффек- Средняя удельная трудоемкость и стои-

тивность мость технических воздействий

Средние удельные приведенные затраты

Капиталовложения и срок их окупаемо-

сти

Коэффициенты технической готовности и использования парка машин Себестоимость единицы продукции Прибыль Рентабельность

Приводим исходные данные вероятностной модели процесса эксплуатации системы ЛЗМ. Отдельные состояния системы обозначены цифрами в скобках.

Работоспособное состояние:

1. Работа (1) - выполнение основных технологических операций, использование не по назначению.

2. Ожидание использования (8):

- отсутствие сырья;

- отсутствие межоперационного запаса полуфабрикатов;

- распутица;

- технологическая перебазировка;

- организационные причины. Неработоспособное состояние:

1. Технические воздействия:

- диагностика (2);

- техническое обслуживание (3);

- текущий ремонт (4);

- капитальный ремонт (5).

2. Ожидание технических воздействий:

- ожидание и доставка запасных частей (6);

- организационные причины (7).

Граф состояний и переходов, возникающих при эксплуатации системы, представлен в виде матрицы:

Р =

Р11 Р12 Р13 Р14 Р15 Р1б Р17 Р18

Р 21 Р 22 Р 23 Р 24 Р 25 Р 2б Р 27 Р 28

Р31 Р32 Р 33 Р34 Р35 Р 3б Р37 Р38

Р 41 Р 42 Р 43 Р 44 Р 45 Р 4б Р 47 Р 48

Р 51 Р52 Р 53 Р54 Р55 Р 5б Р57 Р 58

Рб1 Р б2 Р б3 Р б4 Р б5 Р бб Рб7 Рб8

Р71 Р 72 Р 73 Р 74 Р 75 Р 7б Р 77 Р 78

Р81 Р82 Р83 Р 84 Р85 Р86 Р87 Р88

(2)

где ру(р12) - вероятность перехода из состояния / (1) в состояние у (2) согласно приведенному перечню состояний. Элементы матрицы - случайные величины. Они зависят от момента времени, в который рассматривается ситуация, т. е. Ру(Лг) = ДЛг) определяется через период времени и известный закон распределения.

В соответствии с матрицей переходных вероятностей может быть получена система уравнений, определяющая вероятность нахождения объекта в конкретном состоянии на интервале времени Д^

м

+ + / = 1,2, ...,М (3)

м

Вероятность безотказной работы в момент времени ^ + Д^ равна:

м м м

Р(Т + АО = ЪР, С + АОа, (О = I ЬРоМ С + АОа, (О , (4)

где а,(/) - условная вероятность выполнения задачи системой при условии, что она находится в состоянии хг. В матричном виде выражение (4) запишется как

Р(Г + ДО = Р(0)р^ (Д/)а(0 , (5)

где Ру{Д0 - матрица переходов системы за время Д^;

Р (0) - вектор-строка нулевых (начальных) состояний (вероятностей

безотказной работы) системы в начальный момент времени а (0 - вектор-столбец, элементами которого являются вероятности а,. Примем за возможные следующие состояния технической системы из последовательно соединенных элементов: 0 - работоспособное;

г - неработоспособное в случае отказа любой из составных частей, г = 1, 2, ... , п (Р02 - вероятность того, что за время Д^ откажет элемент № 2).

Граф состояний и переходов ремонтируемой системы, состоящей из последовательно соединенных элементов, представлен на рисунке.

С учетом таблицы (3) и матрицы (2) может быть составлена матрица переходных вероятностей состояния ЛЗМ в исправном, неисправном и ремонтируемом состояниях, вариант которой представлен далее.

Вероятность переходов за время ^ + Д^ выражается следующим образом.

1. Если система находится в г-м состоянии (ремонтируется любая составная часть), то она может оставаться в нем в течение времени ^ + Д( с вероятностью

ЛДД0 = 1-</ДА0, (6)

где дг(Д0 - вероятность восстановления г-й составной части за время Дл

2. Если система находится в состоянии 0 в момент времени то

77

Р00Ш) = Р\ Ш)р2 Ш)...р„ (АО = пР, (АО, (7)

7—1

где рг(Д0 - вероятность безотказной работы г-го элемента в интервале времени ^ + Д£

и переходов ремон-ы: РС - работоспо-е; НРС - неработо-[ние; 0 - работоспо-состояние; 1, 2, п - неработо-состояние вследствие второй, п-й состав-й системы

3. Если система находится в исправном состоянии 0 в момент времени Г, то при отказе любой составной части в интервале времени /, / А/ она может перейти в состояние / с вероятностью

Ро1{М) = \-Р1{М). (8)

Если система находится в 7-м состоянии (ремонтируется), то система вернется в исправное состояние 0 за время Г, / А/ с вероятностью

/>0, (ДО = <7, (АО. (9)

Матрица переходных вероятностей Р(Л^ для системы с последовательно расположенными составными частями при произвольных законах распределения времени их наработки и восстановления, определяемых с помощью матрицы (2), может иметь вид:

1 -Р1(А0 1 -Ч1(А)

Р(Ы) =

ПР7 (АГ)

¿= 1

ql(Лt)

1 -Р7<Л0

0

1 -

Рп(Л^

0

qi(Лt)

qn(Лt)

1 -qi(Лt)

1 -qn(Лt)

. (10)

Применительно ко всему парку лесозаготовительных машин можно выделить следующие стратегии ТО и ремонта.

Стратегия 1. Объекты системы восстанавливают в заранее назначенные календарные моменты времени по результатам диагностики и в моменты самостоятельного внезапного отказа.

0

0

0

0

Стратегия 2. Систему восстанавливают либо в момент самостоятельного (аварийного) возникновения (проявления) отказа, либо в заранее определенные календарные моменты времени.

Планирование предварительных проверок (диагностики), определяющих очередность и объемы ТО и Р, на основе баланса стоимости проверок и потерь от необнаружения неисправности системы может быть выражено следующей целевой функцией [1]:

где М[Пэ] - полное ожидание потерь, р.;

С1 - стоимость проверки (диагностики), р.;

С2 - стоимость пребывания системы в неисправном состоянии в течение 1 ч, р./ч; к, к + 1 - номер проверки;

tk - время к-й проверки, ч; tk+1 - х - время между к + 1-й проверкой и возникшим аварийным отказом, ч;

Щх) - распределение времени до первой неисправности системы.

Схема алгоритма управления эксплуатационной эффективностью системы ЛЗМ определяется фактической информацией о переходах по состояниям процесса, результатами расчета показателей, характеристиками состояний системы ЛЗМ и эффективностью лесозаготовительного процесса.

Предложенные теоретические основы построения экономически эффективной гибкой (адаптивной) структуры ремонтного цикла машин лесозаготовительного производства на основе оценки уровня надежности, результатов диагностирования технического состояния, прогноза остаточного ресурса и условий эксплуатации ЛЗМ составляют методологическую основу для разработки вариативных систем технического обслуживания и ремонта по состоянию организации лесозаготовительного производства и используемых ЛЗМ.

1. Перроте, А.И. О режиме оптимальной профилактики систем длительного пользования [Текст] / А.И. Перроте // Автоматика. - 1961. - № 3.

2. Создание системы технического обслуживания и ремонта обойнопечат-ного и грунтовального оборудования [Текст] / И.В. Абрамов, Ю.В. Верпоховский // Целлюлоза, бумага и картон: экспресс-информ. - М.: ВЖИПИЭИлеспром, 1983. -Вып. 23. - С. 1-3.

(11)

Вывод

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Петрозаводский государственный университет

Поступила 15.09.05

V.N. Shilovsky, E. V. Kutyrev

To Question of Operation System Development for Logging Machines

Theoretical provisions of the system development regarding technical effect on the logging machines according to their state are offered.