CC BY
0УДК 629.002.5 DOI: 10.46960/1816-210X_2023_4_111
МЕТОД ОЦЕНКИ УРОВНЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН НА ОСНОВАНИИ АНАЛИЗА ВРЕМЕНИ ПРОСТОЕВ В РЕМОНТАХ
С.В. Репин
ORCID: 0000-0002-4224-5554 e-mail: repinserge@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Санкт-Петербург, Россия
А.В. Зазыкин
ORCID: 0000-0002-6096-9011 e-mail: a.v.zazykin@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Санкт-Петербург, Россия
Н.А. Масленников ORCID: 0000-0001-8123-9918 e-mail: masl-nikita@yandex.ru
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Санкт-Петербург, Россия
Обоснована необходимость разработки методик, позволяющих рассчитать время пребывания транс-портно-технологической машины (ТТМ) в работоспособном состоянии по имеющейся у предприятий эксплуатационной информации; выявлена зависимость эффективности применения строительных ТТМ от уровня работоспособности. Предложен метод оценки уровня работоспособности строительных ТТМ, включающий: анализ снижения годовой наработки машин вследствие проведения неплановых ремонтов, количество которых увеличивается с возрастом машины; корректировку количества годовых плановых мероприятий технических обслу-живаний и ремонтов (ТОиР) вследствие сокращения годовой наработки; расчет показателей надежности на основании информации по простоям в ремонтах.
Метод реализуется в общедоступной математической среде MS Excel, прост в использовании и может применяться на предприятиях по эксплуатации строительных транспортно-технологических машин.
Ключевые слова: строительные транспортно-технологические машины, работоспособность, надежность, ремонт, эксплуатация.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Репин, С.В. Метод оценки уровня работоспособности строительных транспортно-технологических машин на основании анализа времени простоев в ремонтах / С.В. Репин, А.В. Зазыкин, Н.А. Масленников // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2023. № 4. С. 111-120. DOI: 10.46960/1816-210X 2023 4 111
METHOD FOR ASSESSING THE LEVEL OF PERFORMANCE OF TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL CONSTRUCTION MACHINES BASED ON ANALYSIS OF DOWNTIME IN REPAIRS
S.V. Repin
ORCID: 0000-0002-4224-5554 e-mail: repinserge@mail.ru
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
St. Petersburg, Russia
© Репин И.В, Зазыкин А.В., Масленников Н.А., 2023
A.V. Zazykin
ORCID: 0000-0002-6096-9011 e-mail: a.v.zazykin@mail.ru
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
St. Petersburg, Russia
N.A. Maslennikov ORCID: 0000-0001-8123-9918 e-mail: masl-nikita@yandex.ru
St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
St. Petersburg, Russia
Abstract. The article shows that the effectiveness of the use of transport-technological construction machines is determined by the level of equipment performance. Despite the large amount of research in this area, there are no methods that allow calculating the time the transport-technological machine remains in working condition according to the operational information available to enterprises. The article also proposes a method for assessing the level of performance of transport-technological construction machines, including: analysis of the decrease in the annual operating time of machines due to unscheduled repairs, the number of which increases with the age of the machine; adjustment of the number of annual scheduled maintenance and repair activities due to a reduction in annual operating time; calculation of reliability indicators based on information on downtime in repairs.
The method is implemented in MS Excel, is easy to use and can be used at enterprises operating transport-technological construction machines.
Key words: transport and technological construction machines, performance, reliability, repair, operation.
FOR CITATION: S.V. Repin, A.V. Zazykin, N.A. Maslennikov. Method for assessing the level of performance of transport and technological construction machines based on analysis of downtime in repairs. Transactions of NNSTU n.a. R.E. Alekseev. 2023. № 4. Pp. 111-120. DOI: 10.46960/1816-210X_2023_4_111
Введение
Эффективность применения машин определяется уровнем их работоспособности. Согласно ГОСТ 27.002-2015, работоспособность может быть определена как «состояние объекта, в котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям, установленным в документации на этот объект» [1]. Работоспособность любого технического объекта обеспечивается средствами эксплуатации, а именно - проведением технических обслуживаний и ремонтов (ТОиР) [2]. Соответствующая нормативная документация предусматривает плановое проведение мероприятий, позволяет рассчитать соответствующее время пребывания и, следовательно, продолжительность нахождения машины в работоспособном состоянии, т.е. рассчитать фонд рабочего времени машины для планирования ее использования. Однако работоспособность машин может быть в любой момент времени потеряна вследствие внезапного отказа [1, 2], и для восстановления требуется проведение непланового ремонта (НР). При этом чем больше срок эксплуатации, тем больше времени машина простаивает в НР. Существующие исследования в области надежности техники выявили основные закономерности изменения уровня работоспособности машин в функции возраста [3-16], но отсутствуют методики, позволяющие рассчитать время пребывания машины в работоспособном состоянии по имеющейся у предприятий эксплуатационной информации.
Представленный в настоящей статье метод позволяет решить данную задачу.
Методика
В качестве основных режимов проведения мероприятий ТОиР рассматриваются: периодичность проведения плановых обслуживаний и ремонтов и неплановых ремонтов, обозначаемых как наработка на отказ на i-тое мероприятие Гот ; время восстановления работоспособности в i-том мероприятии T . В качестве базовых показателей надежности рассмат-
риваются: интенсивности отказов и восстановлений в мероприятиях ТОиР; вероятность пребывания машины в работоспособном состоянии; коэффициенты технического использования и готовности. Уровень работоспособности оценивается вероятностью нахождения машины в работоспособном состоянии в зависимости от ее возраста. Согласно действующему нормативному документу [17], предусматриваются следующие плановые мероприятия ТОиР: технические обслуживания ТО-1, ТО-2 и ТО-3; сезонное обслуживание СО; ремонты текущий (Т) и капитальный (К). В то же время период простоев в НР «возрастных» машин может превышать соответствующий для плановых ремонтных работ, поэтому простои в НР существенно влияют на уровень работоспособности.
Методика предусматривает: анализ снижения годовой наработки машин вследствие проведения НР, количество которых увеличивается с возрастом машины; корректировку количества годовых плановых мероприятий ТОиР вследствие сокращения годовой наработки; расчет показателей надежности на основании информации по простоям в ремонтах.
Методика сбора и обработки данных эксплуатации транспортно-технологических машин
Исследование снижения наработки ТТМ было проведено на примере десяти экскаваторов в зависимости от из возраста (рис. 1 и 2). В ячейках С5...М5 (рис. 1) приведена наработка нового экскаватора, которая представляет собой годовой фонд рабочего времени машины, рассчитываемый согласно МДС 12-13.2003 [18].
Л А В С D Е F G Н 1 J К L М N 0 Р
Суммар
ная Средни Средни
Срок наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ Наработ й й Средняя
№ службы, каза ка 1 в ка 2 в ка 3 в ка 4 в ка 5 в каб в ка 7 в ка 8 в ка 9 в ка 10 в разброс разброс в год,
год срок год, час год, час год, час год, час год, час год, час год, час год, час год, час год, час значени значени час
службы, й, час й, %
3 час
5 2 0 2300 2300 2300 2300 2300 2300 2300 2300 2300 2300 2300 0 0 2300
6 3 2 3630 1935 1904 2025 2012 1985 1913 1833 1875 2145 1743 79 4 1937
7 4 4 6537 1563 1710 1833 1812 1833 1904 1634 1756 1873 1523 131 8 1744
8 5 6 8950 1243 1350 1595 1632 1712 1854 1575 1612 1702 1310 202 13 1559
10 7 11 12650 818 920 1245 1046 1318 1448 1349 1350 1151 1056 198 17 1170
Рис. 1. Результаты анализа снижения годовой наработки десяти гидравлических экскаваторов второй размерной группы на строительных предприятиях г. Санкт-Петербурга
Fig. 1. Results of the analysis of the reduction in annual operating time of ten hydraulic excavators of the second size group at construction enterprises in St. Petersburg
Снижение наработки обусловлено простоями в НР и подчиняется экспоненциальному закону (рис. 2). Разность между наработкой нового экскаватора и средней наработкой для текущего возраста принимается на простои в НР. Количество плановых мероприятий ТОиР, проводимых через интервалы наработки, рекомендуемые МДС 12.8-2007 [17], будет сокращаться с возрастом машины. Согласно исследованиям [19], продолжительность пребывания машины в НР увеличивается с ее возрастом t согласно формуле:
Тнр (t) = T(0) -[1 - exp(- Р ■ t% (1)
где Т(0) - годовой фонд рабочего времени машины, час (или - годовая наработка машины в случае отсутствия внезапных отказов, соответствующая машине с нулевым возрастом; это допущение, принятое для описания предлагаемого метода расчета уровня работоспособности); Р - показатель старения машины по наработке, год-1 (согласно расчету на рис. 2, /3 =
0,089). Выражение exp(-^-1) представляет собой коэффициент готовности в функции возраста машины [19].
2500 | 2000 i
- 1500 Щ
Я
g 1000
vo «
I* 500
о
0 2 4 6 8 10 12
Возраст машины, год
Рис. 2. Закон изменения годовой наработки гидравлических экскаваторов второй размерной группы в зависимости от возраста
Fig. 2. The law of change in the annual operating time of hydraulic excavators of the second size group depending on age
• 1 T(t) - 2300ехр(-0,089t)
! ...............1 ..............«
1 • .......Ï •
• •
Рис. 3. Расчет в Excel продолжительностей простоев в мероприятиях ТОиР на первом году эксплуатации (ячейка F1)
Fig. 3. Calculation of downtime durations in maintenance and repair activities in the first year of operation in Excel (cell F1)
Теоретические исследования
Вследствие снижения годовой наработки машин в зависимости от возраста уменьшается количество плановых мероприятий ТОиР, а количество неплановых - растет. Поэтому необходимо произвести корректировку количества ТОиР в год с учетом возраста машин. На рис. 3 представлены результаты расчета в Excel скорректированных продолжительностей простоев в мероприятиях ТОиР с учетом рекомендаций МДС 12.8-2007 [17]. Годовой фонд рабочего времени Т(0) машины рассчитывается согласно МДС 12-13.2003 [18] (ячейка С2).
Данные по периодичности и трудоемкости НР получены на основании анализа имеющейся у предприятий эксплуатационной информации [19]. Одним из главных выходных параметров данного расчета является время нахождения машины в состоянии работоспособности в функции ее возраста (ячейка С3), рассчитанное по формуле на рис. 2.
В представленном на рис. 3 расчете к плановым меропритиям ТОиР (ячейки С7...С11), предусмотренным МДС 12.8-2007 [17], добавлен НР (ячейка С12), расчетные параметры которого показаны в ячейках Б12..Х12). В ячейке J3 приведен коэффициент старения машины по наработке (показатель экспоненты на рис. 2). Именно от его величины зависит время пребывания в НР. Увеличивая год эксплуатации в ячейке F1, будет уменьшаться количество плановых меропритий ТОиР и расти число НР. На основании данных по простоям можно рассчитать показатели надежности по годам эксплуатации (рис. 4-7).
Рис. 4. Расчет простоев в ремонтах и показателей надежности для первого года эксплуатации: Трнп, Трнн - простои в плановых и неплановых мероприятих ТОиР соответственно
Fig. 4. Calculation of downtime during repairs and reliability indicators for the first year of operation: Trnp, Trnn are the downtime during planned and unscheduled maintenance and repair activities, respectively
£ 2500
0 2 4 6 8 10 12
Срок службы, год
A- -Tpp —*--Трнп —■—Трнн
Рис. 5. Результаты расчета наработки ТРР и простоев в ТОиР
Fig. 5. Results of calculating operating time according to standard regulations for work and downtime during maintenance and repairs
« 0,9
S 0.8
т га 2£ О С Ф
ш
т га х
т
0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
v = е-0,089х
tÄ fed
| X ^rj N
1_1__
---| ^ < '*»■ Л % ^
у = с^ЭЗе-0'086* <
V = 0.82е° 117х * —
щ г — --■
О
Кг
Кти
I 6 8 10
Срок службы, год
Ког при AT = 20ч
12
Рис. 6. Результаты расчета комплексных показателей надежности Fig. 6. Results of calculation of complex reliability indicators
Коэффициент оперативной готовности Ког (рис. 6) рассчитывается по формуле:
Ког (t) = К г (t) • P(t, AT), (2)
где P(t, AT) - вероятность безотказной работы машины возраста t в течение непрерывного промежутка времени работы ЛТ.
1,000 0,900 0,800 ¡J 0,700 о 0,600 £ 0,500 а 0,400 Ш 0,300 0,200 0,100 0,000
» ДТ=10
---_. ^----------- ЛТ ТГ1
~ —--______ Ü 1 -¿и
дт=зо
10
12
Срок службы, год
Рис. 7. Результаты расчета вероятности внезапных отказов при различном времени ДТ непрерывной работы на объекте
Fig. 7. Results of calculating the probability of sudden failures at different times AT of continuous operation at the facility
Приведенный метод расчета дает возможность получить значение большинства показателей надежности, описывающих техническое состояние машины, но является весьма трудоемким, поскольку требуется расчет по нескольким годам, перенос значений в таблицы, построение графиков и линий тренда. Ниже предлагается более простой вариант расчета вероятности пребывания машины в работоспособном состоянии, основанный на теории массового обслуживания (ТМО).
Рассмотрим диаграмму перехода технических состояний машины [20] (рис. 8). Индексы при £ обозначают /-ые состояния: 0 - работоспособное; 1 - находится на ТО-1 (техническое обслуживание № 1); 2 - находится на ТО-2; 3 - находится на СО - сезонное техническое обслуживание; 4 - находится на ТО-3 и текущем ремонте (Т) (проводятся вместе согласно МДС 12.8-2007 [17]); 5 - находится на капитальном ремонте (К); 6 - находится в НР; 7 - находится на списании; 8 - находится в простое по организационным причинам; 9 -находится в очереди на обслуживание. Количество состояний не ограничено, может быть проведена более подробная градация.
Р0
h
0,n
Цг',0
Pi
Рис. 8. Диаграмма состояний машины:
S- состояния; Л, ¡л - интенсивности отказов и восстановлений соответственно; р - вероятности; n - количество рассматриваемых состояний
Fig. 8. Machine state diagram:
S - states; Л, ¡л - failure and recovery rates, respectively; р - probabilities; n - number of states considered
Интенсивности переходов (отказов и восстановлений) прямо пропорциональны обратным величинам времени пребывания в соответствующем состоянии (Тот - наработка на отказ, Тв - время восстановления для i-го состояния):
Л, = (т)-1; я,0 = (т;,)
(3)
Описанное изменение состояний машины представляет собой марковский случайный процесс с дискретными состояниями системы массового обслуживания (СМО) и непрерывным временем [20]. Для математического описания изменения состояний СМО используют равнения Колмогорова [20], которые для описываемого случая имеют вид:
АЛ,1 = ЛА,0;
PA,n " Pn^n,0;
Р0 • Pi • ... • P, ■ ... • Pn = 1 Решая систему уравнений, получим:
P^Ki = PiMi,o;
n
-1
P0 =
1 +
Л),1
+... + ■
Л0
■ +... + -
Л0
л-1
М,.
М,
i,0
м,
; Pr =
Л),1
n,1 J
м,
■P0.
(4)
i,0
Коэффициент готовности Кг определяется как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается [8] (т.е. в
периоды плановых ТОиР). Поэтому Кг может быть рассчитан как вероятность пребывания машины в состояниях: работоспособном ро и в плановых технических обслуживаниях и ремонтах:
Кг = Ро +t Р• • (5)
1
Коэффициент технического использования Кти рассматривается как отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период [8]. Поэтому вероятность состояния нахождения машины в работоспособном состоянии ро можно рассматривать как Кти .
15 Расчет вероятностей состояний
16 Машина работоспособна: р[;= 0,78534
CD СО --J Вид машин Вид ТОиР Номера состояний, г Вероятности состояний
20 ТО-1 1 0.024
21 ТО-2 2 0.009
22 СО 3 0f006
23 Экскаваторы одноковшовые с гидравлическим приводом: на Т (В том числе: ТО-3) 4 0f031
24 базе пневмоколесного трактора. К 5 0,010
25 2-й размерной группы, с ковшом HP 6 0.181
26 вместимостью 0,25—0.4 мЗ Вероятность пребывания машины в нераб отоспособном состоянии 0,262
27 Коэффициент готовности КГ = Р0+Р1+—+Р5 0.866
28 Коэффициент технического использования Кти= 0.785
Рис. 9. Расчет показателей надежности по вероятностям состояний машин
на первом году эксплуатации
Fig. 9. Calculation of reliability indicators based on the probabilities of machine states
in the first year of operation
На рис. 9 представлены результаты расчета в Excel показателей надежности по вероятностям состояний машин в процессе эксплуатации на первом году эксплуатации. Количество состояний выбрано равным шести, что отвечает задаче исследования. Рис. 10 содержит графическое изображение решения уравнения (2) для различных сроков эксплуатации. Необходимо отметить, что оба варианта расчета дают одинаковые результаты расчета уровня работоспособности машин, так как рассматривают одни и те же состояния с одинаковыми ин-тенсивностями перехода. В первом варианте для расчета ро используется та же формула (4), что и во втором, только не выраженная в явном аналитическом виде.
Рис. 10. Результаты расчета вероятности пребывания машины в работоспособном состоянии в зависимости от ее возраста
Fig. 10. Results of calculating the probability of a machine being in working condition depending on its age
Выводы
1. Разработанный метод оценки уровня работоспособности строительных транспортно-технологических машин позволяет рассчитать значение большинства показателей надежности, описывающих техническое состояние машины, в том числе, время нахождения в работоспособном состоянии в зависимости от ее возраста по имеющейся у предприятий эксплуатационной информации.
2. Метод предусматривает: анализ снижения годовой наработки машин вследствие проведения неплановых ремонтов, количество которых увеличивается с возрастом машины; корректировку количества годовых плановых мероприятий ТОиР вследствие сокращения годовой наработки; расчет показателей надежности на основании информации по простоям в ремонтах.
3. Метод реализуется в общедоступной математической среде MS Excel, прост в использовании и может применяться на предприятиях по эксплуатации транспортно-технологиче-ских машин строительства.
4. Метод может быть применен и для любых других технических объектов с использованием соответствующих нормативных документов по ТОиР.
Статья написана при финансовой поддержке выполнения научно-исследовательских работ
научно-педагогическими работниками управлением научной работы СПбГАСУ в 2023 г.
Библиографический список
1. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения. - М.: Стандартинформ, 2016. - 22 с.
2. State Standard of Russia (2009). ГОСТ Р 27.001-2009 Надежность в технике (ССНТ). Система управления надежностью. - М.: Стандартинформ, 2010. - 9 с.
3. Каракулев, А.В. Организация технического обслуживания и ремонта машин в условиях Севера А.В. Каракулев, Г.Н. Кирилов. - Л.: Стройиздат, 1978. - 168 с.
4. Моудрэй Д. Техническое обслуживание, ориентированное на надежность. Книга RCM II / Д. Моудрэй - СПб: Надежная Книга, 2018. - 448 с.
5. Jesus R. Reliability Centered Maintenance / - Reengineered: Practical Optimization of the RCM Process with RCM-R. CRC Press / Jesus R. Sifonte, James V. Reyes-Picknell. 2017. - 349 p.
6. Чечуев, В.Е. Методика оптимизации парка машин крупной дорожно-строительной организации. Дисс на соиск уч степ канд техн наук по спец 05.05.04 - СПб: СПбГАСУ. 2022. - 168 с.
7. Shao-Fei Jiang. Structural Reliability Assessment by Integrating Sensitivity Analysis and Support Vector Machine / Shao-Fei Jiang, Da-Bao Fu, Si-Yao Wu // Mathematical Problems in Engineering. Volume 2014 (2014). Article ID 586191, 6 pages, http://dx.doi.org/10.1155/2014/586191.
8. Repin, S. Optimizing the service life of plant machinery and vehicles using information system for management of engineering status / S. Repin, S. Evtjukov, J. Rajczyk // Architecture and Engineering. 2016. 1(2). http://aej.spb- gasu.ru/index. php/AE/artic- le/view/30.
9. Repin, S. Substantiation of the Replacement Interval of Construction Machines by the Target Reliability Level / S. Repin, A. Zazykin, N. Krotova // Architecture and Engineering. 2017. V. 2. № 1. Pp. 51-60.
10. Иорш, В.И. Управление ремонтами, ориентированное на надежность / В.И. Иорш, И.Э. Крюков, И.Н. Антоненко // Промышленность и безопасность. 2011. № 7. C. 50-53.
11. Ефремов, Л.В. Проблемы управления надежностно-ориентированной технической эксплуатацией машин / Л.В. Ефремов. - СПб.: Art-Xpress, 2015. - 206 с.
12. Ицкович, А.А. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию / А.А. Ицкович, Н.Н. Смирнов. - М.: Транспорт, 1980. - 232 с.
13. Малкин, В.С. Техническая эксплуатация автомобилей: Теоретические и практические аспекты: учебное пособие, В.С. Малкин. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.
14. Bujaczek*1, R. Agricultural machines maintenance and repair services in Western Pomerania / R. Bu-jaczek*1, K. Slawinski1, A. Grieger // Technical Sciences. 2013 № 16 (1). Pp. 13-18.
15. Антоненко, И.Н. Об одной надежностной задаче и ее решении в информационной системе / И.Н. Антоненко, М.И. Беляков // Автоматизация в промышленности. 2015. № 8. С.18-21.
16. Matvienko, G. Modeling and fracture criteria in current problems of strength, survivability and machine safety // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2014. V. 43. Issue 3. Pp. 242-249.
17. МДС 12-8.2007. Рекомендации по организации технического обслуживания и ремонта строительных машин. МДС 12-8.2007 / ЦНИИОМТП. - М.: ФГУП ЦПП, 2007. -70 с.
18. МДС 12-13.2003. Механизация строительства. Годовые режимы работы строительных машин. МДС 12-13.2003/ ЦНИИОМТП. - М.: ФГУП ЦПП, 2003. - 28 с.
19. Репин, С.В. Надежность и эффективность эксплуатации транспортно-технологических машин / С.В. Репин, С.А. Евтюков, А.В. Зазыкин, К.В. Рулис - СПб.: «Петрополис», 2017. - 404 с.
20. Саати, Т.Л. Элементы теории массового обслуживания / Т.Л. Саати. - М.: Советское радио. -1971. - 520 с.
Дата поступления в редакцию: 03.08.2023
Дата принятия к публикации: 11.11.2023
