Методика оптимизации срока службы строительных машин наоснове данных эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Sciences of Europe # 33, (2018)

61

МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ СРОКА СЛУЖБЫ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Репин С.В.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

д-р техн. наук, профессор Зазыкин А.В.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

канд. техн. наук, доцент Евтюков С.С.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,

канд. техн. наук, доцент Чечуев В.Е.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, аспирант

TECHNIQUE OF OPTIMIZATION OF LIFE CYCLE OF CONSTRUCTION MACHINES ON THE BASIS OF DATA OF OPERATION

Repin S.V.

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Dr. Sci. Tech., Professor Zazykin A. V.

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, PhD in Sci. Tech.,

Associate Professor Evtyukov S.S.

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, PhD in Sci. Tech.,

Associate Professor Chechuyev V.E.

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, graduate student

АННОТАЦИЯ

Представлена методика расчета некоторых показателей надежности и оптимального срока службы строительных машин по экономическим характеристикам: минимальным удельным приведенным затратам на эксплуатацию машины и максимальной прибыли за срок службы. Представлены результаты расчетов для реальных условий эксплуатации. ABSTRACT

The presented methods of the calculation of the leading indexes to reliability to usages and optimum lifetime of the building machines on economic feature: minimum specific brought expenses on usage of the machine and maximum arrived for lifetime. The presented results calculation for real conditions of the usages.

Ключевые слова: строительные машины, срок службы, эксплуатация, наработка, работоспособность, коэффициент готовности, прибыль, рентабельность, оптимизация.

Keywords: construction machines, life cycle, operation, operating time, working capacity, availability quotient, profit, profitability, optimization.

Постановка проблемы

Анализ эксплуатации техники в строительных организациях г. Санкт-Петербурга показал весьма низкие показатели эффективности ее использования - внеплановые простои машин достигают 30% фонда рабочего времени. Причем схожая ситуация наблюдалась в относительно благополучных строительных фирмах с молодым парком техники [1].

Эффективное применение такой сложной техники, как строительные машины требует серьезных теоретических знаний, для решения таких инженерных задач как:

- управление технической эксплуатацией машин, парков машин и других сложных технических объектов, таких как технологические линии заводов по производству строительных материалов и конструкций;

- расчет сроков службы машин;

- оценка целесообразности проведения капитальных ремонтов;

- сравнение вариантов приобретения техники;

- оптимальное формирование парков техники по заданным показателям;

- применение автоматизированных информационных систем и пр.

В данной статье рассматривается один из вопросов, а именно, вопрос управления сроками службы машин.

Управление сроками службы машин производится с целью получения заданных показателей функционирования парка техники с учетом условий эксплуатации и системы обеспечения его работоспособности. Показатели могут быть надежностными (интенсивность отказов, коэффициент готовности) и технико-экономическими (объем

62

ЗаепсеБ of Еигоре # 33, (2018)

выпущенной продукции, затраты, прибыль, рентабельность).

Анализ последних исследований и публикаций

Исследованиям моделей эксплуатации машин, управления сроками службы машин, старения машин, моделей наработки посвящено много работ [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Основными из них являются [2, 3, 4,

5].

Однако, давая отдельные ответы на вопросы управления сроками службы машин, остается не решенным вопрос взаимосвязи надежностных и экономических показателей.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы

Таким образом, имеется широкий спектр работ, рассматривающих отдельно надежностные и технико-экономические показатели функционирования парка машин, но не дающих целостную методику оптимизации срока службы машин на основе связи этих показателей.

Попытка решить данную задачу и предпринята в настоящей статье.

Цель исследований

Цель данного исследования - разработка методики оптимизации срока службы строительных машин на основе данных эксплуатации, позволяющей связать надежностные и технико-экономические показатели, являющиеся критериями оптимизации парка машин.

Изложение основного материала

Одним из основных надежностных показателей, позволяющих оценить уровень использования фонда рабочего времени строительных машин, является коэффициент технической готовности (Кг).

Коэффициент готовности показывает вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в данный момент времени (при выборе рассматриваемого момента времени могут исключаться планируемые периоды, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается) [8].

Коэффициент технической готовности является комплексным показателем надежности. Он достаточно хорошо учитывает безотказность, так как простои машин в техническом обслуживании и ремонтах непосредственно зависят от количества возникающих отказов, их вида и сложности устранения. Кроме того, данный коэффициент отражает также долговечность агрегатов, узлов и деталей, так как с ростом их срока службы уменьшаются количество ремонтных воздействий и трудоемкость обслуживающих и ремонтных работ.

В какой-то мере Кг учитывает ремонтопригодность: ведь чем выше ремонтопригодность, тем меньше затраты времени на обнаружение отказов и устранение неисправностей и соответственно меньше время простоев машины в ремонте и обслуживании.

Коэффициент готовности Кг описывает состояние парка, рассчитанное по соотношению продол-жительностей работоспособного и неработоспособного состояний за определенный довольно значительный промежуток времени, или в контрольный момент времени. Насколько гарантированно парк машин способен выполнить поставленную задачу по параметру безотказности (отработать безотказно заданный промежуток времени).

н.н

Т Т Т

Т р.р.э Т р.р.н Т р.н.п

ТТ

± р.н.н ± н.н.п

* н.н.н

Рис. 1. Дерево возможных состояний машины в процессе ее эксплуатации

Для оценки воздействия различных факторов на Кг рассмотрим дерево возможных состояний (рис. 1), в которых может находиться машина [2]. На рисунке приняты следующие обозначения: Т - календарная продолжительность планируемой эксплуатации машины (день, месяц, квартал, год); Тр - рабочее временя (планируемый фонд рабочего времени машины); Тн - нерабочее время (планируемое межсменное время); Трр - пребывание машины в работоспособном состоянии в рабочее время; Трн - пребывание машины в неработоспособном состоянии в рабочее время; Тнр - пребывание машины в работоспособном состоянии в нерабочее время; Тнн - пребывание машины в неработоспособном состоянии в нерабочее время; Трр.э - рабочее временя, в течение которого машина

находится в работоспособном состоянии и эксплуатируется; Тр.р.н - рабочее временя, в течение которого машина находится в работоспособном состоянии, но не эксплуатируется; Тр.н.п - рабочее время, в течение которого машина находится на плановом техническом обслуживании (ТО) или в ремонте; Тр.н.н - рабочее время, в течение которого машина находится на неплановом ремонте; Тн.н.п - нерабочее время, в течение которого машина находится на плановом ТО или в ремонте; Тн.н.н - нерабочее время, в течение которого машина находится на неплановом ТО или в ремонте.

Исходя их схемы дерева возможных состояний машины (см. рис. 1) [2] коэффициент технической готовности можно представить в виде:

Кг(0

или

_ Гр.р(^)

со

_ Гр.р(^)

(1)

ад = г (2)

Уровень восстановления работоспособности, выраженный в коэффициенте готовности, после высококачественного капитального ремонта (КР) составляет 80-90% новой машины или после предыдущего КР. Производительность с каждым КР снижается на 5...10%.

Анализом эксплуатации автомобилей [2] установлено, что уменьшение Kт(f) и наработки 7рр(г) по мере старения машин может быть описано экспоненциальным законом:

7р.р(0 = 7р.р(1)^хр(-&а), (3) Кг(0 = ехр(-р4-0, (4)

*т.и (0 = *п.п(0^ехр(-р4а) (5) где t - возраст машины, месяцы, годы; рг - параметр, характеризующий падение наработки с возрастом машины (параметр «старения» машины), мес-1, год-1; 7р.р(1) - наработка новой машины за первый месяц (год), машино-часы (маш.-ч); Кти(г), Кп.п(г) - коэффициент технического использования и планируемого применения.

Для автомобилей параметр рг = 0,085 год-1 [2]. Анализ возрастных изменений технического состояния строительных машин [3, 4] указывает на линейный характер падения Кти(г) с интенсивностью 1,4...4 % в год. Однако эти линейные зависимости достаточно хорошо (с адекватностью 0,92.0,98) описываются выражением (4) с параметром р =

а)

р

7р.р(1)

7р.н.п(0 7р.н.н(г)

0,012.0,048 год-1 (параметр старения по наработке рг, что позволяет применять зависимость (4) и для исследования эксплуатации строительных машин.

Суммарное время простоев увеличивается со временем и может быть рассчитано, исходя из выражения:

^(0 = ^(1)-^«, (6) причем, как указывалось выше,

(О = Гр .н.п (О + Гр .н.н (О, (7)

7р.н.н(0 = 0,4 • 7р,н(0. (8)

Продолжительность пребывания в неплановых ремонтах зависит от количества данных ремонтов НР(t) за расчетный период, трудоемкости ремонтных работ 7нр по восстановлению работоспособности машины после внезапного отказа (среднее значение 7НР для экскаваторов равно 16,6 чел-ч, для бульдозеров - 11,0 чел-ч [4]) и числа рабочих Жр в ремонтной бригаде:

тр.н.н(0 = НР(0 • ГВ (9) где 7В = 7НР /Мр - время восстановления работоспособности машины после внезапного отказа (показатель ремонтопригодности). Выражение (9) позволяет найти количество НР за расчетный период времени:

НР(0 = 7р.н.н(^)/^В. (10) На рис. 2 и далее представлены графически результаты расчетов в Mathcad показателей для реальных условий эксплуатации экскаватора ЭО-4125 по данным Управления механизации №4 г. Санкт-Петербурга за 2004 год.

б)

К 1

к.

0

и г

0

к г

Рис. 2. Изменение характеристик работоспособности строительных машин в процессе эксплуатации, а - наработки; б - показателей технической эксплуатации

Динамика отношения 7р.р(г)/7р.р(1) характеризует изменение коэффициента готовности машины.

Кг изменяется по времени от единицы (считаем, что в первый месяц эксплуатации новая машина, прошедшая приработку, не требует непланового ремонта) до значения К"™1" на месяц списания гс (рис. 2). Значению ^гт1П соответствует минимальное значение наработки 7тт = 7р.р(£с).

Теперь найдем еще ряд показателей надежности (рис. 3):

- среднюю наработку на отказ:

Гот(0 = ?р.р(0/НР (О, маш.-ч; (11)

- приведенную интенсивность отказов [5]:

Л(0 = 1/(7-от(0 + 7В), ч-1; (12)

- вероятность безотказной работы на отрезке времени А7:

Р(£, Д7) = ехр(-Л(С) • Д7). (13)

64

8аепсеБ of Еигоре # 33, (2018)

а)

б)

в)

ТоТ(0, маш.-ч 600

400 -

200 -

0

0,02 0,01 0

РЦЛТ)

0,8 I-0,6

0,2 I-0

2

0,4 -

3

4

5 10 I, год 0 5 10 I, год 0

5 10 I, год

Рис. 3. Зависимость показателей надежности от срока службы экскаватора: а - наработки на отказ Тот(1); б - приведенной интенсивности отказов Лф; в - вероятности безотказной работы за определенный период времени АТ, равный: 1 - 50, 2 - 100, 3 - 200, 4 - 500 маш.-ч

Итак, найденные показатели надежности позволяют достаточно полно представить картину старения машины и показывают, какую отдачу можно ожидать от техники на определенном отрезке времени ее эксплуатации.

Оптимальные значения данных показателей соответствуют оптимальному сроку службы машины. В качестве критерия оптимизации обычно принимают минимальные удельные затраты на эксплуатацию машины или максимальную прибыль за срок службы.

Найдем минимальные удельные затраты, приходящиеся на машино-час работы машины. Минимальное значение коэффициента готовности К"™1" машины имеет место при ее списании в момент времени и (рис. 2). Среднее значение Кт за время и составит:

^тт

(14)

17 !-кт

КТ =

Рг*с

Затраты на эксплуатацию возрастают по мере старения машины. Анализ исследований [1, 2, 3, 4, 5], посвященных данному вопросу, показывает, что увеличение затрат по времени можно описать выражением:

700

сг

г{Ь) = г(1) ■ ехр(/?2 • £:), руб./маш.-ч, (15) где х(\) - затраты на эксплуатацию новой машины за первый год (месяц), руб./маш.-ч; |32 - параметр, характеризующий увеличение затрат на эксплуатацию с возрастом машины (параметр «старения» машины по затратам), соответствует коэффициенту в в формуле (3, 4 или 5).

С учетом стоимости машины См затраты на содержание, приведенные к машино-часу эксплуатации определяются по формуле (рис. 4):

г

¿' = 2(0+7м, (16)

'с

где Тс = Г(£с) - наработка машины до списания, маш. -ч.

Оптимальные значения показателей надежности, соответствующие найденному сроку списания £:сопт = 9,3 год и определенные по приведенным выше формулам, имеют следующие величины на последний месяц эксплуатации: К"™1" = 0,80, Кт = 0,896, Гт1П = 168 маш.-ч в месяц, Тс = 21000 маш.-ч, Гот(С)= 83 маш.-ч, НР(/) = 22,2 отказов в год, Л(0 = 0,011 ч-1, изменение Р(Т) показано на рис. 5, г' = 582 руб./маш.-ч.

ю ^

а

"и §

а

й 00

650

600

7

550

0 5 10 15 20

Время списания машины 4, год

Рис. 4. Изменение удельных приведенных затрат на эксплуатацию машины в зависимости от срока

списания и

1

0

Р(Т) 0.8

0.6 -

0.4 -

0.2

20 40 60 80 100 Период времени работы АТ, маш.-ч

Рис. 5. Вероятность безотказной работы машины со сроком службы £, продолжительности периода времени работы АТ

с

опт

в зависимости от

Для определения оптимального срока службы машины по максимуму суммарной прибыли от эксплуатации машины необходимо найти выручку В^) и затраты Z(t) как функции времени t эксплуатации. Выручка за месяц эксплуатации машины зависит от цены машино-часа и месячной наработки Тр.р(0 [формула (3)]:

В(0 = Цмаш.-ч -7р.р(0- (17)

Месячные затраты также связаны с наработкой и затратами [формула (15)] на машино-час:

¿(0 = 2(0 • 7р.р(0. (18)

Прибыль П(t) представляет собой разницу выручки В(0 и затрат Z(t):

П(0 = в(0-г(0. (19)

По мере старения машины значение выручки будет падать, т.к. согласно формуле (3) будет уменьшаться наработка машины в единицу времени. Затраты же будут возрастать в соответствии с выражением (15). Максимальная суммарная прибыль будет достигнута в момент времени СП , в

Выручка, затраты, прибыль, р.

-Л

который сравняются выручка и затраты. В течение срока службы суммарная выручка 5В(£) = £ В(£) и суммарные затраты 57(£) = составят сум-

марную прибыль от эксплуатации машины (рис.6): 5П0) = -См + £Б(0 - SZ(t). (20) График суммарной прибыли имеет че-

тыре характерные точки в моменты времени: 0, Хок,

^ и tsп=o. При t = 0 = -См. До момента

П тах

времени окупаемости Хок значение суммарной прибыли остается меньшим нуля. Максимума £П(^ достигает при СП . В этот момент становятся равными величины годовых выручки и затрат. Эксплуатация машины должна быть прекращена ранее времени СП . Дальнейшее использование машины будет приносить убыток, и к моменту Х,5п=0 затраты на поддержание работоспособности старой машины «съедят» всю прибыль.

£Б(0

ш(0

210'

110'

0 _С

См -1107

0

50 Х, год

Рис. 6. Динамика накопленной прибыли за срок службы машины: ББ(.Х), SZ(t), — накопленные выручка и затраты; С„ — стоимость новой машины; Хок — срок окупаемости; ^Птя срок службы по максимуму накопленной прибыли; tsп=0 — срок службы, при котором затраты на поддержание работоспособности машины «съедят» всю прибыль

0

66

Sciences of Europe # 33, (2018)

Таким образом, оптимальный срок службы машины находится в интервале времени от до £Птах Дополнительную информацию по выбору срока службы может дать анализ уровня рентабельности эксплуатации машины:

(21)

«Ю

который является одним из основных экономических показателей.

Задавшись нижним значением Лщт, например 0,3 (рис. 7), получаем максимальный срок службы ^штхП по условию нижнего предела уровня рентабельности, меньший £П .

R(t) 2

0,3

-

1

Ал ^ > 2 К —■ Ч......4..

х: | V U A ^--U, А 4 -L .

0 r/ 10

'Rmax 'опт

30 t, год

tR

Рис. 7. Динамика уровня рентабельности за срок службы машины:

шах - максимальный срок службы по минимально допустимому уровню рентабельности Ятт,'

^пттт^ - оптимальный срок службы по максимальному уровню рентабельности Ктах; линии 1 и 2 соответствуют равномерному и ускоренному (с коэффициентом два) методам расчета

амортизационных отчислений

1

П

Выводы и предложения

Итак, приведенная методика устанавливает связь между рядом основных показателей надежности и экономическими критериями эксплуатации строительных машин. Задавая один из показателей надежности и зная падение наработки по времени, а эта информация всегда фиксируется у эксплуатационников, можно определить не только остальные показатели, но и найти оптимальный срок службы машины или постановки на капитальный ремонт, а также основные экономические характеристики эксплуатации.

В ограниченном объеме статьи нет возможности рассмотреть такие важные вопросы как влияние капитальных ремонтов на показатели эксплуатации или определение оптимального возрастного состава парка машин. Однако данная методика позволяет решать эти вопросы и некоторые другие.

Литература

1. Надежность и эффективность эксплуатации транспортно-технологических машин / Репин С.В., Евтюков С.А., Зазыкин А.В., Рулис К.В. -СПб, Издательский дом «Петрополис».-2017-404с.

2. Прудовский Б.Д., Ухарский В.Б. Управление технической эксплуатацией автомобилей по

нормативным показателям. - М.: Транспорт, 1990. - 240 с.

3. Фролова М.В. Оптимизация сроков службы строительных машин: Учеб. пособие. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1998. - 78с.

4. Бирючев Б.Н. Организация выполнения неплановых ремонтов строительных машин передвижными ремонтными мастерскими: Дис. ... канд. техн. наук: 05.05.04 / Ленингр. Инж-строит.ин-т. -Л., 1986. - 178 с.

5. Сухарев Э.А. Прикладные задачи эксплуатационной надежности машин. Учебное пособие. -Ровно: Издательство УГАВХ, 1999. - 218 с.

6. Trukhanov M. (2008). New approach to calculating the desired reliability of complex systems of special movable facilities //Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Volume 37, Issue 5, pp 530533.

7. Matvienko G. (2014) Modeling and fracture criteria in current problems of strength, survivability and machine safety //Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Volume 43, Issue 3, pp 242-249.

8. ГОСТ 27.002-2015. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2016, 28 с.