CC BY
76
------------------------------------- © В.В. Павлов, А.Т. Гурьев,
Е.А. Деменкова, 2009
УДК: 62-7:510.67
В.В. Павлов, А. Т. Гурьев, Е.А. Деменкова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Изложены подходы к моделированию процессов эксплуатации технологических машин. Представлена формализованная модель структуры технологической машины с использованием аппарата полихроматических множеств и графов. В данной модели предлагается использовать классификацию свойств изделия в виде наборов контуров. Модель изделия представляется конструктивной схемой членения в виде иерархического графа-дерева с определенными свойствами вершин. Ключевые слова: моделированию процессов эксплуатации технологических машин, техническое обслуживание и ремонт, схема членения, восстановления работоспособности.
~П ажнейшими средствами обеспечения работоспособного
-М-Р состояния технологических и транспортных машин лесопромышленного комплекса в процессе эксплуатации являются своевременное и высококачественное техническое обслуживание и ремонт. Поддержание техники в исправном состоянии должно сопровождаться минимальными экономическими потерями за счет организации процессов контроля работоспособности, технического обслуживания и ремонта. Внедрение интеграционных подходов по организации сопровождения работоспособного состояния технологических машин ЛПК в рамках их жизненного цикла является одним из перспективных путей повышения эффективности эксплуатации транспортных и технологических машин лесопромышленного комплекса. Поэтому, разработка моделей, методов и алгоритмов контроля работоспособности, технического обслуживания и ремонта машин ЛПК является актуальной задачей.
При моделировании процессов технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) необходимо учитывать специфичные условия эксплуатации и специфику проведения технического обслуживания (ТО) технологических машин ЛПК. Именно для таких машин характерно проведение ряда операций ТО в полевых условиях вдали от населенных пунктов. Поэтому для эффективной эксплуатации
технологических машин процессы технического обслуживания должны быть адаптированы для условий их эксплуатации.
Кроме того, эффективная эксплуатация технологической машины требует организации непрерывного обмена данными между предприятиями, принимающими участие ее жизненном цикле. То есть, необходима единая информационная среда, реализующая сбор, анализ и обмен информацией. Для ее организации необходима разработка и изучение следующих моделей: модели изделия, модели процессов и систем конструкторской подготовки производства и технологической подготовки производства, модели процессов производства, модели процессов эксплуатации и ремонта. Взаимосвязь между этапами жизненного цикла технологической машины представлена на рис. 1. Причем в каждой из данных моделей должны быть отражены определенные свойства, взаимосвязь между которыми и позволит проводить анализ системы и выработку рекомендаций по проведению ТО и Р. Данные математические модели описывают структуру технологической машины ЛПК и учитывают ее специфику в процессе эксплуатации.
Формализованная модель структуры технологической машины представлена с использованием аппарата дискретной математики, в частности полихроматических множеств и графов. При использовании аппарата П-множеств и ПС-графов на теоретикомножественном уровне структура изделия А описывается синергетическим полихроматическим множеством вида
ад = (А, F(A), [адхад]), (1)
содержит состав элементов схемы членения - множество А, набор контуров множества А - F(A), а так же взаимосвязь контуров между собой - булеву матрицу [F(A)хF(A)].
Для данной модели предлагается использовать следующую классификацию свойств изделия. Набор контуров состоит F(A) = {ЩЛУ, F(A)II, F(A)III, F(A)IV, F(A)V, F(A)VI, F(A)Ш, F(A)ШI), где все контуры изделия представлены группами, учитывающими различные факторы в процессе эксплуатации изделия: F(A)I - геоклима-тические и биологические факторы; F(A)II - факторы функционального назначения; F(A)III - влияние на работоспособность изделия; F(A)IV - восстанавливаемость полезных
А
материальные потоки; информационные потоки.
Схема взаимосвязи этапов жизненного цикла изделия: А - система целеопределения; D - система конструкторской подготовки производства и технологической подготовки производства; Р - производство; М - система распределения; С - эксплуатация; R - утилизация
свойств; F(A)V - способ восстановления; F(A)VI - условия восстановления (способ организации восстановления); F(A)Ш - ремонтопригодность, F(A)ШI - конструкторско-технологические свойства.
Каждая группа в свою очередь задается своим подмножеством свойств. Так F(A)I = (В¡, В12, В 3, В 4, В 5 ...), где В 2 - сезон, В12 -температура окружающей среды; F3 - тип почвы; F4 - преобладающая порода, В15 - удаленность работ и т.п. Множества элементов конструкции, их персональных цветов и унитарных цветов моделируют структуру изделия лесного машиностроения.
Наиболее полную информацию об изделии машиностроения лесного комплекса, его структуре и свойствах содержит описание изделия в виде
S(A) = (A, В(а), F(A), [F(A)хF(A)], [AхF(а)], [AхF(A)], [AхA(F)]).
(2)
Данное описание включает в себя кроме состава элементов изделия А, множества персональных и унитарных свойств В(а), В(Л) и их взаимосвязи [В^хВ^)] еще и булевы матрицы || с— || = ^хВ^)], где с— = 1, если на существование унитарного цвета Fj(А) влияет наличие в конструкции изделия элемента агеА; в противном случае с— = 0. Состав элементов конструкции изделия, при наличии которых унитарный цвет в В(Л) существует, называется телом Ak(Fj■) этого унитарного цвета. Состав всех тел унитарных цветов изделия описывается булевой матрицей тел этих цветов || с^ || = [AхA(F)], где сг(к) = 1, если агеА^), А^) с А(Р), и сг(к) = 0 - в противном случае.
Особо важную роль в процессе эксплуатации изделия имеют связи между элементами конструкции и их свойствами. Эти связи различны по своей природе. Связи описываются с помощью математического аппарата теории полихроматических множеств и графов или гиперграфов. Полихроматический граф ПС представляется в виде
ПС = (С, ВС), ША, Шс), (3)
где С - описание инцидентности между вершинами и рёбрами ПС-графа в виде обычного графа С = ^, С); В(С) - унитарная раскраска ПС-графа, определяемая в виде функции, аргументом которой является раскраска В(Л) полихроматического множества вершин ПSA , соответствующее конструкторско-технологическим и другим свойствам машины, влияющим на процессы технического обслу-
живания и ремонтных работ и дуг ^с, определяющих конструктивные, эксплуатационные и другие связи между элементами конструкции изделия.
Модель изделия представляется конструктивной схемой членения в виде иерархического графа-дерева с определенными свойствами вершин.
Для моделирования процессов технического обслуживания и ремонта разработаны частные модели изделия, которые описывают свойства и структуру изделия применительно к решению отдельных задач эксплуатации изделия [5]. При моделировании процессов восстановления работоспособности (системы ремонта) каждая из частных моделей описывает набор элементов, подлежащих воздействию в ходе ремонта и других специализированных операций. Уровень абстрагирования при разработке частных моделей специально адаптирован для процесса восстановления работоспособности.
На теоретико-множественном уровне процесс восстановления работоспособности реализуется набором соответствующих контуров. Данные контуры являются исходной информацией для подбора технологических операторов, соответствующих операциям восстановления работоспособности и необходимого оборудования для осуществления этих операций. Варианты наборов операций и выбранного оборудования и инструментов далее подлежат оценке с целью выбора наилучшего из них.
Процессы восстановления работоспособности подразделяются на два вида - обязательные мероприятия процесса технического обслуживания (замена элементов, выработавших свой ресурс, регулировка) и процессы, связанные с восстановлением работоспособности узлов и элементов, потерявших свою функциональность. Таким образом, целесообразно разделить систему восстановления работоспособности на две подсистемы: подсистему ТО и подсистему ремонта. Исходной информацией для выбора подсистемы является вектор УЫ - результат работы системы контроля работоспособности. Система восстановления работоспособности необходима только в том случае, если результат контроля - значение вектора
= 0. В противном случае изделие готово к эксплуатации, т.к. его состояние работоспособное.
Для моделирования процессов восстановления в ранее представленной модели изделия А имеются соответствующие контуры
(контурами технического обслуживания и контурами ремонта). К контурам ТО В- относятся такие свойства элементов модели, как ресурс элемента изделия, объем рабочей жидкости и др. К контурам ремонта Вкв относятся такие свойства, как механические повреждения и др.
Связь между контурами контроля Вгд, контурами ТО В- и контурами ремонта Вкв устанавливается исходя из конструкции конкретного изделия лесопромышленного комплекса. В модели данная взаимосвязь задается булевыми матрицами [Вгд х В-с] и [Вгд х Вкв]. Конкретные значения контуров контроля В? определяют поступление изделия или в подсистему ТО или в подсистему ремонта. Начинают выбор необходимой подсистемы с анализа в подсистеме ТО. Возможен вариант необходимости как подсистемы ТО, так и подсистемы ремонта.
Контуры ТО выделяются согласно регламента проведения технического обслуживания конкретного изделия. Так, например, контурами ТО погрузчика леса СФ65С являются объем рабочей жидкости в гидросистеме и др. Для моделирования процессов ТО определена взаимосвязь данных контуров с контурами контроля.
Контуры В- определяют операции ТО. Операциями ТО будут такие, как замена фильтра (В5с), смазка (В3с) и др. По частным моделям путем их развертки и использования связи между отдельными видами контуров определяют объекты воздействия изделия. Далее изделие снова поступает в систему контроля, т.е. формируется новый вектор результата технического обслуживания.
Контуры ремонта определяются исходя из документации об изделии. Так, например, контурами ремонта погрузчика леса СФ65С являются механические повреждения, герметичность и др. Контуры В-в определяют операции ремонта. По частным моделям путем их развертки и использования связи между отдельными видами контуров определяют объекты воздействия изделия. Далее изделие снова поступает в систему контроля, т.е. формируется новый вектор результата ремонта.
На теоретико-множественном уровне модель процессов системы восстановления работоспособности формально аналогична модели системы контроля и задается множеством операторных модулей Р = Т и П, каждый из которых состоит из множества операций Т = ^¡, ..., ^, ..., tr), и множества материальных объектов, необходимых для выполнения операций П = (щ, ..., л-,..., л„). При-
менительно к подсистемам ТО и ремонта операциями множества Т будут, например, восстановление требуемого объема рабочей жидкости, замена фильтра высокого давления и др. Материальными объектами множества П будут, например, рабочая жидкость гидросистемы, ЗИП и др.
Для моделирования процессов ремонта модель изделия необходимо расширить свойствами, описывающими геометрические характеристики элементов изделия и параметры, определяющие технологию изготовления элементов. Эти же свойства характеризуют возможности инструмента и оборудования подсистемы ремонта изделия лесопромышленного комплекса. Например, такими контурами будут плоская поверхность, торец, наружная поверхность вращения, круглое отверстие, фасонная поверхность, паз прямолинейный сквозной, паз прямолинейный глухой, паз криволинейный. Данные контуры выделяют при использовании конструкторской и технологической документации.
Состав контуров производственной системы, взаимодействующей с контурами объектов восстановления, равен г г
В(Р) = В(Т) = vF(pk) = vF(tk) (4)
к=1 к=1
Для проведения восстановительных работ изделия А с составом контуров F(A) в данной производственной системе необходимо, чтобы
В(А) с В(Р), В(А) с В(Т) (5)
или на логическом уровне
В(А) = В(Р) л В(А) = В(Т) л В(А). (6)
Исходной информацией выступает вектор (/ = 1 ..5) с набором определенных значений. Тот компонент вектора, который имеет нулевое значение и нуждается в восстановлении. Вектор может иметь не одно, а несколько нулевых значений и нуждаться в восстановлении нескольких свойств.
Восстановление утраченных свойств, выявленных в результате контроля, может быть произведено независимо друг от друга, поэтому форма связи между нарушенными контурами изделия дизъюнктивная.
При дизъюнктивной форме связи контуров изделия А и модели производственной системы восстановления работоспособности для преобразующего контура Fj(tk) оператора, взаимодействующего с контуром ^(А) изделия, принимаются следующие логические значения: Fj(tk) = 1, если оператор tk реализует контур Fj(А), и Fj(tk) = 0
- в противном случае.
Воздействие контуров технологического оператора на преобразуемые контуры изделия при дизъюнктивной форме связи определяется по формуле:
F(А)k = ^(А)к-і V F(tk)) л F(А), (7)
где F(A) служит для исключения контуров, не принадлежащих А Поскольку между контурами F(A) могут быть логические связи по условиям их существования, после вычисления F(А)k по формуле (4.4) необходимо определить контуры, не входящие в F(А)k, но реализуемые из-за логических связей внутри F(А), и включить их в состав F(А)k. Технологические возможности оператора 4 характеризуются следующими группами контуров:
контуры, которые могут быть реализованы оператором tk F(A)Ik_ = F(A)k_l л F(tk) л F(A), (8)
где F(A)k-1 - результат инверсии вектора F(А)k-1;
контуры, которые не могут быть реализованы оператором tk F(A)IIk = F(A)k_l л F(tk) л F(A), (9)
где F(tk) - результат инверсии вектора F(tk);
контуры, которые уже реализованы, но могли бы быть реализованы оператором tk, определяются по формуле F(A)IIIk = F(A)k_l л F(tk)■;
(10)
контуры, которые уже реализованы, но не могли бы быть реализованы оператором tk, определяются по формуле
^у^адГі л р ш р фру (її)
Технологический оператор tk может быть использован для восстановления работоспособности изделия А только при условии F(A)Ik Ф 0. Если известна совокупность Ті операторов, то состав контуров F(Tl), которые могут быть реализованы данной совокупностью операторов, определяется по формуле (4). Этот состав контуров достаточен для проведения ремонтных работ изделия А при условии (5); если данное условие не выполняется, в дополнение к
Т можно взять другие совокупности операторов из множества TJ = { Т, ..., Т }, такие, что
В^) = В(Т) л В^), (12)
где В(Т) = В(Т) V В(Т-) V ... V В(Т); (13)
тогда состав операторов, входящих Тг, Т-, ...,Ти будет доста-
точным для проведения работ по восстановлению работоспособности изделия А. На теоретико-множественном уровне представления отношению (12) соответствует отношение, аналогичное (5), а отношению (13) соответствует
В(Т) = В(Т) и В(Т) и ... и В(Т); (14)
Для моделирования производственной системы восстановления работоспособности изделия лесопромышленного комплекса (как ТО, так и ремонта) можно использовать табличные модели системы ИСТРА.
Табличная модель ТАМД1А имеет дизъюнктивную матрицу контуров МЫ=[Р х В(Р)]. Контуры изделия Ai могут быть реализованы независимо друг от друга разными элементами ркеР, то есть, отношение между составом контуров изделия и контурами порождающей модели соответствует
т
В(Рк ) = V ^. (15)
1=1
Исходные данные - булевы векторы VLi=F(Ai)0 и VLe=F(Ai) исходного, полученного по результатам контроля, и требуемого конечного состояния контуров изделия. Упорядоченный набор Рг элементов производственной системы реализующих контуры изделия получают следующим образом:
1) начиная с первой строки рассматривают очередную к-ую строку матрицы контуров МЫ;
2) предшествующее состояние F(Ai)k-1 контуров изделия заменяют инверсией В (А1) к _1 и по формуле
В (Л) к = У(Л) к_х л В (/к) л В Ц), (16)
дополненной вектором КЫе, вычисляют F(A) к. Если F(A) к Ф 0, то рк участвует в реализации контуров изделия - включают рк в Рг и переходят к пункту 3; если = 0, то возвращаются к пункту 1;
3) по формуле
В (А = (В V В (/к )) л В Ц) (17)
вычисляют F(A)k и проверяют, все ли контуры изделия реализованы. Если F(A)k = F(Ai), то вычисления заканчиваются - требуемая последовательность Pi сформирована; если F(Ai)k Ф F(Ai), то возвращаются к пункту 1.
--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Павлов В.В. Структурное моделирование в CALS-технологиях. - М.: Наука, 2006. - С. 307.
2. Павлов В.В. CALS-технологии в машиностроении (математические модели). Под редакцией Ю.М. Соломенцева. - М.: ИЦ МГТУ СТАНКИН, 2002. - С. 328.
3. Технологичность конструкции изделия: Справочник/ Амиров Ю.Д., Алферова Т.К., Волков П.Н. и др.; Под общей редакцией Амирова Ю.Д. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 768.
4. Павлов В.В. Структурное моделирование производственных систем. - М.: ИЦ МГТУ СТАНКИН, 1987. - С. 80.
5. САПР. Типовые математические модели объектов проектирования в машиностроении/ Методические указания РД 50-464-84. - М.: Изд. стандартов, 1985. 201 с. шгЛ
V. V. Pavlov, A T. Gur'ev, Е.А. Demenkova
MODELLING OF EXPLOITATION OF TECHNOLOGICAL CARS
There are approaches about modelling of exploitation processes of technological cars in article. The formalized model of structure of the technological car with using of the device of polychromatic sets and counts is presented. In the given model it is offered to use classification of properties of a product in the form of contours sets. The model represents the constructive scheme of partitioning in the form of the hierarchical count-tree with certain properties of tops.
Key words: modeling the exploitation processes of the technological machines, technological services and the repair works, segmentation scheme, efficiency restoration
— Коротко об авторах ----------------------------------------------
Павлов В.В. - заведующий кафедрой технологического проектирования Московского государственного технологического университета «СТАНКИН», доктор технических наук, профессор,
Гурьев А.Т. - директор Института информационных технологий Архангельского государственного технического университета, заведующий кафедрой информационных технологий Архангельского государственного университета, кандидат технических наук, доцент,
Деменкова (Кузнецова) Е.А. - старший преподаватель кафедры информационных технологий Архангельского государственного технического университета.
