CC BY
16
УДК 656.075
С.П. Озорнин, доктор технических наук, профессор кафедры строительных и дорожных машин, ФГБОУ ВО «Забайкальского государственного университета» e-mail: s.ozomin2013.s@ya.rn.
И.А. Тарасов, аспирант кафедры строительных и дорожных машин, ФГБОУ ВО «Забайкальского государственного университета» e-mail: 3022_0602@mail.ru
И.Е. Бердников, аспирант кафедры строительных и дорожных машин, ФГБОУ ВО «Забайкальского государственного университета» e-mail: berdnikov_ie@mail.ru
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЙ ИХ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
В статье приведена методика повышения безопасности и эффективности эксплуатации транспортно-технологических машин в северных районах Российской Федерации. Описана целевая функция оптимизации процесса эксплуатации транспортно-технологических машин в экстремальных климатических условиях. Предложены рекомендации по применению диагностических методов контроля изменений технического состояния с целью прогнозирования и выявления отказов машин. Показано, что повышение безопасности и эффективности эксплуатации машин, а также сокращение затрат на техническое обслуживание и ремонт напрямую зависят от своевременности и качества контроля изменений их технического состояния. В северных условиях актуальность этих мероприятий повышается и обусловлена негативным влиянием низких температур не только на узлы и агрегаты машин, но и на здоровье человека. Риск возникновения ДТП или несчастного случая минимизируется с помощью трехступенчатой системы контроля изменений технического состояния машин. Экономическая целесообразность этой системы объясняется возможностью внесения корректив в стратегию технического сервиса, прогнозируя и выявляя отказы до их наступления. Описанная система технического контроля формирует предпосылки создания регламента замен деталей, лимитирующих надежность как для отечественных, так и для зарубежных машин, а также внедрения информационно-технической поддержки эксплуатации машин.
Ключевые слова: транспортно-технологические машины, безопасность, технический контроль, вероятность отказа, прогнозирование, удаленный мониторинг.
Обеспечение безопасной и эффективной эксплуатации транспортно-технологических машин (ТТМ) в северных условиях Российской Федерации является одной из главных задач их технического сервиса. Экстремальные климатические условия негативно воздействуют как на работу узлов и агрегатов машин в процессе эксплуатации, так и потенциально опасны для здоровья водителей, а в случае внезапного отказа ТТМ являются прямой угрозой для человеческой жизни.
К числу транспортно-технологических машин можно отнести транспортные машины и наземные мобильные технологические машины, транспор-тно-технологические комплексы сельскохозяйственного, строительного, транспортного и транс-портно-технологического назначения.
Требования по эксплуатационной безопасности грузовых автотранспортных средств в северных условиях регламентируются ГОСТ Р 50992-96 «Безопасность транспортных средств при воздействии низких температур окружающей среды». Этот стандарт распространяется на автотранспортные средства (АТС), предназначенные для перевозки пассажиров и грузов по дорогам РФ, и устанавли-
вает общие требования к АТС и их системам, обусловленные низкими температурами внешней среды. Требования стандарта являются обязательными и направлены на обеспечение безопасности движения АТС, безопасности для жизни, здоровья и имущества граждан, а также окружающей среды.
Рекомендованные требования и положения, способствующие снижению издержек при эксплуатации строительных машин в зимний период, изложены в своде правил СП 12-104-2002 «Механизация строительства. Эксплуатация строительных машин в зимний период». Данные правила устанавливает основные положения, регламентирующие особенности эксплуатации строительных машин, смонтированных на базе тракторов, самоходных шасси и автомобилей, имеющих дизельные двигатели, в зимний период при температуре окружающего воздуха только до минус 40 °С, а также в макроклиматических районах с умеренным климатом по ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия».
Главными аспектами повышения безопасности и эффективности ТТМ и оптимизации расходов на их ТО и ремонт в северных районах РФ являются:
использование при низких температурах окружающей среды ТТМ именно «северного исполнения», качественных эксплуатационных материалов при техническом обслуживании, а также водителей и операторов с высоким уровнем квалификации при условии внедрения информационного обеспечения технического сервиса ТТМ.
Целевые функции, описывающие безопасность и эффективность эксплуатации ТТМ в северных условиях, можно записать следующим образом (таблица 1). Для оценки величины остаточного ресурса предлагается использовать методику трехступенчатого контроля изменений технического состояния ТТМ (рисунок 1).
Таблица 1. Целевые функции обеспечения безопасности и эффективности эксплуатации ТТМ
Условие безопасной работы автотранспортных средств Условие эффективной работы технологических машин
Lост ^ Lм, где Ьост - остаточный ресурс автомобиля (км); Ьм - длина предстоящего маршрута (длина рейса, км). 1факт.ост. ^ tост.норм., где 1-ост.ф - фактически остаточный ресурс ТТМ (мото-ч); /норм - остаточный нормативный ресурс ТММ (мото-ч).
Рисунок 1. Трехступенчатый контроль изменений технического состояния ТТМ
Анализ статистических данных предполагает обработку собранных сведений об отказах для конкретного района эксплуатации и моделей ТТМ. Обработка
проводится по методикам прогнозирования надежности, предложенным профессором В.С. Лукинским [6] и профессором А.М. Шейниным [10] (таблица 2).
Таблица 2. Методики прогнозирования надежности ТТМ
Методика профессора В.С. Лукинского Методика профессора А.М. Шейнина
«.(*,)=£ п"{1\ "V '' N-AL где юа(Ц) - значение вероятности возникновения отказа в i-ом интервале пробега; nij - число отказов j-й детали агрегата в i-м интервале пробега; m - число деталей агрегата, у которых зафиксированы отказы; AL - интервал пробега, тыс. км; N - число подконтрольных агрегатов. F(0= 1 -P{t) = j N о - п _ 1 N(t) N0 N0 ' где F(t) - вероятность отказа; P(t) - вероятность безотказной работы; N0 - число объектов, находящихся под наблюдением; n - число отказавших объектов за наработку 0-t; N(t) - число работоспособных объектов при наработке t.
В результате обработки данных об отказах строятся карты надежности и выявляются критические по надежности узлы и детали. На рисунке 2 представлена карта надежности, построенная
для грузовых автотранспортных средств. Для технологических машин она имеет аналогичный вид, только вместо пробега используется шкала «моточасы».
Рисунок 2. Карта надежности узлов грузового автомобиля
Карты надежности составляются с учетом наработки элементов ТТМ на их отказ и замену, что позволяет выявить детали и узлы, требующие повышенного внимания при ТО и ремонте автомобилей [2, 11].
При анализе графической зависимости вероятности возникновения отказа ТТМ необходимо учитывать минимальный пробег, при котором возможен отказ детали, узла или агрегата.
При вероятностях возникновения отказов юа(Ь) > 0,25, или F(t) > 0,25 - ТТМ выпускать на линию или для производства работ не рекомендуется, при та(Ь) > 0,45 или F(t) > 0,45 - запрещается.
Таблица 3. Остаточный ресурс ТТМ
Диагностирование ТТМ на станции технического сервиса является самым достоверным способом выявления остаточного ресурса с минимальной погрешностью. Для этого необходимо знать пробег или наработку ТТМ, предельное и номинальное значение диагностируемого параметра [1, 4, 5]. Остаточный ресурс автотранспортных средств и технологических машин определяется по зависимостям, приведенным в таблице 3.
Для примера, определение остаточного ресурса двигателя ТТМ можно выполнить с использованием данных таблицы 4 [1].
Остаточный ресурс автотранспортных средств Остаточный ресурс технологических машин
^ост= L [(Зп - / - $н)1/а - 1], где 8„ - предельное значение параметра, а Ян - номинальное значение параметра, а - показатель степени изменения, определяющий зависимость диагностического параметра от пробега. 1ост= t [(Зп - / - Зн)11а -1], где Бп - предельное значение параметра, а Бн - номинальное значение параметра, а - показатель степени изменения, определяющий зависимость диагностического параметра от наработки.
Таблица 4. Данные для определения остаточного ресурса двигателя
Диагностический параметр Номинальное значение Предельное значение Показатель а
Давление в конце такта сжатия, МПа 1,1 0,9 1,3
Относительная утечка воздуха при положении поршня в ВМТ, МПа в течение не менее 5 с Снижение с 0,14 до 0,09 Снижение с 0,14 до 0,07 1,6
Расход картерных газов при 4000 мин-1, л/мин не более 22 62 1,5
Давление в главной масляной магистрали при 2500 мин-1, МПа 0,4 0,2 1,4
Наиболее эффективной альтернативой внедрения дорогостоящих средств периодической диагностики ТТМ является контроль значений факторов эксплуатации и контроль их влияния на изменение технической готовности ТММ средствами информационно-диагностического мониторинга [3, 7, 8, 9].
После расчета остаточного ресурса для всех узлов и агрегатов, лимитирующих надежность ТТМ по вышеизложенным параметрам, необходимо принять минимальное значение: Ьост(1ост) = хтт при
Для предупреждения внезапных отказов и оповещения водителей в экстремальных условиях эксплуатации необходим удаленный мониторинг изменений технического состояния ТТМ. Сбор данных в режиме реального времени с датчиков, которыми оборудованы современные ТТМ, позволяет дать оценку их технического состояния и заблаговременно предупредить возникновение отказов.
В связи с отсутствием АЗС на территории большинства северных регионов РФ для доставки топлива часто используются грузовые автоцистерны,
являющиеся примером одной из разновидностей ТТМ. С помощью датчиков, (рисунок 3) установленных на ТТМ, имеется возможность контроля диагностических параметров, таких как нагрузка на ось, расход топлива, температуры охлаждающей жидкости и окружающей среды.
Увеличение расхода топлива является параметром, позволяющим оценивать как техническое состояние ТТМ, так и условия эксплуатации. В этом случае целевая функция будет выглядеть следующим образом.
^ < й;
где 5Д - параметр диагностирования (расход топлива) в режиме реального времени; - допустимое значение параметра.
Увеличение расхода топлива может оповещать о многих причинах возникновения отказов, например, о выходе из строя каталитического реактора или засорении воздушного фильтра [6]. В этом случае для оценки Sд необходимо принимать линейный или часовой расход топлива технологических машин. Некоторые из них приведены в таблицах 5 и 6.
Таблица 6. Часовой расход топлива ТТМ
Рисунок 3. Схема расположения датчиков на современном автомобиле-топливовозе
Таблица 5. Линейные нормы расхода топлива грузовых автотранспортных средств
№ Марка, модель ГАТС Линейная норма, Sд (л/100 км)
1. Урал-377, -377А (дв. ЗИЛ-375) 6х4 41,8
2. МАЗ-631708-062 (дв. ЯМЗ-238Д) 6х6 44,3
3. КамАЗ-43105 (дв. КамАЗ-740) 29,5
4. ЗИЛ-4331 (дв. Д-260.1) 20,2
5. ГАЗ-53, -53А, -5312, -3307 (дв. Д-243) 14,3
6. Mercedes Benz 1017 (дв. ЯМЗ-238) 24,7
№ Марка, модель ТТМ Часовой расход топлива, Sд (л/час)
1. Т-50 22,0-26,5
2. ДТ-75 12,0-15,0
3. К-701 32,0-51,0
4. МТЗ-80, МТЗ-82 10,5-15,0
5. CATERPILLAR CAT D4G 13,0-15,0
Параметр Sд обязательно должен корректироваться по условиям эксплуатации, с учетом дорожных и климатических условий, а также вида выполняемых работ.
Для того чтобы удаленно оценить техническое состояние работы двигателя грузового автомобиля предлагается проводить оценку аналогично по параметру эмиссии отработавших газов. Мониторинг этого параметра и его отклонений при эксплуатации ТТМ в северных условиях дает возможность спрогнозировать возникновение неисправности и провести выборку возникновения причин для дальнейшей корректировки профилактических и сервисных работ, а также предупреждения внезапных отказов двигателя в случае, если транспортное средство находится на линии маршрута.
Такой контроль возможно проводить с помощью датчика контроля эмиссии отработавших газов (рисунок 4). Нормы выброса вредных веществ для двигателей «КамАЗ» приведены в таблице 6 [7, 11].
Формирования условий обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации ТТМ схематически представлено на рисунке 5.
Эксплуатацию ТТМ и алгоритм выбора страте-
Рисунок 4. Датчик контроля эмиссии отработавших газов
гии технических воздействий предлагается представить в виде замкнутого цикла (рисунок 6). Данная схема действительна как для новых машин, так и для машин, введенных ранее в эксплуатацию.
Каждый элемент схематически представленной системы взаимодействует с другими с использованием соответствующих связей, которых на схеме представлено пять - это информация, управление, воздействие, отклик и корректировка.
Представленная схема позволяет определять стратегию технического сервиса ТТМ, планировать мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту с оптимизацией затрат, а также повысить уровень безопасности водителей и машинистов.
Таким образом, можно сделать вывод о том,
Таблица 6. Нормы выброса вредных веществ для двигателей «КамАЗ»
Параметр: Выброс вред- Модель двигателя КамАЗ, год выпуска
ных веществ с отработав- 740.10 7403.10 740.11 740.50 740.60
шими газами, г/(кВт-ч); 1976 1983 1996 1998 2004
Монооксид углерода 6,0 4,0 2,0 0,5 0,5
Углеводороды 1,5 2,2 0,2 0,1 0,01
Оксиды азота 13,0 13,0 8,0 5,5 4,1
Твердые частицы — — 13,5 0,5 8,7
Удаленный мониторинг изменения технического состояния машины
Диагностирование на станции технического сервиса
Анализ статистических данных об отказах
Условие целевой функции:
Г АТС ТТМ М-
/.„„ > /,„ ¿факт.осг. ^ ^норм.ост
& < X,
Г АТС ТТМ
ГА ТС ТТМ
' N ■ кЬ 0
Рисунок 5. Целевые функции трехступенчатого контроля изменений технического состояния ТТМ в северных регионах РФ
Рисунок 6. Процесс эксплуатации машин с использованием диагностико-информационной системы удаленного мониторинга
что повышение безопасности и эффективности эксплуатации ТТМ, а также сокращение затрат на их технический сервис напрямую зависит от своевременности и качества контроля изменений их технического состояния. В северных услови-
ях актуальность этих мероприятий повышается и обусловлена негативным влиянием низких температур не только на узлы и агрегаты ТТМ, но и на здоровье человека. С помощью трехступенчатой системы контроля изменений техническо-
го состояния ТТМ, при соблюдении требований ГОСТ Р 50992-96, а также при качественной подготовке и своевременном повышении квалификации водителей и машинистов, можно добиться минимального риска возникновения ДТП или несчастного случая. Экономическая целесообразность такого подхода обусловлена тем, что предложенная система позволяет вносить коррективы
в стратегию технического сервиса, прогнозируя и выявляя отказы до их наступления. Описанная в статье система технического контроля формирует предпосылки создания регламента замен деталей, лимитирующих надежность, как для отечественных, так и для зарубежных ТТМ, а также внедрения информационно-технической поддержки эксплуатации ТТМ.
Литература
1. Баженов, Ю.В. Прогнозирование остаточного ресурса конструктивных элементов в условиях эксплуатации / Ю.В. Баженов, М.Ю. Баженов // Фундаментальные исследования. - 2015. - № 4. - С. 16-21.
2. Булгаков, Н.Ф. Управление качеством профилактики АТС. Моделирование и оптимизация / Н.Ф. Булгаков, Ц.Ц. Бурхиев. - Красноярск: КГТУ 2002. - 164 с.
3. Герике, Б.Л. Мониторинг и диагностика технического состояния машинных агрегатов: Мониторинг технического состояния по параметрам вибрационных процессов / Б.Л. Герике. - Кемерово: КузГТУ, 1999. - 189 с.
4. Головин, С.Ф. Эксплуатация и техническое обслуживание дорожных машин, автомобилей и тракторов / С.Ф. Головин, под ред. Е.С. Локшина. - Москва: Мастерство, 2002. - 464 с.
5. Крамаренко, Г.В. Техническая эксплуатация автомобилей / Г.В. Крамаренко. - Москва: Транспорт, 1972. - 398 с.
6. Лукинский, В.С. Прогнозирование показателей надежности агрегатов трансмиссии / В.С. Лукинский, Е.И. Зайцев // в сб. Надежность и долговечность машин и сооружений. Вып. 5. - Киев: Наукова думка, 1984. - 325 с.
7. Мальцев, А.И. Прикладная механика. Раздел: Мониторинг технического состояния крупных машин / А.И. Мальцев, А.А. Мальцев. - Электросталь, ТОО фирма ДАМО, 1998. - 62 с.
8. Озорнин, С.П. Организация и технология фирменного сервиса транспортных и технологических машин: моногр.: в 2 ч. - Ч 1 / С.П. Озорнин; Забайкал. гос. ун-т. - Чита: ЗабГУ 2013. - 210 с.
9. Озорнин, С.П. Организация и технология фирменного сервиса транспортных и технологических машин: моногр.: в 2 ч. - Ч 2 / С.П. Озорнин; Забайкал. гос. ун-т. - Чита: ЗабГУ, 2013. - 131 с.
10. Эксплуатация дорожных машин / А.М. Шейнин, А.П. Крившин, Б.И. Филиппов и др. - Москва: Машиностроение, 1980. - 336 с.
11. ЗАО «Автомаш» [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.avtomash.ru/ - (дата обращения: 02.05.2017).
12. Якунин, Н.Н. Методологические основы контроля и управления техническим состоянием автомобилей в эксплуатации: монография / Н.Н. Якунин. - Москва: Машиностроение, 2003. - 178 с.
