CC BY
27
УДК631.319.06
ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БЕЗОТКАЗНОСТИ ОПЫТНОГО КОМБИНИРОВАННОГО ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА
ESTIMATION OF PERFORMANCE INDICATORS IN A SAMPLE OF COMBINED SOIL-CONSUMING UNIT
А.И. Ряднов, доктор сельскохозяйственных наук, профессор С.В. Бондарев, аспирант
A.I. Ryadnov, S.V. Bondarev
Волгоградский государственный аграрный университет Volgograd State Agrarian University
В статье рассмотрены результаты исследований наработки на отказ и вероятности безотказной работы комбинированного почвообрабатывающего агрегата конструкции Волгоградского ГАУ при эксплуатации в реальных условиях сельскохозяйственного предприятия Волгоградской области. В работе дана конструктивная и принципиальная схемы комбинированного почвообрабатывающего агрегата, который представлен в виде трех взаимосвязанных систем: опорно-навесной, плоскорежущей и дисковальной. С точки зрения надежности агрегата его системы представлены как последовательно соединенные. По экспериментальным данным, полученным в результате наблюдения за работой двух опытных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов новой конструкции в течение 8 лет, были составлены статистические ряды информации наработки до отказов систем агрегата, в результате обработки которых установлено, что при суммарной наработке каждого агрегата до 6100 га средняя наработка на отказ опорно-навесной системы составила 482,7 га, плоскорежущей системы - 320 га и дисковальной системы - 270,2 га, а комбинированного почвообрабатывающего агрегата в целом - 357, 6 га или 107,1 ч при среднестатистической наработке за час основного времени 3,34 га. Представлены кривые фактической и теоретической плотности распределения наработки на отказ и результаты проверки гипотезы о теоретическом законе распределения по критерию %2 .
In the article the results of studies of failures and the probability of the combined soil-cultivating unit designs Volgograd GAU during operation in real conditions of agricultural enterprises of the Volgograd region. The authors give a constructive and principled scheme of the combined tillage unit, which is provided in three interrelated systems: the support-mounted, ploskorezy and discovalley. From the point of view of reliability of the unit system are represented as connected in series. Based on the experimental data obtained by monitoring the work of the two experienced combined tilling machines of a new design for 8 years, has compiled statistical series information between system failures of the unit, as a result of processing showed that when the total operating time of each unit to 6,100 ha, the average time from case, the support-mounted system was 482,7 ha, ploskorezy system 320 hectares and discovalley system 270,2 ha, and a combined tillage units overall 357, 6 ha 107,1 h at average operating time per hour of time of 3.34 ha. Shows the actual and theoretical density of distribution of the MTBF and results test hypotheses about the theoretical law of distribution according to the x2 criterion .
Ключевые слова: комбинированный почвообрабатывающий агрегат, показатели безотказности систем агрегата наработка на отказ, вероятность безотказной работы.
Key words: combined tillage machine, the indicators of reliability of systems of the unit time to failure, probability offailure.
Введение. Задачи, поставленные Правительством Российской Федерации агропромышленному комплексу на 2013-2020 годы [4], включают, в частности, задачу по повышению плодородия почв. Однако в условиях Нижнего Поволжья невозможно решить эту задачу без применения перспективных почвозащитных технологий, а также без совершенствования существующих технологий и разработке новых технических средств, в частности, почвообрабатывающих машин. При этом вновь разрабатываемые
машины должны иметь высокий уровень надежности, что позволит при прочих равных условиях выполнять сельскохозяйственные работы в оптимальные агротехнические сроки и повысить эффективность их использования [11].
Материалы и методы. Методической базой для оценки показателей безотказности комбинированного почвообрабатывающего агрегата послужили положения теорий вероятностей [1] и надежности технических средств [6, 8, 9], а также нормативных документов [3]. Использованы статистические методы обработки экспериментальных данных [7].
Результаты. В Волгоградском ГАУ разработана конструкция комбинированного почвообрабатывающего агрегата (рисунок 1). Однако оценка надежности и, в частности, безотказности его конструкции при эксплуатации в реальных условиях сельскохозяйственного производства не проводилась.
Рисунок 1 - Схема комбинированного почвообрабатывающего агрегата
ИЗВЕСТИЯ'
№ 2 (46), 2017
Комбинированный почвообрабатывающий агрегат состоит из рамы 1, навесного устройства 2, опорных колес 3, дисковой батареи 4, плоскорежущих лап 5, кронштейнов 6, шарнира 7, рамки 8, шарнира 9, опорных элементов 10, гидравлического цилиндра 11, пазов 12, пластин 13, пружин 14 и дисков 15.
Работает следующим образом.
При движении по полю почвообрабатывающего комбинированного агрегата в составе машинно-тракторного агрегата с трактором класса 5 плоскорежущие лапы 5 подрезают пласт почвы и корни сорной растительности. Срезанный пласт почвы после схода с плоскорежущих лап 5 крошится. Качество крошения почвы плоскорежущими лапами 5 определяется скоростью движения агрегата, глубиной обработки, а также формой дисков 15, конструктивными параметрами их и дисковой батареи 4 в целом. В связи с этим, в предлагаемой конструкции комбинированного почвообрабатывающего агрегата применены диски 15 типа «ромашка», обеспечивающие высокое качество обработки.
Дисковая батарея 4 имеет возможность перемещаться в горизонтальной плоскости по пазам 12, выполненным в пластинах 13, закрепленных на рамке 8, что позволяет изменять угол атаки дисковой батареи. Угол атаки дисковой батареи 4 изменяют в зависимости от влажности и твердости почвы, ее засоренности сорняками и необходимой глубины обработки дисковой батареей 4.
Дисковая батарея 4 также имеет возможность копировать рельеф поля в поперечном направлении за счет установленных между дисковой батареей 4 и рамкой 8, на опорных элементах 10 пружин 14.
При качении дисковой батареи 4 по полю происходит рыхление, выравнивание и мульчирование верхнего слоя почвы. Глубина обработки почвы дисковой батареей 4 устанавливается с помощью гидравлического цилиндра 11, закрепленного между рамой 1 и рамкой 8. Гидравлический цилиндр 11 позволяет также изменять давление дисковых батарей 4 на почву для улучшения качества обработки при изменяющихся условиях работы (при изменении влажности и твердости почвы, ее засоренности сорняками и глубины обработки дисковой батареей 4).
Комбинированный почвообрабатывающий агрегат можно представить в виде структурной схемы (рисунок 2). Он включает три системы: опорно-навесную, плоскорежущую и дисковальную, каждая из которых состоит из узлов, собранных из деталей и стандартных изделий.
Рисунок 2 - Структурная схема комбинированного почвообрабатывающего агрегата
227
Оценка уровня безотказности комбинированного почвообрабатывающего агрегата проводилась как в целом, так и по его отдельным системам.
Рассматривая комбинированный почвообрабатывающий агрегат, его системы и узлы с точки зрения оценки их надежности, были выделены следующие основные показатели безотказности - наработка на отказ t о и вероятность безотказной работы Р(Н).
В соответствии со схемой, представленной на рисунке 2, опорно-навесная, плоскорежущая и дисковальная системы комбинированного почвообрабатывающего агрегата представлены с точки зрения их работы как параллельные системы. Однако с точки зрения оценки надежности комбинированного почвообрабатывающего агрегата данные системы последовательно соединенные, так как отказ одной из них приводит к отказу агрегата в целом. Аналогично, при оценке надежности каждой из систем, ее узлы (с точки зрения надежности) также соединены последовательно.
Число машин, поставленных под наблюдение при оценке средних показателей надежности равно:
N _ Х^о/t, (1)
где х - коэффициент; t - продолжительность наблюдений; t0 - средняя наработка на отказ.
Величина коэффициента х определяется в зависимости от точности и доверительной вероятности.
При относительной ошибке средней наработки на отказ 5 = 0,2, относительной
вероятности оценки показателя надежности в = 0,8, средней наработки на отказ tо = 320 га (данная наработка на отказ в га обработанной площади получена исходя из того, что часовая наработка агрегата равна 3,2 га/ч, а, по данным ГНУ СибИМЭ, фактическая наработка на отказ у отечественных КППА равна всего 8.. .13 ч, у зарубежных - 25.. .58 ч; но при этом техническими условиями большинства современных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов наработка на отказ задана, равной 100 ч), продолжительности наблюдения в течение 5 лет и среднегодовой наработке 920 га, получим, что достаточно поставить под наблюдение два агрегата.
По экспериментальным данным, полученным в результате наблюдения за работой двух комбинированных почвообрабатывающих агрегатов новой конструкции в течение 8 лет (2009-2016 г.г.), были составлены статистические ряды информации наработки до отказов систем агрегата.
Количество интервалов статистического ряда Щ для каждой системы комбинированного почвообрабатывающего агрегата, а также для агрегата в целом определяли по формуле [10]:
Щ , (2)
где МJ - суммарное количество отказов /-го узла комбинированного почвообрабатывающего агрегата за наблюдаемый период.
Величину одного интервала Адля /-ой системы комбинированного почвообрабатывающего агрегата определяли по выражению [10]:
А _ tMAX J ~ tMINJ
Щ , (3)
где tMAXJ, Мш - соответственно наибольшее и наименьшее значения наработки до отказа в статистическом ряде информации /-ой системы комбинированного почвообрабатывающего агрегата.
Для определения средней наработки на отказ у-ой системы комбинированного почвообрабатывающего агрегата * о/ воспользуемся формулой [5]:
Г 1 ^ N ^„ч
* °' = N ^, (4)
где - зафиксированные значения наработки на отказ у-ой системы, ч, N - количество отказов у-ой системы.
По аналогичной формуле определяли среднюю наработку на отказ комбинированного почвообрабатывающего агрегата в целом:
* о = N ^^, (5)
где К - это количество систем в агрегате.
В нашем случае наработку на отказ мы определяли в гектарах обработанной площади. Поэтому в формулах вместо значений ^ , * о у и * о подставляли значения
наработки в гектарах, соответственно, Ну, Ноу и Н0
Для оценки надежности объектов, для которых наблюдается поток отказов и поток восстановлений, использовали плотность распределения наработки на отказ /(*) и вероятность того, что в каком-то интервале наработки от 0 до * не наступит отказ узла агрегата Р(*).
Таблица 1 - Статистические данные по наработкам до отказов и на отказ систем комбинированного почвообрабатывающего агрегата усовершенствованного (КПАУ) _при суммарной наработке до 6100 га_
Опорно-навесная система
Наработка до отказа, га 511 863 1447 1521 2241 2849 3325
3704 4397 4827 - - - -
Наработка на отказ 511 352 584 74 720 608 476
379 693 430 - - - -
П лоскорежущая система
Наработка до отказа, га 222 530 879 1131 1391 1536 1869
2394 2689 2993 3373 3661 3709 3857
4030 4644 5078 5506 5720 - -
Наработка на отказ 222 308 349 252 260 145 333
525 295 304 380 288 408 148
173 614 434 428 214 - -
Дисковальная система
Наработка до отказа, га 195 436 753 921 1192 1444 1704
2116 2390 2450 2645 2889 3256 3883
3778 3907 4381 4531 5091 5346 5674
Наработка на отказ 195 241 317 168 271 252 260
412 274 60 195 244 367 227
295 129 474 150 561 255 328
Всего зафиксирован 51 отказ двух КПАУ при использовании их до суммарной наработки 6100 га за 8 лет эксплуатации. Распределение наработки на отказ представлено в таблице 2.
Рассчитано, что средняя наработка на отказ опорно-навесной системы составила 482,7 га, плоскорежущей системы 320 га и дисковальной системы 270,2 га, а комбинированного почвообрабатывающего агрегата в целом 357, 6 га.
Учитывая, что наработка за час основного времени опытных комбинированных почвообрабатывающих агрегатов составила 3,34 га, то наработка на отказ агрегата в часах основного времени составила 107,1 ч, что больше нормативного по техническим условиям.
Используя зависимость (2) и с учетом условия (3), получили, что количество интервалов П = 6, а величина одного интервала А= 100 га.
В данной таблице даны результаты расчета плотности распределения fф(H0l) и вероятности безотказной работы РФ(Н01) по статистическим данным и теоретической плотности распределения ^Н01).
Таблица 2 - Результаты расчета плотности распределения и вероятности безотказной работы почвообрабатывающего агрегата
Интервал наработки, га т1 I т1 Н01 /ф(Ног) 10-3 Рф(Ног) /ЛНог) 10-3
60 -160 6 6 110 0.118 0.882 0.882
161 - 260 14 20 210 0.275 0.608 0.608
261 - 360 12 32 310 0.235 0.373 0.373
361 - 460 8 40 410 0.157 0.216 0.216
461 - 560 6 46 525 0.090 0.098 0.098
561 - 720 5 51 655 0.075 - -
По данным таблица 2 построены кривые фактической fф(<Н01) и теоретической Н01) плотности распределения наработки на отказ комбинированного почвообрабатывающего агрегата (рисунок 3).
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Н0г, га
Рисунок 3 - Кривые фактической (1) и теоретической (2) плотности распределения наработки на отказ почвообрабатывающего агрегата
Проверку гипотезы о теоретическом законе распределения проводили с использованием критерия Пирсона х2 (таблица 3).
Вероятность попадания статистических данных в интервале наработки [^, 2 определяли по зависимости [7]:
Р1 Iе 2 ^ = ФСъ) - ф(*1) , (6)
где Ф^) - функция Лапласа; t1 = (1п Н1 - а)/Ь, t2 = (1п Н2- а)/Ь, а, Ь - параметры закона распределения.
***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 2 (46), 2017
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Полученные расчетным путем показатели приведены в таблице 3.
аблица 3 - К расчету критерия %2
Интервал s наработки, га mi Ф(Но) Рг тг Рг (т.1 — тР1)2 тР1
60 -160 6 0,149 0,149 7,599 0,336
161 - 260 14 0,410 0,261 13,311 0,036
261 - 360 12 0,622 0,212 10,812 0,131
361 - 460 8 0,764 0,142 7,242 0,079
461 - 560 6 0,871 0,107 5,457 0,054
561 - 720 5 0,930 0,059 3,009 1,317
721 и более 0 1,0 0,070 3,570 3,570
Итого: 51 - 1,0 51 5,523
Определив £ х2 = 5,523 и зная число степеней свободы (в нашем случае г =3), определили вероятность совпадения теоретического закона с экспериментальными данными Р(х2) = 0,15.
Обсуждение. Для логарифмически-нормального закона теоретические значения плотности распределения определяются по зависимости:
Г (¡п^р-д)2!
2й2 ] Мо>0,Ь>0,-™ <а <+™ (7) 0 ,Ж0 < 0.
Для выбранного закона распределения теоретических значений плотности распределения параметры закона распределения оцениваются методом максимального правдоподобия:
а = ,
Ь = ^НРп^-^упЩ,) . (8)
Определено, что а = 5,7 и Ь = 0,6.
Можно, если были определены законы распределения наработки на отказ систем комбинированного почвообрабатывающего агрегата, рассчитать вероятность безотказной работы агрегата с учетом последовательного соединения систем в агрегате (с точки зрения надежности), по зависимости:
Р(0=!,11Р1Ю. (9)
Вероятность безотказной работы Р(£) агрегата будет представлять композицию законов распределения трех систем комбинированного почвообрабатывающего агрегата, которые могут быть одинаковыми или различными.
Заключение Таким образом, что при суммарной наработке каждого комбинированного почвообрабатывающего агрегата до 6100 га средняя наработка на отказ опорно-навесной системы составила 482,7 га, плоскорежущей системы 320 га и дисковальной системы 270,2 га, а агрегата в целом 357, 6 га или 107,1 ч, что больше нормативного по техническим условиям.
Библиографический список
1. Венцель, Е.С. Теория вероятностей и ее инженерное приложение [Текст] / Е С. Венцель, Л.А. Овчаров. - М.: Наука, 1988. - 480 с.
2. Вестник испытаний сельскохозяйственной техники [Текст]. - М.: ФГБНУ «Росин-формагротех, 2015. - 96 с.
3. ГОСТ 20915-2011. Испытания сельскохозяйственной техники. Методы определения условий испытаний [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2013.
4. Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы [Текст]. - М.: Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, 2012.
5. Ермолов, Л.С. Основы надежности сельскохозяйственной техники [Текст] /Л. С. Ермолов, В.М. Кряжков, В.Е. Черкун. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1982. - 271 с.
6. Лебедев, А.Т. Влияние надежности технических средств на их эффективность [Текст] / А.Т. Лебедев // Техника в сельском хозяйстве. - 2011. - №6. - С. 22.
7. Митков, А.Л. Статистические методы в сельхозмашиностроении [Текст] /
A.Л. Митков, С.В. Кардашевский. - М.: Машиностроение, 1978. - 360 с.
8. Надежность и эффективность в технике [Текст] : справочник: в 10 т./ Ред. совет:
B.С. Абдуевский (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 1986. - Т. 3: Эффективность технических систем/ Под общ. ред. В.Ф. Уткина, Ю.В. Крючкова. - 328 с.
9. Острейковский, В.А. Теория надежности [Текст] : учебник для вузов / В.А. Острей-ковский. - М.: Высшая школа, 2003. - 463 с.
10. Селиванов, А.И. Теоретические основы ремонта и надежности сельскохозяйственной техники [Текст] /А.И. Селиванов, Ю.Н. Артемьев. - М.: Колос, 1978. - 248 с.
11. Finnej J.B. Mechanization and soil structure // Agriculture. - 1971. - № 9.
Reference
1. Vencel', E. S. Teoriya veroyatnostej i ee inzhenernoe prilozhenie [Tekst] / E. S. Vencel', L. A. Ovcharov. - M.: Nauka, 1988. - 480 s.
2. Vestnik ispytanij sel'skohozyajstvennoj tehniki [Tekst]. - M.: FGBNU "Rosinforma-groteh, 2015. - 96 s.
3. GOST 20915-2011. Ispytaniya sel'skohozyajstvennoj tehniki. Metody opredeleniya uslovij ispytanij [Tekst]. - M.: Standartinform, 2013.
4. Gosudarstvennaya programma razvitiya sel'skogo hozyajstva i regulirovaniya rynkov sel'skohozyajstvennoj produkcii, syr'ya i prodovol'stviya na 2013-2020 gody [Tekst]. - M.: Minister-stvo sel'skogo hozyajstva Rossijskoj Federacii, 2012.
5. Ermolov, L. S. Osnovy nadezhnosti sel'skohozyajstvennoj tehniki [Tekst] /L. S. Er-molov, V. M. Kryazhkov, V. E. Cherkun. - 2-e izd., pererab. i dop. - M.: Kolos, 1982. - 271 s.
6. Lebedev, A. T. Vliyanie nadezhnosti tehnicheskih sredstv na ih jeffektivnost' [Tekst] / A. T. Lebedev // Tehnika v sel'skom hozyajstve. - 2011. - №6. - S. 22.
7. Mitkov, A. L. Statisticheskie metody v sel'hozmashinostroenii [Tekst] / A. L. Mitkov, S. V. Kardashevskij. - M.: Mashinostroenie, 1978. - 360 s.
8. Nadezhnost' i jeffektivnost' v tehnike [Tekst] : spravochnik: v 10 t./ Red. sovet: V. S. Abduevskij (pred.) i dr. - M.: Mashinostroenie, 1986. - T. 3: jeffektivnost' tehnicheskih sistem/ Pod obsch. red. V. F. Utkina, Yu. V. Kryuchkova. - 328 s.
9. Ostrejkovskij, V. A. Teoriya nadezhnosti [Tekst] : uchebnik dlya vuzov / V. A. Os-trejkovskij. - M.: Vysshaya shkola, 2003. - 463 s.
10. Selivanov, A. I. Teoreticheskie osnovy remonta i nadezhnosti sel'skohozyajstvennoj tehniki [Tekst] /A. I. Selivanov, Yu. N. Artem'ev. - M.: Kolos, 1978. - 248 s.
11. Finnej J.B. Mechanization and soil structure // Agriculture. - 1971. - № 9.
E-mail: alex.rjadnov@mail.ru
