Оценка влияния человеческого фактора при эксплуатации пневмосистемы манипулятора и механизма подъема и поворота свода агрегата «печь-ковш» в аварийной ситуации Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 669.02/.09:004.422.422:159.9.078

д.т.н. Вишневский Д. А., к.т.н. Козачишен В. А., Бондарь Н. А.

(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР)

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПНЕВМОСИСТЕМЫ МАНИПУЛЯТОРА, МЕХАНИЗМА ПОДЪЕМА И ПОВОРОТА СВОДА И ЭЛЕКТРОДОВ АГРЕГАТА «ПЕЧЬ-КОВШ» В АВАРИЙНОЙ СИТУАЦИИ

Разработана структурно-логическая схема оценки отказа пневмосистемы манипулятора и механизма подъема и поворота свода агрегата «печь-ковш» с учетом отказов технических узлов и преднамеренных или непреднамеренных ошибок оператора. Представлены вероятности возникновения человеческого и машинного отказа пневмосистемы манипулятора. Разработана математическая модель оценки итоговой вероятности отказа всей системы с учетом отказов технических узлов и ошибок оператора. Разработана математическая модель расчета чувствительности системы влияния технических отказов и ошибок человека на надежность системы. В качестве примера взяты два объекта: пневмосистема манипулятора и механизм подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш».

Ключевые слова: чувствительность модели, человеческий фактор, отказ системы, дерево отказов.

При эксплуатации металлургического оборудования человеческий фактор (ЧФ) оказывает значительное влияние на возникновение аварийных ситуаций. Металлургическое оборудование в большинстве случаев представляет собой сложные технические системы (СТС), которые требуют: своевременного технического обслуживания, планово-предупредительных ремонтов, соблюдения технологического процесса при эксплуатации и т. д. Все вышеперечисленные требования выполняет человек, который в процессе своей работы может совершить преднамеренные или непреднамеренные ошибки, влекущие за собой аварийный выход из строя эксплуатируемого оборудования [1-3].

Согласно изученной литературе, около 40 % отказов различных технических систем прямо или косвенно связано с ЧФ, а 20 % — напрямую с человеком [4-6]. В этой связи актуально создание моделей оценки на чувствительность технических отказов и человеческих ошибок.

Для определения причин возникновения отказов на производственном оборудова-

нии применяется анализ методом дерева неполадок. Оценка возможности отказа или безотказной работы отдельных элементов технических систем проводится на основе статистических данных по интенсивности их отказа.

В данной работе рассмотрено, как влияет человеческий фактор при эксплуатации, на примере двух действующих механизмов: пневмосистемы манипулятора; механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш».

При использовании манипулятора с пневмоприводом для погрузки и выгрузки заготовок из печи можно констатировать, что он состоит из большого количества технических элементов, отказ которых может привести к его выходу из строя или преждевременному износу основных узлов; может существенно повлиять на сроки осуществления технологических процессов, принимая во внимание то, что в состав простейшей пневмосистемы входят компрессор, редуктор, электропривод, валы с подшипниками, баллон, конечные выключатели и т. д.

Машиностроение и машиноведение

Структурно-логическая схема оценки отказа пневмосистемы манипулятора в зависимости от отказов технических узлов и ошибок оператора представлена в виде дерева отказов на рисунке 1, соответствующие вероятности отказов приведены в таблице 1.

Для оценки вероятности Р(У) отказа всей системы используем формулы алгебры вероятностей, учитывая, что при параллельном соединении элементов в схеме необходимо применить теорему сложения вероятностей, при последовательном — теорему умножения. Расчет базируется на следующих формулах:

- для вероятности противоположного события:

- для вероятности суммы совместных независимых событий:

P( A + 4 +... + An) = = 1 -P(A • A2 • ..• An);

(2)

- для вероятности произведений независимых событий:

P(A • A2 •...• an) = = P( Ai) • P( A2) •... • P( an).

(3)

p(a) = 1 - p( a);

(1)

Для исходных вероятностей из таблицы 1 примем обозначения:

Р(4л) = Рч1, Р(Ач2) = Рч2,..., Р(Ацц) = Рч11,

Р(АГ1) = РГЪ Р(АГ2) = Рг2,..., Р(АГ15) = РТ15.

Рассмотрим вероятность выхода из строя пневмосистемы манипулятора (рис. 1, 2).

®h <§Н

®h

©-1

Н©-1

©-1

©-1 ©-i

<оН

Разгерметизация соединения "гайка-штуцер"

Б

Механические

повреждения

пневмосистемы

В

Механические

повреждения

пневмосистемы

Г

Аварийный отказ

компрессора

Д

Г©"|

Ä2.

нАЬ

L©-1

г©-|

A,

Ä4,

Ar

-AD-

Разгерметизация пневмосистемы

Е

Отказ

пневмосистемы манипулятора

У

4

Рисунок 1 Дерево отказов пневмосистемы манипулятора

Таблица 1

Вероятности возникновения человеческого и машинного отказов пневмосистемы манипулятора

Обозначение вероятности человек/машина Событие А Вероятность P(A)

А1 Нарушение правил безопасности 0.05

А2 Выполнение ремонта оборудования во время работы 0.004

A3 Совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия 0.039

A4 Необнаружение сигнала 0.062

А5 Невыполнение операции нажатия кнопки 0.015

А6 Невыполнение операции включения тумблера 0.01

А7 Невыполнение операции выдачи или принятия голосовой команды 0.002

А8 Невыполнение действия по соединению кабеля 0.014

А9 Некачественно выполнено действие по подсоединению шланга 0.045

А10 Некачественно выполнено действие по установке уплотнения 0.09

А11 Неиспользование средств защиты съемных ограждений 0.25

С1 Механическое повреждение редуктора баллона 0.003

С2 Механическое повреждение трубопровода пневмосистемы 0.005

С3 Механическое повреждение редуктора трубопровода пневмосистемы 0.005

С4 Выход из строя гайки редуктора 0.00002

С5 Выход из строя прокладки редуктора 0.04

С6 Превышение давления воздуха в баллоне 0.00004

С7 Эксплуатация неисправного баллона 0.0002

С8 Эксплуатация неисправной компрессорной установки 0.0002

С9 Отказ предохранителя 0.00003

С10 Выход из строя подшипника электродвигателя 0.00002

С11 Выход из строя крыльчатки электродвигателя 1.1E-06

С12 Отказ конечного выключателя 0.00003

С13 Износ сальникового уплотнителя 0.00003

С14 Выход из строя подшипника вала компрессора 0.00002

С15 Износ муфты 0.000025

Вероятности противоположных событий обозначим qi с соответствующими индексами.

Запишем формулы событий, соответствующих схеме рисунка 1 :

- событие Б — разгерметизация соединения «гайка — штуцер»:

Б = ( A + Aw) • (с4 + с5);

- событие В — механическое повреждение пневмосистемы:

В = С1 + С2 + с2;

- событие Г — механическое повреждение пневмосистемы:

Рисунок 2 Промышленный пневматический манипулятор

г = с6 + С7 + С8;

- событие Д — аварийный отказ компрессора:

д = с9 + с 13 + с 14 + С15 + Сб • С1о + +С6 • Си + 4 • А • С12;

- событие Е — разгерметизация пнев-мосистемы:

Е = (Б • (4 + аз) + В • (4 + 4) + +Г• аб • (а4 + а7) + Д• аб • (А4 + А7))• ап;

- финальное событие У — отказ пнев-мосистемы манипулятора:

у = Е • а1.

Вероятности описанных событий рассчитываются последовательно по формулам (1-3) [7].

Запишем результаты для основных событий: Р(Б) = 0,00524; Р(В) = 0,01295; Р(Г) = 0,00044; Р(Д) = 0,0001; Р(Е) = 0,00012.

Вероятность отказа всей системы равна Р(У) = 5,9 10-6.

Для выявления силы влияния ЧФ в итоговой вероятности отказа системы Р(У) проведем исследование модели на чувствительность к изменению входных параметров — вероятностей отказов (из таблицы 1).

Случай А. Чувствительность модели к поодиночному изменению входных показателей.

Расчет осуществляем по формулам [8]:

= /(Рч1.....Р +AР*,...,Рчп,РГЪРг2^.^РГт) -

-/(Рч1,..., Р*,..., Рчп, Ргъ Рг 2 — РГт ),

ЛЯ*

ЗЯ* =--100%,

/ (Рчl,..., p*,..., Рчп, Ргъ Рг 2,..., РГт )

1 = {ЗЯч1,...,ЗЯчп,8Яг1,...,8Ягт } .

Показатель чувствительности, характеризующий процентное изменение итоговой вероятности отказа Р(У), если i-й параметр увеличился на 1 %, рассчитывается для каждой вероятности отказа входных событий (табл. 2). На диаграмме рисунка 3 показан ранжированный по показателю чувствительности ряд отказов технических узлов и ошибок оператора, соответствующих обозначениям таблицы 1.

Анализ полученных результатов позволяет выделить как наиболее влияющие на отказ всей системы события, связанные с ЧФ: А1 — нарушение правил безопасности; А11 — неиспользование средств защиты съемных ограждений; А3 — совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия; А5 — невыполнение операции нажатия кнопки; А10 — некачественное выполнение действия по установке уплотнения. Из технических отказов выделяется событие С5 — выход из строя прокладки редуктора.

Таблица 2

Показатели чувствительности ряда отказов технических узлов и ошибок оператора пневмосистемы

№ п/п Событие Событие Показатель чувствительности

1 2 3 4

1 Нарушение правил безопасности А1 1

2 Выполнение ремонта оборудования во время работы А2 0.151344965

3 Совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия A3 0.433008027

4 Необнаружение сигнала A4 0.00071709

5 Невыполнение операции нажатия кнопки А5 0.411398058

6 Невыполнение операции включения тумблера А6 0.000740268

7 Невыполнение операции выдачи или принятия голосовой команды А7 2.17412Е-05

Продолжение таблицы 2

Машиностроение и машиноведение

1 2 3 4

8 Невыполнение действия по соединению кабеля А8 2.29133E-09

9 Некачественно выполнено действие по подсоединению шланга А9 0.149351784

10 Некачественно выполнено действие по установке уплотнения А10 0.313474624

11 Неиспользование средств защиты съемных ограждений А11 1

12 Механическое повреждение редуктора баллона С1 0.119661505

13 Механическое повреждение трубопровода пневмосистемы С2 0.199836717

14 Механическое повреждение редуктора трубопровода пневмосистемы С3 0.199836717

15 Выход из строя гайки редуктора С4 0.000229137

16 Выход из строя прокладки редуктора С5 0.47735878

17 Превышение давления воздуха в баллоне С6 5.43168E-05

18 Эксплуатация неисправного баллона С7 0.000271621

19 Эксплуатация неисправной компрессорной установки С8 0.000271621

20 Отказ предохранителя С9 4.07499E-05

21 Выход из строя подшипника электродвигателя С10 1.0866E-09

22 Выход из строя крыльчатки электродвигателя С11 7.08628E-11

23 Отказ конечного выключателя С12 2.29133E-09

24 Износ сальникового уплотнителя С13 4.07499E-05

25 Выход из строя подшипника вала компрессора С14 2.71664E-05

26 Износ муфты С15 3.39581E-05

Рисунок 3 Показатели чувствительности отказов технических узлов и ошибок оператора

согласно таблице 2

Анализируя полученные результаты проведенных исследований, видим, что по показателям чувствительности человеческих отказов из 26 вероятностей возникновения отказов в диапазоне от 1 до 0,3 пять относятся к человеческим отказам и один — к отказу технических узлов.

Это говорит о том, что показатель чувствительности ЧФ занимает высокое процентное значение: изменение параметров

А11, А1 на 1 % приводит к изменению итоговой вероятности отказа пневмоси-стемы на 1 %. Полученные данные дают подтверждение о влиянии человека на безотказность пневмосистемы.

Случай Б. Оценка чувствительности модели к групповым изменениям входных показателей.

Изменяем входные вероятности для каждого из факторов групп ЧФ и ТФ поочеред-

но, а затем для всех вероятностей вместе. Расчет выполняем по формулам 6-8 [8]. Получаем следующие результаты:

- чувствительность модели к изменению вероятностей группы ЧФ равна 3,5 %;

- чувствительность модели к изменению вероятностей группы ТФ равна 1 %;

- общая чувствительность модели к изменению всех факторов равна 4,5 %.

Отсюда видно, что ЧФ является основным фактором, влияющим на создание аварийной ситуации при эксплуатации пневмосистемы манипулятора

Структурно-логическая схема оценки отказа данной технической системы (рис. 4) в зависимости от отказов технических узлов и ошибок оператора представлена в

Рисунок 5 Дерево отказов механизма подъема и поворота свода и электродов

агрегата «печь-ковш»

виде «дерева отказов» на рисунке 5, а соответствующие вероятности отказов приведены в таблице 3.

Рисунок 4 Механизм подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш»

Машиностроение и машиноведение

Таблица 3

Вероятности отказов при возникновении аварийной ситуации в процессе эксплуатации механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш»

Обозначение вероятности человек/машина Событие А Вероятность P(A)

А1 Нарушение правил безопасности 0.05

А2 Выполнение ремонта оборудования во время работы 0.004

А3 Совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия 0.039

А4 Необнаружение сигнала 0.062

А5 Невыполнение операции нажатия кнопки 0.015

А6 Невыполнение операции включения тумблера 0.01

А7 Невыполнение операции выдачи или принятия голосовой команды 0.002

А8 Некачественно выполнено действие по установке уплотнения 0.014

С1 Механическое повреждение трубопровода 0.00005

С2 Выход из строя прокладки 0.04

С3 Превышение давления в системе 0.00004

С4 Отказ электромагнитного распределителя 0.0000035

С5 Отказ предохранителя 0.000003

С6 Выход из строя подшипника электродвигателя 0.00002

С7 Выход из строя крыльчатки электродвигателя 1.1E-06

С8 Отказ конечного выключателя 0.00003

С9 Износ сальникового уплотнителя 0.00003

С10 Выход из строя подшипника вала насоса 0.00002

С11 Выход из строя муфты 0.000025

С12 Дефекты сварных соединений 0.000076

С13 Отказ предохранительного клапана 0.026

С14 Отказ нагнетательного клапана 0.00086

С15 Отказ датчика контроля температуры 0.029

С16 Отказ фланца 0.000086

С17 Отказ предохранительной арматуры 0.026

Оценка итоговой вероятности отказа всей системы выполняется аналогично пункту 1.

Запишем основные события согласно схеме рисунка 5:

б = С12 + С13 + С14 + С5 + А2 • С +

+А8 • С2 + С15 • С10,

в = С4 + С7 + С8 + С11 + С16 + С15 • с^

г = с17 + а5 + а + а7, д = с9 + с3 + а + а2 + а4.

Финальное событие Е — отказ системы подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш»:

е = (б • а3 + в • г) • д.

Запишем результаты для основных событий: Р(Б) = 0,0275; Р(В) = 0,00015; Р(Г) = 0,0521; Р(Д) = 0,1125.

Вероятность отказа всей системы равна Р(Е) = 1,2110-4.

Для выявления силы влияния ЧФ в итоговой вероятности отказа системы Р(Е) исследуем модель на чувствительность к изменению входных параметров — вероятностей отказов (из таблицы 3).

Случай А. Чувствительность модели к по-одиночному изменению входных показателей.

Результаты показаны в таблице 4 и на диаграмме рисунка 6.

Машиностроение и машиноведение

Таблица 4

Показатели чувствительности ряда отказов технических узлов и ошибок оператора механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш»

№ п/п Событие Событие Показатель чувствительности

1 Нарушение правил безопасности А1 0.41509

2 Выполнение ремонта оборудования во время работы А2 0.03168

3 Совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия А3 0.99294

4 Необнаружение сигнала А4 0.52130

5 Невыполнение операции нажатия кнопки А5 0.00195

6 Невыполнение операции включения тумблера А6 0.00130

7 Невыполнение операции выдачи или принятия голосовой команды А7 0.00026

8 Некачественно выполнено действие по установке уплотнения А8 0.01970

9 Механическое повреждение трубопровода С1 0.00001

10 Выход из строя прокладки С2 0.01970

11 Превышение давления в системе С3 0.00032

12 Отказ электромагнитного распределителя С4 0.00017

13 Отказ предохранителя С5 0.00011

14 Выход из строя подшипника электродвигателя С6 0.00003

15 Выход из строя крыльчатки электродвигателя С7 0.00005

16 Отказ конечного выключателя С8 0.00145

17 Износ сальникового уплотнителя С9 0.00024

18 Выход из строя подшипника вала насоса С10 0.00002

19 Выход из строя муфты С11 0.00121

20 Дефекты сварных соединений С12 0.00267

21 Отказ предохранительного клапана С13 0.93873

22 Отказ нагнетательного клапана С14 0.03027

23 Отказ датчика контроля температуры С15 0.00005

24 Отказ фланца С16 0.00415

25 Отказ предохранительной арматуры С17 0.00343

Рисунок 6 Показатели чувствительности отказов технических узлов и ошибок оператора

согласно таблице 4

ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ДонГТИ 2022. № 28 (71) Машиностроение и машиноведение

Согласно выполненному анализу, выделяются следующие наиболее влияющие на вероятность отказа всей системы факторы:

- в группе ЧФ: А3 — совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия; А4 — необнаружение сигнала; А1 — нарушение правил безопасности;

- в группе ТФ: С13 — отказ предохранительного клапана.

Случай Б. Оценка чувствительности модели к групповым изменениям входных показателей.

Изменяем входные вероятности для каждого из факторов групп ЧФ и ТФ поочередно, а затем для всех вероятностей вместе.

Получаем следующие результаты:

- чувствительность модели к изменению вероятностей группы ЧФ равна 1,998 %;

- чувствительность модели к изменению вероятностей группы ТФ равна 1,003 %;

- общая чувствительность модели к изменению всех факторов равна 3,001 %.

Отсюда видно, что ЧФ и в этом случае является основным фактором, влияющим на создание аварийной ситуации при эксплуатации механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш».

Выводы. В данной работе был произведен расчет оценки влияния ЧФ в аварийной ситуации при эксплуатации пнев-мосистемы манипулятора с учетом ТФ и ЧФ. Из анализа полученных результатов проведенных исследований видно, что по показателям чувствительности человеческих отказов из 26 вероятностей возникновения отказов в диапазоне от 1 до 0,3 пять относятся к человеческим отказам и один — к отказу технических узлов.

Показатель чувствительности ЧФ имеет высокое процентное значение: изменение параметров А11, А1 на 1 % приводит к изменению итоговой вероятности отказа пневмосистемы на 1 %. Полученные данные дают подтверждение о влиянии человека на безотказность пневмосистемы.

Оценка чувствительности модели к групповым изменениям входных показателей дает следующую картину: чувствительность модели к изменению вероятностей группы ЧФ равна 3,5 %; чувствительность модели к изменению вероятностей группы ТФ равна 1 %; общая чувствительность модели к изменению всех факторов равна 4,5 %.

Для подтверждения правильности полученных результатов был рассмотрен еще один механизм оценки влияния человеческого фактора в аварийной ситуации при эксплуатации механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш». Расчет оценки влияния ЧФ в аварийной ситуации показал, что наиболее влияющие на вероятность отказа всей системы факторы:

- в группе ЧФ: А3 — совершение ошибки при поиске органов управления и осуществлении заданного управляющего действия; А4 — необнаружение сигнала; А1 — нарушение правил безопасности;

- в группе ТФ: С13 — отказ предохранительного клапана.

Оценка чувствительности модели к групповым изменениям входных показателей дает следующую картину: чувствительность модели к изменению вероятностей группы ЧФ равна 1,998 %; чувствительность модели к изменению вероятностей группы ТФ равна 1,003 %; общая чувствительность модели к изменению всех факторов равна 3,017 %.

Из проведенного анализа полученных результатов исследований видно, что в двух случаях — при эксплуатации пневмо-системы манипулятора, при эксплуатации механизма подъема и поворота свода и электродов агрегата «печь-ковш» — человек является основным фактором, влияющим на создание аварийной ситуации. Чувствительность моделей к изменению вероятностей группы ЧФ от 2 до 3,5 %.

Машиностроение и машиноведение

Библиографический список

1. Безопасность машин и человеческий фактор [Текст] : монография / под ред. С. А. Волкова. — СПб. : СПбГАСУ, 2011. — 111 с.

2. Вишневский, Д. А. Анализ влияния «человеческого фактора» на надежность металлургического оборудования [Текст] / Д. А. Вишневский, Б. А. Сахаров // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. — Алчевск : ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ», 2018. — Вып. 12 (55). — С. 97-104.

3. Pyy, P. Human reliability analysis methods for probabilistic safety assessment [Text] / Pekka Pyy. — Espoo : Technical Research Centre of Finland (VTT), 2000. — 63 p.

4. Вишневский, Д. А. Влияние организационных факторов на надежность металлургического оборудования [Текст] / Д. А. Вишневский // Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование : сб. науч. тр. 4-й междунар. молодеж. науч. -практ. конф. ; отв. ред. Е. В. Павлов. — Курск : Университетская книга, 2017. — Т. 1. — С. 146-149.

5. Зарубежный опыт проведения профессионального отбора [Текст] // Охрана труда. Зарубежный опыт: экспресс-информация. — М. : ВНИИ охраны и экономики труда, 2009. — Вып. 3. — С. 3-25.

6. Сулейманов, М. Г. Оценка надежности персонала при профессиональном отборе кадров в металлургии [Текст] /М. Г. Сулейманов, Л. Ш. Абдуллина // Весник МГТУ им. Г. И. Носова. — 2014. — № 3. — С. 73-78.

7. Vishnevsky, D. А. Reliability calculation for metallurgical equipment considering the probability of operator's error [Text] / D. А. Vishnevsky // Journal of Advanced Research in Natural Science. — 2019. — Iss. 12. — P. 21-26.

8. Vishnevsky, D. А. Mathematical modeling for human factor influence on the equipment reliability in the machine building shops of metallurgical enterprises ability calculation for metallurgical equipment considering the probability of operator's error [Text] / D. А. Vishnevsky, A. L. Sotnikov // Journal of Advanced Research in Technical Science. — 2021. — Iss. 24. — P. 41-46.

© Вишневский Д. А.

© Козачишен В. А.

© Бондарь Н. А.

Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. ТМиИКЛГУ им. В. Даля Витренко В. А.,

д.т.н., проф. каф. ММК ДонГТИ Харламовым Ю. А.

Статья поступила в редакцию 14.10.2022.

Doctor of Technical Sciences Vishnevskiy D. A., PhD in Engineering Kozachischen V. A., Bondar N. A. (DonSTI, Alchevsk, LPR)

ASSESSING THE INFLUENCE OF HUMAN FACTOR ON FUNCTIONING OF THE PNEUMATIC MANIPULATOR SYSTEM AND THE MECHANISM OF LIFTING AND ROTATING THE ARCH AND ELECTRODES OF THE FURNACE-LADLE UNIT IN AN EMERGENCY SITUATION

A structural and logical scheme for assessing the failure of the pneumatic manipulator system has been developed, considering the failures of technical components and intentional or unintentional operator errors. The probabilities of human and machine failure of the pneumatic manipulator system are presented. A mathematical model has been developed for assessing the final probability offailure of the entire system, considering the failures of technical components and operator errors. A mathematical model has been developed for calculating the response of technical failure system and human errors on system reliability. Two objects are taken as an example: the pneumatic manipulator system of lifting and turning mechanism of the arch and electrodes of the furnace-ladle unit.

Key words: model sensitivity, human factor, system failure, failure tree.