Структура комплексной методики обоснования рациональных объёмов и периодичности видов контроля технического состояния робототехнических средств специального назначения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.3

СТРУКТУРА КОМПЛЕКСНОЙ МЕТОДИКИ ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ОБЪЁМОВ И ПЕРИОДИЧНОСТИ ВИДОВ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Д.С. Лопатин

адыонкт кафедры

спасательных робототехнических средств Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл. г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: dm86631Qmail.ru

С.С. Носков

заведующий кафедры

спасательных робототехнических средств Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл. г.о. Химки, мкр. Новогорск E-mail: dm86631Qmail.ru

Аннотация. В статье рассматривается стрктура комплексной методики обоснования рациональных объёмов и периодичности видов контроля технического состояния робототехнических средств специального назначения спасательных воинских формирований МЧС России. Методика включает в себя этапы декомпозиции робототехнических средств как сложной системы на составные элементы с точки зрения проведения контроля технического состояния, обработки статистических данных, математического описания процесса контроля технического состояния элемента робототехнических средств во время эксплуатации, определения оптимальной периодичности контроля технического состояния элементов, формирования рациональных объёмов видов контроля технического состояния робототехнического средства в целом. Ключевые слова: робототехнический комплекс, робототехническое средство, контроль технического состояния, техническое обслуживание, техническая готовность.

Цитирование: Лопатин Д.С., Носков С.С. Структура комплексной методики обоснования рациональных объёмов и периодичности видов контроля технического состояния робототехнических средств специального назначения // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2018. № 3 (38). С. 68-76

Робототехника в России является одной из важнейших отраслей для будущего технологического и экономического развития страны. Роботы уже давно активно используются в российской промышленности, армии, в научных исследованиях, в сфере образования, в силовых ведомствах. Однако потенциал применения роботов гораздо выше реальных масштабов их использования.

В настоящее время проблема повышения эффективности использования робототехнических средств (далее - РТС) специального назначения в спасательных воинских формированиях (далее - СВФ) МЧС России за счёт повышения уровня технической готовности выходит на первый план [1].

Отсутствие научно обоснованного комплекса мероприятий по поддержанию технической готовности РТС приводит к нерациональному расходованию материальных и

финансовых средств МЧС России, снижает уровень боевой готовности робототехнических подразделений СВФ МЧС России.

В конструкции РТС применяются механические, гидравлические, пневматические и электромеханические узлы, агрегаты и системы в сочетании с компьютерными системами управления. Сложные технические устройства подобной структуры называются мехатронны-ми системами [2].

Для РТС, как мехатронных систем, при потере работоспособности сложно однозначно указать причину отказа или деградации параметра, так как в РТС синергетически объединены аппаратно-программные модули и элементы, имеющие различную физическую природу функционирования. Эта причина отличает робототехнику от автомобильной, инженерной, авиационной и других видов техники [2].

В свою очередь, для обеспечения требуемо-

IX) уровня технической готовности РТС подходит планово-предупредительная система технических) обслуживания (далее ТО) с элементами контроля состояния объекта, но не определены виды и периодичность контроля технических) состояния (далее КТС) и ТО.

Комплекс мероприятий по поддержанию технической готовности РТС во время эксплуатации включает КТС, ТО и текущий ремонт (далее ТР). Взаимосвязь этих элементов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Комплекс мероприятий по поддержанию технической готовности РТС во время

эксплуатации

Комплекс мероприятий по поддержанию технической готовности РТС во время эксплуатации характеризуется следующими основными показателями:

требуемой вероятностью безотказной работы РТС;

стоимостью суммарных трудозатрат на выполнение мероприятий по поддержанию технической готовности РТС, которые включают затраты на выполнение операций КТС, на выполнение операций ТО, на выполнение операций ТР, на потери связанные со временем нахождения РТС в неработоспособном состоянии.

На эти показатели могут оказывать влияние следующие факторы:

периодичность и объем видов КТС и ТО; укомплектованность робототехничееких подразделений средствами диагностики, ТО и ремонта;

квалификация специалистов, выполняющих операции КТС, ТО и ремонта;

методы и технологии КТС, ТО и ремонта. Учесть влияние всех представленных факторов на вероятность безотказной работы РТС и стоимость трудозатрат затруднительно, так как сложно количественно оценить квалификацию специалистов, применяемые при КТС и ТО средства и технологии.

Вследствие этого, при постановке задачи по минимизации стоимости суммарных трудозатрат на поддержание требуемого уровня безотказности РТС изменяемыми параметрами

являются периодичность операций КТС и ТО отдельных элементов РТС и, определенные на их основе объемы видов КТС и ТО, а параметры, характеризующие квалификацию специалистов, средства и технологии КТС и ТО, необходимо зафиксировать. Для этого следует допустить, что специалисты обладают необходимыми знаниями и умениями, не допускают ошибки при диагностировании, выполняют операции КТС, ТО и ремонта качественно в нормативное время. Средствами диагностики, ТО и ремонта робототехничеекие подразделения оснащены полностью. Методы КТС и ТО соответствуют нормативно-технической документации. Технологии КТС и ТО сводят к пренебрежительно малой величине вероятность ошибки диагностирования и брака в работе.

Комплексная методика обоснования рациональных объемов и периодичности видов КТС РТС включает пять взаимосвязанных подзадач (методик), каждая из них будет решаться своими методами:

1. Методика декомпозиции РТС как сложной системы на составные элементы с точки зрения проведения КТС;

2. Методика получения и обработки статистических данных по надежности РТС;

3. Математическое описание процесса КТС и ТО элемента РТС во время эксплуатации;

4. Методика определения оптимальной периодичности КТС элементов РТС;

5. Методика формирования рациональных

2018'3(38)

объёмов видов КТС.

При решении первой подзадачи РТС были разделены на системы и элементы, для которых определены операции КТС.

РТС является сложной восстанавливаемой системой. Декомпозиция, как процесс разделения, позволяет рассматривать любую исследуемую систему как сложную, состоящую из отдельных взаимосвязанных подсистем, которые также могут быть разделены на элементы. В качестве составного элемента при декомпозиции РТС будет приниматься конструктивная единица, техническое состояние которой

На основе выполненной декомпозиции решена вторая подзадача. При проверке РТС были собраны данные об отказах по техническим системам за весь период их эксплуатации.

Контроль технического состояния РТС проводился в ЦСООР «Лидер» и Академии гражданской защиты МЧС России, по контрольно-операционным картам, разрабо-

можно определить одной операцией КТС. Например, операция контроля давления нагрузки в гидравлической системе РТС Вгокк-330 связана с конструктивным элементом «гидравлический насос». Данная операция контроля давления позволяет оценить работоспособность не только «гидравлического насоса», но и управляющего клапана, основного золотникового клапана и редукционного клапана, которые можно объединить в один функциональный элемент. Фрагмент деления РТС на системы и элементы приведён в таблице 1.

тайным авторами статьи совместно с сотрудниками управления робототехнических средств ЦСООР «Лидер» и с применением имеющегося диагностического оборудования. Используя методы математической статистики, проведена обработка полученных статистических данных по оценке технического состояния РТС. В результате расчётов были выявлены узлы и агрегаты, которые ни разу не

Таблица 1 - Фрагмент деления РТС на системы и функциональные элементы, важные с

точки зрения КТС [3]

JYs Н/ [I Составная часть Система, комплекс (агрегат) Элемент Операция (операции) но проведению контроля технического состояния элемента Прибор или стенд Назначение операции контроля технического состояния элемента Трудое мкость, чел.-мин.

1. Электрообо рудование Генератор Проверка работоспособности генератора. Вольтметр. Работоспособность генератора определяют следующим образом: необходимо завести . {}'>('. включить потребитель электрической энергии и [1а 15 мин оставить ДВС работать па средних оборотах, после чего провести замер напряжения между выходом «30» и «массой» генератора. Нормальное напряжение должно составлять 13,6-14,5 В для 12-вольтного и 28-30 В для 24-вольтного электрооборудования. 20

Стартер Проверка работоспособности стартера. Набор инструмента электрика. Работоспособность стартера определяют путём запуска ДВС. При нормальном запуске ДВС стартер работоспособен. 1. Если стартер не включается - это означает нарушение контакта в цени питания стартера из-за коррозии или слабой затяжки наконечников проводов. Необходимо осмотреть цень питания стартера, зачистить и подтянуть все клеммы. 10

отказывали за весь период эксплуатации РТС, Сводная таблица отказов РТС с электро-

а также узлы и агрегаты, у которых отказы механической трансмиссией приведена в таб-случались наиболее часто [3]. лице 2.

Таблица 2 - Сводная таблица отказов РТС с электромеханической трансмиссией ^ЕСШог - 1026 м.ч.; Те1еМАХ - 1026 м.ч.; РТС 10 - 181 м.ч.; КРММ-06 - 100 м.ч.; МРК-01 - 1169

м.ч,, фрагмент) [3]

№ Наименование вы- Нара- Нара- Нара- Нара- Нара- Нара- Среднее Нара- Статисти-

II/II полняемых работ ботка ботка ботка ботка ботка ботка число ботка ческая

1-200 200- 400- 600- 800- 1000- отказов на оценка

мото- 400 600 800 1000 1200 на ин- отказ, парамет-

часов мото- мото- мото- мото- мото- тервале Т*( м.ч.) ра потока

часов часов часов часов часов [0;1200 м.ч.] т*ср отказов, шс

ЭЛЕКТРОМЕХА-

НИЧЕСКАЯ

ТРАНСМИССИЯ

1. Проверить состояние тягового электродвигателя 0 2 1 0 1 3 1,4 2501 0,0004

ХОДОВАЯ

ЧАСТЬ, РАМА

2. Проверить состояние платформы 0 0 2 0 0 0 0,4 8755 0,0001

3. Проверить износ зубьев приводного колеса 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Решение третьей подзадачи планируется с помощью математической модели описания процесса КТС и ТО элемента РТС.

Весь период эксплуатации РТС разделён на промежутки - период ожидания применения РТС (¿ожг) и период применения РТС (¿пРг). При моделировании процесса изменения вероятности безотказной работы от срока службы воспользуемся общепринятым допущением, что параметры потока отказов на периодах ожидания применения РТС и его применения по назначению постоянны [4]. Таким образом, рассматривая периоды ожидания и применения РТС как независимые периоды, функция параметра потока отказов является кусочно-непрерывной, и, основываясь на основном законе надёжности, можно вычислить вероятность безотказной работы элемента РТС при известных периодах ожидания и применения. В верхней части рисунка 2 приведена траектория изменения техническо-

го состояния с учётом периодичности проведения контроля технического состояния РТС. В нижней части рисунка 2 приведён график изменения параметра потока отказов {шож

г) в периоды ожидания и применения. При проведении операций КТС, ТО и/или текущего ремонта элемент восстанавливается до начального состояния, т.е. ш0Жг опускается до уровня шож 1 [5]. При большом количестве однотипных образцов техники и организации длительных статистических наблюдений определение оптимальной периодичности КТС и ТО не вызывает затруднений [6].

Ввиду отсутствия достаточной статистики о безотказности РТС целесообразно смоделировать процесс эксплуатации робототехники, учитывая, что продолжительность периодов ожидания и применения - случайные величины, имеющие ^-распределение с известными параметрами.

Рисунок 2 Зависимость вероятности отказа и параметра потока отказа от периодичности КТС: Р - вероятность отказа; ¿0жг - время ожидания применения РТС; ¿пРг - время применения РТС; шожг - параметр потока отказов во время ожидания применения РТС; шпрг - параметр потока отказов во время применения РТС; г - периодичность операции КТС.

Четвёртая подзадача будет решаться при помощи численного моделирования.

Необходимо определить оптимальную периодичность (^у) КТС для ] элемента (соответствует одной операции КТС) при условии:

с, (г)

тгп,

(1)

(2)

где К^ (г) - вероятность безотказной работы элемента РТС;

- требуемая вероятность безотказной

работы;

(г) _ стоимость операций КТС и ТО при периодичности

Вероятность безотказной работы элемента РТС определяется по формуле основного закона надёжности:

г^ (г) = е- /о

(3)

Следует отметить, что функция (¿) кусочно непрерывная (график функции пред-

ставлен на рисунке 2).

Определяем стоимость операций КТС и ТО при периодичности

С] = Сктс + Сто + Стр + Сштраф, (4)

1де Сктс стоимость трудозатрат на выполнение операций КТС;

Сто стоимость трудозатрат на выполнение операций ТО;

Стр стоимость трудозатрат на выполнение операций ТР;

С штраф стоимость трудозатрат, потраченных на потери за время нахождения РТС в неработоспособном состоянии [7].

Для определения зависимости безотказности элемента РТС и затрат на поддержание его работоспособности разработана блок-схема статистической модели процесса КТС элемента РТС, построенная на основе математической модели описания КТС и ТО элемента РТС, которая представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок схема статистической модели процесса КТС элемента РТК: Щ - вероятность безотказной работы элемента РТС; С^ - стоимость мероприятий по поддержанию технической

готовности элемента РТС.

Разделение модели на блоки произведено по функциональному признаку. Входной информацией (блок 1) в указанной модели является:

закон распределения ¿0Жг - время ожидания применения РТС;

закон распределения ¿прi - время применения РТС;

^ожг _ параметр потока отказов во время ожидания применения РТС;

^Прг - параметр потока отказов во время применения РТС.

Блок формирования случайных значений величин времени эксплуатации элемента РТС (блок 2) представляет собой значения ¿ожг и ¿прг ) которые взяты из статистических наблюдений вемх) процесса эксплуатации элемента РТС, эти значения являются выходной информацией в данном блоке.

В блоке реализации формализованной схемы процесса КТС элемента РТС при ехх) эксплуатации (блок 3) рассчитываются значения целевой функции исследования, вероятности безотказной работы элемента РТС и стоимость мероприятий по поддержанию техни-

ческой готовности элемента РТС. Входными данными для блока 3 являются значения частных показателей процесса КТС и эксплуатации, вероятность ошибки при идентификации отказа, а также случайные значения величин времени эксплуатации элемента РТС, которые определяются в блоке 2. Выходными данными блока 3 являются значения Щи С^ в г-й реализации. Количество реализаций М определяется исходя из необходимой точности вычислений и задается во входной информации.

Блок сбора и обработки статистики (блок 4) предназначен для хранения массивов К^ и С^ полученных в блоке 3, их статистической обработки, в ходе которой определяются значения параметров законов распределения указанных величин, значения их центральных и начальных моментов для различных значений периодичности ('¿) КТС. Данный блок статистической модели необходим для наглядно-IX) представления получаемых результатов и возможности изменения полученных зависимостей в аналитических моделях.

В блоке обработки и получения результатов (блок 6) производится определение перио-

дичности ~z такой, что Cj(z) —> min и проверяется выполнение условия (1). При невыполнении условия (1) корректируется подмножество zeZ, для которого выполняется указанное условие и повторно решается задача определения минимума функции Cj (z). Для значения z находится значение вероятности безотказной работы элемента РТС Rj. Все полученные значения показателей z, R,C выводятся на печать.

Блок выработки управляющих) воздействия (блок 5) предназначен для изменения периодичности КТС элемента РТС во время его эксплуатации по заданному шагу Az в указанных пределах [zmin; zmax] для исключения ненужных вычислений. В случае zmin = zmax и Az = 0 вычисление будет производиться для

одного значения периодичности КТС. Структурно данный блок входит в блок 3.

Таким образом, представленная статистическая модель процесса КТС элемента РТС позволит вычислить показатели процесса КТС во время эксплуатации такие, как общие затраты на КТС и ТО элемента во время его эксплуатации С^, вероятность безотказной работы элемента РТС Rj. Анализ указанных показателей позволит определить оптимальную периодичность КТС элемента РТС во время его эксплуатации [8].

По результатам вычислительного эксперимента получим зависимости Rj и С^ для всех элементов от периодичности ('¿) КТС, которые показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 Связь между стоимостью операций КТС и ТО, вероятностью безотказной работы элемента и периодичностью проведения операций КТС

Из графика следует, что периодичность будет определяться либо надежностью элемента, либо минимумом затрат.

В пятой подзадаче будут формироваться объемы видов КТС. Для ее решения применим задачу о назначениях.

Есть операции КТС, которые сводим в матрицу назначения:

где N - число всех операций КТС РТС;

Ь - количество видов КТС; КТС;

О в противном случае. Формируем матрицу стоимостей (Cij), т.е., стоимость трудозатрат, связанная с назначе-

го нежелательного или невозможного назначения соответствующую ему стоимость полагаем равной достаточно большой величине.

С =

1 Си А А

2 с21 А А

3 C3L А А

4

N См Сл/2 Сю

(6)

где А - очень большая величина, А >> Стах.

Вводим целевую функцию F, которая определяется как сумма произведений элемента матрицы стоимости на элемент матрицы назначения [9]:

N L

£ £<

3=1 i=l

F — У У Cij Xij

mm

(7)

Количество видов КТС и их объёмы соответствуют распределению по матрице назначения X, для которой целевая функция Р минимальна.

Комплексная методика обоснования рациональных объёмов и периодичности видов КТС робототехнических средств позволит научно обосновать рациональное количество видов КТС, а также оптимальную периодичность их выполнения и основывается на сборе, обработке и анализе информации о безотказности РТС во время его эксплуатации. Это, в свою очередь, позволит снизить трудозатраты на эти мероприятия, которые могут быть выполнены личным составом робототехнических подразделений при существующей орг-штатной структуре.

Литература

1. СП 12-105-2003 Механизация строительства. Организация диагностирования строительных и дорожных машин. Часть 1. Общие требования.

2. Мехатронные системы: учеб. пособие / В. Л. Жавнер, А. Б. Смирнов. СПБ.: Издательство Политехнического университетата, 2011. - 131 с.

3. Носков С.С., Лопатин Д.С. Разработка методики диагностирования робототехнических комплексов специального назначения спасательных воинских формирований МЧС России (научная исследовательская работа). Академия гражданской защиты МЧС России, 2017. - 143 с.

4. Акимов В.А., Лапин В.Л., Попов В.М., Пучков В.А., Томаков В.П., Фалеев .\I.II. Надёжность технических систем и технический риск. - М.: ЗАО ФИД «Деловой экспресс», 2002. - 368с.

5. Воскобоев В.Ф. Надёжность технических систем и техногенный риск. Часть I. Надёжность технических систем (учебное пособие). - М.: ООО ИД «Альянс», 2008, ООО Издательство «Путь», 2008. - 200 с.

6. Баженов, Ю.В. Основы теории надёжности машин: учебное пособие. 2-е изд., испр. и доп. ИНФРА-М, - 2014. - 320 с.

М.:

7. Тарасов Л.В. Мир, построенный на вероятности. (Кн. для учащихся.). - М.: Просвещение, 1984. -191с.

8. Носков С.С. Обоснование рациональных объёмов и периодичности видов технического обслуживания танков при длительном хранении. (Диссертация). - М: ВАБТВ, 1998. — 204 с.

9. Грешилов A.A. Как принять наилучшее решение в реальных условиях. - М.: Радио и связь, 1991. — 320 с.

2018'3(38)

THE STRUCTURE OF A COMPREHENSIVE METHODOLOGY FOR RATIONALIZING THE RATIONAL VOLUMES AND FREQUENCY OF TYPES OF MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF SPECIAL-PURPOSE

ROBOTICS

Dmitriy LOPATIN

adjunct department rescue robots EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, Khimki md. Novogorsk, E-mail: csi430Qmail.ru

Sergey NOSKOV

head of the department rescue robots EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, Khimki md. Novogorsk, E-mail: csi430Qmail.ru

Abstract. The article deals with the complex technique of a substantiation of rational volume and frequency of types of control the technical condition of the special-purpose robotic rescue military formations of the Russian Emergencies Ministry. The technique includes the steps of decomposing robotic means as a complex system nadezhnostnogo elements from the standpoint of the technical state control, statistical data processing, mathematical description of the process control technical state robotic means element during operation of determining the optimal periodicity technical state control elements forming rational volumes types of control the technical condition of robotic tools in general.

Key words: robotic system, robotics facility, technical inspection, maintenance, technical readiness. Citation: Lopatin D.S., Noskov S.S. The structure of a comprehensive methodology for rationalizing the rational volumes and frequency of types of monitoring the technical condition of special-purpose robotics // Scientific and educational problems of civil protection. 2018. No. 3 (38). pp. 68-76

References

1. SP 12-105-2003 Building equipment. Organization diagnosis of building and road machines. Part I: General requirements.

2. Mechatronic systems: studies, manual / V. L. Avner, A. B. Smirnov. SPb.: Publishing house of Polytechnic University, 2011. - 131 p.

3. Noskov S.S., Lopatin D.S. Development of the method of diagnosing robotic systems, special purpose rescue of military units Russian Ministry of Emergency Situations (scientific research). Academy of Civil Defense EMERCOM of Russia, 2017. - 143 p.

4. Akimov V. A., Lapin V. L., Popov V. M., Puchkov V. A., Tomac V. I., Faleev, M. I. the Reliability of technical systems and technical risk. - M.: ZAO FID "Delovoy Express 2002. - 368s.

5. Voskoboev VF The reliability of technical systems and technological risks. Part I. Reliability of technical systems (manual). - M .: Publishing House Ltd. "Alliance 2008, Publishing Ltd. "The Way 2008. - 200 p.

6. Bazhenov, Yu. V. Fundamentals of the theory of reliability of machines: textbook. 2nd ed., ISPR. and additional - M: INFRA-M, 2014. - 320 p.

7. Tarasov LV A world built on probability. (Bk. For students.). - M .: Education, 1984. - 191s.

8. Noskov S.S. Substantiation of rational volumes and periodicity of maintenance of the tanks during prolonged storage. (Thesis.) IS - M: VA BTV, 1998. - 204 p.

9. Greshilov AA How to make the best decisions in the real world. - M .: Radio and communication, 1991. - 320 p.