CC BY
42
МЕХАНИЗАЦИЯ
УДК 631.354
Теоретические основы концепции технического сервиса машин по фактическому состоянию на основе оценки их параметрической надежности
Варнаков Дмитрий Валерьевич1, доктор техн. наук, доцент, профессор, Дидманидзе Отари Назирович2, доктор техн. наук, профессор, член-корреспондент РАН, директор
1ФГБОУ ВО «Ульяновский государственный университет», г. Ульяновск, Россия, 2ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева», г. Москва, Россия
E-mail: varndm@mail.ru
В статье рассмотрены основные подходы по моделированию процесса технического сервиса по фактическому состоянию машин с целью оптимизации ремонтных воздействий и снижения издержек. Разработаны способы оценки эффективности функционирования машин, которые позволяют определить количественные характеристики параметров их работы в процессе эксплуатации, прогнозировать параметрическую надежность. Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы сервисных служб является применение современных средств диагностики машин, а именно средств непрерывной диагностики. На основании предложенного способа оценки эффективности функционирования машин производили оценку не только по внутренним свойствам самой сложной системы, а с учетом качества ее функционирования, качества выполнения задач. Так, техническое состояние машин может быть характеризовано указанием дефектов, нарушающих их исправное и работоспособное состояния, а также качество функционирования, и относиться к деталям, узлам или к машине в целом. Выбор оптимальной стратегии технического сервиса позволяет добиваться наилучших результатов за счет реорганизации правил эксплуатации без привлечения дополнительных сил и средств. Для решения задачи рациональной периодичности обслуживания использовали математическую модель, описывающую эволюцию технического состояния машины во времени, с учетом флуктуации параметров и случайных процессов. В задачах технического сервиса рассмотрели показатели качества функционирования машин при длительной эксплуатации. Для отыскания оптимальной стратегии в подобных задачах предложили использовать метод минимакса Обосновали, что непрерывный контроль параметрической надежности автотранспортных средств позволит оптимизировать периодичность обслуживания, а также применить методы прогнозирования технического состояния. Таким образом, при исследовании методов повышения надежности техники особое значение приобретают задачи, связанные с оценкой ее параметрической надежности.
Ключевые слова: надежность, технический сервис, моделирование, параметрическая надежность, решение задачи оптимизации технического сервиса, лемма Дуба
С появлением новой, сложной техники возрастает значение контроля ее технического состояния, поэтому все более актуальными становятся вопросы диагностики и технического сервиса машин. Повышение эффективности технического сервиса требует внедрения инновационных решений, новых методов и подходов, позволяющих снизить издержки и повысить оперативность работы его служб.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы сервисных служб является применение современных средств непрерывной диагностики машин. Развитие микроэлектроники позволило уменьшить габаритные размеры средств обработки информации, миниатюризировать различные датчики и системы контроля, что дает возможность использовать их в автотранспортных средствах.
Современные машины представляют собой сложные технические системы, которые характеризуются не только большим числом элементов, но и сложностью внутренней структуры - обратными связями, различного рода избыточностями и т. п. Оценка эффективности сложных технических систем приводит к необходимости по-новому оценивать многие эксплуатационные характеристики как состояние параметров системы в заданных границах [1].
Цель исследований - решение общей проблемы повышения надежности и эффективности функционирования машин, при этом возникает задача разработки обоснованной стратегии технического сервиса.
Основная идея рассматриваемого метода оценки эффективности и заключается в том, что оценка производится не только по внут-
ренним свойствам самой сложной системы, а с учетом качества ее функционирования, качества выполнения задач, то есть по выходному эффекту. Введение такой оценки очень удобно, так как позволяет сравнивать функционирование сложных систем, принципиально различных по структуре, принципу действия, комплектующим изделиям и т.п., если они предназначены для выполнения одной и той же задачи. Это позволяет изыскивать пути построения вариантов сложных систем и производить их выбор [1].
В общем случае для создания автоматизированной системы технического диагностирования необходимо решить следующие задачи [1]:
- выбор оптимальных сроков проведения плановых восстановительных работ при полной информации о надежности машины;
- определение оптимальных сроков проведения плановых восстановительных работ при ограниченной информации о надежности.
Стратегия технического сервиса должна обладать свойством оптимальности по некоторому показателю, характеризующему качество функционирования и эксплуатации системы.
Для отыскания оптимальной стратегии в подобных задачах предлагается использовать метод минимакса, который состоит в следующем [2]. Сначала среди всех функций распределения, которые характеризуют функционирование системы, и информация о которых ограничивается их принадлежностью определенному заданному классу, находятся наихудшие (в смысле данного показателя качества), а затем при этих условиях определяется оптимальное управление.
Рассматривая немарковские управляемые случайные процессы в задачах оптимизации технического обслуживания, можно применить лемму Дуба и ее приложения [2]. Тогда, поведение системы во времени можно выразить как векторный случайный процесс Х(0. Составляющие процесса Х(0 могут меняться непрерывно или скачкообразно (например, с единичными скачками при накоплении отказов в системе с избыточностью) [2].
Из практики эксплуатации технических систем известно, что в момент 4 по наблюдаемой траектории Xк можно принять только
два решения:
- либо не вмешиваться в работу системы и продолжить наблюдение за процессом Х(1);
- либо прекратить работу системы и путем замен и регулировок вернуть систему в начальное состояние. В момент отказа системы, т.е. при X е Х+, ..., Хк_ 1 е Х+, Хк е Х_ принимается второе решение (здесь Х+ - пространство исправных состояний системы, Х - пространство ее неисправных состояний
X = Х+ и ^ где X - все пространство состояний системы). Введем функцию эксплуатационных потерь системы. Пусть С1* - средние потери в случае, когда в момент остановки системы она исправна, а С2 * - средние потери в случае, когда в момент остановки система неисправна (отказала).
В момент остановки системы (у = к Ау) функция средних удельных потерь:
Ук=
С
—,если система исправна;
! и
(1)
С,
,если система неисправна.
Правилом остановки системы при наблюдении за процессом Х^) (далее просто правилом остановки) назовем случайную величину V со значениями 1,2,.,к,... (момент остановки определяется поведением процесса Х(0, поэтому он случаен во времени). Считаем, что решение об остановке в момент 4 зависит только от траектории процесса Хк до
момента 4 .
Для правила остановки V - случайной величины с распределением р{у = к},к = 1,2.
средние потери:
У (у ) = !Р{у = к} Ук (2)
к=1
при решении задач эксплуатации правило V* оптимально, если у(у) = у(у). Под величинами С1 и С2 могут пониматься соответственно средние времена регулировок исправной 11 и неисправной 12 систем.
Если далее не ввести ограничения на процесс Х(0, то оптимальное правило V* остановки найти невозможно. В этом случае удается, используя лемму Дуба, найти оптимальное правило остановки.
Рассматриваемая задача лемма Дуба в терминах формулируется так.
Правило V* является оптимальным, если выполняются условия:
к
< ж;
1) M [v* ]
2) M [ JX,
|<ук_1 при к <v ,
у,_i пРи к > v*;
(3)
3) M[|yk - y^JXZ]< С
для всех к, где С - некоторая постоянная.
Условия 1 и 3 на практике выполняются всегда для задач эксплуатации в силу конечности затрат и конечности времени безотказной работы технических систем, а условие 2 выполняется именно для отмеченных выше случайных процессов монотонного типа.
В качестве методики определения эффективности технического сервиса техники можно применить лемму Дуба, в частности для определения оптимальных моментов регулировок параметра с независимыми приращениями.
При исследованиях определялась зависимость изменения выходного параметра на примере двигателя УМЗ-4216.10, как сложной технической системы, вызываемого постепенным ухудшением качества входящих в нее элементов.
В ходе 400 часовых стендовых испытаний по ГОСТ 14846-81 двигателя модели 4216.10 производился контрольный осмотр цилиндропоршневой группы двигателя.
Целью испытаний являлось определение границ основных параметров при исследовании параметрической надежности двигателя, и проверка теоретического подхода прогнозирования параметра в специальных режимах и применения леммы Дуба для определения оптимальных моментов регулировок.
Испытания проводились на тормозном стенде типа «MEZ Vsetin» 926-4/V. Содержание вредных веществ СО и CnHm в отработавших газах замерялось газоанализатором «MEXA-324GE». 400 часовые испытания проводили на моторном масле ТНК «Мотор Ойл» SAE15W-40, SF/CC, бензине Регуляр-92 ГОСТ Р51105-97.
Первоначально испытания проводились как 100 часовые. По окончанию 100-часовых испытаний была проведена разборка двигателя для осмотра и повторного микрометража деталей. По результатам положительных 100-часовых испытаний было принято решение о продолжении испытаний до 400 часов циклами. Общая наработка двигателя в процессе испытаний составила 475 часов, в том числе 400 часов на режиме номинальной мощности. [3].
Мощностные, экономические и экологические показатели двигателя приведены в таблице 1.
По результатам 400-часовых стендовых испытаний двигателя УМЗ-4216.10 было определено, что ряд параметров изменили свои значения:
- давление сжатия в цилиндрах двигателя снизилось на 3%;
- крутящий момент снизился на 2%. Для оценки технического состояния
двигателя были получены полиноминальные аппроксимации основных параметров: Мощность Ne (кВт): y = -0,0269x3 + 0,2639x2 + 6,1147x +
+ 12,471. (4)
Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9906.
Часовой расход топлива G (кг/ч): y = -0,0292x3 + 0,5015x2 - 0,4201x +
+ 7,612. (5)
Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9784.
Удельный расход топлива ge (г/кВтч): y = -0,7179x3 + 14,346x2 - 84,633x +
+ 460,33. (6)
Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,8726.
Крутящий момент Mk (Нм): y = -0,0268x3 - 0,9312x2 + 12,514x +
+ 155,2. (7)
Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9694.
Важное значение при прогнозировании достаточной надежности, имеет точность оценок. По результатам стендовых испытаний 13 двигателей УМЗ 4218.10 были установлены режимы, при которых значения параметров соответствуют нормальному распределению. Для этого были построены графики для режимов работы, соответствующие 1000, 1500, 1800, 2000, 2200, 2500, 3000, 3500, 4000, 4200 мин-1 [3, 4].
Оптимальный контрольный режим определялся по следующей методике. После генерации нормальных меток создавалась диаграмма вероятностей нормального распределения (normal probability plot), в которой по оси абсцисс откладывались усредненные значения выборок, а по оси ординат - соответствующие им нормальные метки. При условии нормального распределения данных в выборке, полученные точки на диаграмме должны располагаться на одной линии. Наибольшая степень соответствия данных параметра нормальному распределению наблюдалась при работе двигателей с частотой вращения коленчатого вала 4200 мин-1.
Таблица 1
Мощностные и экономические показатели двигателя УМЗ-4216.10
Время замера Номинальная мощность при 4000 мин'1, кВт (л.с.) Максимальный крутящий момент, Нм (кгсм ) при, п = мин'1 Минимальный удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике, г/кВт ч (г/л.с.ч)
В начале проведения испытаний 90,1 (122,6) 239 (24,3)/2200 270 (199)
В конце испытаний 89,5 (121,8) 233 (23,8)/2200 269 (198)
ТУ 4561 - 006 -00231954 - 2002 90,4 (123) 235,4 (24,0)/2200... 2500 269 (198)
а б
Рис. Диаграмма вероятностей нормального распределения значений мощности при разных частотах вращения коленчатого вала
Полученные результаты свидетельствуют о возможности прогнозирования параметрической надежности двигателей в специальных режимах. Для прогнозирования в специальных режимах необходимо сравнение показателей, поступающих от системы оперативного контроля параметрической надежности двигателя, и сравнение их с базовыми, соответствующими определенной наработке, а применение леммы Дуба в методиках расчета позволяет найти оптимальное время сервисных работ [5].
Выводы.
1. Применение предлагаемой системы оперативного контроля параметрической надежности двигателей позволяет корректировать периодичность технического обслуживания и ремонта, прогнозировать остаточный ресурс агрегатов и систем, что дает возможность решать многие вопросы организации технического сервиса.
2. Повышение эффективности технического сервиса машин путем моделирования и оптимизации ремонтных воздействий предполагает внедрение новых средств оперативной и непрерывной диагностики параметров, что
позволяет реализовать техническое обслуживание по фактическому состоянию.
Список литературы
1. Варнаков Д.В. Использование диагностических параметров при оценке и прогнозировании параметрической надежности двигателей автотранспортных средств. Ульяновск: УлГУ, 2013. 124 с.
2. Надёжность и эффективность в технике. Справочник / Под ред. В.И. Кузнецова [и др.]. М.: Машиностроение, 1990. 320 с.
3. Дидманидзе О.Н., Варнаков Д.В. Результаты разработки метода и системы оперативного контроля и прогнозирования параметрической надежности в специальных эксплуатационных режимах // Международный технико-экономический журнал. 2013. № 4. С. 71-79.
4. Дидманидзе О.Н., Дидманидзе Б.С., Варнаков В.В., Варнаков Д.В. и др. Обеспечение надежности техники путем проведения комплексной оценки качества поставок запасных частей при организации технического сервиса // Международный технико-экономический журнал. 2014. №5. С. 31-40.
5. Дидманидзе О.Н., Варнаков Д.В. Прогнозирование параметрической надежности двигателей автотранспортных средств в нормальном и специальном эксплуатационных режимах // Международный технико-экономический журнал. 2013. № 3. С. 94-98.
Theoretical basis of the concept for technical service of machines on actual state based on assessed parametric reliability
Varnakov D.V.1, DSc in ingeeniring, professor,
Didmanidze O.N.2, DSc in ingeeniring, professor, corresponding member of RAS, director 1 Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia
2Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after KA Timiryazev, Moscow, Russia
The basic approaches to modeling of technical service according to the actual state of the machine in order to optimize maintenance actions and cost reduction is examined in the article. Methods for evaluating the efficiency of machines functioning that allow to determine the quantitative characteristics of the parameters of its work during the operation, as well as to predict parametric reliability. One of the promising ways of increasing the efficiency of the service centers is the use of modern machinery diagnostic tools, namely continuous diagnostics. Based on the proposed method of assessing the effectiveness of the functioning of machines it was produced an assessment not only by the intrinsic properties of the most complex system, but taking into account the quality of its functioning, the quality of the task solving. Thus, maintenance of machinery condition can be characterized by an indication of defects, violation of their good working condition, as well as the quality of the operation, and refer to the details, nodes, or to the machine as a whole. Choosing the optimal strategy of technical service allows to achieve the best results due to the reorganization of the rules of operation without additional forces and resources. To solve the problem of a rational maintenance intervals a mathematical model was used that describes the evolution of the technical condition of the machine in time, taking into account the fluctuations of the parameters and random processes. Among technical service tasks it were onsidered indicators of quality of functioning of machines at continuous operation. To find the optimal strategy for such tasks it was proposed to use the minimax method. It was informed that the continuous monitoring of the parametric reliability of vehicles will optimize service intervals, as well as the use of technical methods of forecasting.Thus, the study of methods of increasing the reliability of equipment particularly important are tasks related to the assessment of its parametric reliability.
Key words: reliability, technical service, modelling, parametric reliability, solving the tasks of optimization of technical service, lemma of Doube
References
1. Varnakov D.V. Ispol'zovanie diagnos-ticheskikh parametrov pri otsenke i prognozirovanii parametricheskoy nadezhnosti dvigateley avtotrans-portnykh sredstv. [Use of diagnostic parameters in evaluating and predicting of parametric reliability of the engines of motor vehicles]. Ulyanovsk: UlGU, 2013. 124 p. ISBN 978-5-88866-486-5.
2. Nadezhnost' i effektivnost' v tekhnike. Spra-vochnik. [Reliability and efficiency in engineering. Reference]. Pod red. V.I. Kuznetsova [e. a.] Moscow: Mashinostroenie, 1990. 320 p.
3. Didmanidze O.N., Varnakov D.V. Rezul'-taty razrabotki metoda i sistemy operativnogo kont-rolya i prognozirovaniya parametricheskoy nadezh-nosti v spetsial'nykh ekspluatatsionnykh rezhimakh. [The results of developing a method and a system for operational monitoring and prediction of the parametric reliability in special operating modes].
Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal. 2013. no. 4. pp. 71-79.
4. Didmanidze O.N., Didmanidze B.S., Varnakov V.V., Varnakov D.V., Varnakova E.A., Kha-bieva L.L. Obespechenie nadezhnosti tekhniki putem provedeniya kompleksnoy otsenki kachestva postavok zapasnykh chastey pri organizatsii tekhnicheskogo servisa. [Ensuring the reliability of equipment by a comprehensive assessment of the quality of supply of spare parts at the organization of technical service]. Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal. Moscow: OOO «Spektr», 2014. no.5. pp. 31-40.
5. Didmanidze O.N., Varnakov D.V. Progno-zirovanie parametricheskoy nadezhnosti dvigateley avtotransportnykh sredstv v normal'nom i spetsial'nom ekspluatatsionnykh rezhimakh. [Prediction of parametric reliability of vehicle engines in the normal and special operating modes]. Mezhdunarodnyy tekhniko-ekonomicheskiy zhurnal. 2013. no. 3. pp. 94-98.
