загрузка...
 
2.4. Моделювання функціональної підсистеми експлуатації
Повернутись до змісту

2.4. Моделювання функціональної підсистеми експлуатації

Етап експлуатації починається з моменту отримання замовником виробу і відповідної документації, яка описує правила використання його за призначенням, проведення технічного обслуговування, ремонту і т. д. Цей етап можна зобразити у вигляді схеми поданої на рисунку 2.29.

Використовуючи функціональний підхід, машинобудівний виріб виробничо–технічного призначення на прикладі обладнання для різання поліграфічних матеріалів може бути зображено у вигляді такої функціональної

підсистеми (рис. 2.30). Функцію технологічних перетворень характеристик матеріалу заготовки у виріб можна подати у вигляді (рис. 2.31):

Рис. 2.29. Схема процесів експлуатації виробу

,                                                (2.43)

де j – функція перетворення; ХМ – вектор характеристик поліграфічного матеріалу; ХГ – вектор характеристик готової поліграфічної продукції.

Тут

,                       ,

де  – j–й елемент множини ХМ;  – j–й елемент множини ХГ;

R – потужність множини ХМ; N – потужність множини ХГ.

У цьому випадку формування заданих характеристик готової продукції наведене на схемі (рис. 2.32).

Рис. 2.30. Функціональні підсистеми комплексу обробки поліграфічних матеріалів «процес–обладнання–інструмент»

Етап експлуатації важливий для збору відомостей про недоліки в конструкції ФПСВ, допущені під час проектування та виготовлення. Накопичена інформація про режими експлуатації і відмови може бути використана для модифікації або модернізації виробу. Наявність зворотного зв’язку з етапами проектування і виготовлення гарантує затребуваність продукції. На стадії експлуатації предметом аналізу видів, наслідків і критичності відмов (АВНКВ) є логістична структура функцій (ЛСФ). Аналіз логістичної підтримки (АЛП) СТС проводився на основі  логістичної структури (ЛС) компресорного обладнання (КО).

Змішана структура отримана після встановлення зв'язків між елементами ЛСФ і ЛС КО. Для проведення АВНКВ різних елементів КО може бути обраний різний рівень декомпозиції залежно від типу елемента та особливостей його обслуговування у замовника. Уся увага в процесі АВНКВ зосереджена на елементах, потенційно найбільш критичних для надійності КО. Приклад побудови ЛС для КО на прикладі масляної системи (гвинтових компресорних установок) з електричним приводом наведено на рис. 2.34.

Рис. 2.31. Структурна схема формування властивостей поліграфічних матеріалів при різанні:

ХПМ – множина значень характеристик початкового поліграфічного матеріалу; ХП – множина значень характеристик готової поліграфічної продукції; , , ,  – множина значень характеристик відповідно до етапів формування властивостей поліграфічних матеріалів при різанні; , ,  – множина значень характеристик поліграфічного матеріалу, що є початковими відповідно при подачі на необхідний розмір, притискання і розрізання; ,  – множина значень характеристик поліграфічного матеріалу, що є початковими при подачі на необхідний розмір, відповідно при притисканні і розрізанні;  – множина значень характеристик поліграфічного матеріалу, що є початковими при подачі на необхідний розмір і притискання для розрізання.

Нижній рівень декомпозиції ЛС – це рівень, для якого буде проводитися аналіз КО і який розглядається в АВНКВ, виходячи з того, що необхідно проаналізувати всі елементи, які підлягають обслуговуванню і яким потрібні запасні частини та інші ресурси на розглянутих рівнях обслуговування. Побудова ЛСФ для КО наведена на прикладі масляної системи гвинтових КУ

з електричним приводом (рис. 2.33).

Рис. 2.32. Схема формування характеристик готового виробу ХГ (поліграфічна продукція)

При аналізі за нижній може бути обраний рівень агрегатів / основних вузлів КО (LRU). Однак у цьому випадку не можна описати і проаналізувати причини відмов агрегатів, складових даного (нижнього) рівня декомпозиції. Такий підхід доцільний для купованих комплектуючих виробів (ПКВ), замінюваних цілком (LRU) і таких, що підлягають списанню або відновленню силами підприємства виробника. Для агрегатів (вузлів), які передбачається відновлювати силами замовника, повинен проводитися більш глибокий аналіз, що дозволяє виявити і описати причини відмов агрегатів (LRU), аж до замінних комплектуючих (SRU), що не підлягають подальшому розукрупненню / відновленню.

Рис. 2.33.  ЛСФ для КО на прикладі масляної системи гвинтових КУ з електричним приводом

Наявність у ФПС трьох компонентів (підсистем – ФПКТС, ФППЗ і ФПОП) зумовлює декілька видів відмов.

Для КО, з точки зору аналізу рекламацій, що надходять у гарантійний термін експлуатації, запропонована така класифікація видів відмови:

– категорія 1 – критична відмова (призведе до катастрофічних наслідків і до великих втрат при експлуатації). До цієї категорії можна віднести такі, можливі виходи з ладу (несправності, недоліки): вихід з ладу (заклинювання) КБ, обрив однієї з обмоток ЕД, точковий пробій обмотки ЕД;

– категорія 2 – дуже серйозна відмова (призведе до втрати працездатного стану і буде помічена споживачем, що обов'язково приведе до подачі рекламації). До цієї категорії можна віднести такі можливі виходи з ладу (несправності, недоліки): вихід із ладу радіатора блока охолодження масла (БОМ), вихід із ладу підшипників головного електродвигуна (ГЕД), вигорання вивідних кінців обмотки статора ЕД у клемній коробці , вихід із ладу ЕД БОМ;

Рис. 2.34. ЛС для КО на прикладі системи масляної – категорія 3 – серйозна відмова (значно знизить надійність КО, найвірогідніше буде помічена споживачем і може викликати подачу рекламації). До цієї категорії можна віднести такі можливі виходи з ладу (несправності, недоліки): вихід з ладу магістральних маслопроводів КУ (тріщина, розрив), вихід із ладу запірної арматури або сигналізуючої (клапана), вихід із ладу контролера КУ;

– категорія 4 – порівняно серйозна відмова (може призвести до зниження надійності КО, найвірогідніше буде помічена споживачем, є ймовірність подачі рекламації). До цієї категорії можна віднести такі можливі виходи з ладу (несправності, недоліки): вихід із ладу елементів КВП і А;

– категорія 5 – незначна відмова (не знизить надійності, швидше за все, буде не помічена споживачем і не викличе подачі рекламації). До цієї категорії можна віднести такі, можливі виходи з ладу (несправності, недоліки): некомплект поставки, дефекти фарбування, дефекти упаковки.

Класифікація включає вибір різних категорій тяжкості наслідків відмови (КТНВ), які будуть використовуватися в процесі аналізу, та визначення критеріїв віднесення відмов до зазначених категорій.

АВНКВ можна розбити на два етапи, що виконуються послідовно на кожній стадії розроблення:

– аналіз видів та наслідків відмов (АВНВ);

– якісний і кількісний аналіз критичності (АК).

Якісний аналіз критичності (АК) виконується, як правило, на ранніх стадіях розроблення, коли конструкція виробів ще не повністю визначена і немає кількісних даних про надійність усіх комплектуючих виробів. Для виконання цього аналізу кожному виду відмови необхідно призначити якісний параметр, що характеризує ймовірність його виникнення – рівень ймовірності виникнення (таблиця 2.3).

Таблиця 2.3

Рівень ймовірності виникнення відмови.

Рівень ймовірності виникнення відмови

Опис

А

Часта відмова (Ч)

B

Помірно вірогідна відмова (ПВ)

C

Малоймовірна відмова (МВ)

D

Дуже малоймовірна відмова (ВМВ)

E

Практично неймовірна відмова (ПНВ)

Процедура якісного аналізу критичності полягає у призначенні видів відмов пріоритетів коригувальних і компенсуючих дій залежно від КТНВ (категорії тяжкості наслідків відмови) і очікуваного рівня ймовірності виникнення відмови. Для цього види відмов розподіляються по матриці критичності, на горизонтальній осі якої відкладені значення КТНВ, а на вертикальній – рівні ймовірності виникнення відмови (рис. 2.35). Залежно від того, в яку область матриці критичності потрапляє вид відмови, йому призначається відповідний пріоритет коригувальних і компенсуючих дій (таблиця 2.4).

Для дослідження були обрані компресорні установки (КУ) з електричним двигуном (ЕД) і гвинтовим модулем (компресорним блоком (КБ)), робоче середовище – повітря. За запропонованою вище класифікацією видів відмов (несправностей, недоліків) для КО, побудованою на підставі аналізу отриманих рекламацій у гарантійний термін експлуатації, аналізуємо і розподіляємо за категоріями критичності можливі відмови КО (таблиця 2.5).

Рис. 2.35. Матриця критичності для якісного аналізу

Оскільки для виконання якісного аналізу кожному виду відмови необхідно призначити якісний параметр, що характеризує ймовірність його виникнення – рівень ймовірності виникнення, але відомості щодо кількості отриманих рекламацій є комерційною таємницею підприємства, значення, наведені нижче в таблиці 2.5, мають розрахунково – умовний характер.

Таблиця 2.4Класифікації елементів за пріоритетами коригувальних і

компенсуючих дій

Пріоритет

Рекомендації

1

Для таких функцій / елементів необхідно передбачити засоби контролю, сигналізації та компенсації відмови. Ці елементи повинні розглядатися як першочергові кандидати на зміну конструкції (заміну) з метою підвищення надійності всього виробу

2

Потрібна оцінка необхідності розроблення засобів контролю, сигналізації та компенсації відмови. Може знадобитися зміна конструкції (заміна) з метою підвищення надійності всього виробу

3

Не розглядається як кандидат на доопрацювання / заміну

На підставі призначених категорій критичності та рівнів ймовірності виникнення відмови будуємо матрицю критичності для якісного аналізу.

Залежно від того, в яку зону (див. рисунок 2.35) матриці критичності потрапляє досліджуваний вид дефекту, за пріоритетами важливості йому призначаються коригувальні та компенсуючі дії.

Як бачимо з таблиці 2.5, такі види відмов, як точковий пробій обмотки ГЕД, обрив обмотки ГЕД, заклинювання КБ, протікання радіатора, вимагають звернути на себе особливу увагу. Для таких функцій/елементів необхідно передбачити засоби контролю, сигналізації та компенсації відмови.

Таблиця 2.5Рівень ймовірності виникнення відмов (подачі рекламації)

Опис виходу з ладу (несправності, недоліки)

Кількість випадків виникнення

Рівень ймовірності виникнення

Виходи з ладу ЕД

Точковий пробій обмотки

4

B

Обрив обмотки

4

B

Вигорання вивідних кінців обмотки статора

2

D

Вихід з ладу підшипника

2

D

Виходи з ладу КБ

Заклинювання КБ

4

B

Виходи з ладу БОМ

Підтікання радіатора (купованого)

14

A

Підтікання радіатора (власне виробництво)

4

B

Виходи з ладу магістральних маслопроводів

Тріщина маслопровода

3

C

Виходи з ладу елементів КВП і А

Вихід з ладу контролера

1

E

Виходи з ладу теплових реле

7

A

Виходи з ладу запірної та сигналізуючої арматури

Вихід із ладу клапана мінімального тиску

1

E

Вихід із ладу клапана запобіжного

3

C

Інші виходи з ладу, недоліки

Дефекти фарбування

4

B

Некомплект поставки

2

D

Дефектотвірні вузли (деталі) повинні розглядатися як першочергові кандидати на зміну конструкції (заміну) з метою підвищення надійності всього виробу. Для таких видів відмов, як вигоряння вивідних кінців обмотки статора ГЕД, виходи з ладу підшипників ГЕД, тріщини маслопроводів, виходи з ладу теплових реле, виходи з ладу клапана запобіжного, також потрібна оцінка необхідності розроблення засобів контролю, сигналізації і компенсації відмови. Може знадобитися зміна конструкції (заміна) вузла або деталі з метою підвищення надійності всього виробу. Такі функції, як дефекти фарбування, некомплект поставки і якість клапанів мінімального тиску,

перебувають у нормі.

Засоби контролю за даними функціями підібрані правильно і не потребують суттєвих змін. З отриманих результатів бачимо, що найбільш проблемним вузлом є головний електродвигун. Це означає, що при проектуванні КУ (КС) підприємство–виробник має ретельно проаналізувати ринок виробників цих виробів. Службою матеріально–технічного забезпечення (МТЗ) підприємства згідно з вимогами ДСТУ ISO 9001, повинна проводитися оцінка постачальників електродвигунів та їх відбір. Для приймання цієї продукції на підприємстві варто розробити методику вхідного контролю, яка зможе в повному обсязі забезпечити надходження у виробництво якісних виробів. У розроблюваної і наявної у виробництві продукції передбачити або розробити нові засоби сигналізації та захисту. В експлуатаційній документації на КО прописати вимоги до обслуговування та експлуатації даного типу вузла. Розробити і встановити перелік робіт із технічного обслуговування (ТО) головного електродвигуна в складі КУ для можливості збільшення

терміну його служби.

При цьому традиційний підхід до забезпечення необхідного терміну служби при експлуатації виробу базується в основному на статистичному представленні зазначеного періоду. Однак сучасні умови, що характеризуються високим ступенем динамічності, роблять такий підхід не завжди обґрунтованим. Індивідуальний технічний стан виробу формується в процесі його виготовлення. У процесі експлуатації технічний стан перебуває під впливом факторів, спрямованих на його зміну, і факторів, спрямованих на його відновлення. Сукупність цих дій, а також форм і методів їх реалізації становить один із найважливіших напрямів у дослідженні ефективного керування станом технічних систем.

При цьому найбільш перспективним є підхід, який базується на урахуванні реального технічного стану машини і відповідно прийнятті адекватного йому рішення. Останнє можливо лише за рахунок упровадження ефективних методів діагностування технічного стану машини. Розглядаючи ефективність організації процесів життєвого циклу (ЖЦ) паперорізального обладнання на етапах НДР, проектування, виготовлення та експлуатації, можна відзначити таку послідовність визначення його поточного стану (рис. 2.36)  .

При діагностуванні поточного стану паперорізального обладнання пропонується розглядати класифікуючу функцію FK. Ця функція дозволяє одночасно врахувати статику і  динаміку зміни технічного стану.

Аргументами класифікуючої функції є поточна величина діагностичного параметра („статика”) і швидкість („динаміка”) його зміни. Для зручності обчислень ці параметри зведені до безрозмірного вигляду (2.76)  :

                  (2.44)

де – відносна величина діагностичного параметра («статична» складова); А, А0 – відповідно поточне і початкове значення діагностичного параметра; [А]пр – значення діагностичного параметра, перевищення якого неприпустиме;  – відносна швидкість зміни діагностичного параметра («динамічна» складова); ТППР  – напрацювання обладнання до чергового планово–запобіжного ремонту; Т0  – напрацювання обладнання на момент початку регулярного контролю величини діагностичних параметрів; ТР – прогноз напрацювання обладнання до настання гранично допустимого стану; ? – ваговий коефіцієнт (? = 0 – 1).

Рис. 2.36. Послідовність визначення поточного стану обладнання на етапах  його ЖЦ

У таблиці 2.6 наведені кількісна і якісна характеристики нормованих інтервалів зміни класифікуючої функції та її аргументів.

Граничні значення функції FK та її аргументів призначені за аналогією до співвідношення між граничними рівнями вібрації, величини яких наведені в Нормах ISО 2372  .

Відносна похибка діагнозу ?, що оцінюється за формулою  :

,                                                               (2.45)

де n – число діагностичних параметрів.

Таблиця 2.6Характеристика нормованих інтервалів зміни класифікуючої функції та її аргументів

Параметр

Кількісна і якісна характеристики інтервалів

0–0,41

0,41–0,63

0,63–1,0

>1,0

FK

Гарний стан

Задовільний стан

Стан, що потребує поліпшення

Неприпустимий

стан

А відн

Ступінь зміни нижче середнього

Ступінь зміни середній

Ступінь зміни вище середнього

Ступінь зміни неприпустимий

Vвідн

Повільний

Помірний

Швидкий

Неприпустимий

(стрибкоподібний)

У нормативній документації   розглядається, як правило, один «статичний» параметр (n=1). При встановленні ж діагнозу за допомогою  класифікуючої функції використовуються два параметри (n=2), що дозволяє на 30% підвищити точність діагнозу порівняно з діагнозом, який ставиться за методикою:

.

Насправді точність діагнозу суттєво вища, оскільки врахування динаміки процесу деградації технічного стану дозволяє прогнозувати напрацювання обладнання до моменту досягнення ним свого граничного стану. Прогнозування залишкового ресурсу є ключовою проблемою при оцінці ступеня критичності поточного стану обладнання. Згадуваний вище параметр ТР є параметром функції апроксимації (2.78). Він визначається в результаті апроксимації графіком цієї функції початкових даних про величину діагностичного параметра, отриманих у результаті регулярного контролю технічного стану обладнання:

                            (2.46)

де Р0 , Р – відповідно початкове і поточне значення діагностичного параметра, що об’єктивно характеризує технічний стан обладнання; t0, t – відповідно напрацювання обладнання на момент початкового (первинного) і поточного обстеження (визначення поточної величини діагностичних параметрів); ТР, ?, ? – параметри, які визначаються в результаті  апроксимації.

Процедура апроксимації полягає в мінімізації за допомогою комп’ютерної програми величини такого функціонала:

               (2.47)

де m – кількість значень діагностичного параметра, що вимірюється за період підконтрольної експлуатації зразка обладнання, яке діагностується.

Середня відносна похибка апроксимації

,                                   (2.48)

де YФ та YP – фактичне і розрахункове значення показника відповідно.

Якщо величина , то вибране рівняння регресії вважається за достатньо адекватне реальному процесу.

Графіки функції (2.45) наведені на рис. 2.37 (зростаюча крива для варіанта формули зі знаком плюс перед параметром, а спадна крива  для формули зі знаком мінус). Цими графіками (деградаційні криві) є  типові траєкторії  зміни з часом технічного стану різноманітного механічного устаткування  .

Діагностичні засоби і методи є невід’ємною частиною автоматизованих виробничих систем, що містять у тому числі й паперорізальне обладнання. Автоматичний контроль стану паперорізального обладнання дозволяє:

а) підвищити надійність процесу різання поліграфічних матеріалів;

б) визначати правильність його проходження;

в) автоматично відновлювати працездатність обладнання при відмовах інструменту;

г) зменшити витрату інструменту;

д) поліпшити якість обробки і зменшити відсоток браку;

е) зберегти механізми і вузли паперорізальної машини від поломки і передчасної втрати точності;

і) підвищити режими обробки.

Рис. 2.37. Типова траєкторія зміни  технічного стану промислового обладнання:

1 – ділянка напрацювання; 2 – ділянки стаціонарного стану; 3 – ділянка катастрофічної зміни (деградації) технічного стану

При цьому особливу увагу потрібно приділяти різальному інструменту – ножу, оскільки несвоєчасне виявлення відмов інструменту може мати найрізноманітніші  наслідки: від появи браку до аварії обладнання.

Це питання може вирішуватися по–різному:

створенням систем, що контролюють лише цілісність інструменту перед початком виконання процесу різання; фіксацією поломок інструменту в процесі обробки; періодичною або безперервною оцінкою зносу інструменту з метою корекції його положення і прогнозування його залишкового ресурсу. Методи контролю зносу інструменту поділяють на прямі й непрямі способи вимірювання. Прямі методи передбачають безпосереднє вимірювання параметрів зносу. Такі вимірювання можуть бути проведені радіоактивними, оптико–телевізійними, лазерними, електромеханічними, ультразвуковими або пневматичними методами. При цьому практичне застосування цих методів діагностування стикається із серйозними труднощами при урахуванні тих або інших конкретних особливостей експлуатації та обслуговування різального інструменту, що, як правило, робить неможливим їх широке використання під час обробки деталі в процесі різання (активний метод контролю). Непрямі методи вимірювання стану різального інструменту більш універсальні і дозволяють здійснювати його в процесі обробки деталей, тобто не вимагають додаткового часу на вимірювання. Вони базуються на ідентифікації зносу з вимірювання різних фізичних величин, супутніх процесу різання  : сили різання  , термо – ерс [, ], момент на валу двигуна, віброакустичні явища зони різання [, ] та ін.

Порівняльний аналіз цих методів вимірювання показав, що найбільш перспективним є віброакустичний метод контролю, який дозволяє позбавитися від існуючих недоліків вищеперелічених методів: електроізоляції інструменту, сильного впливу температури, стружки і СОЖ на вимірюваний параметр, навчання діагностичної системи при переході до нових режимів обробки і т. д.

Усі роботи в цьому напрямку можна поділити на 2 групи:

– використання сигналу хвилі акустичної емісії, коливання якої генеруються в зоні різання, в діапазоні великих частот – 100 КГц;

– використання параметрів сигналу коливань технологічної системи і коливань, які генеруються в зоні різання в діапазоні від 20 Гц до 60 КГц, що включає звуковий діапазон.

Ефективність процесу різання паперу можна підвищити введенням контролю стану різальної кромки ножа, здійснюваного за характеристиками акустичного сигналу, що генерується процесом різання паперу.

Акустичний сигнал (звук) є коливаннями тиску в повітрі. Коливання повітря, спричиняється контактною взаємодією різальної кромки ножа з папером. При зміні умов різання та властивостей поліграфічних матеріалів змінюватиметься характер контакту і відповідно — звуку. Тому визначення залежності характеру акустичного сигналу від властивостей поліграфічних матеріалів є актуальним завданням. Характеризується акустичний сигнал такими основними параметрами, як  :

а) звуковий тиск pзв, Па;

б) інтенсивність звуку I, Вт/м2;

в) довжина звукової хвилі l, м;

г) швидкість поширення хвилі с, м/с;

д) частота коливань f, Гц.

Звуковий або акустичний тиск у середовищі є різницею між миттєвим значенням тиску в даній точці середовища pср при звукових коливаннях і статичного тиску pатм у тій самій точці за їх відсутності. Іншими словами, звуковий тиск — це змінний тиск у середовищі, обумовлений акустичними коливаннями:

                                  (2.49)

Властивість середовища проводити акустичну енергію характеризується його акустичним опором, який встановлюється співвідношенням амплітуди звукового тиску до амплітуди коливальної швидкості її частинок. Чим більший акустичний опір, тим вищий ступінь стиску і розріджування середовища при даній амплітуді коливання частинок середовища. Чисельно питомий акустичний опір середовища (zA) визначається за формулою

                                              (2.50)

де r — щільність середовища, кг/м; с — швидкість поширення звукових хвиль у середовищі, м/с.

Звукова хвиля є носієм енергії, яка надходить від зовнішнього джерела (паперорізального ножа) у напрямі його руху. Кількість енергії, що переноситься звуковою хвилею за одну секунду через переріз площею 1 м2, перпендикулярний до напрямку руху, називається інтенсивністю звуку I, Вт/м2. Інтенсивність звуку визначається відношенням звукового тиску до акустичного опору середовища:

.                                                     (2.51)

Довжина звукової хвилі l дорівнює довжині шляху, що проходить звукова хвиля за один період Т:

,                                                      (2.52)

де Т=1/f – період коливань;  f – частота коливань, Гц.

Швидкість поширення хвиль у середовищі визначається таким чином:

,                                        (2.53)

де Е – модуль Юнга; G – модуль зрушення; m – коефіцієнт Пуассона;

r – щільність середовища.

Використання віброакустичних методів контролю пов'язано з виявленням корисного вібросигналу різання на фоні значного рівня перешкод, що створюються вібраціями обладнання (приводами притиску і різання).

Таким чином, можливість формування різних варіантів характеристик машинобудівного виробу (ФПСв) забезпечується завданням множини підсистем і елементів, які можуть реалізувати різні його функції. Підвищення ефективності їх експлуатації ґрунтується на комплексному підході до забезпечення потрібної надійності найбільш слабкого елемента ФПСв (наприклад, різального інструменту паперорізального обладнання) на стадіях проектування і виготовлення за рахунок застосування методів діагностування і прогнозування його технічного стану на етапі експлуатації. Для створення машинобудівної продукції виробничо–технічного призначення, яка відповідає сучасним вимогам споживача, необхідні прогресивні функціональні підсистеми. Проблема формування і використання критеріїв вибору функціональних підсистем є однією з найбільш важливих у ЖЦВ.



загрузка...