Методика обеспечения работоспособности строительных машин средствами обслуживания и ремонта
На правах рукописи
Зазыкин Андрей Вячеславович
Методика обеспечения работоспособности строительных машин средствами обслуживания и ремонта
Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные
и подъемно-транспортные машины
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2010
Работа выполнена на кафедре транспортно-технологических машин ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
Репин Сергей Васильевич
ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Дружинин Петр Владимирович
ФГОУ ВПО «Военный инженерно-технический университет», г. Санкт-Петербург
кандидат технических наук
Сапожников Александр Иванович
ООО Научно-техническая фирма «Специальное оборудование судов и глубоководная техника», г. Санкт-Петербург
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Северо-Западный государственный заочный технический университет», г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится 16 декабря 2010 г. в 16 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.223.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, г. Санкт-Петербург, ул. Курляндская, дом 2/5, аудитория 340К.
Факс: (812) 316-58-72, (812) 575-01-95.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».
Автореферат разослан «____» ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор 
В.Н. Горшков
Общая характеристика диссертационной работы
Актуальность темы. Эффективность использования строительных машин[1] (СМ) в значительной степени определяется их надежностью. Надежность СМ, как сложных технических объектов (ТОб), связана с их структурой и надежностью структурных элементов. Несвоевременная замена элементов, надежность которых снижается в процессе эксплуатации, приводит с одной стороны к недоиспользованию ресурса, с другой – к экономическому (или другому) ущербу от внезапных отказов и связанных с ними простоями машин. Поэтому исследования, направленные на повышение надежности машин путем совершенствования технологии обеспечения их работоспособности, можно считать одним из основных направлений повышения эффективности СМ.
Основными тенденциями развития средств механизации строительства являются усложнение конструкции, расширение номенклатуры и появление новых видов СМ, сокращение цикла «проектирование-производство-поставка оборудования» до 1…2 лет. В таких условиях, ускоряющихся темпов качественного и количественного обновления парка СМ, система технической эксплуатации (СТЭ) должна быть готова к обеспечению его работоспособности, что возможно только на основании использования современных технологий управления СТЭ СМ.
Однако анализ практики эксплуатации СМ показывает, что темпы развития СТЭ значительно отстают от темпов обновления парка машин, что проявляется в использовании устаревших методик планирования мероприятий технического обслуживания и ремонта (ТОР) СМ и материально-технического обеспечения (МТО) запасными частями (ЗЧ), например, отсутствии учета старения парка машин, сопровождаемого возрастанием количества неплановых ремонтов (НР), возрастанием потребности в ЗЧ. Это приводит к увеличению времени простоев СМ по причине неработоспособности и, как следствие, к снижению их эффективности.
Исследования, связанные с повышением надежности и эффективности ТОб, входят в комплекс мероприятий управления жизненным циклом (ЖЦ). Мировые тенденции в данной области представлены применением: CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и ЖЦ продукта), базирующихся на международных стандартах серии ИСО 9000 и ИСО 14000; использовании современных информационных технологий, реализованных в системах комплексного управления основными фондами (Enterprise Asset Management – EAM) и др.
В России одним из основных руководящих документов, определяющих основные направления совершенствования системы обеспечения работоспособности СМ в соответствии с указанными мировыми тенденциями, являются выпущенные в 2003 году Госстроем России «Методические указания по разработке и внедрению системы управления качеством эксплуатации строительных машин» (МДС 12-12.2002), которые также предлагают подходить к построению СТЭ СМ с учетом положений стандартов ИСО 9000, но не дают готовых практических решений.
В связи с этим, разработка методики совершенствования системы обеспечения работоспособности СМ, направленной на улучшение планирования мероприятий ТОР и МТО на основе теоретических исследований и применения информационных технологий является актуальной научно-практической задачей.
Актуальность представленной работы определяется ее значимостью для теоретического и практического развития вопросов совершенствования системы обеспечения работоспособности СМ, повышения безопасности и эффективности их использования.
Основные разделы диссертации разрабатывались в рамках инновационной научно-исследовательской работы (НИР) СПбГАСУ № ИН5-08 «Совершенствование технической эксплуатации строительной техники на основе информационных технологий».
Объект исследований – СМ, парк СМ управления механизации.
Предмет исследований – система обеспечения работоспособности СМ, а именно составляющие технической эксплуатации (ТЭ) – системы ТОР и МТО.
Цель диссертационного исследования – разработка методики совершенствования системы обеспечения работоспособности СМ, направленной на улучшение планирования мероприятий ТОР, совершенствование процессов МТО на основе теоретических исследований и применения информационных технологий.
Основные задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели:
- Анализ теории и практики совершенствования составляющих ТЭ СМ – систем ТОР и МТО.
- Совершенствование стратегии обеспечения работоспособности СМ по техническому состоянию (ТС).
- Разработка методики планирования мероприятий ТОР с учетом динамики ТС СМ.
- Разработка методики планирования процессов МТО запасными частями (ЗЧ) с учетом динамики ТС элементов СМ и теории управления запасами.
- Разработка методики организации процессов ТОР и МТО с помощью автоматизированной информационной системы управления технической эксплуатацией (ИАСУ ТЭ).
Методология настоящей работы использует методы анализа структурной надежности сложных ТОб, теории массового обслуживания и управления запасами, математическое и компьютерное моделирование, информационные технологии.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке методики обеспечения работоспособности СМ, базирующейся на научно обоснованных теоретических и технических решениях, направленной на повышение эффективности использования строительной техники и имеющей существенное значение для механизации строительства. В ходе разработки методики и на основании сформулированной цели и задач было выполнено следующее:
- Установлены закономерности динамики ТС элементов машин, основанные на исследовании парков СМ в управлениях механизации г. Санкт-Петербурга.
- Разработана стратегия обеспечения работоспособности СМ по ТС, основанная на дифференцированном подходе к элементам машин, возможные отказы которых имеют различное влияние на надежность машины в целом и требуют разного подхода к планированию периодичности их ТОР или замен.
- Разработана методика планирования мероприятий ТОР СМ, описывающая планирование:
- по общему уровню надежности машин, оцениваемому коэффициентом готовности и содержащая модели:
- планирования мероприятий ТОР с учетом динамики ТС и возрастающей потребности в неплановых ремонтах по мере старения СМ;
- расчета вероятностей состояний машины.
- по состоянию с контролем уровня надежности элементов машин, и содержащая модели:
- расчета характеристик надежности машины как совокупности взаимосвязанных отдельных элементов;
- оценки критичности отказов элементов машины (на примере гидропривода крана КС-5473);
- оценки надежности элементов машин с помощью теории массового обслуживания;
- по состоянию с контролем параметров ТС элементов машин, и содержащая модели:
- динамики параметров ТС элементов машины;
- оценки предельных значений параметров элементов машины;
- прогнозирования остаточного ресурса элементов машины.
- Разработана методика планирования процессов МТО СМ ЗЧ, описывающая планирование:
- по факту случайного отказа элементов машин, содержащая модели расчета параметров МТО в зависимости от надежности элементов машин и заданного уровня риска от внезапных отказов.
- по наработке элементов машин, содержащая модели планирования периодичности и количества замен по удельным затратам и надежности заменяемых элементов.
- по состоянию с контролем уровня надежности элементов машин, содержащая модели расчета количества замен элемента за срок службы машины с учетом разброса значений ресурса заменяемого элемента.
- по состоянию с контролем параметров ТС элементов машин.
Также данная методика описывает планирование страхового запаса ЗЧ машин с учетом разработанной методики управления резервом ЗЧ, позволяющей минимизировать ущерб от простоев машин по причине отсутствия запчастей.
- Разработана методика сбора и обработки эксплуатационной информации с помощью ИАСУ ТЭ, включающая реализованные в компьютерных программах математические модели оптимизирующие процессы планирования ТОР и МТО.
- Разработаны структура и состав базы данных ТЭ отдельной СМ, составлены базы данных по СМ.
Обоснованность и достоверность теоретических моделей подтверждена результатами расчетов по специально разработанным математическим компьютерным программам для реальных производственных условий и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность в виде ИАСУ ТЭ, баз данных ТЭ СМ, методик по совершенствованию процессов обеспечения работоспособности СМ.
Практическая ценность заключается в разработке методик:
- планирования мероприятий ТОР с учетом динамики ТС элементов СМ по мере их старения;
- планирования процессов МТО ЗЧ СМ на основе моделей динамики ТС элементов машин и теории управления запасами;
- сбора и обработки эксплуатационной информации с помощью ИАСУ ТЭ;
- применения ИАСУ ТЭ и формирования баз данных ТЭ СМ.
На защиту выносятся:
- Результаты анализа практики организации функционирования систем ТОР и МТО на предприятиях по эксплуатации СМ и исследования ТС парка СМ в управлениях механизации г. Санкт-Петербурга.
- Методика планирования мероприятий ТОР СМ с учетом динамики ТС машин по мере их старения.
- Методика планирования процессов МТО СМ ЗЧ с учетом динамики ТС элементов машин и теории управления запасами.
- Совокупность теоретических положений, содержащая математические модели совершенствования процессов обеспечения работоспособности СМ, а именно:
- прогнозирования остаточного ресурса по эксплуатационной информации как СМ в целом по динамике коэффициента технической готовности, так и её отдельных элементов по динамике интенсивности отказов и параметров ТС;
- прогнозирования потребности в НР СМ и корректировки планов проведения мероприятий ТОР в зависимости от возраста машины;
- расчета вероятностей состояний СМ и оценки надежности её элементов с помощью теории массового обслуживания;
- расчета характеристик надежности СМ как совокупности взаимосвязанных отдельных элементов;
- оценки критичности отказов элементов СМ (на примере гидропривода крана КС-5473);
- расчета параметров МТО ЗЧ в зависимости от уровня надежности элементов СМ и степени риска от их внезапных отказов;
- оптимизации количества замен элементов СМ по удельным затратам и надежности заменяемых элементов;
- количества замен элемента за срок службы СМ с учетом разброса значений ресурса заменяемого элемента;
- расчета страхового запаса ЗЧ машины с заданной вероятностью удовлетворения потребности в них;
- управление резервом ЗЧ СМ с целью минимизации ущерба от простоев машины по причине их отсутствия.
- Методика сбора и обработки эксплуатационной информации с помощью ИАСУ ТЭ СМ.
Публикации. Основные положения исследования опубликованы в 16 научных работах, в том числе в 2 монографиях, двух статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации базы данных, подана заявка на полезную модель.
Апробация работы. Основные результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на 7-ми научных, 6-ти международных научно-технических конференциях СПбГАСУ.
Реализация результатов работы. На основе представленных в диссертации научных исследований и инженерных разработок были созданы и внедрены:
- ИАСУ ТЭ СМ на базе программно-информационного комплекса TRIM PMS, разработки НПП «СпецТек», в управлении механизации - филиале ОАО «Метрострой» (г. Санкт-Петербург).
- Материалы диссертационной работы используются в курсе лекций и в расчетно-аналитических заданиях по дисциплинам «Технология машиностроения, производство и ремонт ПТМ и СДМ», «Ремонт средств механизации и автоматизации», «Эффективность применения машин» для студентов специальностей «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и «Механизация и автоматизация строительства».
- Вариант информационно-аналитической системы «Эксплуатация парка строительных машин» используется на практических и лабораторных занятиях по дисциплине «Эксплуатация и ремонт строительных машин» для студентов вышеуказанных специальностей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит 231 страницу текста, включающую 9 таблиц, 103 иллюстрации,15 приложений. Список литературы содержит 177 наименований.
Содержание работы
Введение. Рассмотрены основные положения диссертационной работы, обоснована актуальность рассматриваемой проблемы исследований, дана краткая аннотация работы.
В первой главе «Анализ состояния вопроса» проведен анализ теоретических работ и практических положений в рассматриваемой области, а также мировых и российских тенденций организации системы жизнеобеспечения техники, проанализировано влияние информационных технологий на процессы обеспечения работоспособности техники, намечена цель и сформулированы задачи исследования.
Анализ исследований многих ученых (Л.Л. Вегера, Е.И. Зайцева, С.В. Репина и др.) показывает, что эффективность применения машин в значительной степени определяется уровнем их надежности, формируемом на всех этапах ЖЦ машины. Помимо снижения наработки, выражаемой в машино-часах и единицах производительности, недостаток надежности понижает уровень безопасности эксплуатации машин (В.В. Болотин, И.А. Ушаков, В.И. Эдельман и др.), характеризующий вероятность отказов технических систем, приводящих к авариям, экономическим и другим видам ущерба, и снижающих в конечном итоге эффективность применения машин. Поэтому особенно важно управлять надежностью на этапе эксплуатации, на котором машина реализует свое назначение. Основной системой обеспечения надежности машин в эксплуатации является система их технической эксплуатации (СТЭ), главными составляющими которой, имеющими наибольшее влияние на обеспечение работоспособности машин являются системы ТОР и МТО ЗЧ. Таким образом, совершенствование процессов, связанных с профилактической заменой элементов СМ и с мероприятиями по поддержанию и восстановлению работоспособности СМ и их элементов, является важным резервом повышения эффективности парков СМ.
Исследования, связанные с повышением надежности и эффективности ТОб, входят в комплекс мероприятий управления жизненным циклом (ЖЦ). Мировые тенденции в данной области представлены применением: CALS-технологий (Continuous Acquisition and Lifecycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и ЖЦ продукта).
Совершенствование процессов согласно концепции CALS должно быть основано на её базовых принципах: реинжиниринге производственных процессов; создании интегрированной информационной среды (ИС) предприятия; применении интегрированных информационных моделей (ИИМ); ведения электронной документации; интеграции с поставщиками машин, оборудования, материалов, услуг (интегрированная логистическая поддержка).
Реинжиниринг предусматривает разработку программы непрерывного совершенствования производственных процессов на основе системного анализа предприятия. ИИМ представляют собой математические модели, описывающие эти процессы, интегрированные в информационную среду предприятия с целью их оптимизации. Назначение электронной документации – хранение, сбор и предоставление информации о предприятии, в т.ч. машинах, оборудовании, персонале. Ядром ИС для предприятия по эксплуатации СМ должен быть программный комплекс управления ТЭ. Выполнение указанных базовых принципов обеспечит предприятию построение СТЭ согласно последним достижениям науки и техники, а также снижение влияния человеческого фактора на надежность техники за счет применения методов контроля качества выполнения и принятия оптимальных решений организации мероприятий ТЭ.
Проведенными при участии автора исследованиями 2009-2010 гг. установлено, что на предприятиях по эксплуатации СМ г. Санкт-Петербурга отсутствуют ИС, позволяющие взаимосвязано оптимизировать процессы ТОР и МТО ЗЧ. В лучшем случае обеспечивается электронный документооборот, учет наработки и расхода ресурсов (крупные предприятия).
Отечественными и зарубежными учеными выполнено большое количество исследований, результаты которых можно использовать для формирования требуемого набора ИИМ – в области надежности технических систем (Д.П. Волков, Б.В. Гнеденко, Б.Ф. Хазов и др.), оптимизации процессов ТОР (Ф. Байхельт, Б.Н. Бирючев, Б.Г. Ким и др.), оптимизации процессов МТО ЗЧ (B.C. Лукинский, В.С. Малкин, С.Н. Николаев и др.). Исследования показывают, что развитие методов обеспечения работоспособности происходит в направлении совершенствования профилактической стратегии с учетом состояния машин, основанной на контроле надежности и характеристик ТС машин и их элементов.
Однако проведенный анализ показал отсутствие достаточно полных исследований, посвященных дифференцированному подходу к формированию процессов ТОР для отдельных элементов машин СМ, возможные отказы которых имеют различное влияние на надежность машины в целом, и требуют разного подхода к планированию периодичности их ремонтов или замен.
В результате проведенных исследований сформулированы цель диссертационной работы и задачи, решение которых может существенно улучшить функциональность системы обеспечения работоспособности СМ, оптимальность планирования и проведения технических воздействий, чем повысить эффективность и безопасность применения СМ.
Во второй главе « Методика обеспечения работоспособности строительных машин по техническому состоянию» рассмотрены: структурная схема обеспечения работоспособности сложного ТОб по состоянию; методика планирования мероприятий ТОР с учетом динамики ТС СМ по состоянию с контролем уровня надежности и параметров ТС.
Предложенная в диссертации стратегия обеспечения работоспособности СМ по состоянию базируется на разработанной структурной схеме обеспечения работоспособности сложного ТОб по состоянию, сущность которой состоит в разделении всех элементов СМ на четыре группы, организация ТОР и замена которых производится на разной методической основе: по регламентированной наработке элементов; по уровню их надежности; по значениям контролируемых параметров их ТС; по факту их отказа.
Планирование мероприятий ТОР по общему уровню надежности машины базируется на «Рекомендациях по организации технического обслуживания и ремонта строительных машин. МДС 12-8.2007», недостатком которых является отсутствие в планировании мероприятий ТОР учета влияния снижения надежности машины вследствие ее старения. Этот процесс сопровождается возрастанием количества внезапных отказов по мере расходования машиной ресурса, что приводит к простоям в НР, снижению наработки машины в планируемом периоде и соответственно уменьшению количества плановых мероприятий ТОР.
Согласно исследованиям возрастной динамики СМ снижение наработки машин можно описать выражением
, (1)
где 
и 
– продолжительность времени пребывания машины соответственно возраста t и 1 год в работоспособном состоянии в рабочее время; 
– параметр старения по наработке.
Главное отличие предлагаемой методики от МДС 12-8.2007 в расчете продолжительности времени 
пребывания машины в работоспособном состоянии в рабочее время:
- согласно МДС 12-8.2007 величина
не зависит от срока службы машины и простоев в НР
; (2)
- согласно предлагаемой методике
. (3)
где 
– планируемый фонд рабочего времени СМ; 
, 
– продолжительность рабочего времени, в течение которого машина находится соответственно на плановом ТОР и НР.
Значение 
определяется выражением
. (4)
Разработана математическая модель для расчета режимов ТОР согласно предлагаемой методике, которая реализована в среде Excel.
Описанный подход к планированию мероприятий ТОР позволяет определить вероятности состояний СМ. С использованием методов теории массового обслуживания получены следующие выражения для вероятностей пребывания машины в состоянии определенного вида ремонта или обслуживания
(5)
где 
– вероятность пребывания СМ в работоспособном состоянии, 
– вероятности пребывания СМ в состоянии определенного вида ремонта или обслуживания, 
, 
– соответственно интенсивности отказов и интенсивности восстановлений состояний.
Данные формулы позволяют получить новое выражение для расчета коэффициента технического использования (
):
. (6)
Для расчета статистических характеристик, используемых в приведенных формулах, была разработана методика сбора и обработки эксплуатационной информации, реализованная в ИАСУ ТЭ. В частности, методика позволяет определить параметр 
[формула (1)], который определяется на основе анализа результатов наблюдений за период n лет по значениям 
. Среднее значение 
вычисляется по формулам:
, (7)
Анализ значений наработки двадцати машин (экскаваторов) показал, что распределение наработки в течение одного года подчиняется нормальному закону.
Для сбора данных с целью разработки положений планирования мероприятий ТОР с учетом надежности отдельных элементов и критичности их отказов было проведено обследование парков машин управлений механизации г. Санкт-Петербурга в 2005–2010 гг. Было установлено влияние отдельных элементов и систем машин на работоспособность. Оказалось, что гидропривод является одной из наименее надежных (17% отказов от общего количества) и затратных (24% затрат от общего количества) систем кранов (рисунок 1).
Рисунок 1 – Распределение количества ремонтных воздействий (а) и затрат на ремонтные воздействия (б) по основным составным частям автокранов участка ООО «УМ-6»
На основании полученных данных был проведен анализ вероятностей состояний СМ как сложных ТОб с помощью теории массового обслуживания.
На рисунке 2 показана графическая интерпретация результатов расчета вероятностей состояний крана КС-5473 (вероятностей отказов структурных элементов), выполненного на основании данных полученных в ООО «УМ-6».
Рисунок 2 – Графическая интерпретация результатов расчета вероятностей состояний систем крана КС-5473
Для успешного решения задачи обеспечения необходимого и достаточного уровня надёжности гидропривода и его элементов в послеремонтный период, как одной из наименее надежных систем гидрофицированных СМ, была проведена оценка критичности видов отказов, также, на примере гидропривода крана КС-5473.
Критичность отказов по группе элементов оценивалась по приведённой интенсивности отказов
, (8)
где 
– интенсивность отказов i-тых элементов приводящих к последствиям со степенью жёсткости j; 
– степень жесткости последствий отказов (для СМ в диссертационной работе предлагается использовать 16 степеней жесткости, причем последняя характеризуется отказами элементов приводящих к катастрофическим последствиям с жертвами и в расчете не учитывается); 
– количество i-тых элементов в подгруппе привода.
Наиболее критичными по последствиям возможных отказов оказались элементы гидропривода выносных опор и сервоуправления. Такое соотношение критичности последствий отказов достаточно типично для современных СМ, имеющих сложные гидросистемы. Для аппаратов входящих в эти группы, необходимо обеспечить максимальный контроль возможных дефектов (в том числе внутренних).
Планирование мероприятий ТОР по состоянию с контролем параметров ТС основано на измерении значений характеристик 
параметров ТС элемента СМ, производимого посредством диагностирования.
По измеренному значению 
параметра и известному закону его изменения 
рассчитывается остаточный ресурс 
, определяющий расчетную наработку до предельного состояния элемента, характеризуемого значением 
параметра. На основании 
принимается решение о дальнейшей эксплуатации элемента или проведении ремонтных работ.
Характер изменения параметра 
, измеряемый в i-тых точках, переменный. Поэтому и скорость 
изменения параметра также непостоянна
, (9)
где 
– замеренное значение параметра в момент времени 
.
Среднее значение скорости изменения параметра
, (10)
где n – количество замеров параметра.
Наиболее характерен случай, когда разброс значений скорости изменения параметра подчинен нормальному закону:
, (11)
где 
– плотность вероятности; 
– математическое ожидание 
; 
– среднее квадратическое отклонение скорости процесса; 
– коэффициент вариации.
Предельно допустимое значение параметров 
установлено из условия правильности функционирования элемента машины. При 
наступает предельное состояние, которое и определяет срок службы (наработку) элемента СМ до отказа 
.
Средний срок службы элемента
. (12)
Остаточный ресурс, определяется по результатам измерения значения параметра в i-той точке
. (13)
Описанная методика в диссертационной работе реализована на примере прогнозирования остаточного ресурса шестеренного насоса НШ-46У. Где в качестве параметра ТС выступает объемный КПД 
.
Значение 
может быть установлено или по рекомендациям завода-изготовителя, или определено исходя из показателей функционирования СМ, например, предельного времени рабочего цикла tц
.
На рисунке 3 приведены результаты прогнозирования среднего значения КПД насосов с интервалом рассеяния 
(выражения для U1, U2).
Рисунок 3 – Результаты анализа и прогнозирования динамики КПД насосов НШ-46У в Excel
В третьей главе «Методика планирования процессов материально-технического обеспечения строительных машин запасными частями» рассмотрены исходные теоретические положения по организации процессов МТО СМ ЗЧ; определение потребного количества замен для элементов СМ, заменяемых по факту их случайного отказа, по их регламентированной наработке, по уровню их надежности, по динамике параметров их ТС; расчет страхового запаса ЗЧ машин с заданной вероятностью удовлетворения потребности в них; управление резервом ЗЧ с целью минимизации ущерба от простоев по причине их отсутствия запчастей.
Для определения количества запчастей, необходимого для устранения случайно возникающих отказов, на основе модели управления запасами использована методика, основанная на учете уровня риска (данный подход предложен Е.В. Судовым), учитывающего вероятность отсутствия детали на складе в тот момент, когда она потребуется для ремонта машины.
Для организации управления запасами для каждой единицы хранения требуется определить следующие основные параметры: уровень начального запаса 
; уровень минимального запаса, обеспечивающий требуемую готовность в течение времени поставки заказанной партии запчастей на склад 
; объем партии поставки при пополнении запаса – 
.
Зная интенсивность отказов одной детали, количество деталей n, одновременно находящихся в эксплуатации, и соответствующий временной интервал tп
, можно найти средние значения определяемых параметров МТО: средний уровень начального запаса 
, средний уровень минимального запаса 
, и средний объем партии поставки q
по формулам:
, (14)
, (15)
, (16)
где 
– интенсивность отказов одной детали, приведенная к используемому временному базису (например, 1/мес).
«Накопленная» вероятность появления от 0 до 
m отказов за заданный период в соответствии с законом распределения Пуассона определяется формулой
. (17)
На рисунке 4 приведен пример расчета «накопленной» вероятности появления от 0 до m
отказов деталей одного типа. Две горизонтальные линии, соответствуют уровням риска 
и 
. Очевидно, что в точке пересечения кривой 
с горизонталью, соответствующей величине R
, имеет место равенство 
.
Тогда необходимое количество запчастей можно найти, решая неравенство
(18)
относительно m и принимая в качестве результата ближайшее большее целое (поскольку m может быть только целым числом). Графическое решение неравенства приведено также на рисунке 4. При 
для 
на складе следует иметь три детали, а для 
– четыре.
Рисунок 4 – «Накопленная» вероятность появления от 0 до m отказов деталей одного типа
Если за время цикла запас может расходоваться полностью (т.е. нет страхового запаса), то искомые параметры МТО 
, 
, 
можно найти, подставляя в неравенство (18) вместо средние значения 
, 
и q 
соответственно. Решая неравенство (18) при этих значениях, получим для заданного R:
(19)
Результаты решения показаны на рисунке 4.
Для описанного способа организации управления запасами предполагалось отсутствие «страхового» запаса деталей, т.е. при определенных условиях возможно появление дефицита запчастей. Чтобы избежать таких ситуаций, следует ввести понятие неснижаемого уровня запаса, за который в рассмотренной выше модели можно принять уровень минимального запаса 
.
При замене элементов СМ по наработке отказы связаны не только с плановыми заменами, но и с неплановыми. Неплановые замены вызваны отказами элементов до наступления сроков плановых замен вследствие некачественного их изготовления, неправильной установки элемента, отказов или неправильной работы сопряженных элементов и пр.
Для оптимизации сроков замен таких элементов, проводимых в послегарантийный период эксплуатации СМ, построена вероятностная модель, в основу которой положена идея минимизации средневзвешенных затрат на ремонты, предложенная проф. Е.И. Зайцевым. В качестве весовых коэффициентов для двух альтернатив непланового ремонта (НР), вызванного внезапным отказом, и предупредительного ремонта, используется риск пропуска отказа (
) (соответствует 
– функции распределения вероятности безотказной работы элемента)
(20)
и риск перерасхода средств на предупреждение отказов (
) (соответствует 
– вероятности безотказной работы элемента)
, (21)
где: 
– плотность распределения наработок до отказа с математическим ожиданием 
; 
наработка, на которой выполняется предупредительный ремонт.
Подлежащие минимизации затраты определяются по формуле
, (22)
где 
– суммарные затраты на аварийный ремонт, 
– суммарные затраты на предупредительный ремонт.
Если составляющие затрат выразить через средние стоимости аварийного 
(с учетом ущерба У прямого, к примеру, от потерь гидравлической РЖ и сопряженного из-за остановки работ) и предупредительного 
ремонтов, то получим
, (23)
где 
– количество эксплуатационных (ремонтных) циклов на заданной конечной наработке 
(например, до капитального ремонта).
Для рассматриваемого примера разработана Mathcad–программа, с помощью которой получены результаты расчета оптимальных периодов замены элементов по минимуму затрат за ремонтный цикл для различных значений ущерба У (рисунок 5).
Рисунок 5 – Результаты расчета оптимальных периодов замены элементов СМ (РВД) по минимуму затрат за ремонтный цикл для различных значений ущерба У (руб.): 1 – 1000, 2 – 5000, 3 – 10000.
Использование данного метода анализа позволяет подойти к оптимизации закупок запчастей с точки зрения «цена – качество».
Полученное в результате оптимизации значение 
служит основанием для расчета потребности в запчастях, причем целесообразно приурочивать замену к ближайшему (лучше предшествующему по сроку) плановому мероприятию ТОР.
Рассматриваемый метод расчета периодичности и количества замен элементов оборудования СМ позволяет решать задачу также с точки зрения обеспечения заданной вероятности безотказной работы. На рисунке 6 представлена схема и результаты такого расчета в графической форме.
Рисунок 6 – Определение количества замен n(Tp) элемента оборудования в зависимости от требуемой вероятности безотказной работы: где а – связь вероятности безотказной работы Р(Тр) с периодичностью Тр замен элемента оборудования (в мотто-часах); б – зависимость количества замен n(Tp) элемента оборудования от требуемой вероятности его безотказной работы Р(Тр); ТКР – плановая наработка до капитального ремонта
При замене элементов СМ по состоянию с контролем уровня надежности вероятность отказа элемента при каждой его замене будет равна
, (24)
где 
– функция Лапласа, 
– средний ресурс элемента СМ за срок её службы до списания, 
– ресурс нового элемента СМ, Кв – коэффициент восстановления ресурса элемента СМ, 
i – номер замены элемента СМ, 
– среднеквадратическое отклонение ресурса элемента СМ.
Общее число замен элементов, необходимое для одной машины с учетом разброса ресурса составит
. (25)
На рисунке 7, в качестве примера, показаны результаты решения, выполненного в Mathcad–программе, по определению числа предохранительных клапанов для обеспечения срока службы гидропривода СМ со следующими характеристиками: срок службы гидропривода, 
, ресурс предохранительного клапана 
, среднее квадратическое отклонение ресурса 
,
коэффициент восстановления 
.
Рисунок 7 – Графики зависимости от порядкового номера замены i: а – периодичности замен элемента; б – вероятности отказа элемента после i-той замены до истечения срока среднего ресурса машины Тр.ср
Т.к. разброс значений ресурса элементов весьма велик, например, при наработке гидропривода 3000 ч может понадобиться от трех до шести замен элемента в пределах разброса 
[линии Т(i, 0,3)+ и Т(i, 0,3)–] (см. рисунок 7, а). На практике требуется более определенное решение вопроса о потребном количестве запчастей. В диссертации предложены два способа решения проблемы: расчета страхового запаса ЗЧ с заданной вероятностью удовлетворения потребности и управление резервом ЗЧ с целью минимизации ущерба от простоев по причине отсутствия запчастей.
Замена элементов СМ по состоянию с контролем параметров их ТС ведется при достижении элементами предельного ресурса, методика прогнозирования времени наступления которого описана во второй главе в пункте «Планирование мероприятий ТОР по состоянию с контролем параметров ТС».
Расчет страхового запаса ЗЧ с заданной вероятностью удовлетворения потребности построен по следующему алгоритму: данные по расходу запчастей за определенный период времени экспортируются из ИАСУ ТЭ в таблицу Excel; данные анализируются с использованием «Сводных таблиц» Excel, в результате получается распределение потребности в ЗЧ по заданным периодам времени, например, по месяцам; с помощью встроенных математических операторов Excel оцениваются параметры распределения потребности в ЗЧ по месяцам: среднее значение (
), стандартное отклонение, закон распределения (обычно принимается нормальный); выбирается вероятность удовлетворения потребности в ЗЧ (например, 95%), по которой рассчитывается коэффициент страхового запаса (
)
; определяется страховой запас (
)
; запас на месяц (
)
.
. (26)
. (27)
Полученное таким методом решение следует оптимизировать с использованием разработанной в диссертации методики управления резервом запасных частей, построенной на сравнении суммарных затрат на приобретение и хранение ЗЧ 
с возможным ущербом от их отсутствия 
. На рисунке 8 графически показано решение задачи с помощью составленной Mathcad–программы.
Рисунок 8 – Результаты расчета в Mathcad оптимального количества n запасных частей (а) и зависимости оптимального количества nопт запасных частей от величины возможного ущерба от их отсутствия (б)
В четвертой главе « Разработка практических рекомендаций и технико-экономическая эффективность предлагаемых решений» приведен анализ систем МТО эксплуатации СМ; методика сбора и обработки эксплуатационной информации с помощью ИАСУ ТЭ; описание опыта применения внедренной при участии автора ИАСУ ТЭ для управления процессами МТО; расчет экономической эффективности применения ИАСУ ТЭ.
Анализ систем МТО эксплуатации СМ.
С целью изучения практики организации процессов МТО было обследовано пятнадцать предприятий по эксплуатации СМ в г. Санкт-Петербурге. Результаты обследования представлены на рисунке 9.
Рисунок 9 – Характерные показатели процессов МТО
В большинстве предприятий (89%) используются ИАСУ МТО, однако это в основном программы типа «1С-Предприятие», производящие только складской учет и не связанные с процессами ТОР. Программные комплексы, связывающие процессы ТОР и МТО, имеются только в трех организациях: ООО «УМ №6», ЗАО «Строительный трест №28» и УМ-филиал ОАО «Метрострой», причем в последнем имеется развитая база данных с каталогами техники и режимами ТОР.
Именно эта ИАСУ ТЭ была внедрена при участии автора, адаптивность и гибкость которой обеспечивается двумя группами структурных составляющих программными модулями и базами данных. Программные модули, разработанные на базе программного комплекса TRIM PMS (разработчик НПП «СпецТек», г. Санкт-Петербург), выполняют основные функции по управлению ТЭ СМ (планирование, обеспечение ресурсами, сбор и анализ информации, контроль, прием и передача данных), оперируя информацией, поставляемой базами данных. Базы данных содержат сведения о каждой машине, ее конструкции, режимах обслуживания, наработке, техническом состоянии, затратах на эксплуатацию и д.р. Структура и состав баз данных для эксплуатации СМ также разработаны при участии автора и защищены авторским правом.
Для формирования (наполнения) баз данных эксплуатационной информацией (такой как наработка СМ, интенсивность отказов элементов машин и д.р.), и последующего её анализа с целью оптимизации процессов ТЭ СМ посредством ИАСУ в диссертации разработана «Методика сбора и обработки эксплуатационной информации с помощью ИАСУ ТЭ». Описание которой представлено на примере расчета показателей динамики ТС СМ (параметра старения по наработке t) и прогнозирования остаточного ресурса машины в целом и ее элементов. При этом обработка информации в ИАСУ ведется с помощью интеграции предлагаемых в диссертации оптимизационных моделей с TRIM PMS. Интеграция возможна двумя методами: путем экспорта данных во внешний программный модуль (например, Excel, Mathcad и др.), или внедрением программного модуля непосредственно в TRIM, что более сложно, трудоемко и является перспективой развития (на данный момент времени составлен программный модуль по прогнозированию ресурса по общему уровню надежности СМ).
Описание опыта применения внедренной при участии автора ИАСУ ТЭ для управления процессами МТО включает: планирование мероприятий ТОР с учетом условий работы, возраста техники, проведения НР; оформление отчетов о выполненных (плановых или неплановых) технических работах по СМ; методическое описание учета движения ЗЧ и материалов с помощью ИАСУ ТЭ, разработанной на базе программного комплекса TRIM PMS.
Учет движения ЗЧ и материалов с помощью ИАСУ ТЭ состоит во введении информации о нормах ЗЧ и материалов при формировании структуры (дерева) объектов ТОР в БД (составленные электронные каталоги на СМ), постройке в полуавтоматическом режиме плана-графика выполнения регламентных технических работ по СМ и ее элементам в виде линейной диаграммы Ганта, и, при необходимости, осуществлении в автоматическом режиме дозаказа недостающих запчастей со склада.
Оформление отчетов о выполненных (плановых или неплановых) технических работах по СМ заключается во введении информации о показаниях параметров ТС СМ и её элементов (к примеру, показаний счетчика наработки), и в том числе информации о фактическом числе израсходованных ЗЧ при выполнении технических работ по СМ, что позволяет установить связь между наработкой и затраченными ресурсами.
Расчет экономической эффективности применения ИАСУ ТЭ произведен на примере внедрения в УМ-филиал ОАО «Метрострой», из расчета годового эффекта двух основных её составляющих: эффекта от разработки и внедрения ИАСУ ТЭ, связанного с обработкой информации в автоматизированной системе по сравнению с обработкой информации традиционными методами; эффекта, возникающего от более эффективной эксплуатации самих СМ, для управления которыми внедряется ИСАУ ТЭ. Срок окупаемости капитальных вложений на создание ИАСУ ТЭ в УМ-филиал ОАО «Метрострой» составил около полугода.
Основные выводы
- Анализ практики организации ТЭ СМ показал, что простои техники вследствие неплановых технических воздействий почти в 2 раза превышают плановые нормативы, что связано с несовершенством методов планирования мероприятий систем ТОР и МТО ЗЧ. Таким образом, совершенствование этих методов является важным резервом повышения эффективности парков СМ.
- На основании предложенной в диссертации стратегии обеспечения работоспособности СМ по состоянию совершенствование методов планирования мероприятий систем ТОР и МТО ЗЧ СМ целесообразно проводить на основе дифференцированного подхода к элементам машин, возможные отказы которых имеют различное влияние на надежность машины в целом и требуют разного подхода к планированию периодичности их ремонтов или замен: по регламентированной наработке элементов; по уровню их надежности; по значениям контролируемых параметров их ТС; по факту их отказа.
- В соответствии с предложенной стратегией обеспечения работоспособности СМ по состоянию разработана методика обеспечения работоспособности СМ средствами обслуживания и ремонта, состоящая из методики планирования мероприятий ТОР по состоянию и методики планирования процессов МТО СМ ЗЧ, в которых разработаны математические модели оптимизации используемых в методиках процессов.
- Разработанная методика реализована на практике, в рамках внедренной в УМ-филиал ОАО «Метрострой» ИАСУ ТЭ СМ, построенной на базе программного комплекса TRIM PMS разработки НПП "СпецТек" (г. Санкт-Петербург) интеграцией предлагаемых оптимизационных моделей.
- В ходе проведенного исследования организации МТО ЗЧ СМ на предприятиях по эксплуатации СМ г. Санкт-Петербурга разработаны рекомендации по организации управления процессами МТО с использованием внедренной ИАСУ ТЭ СМ.
- Выполнен расчет экономического эффекта от внедрения разработанной ИАСУ ТЭ СМ в УМ-филиал ОАО «Метрострой», в результате которого срок окупаемости капитальных вложений на создание ИАСУ ТЭ составил около полугода.
- В разработанной ИАСУ ТЭ реализована основная идея диссертационной работы – создание системы обеспечения работоспособности СМ, способной совершенствоваться по мере развития науки и техники, отвечающей современным концепциям эксплуатации, работающей на всех этапах ЖЦ СМ и обеспечивающей наибольшую эффективность их применения.
Основные публикации по теме диссертации
Монографии
- Зазыкин, А.В. Жидкости для гидравлических систем транспортно-технологических машин. Качество. Ассортимент. Применение / А.В. Зазыкин, А.С. Сафонов, А.И. Ушаков, В.В. Гришин, С.В. Репин – СПб., ООО "НПИКЦ", 2010. – 188 с.
- Зазыкин, А.В. Методика применения информационной автоматизированной системы управления технической эксплуатацией строительных машин и автотранспорта / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис, Н.К. Ховалыг – СПб.: СПбГАСУ, 2008. 41 с.
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ
- Зазыкин, А.В. Разработка информационных баз техники для использования в автоматизированной системе управления техническим обслуживанием и ремонтом строительных машин / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис, Н.К. Ховалыг // Вестник гражданских инженеров: научно-технический журн. – 2008. – № 1 (14). – С. 64-70.
- Зазыкин, А.В. Управление сроками службы машин в эксплуатации с помощью информационной автоматизированной системы / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, Н.К. Ховалыг // Вестник гражданских инженеров: научно-технический журн. – 2009. – № 1 (18). – С. 85-94.
Статьи в других изданиях
- Зазыкин, А.В. Анализ возрастной структуры парков строительных машин управлений механизации города Санкт-Петербург / А.В. Зазыкин, С.В. Репин // Актуальные проблемы современного строительства. Сб. докладов 57-й Международной научно-технической конференции молодых ученых. Часть II – СПб.: СПбГАСУ, 2004. – С. 175-179.
- Зазыкин, А.В. Имитационное моделирование системы обслуживания строительных и дорожных машин / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, М.В. Захаров // Доклады 61-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. Часть I – СПб.: СПбГАСУ, 2004. – С. 176-177.
- Зазыкин, А.В. Исследование методов совершенствования поддержания работоспособности техники / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, В.Н. Горшков, М.В. Захаров // Доклады 64-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. Часть II – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – С. 173-178.
- Зазыкин, А.В. Исследование надежности парка строительных машин по эксплуатационной информации / А.В. Зазыкин // Доклады 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. Часть I – СПб.: СПбГАСУ, 2005. – С. 190-192.
- Зазыкин, А.В. К вопросу о выборе оптимальной периодичности проведения технических обслуживаний / А.В. Зазыкин, С.В. Репин // Актуальные проблемы современного строительства. Сб. докладов 56-й Международной научно-технической конференции молодых ученых. Часть II – СПб.: СПбГАСУ, 2004. – С. 176-181.
- Зазыкин, А.В. Обоснование структуры информационной системы для автоматизированного управления эксплуатацией парка строительных машин / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис // Доклады 64-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. Часть II – СПб.: СПбГАСУ, 2007. – С. 178-181.
- Зазыкин, А.В. Повышение качества ремонта и обслуживания гидросистем мобильных машин / А.В. Зазыкин, С.Б. Волюжский // Проблемы развития дорожно-транспортного комплекса: Сб. науч. тр. – СПб.: СПбГАСУ, 2006. – С 200-202.
- Зазыкин, А.В. Разработка автоматизированной системы управления техническим обслуживанием и ремонтом строительных машин / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.Ю. Сушко // Политранспортные системы: материалы V Всерос. НТК, Красноярск, 21-23 ноября 2007 г.: в 2-х ч. Ч. 2. – Красноярск: Сиб. Федер. Ун-т; Политехн. ин-т. – 2007. – С. 244-250.
- Зазыкин, А.В. Автоматизированная система управления состоянием основных фондов строительства / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис, Н.К. Ховалыг, С.А. Скакун // Промышленное и гражданское строительство: ежемесячный научно-технический и производственный журн. – 2008. – № 2. – С. 39-40.
- Зазыкин, А.В. Автоматизированное управление эксплуатацией строительных машин / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис, Н.К. Ховалыг, И.Н. Антоненко // Механизация строительства: всероссийский ежемесячный научно-технический и производственный журн. – 2008. – № 5. – С. 14-17.
- Зазыкин, А.В. Анализ ущерба в строительных организациях из-за недостатка строительной техники на объектах работ / А.В. Зазыкин, Н.К. Ховалыг // Актуальные проблемы современного строительства. Сб. материалов 61-й Международной научно-технической конференции молодых ученых. Часть III – СПб.: СПбГАСУ, 2008. – С. 189-191.
Свидетельства на авторские права и изобретения
- Свидетельство № 2008620117 о государственной регистрации базы данных «Информационная база технической эксплуатации экскаватора ЭО-4225» / А.В. Зазыкин, С.В. Репин, К.В. Рулис – М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. – 2008. – 1 с.
Компьютерная верстка И.А. Яблоковой
Подписано к печати 01.11.09. Формат 6084 1/16. Бум. офсетная.
Усл. печ. л. 1,4. Тираж 120 экз. Заказ 110.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.
[1] Под термином «строительные машины» подразумевются также и дорожные, подъемно-транспортные и коммунальные машины, т.е. весь комплекс техники, имеющийся в строительных и профильных эксплуатационных организациях.
