Исследование и разработка методов повышения эффективности функционирования машин коммунально-бытового назначения с аддитивными показателями

Для современного этапа научно-технического прогресса характерна полная механизация и автоматизация производственных процессов, а также процессов получения и преобразования энергии, добычи и переработки природных ресурсов, сельскохозяйственных работ, транспортных услуг и т. п. В этих условиях уже недостаточно обеспечивать высокую производительность и надежность отдельных видов техники — необходимо обеспечивать взаимосвязь параметров всех технических средств, применяемых в рассматриваемом процессе, т. е. рассматривать систему машин (СМ). Но эффективность функционирования систем машин в свою очередь зависит от организации производства, квалификации обслуживающего персонала, качества технического обслуживания, условий эксплуатации. Все это приводит к необходимости изучения моносистемы «техника-обслуживающий персонал — внешняя среда — эксплуатация — ремонт» .

Разработка и внедрение методов повышения эффективности функционирования систем машин особенно актуальны для предприятий бытового обслуживания и в коммунальном хозяйстве.

Вопросы управления надежностью и эффективностью систем машин коммунально-бытового назначения (СМ КБН) непосредственно связаны с безопасностью человеку и экологической среды. В нашей стране в рамках работ по стандартизации эти вопросы до последнего времени оставались в стороне, несмотря на то, что в международной практике издан целый ряд нормативных документов (например, материалы МАГАТЭ, директивы Европейского рынка и др.). В этих документах регламентированы вопросы оценки и обеспечения надежности сложных систем, в том числе и систем машин, по критическим отказам. В нашей стране не регламентирован даже термин «система машин». В Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) в качестве объектов предусмотрены только «комплексы». В то же время понятие «комплекс» значительно уже понятия «система машин». Основные понятия в области надежности, регламентированные ГОСТ 27.002−89, связаны с наличием нормативно5 технической или проектной документации (термины «работоспособное состояние», «отказ» и др."). Но на системы машин, используемые или создаваемые для выполнения отдельных видов работ, такая документация не разрабатывается. Поэтому непосредственное распространение ГОСТ 27.002−89 на систему машин не всегда допустимо и возможно. Например, на систему машин одного ав-токопредприятия отсутствует нормативно-техническая документация. В то же время практически всегда возникает необходимость в оценке и прогнозировании надежности такого объекта, в первую очередь по параметрам сохранения эффективности. Поэтому возникает необходимость в установлении нетрадиционных критериев неработоспособного состояния систем машин. Как показано в работе, за такие критерии должны приниматься нормативные или экономические оптимальные величины тривиальных входных и выходных ресурсов.

Вопросы расчета надежности сложных технических систем достаточно полно разработаны и освещены в работах.

Б.В.Гнеденко, И. А. Ушакова, Э. В. Дзиркала, К. Капура, А. И. Кубарева, Б. В. Хазова, Н. А. Северцева, Р. В. Роттенберга, В. Н. Фомина, ЕЛО. Барзиловича, Г. Н. Черкесова, Г. В. Дружинина, Б. А. Козлова и др. Однако классические методы*расчета надежности систем с различной структурой не всегда применимы для систем машин КБН, т.к. у них в большинстве случаев непостоянное число элементов, работоспособное состояние по параметрам эффективности, .зависит от таких, факторов как организация работы, дисциплина поступления заявок и т. п. Поэтому наиболее применимы для описания функционирования систем машин КБН и построения критериев работоспособного состояния методы общей теории систем, изложенные в работах М. Месаровича, и методы потенциальной эффективности сложных систем, «впервые развитые в работах Б. С. Флейшмана.

Вопросы оценки надежности систем с аддитивными показателями эффективности изложены в работах И. А. Ушакова, Б. А. Козлова и Э. В. Дзиркала.Однако в этих работах не учитываются ранее указанные особен6 ности систем машин.

Задача автора заключалась в том, чтобы на базе проведенных фундаментальных исследований в области надежности и эффективности технических систем разработать методы оценки и прогнозирования показателей надежности и эффективности аддитивных систем машин КБН, рассматриваемых как моносистема, «техника — обслуживающий персонал — среда — эксплуатация — ремонт» .

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — повышение надежности и эффективности функционирования аддитивных систем машин коммунально-бытового назначения на основе исследования и оптимизации структур систем и дисциплины выполнения заявок, а также методов прогнозирования живучести систем машин с переменной структурой.

ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИИ предусматривала решение следующих задач:

1. Анализ актуальности темы и установление ее места и роли в условиях проводимой в стране экономической реформы.

2. Уточнение определения основных понятий в области «систем машин», разработка классификатора систем машин КБН.

3. Анализ существующих методов расчета надежности и методов оценки эффективности систем машин и оценка условий их применимости к аддитивным системам машин КБН.

4. Построение математической модели функционирования систем машин КБН, установление критериев их работоспособного состояния по параметрам эффективности и по тривиальным входным и выходным ресурсам.

5. Разработка методов оценки эффективности систем машин КБН с постоянной структурой, в том числе на основе методов теории массового обслуживания, размерных цепей и теории потенциальной эффективности сложных систем.

7. Разработка методов оценки надежности аддитивных систем КБН с непостоянной структурой по параметрам эффективности.

8. Разработка программ для математического моделирования функционирования аддитивных систем машин КБН, оценка условий сходимости к нормальному закону параметров эффективности систем машин КБН, определение по результатам моделирования толерантных пределов распределения параметров эффективности при различных распределениях ресурсов, вносимых в аддитивную систему отдельными ее составными частями.

9. Применение отработанной методологии к системе машин одного автохозяйства, оценка и прогнозирование живучести дащщ! системы машин при существующей и требуемой интенсивности обновления парка машин (с учетом существующего и требуемого объема перевозок). Разработка для автохозяйства рациональной системы обслуживания заявок на перевозку, сокращающей до двух раз очередь на выполнение транспортных перевозок.

10. Разработка на основе исследований нормативно-технической и методической документации.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цйтируемой литературы из 115 источников, 18 рисунков и 17 таблиц. В диссертации имеются приложения на 5 страницах, содержащие исходные и обработанные экспериментальные данные, подтверждающие обоснованность и достоверность сделанных выводов.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1. Показано, что в условиях полной механизации и автоматизации производственных процессов и особенно в условиях рыночных отношений особую актуальность приобретают вопросы оценки надежности и эффективности систем и оптимизации их структуры и стратегий эксплуатации.

2. На базе математических методов общей теории систем построена модель функционирования систем машин (СМ) — получены условия, при которых надежность СМ должна характеризоваться комплексными показателями снижения эффективности, а при каких — единичными показателями надежности.

3. Получены аналитические выражения для расчета надежности СМ по критериям разности входных и выходных ресурсов. Для тех случаев, когда априори функции распределения тривиальных ресурсов неизвестны (в данный момент времени или на исследуемом отрезке времени) получены аналитические выражения для определения вероятности выполнения заданий путем аппроксимации неизвестных функций другими функциями, дающими верхнюю или нижнюю оценку искомой вероятности.

4. Для СМ, эффективность функционирования которых зависит от дисциплины поступления завязок и структуры системы, с использованием методов теории массового обслуживания получены выражения для расчета эффективности типовых структур систем. При расчетах учитываются условия выполнения заданий как по количеству, так и по качеству, а также по величине затрачиваемых ресурсов.

5. С использованием методов теории расписаний получены условия минимизации среднего времени ожидания обслуживания и минимизации очередей на обслуживание.

6. Определены условия применения предельной теоремы теории вероятности применительно к величине эффективности аддитивных систем, рассматриваемой как сумма эффективностей, вносимых каждой отдельной машиной. По результатам обработки данных компонирования 2000 различных функций было установлено, что эффективность СМ может быть описана нормальным законом только в тех случаях, когда число однотипных или разнотипных машин в системе более 10.

7. Получены выражения для расчета вероятности выполнения заданий системой машин или отдельной машиной по заданной функции изменения во времени среднего значения или дисперсией рассматриваемого тривиального ресурса. Данная задача решена также для случаев, когда на величину тривиального ресурса задано одностороннее или двухстороннее ограничение (допуска).

8. Методами численного интегрирования получены графики определения полей рассеивания тривиальных ресурсов за определенный промежуток времени для тех случаев, когда на его величину оказывает влияние несколько независимых факторов (например, производительность машины и квалификация водителя).

9. Разработана методология использования методов теории размерных цепей к расчету параметров эффективности СМ по заданным /известным/ техническим характеристикам входящих в нее объектов. Путем математического моделирования получены приближенные аналитические выражения для определения коэффициентов относительной асимметрии и относительного рассеивания для случаев, когда число объектов в СМ < 10. Проведена оценка точности приближенных аналитических выражений. Получено выражение для нахождения доверительных границ, доверительных интервалов коэффициентов относительного рассеивания и относительной асимметрии, определяемых по опытным данным.

10. Разработан метод расчета вероятности выполнения заданий СМ с непостоянным числом элементов. Путем введения понятия живучести СМ по.

142 лучено условие, при котором СМ способна выполнять заданный объем работ при известных /прогнозируемых/ величинах убытия и пополнения новыми машинами СМ. Проведено исследование зависимости среднего значения коэффициента готовности СМ с переменной структурой при вычислении его через полное или оперативное время восстановления. Проведено экспериментальное исследование указанной зависимости для типовых представителей машиностроительной продукции.

11. Разработан метод учета параметров объектов контроля /диагностирования/ при определении вероятности выполнения задания отдельной машиной и СМ в целом. В отличие от традиционных методов учета ошибок 1-го и 2-го рода решения задачи проведено для случая, когда из-за износа /старения/ средств контроля /диагностирования/ ошибки 1-го и 2-го рода изменяются во времени и являются некоторой функцией от времени. Получено выражение для определения оптимальных значений ошибок 1-го и 2-го рода.

12. Апробирование разработанных методов проведено применительно к трем представителям аддитивных систем: систем машин промышленных предприятийучастка станков с ЧПУавтопредприятия по оказанию транспортных услуг;

13. Разработанные на основе исследования методы вошли в общетехнические методические материалы Госстандарта СССР (в настоящее времяГосстандарт России).

14.Разработанные методы создают научную основу стандартизации объектов с аддитивными показателями эффективности, обеспечивая совместимость объектов стандартизации по параметрам производительности и надежности.