Компьютеризация процесса ремонтного обслуживания оборудования автоматизированных станочных систем Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.9.06-192

КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА РЕМОНТНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ

Н.И. Пасько, Н.В. Анцева

Рассматривается автоматизированная система оптимизации параметров процесса технического обслуживания и ремонта станочного оборудования машиностроительного предприятия.

Ключевые слова: автоматизация, оптимизация, станочное оборудование, профилактическое обслуживание.

В условиях современного высокоавтоматизированного производства эффективность работы промышленных предприятий и качество выпускаемой продукции непосредственно связаны с техническим состоянием технологического оборудования. Простои оборудования из-за неисправности и ремонта, нарушая производственный процесс, способны резко ухудшать экономические показатели предприятия, а снижение точности - увеличивать брак и отрицательно сказываться на качестве выпускаемой продукции.

Задача обеспечения надлежащего технического состояния оборудования при минимальных потерях производства решается рациональной организацией его технического обслуживания и ремонта, которая для различных элементов и узлов может быть различной. Например, для организации профилактического восстановления инструмента применяются несколько моделей профилактики, которые можно применять и для восстановления других элементов технологического оборудования, если использовать соответствующие теоретические наработки [1, 2].

Основными моделями профилактики являются следующие.

Первая модель - жёсткий график восстановления объекта (рис. 1, а). В соответствии с этой моделью после наработки tп обязательно производится профилактическое восстановление объекта даже в том случае, когда в пределах прошлого планового периода было восстановление по отказу (интервалы времени восстановления на рис. 1, а условно не показаны). Данная система в организационном плане наиболее проста и удобна, если профилактически обслуживаются несколько элементов.

В этом случае профилактические работы для различных узлов оборудования или элементов инструментальной наладки можно синхронизировать путём соответствующего выбора периодов tп и за счёт их совмещения уменьшить суммарные затраты на восстановление. Недостатком системы профилактики с жестким графиком является то, что внепланово

восстановленные объекты подвергаются и плановому восстановлению, хотя они не выработали свой плановый ресурс tп.

Эта модель профилактического восстановления применяется в основном для восстановления металлорежущего инструмента.

а

?п

О____________■ Г—1__________■>. Г *1 »

б

г—1 Г.. Ч |—1 /

в

Рис. 1. Иллюстрация основных моделей регламентации профилактического восстановления оборудования: а - жесткий график профилактических восстановлений; б - график со сдвигом начала отсчета наработки при отказе; в - график с пропуском предстоящего планового восстановления при отказе;

1 - момент отказа и восстановления по отказу; 2 - момент профилактического восстановления

Вторая модель - скользящий график, со сдвигом начала отсчёта периода профилактического восстановления при возникновении отказа (рис. 1, б). В этом случае, если произошёл отказ и восстановление по отказу, отсчёт наработки начинается с момента окончания восстановления по отказу, т. е. график нарушается при каждом отказе. Достоинством этой модели является то, что узел подвергается принудительному восстановлению только после выработки планового ресурса tп. Если узлов более одного, то сдвиг графика плановых восстановлений одного элемента относительно других из-за отказов приводит к неудобству, существенно возрастающему с ростом числа элементов. При обслуживании большого числа узлов невозможность синхронизации профилактических работ делает эту модель регламентации обслуживания неэффективной.

Эта модель также используется для восстановления металлорежущего инструмента или для одного узла оборудования, независимого от других узлов.

Третья модель - график с пропуском профилактики при отказе (рис. 1, в). В этом случае, если произошел отказ, то проводится восстанов-

ление по отказу, а очередное плановое восстановление пропускается. Эта система восстановления является компромиссной между предыдущими двумя моделями. Здесь в основном сохраняется жесткий график, и элемент не восстанавливается принудительно раньше, чем после наработки tп.

Так как третья модель лишена недостатков первых двух моделей, то она применяется чаще.

Общим недостатком всех трёх рассмотренных разновидностей регламентации профилактического восстановления является то, что при проведении планового восстановления не учитывается фактическая степень изменения определяющего параметра оборудования (о нахождении значения критерия предельного состояния в границах допустимой области судят по косвенному показателю - величине наработки с момента последнего восстановления). При большом разбросе надежности элементов это приводит к недоиспользованию их ресурсов.

Четвёртая модель - график с плановыми осмотрами и восстановлением по потребности (рис. 2, а). Эта модель регламентации профилактического восстановления, при которой планируются только контрольные осмотры с периодичностью tп, а профилактическое восстановление производится только, если значение определяющего параметра при осмотре окажется больше критической величины хк, оптимальное значение которой следует определить. Учёт состояния оборудования при решении вопроса о необходимости принудительного восстановления позволяет увеличить используемый ресурс. Однако этот выигрыш достигается не даром, так как требуется периодически выполнять контрольный осмотр и оценку состояния узлов, что требует дополнительных затрат.

Эта модель профилактического восстановления более дорогая, чем предыдущие три, но больше подходит для профилактического восстановления технологического оборудования.

Пятая модель - скользящий график с плановыми осмотрами, со сдвигом начала отсчёта периода профилактического восстановления при возникновении отказа (рис. 2, б). В соответствии с этой моделью также планируются только осмотры с периодичностью tп, а профилактическое восстановление производится только, если значение критерия предельного состояния при осмотре окажется больше критической величины Хк, при возникновении отказа график осмотров сдвигается. В этом случае максимально используется ресурс объекта, удельные затраты времени минимальны, но модель не применима, если число восстанавливаемых объектов велико.

Эта система профилактического восстановления применяется для восстановления оборудования и соответствует представленной выше математической модели ремонтного обслуживания с постоянными интервалами контроля технического состояния.

О 2іп Зґп

в

Рис. 2. Иллюстрация моделей регламентации профилактического

восстановления оборудования: а - график с плановыми осмотрами и восстановлением по потребности; б - скользящий график с плановыми осмотрами; в - график с плановыми осмотрами и пропуском профилактики при отказе; 1 - момент отказа и восстановления по отказу;

2 - момент профилактического восстановления

Шестая модель - график с плановыми осмотрами и пропуском профилактики при отказе (рис. 2, в). Как и в предыдущих двух случаях планируются только осмотры с периодичностью £п, а профилактическое восстановление производится только, если значение критерия предельного состояния при осмотре окажется больше критической величины х^, при возникновении отказа ближайший плановый осмотр пропускается. Удельные затраты времени в этом случае будут чуть больше, чем в предыдущей

модели, но практически полностью вырабатывается ресурс узла и можно синхронизировать периоды профилактических восстановлений для различных узлов оборудования.

Пятая и шестая модели применяются для организации профилактического восстановления технологического оборудования.

Модели с седьмой по двенадцатую аналогичны первым шести, но в них учитывается календарное время.

Для данных моделей разработан алгоритм оптимизации режима профилактического восстановления технологического оборудования, суть которого заключается в следующем. Элемент технологического оборудования характеризуется средней наработкой между отказами Т, коэффициентом вариации Ку, верхней границей области допустимых значений критерия предельного состояния Ь и соответствующим законом распределения наработки между отказами с определёнными параметрами.

При выполнении статистического моделирования для структурного элемента генерируется случайная выборка наработок между отказами в заданных пределах по соответствующему закону распределения, например, Вейбулла-Гнеденко, и по зависимости X(?) = V ■ t определяется текущая реализация определяющего параметра данного структурного элемента оборудования. Моделирование прекращается при достижении заданного числа восстановлений элемента станка. В настоящем исследовании моделировалось 10000 восстановлений [4].

Программа автоматизированной оптимизации параметров режима профилактического восстановления работает по следующему алгоритму. В цикле определяются текущие значения периода профилактики tп и критической величины критерия предельного состояния х^ и моделируются

различные ситуации: отказ, профилактика и осмотр. В случае использования моделей 7-12, учитывающих календарное время работы оборудования, дополнительно моделируется ситуация простоя. После завершения очередной итерации определяется текущее значение критерия оптимальности.

В качестве критерия оптимальности модели профилактического восстановления приняты объединенные удельные затраты времени 0, т. е. затраты времени на восстановление объекта, приходящиеся в среднем на единицу наработки. Эти затраты зависят от параметров режима профилактического восстановления - периодов осмотров tп и критической величины критерия предельного состояния х^ довольно сложно. Может быть не* *

сколько экстремумов. Оптимальные значения этих параметров - tп и х^, минимизирующие объединенные удельные затраты, определяются путем перебора в цикле различных значений tп с шагом Дtп в интервале

(0...1,6Т ) и различных значений х^ с шагом Дх^ в интервале (0...Ь), где Т - средняя наработка между отказами объекта при восстановлении толь-

ко по отказу, а Ь - величина критерия предельного состояния, соответствующая отказу объекта. Далее в результате перебора всех вычисленных значений 0 выбирается меньшее из них, и определяются отвечающие ему значения параметров режима профилактики.

После этого моделируются новые значения параметров, и цикл повторяется конечное число раз. В результате запоминается тот вариант, при котором затраты оказались наименьшими [1].

За время моделирования накапливаются следующие статистические данные: число отказов элемента станка Ио, число плановых восстановлений Ир, число контролей технического состояния Ик, общее время моделирования ?— и др.

С помощью этих статистик определяются выходные параметры для каждого элемента [1, 3]:

- среднее число отказов и восстановлений по отказу за период про-

N о •

филактики ґп Но = —5—п

Ир

- вероятность профилактического восстановления Рп =------ —;

Ир + И о

- вероятность проведения профилактического контроля

р _ -' к ^п .

-/К _ '

Ї

Нр + N 0

- коэффициент использования ресурса Ки = —;

- наработка на одно восстановление Т =------—-----, мин;

лт +Г

Т

>есурса К и =

- интенсивность отказов в = Ио • 60, 1/ч;

- наработка между отказами То1 =^~, мин.;

И о

„ Эо • Но + Эп • Рп + Эк • Рк

- удельные затраты 0 = эо + эп + эк = —о---------о----ппкк

Эо

где эо = —о - удельные суммарные затраты времени на восстановление по

отказу; Эо = Эо • Но - средние затраты времени на восстановление по отказу (неплановый аварийный ремонт) за определенные период эксплуата-

ции или наработку; Эо - затраты времени на восстановление по отказу;

Э

Но - среднее число отказов за период профилактики; эп = - удельные

суммарные затраты времени на профилактическое восстановление оборудования; Эп = Эп • Рп - средние затраты времени на профилактическое восстановление оборудования (плановые ТОиР) за определенные период эксплуатации или наработку; Эп - затраты времени на одно профилактическое восстановление объекта; Рп - вероятность профилактических вос-~ Эк

становлений; эк = —к - удельные суммарные затраты времени на осмотр

оборудования; tп - периодичность проверки состояния объекта по наработке (заданная наработка); Эк = Эк • Рк - средние затраты времени на контроль технического состояния (осмотр) оборудования за определенные период эксплуатации или наработку; Эк - затраты времени на один контрольный осмотр, Рк - вероятность проведения контроля технического состояния.

Для примера в таблице приведены результаты оптимизации для шестой и двенадцатой моделей, которые различаются между собой тем, что вторая учитывает календарное время работы оборудования.

Как видно из таблицы при учёте календарного времени увеличиваются удельные затраты на восстановление оборудования. Данное обстоятельство свидетельствует о том, что оптимизация режима профилактического восстановления технологического оборудования по календарному времени дает не оптимальные результаты по сравнению с оптимизацией по наработке. Это связано с тем, что календарное время менее точно характеризует наработку оборудования между отказами. Однако данный недостаток компенсируется упрощением процедуры планирования ремонтных работ и снижением затрат на контроль за наработкой технологического оборудования.

На основе рассмотренных выше моделей ТОиР разработана автоматизированная программа расчета и оптимизации режима ремонта по техническому состоянию и критическому износу инструмента (четыре модели) и станка (две модели). Программа начинается с выбора объекта расчета. Если выбран инструмент, то появляется следующее диалоговое окно, в котором выбирается модель профилактического восстановления. Расчет можно осуществлять по четырем наиболее распространенным моделям. Далее выбирается вариант расчета. Возможных вариантов расчета также четыре, но последние два варианта - оптимизация критического износа и оптимизация и периода и критического износа - доступны только при выборе графика с плановыми осмотрами.

Результаты оптимизации режима профилактического восстановления технологического оборудования

Модель профилактического восстановления Параметр Жесткий график осмотров с пропуском осмотра при отказе

без учёта простоев с учётом простоев

Исходные данные

Средняя наработка между отказами, мин 100

Коэффициент вариации 0,4

Затраты на профилактическое восстановление, мин 5

Затраты на восстановление по отказу, мин 15

Затраты на осмотр, мин 2

Предельное значение определяющего параметра, уд.ед. 0,8

Среднее время непрерывной работы, мин - 30

Коэффициент загрузки оборудования - 0,75

Результаты оптимизации

Общее время работы, мин 759780 1032818

Оптимальный период профилактики, мин 60 74

Оптимальное предельное значение определяющего параметра, уд.ед. 0,4 0,432

Удельные затраты на восстановление, мин 0,1197 0,1255

Число отказов за период профилактики 0,1535 0,198

Интенсивность отказов, 1/ч 0,1535 0,2078

Доля профилактических восстановлений 0,8056 0,7237

Наработка на одно восстановление, мин 75,98 103,28

Коэффициент использования ресурса 0,7598 0,7945

Наработка между отказами, мин 390,83 288,77

Число осмотров на одно восстановление 1,0749 1,1237

Наработка между отказами с учётом простоев, мин - 373,8

Затем появляется окно ввода необходимых для оптимизации или расчета данных. После того, как были правильно введены все необходимые переменные (в противном случае появляется сообщение об ошибке), программа выполняет расчеты (оптимизацию) и выводит их результат на экран. Полученные результаты можно сохранить в файл с расширением *.1x1 в указанный пользователем директорий. Можно повторить все расчеты, нажав кнопу «Сначала». На протяжении всего времени работы с программой можно вернуться на предыдущее окно, нажав кнопку «Назад».

Если выбирается расчет режима ремонта станка в целом, то появляется диалоговое окно, представленное на рис. 3. На данном этапе вводятся необходимые для расчета данные и выбираются тип распределения и периодичность контроля технического состояния. В данном случае программа также может работать в режиме расчета или оптимизации.

Ф

Ввод исходных данных - н

Вид распределения |1 - Вейбулла

и

Среднее значение наработки на отказ

г-------------------

Коэффициент вариации наработки на отказ |0,3

Максимально допустимый износ

Г

Периодичность осмотров

- постоянная

Далее

Стоимости Осмотра

|0,02

Профилактического воет ановления

|0,1

Восстановления по отка: 5У

|1

Период до первого осмотра

>■ I

Критический износ

Г I-----------------------

Назад

Рис. 3. Ввод исходных данных

После нажатия клавиши «Далее» программа производит расчет (оптимизацию), результат которого выводится на экран (рис. 4).

Оптимизация параметров профилактики станка

Исходные данные ***************

Распределение Вейбулла Средняя наработка на отказ Коэффициент вариации наработки Максимально допустимый износ Критический износ Период до первого осмотра Стоимость осмотра

Стоимость восстановленяи по отказу Стоимость профилактического восстановления Периодичность осмотров постоянная РЕЗУЛЬТАТЫ ОПТИМИЗАЦИИ Удельные затраты

Средняя наработка до восстановления Коэффициент использования ресурса Средние затраты на восстановление

1

0,3

1

і

'!

0,02

1

0, 1

0,221 0, 707 0, 707 0, 156

ЛІ

Назад Сохранить Выход

Рис. 4. Вывод результатов оптимизации на экран

При оптимизации на экран выводится также таблица значений критерия оптимальности. По данным этой таблицы выбирается минимальное значение удельных затрат.

Практическое применение на промышленных предприятиях представленного подхода автоматизации оптимизации параметров периодов профилактического обслуживания основного технологического оборудовании позволит обеспечить достижение высоких технико-экономических показателей ремонтной службы предприятия и минимизировать затраты трудовых и материальных ресурсов на выполнение ремонтных работ, а также потери основного производства, связанные с ремонтом и неисправностью оборудования.

Список литературы

1. Анцева Н.В., Пасько Н.И. Управление качеством ремонтного обслуживания технологического оборудования с периодическим контролем состояния // Фундаментальные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-5. С. 115-121.

2. Анцева Н.В., Пасько Н.И. Управление качеством технического обслуживания и ремонта металлообрабатывающего оборудования с периодическим контролем состояния // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 440-449.

3. Пасько Н.И., Анцева Н.В. Оптимизация режима профилактического восстановления основного технологического оборудования машиностроительного предприятия // СТИН. 2008. №4. С. 2-6.

4. Пасько Н.И., Анцева Н.В. Оптимизация режима технического обслуживания и ремонта металлообрабатывающего оборудования // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С. 80 - 86.

Пасько Николай Иванович, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

Анцева Наталья Витальевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

COMPUTERIZATION OF AUTOMATED MACHINING SYSTEM'S EQUIPMENTS

MAINTENANCE PROCESS

N.I. Pasko, N. V. Antseva

The automated system, which optimizes parameters of maintenance process of automated machining systems of the machine-building enterprises, is considered.

Key words: automation, optimization, machine-tool equipment, preventive maintenance.

Pasko Nikolai Ivanovich, doctor of technical science, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Antseva Natalia Vitalyevna, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University

Получено 15.07.2013 г.