Методология совершенствования системы технической эксплуатации строительных машин
На правах рукописи
Репин Сергей Васильевич МЕТОДОЛОГИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН Специальность 05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Санкт-Петербург 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архи тектурно-строительный университет»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Евтюков Сергей Аркадьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Дружинин Петр Владимирович доктор экономических наук, профессор Зайцев Евгений Иванович доктор технических наук, профессор Кузьмичев Виктор Алексеевич
Ведущая организация: Научно-производственное предприятие «Спец Тек» (г. Санкт-Петербург)
Защита диссертации состоится 02 декабря 2008 г. в 15 час. на заседании спе циализированного совета Д 212.223.02 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государ ственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190103, Санкт Петербург, Курляндская ул., дом 2/5, аудитория 219.
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 « 17 » октября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор С.А. Волков Общая характеристика диссертационной работы Актуальность темы. Одним из главных условий роста экономического потен циала России является ускорение научно-технического прогресса в ведущих областях деятельности, в том числе в строительстве. Современное строительное производство характеризуется непрерывным повышением темпов возведения сооружений, появлени ем новых строительных технологий, что вызывает необходимость в значительных ко личественных и качественных изменениях средств механизации строительства и вы двигает требования к совершенствованию системы их технической эксплуатации (СТЭ).
Динамика средств механизации строительства проявляется, с одной стороны, в росте численности парка техники, усложнении конструкции и появлении новых видов машин, расширении номенклатуры, сокращении цикла «проектирование-производство поставка оборудования» до 1…2 лет, и, как следствие, ускорении темпов обновления парка. С другой стороны, наблюдается старение состава техники в отдельных органи зациях, не имеющих средств для обновления парка. Так, в значительной части управ лений механизации (УМ) доля машин с истекшим сроком службы достигает 90%, а разброс сроков службы превышает двадцать лет.
Эффективное применение такого разновозрастного парка с широкой номенкла турой машин требует дифференцированного подхода к организации его технической эксплуатации (ТЭ), повышения адаптивности СТЭ к новым видам машин и условиям использования, непрерывного совершенствования методов и средств обеспечения ра ботоспособности. Однако, снижение показателей эксплуатации строительных машин (СМ) указывает на недостаточный уровень развития СТЭ. Так, в строительных орга низациях г. Санкт-Петербурга внеплановые простои машин достигают 30% фонда ра бочего времени, имеет место повышение аварийности техники, а значительные затраты на обеспечение работоспособности машин делают их эксплуатацию низкорентабель ной. Причем схожая ситуация наблюдается как в относительно благополучных строи тельных фирмах с молодым парком техники, так и в существующих на грани выжива ния УМ. В сравнительно молодых и преуспевающих предприятиях имеется отстава ние развития материально-технической и технологической базы ТЭ от роста парка тех ники, а объем услуг специализированных сервисных и фирменных центров недостато чен. В управлениях механизации, традиционной форме предприятий по эксплуатации строительных машин (ПЭСМ), причиной простоев техники являются в основном час тые поломки из-за изношенности парка машин, низкого уровня организации ТЭ. С пе реходом к рыночной экономике СТЭ в УМ не только не претерпела существенных по ложительных изменений, но и значительно утратила свой потенциал. Так, сократились площади ремонтных цехов, состарился парк оборудования, произошел отток наиболее квалифицированных кадров в фирмы с высокой зарплатой. Нарушилась система гос обеспечения ТЭ (подготовки ремонтников, централизованного снабжения запчастями и комплектующими), сократилось количество специализированных ремонтных пред приятий.
Одной из основных причин недостаточной эффективности применения машин является низкая адаптивность СТЭ к изменяющимся условиям. Несовершенство управленческих и организационных технологий ТЭ проявляется в недостатках систе мы учета работы машин, планирования мероприятий ТЭ, оценки качества выполнения технических воздействий, применения технического диагностирования. Особенно сильно влияние отказов гидропривода из-за высокой их частоты и трудоемкости уст ранения последствий.
Неблагоприятное положение с ТЭ продолжает ухудшаться – темпы роста парка СМ значительно опережают увеличение потенциала СТЭ. Так, по данным Ростехнад зора количество СМ в Санкт-Петербурге с 2000 по 2007 год выросло в три раза, про гнозируется увеличение числа машин.
Назрела актуальная необходимость совершенствования СТЭ. Следует отметить, что немаловажной причиной возникновения проблемной ситуации является отсутст вие научно обоснованной методологии создания гибкой СТЭ, способной формировать ся оптимальным образом для отдельной строительной машины, для конкретного экс плуатационного предприятия и быстро перестраиваться в зависимости от внутренних и внешних условий. Имеющиеся теоретические разработки предлагают совершенствова ние лишь отдельных процессов ТЭ, но не дают комплексного решения. В целях помо щи в разрешении проблемы Госстрой России выпустил в 2003 году «Методические указания по разработке и внедрению системы управления качеством эксплуатации строительных машин» (МДС 12-12.2002), предлагающие подходить построению СТЭ с учетом положений стандартов ИСО 9000. Именно на основе этих международных стандартов создаются западные системы комплексного управления основными фонда ми (Enterprise Asset Management – EAM), применяемые и в области эксплуатации строительных машин. Построение ЕАМ-систем осуществляется на основе новейших достижений науки и техники.
Наука располагает широким спектром методов повышения эффективности про изводственных процессов. Это, в первую очередь, системный анализ, моделирование, информационные технологии (ИТ). Системный анализ позволяет оценить вклад каждо го мероприятия, каждой структурной единицы СТЭ в общую эффективность использо вания строительных машин, выявить недостатки в работе и наметить пути решения проблем. Моделирование процессов ТЭ дает возможность выбрать их оптимальные параметры и тем самым способствовать повышению эффективности. Использование ИТ способствует обеспечению взаимодействия всех элементов СТЭ, предоставлению каждому работнику необходимой информации для принятия оптимальных решений на своем уровне, автоматизации управления производственными процессами.
Основные разделы диссертации разрабатывались в рамках: научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» в 2002–2004 гг. (Подпрограмма 211: «Архитектура и строительство.
Разработка и совершенствование средств механизации и автоматизации строительст ва»);
договора «Исследование процессов автоматизации управления эксплуатацией строительной техники и разработка их информационного обеспечения» с Управлени ем механизации ОАО «Метрострой», г. Санкт-Петербург (гос. рег. № 012007007384 от 12.03.2007).
Объект исследований – система технической эксплуатации строительных ма шин.
Предмет исследований – строительная машина, парк строительных машин управления механизации.
Цель диссертационного исследования – разработка методологии совершенст вования системы технической эксплуатации, направленной на улучшение выполнения организационных, управленческих и технологических процессов технической эксплуа тации на основе теоретических исследований, применения информационных техноло гий.
Основные задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели.
1. Анализ развития и направлений совершенствования системы технической эксплуатации строительных машин.
2. Исследование системы технической эксплуатации методами системного ана лиза.
3. Исследование влияния системы технической эксплуатации на показатели ра ботоспособности и эффективности использования парков строительных машин.
4. Исследование процессов формирования адаптивной стратегии технической эксплуатации строительных машин, оптимальной для конкретного эксплуатационного предприятия.
5. Разработка информационной автоматизированной системы управления тех нической эксплуатацией строительных машин, содержащей интегрированные инфор мационные модели оптимизации процессов ТЭ, полученные в результате теоретиче ских исследований.
Методология настоящей работы использует комплекс методов анализа свойств и возможностей совершенствования сложных многофункциональных систем: систем ный анализ, математическое, имитационное и компьютерное моделирование, инфор мационные технологии.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке методологии совершенствования технической эксплуатации, базирующейся на научно обоснованных теоретических и технических решениях, направленных на повышение эффективности использования строительной техники, внедрение которой вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Впервые выполнены следующие научные разработки.
1. Методами системного анализа проведено исследование влияния технической эксплуатации на эффективность применения строительных машин, позволившее сформировать комплекс показателей и математических моделей, описывающих это влияние.
2. Разработаны разделы методологии оптимального управления эффективно стью эксплуатации строительных машин средствами технической эксплуатации на ос нове комплекса математических моделей:
возрастной динамики надежностных и технико-экономических показателей под воздействием мероприятий ТЭ;
управления техническим состоянием и сроком службы строительных машин посредством капитальных ремонтов;
формирования парков машин с заданным уровнем технического состояния;
обеспечения заданного уровня надежности парков машин посредством стра хового (запасная техника) и ремонтного резервирования;
оптимизации состава мероприятий ТЭ по устранению последствий внезап ных отказов машин с целью минимизации ущерба.
3. Разработаны методики оптимизации процессов ТЭ на основе вышеуказанных математических моделей, а также:
управления работоспособностью парка машин на основе контроля уровня надежности машины и параметров технического состояния узлов;
оценки эффективности мероприятий ТЭ, отдельных технологических про цессов, использования единицы техники и парка машин в целом;
обоснования и достижения требуемого уровня надежности машин для раз личных режимов эксплуатации, отличающихся степенью ответственности выполняе мой работы, связанной с величиной возможного материального или иного ущерба из-за недостаточного уровня надежности;
формирования гибкой стратегии ТЭ для каждой единицы техники;
формирования СТЭ с учетом особенностей эксплуатационного предприятия.
4. Разработана информационная автоматизированная система управления (ИАСУ) ТЭ, способствующая реализации на практике выполненных теоретических разработок, а именно: формированию гибкой стратегии ТЭ для каждой единицы тех ники;
построения оптимальной СТЭ для конкретного эксплуатационного предприятия;
оптимизации процессов ТЭ посредством интегрированных информационных матема тических моделей.
Обоснованность и достоверность теоретических моделей подтверждена ре зультатами расчетов по специально разработанным математическим компьютерным программам для реальных производственных условий и положительным опытом вне дрения разработок в практическую деятельность в виде информационной автоматизи рованной системы управления ТЭ, методик и рекомендаций по совершенствованию СТЭ.
Практическая ценность заключается в разработке:
методики формирования гибкой стратегии ТЭ строительных машин;
методики построения оптимальной СТЭ с учетом особенностей эксплуатаци онного предприятия;
автоматизированной информационной системы управления ТЭ на основе применения информационных технологий организации и моделирования производст венных процессов.
На защиту выносятся:
1. Результаты системного анализа технической эксплуатации, содержащие: ме ханизмы влияния СТЭ на эффективность применения строительных машин;
систему показателей работоспособности парка машин, характеризующих уровень функциони рования отдельных сторон СТЭ;
состав комплекса математических моделей повыше ния эффективности применения строительных машин путем оптимизации отдельных процессов ТЭ.
2. Совокупность теоретических положений, содержащая комплекс математиче ских моделей процессов ТЭ строительных машин, а именно:
динамики показателей машин в зависимости от возраста под воздействием процессов ТЭ, на основании этих моделей разработаны методы оптимизации сроков службы и расчета остаточного ресурса по ряду параметров – технических, надежност ных, экономических;
оценки целесообразности и оптимальных сроков проведения капитальных ремонтов;
влияния ТЭ на процессы формирования парков строительных машин в соот ветствии с требуемым уровнем надежности;
повышения эффективности парков машин посредством оптимизации пара метров процессов страхового и ремонтного резервирования;
оптимизации уровня надежности техники в соответствии с характером вы полняемых работ;
влияния мероприятий ТЭ на величину ущерба от простоев машин в неплано вых ремонтах.
3. Методика формирования оптимального состава парка машин с заданными па раметрами производственной мощности и надежности с учетом возрастной структуры.
4. Методика управления работоспособностью парка машин на основе контроля уровня надежности машины и параметров технического состояния узлов.
5. Методика формирования гибкой стратегии ТЭ строительных машин, постро енная на основании теоретических исследований процессов ТЭ.
6. Комплекс программных средств для расчета и оптимизации режимов ТЭ строительных машин.
7. Информационная автоматизированная система управления ТЭ, содержащая интегрированные информационные модели оптимизации процессов ТЭ.
Публикации. Основные положения исследования опубликованы в 102 научных работах, в том числе в монографии, тринадцати статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, двух брошюрах, одиннадцати научно-технических отчетах;
получено свиде тельство о государственной регистрации базы данных, 26 авторских свидетельств на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на 24-х научных, международных и научно-практических конференциях ЛИСИ СПбГАСУ, а также на следующих:
1. 2nd International Machinery Monitoring & Diagnostics Conference “Machinery Condition Monitoring – Key to Performance and Productivity for the 90’s”. October 22-25, 1990. – Los Angeles, California: Union College.
2. Научно–практическая конференция «Опыт трестов и управлений механизации в новых условиях хозяйствования». – Л.: ЛДНТП. – 1991.
3. Международный семинар «Повышение эффективности применения машин в строительстве» / Ченстоховкий политехнический университет. – Польша, Czstochowa.
– 2004, 2005.
4. Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» / Санкт Петербургский государственный политехнический университет. – 2006.
5. Совещание президиума Союза Строительных Организаций и Объединений г.
Санкт-Петербурга. – 2007.
6. Научно-практическая конференция «Современные проблемы строительства»» / ЛенОблСоюзСтрой. – 2007.
7. «Решетневские чтения» XI Междунар. науч. конф. 6-10 ноября 2007 г. – Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. – 2007. – С. 300-301.
8. V-я Всерос. НТК «Политранспортные системы», Красноярск, 21-23 ноября 2007 г. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т;
Политехн. ин-т. – 2007.
9. На семинаре «Информационные системы в промышленности» в Инженерно экономической академии в г. Санкт-Петербурге. – 2008.
В полном объеме работа доложена и одобрена на заседаниях кафедры надежно сти и эксплуатации машин в Высшем инженерно-техническом университете и кафедры логистики и организации перевозок в Инженерно-экономической академии в г. Санкт Петербурге.
Реализация результатов работы. На основе представленных в диссертации на учных исследований и инженерных разработок были созданы и внедрены:
1. Комплекс программных средств для расчета и оптимизации режимов экс плуатации строительных машин в ЗАО «УМ–РОССТРО» (г. Санкт-Петербург).
2. Методика совершенствования эксплуатации строительных машин, построен ная на основании теоретических исследований ЗАО «УМ–РОССТРО», ООО «Управле ние механизации № 6» (г. Санкт-Петербург).
4. Информационная автоматизированная система управления ТЭ в управлении механизации ОАО «Метрострой» (г. Санкт-Петербург).
5. Рекомендации по созданию интегрированной логистической поддержки жиз ненного цикла тракторов, выпускаемых ОАО «Кировский завод» (ЗАО «Агротехмаш», генеральная сбытовая компания ЗАО «Петербургский тракторный завод – дочернее предприятие ОАО «Кировский завод»).
6. Материалы диссертационной работы используются в курсе лекций и в расчет но-аналитических заданиях по дисциплине «Эффективность применения строительных машин» для студентов специальностей «Подъемно-транспортные, строительные и до рожные машины и оборудование» и «Механизация и автоматизация строительства».
7. На основании диссертационных исследований разработаны курсы для семина ров, проводимых в Институте повышения квалификации при СПбГАСУ и в Центре на учно-технической информации «Прогресс» (г. Санкт-Петербург).
8. Вариант информационно-аналитической системы «Эксплуатация парка строи тельных машин» используется на практических и лабораторных занятиях по дисцип лине «Эксплуатация и ремонт строительных машин» для студентов вышеуказанных специальностей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, за ключения, списка литературы и приложений. Диссертация содержит: 395 страниц тек ста, включающие 25 таблиц, 129 иллюстраций;
приложения. Список литературы со держит 309 наименований.
Содержание работы Введение. Рассмотрены основные положения диссертационной работы, обосно вана актуальность рассматриваемой проблемы исследований, дана краткая аннотация работы.
В первой главе «Состояние и перспективы развития технической эксплуа тации строительных машин» проведен анализ работ по эффективности применения машин, теории и практики ТЭ, мировых и российских тенденций организации систе мы жизнеобеспечения техники, рассмотрено состояние рынка СМ, рынка услуг по сер вису, проанализировано влияние информационных технологий на процессы использо вания техники, намечена цель и сформулированы задачи исследования.
Анализ исследований (М.И.Грифф, Е.И.Зайцев, С.Е.Канторер, А.П.Ковалев) по казывает, что эффективность применения машин в значительной степени определяется уровнем их надежности, формируемом на всех этапах жизненного цикла. Помимо снижения выработки, выражаемой в машино-часах и единицах производительности, недостаток надежности повышает техногенный риск (В.В.Болотин, А.М. Половко, И.А.Ушаков, В.И.Эдельман), характеризующий вероятность отказов технических сис тем, приводящих к авариям, экономическим и другим видам ущерба, и снижающих в конечном итоге эффективность. Поэтому особенно важно управлять надежностью на этапе эксплуатации, на котором машина реализует свое назначение.
Исследователи систем жизнеобеспечения (СЖО) технических объектов (М.И.Грифф, Е.И.Зайцев, В.А.Зорин, Б.Г.Ким, Ю.А.Корытов, С.Е.Максимов, С.Н.Николаев, А.В.Рубайлов), рассматривают фирменную СЖО как наиболее эффек тивную и перспективную. Построение фирменной СЖО основано на стандартах серии ИСО 9000, предусматривающих разработку и сертификацию систем качества проекти рования, производства, эксплуатации, обслуживания и ремонта машин. Поэтому одним из принципов совершенствования СТЭ и является формирование системы качества эксплуатации строительных машин, с доведением в перспективе до фирменного уров ня.
Повышение эффективности процессов жизнеобеспечения техники является од ним из приоритетных научных направлений на Западе. Достижения науки и практики в этой области нашли выражение в концепции CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукта), также базирующейся на международных стандартах серии ИСО 9000 и ИСО 14000.
Совершенствование процессов согласно концепции CALS должно быть основано на базовых принципах: реинжиниринге бизнес-процессов;
создании интегрированной ин формационной среды (ИС) предприятия;
применении интегрированных информаци онных моделей (ИИМ);
ведения электронной документации;
интеграции с поставщи ками машин, оборудования, материалов, услуг (интегрированная логистическая под держка).
Реинжиниринг предусматривает разработку программы непрерывного совер шенствования процессов на основе системного анализа предприятия. ИИМ представ ляют собой математические модели процессов, интегрированные в информационную среду предприятия с целью их оптимизации. Назначение электронной документации – хранение, сбор и предоставление информации о предприятии, в т.ч. машинах, оборудо вании, персонале. Ядром ИС для предприятия по эксплуатации строительных машин 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 тех ники за счет применения методов контроля качества выполнения и принятия опти мальных решений организации мероприятий ТЭ.
Проведенными при участии автора исследованиями 2005-2006 гг. установлено, что на предприятиях по эксплуатации строительных машин и транспорта отсутствуют ИС, позволяющие оптимизировать процессы ТЭ. В лучшем случае обеспечивается электронный документооборот, учет наработки и расхода ресурсов (крупные транс портные предприятия).
Отечественными и зарубежными учеными выполнено большое количество ис следований, результаты которых можно использовать для формирования требуемого набора ИИМ – в области надежности технических систем (Д.П.Волков, Б.В.Гнеденко, Б.Диллон, А.С.Проников, Н.Стефанов, Б.Ф.Хазов), организации эксплуатации (Н.Г.Гаркави, С.В.Далецкий, В.А.Зорин, В.И.Игнатов, Е.С.Кузнецов, И.А.Луйк, Э.А.Сухарев, А.М.Шейнин), оптимизации процессов обслуживания и ремонта (Ф.Байхельт, Б.Н.Бирючев, Б.Г.Ким, Н.В.Коценко), оптимизации сроков службы (Л.Л.Вегер, С.Е.Канторер, Р.Н.Колегаев, Р.М.Петухов, А.И.Селиванов) и других. Ис следования показывают, что развитие методов обеспечения работоспособности проис ходит в направлении совершенствования профилактической стратегии с учетом со стояния машин, основанном на контроле надежности и характеристик технического состояния.
Однако не обнаружено достаточно крупных исследований, посвященных сис темному анализу ТЭ и позволяющих составить программу ее совершенствования и сформировать комплекс математических моделей оптимизации основных процессов ТЭ.
В результате проведенных исследований сформулированы цель и задачи, реше ние которых обеспечивает достижение цели диссертационной работы.
Во второй главе «Исследование влияния системы технической эксплуата ции на эффективность средств механизации строительства» рассмотрены: методи ческие принципы формирования эффективной СТЭ;
разработана методика исследова ния направлений повышения эффективности парка машин средствами ТЭ с использо ванием системного анализа, сформирован состав комплекса математических моделей оптимизации процессов ТЭ.
В общем случае эффективность рассматривается как отношение результата дея тельности к затраченным ресурсам. Цель функционирования СТЭ – обеспечение тре буемого уровня технического состояния парков строительных машин при минималь ных затратах ресурсов.
Диссертационная работа посвящена разработке методологии создания гибкой системы технической эксплуатации, оптимальной для различных ПЭСМ, реализован ной в виде информационной автоматизированной системы управления ТЭ. Под гибкой подразумевается СТЭ, адаптируемая оптимальным образом для эксплуатации любой машины (в общем случае, технического объекта – ТОб) в зависимости от ее возраста, условий применения и обеспечивающая максимальную эффективность. Под оптималь ной для различных ПЭСМ следует понимать СТЭ, обеспечивающую требуемый уро вень технического состояния ТОб при наивыгоднейшем сочетании использования соб ственных ресурсов предприятия и услуг специализированных организаций. Требуемый уровень технического состояния ТОб определяется законодательством, нормативами (безопасности, экологичности, эргономики, эстетики и пр.), технико-экономическими соображениями (производительности, экономичности, рентабельности, конкуренто способности, материало- и энергоемкости и др.).
Хотя в настоящей работе реализация исследований выполнена для строительной техники, основные положения разрабатываемой методологии являются универсальны ми, применимыми для создания СТЭ любых технических объектов.
Уровень технического состояния строительных машин достаточно информатив но (с точки зрения управления им) описывается комплексными показателями надежно сти – коэффициентами готовности (Кг) и технического использования (Кти). Чем выше Кти парка машин, тем лучше результат работы СТЭ. А, так как Кти пропорционален наработке машин за расчетный период, то показателями эффективности СТЭ могут служить затраты ресурсов на обеспечение машино-часа их работы: рабочего времени ремонтников (чел.-ч/ маш.-ч), времени простоя в плановых и неплановых ТОиР (ре монто-ч/маш.-ч), материальных затрат в денежном выражении Внешнаяя среда (руб./маш.-ч) и т.д.
Внутренная среда ПЭСМ СТЭ представляет собой ра П тос пар е Парк од п ка ни бо сложную производственно ова д е осо ир а машин рж б рм к ан нос Фо пар техническую систему и в то же ие ти Информация о Т,Q Ресурсы Р состоянии парка время является подсистемой СКЭ СТЭ Требования к предприятия по эксплуатации состоянию парка Затраты на поддержание строительных машин. Работа работоспособности парка ПЭСМ будет эффективной при Информация Потребность о парке в машинах Обозначения:
условии эффективного функцио Маркетинг - информация;
- воздействие нирования его подсистем: парка Рис. 1. Системное представление о ПЭСМ:
машин (ПМ), технической и ком СТЭ – система технической эксплуатации;
мерческой эксплуатации (рис. 1).
СКЭ – система коммерческой эксплуатации;
ТР – ПМ является ядром ПЭСМ: сис наработка парка машин на объектах за расчетный тема существует для ПМ и за счет период;
Q – объем выполненных работ за расчетный эксплуатации ПМ, т.е. парк ма период шин представляет собой объект Т Периоды времени воздействия и источник средств ТР ТН Р – рабочего, Н – нерабочего для существования системы. Что Т РР ТРН ТНН ТНР Р – работоспособного состояния, бы парк машин мог функциони Н – неработоспособного ровать требуется поддерживать ТРРЭ Т РРН ТРНПТ РНН ТННП ТННН его работоспособность. Эту зада – эксплуатируется, П – плановые простои, Н – неплановые простои Н – не эксплуатируется чу выполняет СТЭ. Загрузку пар Рис. 2. Граф возможных состояний машины в процес- ка машин работой обеспечивает система коммерческой эксплуата се ее эксплуатации (по Б.Д. Прудовскому, ции (СКЭ). Разработан комплекс В.Б. Ухарскому) показателей эффективности (тех нических и экономических) каждой подсистемы ПЭСМ и предприятия в целом.
Процесс формирования наработки парка машин, как результата и источника эф фективности деятельности ПЭСМ, определяется периодами времени пребывания ма шин в различных состояниях (рис. 2), варьирование сочетанием которых позволяет вы вести технические показатели работы подсистем ПЭСМ (рис. 3). Буква «t» в скобках указывает на зависимость показателей от срока службы машины. В соответствии с графом состояний можно представить схему формирования наработки парка машин (рис. 4).
Наименование Формула коэффициента TРРЭ (t) ТРРЭ K СМ (t) = Сменности 8,2Д год Использования T (t ) ТРРН ТРР K ИРР (t) = РРЭ работоспособных TРР (t) машин TРР (t) Технического ТРН K ТИ (t) = ТР использования TР TРРЭ (t ) Использования рабочего K ИРВ (t) = времени машин TР TРР (t) ТРНН ТРНП + K Г (t) = Готовности TРР (t)+TРНН (t) TРНН (t) Простоев в неплановых K РНН (t) = ТОиР в рабочее время TР TРНП (t) Простоев в плановых K РНП (t) = ТОиР в рабочее время TР TР -TРНП (t) Планируемого K ПП (t) = применения TР TР Использования KK = ТН Т календарного времени T Использования нерабочего Т НН (t) К НН (t) = времени для проведения Т РН (t)+Т НН (t) + ТНН ТНР ТОиР Т ННН (t) Простоев в неплановых К ННН (t) = ТОиР в нерабочее время Т РНН (t)+Т ННН (t) + ТННН ТННП Т ННП (t) Простоев в плановых К ННП (t) = ТОиР в нерабочее время Т РНП (t)+Т ННП (t) Рис. 3. Модель формирования показателей использования парка машин:
8,2 – продолжительность рабочей смены, ч;
Дгод – количество дней в году Действительная наработка парка машин TРРЭ (t ) = min [TРР (t ), TЭ ] Цели Потенциальная наработка по техническому Фронт работ состоянию TЭ TРР (t ) = KТИ (t ) T p N Фонд рабочего Показатели времени парка машин KТИ (t ) К ИРР T pi N Парк Системы СКЭ СТЭ машин Рис. 4. Схема формирования наработки парка машин Требуемый уровень работоспособности строительных машин СТЭ обеспечивает благодаря своей функциональной структуре. На рис. 5. представлена декомпозиция СТЭ на функциональные составляющие – процессы, отражающие основные направле ния деятельности СТЭ. Процессы в свою очередь подразделяются на процедуры, пред ставляющие собой комплекс мероприятий по обеспечению работоспособности парка машин. Процедуры содержат набор операций управленческого, организационного и технологического характера.
Для управления процессом формирования наработки согласно представленной на рис. 4 схеме следует установить возможности влияния СТЭ на Кти. Для решения этой задачи был применен программно-целевой анализ (ПЦА). Согласно ПЦА произво дится декомпозиция цели функционирования системы и самой системы соответствен но на подцели и подсистемы и устанавливаются связи-воздействия подсистем на под цели. Каждое воздействие может быть описано математически. Т.о. получается ком плекс моделей формирования эффективности работы системы.
Коэффициент технического использования является одним из главных показате лей работы СТЭ и в то же время представляет собой комплексный показатель надеж ности машин, элементный анализ структуры которого может показать характер воз действия СТЭ на работоспособность машин (рис. 6).
СТЭ Процессы Материально-техническое Поддержание Восстановление Обеспечение работы (объективно обеспечение работоспособности работоспособности на объектах необходимы) Обеспечение Оптимизация Диагностика I рода Диагностика II эксплуатационными количества запчастей и рода Техническое материалами комплектующих;
обслуживание: ЕО, Ремонты:
Процедуры ТО-1, ТО-2, ТО-3, СО ТР, НР, КР, ТО и ремонт на объектах Обеспечение (стратегия ТЭ) (ремонтное качественными Приемка машин, ввод резервирование) эксплуатационными в эксплуатацию материалами, хранение, Замена машин на заправка, утилизация Хранение машин объектах (страховое резервирование) Управленческие 1. Выбор стратегии обеспечения работоспособности и состава операций.
Организационные Операции 1. Планирование работ по обеспечению 1. Расчет потребного количества 1. Расчет потребного (методы ТЭ) работоспособности. резервных машин. количества запчастей.
2. Обоснование состава мероприятий по обеспечению чистоты рабочих жидкостей.
Технологические 1. Хранение, выдача 1. Оценка технического состояния. 1. Транспортирование эксплуатационных 2. Промывка гидросистемы. машины.
материалов.
3. Замена подшипника.
Рис. 5. Функциональная структура системы технической эксплуатации На рисунке приведен лишь краткий перечень операций в качестве примера.
Кти max Цель СТЭ ТРР (ТРНП + ТРНН) max min Подцели ТД ТТО ТТР ТКР НР ТВ Воздействия 1 2 3 456 7 Процессы ТЭ, обеспечивающие Поддержание Восстановление Обеспечение достижение работоспособности работоспособности работы на объектах подцелей Рис. 6. Декомпозиция коэффициента технического использования:
ТД, ТТО, ТТР, ТКР – продолжительность выполнения диагностирования, техниче ских обслуживаний, текущих и капитальных ремонтов соответственно;
НР – количе ство неплановых ремонтов;
ТВ – продолжительность восстановления работоспособно сти машины (или ожидания возобновления работ на объекте в случае использования резервной машины) Воздействие функциональных элементов СТЭ на составляющие структуры Кти описывается комплексом математических моделей обеспечения эффективности приме нения строительных машин средствами СТЭ (табл. 1), который по сути представляет собой основу программы ее совершенствования (рис. 7).
Оценить влияние составляющих СТЭ на эффективность применения строитель ных машин позволяет не только рассмотренный выше ПЦА, но и другие виды систем ного анализа – экспертный, ресурсный, факторный (глава пять). Такой многосторон ний подход уменьшает вероятность оставления без внимания какого-либо значимого фактора.
Так, с помощью экспертного анализа можно посмотреть на проблему эффек тивности с точки зрения эксплуатационников. С целью получения информации о влиянии составляющих СТЭ на эффективность ПЭСМ был проведен экспертный ана лиз мнений ИТР шести УМ г. Санкт-Петербурга путем анкетирования работников с последующей обработкой данных.
В ходе экспертного анализа выделены семь основных составляющих, опреде ляющих эффективность СТЭ (в скобках средний уровень влияния на эффективность):
управление (19%);
система и организация ТОиР (22%);
система обеспечения работы техники на объектах (8%);
производственная база (13%);
персонал (14%);
система материально-технического обеспечения (16%);
организация процессов хранения и транспортирования машин (7%).
Среди основных направлений повышения эффективности работы ПЭСМ назва ны (в убывающей последовательности) следующие пути совершенствования: взаимо действия служб предприятия;
планирования и управления ТОиР;
системы сбора и об работки информации;
оперативности выполнения ТОиР;
организации работы машин на объектах;
обновления парка машин.
Таблица Модели и методы решения задач обеспечения эффективности использования строительных машин посредством технической эксплуатации Пара- Название матмодели, метода исследования или Чем определяется метр достижения результата Модель старения машины.
Состав парка.
Модели формирования наработки и парка машин.
ТРР Затраты времени на пребывание в Модели проведения технических воздействий в рабочее плановых и неплановых ТВ. и нерабочее время машины.
Стратегия обеспечения Методика обоснования стратегии ТОиР.
работоспособности.
Достаточность ремонтных Методика формирования СТЭ для конкретного мощностей (собственных и предприятия.
привлекаемых).
Обеспеченность ресурсами Модель ремонтного резервирования.
(кадровыми, техническими, Ресурсный анализ СТЭ.
технологическими, резервными, информационными и т.д.).
Системы управления, контроля качества выполнения операций Методика оценки уровня выполнения операций ТЭ.
ТОиР.
Техническое состояние машины Модели влияния СТЭ на процессы старения и ТД (зависит от конструктивной формирования парка машин.
ТТО надежности, срока службы, условий ТТР эксплуатации, уровня ТЭ).
Модели оптимального уровня надежности машины и Требуемый уровень надежности парка машин.
машины (устанавливается Модели управления техническим состоянием машины нормативными документами, по уровню надежности и параметрам технического условиями использования). состояния.
Модель оптимального соотношения плановых и неплановых ТВ.
Нормативные документы, условия использования (сезонность, Модели формирования и корректировки структуры климатическая зона, сменность ТОиР.
работы, коэффициент загрузки по Модели оптимизации режимов ТОиР.
мощности, требуемый уровень надежности).
Технические требования к машине, Модель управления техническим состоянием машины техническое состояние машины, ТКР технико-экономические посредством КР.
соображения.
Качественный состав парка Модели влияния СТЭ на процессы старения и (возраст, свойства приобретаемой формирования парка машин.
техники).
НР Анализ структуры отказов и влияния процессов ТЭ.
Уровень совершенства СТЭ.
Модели оценки качества выполнения операций ТЭ Качественный состав парка Модели влияния СТЭ на процессы старения и (возраст, свойства приобретаемой формирования парка машин.
техники).
Анализ структуры отказов и влияния процессов ТЭ.
Уровень совершенства СТЭ.
ТВ Модели оценки качества выполнения операций ТЭ.
Система мероприятий по Модели: влияния внезапных отказов на эффективность восстановлению работоспособности применения машин;
восстановления работоспособности отказавшей техники и после внезапных отказов;
ремонтного и страхового возобновлению работ на объекте. резервирования.
Модели повышения эффективности применения строительных машин средствами технической эксплуатации Модели влияния на Модели обеспечения работы Модели совершенствования работоспособность машин машин на объектах процессов ТОиР Модель формирования Модель оптимального уровня Модели оценки качества надежности машины наработки выполнения операций ТОиР Модель динамики Модель влияния внезапных надежностных и технико отказов на эффективность экономических показателей работы машин машин по времени Модель ремонтного резервирования Модель управления Модели восстановления техническим состоянием работоспособности машин машин посредством после внезапных отказов капитальных ремонтов Модели управления техническим состоянием машины по уровню Модель формирования Модель страхового надежности и параметрам парка по заданному уровню технического состояния резервирования технического состояния Модели оптимального срока службы машин Модели остаточного ресурса машин Рис. 7. Комплекс моделей влияния СТЭ на формирование эффективности при менения строительных машин Ресурсный анализ эффективности эксплуатации строительных машин предпола гает рассмотрение предприятия, как обладателя уникального набора ресурсов, уровень использования которых определяет стратегический успех или стратегическую неудачу организации. В диссертации дан анализ ресурсов ПЭСМ, в состав которых входят: ма шины, оборудование, здания, сооружения, тер И мелкий ремонт Повреждение ритория, технологии, до кументация, персонал, ТО, информационные ресур сы, финансы и др. Разра ботан метод использова Экономический ресурс ТР Р Продажа ния ресурсного подхода ил Т-ресурс и для формирования опти О Н тк Р Техническим КР аз мальной СТЭ для кон Н/Р Технико-экономическим парамертам кретного эксплуатацион Ресурс по Безопасности ного предприятия путем Списание Предельное Экологическим моделирования влияния Эргономическим приращения ресурса на Социальным рост эффективности.
Прочим Рис. 8. События, состояния технической системы (граф пе реходов) и ресурсные характеристики: И – исправное со стояние;
Р – работоспособное;
Н/Р – неработоспособное;
ТР, НР, КР – ремонт, соответственно текущий, неплановый, ка питальный;
Т-ресурс – технический ресурс В третьей главе «Исследование процессов управления работоспособностью строительной техники методами технической эксплуатации» рассмотрено влияние стратегии проведения мероприятий ТОиР на возрастную динамику надежностных и технико-экономических показателей, разработаны математические модели, описы вающие динамику показателей для различных вариантов эксплуатации машин, влияние капитальных ремонтов. Разработаны методики: оптимизации и продления сроков службы техники;
формирования парков машин по заданному уровню технического со стояния. По всем математическим моделям составлены программы в средах Mathcad и Excel и выполнены примеры расчетов для реальных условий эксплуатации машин.
В процессе использования происходит чередование состояний машины (рис. 8), расход ресурса, изменение параметров. Управление состоянием машины осуществля ется методами ТЭ. Срок службы машины до списания или целесообразного использо вания определяется выбранными параметрами, на основе моделирования динамики ко торых построены соответствующие модели списания.
Динамика работоспособности технических объектов (ТОб) по мере старения вы ражается через два основных проявления – уменьшение уровня надежности вследствие роста количества отказов и изменение параметров технического состояния (ТС). По этому наиболее прогрессивная стратегия управления работоспособностью машин – по состоянию, может осуществляться двумя методами в зависимости от контролируемого показателя: с контролем уровня надежности (УКУН);
с контролем параметров (УКП) технического состояния.
Для осуществления УКУН необходима организация сбора и обработки стати стической информации по наработке, отказам, затратам ресурсов, наличие математиче ских моделей динамики надежностных и технико-экономических параметров ТОб.
Контроль параметров ТС для осуществления УКП производится путем применения технического диагностирования машин.
В третьей главе построены математические модели динамики надежностных и технико-экономических параметров ТОб, необходимые для реализации УКУН. Были рассмотрены два крайних варианта проведения мероприятий ТЭ: только в рабочее время машины и максимально в нерабочее время.
Анализ влияния возрастных изменений технического состояния строитель ных машин на технико-экономические характеристики показывает уменьшение нара ботки ТРР(t) и производительности Q(t), увеличение эксплуатационных затрат Z(t) с ин тенсивностью 1,5…4 % в год. Эти изменения достаточно хорошо (с адекватностью 0,88…0,92) описываются экспоненциальной зависимостью с параметром =0,012…0,048 год (параметр старения по наработке t, производительности Q и - по затратам z ):
TРР (t ) = T0 К г(t ), (1) Кг ( t ) = exp ( t t ), (2) Q ( t ) = Q0 exp ( Q t ), (3) Z (t ) = Z 0 exp( z t ), (4) где TРР (t ) – продолжительность пребывания машины в работоспособном состоянии в рабочее время;
Т0, Q0, Z0 – наработка, производительность и затраты за первый расчетный период новой машины соответственно;
Кг ( t ) – коэффициент готовности машины;
t – возраст машины.
Для представления выражений в Р (t, Т ) функции наработки Т от начала эксплуата t заменяется на ции показатель 0, 50 маш.-ч T = t T0, который оценивает количест 0, венно уменьшение коэффициента готовно 100 маш.-ч 0,4 сти машины за один машино-час.
В диссертации исследована динами 0,2 200 маш.-ч ка показателей надежности: внезапных от 500 маш.-ч казов;
средней наработки на отказ;
интен 5 сивности отказов;
вероятности безотказной Срок службы t, год работы на отрезке времени T (рис. 9). А Рис. 9. График зависимости вероятности также технико-экономических и экономи безотказной работы экскаватора ЭО- ческих показателей (пятая глава): произво за период времени Т от возраста машины, дительности, выручки, затрат, прибыли, построенный по данным УМ-4 (г. Санкт рентабельности.
Петербург) в программе Mathcad Каждому показателю задается пре дельное значение и соответствует своя модель срока службы (см. рис. 8). Так, срок службы и остаточный ресурс ТОб по выбранному минимальному значению коэффи циента готовности определяются выражениями:
ln Кг min tс = ;
(5) t tост (t ) = ln Кг(t) ln Кг min t. (6) Выражения для приведенных выше показателей выводились на основании инте гральной характеристики – суммарного времени восстановления машины (за год) по сле внезапных отказов. При наличии информации об интенсивностях потоков отказов i(t) и восстановлений µi(t) отдельных из n-го количества узлов машины для описания вероятности состояний можно использовать формулы, полученные с помощью теории массового обслуживания:
n (t ) (t ) Рi (t ) = Р0 (t ) i ;
P0 (t ) = 1 + i, (7) µi (t ) i =1 µi (t ) где Р0, Рi – вероятности нахождения машины соответственно в исправном со стоянии (ноль отказов), с отказом i-го элемента. Если учитывать только внезапные от казы, переводящие машину из работоспособного состояния в неработоспособное, то второе выражение будет соответствовать коэффициенту готовности.
Посредством показателей надежности оценивается безопасность технических систем, одной из характеристик которой является техногенный риск. Риск возникает в результате внезапных отказов техники, его средняя величина может быть получена как произведение потерь при наступлении неблагоприятного события на вероятность этого события. Методы расчета и снижения потерь, представленных в виде ущерба, приведены в четвертой и пятой главах.
Значения параметра старения за календарный промежуток времени, вычисляе мые для вариантов проведения мероприятий ТЭ в рабочее и нерабочее время маши ны отличаются, т.к. различна продолжительность периодов времени использования. Но значение параметра старения, вычисленное для машино-часа работы техники, можно считать одинаковым для обоих вариантов. Для учета отличий в динамике показателей для двух вариантов проведения мероприятий ТЭ были введены в рассмотрение коэф фициенты kП и kНП(t), показывающие какая часть времени простоев приходится соот ветственно на плановые и неплановые мероприятия в нерабочее (межсменное) время:
Т ННН (t ) Т ННП kП =, k НП (t ) =. (8) Т РНП + Т ННП Т РНН (t ) + Т ННН (t ) Анализ нормативной продолжительности плановых мероприятий ТОиР показал, что расчетные значения коэффициентов можно предварительно принять равными:
kП=0,794, kНП(t)=0,5. Расчет, выполненный для реальных производственных условий по разработанным моделям, позволил установить, что максимальное использование нера бочего времени машины для проведения технических воздействий (ТВ) при работе машины в одну смену дает следующие эффекты: увеличение годовой наработки на 8…20% и коэффициента готовности до 20%;
снижение интенсивности потока внезап ных отказов до 15%. Экономические критерии целесообразности проведения ТОиР в нерабочее время машины приведены в пятой главе.
В работе предложен способ учета влияния режимов эксплуатации. Эксплуа тация строительных машин является многорежимной – сочетаются периоды более и менее интенсивной работы, простоев по организационным причинам, хранения. Значе ния показателей старения t в различные периоды будут отличаться. Динамика Кг в зависимости от чередования периодов (i) эксплуатации рассчитывается по рекуррент ной формуле:
Кг i = Кг i 1 exp i ( ti ti 1 ). (9) Проведены теоретические исследования метода повышения уровня работоспо собности машины и продления, таким образом, срока службы путем проведения ка питального ремонта (КР). Вопросы влияния КР на технико-экономические показате ли машин рассматривались в работах Н.Г.Гаркави, Л.В.Дехтеринского, В.А.Зорина, А.В.Каракулева, И.А.Луйка, Б.Д.Прудовкого, Э.А.Сухарева, А.М.Шейнина и других.
Влияние КР на работоспособность оценивалось по значению среднего коэффициента готовности за срок службы машины. Такой подход был предложен Б.Д.Прудовским и В.Б.Ухарским. В разработанной модели получили развитие следующие положения:
учет снижения уровня восстановления машины после каждого КР;
технико экономическое обоснование уровня надежности машины, при котором ее следует на правлять в КР;
методы определения оптимального количества КР;
обоснование эконо мически допустимой стоимости КР.
Уровень восстановления технического состояния машины с каждым КР умень шается. Это уменьшение может составлять от 10 до 70% в зависимости от качества за пасных частей и выполнения ремонта. Значение коэффициента готовности машины по сле n-го КР можно описать выражением (линия Кг нач e g на рис. 10):
Кг КРn = Кг нач exp( КР tn ), (10) межремонтный период уменьшается со временем согласно выражению:
Кг min t 1, tn = ln (11) Кг КРn где КР – коэффициент «абсолютного» старения машины, определяющий тех нический уровень восстановления машины посредством КР.
Рис. 10. Расчетная схема динамики коэффици ента готовности Кг(t ) с проведением КР: К г нач – на Коэффициент готовности чальное значение коэффициента готовности;
Кг нач Кг КРn e g КгКР1, КгКРn – коэффициент готовности машины Кг КР Кг(t ) после первого, n-ного КР;
kmin – значение коэффици Г Кг min h ента готовности, при котором машина списывается f b или направляется в КР;
t1, t2 – моменты времени экс плуатации, в которые машина была направлена в КР;
t1 = t0 t2 = t1c c c 0 t t0, t1c, t2 – моменты времени, в которые машина c c Срок службы должна быть списана соответственно без проведения КР, с проведением одного и двух КР Значение реализуемого Кг (среднего за срок службы машины) определяется ча стным от деления площади диаграммы на соответствующий срок службы:
n 1 (n + 1) Кг min + Кг КРi Кг n = i =, (12) t t c n c где tn - срок службы машины после проведения n-го количества КР, определяе мый выражением n tn = t0 + ti.
c c (13) i = Динамика Кг по времени:
К г(t )=К г КРn exp t ( t t n 1 ), если t n 1 t t n.
c c c (14) Методы определения Кг min по технико-экономической модели и оценки эконо мической целесообразности проведения КР рассмотрены в пятой главе.
Методика формирования парка машин с заданным уровнем работоспособно сти основана на положении, что эффективность парка зависит от качества техники и уровня проведения мероприятий ТЭ. Процесс формирования парка носит целенаправ ленный характер, и применяемые методы зависят от конкретных целей: увеличение производственной мощности парка машин, повышение коэффициента готовности, без отказности т.д. Наиболее широко для решения оптимизационных задач используется метод линейного программирования (Б.Я.Курицкий, Дж.Мур). Его применение для за дач формирования парка машин описано в работах Е.М.Кудрявцева, Б.Д. Прудовского, В.Б. Ухарского и других. В диссертации данный метод получил дальнейшее развитие за счет применения разработанных моделей динамики показателей машин по времени под воздействием СТЭ, применения практически всех возможных способов обновле ния парка, многокритериальной оптимизации, современных вычислительных средств.
Алгоритм оптимизации состава парка следующий. Парк машин, технико экономические характеристики которых изменяются с возрастом по определенному закону (в работе принят экспоненциальный), разбивается на возрастные группы (ВГ).
Для каждой ВГ вычисляются показатели: количество машин, коэффициент готовности, наработка, рыночная стоимость реализации, условно-постоянные и переменные затра ты, прибыль. Выбираются варианты обновления: покупка новых и подержанных ма шин;
капитальный ремонт, в результате которого машина переходит в более молодую ВГ;
продажа старой и покупка новой машины с доплатой;
списание. Составляется ма тематическая модель, производится расчет оптимального варианта обновления парка.
В качестве целевой функции могут быть приняты надежностные показатели (коэффи циент готовности парка), технические (количество машин, наработка, производитель ность), экономические (величина капитальных вложений, прибыль, выручка, затраты, срок окупаемости вложений) и другие. Указанные показатели могут выступать и в виде ограничений по ресурсным параметрам (см. рис. 8). Т.о. могут реализовываться любые модели списания.
Один из вариантов оптимизации обновления парка имеет вид:
Сijk Х ijk Сijk Х ijk + Zкрijk Х ijk min;
Z'= i =1,2 j i =3,4,5,7 j i = k k j k 0 Z ' Cинвест;
Кг ijk Кгmin ijk ;
T = T max...T min;
(15) Х ijk 0;
Х ijk =целое, где Z' – капитальные вложения в модернизацию парка;
i – возрастная группа;
j, k –типы и марки машин;
С – цена покупки или продажи машин;
Zкр – затраты на капи тальный ремонт;
Х – количество машин;
Синвест – ограничение по инвестициям в об новление парка;
Кгmin – ограничение по уровню коэффициента готовности;
Тmax…Tmin – заданные пределы мощности парка по наработке в планируемый пери од.
В приведенной модели производится покупка машин первой и второй ВГ, про дажа – третьей, четвертой, пятой и седьмой, капитальный ремонт – шестой.
Полученная модель представляет собой целочисленную задачу линейного про граммирования. Ее решение целесообразно выполнять в Excel с использованием сер висного пакета «Поиск решения». Изложенная методика позволяет оптимизировать ва рианты не только приобретения техники, но и сокращения парка машин. При этом ми нимум капвложений превращается в максимум выручаемых средств от продажи ма шин.
В четвертой главе «Исследование процессов формирования гибкой страте гии технической эксплуатации строительных машин» разработаны методики:
формирования оптимальной СТЭ для конкретного эксплуатационного предприятия;
оптимизации уровня надежности машины для определенных условий применения;
оценки фактического уровня СТЭ;
управления использованием машин в соответствии с их уровнем надежности;
оптимизации режимов технических воздействий;
оценки влияния внезапных отказов на эффективность применения машин и проведения меро приятий ТЭ по устранению последствий внезапных отказов;
расчета параметров ре монтного и страхового резервирования.
Стратегия ТЭ отдельных машин формируется на базе создания оптимальной СТЭ для конкретного эксплуатационного предприятия. Оптимальной можно считать такую СТЭ, которая обеспечит максимальную эффективность парка машин при тре буемом уровне надежности. Методика формирования оптимальной СТЭ предусматри вает обоснование правильного сочетания состава мероприятий по обеспечению рабо тоспособности машин, выполняемых собственными силами предприятия и с привлече нием сторонних организаций по техническому сервису. Выбор основывается на анали зе количественного и качественного состава парка машин, ресурсов предприятия. Ме тодика реализована в информационной автоматизированной системе управления (ИА СУ) ТЭ (шестая глава).
Формирование гибкой (индивидуальной) стратегии технической эксплуатации с целью создания условий для получения максимальной эффективности каждой маши ны основано на двух основных положениях: установлении требуемого уровня надеж ности техники для выполнения конкретного производственного задания;
обеспечении требуемого уровня надежности средствами ТЭ.
Модель оптимального уровня надежности машины. Уровень ТС машин оп ределяется с одной стороны законодательством, нормативами (безопасности, эколо гичности, эргономики, эстетики и про Затраты, ущерб Z + У чими), с другой стороны технико У Z экономическими соображениями (про изводительностью, экономичностью, Z опт рентабельностью, конкурентоспособно стью, материало- и энергоемкостью и Z H Н опт Надежность др.). Процесс оптимизации надежности Рис. 11. Схема определения опти- ТОб заключается в отыскании опти мальной надежности технической системы по мального соотношения между затрата минимуму суммы затрат Z на обеспечение ми ресурсов на повышение его надеж надежности и ущерба У ности и материальным выражением воз можного ущерба (техногенного риска) связанного отказами, возникающими вследст вие недостаточной надежности (рис. 11). Затраты на повышение надежности машины формируются на стадиях приобретения и обеспечения работоспособности (ТОиР, КР, резервирование).
Вопросы оценки ущерба от недостаточной надежности машин, как эконо мического выражения техногенного риска, рассматривались в работах А.П.Ковалева, В.И.Эдельмана и других. Выде В ляют прямой ущерб (затраты на восстановление работоспособ П В Затраты, выручка ности ТОб, потери времени, Z0 П объемов продукции, прибыли Z1 из-за простоев), сопряженный Б1 Z пер Б0 (потери в технологических }Z пер ( Z пост + Zпер ) звеньях, связанных с отказавшей } В машиной), экологический, соци Z HP } } альный (причинение вреда здо Z пост У ровью людей, общественным Т НР В ценностям). В конечном итоге ТБ0 Т Б Т любой ущерб может быть оце Наработка за расчетный период нен через экономический экви валент.
Рис. 12. Модель влияния внезапных отказов на эффектив Величина возможного ность использования машины:
В0, Z0, П0 – выручка, затраты и прибыль в случае отсутст- ущерба пропорциональна време вия внезапных отказов;
В1, Z1, П1 – выручка, затраты и ни простоя:
прибыль в случае возникновения одного внезапного отка У (t ) = НР (t ) (TB + Т орг ) у, за за расчетный период;
Т1 – момент возникновения вне запного отказа;
ТНР – время простоя машины в неплано- (16) вом ремонте (включает также время ожидания ремонта);
где НР (t ) - количество непла B и Z пер – потери выручки и снижение переменных новых ремонтов, вызванных вне затрат вследствие простоя в НР;
Z НР1 – затраты на прове- запными отказами;
у – удельные потери, приходящиеся на 1 ч дение НР;
У1 – сопряженный экономический ущерб от простоя машины;
ТВ – время простоя в одном НР;
Б0 и Б1 – точки безубыточности в восстановления работоспособно случае отсутствия отказов и в случае возникновения од сти машины после отказа;
Т орг – ного внезапного отказа за расчетный период;
Т Б 0 и Т Б 1 – соответственные точкам пороговые наработки затраты времени на организаци онные мероприятия по возоб новлению комплекса работ, остановленных из-за отказа машины.
Величина удельного (часового) ущерба зависит от степени ответственности вы полняемой работы. Поэтому в тех случаях, когда значение возможного ущерба велико, следует применять более надежную технику. А, т.к. по мере старения снижается на дежность машины и возрастают затраты на ее обеспечение, то целесообразно старею щую технику использовать на менее ответственных работах.
Разработана модель влияния внезапных отказов на эффективность исполь зования машины. Величина отрицательного эффекта от действия внезапных отказов зависит от интенсивности производственного процесса и проявляется в виде прямого и сопряженного ущерба У1 (рис. 12). Прямой ущерб от простоя в неплановых ремонтах (НР) складывается из недополученной выручки В и затрат на неплановый ремонт ZНР (для удобства анализа показаны отдельно от остальных затрат). Влияние ТЭ на эффек тивность машины выражается в воздействии на ее техническое состояние (количество НР), обеспечении быстрого восстановления работоспособности (ТНР), минимизации ZНР.
Рентабельность эксплуатации машины при n-ном количестве НР должна быть не меньше нормативного значения RН:
Rn = Пn Z n RН, (17) где Пn и Zn - прибыль и затраты при n-ном количестве НР.
Таким образом определяется максимальное количество НР, при котором машина будет оставаться рентабельной, а также другие характеристики надежности. А, т.к. НР является функцией возраста t машины, то можно найти и экономически целесообраз ный срок ее службы с учетом техногенного риска (ущерба).
Величина ущерба от простоев связана с вариантами проведения мероприя тий по устранению последствий внезапных отказов. Рассмотрены три возможных случая работы машины на объекте (рис. 13):
1. Без отказов за время работы (в обозначениях наработки, выручки, затрат и прибыли индекс «1»).
2. С одним отказом и заменой неисправной машины на резервную, неис правной машине производится неплановый ремонт (индекс «2»).
3. С одним отказом и неплановым ремонтом машины (индекс «3»).
Решение о способе возобновления работы при отказе машины на объекте зави сит от ряда факторов:
предполагаемой продолжительности процесса восстановления работоспособ ности машины, т.е. соотношения тяжести отказа и технических возможностей ремонт ной службы;
ограничений по срокам выполнения работ;
величины возможных сопряженных экономических, экологических, социаль ных, политических (престиж фирмы) и прочих потерь.
Рис. 13. Модель влияния мероприя Т Наработка тий ТЭ на величину ущерба от внезапно Т Т Т го отказа одной машины:
Тот – момент времени наступления внезапного отказа: Тож– время ожидания Z начала НР и доставки резервной машины;
B Выручка, затраты Z В1 В ТН2 – момент начала работы резервной В3 машины на объекте по второму варианту;
Z ТНР – продолжительность непланового ремонта;
ТР1, ТР2 и ТР3 – моменты времени окончания работы на объекте машины Т ож Т HP ZН соответственно по трем вариантам;
ZН – 0 П начальные затраты по обеспечению рабо У У ты машины на объекте;
Т – объем работ Прибыль П на объекте в машино-часах;
В, Z, П, У – выручка, затраты, прибыль и ущерб от П простоев соответственно по трем вариан Т Р1 ТР2 Т Р Т от Т Н2 Т Н там работы Рабочее время машины Ущерб У вследствие отказа не ограничивается только дополнительными затра тами (как обозначено на рис. 13), а включает также потерю выручки (недополученную прибыль) за время вынужденного простоя машины:
У 2 = П1 П2 + Т ож Ц м-ч, У 3 = П1 П3 + (Т ож + Т НР ) Ц м-ч. (18) Очевидно, третий вариант получается самым убыточным. А если имеют место и сопряженные экономические и другие потери, то минимизация времени простоев при нимает еще большее значение.
Оптимизации затрат ресурсов на сокращение времени простоев служат разрабо танные в диссертации модели ремонтного и страхового резервирования, построен ные с использованием теории массового обслуживания (ТМО). Применение ТМО для расчета потребности в ремонтных и резервных средствах рассматривалось в работах О.А.Бардышева, Б.Н.Бирючева, Н.Г.Гаркави, А.В.Каракулева, Б.Г.Кима, Н.В.Коценко, Е.М.Кудрявцева и других. Отличие предлагаемой методики заключается в учете влия ния надежности машин, как функции срока службы, и ущерба от внезапных отказов в моделях оптимизации. Были промоделированы описанные выше варианты мероприя тий по устранению последствий внезапных отказов.
Ремонтное резервирование. Поток заявок на неплановый ремонт рассматривает ся как простейший с ожиданием, обладающий ординарностью, стационарностью, от сутствием последействия. Потребное число ремонтных постов (РП) зависит от количе ства m машин, обслуживаемых одним постом. Процесс функционирования одного РП рассматривается как одноканальная замкнутая система массового обслуживания (СМО) с неограниченным временем ожидания обслуживания требований.
В качестве критерия оптимизации загрузки РП была выбрана прибыль от работы СМО, которую можно представить в виде функции количества обслуживаемых машин т и срока их службы t:
П (t, m) = B(t, m) Z РП (t, m) У (t, m) max, (19) где B (t, m) – выручка от использования работоспособных машин;
Z РП (t, m) – за траты на эксплуатацию РП;
У (t, m) – ущерб от простоя отказавших машин в очереди и в обслуживании.
Путем применения ТМО получены выражения для определения составляющих формулы (19):
Z РП (t, m) = С ПК Р0 (t, т) + СРК (1 Р0 (t, т) ) ;
У (t, m) = ( N оч (t, т) + N сист (t, т) ) у;
(20) B (t, m) = т ( N оч (t, т) + N сист (t, т) ) в, где Р0 (t, т) – вероятность состояния СМО, при котором отсутствуют требова ния на обслуживание;
N оч (t, т) – длина очереди на обслуживание;
N сист (t, т) – сред нее количество машин, находящихся в обслуживании;
Спк, Срк – средние затраты, свя занные соответственно с простоем и работой канала обслуживания в единицу времени;
у и в – часовой ущерб от простоя и часовая выручка от работы одной машины соответ ственно.
Пример расчета для СМО со средним возрастом обслуживаемых машин пять лет графически представлен на рис. 14. Модель (20) позволяет вычислить оптимальное ко личество обслуживаемых машин в зависимости от степени ответственности выполняе мой работы, т.к. топт весьма существенно зависит от соотношения выручки от работы машины и ущерба от ее простоя в неплановых ремонтах в/у (рис. 15). Чем выше влия ние ущерба, тем меньшее количество машин будет обслуживать РП для сокращения дорогостоящих простоев машин в обслуживании.
В(5,m) Прибыль СМО, руб./час П(5,m) m опт Zрп(5,m) 0 0 1 2 mопт У(5,m) В 1 / У m 0 3 6 Рис. 14. Определение оптимального ко- Рис. 15. Зависимость топт от соотноше личества обслуживаемых машин по мак- ния выручки от работы машины и ущер симуму прибыли от работы одноканаль- ба от ее простоя ной СМО (при в = у ) Исследуя динамику максимальной при были от возраста обслуживаемых машин, и Прибыль, руб./час Пзмmax(t, m) сравнивая ее с минимально допустимым зна Пзмmin(t, m) чением прибыли по условию рентабельности П min (t, m) = Rmin Z рп (t, m) + У (t, m), (21) 0 можно определить максимальный срок tmax 2 4 6 10 службы техники (рис. 16). Это принципиально Срок службы, год новый подход к расчету срока службы.
Рис. 16. Графическое определение сред- Страховое резервирование – в рассмот него максимального возраста группы ренный вариант СМО добавлена резервная машин, обслуживаемых одним РП машина. Продолжительность работы резерв ной машины за время простоя основной ма шины Т ррм (t, m) = Т оч (t, m) + Т в + Т дк Т дрм, (22) где Т оч (t, m) – время простоя отказавшей машины в очереди на обслуживание;
Т в – среднее время восстановления работоспособности;
Т дк и Т дрм – среднее время доставки соответственно канала обслуживания и резервной машины (РМ), ч.
40 Прибыль СМО, руб./час Прм(5,m) Коэффициент 30 готовности 0, 20 П(5,m) 0, mопт 10 0, 0 2 4 6 8 00 2 4 6 8, год t m Рис. 17. Графики зависимости прибыли СМО Рис. 18. Значения коэффициента го с резервной машиной Прм(t,m) и без нее товности машин по первому и второму П(t,m) от количества обслуживаемых машин вариантам СМО Применение страхового резервирования позволяет повысить оптимальное коли чество обслуживаемых машин одним РП (рис. 17), а также коэффициент готовности машин СМО за счет сокращения времени простоя парка машин:
Т РР (t ) Г kрм (t, m) =. (23) Т РР (t ) + Т РHH (t, m) Т ррм (t, m) НР (t ) Т.о., коэффициент готовности машин СМО теоретически будет не ниже 0,9, да же для машин десятилетнего возраста (рис. 18). Это весьма высокий уровень функцио нирования системы.
В рассмотренных стохастических моделях резервирования все обслуживаемые машины имеют одинаковое (среднее для группы машин) техническое состояние, вы раженное в интенсивности потока заявок на обслуживание. Так было принято для упрощения аналитических вычислений. Характеристики СМО с разновозрастными машинами целесообразно определять путем применения имитационного моделирова ния. В диссертации приведен пример использования новейшей отечественной системы – AnyLogic. Результатом моделирования являются: очередь на обслуживание, коэффи циент загрузки канала. Дальнейшие расчеты аналогичны описанным выше.
Обеспечение высокой работоспособности машины возможно только при усло вии качественного выполнения всех операций ТЭ. В диссертации разработана мето дика оценки фактического уровня ТЭ. При создании методики использовались мате риалы: «Методические указания по разработке и внедрению системы управления каче ством эксплуатации строительных машин» (МДС 12-12.2002), разработанные Госстро ем России;
российские и международные стандарты;
труды С.Н.Николаева, Э.А.Сухарева и других ученых. Уровень ТЭ характеризуется системой показателей качества проведения отдельных мероприятий: технического обслуживания;
текущего ремонта;
хранения техники;
очистки масла и топлива и т.д. В свою очередь, каждый показатель зависит от нескольких определяющих факторов. При налаженной системе сбора и обработки информации можно оценивать качество выполнения самих опера ций, работы подразделений ТЭ, определять интегральный показатель уровня СТЭ.
Данная методика оценки уровня СТЭ включена в состав информационно программного комплекса ИАСУ ТЭ строительных машин, описанного в шестой главе.
В диссертации впервые разработана модель оптимального управления исполь зованием машины в соответствии с уровнем ее надежности. Задача оптимального ис пользования техники состоит в распределении машин по объектам работы, соблюдая соответствие уровня надежности (УН) машин требуемому уровню надежности для конкретного объекта. Превышение УН над требуемым повлечет лишние затраты на обеспечение надежности машин. Недостаточный УН приведет к росту техногенного риска. Схема управления использованием техники по УН представлена на рис. 19.
Оценка контрольных показателей производится по разработанным в диссертации мо делям. Контроль УН производится по значению коэффициента готовности оператором (3). Коэффициент готовности машины Кгi не должен быть меньше требуемого для j-го объекта Кгj. Значение Кгi определяется с учетом резервирования, как одного из мето дов повышения надежности парков машин. В случае выполнения условия Кг i Кг j машина используется на объекте работы. В противном случае производится оценка це лесообразности повышения Кгi методами ТЭ по уровню рентабельности Ri машины оператором (5). Если рентабельность ее применения, рассчитанная по разработанной методике с использованием данных эксплуатации (см. рис. 23, б), превышает мини мально допустимый уровень Rmin, то производится повышение ее работоспособности методами ТЭ – оператор (6). Если Ri Rmin, то следует избавиться от нерентабельной машины средствами оператора (7).
База данных 3 Нет техники Обновление парка Нет Кг i Кг j R i Rmin i Кгi, i=1...m (списание, продажа, покупка) Да Да 2 Использование Мероприятия ТЭ База данных машин на по повышению объектов работы объектах Кгi Кгj, j=1...n Рис. 19. Модель управления использованием техники в соответствии с уровнем ее надежности Контроль УН в процессе использования машины производится оператором (3) путем сбора и обработки эксплуатационной информации по отказам, затратам, нара ботке и применения математических моделей. Контроль параметров технического со стояния узлов машины осуществляется посредством диагностирования в процессе ис пользования машины. По результатам диагностирования проводится комплекс меро приятий по обеспечению работоспособности машин оператором (6). Следует отметить, что значения контролируемых параметров технического состояния узлов служат осно вой для оперативного планирования мероприятий ТОиР, а уровня надежности – такти ческого, путем введения корректирующих коэффициентов режимов ТОиР.
По окончании работы каждого оператора информация о машине и состоянии дел на объекте работы поступает в соответствующие базы данных.
По результатам диагностирования оценивается остаточный ресурс узлов. Теку щие значения Кгi служат также для определения остаточного ресурса машины в целом [формула (6)].
Модель управления обеспечением работоспособности машины. Функцио нальная схема оператора (6) (см. рис. 19) представлена на рис. 20. Система управления техническим состоянием реализована по замкнутой схеме с комбинированным контро лем – уровня надежности и параметров технического состояния машины.
От технического объекта в процессе его работы поступает на блок обработки сигналов (БОС) информация о состоянии ТОб (данные ежедневного осмотра, техниче ской диагностики, сведения об отказах, потребности в эксплуатационных материалах и т.п.) и характере использования (наработка, интенсивность работы, нагрузочные режи мы, расход эксплуатационных материалов, погодные условия и т.д.). Эта информация поступает от машинистов, механиков, обслуживающего персонала.
БОС сравнивает результаты диагностики со значениями допустимых диагно стических параметров, обрабатывает эксплуатационную информацию и пересылает данные на блок управления (БУ) для принятия решения, например, назначить время проведения или выполнить ТО, ТР, НР, доставить ГСМ, направить резервную машину для замены отказавшей, подготовить узел для замены и т.д. Мелкие неполадки устра няются машинистом непосредственно на месте работы машины, информация о них может не доходить до БУ. Функции БОС выполняют машинист, диспетчер, механик, инженер ПТО.
Воздействия внешней среды Воздействия ТЭ Технический объект ЕО и устранение мелких неполадок Сигналы машинистом Блок обработки сигналов (БОС) Блок оценки качества Информация для принятия воздействия рещения (БОКВ) Блок управления ТЭ (БУ) Команды на выполнение воздействий ТЭ Обеспечение работы на ТОиР Материально-техническое объектах обеспечение Сторонние ПЭСМ Сторонние организации Сторонние организации организации... ПЭСМ АБ ПЭСМ......
КЛ СТ Операции ТЭ Рис. 20. Функциональная схема управления обеспечением работоспособности ТОб Воздействия могут проводиться собственными силами ПЭСМ или с привлечени ем сторонних организаций. В случае проведения работ силами ПЭСМ заявка в виде наряда на работы поступает к начальнику ремонтной службы, который распределяет работы по исполнителям. Эти работы и есть команды на выполнение воздействий.
Обеспечение работоспособности машины включает три группы мероприятий:
ТОиР, обеспечение работы на объектах, материально-техническое обеспечение.
Работы ТОиР планируются и выполняются согласно выбранной стратегии ТЭ.
Обеспечение работы на объектах помимо выездных плановых и неплановых операций ТОиР включает: доставку ГСМ, транспортирование машин, резервирование отказав шей техники. Причем оптимизация комплекса работ по возобновлению работы отка завшей машины производится в соответствии с ее техническим состоянием и требуе мым уровнем надежности.
При наличии ИАСУ ТЭ большинство операций учета, планирования, распреде ления и оценки качества работ автоматизируется (глава 6).
Модель оптимизации режимов технических воздействий. Профилактическая стратегия ТОиР построена на проведении плановых технических воздействий (ТВ).
Чем больше времени уделяется плановым ТВ, тем меньше простоев в неплановых ре монтах. Оптимальное соотношение плановых и неплановых ТВ определяется мини мальной продолжительностью суммарных простоев, максимумом Кти (рис. 21). Для машин различных возрастных групп, разных условий работы оптимальным будет и различное соотношение плановых и неплановых ТВ, а также режимов их проведения.
Поэтому необходима корректировка режимов проведения ТВ в соответствии с ус ловиями использования техники.
max Т РP ТРР Рис. 21. Зависимость наработки и коэффици простои в ремонтах max КТИ КТИ ента готовности от времени ТРНП пребывания маши Наработка, использования Коэффициент технического ТРНН+ТРНП ны в плановых технических воздействиях (ТВ): ТРНН min Т РН – время простоя в неплановых ремонтах;
ТРН – время ТРНП ТРНН простоя в ТВ (плановых плюс неплановых);
ТРР – время пребывания машины в работоспособном со опт Т РНП ТРНП стоянии Корректировка режимов ТОиР в соответствии с условиями использования техники. Оптимальные состав и периодичность ТВ определяются динамикой техни ческого состояния машины под воздействием внешней среды и внутренних факторов, а также требуемым уровнем технического состояния для конкретных условий работы.
Корректировка режимов ТОиР, спланированных для средних условий эксплуатации в соответствии с нормативными документами, производится посредством корректирую щих коэффициентов, учитывающих специфику работы конкретной машины. В общем виде корректировка периодичности проведения различного вида ТВ может произво диться согласно формуле к Тi = Тi н, (24) j j н где Т i – нормативная периодичность i-го технического воздействия;
кj – коэф фициент, учитывающий j-тый фактор специфики эксплуатации конкретной машины.
Набор факторов, описывающих специфику эксплуатации машин, практически не ограничен и может уточняться по мере развития системы ТОиР и накопления эксплуа тационной информации. Наиболее влиятельные факторы отражаются следующими ко эффициентами: к1 – возрастной группы;
к2 – количества проведенных капитальных ре монтов;
к3 – зоны эксплуатации;
к4 – требуемого уровня надежности;
к5 – интенсивно сти нагрузки. В диссертации разработана методика их определения.
В пятой главе «Исследование влияния процессов управления работоспособ ностью парка машин на его экономическую эффективность» показано влияние СТЭ на составляющие прибыли от эксплуатации техники, разработана методика управления эффективностью применения парка машин посредством факторного ана лиза, разработаны модели определения оптимального и экономически целесообразного срока службы техники.
Опыт внедрения результатов теоретических исследований в практику работы ПЭСМ показал, что руководителей предприятий интересует в первую очередь эконо мическое обоснование предлагаемых решений. Поэтому возникла необходимость раз работки методики совершенствования СТЭ, построенной на использовании экономи ческих показателей (в отличие от второй главы, в которой данная методика построена на использовании показателей надежности).
Программно-целевой анализ эффективности применения строительных машин. Для исследования влияния подсистем ПЭСМ на его эффективность был ис пользован программно-целевой анализ. Главной целью существования ПЭСМ является эффективное использование строительных машин. Экономическим выражением ре зультата достижения цели (показателем экономической эффективности), может высту пать прибыль от применения парка машин, включающая три составляющих:
П (t ) = В(t ) Z (t ) У (t ) Пmin, (25) где В (t ), Z (t ) – соответственно выручка от эксплуатации парка машин и за траты на его содержание за расчетный период;
У (t ) – величина ущерба, вызванная внезапными отказами техники;
П min – минимально допустимая норма прибыли;
t – возраст эксплуатируемого оборудования.
Воздействие подсистем ПЭСМ на составляющие прибыли показано на рис. 22.
Каждая линия связи описывается соответствующей математической моделью.
Подводя итог программно-целевого анализа ПЭСМ и группируя рассмотренные модели по сферам воздействия, формируем комплекс моделей повышения эффектив ности применения строительных машин под воздействием СТЭ, аналогичный полу ченному в результате исследования влияния СТЭ на надежность парка машин (см. рис.
7). Следует отметить, что модель формирования наработки парка машин (см. рис. 4) можно рассматривать как фрагмент приведенной на рис. 22 программно-целевой мо дели.