m0935

В.А. Каргин, А.Д. Абрамов, Т.К. Тюнюкова

энергии единичного удара определяется число ударов k1, необходимых для де-

формирования твердого тела на участке x1					до величины hk1		x1 hk1 :
		h2 c	21	2h	F
k		k1		k1 T		.	(15)
1			m 02

Поскольку общая величина осадки hk и осадка на второй стадии hk2 x2

известны, то теперь можно определить k2 и рассчитать необходимое суммарное число ударов k = k1 + k2:

		2h		F	h2	c	2
k	2		k2	T	k2			.	(16)
				m 02

Погрешность в определении величины k зависит от ее абсолютного значения. При достаточно больших значениях k1 и k2 относительная погрешность расчета при переходе с первой на вторую нагрузочную характеристику невелика. При малых значениях k1 и k2, когда этот переход осуществляется в пределах одного цикла динамического нагружения, относительная погрешность возрастает, так как деформирование за единичный удар происходит по первой и второй нагрузочным характеристикам одновременно. Поэтому при расчетах следует учитывать деформирование по каждой из характеристик за дробное число ударов.

Анализ двухстадийного процесса динамического деформирования позволяет сделать вывод о том, что при деформировании неоднородных твердых тел в сложных условиях нагружения линеаризация нагрузочных характеристик может быть выполнена на основе каскадного соединения линейных моделей.

Рассмотренная методика расчета динамического деформирования твердых тел произвольной структуры при изменяющихся в пределах одного цикла условиях нагружения позволила обосновать возможность создания оригинальных малогабаритных машин ударного действия [7, 8].

При снятии статических нагрузочных F – x характеристик определение условной жесткости с2 в некоторых случаях может приводить к появлению недопустимых погрешностей. Рассмотрим пробивку отверстий в высокопрочном листовом материале, лежащем на податливой подкладке плоским в плане индентором. Эта операция может быть выполнена только при высокоскоростном нагружении материала. Снятие же статической характеристики возможно лишь при установке листового материала в штампе с жесткой матрицей, что не будет соответствовать реальному способу нагружения. И в этом случае методика построения модели и расчета динамических параметров деформационного процесса будет принципиально отличаться от рассмотренной ранее [9].

Исходной для построения моделью будет служить динамическая характеристика hk f k , которая может быть получена с использованием какой-либо

машины ударного действия или на копре. При этом должно выполняться условие k 2.

101

Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава

В предположении жесткопластического характера деформационного процесса условная жесткость с2 может быть найдена из уравнения (13):

			m 2k 2h F
c	2		0	k	T	.	(17)
				h2
				k

Для жесткопластического упрочняющегося тела c2 const при любом числе циклов динамического нагружения. Зная глубину погружения стержня на произвольных k и (k + i)-м циклах нагружения, из уравнения

m 2k 2h F				m 02 k i 2hk i FT
0	k	T			(18)
	h2			h2
	k			k i

можно определить величину FT, а затем по (17) найти с2.

Полученные аналитические зависимости и методика расчета процессов деформирования твердых тел при циклическом нагружении устанавливают в явном виде связь между энергией единичного удара, числом ударов и величиной осадки обрабатываемой заготовки. Поэтому становится возможным рассматривать абстрактный деформационный процесс, характеризующийся только определенными механическими параметрами, без учета его физической сущности. А это как раз и отвечает поставленной задаче – моделированию широкого круга технологий с помощью деформируемого твердого тела.

Рассмотренные выше технологии могут быть реализованы в том случае, если будут созданы высокоэффективные машины ударного действия. Одним из показателей эффективности виброударных машин является уровень энергии единичного удара, отнесенной к массе машины. Для существующих ручных машин он составляет 1–2 Дж/кг, что зачастую недостаточно даже для начала пластического течения материала. Вместе с тем проведенный анализ показал, что для реализации ряда виброударных технологий он должен составлять 10–15 Дж/кг, что нелегко получить обычными путями.

Одним из путей решения рассматриваемой задачи может быть использование в качестве привода линейного электромагнитного двигателя возвратнопоступательного движения, обладающего способностью к значительным перегрузкам при работе в повторно-кратковременном режиме. При этом якорь электромагнита выполняет роль бойка, а сам двигатель превращается в электромагнитную машину ударного действия.

Библиографический список

1.Каргин В.А. Выбор оптимальных выходных параметров машин ударного действия // Динамика и прочность судовых машин. Николаев, 1984. С. 27–32.

2.Каргин В.А. Методика расчета выходных параметров машин ударного действия // Строительные и дорожные машины. М.: Машиностроение, 1991. № 4. С. 24–26.

3.Каргин В.А., Абрамов А.Д. Виброударная технология и инструмент для железнодорожного транспорта // Современные технологии строительства, ремонта и эксплуатации путе-

102

А.Л. Манаков, А.Ю. Кирпичников

вого хозяйства Западно-Сибирской железной дороги: Сб. тр. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2001. С. 116–123.

4.Каргин В.А., Абрамов А.Д. Проблемы синтеза виброударных машин и технологий для изготовления деталей с требуемым уровнем эксплуатационных свойств // Научное обозрение. 2006. № 2. С. 31.

5.Тюнюкова Т.К. Технология пробивки отверстий в панелях «Сэндвич» // Мат-лы 62-й науч.-техн. конференции, посвященной 75-летию НГАСУ. Новосибирск, 2005. С. 105–106.

6.Тюнюкова Т.К. Моделирование технологических процессов обработки слоистых деталей // Вестник Кузбасского государственного технического университета. Кемерово, 2006. Вып. 6. С. 95–97.

7.Пат. 79484 Российская Федерация. Способ создания отверстий в тонколистовых металлах и пакетах, собранных из тонколистовых материалов, и устройство для его реализации / Абрамов А.Д., Каргин В.А., Тюнюкова Т.К. Опубл. 15.09.08, Бюл. № 27. 6 с.

8.Тихомирова Л.Б., Тюнюкова Т.К. Анализ возможности создания малогабаритных прессов для сборки многослойных листовых панелей // Тр. ХХХIV Уральского семинара. Механика

ипроцессы управления. Т. 3. Проблемы машиностроения. Екатеринбург, 2004. С. 144–151.

9.Абрамов А.Д. Виброударная технология для ремонтных работ на железнодорожном транспорте // Вестник Самарского государственного технического университета, посвященный 90-летию Самарского государственного технического университета. М.: Машиностроение, 2003.

УДК 629.331

А.Л. Манаков, А.Ю. Кирпичников

Организация и совершенствование обеспечения надежности технической эксплуатации машинных парков в транспортном строительстве

Современная транспортная стратегия России характеризуется увеличением грузоперевозок и ростом объемов транспортного строительства. Поэтому более острой становится проблема организации и управления технической эксплуатацией строительных и дорожных машин в целях повышения их эксплуатационной надежности. Сложность рассматриваемой проблемы заключается в том, что современные машинные парки характеризуются широкой номенклатурой транспортно-технологических машин (ТТМ), предназначенных для строительства и содержания автомобильных и железных дорог, что требует системного подхода при организации их технического обслуживания и ремонта (ТО и Р).

В сфере технической эксплуатации (ТЭ) машин реализуются две системы ТО и Р (СТОР), принципиально отличающихся друг от друга: плановопредупредительная и контрольно-профилактическая. Остальные системы, к которым относятся заявочная, регламентная и другие, являются их вариациями. Выбор той или иной СТОР, а также их совершенствование ведутся преимущественно в направлении оптимизации периодичности технических воздействий.

103

Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава

Вместе с тем при совершенствовании технической эксплуатации машинных парков необходимо оперативно реагировать не только на изменение фактического состояния машин, но и на изменяющиеся условия функционирования инфраструктуры эксплуатационных предприятий, так как эффективность производственных процессов определяется комплексом организационнотехнических и технологических мероприятий [1].

Поэтому ТЭ должна рассматриваться как сложная система, представляющая собой совокупность объектов управления, взаимодействующих как единое целое. Задачей системного анализа является построение обобщенной модели, наиболее точно отражающей связи между отдельными подсистемами ТЭ, имеющими собственную структуру, и их конечными элементами. Особенность такой системы состоит в том, что изменения в одном ее элементе неизбежно вызывают изменения в других элементах. Так как система ТЭ представляет комплекс подсистем, блоков и элементов, то представляется необходимым использовать для их системного анализа и оптимизации функционирования исследование операций [2].

Следовательно, необходимо всю систему ТЭ подразделить на ряд независимых операций, обеспечение надежности каждой из которых в рамках реальных возможностей эксплуатационных предприятий будет являться основой повышения надежности системы в целом. Операционную структуру технической эксплуатации машинного парка можно представить в виде многоугольника, показанного на рис. 1, в вершинах которого располагаются основные операции (I – V) базовой системы ТО и Р, например, планово-предупредительной (ППР).

I

6 1

2

II

V

Базовая система ТО и Р (ППР)

5

3

IV 4 III

Рис. 1. Операционная структура технической эксплуатации:

I – планирование ТО и Р; II – техническое обслуживание; III – ремонт; IV – материальнотехническое обеспечение; V – кадры исполнителей; (1–6) – операции «поддержки»

104

А.Л. Манаков, А.Ю. Кирпичников

Такая модель отображает принцип подразделения организационнотехнических, в том числе и технологических мероприятий, на независимые операции [3].

Все основные операции ТЭ подкреплены вспомогательными, корректирующими операциями «поддержки» (1–6), повышающими надежность основных, что ведет к улучшению всех компонентов ТО и Р. При таком подходе модель системы технической эксплуатации машинных парков (СТЭМП) можно представить в виде технической системы со структурным резервированием, содержащей основные и корректирующие операции, взаимодействующие между собой в режиме нагруженного резерва. На рис. 2 показан фрагмент модели, содержащий одну основную и одну корректирующую (резервную) операции.

Основная операция

Корректирующая операция

Рис. 2. Фрагмент модели СТЭМП

В общем случае основное (последовательное) соединение может содержать произвольное число n основных операций (ОО), а корректирующее (параллельное) – m корректирующих операций (КО). В рассматриваемом примере

при n = 1; m = 1, вероятность безотказной работы соединения:
РСОЕД(t) = 1 – {[1 – РОО(t)][1 –РКО(t)]},	(1)

где РОО(t), РКО(t) – вероятности безотказной работы основной и корректирующей операций.

При отсутствии корректировки:
РСОЕД(t) = 1 – [1 – РОО(t)] = РОО(t).	(2)
Из сопоставления (1) и (2) следует, что
РОО(t) < 1 – [1 – РОО(t)][1 – РКО(t)].	(3)

Таким образом, корректировка основных операций, даже при малых значениях безотказности корректирующих операций, имеет смысл. Критерием необходимости корректировки может служить сопоставление достигаемого экономического эффекта и затрат на ее реализацию.

Приведенная на рис. 1 операционная структура предназначена для формирования комплекса операций, комбинация которых характеризует выбираемую концептуальную стратегию обеспечения надежности технической эксплуатации машинного парка. На первом этапе моделирования устанавливается необходимый набор независимых операций ТЭ, представляющих собой их основное соединение и определяющих стратегию разрабатываемой СТЭМП.

105

Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава

Но вместе с тем немаловажное значение имеет целый ряд операций, предшествующих или сопутствующих ТО и Р, которые определенным образом влияют на показатели качества ТЭ. Операционная структура ТЭ построена таким образом, что позволяет активно вмешиваться в процесс ее функционирования. При этом каждая операция допускает возможность такого ее уровня, который представляет интерес на рассматриваемом временном интервале. Следовательно, СТЭМП можно рассматривать как управляемую организационнотехническую и технологическую систему, каждый компонент которой имеет стохастический характер изменения состояния.

Выбор вида и количества корректирующих операций определяется концепцией ТО и возможностями управления системой. В отличие от существующих СТОР, содержащих преимущественно операции основного соединения, в качестве корректирующих в СТЭМП могут быть включены:

–новые технологии ремонта и восстановления изношенных деталей, поверхностное пластическое упрочнение, нанесение твердых смазочных материалов в целях снижения удельных нагрузок в парах трения [4];

–аутсорсинг, обеспечивающий сокращение издержек при передаче стороннему подрядчику некоторых производственных функций ЭП [5];

–использование модификаторов трения;

–непрерывный дистанционный мониторинг, позволяющий в процессе производственной эксплуатации машин установить момент достижения их основными агрегатами предотказного состояния [6, 7];

–подготовка кадров и повышение квалификации персонала [8];

–тотальное качество, обеспечивающее достижение превосходства во всех аспектах технической эксплуатации машинных парков и др. [9].

Корректирующие операции можно рассматривать как управляющие факторы, степень влияния которых на СТЭМП устанавливается через количественные оценки их надежности. При этом надежность самой системы будет являться параметром ее оптимизации, позволяющим управлять системой ТЭ с использованием обратной связи, как это показано на рис. 3.

Результат воздействия корректирующих операций на СТОР оценивается показателем надежности РН, а количественно уровень надежности технической эксплуатации может характеризоваться коэффициентом надежности kНТЭ:

kНТЭ = РНкор /РН ,

(4)

где РНкор – показатель надежности системы с корректированием; РН – показатель надежности СТЭМП без корректирующих факторов.

106

							А.Л. Манаков, А.Ю. Кирпичников
				1					РН
				2		Система		PHкор
		Выбор							Управление
				3
						технического
		операций				обслуживания			системой
						и ремонта машин
				4
						(СТОР)
				5					kТИ
				6
				i

Рис. 3. Система ТЭ с обратной связью

Эффективность разрабатываемой СТЭМП оценивается увеличением коэффициента технического использования машинного парка. Прежде всего она достигается за счет увеличения наработки на отказ агрегатов и узлов машин t. Кроме того, может в 3–5 раз сокращаться среднее время восстановления tв за счет предупреждения износовых и внезапных отказов до их возникновения. Сокращается также и время простоев машин при плановых и внеплановых обслуживаниях tоб, так как при выполнении тех или иных технических воздействий исключается необходимость проведения работ, которые не диктуются фактическим состоянием агрегатов и узлов.

Таким образом, коэффициент технического использования машинного парка может быть представлен в виде:

	kТИ		t k	НТЭ			t	.	(5)
			t kНТЭ (tв tоб ) kНТЭ1			t kНТЭ	(tв tоб ) kНТЭ2

Формула (5) описывает один из случаев изменения соотношения между t и (tв + tоб), когда одновременно изменяются как наработка t, так и время простоев в ТО и Р. Но если при увеличении наработки время простоев остается неизменным, то показатель степени при kНТЭ будет равен 1. Поэтому формула

(5) может быть преобразована к общему виду:

k	t	,	(6)
	ТИ t (tв tоб)kНТЭѓА

где показатель степени варьируется в диапазоне 1 ≤ β ≤ 2. Задаваясь рядом значений kНТЭ, можно найти границы изменения kТИ СТЭМП для двух случаев:

–при неизменном времени простоевв ТО иР увеличиваетсянаработка,β=1;

–при увеличении наработки уменьшаетсявремяпростоеввТОиР,β=2. Диапазон изменения kТИ для граничных значений 1 ≤ β ≤ 2 показан на рис. 4.

107

Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава

Коэффициент надежности kНТЭ

β = 1

β = 2

Коэффициент технического использования kТИ

Рис. 4. Диапазон изменения kТИ

Выбранный уровень kТИ является базовой величиной, необходимой для управления СТЭМП, которое осуществляется по параметру РН(t) при сопоставлении исходного уровня kТИ с прогнозируемым. Управляющий сигнал поступает на блок «Выбор операций» (см. рис. 3), где определяются операции, требующие корректировки. Кроме того, на основе анализа ситуации в операционную структуру ТЭ могут включаться и другие операции. В целях сопоставления между собой все операции должны иметь количественные показатели надежности, формируемые на основе экспертных оценок.

Особенностью рассматриваемой задачи является необходимость сравнения операций в разных шкалах и несопоставимых единицах. В этих целях представляется целесообразным воспользоваться функцией желательности, устанавливающей соответствие между натуральными значениями показателей (по оценкам экспертов) и частными желательностями.

В качестве натуральных оценок корректирующих операций могут быть выбраны например: безотказность, долговечность, рентабельность, «вес». Обобщенные показатели надежности корректирующих операций представляют собой средние геометрические частных желательностей. Их численные значения для рассматриваемого примера приведены в таблице.

Обобщенные показатели надежности

Корректирующие операции	Номер операции j	Показатель надежности Рj
Новые технологии	1	0,219
Аутсорсинг	2	0,123
Модификаторы трения	3	0,253
Непрерывный мониторинг	4	0,296
Подготовка кадров	5	0,207
Тотальное качество	6	0,181

108

А.Л. Манаков, А.Ю. Кирпичников

Зная количественные оценки надежности операций, можно выполнить синтез модели скорректированной СТЭМП, приведенной на рис. 5, предназначенную для расчета показателей надежности и экономических показателей.

I

II

III

IV

V

5

1

2

3

4

6

Рис. 5. Модель скорректированной СТЭМП

Основное соединение компонентов модели, обозначенных римскими цифрами I–V, представляет собой существующую планово-предупредительную СТОР, содержащую операции: I – планирование; II – ТО; III – Р; IV – МТО; V – кадры. Каждой из операций может быть присвоен показатель надежности, например: PI = PII = PIII = PIV = PV = 0,95. Показатель надежности основного соединения, состоящего из n операций:

n

Росн (t) Р1(t) Pn (t) Pi (t),

i 1	(7)
5
Росн Pi (t) 0,774.
i 1

Арабскими цифрами обозначены корректирующие операции, которые находятся в состоянии нагруженного резерва, т.е.втомжережиме, что и основные операции.

Операции 1 и 2 являются резервными для III и показатель надежности этой основной операции, имеющей m – 1 корректирующих:

m
Ррез (t) 1 1 Pj (t) ;	(8)

j 1

PIII рез = 1 – [(1 – 0,95)(1 – 0,219)(1 – 0,123)] = 0,966.

Операция 3 является корректирующей для основного соединения операций II и IIIрез, как это показано на рис. 6.

109

Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава

	II		IIIкор

3

Рис. 6. Фрагмент скорректированной группы

Росн II, III рез = PII ∙ PIII = 0,95 ∙ 0,966 = 0,918 ,

а показатель надежности этой группы

РII, III рез = 1 – [(1 – 0,918)(1 – 0,253)] = 0,938.

Аналогично рассчитываются показатели надежности всех скорректированных компонентов, что переводит модель СТЭМП к основному соединению из трех компонентов: компонента I; резервированной группы (II, III, IV) с надежностью PII,III,IV рез = 0,938 и компонента V с надежностью PV рез = 0,960. Надежность этого соединения, корректируемого компонентом 6, т.е. надежность СТЭМП, РНрез = 0,871.

Сопоставляя между собой показатели надежности исходной и разрабатываемой систем, можно по (4) определить коэффициент надежности технической эксплуатации, являющийся параметром оптимизации СТЭМП:

kНТЭ РНрез /РН 1,12.

Эффект от включения в СТЭМП корректирующих операций будет тем выше, чем меньше исходная надежность основных операций. В рассмотренном примере была принята высокая надежность операций основного соединения и тем не менее эффект от их корректировки просматривается вполне четко. Действительно, улучшение любого вида деятельности ЭП, независимо от его исходного показателя, положительно скажется на надежности ТЭ.

Для сравнения рассмотрим меньшую исходную надежность ТЭ, соответствующую, например: РI–V = 0,90; РI–V = 0,85. В этом случае при тех же самых обобщенных показателях надежности, приведенных в таблице,

kНТЭ(0,90) 1,29; kНТЭ(0,85) 1,49.

Проведенный анализ показывает, что корректирующие операции, улучшающие любую из операций ТЭ, даже при их относительно невысоких показателях надежности, существенно повышают общую надежность ТЭ. Потому можно считать, что изменение параметров модели и совершенствование корректирующих операций являются способом управления технической эксплуатацией машинных парков путем изменения kНТЭ.

Следует обратить внимание еще на одно обстоятельство. В отличие от других, применяемых в настоящее время систем ТО и Р, СТЭМП обеспечивает повышение надежности не только основных производственных составляющих, но и всей функциональной структуры ЭП. Поэтому она может рассматриваться как структурно-ориентированная система [10].

110