УДК 921

УДК 921.01

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 3.Отраслевое машиностроение

Доктор технических наук Ефремов Л.В.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Проблемы надежности машин при их техническом обслуживании и ремонте

Статья посвящена проблеме управления надежностью при техническом обслуживании машин. Показано преимущество методов вероятностного моделирования долговечности их элементов по сравнению с правилами анализа структурной надежности электронных систем в документах RCM.

Ключевые слова: машина; надежность; вероятность; интенсивность; отказ; износ.

Для поддержания машин и механизмов в исправном и работоспособном состоянии предприятиям промышленности и транспорта приходиться нести материальные затраты и потери рабочего времени на их техническое обслуживание и ремонт (ТОиР). Бурное развитие вычислительной техники и информационных технологий на основе интернета привело к расширению и углублению возможностей решения этой проблемы. В интернете удалось обнаружить сайты ряда компаний, предлагающих услуги и программные продукты по автоматизации управления основными фондами и ТОиР предприятий на основе международных и отечественных стандартов. Наибольшее распространение получила система RCM (Reliability Centered Maintenance) которая регламентирована международными стандартами SAE JA 1011 и SAE JA 1012 и посвящена техническому обслуживанию, ориентированному на обеспечение надежности продукции [5,6].

Сайты компаний, которые рекламируют услуги по внедрению RCM, можно условно разделить на две группы. Сайты первой группы в основном содержат описание и примеры программных модулей планирования, регистрации и отчетности работ и затрат по ТОиР. Наиболее обстоятельная информация такого рода дана на сайтах компаний «Ремонт-Эксперт», «РСМ-системы» и «СпецТек» [3].

Вторая группа сайтов в основном описывает сущность системы RCM и ее элементов. К таким компаниям относятся «Maintex», «Максима», «TOPS Consulting», «Технология надежности» и особенно - «KConsult C.I.S.» [4], которая рекомендует использовать семейство программных решений Windchill Quality Solutions (WQS) [2]. Программный продукт WQS поставляется известной корпорацией PTC (Parametric Technology Corporation®).

Критический анализ этой информации позволил сделать ряд существенные замечаний и полезных рекомендаций. Сначала отметим особенности услуг компаний первой группы на примере модулей поставки TRIM-PMS (Planned Maintenance System) от научно-производственного предприятия «СпецТек». Этот программный продукт позволяет эффективно планировать, контролировать, анализировать и оптимизировать затраты на ТОиР оборудования, и тем самым может способствовать сокращению убытков от дефектов, которые планируются и регистрируется с целью анализа работоспособности оборудования, что, по-видимому, связано с задачами RCM. Однако, эту методику трудно применить для управления надежностью оборудования по следующим причинам. Во-первых, приведенные в документации TRIM единственные показатели о дефектах – среднее время наработки на дефект MTBF (1) и среднее время устранения дефекта MTTR (2) не соответствуют понятиям и требованиям стандартов по надежности [8].

Во-вторых, регистрация дефектов по мере эксплуатации и ремонтов конкретного оборудования, выполняемая с целью сравнения их с плановыми реквизитами, так же не согласуется с практикой оценки надежности техники по допустимым вероятностям безотказной работы [13]. В-третьих, такой подход никак не связан с вероятностными моделями изнашивания деталей машин [14].

На сайтах компаний второй группы дается информация о составляющих методологии RCM [4]. На стадии проектирования рекомендуется выполнять анализ видов, последствий и критичности отказов FMEA/FMECA, анализ дерева отказов FTA, анализ диаграмм надёжности RBD и других модулей. При этом основными показателями надежности служат наработки на отказ MTBF, (или) интенсивность отказов l = 1/ MTBF = const и коэффициент готовности

Это значит, что вся расчетная часть методологии RCM базируется на методах расчета структурной надежности (точнее – безотказности) электронных систем по данным об интенсивностях отказах их элементов. За рубежом созданы справочные библиотеки с базой данных об интенсивность отказов различных элементов систем (MIL-HDBK-217 и др.), что и позволяет выполнять анализ FMEA/FMECA на стадии проектирования. К сайту «KConsult C.I.S.» [4] приложено американское руководство NSWC-11 [1], где делается попытка прогнозировать интенсивности отказов для отдельных элементов машин с учетом их конструктивно технологических особенностей. Обобщенное уравнение, которое корректирует базовую интенсивность отказов любых деталей и узлов механизмов, приведено к следующему виду (4):

где: - умножающие коэффициенты, которые учитывают влияние различных факторов на интенсивность отказов, N - общее число факторов. В руководстве приводятся соответствующие таблицы и графики для определения каждого коэффициента.

Отметим, что ряд отечественных стандартов серии «Менеджмент риска», так же посвящены структурному анализу надежности систем при l = const [10 - 12 и др.].

Для стадии эксплуатации наиболее важным является модуль FRACAS (Failure Reporting Analysis and Corrective Actions System), который представляет собой систему оповещения об отказах, анализа и корректирующих действий.

В программном комплексе WQS рассматривается вариант методики RCM применительно к планшетным компьютерам, которые, судя по всему, ремонтируются «по потребности» на фирме – изготовителе. В этом случае правомерно применять правила структурного анализа систем и на основании операций FRACAS принимать решения о корректировке конструкции и технологии элементов электронного изделия.

Но такой подход не приемлем для машин и оборудования промышленных предприятий и транспорта, стратегия ТОиР которых отличается от системы ремонта «по потребности». Для ответственного оборудования наибольшее распространение имеют такие системы ТОиР как регламентированные или планово-предупредительные ремонты (ППР), по техническому состоянию (с применением средств диагностики) и смешанные [15]. Напомним, что система ППР представляет собой совокупность ремонтов нескольких видов, которые выполняются по графику с заданной последовательностью и периодичностью. По ГОСТ [7] в систему ППР входят три вида ремонта: текущий, средний и капитальный. Основным показателем долговечности машины являются назначенные ресурсы до ремонта и ТО каждого вида, которые включаются в эксплуатационную документацию изготовителем машин. Согласно методологии [13], каждый вид ремонта лимитируется ресурсами, т.е. наработками до предельно-допустимого состояния определенных элементов. Поскольку характеристики деградационных процессов имеют вероятностную природу, то для предотвращения отказов необходимо соблюдать гамма – процентные ресурсы. Эти принципы должны быть заложены в нормативы ремонта рассматриваемой машины при их создании путем проведения ресурсных и других испытаний. Для оценки фактической надежности при эксплуатации машины необходимо получать и анализировать ремонтную документацию и сведения об отказах.

Выше в документации WQS был показан корректный вариант анализа информации об электронной системе планшетного компьютера, выполняемые службами изготовителя при стратегии ремонта «по потребности» с применением экспоненциального распределения. В этом случае цель исследования заключалась не только в ремонте конкретного образца изделия, но и коррекции конструкции изделия этого типа на основании обработки накопленных сведений об отказах группы однотипных образцов.

Такой подход возможен и к RCM машин, если их ремонт выполняется сервисными службами фирм – изготовителей, имеющую общую информационную сеть, подобную системе TRIM. При этом информацию о дефектах (износах) деталей при ремонтах и об отказах машин в межремонтный период следует обрабатывать раздельно. Статистическая обработка сведений о фактических отказах выполняется для оценки показателей безотказности по указанным выше формулам. При возникновении особо опасных аварийных отказов должны определяться и устраняться их причины.

Вопрос о корректировки показателей долговечности, то есть плановых сроков ремонта машин, рекомендуется решать более корректно по методологии трудов [13,14] в зависимости от вида процесса деградации. Для примера рассмотрим методику, пригодную для совершенствования системы TRIM при условии контроля ТОиР по наработке до ремонтов, а не по календарному времени. Тогда критерием исправности рассматриваемого узла будет прогнозируемый ресурс R_i, который для каждого вида износа можно определить по формуле (5), где T₀ и h₀ – время и износ после окончания приработки, T_iи h_i – фактические наработки до измерения и размер, h_пр - норма предельно – допустимого размера, i – номер члена выборки при статистическом анализе.

Эту величину следует сравнивать с назначенным ресурсом до рассматриваемого вида ремонта R_н.При текущем контроле ремонтов конкретной машины ее техническое состояние можно считать нормальным, если для всех видов износов будет соблюдаться условие R_i ³ 0.9 R_н.

Коррекцию нормативных сроков ремонта следует выполнять путем получения выборок ресурсов R_i однотипных узлов достаточного объема и расчета с их помощью прогнозируемых гамма – процентных ресурсов R(g).

Суть методики расчета R(g) сводится к оценке параметров формы b и масштаба a соответствующего закона распределения по данным об эмпирическом распределении для выборки R_i. Обычно применяется закон распределения Вейбулла, для которого гамма – процентный ресурс рассчитывается по формуле (7).

где g - допустимая вероятность не достижения предельного состояния (например, 80% - для изнашивания, 90% - для кавитации, 95% - для усталостных разрушений и т.д.). При одновременном рассмотрении нескольких видов деградаций в расчет назначенного ресурса машины закладывается наименьшая величина R(g)_min.

Заключение. Предлагаемый подход к надежности машин рекомендуется применять для управления ТОиР, ориентированных на надежность, в дополнении к методам анализа структурной надежности электронных систем в стандартах о RCM.

Обстоятельная информация по этой проблеме будет изложена в новой монографии автора, которая готовиться к печати.

Литература

1. Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment. Logistics Technology Support. CARDEROCKDIV, NSWC-11 May 2011

2. http://www.ptc.com/products/windchill/quality/ Интернет- ресурс

3. http://www.trim.ru/ Интернет ресурс

4. http://www.kconsult-cis.ru/ Интернет ресурс

5. SAE JA1011 - Evaluation Criteria for Reliability-Centered Maintenance (RCM) Processes

6. SAE JA1012 - Guide to the Reliability-Centered Maintenance (RCM) Standard

7. ГОСТ 18322-78 Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения

8. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

9. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения.

10. ГОСТ Р 51901.12-2007 (МЭК 60812:2006) Менеджмент риска. Метод анализа видов и последствий отказов (FMEA)