ii. wybrane zagadnienia eksploatacji maszyn em/r.ii.pdf…łatwiej jest napisać, niż wdrożyć lub...
TRANSCRIPT
…łatwiej jest napisać, niż wdrożyć lub sprzedać…
II. WYBRANE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN
2.1. DESTRUKCJA STANU MASZYN
Procesy destrukcji systemów technicznych wpływające na bezpieczeństwo ruchu
wymuszają potrzebę nadzorowania zmian ich stanu technicznego [1,3,10,12,14,52,83,90,96].
Powszechnie obserwuje się wzrost zainteresowania problemami pozyskiwania informacji z
badań dla potrzeb nowoczesnego konstruowania, wytwarzania i eksploatacji maszyn. Wzrost
wymagań niezawodnościowych wraz z zastosowaniem wielu obiektów w nowych
dziedzinach życia (zarządzanie, medycyna) spowodował rozwój komputerowych urządzeń
diagnostycznych, umożliwiających detekcję i lokalizację uszkodzeń wraz z generowanymi
decyzjami eksploatacyjnymi, ustalanymi przy pomocy metod sztucznej inteligencji.
Do jakościowych miar stanu dynamicznego maszyny, czyli jej dynamiczności zalicza
się poziom amplitud drgań (rys.2.1) zarówno maszyn jako całości, jak również drgań
względnych poszczególnych elementów i części. Drgania całościowe maszyny można uznać
za objaw zewnętrzny, gdyż one są odpowiedzialne za poziom zakłóceń emitowanych w
otoczenie. Natomiast drgania względne rzutują na poziom amplitud naprężeń dynamicznych.
Z uwagi na istotny związek poziomu naprężeń dynamicznych z trwałością maszyny, dogodnie
jest przyjąć je za odrębną miarę dynamiczności [1,8,12,16,27,28,32,34,39,41,42].
Etap konstruowania
maszyn
DYNAMIKA
MASZYNY
Wskażniki
jakości
- duża trwalość
- duża niezawodność
- duża dokladność
- niski poziom zaklóceń
wewnętrznych
Warunki
uzyskania
MAŁE
DRGANIA
Rys.2.1. Dynamika a drgania maszyn
Dynamika jest nauką o tym, jak rzeczy zmieniają się w czasie i o siłach, które są
przyczyną tych zmian [12,15,52,69,82]. Celem studium dynamiki układu jest zrozumienie
zasad funkcjonowania, zmian stanu obciążeń dynamicznych i przewidywanie poprawnego
zachowania się układu. Wraz ze wzrostem wartości obciążeń, zwiększeniem wymagań
dotyczących trwałości i niezawodności rośnie znaczenie analizy dynamiki konstrukcji.
Analiza dynamiki układu składa się z następujących etapów [6,19,27,34,41]:
- etap I - dokładne określenie układu, jego istotnych cech i budowa modelu fizycznego,
którego własności dynamiczne będą w dostatecznym stopniu zgodne z własnościami
rzeczywistego obiektu;
- etap II – analityczny opis zjawisk dynamicznych odzwierciedlanych modelem
fizycznym, czyli znalezienie modelu matematycznego - równań różniczkowych
opisujących ruch modelu fizycznego;
- etap III - przestudiowanie własności dynamicznych modelu na podstawie rozwiązania
równań różniczkowych ruchu, ustalenie przewidywanego ruchu układu;
- etap IV - podjęcie decyzji projektowych, tj. przyjęcie fizycznych parametrów układu, z
modernizacją przystosowaną do oczekiwań. Synteza i optymalizacja prowadząca do
osiągnięcia wymaganych własności dynamicznych konstrukcji.
Przedstawiona procedura – rys.2.2 - opiera się na znajomości modelu układu, a
wnioski płynące z działań na modelach zależą od ich jakości. Budową modeli zajmuje się
identyfikacja, która utożsamia systemy rzeczywiste z ich modelami. W zależności od celu
prowadzonej analizy dynamicznej obiektu stawia się różne wymagania budowanym
modelom, a ich ocenę przeprowadza się różnymi metodami eksperymentalnymi.
Rzeczywistości techniczna to wynik analizy modeli, które ją mniej lub bardziej
poprawnie opisują. Proces, którego celem jest zbudowanie najlepszego modelu operacyjnego
(matematycznego lub empirycznego) nazywany jest procesem identyfikacji. Identyfikacja
może dotyczyć zarówno budowy modeli obiektu jak i odtworzenia stanu badanego obiektu, co
prowadzi wprost do problematyki diagnostyki technicznej.
Poprawki modelu fizycznego
UKŁAD Etap I Etap II Etap III WYJŚCIOWY MODELOWANIE PRZYJĘCIE STUDIUM
rzeczywisty FIZYCZNE RÓWNAŃ RUCHU WŁAŚCIWOŚCI RUCH
DYNAMICZNYCH UKŁADU
Warunki techniczne Etap IV DECYZJE
KONSTRUKCYJNE Rys.2.2. Etapy studium dynamiki układu
Proces identyfikacji diagnostycznej obejmuje [6,27,34,38,39,41]:
* modelowanie (symptomowe lub strukturalne),
* eksperyment identyfikacyjny (symulacyjny i/lub rzeczywisty),
* estymację parametrów diagnostycznych (cech stanu lub symptomów),
* wnioskowanie diagnostyczne.
Istniejące metody identyfikacji można podzielić na metody identyfikacji własności
statycznych i dynamicznych. Metody identyfikacji można podzielić ze względu na: rodzaj
identyfikowanego modelu, rodzaj eksperymentu, zastosowane kryterium identyfikacji, czy też
zastosowaną procedurę estymacji. W ogólności są to: metody analityczne, czasowe,
częstotliwościowe, korelacyjne, regresyjne, analizy czynnikowej i metody iteracyjne,
omówione w pracach szeregu autorów [6,9,10,29,34,35,39].
Dla obiektów prostych dobrym narzędziem oceny zmieniającego się ich stanu
dynamicznego są metody identyfikacji prostej, wykorzystujące widmo amplitudowo –
częstotliwościowe. Innym sposobem opisu i analizy stanu dynamicznego jest analiza
modalna, stosowana jako teoretyczna, eksperymentalna i eksploatacyjna analiza modalna.
Wykorzystuje ona częstości drgań własnych i postacie drgań do opisu zmieniającego się stanu
maszyn oraz służy do doskonalenia metody elementów skończonych.
Identyfikacja prosta
W większości zastosowań korzysta się z identyfikacji prostej, gdzie wyznacza się
zmiany wartości masy - m, sztywności - k, tłumienia - c, albo zmiany parametrów
charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych (widma). Do zadań identyfikacji prostej
należy [6,10,32]:
- wyznaczanie struktury modelu, czyli wartości i wzajemnych połączeń między elementami
masowymi (m), sprężystymi (k) i dyssypacyjnymi (c);
- wyznaczanie charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych układów lub tylko
pewnego zbioru ich parametrów.
W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o
kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody – rys.2.3. Badania transmitancji
układów o jednym stopniu swobody może polepszyć zrozumienie procesów drganiowych
zachodzących w maszynach, a także zrozumienie zmian zachodzących w tych procesach z
tytułu zmian wartości parametrów m, k, c.
Rys.2.3. Układ o jednym stopniu swobody jako najprostszy model obiektu mechanicznego
Opis drgań układu o jednym stopniu swobody przedstawiają równania:
)(...
tFcxxbxm (2.1)
)sin( tAx
)cos( tAdt
dxv )sin(2
2
2 tA
dt
dV
dt
xda
Wartość modułu transmitancji )(H wyznacza się z ilorazu amplitudy odpowiedzi na
wymuszenie harmoniczne do amplitudy tego wymuszenia. Faza transmitancji jest po prostu
opóźnieniem fazowym między wymuszeniem a odpowiedzią. Transmitancja własna siła –
przemieszczenie dla układu z rys.2.26 jest następująca [6,34]:
2222
0
0
)2()(
1)(
rr
xF
mF
xH
22
2tg
r
r (2.2)
Zatem postać transmitancji układu o jednym stopniu swobody określają całkowicie dwa
parametry: częstotliwość rezonansowa 2/m
kf r i stopień tłumienia
krc
c . Obydwa te
parametry są łatwo mierzalne: pierwszy z położenia piku rezonansowego rf na wymiarowej
osi częstotliwości, zaś drugi z wysokości piku rezonansowego, gdyż:
k
fHHrffr
2
1)(
stąd
200
st
rr
xHFx (2.3)
gdzie: k
Fxst
0 oznacza statyczne ugięcie sprężyny k pod działaniem siły F0.
Zmiana piku rezonansowego może być spowodowana tylko zmianą sztywności lub
masy w układzie, zaś zmiana wartości amplitudy rezonansowej drgań może wynikać ze
zmiany siły F0, sztywności k, lub stopnia tłumienia . Tak więc mierząc położenie
częstotliwości rezonansowej fr i wartość x0r można orzekać o zmianie albo stacjonarności
transmitancji układu, a tym samym o zachowaniu się parametrów fizycznych m, k, c samego
modelu obiektu.
W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o
kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody. Układ dyskretny w
odróżnieniu od ciągłego cechuje się punktowym rozkładem mas, sztywności tłumienia i
wymiary tych elementów nie odgrywają roli. Dla układów mających więzy sprężyste
ustalające ich położenie w przestrzeni, przyjmuje się zwykle liczbę stopni swobody równą
liczbie mas w układzie. Badania zmian transmitancji odzwierciedlającej własności
dynamiczne obiektu można przeprowadzić – rys.2.4 - trzema metodami [6,34]:
- za pomocą testu impulsowego (uderzenie młotkiem);
- za pomocą testu harmonicznego (sygnał z generatora);
- za pomocą testu przypadkowego (pobudzanie wielu rezonansów jednocześnie).
Przetwornik drgań
częstotliwość
amplituda
z
t. harmoniczny
t. impulsowy
t. przypadkowy
Wzmacniacz
mocy
Wzbudnik
Drgań
Badany
obiekt
Przetwornik siły
Filtr
Przedwzmacniacz Analizator
drgań
Rejestrator
Miernik
wartości
skutecznej
siły
A
Rys.2.4. Idea realizacji eksperymentów w identyfikacji prostej
Zmiany stanu (destrukcja elementów) opisywane sygnałem drganiowym
odzwierciedlają się w zmiennych wartościach poziomu (parametrów) drgań lub w zmianie
transmitancji od punktu uszkodzenia do punktu odbioru.
Identyfikacja złożona
Dla układów złożonych, często nieliniowych używa się dla potrzeb identyfikacji
złożonej analizy modalnej (teoretycznej, eksperymentalnej lub eksploatacyjnej). W wyniku
przeprowadzenia analizy modalnej otrzymuje się model modalny, który stanowi
uporządkowany zbiór częstości własnych, odpowiadających im współczynników tłumienia
oraz postaci drgań własnych. Na podstawie znajomości modelu modalnego można
przewidzieć reakcje obiektu na dowolne zaburzenie, zarówno w dziedzinie czasu, jak i
częstotliwości. Analiza modalna w diagnozowania stanu obiektów znajduje zastosowanie w
następujących obszarach [10,28]:
wyznaczanie wymuszeń działających na układ i ich widm częstotliwościowych na
podstawie parametrów modelu modalnego i zmierzonej odpowiedzi układu; badanie
podobieństwa charakterystyk częstotliwościowych: drganiowych i modalnych;
wyznaczenie parametrów modelu modalnego eksploatowanego obiektu i śledzenie ich
zmian w czasie eksploatacji;
dostrojenie, na bazie modelu modalnego, modelu elementów skończonych konstrukcji
w stanie zdatności oraz śledzenie zmian tego modelu w czasie eksploatacji; dostrojony
model elementów skończonych jest podstawą do modyfikacji konstrukcji.
Model modalny otrzymany w wyniku analizy modalnej jest opisany zbiorem częstości
własnych, postaci drgań oraz współczynników tłumienia. Odwzorowuje on zmiany stanu
dynamicznego reprezentowane przez zmiany masy, sztywności oraz tłumienia występujące w
równaniach opisujących stan dynamiczny.
Ocenę wpływu rozwijającego się uszkodzenia na parametry modelu modalnego można
oszacować stosując teorię wrażliwości do modelu strukturalnego bez tłumienia w postaci:
0
KxxM (2.4)
gdzie: M,K – macierze mas i sztywności,
x ,x – wektor przyśpieszeń i przemieszczeń.
W celu wyznaczenia parametrów modelu modalnego należy rozwiązać zagadnienie
własne w postaci:
}0{}{}{ iii MK (2.5)
gdzie: i -wartości własne, { i }-wektory własne.
Z powyższego równania wynika, że zmiana charakterystyk mechanicznych układu pociąga za
sobą zmianę jego charakterystyk własnych, co znane jest jako zagadnienie wrażliwości [68].
Po serii przekształceń (2.5) uzyskano, dla układu bez tłumienia, w efekcie końcowym
zależność:
i
T
i
i
i
T
i
i
i
p
Mf
p
K
fp
f
2}{}{
8
12
(2.6)
gdzie: pierwszy składnik opisuje wpływ zmian sztywności, a drugi efekt zmian masy układu.
Określane zmiany częstości własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian
sztywności lub masy, jak też zależą od miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.
W zastosowaniu klasycznej analizy modalnej do identyfikacji parametrów stanu
badanego obiektu w trakcie badań wyznacza się parametry modalne na podstawie pomiaru
charakterystyk częstościowych zmierzonych na obiekcie. W trakcie eksperymentu,
polegającego na sterowanym wymuszeniu drgań układu i pomiarze odpowiedzi w postaci
widma przyśpieszenia drgań, dokonuje się identyfikacji charakterystyk częstościowych
badanego układu.
W praktycznych zastosowaniach realizacji badań modalnych obiektów, parametry
modelu modalnego umożliwiają rozprzężenie równań opisujących drgania układu, a ich
wartości wyznacza się z zależności [13,28]:
irr
rRj
m2
1 ; rnrr mk 2 ; mrnrr mc 2 (2.7)
Wielkości te opisują własności układu związane z r - tą częstością własną i zmiany częstości
własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian sztywności lub masy, jak też zależą od
miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.
Znajomość zachowania się modelu w określonych sytuacjach pozwala na określenie
możliwych miejsc uszkodzeń oraz przeciwdziałanie im przez wprowadzanie modyfikacji:
masy (w jednym lub wszystkich kierunkach drgań układu), tłumienia oraz sztywności
(pomiędzy poszczególnymi punktami modelu). Tak widziane możliwości zastosowań
pozwalają wyróżnić następujące rodzaje analizy modalnej:
teoretyczną, która wymaga rozwiązania zagadnienia własnego dla przyjętego modelu
strukturalnego badanego obiektu,
eksperymentalną, wymagającą sterowanego eksperymentu identyfikacyjnego,
podczas którego wymusza się ruch obiektu (np. drgania) oraz dokonuje pomiaru
wymuszenia i pomiaru odpowiedzi (rys.2.5) w jednym lub w wielu punktach
pomiarowych, rozmieszczonych na badanym obiekcie,
Analizator APB 200
Obiekt
badań
Młotek PCB
Czujnik ICP
Typ
Rys.2.5. Idea realizacji eksperymentalnej analizy modalnej
eksploatacyjną, opierającą się na eksperymencie eksploatacyjnym, w którym
dokonuje się pomiarów tylko odpowiedzi układu w wielu punktach pomiarowych,
podczas gdy ruch obiektu spowodowany jest rzeczywistymi wymuszeniami
eksploatacyjnymi (rys.2.6).
Rys.2.6. Istota eksploatacyjnej analizy modalnej
Stosowana analiza modalna pozwala na rozwiązanie szeregu zagadnień, m.in.[28]:
- analiza modalna jest metodą rozwiązania zagadnienia własnego dla konstrukcji;
- analiza modalna jest metodą rozprzęgania układu równań ruchu,
- analiza modalna jest metodą identyfikacji własności dynamicznych obiektu,
- analiza modalna jest metodą dyskretyzacji konstrukcji o ciągłym rozkładzie parametrów,
- analiza modalna jest metodą redukcji modelu.
Przedstawione podejścia i uzyskane w teorii zależności [28,35,42] obrazują ruch
drgający obiektu (modelu) i opisujące go parametry procesu drganiowego, co pozwala na
zaniechanie trudnego opisu analitycznego (szczególnie dla wielu stopni swobody) i
zastąpienie go bezpośrednimi pomiarami drgań. Stan destrukcji obiektu można więc,
opisywać zamiennie, zamiast modelowania w kategoriach (m,k,c) stosować opis drganiowy w
kategoriach (a,v,x).
Procesy dynamiczne zachodzące w maszynach są szczególnie istotne przy ocenie
stanu wyjściowego, ale też są decydujące w degradacji stanu maszyn w eksploatacji.
Dynamika staje się więc podstawą diagnostyki technicznej umożliwiającej opis i badania
rozwoju uszkodzeń odzwierciedlających zmiany stanu maszyn w eksploatacji.
Zmiany stanu maszyn
Uszkodzenie jest jednym z istotnych zdarzeń występujących w procesie użytkowania
maszyn, determinującym niezawodność maszyn, efektywność ich wykorzystania, proces
obsługiwań technicznych, a także zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Najogólniej,
pojęcie uszkodzenia maszyny zdefiniować można jako zdarzenie polegające na przejściu
maszyny (zespołu, elementu) ze stanu zdatności do stanu niezdatności. Przez stan zdatności
rozumie się taki stan maszyny, w którym spełnia ona wyznaczone funkcje i zachowuje
parametry, określone w dokumentacji technicznej. Natomiast przez stan niezdatności rozumie
się stan maszyny, w którym nie spełnia ona chociażby jednego z wymagań, określonych w
dokumentacji technicznej.
Na skutek oddziaływania otoczenia oraz realizacji przez obiekt stawianych mu zadań
początkowe własności obiektu mogą ulegać zmianie, co odzwierciedli się w zmianie wartości
początkowych cech mierzalnych oraz ewentualnie w zmianie stanu cech niemierzalnych.
Uszkodzenia maszyn – rys.2.7 - w toku eksploatacji mogą zachodzić w następujący sposób:
- wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych;
- w wyniku pojawienia się procesów odwracalnych o różnej intensywności przebiegu,
wywołanych przez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartości jednego lub więcej
czynników wymuszających;
- w sposób skokowy, objawiający się nieciągłym przejściem jednej lub więcej cech poza
granice przyjęte za dopuszczalne dla danej maszyny.
Uwzględniając dotychczasowe rozważania można wskazać na główne przyczyny
powstawania uszkodzeń, które klasyfikuje się następująco:
a) konstrukcyjne — uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruowania
obiektu, najczęściej przy nie uwzględnieniu obciążeń ekstremalnych, tzn. wartości, które w
istotny sposób przekraczają obciążenia nominalne, prowadząc wprost do uszkodzeń;
b) produkcyjne (technologiczne) — uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedokładności
procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkości powierzchni, obróbki
termicznej itp.) lub wad materiałów elementów obiektu;
c) eksploatacyjne — uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowiązujących
zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływań czynników zewnętrznych nieprzewidzianych
dla warunków użytkowania danego obiektu, co prowadzi do osłabienia i przedwczesnego
zużycia i osiągnięć stanu granicznego;
d) starzeniowe i zużyciowe — zawsze towarzyszące eksploatacji obiektów i będące
rezultatem nieodwracalnych zmian, prowadzących do pogorszenia wytrzymałości i zdolności
współdziałania poszczególnych elementów.
Rys.2.7. Jedna z możliwych klasyfikacji uszkodzeń
Uszkodzenie lub zniszczenie obiektu technicznego następuje pod wpływem
przenoszonej przez niego energii. Zależnie od tego, jaki rodzaj energii dominuje w danych
warunkach, przyczyny uszkodzeń elementów można podzielić na następujące grupy:
a) mechaniczne — naprężenia statyczne, pełzanie, zmęczenie, pitting, zużycie cierne;
b) chemiczne — korozja metali, starzenie gumy, farb, izolacji, butwienie drewna;
c) elektryczne — elektrokorozja;
d) cieplne — nadtapianie, intensyfikacja przebiegu zjawisk.
Klasyfikacja uszkodzeń
Dla poprawnego scharakteryzowania zmian własności i zjawisk je powodujących
zachodzących w maszynach podczas ich funkcjonowania, a szczególnie zjawisk
prowadzących do powstawania uszkodzeń potrzebne są wiarygodne dane o funkcjach
roboczych poszczególnych zespołów i warunkach ich pracy, co wiąże się z potrzebą
klasyfikacji urządzeń.
W urządzeniach technicznych można wyróżnić:
* elementy aktywne, które bezpośrednio uczestniczą w przemianie energii, przekazywaniu
mocy, przetwarzaniu ruchów roboczych na inne ich rodzaje, przenoszeniu obciążeń, itp.;
* elementy bazowe, które ustalają prawidłowe rozmieszczenie elementów aktywnych oraz
elementów wspomagających, np. korpusy, prowadnice, ramy;
* elementy wspomagające, które zabezpieczają urządzenia od przeciążeń lub przekroczenia
stanów granicznych.
Sprecyzowanie funkcji użytkowych oraz przeprowadzenie klasyfikacji cech
(własności) obiektu jest możliwe metodami diagnostyki technicznej. Najczęściej stosowany
jest następujący podział cech:
* cechy krytyczne, decydujące o stopniu zagrożenia dla życia lub zdrowia ludzkiego,
zagrożeniu środowiska, zagrożeniu układów współpracujących oraz całkowitej utracie
wartości użytkowej obiektu (wyrobu), podlegające monitorowaniu;
* cechy ważne, posiadające istotne znaczenie dla oceny stanu (przydatności) obiektu,
określające zagrożenia dla konstrukcji, zmieniające się odwracalnie w czasie eksploatacji;
* cechy małoważne, powodujące nieistotne i odwracalne zmniejszanie efektywności
funkcjonowania obiektu.
Przedstawione cechy ze względu na metodę oceny można podzielić na:
* cechy mierzalne, dające się zmierzyć i określić ich wartość nominalną i graniczną;
* cechy niemierzalne, których ocenę dokonuje się jedynie organoleptycznie.
Ocena cech krytycznych jest prowadzona najczęściej w formie monitorowania w
odniesieniu do każdej z nich osobno i stanowi podstawę do wyłączenia obiektu z eksploatacji,
przy nie spełnieniu wymagań którejkolwiek z cech. Wartości nominalne oraz graniczne dla
tych cech są określane przez odpowiednie normy, lub są określane przez użytkownika.
Cechy ważne są podstawą oceny aktualnego stanu badanego obiektu i wytyczają
zakres i potrzeby czynności obsługowych i naprawczych.
Uszkodzenia w zależności od charakteru pojawienia się, można podzielić na [11]:
* pierwotne (niezależne), których pojawienie się nie było wywołane innym uszkodzeninn,
* wtórne (zależne), jeżeli uszkodzenie jednego urządzenia zostało spowodowane
wysląpicnicm uszkodzenia w innym urządzeniu,
* łączne, czyli uszkodzenia różnych elementów urządzenia występujące jednocześnie,
* pojedyncze, gdy pojawiają się oddzielnie,
* stopniowe, czyli powstające w rezultacie zmian w czasie parametrów uszkodzenia,
* nagłe, charakteryzujące się skokową, niedopuszczalną zmianą wartości cech elementów.
Z punktu widzenia przyczyn, uszkodzenia można podzielić na:
* przypadkowe, o stałym ryzyku wystąpienia w procesie eksploatacji; uszkodzeniom takim
podlegają elementy, których stan techniczny nie zależy od czasu funkcjonowania,
* spowodowane błędami wytwarzania i obsługi o gasnącym ryzyku występowania w procesie
eksploatacji; występują one najczęściej w początkowym okresie eksploatacji,
* spowodowane procesami zużycia i starzenia się elementów, o rosnącym ryzyku
występowania w procesie eksploatacji; występują one przede wszystkim w końcowym
okresie eksploatacji,
* spowodowane nieprzestrzeganiem założonych warunków eksploatacji, na przykład
przeciążeniami różnej natury; rozkład tych uszkodzeni w czasie jest na ogół nieznany;
przyjmuje się najczęściej stałe ryzyko ich występowania w procesie eksploatacji.
Przeciwdziałanie uszkodzeniom Zmniejszanie destrukcyjnego wpływu starzenia fizycznego i zużywania się obiektów
mechanicznych jest konieczne we wszystkich fazach istnienia obiektów. Wymierne efekty
zmniejszania liczby uszkodzeń obiektów technicznych można kształtować:
* w dziedzinie konstrukcji - przez należyty dobór materiałów i ich kształtów do obciążeń,
kształtowanie nacisków jednostkowych, dobór materiałów i tworzyw na pary trące,
wyeliminowanie tarcia suchego, szerokie stosowanie odpowiednich uszczelnień, zapewnienie
odpowiedniej temperatury;
* w dziedzinie technologii - przez wybór optymalnego rodzaju obróbki, kształtowanie
optymalnej warstwy wierzchniej, wybór właściwej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,
prawidłowy montaż i regulacje;
* w dziedzinie eksploatacji - poprzez przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności
obsługowych (smarowanie, regulacje, ochrona przed korozją), unikanie przeciążeń i
gwałtownych zmian prędkości, monitorowanie stanu.
Ogólnie więc metodyka przeciwdziałania uszkodzeniom maszyn pozwala wyróżnić
dwie grupy metod postępowania:
* metody przedeksploatacyjne, stosowane w fazie opracowywania (wartościowania),
konstruowania i produkcji maszyn, z wyraźnym zaznaczeniem, że są one najbardziej
efektywne z punktu widzenia ekonomicznego;
* metody eksploatacyjne, stosowane podczas eksploatacji nawet wówczas, gdy takich metod
nie przewidziano w procesie opracowywania.
Na etapie konstruowania określane są cechy elementów maszyn poprzez ustalenie ich
kształtów i wymiarów materiałów, z których będą wykonane, tolerancji, gładkości
powierzchni i sposobu dokładności ich wzajemnego połączenia. W dokumentacji
konstrukcyjnej podaje się również wymagania dotyczące trwałości materiału, rodzaju
struktury geometrycznej powierzchni, a także niekiedy sposób obróbki elementu.
Przy projektowaniu maszyn należy pamiętać o zmniejszeniu do minimum
niebezpieczeństwa wywołania uszkodzeń przez obsługę. Upraszczanie, typizacja i
normalizacja części i układów mechanicznych prowadzi nie tylko do uzyskania właściwej
niezawodności, ale także obniża koszty i upraszcza konstrukcję.
Do eksploatacyjnych metod przeciwdziałania uszkodzeniom można zaliczyć:
- racjonalną eksploatację maszyn w zadanych warunkach i określonym przeznaczeniu;
- badanie stanu i monitorowanie rozwijających się uszkodzeń metodami diagnostyki;
- przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności obsługiwań technicznych;
- badania statystyczne uszkodzeń w eksploatacji dla potrzeb typowania słabych ogniw,
modernizacji maszyn, racjonalizacji gospodarki częściami zamiennymi itp.
Niewłaściwa eksploatacja powoduje intensywne oddziaływanie procesów zużyciowych,
prowadzących do przedwczesnych uszkodzeń i zagrożeń bezpieczeństwa, co uzasadnia
potrzebę powszechnych zastosowań badań diagnostycznych.
Diagnostyka w ocenie rozwoju uszkodzeń
Metody i środki diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania stanu
systemów technicznych (rys.2.8), co jest podstawą podejmowanych decyzji eksploatacyjnych
[6,8,12,19,27,42]. Diagnostyka techniczna obejmuje następujące formy działania:
1. ocenę stanu aktualnego,
2. genezowanie stanu – najsłabiej rozpoznane,
3. prognozowanie stanu.
Rys.2.8. Modelowe przedstawienie możliwości diagnozowania maszyn
Te formy działania realizowane są przez inteligentne systemy diagnostyczne (mobilny
softwer i hardwer, z pętlą samouczenia i oceną ryzyka).
W badaniach stanu obiektów posługujemy się modelami: fizycznymi lub
symbolicznymi, które są przedstawieniem fizycznym lub myślowym badanego oryginału.
Modelowanie dla potrzeb diagnostyki obejmuje modelowanie fizyczne, matematyczne
i energetycze, co daje podstawy: diagnostyki symptomowej, holistycznej i energetycznej.
Problemy główne diagnostyki maszyn obejmują:
* pozyskiwanie i przetwarzanie informacji diagnostycznej;
* budowę modeli i relacji diagnostycznych;
* wnioskowanie diagnostyczne i wartości graniczne;
* klasyfikację stanów maszyny;
* przewidywanie czasu kolejnego diagnozowania;
* obrazowanie informacji decyzyjnych.
Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań w zakresie metod i
metodologii kształtowania i podtrzymywania jakości degradacji stanu maszyn, który jest
uwarunkowany dynamicznym rozwojem następujących zagadnień :
- modelowania obiektów, (strukturalne, symptomowe, energetyczne),
- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,
- podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty),
- budowy ekonomicznych i dokładnych środków badania,
- możliwości eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny,
- metod oceny efektywności zastosowań metod badawczych,
- metodologii projektowania i wdrażania układów pomiarowych,
- metod sztucznej inteligencji w badaniach.
Sygnały diagnostyczne
Fizyka zjawisk towarzyszących pracy maszyny oparta na modelu generacji sygnałów
(rys.2.9) jest podstawą dobrej diagnostyki i opiera się na znajomości opisu dynamiki
maszyny, co ułatwia łagodne przejście do obszaru diagnostyki (MEB, MES, MSES, AM). napęd
u x y T 2T
T T 2T
t t t
T - okresowa
transformacja Układ
kinematyczna dynamiczny
i(t,,r) x(t,)=iri h(t,,r) y=hiri
Rys.2.9. Model generacji sygnału drganiowego [6,10,34]
Sposób interpretacji przedstawionego na rys.2.9 modelu dla =const (przy pominięciu
sprzężeń zużyciowych) można przedstawić następująco. Sygnał pierwotny i(t,,r) jest
pierwotnym i - tym zdarzeniem elementarnym, którego postać determinuje konstrukcja i stan
eksploatacyjny maszyny. Dzięki T - okresowemu napędowi jest on przekształcony w ciąg
zdarzeń elementarnych opisanych jako sygnał (proces) x(t,,r). Ten proces dynamiczny
przechodząc przez strukturę (korpus) maszyny daje w efekcie w punkcie odbioru sygnału
nowy ciąg zdarzeń, przekształcony na własnościach przestrzennych, który jest nowym
sygnałem diagnostycznym y(t,,r). Stopień uporządkowania tego sygnału jako ciągu zdarzeń,
może być podstawą do utworzenia metody diagnostycznej. Miary tego uporządkowania mogą
być różne, lecz muszą być one zawsze oparte na badaniu podobieństwa między
poszczególnymi zdarzeniami (i=1,2,...). Mogą one dotyczyć czasu występowania określonego
fragmentu zdarzenia, czasu jego trwania, amplitudy itp.
Przedstawiony sposób interpretacji sygnału diagnostycznego y(t,,r) jest w ogólnym
przypadku maszyn o działaniu okresowym prawdziwy, lecz nie zawsze tak prosty. W wielu
przypadkach dla maszyn złożonych mamy dużą ilość ciągów zdarzeń elementarnych, przy
czym nie muszą mieć one wspólnego okresu T, lecz zawsze będą w liniowej zależności od
pewnego okresu podstawowego.
Wybór parametrów diagnostycznych
Zbiór parametrów diagnostycznych sygnału wyróżnia się ze zbioru parametrów
wyjściowych, towarzyszących pracy maszyny. Wyznaczanie zbioru wrażliwych
uszkodzeniowo parametrów diagnostycznych powinno uwzględniać:
zdolność odwzorowania zmian stanu w czasie eksploatacji,
ilość informacji o stanie technicznym przekładni,
wrażliwość wartości parametrów w czasie eksploatacji.
Metody wyznaczania symptomów diagnostycznych są następujące:
metoda maksymalnej wrażliwości parametru na zmianę stanu technicznego,
metoda maksymalnej względnej zmiany parametru diagnostycznego,
metoda maksymalnej pojemności informacyjnej parametru diagnostycznego,
metoda maksymalnej zmienności parametru diagnostycznego.
Zaletą powyższych metod jest to, że pozwalają wybrać ze zbioru parametrów
wyjściowych jednoelementowe, jak i wieloelementowe zbiory parametrów diagnostycznych.
Kryteria optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych:
1. Parametry diagnostyczne powinny charakteryzować proces destrukcji obiektu i być z nim
ściśle związane.
2. Parametry diagnostyczne powinny być wrażliwe na zmiany zachodzącego procesu
pogarszania się zdatności obiektu.
3. Liczba parametrów diagnostycznych nie może być zbyt duża, gdyż znaczna ich liczba
utrudnia, a niekiedy uniemożliwia poznanie procesu pogarszania się stanu obiektu.
4. Parametry diagnostyczne powinny mieć charakter mierzalny.
5. Muszą istnieć wiarygodne dane statystyczne i analityczne wyróżnianych parametrów
(BEDIND, SVD, PCA).
System diagnostyczny jest to zbiór elementów i relacji, które są niezbędne do realizacji
procesu diagnozowania. Ponieważ na proces ten składa się szereg działań, w wyniku
których informacja o właściwościach obiektu zostaje przetworzona na informacje o jego
stanie, zatem postać systemu diagnostycznego jest uzależniona od rodzaju obiektu i działań
diagnostycznych niezbędnych do wypracowania diagnoz.
Szczegółowa definicja systemu diagnostycznego istnieje w postaci:
„ SYSTEM DIAGNOSTYCZNY to zespół diagnostów, zbiór metod i środków uzyskiwania,
przetwarzania, prezentacji i gromadzenia informacji oraz zbiór obiektów, ich modeli i
algorytmów diagnozowania, prognozowania i genezowania stanów, a także relacji między
tymi elementami, przeznaczony do podejmowania wiarygodnych decyzji o przynależności
badanego obiektu do określonej klasy stanów”.
Struktura systemu diagnostycznego zaproponowana na rys.2.10 ukazuje podstawowe
powiązania pomiędzy obiektem badań, jego modelem diagnostycznym, a układem
rozpoznania stanu i decyzji.
Uporządkowanie struktury systemu wyrażane jest za pomocą zbioru relacji i dotyczy
wybranych właściwości jego elementów, w wyniku czego wyróżnia się rozmaite struktury,
np.: struktura organizacyjna, ekonomiczna, technologiczna itp. Systemy diagnostyczne należą
do klasy systemów informatycznych i wyróżniają się tym, że:
celem ich działania jest określanie stanu innych obiektów (lub systemów), w zasadzie bez
wpływania na zmianę tego stanu,
cel ten, to opracowanie diagnozy, możliwej do uzyskania przez przetwarzanie informacji o
właściwościach obiektu na informację o jego stanie.
Z tych względów główną uwagę należy poświęcić informacyjnej strukturze systemu
diagnostycznego oraz projektować go, optymalizować i oceniać ze względu na obieg
informacji. Różna postać składowych elementów i różne ich wykorzystanie w systemie
stwarza możliwość tworzenia systemów diagnostycznych o różnych strukturach oraz
zróżnicowanym stopniu ich automatyzacji.
A. Niezautomatyzowany system diagnostyczny obejmuje człowieka (lub zespół ludzi);
który wykonuje wszystkie czynności, korzystając z przyrządów pomiarowych, instrukcji
dotyczących metod zbierania i przetwarzania informacji o badanym obiekcie oraz
wypracowuje diagnozę, którą w razie potrzeby rejestruje (np. w protokole). System taki
obejmuje przyrząd pomiarowy, diagnostę i instrukcję z danymi. Z takimi systemami
diagnostycznymi spotykamy się jeszcze stosunkowo często w praktyce przemysłowej.
B. Zautomatyzowany system diagnostyczny wykorzystuje układ urządzeń technicznych,
które realizują proces diagnozowania zgodnie z zadanym programem. Udział człowieka jest
znikomy, najczęściej sprowadza się do włączenia systemu. Automatyczne systemy
diagnostyczne objęte są zwykle samokontrolą, a zaistnienie uszkodzenia jest sygnalizowane.
Mogą być wówczas włączane elementy rezerwowe lub kontrolowany obiekt wyłączany jest z
ruchu. Poszczególne wyniki kontroli lub tylko wyniki wykraczające poza zadane granice są
rejestrowane automatycznie.
Rys.2.10. Struktura systemu diagnostycznego
Monitorowanie stanu maszyn, w aspekcie niezawodności funkcjonalnej (traktowanej
jako zdolność maszyny do wykonania zadania) jak i w sensie diagnostyki technicznej
(rozpoznawanie przyczyn zaistniałych uszkodzeń) występuje na poziomie utrzymania maszyn
w ruchu. Praktyka zastosowań diagnostyki obejmuje wiele ważnych obszarów, takich jak:
1. Organizacja systemu diagnostycznego (DSEM).
2. Zarządzanie i systemy jakości (TQM, TPM, QFD, FMEA).
3. Nowoczesne technologie informatyczne (ISZOT).
4. Modelowanie systemów eksploatacji z diagnostyką i oceną ryzyka.
W praktyce funkcjonowania przedsiębiorstw problemy eksploatacji i diagnostyki
wkomponowane są w struktury organizacyjne – rys.2.11, w których znacząca rolę odgrywa
zespół diagnostyki zakładu.
N maszyn (N > m) bądź obserwacji S > m niezależnych dyskryminant
tej samej maszyny w kolejnych lub symptomów sygnału
stanach eksploatacyjnych diagnostycznego
m - rozróżnialnych uszkodzeń poszukiwanie niezależnych
o różnej intensywności symptomów
obiekt
diagnostyki
i jego
model
decyzja o decyzja o
klasie stanie
jakości obiektu
układ rozpoznania
stanu i
decyzji
Model stanu
obiektu badań.
Model obserwacji
diagnostycznej.
Algorytmy klasyfikacji
obiektów.
Układ
decyzyjny.
zadane lub
nieznane
kryterium
jakości
wzorzec
dopuszczal-
nych
stanów
MASZYNY Dane niezawodnościowe Dane niezawodnościowe Pozyskiwanie i przwtwarzanie Utrzymanie informacji o maszynach, Obciążenie produkcyjne ruchu wyrobach rynku
Postęp techn. Główny mechanik trwałość MARKETING
Niezawodność maszyn Serwis Szanse - zagrożenia
- Zmiany po trzeb rynku Terminy , zakres - Jakość wy robów obsługiwań technicznych - Ilość wyro bów i napraw
Aktywizacja informacji
ZESPÓŁ DIAGNOSTYKI
Generuje informacje i decyzje
Koszty awarii, napraw i przestojów
Decyzje dopuszczenia DZIAŁ FINANSOWY do ruchu SZEF PRODUKCJI
Optym. zespołu i prac Możliwość Efekt. plan. produkcji obciążania
Rys.2.11. Powiązania informacyjne zespołu diagnostyki w zakładzie
Funkcje podsystemu eksploatacji realizowane przez służby utrzymania ruchu, w tym
też przez zespół diagnostyki, można określić jako następujące zadania:
- prowadzi klasyfikację i ewidencję wszystkich środków trwałych,
- proponuje wskaźniki techniczno-ekonomiczne gospodarki środkami trwałymi,
- nadzoruje eksploatację środków trwałych,
- analizuje dane z monitoringu i podejmuje decyzje,
- wnioskuje likwidację środków trwałych,
- planuje, nadzoruje i realizuje wszystkie rodzaje przeglądów, konserwacji i napraw.
Najnowsze tematy diagnostyki technicznej prężnie rozwijane to:
1. nowoczesne metody przetwarzania sygnałów;
2. wielowymiarowa diagnostyka maszyn;
3. analiza numeryczna i metody synchroniczne;
4. diagnostyka energetyczna;
5. diagnostyka przez identyfikację;
6. diagnostyka wg modelu;
7. elementy sztucznej inteligencji w diagnostyce;
8. nowoczesne technologie informatyczne w diagnostyce;
9. projektowanie komputerowych systemów diagnostycznych;
10. inteligentny agent diagnostyczny.
2.2. PROCESY EKSPLOATOWANIA
Rozwijająca się dynamicznie dyscyplina wiedzy dotycząca eksploatacji maszyn
budowana jest na podstawach wielu nauk, do których jako główne zaliczamy: teorię
eksploatacji, niezawodność, tribologię, diagnostykę techniczną i bezpieczeństwo.
Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a
w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwań technicznych maszyn. Z
definicji eksploatacji postrzeganej wśród innych nauk (rys.2.12), wypływa zakres
oczekiwanych, merytorycznych umiejętności, które można przedstawić jako [6,15,69,96]:
fizyka techniczna ogólna teoria działania
TRIBOLOGIA BEZPIECZEŃSTWO
procesy tarcia i zużycia zagrożenia, ryzyko
modelowanie DIAGNOSTYKA geneza
identyfikacja TECHNICZNA ocena stanu
symulacja prognoza
ogólna teoria urządzenia ogólna teoria działania
NIEZAWODNOŚĆ EKSPLOATACJA
teoria systemów prakseologia
Rys. 2.12. Struktura powiązań nauki o eksploatacji z innymi
a) kierowanie eksploatacją, a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz
dobieranie, motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;
b) formułowanie zadań projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy,
dotyczących obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji;
c) projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie
warunków eksploatacji optymalnej;
d) identyfikowanie stanów technicznych maszyn i stanów ich systemów eksploatacji;
e) identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich wartości;
f) określanie, wyznaczanie i ocenianie sprawności systemu eksploatacji;
g) określanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;
h) dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.
Ta charakterystyka umiejętności w zakresie inżynierii eksploatacji określa zadania
teorii eksploatacji, która winna wypracowywać i doskonalić następujące metodyki:
a) projektowania i organizowania systemów eksploatacji;
b) analizy ryzyka i szans przedsięwzięć eksploatacyjnych;
c) planowania strategicznego eksploatacji;
d) kierowania eksploatacją i sterowania procesami eksploatacji;
e) analizy ekonomicznej eksploatacji;
f) badań eksploatacyjnych;
g) opracowywania treści i technik instrukcji eksploatacyjnych;
h) motywowania eksploatatorów.
Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajdująca ostatnio swoje miejsce w
systemie logistycznym, ma strukturę wielowarstwową (hierarchiczną), do której analizy
niezbędne są metody wypracowywane przez ogólną teorię systemów.
Do podstawowych praw rządzących eksploatacją maszyn należy zaliczyć:
a) każde urządzenie techniczne jest obiektem eksploatacji i służy człowiekowi;
b) do realizacji określonego celu;
c) system eksploatacji składa się z podsystemu użytkowania i obsługiwań technicznych;
d) nie ma obiektu eksploatacji, którego nie można byłoby użytkować;
e) nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;
f) obiekt eksploatacji zużywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;
g) obsługiwany obiekt odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga nakładów;
h) proces eksploatacji obiektu jest realizowany w określonym przedziale czasu.
W ocenie działania systemów eksploatacji wykorzystuje się następujące własności:
a) efektywność: utożsamiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w określonym czasie, w
sensie zamierzonego celu;
b) gotowość: wyrażająca możliwość działania eksploatowanych obiektów, w tym również
systemu jako całości, w danej chwili czasu;
c) wydajność: utożsamiana z intensywnością realizacji zadań;
d) skuteczność: własność osiągania stanów wyróżnionych w zbiorze stanów możliwych;
e) sprawność: znajdowanie się systemu w stanach określonych przez system nadrzędny;
f) ekonomiczność: własność wyrażająca relacje między wartością uzyskanych efektów a
wielkością nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;
g) niezawodność: wyrażająca stopień zaufania, że spełnione zostanie wymagane działanie.
W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem
użytkowania i nieodłącznie z nim związany podsystem obsługiwań technicznych - rys.2.13.
W podsystemie użytkowania znajdują się tylko maszyny zdatne i mogą one być użytkowane
intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekująco, kiedy trwa postój na
zapotrzebowanie do użycia. Każda niezdatność powoduje przejście maszyny do podsystemu
obsługiwań technicznych. W tym podsystemie wyróżnia się podsystemy:
Rys.2.13. Struktura systemu eksploatacji
1. zabiegów profilaktycznych; obsługiwanie w dniu użytkowania (OU), obsługiwanie
po określonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie
powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzające (OP), okresu docierania (OD) itd.,
2. rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoznanie
i pomoc techniczna (PT),
3. napraw; naprawa bieżąca (NB), naprawa średnia (NS), naprawa główna (NG),
naprawa poawaryjna (NA) itd.,
4. konserwacji; krótkoterminowa (KK), średnioterminowa (KS), długoterminowa (KD).
Zadaniem podsystemu obsługiwań technicznych jest usunięcie niezdatności lub
wykonanie niezbędnie koniecznych czynności obsługowych (zalecanych przez wytwórcę).
Kierownictwo zakładu, prowadzi politykę eksploatacyjną polegającą na sterowaniu
stanem zdatności maszyn w taki sposób, by uzyskiwać optymalne efekty. Najczęściej
stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma
uogólnionych nakładów na użytkowanie i obsługiwanie.
Niezawodność
Teoria niezawodności zajmuje się metodami syntezy i analizy oraz badań
niezawodności maszyn na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.
Niezawodność to zespół właściwości, które opisują gotowość maszyny i wpływające
na nią: nieuszkadzalność, obsługiwalność i zapewnienie środków obsługi.
Definicja ta jest odpowiednikiem często jeszcze przywoływanej normy, gdzie:
„niezawodność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do wykonywania
określonych funkcji, w określonych warunkach i w określonym przedziale czasu”. Termin
ten oznaczał właściwość kompleksową, obejmującą takie właściwości, jak: nieuszkadzalność,
trwałość, naprawialność i przechowywalność.
Rozwiązanie problemów niezawodności maszyn sprowadza się do:
* opracowania sformalizowanych modeli oceny ich niezawodności;
* ustalenia optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych;
* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;
* prognozowania niezawodności pojazdów w trakcie ich eksploatacji;
* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodności.
Kształtowanie niezawodności maszyn jest możliwe poprzez:
a) uwzględnienie trwałości i niezawodności maszyn w konstruowaniu i technologii
wytwarzania;
b) wdrożenie programów i metod badań eksploatacyjnych trwałości i niezawodności
maszyn oraz ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;
c) wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwałości i
niezawodności maszyn.
Realizacja tych celów winna doprowadzić do zwiększenia efektywności maszyn, ich
gotowości i zdolności produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów
użytkowania, obsługiwań technicznych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.
Teoria i badania niezawodności maszyn muszą przy tym dotyczyć projektowania –
wytwarzania - eksploatacji, połączonych funkcjonalnie z kreowaniem potrzeby.
Tribologia
Tribologia jest nauką o tarciu i procesach mu towarzyszącychu. Zajmuje się opisem
zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych,
biologicznych i innych w obszarach tarcia. Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a
mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz
smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje się tribotechnika.
Do podstawowych zagadnień, którymi zajmuje się tribologia należą:
a) fizyka, chemia i metaloznawstwo działających na siebie nawzajem obszarów tarcia,
znajdujących się w ruchu względnym;
b) smarowanie płynne, np. hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne;
c) tarcie mieszane ciał stałych;
d) smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej, itp.;
e) badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni maszyn;
f) własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;
g) własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych,
gazowych i stałych;
h) badania nad zastosowaniem substancji smarujących;
i) zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.
Wymiana energii materii pomiędzy węzłem tarcia i otaczającym środowiskiem oraz
wewnętrzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowadzi
do tworzenia warstewki chroniącej powierzchnie tarcia przed zużyciem.
Diagnostyka techniczna
Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy diagnostyka
techniczna - zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn poprzez badanie własności
procesów roboczych i towarzyszących pracy maszyny, a także poprzez badanie własności
wytworów maszyny.
Istota diagnostyki technicznej polega na określaniu stanu maszyny (zespołu,
podzespołu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, w oparciu o pomiar generowanych
sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartościami nominalnymi.
Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z
diagnozowaną cechą stanu maszyn, charakteryzującą jego stan techniczny. Najszersze
oddziaływanie na ograniczenie stanu destrukcji maszyny występuje podczas jej eksploatacji,
przy wykorzystaniu metod diagnostyki technicznej.
Do podstawowych form badań diagnostycznych dla podsystemu użytkowania należy
dozorowanie stanu zdatnego maszyny, diagnozowanie ogólne, szczegółowe i prognozowanie
stanu. Efektem opracowania procesu diagnozowania dla okresu eksploatacji maszyny są
zwykle odpowiednie rozdziały w instrukcjach użytkowania i obsługiwania.
Opracowując instrukcję należy dążyć do minimalizacji liczby badanych wielkości i
poszukiwać parametru uogólnionego. Takie podejście jest niezbędne, gdy użytkownik nie
posiada dostatecznych kwalifikacji do prowadzenia diagnozowania i obsługiwania obiektu. W
instrukcjach obsługi diagnozowanie zajmuje coraz więcej miejsca i obejmuje przepisy
dotyczące postępowania po wykonaniu działań diagnostycznych, przy lokalizacji uszkodzeń,
w czasie badań okresowych, przy pracach profilaktycznych i przy diagnozowaniu
użytkowym. Programy diagnostyczne związane z obsługiwaniem pojazdu opracowywane są
tak, by uzyskiwane diagnozy były maksymalnie wiarygodne.
Diagnostyka techniczna, jak każda dziedzina wiedzy ma swe źródła, paradygmaty i
metodologię. Zagadnienia te doczekały się już szczegółowych opracowań, pozwalających
precyzyjnie formułować podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.
Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki warunkujące
racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują :
1. fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne,
warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),
2. metodologiczne podstawy badań diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele
diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techniki
wnioskowania, sposoby prezentacji diagnoz),
3. komputerowa obsługa zadań diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie
eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja
wymiarowości, estymacja modeli),
4. techniczne metody kontroli stanu pojazdów szynowych, (metodyki, metody, środki -
od najprostszych do systemów doradczych),
5. rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia pojazdów szynowych, (projektowanie
układów diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk
użytkowych, wartości graniczne, sterowanie eksploatacją),
6. przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki wartości, modele
decyzyjne, wskaźniki efektywności, rachunek optymalizacyjny),
7. kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy
kształcenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).
Są to więc grupy podstawowych problemów z różnych dyscyplin podstawowych i
stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki technicznej.
Badania nieniszczące
Uwzględniając specyfikę starzenia i zużyć w badaniach rozwijających się uszkodzeń
znajdują zastosowanie badania nieniszczące, stosowane na etapie rozwoju wad
materiałowych, co wyróżnia je od badań diagnostycznych, stosowanych na etapie
funkcjonowania maszyn. Celem badań nieniszczących jest: wykrycie wad, ich opis i ocena,
rejestracja, dokumentacja i pomiar użytkowych własności materiału. Dzięki badaniom
nieniszczącym możliwa jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia
maszyn. Stanowi to podstawę opracowywanych prognoz bezpiecznej ich eksploatacji, oceny
narastania ryzyka nagłego pęknięcia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy [67].
Metody badań nieniszczących są bardzo różnorodne w zakresie wykorzystywanych
zjawisk, mierzonych parametrów, czy ważniejszych zastosowań. Obejmują one: metody
ultradźwiękowe, emisję akustyczną, metody radiacyjne, metody magnetyczne, metody
elektryczne, prądy wirowe, metody penetracyjne, metody termiczne.
Metody badań nieniszczących znajdują już ugruntowaną pozycję wśród badań stanu
maszyn, wyraźnie wyróżnioną zakresem zainteresowań od badań diagnostyki technicznej.
Bezpieczeństwo maszyn
Teoria bezpieczeństwa maszyn zajmuje się szczególnymi przypadkami eksploatacji
tych obiektów, zagrażającymi życiu i zdrowiu [3,12,20,40] operatora, istnieniu maszyny,
obiektów współpracujących oraz środowisku naturalnemu.
Teoria bezpieczeństwa posługuje się pojęciami takimi jak zawodność bezpieczeństwa
i zawodność sprawności oraz poczucie zagrożenia bezpieczeństwa i jego realne
zagrożenie - ryzyko. Z analizy bezpieczeństwa techniki wynikają następujące wnioski: a) straty mogą pojawić się we wszystkich fazach istnienia wytworu; są one nie do
uniknięcia, co najwyżej można zmniejszyć ich wielkość i częstotliwość pojawiania się;
b) bezpieczeństwo wytworów techniki można i należy kształtować w fazach ich
projektowania i wytwarzania, a sterować nim w fazie eksploatacji;
c) bezpieczeństwem w określonych warunkach ryzyka można i należy zarządzać;
d) racjonalność w kształtowaniu bezpieczeństwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu
jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;
e) kwantyfikacja bezpieczeństwa następuje w oparciu o pojęcia „zagrożenie” i „ryzyko”;
f) optymalizacja bezpieczeństwa wytworu techniki jest możliwa w ramach optymalizacji
jego efektywności; żądany poziom bezpieczeństwa stanowi wtedy ograniczenie w
algorytmie optymalizacji efektywności;
g) racjonalność i optymalność w kształtowaniu i sterowaniu bezpieczeństwem wytworu
może być rozważana wtedy, gdy można skwantyfikować poziom jego bezpieczeństwa.
Z powyższych przesłanek wypływa cel bezpieczeństwa maszyn: „sprowadzenie
negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum”. Zagrożenie definiowane jest jako źródło, potencjał lub sytuacja, które mogą
spowodować straty w systemie C-T-S. Zagrożenie bywa kwantyfikowane, przy czym miarą
zagrożenia może być funkcja rodzaju i wielkość materiału niebezpiecznego, warunków
eksploatacji, możliwości uwolnienia się zagrożenia i powstania strat oraz innych czynników.
Ryzyko definiowane jest jako możliwość powstania strat w systemie C-T-S. W sensie
kwantytatywnym stanowi funkcję, której dziedziną są procesy strat elementów systemu.
Najczęściej ryzyko wyraża się jako wartość oczekiwana strat, a więc jest zależne od
wielkości straty i prawdopodobieństwa jej powstania.
Bezpieczeństwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolność tego wytworu w
założonych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie większego od
wartości kryterialnej. Wychodząc od skutków, teoria bezpieczeństwa sięga do uszkodzeń i
błędów, które stwarzają zagrożenie bezpieczeństwa.
Strukturę bezpiecznościową wyznaczają energia i informacja, tworzące zazwyczaj
strukturę nadmiarową systemu, co ma na celu zmniejszenie wrażliwości, zwiększenie
żywotności i odparowalności systemu. Odpowiedni poziom bezpieczeństwa zapewnia się
także przez różne formy nadmiarów:
nadmiar strukturalny, polegający na dublowaniu ważnych układów systemu i
zmniejszających wrażliwość systemu na sytuacje niebezpieczne;
nadmiar funkcjonalny, polegający na przystosowaniu elementów systemu do
przejmowania określonych dodatkowych funkcji i zmniejszających wrażliwość systemu;
nadmiar parametryczny, polegający na utrzymaniu większej energii i możliwości
funkcjonalnych w odniesieniu do przeciętnych potrzeb, zmniejszający wrażliwość oraz
zwiększający żywotność systemu technicznego;
nadmiar informacyjny, polegający na istnieniu nadmiarowej informacji w systemie
odnośnie do ważnych zdarzeń (np. sygnalizacja zagrożeń – świetlna, dźwiękowa);
nadmiar wytrzymałości (mechanicznej, elektrycznej), polegający na zwiększeniu
odporności na zniszczenie, zmniejszający wrażliwość na określonego rodzaju porażenia;
nadmiar czasowy, polegający na istnieniu zwiększonego czasu dla różnego rodzaju
działań w systemie, umożliwiający właściwe reakcje operatora w warunkach ryzyka;
nadmiar elementowy, polegający na wprowadzeniu do systemu dodatkowych
elementów wykorzystywanych w procesie odparowania sytuacji niebezpiecznej.
W ostatnim okresie można zauważyć tendencje przyjmowania bezpieczeństwa za
kryterium jakości sterowania procesem eksploatacji maszyn [39].
Proces eksploatacji
W realizacji procesu racjonalnej eksploatacji obiektów technicznych przyjęto
następujące założenia [39]:
proces eksploatacji obiektów technicznych składa się ze skończonej liczby okresów
użytkowania i okresów obsługiwania, w tym przechowywania;
obiekty podlegają okresowemu diagnozowaniu ze stałą lub zmienną częstotliwością;
przejścia obiektów między zbiorem Wu stanów użytkowania, zbiorem Wo stanów
obsługiwania i zbiorem Wp stanów przechowywania odbywają się przez zbiór Wd
stanów diagnozowania obiektów;
obiekty mogą być efektywnie użytkowane wtedy i tylko wtedy, gdy znajdują się w
stanie zdatności w1. Dotyczy to również obiektów, które są przechowywane;
w stanie w0 niezdatności - obiekty są obsługiwane;
eksploatowane obiekty techniczne są oceniane w aspekcie efektywności ich
funkcjonowania w podzbiorze stanów Wx.
Proces {Wt(t): tT} zmian stanów technicznych i proces {We(t): tT} zmian stanów
eksploatacyjnych obiektów są procesami wzajemnie zależnymi. W związku z tym tworzą one
proces dwuwymiarowy Wt(t), We(t):
W(t) = {Wt(t), We(t)} tT (2.8)
W ten sposób zdefiniowany proces nazywamy procesem eksploatacji obiektów
technicznych. Zatem proces eksploatacji jest łącznym procesem jednoczesnych zmian stanów
technicznych (zbiór Wt(t)) i stanów eksploatacyjnych (zbiór We(t)) obiektów. Łączne
uwzględnianie zbioru stanów technicznych Wt = {w1, w
0} i zbioru stanów: użytkowania Wu =
{wa, wb, wc}, obsługiwania Wo = {wd, we, wf, wg, wh, wk}, przechowywania Wp = {wo, wu,
wp, wr} umożliwia utworzenie następującego zbioru W stanów procesu eksploatacji obiektów:
W = Wt We = {(w1, wa), (w
1, wb), (w
1, wC), (w
1, wd), (w
1, we), (w
1, wf),
(w1, wg), (w
1, wh), (w
1, wk), (w
1, wo), (w
1, wu), (w
1, wp), (w
1, wr)} (2.9)
Oznaczając: w1=(w1,wa); w2=(w
1,wb); w3=(w
1,wc); w4=(w
0,wd); w5=(w
0,we); w6 = (w
0,wf); w7=(w
0,wg);
w8 = (w0,wk); w10 = (w
1,wo); w11=(w
1,wu); w12 = (w
1,wp); w13 = (w
1,wr),
można napisać, że:
W = {w1, w2,..., w13} (2.10)
Zatem proces eksploatacji obiektów technicznych obejmuje 13 istotnych stanów, gdzie:
w1 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego w 100%;
w2 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego od 50 do 100%;
w3 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego poniżej 50%;
w4 – stan obsługiwania bieżącego niezdatnego obiektu technicznego;
w5 – stan naprawy bieżącej niezdatnego obiektu technicznego;
w6 – stan eksploatacji niezdatnego obiektu technicznego;
w7 – stan naprawy głównej niezdatnego obiektu technicznego;
w8 – stan rozpoznania technicznego obiektów;
w9 – stan ewakuacji, w którym niezdatny obiekt jest przemieszczany w określone miejsce;
w10 – stan przechowywania zdatnego obiektu technicznego użytku bieżącego;
w11 – stan przechowywania zdatnego obiektu, będącego na konserwacji krótkoterminowej;
w12 – stan przechowywania zdatnego obiektu będącego na konserwacji długoterminowej;
w13 – stan przechowywania zdatnego obiektu stanowiącego zapas nienaruszalny.
Opisany proces {W(t): tT} eksploatacji obiektów ma następujące właściwości (rys.2.14):
przedziały czasu ti trwania poszczególnych stanów w1, w2,..., w13 są nieujemnymi
zmiennymi losowymi o różnych rozkładach, ciągłych gęstościach prawdopodobieństw
i dodatnich wartościach oczekiwanych;
przedziały czasu ti trwania stanów są zmiennymi losowymi wzajemnie niezależnymi;
prawdopodobieństwo przejścia procesu ze stanu wi, do dowolnego innego stanu wj nie
zależy od tego, w jakich stanach ten proces był wcześniej;
zbiór stanów W(t) procesu eksploatacji obiektów technicznych jest zbiorem
dyskretnym, a jego realizacje są funkcjami przedziałami stałymi i ciągłymi.
t1
w1
w2
w3
w4
w5
w6
w7
w8
w9
w1 0
w1 1
w1 2
w1 3
t2
t1 3
W(t)
t Rys.2.14. Ilustracja graficzna realizacji procesu eksploatacji {W(t); t T} obiektów
t1, t2, ..., – chwile, w których następują zmiany wartości procesu eksploatacji obiektu
W procesie eksploatacji obiektów technicznych istnieje konieczność identyfikacji
wyróżnionych stanów. Wymaga to uwzględnienia podzbioru stanów Wd badań i oceny
stanów:
Wd = {w, w, w} (2.11)
gdzie: w - stan diagnozowania obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t;
w - stan prognozowania stanu obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t + t;
w - stan genezowania stanu obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t – t.
Często zachodzi także potrzeba oceny efektywności eksploatowanych obiektów
technicznych, zatem wprowadzenia podzbioru stanów Wx oceny efektywności:
Wx = {w, w} (2.12)
gdzie: w - stan, w którym efektywność wykorzystania ocenia się za pomocą kryterium kosztów eksploatacji;
w - stan, w którym o efektywności wykorzystania obiektu decyduje jego stan techniczny.
W związku z tym całkowity zbiór Wc stanów procesu eksploatacji obiektów
technicznych ma postać:
Wc = W Wd Wx (2.13)
Wstawiając do (2.13) wyrażenie (2.9) uzyskujemy zbiór całkowity stanów procesu
eksploatacji obiektów technicznych:
Wc = {(Wt Wt) Wd Wx} (2.14)
Uwzględnienie w procesie podejmowania decyzji eksploatacyjnych określonych
technik informacyjnych wynika z potrzeb doskonalenia systemu eksploatacji w aspekcie:
organizacyjnym, technicznym i informatycznym.
Aspekt organizacyjny wynika z konieczności uporządkowania wszystkich działań
realizowanych w ramach organizacji utrzymania ruchu (zarówno o charakterze technicznym,
jak i nietechnicznym). Ma to wpływ na skuteczność pozyskiwania i selekcji wartościowych
informacji jako podstawy wspomaganych zadań i przedmiotu dalszych działań prowadzących
do rozwiązania postawionego problemu. Działania organizacyjne muszą uwzględniać
indywidualne uwarunkowania strukturalne i funkcjonalne jednostki odpowiedzialnej za
utrzymanie ruchu w przedsiębiorstwie i są związane z wdrożeniem skutecznych zasad
zarządzania w postaci odpowiedniej strategii eksploatacyjnej. Wdrożenie takiej strategii
wymaga przeprowadzenia czynności określanych mianem reengineringu [96], czyli
dostosowania wcześniej rozpoznanych struktur i działań organizacji utrzymania ruchu do
wymogów strategii i odwrotnie.
Aspekt techniczny wynika z konieczności określenia sposobu przetwarzania
gromadzonych informacji, co ma bezpośredni wpływ na jakość wspomagania działań
eksploatacyjnych. Wiąże się to z obowiązującą strategią eksploatacyjną i polega na
wykorzystaniu szczegółowych informacji o obiektach eksploatacji o charakterze
jakościowym, jak i ilościowym. Informacje te stanowią źródło danych i wiedzy dla potrzeb
wybranych metod i analiz składających się na sposób rozwiązywania problemów.
Aspekt informacyjny wynika z konieczności praktycznej realizacji działań związanych
z gromadzeniem i udostępnianiem informacji i wspomagania na tej podstawie procesów
eksploatacyjnych. W tym zakresie pomocne mogą być istniejące i funkcjonujące rozwiązania
w postaci odpowiednich narzędzi informatycznych. Współczesne układy techniczne w bardzo
wielu sytuacjach wykorzystują oferowane komercyjnie systemy wspomagające zarządzanie
utrzymaniem ruchu (np. systemy klasy CMMs/EAM. Systemy takie wspomagają zarządzanie
procesami eksploatacyjnymi w zakresie zapewnienia utrzymania obiektów eksploatacji w
stanie zdatności poprzez nadzór nad pracami o charakterze technicznym, organizacyjnym i
ekonomicznym. Uwzględnienie systemów klasy CMMs/EAM ma kluczowe znaczenie, gdyż
pozwala na przyjęcie ogólnych rozwiązań w zakresie struktur zbiorów danych i algorytmów
ich przetwarzania dla potrzeb wspomagania działań zarządczych, w ramach organizacji
utrzymania ruchu.
Współczesne systemy informatyczne są systemami zintegrowanymi, co przynosi
następujące korzyści: optymalizacja eksploatacji, znaczne ograniczenie kosztów
modelowania, zbierania i utrzymania danych, wyraźne zmniejszenie kosztów eksploatacji
systemu w całym okresie jego życia, wzrost bezpieczeństwa danych, wspólne użytkowanie
interfejsów użytkownika dla wspomagania różnych funkcji, wspólne wykorzystanie sprzętu.
W rozwoju systemów informatycznych zarysowują się następujące tendencje:
wdrażanie otwartych, rozproszonych systemów, rozwój systemów na platformie PC w małych
przedsiębiorstwach dystrybucyjnych, rozwój specjalizowanego oprogramowania
ułatwiającego operatorom korzystanie z systemu, wzrastająca rola Internetu, tworzenie
kompatybilnych systemów wspólnych dla grup, sektorów itd. Wdrażanie tych tendencji w
istotny sposób zmniejsza nakłady na tworzenie i rozwój systemów tego typu, niestety, są one
w ograniczony sposób wprowadzane w naszym kraju.
2.3. MODELE PROCESÓW EKSPLOATACJI
Całokształt przedsięwzięć, w wyniku których uzyskuje się możliwość użytkowania
(eksploatowania) artefaktu, może być rozpatrywany jako pewna logiczna sekwencja
zadań/celów cząstkowych. Istnienie i funkcjonowanie zbioru artefaktów (środków
technicznych) w otoczeniu człowieka (tzw. “technosfery”) jest uwarunkowane realizacją
sekwencji przedsięwzięć szczegółowych, które rozpatrywane są wraz z odpowiednimi
powiązaniami “międzyzadaniowymi”. Zmodernizowana sekwencja taka [18,21,24,30,32], jest
określana jako model procesu zaspokajania potrzeb, albo etapy życia maszyny - rys.2.15).
KSZTAŁTOWANIE JAKOŚCI MASZYN METODAMI DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ
FAZY ISTNIENIA MASZYNY
WARTOŚCIOWANIE KONSTRUOWANIE WYTWARZANIE EKSPLOATACJA
Wybór metod Identyfikacja źródeł Ocena Ocena stanu
i środków podwyższonej jakości technicznego
diagnostyki dynamiczności wytworów maszyny-procesu
Rys.2.15. Model procesu zaspokajania potrzeb (etapy życia maszyny)
Zgodnie z tym rysunkiem wyróżnia się następujące etapy życia obiektu:
- wartościowanie (rozpoznanie potrzeby + środki finansowe) określonego środka
technicznego, w wyniku którego zostaje rozpoznana potrzeba w postaci specyfikacji
wymagań i zaleceń, a także środki finansowe na realizację tej potrzeby (bussines plan);
- projektowanie, na które składają się tworzenie koncepcji rozwiązania oraz optymalizacja,
w wyniku czego określona zostaje optymalna koncepcja środka technicznego,
- konstruowanie, na które składa się dobór cech konstrukcyjnych (geometrycznych,
materiałowych i dynamicznych), czego wynikiem jest konstrukcja w postaci dokumentacji
konstrukcyjnej i technologicznej,
- wytwarzanie, które polega na wytworzeniu zaprojektowanego środka technicznego w
oparciu o opracowaną w poprzednim etapie dokumentację,
- eksploatacja, będąca efektem docelowym istnienia środka technicznego, w wyniku czego
obiekt jest wykorzystywany do celu zgodnie z jego przeznaczeniem.
Projektowanie to koncepcja, a konstruowanie to działanie ściśle określone (obliczenia
geometrii, dobór materiału, badania stanu dynamicznego prototypu) typowo inżynierskie, stąd
na rys.2.16 zaproponowano cztery etapy istnienia obiektu: C – K – W – E.
Przedstawiony powyżej zbiór etapów można traktować jako swoisty cykl "życia"
obiektu, który pozwala na wyodrębnienie i szczegółowy opis kluczowych obszarów i zadań
inżynierskich, wielokrotnie zamieszczany wcześniej [1,3,5,6,18,22,27,30,32,35,39] w
licznych dostępnych opracowaniach.
Jednym z ważnych obszarów w ramach modelu procesu zaspokojenia potrzeb jest
eksploatacja systemów technicznych, uważana często jako podstawowy etap istnienia
maszyny, w którym oddaje ona potencjał „zainwestowany” we wcześniejszych fazach
istnienia. Analizując informacje wynikające z rys.2.15 można stwierdzić, że:
- eksploatacja jest etapem finalnym procesu zaspokajania potrzeb,
- eksploatacja jest etapem docelowym procesu zaspokajania potrzeb,
- etapy poprzedzające eksploatację pełnią ważną rolę "usługową" na rzecz eksploatacji,
- w wieloetapowym procesie istnienia etap eksploatacji jest weryfikacją poprzednich etapów,
- sprzężenie zwrotne pomiędzy eksploatacją a wartościowaniem (rozpoznaniem potrzeby)
stanowi źródło doświadczeń prowadzących do modyfikacji lub stymulowania potrzeb
tworzenia nowych środków technicznych.
Taki model systemu eksploatacji zawiera wcześniej przedstawione główne elementy,
czyli podsystem użytkowania i podsystem obsługiwania. Podsystem obsługiwania, w tym
ujęciu jest podrzędny w stosunku do podsystemu użytkowania, gdyż pełni rolę zapewnienia
zdatności maszyny dla potrzeb i działań użytkowania.
Budowa modeli procesu eksploatacji
Wyróżnia się dwa sposoby tworzenia modelu matematycznego obiektu badań dla
procesu eksploatacji obiektów technicznych:
- metoda eksperymentalna – oparta na wynikach badań i stosowana jeśli są nieznane
podstawy teoretyczne, albo zjawiska w obiekcie badań są szczególnie złożone;
- metoda teoretyczna - na podstawie analizy teoretycznej zjawisk związanych z obiektem.
Metoda eksperymentalna - schemat procesu tworzenia modelu obiektu dla potrzeb
badań przedstawiono na rys.2.16.
informacje o obiekcie badań
podstawy teoretyczne(fizyka, chemia itp.)
I
T
jakościowy modelmatematyczny obiektu badań
MQ
planowanie doświadczeń P
Rrealizacja doświadczeń
cel badań(poznawczyutylitarny)
Canaliza wynikowa A
analiza statystyczna AS
funkcja obiektu badań(aproksymacja)
F
analiza merytoryczna(logiczne uzasadnieniezjawisk przyczynowo-
skutkowych)
AM
model matematyczny obiektu badań MMOB
Rys.2.16. Algorytm tworzenia modelu obiektu badań metodą eksperymentalną
W pierwszej kolejności, uwzględniając wielkości charakteryzujące obiekt badań
tworzy się model jakościowy (rys.2.17), opisany relacją [20,23,39]:
Fz(x1, x2,..., xm, y1, y2,..., yn, c1, c2, …, cs, z1, z2, …, zk) (2.15) x1, x2,..., xm – wielkości wejściowe (wielkości sterujące, wielkości niezależne, czynniki badane), których
wartości można dobierać tworząc plan doświadczenia;
y1, y2,..., yn – wielkości wyjściowe (wielkości decyzyjne, wielkości wynikowe, wielkości zależne,), których
wartości stanowią wyniki pomiarów zależnych od ustalonych w planie wartości wejściowych;
c1, c2, …, cs – wielkości stałe, których wartości celowo nie zmienia się w trakcie realizowania badań;
z1, z2, …, zk – wielkości zakłócające, które są albo znane i mierzalne, albo znane lecz niemierzalne, lub też
nieznane, a ich wpływ na wynik eksperymentu jest przypadkowy.
Obiektbadań
x1
z1
c1
y1
x2
z2
c2
y2
xm
zk
cs
yn
Rys.2.17. Wielkości charakteryzujące obiekt badań:
x – wielkości wejściowe, y – wielkości wyjściowe, c – wielkości stałe, z – zakłócenia
Mając jakościowy model obiektu badań należy:
1) opracować plan eksperymentu (doświadczenia),
2) zrealizować eksperyment,
3) dokonać analizy statystycznej i merytorycznej wyników badań,
4) dążyć za pomocą funkcji obiektu badań postaci: y = F(x1, x2,..., xi), będącej jedynie funkcją
aproksymującą do utworzenia modelu matematycznego systemu.
Funkcję obiektu badań można wyznaczyć jako zależność aproksymującą wyników
pomiarów i może ona taką pozostać i być wykorzystana przykładowo do optymalizacji i
sterowania. Funkcja obiektu badań może stać się modelem matematycznym po
przekształceniach obrazujących w sposób logiczny teoretyczne zależności przyczynowo -
skutkowe właściwe obiektom badań. Funkcja ta dopiero po stwierdzeniu jej logicznej
zgodności z fizycznymi, chemicznymi i innymi prawami rządzącymi rzeczywistym obiektem,
może być uznana za jego model matematyczny, co w praktyce sprowadza się do nadania
interpretacji fizycznej współczynnikom modelu.
Utworzony w ten sposób model spełnia nie tylko cel poznawczy badań, przedstawiając
nową informację w jednoznacznej i skondensowanej postaci - funkcji matematycznej, ale
może być wykorzystywany praktycznie. Należy jednak pamiętać o pewnych wadach modelu
utworzonego na drodze badań doświadczalnych, np.:
często model odzwierciedla jedynie przypadkową korelację statystyczną, a nie
rzeczywistą zależność przyczynowo - skutkową;
nie można modelu dowolnie ekstrapolować poza warunki badań doświadczalnych;
model jako funkcja matematyczna może podlegać formalnym przekształceniom, które
mogą pozostawać w sprzeczności z fizycznym sensem tych zabiegów.
Czynności ustalenia struktury i parametrów modelu nazywa się identyfikacją,
natomiast konfrontacja modelu z danymi rzeczywistymi nazywa się weryfikacją (rys.2.18).
Wybór struktury (postaci modelu)
Planowanie i wykonanie eksperymentu
Sprawdzenie istotności modelu(algorytm weryfikacji)
Ocena efektywności modelu (efektypoznawcze i utylitarne)
Model systemu(w szczególnościmatematyczny)
Decyzja o koniecznościzmiany lub uzupełnienia
modelu
Informacjepoczątkowe o
procesieeksploatacji
obiektów
Rys.2.19. Fazy budowy modelu procesu eksploatacji obiektów technicznych
Inaczej weryfikacja to sprawdzenie, czy model dobrze odzwierciedla przebieg procesu
eksploatacji obiektów technicznych. Jeżeli wybierze się określony model matematyczny
procesu eksploatacji obiektów to zbiór wartości Y wielkości wyjściowych można wyznaczyć
z dokładnością do nieznanego zbioru parametrów A, co można opisać w postaci:
AXY ,ˆ (2.16)
Kryterium jakości modelu Q ocenia odległość między zbiorem wielkości wyjściowych
Y obiektu i zbiorem Y modelu, za pomocą normy YY ˆ dla zbioru X tych samych wartości
wielkości wejściowych, np.:
n
i
ii yyQ1
2
1 ,
n
i
ii yyQ1
2 . Jeżeli, Q < Qdop to proces
budowy modelu procesu eksploatacji obiektów należy uznać za zakończony. W przeciwnym
przypadku należy poszukiwać nowego modelu matematycznego – rys.2.19.
Obiektbadań
Modelobiektubadań
Q < Qd o p
Modelmatematyczny
Q
Y
Y
X
N
T
Rys.2.19. Proces weryfikacji modelu matematycznego obiektu badań
Metoda teoretyczna
W metodzie teoretycznej budowy modelu obiektu eksploatacji można wyróżnić cztery
podstawowe etapy (rys.2.20):
- modelowanie;
- eksperyment;
- estymacja;
- weryfikacja.
Sformułowanie
zadania identyfikacji
Ustaleniestanu wiedzy
Wybór technikieksperymentu
Przetwarzaniedanych z
eksperymentu
Estymacjaparametrów
Sprawdzaniezgodności modelu
z obiektem
Decyzjao przyjęciu
modelu
Model
Tak
Nie
Weryfikacja
Estymacja
Kryteriumzgodności
Eksperyment
Wiedzaa priori
Modelowanie
Rys.2.20. Ilustracja procesu identyfikacji modelu eksploatacji obiektu metodą teoretyczną
W etapie modelowania poszukuje się struktury modelu opisującej dany obiekt. W
poszukiwaniu struktury modelu obiektu należy wyróżnić następujące etapy jego budowy:
- nominalnego (fenomenologicznego);
- fizycznego (empirycznego);
- matematycznego (analitycznego).
Model nominalny opisuje zasadnicze cechy i zjawiska, występujące w badanym
obiekcie. Przykładowo model nominalny układu mechanicznego obejmuje zbiór cech i
elementów tego układu, które wpływają na jego ruch (np. łańcuch kinematyczny układu
napędowego obrabiarki) Na podstawie modelu nominalnego można zbudować model
fizyczny obiektu.
Model fizyczny w układach mechanicznych określa sposób obciążenia układu i
reakcje jakie to obciążenie wywołuje (np. belka, płyta). Modele fizyczne dyskretne układów
mechanicznych stanowią kombinację elementów masowych, sprężystych i tłumiących. Każdy
model fizyczny ma wiele modeli matematycznych.
Model matematyczny obiektu to analityczny operator, który przekształca dany sygnał
wejściowy w sygnał wyjściowy obiektu. Modelem matematycznym układów mechanicznych
jest najczęściej układ równań różniczkowych lub algebraicznych, które można wyprowadzić
na podstawie praw dynamiki Newtona, zasad wariacyjnych mechaniki, praw ciągłości itp.
Eksperyment w identyfikacji jest podstawowym źródłem informacji a posteriori o
obiekcie badań. Podkreślić należy, że stanowi on podstawowe ograniczenie identyfikacji
obiektów technicznych, z uwagi na trudność jego zrealizowania dla obiektów złożonych.
Estymacja parametrów zawiera wyznaczenie wartości parametrów modelu dla jego
przyjętej struktury, na podstawie uzyskanych wyników badań eksperymentalnych.
Weryfikacja modelu polega na badaniu rozbieżności między modelem a układem
rzeczywistym, czyli jest to konfrontacja wyników z modelu z danymi rzeczywistymi.
Można zatem powiedzieć, że model reprezentuje trzy rodzaje wiedzy o obiekcie, a
mianowicie: strukturze, wartościach parametrów, stanie układu w pewnej chwili.
Ze względu na zastosowanie modele procesów eksploatacji obiektów dzielą się
następująco:
funkcjonalne, które opisują własności transmisyjne układu, bez uwzględnienia jego
struktury wewnętrznej;
strukturalne, w których organizacja wewnętrzna jest podobna do organizacji
wewnętrznej badanego układu, przy czym zachodzi zbieżność relacji wejście – wyjście
dla układu i modelu.
Model w uproszczony sposób opisuje przebieg rzeczywistych procesów eksploatacji
obiektów technicznych w systemach działania (przemysłowych, roboczych, usługowych i
innych). Do budowy modeli procesów eksploatacji obiektów technicznych można
wykorzystać dwie metody: eksperymentalną i teoretyczną. Do opisu procesów eksploatacji
obiektów technicznych można wykorzystać wszystkie modele (rys.2.21), w szczególności
modele matematyczne, w tym rozmyte, a także modele neuronowe [39]. Modele procesów
eksploatacjiobiektów technicznych
Materialne
Geometryczne
Fizyczne
Inne
Teoretyczne
Intuicyjne
Sformalizowane
Analogowe
Symboliczne
Słowne
Graficzne
MATEMATYCZNE
Neuronowe Decyzyjne
Symulacyjne
Optymalizacyjne
Prognostyczne
Inne
Inne
Rys.2.21. Klasyfikacja modeli procesów eksploatacji obiektów technicznych
Poniżej omówiono niektóre modele matematyczne procesów eksploatacji obiektów
(ogóle, liniowe, odnowy, niezawodności, masowej obsługi) najczęściej stosowane w praktyce.
Modele ogólne, w których przedmiotem modelowania jest obiekt (np. model
stanowiska obsługiwania, model urządzenia), albo proces (czynności działania).
Matematyczny model obiektu opisuje wyrażenie:
MMD = < D, R, Z, F, P > (2.17)
gdzie: D – dziedzina modelu (zbiór elementów obiektu);
R – relacje modelu (zbiór związków między elementami dziedziny);
Z – założenia modelu (zbiór ograniczeń i uproszczeń);
F – kryterium modelu (miara jakości dana w postaci funkcji kryterium);
P – problem modelu (pytanie, na które należy odpowiedzieć).
W wyrażeniu (2.17) można wyróżnić dwa człony:
MM = < D, R > (2.18)
MD = < Z, F, P > (2.19)
Człon MM określa identyfikację systemu rzeczywistego w modelu i nazywa się
modelem matematycznym systemu eksploatacji. Człon MD określa problem decyzyjny w
modelu i nosi nazwę modelu decyzyjnego systemu eksploatacji. Matematyczny model
decyzyjny opisuje wyrażenie (rys.2.22):
MMD = < X, Y, J, f, > (2.20)
gdzie: X – zbiór parametrów systemu;
Y – zbiór charakterystyk systemu;
J – zbiór miar jakości systemu;
f: XY – model matematyczny (odwzorowanie, relacja, związek, funkcja);
: YJ – matematyczny model decyzyjny.
x1
y1
j2
j1
jk
y2
yn
x2
xj
,...,
,...,
,...,
Model matematyczny
f: X Y
: Y J
Model decyzyjny
Parametrysystemu
Charakterystykisystemu
Miaryjakościsystemu
Rys.2.22. Ilustracja matematycznego modelu decyzyjnego systemu eksploatacji obiektów
W zbiorze X wyróżnia się podzbiór Xd parametrów zmiennych (zmiennych
decyzyjnych) i podzbiór XS parametrów ustalonych (stałych systemu).
Modele liniowe opisujące procesy eksploatacji obiektów za pomocą równań
liniowych, z typowymi zadaniami formułowanymi w kategoriach optymalizacji liniowej:
zadania transportowe (z kryterium czasu lub kosztów), polegają na takim dostarczeniu
środków materiałowych, aby czas (koszt) dowozu tych środków był minimalny;
zadania przydziału, polegające na takim przydziale zadań wykonawcom, aby ogólny
efekt realizacji wszystkich zadań był maksymalny;
zadania wyboru urządzeń technicznych, czyli określenia ich ilości, typów, aby
uzyskać maksymalną efektywność całego systemu;
zadania znalezienia najkrótszej drogi w sieci komunikacyjnej i zadania maksymalnego
strumienia w sieci;
problem najtańszej diety;
zagadnienie rozdziału jednorodnych zasobów.
Model liniowy problemu decyzyjnego można sformułować następująco: znaleźć taki
wektor zmiennych decyzyjnych X: [49,50,96]:
nxxxX ,,, 21 , (2.21)
który pozwala uzyskać maksimum liniowej funkcji celu Z:
nnxcxcxcZ 2211 , (2.22)
w warunkach ograniczeń:
00,0 21
2211
22222121
11212111
n
mnmnmm
nn
nn
xxx
bxaxaxa
bxaxaxa
bxaxaxa
(2.23)
gdzie: x1, x2,..., xj,...xn – zbiór zmiennych decyzyjnych o nieznanych wartościach xj0;
aij, bj, cj – zadane wartości liczbowe.
Problem ten można zapisać krócej, w postaci macierzowej: znaleźć wektor
X={x1, x2,..., xn}, który maksymalizuje funkcje liniową:
XCZ maksimum (2.24)
Graficzna metoda rozwiązywania liniowego modelu decyzyjnego może być
zastosowana tylko do modeli o trzech, a praktycznie o dwu zmiennych decyzyjnych.
Analityczna metoda rozwiązywania liniowego modelu decyzyjnego – algorytm symplex jest
procedurą iteracyjną, pozwalającą ukierunkować badanie punktów eksperymentalnych, w
przestrzeni n-wymiarowej, gdzie n oznacza liczbę zmiennych decyzyjnych [39].
Inne ważne modele to modele odnowy, modele niezawodności i modele masowej
obsługi zajmujące się ustaleniem zasad optymalnej eksploatacji obiektów technicznych,
uwzględniające wiele oryginalnych rozwiązań z obszaru eksploatacji maszyn, szczególnie w
zakresie utrzymania zdatności (ruchu) i kresu eksploatacji maszyn [4,20,22,35,39].
2.4. STRATEGIE EKSPLOATACYJNE
We współczesnym świecie rywalizacja gospodarcza przebiega praktycznie na
płaszczyźnie szeroko rozumianej "jakości", z tytułu której można uzyskać określone korzyści
ekonomiczne. Strategia eksploatacyjna sterująca racjonalnym wykorzystaniem maszyn i
urządzeń technicznych polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i
obsługiwania oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów, co w sposób ogólny
zapewnia przedstawiona na rys. 2.23 struktura systemu eksploatacji maszyn [30,35].
OBSŁUGIWANIA usługi zewnętrzne PUR - PODSYSTEM UŻYTKOWANIA RUCHU
X Y
SE -SYSTEM EKSPLOATACJI
PS-PODSYSTEM STEROWANIA
PZ PODSYSTEM
ZARZADZANIA
PI PODSYSTEM
INFORMACYJNY PD PODSYSTEM
DECYZYJNY
PD
POD-
SYSTEM
DIAGNOS-
TYCZNY
PU PODSYSTEM
UZYTKOWANIA
PO
PODSYSTEM
PZ
PODSYSTEM
ZASILANIA
-materialowe
-kadrowe
PL-PODSYSTEM LOGISTYCZNY
PP PODSYSTEM PROCESOWY
< C-OT >
PROCES REALIZACJI CELOW
SYSTEMU
Rys.2.23. Struktura systemu eksploatacji [30]
Jednoznacznie wynika z powyższego rysunku, że podstawowe składowe tej struktury
tworzącej system eksploatacji, to podsystem użytkowania oraz podsystem obsługiwań
technicznych.
Przedstawiony powyżej układ dwóch głównych podsystemów w eksploatacji
zapewnia możliwość jednoznacznego przyporządkowania każdego zadania eksploatacyjnego.
Jednakże różnorodność koncepcji eksploatowania w określonych warunkach organizacyjno-
technicznych doprowadziła do wyodrębnienia niektórych podsystemów, szczególnie istotnych
z puntu widzenia układu rozpatrywanego w określonych warunkach. Doprowadziło to do
powstania różnych strategii eksploatacji maszyn, a także zróżnicowało systemy utrzymania
ruchu maszyn (utrzymania zdatności).
Strategia eksploatacyjna sterująca racjonalnym wykorzystaniem maszyn polega na
ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i obsługiwania oraz relacji między nimi, w
świetle przyjętych kryteriów. Literaturowo znane są – rys.2.24 - następujące strategie
eksploatacji maszyn:
Rys.2.24. Możliwe strategie eksploatacji maszyn [42]
I. Prewencyjne strategie eksploatacji
II. Potencjałowe strategie eksploatacji
według niezawodności,
według efektywności ekonomicznej,
według ilości wykonanej pracy, albo planowo- zapobiegawcze,
mieszane, a więc planowo- zapobiegawcze z diagnozowaniem;
według stanu technicznego,
strategia tolerowanych uszkodzeń.
Prewencyjne strategie eksploatacji
Ograniczenie się do przeprowadzania obsługiwań tylko po uszkodzeniu elementu
(obiektu technicznego) prowadzi najczęściej do dużych kosztów ekonomicznych. W związku
z tym opracowuje się różne strategie prowadzenia obsług profilaktycznych polegających na
tym, że wykonywane są one przed i po uszkodzeniu obiektu. Obsługę w przypadku, gdy
element (obiekt techniczny) jest sprawny nazwano prewencyjną, zaś w przypadku awarii –
obsługą korekcyjną [38]. Momenty czasowe przeprowadzenia obsług prewencyjnych zależą
od wielu czynników - przede wszystkim od struktury niezawodnościowej obiektu
zawierającego jako składnik elementy, które planuje się poddawać obsługom profilaktycznym
oraz od relacji kosztów związanych z uszkodzeniami do kosztów obsługi profilaktycznej.
Budowane modele obsługi uwzględniają zysk wynikający z poprawnej pracy obiektu
technicznego. Pod uwagę bierze się także inne koszty związane z utrzymaniem systemu
eksploatacji takie, jak na przykład koszty pogotowia technicznego.
Proces wyznaczania optymalnych obsług prewencyjnych jest złożony z budowy
modelu dla optymalnej strategii obsług prewencyjnych, który powinien zawierać wszystkie
istotne wskaźniki eksploatacyjne rozważanego obiektu. Na dalszym etapie wykonuje się
optymalizację funkcji kryterialnej i na tej postawie wyznacza się optymalną strategię.
Model wymian profilaktycznych uwzględnia następujące założenia [26]:
– czasy przebywania obiektu w analizowanych stanach procesu eksploatacji są zmiennymi
losowymi,
– naprawa obiektu, albo wymiana profilaktyczna nie zawsze prowadzi do pełnej zdatności,
– czas do uszkodzenia obiektu winien mieć rozkład z jednomodalną funkcją intensywności.
W literaturze dotyczącej zagadnień wyznaczania optymalnych obsług prewencyjnych
stosuje się różne sposoby opisu modelu działania systemu eksploatacji. Najczęściej zakłada
się, że obiekt ma skończoną liczbę stanów, stan całkowitej niezdatności obiektu oraz stan
całkowitej sprawności obiektu. W systemie eksploatacji przejście z jednego stanu do innego
odbywa się losowo. Losowe są także czasy przebywania w stanach. Proces zmian stanów
systemu eksploatacji może być sterowany przez podejmowanie różnych decyzji dotyczących
procesu eksploatacji. Dotyczyć to może wykonywania napraw częściowych lub całkowitych
wymian elementów [38].
Stosowanie racjonalnych (optymalnych) obsług prewencyjnych wymaga znajomości
wielu cech charakteryzujących dany obiekt, takich jak: rozkłady czasów poprawnej pracy
elementów obiektu, czasy odnów obiektu, czasy trwania awarii, koszty awarii i obsług
profilaktycznych. Wyznaczanie tych wielkości wymusza zbieranie danych statystycznych i
korzystanie z metod statystyki matematycznej.
Potencjałowe strategie eksploatacji
STRATEGIA WEDŁUG NIEZAWODNOŚCI Eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza się do podejmowania decyzji
eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodności urządzeń
(różne wskaźniki niezawodnościowe), eksploatowanych aż do wystąpienia uszkodzenia.
Strategia wg niezawodności, zwana inaczej strategią „według uszkodzeń” polega na
eksploatacji obiektu do chwili wystąpienia uszkodzenia.
Badania niezawodności maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy
wykorzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarzeń, co obecnie zastępuje
komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodności. Wyróżniane w
badaniach niezawodności maszyn słabe ich ogniwa są cennym wskazaniem dla konieczności
prowadzenia badań diagnostycznych.
Nie trzeba uzasadniać, że strategia ta może być stosowana tylko wówczas, gdy
następstwa uszkodzeń nie naruszają zasad bezpieczeństwa pracy i nie zwiększają kosztów
eksploatacji maszyn.
STRATEGIA WEDŁUG EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a
decyzje eksploatacyjne podejmowane są w oparciu o wskaźnik zysku. Podstawą
podejmowanych decyzji są dane o niezawodności, kosztach użytkowania i napraw
eksploatowanych maszyn. Ważnym czynnikiem w tej strategii jest postęp techniczny, którego
wysoka dynamika określa starzenie moralne maszyn, a więc czynnik wnikliwie śledzony
przez potencjalnych odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie również w sytuacjach, gdy
moralne starzenie się maszyn wyprzedza ich zużycie fizyczne.
W tej strategii kryterium efektywności ekonomicznej, a więc opłacalności eksploatacji
maszyny staje się podstawą decyzji o wycofaniu maszyny z użycia. Wyniki efektywności
ekonomicznej mogą często doprowadzać do wycofywania maszyn z eksploatacji jeszcze
zdatnych, lecz niezadowalających użytkownika eksploatacji.
Poprawne stosowanie tej strategii wymaga gromadzenia dużej ilości informacji
statystycznych z zakresu gospodarki finansowej działu eksploatacji, znajomości modeli
decyzyjnych, mierników wartości i wskaźników efektywności ekonomicznej oraz rachunku
optymalizacyjnego.
STRATEGIA WEDŁUG ILOŚCI WYKONANEJ PRACY
Eksploatowanie maszyn w tej strategii jest limitowane ilością wykonanej pracy, która
może być określana liczbą godzin pracy, ilością zużytego paliwa, liczbą przejechanych
kilometrów, liczbą cykli pracy itp. Generalną zasadą w tej strategii jest zapobieganie
uszkodzeniom (zużycie, starzenie) poprzez konieczność wykonywania zabiegów
obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osiągnięciem granicznego
poziomu zużycia.
Z punktu widzenia wykorzystania rzeczywistego potencjału użytkowego maszyny jest
to strategia mało efektywna, gdyż podstawą przyjmowania dopuszczalnej ilości pracy są
ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje się tu najniekorzystniejsze warunki pracy, najsłabsze
ogniwa (zespoły, części) maszyny, ekstremalne obciążenia, które nie zawsze i w nie równym
stopniu mogą się ujawnić podczas eksploatacji.
STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO
Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie
bieżącej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów. Umożliwia to
eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych już
strategii. Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany wartościami mierzonych
symptomów stanu, jest podstawą decyzji eksploatacyjnej.
Poprawna realizacja tej strategii wymaga skutecznych metod i środków diagnostyki
technicznej oraz przygotowanego personelu technicznego. Wymaga też przezwyciężenia
nieufności decydentów do efektywności takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z
takiego sposobu eksploatacji są niewspółmiernie wyższe niż w innych strategiach, co
warunkuje ogromne zainteresowanie tym rozwiązaniem.
STRATEGIA TOLEROWANYCH USZKODZEŃ
Strategia eksploatacji według uszkodzeń polega na użytkowaniu obiektu do momentu
wystąpienia uszkodzenia, bez wykonywania jakichkolwiek działań prewencyjnych. Strategia
według uszkodzeń charakteryzuje się następującymi cechami:
- użytkowanie obiektu jest realizowane bez działań opóźniających procesy starzenia i zużycia,
- do momentu wystąpienia uszkodzenia nie wykonuje się żadnych działań prewencyjnych,
- decyzje i działania eksploatacyjne dotyczą tylko usuwania skutków zaistniałych zdarzeń.
AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYN
Jakościowe zmiany wymuszone gospodarką rynkową mają rozległe konsekwencje we
wszystkich sferach gospodarowania, w tym również w eksploatacji środków trwałych.
Wymagania od strony "jakości", marketingu i logistyki zmieniają radykalnie kryteria
oceny maszyn, dając przesłanki do dalszego, rosnącego zainteresowania metodami i środkami
diagnostyki technicznej. Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniają
konieczność wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji
maszyn. W propozycji tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej
strategii eksploatacji według stanu, lecz twórczo się ją modernizuje. Sama idea tej strategii,
pokazana na rys.2.27, opiera się na wykorzystaniu "pętli jakości", którą uzupełniono
elementami teorii eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicznej.
Proponowana strategia istnienia - ASIM - imiennie wskazuje na twórcę i
odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jakością i późniejszym zbytem jest
odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, aż do
utylizacji po likwidacji obiektu.
Najczęściej w oparciu o jedną z powyższych strategii buduje się system eksploatacji
przedsiębiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii są często jego uzupełnieniem. W
praktyce przemysłowej występują najczęściej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane
do indywidualnych wymagań i warunków eksploatowanych maszyn.
Budowane na bazie znanych strategii eksploatacji systemy utrzymania maszyn w
ruchu przedstawiono na rys.2.25.
s ta tu s o s z c z ę d n o ś c io w y U T R Z Y M A N IE K O R E K C Y J N E z a p a s y m a te r ia ło w e W A W
lo s o w e z a rz ą d z a n ie
p la n u trz y m a n ia U T R Z Y M A N IE P R E W E N C Y J N E m o n ito ro w a n ie d z ia ła ń W t p te c h n o lo g ia d z ia ła ń
p la n o w a n ie i m o n ito ro w a n ie U T R Z Y M A N IE P R O G N O S T Y C Z N E k o s z ty k o n tro li s ta n u W D T
te c h n o lo g ia u trz y m a n ia
k o n tro la s y s te m u u trz y m a n ia R O Z W Ó J S T R A T E G II ? ? ? U T R Z Y M A N IA d ia g n o s ty c z n y m o d e l p ro d u k c ji i k o n tro li
L O G IS T Y K A (***U T R Z Y M A N IE M A S Z Y N W R U C H U ***)
S Y S T E M IN F O R M A T Y C Z N Y S Y S T E M IN F O R M A T Y C Z N Y E K S P L O A T A C J I P R Z E D S IĘ B IO R S T W A
M O N IT O R O W A N IE I Z A R Z Ą D Z A N IE P R Z E D S IĘ B IO R S T W E M
Rys.2.25. Podstawowe formy utrzymania maszyn w ruchu
Do wyróżnienia, oceny i podtrzymywania cech użytkowych wykorzystuje się:
- możliwości diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocenę jakości
wytworów, diagnostykę eksploatacyjną, metody i środki diagnostyki technicznej,
wspomaganie badań diagnostycznych techniką komputerową;
- badania niezawodności maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i
poprodukcyjnej, przy wykorzystaniu badań stanowiskowych, modelowania
deterministycznego i stochastycznego czynników wymuszających, wspomagania
komputerowego badań niezawodności;
- metodologię kształtowania „jakości” przez „jakościowy system sterowania
przedsiębiorstwem” z uwzględnieniem kryteriów norm jakości (EN serii 29 000);
- możliwości regeneracji części i zespołów, w tym regenerację wielokrotną, badania
zmęczeniowe i modelowanie obciążeń części regenerowanych, nowe techniki i technologie
odtwarzania jakości tych części;
- badania technologiczności obsługowej i naprawczej maszyn, kształtowanie intensywności
starzenia i zużywania się ich elementów, kształtowanie podatności eksploatacyjnej
(naprawczej, obsługowej, diagnostycznej) oraz ocenę efektywności ich eksploatacji.
Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań szerokiego grona
społeczności eksploatacyjnej, przyczyniając się do rozwoju metod i metodologii
kształtowania i podtrzymywania jakości eksploatowanych maszyn.
Ocena istniejących strategii
Uwzględniając dostępne warianty stosowanych strategii eksploatacji maszyn można
ich praktyczną przydatność ocenić przy pomocy użytkowych wskaźników efektywności. Dla
ich wyznaczenia przyjmuje się, że:
- czas pracy maszyny do uszkodzenia określa funkcja niezawodności:
R(t) P(T ) ( )U
t f t dtt
R(t)
- oczekiwany czas pracy:
OCp
R(t)dt0
Ocp
t
- przeciętny rzeczywisty czas pracy: R(t)
(główny dla zadań utrzymania maszyn w ruchu):
PRZCp
R(t)dt0
t
PRZCp
Pozwala to zdefiniować - współczynnik wykorzystania maszyny WW : t
WW
PRZCp
OCp
„ kryterium jakości strategii ”
Według tego kryterium można dokonać oceny poszczególnych strategii eksploatacji
maszyn i dalej ich przydatności w praktyce przemysłowej.
I. Strategia od „awarii do awarii” stosowana dla uszkodzeń o małych skutkach
ekonomicznych i bez następstw zagrożenia bezpieczeństwa:
W
AA
( )
PRZCp
Usz
OCp
1, R(t)
gdyż: Ocp = PRZCp (uszkodzenie) = R(t)dt0
Ocp = PRZCp t
Jest to zatem strategia najbardziej efektywna ekonomicznie, a zadania obsługowo-naprawcze
inicjowane są uszkodzeniem.
II. Strategia „według ilości pracy” (obligatoryjna), w której przedsięwzięcia
obsługowo-naprawcze są zaplanowane po z góry określonej ilości wykonanej pracy
(statystyczne oszacowania słabych ogniw i czasu do awarii): R(tp) ( p) R
RZ P O
Cpt
gdzie: RRZ - wymagany poziom niezawodności,
tp - czas OT zapobiegawczej ze względu na koszt, bezpieczeństwo.
PRZCp
(tp) R(t)dt0
tp
R(t)
OCp = PRZCp (tp) + PNCp PRZCp
Wskaźnik efektywności w tej strategii: PNCp
Wtp
PRZCp
(tp)
OCp
1 tp t
Wskaźnik niewykorzystanego czasu pracy WNCp :
WNCp
1 PRZCp
(tp)
OCp
- wskazuje potrzebę zmiany strategii.
III. Strategia „według stanu technicznego”, w której zakres i częstotliwość czynności
obsługowo-naprawczych limituje stan techniczny, w wersji:
a). inspekcyjnej, ze stałym okresem kontroli stanu, jw.;
b). kontroli stanu wg prognozowanej zmiany stanu.
PRZCp
(T1
) fRZCp(t)
(x)dxS
0
Sgr
0
T1
dt
R(t) PNCP
P
RZCpfRZCp(t)
(x)dxS
0
Sgrdt
T1
PRZCp(T1) PNCp
Wskaźnik efektywności tej strategii:
T1 t
W
DT
PRZCp
(T1
) PRZCp
OCp
1
Jakościowa analiza przedstawionych wskaźników pokazuje, że ich uszeregowanie w
postaci: WAA WDT Wtp preferuje, poza strategią uszkodzeniową, strategię według stanu
technicznego. Przedstawione wskaźniki dobrze ilustrują efektywność działań obsługowo-
naprawczych w różnych strategiach utrzymania maszyn.
W oparciu o zaproponowany model ocenowy jakości eksploatacji można stwierdzić,
że najbardziej efektywną jest strategia według uszkodzeń, nazywana niekiedy strategią do
uszkodzenia, albo strategią od awarii do awarii. Jednak uwzględniając informacje płynące z
analizy strategii według modelu ekonomicznego, a wynikające przede wszystkim z kryterium
bezpieczeństwa i kryterium kosztów, pole możliwych rozwiązań (wdrożeń) tej strategii należy
ograniczyć do wybranej grupy obiektów o dużej niezawodności i trwałości oraz mało
odpowiedzialnych. Strategia według uszkodzeń może być stosowana wtedy, gdy
częstotliwość i zakres występujących zdarzeń niezamierzonych (uszkodzeń) nie powoduje
zagrożeń bezpieczeństwa pracy oraz nie zwiększa kosztów działalności przedsiębiorstwa
wynikających z ponoszonych strat. Strategia ta może być także wykorzystywana jako
podstawa badań niezawodnościowych. Na podstawie historii występowania zdarzeń
niezamierzonych obiektów eksploatacji tego samego typu, z wykorzystaniem statystycznych
metod teorii niezawodności, określa się słabe ogniwa oraz wskaźniki będące miarą
niezawodności dla danej grupy podobnych obiektów (o takich samych cechach
konstrukcyjnych).
Strategia według stanu jest najbardziej skuteczna ze względów technicznych (wynika
to z najlepszej wartości współczynnika jakości strategii), co przekłada się na zwiększenie
trwałości i niezawodności obiektów eksploatacji, możliwość optymalnego wykorzystania
cyklu eksploatacyjnego (odpowiednio dobrane terminy i zakresy obsługiwań i napraw), a
także ograniczenie kosztów związanych z działalnością systemu utrzymania ruchu.
Wdrożenie tej strategii wiąże się ze zwiększeniem ilości zadań planowanych w stosunku do
nieplanowanych. Analogiczny efekt osiąga się w ramach strategii według ilości wykonanej
pracy, jednak ten stosunek w ramach strategii według ilości wykonanej pracy jest mniejszy.
Zalety strategii według stanu nie mogą przesłonić jej ograniczeń wynikających przede
wszystkim z konieczności zapewnienia odpowiednich metod i narzędzi diagnostyki
technicznej oraz przygotowanego (wyszkolonego) personelu. Podstawą strategii według stanu
jest dysponowanie specjalistyczną aparaturą diagnostyczną oraz osobami potrafiącymi ją
wykorzystać i podejmować decyzje na podstawie wyników pomiarów. Wiąże się to z bardzo
dużymi kosztami, które w niektórych przypadkach nie są w stanie zrekompensować
oszczędności wynikających z wdrożenia takiej strategii. Dlatego w dużych
przedsiębiorstwach strategia ta nie jest zwykle stosowana jako strategia wiodąca, ale stanowi
zapewnienie utrzymania ruchu w postaci monitorowania określonych parametrów, najbardziej
krytycznych obiektów.
Strategia według ilości wykonanej pracy posiada najbardziej niekorzystny wynik
analizy współczynników wykorzystania obiektu, wynikający z dużej „niegospodarności”
cyklu eksploatacyjnego. Jest to spowodowane przede wszystkim, „sztywnym” cyklem
określającym terminy i zakresy czynności obsługowych i naprawczych w oparciu o wartości
średnie statystyczne. Powoduje to, że według jednego szablonu obsługiwane mogą być
obiekty o zróżnicowanym stanie technicznym. Sytuacja taka jest spowodowana tym, że
rzeczywista trwałość danego typu obiektów eksploatacji jest różna w przypadku różnych jego
egzemplarzy. Wynika to z:
- zróżnicowania cech obiektów uzyskanych na etapie wytwarzania egzemplarzy,
- zróżnicowania obciążeń roboczych poszczególnych egzemplarzy obiektu,
- zróżnicowania oddziaływania obiektów technicznych z otoczeniem,
- zróżnicowania jakości wykonywanych kolejnych obsług i napraw.
Skutkiem powyższych zjawisk mogą być dwie sytuacje:
obiekt eksploatacji przechodzi w stan niezdatności przed terminem realizacji zadania
wynikającego z systemu obsługiwania planowo – zapobiegawczego i cyklu obsługowego.
Ponosi się w związku z tym konsekwencje i koszty wystąpienia uszkodzenia/awarii i w
większości przypadków także przestoju danego obiektu i obiektów od niego zależnych;
przedwczesna, w stosunku do rzeczywistego stanu, realizacja obsługi bądź naprawy, co
wiąże się z koniecznością wyłączenia z użytkowania obiektu technicznego i obiektów
zależnych oraz zbędną w danym momencie wymianę części zamiennych. Pociąga to za
sobą określone nakłady finansowe, które zwiększają ogólny koszt eksploatowania
obiektu. Poza tym, z powodu zastosowania stałych procedur działania w ramach cykli
obsługowych, klasyczny planowo - zapobiegawczy system obsługiwania nie wymusza
postępu technicznego i nie mobilizuje personelu obsługowego do podnoszenia swoich
kwalifikacji.
Pomimo opisanych wad i ograniczeń, strategia według ilości wykonanej pracy posiada
pozytywne cechy w zakresie możliwości wykorzystania jej jako głównej strategii
eksploatacyjnej przedsiębiorstwa. Skłaniają ku temu względy organizacyjno - ekonomiczne
związane z uporządkowaną, stabilną i przejrzystą działalnością organizacji utrzymania ruchu
nie wymagającą dużych nakładów finansowych (wyniki analizy w oparciu o model
ekonomiczny), co wynika z zasady, że lepiej i taniej jest zapobiegać niż naprawiać.
Podsumowując przedstawioną analizę porównawczą wybranych strategii
eksploatacyjnych można stwierdzić, że ze względu na określone wymagania i charakter pracy
maszyn i urządzeń, bardzo rzadko zdarza się aby w danym przedsiębiorstwie wszystkie
obiekty były eksploatowane z wykorzystaniem jednej strategii. Jest to możliwe tylko w
niewielkich przedsiębiorstwach o małej ilości i różnorodności obiektów. W większości
przypadków polityka eksploatacyjna przedsiębiorstwa jest kombinacją wszystkich lub
niektórych z wymienionych strategii, przy czym jedna z nich jest dominująca, a pozostałe
stanowią jej uzupełnienie.
2.5. EFEKTYWNOŚĆ EKSPLOATACJI MASZYN
Modele procesów eksploatacji obiektów technicznych umożliwiają podejmowanie
właściwych decyzji dotyczących urządzeń technicznych w zakresie niezawodności, trwałości
diagnozowania, genezowania, prognozowania, obsługiwania, użytkowania, a także
funkcjonowania systemów eksploatacji. Systemy eksploatacji oparte na tych modelach noszą
nazwę systemów dynamicznych, tzn. takich w których użytkowanie i obsługiwanie obiektów
technicznych jest zdeterminowane chwilowym stanem technicznym. System taki przynosi
następujące korzyści [20,39]:
polepsza dyspozycyjność obiektów i wydajność produkcji przez zminimalizowanie czasu
przestoju maszyn;
zmniejsza koszty obsługiwania i napraw obiektów;
przedłuża „życie” obiektów wiec zmniejsza wydatki na zakup nowych urządzeń;
racjonalizuje zatrudnienie w dziale utrzymania maszyn w ruchu;
zwiększa bezpieczeństwo.
Wymienione elementy mają istotny wpływ na efektywność funkcjonowania
przedsiębiorstw, jednostek budżetowych i innych systemów działania.
Efektywność działania można mierzyć stosunkiem uzyskanego efektu (wyniku) do
poniesionych nakładów na uzyskanie tego efektu:
N
WE f (2.25)
gdzie: Ef – miernik efektywności działania;
W – uzyskane efekty w wyniku działania;
N – poniesione nakłady na uzyskanie efektu.
Wśród wielu problemów towarzyszących podejmowaniu decyzji przez człowieka
jeden jest szczególnie istotny. Sprowadza się on do pytania: jak użyć posiadane środki, aby
osiągnąć zamierzony cel i uzyskać najlepsze efekty, jak racjonalnie gospodarować?
W zasadzie racjonalnego gospodarowania maksymalny sposób realizacji celu osiąga
się postępując w następujący sposób:
wariant I – zasada największego efektu (największej wydajności): przy danym nakładzie
środków N otrzymać maksymalny stopień realizacji celu W:
N
WE fw max (2.26)
N = const
W max
wariant II – zasada najmniejszego nakładu środków (oszczędności środków): do
uzyskania ustalonego stopnia realizacji celu W użyć minimalnego nakładu środków N:
N
fwN
WE max (2.27)
NN min.
W = const
Ogólnie można wyróżnić następujące kryteria oceny efektywności funkcjonowania
systemów działania [50]:
kryteria operacyjne – służące do oceny działania oraz stopnia osiągania zamierzonych
celów lub realizacji określonych potrzeb;
kryteria ekonomiczne – służące do oceny efektów dodatnich (korzyści) działalności
inwestycyjno-finansowej w systemie;
kryteria informacyjne – służące do oceny organizacji systemu i przebiegów procesów
informacyjnych oraz wyrażające, najogólniej wpływ systemu sterowania na działanie;
kryteria techniczne – służące do oceny jakości elementów i środków działania oraz
wyrażające, najogólniej, wpływ techniki na działanie;
kryteria eksploatacyjne – służące do oceny funkcjonowania elementów i środków
działania oraz wyrażające ich wpływ na zdolność systemu do bezawaryjnego
funkcjonowania w określonym czasie.
Mierniki efektywności funkcjonowania systemów działania mogą być wyrażone w
postaci wskaźników (stosunek dwóch wielości niejednorodnych), współczynników (stosunek
dwóch wielkości jednorodnych), a także w jednostkach naturalnych, których podstawą
ustalenia są fizyczne jednostki miar na przykład: objętości, ciężaru, czasu, powierzchni oraz
jednostkach wartościowych wyrażonych w postaci pieniężnej (np. jednostki fizyczne
pomnożone przez ceny). Pierwszą grupę mierników są mierniki czasu. Stanowią one
podstawę do oceny efektywności realizowanych procesów eksploatacji i oceny
funkcjonowania podsystemów systemu eksploatacji obiektów technicznych.
Mierniki czasu
1) wartość oczekiwana i odchylenie standardowe czasów przebywania obiektów w
wyróżnionych stanach, określone typem rozkładu i wartością jego parametrów;
2) sumaryczny czas Tip przebywania pojedynczego obiektu w wyróżnionym stanie
K
k
ijip tT1
(2.28)
3) średni czas ipT przebywania pojedynczego obiektu w wyróżnionym stanie:
K
k
ijip tK
T1
1 (2.29)
4) sumaryczny czas TiN przebywania N obiektów w wyróżnionym stanie:
N
n
K
k
nijiN tT1 1
(2.30)
5) średni czas iNT przebywania N obiektów w wyróżnionym stanie:
N
n
K
k
nijiN tKN
T1 1
1 (2.31)
6) sumaryczny czas T przebywania N obiektów w I stanach:
N
n
I
i
K
k
nijtT1 1 1
(2.32)
7) średni czas T przebywania N obiektów w I stanach:
N
n
I
i
K
k
nijtKIN
T1 1 1
1 (2.33)
gdzie: Kk ,1 - liczba wejść obiektu do stanu i;
Ii ,1 - liczba wyróżnionych stanów;
tij – czas przebywania obiektu w stanie i pod warunkiem, że stanem początkowym był stan j;
Nn ,1 - liczba obiektów technicznych;
8) wartości oczekiwane i odchylenia standardowe czasów pomiędzy tymi samymi stanami
procesu obsługiwania obiektów technicznych. Interpretacja tych zmiennych losowych
oznacza czas pomiędzy uszkodzeniami obiektów technicznych;
9) ciągi losowe wartości oczekiwanych i odchyleń standardowych czasów przebywania
obiektów w wyróżnionych stanach omawianych w punktach od 1 do 8
10) inne.
Współczynniki
Grupę współczynników stanowią mierniki decyzyjne sterowania eksploatacją
obiektów technicznych i obejmują one:
1) prawdopodobieństwa przebywania obiektów w wyróżnionych stanach określonych i
zinterpretowanych w punktach 5, 6 i 7;
2) sumaryczne prawdopodobieństwa przebywania obiektów w kilku wyróżnionych
stanach, na przykład współczynnik gotowości technicznej;
3) prawdopodobieństwa przejść obiektów pomiędzy wyróżnionymi stanami procesu
eksploatacji obiektów technicznych określone za pomocą macierzy prawdopodobieństw
przejść, opisanych w punktach 5, 6 i 7.
Mierniki wartościowe
Do mierników wartościowych wyrażonych w postaci pieniężnej wykorzystywanych w
sterowaniu eksploatacją obiektów technicznych zalicza się:
1) wartości oczekiwane i odchylenia standardowe dochodów z przebywania obiektów w
wyróżnionych stanach, określone typem rozkładu i wartością jego parametrów;
2) jednostkowy dochód di (zł/godz) wynikający z eksploatacji jednego obiektu
technicznego przypadający na jednostkę czasu, gdy obiekt ten znajduje się w
wyróżnionym stanie;
3) sumaryczny dochód Di uzyskany z eksploatacji pojedynczego obiektu technicznego w
przedziale czasu <0, t> w wyróżnionym stanie:
K
k
iijip dtD1
(2.34)
Przestrzeganie zasady racjonalnego gospodarowania w przedsiębiorstwie wymaga od
decydenta takich narzędzi, które umożliwiłyby mu szybką ocenę podejmowanych decyzji i
wybór rozwiązań najbardziej korzystnych.
Wybór najlepszego wariantu działania wymaga znajomości kryteriów optymalizacji
decyzji ekonomicznych. W praktyce gospodarczej za kryteria wyboru rozwiązań wielu
problemów decyzyjnych najczęściej przyjmuje się: maksymalizację produkcji, minimalizację
kosztów, maksymalizacje zysku. Wszystkie wymienione parametry ekonomiczne są ze sobą
ściśle związane.
Najwęższe jest kryterium maksymalizacji produkcji, ponieważ pozwala na
regulowanie i kierowanie jedynie podstawowymi i pomocniczymi procesami produkcyjnymi,
pozostawiając poza zasięgiem obserwacji nakłady materiałowo–energetyczne, problemy
zakupu materiałów, surowców, energii, siły roboczej oraz problemy sprzedaży wytworzonych
produktów.
Przyjęcie jako funkcji celu minimalizacji kosztów rozszerza pole decyzji o regulację
nakładów, ale poza jej oddziaływaniem pozostaje sprzedaż. Na podkreślenie zasługuje to, że
czynniki produkcji (np. materiały, praca ludzka, maszyny, urządzenia, części wymienne,
energia technologiczna itp.) zużyte w procesie produkcji i sprzedaży nazywamy kosztami.
Przyjęcie jako kryterium podejmowania decyzji – zysku pozwala uwzględnić
większość różnorodnych czynników mających zasadnicze znaczenie dla zarządzania
podmiotem gospodarczym.
Biorąc pod uwagę prace [20,39,41] wielkości: dochód, koszty i zysk można
przedstawić za pomocą wzorów:
Ii
ii
Ii
iii
p
TEp
TEpd
D*
*
(2.35)
Ii
ii
Ii
iii
p
TEp
TEpc
C*
*
(2.36)
Ii
ii
Ii
iii
p
TEp
TEpz
Z*
*
(2.37)
gdzie: *
ip – prawdopodobieństwo graniczne włożonego łańcucha Markowa;
E(Ti) – wartość oczekiwana zmiennej losowej oznaczającej czas przebywania obiektu w stanie i;
i I – liczba stanów procesu;
di, ci, zi – dochód, koszty, zysk na jednostkę czasu związane z przebywaniem obiektu w stanie i.
ppp ZCD ,, – prawdopodobny: dochód, koszty, zysk przypadający na jednostkę czasu eksploatowanego
w danym systemie obiektu technicznego.
Dodatni wynik finansowy przedsiębiorstwa na sprzedaży nazywa się zyskiem, a wynik
ujemny stratą. Zysk jest różnicą miedzy sumarycznym dochodem D przedsiębiorstwa, a jego
kosztami C sumarycznymi (własnymi):
Z = D – C (2.38)
Koszty całkowite systemu działania opisuje wzór:
C =Cdp + Cdl + Cds (2.39)
Cdl = Clz + Clt + Cld + Clo + Cle (2.40)
Cle = Co + Cu + Cp + Cd + Cz (2.41)
gdzie: Cdp – koszty działalności podstawowej (produkcji); Cdl – koszty działalności logistycznej; Cds – koszty
działalności systemowej (administracyjnej); Clz – koszty zasilania (zaopatrzenia); Clt – koszty transportu;
Cld – koszty dystrybucji; Clo – koszty ochrony środowiska; Cle – koszty eksploatacji obiektów technicznych;
Co – koszty obsługiwania; Cu – koszty użytkowania; Cp – koszty przechowywania; Cd – koszty diagnozowania;
Cz – koszty zarządzania.
Wstawiając (2.39) i (2.40) do (2.37) otrzymamy:
Z = D – (Cdp + Cds) – (Clz + Clt + Cld + Clo + Cle) (2.42)
Wyrażenie (2.69) pokazuje wpływ kosztów działalności podstawowej, systemowej,
logistycznej, w tym eksploatacji urządzeń technicznych na wynik finansowy
przedsiębiorstwa. Przyjmując za W D, zaś za Nn D otrzymamy dwie strategie
działania:
max
max
D
constC
C
DEs
(2.43)
constD
C
C
DEs
min
max
(2.44)
Strategia pierwsza (2.43) oznacza, że przy ustalonych kosztach systemu należy dążyć
do maksymalizacji dochodu, zaś strategia druga (2.44) nakazuje minimalizację kosztów
systemu przy ustalonych jego dochodach.
Podstawiając do (2.44) wyrażenia (2.38), (2.39) i (2.40) otrzymamy:
leloldltlzdsdp
SCCCCCCC
Z
C
CZE
1 (2.45)
Współczynnik ES określa efektywność funkcjonowania systemu działania. Zakładając
Z > 0, ze wzrostem kosztów C maleje wartość ES, zaś ze spadkiem C rośnie. Dla Z = 0,
D = C co oznacza, że przychód przedsiębiorstwa zrównoważył tylko jego koszty własne.
Jeżeli do wzoru (2.45) podstawimy wyrażenia (2.35) i (2.36) to uzyskamy:
Ii
iii
Ii
iii
P
PS
TEpc
TEpz
C
ZE
*
*
11 (2.46)
Wielkość SE można nazwać współczynnikiem efektywności wykorzystania obiektu
technicznego w przedsiębiorstwie.
Biorąc pod uwagę wzór (2.36) można wyprowadzić następujące współczynniki:
1. kosztów logistycznych obiektu:
Ii
iii
Ii
iiiil
lpTEpc
TEpc
C
Ck
*
*
(2.47)
gdzie: cii – jednostkowe koszty logistyczne związane z przebywaniem obiektu w stanie i; ci – jednostkowe
koszty całkowite związane z przebywaniem obiektu w stanie i; lC - prawdopodobne koszty logistyczne
przypadające na jednostkę czasu eksploatacji obiektu; C -koszty całkowite przypadające na jednostkę czasu
eksploatowanego w danym systemie obiektu technicznego;
2. kosztów eksploatacji obiektu:
Ii
iili
Ii
iii
dl
le
epTEpc
TEpc
C
Ck
*
*
(2.48)
3. syntetyczny współczynnik kosztów eksploatacji obiektu:
Ii
iii
Ii
iiile
esTEpc
TEpc
C
Ck
*
*
(2.49)
gdzie: leC - prawdopodobne koszty eksploatacji przypadające na jednostkę czasu eksploatowanego w danym
systemie obiektu technicznego.
Wyrażenia (2.45) do (2.49) stanowią kryterium optymalizacji lub funkcję kryterialną,
którą po ustaleniu współczynników można wykorzystać w badaniach symulacyjnych
optymalizacji i prognozowania kosztów eksploatacji obiektów technicznych.
Rozważając zagadnienia modelowania w klasycznym ujęciu inżynierii systemów,
należy zwrócić uwagę na to, że właściwe wykorzystanie modelu do rozwiązania praktycznego
problemu wymaga zwykle realizacji czasochłonnych i kosztownych badań naukowych, które
dostarczają wielu wyników bezpośrednio nieprzydatnych w realizacji konkretnego celu.
Ważne zagadnienie stanowi również adaptacja modelu do konkretnego zastosowania. Model
szczegółowy, nadmiernie rozbudowany, może być nieprzydatny lub mało użyteczny ze
względu na brak zdolności pozyskiwanych zbyt dopasowanych wyników do generalizacji.
Modelowanie procesów eksploatacji jest możliwe i efektywne przy wykorzystaniu
najnowszych dokonań wielu dziedzin nauki, skutecznie i szybko dostarczając informacji o
poprawności eksploatacji maszyn. Opracowanie skutecznych modeli, które dostarczają
informacji o zmieniającym się stanie maszyn, jest podstawą decyzji eksploatacyjnych i bazą
budowanych prostych i skutecznych modeli i strategii eksploatacyjnych.
…czytelnik ma dobrze,
on może wybierać sobie książki i autorów…
LITERATURA
1. Bendat J. S., Piersol A.G.: Metody analizy i pomiarów sygnałów losowych. PWN, Warszawa 1976.
2. Bishop R.D., Gladwell G.M., Michaelson S.: Macierzowa analiza drgań. PWN, Warszawa, 1972.
3. Borkowski W., Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych. WNT, Warszawa 1996.
4. Broch J.T.: Mechanical Vibration and Shock Measurements. Brüel & Kjaer, 1980.
5. Eykhoff P. : Identyfikacja w układach dynamicznych. BNInż. Warszawa.1980.
6. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, WNT Warszawa 1982.
7. Cempel C.: SVD Decomposition of symptom observation matrix as the help in a quality assessment of a
group of applications, Diagnostyka nr 35, PTDT Warszawa 2005.
8. Cempel C., Tomaszewski F.: Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. ITE Radom, 1992.
9. Giergiel J.: Drgania mechaniczne, Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków 2000.
10. Giergiel J., Uhl T.: Identyfikacja układów mechanicznych, PWN Warszawa 1990.
11. Jóźwiak J., Podgórski J.: Statystyka od podstaw, Polskie Wydawnictwa Ekonomiczne Warszawa 1997.
12. Kaczmarek J.: Podstawy teorii drgań i dynamiki maszyn. Wyższa Szkoła Morska, Szczecin 1993.
13. Kałaczyński T., Żółtowski M.: Badania i rozwój innowacyjnej gospodarki. AGRONEX, Bydgoszcz, 2011.
14. Łukasiewicz M.: Testowanie modalne przekładni zębatych – budowa modelu modalnego, Materiały IX
Międzynarodowego Sympozjum im. Prof. Cz. Kanafojskiego, Płock 2003.
15. Łukasiewicz M.: Badania diagnostyczne stanu technicznego silnika spalinowego metodą eksploatacyjnej
analizy modalnej, Diagnostyka nr 37, PTDT Warszawa 2006.
16. Łukasiewicz M.: Investigation of the operational modal analysis applicability in combustion engine
diagnostics. Journal of Polish CIMAC Diagnosis, Reliability and Safety vol. 3, nr 2 Gdańsk 2008.
17. Łukasiewicz M.: Investigation of the operational modal analysis and SVD applicability in combustion
engine diagnostics. Radom – Bydgoszcz – Borówno 2009.
18. Mantura W.: Organizacyjne i ekonomiczne aspekty diagnostyki technicznej. Diagnostyka maszyn. Pod
redakcją C. Cempla i F. Tomaszewskiego, CNEMT, Radom 1992.
19. Morrison F.: Sztuka modelowania układów dynamicznych, WNT, Warszawa 1996.
20. Niziński S.: Eksploatacja obiektów technicznych, ITE Radom 2002.
21. Niziński S., Michalski R.: Diagnostyka obiektów technicznych, ITE Radom 2002.
22. Niziński S., Żółtowski B.: Informatyczne systemy zarządzania eksploatacją obiektów technicznych,
Olsztyn – Bydgoszcz 2001.
23. Niziński S., Żółtowski B.: Zarzadzanie eksploatacją obiektów technicznych za pomocą rachunku kosztów,
Olsztyn – Bydgoszcz 2002.
24. Tylicki H.: Badanie ewolucji stanu maszyn. Diagnostyka, Vol..25 Warszawa 2001, str.13-20.
25. Tylicki H.: Redukcja informacji w rozpoznawaniu stanu maszyn. Diagnostyka, vol. 26, Olsztyn, 2002.
26. Knopik L.: Metoda wyboru efektywnej strategii eksploatacji obiektów technicznych. Rozprawa
habilitacyjna, UTP-WIM, Bydgoszcz 2011.
27. Tylicki H., Żółtowski B.: Rozpoznawanie stanu maszyn. ITE - PIB, Radom 2010 s.188.
28. Uhl T.: Komputerowo wspomagana identyfikacja konstrukcji mechanicznych. WNT, Warszawa 1997.
29. Uhl T., Lisowski W.: Eksploatacyjna analiza modalna i jej zastosowanie. AGH, Kraków 1999.
30. Woropay M.: Podstawy racjonalnej eksploatacji maszyn. ITE – ATR, Bydgoszcz – Radom 1996.
31. Żółtowski B.: Badania wibroakustyczne w pojazdach. Mechanika nr 33, ATR Bydgoszcz 1999.
32. Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn. Wydawnictwa ATR Bydgoszcz 1996.
33. Żółtowski B., Ćwik Z.: Leksykon diagnostyki technicznej, Bydgoszcz 1996.
34. Żółtowski B.: Badania dynamiki maszyn. Bydgoszcz 2002.
35. Żółtowski B., Cempel C.: Inżynieria diagnostyki maszyn. PTDT, Warszawa, Bydgoszcz, Radom 2004.
36. Żółtowski B., Łukasiewicz M.: Wibroakustyka maszyn w laboratorium, UTP, Bydgoszcz 2005.
37. Żółtowski B., Castaneda L.F.: Estudio de explotación de vehículos ferroviarios. EAFIT, Colombia, 2009.
38. Żółtowski B., Castaneda Heredia L.F.: Badania pojazdów szynowych. Transport. Wydawnictwo UTP,
Bydgoszcz, 2009 s.220.
39. Żółtowski B., Niziński S.: Modelowanie procesów eksploatacji. ITE - PIB, Radom 2010 s.211.
40. Żółtowski B., Castaneda Heredia L.F.: Basis del diagnostico tecnico de maquinas. EAFIT, Colombia, 2010.
41. Żółtowski B.: Podstawy diagnozowania maszyn. UTP, Bydgoszcz 2011.
42. Żółtowski B.: Metody inżynierii wirtualnej w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska
eksploatowanych maszyn. Wyd. UTP, Bydgoszcz 2012.