5.3. Основные показатели технического использования машин строительного комплекса, их количественная оценка

Известно, что одним из важнейших показателей качества машин и оборудования является надежность. Надежность и долговечность – это те показатели объекта, которые характеризуют его работу во времени, они определяют степень и характер изменений основных технических характеристик машин инженерного применения, происходящих в результате их эксплуатации.

Для современного машин и технологического оборудования также важен показатель безотказность работы. Поэтому свойство изделия безотказно работать в течение заданного времени (или эквивалентного ему заданного объема работы) в определенных условиях эксплуатации также важны. Это приводит к полной или частичной утрате работоспособности всей машины. Например, поломка пружины амортизатора, повышение температуры, падение точности дозировки горючего.

По мнению авторов данной работы, следует использовать уточненные определения некоторых показателей, они таковы.

Надежность – это комплекс свойств технической системы, определяющих её стабильный статус относительно других аналогичных или родственных работоспособных объектов и выделяющий данную продукцию своими высокими, отличительными эксплуатационными показателями.

Показатели надежности и долговечности изделия базируются на понятии работоспособности, уточненное и обобщенное определение которого, по нашему мнению, таково.

Работоспособность – это искусственно созданное внутреннее состояние объекта с запрограммированным поведением, при котором изделие стабильно выполняет наделенные ему функции в заданных условиях эксплуатации, с допустимыми отклонениями от установленных нормативных параметров.

Исследуя работоспособность машин строительного комплекса, следует различать два аспекта. Первый – это работоспособность собственно самой техники с её эксплуатационными функциями и системой обслуживания.

Второй аспект касается технологий изготовления машин, где применяют поточные методы производства со всеми их плюсами и минусами.

Заданные условия эксплуатации предусматривают регламентацию уровня внешних воздействий, а также методов технического обслуживания и ремонта, то есть система ремонта, затраты на ремонт и др. Допустимые отклонения от установленных параметров определяются техническими условиями на данное изделие.

Например, для оборудования, на котором делают машины, это заданные точность обработки и чистота обработанной поверхности, производительность оборудования, затраты времени и средств на его подналадку и ремонт, коэффициент полезного действия и другие показатели работоспособности.

Наличие в технических системах большого количества образующих её разнородных элементов приводит к уменьшению надежности машины, что вызвано применением в технике все более сложных комплексов, которые имеют наряду с механическими системами и электронные системы высокой сложности, например компьютеры. Все это может привести к меньшей надежности объекта.

Определение количественных показателей надежности производят с помощью трех методов: экспериментального, осуществляемого техническими измерительными средствами или на основе обнаружения и подсчета количества событий или объектов, выраженного целым числом; расчетного, осуществляемого при помощи вычислений с использованием значений параметров, найденных другими методами; комбинированного (экспериментального совместно с расчетным).

Одним из основных направлений оценки надежности является процесс эксплуатации машин. Существует также экспериментальная оценка надежности (испытания на надежность), которая является одним из обязательных этапов в процессе разработки и серийного выпуска промышленных изделий.

Напомним, что техническим ресурсом машины называется наработка всех систем и объекта в целом от начала эксплуатации или ее возобновлении после определенного вида ремонта до наступления предельного состояния.

Ранее указывали, что при эксплуатации строительная технологическая машина может находиться в одном из следующих состояний: исправном, неисправном, работоспособном, неработоспособном (непредельном) и предельном.

Исправным называют такое состояние строительной технологической машины, при котором она соответствует всем требованиям нормативно–технической документации. Если техническая единица не соответствует хотя бы одному требованию нормативно–технической документации, то она считается неисправной.

Работоспособным состоянием называют такое состояние машины, при котором техника соответствует тем требованиям к машине строительного комплекса, которые характеризуют его способность выполнять заданные.

Например, самоходный трехосный скрепер работоспособен, если он может выполнить функции набора, перевозки и выгрузки грунта качественно, в срок и без угрозы безопасности эксплуатации объекта.

С другой стороны, работоспособная машина–самосвал, перевозящая строительные грузы может быть неисправной, например, иметь пониженное давление масла в смазочной системе двигателя, ухудшенный внешний вид, но она выполняет свои функции.

Однако при несоответствии машины хотя бы одному из требований технического обслуживания, характеризующего её способность выполнять его транспортную работу, она считается неработоспособным.

Переход машины в неисправное, но работоспособное состояние называется повреждением (нарушение исправного состояния), а в неработоспособное состояние – отказом (нарушение работоспособного состояния).

Предельным состоянием строительной технологической машины называют такое состояние, при котором дальнейшее её применение по назначению недопустимо, экономически нецелесообразно либо восстановление его исправности или работоспособности невозможно или нецелесообразно.

Строительная технологическая машина переходит в предельное состояние, когда появляются неустранимые нарушения требований безопасности, недопустимо возрастают затраты на её эксплуатацию либо возникает неустранимый выход технических характеристик за допустимые пределы, или недопустимое снижение эффективности эксплуатации.

Приспособленность машины противостоять внутренним физико-химическим процессам, а также процессам, возникающим в результате вредных воздействий окружающей среды при выполнении технической системой своих функций, и приспособленность её к восстановлению своих первоначальных свойств определяется количественно, что оценивается с помощью показателей её надежности.

В соответствии с действующими в РФ нормативно – техническими документами надежность является одной из составляющих качества изделия. При этом в общем смысле под надежностью понимается свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих установленным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Надежность как свойство характеризует и позволяет количественно оценивать, во –первых, текущее техническое состояние машины и её составных частей, а во –вторых, насколько быстро происходит изменение их технического состояния при работе в определенных условиях эксплуатации.

С другой стороны, надежность связывают с безотказностью, под которой понимается свойство машины непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Показатели безотказности. Безотказность работы машины (оборудования) могут также характеризовать следующие показатели. Принято, что основным показателем надежности машин и оборудования является вероятность безотказной работы изделия P(t) в пределах заданного времени t =T.

Вероятность безотказной работы P(t) 1, которую можно назвать коэффициентом надежности (безразмерная величина), оценивает вероятность того, что за период времени Т при заданных режимах работы и условиях эксплуатации машины отказ не возникнет.

Время Т, в течение которого гарантируется установленное значение безотказной работы P(t), называется гарантированным сроком службы машины.

Отметим, что при оценке надежности машины важен факт прекращения нормального функционирования машины и не имеет значения время или средства, необходимые для восстановления утраченной работоспособности.

К основным показателям безотказности также относятся следующие.

Средняя наработка на отказ Тср – среднее значение времени работы между отказами.

Интенсивность отказов λ – отношение среднего числа изделий ∆N , отказавших в единицу времени ∆t, к числу изделий N, безотказно работающих в данный момент времени

λ = ∆N/ (∆t_*N). (5.1)

Параметр потока отказов ώ(t).

Надежность машины характеризует лишь одну сторону сохранения её работоспособности с течением времени, при этом не рассматривается длительности всех тех отказов, которые возникают при эксплуатации и влияют на его работоспособность.

К вычислению показателей можно подходить по – разному. Так, вероятность безотказной работы – вероятность того, что в пределах заданной наработки не возникает отказ. Поэтому вероятность безотказной работы Q(t) это средняя наработка до отказа Т₁.

Наработка – это продолжительность работы технической системы или её составной части, выражаемая обычно для автомобиля в километрах пробега или в часах работы. При этом под наработкой подразумевается продолжительность или объем работы объекта, измеряемые в часах, километрах, кубометрах или других единицах.

Большинство величин показателей надежности выражается в виде наработки. Измеритель наработки выбирается в соответствии с требованиями к точности оценки показателей, техническими возможностями измерений и возможностями оценки взаимосвязи отдельных элементов, удобства планирования работ по ремонту, расчета запасных частей и прочие.

Средняя наработка до отказа – математическое ожидание наработки машины или агрегата до первого отказа.

Гамма – процентная наработка до отказа – наработка, в течение которой отказ машина (её составной части) не возникнет с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Средняя наработка на отказ – отношение наработки и математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки.

Таким образом, безотказность оценивают показателями:

– интенсивностью отказов;

– параметрами потока отказов;

– наработкой на отказ Т₀.

Определение показателей безотказности позволяет прогнозировать выход машины и её составных частей из строя и планировать расход запасных частей, а также оптимизировать периодичность и номенклатуру работ по его техническому обслуживанию и ремонту.

Показатели долговечности. Основными показателями долговечности являются:

– гамма – процентный ресурс Ry;

– средний ресурс Rср назначенный ресурс;

– средний ресурс между текущими (капитальными) ремонтами Rт.р и Rк.р;

– средний ресурс до списания R_ам, средний ресурс до текущего ремонта;

– гамма – процентный срок службы; средний срок службы;

– средний срок службы между текущими (капитальными) ремонтами;

– средний срок службы до текущего (капитального) ремонта;

– средний срок службы до списания.

Средний ресурс – математическое ожидание ресурса.

Ресурс – это наработка дорожной и строительной машины или их агрегатов от начала или возобновления его эксплуатации после ремонта до перехода в предельное состояние.

Гамма–процентный ресурс – наработка, в течение которой машина (её составная часть) не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Средний срок службы – математическое ожидание сроки службы.

Срок службы – это календарная продолжительность от начала или возобновления эксплуатации строительной машины или её агрегата после ремонта до перехода в предельное состояние.

Гамма–процентный срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации машины строительного комплекса или его составной части, в течение которой она не достигнет предельного состояния с заданной вероятностью, выраженной в процентах.

Долговечность – это свойство изделия сохранять работоспособность в течение всего срока службы, поэтому срок службы ограничивается физической стойкостью изделия или экономическими факторами. Так, для машин строительного комплекса это либо время до капитального ремонта, либо весь период эксплуатации машины до её морального износа.

С другой стороны, долговечность машин характеризует их способность выполнять свои рабочие функции с минимальными затратами на замену износившихся деталей, подналадку, ремонт и обслуживание. Чем меньше суммарные затраты времени и средств, идущих на восстановление работоспособности машины в течение всего периода её эксплуатации, тем выше её долговечность. Показателем долговечности работы машины может также служить коэффициент долговечности , который равняется отношению времени фактической работы к суммарному времени работы и простоев в ремонте

^, (5.2)

где – время работы объекта за весь период эксплуатации;

– суммарное время простоев машины по причине отказов (ремонт, регулировки) за весь период эксплуатации.

Коэффициент долговечности (коэффициент технического использования) является безразмерной величиной , и чем выше его значение, тем долговечнее машина. Коэффициент долговечности численно равен вероятности того, что в данный произвольно взятый момент времени машина работает, а не ремонтируется. Простои машин, снижающие его долговечность, вызываются различными причинами, но, в первую очередь, выходом из строя некоторых деталей, потерей работоспособности передач и механизмов, изменением начальных служебных характеристик машины (мощности, виброустойчивости).

Потеря долговечности и надежности обусловлена в основном медленно протекающими процессами, которые приводят к выходу из строя (отказам) отдельных узлов и элементов.

Надежность и долговечность не идентичные понятия, они отражают разные стороны одного явления. Так, карьерный самосвал для вывоза щебня может быть надежным, но не долговечным из – за постоянных экстремальных перегрузок. Это характерно также для случаев, когда объект с высокой степенью безотказности работает заданный период времени, а затем выходит из строя из–за износа узлов двигателя. При этом на восстановление его работоспособности затрачивается много времени и средств, то есть машина имеет высокое значение коэффициента надежности P(t) и низкое значение коэффициента долговечности .

Однако время, которое затрачивается на восстановление работоспособности машин невелико. Оно требуется, например, для быстрой замены недорогой детали, выходящей из строя. Малы также и другие затраты на ремонт. В этом случае машина имеет низкое значение коэффициента надежности и высокое значение коэффициента долговечности.

Таким образом, показатели надежности и долговечности машины связаны со сроками службы ее деталей и элементов, при этом показатели долговечности позволяют нормировать ресурсы и сроки службы машин строительного комплекса и их агрегатов.

Рассмотрим свойства машин связанные с ремонтопригодностью.

Показатели ремонтопригодности. К числу простейших свойств, определяющих ремонтопригодность машин, относятся: доступность, контролепригодность, легкосъемность, взаимозаменяемость, блочность и агрегатирование, унификация, количество смазываемых точек и прочие.

Доступность характеризуется рядом факторов, к которым относят возможность исполнителя производить ремонтные работы в заданных местах зоны машины, подлежащей ремонту. При этом должны быть возможность осмотра рабочего места с достаточной отчетливостью, исключение работы на ощупь, удобство использования инструмента.

Доступность проявляется также в эргономике ремонтного процесса, в пригодности машины для выполнения операции по обслуживанию и ремонту с минимальными объемами дополнительных работ, например, открытие и закрытие люков, монтаж и демонтаж установленных рядом узлов и др.

Контролепригодность характеризует возможность контроля технического состояния машины и её элементов при профилактических мероприятиях, а также поиске отказавшего элемента или причины неисправности с помощью специальных методов и средств.

Требуемая контролепригодность обеспечивается предусмотрением возможности подключения диагностической аппаратуры, установки индикаторов давления и температуры внутренней среды агрегатов, индикаторов загрязненности фильтров и другое.

Легкосъемность означает пригодность агрегата или узла к замене с минимальными затратами времени и труда при его (де)монтаже. Она определяется системой крепления узлов и деталей, конструкцией разъемов, массой и габаритами съемных элементов машины.

Взаимозаменяемость узлов и элементов характеризуется объемами пригоночных работ при установке однотипных элементов.

Блочность и агрегатность характеризуют возможность демонтажа и монтажа на машину узла или агрегата как единого целого без предварительной разборки его или смежного с ним узла.

Унификация целесообразна с позиции эксплуатации машина, ибо она должна быть унифицирована не просто с какими–либо другими машинами, а в первую очередь с теми, которые по своему назначению могут и должны использоваться по назначению. Это не только упрощает и удешевляет техническое обслуживание и ремонт, но и сокращает номенклатуру подлежащих складскому хранению запасных частей, уменьшает перечень потребного оборудования и возможность широко применять удачные разработки повсеместно, в различных технических системах.

Основными показателями ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности являются средняя продолжительность и средняя трудоемкость выполнения технического обслуживания или ремонта определенного вида, которые используют при нормировании работ и сравнении между собой различных строительных технологических машин.

Для характеристики ремонтопригодности и эксплуатационной технологичности используется также ряд частных показателей, определяющих влияние конструктивных особенностей машины на трудоемкость и продолжительность её обслуживания и ремонта.

К ним относятся, например, количество мест обслуживания на автомобиле–самосвале и их доступность, число марок применяемых эксплуатационных материалов, номенклатура необходимого оборудования и инструментов.

Таким образом, можно дать еще одно определение: – ремонтопригодность это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и устранению отказов путем проведения ремонта и обслуживания. Ремонтопригодность это своего рода вероятность восстановления в заданное время; поэтому есть важный показатель ремонтопригодности –среднее время восстановления Т_в.. Другими показателем являются – время восстановления и заданное время.

Показатели сохраняемости. Напомним, что под сохраняемостью понимают свойство машины или её составной части непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние, то есть значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение хранения и после него и (или) при транспортировании.

Обычно сохраняемость характеризуется гамма–процентным сроком сохраняемости и средним сроком сохраняемости.

Итак, основным показателям сохраняемости являются средний срок сохраняемости – это математическое ожидание срока сохраняемости машины или её составной части.

Срок сохраняемости – это календарная продолжительность хранения и транспортирования машины или её составной части, в течение которой сохраняются значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в установленных пределах.

Суждение о надежности машины, ее узлов и деталей должно основываться на комплексе показателей, характеризующих все свойства, составляющие надежность объекта. Однако относительная значимость отдельных простых свойств для различных типов машин может быть не одинаковой. При этом к выявлению весомости отдельных свойств следует подходить, в первую очередь, с точки зрения общественной потребности.

К основным комплексным показателям надежности строительных и дорожных машин также относятся ряд коэффициентов, в том числе коэффициенты готовности и технического состояния.

Коэффициент готовности – это вероятность того, что машина окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых его использование по назначению не предусмотрено.

Укажем комплексные показатели:

– коэффициент готовности K_г;

– коэффициент технического использования;

– коэффициент оперативной готовности;

– средняя суммарная трудоемкость технического обслуживания 3_{ТР ТО};

– удельная суммарная трудоемкость технического обслуживания – З_ТР._Т0;

– средняя суммарная трудоемкость ремонтов – З_ТР.Р;

– удельная суммарная трудоемкость ремонтов – З_ТР._Т;

– средняя суммарная стоимость технического обслуживания – З_Т.О;

– удельная суммарная стоимость технического .обслуживания – З_ТР._Т.₀ ;

– средняя суммарная стоимость ремонтов – З_Р ;

– удельная суммарная стоимость ремонтов – З_УР.

Коэффициент технического использования – отношение математического ожидания интервалов времени пребывания машины в работоспособном состоянии за определенный период эксплуатации к сумме математических ожиданий интервалов времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтов за тот же период эксплуатации.

Таковы особенности оценки состояния машин строительного комплекса, находящихся в процессе эксплуатации, с применением показателей технического использования машин и количественной оценкой.

Укажем на несколько иной подход в представлении вышеуказанных терминов, но под другим углом зрения, хотя и близким.

Для машин каждую составляющую надежности можно рассматривать для двух состояний, называемых характеристическими.

Для безотказности и ремонтопригодности характеристическими состояниями будут состояние работоспособности и альтернативное ему состояние отказа или состояние утраты работоспособности.

Это не меняет сути термина «работоспособность», под которым понимают состояние объекта, при котором он выполняет заданные функции, сохраняя значения заданных нормативных параметров в пределах, установленных нормативно–технической документацией, но дает новый подход.

По аналогии, как для безотказности, так и для ремонтопригодности может быть установлено не одно, а несколько пар характеристических состояний. При этом для изделия задается соответственно несколько показателей безотказности и ремонтопригодности.

Для сохраняемости характеристическими будут:

– состояние работоспособности при условии, что изделие имеет обусловленные технической документацией уровни безотказности, ремонтопригодности и долговечности;

– состояние отказа или состояние работоспособности при несоответствующих техническим условиям уровнях безотказности, ремонтопригодности или долговечности.

Для долговечности характеристическими являются:

– так называемое предельное состояние – состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация либо технически невозможна, либо экономически нецелесообразна;

– состояние, альтернативное предельному.

Для неремонтируемых изделий предельное состояние совпадает с состоянием отказа. У наиболее простых восстанавливаемых изделий предельное состояние практически определяется числом восстановлений и замен деталей, после которых дальнейшая эксплуатация технической системы невозможна или нецелесообразна.

Иногда предельное состояние определяется так называемым фактором морального старения. Изделие, являющееся технически пригодным для эксплуатации, может оказаться неэффективным вследствие появления новых изделий того же функционального назначения с лучшими характеристиками.

Рассмотренные составляющие надежности являются достаточно разными по своей природе техническими характеристиками изделия и в зависимости от условий эксплуатации могут выполнять разную роль.

Однако общей отличительной чертой перечисленных составляющих является то, что каждая из них теснейшим образом связана с некоторой случайной величиной, имеющей размерность времени.

Для безотказности такой случайной величиной является время Т безотказной работы (время непрерывной работы изделия от начала функционирования до отказа или время работы между отказами);

– для ремонтопригодности – время восстановления работоспособности изделия после отказа (длительность ремонта);

– для сохраняемости – время сохранения изделием своих технических характеристик и показателей (в том числе свойств безотказности, ремонтопригодности и долговечности) в условиях хранения;

– для долговечности – время от начала эксплуатации изделия до наступления некоторого заранее обусловленного предельного состояния.

Указанное общее свойство четырех составляющих надежности определяет единство способов их количественного описания. Так как составляющие надежности связаны со случайными величинами, основным математическим аппаратом теории надежности является теория вероятностей.