Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ 13
1.1. Обзор и анализ методов обеспечения машин массового
производства запасными частями 14
1.1.1. Обзор методов обеспечения рабочего элемента
запасными элементами 17
1.1.2. Обзор методов обеспечения технических систем
запасными частями 20
1.2. Характеристика производственных процессов ремонта как систем массового обслуживания. Обзор систем
массового обслуживания 36
-
Многолинейные системы обслуживания 39
-
Многофазные системы обслуживания 46
1.3. Общая характеристика процессов, моделирующих работу
машин и производственные процессы ремонта 52
1.4. Задачи исследования 54
2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПОВТОРЯЮЩИЕСЯ ПРОЦЕССЫ 56
2.1. Показатели последовательных процессов 56
-
Суммарная длительность процессов 5 8
-
Распределение числа процессов, закончившихся
в течение отведенного времени 61
2.2. Прогнозирование состояний последовательности процессов 64
-
Метод прогнозирования состояний процесса и расчета показателей состояний с использованием условных вероятностей 64
-
Одностадийный повторяющийся процесс 70
-
Двухстадийный повторяющийся процесс 7 8
-
Трехстадийный повторяющийся процесс 88
-
Реализация метода на ЭВМ 96
-
Выводы к главе 2 99
3. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ 102
3.1. Параллельные процессы без возобновления 102
-
Расчет длительности до завершения п процессов 103
-
Расчет показателей параллельных процессов
с использованием метода условных вероятностей 107
3.2. Параллельные процессы с возобновлением
без учета времени восстановления 121
-
Параллельные процессы без ограничения отведенным временем 122
-
Параллельные процессы с ограничением отведенным временем 138
-
Параллельные процессы с учетом времени восстановления 140
-
Результаты проверки метода условных вероятностей 144
-
Параллельные процессы без возобновлений 144
-
Параллельные процессы с возобновлениями 147
-
Параллельные процессы с учетом времени восстановления 152
3.5. Выводы к главе 3 153
4. НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ С ЗАПАСНЫМИ
ЧАСТЯМИ 154
4.1. Одиночный элемент с запасом 155
4.1.1. Показатели, характеризующие надежность
восстанавливаемого элемента без учета времени его замены 156 АЛ.2. Показатели, характеризующие надежность
восстанавливаемого элемента с учетом времени его замены 161
4.1.3. Выбор числа запасных элементов 163
4.2. Независимые элементы с групповым запасом 165
4.2.1. Показатели, характеризующие надежность
восстанавливаемых элементов без учета времени их замен 166
4.2.2. Показатели, характеризующие надежность
восстанавливаемых элементов с учетом времени их замен 177
4.3. Системы без избыточности 184
-
Система с индивидуальным запасом элементов 184
-
Система с групповым запасом элементов 198
-
Система с индивидуально-групповым запасом элементов 206
-
Расчет количества запасных частей для одиночной системы 211
-
Расчет количества запасных частей для группы систем 214
-
Системы с избыточностью 215
-
Общие замечания по расчету запасных частей 220
-
Выводы к главе 4 223 5. СИСТЕМЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ КАК МОДЕЛИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ РЕМОНТА 227
5.1. Системы обслуживания с непрерывной загрузкой 227
5.1.1. Многолинейная система обслуживания 228
-
Показатели функционирования системы 229
-
Определение оптимального или рационального числа рабочих мест для обслуживания z объектов
в течение отведенного времени 231
5.1.1.3. Длительность обслуживания объектов 233
5.1.2. Многофазная система обслуживания 240
-
Исследование системы методом условных вероятностей 240
-
Расчет длительности производственного цикла 256 5.2. Системы обслуживания с периодической загрузкой 258
-
Многолинейная система обслуживания 259
-
Предельные показатели многолинейной системы обслуживания 262
-
Многофазная система обслуживания 270
5.3. Выводы к главе 5 273
6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ 274
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 284
ЛИТЕРАТУРА 287
ПРИЛОЖЕНИЯ 314
Введение к работе
Эффективная эксплуатация сельскохозяйственной техники невозможна без технического сервиса, одной из важнейших задач которого является восстановление работоспособного состояния машин как путем устранения последствий отказов во время эксплуатации, так и ремонтом на предприятиях технического сервиса. В первом случае рассматривается способ устранения последствий отказов путем замены отказавшей детали, узла, агрегата запасными частями. Причиной выделения этой задачи является тот факт, что более 70% последствий отказов в эксплуатации устраняется с использованием запасных частей. Простои машин из-за отсутствия последних приводят к большим потерям урожая из-за нарушения оптимальных агротехнических сроков выполнения почвообрабатывающих, посевных, уборочных работ.
Особенностью расчета надежности машин сельскохозяйственного назначения является то, что машины используются не круглогодично и длительность их использования случайна; узлы и детали, составляющие машины, подвержены старению. Из многообразия стратегий обеспечения техники запасными частями выделяется организация группового запаса деталей, узлов, агрегатов, осуществляемая небольшим количеством предприятий агротехнического снабжения.
Нетривиальный характер производственного процесса ремонта обусловлен большим разнообразием дефектов деталей и узлов, что, в свою очередь, определяет такое же большое разнообразие форм организации ремонтного производства, а также случайный характер длительности как отдельных операций обработки, так и процесса ремонта в целом.
Задача расчета надежности систем по формальным признакам и используемым моделям близка к задачам исследования производственных процессов как систем массового обслуживания; исходные длительности работы и восстановлений системы, обработки изделий на рабочих местах носят случайный характер.
Обзор исследований, посвященных восстановлению работоспособности элементов в технических системах, показал, что различные решения получены при значительных допущениях и не могут удовлетворять практику. Недостаточно изучены системы обслуживания, моделирующие производственные процессы ремонта с произвольным распределением входящих в модель длительностей. Во многих решениях предполагается экспоненциальное распределение наработок между отказами и временем устранения последствий отказов. Это противоречит физической природе деталей, составляющих машину, так как детали во время работы изнашиваются, стареют, и их остаточная наработка до отказа тем меньше, чем больше они к некоторому моменту проработали. В подавляющем большинстве случаев исследуется только стационарное поведение, как производственных процессов, так и эксплуатирующихся машин без достаточного обоснования этого допущения. Наиболее исследованная в литературе задача оптимального резервирования - это задача функционирования одной системы с резервом, тогда как в современных условиях несколько предприятий агротехнического снабжения обеспечивают запасными частями большой регион, организуя тем самым групповой запас деталей, узлов, агрегатов.
Современная ситуация, то есть расширение и углубление рыночных отношений в стране, приводит к многообразию как стратегий обеспечения техники запасными частями, так и форм организации ремонтного производства. Рекомендуемый ГОСТом 27.301-95 для таких случаев метод статистического моделирования имеет два существенных недостатка. Первый и, на наш взгляд, главный недостаток заключается в том, что приемы ста- тистического моделирования не поддаются формализации, что не позволяет создать единой методики построения алгоритмов статистического моделирования [181]. На практике это отражается в высокой сложности, а порой и невозможности создания таких алгоритмов [230]. Вторым важным недостатком является плохая обозримость модели и вытекающая из этого трудность поиска оптимальных решений [21].
Использование более адекватных моделей для получения характеристик надежности технических средств, обеспечиваемых запасными частями, и характеристик производственного процесса ремонта приводит к системам дифференциальных, интегральных, интегро-дифференциальных уравнений. Задачи этого класса характеризуются вычислительной неустойчивостью.
Учет вышеперечисленных особенностей функционирования технических и производственных систем в аналитических моделях и методах, не использующих сложные математические преобразования для расчета характеристик систем, позволит более обоснованно проводить мероприятия по повышению эффективности функционирования сельскохозяйственной техники и производственных процессов ее ремонта.
В связи с вышеизложенным была сформулирована следующая цель исследования - повышение эффективности функционирования сельскохозяйственной техники и производственных процессов ее ремонта путем управления структурами производственных процессов и машин, выбором стратегий обеспечения последних запасными частями, что достигается использованием новых аналитических методов описания случайных процессов.
Объект исследования - процессы использования машин сельскохозяйственного назначения и их схемное исполнение, а также структуры ремонтного производства.
Предмет исследования - взаимосвязи показателей: надежности технических средств с их структурой и стратегиями обеспечения запасными частями; функционирования производственных процессов ремонта, рассматриваемых как системы обслуживания, с их структурой.
Научная новизна. Разработан комплекс новых методов и моделей, которые не накладывают ограничений на законы распределения наработок до отказа, времени восстановления, обслуживания, длительности работы машин, производственных процессов. При создании моделей функционирования технических и производственных систем учитывался непрерывный характер таких случайных величин, как наработка до отказа, время восстановления, обслуживания (ремонта) и дискретный характер чисел отказов, восстановлений, обслуживании, происшедших за некоторое время.
Разработанный для непрерывных случайных величин метод условных вероятностей отражает сущность процессов, протекающих при работе технических и производственных систем: разделение множества однотипных систем на подмножества в результате отказов составляющих их элементов, замены элементов запасными или завершения обработки объекта на рабочем месте, окончания отведенного времени. Метод позволяет вычислять показатели, которые характеризуют надежность систем с избыточностью и без избыточности, обеспечиваемых индивидуальным, групповым и индивидуально-групповым запасами.
Разработана математическая модель спроса и предложения, характеризуемая совокупностью искомых показателей: обеспечиваемый и не обеспечиваемый спрос, используемое и неиспользуемое предложение. Модель позволяет: 1) вычислять показатели и определять оптимальное число рабочих мест многолинейной системы обслуживания с непрерывной загрузкой; 2) учитывать при решении оптимальных задач создания запасов и организации производственных процессов нелинейную зависимость соответствующих стоимостей от количественных характеристик систем; 3) вы- числять ряд характеристик надежности деталей и узлов сельскохозяйственной техники с запасными частями.
Для многофазных систем с непрерывной загрузкой предложены соотношения для расчета средних величин: длительности производственного цикла, времени обслуживания группы объектов, времени ожидания обслуживания объектом. Для многолинейных систем с периодической загрузкой методами теории восстановления получены предельные показатели систем.
Практическая значимость работы. Разработанные методы и модели позволяют снизить требования к исходной информации в части реализации непараметрического подхода, что, в конечном итоге, приводит к снижению вычислительных погрешностей.
Созданы методики расчета: наработки до отказа технического средства с запасными элементами; методика предназначена для: определения достигнутого (ожидаемого) уровня надежности, расчета количества запасных частей, проверки эффективности различных мер по повышению надежности; оптимального числа рабочих мест многолинейной системы обслуживания с непрерывной загрузкой; количества запасных частей с учетом старения заменяемых элементов.
Все методики разработаны для практических ситуаций: 1) произвольно распределенных времени обслуживания объекта, наработок до отказа основных и запасных элементов; 2) как кратковременного, так и длительного временного периода (детерминированного или случайного), для которого производится расчет.
Снятие ограничений на законы распределений наработок элементов системы до отказа обеспечивает уменьшение погрешности расчета средней наработки до отказа системы с групповым запасом на 13%...50% по срав- нению с необоснованно часто используемым экспоненциальным распределением
Использование разработанных методов при расчете потребности в запасных частях позволяет снизить их количество в два и более раз по сравнению с общепринятой аппроксимацией потока отказов распределением Пуассона.
Результаты работы рекомендуются к использованию на заводах автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения, предприятиях агротехнического снабжения, сельскохозяйственных предприятиях, в НИИ, вузах.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на: Всесоюзной конференции по математическому и машинному моделированию (Воронеж, 1991); зональной конференции «Расчет и управление надежностью больших механических систем» Уральского отделения АН СССР (Екатеринбург, 1992); V секции «Система машин и механизмов в агропромышленном производстве» выездного заседания Президиума Рое-сельхозакадемии (Челябинск, 1998); научных конференциях ЧГАУ (ЧИ-МЭСХ) (Челябинск, 1990-2000), ЧИ МГУК (Челябинск, 2001г., 2002г.); VI и VII международных научно-практических конференциях «Интеграция экономики в систему мирохозяйственных связей» (С.-Петербург, 2001г., 2002г.); II Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (летняя и зимняя сессии, 2001г., весенняя и осенняя сессии, 2002г.).
По основным направлениям исследования опубликовано 39 научных работ.
Результаты исследований использованы ВНИИНМАШем при разработке MP 41-82. «Надежность в технике. Методы оценки надежности технических систем с учетом внешних и внутренних отказов». Разработанные по результатам исследований методические указания с программным обеспечением внедрены в ГОСНИТИ, на Челябинском автоматно-меха-ническом заводе, ФГУП ЧРЗ «ПОЛЕТ», УралНИИС НАТИ, НТЦ-НИИ-
ОГР, ЗАО «Автотехснаб», приняты в систему оценки качества тракторов (ГосНИИПТ).
Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 294 наименований и содержит 286 страниц основного текста, 73 рисунка, 68 таблиц.
В главе 1 дано обоснование направления исследований, обзор и анализ методов обеспечения технических средств запасными частями, а также систем массового обслуживания, моделирующих производственные процессы ремонта. Дана классификация исследуемых случайных процессов, как последовательных и параллельных.
В главе 2 рассмотрены показатели последовательных, а в главе 3 - параллельных процессов. Также в главах 2 и 3 изложен метод расчета характеристик последовательных и параллельных процессов, непрерывных во времени и дискретных по состояниям при произвольном распределении длительностей составляющих их частных процессов - метод условных вероятностей. Приведены результаты проверки метода.
В главе 4 для одиночных и групп элементов и систем, обеспечиваемых запасными частями, определены показатели, характеризующие их надежность. Показано применение показателей для расчета количества запасных частей.
В главе 5 показано применение разработанных: системы показателей, модели спроса и предложения, метода условных вероятностей для исследования систем обслуживания, моделирующих производственные процессы ремонта, а также получены некоторые частные решения: расчет средних показателей производственного цикла, предельные показатели многолинейной системы обслуживания.
