РАСЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Худошин А.А., Топоров А.А.

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Источник: Материалы доклада

       Существующие методики расчета показателей надежности и безопасности технических систем [1,2] в основном основаны на статистическом подходе, когда прогноз состояния выполняется при достаточном количестве информации с однотипных технических объектов.
       В условиях отечественных промышленных предприятиях отсутствует эффективное накопление информации об эксплуатации систем. Соответствующая информация о ремонтах, поломках, отказов, причин и вида разрушений имеется, но не систематизирована. Статистический подход при всех достоинствах не позволяет учитывать условий работы конкретной единицы оборудования, результаты ремонтных воздействий на систему, замены элементов, усиления модернизации.
       Все это вызывает необходимость создания информационной системы позволяющей накапливать и обрабатывать информацию об изменения свойств технической системы в процессе эксплуатации и ремонтов. Обработка информации позволяет не только прогнозировать состояние каждого элемента конкретной технической системы в заданный момент времени, но и определять состояние технической системы в целом.
       В процессе жизненного цикла технической системы, изменяется свойства ее элементов [3], причинами которого является износ в парах трения, коррозия под действием внешних и рабочих сред, а также изменение физико-механических и химических свойств материалов вследствие неоднородности структуры материала, внутренних напряжений, пониженных и пониженных температур, давления и т.д. т.е. деградации системы.
       Анализ показывает, что изменение свойств элементов и связей в конечном итоге приводит к изменению «геометрии» элементов системы, а изменение свойств материала к изменению скорости деградации. На практике, контроль состояния технической системы сводится к мониторингу «геометрии» элементов системы.
       Выполняя такой мониторинг необходимо знать начальные и предельные значения параметров элементов систем. Введем понятие сопрягаемых и несопрягаемых элементов. Для сопрягаемых элементов предельное значение параметров определяются из допусков на его изготовление и эксплуатацию. Для несопрягаемых параметров предельное значение задается из условий прочности, жесткости и т.д.
       Значение параметра элемента в начальный момент времени принимаем за 100%, предельное значение параметра соответствует ремонтному размеру.
       Для оценки состояния всей системы введем критерий основанный на метод сравнения объектов «ПАУК-ЦИС» [4] (аббревиатура "ЦИС" образована от названия Центрального Института Сварки, в котором этот метод был разработан).
       Метод «ПАУК-ЦИС» представляет собой наглядную диаграмму, построенную в полярных координатах. Оси, на которых отмечаются значения параметров, направлены по радиусам от центра окружности к периферии. На рисунке 1а приведен пример, поясняющий этот метод. Он позволяет провести сравнение объектов по одинаковым параметрам, которыми характеризуются объекты.

Рисунок 1 – К расчету изменения параметров элемента системы
1 – начальное состояние элемента системы; 2 – текущее состояние элемента системы; 3 – предельное состояние элемента технической системы.

      Все данные откладываются на графике в процентах, в начальный момент времени, каждый параметр равен 100%. Стоится фигура, которая будет отвечать допустимому состоянию элемента технической системы. Эта фигура строится по минимальным величинам каждого из параметров. Данные о параметрах должны поступать с работающего объекта и отмечаться на графике, что и будет соответствовать текущему состоянию элемента системы. Следовательно, при пересечении фигурой 2 хоря бы в одной точке фигуру 3 следует произвести ремонт или предпринять меры по восстановлению параметра.
      Площадь фигуры 1 – 100% ресурс, площадь фигуры 3 – минимальный ресурс элемента технической системы (эксплуатация оборудования не рекомендуется). Расчет состояния элемента технической системы следует по ниже предложенной методике.
      Вводимые ограничения и допущения:
             1. количество контролируемых параметров для одного элемента технической системы должно быть не меньше двух;
             2. контролируемый параметр должен иметь количественную оценку;
             3. параметр откладывается на оси графика в процентном выражении;
      Со всеми принятыми допущениями видно, что расчет площади сводится к определению площади треугольников с дальнейшим их суммированием. В начальный момент времени когда все параметры откладываются на осях графика единичными отрезками, получаемая фигура и ее площадь рассчитывается как правильный многоугольник (рисунок 1б).
      Площадь многоугольника или начальное состояние элемента вычисляется по формуле:

где       CH – площадь правильного многоугольника
            n – количество параметров
            R – радиус описанной окружности многоугольника и равен единичному отрезку отложенному на осях графика
             Sc - площадь допустимого многоугольника, вычисляется по формуле:

            a - центральный угол вычисляется по формуле:

      Площадь начального многоугольника будет эталонной и предполагается, что все параметры находятся в пределах нормы. Площадь а соответственно состояние и ресурс равняется 100%.
      Дальнейшее изменение параметров влечет за собой изменение вида графика и вычисляются площадь многоугольника как сумма площадей треугольников по формуле:

где ui – величина параметра;
      Следовательно площадь многоугольника или фактическое состояние объекта вычисляется по формуле:

      Разности показателей СН и СФи будет называться параметром деградации

D = СН - (СФ - Sc)

      В результате получаем значение параметра деградации, т.е. насколько элемент технической системы изменил свои свойства (%) за определенный промежуток времени.
      После определения состояния каждого элементов системы выполняется оценка всей системы в целом с учетом связей, для чего требуется разработка соответствующих критериев.
      Накопление информации в настоящее время проводится с помощью СУБД (системы управления базами данными), а сбор данных как автоматически с использованием микроконтроллеров и датчиков, так и занесением в базы данных операторами. Использование компьютерных систем значительно снижает трудоемкость и увеличивает скорость расчета фактического состояния технических систем.

Литература

  1. Ченцов Н.А., Ручко В.Н. Моделирование изменения технического состояния деталей механического оборудования // Прогрессивные технологии и системы машиностроения". Международный сб. научных трудов. Донецк, ДонГТУ 1998. Вып. №5. c. 218-221
  2. ГОСТ 27.301-95 Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения
  3. Берман А.Ф., Николайчук О.А. Принципы создания системы исследования безопасности сложных технических систем // Программные продукты и системы. - 2001. - N1. - С.6-9.
  4. Любимова Н.Г. Менеджмент - путь к успеху. - М., 1992.
  5. Теория технических систем: Пер. с нем. Хубка В. 1987. 208 с.

Вернуться к списку публикаций