2. SYSTEMY UTRZYMANIA ZDATNOŚCI MASZYN
2.3. Procedury eksploatacji maszyn
Do opisu procesów eksploatacji obiektów technicznych można wykorzystać wszystkie omówione dotychczas modele, w szczególności modele matematyczne (roz-myte, neuronowe, inne).
Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwań technicznych ma-szyn. Z definicji eksploatacji postrzeganej wśród innych nauk wypływa zakres oczekiwa-nych, merytorycznych umiejętności, które można przedstawić jako [45,46,66,67,72]:
– kierowanie eksploatacją, a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz dobieranie, motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów,
– formułowanie zadań projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy, doty-czących obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji,
– projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie wa-runków eksploatacji optymalnej,
– identyfikowanie stanów technicznych maszyn i stanów ich systemów eksploatacji, – identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich wartości,
– określanie, wyznaczanie i ocenianie sprawności systemu eksploatacji, – określanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji, – dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.
Ta charakterystyka umiejętności w zakresie inżynierii eksploatacji określa zada-nia teorii eksploatacji, która winna wypracowywać i doskonalić następujące metodyki:
– projektowania i organizowania systemów eksploatacji, – analizy ryzyka i szans przedsięwzięć eksploatacyjnych, – planowania strategicznego eksploatacji,
– kierowania eksploatacją i sterowania procesami eksploatacji, – analizy ekonomicznej eksploatacji,
– badań eksploatacyjnych,
– opracowywania treści i technik instrukcji eksploatacyjnych, – motywowania eksploatatorów.
W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem użytkowania i nieodłącznie z nim związany podsystem obsługiwań technicznych (rys. 2.11). 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.
Rys. 2.11. Struktura systemu eksploatacji [67]
W tym podsystemie wyróżnia się:
1. podsystem zabiegów profilaktycznych, obsługiwanie w dniu użytkowania (OU), obsługiwanie po określonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzające (OP), okresu docie-rania (OD) itd.,
2. podsystem rozpoznania stanu i pomocy technicznej, diagnostyka techniczna (DT), rozpoznanie i pomoc techniczna (PT),
3. podsystem napraw, naprawa bieżąca (NB), naprawa średnia (NS), naprawa główna (NG), naprawa poawaryjna (NA) itd.,
4. podsystem konserwacji, krótkoterminowa (KK), średnioterminowa (KS), długo-terminowa (KD).
Zadaniem podsystemu obsługiwań technicznych jest usunięcie niezdatności lub wy-konanie niezbędnie koniecznych czynności obsługowych (zalecanych przez wytwórcę).
Kierownictwo zakładu, prowadzi politykę eksploatacyjną polegającą na sterowa-niu stanem zdatności maszyn, by uzyskiwać optymalne efekty. Kryterium optymaliza-cyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma uogólnionych nakładów na użytkowanie i obsługiwanie.
Strategia eksploatacyjna sterująca racjonalnym wykorzystaniem maszyn i urzą-dzeń technicznych polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i obsługi-wania oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów, co w sposób ogólny przedstawiono na rysunku 2.11 struktura systemu eksploatacji maszyn [45,67,72].
Literaturowo znane są następujące strategie eksploatacjimaszyn [65,66]:
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 [44,67]. 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 uszkodze-niami 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 opty-malną strategię.
Model wymian profilaktycznych dla systemów eksploatacji uwzględnia następują-ce założenia:
– czasy przebywania obiektu we wszystkich analizowanych stanach procesu eksploat-acji są zmiennymi losowymi,
– naprawa obiektu, albo wymiana profilaktyczna nie zawsze prowadzi do pełnej zdat-ności,
– czas T do uszkodzenia obiektu winien mieć rozkład z jednomodalną funkcją inten-sywności uszkodzeń.
W literaturze dotyczącej zagadnień wyznaczania optymalnych obsług prewencyj-nych stosuje się różne sposoby opisu modelu działania systemu eksploatacji. Najczę-ściej zakłada się, że obiekt ma skończoną liczbę stanów, przy czym jeden z nich wyra-ża stan całkowitej niezdatności obiektu technicznego, a drugi stan całkowitej sprawności obiektu. W przypadku analizowania zdatności zakłada się, że obiekt ma tylko dwa stany zdatności, które są podzbiorem wszystkich stanów systemu eksploata-cji. W systemie eksploatacji przejście z jednego stanu do innego odbywa się losowo.
Losowe są także czasy przebywania w stanach. Proces zmian stanów systemu eksploat-acji 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 znajomo-ści 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 urzą-dzeń (różne wskaźniki niezawodnościowe), eksploatowanych aż do wystąpienia uszko-dzenia. Strategia wg niezawodności, zwana inaczej strategią „według uszkodzeń” pole-ga na eksploatacji obiektu do chwili wystąpienia uszkodzenia.
Badania niezawodności maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy wyko-rzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarzeń, co obecnie zastępuje komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodności. Wyróż-niane 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 na-stępstwa uszkodzeń nie naruszają zasad bezpieczeństwa pracy i nie zwiększają kosztów eksploatacji maszyn.
STRATEGIA WEDŁUG EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ
Jest to strategia oparta na kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a decyzje eksploatacyjne podejmowane są ze względu na wskaźnik zysku. Podstawą podejmowanych decyzji są dane o niezawodności, kosztach użytkowania i napraw eks-ploatowanych maszyn. Ważnym czynnikiem w tej strategii jest postęp techniczny, któ-rego wysoka dynamika określa starzenie moralne maszyn, a więc czynnik wnikliwie śledzony przez potencjalnych odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie również w sytu-acjach, gdy moralne starzenie się maszyn wyprzedza ich zużycie fizyczne. W tej strate-gii kryterium efektywności ekonomicznej, a więc opłacalności eksploatacji maszyny staje się podstawą decyzji o wycofaniu maszyny z użycia. Wyniki efektywności eko-nomicznej 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 gospo-darki finansowej działu eksploatacji, znajomości modeli decyzyjnych, mierników war-tości 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 przeje-chanych kilometrów, liczbą cykli pracy itp. Generalną zasadą w tej strategii jest zapo-bieganie uszkodzeniom (zużycie, starzenie) poprzez konieczność wykonywania zabie-gów obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osiągnięciem granicznego poziomu zużycia. Ze względu na wykorzystanie rzeczywistego potencjału użytkowego maszyny jest to strategia mało efektywna, gdyż podstawą przyjmowania dopuszczalnej ilości pracy są ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje się tu najnieko-rzystniejsze warunki pracy, najsłabsze ogniwa (zespoły, części) maszyny, ekstremalne obciążenia, które nie zawsze i w nie równym stopniu mogą się ujawnić podczas eksplo-atacji.
STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO
Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podsta-wie bieżącej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów. Umożli-wia to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówio-nych już strategii. Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany wartościami mierzonych symptomów stanu, jest podstawą decyzji eksploatacyjnej. Poprawna reali-zacja 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 ta-kiego 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 mo-mentu wystąpienia uszkodzenia, bez wykonywania jakichkolwiek działań prewencyj-nych. 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
Wymagania od strony "jakości", marketingu i logistyki zmieniają radykalnie kry-teria oceny maszyn, dając przesłanki do dalszego, rosnącego zainteresowania metodami i środkami diagnostyki technicznej. Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniają konieczność wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwa-rzania i eksploatacji maszyn. W propozycji tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej strategii eksploatacji według stanu, lecz twórczo się ją modernizu-je. Sama idea tej strategii, przedstawiona na rysunku 2.12, opiera się na wykorzystaniu
"pętli jakości", którą uzupełniono elementami teorii eksploatacji (fazy istnienia maszy-ny, serwis) oraz diagnostyki technicznej.
Rys. 2.12. Autoryzowana strategia istnienia maszyn [67]
Proponowana strategia istnienia – ASIM – imiennie wskazuje na twórcę i odpo-wiedzialnego 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 wykorzystują jedną z powyższych strategii buduje się system eksploatacji przedsiębiorstwa, przy czym elementy pozo-stałych strategii są często jego uzupełnieniem. W praktyce przemysłowej występują najczęściej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane do indywidualnych wyma-gań i warunków eksploatowanych maszyn.
Budowane na bazie znanych strategii eksploatacji systemy utrzymania maszyn w ruchu przedstawiono na rysunku 2.13.
sta tus o sz c z ę dnoś c io w y U T R Z Y M A N IE
K O R E K C Y JN E z a pa s y m a te riało w e W A W
lo so w e z a rzą d z a nie
p la n utrz ym a nia U T R Z Y M A N IE
P R E W E N C Y JN E m o nito ro w a nie dz iałań W t p te c hno lo gia d z iałań
p la now a nie i m o nito row a nie U T R Z Y M A N IE
P R O G N O S T Y C Z N E ko s z ty k ontro li sta nu W D T
te c hno lo gia utrz ym a nia
k ontro la syste m u utrzym a nia
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 gno s tyc z ny m o d e l p ro dukc ji i ko ntroli
LO 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 FO R M A T Y C Z N Y S Y S T E M IN FO R M A T Y C Z N Y E K S P LO A T A C JI 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. 2.13. Podstawowe formy utrzymania maszyn w ruchu [67]
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 tech-nicznej, wspomaganie badań diagnostycznych techniką komputerową,
– badania niezawodności maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i po-produkcyjnej, przy wykorzystaniu badań stanowiskowych, modelowania determini-stycznego i stochadetermini-stycznego czynników wymuszających, wspomagania komputero-wego badań niezawodności,
– metodologię kształtowania „jakości” przez „jakościowy system sterowania przed-siębiorstwem” 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 inten-sywności starzenia i zużywania się ich elementów, kształtowanie podatności eksplo-atacyjnej (naprawczej, obsługowej, diagnostycznej) oraz ocenę efektywności ich eksploatacji.
Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań szerokiego grona spo-łeczności eksploatacyjnej, przyczyniając się do rozwoju metod i metodologii kształto-wania i podtrzymykształto-wania jakości eksploatowanych maszyn.
Diagnostyka w ocenie rozwoju uszkodzeń
Metody i środki diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania stanu sys-temów technicznych (rys. 2.14), co jest podstawą podejmowanych decyzji eksploata-cyjnych [16,17,68,72]. Diagnostyka techniczna obejmuje następujące formy działania:
1. ocenę stanu aktualnego,
2. genezowanie stanu – najsłabiej rozpoznane, 3. prognozowanie stanu.
Rys. 2.14. Modelowe przedstawienie możliwości diagnozowania maszyn
Te formy działania realizowane są przez inteligentne systemy diagnostyczne (mobilny software i hardware, z pętlą samouczenia i oceną ryzyka).
W badaniach stanu obiektów posługujemy się modelami: fizycznymi lub symbo-licznymi, które są przedstawieniem fizycznym lub myślowym badanego oryginału.
Modelowanie dla potrzeb diagnostyki obejmuje modelowanie fizyczne, matema-tyczne i energematema-tyczne, co daje podstawy: diagnostyki symptomowej, holismatema-tycznej 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.
Pełna realizacja tych zadań sprawi, że diagnostyka wypełni swoją funkcję tworząc narzędzia kształtowania jakości maszyn na wszystkich etapach ich istnienia.
Ze względów praktycznych problemy główne diagnostyki warunkujące racjonal-ny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują [67,68]:
– fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne, war-stwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),
– metodologiczne podstawy badań diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techniki wnio-skowania, sposoby prezentacji diagnoz),
– komputerowa obsługa zadań diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie ekspe-rymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja wymiarowości, estymacja modeli),
– techniczne metody kontroli stanu pojazdów szynowych, (metodyki, metody, środki – od najprostszych do systemów doradczych),
– rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia pojazdów szynowych, (projektowanie układów diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk użyt-kowych, wartości graniczne, sterowanie eksploatacją),
– przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki wartości, modele decy-zyjne, wskaźniki efektywności, rachunek optymalizacyjny),
– kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy kształ-cenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).
Są to zatem grupy wyróżnionych problemów z różnych dyscyplin podstawowych i stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki tech-nicznej, tak bardzo istotnej w doskonaleniu strategii eksploatacji maszyn.
Możliwości diagnozowania dają się ująć w trzy podstawowe grupy, objaśniające sens postępowania badawczego w zakresie oceny jakości degradacji stanu lub wytworu [45,67].
Pierwsza z nich to diagnostyka przez obserwację procesów roboczych, monitoru-jąc ich parametry w sposób ciągły, czy też na specjalnych stanowiskach prowadząc badania sprawnościowe maszyn (moc, moment, prędkość, ciśnienie itp.). Przed tym rodzajem badań diagnostycznych otwarta jest przyszłość z racji coraz częściej wprowa-dzanych do maszyn sensorów mechatronicznych, mikroprocesorów itp.
Drugi sposób diagnozowania maszyn ujmuje badania jakości wytworów, zgodno-ści wymiarów, pasowań, połączeń itp., gdyż ogólnie tym lepszy stan techniczny maszy-ny, im lepsza jakość produkcji.
Trzecia możliwość diagnozowania to obserwacja procesów resztkowych, wyko-rzystująca różne procesy fizyko-chemiczne, zawarte w procesach wyjściowych z funk-cjonującej maszyny i będąca źródłem wielu atrakcyjnych metod diagnozowania ma-szyn.
Przytoczone skrótowo powyżej treści główne, motywujące potrzebę i rozwój dia-gnostyki technicznej stanowią niezbędne w praktyce eksploatacyjnej podstawy badania degradacji stanu maszyn, a wspomagane technikami informacyjnymi dają narzędzia sterowania utrzymaniem maszyn w ruchu, organizacji i zarzadzania techniką w prze-myśle.