Poszukiwanie dróg racjonalnej eksploatacji maszyn

Streszczenie

W pracy omówiono wybrane problemy eksploatacji maszyn, wspomaganej me-todami diagnostyki technicznej i monitorowania stanu. Dotyczy to coraz czĊĞciej sys-temów mechatronicznych w ujĊciu inĪynierii diagnostyki. Przedstawiona problema-tyka tego opracowania znajduje swoje uzasadnienie w procesach destrukcji maszyn, towarzyszących kaĪdej maszynie tuĪ po jej wytworzeniu, aĪ do likwidacji. Kształto-wanie siĊ kosztów eksploatacji maszyn i róĪnorodnoĞü działaĔ organizacyjnych w tym obszarze róĪnicują moĪliwoĞci stosowania znanych strategii eksploatacji. Rozwijająca siĊ diagnostyka techniczna daje podstawy do racjonalnej eksploatacji maszyn w nowo tworzonych diagnostycznych systemach eksploatacji.

Słowa kluczowe: eksploatacja, diagnostyka techniczna, monitorowanie stanu, inĪynieria diagnostyki

1. WstĊp

Nauka zmierza do identyfikacji otaczającej nas rzeczywistoĞci, tworząc nową wiedzĊ jako wynik badaĔ poznawczych, innowacyjnych, czy nawet awansowych. Z tego rosnącego zasobu wiedzy i umiejĊtnoĞci społecznej czerpie szeroko podsystem inĪynierii, z całą gamą Ğrodków wsparcia informatycznego w badaniach, wytwarzaniu i uĪytkowaniu, coraz bardziej mechatronicznych produktów i usług, łącznie z rodzącą siĊ inĪynierią wirtualną, siĊgającą zwolna po symulacjĊ całego cyklu Īycia produktu i usługi.

Tak z duĪym przybliĪeniem wygląda sfera całej działalnoĞci człowieka, gdzie tworzenie i przetwarzanie wiedzy ma istotne znaczenie w zapewnieniu warunków Īycia i postĊpu. SpołeczeĔstwo wiedzy i technologie informatyczne, sporządzone celem wypracowania wizji i misji przedsiĊbiorstw opartych na wiedzy, w pierwszym rzĊdzie dotyczą szkół wyĪszych, przedsiĊbiorstw innowacyjnych, produkcyjnych i usługowych.

Tworzenie wiedzy w nauce wymaga potĊĪnych baz danych, baz wiedzy i duĪej mocy w twórczym przekształcaniu tej nowej wiedzy w dedykowane hierarchiczne bazy wiedzy, zorientowane na wielu uĪytkowników, od samych twórców począwszy, a na normalnych obywatelach skoĔczywszy. KaĪdy z nich chce dostaü informacjĊ uĪyteczną i zrozumiała dla siebie, aby siĊ przekonał, iĪ warto prowadziü i finansowaü badania naukowe.

Na scenĊ wkroczyły juĪ triumfalnie multimedia, technologia i sztuka high-tech, a nawet wirtualna rzeczywistoĞü, a wszystko to jako udany efekt współpracy twórców kultury i twórczych inĪynierów dostarczających oprogramowanie i sensomotoryczną interakcjĊ.

Systemy aktywnoĞci ludzkiej wytworzyły juĪ duĪo nowej wiedzy, pora wiĊc zatroszczyü siĊ oprzechowywanie wiedzy w stanie nadającym siĊ do dalszego wszechstronnego wykorzystania. Pora równieĪ na jej kategoryzacjĊ, indeksacjĊ, kondensacjĊ i hierarchizacjĊ, a takĪe digitalizacjĊ,

jako Īe nie cała wiedza jest dostĊpna w postaci cyfrowej i nie jest przechowywana w serwerach i innych noĞnikach. To jest waĪne zadanie dla wytwórców wiedzy, by całe nasze zasoby postawiü w sieci, tworząc w ten sposób inteligencjĊ rozproszoną, nasz nowy umysł Ğwiata, by przez hipertekst łączyü wszystko ze wszystkim, asocjacyjnie i hierarchicznie.

Ale to głównie sieü – Internet sprawia, Īe wiedza jest dostĊpna w kaĪdym czasie i w kaĪdym miejscu, tworząc nową cechĊ wiedzy – sieciowoĞü, wykorzystywaną szeroko przez szybkie systemy wyszukiwania, dając w efekcie biblioteki wirtualne, instytuty i centra wirtualne, tworzące równieĪ nową wiedzĊ.

W tak rozumiane zadania wpisuje siĊ diagnostyka techniczna maszyn, w której coraz czĊĞciej mówi siĊ o inteligentnych systemach diagnozowania stanowiących podstawĊ podejmowanych racjonalnych decyzji eksploatacyjnych.

Na podstawie istniejącego stanu wiedzy w diagnostyce i technologiach informatycznych naleĪy opracowaü metodologiĊ prowadzącą do wykorzystania nowoczesnych technik diagnozowania w proponowanych strategiach eksploatacji maszyn. Jest to moĪliwe po analizie kosztów eksploatacji, rozpoznaniu struktury tych kosztów i wkomponowania tematyki diagnozowania w uĪytkowanie maszyn.

2. InĪynieria diagnostyki

Patrząc na obecne trendy rozwojowe budowy i eksploatacji maszyn trzeba uznaü, Īe współczeĞnie ich jakoĞü zawarta jest głównie w sferze automatyzacji i miniaturyzacji oraz racjonalizacji kosztów.

Rola eksploatacji maszyn w gospodarce, na którą składają siĊ produkcja, dystrybucja ikonsumpcja wiąĪe siĊ z zaleĪnoĞciami wystĊpującymi w procesie pracy, gdzie umiejscowione są róĪnego typu maszyny i urządzenia techniczne. W kaĪdym z wymienionych działów gospodarki wystĊpuje praca ludzi oraz maszyn i urządzeĔ. Jest to społeczne miejsce pracy uprzedmiotowionej i związane z nią procesy eksploatacji. Zapewnienie wyrobom odpowiedniej jakoĞci i efektywnoĞci jest istotnym zagadnieniem w rozwoju produkcji i procesu techniki, dlatego teĪ coraz wiĊcej problemów stwarzają zmiany właĞciwoĞci obiektu znacząco wpływające na ww. cechy. Problematyka identyfikacji stanu dynamicznego maszyn z jej opisem modelowym i róĪnymi metodami badawczymi tych modeli jest umocowana w konstruowaniu i eksploatacji współczesnych maszyn i urządzeĔ technicznych.

Zakres badaĔ w dziedzinie metodologii badania stanu dynamicznego maszyn aktualnie obejmuje takie zagadnienia, jak: modelowanie stanu dynamicznego, Ĩródła informacji, sygnały isymptomy stanu dynamicznego, zasady szczegółowych metod identyfikacji, eksperymenty diagnostyczne, wspomaganie badaĔ technologiami informatycznymi oraz organizacyjne iekonomiczne aspekty utrzymania maszyn w stanie zdatnoĞci.

Procesy destrukcji systemów technicznych wymuszają potrzebĊ nadzorowania zmian ich stanu, szczególnie na etapie eksploatacji. Metody i Ğrodki nowoczesnej diagnostyki technicznej są narzĊdziem diagnozowania ich stanu technicznego, co umoĪliwia racjonalną i bezpieczną ich eksploatacjĊ.

Współczesny rozwój automatyzacji i informatyki w zakresie sprzĊtu i oprogramowania stwarza nowe moĪliwoĞci realizacji systemów diagnozowania i monitorowania coraz bardziej złoĪonych konstrukcji mechatronicznych. Te nowe moĪliwoĞci są związane z nowymi

konstrukcjami czujników inteligentnych, modułowego oprogramowania oraz modułów komunikacji i wymiany danych.

W tej pracy przedstawiono wybrane problemy racjonalizacji kosztów eksploatacji maszyn w aspekcie nowoczesnego stosowania metod diagnozowania i monitorowania zmian stanu systemów mechatronicznych – w ujĊciu inĪynierii diagnostyki. PojĊcie inĪynierii diagnostyki jest rozumiane jako całokształt problemów praktycznych i teoretycznych związanych zprojektowaniem, budową i eksploatacją obiektów technicznych, biotechnicznych o wymaganej niezawodnoĞci. Ogólnie przez inĪynieriĊ rozumie siĊ: dział nauk związanych z przekształcaniem wybranego fragmentu rzeczywistoĞci materialnej – przekuwanie teorii w praktykĊ działania. PojĊciem komplementarnym inĪynierii diagnostyki jest pojĊcie teorii diagnostyki, która zajmuje siĊ całokształtem problemów teoretycznych i praktycznych wystĊpujących w omawianej dziedzinie wiedzy.

Problematyką inĪynierii diagnostyki zajmują siĊ przede wszystkim inĪynierowie diagnostyki technicznej, inĪynierowie wiedzy, matematycy z obszaru teorii sygnałów, fizycy teoretyczni ieksperymentalni. Suma ich wiedzy i doĞwiadczenia jest gwarancją tego, Īe uĪytkowane obiekty techniczne są niezawodne i trwałe oraz bezpieczne dla człowieka i Ğrodowiska.

3. Degradacja stanu maszyn

Ciągły postĊp techniczny, lepsza organizacja i wdraĪane nowoczesne metody zarządzania wymagają posiadania bardziej precyzyjnej informacji w obszarze nadzoru zmieniającego siĊ stanu coraz bardziej skomplikowanych maszyn. Widoczne jest tu powiązanie istniejące pomiĊdzy otrzymywaną informacją a stopniem doskonalenia działalnoĞci technicznej i ekonomicznej, wyraĪające siĊ uĪytecznoĞcią informacji, jej wartoĞci albo cennoĞci. Wiele informacji o sposobach opisu i badania destrukcji maszyn przedstawiono w opracowaniach wczeĞniejszych autora [7,8,9,11], co pozwala na sygnalne tylko wskazanie głównych elementów tego zagadnienia.

W badaniach i opisie degradacji stanu obiektów posługujemy siĊ modelami: fizycznymi lub symbolicznymi, które są przedstawieniem fizycznym lub myĞlowym badanego oryginału. Modele symboliczne dzieli siĊ na logiczne i matematyczne (modele uogólnienia, interpretacji i analogii), natomiast wĞród modeli fizycznych (strukturalne, funkcjonalne i mieszane) moĪna wyróĪniü modele mechaniczne, elektryczne, cieplne itd. Z modelowaniem wiąĪe siĊ bardzo ĞciĞle symulacja (fizyczna lub symboliczna), którą stosujemy wówczas, gdy nie moĪliwoĞci badania oryginału. UmoĪliwia ona opis oryginału, genezowanie i prognozowanie zachowania siĊ oryginału oraz nauczanie aktualnej teorii odnoszącej siĊ do oryginału.

W inĪynierii mechanicznej rozwijająca siĊ diagnostyka techniczna potrafi nadzorowaü postĊpującą destrukcjĊ maszyny w całym cyklu jej Īycia. Kształtowanie i ocena jakoĞci maszyn wiąĪe siĊ ĞciĞle z koniecznoĞcią utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech uĪytkowych wokreĞlonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniające wymogi reprezentatywnych dla stanu obiektu, winny byü okreĞlone juĪ na etapie wartoĞciowania i konstruowania, a weryfikowane podczas wytwarzania i eksploatacji.

Do wyróĪnienia, oceny i podtrzymywania cech uĪytkowych wykorzystuje siĊ:

– moĪliwoĞci diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocenĊ jakoĞci wytwo-rów, diagnostykĊ eksploatacyjną, metody i Ğrodki diagnostyki technicznej,

– badania niezawodnoĞci maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i poprodukcyjnej przy wykorzystaniu programowanych badaĔ stanowiskowych, modelowania czynników wymusza-jących, wspomagania komputerowego badaĔ niezawodnoĞci;

– metodologiĊ kształtowania „jakoĞci” maszyn przez „jakoĞciowy system sterowania przedsiĊbior-stwem” z uwzglĊdnieniem kryteriów norm jakoĞci EN serii 29 000;

– moĪliwoĞci regeneracji czĊĞci maszyn, w tym regeneracjĊ wielokrotną, badania zmĊczeniowe i modelowanie obciąĪeĔ czĊĞci regenerowanych, nowe techniki i technologie odtwarzania jakoĞci czĊĞci maszyn;

– badania technologicznoĞci obsługowej i naprawczej maszyn, kształtowanie intensywnoĞci sta-rzenia i zuĪywania siĊ elementów maszyn, kształtowanie podatnoĞci oraz ocenĊ efektywnoĞci eks-ploatacji maszyn.

PowyĪsze grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowaĔ w zakresie metod i metodologii kształtowania i podtrzymywania jakoĞci uĪytkowanych maszyn, który jest uwarunkowany dyna-micznym rozwojem nastĊpujących zagadnieĔ [20]:

– modelowania obiektów (strukturalnego, symptomowego, energetycznego), – metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,

– podatnoĞci diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty), – budowy ekonomicznych i dokładnych Ğrodków badania,

– badania moĪliwoĞci eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny, – metod oceny efektywnoĞci zastosowaĔ metod badawczych,

– metodologii projektowania i wdraĪania układów pomiarowych, – metod sztucznej inteligencji w badaniach.

Zakres wiedzy niezbĊdnej do prawidłowego rozwoju diagnostyki technicznej obejmuje: wie-dzĊ o obiektach, modelowanie, identyfikacjĊ, symulacjĊ zachowaĔ, naukĊ o sygnałach i sympto-mach, teoriĊ eksperymentu, teoriĊ decyzji, elementy sztucznej inteligencji, nowoczesne technolo-gie informatyczne.

Problemy główne diagnostyki maszyn obejmują:

• pozyskiwanie i przetwarzanie informacji diagnostycznej; • budowĊ modeli lub relacji diagnostycznych;

• wnioskowanie diagnostyczne i wartoĞci graniczne; • klasyfikacjĊ stanów maszyny;

• genezowanie i prognozowanie,

• przewidywanie czasu kolejnego diagnozowania; • obrazowanie informacji decyzyjnych.

Diagnostyka techniczna rozwija siĊ w dwu kierunkach: teorio – poznawczym oraz technolo-giczno – uĪytkowym. Pierwszy kierunek dający odpowiedĨ– jak najlepiej badaü obiekt? – obejmu-je zagadnienia:

• opracowywanie metod badania stanu obiektu (budowa, funkcjonowanie, procesy fizyko-chemiczne, modele generacji sygnałów);

• planowanie procesów diagnostycznych (uogólnienia z formalizacją: opisu, działaĔ dia-gnostycznych, metod optymalizacji – modele diagnostyczne, programy diagnostyczne, zbiory sprawdzeĔ).

Drugi kierunek – czym badaü? – obejmuje problemy optymalizacji systemu diagnostycznego (siły i Ğrodki do realizacji procesu badania), które są analizowane znacznie rzadziej. Obejmują one: organizacjĊ struktury kontrolno-pomiarowej, stałe i zmienne programy diagnozowania, dobór metod i urządzeĔ pomiarowych, okreĞlenie relacji koĔcowych, sposobu prezentacji itp.

Zatem: system diagnostyczny staje siĊ obiektem oddzielnych rozwaĪaĔ, a właĞciwoĞci diagnostyczne takich systemów wymagają opracowania i opisu (z formalizacją matematyczną). Diagnostyka techniczna w zastosowaniach praktycznych wymaga rozwiązania wielu zagadnieĔ, m.in.:

• potrzeba i uzasadnienie wdroĪeĔ diagnostyki technicznej; • organizacja systemu diagnostycznego (DSEM),

• zarządzanie i systemy jakoĞci w diagnostycznym systemie eksploatacji (TQM, QFD, TPM, MAXIMO),

• nowoczesne technologie informatyczne (ISZOT),

• modelowanie systemów eksploatacji z diagnozowaniem i oceną ryzyka.

Przedstawione moĪliwoĞci diagnostyki w zakresie nadzorowania zmiennoĞci stanów maszyn (zmian jakoĞci degradacji stanu) są podstawą metody obsługiwania maszyn według stanu technicznego. Doskonalenie tej przyszłoĞciowej strategii opiera siĊ o nowe, skuteczne metody diagnozowania stanu maszyn, o opracowania pokładowych i stacjonarnych układów diagnostycznych, wspieranych techniką komputerową i dokonaniami sztucznej inteligencji [2,7,20].

4. Strategie eksploatacji

WspółczeĞnie pod pojĊciem "eksploatacja" rozumie siĊ zespół celowych działaĔ organizacyjno – technicznych i ekonomicznych ludzi z urządzeniami technicznymi oraz wzajemne relacje wystĊpujące miĊdzy nimi od chwili przejĊcia urządzenia do wykorzystania zgodnie zprzeznaczeniem, aĪ do jego utylizacji po likwidacji.

DziałalnoĞü eksploatacyjna przebiega w obrĊbie logistyki, w ramach róĪnych systemów produkujących rozliczne dobra i Ğwiadczących przeróĪne usługi. Systemy te są na ogół złoĪone iwydzielenie w nich podsystemu eksploatacji wcale nie jest łatwe. Eksploatacja maszyn zajmuje siĊ syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a w szczególnoĞci zagadnieniami procesów uĪytkowania i obsługiwaĔ technicznych maszyn i urządzeĔ wystĊpujących w tych systemach. Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia uĪytkowania i obsługiwania maszyn oraz relacji miĊdzy nimi w Ğwietle przyjĊtych kryteriów.

W literaturze znane są nastĊpujące strategie eksploatacji maszyn: • według niezawodnoĞci,

• według efektywnoĞci ekonomicznej, • według iloĞci wykonanej pracy, • według stanu technicznego,

• autoryzowana strategia eksploatacji maszyn.

NajczĊĞciej w oparciu o jedną z powyĪszych strategii buduje siĊ system eksploatacji przedsiĊbiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii są czĊsto jego uzupełnieniem. Wpraktyce przemysłowej wystĊpują wiĊc najczĊĞciej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane do wymagaĔ i warunków eksploatowanych maszyn.

Systemy eksploatowanych maszyn są coraz czĊĞciej mechatroniczne i ich rozwój, jako ko-lejny etap rozwoju jakoĞci konstrukcji maszyn, wiąĪą siĊ ĞciĞle z rozwojem cybernetyki i ogólnej teorii systemów oraz teorii informacji i zarządzania. Zajmują siĊ one tymi systemami od strony złoĪonoĞci relacji, sieci i sprzĊĪeĔ zwrotnych wewnątrz systemowych, mechanizmów stabilnoĞci, dynamiki, samoregulacji, procesów gromadzenia i przetwarzania informacji. Mechatronika staje siĊ przedpolem rozwoju bioniki, która bada zasady budowy i funkcjonowania systemów biologicznych w celu moĪliwoĞci konstruowania mechanizmów, maszyn i urządzeĔ technicznych, których charakterystyki zbliĪone są do charakterystyk Īywych systemów. Obok mechatroniki, biomechaniki, bioenergetyki i neurobioniki rozwija siĊ bioelektronika, umoĪliwiające przewidywaü powstawanie mieszanych systemów technicznych składających z czĊĞci me-chanicznej, elektronicznej i organizmu Īywego. Tym wyzwaniom winna sprostaü w przyszłoĞci racjonalna eksploatacja i diagnostyka techniczna, dla których naleĪy przewidzieü juĪ teraz nowe wyzwania.

Monitorowanie stanu obejmuje: detekcjĊ uszkodzeĔ, lokalizacjĊ uszkodzeĔ, identyfikacjĊ uszkodzeĔ, wykrywanie powrotu do stanu zdatnoĞci, wizualizacjĊ i archiwizacjĊ diagnoz, modyfikacjĊ zbioru uszkodzeĔ, symptomów i cech stanu.

Systemy monitorowania stanu mogą składaü siĊ z kilku poziomów[8]:

• poziom czujników pomiarowych – przetwarzają róĪnorodne wielkoĞci procesowe (tempe-ratura, napiĊcie, prąd, moc, ciĞnienie, drgania itp.) na sygnał elektryczny;

• poziom sterowników PLC – sterowniki PLC mogą tworzyü róĪne struktury, w których je-den z nich moĪe zarządzaü pracą innych, co umoĪliwia tworzenie rozbudowanych struk-tur pomiarowo-kontrolnych;

• poziom połączenia sterowników PLC z systemami komputerowymi – za pomocą sieci przemysłowych lub sieci lokalnych;

• poziom stacji danych – gdzie gromadzi siĊ dane i moĪliwe jest przetwarzanie wielu war-toĞci pomiarowych;

• poziom sieci lokalnych – umoĪliwia łączenie stacji klienckich ze stacją danych, pozwala-jąc na dostĊp do danych procesowych ze stacji roboczych zlokalizowanych w róĪnych miejscach danej organizacji;

• poziom stacji klienckich prezentujących wartoĞci pomiarowe w postaci obrazów synop-tycznych.

Diagnostyka techniczna swym zakresem obejmuje całokształt działaĔ, związanych z: • obserwacją diagnostyczną obiektów,

• przetwarzaniem danych zgromadzonych w procesie obserwacji diagnostycznej w celu uzyskania danych wejĞciowych do procesu wnioskowania diagnostycznego,

• prowadzeniem róĪnorodnych eksperymentów numerycznych wspierających wnioskowa-nie diagnostyczne,

• prewencją diagnostyczną, której wynikami mogą byü plany odpowiednich działaĔ przy-wracających pełną uĪytecznoĞü diagnozowanym obiektom oraz inne działania o charakte-rze naprawczym i korygującym (np. plany szkoleĔ personelu, modernizacja uĪytkowa-nych maszyn i technologii itp),

• udostĊpnianiem wyników badania diagnostycznego odpowiedniemu gronu adresatów, a zwłaszcza osobom zarządzającym eksploatacją danej grupy Ğrodków technicznych.

Czynnikiem łączącym wszystkie te kroki w jedną całoĞü są nowoczesne technologie informatyczne. Nowym podejĞciem w diagnostyce obiektów technicznych jest diagnostyka obiektowa, oparta na nowoczesnych technologiach informatycznych, z wykorzystaniem metod sztucznej inteligencji. Takie podejĞcie jest niezwykle istotne dla maszyn krytycznych, mobilnych obiektów w ruchu ii, wymagających wrĊcz samodiagnozowania, samonaprawy itd.

Stan aktualny rozwoju eksploatacji i diagnostyki technicznej systemów mechatronicznych jest zaledwie początkiem wielu nowych, nie zawsze jeszcze do koĔca znanych wyzwaĔ merytorycznych i metodycznych. Systemy monitorujące takich systemów oparte są na czujnikach zmian stanu Ĩródeł cząstkowych, czujnikach inteligentnych, układach zbierania informacji i stacji operatorskiej [8].

Systemy monitorowania stanu maszyn są stosowane jako niezbĊdny element wyposaĪenia złoĪonych maszyn, zabezpieczający przed wystąpieniem niespodziewanych uszkodzeĔ lub awarii. Rozwiązania algorytmiczne tych systemów organizują proces akwizycji, porządkowania iprzetwa-rzania danych pomiarowych według przyjĊtych reguł, wspomagając klasyfikacjĊ stanów, bądĨ wspomagających podejmowanie decyzji diagnostycznych. Rozwiązania sprzĊtowe okreĞlają wielokanałowe układy pomiarowe współpracujące z dowolnymi czujnikami, układy kontroli własnych obwodów pomiarowych, łącza integrujące oczujnikowanie z róĪnymi przetwornikami iukładami wykonawczymi, okreĞlającymi sytuacje zagroĪeniowe, alarmowe lub wyłączeniowe [2,6].

Wybór racjonalnej strategii eksploatacji dla takich nowoczesnych maszyn jest wielokryterialny i głównie jednak oparty na kosztach eksploatacji.

5. Koszty eksploatacji maszyn i urządzeĔ technicznych

PrzedsiĊbiorstwo prowadzące politykĊ eksploatacyjną polegającą na sterowaniu stanem zdatnoĞci maszyn i urządzeĔ powinno postĊpowaü w taki sposób, by uzyskiwaü optymalne efekty. NajczĊĞciej stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma uogólnionych nakładów na uĪytkowanie i obsługiwanie pojazdów. Podstawy racjonalnej eksploatacji maszyn, szczegółowo omówione we wczeĞniejszych pracach autora [11,12,13,14,15,16,17,18,19,20], ujmują modelowo kształtowane koszty eksploatacji idiagnozowania stanu maszyn. Ogólnie, koszty Cts eksploatacji maszyn i urządzeĔ

wprzedsiĊbiorstwie okreĞla wyraĪenie:

tn tp

ts

C

C

C

=

+

gdzie:

Ctp – koszty eksploatacji maszyn i urządzeĔ zaleĪne od czasu pracy;

Ctn – koszty eksploatacji maszyn i urządzeĔ niezaleĪne od iloĞci pracy.

Badając strukturĊ tych kosztów moĪna zdefiniowaü racjonalny system eksploatacji wraz zprojektem zaplecza obsługowego, niezbĊdnego dla utrzymania stanu zdatnoĞci.

W wyniku przeprowadzonych badaĔ otrzymano wartoĞci pozwalające na okreĞlenie poziomów kosztów eksploatacyjnych oraz na porównanie efektywnoĞci i realizacji zadaĔ przez maszyny i urządzenia techniczne.

W okreĞleniu kosztów eksploatacji samochodów w przedsiĊbiorstwie transportowym rozumianym jako suma kosztów zaleĪnych od przebiegu i kosztów niezaleĪnych od przebiegu

jedynie koszty eksploatacji samochodów zaleĪnie od przebiegu odzwierciedlają faktyczny stan techniczny pojazdu. Tak wiĊc koszty napraw bĊdące zarazem główną składową kosztów eksploatacji pojazdów zaleĪnych od przebiegu mającą duĪy wpływ na wartoĞci tych kosztów. Wzwiązku z powyĪszym uzasadnione jest wykonywanie badaĔ eksploatacyjnych pojazdów samochodowych dąĪących do uzyskania informacji diagnostycznej o stanie pojazdu na bazie kosztów napraw.

Do badaĔ eksploatacyjnych pojazdów samochodowych wytypowane zostały najstarsze pojazdy w taborze przedsiĊbiorstwa transportowego posiadającego 63 zestawy ciągników siodłowych i naczep. Badania eksploatacyjnym dotyczyły jedynie ciągników siodłowych dwóch marek MERCEDESA BENZ oraz IVECO. Z uwagi na ograniczona liczbĊ Mercedesów w badaniach

brały udział wszystkie pojazdy w liczbie 5 sztuk oraz 20 sztuk Iveco. Pojazdy były tak dobierane aby z przebiegu napraw uzyskaü relatywnie najwiĊcej informacji dlatego tez zostały wybrane jednostki o moĪliwie zbliĪonym okresie eksploatacyjnym. Rok produkcji pojazdów waha siĊ od 1997 do 1999 roku a wiec warunek moĪliwoĞci reprezentacyjnego wnioskowania o własnoĞciach eksploatacyjnych został spełniony.

Po przeanalizowaniu dokumentacji związanej z kosztami napraw pojazdów wygenerowany został ĞciĞle z tym związany podział pojazdu na nastĊpujące układy: H – hamulcowy, Ko – komfortu kierowcy i pasaĪera, N – nadwozie, E – elektryczny, Z – zasilania, K – kierowniczy, Na – napĊdowy, J – jezdny, P – pneumatyczny, R – rozruchowy, S – smarowania, W – wydechowy, Ch – chłodzenia, Za – zawieszenia, Sp – sprzĊgło.

DziĊki takiemu podziałowi moĪliwe jest przyporządkowanie poszczególnych elementów, które uczestniczyły w naprawie do poszczególnych układów, a w rezultacie oszacowanie wpływu poszczególnych układów na koszty napraw w zaleĪnoĞci od przebiegu pojazdu oraz czasu eksploatacji. Takie zestawienie wartoĞci kosztów napraw pozwoli na porównanie dwóch marek pojazdów w aspekcie kosztów eksploatacyjnych oraz wskazał na jakie układy naleĪy zwracaü szczególna uwagĊ podczas eksploatacji tych pojazdów.

Na potrzeby tych badaĔ została wygenerowania poniĪsza karta informacyjna, która uwzglĊdnia czas wykonywanej naprawy, przebieg pojazdu, rodzaj naprawy oraz koszt naprawy.

CZAS

NA-PRAWY PRZEBIEG RODZAJ NAPRAWY UKŁAD KOSZT

Tak wygenerowana forma opisu procesu uĪytkowania pojazdu pozwala na uzyskanie rzetelnych danych odnoĞnie kosztów eksploatacyjnych pojazdy zaleĪnych od przebiegu. Czas naprawy jest w tych badaniach odzwierciedleniem dni, w których pojazd znajdował siĊ w stanie niezdatnoĞci.

Do pojĊcia rodzaju naprawy przyporządkowano wszystkie naprawy, wymiany elementów oraz wszystkie obsługi związane z eksploatacją pojazdy. Koszty obsługiwaĔ nie są stałe poniewaĪ nie zawsze istnieje potrzeba wykonania danej czynnoĞci, gdyĪ czĊsto diagnozowanie i weryfikacja jakoĞci stwierdza zbytecznoĞü pewnych, oczywistych działaĔ obsługowych (np. nie ma potrzeby na uzupełnienia oleju hydraulicznego w układzie hamulcowym lub wymiany okładzin lub klocków hamulcowych itd.). W celu uproszczenia statystyki uzyskanych danych poniĪej zaprezentowano

uĞrednione wartoĞci wyników badaĔ dla 5 pojazdów marki Mercedes oraz wyniki podobnych badaĔ otrzymanych dla grupy pojazdów marki Iveco.

Na rysunku 1 przedstawiono graficznie liczby dni poĞwiĊcone na wykonywanie napraw dla poszczególnych lat eksploatacji pojazdów Mercedes.

Rysunek 1. Dni wyłączonej eksploatacji pojazdów Mercedes ħródło: Opracowanie własne.

Rejestrowane w przedsiĊbiorstwie koszty obsługiwania i napraw za lata 1997ʹ2005, w ujĊciu sumarycznym przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Suma kosztów napraw w poszczególnych latach eksploatacji ħródło: Opracowanie własne.

Procentowy udział kosztów poszczególnych napraw układów w całkowitych kosztach eksplo-atacji przedstawiono na rysunku.3.

0 20 40 60 80 100 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 rok eksploatacji dni w na pr aw ie 0 5000 10000 15000 20000 25000 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 rok eksploatacji ko sz ty n ap raw z ł

Rysunek 3. Struktura kosztów eksploatacji pojazdów marki Mercedes w latach 1997–2005 ħródło: Opracowanie własne.

Wyniki badaĔ zestawione w podobnej strukturze dla pojazdów grupy Iveco tego samego przedsiĊbiorstwa za lata 1999–2005 przedstawiono na kolejnych rysunkach.

Rysunek 4. Przedstawienie graficzne liczby dni poĞwiĊconych na wykonywanie napraw pojazdów Iveco w poszczególnych latach eksploatacji

ħródło: Opracowanie własne.

Rysunek 5. Suma kosztów napraw pojazdów Iveco w poszczególnych latach eksploatacji

9% 21% 13% 6% 10% 3%2% 7% 9% 4% 5% 3% 5% 1% 2% Ko E N S Z K Na P H Ch W J Za Sp R 9% 21% 13% 6% 10% 3% 2% 7% 9% 4% 5% 3% 5% 2% 1% 0 10 20 30 40 50 60 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 rok eksploatacji dni w na pr a w iie 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 rok eksploatacji ko sz ty n ap rw z ł

Rysunek 6. Procentowy udział kosztów napraw poszczególnych układów pojazdów Iveco w całkowitych kosztach eksploatacyjnych

PoniĪsze grafy przedstawiają porównanie dwóch marek pojazdów Mercedesa z Iveco waspekcie czasu napraw i ich kosztów.

Rysunek 7. Porównanie przestojów i kosztów napraw badanych grup pojazdów ħródło: Opracowanie własne.

Porównując uĞrednione wartoĞci otrzymane podczas wykonywania badaĔ eksploatacyjnych wskazują, Īe pojazdy Iveco przebywały w stanie niezdatnoĞci około 37 dni w roku, a pojazdy mercedesa 75 dni. A wiĊc na bazie iloĞci dni w naprawie właĞciwe jest wnioskowanie, iĪ pojazdy Iveco stanowią grupĊ pojazdów o wiĊkszej niezawodnoĞci

Analiza uĞrednionych kosztów napraw jakie przedsiĊbiorstwo transportowe ponosi to odpowiednio kwota 16 tyĞ dla Mercedesa oraz 10 tyĞ dla Iveco, co stanowi podstawĊ do wnioskowania o wiĊkszej niezawodnoĞci pojazdów marki Iveco.

Procentowym udział wyodrĊbnionych układów wyraĨnie kształtuje siĊ dominacja układu elektrycznego, który stanowi około 20 % wszystkich napraw zarówno w Iveco jak i w Mercedesie. Porównują wpływ innych układów na obraz własnoĞci eksploatacyjnych pojazdów nasuwa siĊ wniosek, iĪ Mercedesy lepiej jednak wypadały w układach związanych z przeniesieniem napĊdu.

9% 20% 9% 3% 7% 3% 8% 5% 11% 3% 5% 5% 3% 5% 4% Ko E N S Z K Na P H Ch W J Za Sp R 9% 20% 9% 3% 7% 3% 8% 5% 11% 3% 5% 5% 3% 5% 4% 0 20 40 60 80

Czas napraw dni

Mercedes-Benz 74,64 IVECO 37,30555556 1 0 5000 10000 15000 20000 Koszty napraw zł Marcedes-Benz 16274,2208 IVECO 10310,54472 1

Z kolei pojazdy marki Iveco lepiej radzą sobie z nierównoĞciami na drogach oraz z ładownoĞcią pojazdu, gdyĪ zawieszenie tych pojazdów miało mniejszy wpływ na ogólne koszty napraw.

Reasumując układy tych pojazdów nie róĪnią siĊ znacząco wartoĞciami udziałów procentowych w kosztach napraw, jednakĪe o ile z udziałów tych nie moĪna bezpoĞrednio wywnioskowaü, która marka pojazdów jest lepsza pod wzglĊdem kosztów eksploatacyjnych związanych z naprawą – dlatego teĪ w celu ostatecznego porównania tych pojazdów wykonano zestawienie porównawcze kosztów napraw i czasu napraw.

Skonfrontowanie tych wartoĞci w oparciu o dane rzeczywiste i wywiady Ğrodowiskowe pozwala twierdziü, Īe pojazdy Iveco stanowią lepsze obiekty eksploatacyjne w porównaniu zMercedesami.

Obecnie obserwuje siĊ w niemal wszystkich dziedzinach informatyki dąĪenie do stosowania technologii obiektowych. ZłoĪonoĞü rozwiązywanych problemów, dalej silne zdeterminowanie czasowe i kosztorysowe wywołały w zasadzie masowe przejĞcie do obiektowego postrzegania zadaĔ koncepcyjnych i projektowych, mających szerokie zastosowanie w monitorowaniu stanu. Proces modelowania rzeczywistych, bardzo złoĪonych systemów eksploatacji, zdaniem wielu autorów, powinien byü prowadzony zgodnie z konwencją obiektowoĞci, co moĪe przynieĞü wymierne korzyĞci w procesie analizy i okreĞlania potrzeb modernizacyjnych [6,8,11].

PodejĞcie obiektowe ma szereg zalet, do których moĪna zaliczyü: • dostĊpnoĞü narzĊdzi programistycznych i obszernych bibliotek; • moĪliwoĞü wielokrotnego uĪycia kodów programu;

• wierne i przystĊpne pojĊciowo odzwierciedlenie zdarzeĔ i procesów zachodzących w rzeczywi-stym obiekcie;

• stosunkowo łatwe modernizowanie prawidłowo zaprojektowanych systemów.

Najnowsze tematy w obszarze diagnostyki technicznej wspomagającej eksploatacjĊ maszyn, to [8,20]:

1. nowoczesne metody przetwarzania sygnałów; 2. wielowymiarowa diagnostyka maszyn; 3. analiza numeryczna i metody synchroniczne; 4. diagnostyka energetyczna;

5. diagnostyka przez identyfikacjĊ; 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.

6. Podsumowanie

Problematyka podjĊta w tej pracy dotyczy podstawowej wiedzy z zakresu podstaw inĪynierii diagnostyki maszyn, traktowanych jako głównych zagadnieĔ poprawnoĞci pracy maszyn, stanowiących szczególne zagroĪenie dla ludzi, Ğrodowiska i jakoĞci produkcji. Na obecnym etapie rozwoju teorii eksploatacji – diagnostyka jest czynnikiem niezbĊdnym dla utrzymania wymaganej gotowoĞci i zdatnoĞci zadaniowej nadzorowanych maszyn oraz do zapewnienia racjonalnej ich eksploatacji. Nie bez znaczenia są teĪ podniesione w tym opracowaniu zagadnienia dziedzin

pokrewnych, ĞciĞle związanych z utrzymaniem maszyn w zdatnoĞci, kształtowania jakoĞci maszyn w procesie konstruowania i wytwarzania metodami wirtualnymi.

Ciągłe monitowanie kosztów obsługiwani i napraw bĊdących integralną czĊĞcią kosztów eksploatacji zaleĪnych od czasu pracy pozwoli na wskazanie słabych ogniw eksploatacyjnych wbadanych maszynach, co warunkuje rozpoznanie stanu i jego prognozowanie metodami diagnostyki technicznej. To prowadzi wprost do nowoczesnej strategii eksploatacji – według stanu technicznego.

Do podstawowych stwierdzeĔ tego opracowania naleĪy zaliczyü:

1. potrzebĊ wprowadzania nowoczesnych strategii zarządzania do przedsiĊbiorstw jako: zarzą-dzanie przez jakoĞü, zarzązarzą-dzanie bezpieczeĔstwem, zarzązarzą-dzanie Ğrodowiskiem;

2. nadrzĊdną rolĊ informacji (badania diagnostyczne) w sterowaniu przedsiĊbiorstwem;

3. potrzebĊ nowych technologii w zakresie metod monitorowania i transformacji informacji do decydentów (jaka, ile, kiedy, w jakiej postaci, na jaki szczebel);

4. wyróĪnienie zarządzania systemem eksploatacji maszyn w systemie logistycznym zakładu, a w nim miejsca na monitorowanie i badania diagnostyczne (przyszłoĞü DT);

5. potrzebĊ opracowania dokumentacji funkcjonowania DT w systemie zarządzania jakoĞcią, bezpieczeĔstwem, Ğrodowiskiem ii.

Od strony badaĔ diagnostycznych pojawia siĊ potrzeba wykorzystania modelowego opisu, bezpoĞrednio odpowiedzialnego za zmiany stanu obiektów. Powstające w ten sposób ewolucyjne modele diagnostyczne winny doskonaliü metodologiĊ i wnioskowanie diagnostyczno – eksploatacyjne oraz indywidualizowaü metody i Ğrodki diagnostyki technicznej.

TreĞci tej pracy inspirują do dalszej wytĊĪonej pracy w tematyce inĪynieria eksploatacji maszyn, szczególnie w zakresie praktycznych wdroĪeĔ diagnostyki technicznej maszyn, doskonalenia metodologii badaĔ diagnostycznych, jak i sposobów liczenia efektów ekonomicznych, a wiĊc zagadnieĔ racjonalnej eksploatacji maszyn.

Podstawowa wiedza z zakresu metodyki wprowadzania nowoczesnej diagnostyki maszyn do przemysłu ukazuje moĪliwoĞci, korzyĞci i ograniczenia tego przedsiĊwziĊcia. Daje teĪ decydentom w przemyĞle potĊĪne narzĊdzie, jakim moĪe byü racjonalna eksploatacja wtransformacji gospodarki do aktualnych wymogów jakoĞciowych, w szczególnie agresywnej konkurencji rynkowej.

PostĊp w nauce jest wydarzeniem rzadko spotykanym i najczĊĞciej jest on wynikiem długotrwałej i mozolnej pracy badawczej oraz szczĊĞliwej zgodnoĞci czasu, miejsca i osób. Zasadnicze idee tej pracy odnajdują swoje początki w intelektualnej poĪywce spotkaĔ Ğrodowiska diagnostycznego, związanego czĊsto z osobami bezimiennych tu twórców podwalin eksploatacji i diagnostyki technicznej maszyn.

Wykraczanie poza oficjalnie przekazywane fakty i idee odbywające siĊ na bazie respektowania jasnoĞci logiki i weryfikacji praktycznej proponowanych metod i Ğrodków, dają zrĊby dla powstania wyróĪnionej tematyki racjonalnej eksploatacji maszyn.

Bibliografia

1. Bartelmus W.: Diagnostyka Maszyn Górniczych górnictwo odkrywkowe, ĝląsk, Katowice 1998 s.264.

2. BĊdkowski L.: Elementy ogólnej teorii diagnostyki technicznej. Rozprawa hab., Wyd. WAT, Warszawa 1981, s. 209.

3. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa 1982. 4. Cempel C., Tomaszewski F. (red.): Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. Przykłady

zastoso-waĔ. ITE Radom, 1992.

5. Cempel C.: Wibroakustyka stosowana. WNT, Warszawa 1989.

6. Cholewa W., KiciĔski J.: Diagnostyka techniczna, Odwrotne modele diagnostyczne, Wy-dawnictwo Politechniki ĝląskiej, Gliwice 1997.

7. KiciĔski J.: Teoria i badania hydrodynamicznych poprzecznych łoĪysk Ğlizgowych Ossoli-neum 1994.

8. Korbicz J., KoĞcielny J.M., Kowalczuk Z., Cholewa W. (Red.): Diagnostyka procesów. Mo-dele, Metody sztucznej inteligencji, Zastosowania. Warszawa 2002.

9. Moczulski W.: Metody pozyskiwania wiedzy dla potrzeb diagnostyki maszyn, Mechanika z. 130, Politechnika ĝląska, Gliwice 1997.

10. Kulikowski J.L.: Komputery w badaniach doĞwiadczalnych. PWN, Warszawa, 1993. 11. NiziĔski S., ĩółtowski B.: Informatyczne systemy zarządzania eksploatacją obiektów

technicznych. ISBN – 83-916198-0-X, Olsztyn-Bydgoszcz, 2001 s.334.

12. NiziĔski S., ĩółtowski B.: Zarządzanie eksploatacją obiektów technicznych za pomocą rachunku kosztów. ISBN – 83-916198-0-X, Olsztyn-Bydgoszcz, 2002 s.156.

13. NiziĔski S., Michalski R.: Diagnostyka obiektów technicznych. ITE, Radom 2002.

14. Uhl T.: Komputerowe wspomaganie identyfikacji modeli konstrukcji mechanicznych, WNT, Warszawa, 1997.

15. ĩółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn. Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996. (s.467). 16. ĩółtowski B., ûwik Z.: Leksykon diagnostyki technicznej. ATR. Bydgoszcz.1996. (s. 420). 17. ĩółtowski B., NiziĔski S.: Modelowanie procesów eksploatacji maszyn.

ISBN-83-916198-3-4, Bydgoszcz- Sulejówek, 2002 s.250.

18. ĩółtowski B., NiziĔski S.: System informatyczny eksploatacji pojazdów mechanicznych. Wyd. PWSZ, Piła 2004 s.234.

19. ĩółtowski B., Tylicki H.: Wybrane problemy eksploatacji maszyn. Wyd. PWSZ, Piła 2004 s. 214.

SEARCH ROAD OF THE RATIONAL EXPLOITATION OF MACHINE Summary

It the chosen problems of machine exploitation in work were have talked over was, helped with methods of technical diagnostics the state monitoring. This con-cerns more often the systems the mechatronic in formulation of diagnostics engineer-ing. Introduced problems of this study finds in processes of destruction of machine his reason, concurrent every machine near at hand after her producing, until to liq-uidation. The be shaping the costs of machine exploitation and the possibilities of applying the well-known strategies of exploitation differentiate in this area the varie-ty of organizational workings. The developing technical diagnostics gives to rational exploitation of machine the basis in newly the created diagnostic systems of exploita-tion.

Keywords: exploitation, technical diagnostics, state monitoring, engineering of diagnostics

Bogdan ĩółtowski Tomasz KałaczyĔski

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: kalaczynskit@utp.edu.pl