Onderhoudsstrategie van een onderhoudsrobot voor bandtransporteurs (summary)

Technische Universiteit Delft

Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen Transporttechnologie / Logistieke Techniek

K.H. Wallien Onderhoudsstrategie van een onderhoudsrobot voor bandtransporteurs.

Literatuuropdracht/scriptie, Rapport 2002.LT.5602, Transporttechnologie, Logistieke Techniek.

Doelstelling van het rapport

In dit rapport is een strategie bepaald voor onderhoudswerkzaamheden aan lagers in rollen van een bandtransporteur. Deze onderhoudswerkzaamheden worden geautomatiseerd uitgevoerd door een Bandtransporteur OnderhoudsRobot (BOR). De BOR kan zelfstandig bewegen over het frame van de bandtransporteur. De onderhoudswerkzaamheden die de BOR moet verrichten zijn:

Het inspecteren van alle rollen in de bandtransporteur en met deze inspectie kunnen beslissen of een rol aan vervanging toe is. Het vervangen van alle rollen, waarvan bij inspectie is gebleken dat ze aan vervanging toe zijn.

De strategie moet de onderhoudswerkzaamheden definiëren, structureren en optimaliseren, zodat ze met zo laag mogelijke kosten worden uitgevoerd, terwijl aan de eisen voor het onderhoud van het systeem wordt voldaan.

Met deze onderhoudsstrategie moet antwoord gegeven worden op de volgende vragen.

Wat is het ideale inspectie-interval van de rollen, waarmee storing van de band voorkomen wordt?

Moeten alle rollen van één soort eerst worden geïnspecteerd voordat de volgende soort kan worden geïnspecteerd, of moeten alle soorten tegelijk worden geïnspecteerd?

Moeten de inspectie en de vervanging van de rollen tegelijkertijd of los van elkaar worden uitgevoerd?

Als de inspectie en vervanging los van elkaar worden uitgevoerd, wanneer vindt dan de vervanging plaats (bijvoorbeeld als de band stil staat of loopt)?

Als er een rol wordt vervangen, is het dan handig om een andere rol preventief ook te vervangen? Uitgangspunten voor het onderzoek

Een bandtransporteur bestaat uit meerdere rollendelen, een band en een inrichting om de band aan te drijven. Een rollendeel is een onderdeel van het frame van de bandtransporteur waarin de rollen zitten, die de band ondersteunen. Uit de schematische tekening voor de doorsnede van de band is te zien, dat elk rollendeel bestaat uit vijf rollen (zie Figuur S.1). Een rollendeel bestaat uit twee lagen van rollen. Op de bovenste drie rollen ligt de

bovenband, waarop het materiaal vervoerd wordt. Op de onderste twee rollen ligt de onderband. De boven- en onderband zijn delen van de band die in tegenovergestelde richtingen over de bandtransporteur bewegen.

Figuur S.1: Schematische tekening van doorsnede band bij rollendeel

Andere uitgangspunten kunnen als volgt worden beschreven:

De constructie van de bandtransporteur bevat drie soorten rollen, die onderling alleen verschillen in lengte. Van de vijf rollen in een rollendeel, zijn er twee paren van twee verschillende lengtes en één andere rol, die in lengte verschilt met de twee paren (zie ook Figuur S.1).

Een rol bevat twee lagers. Een rol dient acuut vervangen te worden op het moment dat één van de twee lagers vastloopt, maar beter is het een rol te vervangen vlak voor het moment dat het lager vastloopt. In ieder geval moet het lager worden vervangen voordat de rol de conditie van de band kan beïnvloeden.

Als een lager in een rol vastloopt kan de rol met dat lager afslijten en de band van de bandtransporteur aantasten. Dit mag niet gebeuren, dus de rol moet worden vervagen voordat deze de band kan aantasten.

De storing in een lager kan gemeten worden door trillingen in het lager waar te nemen. Het vervoeren van bulk over de bandtransporteur mag worden gezien als een continu proces.

Het concept voor de robot en de constructie van de bandtransporteur zal het mogelijk maken, dat de band niet stil gezet dient te worden om reparaties of inspecties te laten plaatsvinden.

Een bandtransporteur zal gemiddeld 60% tot 70 % van de totale tijd productief zijn.

Als de band stilstaat, kunnen er wel vervangingswerkzaamheden verricht worden. Echter inspectie is niet mogelijk tijdens stilstand, omdat er dan geen trillingen in de lagers te meten zijn.

Werkwijze

Om kennis te vergaren over onderhoudswerkzaamheden in het algemeen, het structureren en het benoemen daarvan is onderzoek gedaan in literatuur over onderhoudstrategie en planning. Vervolgens is er in de wetenschappelijke literatuur gezocht naar optimalisatiemodellen voor

onderhoudswerkzaamheden. Ook is er een hoofdstuk gewijd aan het onderzoek naar vergelijkbare onderhoudsrobots en hun onderhoudsstrategie. Vervolgens spitst het rapport zich toe op de toepassing van de theorie uit de voorgaande hoofdstukken op de onderhoudsstrategie voor de BOR. Ten slotte wordt een conclusie van het onderzoek getrokken en worden aanbevelingen gedaan voor toekomstig onderzoek.

Belangrijke factoren voor een onderhoudsstrategie

Door samenvatting van literatuur over onderhoud en onderhoudsmanagement kan een ontwerpmodel worden gemaakt, waarmee de belangrijke elementen voor een onderhoudsstrategie worden aangegeven. Figuur S.2 laat dit model zien in de vorm van een traject met de belangrijke elementen van een onderhoudsstrategie in de juiste volgorde om een onderhoudsstrategie te kunnen bepalen.

Figuur S.2: Ontwerpmodel voor onderhoudsstrategie

Modellen voor optimalisatie van onderhoudswerkzaamheden

Na onderzoek naar modellen voor optimalisatie van onderhoudswerkzaamheden kunnen de volgende drie algemene opmerkingen worden gemaakt over het aanbod aan die modellen en de toepasbaarheid daarvan op praktijksituaties:

Opmerking 1: Er bestaat een aanzienlijke variëteit in de modellen voor onderhoudspolitieken, echter weinig modellen zijn algemeen toepasbaar. De meeste zijn juist zeer specifiek voor een bepaalde onderhoudssituatie ontwikkeld. In de overzichtsartikelen van diverse specialisten op het gebied van optimalisatie in onderhoud wordt dit ook erkend.

De belangrijkste reden hiervoor is het feit, dat een onderhoudsmodel heel veel aspecten bevat, waarvan gedetailleerde kennis noodzakelijk is. Om een bepaalde onderhoudspolitiek met optimalisatiemodel toe te kunnen passen, is een gedetailleerde kennis van de volgende zaken noodzakelijk:

Het te onderhouden systeem en zijn logistieke aspecten voor het onderhoudsproces.

Definitie van Betrouwbaarheid R(t) en het conditieverloop van de te onderhouden systemen of componenten.

Definitie van de kosten, of nog belangrijker de opbrengsten, die gemoeid zijn met de verschillende onderhoudswerkzaamheden. Opmerking 2: Een geïntegreerde methode met combinatie van planning, prioriteitstelling en de combinatie van preventieve

onderhoudswerkzaamheden, is behalve in R. Dekker "Integrating optimization, priority setting, planning and combining of maintenance activities" [European Journal of Operational Research, Vol.82 (1995) pp.225-240] nergens te vinden. De modellen richten zich voornamelijk op het bepalen van het interval voor onderhoudswerkzaamheden (vervanging of inspectie) onder geminimaliseerde kosten of gemaximaliseerde beschikbaarheid van het systeem.

Opmerking 3: Het stochastische karakter met onverwachte evenementen, zoals de onduidelijkheid over verwerkingstijden, geven een extra complicatie voor het opzetten van een optimalisatiemodel.

Toepassing theorie op situatie van de BOR

De onderdelen uit het ontwerpmodel van Figuur S.2 zijn voor de situatie van de BOR met een bandtransporteur als volgt op te stellen: Onderhoudsdoel en storingsgedrag

Het onderhoudsdoel

Het doel van de onderhoudswerkzaamheden (onderhoudsdoel) is als volgt:

De betrouwbaarheid R(t) van alle lagers in alle rollen van de bandtransporteur moet worden gemaximaliseerd. Storingsgedrag

Aangezien de BOR de lagers in de te onderhouden rollen moet inspecteren mag aangenomen worden, dat het conditieverloop van de lagers niet bekend is. Er kan wel een schatting gemaakt worden van het conditieverloop van de lagers. Het is algemeen bekend dat de conditieverloop voor alle soorten lagers niet volgens de optimale curve, zoals als die potentieel mogelijk is volgens de fabrikant, wordt doorlopen. De oorzaak hiervan is vaak slechte smering of verkeerde installatie van de lagers. Bij een bandtransporteur komen daar de zware weersomstandigheden, grote

concentraties stof en wisselende belastingen bij. Het is dus aannemelijk dat de condities van de verschillende lagers veel differentiëren. Daardoor zullen de condities van de lagers niet door middel van levensduurberekeningen, maar door inspectie met behulp van trillingsmetingen moeten worden achterhaald.

Soorten werkzaamheden De onderhoudswerkzaamheden zijn:

Het inspecteren van soorten rollen in de bandtransporteur en met de inspectie kunnen beslissen of een rol aan vervanging toe is. Het vervangen van alle soorten rollen, voordat ze de band van de bandtransporteur kunnen aantasten.

Onderhoudsconcept Periodieke vervangingspolitieken komen niet in aanmerking, omdat daarvoor de conditie van de lagers van tevoren bekend moet zijn. In het geval van de BOR zal er gebruik gemaakt moeten worden van periodieke inspectie, volgens voorgaande kenmerken, waarbij het inspectie-interval niet constant behoeft te zijn.

Uitvoering onderhoudswerkzaamheden

Dit proces wordt gekenmerkt door de volgende elementen:

In de beslissing voor uitvoering van onderhoudswerkzaamheden aan een lager moeten historische waarden voor de conditie van dat lager worden geïntegreerd.

Omdat er geen gegevens over bedrijfsuren van bandtransporteurs bestaan, wordt er vanuit gegaan dat de bandtransporteur continu werkt en zal uitstel van vervanging niet meegenomen worden voor de bepaling van de onderhoudsstrategie.

De rollen in één rollendeel worden parallel geïnspecteerd. Het inspectie-interval kan op twee manieren worden bepaald:

Er wordt steeds vaker geïnspecteerd naarmate de conditie van een lager verslechtert. Dat betekent, dat niet alle rollendelen elke inspectiecyclus van de bandtransporteur worden geïnspecteerd, maar alleen als de conditie van één lager in de rollendeel daartoe aanleiding geeft.

De inspectie moet in constante tijdsintervallen worden uitgevoerd. Elk tijdsinterval wordt de conditie van de lagers in alle rollen gemeten, ongeacht de vorige conditie van de lagers.

Er zijn drie manieren van bewegen van de BOR over de bandtransporteur, die zijn samengevat in Figuur S.3.

Optimalisatie van onderhoudswerkzaamheden

Het bepalen van de optimale onderhoudsstrategie voor de BOR blijft steken bij het optimaliseren van de onderhoudswerkzaamheden, die de BOR moet verrichten aan de bandtransporteur. De onderzochte optimalisatiemodellen blijken niet aan de eisen te voldoen. De kans dat er een optimalisatiemodel bestaat wat wel precies aan de eisen voldoet is erg klein, gezien de opmerkingen bij het onderzoek naar deze modellen. Echter een aanzienlijk deel van de optimalisatie is reeds bepaald door de keuzes voor de logistieke aspecten voor het onderhoudsproces. De keuzes voor bepaling van het inspectie-interval en het beweegschema voor de BOR staan nog open. In totaal zijn er dus zes opties mogelijk. Het vervolg van het onderzoek naar de beste optie voor een onderhoudsstrategie voor de BOR kan worden uitgevoerd door alle opties te simuleren. De keuze moet vallen op de optie, die met de geëiste betrouwbaarheid de laagste kosten per tijdseenheid geeft. De kostenfunctie die hierbij geldt, is de totale gemiddelde kosten per tijdseenheid, gegeven door:

waarbij:

- Een inspectie kost c₁ en duurt q tijdseenheden.

- De kosten voor de tijd tussen het optreden van een storing en de detectie bij de volgende inspectie zijn c₂ per tijdseenheid. - Een vervanging kost c₃ en duurt rtijdseenheden.

- Inspectie worden verricht op tijden T_i = T₁, T₂, T₃, ... ,T_n en T is de verzameling van deze tijdstippen. Roostering onderhoudswerkzaamheden en capaciteitsplanning

Voordat er een keuze is gemaakt voor de beste optie voor de uitvoering kan er geen onderzoek worden gedaan naar het opzetten van roosters voor onderhoudswerkzaamheden en de capaciteitsplanning die daarbij hoort.

Aanbevelingen

Door de verschillende opties te simuleren met behulp van een computersimulatieprogramma kan het schema voor de inspectietijden worden bepaald. Als in het schema blijkt dat de BOR een inspectie-interval zou moeten aanhouden wat in de werkelijkheid niet kan worden behaald, door bijvoorbeeld een te lage snelheid van bewegen over de bandtransporteur, kan er voor worden gekozen meerdere BOR's op een bandtransporteur te laten werken.

Aangezien simulatie eenduidige waarden als input nodig heeft, moeten de volgende gegevens bekend zijn voordat er met de simulatie kan worden begonnen:

De verdeling van de conditieverlopen

Duidelijke definitie van de kosten voor de verschillende onderhoudswerkzaamheden. Duidelijke definitie van de tijdsduur van de verschillende onderhoudswerkzaamheden. Bewegingssnelheid van BOR over de constructie.

Lengte van de specifieke bandtransporteur en de afstand tussen twee rollendelen.

Na simulatie voor de optimalisatie van de onderhoudswerkzaamheden, is het mogelijk de capaciteitsplanning en roostering te construeren en meer onderzoek te doen naar voorraadproblemen voor reserveonderdelen voor de bandtransporteur.

Daarmee komt dit onderzoek tot de volgende aanbevelingen:

1. Er moet onderzoek gedaan worden naar de gegevens, benodigd voor de input voor de simulatie van de verschillende beweegschema's. Deze waarden zijn voor elke bandtransporteur specifiek.

2. Er moet onderzoek gedaan worden naar uitbreiding van de onderhoudsstrategie voor meerdere componenten van de bandtransporteur. 3. Het is noodzakelijk ook het storingsgedrag van de BOR in de optimalisatie en roostering van de onderhoudswerkzaamheden te integreren. 4. Er zou overwogen moeten worden om tussentijdse reparaties aan lagers uit te voeren, waarmee de levensduur van een lager wordt verlengd. 5. Een onderzoek naar herontwerp van bandtransporteur voor hogere betrouwbaarheid, voor afweging tegen ontwerp van de BOR.

Rapporten studenten Logistieke Techniek