автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Формирование структуры и содержания ремонтно-обслуживающих воздействий на механизмы двигателей семейства ЗМЗ

005006640

На правах рукопис!

Магдеев Равиль Рашидович

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СОДЕРЖАНИЯ РЕМОНТНО-ОБСЛУЖИВАЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА МЕХАНИЗМЫ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА ЗМЗ (НА ПРИМЕРЕ АВТОМОБИЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ)

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации иа соискание ученом степепн кандидата технических наук

8 ЛЕН 2011

САРАНСК 2011

005006640

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева»

Научный руководитель: - доктор технических наук доцент

Комаров Владимир Александрович (ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»)

Официальные оппоненты: - доктор технических наук профессор

Мачнев Валентин Андреевич (ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»)

- кандидат технических наук доцент Встчининков Михаил Николаевич (ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»)

Ведущая организация: - Федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА)

Защита состоится 21 декабря 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 в ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета и на сайте ВАК vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан «|\» ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

В. А. Комаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на техническое обслуживание и ремонт автомобилей сельскохозяйственного назначения приходится 15-20 % себестоимости транспортного процесса. Причем недостаточная надёжность машин сказывается на уменьшении их производительности, что обусловленно простоями в ремонте.

Повышение надежности техники в межремонтном периоде зависит от совершенствования системы ее обслуживания и ремонта, от ее гибкости, позволяющей наиболее эффективно использовать ресурсы составных частей автомобилей. Эффективность системы технического обслуживания и ремонта повышается при правильном использовании попутных замен деталей при отказе агрегата, возможности изменения периодичности ремонтно-обслуживающих воздействий в соответствии с техническим состоянием при диагностировании. По сравнению с автомобильной техникой, для других видов машин применяется большее число видов ремонта, большие диапазоны кратности периодичностей, то есть им присуща большая гибкость системы ремонта и большая степень использования ресурса агрегатов. Но совершенствование системы ремонтных воздействий ведется, как правило, без исследования целесообразности изменения структуры ремонтного цикла, а путем уточнения нормативов. К тому же совершенно не учитывается вред, наносимый окружающей среде автотранспортом. Поэтому тема исследования, посвященного формированию ремонтно-обслуживающих воздействий (РОВ) на механизмы двигателей, является актуальной.

Цель исследования - повышение долговечности кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателей семейства ЗМЗ-511 путем оптимизации структуры и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий.

Объект исследования - система технического обслуживания и ремонта двигателей семейства ЗМЗ при применении средств диагностирования.

Предмет исследования - закономерности изменения параметров технического состояния КШМ двигателя ЗМЗ-511 при различных стратегиях и правилах перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных работ в результате устранения последствий отказов и проведения предупредительных (регламентированных) замен.

Методическая база н методы исследования. Решение поставленных задач проведено на основе математического описания закономерностей изменения параметров технического состояния деталей КШМ при рассмотрении различных стратегий и правил перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных работ в результате устранения последствий отказов и проведения предупредительных замен. При этом были применены методы интервальной оценки, динамического программирования, функций случайных аргументов, системной оценки погрешностей измерений, теории вероятностей и математиче-

ской статистики, регрессионного и корреляционного статистического анализа, системного, функционального и стоимостного анализа, прогнозирования случайных процессов, итерационные методы оптимизации по нескольким переменным.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов:

- разработана математическая модель комплексной оптимизации структуры и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий КШМ, учитывающая групповые замены и возможность перепланировки различных видов контрольно-диагностических и ремонтных воздействий;

- разработана методика установления номенклатуры контролируемых структурных параметров, позволяющая сформировать разновидности текущего ремонта (ТР) с учетом технико-экономических показателей в маршрутах доступа (МД) и весомостей диагностических параметров, лимитирующих надежность КШМ;

- получены зависимости суммарных удельных издержек и показателей долговечности от периодичности проведения ремонтно-обслуживающих воздействий, среднего прогнозируемого периода безотказной работы и коэффициентов перепланировки видов контроля и ремонтных работ.

Практическая ценность результатов исследования состоит в разработке научных основ формирования системы технического обслуживания и ремонта (ТОР), методов и средств, позволяющих:

-устанавливать характерные причины отказов КШМ;

- реализовать правила перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных воздействий в результате устранения последствий отказов и проведения предупредительных замен КШМ;

- определять допускаемые величины параметров деталей при ремонте для различных разновидностей ТР и КР (капитальный ремонт) для КШМ;

- усовершенствовать нормативно-техническую документацию по назначению ремонтно-обслуживающих воздействий;

- интенсифицировать учебный процесс по дисциплинам «Надежность технических систем», «Диагностика и техническое обслуживание машин», «Надежность и ремонт машин», «Проектирование предприятий технического сервиса» и «Технология ремонта машин».

Реализация результатов исследований осуществлялась путем:

- использования концепции исследования научными организациями и производственными подразделениями, а именно ООО «Комбинат Сура», ЗАО «Мордовский Бекон» при обосновании процесса технической эксплуатации двигателей семейства ЗМЗ-511, концепции системы ТОР, основанной на разработанной системе математических моделей управления техническим состоянием машин и анализе экономических издержек для рассматриваемых двигателей;

- применения в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» при чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсовых и ди-

пломных проектов, разработке математических моделей управления техническим состоянием машин в условиях сельскохозяйственного производства.

Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении к работе.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научных конфренциях «Огаревские чтения» (Саранск, 2007, 2008, 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (Саранск, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств механизации в АПК» (Саранск, 2011 г.), научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н. П. Огарева (Саранск, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, 2 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 140 наименований, содержит 130 страниц основного текста, 46 рисунков, 5 таблиц.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

- математическая модель оптимизации стратегии, структуры и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий на KLLIM, учитывающая групповые замены и возможность перепланировки различных видов контрольно-диагностических и ремонтных воздействий;

- методика установления номенклатуры контролируемых структурных параметров, позволяющая предварительно сформировать разновидности TP с учетом технико-экономических показателей в маршрутах доступа (МД) и весо-мостей диагностических параметров, лимитирующих надежность KLLIM;

- имитационные модели управления техническим состоянием КШМ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, ее практическая значимость, сформулированы цель исследования, а также научные положения, обладающие новизной и выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы формирования ремонтно-обслуживающих воздействий техники» отражено состояние проблемы и обосновано направление работы.

Все исследования по данной тематике, выполненные ранее различными авторами, можно разделить на несколько групп. Первая группа: исследования по оптимизации доремонтного и межремонтного ресурсов машины или ее сложного агрегата, представляющие машину неделимым объектом с присущими ему определенными характеристиками динамики издержек на техническую эксплуатацию. По оптимизируемой предельной величине накопленных затрат на ремонт или запасные части устанавливают правила прекращения использования изделия по назначению из технико-экономических соображений. Вторая

группа: исследования по обоснованию стратегии технической эксплуатации отдельных элементов машин, состояние которых характеризуется изменяющимися с ростом наработки параметрами. Исследования этой группы доведены до рабочих методик, но данные методы, позволяющие определить оптимальную периодичность контроля и допускаемые отклонения параметров, применимы только к независимым по доступу для контроля и ремонта составных частей (СЧ). Третья группа: исследования по группированию стратегий ТОР для элементов в стратегии ТОР для машины. Известные методики формирования групповых видов ТОР используют принципы опорных операций и другие решения, но не дают единого комплексного решения по уровням «СЧ - сборочная единица - машина».

Обоснованию системы ТОР при групповых заменах деталей посвящены работы А. В. Бажинова, Л. А. Босова, Е. А. Володарского, Н.С. Еремеева, П.П. Лезина, А.Т. Осяева, Г.С. Рахутина, В.М. Рогожкина, A.C. Стрельцова, В.И. Черноиванова, Ю.М. Чишогина и многих других ученых. Рассмотренные разработки не отвечают требованию учета структуры объекта, получаемые результаты обоснования управляющих показателей эффективны для использования при техническом обслуживании (ТО), диагностировании, а также для группирования этих операций, однако не могут применяться для обоснования комплекса управляющих показателей системы ТОР элементов с последовательным зависимым доступом в изделии. Проводимые в условиях эксплуатации контрольно-диагностические работы (КДР) определены для параметров, измерение которых возможно безразборными методами. При этом конкретно не указываются глубина разборки и правила принятия решений при уточнении предварительного диагноза по диагностическим признакам.

Всесторонне вопросы управления работоспособностью машин исследованы В. М. Власовым, С. В. Головиным, A.C. Денисовым., Л. В. Дехтеринским, И. Е. Дюминым, С. А. Егоровым, Д. В. Карагодиным, Е. Г. Кеяном, Г. В. Кра-маренко, А. Г. Краузе, К.Т. Кошкиным., Е. С. Кузнецовым, В. М. Михлиным, А. И. Селивановым, М. Т. Хазимом, А. М. Шейнином и др. В ряде этих работ минимизацией функции суммарных удельных затрат определены номенклатура групповых замен СЧ и наработка до их предупредительных ремонтов. Однако авторы не учитывают возможности проведения контрольных работ при частичной разборке в связи с предупредительной заменой или устранением последствий отказа. Рекомендации авторов эффективны для элементов, но не для объекта ремонта в целом, так как установленная его стратегия ТО и ремонта не связана с управлением техническим состоянием отдельных СЧ.

Анализ исследований доказывает недостаточную системность обоснования правил назначения ремонтных работ: они не рассматриваются в комплексе и взаимосвязи, часто оптимизируются на различной методической и информационной основе, а СЧ рассматриваются с позиций индивидуального ремонта, при этом совершенно не учитывается ущерб, наносимый окружающей среде в результате работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) автомобилей.

Таким образом, проведенный анализ позволил приблизиться к оценке достигнутого уровня разработки проблемы оптимизации процесса определения по-

требности в ремонтно-обслуживающих работах. Благодаря работе, проделанной назваными выше учеными, стало возможным формирование направления исследований по совершенствованию системы ТОР машин.

На основании анализа состояния проблемы и в соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи.

1. Разработать математическую модель обоснования стратегии, структуры, содержания, правил назначения и перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных воздействий на КШМ.

2. Сформировать принципы установления номенклатуры контролируемых параметров при оптимизации цикла ремонтных воздействий.

3. Разработать алгоритм эксплуатации КШМ, проведения контрольно-

диагностических и ремонтных работ.

4. Провести экспериментальные исследования технического состояния деталей КШМ и определить параметры долговечности рабочих поверхностей, влияние размерно-геометрических величин на диагностические параметры, доступность для контроля и ремонта.

5. Обосновать эффективную структуру ремонтного цикла с учетом правил назначения объемов попутного контроля и ремонта.

6. Разработать нормативно-техническую документацию системы ТОР, обеспечивающую повышение долговечности КШМ, оценить ее технико-экономическую эффективность и внедрить в производство.

Во второй главе «Теоретические исследования» получена математическая модель обоснования стратегии, структуры, содержания, правил назначения и перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных воздействий на механизмы двигателей ЗМЗ-511.

Основным способом управления техническим состоянием является выбор стратегии ремонта. Разновидности стратегий исследовались при рассмотрении объекта как технической системы с известными взаимосвязями СЧ по доступности для контроля и ремонта и экономической оценкой каждой операции. Описание объекта ремонта в виде МД позволило учесть совмещение операций, возможный попутный контроль при вынужденных разборках, рациональные перепланировки объемов попутных ремонтных работ, переменную стоимость КР, а также оптимизировать допускаемые отклонения параметров с учетом доступности их для контроля и ремонта.

Одновременное проведение предупредительных контрольно-диагностических и ремонтных воздействий (РВ) улучшает характеристики безотказности. Другими словами, минимальным удельным издержкам соответствует оптимальный уровень безотказности по прогнозируемым отказам. Исходя из этого в качестве критерия совместной оптимизации допускаемых параметров технического состояния деталей и системы ТОР принят минимум суммарных удельных затрат на проведение КДР, предупредительных ремонтов и устранение последствий отказов с учетом возможных потерь от вынужденных простоев и ухудшения функционирования объекта.

Целевой функционал формирования структуры и содержания РОВ в общем виде запишется:

уд т • О

СП

где Куа - комплекс управляющих параметров {5, Р, Л, П, £>}, включающий: 5 - стратегию ремонта составной части, Р - структуру и содержание ремонтных воздействий, Л - критерии предельного состояния (КПС) и правила назначения вида ремонта, П - правила определения рационального объема попутных ремонтных работ; й - технические требования на диагностирование и контроль параметров технического состояния; С0> Сс„ - средние затраты, связанные с приобретением и списанием объекта; ЩКУП) - издержки на проведение контрольно-диагностнческих работ; Ую(Куп) - издержки на проведение ремонтных работ; СЯ„(КУ^ - стоимость замененных запасных частей; ит(Ку^ - потери, связанные с устранением последствий отказов; Ра, - вероятность списания объекта, Скм - ущерб окружающей среде на 1 км пробега, с» - норма расхода топлива данной модели автомобиля.

Основная особенность функционала состоит в том, что все виды издержек определяются в функции от КУП, но аналогичные функционалы в известных решениях решаются при фиксированных 5, Р. Я, а в случае их формирования исследования проводят без обоснования Пий.

Сложность комплексной оптимизации указанных управляющих параметров состоит в том, что они взаимозависимы, т.е.:

Р -ДЗ); Л =/(Р, П); П =/(Р, Б); Б =/(7>, Д, П). (2) Таким образом, комплексное решение возможно при применении единой методической основы для обоснования Куп и получения единой оценки эффективности его применения.

Формализованное описание объекта служит информационной основой, так как математическая модель строится для СЧ с зависимым доступом для котро-ля и ремонта, при котором экономически (используя критерий оптимизации) оценивается фактор доступности с учетом совмещения операций разборки, сборки, контроля и замены. Для формализованного описания объекта применяем теорию графов. МД к СЧ для их демонтажа позволяют оценить реальную трудоемкость работ, совмещаемость операций, проанализировать технически целесообразные попутные работы и др.

ТР-1, ТР-2,..., ТР-И - определенные объемы работ ТР, осуществляемые в основном в рамках стратегии «по состоянию». Это значит, что назначением разновидности ТР определяется проведение регламентированного объема контрольных работ, а также ремонтных работ «по состоянию» (используя допускаемые величины параметров технического состояния £>). Для заданного межремонтного или межконтрольного /и„ периодов устанавливаются оптимальные £>опт. Считается Гмр = (ик для СЧ с независимым доступом при контроле и ремонте. Это подходит в основном для операций ТО и малой части конструктивных элементов машин. Для структурных параметров, например, при КР, устанавливаются 0(1ырю'), гарантирующие с определенной вероятностью безотказную работу в течение /мр. Но если эти параметры контролируются при диагностировании, то задаются 2)(?МкЛ обеспечивающие безотказную работу СЧ до очередного диагностирования (контроля).

Предотвращение внезапных отказов в математической модели осуществляется путем определения величины наработки, при которой еще не отказавшие элементы заменяют (ремонтируют) регламентно. Таким образом, в отличие от постепенных отказов, число которых регулируется назначением величин 0Тр.ы, Окг, предупреждение внезапных отказов определяется только периодич-ностями проведения сложных ТО Гто и моментами ГГР.ц, Т№ назначения «по состоянию» разновидностей ТР и КР.

Предупреждение постепенных отказов в математической модели осуществляется путем определения оптимальных допускаемых величин параметров состояния СЧ и межконтрольных наработок. Совместное обоснование сроков предупреждения постепенных н внезапных отказов формализовано может быть представлено следующей математической моделью:

¿{/у = т!п ^а,)+...+!;(уТР_?дд/)+ У>КР(Д/)+ м '¡=| ¡,-1 („.1

где и-т(3,0, £/11М(ШЛ иПк2(и,[),..., иТ?_ы(О,0, икг(0,1) характеризуют соответственно издержки при сложном ТО, разновидностях ТР и КР по 1-м параметрам, обусловливающим постепенные отказы; ию(1), итм(1), иТР.2(1),..., итг„»(0, иКР(0 - издержки при сложном ТО, разновидностях ТР и КР по г-м внезапным отказам; щ, п2, ... , пы, илг+/ - количество постепенных отказов по параметрам, контролируемым при сложном ТО, разновидностях ТР и КР; к,, к2,... , кК, км+1 - количество внезапных отказов.

Совместная оптимизация структуры и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий учитывает совместные замены и возможность перепланировки (рис. 1). С целью выработки рекомендаций для назначения попутного проведения с КДР одного вида КДР другого вида в качестве управляющего параметра оптимизируется нормативная доля отработанного межконтрольного периода для рассматриваемых КДР (коэффициент перепланировки видов контрольных работ КПК). Рассматривается и второй критерий перепланировки (нормативная доля отработанного гарантируемого периода безотказной работы) для оценки возможности попутного проведения с ТР одного вида ТР более сложного вида (коэффициент перепланировки видов ремонтных работ Кпгк)-

Оценка эффективности группирования операций контроля в виды КДР и ТР с учетом минимизации количества контролируемых параметров проводится в несколько этапов.

1. Исследование технического состояния деталей и их поверхностей, поступающих на капитальный ремонт, и получение коэффициентов «дефектности» составных частей и их параметров:

П

8 и =

П „ + П , • (4)

где П. , П - количество деталей соответственно подлежащих выбраковке и

«» '1

годных для 1-ой составной части поу'-му параметру.

2. Проведение размерного анализа диагностических параметров:

= "у С Л,, если ■ (5)

где и, - среднее значение износа для/-го параметра; передаточное отношение /-го структурного параметра для м-го диагностического параметра; ив/ -верхняя граница интервала рассеивания величины износа для /-го параметра; и„п-предельное значение /-го параметра; е - нормируемая величина

произведения передаточного отношения § на среднее значение износа и, для

/-го параметра.

3. Построение МД к СЧ машин для их замены и контроля и определение

трудоемкости разборочно-сборочных, и контрольных операций Т„, Т„-/.....Т, на

различных условных уровнях разборки.

4. Установление целесообразности группировки работ в виды контроля (КДР) и ремонта (ТР) на основании критерия группирования // и показателей

надежности параметров деталей /ср :

Т — Т

и ) —(6)

п »-1

5. Определение влияния структурных параметров на ущерб окружающей среде.

6. Оценка эффективности группировки операции контроля в виды кдг и

ТР по критерию Суд (Ку[0-

В третьей главе «Методические вопросы исследования» изложены методики экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных, производственных и эксплуатационных условиях.

Для выявления наименее долговечных параметров деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя ЗМЗ-511 и оценки их влияния на износы и дефекты основных деталей в производственных условиях разработана методика микрометражиых исследований. Выбор и назначение средств измерения производится с учетом их метрологических и экономических факторов. Обобщающим метрологическим и экономическим показателем является погрешность средств или метода измерения.

Для определения взаимосвязи всех СЧ по доступности для операций ТОР разработана методика построения МД КШМ. Они отображают рациональную последовательность разборки и сборки по кратчайшим маршрутам с учетом всех затрат, указывают после демонтажа какой СЧ возможен контроль того или иного параметра СЧ, с демонтажом или без демонтажа двигателя с автомобиля.

Для определения ущерба окружающей среде в результате работы ДВС, разработана соответствующая методика.

Кроме того, разработана методика эксплуатационных испытаний, заключающаяся в проверке эффективности правил назначения структуры РОВ и правил их назначения.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» рассмотрены предусмотренные методикой исследования три этапа проведения эксперимента.

На первом этапе установлено, что около 80 % отказов деталей КШМ (шейки коленчатого вала, юбка поршня, внутренняя поверхность гильзы, коренные и шатунные вкладышы, компрессионные и масляные кольца и др.) порождаются износами. Перекос поршневых колец вызывает преждевременный износ внутренней поверхности гильзы, впоследствии ведущий к износу юбки поршня. Непараллелыюсть осей шатунных и коренных шеек коленчатого вала вызывает повышенный износ вкладышей шатунных и коренных подшипников, а впоследствии шеек коленчатого вала и нижних головок шатуна. Поршневые кольца и вкладыши шатунных и коренных подшипников являются наименее долговечными деталями КШМ. На основании сравнения микрометражных данных с техническими требованиями на ремонт выявлены фактические величины коэффициента сменяемости деталей. Так, например, для коленчатого вала 85 % шатунных шеек годные без ремонта, коренных - 63 %.

На втором этапе построены и проанализированы МД к КШМ. При этом выявлено, что детали КШМ двигателя ЗМЗ-511 как объекты ремонта, являются технической системой со следующими характеристиками: примерно 80 % параметров имеют зависимый доступ для контроля, а диагностические параметры играют роль только признаков неисправности. Максимальный последовательный МД КШМ включает до 12 СЧ.

На третьем этапе на основании ранее проведенных исследований, принимаем в качестве лимитирующего диагностического параметра для КШМ расход картерных газов, которые являются одним из главных факторов загрязнения окружающей среды.

В работе получена зависимость величины расхода картерных газов д: от структурных параметров КШМ уп:

х=0,205_у+0)219з;г+0,091^+0,041^+0,051^+0,045^+0,191^+0,157_у . (7)

Наибольшее влияние на параметр дг, оценивающий расход картерных газов при 3 000 мин. (рис. 2), оказывают износ верхнего компрессионного кольца по высоте уг, и износ верхней канавки поршня по высоте^. Изменение/Их средневзвешенного значения на 10 % приводит к изменению функции отклика на 42,4 % (20,5 и 21,9 % соответственно), тогда как влияние износа второй канавки по высоте у4 и износа второго компрессионного кольца по высоте у} на функцию отклика составляет 9,2 % (4,1 и 5,1 % соответственно). Влияние изменения остальных структурных параметров (при условии 10% отклонения): составляет: зазор в стыке первого компрессионного кольца^ - 9,1 %; зазор в стыке второго компрессионного кольца у6 - 4,5 %; износ юбки поршня у1 -19,1 %; износ внутренней поверхности гильзы уц - 15,7 %.

>•«=15,7%

-у ,=20,5%

Рис, 2. Степень влияния структурных параметров^ на расход картерных газов л: при

3 ООО мин"'

Согласно расчетам получаем, что удельные издержки без учета затрат на уменьшение ущерба окружающей среде в результате выбросов картерных газов для двигателей ЗМЗ-511 достигают 38 руб./тыс. км (рис. 3 а).

В результате введения в критерий эффективности затрат на уменьшение ущерба окружающей среде от выбросов картерных газов из двигателей ЗМЗ-511 суммарные удельные издержки уменьшились приблизительно на 15 % (рис. 3 б) - с 38 руб./тыс. км до 33 руб./тыс. км.

На основании проведенных исследований, определено минимальное количество параметров, которые целесообразно рассматривать при формировании правил назначения предупредительных замен и попутных контрольно-диагностических операций при устранении последствий отказа, предупредительной замене и ТО. Из структурных параметров, контролируемых при КР КШМ двигателя, с учетом их средних ресурсов и весомости составляющих звеньев диагностических размерных цепей оказалось целесообразным контролировать при различных видах ТР от 14 до 76 % параметров (ТР-1 - 6 параметров, ТР-2 - 30, ТР-3 - 49).

7. 35

■г

К «

31

о

29

27

25

» 40

и 3

-е зо

ю >. с.

« 20 и

10

о

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

(мк,тыс. км. /мк,тыс. км

а б

Рис. 3. Суммарные удельные затраты Сул без учета о) и с учетом о) ущерба окружающей среде в результате выбросов картерных газов

В пятой главе «Результаты исследования вариантов структур цикла и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий» с помощью

разработанного алгоритма и математических моделей проводились исследования различных вариантов структур ремонтного цикла. В связи с большим числом переменных характеристик, введенных в модель, исследования велись поэтапно с использованием итерационного метода.

На первом этапе часть характеристик рассматривали как неизменные, а именно: прогнозируемые (гарантируемые) периоды безотказной работы /с; объем попутных контрольных работ; значения коэффициентов перепланировки видов воздействий; стоимость проведения КР и др. Перебирая различные варианты КДР и сочетаний объемов плановых и попутных контрольных работ, в результате определяли оптимальный вариант.

Исследования процесса технической эксплуатации с помощью теоретической модели позволили сделать следующие заключения о структуре цикла КДР и ремонтных воздействий: целесообразно на практике учитывать все разновидности ТР (ТР-1, ТР-2 и ТР-3); плановый контроль проводить только по диагностическим параметрам (КДР-1) через одно ТО-2; контроль всех структурных параметров проводить попутно с ТО при разборке для уточнения диагноза при обнаружении признака неисправности или в связи с устранением последствий

отказа (КДР-2, КДР-3 и КДР-4).

На втором этапе изменялся гарантируемый период безотказной работы /с для каждого вида КДР. Таким образом, определялись /с для КДР-1 - КДР-4. Суммарные удельные издержки Сул при изменении ¡а от 2 тыс. до 300 тыс. км для разновидностей ТР увеличиваются в 2 раза. Используя результаты оптимизации, целесообразно допускаемые параметры устанавливать для СЧ, контролируемых при первой разновидности ТР, на прогнозируемый пробег без отказа 60 тыс. км, для других разновидностей ТР - на 90 тыс. км. (рис. 4).

На третьем этапе исследовался вариант решения, при котором в условиях совместного учета оптимальных результатов по первому и второму этапам варьировались объемы попутных КДР при необходимости замены конкретных

Рис 4. Зависимость суммарных удельных издержек Суд на ремонт КШМ от периодичности проведения КДР-1 /« и среднего прогнозируемого периода безотказной работы (с, соответствующие КДР-2 - КДР-4

На четвертом этапе при моделировании ранее полученного варианта изменялись коэффициенты перепланировки КДР (ТР) и находились их нормативные значения (рис. 5 - б). На основании исследований правил перепланиров-

' у" 0,111 «1 -0,90721 ■» 0.023>' <■ 12.172»"- 12.849* + 40,004) ): К1 -0,9985 1-

» 0,4564 * -4,8 04.1' + 6,983« 9,656 = 0,9993 - 19,034 .г'* 1.9 288» 1

Рис, 5. Зависимость Суя от коэффициента перепланировки видов ремонтных работ Кпк

Рис. 6. Зависимость Суд от коэффициента перепланировки видов контроля Кпрк

ки КДР и ремонтных воздействий установлено, что при наработке от предшествовавшей одноименной КДР более 60 тыс. км целесообразно попутно с проводимой вынужденно КДР проводить очередную, более сложную разновидность КДР.

Правила перепланировки КДР и ремонтных воздействий значительно влияют на показатели долговечности КШМ. Максимальные значения наработки на отказ ¿отк и среднего ресурса /ср СЧ соответствуют минимальным значениям коэффициентов перепланировки видов контроля Кпк и ремонтных работ ЛГпрк-При изменении Кш от 0 до 1,5 наработка на отказ уменьшается на 50 %, а средний ресурс - на 20 %. При увеличении от 0 до 3,5 наработка на отказ уменьшается на 45 %, а средний ресурс - на 15 %. Окончательно с учетом принятого критерия (минимума удельных издержек Сул) за оптимальные значения > 01 прк

120

приняты: А",1К°"Т = 0,5 , Кпр°т = 1,2 (рис. 7-10).

р; 4,6933« \------ 16,0481' Я 24,012«' 114,47 = 0,9997 24,039« - 48,035«

Г »«Иг' * и 4-2040АГ* Я!-0 - 948,64« 9948 + 88,439« + 400,19;

\

\

\

0,25

из и Кш

Рис. 7. Зависимость наработки на отказ Лп* от Рис. 8. Зависимость среднего ресурса 1ср от коэффициента перепланировки видов коэффициента перепланировки видов

контроля К„к контроля АТПк

В работе определены допускаемые величины параметров технического состояния элементов для разновидностей ТР с частичной разборкой и КР с учетом совмещения демонтажных работ или вероятностей совместной замены СЧ. Они обусловливают различные сроки безотказной работы в зависимости от доступности параметров. Полученные на основании разработанных правил назначения контрольно-диагностических и ремонтных работ основные характеристики цикла КДР и ремонтных воздействий значительно превышают фактические эксплуатационные.

% МО

I

~ 100

90 80 70 60

0 0,5 1 1,5 г 2.5 3 3; 0 0.5 1 1,5 2 2.5 3 3„'

А*,|рк К пр*

Рис. 9. Зависимость наработки на отказ готк от Рис. 10. Зависимость среднего ресурса típ от коэффициентов перепланировки видов коэффициентов перепланировки видов

ремонтных работ К,т ремонтных работ /С„рк

В шестой главе « Оценка технико-экономической эффективности исследования» приведена оценка технико-экономической эффективности при внедрении «Концепции системы технического обслуживания и ремонта двигателей ЗМЗ-511». Суммарный экономический эффект от применения усовершенствованных правил назначения контрольно-диагностических и ремонтных работ составил 920 руб. на один двигатель.

Общие выводы

1. Проведенный анализ исследований показал, что существующая система ТО и ремонта техники, жестко привязанная к регламентированным режимам, не обеспечивает эффективную работу машин. Принимаемые решения о РОВ должны основываться на использовании технической диагностики как средства получения объективной информации о фактическом состоянии индивидуально каждого двигателя.

2. Разработана математическая модель комплексной оптимизации стратегии, структуры, содержания и правил назначения контрольно-диагностических и ремонтных воздействий на КШМ, учитывающая структуру объекта, величину гарантируемых периодов безотказной работы для разновидностей ТР, перепланировку объемов работ и нормируемые показатели долговечности с учетом ущерба окружающей среде в результате выбросов картерных газов.

3. Усовершенствована методика установления номенклатуры контролируемых параметров при формировании разновидностей ТР с учетом параметров

долговечности поверхностей деталей, весомости звеньев размерных цепей, лимитирующих надежность КШМ, и технико-экономических показателей в МД.

4. Произведена имитация объектов исследования в моделирующем алгоритме, которая позволила провести комплексную оптимизацию параметров управления техническим состоянием КШМ.

5. Результаты экспериментальных исследований показали, что КШМ двигателя ЗМЗ-511 является технической системой с 80% зависимостью доступа для контроля и ремонта. Около 80 % отказов деталей КШМ (шейки коленчатого вала, юбка поршня, внутренняя поверхность гильзы, коренные и шатунные вкладыши, компрессионные и масляные кольца и др.) порождаются износами.

6. Установлена целесообразность исследования ремонтного цикла, включающего до трех разновидностей ТР без снятия и со снятием двигателя с автомобиля, с различными объемами разборки и контроля КШМ (ТР-1 - б параметров, ТР-2-30, ТР-3-49).

7. Средняя периодичность вынужденной разборки двигателя на определенную глубину для устранения последствий отказа, уточнения диагноза, предупредительной замены СЧ обусловливает межконтрольную наработку I.,, и гарантируемый период безотказной работы /с для различных КДР. По результатам моделирования окончательно было рекомендовано: /°,'т= 30 тыс, км; с2т = 60 тыс. км; <°7== г°7= 90 тыс. км.

8. Правила перепланировки КДР и РВ значительно влияют на показатели безотказности и долговечности агрегатов. Окончательно с учетом принятого критерия (минимума удельных издержек Суд), за оптимальные значения приняты: Кпкат = 0,5 и К,т°ЛТ = 1,2.

9. В процессе опытно-производственной проверки обоснованных правил назначения ремонтных работ была найдена удобная для рабочего места ремонтника форма представления рекомендаций и технических требований в картах определения вида н объема ремонта, где совмещены сведения о последовательности разборки, объемах попутного контроля, правилах перепланировки вида ТР и назначения КР.

10. Суммарный экономический эффект от применения усовершенствованных правил назначения контрольно-диагностических и ремонтных работ составил 920 руб. на один двигатель.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Магдеев Р. Р. Методологические основы формирования структуры и содержания ремонтно-обслуживающих воздействий автомобилей сельскохозяйственного назначения / Р. Р. Магдеев // Тр. ГОСНИТИ. - 2008. - Т. 101. - С. 183 - 186.

2. Комаров В. А. Обоснование комплекса контрольно-диагностических и ремонтных работ при эксплуатации машин / В. А. Комаров, Р. Р. Магдеев // Механизация и электрификация сел. хоз-ва. - 2011. - № 4. - С. 31 - 33.

Статьи в других изданиях:

3. Комаров В. А. Анализ затрат на поддержание автомобилей ГАЗ-САЗ в работоспособном состоянии / В. А. Комаров, Р. Р. Магдеев // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК : межвуз. сб. науч. тр. МГУ им. Н. П. Огарева - Саранск, 2005. - С. 79 - 82.

4. Комаров В. А. Улучшение оценочных показателей двигателей 3M3-53. - Саранск: Эиергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК / В. А. Комаров, Р. Р. Магдеев // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК: межвуз. сб. науч. тр. МГУ им. Н.П. Огарева. - Саранск, 2005. - С. 154 - 155.

5. Комаров В.А.Оценка первичных отказов автомобилей семейства ГАЗ-САЗ /

B.А. Комаров, P.P. Магдеев, Е.Г. Лезина // Энергоресурсосберегающие технологии и системы в АПК : межвуз. сб. науч. тр. МГУ им. Н. П. Огарева. - Саранск, 2005. - С. 157- 160.

6. Магдеев Р. Р. Влияние условий эксплуатации на работу автомобилей семейства ГАЗ-САЗ / Р. Р.Магдеев // XXXV Огаревские чтения : в 3 ч. - Саранск, 2007.-Ч. 2,- С. 311-313.

7. Магдеев P.P. Анализ путей управления техническим состоянием машин / P.P.Магдеев // XXXV Огаревские чтения : в 3 ч. - Саранск, 2007. - Ч. 2. -

C. 321 -324.

8. Магдеев Р. Р. Степень влияния структурных параметров на работоспособность двигателей семейства 3M3-53 / Р. Р.Магдеев // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : межвуз. сб. науч. тр. МГУ им. Н. П. Огарева. - Саранск, 2009. - С. 104 - 107.

Подписано в печать 18.11.11. Объем 1,0 п. л. Тираж 120 экз. Заказ № 1725. Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

Введение

1 Состояние проблемы по формированию ремонтно-обслужива- 9 ющих воздействий техники

1.1 Причины износов деталей двигателя

1.2 Системы ремонтных воздействий для различных видов техники

1.3 Анализ методов построения оптимальных систем технического 14 обслуживания и ремонта изделий

1.4 Методики построения системы технического обслуживания и ре- 23 монта при групповых заменах деталей

1.5 Анализ методов обеспечения и поддержания работоспособности 28 двигателей

1.6 Назначение и принципы применения диагностики для определе- 31 ния технического состояния двигателей как объектов ремонта

1.7 Выводы к главе

1.8 Цели и задачи исследования

2 Теоретические исследования

2.1 Теоретические предпосылки совместного обоснования правил на- 37 значения контрольно-диагностических и ремонтных воздействий

2.2 Математическая постановка задачи формирования структуры, со- 47 держания и правил назначения ремонтных работ

2.3 Принципы обоснования числа контролируемых параметров при 57 формировании цикла контрольно-диагностических работ и ремонтных воздействий

2.4 Описание процесса и программы моделирования периодичности 61 проведения контрольно-диагностических и ремонтных воздействий при эксплуатации двигателей ЗМЗ

2.5 Выводы к главе

3 Методики экспериментальных и теоретических исследований

3.1 Методика микрометражных исследований технического состояния 70 деталей кривошипно-шатунного механизма двигателей ЗМЗ-511 и статистическая обработка их результатов

3.2 Методика многофакторного статистического анализа взаимосвязи 73 диагностических и структурных параметров

3.3 Методика построения «маршрута доступак составным, частям дви- 78 гателя ЗМЗ

3.4 Методика сбора и обработки данных эксплутационных испытаний 80 двигателей ЗМЗ

3.5 Выводы к главе

4 Результаты теоретических и экспериментальных исследований

4.1 Результаты исследования технического состояния деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя ЗМЗ

4.2' Анализ маршрутов доступа к составным частям1 двигателя.

4.3 Выводы к главе

5 Результаты исследования вариантов структурой содержания кон- 101 трольно-диагностических и ремонтных воздействий.

5:1: Структура цикла назначения контрольно-диагностических и ре- 101 монтных воздействий

5:2 Гарантируемые периоды безотказной работы и периодичность 103 проведения плановых контрольно-диагностических и ремонтных воздействий

5.3 Правила назначения объемов попутного контроля и ремонта 106'

5.4 Обеспечение основных показателей надежности деталей КШМ 109^ двигателя ЗМЗ

5.5 Определение влияния расхода картерных газов на ущерб'окру- 113 жающей среде

5.6 Результаты эксплуатационных испытаний

5.7 Характеристики цикла ремонтных воздействий

Актуальность темы. В настоящее время на техническое обслуживание и ремонт автомобилей сельскохозяйственного назначения приходится. 15 — 20 % себестоимости транспортного процесса. Причем недостаточная надёжность машин сказывается на уменьшении их производительности, обусловленной простоями в ремонте;

Повышение надежности техники в межремонтном периоде зависит от совершенствования системы ее обслуживания и ремонта, от ее гибкости, позволяющей наиболее эффективно использовать ресурсы составных частей автомобилей. Эффективность системы технического обслуживания и ремонта повышается при правильном использовании попутных замен деталей при отказе агрегата, возможности изменения» периодичности ремонтно-обслуживающих воздействий, в соответствии с техническим состоянием при диагностировании. По сравнению с автомобильной техникой, для других видов машин применяется большее число видов ремонта, большие диапазоны кратности периодичностей, то есть им присуща большая гибкость системы ремонта и большая« степень использования ресурса агрегатов: Но совершенствование системы ремонтных воздействий ведется, как правило, без исследования целесообразности изменения структуры ремонтного цикла, а путем уточнения нормативов. К тому же совершенно не учитывается вред, нанесенный окружающей среде автотранспортом. Поэтому тема исследования, посвященная формированию ремонтно-обслуживающих воздействий (РОВ) на механизмы двигателей, является актуальной.

Цель исследования: повышение долговечности кривошипно-шатунного механизма- (КШМ) двигателей семейства ЗМЗ-511 путем оптимизации структуры и содержания контрольно-диагностических и ремонтных воздействий.

Объект исследования. Система технического обслуживания и ремонта двигателей семейства ЗМЗ при применении средств диагностирования.

Предмет исследования. Закономерности изменения параметров технического состояния КШМ двигателя ЗМЗ-511 при различных стратегиях и правилах перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных работ в результате устранения^ последствий отказов и проведения предупредительных (регламентированных) замен.

Методическая база и методы, исследования. Решение поставленных задач проведено на основе математического описания закономерностей изменения параметров технического состояния деталей КШМ при рассмотрении различных стратегий и правил перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных работ в результате1 устранения' последствий* отказов и проведения предупредительных замен.

При этом были применены методы интервальной оценки, динамического программирования, функций случайных аргументов, системной оценки погрешностей измерений, теории вероятностей и математической статистики, регрессионного и корреляционного статистическогоанализа, системного, функционального*и стоимостного анализа, прогнозирования случайных процессов, итерационные методы оптимизации по нескольким переменным.

Научная.новизна. Выполненные в работе исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов: ,

- разработана математическая модель комплексной оптимизации структуры и содержания контрольно диагностических и ремонтных воздействий'КШМ, учитывающая групповые замены и возможность перепланировки различных видов контрольно-диагностических и ремонтных воздействий;

- разработана методика установления номенклатуры контролируемых структурных параметров, позволяющая; сформировать разновидности текущего ремонта (ТР) с учетом технико-экономических показателей в маршрутах доступа (МД) и весомостей диагностических параметров, лимитирующих надежность КШМ;

- получены зависимости суммарных удельных издержек и показателей долговечности от периодичности проведения ремонтно-обслуживающих воздействий, среднего прогнозируемого периода безотказной работы и коэффициентов перепланировки видов контроля и ремонтных работ;

Практическая ценность результатов исследования состоит в разработке научных основ формирования системы ТОР (техническое обслуживание и ремонт), методов.и средств, позволяющих: устанавливать характерные причины отказов КШМ; реализовать правила перепланировки контрольно-диагностических и ремонтных воздействий в результате устранения последствий отказов и проведения предупредительных замен КШМ; определять допускаемые величины, параметров деталей при-ремонте для различных разновидностей ТР и КР (капитальный ремонт) для КШМ; усовершенствовать нормативно-техническую документацию по на значению ремонтно-обслуживающих воздействий; интенсифицировать учебный, процесс по дисциплинам1 «Надежность технических систем», «Диагностика и техническое обслуживание машин», «Надежность и ремонт машин», «Проектирование предприятий технического сервиса» и «Технология ремонта машин».

Реализация результатов исследований осуществлялась путем: использования научными1 организациями и производственными подразделениями, а именно ООО «Комбинат Сура», ЗАО «Мордовский Бекон» при обосновании процесса технической эксплуатации двигателей семейства ЗМЗ-511 и концепции системы ТОР, основанной на разработанной системе математических моделей управления техническим состоянием машин и анализе экономических издержек для рассматриваемых двигателей; применения в учебном,процессе ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева» при« чтении лекционных курсов, проведении лабораторно-практических занятий, выполнении курсовых и дипломных проектов, разработке математических моделей управления техническим состоянием машин в условиях сельскохозяйственного, производства.

Результаты использования основных положений и выводов настоящего исследования подтверждены соответствующими документами, приведенными в приложении к работе.

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждались на научных конференциях «Огаревские чтения», (г. Саранск, 2007, 2008, 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования»механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Энергоэффективность технологий и средств^ механизации, в АПК (Саранск, 2011 г.), научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н.П. Огарева (Саранск, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, 2 статьи в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ:

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы* из 167 наименований, содержит 150 страниц основного текста, 50 рисунков,- 4 таблицы.