автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и информационное обеспечение систем управления техническим состоянием мостовых кранов

На правах рукописи

ЕГОРОВ Андрей Александрович

МОДЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ МОСТОВЫХ

КРАНОВ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени « кандидата технических наук

I

1 *

Санкт-Петербург 2003

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Е.Н. Климов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В. Сахаров кандидат технических наук, с.н.с. И.М. Козлова

Ведущее предприятие: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита диссертации состоится «_»_2003 года в_на

заседании ученого совета Д223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «_»_2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д223.009.03 доктор технических наук, профессор

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техническое состояние мостовых кранов является особой разновидностью качества на стадии эксплуатации, имеющей свои показатели, связанные со многими другими показателями качества.

Актуальность исследования процессов управления техническим состоянием мостовых кранов определяется совокупностью причин. Во' первых, кранами мостового типа оборудованы пролеты многих цехов машиностроительных заводов и складов транспортных и производственных предприятий. От безотказности и долговечности их ( работы непосредственно зависят ритм и безопасность производственного процесса, а также экономические показатели. Во-вторых, мостовые краны, будучи собственностью предприятий различных отраслей, должны удовлетворять требованиям единого надзорного органа -Госгортехнадзора. В-третьих, регулярным обследованием технического состояния подьемно-транспортаого оборудования занимаются специализированные фирмы, имеющие соответствующие лицензии. По результатам обследования создается соответствующая документация для поддержания и восстановления технического состояния кранов и подкрановых путей. Наконец, использование современных информационных технологий позволяет упорядочить весь процесс управления техническим состоянием большого парка мостовых кранов предприятий района, города или области, создать компьютерные базы данных по однотипным кранам, повысить эффективность принимаемых управленческих решений. Фактически действует система управления техническим состоянием мостовых кранов и других подъемно-транспортных машин, однако она не исследована строгими научными методами, протекающие в ней процессы не формализованы, информационная поддержка управленческих решений недостаточна. При решении организационных вопросов необходимо учитывать требования международных стандартов ИСО семейства 9000:2000. Одним из принципов управления качеством является процессный подход. Он должен быть положен в основу создания системы управления техническим состоянием кранов.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение » эффективности организации и управления процессами технического

обслуживания и ремонта мостовых кранов промышленных и транспортных предприятий на основе использования информационных технолш ий.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Разработан комплекс математических моделей процесса

рос. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА {

оГда-/]

~ I ЬгуЕ

изменения технического состояния узлов мосгового крана, имеющих наименьший ресурс.

2. Разработана методика и проведено имитационное моделирование процесса изменения технического состояния.

3. Разработана общая блок-схема системы управления техническим состоянием мостовых кранов.

4. Разработана методика прогнозирования ресурса отдельных узлов и определения фонда запасных частей.

5. Определена структура информационною обеспечения сисгемы ' управления техническим состоянием мостовых кранов.

6. Предложена методика идентификации параметров моделей изнашивания. ,

7. Определены общие подходы к созданию экспериментальной базы данных по техническому состоянию мостовых кранов.

Объект исследования. Объектом исследования является техническое состояние мостовых кранов в процессе эксплуатации.

Предмет исследования. Предметом исследования является формализация процессов изменения технического состояния узлов мостовых кранов и информационное обеспечение системы поддержания и восстановления их работоспособности.

Методы исследования. Методической основой работа являются принципы системного анализа, методы классификации, математического моделирования и прогнозирования, математической статистики, теории принятия решений и баз данных.

Научная новизна:

1. Определена структура системотехнического комплекса мостового крана на стадии эксплуатации. Установлена взаимосвязь различных видов дефектов, событий и технических состояний кранов.

2. Разработан комплекс математических моделей процессов движения крана и изнашивания ходовых колес.

3. Произведена систематизация управленческих решений с целью поддержания и восстановления работоспособности мостовых кранов.

4. Осуществлена структуризация информационного обеспечения ^ системы управления техническим состоянием мостовых кранов.

Практическая ценность:

1. Разработана методика имитационного моделирования процесса изменения технического состояния узлов крана, имеющих наименьший срок службы.

2. Создана методика прогнозирования ресурса отдельных узлов и определения фонда запасных частей.

3. Предложена методика идентификации параметров моделей изнашивания.

4. Определены общие подходы к созданию экспериментальной базы данных по техническому состоянию мостовых кранов.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты были доложены на втором международном симпозиуме по транспортной триботехнике «Транстрибо - 2002» (г. Санкт-ГГетербург, 2002г.), на шестой московской межвузовской научно-технической конференции «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» (г. Москва, 2002г.), научно-технических конференциях СПГУВК (2001-2003г.г.), кафедральных семинарах «Диагностика технических объектов» (2001— 2003г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ (4 статьи, 1 тезисы доклада).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 166 страниц, в том числе 29 рисунков, 6 таблиц, список использованной литературы из 126 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показано, что техническое состояние мостовых кранов является разновидностью их материально-структурного качества, а организация управления техническим состоянием должна удовлетворять требованиям международных стандартов ИСО семейства 9000:2000.

В первой главе проведен анализ работоспособности мостовых кранов как объекта управления. Рассмотрена работоспособность основных узлов мосгового крана в процессе эксплуатации. Выявлена взаимосвязь различных видов дефектов, событий и технических состояний мостового крана (рис.1).

Представлена граф-модель основных узлов мостового крана (рис.2), где приняты следующие обозначения: М - мост (металлоконструкция); ХКК - ходовые колеса крана; ПП - подкрановый путь; ПКК - привод колес крана; КГТ - колеса грузовой тележки; ГТ - грузовая тележка; МП -механизм подъема; ГЗ - грузозахват; ПМП - привод механизма подъема; ГОСТ - привод колес тележки; СУК - система управления крана.

Обоснован выбор методов измерения значений параметров, » определяющих техническое состояние узла. Показано, что в зависимости

от ситуации возможно использование методов одной из следующих групп: 1) экспериментальные; 2) экспертные; 3) расчетные.

На основе анализа литературных источников и имеющихся статистических данных было определено, что одними из наименее долговечных деталей крана являются ходовые колеса. Срок службы

ходовых колес колеблется от нескольких месяцев до нескольких лет. Для мостовых кранов тяжелого режима работы срок службы ходовых колес в большинстве случаев не превышает 4 -7месяцев.

Уровни, виды событий, состоянии Виды дефектов

Без дефектов Малозначительный Значительный Критический

Материально-структурный уровень Вид события Без повреждений Несущ ест щеп н ое повреждение Существенное повреждение

Вид состояния Исправность Неисправность (непредельное состояние) Неисправность (предельное состояние)

Функциональный уровень Вид события Без отказа Частичный отказ Полный отказ

Вид состояния Полная работоспособность Ограниченная работоспособность Неработоспособность

Рис. 1. Взаимосвязь различных видов дефектов, событий и технических состояний мостового крана

Рассмотрен опыт управления техническим состоянием мостовых кранов. Выявлены некоторые особенности, главная из которых заключается в том, что краны принадлежат разным юридическим лицам, они разобщены территориально, но в силу особой важности постоянного поддержания их в работоспособном и безопасном состоянии требования к ним и надзор централизованы. В этих условиях возникли и функционируют специализированные коммерческие организации по обследованию технического состояния кранового оборудования и разработке ремонтной документации. Техническое обслуживание и ремонт осуществляют

соответствующие службы предприятий - владельцев кранов либо специализированные ремонгные предприятия.

Анализ показывает, что восстановление работоспособности мостовых кранов путем ремонта осуществляется в основном по планово-предупредительному принципу с частичным учетом фактического или ожидаемого состояния. Однако техническое обслуживание кранов с целью поддержания их состояния предусматривается проводить в каждую смену работы, поэтому возникающие мелкие работы выполняются по фактическому состоянию.

Для более полного раскрытия основных задач и ресурсов управления техническим состоянием мостового крана и их взаимосвязи рассмотрена структура так называемого системотехнического комплекса (рис.3). Здесь совокупность металлоконструкции, механизмов и устройств, составляющих мостовой кран - рабочая система РС. В ее составе технические средства ТСР, расходные материалы и продукты МПР, техническая документация Др. В течение всего срока службы крана действует система управления функционированием СУФ, система технического обслуживания СТО, система ремонта СР и обеспечивающие системы: система материально-технического обеспечения СМТО и система информационного обеспечения СИО. Каждая из них включает в себя персонал П, необходимые технические средства ТС, расходные материалы, продукты и изделия МП, а также документацию Д. Внешние связи х отражают условия, критерии и ограничения в процессе работы указанных систем.

Выделение системы информационного обеспечения в качестве относительно самостоятельной принципиально важно, учитывая общую природу информационных процессов. Совокупность РС, СИО, СТО и СР образует сложный контур управления техническим состоянием мостового крана. При наличии на предприятии группы мостовых кранов все системы, кроме РС и СУФ, являются общими для нее.

При централизованном обследовании технического состояния кранового оборудования специализированной организацией информация о ) техническом состоянии мостовых кранов одного типа, принадлежащих

различным предприятиям, может быть объединена, обработана и использована при принятии управленческих решений. Это требует создания компьютерной базы данных.

К недостаткам существующей практики управления техническим состоянием мостовых кранов необходимо отнести следующее. Информационные технологии (техническое диагностирование, моделирование, прогнозирование, экспертные системы и т.п.) практически не используются. При оценке состояния крана основное внимание уделяется органолептическим методам, основанным на использовании

возможностей органов чувств человека (прежде всего зрения). Несмогря на большой объем информации о техническом состоянии, безотказности и долговечности отдельных элементов металлоконструкций, деталей и узлов кранов, не производится обработка данных методами математической статистики. Не созданы компьютерные банки данных по отдельным типам мостовых кранов. В результате информационная поддержка управленческих решений находится на весьма низком уровне. Это, прежде всего, касается сроков и объемов трудоемких ремонтных работ с целью восстановления работоспособности кранов. Переход от традиционного планово-предупредительного принципа управления к управлению по прогнозируемому состоянию позволит значительно снизить затраты на ремонт кранов. В итоге сформулированы цель и задачи исследования.

Рис. 3. Структура системотехнического комплекса мостового крана на стадии эксплуатации

Во второй главе рассматриваются математические модели процесса изменения технического состояния мостового крапа. Приведена классификация видов изменения технического состояния. Основными из них являются изнашивание, деформирование, усталостные разрушения, загрязнение и разрегулирование.

Учитывая, что наименьшую долговечность имеют ходовые колеса мостового крана вследствие интенсивного механического изнашивания, было решено основное внимание уделить выяснению причин методом математического моделирования процессов движения крана.

В процессе использования мостового крана на промышленном или транспортном предприятии его общее движение по прямолинейному подкрановому пути складывается из трех движений:

1) поступательного с линейной скоростью для центра тяжести крана;

2) поворотного с угловой скоростью вокруг центра тяжести до момента, когда одна из реборд ходовых колес крана войдет в контакт с боковой гранью рельса;

поворотного для центра тяжести вокруг точки касания реборды с рельсом до установившегося значения угла перекоса моста крана относительно кранового пути.

Р, I „ _хРг

3)

Не,

И

и-

Я

ч

Ж

-Ми.

У/с

ц-^ит

Лх-

МГп

I

11

и,

12

21

Рис.4. Схема сил, действующих на мостовой кран, совершающий независимое движение

Все три движения имеют переходные и установившиеся периоды. Основными причинами возникновения поступательных переходных движений являются действия крановщика (включения, изменения скорости и остановки крана). Экспериментальные наблюдения показали, что периоды разгона и торможения крана кратковрсменны и не оказывают большого влияния на изнашивание ходовых колес. По этой причине в данной работе они не рассматриваются. Аналогично не учитывается переходный процесс для второго движения в связи с его кратковременностью. Для удобства установившиеся режимы первого и

второго движений описаны одной моделью независимого (от реборд) движения. Третье движение, в основном влияющее на процессы изнашивания реборд ходовых колес, представлено самостоятельной моделью. По причине нсидеальности профиля пути движение крана поочередно описывается одной из указанных моделей.

На рис. 4 показана схема действующих сил при независимом движении крана с центральным приводом механизма передвижения для случая, когда приводными являются ходовые колеса 1 и 2. Здесь:

х, у - соответственно оси поперечного и продольного движения крана; Цт,- центр тяжести крана; Ь - ширина колеи; к - база крана;

Р/, Рг - движущие силы приводных колес;

\Vci3, ¡¥с24 - силы сопротивления передвижению сторон крана от трения качения, трения в подшипниках ходовых колес и трения реборд; НС1, ...Нс4 - силы бокового скольжения ходовых колес; Я/, Я2 - силы, действующие в пятне контакта;

V], V-, - относительные скорости продольного скольжения колес, определяемые по формуле

у = О)

где

Ус - скорость скольжения;

УК - скорость поступательного движения центра тяжести; ип, Щ4 — относительные скорости бокового скольжения ходовых колес; г 1, г2 - относительные скорости скольжения, вызываемые силами Л¡, Я2', со - угловая скорость поворота крана относительно центра тяжести, определяемая по формуле

а> = ии+»пу (2)

к

В соответствии с рис.4 в статике имеют место следующие равенства:

Р^+Рг-Кп-Кг4=0; (3)

1* = ° Яс|+Яс2-Я13-Яс4= 0; (4)

0- (6)

Рассмотрев третье движение мостового крана, определили, что в реальных условиях возможны следующие случаи контакта реборды ходового колеса и рельса:

а) в контакте находится только наружная реборда;

б) б контакте находится только внутренняя реборда;

в) в контакте находятся одновременно внутренняя и наружная реборды.

Исходные дифференциальные уравнения третьего движения крана, в соответствии с принципом Даламбера, имеют вид:

ту = (/> лР2- Wcu - Wc2i - Wpl )Cosa - £ HJina; (7)

mx = Я, - X HaCosu - 0, + P2- Waз - Wc2t - Ута ; (B)

/« = (p, - -и;,)- fc - X/-0-(Я„ + Hci )-*-+(Яе, + Hcl -

Г* ^ (9)

- Я, — Сол а + /Sin a L

где m - масса крана;

Wpi - сопротивление передвижению от трения реборд;

а - угол перекоса крана относительно кранового пути;

Я/ - боковое усилие на реборде колеса 1;

I- момент инерции крана в горизонтальной плоскости относительно центра тяжести.

/ - расстояние от оси колеса до центра тяжести мостового крана.

В ходе дальнейших преобразований с использованием известных физико-математических зависимостей были получены системы дифференциальных уравнений третьего движения мостового крана для центрального и раздельного приводов механизма передвижения при упругом и избыточном скольжении в зоне контакта ходовых колес с рельсами. Например, при движении мостового крана с центральным приводом механизма передвижения при упругом скольжении система дифференциальных уравнений имеет вид:

x + a,x + blx + ela = fx-, 1 а + a2ä + Ъ2а + е2х = /, .J

В процессе вывода уравнений использованы результаты работ В.И. Голошейкина и A.C. Конопли, полученные при решении других задач.

Поскольку общая масса крана с грузом равна сумме

М=Мк+Мг> (11)

где Мк — масса крана; Мр - масса груза, то нагрузочные параметры складываются из двух частей:

Q, =0.5М. +0,ЛМ.,х У,"

Ö2=0 5M,+ß2„(M?,x);| (12)

fi, + бес-

структурное изображение полученной модели приведено на рис.5,

где х - координата положения центра тяжести (изменяется при перемещении грузовой тележки).

Рис. 5. Структурная модель независимого движения мостового крана

В итоге имеем модель с детерминированной структурой, постоянными конструктивными параметрами и изменяющимися случайным образом, в определенных пределах, нагрузочными параметрами. В целом ее можно назвать моделью гибкой детерминации.

Система (10) является системой линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Для случая "а"

Ей!/.

/| =°;°2 -

>е1-----^ >

т V ^т 2 т

I- Щу

К =-

I

(кгС,

-

4 ' а+а

/I р О +п

^«а-^зй, я» аа^

а+а

а+а)

(13)

где ц> коэффициент сцепления;

vfp — критическая относительная скорость скольжения; Спр - приведенная жесткость кранового пути и элементов крепления ребордного ходового колеса в направлении действия боковых сил;

A>m«~ относительная разность диаметров приводных колес,

Dl ~ D2

определяемая по выражению Dm ^ 5

Du Dp - диаметры поверхности катания приводных колес; DH - номинальный диаметр колеса.

Эта система аналогична для случаев "б" и "в", отличаются только выражения для постоянных коэффициентов (приведены в работе).

Решив систему уравнений (10) с учетом дополнительных (вторых)

допущений, получим для угла перекоса крана

«2(14)

ьА~е1е4 Г\-Гг Г г-Г,

где

©, = аяГ, + (Л + ¿э«м - е4*2„) + ;

г,

у, - корни характеристического уравнения; bв е„ f, - постоянные коэффициенты, определяемые из выражений:

Ь =Л- е =fi- t =L-

> ез > Jз > a\ a\ a\

Ь J-L-e f =£l.

у e4 > J 4 > a2 Ol аг

x2o - начальное положение центра тяжести крана по оси х.

а.20 - начальный угол перекоса.

Аналогичным путем для координаты центра тяжести крана получим

x (15)

Ь,Ь,-е Зе4 у,-у1 у1 -у]

где

S, = + (/з + Vm - е,аго) + .

Г,

Сравнивая выражения (10), (14) и (15), видим, что за счет дополнительных допущений аналитические решения для а2 и х2 связаны друг с другом только через значения постоянных коэффициентов, т.е. в установившемся состоянии:

*2уст

(16)

При движении мостового крана с раздельным приводом механизма передвижения система дифференциальных уравнений остается неизменной, отличаются лишь выражения для некоторых постоянных коэффициентов.

Рассмотрены модели изнашивания, при этом в общем случае скорость изнашивания выражена зависимостью

¿ = *P-v"; P = j, (18)

где к - коэффициент изнашивания, характеризующий материал пары и условия изнашивания; Р - давление на поверхности трения; v - скорость относительного скольжения; N - нормальная сила давления; F -номинальная площадь контакта. При этом для абразивного и ряда других видов изнашивания т~п~1.

Выражение для линейного износа, в данном случае, примет вид

S = k-P-v-t. (19)

Принимая д равной предельно допустимому значению износа реборды ёдоп ходового колеса и учитывая, что время работы мостового крана за один цикл

' = (20)

где L„ - путь, проходимый мостовым краном за один цикл, получим выражение для определения количества циклов наработки до достижения предельного состояния по износу реборд в виде

S ■V

jy =—г<— (21)

где vafK - абсолютная скорость точки касания, определяемая по известной формуле;

Рс - усредненное давление за цикл.

Выбранная модель процесса изнашивания является экспериментально-статистической, полученной путем аппроксимации зависимостей в результате физических экспериментов, проведенных специалистами по триботехнике.

На основании моделей движения и изнашивания выполнено имитационное моделирование процесса изменения технического состояния узлов крана. При этом была принята гипотеза о равновероятности рассмотренных характерных случаев.

В ходе работы был разработан программный продукт. Его основа -язык Pascal. Сама программа была написана в среде Delphi 6, основанной на технологии объектно-ориентированного программирования.

Целью разработки программы являлось создание методики, позволяющей моделировать траекторию движения мостового крана, определять усилия в зоне контакта колесо' - подкрановый рельс и осуществить прогноз срока службы ходового колеса в конкретных условиях эксплуатации. Исследовано третье движение (движение после касания реборды ходового колеса боковой грани рельса) с учетом двух типов привода мостового крана (рис 6).

Рис. 6. Общая схема работы программы

В третьей главе рассмотрена система управления техническим состоянием мостовых кранов. Была построена общая блок - схема (рис.7). , Индексом г обозначена конкретная машина. Свойства технических средств

машины ТС/ выступают в качестве объекта управления. В результате ( работы с учетом условий эксплуатации УЭ, наблюдается изменение

технического состояния, которое регистрируется по контролируемым ^ показателям состояния КПС,.

Для поддержания и восстановления технического состояния машины | вырабатываются и осуществляются соответствующие режимные РВ, и

материально-структурные МСВ, управляющие воздействия при техническом обслуживании и ремонте, и Во всем процессе управления первым элементом является проверка

технического состояния ПТС„ которую проводит обслуживающий

ГТОПрАГП ТТ 1/ГЯТП ПО^ЛТТТТТОП ЛО»*Л»ГТТТЛТГ г* ТТТ ГМГ/^Г Г Г» ТЖО ППГЛ«ТГГ ГЛ/ ЛМ^Лттпп I I- I 'Р

АриПи^ ри^хлшхш хич/хл V.!!у и ниД^ириш/ь иш опио< 111

проводится в форме оперативного контроля параметров функционирования, периодического осмотра отдельных агрегатов и узлов, статических, динамических и других испытаний, технического

диагностирования, дефектации, инспекторских осмотров и освидетельствований. Оценка технического состояния ОТО, производится с учетом действующих нормативных требований Ш.

Рис. 7. Общая блок-схема системы управления техническим состоянием мостовых кранов

При управлении по оперативно оцененному состоянию принятие решения ПОР, осуществляется с учетом требований заданного критерия работоспособности кр узлов крана. Необходимый объем технического обслуживания по состоянию ОТОС, или ремонта ОРС, определяется по оперативному решению ОР,. Оперативное решение также определяет возможные воздействия ВВ, на условия 'эксплуатации.

Принятие статистического решения ПСР производится на основе оценки параметрической надежности ОПН, полученной в результате анализа надежности АН по множеству данных {Д} об изменениях технического состояния и постепенных отказах группы однотипных узлов. Для этого необходимо учитывать установленные требования к значению критерия параметрической надежности кпи. Статистическое решение СР должно предусматривать периодическое выполнение некоторого определенного объема регламентированного технического обслуживания РТО и ремонта РР, создание комплексов запасных деталей, узлов, инструментов, приборов (ЗИП) заданной номенклатуры и объема, а также

мероприятия по улучшению условий эксплуатации МУ.

Описанный процесс управления техническим состоянием мостовых кранов является замкнутым. Контролируемые показатели технического состояния напрямую зависят от характера и объема выполненных работ по техническому обслуживанию и ремонту, улучшению условий эксплуатации, а последние в свою очередь определяются на основе оценки технического состояния. ^ Отдельные функции управления осуществляются разными

организациями, разобщенными территориально и юридически. Система управления по своей сути является корпоративно - централизованной. В | данной работе централизованность понимается в плане использования

Л обобщенной по многим предприятиям информации о техническом

состоянии однотипных кранов и построение на базе полученной статистики единых моделей его изменения, а также использование одинаковой методики оценки и единой нормативной базы. ( Дана классификация рекомендуемых методов диагностирования,

которая включает в себя девять позиций, характерных для мостовых кранов 1 при контроле их технического состояния.

Четвертая глава посвящена информационному обеспечению 1 системы управления техническим состоянием мостовых кранов.

Информационная подсистема в составе системы управления | техническим состоянием эксплуатируемых объектов предназначена для

1 сбора, накопления, хранения, обработки необходимой информации и ее

использования при принятии управленческих решений.

Информационное обеспечение включает в себя:

- систему показателей технического состояния мостовых кранов;

- потоки информации;

1 - принятую систему классификации и кодирования информации о

1 техническом состоянии;

- необходимую документацию;

I - различные информационные массивы.

По типу пользовательского интерфейса информационные технологии I обычно подразделяют на пакетные, диалоговые и сетевые. В данном случае

* территориальная разобщенность информационных ресурсов системы

управления потребовала использования сетевой технологии, предполагающей телекоммуникационные средства доступа к этим ^ ресурсам. При этом обосновано использование центрального сервера, что

привело к реализации модели "клиент-сервер".

При рассмотрении структуры первичной информации о техническом состоянии контролируемых объектов выделены отдельные ее элементы.

Реквизиты-признаки характеризуют качественную сторону объекта контроля (подшипник качения, ходовое колесо, приводной вал, канат, ось,

и т.п.), а реквизиты-основания несут количественную информацию. Однородные реквизиты-признаки объединены в номенклатуры (номенклатура подшипников качения и т.п.). Каждый реквизит-признак имеет форму и содержание. Форма - это уже рассмотренное наименование объекта. Содержание раскрывает характер дефекта (износ, зазор, трещины и т.п.). Одному наименованию объекта может соответствовать несколько содержательных значений.

Реквизиты-признаки подлежат логической обработке, а реквизиты-основания обрабатываются арифметически. Сочетание полного обозначения признака и основания образует показатель. В базе данных показатели являются основной единицей информации. Каждый показатель имеет множество значений и оценивается по своему алгоритму. «

Совокупность показателей образует информационное сообщение о техническом состоянии контролируемого узла мостового крана. Группа однородных сообщений (например, относящихся к одному крану или полученных по одноименным узлам разных кранов одновременно), составляет информационный массив (файл) технического состояния. Файл является основной структурной единицей при компьютерной обработке данных о техническом состоянии.

Запись информации в память осуществлена по файлам, при этом выделены файлы постоянной и переменной информации. Массивы по различным признакам объединены в потоки, которые используются при прогнозировании технического состояния.

Рассмотрены способы идентификации параметров моделей. В данной работе структура модели получена в результате вывода дифференциальных уравнений движения крана и изнашивания его элементов исходя из физических предпосылок. В полученных в главе 2 уравнениях большое число коэффициентов, они могут быть разделены на четыре группы. Первую группу составляют параметры, представляющие собой паспортные данные. Их идентификация сводится к установлению соответствия исследуемой конструкции (модификации) крана в целом и отдельных его узлов этим данным. Ко второй группе отнесены результаты измерений, выполненных инструментальными средствами на конкретном кране. В случае многократных однотипных измерений необходима обработка !

данных методами математической статистики.

Часть параметров (третья группа) представляет собой результаты выполненных расчетов по известным апробированным методикам 1

смежных научных дисциплин. Обычно расчеты выполняются для определенных, часто усредненных, условий. В четвертую группу вошли параметры, определяемые экспериментальным путем. Такие данные действительны только для тех условий, в которых проведен эксперимент. При многократных экспериментах выявляется диапазон изменения

параметров, определяемый варьированием многочисленных неконтролируемых факторов. При имитационном моделировании значения коэффициентов из диапазонов задаются методом случайной выборки.

В работе рассмотрены подходы к созданию экспериментальной базы данных технического состояния мостовых кранов. Исходным при этом является большой статистический материал по техническому ебстоянию, собранный специализированной организацией в ходе обследования большого числа кранов определенных типов и их унифицированных узлов.

Для группировки реквизитов-признаков (по типам кранов, по унифицированным узлам кранов разных типов, по длительности I эксплуатации, по режимам использования и т.п.) и их кодирования

определены условные обозначения, система классификации и кодирования, I позволяющие представить информацию в удобной для компьютера форме.

При этом использованы принципы, реализованные в Единой системе классификации и кодирования.

Создание классификатора в данной работе состоит из следующих этапов:

1 - установление перечня и количества объектов (узлов, блоков)

контроля технического состояния; | - систематизация объектов по определенным классификационным

,' признакам (выбор системы классификации);

I определение правил обозначения объектов кодирования (выбор

: системы кодирования);

( - присвоение кодовых обозначений всем позициям объектов

| контроля;

- разработка положения по ведению кодов и внесению изменений и дополнений.

Рис. 8. Сетевая модель базы данных о техническом состоянии мостовых

кранов

В системе управления техническим состоянием мостовых кранов структура базы данных практически неизменна, поэтому наиболее целесообразно использование сетевой модели (рис.8).

Функционирование базы данных осуществляет система управления этой базой, представляющая собой пакет про1рамм, обеспечивающий поиск, хранение, корректировку данных, формирование ответов на запросы. Совокупность базы данных и системы управления ею является банком данных по техническому состоянию обследуемых мостовых кранов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Системный анализ мостовых кранов как объектов управления техническим состоянием позволил установить место и роль технического состояния как особой разновидности качества на стадии эксплуатации. Следовательно, на систему управления техническим состоянием распространяются требования международных стандартов ИСО семейства 9000:2000.

2. Анализ методов обеспечения работоспособности мостовых кранов показал, что использование современных информационных технологий позволяет упорядочить весь процесс управления техническим состоянием большого парка мостовых кранов различных предприятий путем создания корпоративно-централизованной системы управления.

3. Математические модели процесса работы мостового крана позволили выяснить механизм возникновения больших сил трения, ведущих к износу, как ходовых колес, так и подкранового пути. Основным режимом движения крана является движение с установившимся перекосом по отношению к подкрановому пути. В результате предложены пути повышения долговечности основных узлов мостовых кранов.

4. Разработны принципы функционирования системы управления техническим состоянием мостовых кранов, являющейся замкнутой с двумя взаимосвязанными контурами обратной связи (по прогнозируемому и оперативно оцененному техническому состоянию).

5. В связи с большим конструктивным разнообразием узлов мостовых кранов и наличием механических, электрических, гидравлических и пневматических элементов необходимо использование различных видов технического диагностирования (функционального, тестового и функционально-тестового) как для работающих, так и неработающих узлов, сочетая традиционные методы диагностики с методами неразрушающего контроля.

6. Параметры разработанных моделей изменения технического состояния узлов мостовых кранов разделены на четыре группы, для каждой

из которых предложены свои методы идентификации.

7. Для автоматизированной обработки данных о техническом состоянии узлов произведена группировка информации по реквизитам -признакам, классификация и кодирование которых выполнены по принципам Единой системы классификации и кодирования на локальном уровне.

8. Обоснован выбор сетевой модели при построении файлов базы данных о техническом состоянии узлов мостовых кранов, позволяющей создать информационное обеспечение процессов технического обслуживания, прогнозирования работоспособности и ремонта парка мостовых кранов.

' ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В

СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Егоров A.A., Климов E.H. Системный подход к оценке качества портовых подъемно - транспортных машин // Сб. науч. тр. «Прикладная математика в инженерных и экономических расчетах»; под ред. Ю.М. Кулибанова. - СПб.: СПГУВК, 2001. - С. 139-142. 1 2. Еюров A.A. Вопросы эксплуатационной износостойкости в

, системе мостовой кран-подкрановый путь // Сб. науч. тр. «Триботехника

' на железнодорожном транспорте»; под. ред. С.Г. Чулкина.- СПб., 2002 - С.

I 113-117.

3. Егоров A.A. Информационное обеспечение системы управления

> техническим состоянием мостовых кранов // Сб. науч. тр. ! «Информационные системы на транспорте»; под ред. A.C. Бутова- СПб.:

Судостроение, 2002. - С. 131-135.

4. Егоров A.A. Оценка качества мостовых грузоподъемных машин // • В сб. тезисов докладов шестой московской межвузовской научно' технической конференции «Подъемно - транспортные, строительные и

> дорожные машины»; под ред. О.В. Леонова,- М.: Издательство МГАВТ, t 2002г.- С. 66 -67.

5. Егоров A.A. Модели изменения технического состояния кранов \ мостового типа // Сб. науч. тр. «Автоматизированные системы управления

на транспорте» под ред. Ю.М. Кулибанова - СПб.: СПГУВК, 2003г.- С. 6270.

1

\

I 1

I

i

!

♦

<

Подписано к печати 29.09.03 Сдано в производство 29.09.03

Усл.-печ. 1,16 Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. 1,4

Тираж 60 экз. Заказ № 2 87

СПГУВК ИИЦ 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

So

lé ^72 * 16 272

i

Введение.

1. Анализ работоспособности мостовых кранов как объекта управления.

1.1. Работоспособность основных узлов крана в процессе эксплуатации.

1.2. Статистические данные о техническом состоянии и отказах в системе кран - подкрановый путь.

1.3. Опыт управления техническим состоянием мостовых кранов.

1.4. Формулировка цели и задач исследования.

Выводы по 1-ой главе.

2. Математические модели процесса изменения технического состояния.

2.1. Классификация видов изменения технического состояния.

2.2. Модели движения крана.

2.3. Модель изнашивания.

2.4. Имитационное моделирование процесса изменения технического состояния.

Выводы по 2-ой главе.

3. Управление техническим состоянием мостовых кранов.

3.1. Общая блок-схема управления.

3.2. Управление по прогнозируемому состоянию.

3.3. Управление по оперативно оцененному состоянию.

3.4. Управленческие решения.

Выводы по 3-ей главе.

4. Информационное обеспечение системы управления техническим состоянием мостовых кранов.

4.1. Структура информационного обеспечения.

4.2. Идентификация параметров моделей.

4.3. Экспериментальная база данных о техническом состоянии мостовых кранов.

Выводы по 4-ой главе.

Вопросам качества продукции в настоящее время уделяется большое значение. При этом требуется, чтобы они рассматривались и решались на всех стадиях жизненного цикла продукции. Применительно к техническим изделиям такими стадиями являются маркетинговое исследование, • проектирование, изготовление (включая монтаж и испытания), реализация, использование по назначению, транспортирование, хранение, техническое обслуживание и ремонт, утилизация.

Основными аспектами качества являются методологический, инженерный, маркетинговый, экономический, социологический и правовой. В методологическом аспекте под качеством понимается совокупность всех свойств изделия. В инженерном аспекте — только часть свойств, связанная с удовлетворением определенных потребностей при использовании изделия в соответствии с назначением. При этом рассматривается большое число ф показателей качества, включая показатели технического состояния. В маркетинговом аспекте интересуются небольшим числом потребительских свойств изделия. В остальных аспектах рассматривают не сами свойства, а то, что они дают с позиций экономической, социальной и правовой оценки.

В настоящей работе рассматривается инженерный аспект качества мостовых кранов на стадии эксплуатации, т.е. при их использовании, техническом обслуживании и ремонте. С системных позиций необходимо различать внутреннее и внешнее качество мостовых кранов. При рассмотрении отдельных подъемно-транспортных средств как систем, имеющих внутреннее строение (механизмы, узлы, элементы, связи, взаимодействие, использованные материалы, техническое состояние), обнаруживается внутреннее, материально-структурное качество.

На отдельных стадиях жизненного цикла мостовые краны по необходимости определенное время находятся в сфере различных, больших по масштабу (размеру) систем, по существу выступая в роли своеобразных элементов этих систем. На стадии проектирования, например, к таким системам относятся системы стандартизации и унификации и патентно-правовая. В них мостовые краны, будучи еще в форме комплекта чертежей, являются объектами согласования. На стадии изготовления они попадают в технологическую систему, являясь предметом труда, и должны быть технологичными. Здесь они приобретают форму материальной модели (опытного, головного или серийного образца). В системе межнавигационного (на речном транспорте) или технологического простоя мостовые краны приобретают форму объекта хранения, в транспортной системе — форму груза, а в системе реализации - форму товара.

В процессе использования мостовых кранов по назначению они одновременно находятся в составе целого комплекса взаимосвязанных систем. В плане перемещения грузов краны являются элементами системы производственной или транспортной логистики. При взаимодействии с производственным персоналом каждый кран оказывается элементом человеко-машинной (эргатической) системы, где взаимодействуют две подсистемы - безопасности и эргодизайна. При этом эргодизайн предполагает учет возможностей и потребностей человека-оператора (крановщика, стропальщика), а подсистема безопасности, помимо создания безопасных условий, предназначена обеспечить индивидуальную и коллективную защиту. Здесь существуют еще две системы — экологическая и ресурсосберегающая. В системе логистики могут быть выделены такие подсистемы, как успокоения груза, фиксации положения крана и др. В итоге мостовые краны на стадии использования по назначению находятся в комплексной системе функционирования.

При техническом обслуживании и ремонте кран находится в соответствующей системе и должен обладать ремонтопригодностью.

Каждая система и подсистема, в сфере которой оказывается кран, предъявляет набор конкретных требований. Необходимо заблаговременно обеспечить соответствие крана этим требованиям тем или иным способом. Совокупность свойств крана, проявляющаяся в рассмотренных системах, является его внешним качеством.

Продолжительность пребывания подъемно-транспортного оборудования в различных системах неодинакова. Наиболее длительно (весь срок службы) оно находится в комплексной системе функционирования. В связи с этим целесообразно выделить две разновидности внешнего качества кранов: функциональную и потенциально-системную. Последняя представляет совокупное внешнее качество, проявляющее отдельные свои грани в различных потециально-возможных системах.

Показатели внутреннего и внешнего качества мостовых кранов — это меры, используемые при количественной оценке отдельных свойств. Для оценки внутреннего качества предназначены следующие основные группы показателей: конструктивного совершенства, структуры и сложности, материального состава, взаимозаменяемости, добротности сборки и технического состояния.

Функциональное качество кранов можно оценить следующими основными группами показателей: логистичности (паспортные характеристики, области, способы и условия использования, характеристики безотказности и долговечности), безопасности, эргодизайна, экономичности по эксплуатационным расходам, экологичности.

Для оценки потенциально-системного качества группы показателей целесообразно формировать в соответствии со свойствами: патентно-правовые, стандартизации и унификации, технологичности изготовления, контролепригодности, сохраняемости, транспортабельности, конкурентоспособности, ремонтопригодности, утилизируемости.

При управлении техническим состоянием мостовых кранов необходимо обеспечить поддержание и восстановление показателей функционального качества, а также потенциально-системных показателей, связанных с эксплуатацией. Выполнению этой задачи будут способствовать или затруднять работу фактические значения показателей структуры и сложности, взаимозаменяемости, добротности сборки, стандартизации (например, коэффициент использования в проекте крана стандартизованных изделий), контролепригодности (диагностируемости), сохраняемости и ремонтопригодности.

Рассмотренные разновидности и группы показателей внешнего качества кранов относятся к определенным стадиям жизненного цикла. Вместе с тем на всех стадиях краны постоянно находятся в экономической системе, поэтому необходимо выделить особую группу экономических показателей их качества, имеющих интегральный характер. В качестве таких показателей могут выступать обычно используемые в организационно-экономических науках меры, например, затраты времени, труда, материальных, энергетических, финансовых и других ресурсов.

Техническое состояние мостовых кранов, таким образом, является особой разновидностью качества на стадии эксплуатации, имеющей свои показатели, связанные со многими другими показателями качества. Техническое состояние крана непосредственно не направлено на удовлетворение производственных потребностей, оно лишь создает предпосылки для возможности его использования по назначению. Оно является служебным качеством (качеством первого уровня), опираясь на которое кран проявляет свое функциональное качество (качество второго, потребительского уровня). Поскольку качество в методологическом и инженерном аспектах представляет собой совокупность свойств, дадим определение технического состояния.

Техническое состояние мостового крана - это совокупность свойств, обусловливающих его пригодность к безопасному и эффективному использованию по назначению в определенных условиях. Под определенными условиями здесь понимается соблюдение рекомендуемых режимов нагружения крана, регулярный контроль состояния, своевременное и качественное техническое обслуживание и ремонт. Эффективность использования оценивается по эксплуатационным расходам и степени использования паспортных характеристик крана.

Актуальность исследования процессов, управления техническим состоянием мостовых кранов определяется совокупностью причин. Во-первых, кранами мостового типа оборудованы пролеты многих цехов машиностроительных заводов и складов транспортных и производственных предприятий. От безотказности и долговечности их работы непосредственно зависят ритм и безопасность производственного процесса, а также экономические показатели. Во-вторых, мостовые краны, будучи собственностью' предприятий различных отраслей, должны удовлетворять требованиям единого надзорного органа - Госгортехнадзора. В-третьих, регулярным обследованием технического состояния подъемно-транспортного оборудования занимаются специализированные фирмы, имеющие соответствующие лицензии. По результатам обследования создается соответствующая документация для поддержания и восстановления технического состояния кранов и подкрановых путей. Наконец, использование современных информационных технологий позволяет упорядочить весь процесс управления техническим состоянием большого парка мостовых кранов предприятий района, города или области, создать компьютерные базы данных по однотипным кранам, повысить эффективность принимаемых управленческих решений. Фактически действует система управления техническим состоянием мостовых кранов и других подъемно-транспортных машин, однако она не исследована строгими научными методами, протекающие в ней процессы не формализованы, информационная поддержка управленческих решений недостаточна. При решении организационных вопросов необходимо учитывать требования международных стандартов ИСО семейства 9000:2000 [82]. Одним из принципов управления качеством является процессный подход. Он должен быть положен в основу создания системы управления техническим состоянием кранов.

В настоящей работе на методологическом уровне решены вопросы структуры корпоративно-централизованной. системы управления техническим состоянием парка мостовых кранов различных предприятий, построены модели изменения технического состояния отдельных элементов кранов, имеющих малый срок службы, выполнено имитационное моделирование и прогнозирование их долговечности с учетом условий работы, предложена методика информационного обеспечения моделей, рассмотрены подходы к созданию экспериментальной базы данных для мостовых кранов, сформулированы задачи дальнейших исследований.

Выводы по 4-ой главе

1. Информационное обеспечение в системе управления техническим состоянием мостовых кранов разделено на внемашинное и внутримашинное.

В немашинное обеспечение содержит систему показателей технического состояния, потоки информации о них, систему классификации и кодирования узлов кранов и основных неисправностей, форму необходимой документации. Показатели разделены на реквизиты - признаки и реквизиты -основания.

2. Параметры моделей изменения технического состояния узлов мостовых кранов разделены на четыре группы. Каждой из них соответствуют свои методы и средства идентификации.

3. При автоматизированной обработке данных о техническом состоянии узлов произведена группировка информации по реквизитам -признакам (по типам кранов, по унифицированным узлам кранов разных типов, по длительности эксплуатации, по режимам использования и т.п.).

4. Для классификации реквизитов — признаков использованы принципы Единой системы классификации и кодирования (ЕСКК) на локальном уровне.

5. Обоснован выбор сетевой модели при построении файлов базы данных о техническом состоянии узлов мостовых кранов.

115

Заключение

1. Системный анализ мостовых кранов как объектов управления техническим состоянием позволил установить место и роль технического состояния как особой разновидности качества на стадии эксплуатации. Следовательно, на систему управления техническим состоянием распространяются требования международных стандартов ИСО семейства 9000:2000.

2. Анализ методов обеспечения работоспособности мостовых кранов показал, что использование современных информационных технологий позволяет упорядочить весь процесс управления техническим состоянием большого парка мостовых кранов различных предприятий путем создания корпоративно-централизованной системы управления.

3. Математические модели процесса работы мостового крана позволили выяснить механизм возникновения больших сил трения, ведущих к износу, как ходовых колес, так и подкранового пути. Основным режимом движения крана является движение с установившимся перекосом по отношению к подкрановому пути. В результате предложены пути повышения долговечности основных узлов мостовых кранов.

4. Разработаны принципы функционирования системы управления техническим состоянием мостовых кранов, являющейся замкнутой с двумя взаимосвязанными контурами обратной связи (по прогнозируемому и оперативно оцененному техническому состоянию).

5. В связи с большим конструктивным разнообразием узлов мостовых кранов и наличием механических, электрических, гидравлических и пневматических элементов необходимо использование различных видов технического диагностирования (функционального, тестового и функционально-тестового) как для работающих, так и неработающих узлов, сочетая традиционные методы диагностики с методами неразрушающего контроля.

6. Параметры разработанных моделей изменения технического состояния узлов мостовых кранов разделены на четыре группы, для каждой из которых предложены свои методы идентификации.

7. Для автоматизированной обработки данных о техническом состоянии узлов произведена группировка информации по реквизитам — признакам, классификация и кодирование которых выполнены по принципам Единой системы классификации и кодирования на локальном уровне.

8. Обоснован выбор сетевой модели при построении файлов базы данных о техническом состоянии узлов мостовых кранов, позволяющей создать информационное обеспечение процессов технического обслуживания, прогнозирования работоспособности и ремонта парка мостовых кранов.

1. Алексеев Р.К. Влияние сил бокового увода на свободное движение мостового крана с раздельным приводом механизма передвижения — Л.: ЛПИ, №269, 1966.

2. Андриевский С.М. Боковой износ рельсов на кривых. Труды ВПИИ железнодорожного транспорта, вып.207, 1961.

3. Аникеева Ф.Л. Влияние точности установки ходовых колес на их срок службы//Тр. ВНИИПТмаш. 1972. Вып. 1. С.36^5.

4. Аникеева Ф.Л. Долговечность наплавленных крановых ходовых колес // Тр. ВНИИПТмаш. 1971. Вып. 4. С.85-91.

5. Аникеева Ф.Л. Повышение износостойкости крановых ходовых колес и подкрановых рельсов при применении твердой смазки // Тр. ВНИИПТмаш. 1970. Вып. 6(101). С.79-85.

6. Аникеева Ф.Л. Пути повышения долговечности крановых ходовых колес М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1984-36с.

7. Атанс М., Фалб П. Оптимальное управление. М.: Машиностроение, 1968.-765с.

8. Байков А.А Собрание трудов. Том 2.-Л.: Акад. наук СССР, 1948.-592с.

9. Бакаев А. А., Костина Н. И., Яровицкий Н. В. Имитационные модели в экономике-Киев: Техника. 1982.-176с.

10. Балашов В.П. Методика определения динамических сил перекоса мостовых кранов с раздельным приводом механизма передвижения. Труды ВНИИПТМАШ, вып.8(72), 1966.

11. Балашов В.П. Раздельный привод в механизмах передвижения мостовых кранов. ОНТИ, ВНИИПТМАШ, 1959.

12. Балашов В.П. Поперечные силы при движении мостовых кранов с центральным приводом механизма передвижения. Труды ВНИИПТМАШ, сб. 18, 1957.

13. Балашов В.П. О расчете металлоконструкции мостовых кранов при14