ВВЕДЕНИЕ
ТАВРІЙСЬКА ДЕРЖАВНА АГРОТЕХНІЧНА АКАДЕМІЯ
Болтянська Наталія Іванівна
УДК 631.373.004.12:636
ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ НАДІЙНОСТІ МАШИН
І ОБЛАДНАННЯ ТВАРИННИЦТВА ПРОГНОЗУВАННЯМ КІЛЬКІСНОГО ТА НОМЕНКЛАТУРНОГО СКЛАДУ ЗАПАСНИХ ЧАСТИН
05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Мелітополь – 2005
Дисертацією є рукопис.
Дисертація виконана в Таврійській державній агротехнічній академії (ТДАТА), Міністерства аграрної політики України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Скляр Олександр Григорович,
доцент кафедри “Механізація тваринництва”,
декан факультету МСГ, Таврійська державна
агротехнічна академія.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, доцент Полянський Олександр Сергійович, професор кафедри “Технології машинобудування і ремонту машин”, Харківський національний автомобільно-дорожній університет;
кандидат технічних наук, доцент Харченко Борис Григорович, доцент кафедри “Надійність та ремонт машин”, Дніпропетровський державний аграрний університет.
Провідна установа: Національний науковий центр „Інститут механізації та електрифікації сільського господарства” Української академії аграрних наук, смт. Глеваха, Київської області
Захист дисертації відбудеться ”20” січня 2006 р. о 10 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради K 18.819.01 Таврійської державної агротехнічної академії за адресою: 72312 Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18, навчальний корпус 1, конференцзал.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ТДАТА за адресою: 72312 Запорізька обл., м. Мелітополь, пр. Б.Хмельницького, 18.
Автореферат розісланий ”08” грудня 2005 року.
Учений секретар
спеціалізованої вченої ради В.О. Мунтян
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Проведення реформ і стан економіки України нерозривно пов’язані зі станом її аграрного сектору. З настанням кризового періоду, який триває й досі, загальний обсяг продукції сільського господарства значно зменшився, парк машин майже не поновлюється, засоби механізації тваринницьких ферм фізично зносилися і морально застаріли, їх подальша експлуатація не забезпечує виробництва конкурентоспроможної продукції.
Найближчим часом різке збільшення обсягів випуску та реалізації сільськогосподарської техніки нереальне. В цих умовах першорядного значення набуває підвищення якості і надійності машин, а також ефективності їх експлуатації. Низький рівень технічного обслуговування та ремонту, незадовільна їх організація, відсутність достатньої кількості запасних частин є основними причинами зниження ефективності використання машин. Найважливішою умовою підвищення ефективності виробництва продукції тваринництва є безвідмовність його виробничого циклу. Цим зумовлена потреба забезпечення належної їх надійності. Згідно робочої гіпотези передбачалось, що прогнозування кількісного і номенклатурного складу запасних частин може забезпечити підвищення експлуатаційної надійності машин і обладнання тваринництва. Машини та обладнання на фермах функціонують багаторазово й у визначені обмежені періоди часу. Оскільки їх відмови крім грошових і матеріальних збитків призводять до значних втрат продукції тваринництва, до їх надійності ставлять жорсткі вимоги: машини й обладнання до початку роботи мають бути готові і безвідмовно працювати протягом планованого безперервного циклу. У разі відмови працездатність обладнання має бути відновлена якомога швидше, щоб збиток був мінімальним. Тому належне забезпечення тваринницької техніки запасними частинами є актуальним і одним з першочергових завдань, пов’язаних із підвищенням її надійності та ефективності використання.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до “Національної програми розвитку сільськогосподарського виробництва і відродження села до 2005 року”, схваленої постановою Кабінету Міністрів України № від 16 вересня 1992 р. В розділі “Національна система машин” є складова частина теми досліджень факультету механізації сільського господарства Таврійської державної агротехнічної академії “1.2. Розробка енергозберігаючих та екологічно чистих технологій і засобів механізації виробництва продукції тваринництва” (державний реєстраційний номер 0102U000677) згідно програми “Розробка наукових основ систем технологій і технічних засобів для забезпечення продовольчої безпеки південного району України”.
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення експлуатаційної надійності машин і обладнання тваринництва шляхом розробки системного підходу і практичних рекомендацій з прогнозування кількісного і номенклатурного складу запасних частин.
Для досягнення поставленої мети потрібно вирішити такі задачі:
вивчити й уточнити номенклатуру відмов машин під час експлуатації, встановити частку кожної з них у загальному числі відмов, розробити класифікацію запасних частин за законами розподілу ресурсу;
розробити методику визначення потреби в запасних частинах для машин і обладнання тваринницьких ферм з урахуванням закону розподілу ресурсу їхніх вузлів і деталей, яка б забезпечувала заданий рівень надійності;
обґрунтувати коефіцієнт потреби в запасних частинах залежно від вимог до надійності машин у процесі експлуатації та коефіцієнт для визначення гамма-відсоткового ресурсу; розробити алгоритм розрахунку на ПЕОМ;
перевірити експериментально розроблену методику і визначити економічну ефективність від її впровадження.
Об’єкт досліджень — процес експлуатації машин і обладнання у тваринництві, що призводить до виникнення дефектів та відмов і визначає завдання прогнозування кількісного й номенклатурного складу запасних частин для підвищення експлуатаційної надійності.
Предмет досліджень — закономірності зміни технічного стану машин і обладнання тваринництва, що впливають на витрати запас-них частин у процесі їх експлуатації.
Методи досліджень. В основу теоретичних досліджень покладено математичну статистику, за допомогою якої проведена обробка статистичних даних, теорію надійності, теорію ймовірностей і математичне моделювання, які сприяли більш поглибленій розробці математичної моделі для визначення потреби в запасних частинах. Статистичну обробку результатів досліджень проводили з використанням ПЕОМ.
Наукова новизна отриманих результатів:
теоретично обґрунтовано математичну модель, яка з урахуванням кількості однойменних деталей на одній машині, кількості однакових машин, закону розподілу вузлів і деталей та його параметрів, ймовірності безвідмовної роботи, а також часу прогнозу, поданого у частках гамма-відсоткового ресурсу, дає змогу гарантувати достатність кіль-кості запасних частин для машин і обладнання у тваринництві;
дістало подальшого розвитку обґрунтування коефіцієнта потреби в запасних частинах залежно від відносного часу прогнозу та коефіцієнта варіації нормального розподілу і параметра форми розподілу Вейбулла, за допомогою якого можна визначити потребу в запасних частинах у будь-якому інтервалі напрацювання;
вперше обґрунтовано коефіцієнт для визначення гамма-відсоткового ресурсу, виведено залежність його від коефіцієнта варіації нормального розподілу і параметра форми розподілу Вейбулла за різних значень ймовірності безвідмовної роботи;
вперше отримано залежність ймовірності безвідмовної роботи від довірчої ймовірності, розміру вибірки і коефіцієнта варіації нормального розподілу та параметра форми розподілу Вейбулла, що дає змогу визначити необхідну ймовірність безвідмовної роботи, яку треба задавати при прогнозуванні потреби в запасних частинах.
Практичне значення отриманих результатів:
виведено розрахункові формули з визначення потреби в запасних частинах для найбільш поширених закономірностей розподілу ресурсу вузлів і деталей тваринницької техніки за одночасного й почергового варіантів введення її в експлуатацію;
доведено, що використання гамма-відсоткового ресурсу замість середнього дає змогу з відповідною ймовірністю гарантувати достатню кількість запасних частин для усієї генеральної сукупності досліджуваних виробів, у тім числі з найгіршими умовами експлуатації;
розроблено алгоритм та програмну реалізацію розрахунку на персональному комп’ютері, а також номограми для визначення потреби в запасних частинах при розподілі ресурсу вузлів і деталей за законами нормальним і Вейбулла;
за результатами експериментальних досліджень експлуатаційної надійності машин і обладнання кормоцеху “Хортиця” визначено показники його безвідмовності та ремонтопридатності, а також закономірності розподілу ресурсу основних вузлів і деталей, їх параметри, на основі яких за розробленою методикою розраховано потребу в запасних частинах.
Розроблену методику визначення потреби в запасних частинах передано для використання у ВАТ “Сільмаш” м. Гуляйполе Запорізької області, впроваджено у приватному підприємстві “Могучий” Мелітопольського району Запорізької області, а теоретичні розробки з визначення потреби в запасних частинах для тваринницької техніки використані в навчальному процесі ТДАТА.
Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримано самостійно. Постановка мети і задач досліджень, їх аналіз виконано спільно з науковим керівником.
Дисертантом особисто:
обґрунтовано вибір розподілу ресурсу вузлів і деталей машин та обладнання тваринництва при визначенні потреби в запасних частинах [3];
розроблено методику визначення потреби в запасних частинах машин і обладнання тваринницьких ферм при розподілі ресурсу їхніх складових частин за законами нормальним, Вейбулла та експоненціальним, в якій на відміну від застосування середнього ресурсу використано гамма-відсотковий ресурс, що гарантує з певною ймовірністю достатність кількості запасних частин;
запропоновано коефіцієнт для визначення гамма-відсоткового ресурсу й отримано його залежність від коефіцієнта варіації нормального розподілу і параметра форми розподілу Вейбулла за різних значень ймовірності безвідмовної роботи;
досліджено умови для визначення ймовірності безвідмовної роботи, яку треба задавати для розрахунку потреби в запасних частинах; для цього прирівнено гамма-відсотковий ресурс і нижню двобічну інтервальну оцінку середнього ресурсу, що відповідає найгіршим умовам експлуатації машин, й отримано залежність ймовірності безвідмовної роботи від розміру вибірки, довірчої ймовірності та коефіцієнта варіації нормального розподілу і параметра форми розподілу Вейбулла;
розроблено алгоритм і програмне забезпечення розрахунку кількості запасних частин для ПЕОМ;
розроблено номограми для визначення потреби в запасних частинах для машин та обладнання при розподілі ресурсу вузлів і деталей за законами нормальним і Вейбулла для тваринництва.
Апробація результатів дисертації. Матеріали основних положень дисертаційної роботи доповідались і були схвалені на: ІV міжвузівській науковій конференції аспірантів “Сучасна аграрна наука: напрями досліджень, стан і перспективи”, що проходила у Вінницькому державному аграрному університеті з 5 по 7 квітня 2004 р.; Міжнародній науково-практичній конференції “Енерго- й екологозберігаючі технології у сільськогосподарському виробництві”, що відбулася у Кримському державному агротехнічному університеті з 22 по 24 квітня 2004 р.; V Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки”, що відбулася у Вінницькому державному аграрному університеті з 17 по 20 жовтня 2004 р.; Міжнародній науково-технічній конференції “Перспективи технічного забезпечення агропромислового виробництва”, що проходила у Навчально-науковому технічному інституті Національного аграрного університету з 10 по 11 лютого 2005 р.; конференціях професорсько-викладацького складу Таврійської державної агротехнічної академії, (м. Мелітополь, 2000 – рр.); науковому семінарі у Національному науковому центрі “Інститут механізації та електрифікації сільського господарства”, який відбувся 31 березня 2005 р.
Публікації. Основні матеріали і положення дисертаційної роботи опубліковані у 7 друкованих працях, з них 6 статей у фахових виданнях ВАК України.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Її обсяг — 216 сторінок машинописного тексту, на 152 з яких викладено основний зміст роботи, що вміщує 32 рисунки, 22 таблиці, 13 додатків. Усього опрацьовано 132 найменування літературних джерел.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зазначено зв’язок з науковими програмами, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, визначено об’єкт, предмет і мету досліджень, сформульовано актуальність наукової проблеми — підвищення експлуатаційної надійності машин та обладнання у тваринництві.
У першому розділі проаналізовано праці, присвячені визначенню потреби у запасних частинах технічних засобів, у тім числі машин та обладнання в тваринництві.
Питанням підвищення надійності сільськогосподарської техніки присвячені дослідження багатьох учених, зокрема М.В. Молодика, А.І. Бойко, О.С. Полянського, С.С. Черепанова, Г.П. Гриневича, С.А. Каменської, В.І. Животко, П.А. Германа, В.М. Колончука, В.Я. Кавалерчика, В.І. Гришана, Б.Г. Харченко, О.Ф. Пославського, Н.І. Оранського, А.Г. Губіна, М.І. Євтухова, В.В. Бережного, А.А. Мельникова, Н.І. Силіної, Б.І. Назарова, В.В. Костроми, та ін. Існуючі методики визначення потреби в запасних частинах для тваринницької техніки мають певні недоліки: наведено розрахункові формули показників довговічності лише за середнім ресурсом; розподіл ресурсу вузлів і деталей, що позначається на точності визначення потреби в запасних частинах, здебільшого умовно приймали за експоненціальний, як найпростіший; відсутня методика розрахунку потреби в запасних частинах для парку машин різного віку через почерговість введення в експлуатацію засобів механізації; не враховано рівень ймовірності безвідмовної роботи, який гарантує достатність кількості запасних частин для усієї генеральної сукупності досліджуваних виробів, які експлуатуються в тяжких умовах під впливом механічних і кліматичних навантажень.
Без зазначених факторів неможливо поліпшити методику розрахунку потреби в запасних частинах (підвищити забезпеченість техніки запасними частинами).
У підсумковій частині сформульовано мету і задачі досліджень.
У другому розділі наведено методологію та методику визначення потреби в запас-них частинах машин та обладнання у тваринництві.
Відмови машин і обладнання тваринницьких ферм виникають під впливом різних факторів: діючих навантажень, агресивного середовища, несвоєчасного та неякісного технічного обслуговування і ремонту, помилок обслуговуючого персоналу тощо, внаслідок чого деталі і вузли піддаються зношуванню, деформації, втомленості. Оскільки кожен фактор, у свою чергу, залежить від багатьох причин, то відмови елементів тваринницької техніки є випадковими подіями, а тривалість роботи до виникнення відмови - випадковою величиною, що підлягає певному закону розподілу.
Аналіз літературних джерел і практика засвідчують, що при дослідженні надійності технічних засобів для механізації тваринництва найчастіше застосовують розподіли: нормальний, Вейбулла та експоненціальний, які лежать в основі побудови моделей довговічності невідновлюваних виробів (елементів) тваринницької техніки, замінених у разі відмови запасними частинами. Перелічені розподіли охоплюють відповідно поступові зношувальні (нормальний), утомлені (Вейбулла) та раптові (експоненціальний) відмови складних механічних систем, що пройшли період припрацювання, а також систем, які експлуатуються в тяжких умовах під впливом механічних і кліматичних навантажень. Саме їх використано при розробці методики прогнозування потреби у запасних частинах.
Методологія прогнозування потреби у запасних частинах припускає, що машини й обладнання для тваринництва при використанні становлять певний парк технічних засобів окремого господарства, регіону чи країни. Для виконання свого призначення вони постійно мають знаходитись у працездатному стані. Внаслідок різних причин машини й обладнання виходять із ладу, що потребує певних відновлювальних робіт, серед яких значну частину становить заміна вузлів і деталей, що відмовили, запасними частинами. Ці елементи машин, які можна виявити при відмовах, технічному обслуговуванні, планових ремонтах, і які потребують заміни запасними частинами, утворюють потоки ресурсних відмов.
У теорії надійності головним критерієм оцінки працездатності вважається відмова, а при визначенні потреби в запасних частинах аналогічну роль відіграє поняття заміни. Така заміна може бути потрібна не тільки в разі відмови, а й у зв’язку з переходом у граничний стан і може виконуватися одночасно із заміною інших деталей, а також для запобігання відмові.
При цьому виходимо з низки умов: прогноз потреби в запасних частинах виконувати для вузлів і деталей, які різняться за функціональним призначенням, найменуванням та місцем установлення; вихідними даними є закономірність розподілу ресурсу вузлів і деталей та його параметри; задавати час випередження, на який планується потреба в запасних частинах (час прогнозу); відома кількість встановлених на машині однойменних деталей; кількість працюючих машин та тривалість їх експлуатації; прийняти, що розподіл ресурсу деталей, встановлених на машині, і запасних частин мають однаковий вигляд і параметри; задавати умову, що одночасно можна замінювати довільне число однакових деталей; а також певну ймовірність достатності кількості запасних частин.
Функціональна залежність для визначення потреби в запасних частинах має вигляд:
(1)
де Nз — потреба в запасних частинах на перспективу, шт.; nо — чис-ло однакових деталей, встановлених на одній машині, шт.; nм — число однакових машин, шт.; х, у — параметри розподілу ресурсу вузлів і деталей для двопараметричних розподілів; P(t) — ймовірність, що гарантує достатність кількості запасних частин для усієї генеральної сукупності виробів,; tп — час прогнозу в одиницях напрацювання, год.
Для спрощення застосування залежності (1) об’єднаємо усі змінні фактори крім nо та nм у коефіцієнт потреби в запасних частинах Kз
(2)
З урахуванням залежності (2) функція (1) набуде вигляду
(3)
Аналіз виразу (2) показує, що коефіцієнт Kз містить чотири змінні величини, дві з яких х і у — параметри форми і масштабу двопараметричних розподілів. Наявність кількох параметрів у розглянутих двопараметричних розподілах значно розширює межі їх застосування, але ускладнює використання в розрахунках, пов’язаних із визначенням коефіцієнта Kз. Це зумовлено обмеженням числа змінних величин у кінцевому рівнянні визначення коефіцієнта Kз до двох, одна з яких є параметром форми розподілу, а друга — параметром часу, що дає змогу зображати залежність коефіцієнта Kз від основних змінних величин на площині. Збільшення числа змінних величин понад, призводить до необхідності заміни площинного зображення коефіцієнта Kз на об’ємне, що небажано у зв’язку зі складністю практичного використання багатовимірного зображення.
Для отримання кінцевих розв’язків і можливості інтерпретації результатів у вигляді графічних залежностей двопараметричні розподіли потребують нормування другого параметра, тобто приведення їх до однопараметричного виду. Час прогнозу tп передається у частках гамма-відсоткового ресурсу вузлів і деталей t, який залежить від ймовірності безвідмовної роботи Р(t), і позначається tв (відносний час прогнозу).
Порядок визначення tв для розглянутих розподілів наведено в табл. 1.
Для нормального розподілу середній ресурс tср є параметром фор-ми. Для розподілу Вейбулла середній ресурс розраховують за формулою, наведеною в табл. 1.
Задається поточний час прогнозу tп, на який визначають потребу в запасних частинах. Він може прийматися рівним часу напрацювання машини за строк служби чи довільно в межах:
(4)
де ТмТсл — ресурс машини; Тм — середньорічне напрацювання машини, год, Тсл — нормативний строк служби машини, років.
Таблиця 1
Порядок визначення відносного часу прогнозу tв
Показник | Розподіл
нормальний | Вейбулла | експоненціальний
Параметр форми | tср
Параметр масштабу | b—
Середній ресурс tср | tср
Гамма-відсотковий
ресурс t
Відносний час прогнозу tв
Коефіцієнт гамма-відсоткового ресурсу K
Примітка: - ймовірність безвідмовної роботи, %.
Заданий час прогнозу tп передається у частках гамма-відсоткового ресурсу t, для визначення якого обґрунтовано коефіцієнт гамма-відсоткового ресурсу (табл. 1)
(5)
де K — коефіцієнт гамма-відсоткового ресурсу.
Графічну залежність коефіцієнта K від коефіцієнта варіації V для нормального розподілу і параметра форми b для розподілу Вейбулла за різних значень ймовірності безвідмовної роботи ілюструє рис. 1.
Приведення двопараметричних розподілів до однопараметричного виду (нормування) полягає у штучному способі передачі параметра масштабу через параметр форми розподілу, а поточного часу напрацювання tп — через середнє значення ресурсу tср.
Параметри розподілів і співвідношення для розрахунку функції відмов, використані за умови приведення двопараметричних розподілів до однопараметричного виду, наведені в табл. 2.
Таблиця 2
Співвідношення для розрахунку функції відмов за умови приведення
розподілів нормального і Вейбулла до однопараметричного виду
Закон
розподілу | Параметр закону розподілу | Середній ресурс tср | Функція відмов F(tо)
форми | масштабу
Нормальний | = V | tср | 1
Вейбулла | b | 1
Примітка. tо = t/tср — поточний час напрацювання, виражений у частках середнього ресурсу.
Отже, нормальний розподіл з параметрами tср і та розподіл Вейбулла з параметрами b і приведені до однопараметричного виду з однією змінною характеристикою, відповідно V і b. Експоненціальний розподіл, як відомо, є частковим випадком розподілу Вейбулла за b і тому окремо не розглядається.
Для визначення коефіцієнта потреби в запасних частинах Kз використано такий підхід. Якщо побудувати графічну залежність функції відмов F(t) первинно встановленої деталі від напрацювання t і розділити весь діапазон напрацювання на інтервали, то кінцю кожного з них відповідатиме певне значення Fі(tі), а кожному інтервалу напрацювання де і — номер інтервалу напрацювання, який буде відповідати інтервалу функції відмов При цьому функції замін відповідатимуть функціям відмов.
Отримано аналітичний вираз для розрахунку коефіцієнта потреби в запасних частинах Kз, який є сумарною функцією замін (першої, другої, третьої і т.д.), кожну з яких можна визначити аналітично з використанням математичного моделювання:
(6)
де j — кількість членів багаточлена;
п — загальна кількість інтервалів напрацювання.
Розрахункові залежності для визначення функції відмов первинно встановлених деталей для розподілів нормального і Вейбулла наведені в табл. 2.
Розраховані значення коефіцієнта Kз для нормального розподілу в інтервалі значень коефіцієнта варіації V = ,1...0,4, а також для розподілу Вейбулла в інтервалі значень параметра форми b ,2...4,0. За результатами розрахунків побудовано графічні залежності коефіцієнту Kз для розподілів нормального (рис. , кв. 8) і Вейбулла (рис. , кв. 4). Величина отриманих значень у межах допустимої похибки (до 5%) добре узгоджується з результатами, отриманими іншими авторами.
Аналіз графіків показує, що прямолінійна залежність Kз від має місце лише для експоненціального розподілу (за значення параметра форми розподілу Вейбулла b ). Для розподілу Вейбулла за значення параметра форми b і bзалежність Kз від tв змінюється на криволінійну, відхиляючись від лінії експонен-ціального розподілу. Для нормального розподілу прямолінійна залежність коефіцієнта Kз від tв має місце тільки при а у межах ця залежність криволінійна.
Запропоновано кінцеві формули для визначення потреби в запасних частинах, які обумовлюються різними випадками введення машин до експлуатації.
Потреба в запасних частинах Nз на час прогнозу tп в разі одно-час-ного введення в експлуатацію nм машин становить:
(7)
де Kз — коефіцієнт потреби в запасних частинах на час прогнозу.
При введенні машин в експлуатацію по черзі сумарну потребу в запасних частинах парку технічних засобів з машинами різного віку визначають за формулою
(8)
де Nз — сумарна потреба в запасних частинах, шт.; Kзi — коефіцієнт потреби в запасних частинах на час прогнозу tпі Ті; nмi — кіль-кість машин з напрацюванням Ті, шт.; Ti — напрацювання машин на час визначення потреби в запасних частинах, год.
Середньорічна потреба в запасних частинах на одну машину за наявності парку машин із різним часом експлуатації дорівнює
(9)
де ТМ.- середньорічне напрацювання машин, год.
При визначенні середньорічної потреби в запасних частинах на 100 машин за строк служби, яку подають у номенклатурних зошитах, потреба становитиме
(10)
де Kз — коефіцієнт потреби в запасних частинах, прийнятий на час прогнозу tп ТмТсл.
Оскільки досі немає методичних напрацювань, які б давали змогу наперед задавати необхідну ймовірність безвідмовної роботи , запропоновано штучний прийом її визначення через інші параметри і величини. Для цього чисельно прирівнено гамма-відсотковий ресурс і нижню двобічну інтервальну оцінку середнього ресурсу, що відповідає найгіршим умовам експлуатації машини (tгtср.н).
Для нормального розподілу нижня двобічна межа середнього ресурсу дорівнює:
(11)
де Kн — коефіцієнт нижньої двобічної межі середнього ресурсу tср:
(12)
N — розмір вибірки, Z — квантиль нормального розподілу, — довірча ймовірність, Vtср.
(13)
Водночас а отже, Гамма-відсотковий ресурс t визначають за рівнянням:
(14)
Спільним розв’язанням рівнянь (13) і (14) та після перетворень отримано формулу для визначення ймовірності безвідмовної роботи :
(15)
За результатами розрахунків побудовано номограму для визначення ймовірності безвідмовної роботи (рис. 2), у першому квадранті якої подано залежність ймовірності безвідмовної роботи від проміжної величини при довірчій ймовірності ,9 та коефіцієнта перевищення ймовірності безвідмовної роботи при використанні гамма-відсоткового ресурсу порівняно з 50%-ю ймовірністю безвідмовної роботи при розрахунку запасних частин за середнім ресурсом tср У другому квадранті подано коефіцієнт перевищення витрат запас-них частин, розрахованих за гамма-відсотковим ресурсом порівняно з розрахунком запасних частин за середнім ресурсом tср .
Для розподілу Вейбулла нижню двобічну межу середнього ресурсу визначають за формулою
(16)
де Kн — коефіцієнт нижньої двобічної межі середнього ресурсу tср:
(17)—
табульована величина критерію Пірсона.
Прийнявши матимемо Після низки перетворень отримано аналітичну залежність ймовірності безвідмовної роботи від параметра форми b та розміру вибірки N:
(18)
Побудовано номограму для визначення ймовірності безвідмовної роботи і коефіцієнтів та (рис. 3) залежно від параметра фор-ми b та розміру вибірки N (за довірчою ймовірністю ,9).
Запропоновано номограми (рис. 4, 5), які дають змогу адекватно і з достатньою точністю визначати потребу в запасних частинах при розподілі ресурсу їх елементів за законами нормальним та Вейбулла.
За вихідну інформацію прийнято закон розподілу ресурсу (нормаль-ний і Вейбулла); середній ресурс і коефіцієнт варіації V при нормаль-ному розподілі; середній ресурс та параметр форми b при розподілі Вейбулла; час прогнозу розмір вибірки N, за якою визначені параметри розподілу; довірчу ймовірність на рівні 0,9, кількість однакових деталей на одній машині nо і кількість однакових машин nм.
Номограми дають змогу розрахувати не тільки потребу в запасних частинах, а й визначити ймовірність безвідмовної роботи (рис. , кв. 5, рис. , кв. 1).
У разі практичного застосування розподілу Вейбулла, особливо при втраті частини інформації й викривленні дійсних параметрів розподілу ресурсу, можна спробувати замінити розподіл Вейбул-ла з параметром форми b ? на експоненціальний розподіл зі значенням b =
При цьому відносна похибка Св буде дорівнювати
(19)
де — коефіцієнт потреби в запасних частинах для роз-поділу Вейбулла з параметром форми b і b >1; — коефіцієнт потреби в запасних частинах для експоненціального розподілу (b ).
За похибка буде додатною (Св ) і запасних частин не вистачатиме, а за — від’ємною (Св ) і запасні частини будуть у надлишку.
Отримано графічну залежність відносної похибки Св від параметра форми b розподілу Вейбулла та відносного часу прогнозу tв (рис. 6).
Залежність відносної похибки Св від параметра форми b розподілу Вейбулла та відносного часу прогнозу tв непрямолінійна.
Оскільки найбільша похибка знаходиться в зоні малих значень tв, то визначимо її для двох різних поєднань tв і b.
Для можливого поєднання tв ,28 і b ,71 похибка додатна і дорівнює 44тобто має місце нестача запасних частин. Для поєднання tв ,28 і b ,39 похибка від’ємна. У цьому випадку розрахункова потреба в запасних частинах перевищує фактичну у 4,9 рази.
Отже, заміна розподілу Вейбулла з поєднанням параметра форми b ,71 – 2,39 і часу прогнозу tв ,28 – 22,38 експоненціальним розподілом призводить до нестачі запасних частин чи їх надлишку.
У третьому розділі розглянуто програму і методику експериментальних досліджень.
Експериментальна перевірка теоретичних досліджень проведена на прикладі скребкового транспортера типу ТС-40,0М, який випускається вітчизняним заводом ВО “Уманьферммаш”. Він знайшов широке застосування у тваринництві і використовується в комплектах кормоцехів для великої рогатої худоби (КЦК-5; ТП № ; ТП № ; ТП № ; “Хортиця”), овець (КЦО-5), свиней (КЦС-100/1000; КЦС-200/2000; КЦС-600 чи ТП № “Маяк”) птахів та в технологічній лінії роздачі кормів на свинофермах на базі мобільного кормороздавача КЕС-1,7. Як вивантажувальний, транспортер є кінцевою ланкою в технологічній лінії кормоцеху і призначений для транспортування готової кормової суміші від змішувача до кормороздавача. Однак його можна застосовувати і самостійно. Понад 35 років він випускається вітчизняними машинобу-дівними підприємствами, неодноразово включався до Системи машин для комплексної механізації сільськогосподарського виробни-цтва на 1981 – та 1986 – рр., модернізований і нині знаходиться у виробництві під назвою конвеєр скребковий універсальний ТС_Ф-40М, а також входить до розроблюваної національної системи машин на 1996 – рр.
Визначено кількість об’єктів спостережень N . Зібрано інформацію з відмов 12 транспортерів ТС-40,0М, які працювали у складі обладнання кормоцеху “Хортиця”, дані статистичних вибірок розміщено у вигляді варіаційних рядів у порядку зростання. Сумнівні значення перевірено за критеріями Райта та Ст’юдента і всі грубо помилкові виключені з вибірки. Перевірені табличні цифрові дані поділено на інтервали, визначено вид розподілу ресурсу деталей та його параметри. Ступінь узгодженості теоретичного і емпіричного (експериментального) розподілів оцінено за рівнем значущості по критерію згоди Пірсона і правилу Романовського. Розроблено програми “SPN” і “SPN1” для обробки статистичних даних та визначення потреби тваринницької техніки в запасних частинах. Програму “SPN” призначено для розрахунку кількості запасних частин за одночасного введення машин в експлуатацію при двох видах розподілу ресурсу — нормальному й Вейбулла. Програму “SPN1” призначено для розрахунку кількості запасних частин при введенні машин в експлуатацію по черзі і двох видах розподілу ресурсу — нормальному й Вейбулла. Обробку статистичних даних виконано за розробленими програмами “SPN” і “SPN1” на ПЕОМ.
Четвертий розділ містить результати експериментальних досліджень. Визначено основні показники безвідмовності та ремонтопридатності кормоцеху: напрацювання до відмови, середній час відновлення, коефіцієнт готовності та технічного використання. При дослідженні експлуатаційної надійності обладнання кормоцеху встановлено, що безвідмовність та ремонтопридатність обладнання підлягають закону Вейбулла. Окремі машини мають неоднакову надійність. Напрацювання до відмови становить 489 год для ТЛ_; 239 год для ДСК-30; 238 год для ТС-40,0М; 230 год для ИКМ-5 та 185 год для ТК-5. Середній час відновлення коливається у межах 1,75 – ,61 год, коефіцієнт оперативної готовності — 0,830 – ,863, а коефіцієнт технічного використання — 0,878 – ,965.
Розраховано показники безвідмовності і довговічності основних вузлів і деталей обладнання кормоцеху. На основі аналізу відмов основних вузлів і деталей обладнання встановлено, що їх ресурс розподіляється за законами: нормальним, Вейбулла та експоненціальним, більшість з яких — за законом Вейбулла з параметром форми b ,90 – 2,69 та середнім значенням ресурсу tср = – 4340 год.
За розробленими на ПЕОМ програмами “SPN” і “SPN1” розраховано потребу в запасних частинах машин і обладнання для приготування і роздачі кормів. Аналіз отриманих ймовірностей безвідмовної роботи показав, що середнє значення цього показника при розрахунку потреби запасних частин за середнім ресурсом tср дорівнює 43,8а при розрахунку за гамма-відсотковим ресурсом t — 60,5тобто збільшується на 16,7
Розроблена методика враховує залежність показників надійності від параметрів технічного стану машин і обладнання та дає змогу уточнити номенклатуру і середньогалузеві норми витрат запасних частин, скоротивши нестачу гостродефіцитних вузлів і деталей на 8 – і надлишок деталей, які з часом перетворюються на неліквіди, на 8 –
У п’ятому розділі наведено розрахунок економічної ефективності від впровадження у виробництво методики визначення потреби в запасних частинах машин і обладнання для тваринництва, визначено економічну ефективність її використання.
Згідно з розрахунком економічної ефективності, розроблена методика дає змогу отримати потрібну кількість запасних частин для підтримання працездатності машин і обладнання кормоцеху на належному рівні. Підвищенням коефіцієнта оперативної готовності на 15 – можна збільшити середньорічний обсяг продукції (молока) на 12 – підвищити продуктивність праці обладнання на 16 – і молочнотоварних ферм — на 13,7Вартість додатково отриманої продукції від реалізації запропонованої методики у приватному підприємстві “Могучий” становить 239,2 тис. грн. в рік.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі дано нове вирішення наукової задачі підвищення експлуатаційної надійності машин та обладнання тваринництва прогнозуванням кількісного і номенклатурного складу запасних частин.
За результатами досліджень зроблено такі основні висновки:
1. На основі аналізу існуючих методик визначення потреби в запасних частинах встановлено, що прогнозування цієї потреби за середнім ресурсом не дає змоги досягти ймовірності безвідмовної роботи понад 50для нормального розподілу і знаходиться у межах 7,35 – для розподілу Вейбулла з параметром форми b ,2…4. Підвищення ймовірності безвідмовної роботи до більших значень супроводжується збільшенням кількості запасних частин за рахунок визначення їх потреби за гамма-відсотковим ресурсом.
2. В основу методики прогнозування потреби в запасних частинах покладено математичну модель зі змінними факторами: кількість однакових деталей на одній машині; кількість однакових машин; закон розподілу ресурсу деталей та його параметри; ймовірність безвідмовної роботи, а також час прогнозу, переданий у частках гамма-відсоткового ресурсу. За можливі моделі довговічності невідновлюваних виробів (елементів) тваринницької техніки, замінених у разі відмови запасними, прийнято закони розподілу ресурсу: нормальний, Вейбулла та експоненціальний, що охоплюють відповідно поступові, зносові, втомлені та раптові відмови механічних і електромеханічних систем, які пройшли період припрацювання, а також систем, що експлуатуються в тяжких умовах під впливом механічних і кліматичних навантажень.
3. Обґрунтовано коефіцієнт потреби в запасних частинах Kз. Залеж-ність цього коефіцієнта, а отже, і витрат запасних частин від часу прогнозу, переданого в частках гамма-відсоткового ресурсу — tв, є прямолінійною в усьому інтервалі часу тільки для експоненціального розподілу (розподіл Вейбулла з параметром форми b = ), а також для нормального розподілу при tв . Для нормального розподілу при tв < залежність коефіцієнта Kз від tв непрямолінійна. Для розподілу Вейбулла залежність коефіцієнта Kз від tв непрямолінійна, до того ж початковий період експлуатації характеризується підвищеною потребою в запасних частинах при значенні параметра форми b або зниженою — при значенні b . Отримано коефіцієнт для визначення гамма-відсоткового ресурсу K, залежність його від коефіцієнта варіації для нормального розподілу і параметра форми для розподілу Вейбулла при різних значеннях ймовірності безвідмовної роботи.
4. У разі умовної заміни розподілу Вейбулла на його окремий випадок — експоненціальний розподіл має місце певна від’ємна чи додатна похибки при розрахунку потреби в запасних частинах, величина якої визначається комбінацією поєднання параметра форми b розподілу і часу прогнозу tв. Так, для розподілу Вейбулла при комбінації поєднань b = ,71 – 2,39 і tв ,28 – 22,38, що характерне для таких найбільш застосовуваних вузлів і деталей машин та обладнання для приготування і роздачі кормів на тваринницьких фермах, як підшипники, зірочки, приводні й тягові ролико-втулкові лан-цюги, вали, паси, електродвигуни, похибка коливається від 490що відповідає перевитратам, до 44що відповідає нестачі запасних частин у порівнянні з фактичною потребою.
5. При дослідженні експлуатаційної надійності обладнання кормоцеху “Хортиця” встановлено, що показники безвідмовності і ремонтопридатності обладнання підлягають закону Вейбулла. Окремі машини мають неоднакову надійність. Напрацювання до відмови становить 489 год для ТЛ-65; 239 год для ДСК-30; 238 год для ТС-40,0М; 230 год для ИКМ-5 та 185 год для ТК-5. Середній час відновлення знаходиться у межах 1,75 – ,61 год, коефіцієнт оперативної готовності — 0,830 – 0,863, коефіцієнт технічного використання — 0,878 – ,965.
6. На основі аналізу відмов основних вузлів і деталей обладнання встановлено, що їх ресурс розподіляється за законами: нормальним, Вейбулла та експоненціальним, більшість з яких — за законом Вейбулла з параметром форми b ,9 – 2,61 та середнім значенням ресурсу tср = – 4340 год, середня ймовірність безвідмовної роботи при розрахунку запасних частин за середнім ресурсом tср дорівнює 43,8а при розрахунку за гамма-відсотковим ресурсом t — 60,5тобто підвищується на 16,7що становить 38 середньої ймовірності безвідмовної роботи при розрахунку за середнім ресурсом tср.
7. Розроблена методика визначення потреби в запасних частинах, на відміну від існуючих, враховує залежність показників надійності від параметрів технічного стану машин і обладнання, що дає змогу уточнити номенклатуру і середньогалузеві норми витрат запасних частин, скоротивши нестачу гостродефіцитних вузлів і деталей на 8 – і надлишок деталей, які з часом перетворюються на неліквіди, на 8 –
8. Впровадження у виробництво розробленої методики дасть змогу забезпечити машини та обладнання для тваринництва достатньою кількістю запасних частин. Підвищенням коефіцієнта оперативної готовності на 15 – можна збільшити середньорічний обсяг продукції (молока) на 12 – підвищити продуктивність обладнання на 16 – і молочнотоварних ферм — на 13,7Вартість додатково отриманої продукції від реалізації запропонованої методики визначення потреби в запасних частинах машин і обладнання для тваринництва у приватному підприємстві “Могучий” становить 239,2 тис. грн. в рік.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Болтянська Н.І. До методології обґрунтування потреби запасних частин для засобів механізації тваринництва // Праці Таврійської державної агротехн. академії.- Мелітополь.-2001.-Вип. 2.-Т.19 . -С. – .
2. Болтянська Н.І. Аналіз підходів до визначення кількості запасних частин техніки для механізації тваринництва // Праці Таврійської державної агротехн. академії. –Мелітополь.-2004.- Вип. 17.- С. 61 – 66.
3. Болтянська Н.І., Скляр О.Г. Вибір розподілу ресурсу вузлів і деталей машин і устаткування тваринницьких ферм при обґрунтуванні потреби у запасних частинах // Праці Таврійської державної агротехн. академії. – Мелітополь. - 2004. -Вип. 23.-С.65 (особистий внесок - обґрунтувала вибір розподілу ресурсу вузлів і деталей).
4. Болтянська Н.І. Методика обґрунтування потреби в запасних частинах машин і устаткування тваринницьких ферм // Зб. матеріалів четвертої міжнародної наук.-практ. конф. аспірантів “Сучасні аспекти науки і напрями досліджень стан і перспективи”. – Вінниця.-2004. -С. 206-208.
5. Болтянська Н.І. Методика прогнозування потреби в запасних частинах на перспективу для машин і обладнання тваринницьких ферм // Машины и способы механизации сельскохозяйственного производства: Науч. труды Крымского гос. аграрн. ун-та. — Симферополь.-2005. -Вип. 84.-С. 106 -112.
6. Болтянська Н.І. Номограми до визначення потреби в запасних частинах при розподілі ресурсу деталей за законами нормальним, Вейбулла та експоненціальним // Праці Таврійської державної агротехн. академії. -Мелітополь. -2005. - Вип.26 -С.61-65.
7. Болтянська Н.І. Експериментальна перевірка методики визначення потреби в запасних частинах машин і обладнання у тваринництві // Праці Таврійської державної агротехн. академії.- Мелітополь. - 2005. -Вип. 31.-С. 159-170.
АНОТАЦІЯ
Болтянська Н.І. Підвищення експлуатаційної надійності машин і обладнання тваринництва прогнозуванням кількісного та номенклатурного складу запасних частин. — Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 — Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. — Таврійська державна агротехнічна академія, Мелітополь, 2005.
Дисертацію присвячено питанням підвищення експлуатаційної надійності машин і обладнання тваринницьких ферм гарантованим забезпеченням їх запасними частинами.
Наведено результати теоретичних досліджень визначення потреби в запасних частинах при розподілі ресурсу вузлів і деталей машин та обладнання за законами нормальним, Вейбулла та експоненціальним, а також використання в розрахункових залежностях гамма-відсоткового ресурсу замість середнього, що дає змогу підвищити ймовірність безвідмовної роботи, особливо для машин і обладнання з найгіршими умовами експлуатації.
Наведено результати експериментальних досліджень на прикладі обладнання кормоцеху „Хортиця”. Визначено економічну ефективність від впровадження роботи у виробництво.
Ключові слова: тваринницькі ферми, машини та обладнання, запасні частини, прогноз потреби.
АННОТАЦИЯ
Болтянская Н.И. Повышение эксплуатационной надежности машин и оборудования животноводства прогнозированием количественного и номенклатурного состава запасных частей. — Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 — Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. — Таврическая государственная агротехническая академия, Мелитополь, 2005.
В работе обоснована актуальность выбранной темы исследований, представлены научная проблема, цель и задачи исследований.
Рассмотрена задача повышения эксплуатационной надежности машин и оборудования животноводческих ферм путем гарантированного обеспечения их запасными частями. Для ее решения обоснована
