Полный текст

Для дальнейшего развития отраслей машиностроения большое значение имеют прогрессивные организационно-технические и проектно-технологические направления по повышению ресурса выпускаемого оборудования, обеспечению высокой надежности и эксплуатационной технологичности. Потребительские достоинства современного машиностроительного изделия формируются последовательно на этапах исследования, проектирования, производства и эксплуатации. Неточности, допущенные на любом этапе, приводят к снижению уровня надежности, а следовательно, и эксплуатационных показателей. Таким образом, проблема обеспечения надежности изделий машиностроения, обусловленная процессами их создания и использования, сложна и многогранна, а во взаимосвязи всех влияющих факторов выявляется необходимость их регулирования (управления). При этом одним из важнейших путей обеспечения необходимого уровня надежности является системный подход к исследованию и установлению конечных свойств объекта в зависимости от его свойств на предшествующих этапах. В работах А.М. Дальского [1], П.Н. Ящерицына [2] и др. показано, что подобная система может быть наглядно представлена с помощью графов, иллюстрирующих формирование процесса, свойств, явлений и их связей. Было учтено, что интенсивность процессов утраты работоспособности деталей узлов трения машин зависит от структуры поверхностных слоев металла, физико-механических свойств и напряженного состояния материала деталей сопряжений, от точности размеров, макро- и микрогеометрии трущихся поверхностей. Отмечено также, что перечисленные факторы обусловливаются всей последовательностью технологических операций при изготовлении, видом нагрузочных воздействий, температурой в зоне трения, загрязненностью среды и др. Позднее, в работах [3, 4], сущность явлений технологической и эксплуатационной наследственности была рассмотрена также с учетом наступления предельного состояния деталей - при их восстановлении путем различных технологических воздействий на поверхностные слои материала. При исследовании эксплуатационной технологичности сложных систем чаще всего применяется структурный анализ. Для наглядности структуры представляются в виде графов [1, 5] и различных технико-экономических моделей [6]. Применительно к задачам функциональной надежности используются двумерные стохастические процессы восстановления [7], что позволяет определить различные характеристики модели в координатах наработка - затраты (например, в человеко-часах) с нахождением таких соотношений, как среднее число восстановлений за заданное время и различного рода коэффициенты (например, для оценки доступности). Целью данного исследования является разработка графической модели, отображающей цикл развития качества (надежности). Такая модель и разработанная на ее основе система поэтапного формирования надежности наиболее соответствуют условиям и особенностям изделий машиностроения. Исходя из положений теорий технологической и эксплуатационной наследственности, позволяющих раскрыть механизм взаимосвязи качества изготовления и эксплуатационных характеристик деталей машин, разработана графическая модель, изображающая цикл развития качества (надежности) по гипоциклоиде (рис. 1) [8]. Комплекс работ, замкнутых в одну петлю, составляет определенный этап, осуществление которого представляет собой законченное и обязательное звено в общем цикле работ. Всего в цикле шесть этапов: I - предпроектный, II - проектно-конструкторский, III - предпроизводственный, IV - производственный, V - послепроизводственный и VI - эксплуатационный (см. рис. 1). Рис. 1. Гипоциклоидальная модель формирования надежности Отдельные этапы гипоциклоидальной модели, применительно к конкретным изделиям нефтяного машиностроения, подробно изложены в работах [9, 10]. Эффективность применения данной модели отмечается и в трудах других авторов (например, в работе [11]). Графы, характеризующие каждый из этапов цикла, по своей сущности сходны с циклическими графами технологического наследования. В качестве примера соответствующий граф, как составная часть гипоциклоидальной модели, приведен в работе [8]. Свойства любого изделия проявляются в процессе его эксплуатации. Какими бы начальными свойствами ни обладало изделие, в процессе эксплуатации накапливаются необратимые изменения в деталях и сопряжениях. Эти изменения порождаются износом, деформациями, коррозией и т.д. В одном механизме и даже в одной детали эти процессы налагаются, взаимодействуют и в конечном счете вызывают предельно допустимое изменение рабочих характеристик и проводят к отказу. В этих условиях всестороннее решение проблемы поддержания и восстановления работоспособности объекта возможно только на основе системного, а следовательно, и научного подхода. Системный подход выражается в разработке и практической реализации комплекса взаимосвязанных положений и норм, определяющих организацию и порядок проведения работ по техническому обслуживанию и ремонту оборудования. Системный подход предусматривает такую организацию работ, при которой реализуются основные принципы управления, т.е. упорядоченного и целенаправленного воздействия на объекты: диагностирование, техническое обслуживание и ремонт на всех уровнях и стадиях функционирования системы. Системный подход заключается также и в научно обоснованном анализе и оценке своевременного потребного ремонта, его структуры и технологии, в комплексном изучении его технического уровня и организации, исполнения и экономики с позиций обеспечения постоянной исправности объекта для заданных условий эксплуатации при минимальных затратах трудовых и материальных ресурсов. Гипоциклоидальная модель формирования надежности изделий машиностроения предусматривает поэтапный принцип обеспечения, развития и сохранения безотказности, долговечности, ремонтопригодности, монтажепригодности и сохраняемости объектов. Важным и существенным признаком подобной модели является наглядность отображения ее содержания, необходимая для правильного понимания ее закономерностей, принципа организации целенаправленных мероприятий по управлению надежностью объекта на всех этапах. Исходя из содержания гипоциклоидальной модели формирования надежности можно отметить следующие наиболее важные ее особенности и закономерности. Полный цикл формирования уровня надежности объекта состоит из шести четко выраженных этапов, каждый из которых, являясь неразрывным звеном в общей цепи, представляет определенное направление действий. На каждом этапе решаются конкретные задачи, необходимые для перехода к следующему этапу. Таким образом, гипоциклоидальная модель наглядно отображает одновременно обособленность этапов, очерченных характерной петлей, и их единство, взаимосвязь, выраженные в неразрывности всех этапов. Каждый этап складывается из определенной совокупности мероприятий, определяющих формирование надежности рассматриваемого изделия. При этом последняя стадия каждого этапа представляет исходную информацию для начальной стадии следующего этапа. Шесть этапов модели можно рассматривать укрупненно, выделяя три основные сферы формирования и сохранения необходимого уровня надежности (см. рис. 1): проектирования (I и II этапы), изготовления (III и IV этапы) и эксплуатации (V и VI этапы). Такое укрупнение повышает наглядность модели в целом, показывает ее структуру в пределах всего цикла формирования надежности. Именно наглядность в совокупности всех сфер и этапов модели является одним из ее важных достоинств, отличающих ее от многих структурных граф и схем управления надежностью. Цикл модели начинается и заканчивается этапами, практически сходным по содержанию, а именно исследованием функциональной надежности и накоплением статистической информации об отказах изделий. Этим определяется замкнутость циклов, непрерывность выполнения разработок по формированию надежности от изделия к изделию и от этапа к этапу, так как задача улучшения, совершенствования и обновления техники не может ограничиться одним циклом работ. Сходство задач первого и последнего этапов указывает и на преемственность разработок и информации. Этим предопределяется оптимальная увязка предыдущих разработок с последующими. Однако, несмотря на общность задач, уровень и объем информации на последнем этапе выше, чем на первом, за счет появления дополнительных данных об условиях эксплуатации и связанных с ними новых требований к конструкции, ее качеству, надежности. Тем самым выражается также связь гипоциклоидальной модели с законом прогрессивной эволюции техники [12], так как в обоих случаях переход к новым поколениям рассматриваемого объекта техники (ОТ) вызывается необходимостью устранения выявленных его недостатков. Следовательно, при рассмотрении эволюции ОТ в динамике [13] модель можно представить в виде изображенной на рис. 2 цепочки гипоциклоид, у которых каждый цикл из шести этапов, повторяясь на новом, более высоком уровне, определяет и новое содержание, соответствующее требованиям данного периода времени. В соответствии с законом прогрессивной эволюции техники при наступлении периода замедления развития либо ОТ заменяется принципиально новой системой, либо же продолжается его эксплуатация при сохранении достигнутого уровня эффективности [12] . В этом и выражается динамика развития ОТ (см. рис. 2), отображающая не только однократный цикл формирования его надежности, но и диалектическое развитие и совершенствование методов и характера разработок по повышению надежности данного оборудования. Отмеченное особенно касается эксплуатационного этапа. Так, современная техника, применяемая для бурения скважин и добычи нефти и газа, характеризуется значительным многообразием и спецификой конструкций оборудования. Это связано прежде всего с условиями эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, особенностями конструкций и чрезвычайно многообразной номенклатуры сложных установок, наземного и подземного оборудования. Таким образом, с учетом назначения и структуры (состава) объекта процесс его технической эксплуатации можно представить как последовательную во времени смену различных состояний. Применительно к буровому и нефтепромысловому оборудованию к ним можно отнести: монтаж на точке эксплуатации; приведение в состояние готовности к эксплуатации; использование по назначению; периодическое выполнение диагностирования; состояние ожидания технического обслуживания (ТО); плановые и неплановые текущие ремонты (ТР), агрегатно-узловые и капитальный ремонты. Кроме того, для отдельных видов оборудования характерны: демонтаж объекта после завершения эксплуатации на точке; транспортирование; подготовка к монтажу на новой точке или поступление агрегатов или установки в целом в резерв; хранение или поступление их в любое из выделенных состояний на различные точки эксплуатации. Большая разбросанность точек эксплуатации, постоянная подвижность установок и другие особенности производственного процесса определяют требования, предъявляемые к эксплуатационной технологичности, и специфику оценки надежности применяемого оборудования. При большом числе состояний изображение стохастического процесса в виде двумерной графической зависимости становится неудобным. Для этого предложена компактная графическая интерпретация рассматриваемого процесса в виде графа состояний и переходов процесса технической эксплуатации технического объекта, подвергающегося обслуживанию и ремонту [8]. С учетом отмеченного на рис. 3 приведен разработанный применительно к сложным объектам граф состояний и переходов каскадного типа (с прямыми и обратными связями) процесса технической эксплуатации установок для бурения глубоких скважин на нефть и газ, показывающий в общем виде все особенности их эксплуатации. В качестве примеров рассмотрим выборки из графа состояний и переходов соответствующих траекторий (см. рис. 3): 1. Работа объекта (буровой установки) на точке эксплуатации без перерывов на выполнение внеплановых ТР (поз. 1); по завершении работы на точке демонтаж (поз. 8). Первое решение: доставка оборудования на новую точку эксплуатации (поз. 9), монтаж (поз. 10), предэксплуатационное ТО (поз. 11), готовность к работе (поз. 12). Второе возможное решение: передача оборудования в резерв (поз. 13) с последующим использованием. 2. Пребывание объекта (бурового насоса установки) в работе (поз. 1) с перерывами (поз. 2), связанными с технологией выполняемых работ (например, спуско-подъемными операциями), что при необходимости может быть использовано для выполнения запланированных ТО и ТР (поз. 3), в том числе для диагностики и дефектации (поз. 4). Дальнейшее решение: а) продолжение пребывания объекта в работе (поз. 1); б) ремонтные работы (поз. 5, либо 6, либо 7), предэксплуатационное ТО (поз. 11); готовность к работе (поз. 12); передача оборудования в резерв (поз. 13) или ввод в эксплуатацию (поз. 1). Рис. 3. Каскадный граф процесса эксплуатации оборудования, применяемого для бурения нефтяных и газовых скважин: 1 - пребывание объекта в работе; 2 - перерывы, связанные с технологией выполняемых работ; 3 - ожидание и выполнение плановых ТО и ТР; 4 - диагностика и дефектация; 5 - ТО и ТР по состоянию с доставкой запасных частей; 6 - агрегатно-узловой ремонт; 7 - капитальный ремонт; 8 - демонтаж оборудования в связи с завершением работы на точке эксплуатации, диагностика и ремонтно-восстановительные работы; 9 - доставка оборудования на новую точку эксплуатации; 10 - монтаж оборудования на новой точке; 11 - предэксплуатационное ТО; 12 - готовность к работе; 13 - пребывание в резерве В целом же число возможных траекторий по каскадному графу значительно; выбор их естественно связан с постановкой задач. Основные закономерности процесса технической эксплуатации объекта-аналога выявляются на основе анализа статистической информации. Кроме того, особое внимание должно уделяться вопросам корреляционного анализа для установления влияния различных факторов на приспособленность объекта к заданному режиму обслуживания с учетом характеристик надежности систем, узлов и агрегатов. Таким образом, разработанные методические основы применения гипоциклоидальной модели формирования надежности изделий машиностроения, состоящей из замкнутых циклических графов, позволяют непрерывно планировать и выполнять работы по повышению надежности от изделия-аналога к новому изделию от этапа к этапу. Наряду с этим полученный граф состояний и переходов процесса технической эксплуатации на примере сложного объекта - установки глубокого бурения - позволяет раскрыть структуру и характеристику отдельных состояний процесса, смоделировать оперативное техническое обслуживание и ремонтные формы, а при необходимости и периодические демонтажно-монтажные и другие работы.

Об авторах

С. Г Бабаев

НИИ «Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия»

Email: professor_lk@mail.ru

И. А Габибов

Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности

Email: h.ibo@mail.ru

С. В Керимова

НИИ «Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия»

Email: sabina.v.karimova@gmail.com

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 54

PDF (Russian) - 30

Ссылки

• Ссылки не определены.