…łatwiej jest napisać, niż wdrożyć lub sprzedać…

II. WYBRANE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN

2.1. DESTRUKCJA STANU MASZYN

Procesy destrukcji systemów technicznych wpływające na bezpieczeństwo ruchu

wymuszają potrzebę nadzorowania zmian ich stanu technicznego [1,3,10,12,14,52,83,90,96].

Powszechnie obserwuje się wzrost zainteresowania problemami pozyskiwania informacji z

badań dla potrzeb nowoczesnego konstruowania, wytwarzania i eksploatacji maszyn. Wzrost

wymagań niezawodnościowych wraz z zastosowaniem wielu obiektów w nowych

dziedzinach życia (zarządzanie, medycyna) spowodował rozwój komputerowych urządzeń

diagnostycznych, umożliwiających detekcję i lokalizację uszkodzeń wraz z generowanymi

decyzjami eksploatacyjnymi, ustalanymi przy pomocy metod sztucznej inteligencji.

Do jakościowych miar stanu dynamicznego maszyny, czyli jej dynamiczności zalicza

się poziom amplitud drgań (rys.2.1) zarówno maszyn jako całości, jak również drgań

względnych poszczególnych elementów i części. Drgania całościowe maszyny można uznać

za objaw zewnętrzny, gdyż one są odpowiedzialne za poziom zakłóceń emitowanych w

otoczenie. Natomiast drgania względne rzutują na poziom amplitud naprężeń dynamicznych.

Z uwagi na istotny związek poziomu naprężeń dynamicznych z trwałością maszyny, dogodnie

jest przyjąć je za odrębną miarę dynamiczności [1,8,12,16,27,28,32,34,39,41,42].

Etap konstruowania

maszyn

DYNAMIKA

MASZYNY

Wskażniki

jakości

- duża trwalość

- duża niezawodność

- duża dokladność

- niski poziom zaklóceń

wewnętrznych

Warunki

uzyskania

MAŁE

DRGANIA

Rys.2.1. Dynamika a drgania maszyn

Dynamika jest nauką o tym, jak rzeczy zmieniają się w czasie i o siłach, które są

przyczyną tych zmian [12,15,52,69,82]. Celem studium dynamiki układu jest zrozumienie

zasad funkcjonowania, zmian stanu obciążeń dynamicznych i przewidywanie poprawnego

zachowania się układu. Wraz ze wzrostem wartości obciążeń, zwiększeniem wymagań

dotyczących trwałości i niezawodności rośnie znaczenie analizy dynamiki konstrukcji.

Analiza dynamiki układu składa się z następujących etapów [6,19,27,34,41]:

- etap I - dokładne określenie układu, jego istotnych cech i budowa modelu fizycznego,

którego własności dynamiczne będą w dostatecznym stopniu zgodne z własnościami

rzeczywistego obiektu;

- etap II – analityczny opis zjawisk dynamicznych odzwierciedlanych modelem

fizycznym, czyli znalezienie modelu matematycznego - równań różniczkowych

opisujących ruch modelu fizycznego;

- etap III - przestudiowanie własności dynamicznych modelu na podstawie rozwiązania

równań różniczkowych ruchu, ustalenie przewidywanego ruchu układu;

- etap IV - podjęcie decyzji projektowych, tj. przyjęcie fizycznych parametrów układu, z

modernizacją przystosowaną do oczekiwań. Synteza i optymalizacja prowadząca do

osiągnięcia wymaganych własności dynamicznych konstrukcji.

Przedstawiona procedura – rys.2.2 - opiera się na znajomości modelu układu, a

wnioski płynące z działań na modelach zależą od ich jakości. Budową modeli zajmuje się

identyfikacja, która utożsamia systemy rzeczywiste z ich modelami. W zależności od celu

prowadzonej analizy dynamicznej obiektu stawia się różne wymagania budowanym

modelom, a ich ocenę przeprowadza się różnymi metodami eksperymentalnymi.

Rzeczywistości techniczna to wynik analizy modeli, które ją mniej lub bardziej

poprawnie opisują. Proces, którego celem jest zbudowanie najlepszego modelu operacyjnego

(matematycznego lub empirycznego) nazywany jest procesem identyfikacji. Identyfikacja

może dotyczyć zarówno budowy modeli obiektu jak i odtworzenia stanu badanego obiektu, co

prowadzi wprost do problematyki diagnostyki technicznej.

Poprawki modelu fizycznego

UKŁAD Etap I Etap II Etap III WYJŚCIOWY MODELOWANIE PRZYJĘCIE STUDIUM

rzeczywisty FIZYCZNE RÓWNAŃ RUCHU WŁAŚCIWOŚCI RUCH

DYNAMICZNYCH UKŁADU

Warunki techniczne Etap IV DECYZJE

KONSTRUKCYJNE Rys.2.2. Etapy studium dynamiki układu

Proces identyfikacji diagnostycznej obejmuje [6,27,34,38,39,41]:

* modelowanie (symptomowe lub strukturalne),

* eksperyment identyfikacyjny (symulacyjny i/lub rzeczywisty),

* estymację parametrów diagnostycznych (cech stanu lub symptomów),

* wnioskowanie diagnostyczne.

Istniejące metody identyfikacji można podzielić na metody identyfikacji własności

statycznych i dynamicznych. Metody identyfikacji można podzielić ze względu na: rodzaj

identyfikowanego modelu, rodzaj eksperymentu, zastosowane kryterium identyfikacji, czy też

zastosowaną procedurę estymacji. W ogólności są to: metody analityczne, czasowe,

częstotliwościowe, korelacyjne, regresyjne, analizy czynnikowej i metody iteracyjne,

omówione w pracach szeregu autorów [6,9,10,29,34,35,39].

Dla obiektów prostych dobrym narzędziem oceny zmieniającego się ich stanu

dynamicznego są metody identyfikacji prostej, wykorzystujące widmo amplitudowo –

częstotliwościowe. Innym sposobem opisu i analizy stanu dynamicznego jest analiza

modalna, stosowana jako teoretyczna, eksperymentalna i eksploatacyjna analiza modalna.

Wykorzystuje ona częstości drgań własnych i postacie drgań do opisu zmieniającego się stanu

maszyn oraz służy do doskonalenia metody elementów skończonych.

Identyfikacja prosta

W większości zastosowań korzysta się z identyfikacji prostej, gdzie wyznacza się

zmiany wartości masy - m, sztywności - k, tłumienia - c, albo zmiany parametrów

charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych (widma). Do zadań identyfikacji prostej

należy [6,10,32]:

- wyznaczanie struktury modelu, czyli wartości i wzajemnych połączeń między elementami

masowymi (m), sprężystymi (k) i dyssypacyjnymi (c);

- wyznaczanie charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych układów lub tylko

pewnego zbioru ich parametrów.

W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o

kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody – rys.2.3. Badania transmitancji

układów o jednym stopniu swobody może polepszyć zrozumienie procesów drganiowych

zachodzących w maszynach, a także zrozumienie zmian zachodzących w tych procesach z

tytułu zmian wartości parametrów m, k, c.

Rys.2.3. Układ o jednym stopniu swobody jako najprostszy model obiektu mechanicznego

Opis drgań układu o jednym stopniu swobody przedstawiają równania:

)(...

tFcxxbxm (2.1)

)sin( tAx

)cos( tAdt

dxv )sin(2

2

2 tA

dt

dV

dt

xda

Wartość modułu transmitancji )(H wyznacza się z ilorazu amplitudy odpowiedzi na

wymuszenie harmoniczne do amplitudy tego wymuszenia. Faza transmitancji jest po prostu

opóźnieniem fazowym między wymuszeniem a odpowiedzią. Transmitancja własna siła –

przemieszczenie dla układu z rys.2.26 jest następująca [6,34]:

2222

0

0

)2()(

1)(

rr

xF

mF

xH

22

2tg

r

r (2.2)

Zatem postać transmitancji układu o jednym stopniu swobody określają całkowicie dwa

parametry: częstotliwość rezonansowa 2/m

kf r i stopień tłumienia

krc

c . Obydwa te

parametry są łatwo mierzalne: pierwszy z położenia piku rezonansowego rf na wymiarowej

osi częstotliwości, zaś drugi z wysokości piku rezonansowego, gdyż:

k

fHHrffr

2

1)(

stąd

200

st

rr

xHFx (2.3)

gdzie: k

Fxst

0 oznacza statyczne ugięcie sprężyny k pod działaniem siły F0.

Zmiana piku rezonansowego może być spowodowana tylko zmianą sztywności lub

masy w układzie, zaś zmiana wartości amplitudy rezonansowej drgań może wynikać ze

zmiany siły F0, sztywności k, lub stopnia tłumienia . Tak więc mierząc położenie

częstotliwości rezonansowej fr i wartość x0r można orzekać o zmianie albo stacjonarności

transmitancji układu, a tym samym o zachowaniu się parametrów fizycznych m, k, c samego

modelu obiektu.

W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o

kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody. Układ dyskretny w

odróżnieniu od ciągłego cechuje się punktowym rozkładem mas, sztywności tłumienia i

wymiary tych elementów nie odgrywają roli. Dla układów mających więzy sprężyste

ustalające ich położenie w przestrzeni, przyjmuje się zwykle liczbę stopni swobody równą

liczbie mas w układzie. Badania zmian transmitancji odzwierciedlającej własności

dynamiczne obiektu można przeprowadzić – rys.2.4 - trzema metodami [6,34]:

- za pomocą testu impulsowego (uderzenie młotkiem);

- za pomocą testu harmonicznego (sygnał z generatora);

- za pomocą testu przypadkowego (pobudzanie wielu rezonansów jednocześnie).

Przetwornik drgań

częstotliwość

amplituda

z

t. harmoniczny

t. impulsowy

t. przypadkowy

Wzmacniacz

mocy

Wzbudnik

Drgań

Badany

obiekt

Przetwornik siły

Filtr

Przedwzmacniacz Analizator

drgań

Rejestrator

Miernik

wartości

skutecznej

siły

A

Rys.2.4. Idea realizacji eksperymentów w identyfikacji prostej

Zmiany stanu (destrukcja elementów) opisywane sygnałem drganiowym

odzwierciedlają się w zmiennych wartościach poziomu (parametrów) drgań lub w zmianie

transmitancji od punktu uszkodzenia do punktu odbioru.

Identyfikacja złożona

Dla układów złożonych, często nieliniowych używa się dla potrzeb identyfikacji

złożonej analizy modalnej (teoretycznej, eksperymentalnej lub eksploatacyjnej). W wyniku

przeprowadzenia analizy modalnej otrzymuje się model modalny, który stanowi

uporządkowany zbiór częstości własnych, odpowiadających im współczynników tłumienia

oraz postaci drgań własnych. Na podstawie znajomości modelu modalnego można

przewidzieć reakcje obiektu na dowolne zaburzenie, zarówno w dziedzinie czasu, jak i

częstotliwości. Analiza modalna w diagnozowania stanu obiektów znajduje zastosowanie w

następujących obszarach [10,28]:

wyznaczanie wymuszeń działających na układ i ich widm częstotliwościowych na

podstawie parametrów modelu modalnego i zmierzonej odpowiedzi układu; badanie

podobieństwa charakterystyk częstotliwościowych: drganiowych i modalnych;

wyznaczenie parametrów modelu modalnego eksploatowanego obiektu i śledzenie ich

zmian w czasie eksploatacji;

dostrojenie, na bazie modelu modalnego, modelu elementów skończonych konstrukcji

w stanie zdatności oraz śledzenie zmian tego modelu w czasie eksploatacji; dostrojony

model elementów skończonych jest podstawą do modyfikacji konstrukcji.

Model modalny otrzymany w wyniku analizy modalnej jest opisany zbiorem częstości

własnych, postaci drgań oraz współczynników tłumienia. Odwzorowuje on zmiany stanu

dynamicznego reprezentowane przez zmiany masy, sztywności oraz tłumienia występujące w

równaniach opisujących stan dynamiczny.

Ocenę wpływu rozwijającego się uszkodzenia na parametry modelu modalnego można

oszacować stosując teorię wrażliwości do modelu strukturalnego bez tłumienia w postaci:

0

KxxM (2.4)

gdzie: M,K – macierze mas i sztywności,

x ,x – wektor przyśpieszeń i przemieszczeń.

W celu wyznaczenia parametrów modelu modalnego należy rozwiązać zagadnienie

własne w postaci:

}0{}{}{ iii MK (2.5)

gdzie: i -wartości własne, { i }-wektory własne.

Z powyższego równania wynika, że zmiana charakterystyk mechanicznych układu pociąga za

sobą zmianę jego charakterystyk własnych, co znane jest jako zagadnienie wrażliwości [68].

Po serii przekształceń (2.5) uzyskano, dla układu bez tłumienia, w efekcie końcowym

zależność:

i

T

i

i

i

T

i

i

i

p

Mf

p

K

fp

f

2}{}{

8

12

(2.6)

gdzie: pierwszy składnik opisuje wpływ zmian sztywności, a drugi efekt zmian masy układu.

Określane zmiany częstości własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian

sztywności lub masy, jak też zależą od miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.

W zastosowaniu klasycznej analizy modalnej do identyfikacji parametrów stanu

badanego obiektu w trakcie badań wyznacza się parametry modalne na podstawie pomiaru

charakterystyk częstościowych zmierzonych na obiekcie. W trakcie eksperymentu,

polegającego na sterowanym wymuszeniu drgań układu i pomiarze odpowiedzi w postaci

widma przyśpieszenia drgań, dokonuje się identyfikacji charakterystyk częstościowych

badanego układu.

W praktycznych zastosowaniach realizacji badań modalnych obiektów, parametry

modelu modalnego umożliwiają rozprzężenie równań opisujących drgania układu, a ich

wartości wyznacza się z zależności [13,28]:

irr

rRj

m2

1 ; rnrr mk 2 ; mrnrr mc 2 (2.7)

Wielkości te opisują własności układu związane z r - tą częstością własną i zmiany częstości

własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian sztywności lub masy, jak też zależą od

miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.

Znajomość zachowania się modelu w określonych sytuacjach pozwala na określenie

możliwych miejsc uszkodzeń oraz przeciwdziałanie im przez wprowadzanie modyfikacji:

masy (w jednym lub wszystkich kierunkach drgań układu), tłumienia oraz sztywności

(pomiędzy poszczególnymi punktami modelu). Tak widziane możliwości zastosowań

pozwalają wyróżnić następujące rodzaje analizy modalnej:

teoretyczną, która wymaga rozwiązania zagadnienia własnego dla przyjętego modelu

strukturalnego badanego obiektu,

eksperymentalną, wymagającą sterowanego eksperymentu identyfikacyjnego,

podczas którego wymusza się ruch obiektu (np. drgania) oraz dokonuje pomiaru

wymuszenia i pomiaru odpowiedzi (rys.2.5) w jednym lub w wielu punktach

pomiarowych, rozmieszczonych na badanym obiekcie,

Analizator APB 200

Obiekt

badań

Młotek PCB

Czujnik ICP

Typ

Rys.2.5. Idea realizacji eksperymentalnej analizy modalnej

eksploatacyjną, opierającą się na eksperymencie eksploatacyjnym, w którym

dokonuje się pomiarów tylko odpowiedzi układu w wielu punktach pomiarowych,

podczas gdy ruch obiektu spowodowany jest rzeczywistymi wymuszeniami

eksploatacyjnymi (rys.2.6).

Rys.2.6. Istota eksploatacyjnej analizy modalnej

Stosowana analiza modalna pozwala na rozwiązanie szeregu zagadnień, m.in.[28]:

- analiza modalna jest metodą rozwiązania zagadnienia własnego dla konstrukcji;

- analiza modalna jest metodą rozprzęgania układu równań ruchu,

- analiza modalna jest metodą identyfikacji własności dynamicznych obiektu,

- analiza modalna jest metodą dyskretyzacji konstrukcji o ciągłym rozkładzie parametrów,

- analiza modalna jest metodą redukcji modelu.

Przedstawione podejścia i uzyskane w teorii zależności [28,35,42] obrazują ruch

drgający obiektu (modelu) i opisujące go parametry procesu drganiowego, co pozwala na

zaniechanie trudnego opisu analitycznego (szczególnie dla wielu stopni swobody) i

zastąpienie go bezpośrednimi pomiarami drgań. Stan destrukcji obiektu można więc,

opisywać zamiennie, zamiast modelowania w kategoriach (m,k,c) stosować opis drganiowy w

kategoriach (a,v,x).

Procesy dynamiczne zachodzące w maszynach są szczególnie istotne przy ocenie

stanu wyjściowego, ale też są decydujące w degradacji stanu maszyn w eksploatacji.

Dynamika staje się więc podstawą diagnostyki technicznej umożliwiającej opis i badania

rozwoju uszkodzeń odzwierciedlających zmiany stanu maszyn w eksploatacji.

Zmiany stanu maszyn

Uszkodzenie jest jednym z istotnych zdarzeń występujących w procesie użytkowania

maszyn, determinującym niezawodność maszyn, efektywność ich wykorzystania, proces

obsługiwań technicznych, a także zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Najogólniej,

pojęcie uszkodzenia maszyny zdefiniować można jako zdarzenie polegające na przejściu

maszyny (zespołu, elementu) ze stanu zdatności do stanu niezdatności. Przez stan zdatności

rozumie się taki stan maszyny, w którym spełnia ona wyznaczone funkcje i zachowuje

parametry, określone w dokumentacji technicznej. Natomiast przez stan niezdatności rozumie

się stan maszyny, w którym nie spełnia ona chociażby jednego z wymagań, określonych w

dokumentacji technicznej.

Na skutek oddziaływania otoczenia oraz realizacji przez obiekt stawianych mu zadań

początkowe własności obiektu mogą ulegać zmianie, co odzwierciedli się w zmianie wartości

początkowych cech mierzalnych oraz ewentualnie w zmianie stanu cech niemierzalnych.

Uszkodzenia maszyn – rys.2.7 - w toku eksploatacji mogą zachodzić w następujący sposób:

- wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych;

- w wyniku pojawienia się procesów odwracalnych o różnej intensywności przebiegu,

wywołanych przez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartości jednego lub więcej

czynników wymuszających;

- w sposób skokowy, objawiający się nieciągłym przejściem jednej lub więcej cech poza

granice przyjęte za dopuszczalne dla danej maszyny.

Uwzględniając dotychczasowe rozważania można wskazać na główne przyczyny

powstawania uszkodzeń, które klasyfikuje się następująco:

a) konstrukcyjne — uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruowania

obiektu, najczęściej przy nie uwzględnieniu obciążeń ekstremalnych, tzn. wartości, które w

istotny sposób przekraczają obciążenia nominalne, prowadząc wprost do uszkodzeń;

b) produkcyjne (technologiczne) — uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedokładności

procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkości powierzchni, obróbki

termicznej itp.) lub wad materiałów elementów obiektu;

c) eksploatacyjne — uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowiązujących

zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływań czynników zewnętrznych nieprzewidzianych

dla warunków użytkowania danego obiektu, co prowadzi do osłabienia i przedwczesnego

zużycia i osiągnięć stanu granicznego;

d) starzeniowe i zużyciowe — zawsze towarzyszące eksploatacji obiektów i będące

rezultatem nieodwracalnych zmian, prowadzących do pogorszenia wytrzymałości i zdolności

współdziałania poszczególnych elementów.

Rys.2.7. Jedna z możliwych klasyfikacji uszkodzeń

Uszkodzenie lub zniszczenie obiektu technicznego następuje pod wpływem

przenoszonej przez niego energii. Zależnie od tego, jaki rodzaj energii dominuje w danych

warunkach, przyczyny uszkodzeń elementów można podzielić na następujące grupy:

a) mechaniczne — naprężenia statyczne, pełzanie, zmęczenie, pitting, zużycie cierne;

b) chemiczne — korozja metali, starzenie gumy, farb, izolacji, butwienie drewna;

c) elektryczne — elektrokorozja;

d) cieplne — nadtapianie, intensyfikacja przebiegu zjawisk.

Klasyfikacja uszkodzeń

Dla poprawnego scharakteryzowania zmian własności i zjawisk je powodujących

zachodzących w maszynach podczas ich funkcjonowania, a szczególnie zjawisk

prowadzących do powstawania uszkodzeń potrzebne są wiarygodne dane o funkcjach

roboczych poszczególnych zespołów i warunkach ich pracy, co wiąże się z potrzebą

klasyfikacji urządzeń.

W urządzeniach technicznych można wyróżnić:

* elementy aktywne, które bezpośrednio uczestniczą w przemianie energii, przekazywaniu

mocy, przetwarzaniu ruchów roboczych na inne ich rodzaje, przenoszeniu obciążeń, itp.;

* elementy bazowe, które ustalają prawidłowe rozmieszczenie elementów aktywnych oraz

elementów wspomagających, np. korpusy, prowadnice, ramy;

* elementy wspomagające, które zabezpieczają urządzenia od przeciążeń lub przekroczenia

stanów granicznych.

Sprecyzowanie funkcji użytkowych oraz przeprowadzenie klasyfikacji cech

(własności) obiektu jest możliwe metodami diagnostyki technicznej. Najczęściej stosowany

jest następujący podział cech:

* cechy krytyczne, decydujące o stopniu zagrożenia dla życia lub zdrowia ludzkiego,

zagrożeniu środowiska, zagrożeniu układów współpracujących oraz całkowitej utracie

wartości użytkowej obiektu (wyrobu), podlegające monitorowaniu;

* cechy ważne, posiadające istotne znaczenie dla oceny stanu (przydatności) obiektu,

określające zagrożenia dla konstrukcji, zmieniające się odwracalnie w czasie eksploatacji;

* cechy małoważne, powodujące nieistotne i odwracalne zmniejszanie efektywności

funkcjonowania obiektu.

Przedstawione cechy ze względu na metodę oceny można podzielić na:

* cechy mierzalne, dające się zmierzyć i określić ich wartość nominalną i graniczną;

* cechy niemierzalne, których ocenę dokonuje się jedynie organoleptycznie.

Ocena cech krytycznych jest prowadzona najczęściej w formie monitorowania w

odniesieniu do każdej z nich osobno i stanowi podstawę do wyłączenia obiektu z eksploatacji,

przy nie spełnieniu wymagań którejkolwiek z cech. Wartości nominalne oraz graniczne dla

tych cech są określane przez odpowiednie normy, lub są określane przez użytkownika.

Cechy ważne są podstawą oceny aktualnego stanu badanego obiektu i wytyczają

zakres i potrzeby czynności obsługowych i naprawczych.

Uszkodzenia w zależności od charakteru pojawienia się, można podzielić na [11]:

* pierwotne (niezależne), których pojawienie się nie było wywołane innym uszkodzeninn,

* wtórne (zależne), jeżeli uszkodzenie jednego urządzenia zostało spowodowane

wysląpicnicm uszkodzenia w innym urządzeniu,

* łączne, czyli uszkodzenia różnych elementów urządzenia występujące jednocześnie,

* pojedyncze, gdy pojawiają się oddzielnie,

* stopniowe, czyli powstające w rezultacie zmian w czasie parametrów uszkodzenia,

* nagłe, charakteryzujące się skokową, niedopuszczalną zmianą wartości cech elementów.

Z punktu widzenia przyczyn, uszkodzenia można podzielić na:

* przypadkowe, o stałym ryzyku wystąpienia w procesie eksploatacji; uszkodzeniom takim

podlegają elementy, których stan techniczny nie zależy od czasu funkcjonowania,

* spowodowane błędami wytwarzania i obsługi o gasnącym ryzyku występowania w procesie

eksploatacji; występują one najczęściej w początkowym okresie eksploatacji,

* spowodowane procesami zużycia i starzenia się elementów, o rosnącym ryzyku

występowania w procesie eksploatacji; występują one przede wszystkim w końcowym

okresie eksploatacji,

* spowodowane nieprzestrzeganiem założonych warunków eksploatacji, na przykład

przeciążeniami różnej natury; rozkład tych uszkodzeni w czasie jest na ogół nieznany;

przyjmuje się najczęściej stałe ryzyko ich występowania w procesie eksploatacji.

Przeciwdziałanie uszkodzeniom Zmniejszanie destrukcyjnego wpływu starzenia fizycznego i zużywania się obiektów

mechanicznych jest konieczne we wszystkich fazach istnienia obiektów. Wymierne efekty

zmniejszania liczby uszkodzeń obiektów technicznych można kształtować:

* w dziedzinie konstrukcji - przez należyty dobór materiałów i ich kształtów do obciążeń,

kształtowanie nacisków jednostkowych, dobór materiałów i tworzyw na pary trące,

wyeliminowanie tarcia suchego, szerokie stosowanie odpowiednich uszczelnień, zapewnienie

odpowiedniej temperatury;

* w dziedzinie technologii - przez wybór optymalnego rodzaju obróbki, kształtowanie

optymalnej warstwy wierzchniej, wybór właściwej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

prawidłowy montaż i regulacje;

* w dziedzinie eksploatacji - poprzez przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności

obsługowych (smarowanie, regulacje, ochrona przed korozją), unikanie przeciążeń i

gwałtownych zmian prędkości, monitorowanie stanu.

Ogólnie więc metodyka przeciwdziałania uszkodzeniom maszyn pozwala wyróżnić

dwie grupy metod postępowania:

* metody przedeksploatacyjne, stosowane w fazie opracowywania (wartościowania),

konstruowania i produkcji maszyn, z wyraźnym zaznaczeniem, że są one najbardziej

efektywne z punktu widzenia ekonomicznego;

* metody eksploatacyjne, stosowane podczas eksploatacji nawet wówczas, gdy takich metod

nie przewidziano w procesie opracowywania.

Na etapie konstruowania określane są cechy elementów maszyn poprzez ustalenie ich

kształtów i wymiarów materiałów, z których będą wykonane, tolerancji, gładkości

powierzchni i sposobu dokładności ich wzajemnego połączenia. W dokumentacji

konstrukcyjnej podaje się również wymagania dotyczące trwałości materiału, rodzaju

struktury geometrycznej powierzchni, a także niekiedy sposób obróbki elementu.

Przy projektowaniu maszyn należy pamiętać o zmniejszeniu do minimum

niebezpieczeństwa wywołania uszkodzeń przez obsługę. Upraszczanie, typizacja i

normalizacja części i układów mechanicznych prowadzi nie tylko do uzyskania właściwej

niezawodności, ale także obniża koszty i upraszcza konstrukcję.

Do eksploatacyjnych metod przeciwdziałania uszkodzeniom można zaliczyć:

- racjonalną eksploatację maszyn w zadanych warunkach i określonym przeznaczeniu;

- badanie stanu i monitorowanie rozwijających się uszkodzeń metodami diagnostyki;

- przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności obsługiwań technicznych;

- badania statystyczne uszkodzeń w eksploatacji dla potrzeb typowania słabych ogniw,

modernizacji maszyn, racjonalizacji gospodarki częściami zamiennymi itp.

Niewłaściwa eksploatacja powoduje intensywne oddziaływanie procesów zużyciowych,

prowadzących do przedwczesnych uszkodzeń i zagrożeń bezpieczeństwa, co uzasadnia

potrzebę powszechnych zastosowań badań diagnostycznych.

Diagnostyka w ocenie rozwoju uszkodzeń

Metody i środki diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania stanu

systemów technicznych (rys.2.8), co jest podstawą podejmowanych decyzji eksploatacyjnych

[6,8,12,19,27,42]. Diagnostyka techniczna obejmuje następujące formy działania:

1. ocenę stanu aktualnego,

2. genezowanie stanu – najsłabiej rozpoznane,

3. prognozowanie stanu.

Rys.2.8. Modelowe przedstawienie możliwości diagnozowania maszyn

Te formy działania realizowane są przez inteligentne systemy diagnostyczne (mobilny

softwer i hardwer, z pętlą samouczenia i oceną ryzyka).

W badaniach stanu obiektów posługujemy się modelami: fizycznymi lub

symbolicznymi, które są przedstawieniem fizycznym lub myślowym badanego oryginału.

Modelowanie dla potrzeb diagnostyki obejmuje modelowanie fizyczne, matematyczne

i energetycze, co daje podstawy: diagnostyki symptomowej, holistycznej i energetycznej.

Problemy główne diagnostyki maszyn obejmują:

* pozyskiwanie i przetwarzanie informacji diagnostycznej;

* budowę modeli i relacji diagnostycznych;

* wnioskowanie diagnostyczne i wartości graniczne;

* klasyfikację stanów maszyny;

* przewidywanie czasu kolejnego diagnozowania;

* obrazowanie informacji decyzyjnych.

Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań w zakresie metod i

metodologii kształtowania i podtrzymywania jakości degradacji stanu maszyn, który jest

uwarunkowany dynamicznym rozwojem następujących zagadnień :

- modelowania obiektów, (strukturalne, symptomowe, energetyczne),

- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,

- podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty),

- budowy ekonomicznych i dokładnych środków badania,

- możliwości eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny,

- metod oceny efektywności zastosowań metod badawczych,

- metodologii projektowania i wdrażania układów pomiarowych,

- metod sztucznej inteligencji w badaniach.

Sygnały diagnostyczne

Fizyka zjawisk towarzyszących pracy maszyny oparta na modelu generacji sygnałów

(rys.2.9) jest podstawą dobrej diagnostyki i opiera się na znajomości opisu dynamiki

maszyny, co ułatwia łagodne przejście do obszaru diagnostyki (MEB, MES, MSES, AM). napęd

u x y T 2T

T T 2T

t t t

T - okresowa

transformacja Układ

kinematyczna dynamiczny

i(t,,r) x(t,)=iri h(t,,r) y=hiri

Rys.2.9. Model generacji sygnału drganiowego [6,10,34]

Sposób interpretacji przedstawionego na rys.2.9 modelu dla =const (przy pominięciu

sprzężeń zużyciowych) można przedstawić następująco. Sygnał pierwotny i(t,,r) jest

pierwotnym i - tym zdarzeniem elementarnym, którego postać determinuje konstrukcja i stan

eksploatacyjny maszyny. Dzięki T - okresowemu napędowi jest on przekształcony w ciąg

zdarzeń elementarnych opisanych jako sygnał (proces) x(t,,r). Ten proces dynamiczny

przechodząc przez strukturę (korpus) maszyny daje w efekcie w punkcie odbioru sygnału

nowy ciąg zdarzeń, przekształcony na własnościach przestrzennych, który jest nowym

sygnałem diagnostycznym y(t,,r). Stopień uporządkowania tego sygnału jako ciągu zdarzeń,

może być podstawą do utworzenia metody diagnostycznej. Miary tego uporządkowania mogą

być różne, lecz muszą być one zawsze oparte na badaniu podobieństwa między

poszczególnymi zdarzeniami (i=1,2,...). Mogą one dotyczyć czasu występowania określonego

fragmentu zdarzenia, czasu jego trwania, amplitudy itp.

Przedstawiony sposób interpretacji sygnału diagnostycznego y(t,,r) jest w ogólnym

przypadku maszyn o działaniu okresowym prawdziwy, lecz nie zawsze tak prosty. W wielu

przypadkach dla maszyn złożonych mamy dużą ilość ciągów zdarzeń elementarnych, przy

czym nie muszą mieć one wspólnego okresu T, lecz zawsze będą w liniowej zależności od

pewnego okresu podstawowego.

Wybór parametrów diagnostycznych

Zbiór parametrów diagnostycznych sygnału wyróżnia się ze zbioru parametrów

wyjściowych, towarzyszących pracy maszyny. Wyznaczanie zbioru wrażliwych

uszkodzeniowo parametrów diagnostycznych powinno uwzględniać:

zdolność odwzorowania zmian stanu w czasie eksploatacji,

ilość informacji o stanie technicznym przekładni,

wrażliwość wartości parametrów w czasie eksploatacji.

Metody wyznaczania symptomów diagnostycznych są następujące:

metoda maksymalnej wrażliwości parametru na zmianę stanu technicznego,

metoda maksymalnej względnej zmiany parametru diagnostycznego,

metoda maksymalnej pojemności informacyjnej parametru diagnostycznego,

metoda maksymalnej zmienności parametru diagnostycznego.

Zaletą powyższych metod jest to, że pozwalają wybrać ze zbioru parametrów

wyjściowych jednoelementowe, jak i wieloelementowe zbiory parametrów diagnostycznych.

Kryteria optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych:

1. Parametry diagnostyczne powinny charakteryzować proces destrukcji obiektu i być z nim

ściśle związane.

2. Parametry diagnostyczne powinny być wrażliwe na zmiany zachodzącego procesu

pogarszania się zdatności obiektu.

3. Liczba parametrów diagnostycznych nie może być zbyt duża, gdyż znaczna ich liczba

utrudnia, a niekiedy uniemożliwia poznanie procesu pogarszania się stanu obiektu.

4. Parametry diagnostyczne powinny mieć charakter mierzalny.

5. Muszą istnieć wiarygodne dane statystyczne i analityczne wyróżnianych parametrów

(BEDIND, SVD, PCA).

System diagnostyczny jest to zbiór elementów i relacji, które są niezbędne do realizacji

procesu diagnozowania. Ponieważ na proces ten składa się szereg działań, w wyniku

których informacja o właściwościach obiektu zostaje przetworzona na informacje o jego

stanie, zatem postać systemu diagnostycznego jest uzależniona od rodzaju obiektu i działań

diagnostycznych niezbędnych do wypracowania diagnoz.

Szczegółowa definicja systemu diagnostycznego istnieje w postaci:

„ SYSTEM DIAGNOSTYCZNY to zespół diagnostów, zbiór metod i środków uzyskiwania,

przetwarzania, prezentacji i gromadzenia informacji oraz zbiór obiektów, ich modeli i

algorytmów diagnozowania, prognozowania i genezowania stanów, a także relacji między

tymi elementami, przeznaczony do podejmowania wiarygodnych decyzji o przynależności

badanego obiektu do określonej klasy stanów”.

Struktura systemu diagnostycznego zaproponowana na rys.2.10 ukazuje podstawowe

powiązania pomiędzy obiektem badań, jego modelem diagnostycznym, a układem

rozpoznania stanu i decyzji.

Uporządkowanie struktury systemu wyrażane jest za pomocą zbioru relacji i dotyczy

wybranych właściwości jego elementów, w wyniku czego wyróżnia się rozmaite struktury,

np.: struktura organizacyjna, ekonomiczna, technologiczna itp. Systemy diagnostyczne należą

do klasy systemów informatycznych i wyróżniają się tym, że:

celem ich działania jest określanie stanu innych obiektów (lub systemów), w zasadzie bez

wpływania na zmianę tego stanu,

cel ten, to opracowanie diagnozy, możliwej do uzyskania przez przetwarzanie informacji o

właściwościach obiektu na informację o jego stanie.

Z tych względów główną uwagę należy poświęcić informacyjnej strukturze systemu

diagnostycznego oraz projektować go, optymalizować i oceniać ze względu na obieg

informacji. Różna postać składowych elementów i różne ich wykorzystanie w systemie

stwarza możliwość tworzenia systemów diagnostycznych o różnych strukturach oraz

zróżnicowanym stopniu ich automatyzacji.

A. Niezautomatyzowany system diagnostyczny obejmuje człowieka (lub zespół ludzi);

który wykonuje wszystkie czynności, korzystając z przyrządów pomiarowych, instrukcji

dotyczących metod zbierania i przetwarzania informacji o badanym obiekcie oraz

wypracowuje diagnozę, którą w razie potrzeby rejestruje (np. w protokole). System taki

obejmuje przyrząd pomiarowy, diagnostę i instrukcję z danymi. Z takimi systemami

diagnostycznymi spotykamy się jeszcze stosunkowo często w praktyce przemysłowej.

B. Zautomatyzowany system diagnostyczny wykorzystuje układ urządzeń technicznych,

które realizują proces diagnozowania zgodnie z zadanym programem. Udział człowieka jest

znikomy, najczęściej sprowadza się do włączenia systemu. Automatyczne systemy

diagnostyczne objęte są zwykle samokontrolą, a zaistnienie uszkodzenia jest sygnalizowane.

Mogą być wówczas włączane elementy rezerwowe lub kontrolowany obiekt wyłączany jest z

ruchu. Poszczególne wyniki kontroli lub tylko wyniki wykraczające poza zadane granice są

rejestrowane automatycznie.

Rys.2.10. Struktura systemu diagnostycznego

Monitorowanie stanu maszyn, w aspekcie niezawodności funkcjonalnej (traktowanej

jako zdolność maszyny do wykonania zadania) jak i w sensie diagnostyki technicznej

(rozpoznawanie przyczyn zaistniałych uszkodzeń) występuje na poziomie utrzymania maszyn

w ruchu. Praktyka zastosowań diagnostyki obejmuje wiele ważnych obszarów, takich jak:

1. Organizacja systemu diagnostycznego (DSEM).

2. Zarządzanie i systemy jakości (TQM, TPM, QFD, FMEA).

3. Nowoczesne technologie informatyczne (ISZOT).

4. Modelowanie systemów eksploatacji z diagnostyką i oceną ryzyka.

W praktyce funkcjonowania przedsiębiorstw problemy eksploatacji i diagnostyki

wkomponowane są w struktury organizacyjne – rys.2.11, w których znacząca rolę odgrywa

zespół diagnostyki zakładu.

N maszyn (N > m) bądź obserwacji S > m niezależnych dyskryminant

tej samej maszyny w kolejnych lub symptomów sygnału

stanach eksploatacyjnych diagnostycznego

m - rozróżnialnych uszkodzeń poszukiwanie niezależnych

o różnej intensywności symptomów

obiekt

diagnostyki

i jego

model

decyzja o decyzja o

klasie stanie

jakości obiektu

układ rozpoznania

stanu i

decyzji

Model stanu

obiektu badań.

Model obserwacji

diagnostycznej.

Algorytmy klasyfikacji

obiektów.

Układ

decyzyjny.

zadane lub

nieznane

kryterium

jakości

wzorzec

dopuszczal-

nych

stanów

MASZYNY Dane niezawodnościowe Dane niezawodnościowe Pozyskiwanie i przwtwarzanie Utrzymanie informacji o maszynach, Obciążenie produkcyjne ruchu wyrobach rynku

Postęp techn. Główny mechanik trwałość MARKETING

Niezawodność maszyn Serwis Szanse - zagrożenia

- Zmiany po trzeb rynku Terminy , zakres - Jakość wy robów obsługiwań technicznych - Ilość wyro bów i napraw

Aktywizacja informacji

ZESPÓŁ DIAGNOSTYKI

Generuje informacje i decyzje

Koszty awarii, napraw i przestojów

Decyzje dopuszczenia DZIAŁ FINANSOWY do ruchu SZEF PRODUKCJI

Optym. zespołu i prac Możliwość Efekt. plan. produkcji obciążania

Rys.2.11. Powiązania informacyjne zespołu diagnostyki w zakładzie

Funkcje podsystemu eksploatacji realizowane przez służby utrzymania ruchu, w tym

też przez zespół diagnostyki, można określić jako następujące zadania:

- prowadzi klasyfikację i ewidencję wszystkich środków trwałych,

- proponuje wskaźniki techniczno-ekonomiczne gospodarki środkami trwałymi,

- nadzoruje eksploatację środków trwałych,

- analizuje dane z monitoringu i podejmuje decyzje,

- wnioskuje likwidację środków trwałych,

- planuje, nadzoruje i realizuje wszystkie rodzaje przeglądów, konserwacji i napraw.

Najnowsze tematy diagnostyki technicznej prężnie rozwijane to:

1. nowoczesne metody przetwarzania sygnałów;

2. wielowymiarowa diagnostyka maszyn;

3. analiza numeryczna i metody synchroniczne;

4. diagnostyka energetyczna;

5. diagnostyka przez identyfikację;

6. diagnostyka wg modelu;

7. elementy sztucznej inteligencji w diagnostyce;

8. nowoczesne technologie informatyczne w diagnostyce;

9. projektowanie komputerowych systemów diagnostycznych;

10. inteligentny agent diagnostyczny.

2.2. PROCESY EKSPLOATOWANIA

Rozwijająca się dynamicznie dyscyplina wiedzy dotycząca eksploatacji maszyn

budowana jest na podstawach wielu nauk, do których jako główne zaliczamy: teorię

eksploatacji, niezawodność, tribologię, diagnostykę techniczną i bezpieczeństwo.

Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a

w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwań technicznych maszyn. Z

definicji eksploatacji postrzeganej wśród innych nauk (rys.2.12), wypływa zakres

oczekiwanych, merytorycznych umiejętności, które można przedstawić jako [6,15,69,96]:

fizyka techniczna ogólna teoria działania

TRIBOLOGIA BEZPIECZEŃSTWO

procesy tarcia i zużycia zagrożenia, ryzyko

modelowanie DIAGNOSTYKA geneza

identyfikacja TECHNICZNA ocena stanu

symulacja prognoza

ogólna teoria urządzenia ogólna teoria działania

NIEZAWODNOŚĆ EKSPLOATACJA

teoria systemów prakseologia

Rys. 2.12. Struktura powiązań nauki o eksploatacji z innymi

a) kierowanie eksploatacją, a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz

dobieranie, motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;

b) formułowanie zadań projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy,

dotyczących obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji;

c) projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie

warunków eksploatacji optymalnej;

d) identyfikowanie stanów technicznych maszyn i stanów ich systemów eksploatacji;

e) identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich wartości;

f) określanie, wyznaczanie i ocenianie sprawności systemu eksploatacji;

g) określanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;

h) dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.

Ta charakterystyka umiejętności w zakresie inżynierii eksploatacji określa zadania

teorii eksploatacji, która winna wypracowywać i doskonalić następujące metodyki:

a) projektowania i organizowania systemów eksploatacji;

b) analizy ryzyka i szans przedsięwzięć eksploatacyjnych;

c) planowania strategicznego eksploatacji;

d) kierowania eksploatacją i sterowania procesami eksploatacji;

e) analizy ekonomicznej eksploatacji;

f) badań eksploatacyjnych;

g) opracowywania treści i technik instrukcji eksploatacyjnych;

h) motywowania eksploatatorów.

Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajdująca ostatnio swoje miejsce w

systemie logistycznym, ma strukturę wielowarstwową (hierarchiczną), do której analizy

niezbędne są metody wypracowywane przez ogólną teorię systemów.

Do podstawowych praw rządzących eksploatacją maszyn należy zaliczyć:

a) każde urządzenie techniczne jest obiektem eksploatacji i służy człowiekowi;

b) do realizacji określonego celu;

c) system eksploatacji składa się z podsystemu użytkowania i obsługiwań technicznych;

d) nie ma obiektu eksploatacji, którego nie można byłoby użytkować;

e) nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;

f) obiekt eksploatacji zużywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;

g) obsługiwany obiekt odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga nakładów;

h) proces eksploatacji obiektu jest realizowany w określonym przedziale czasu.

W ocenie działania systemów eksploatacji wykorzystuje się następujące własności:

a) efektywność: utożsamiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w określonym czasie, w

sensie zamierzonego celu;

b) gotowość: wyrażająca możliwość działania eksploatowanych obiektów, w tym również

systemu jako całości, w danej chwili czasu;

c) wydajność: utożsamiana z intensywnością realizacji zadań;

d) skuteczność: własność osiągania stanów wyróżnionych w zbiorze stanów możliwych;

e) sprawność: znajdowanie się systemu w stanach określonych przez system nadrzędny;

f) ekonomiczność: własność wyrażająca relacje między wartością uzyskanych efektów a

wielkością nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;

g) niezawodność: wyrażająca stopień zaufania, że spełnione zostanie wymagane działanie.

W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem

użytkowania i nieodłącznie z nim związany podsystem obsługiwań technicznych - rys.2.13.

W podsystemie użytkowania znajdują się tylko maszyny zdatne i mogą one być użytkowane

intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekująco, kiedy trwa postój na

zapotrzebowanie do użycia. Każda niezdatność powoduje przejście maszyny do podsystemu

obsługiwań technicznych. W tym podsystemie wyróżnia się podsystemy:

Rys.2.13. Struktura systemu eksploatacji

1. zabiegów profilaktycznych; obsługiwanie w dniu użytkowania (OU), obsługiwanie

po określonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie

powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzające (OP), okresu docierania (OD) itd.,

2. rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoznanie

i pomoc techniczna (PT),

3. napraw; naprawa bieżąca (NB), naprawa średnia (NS), naprawa główna (NG),

naprawa poawaryjna (NA) itd.,

4. konserwacji; krótkoterminowa (KK), średnioterminowa (KS), długoterminowa (KD).

Zadaniem podsystemu obsługiwań technicznych jest usunięcie niezdatności lub

wykonanie niezbędnie koniecznych czynności obsługowych (zalecanych przez wytwórcę).

Kierownictwo zakładu, prowadzi politykę eksploatacyjną polegającą na sterowaniu

stanem zdatności maszyn w taki sposób, by uzyskiwać optymalne efekty. Najczęściej

stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma

uogólnionych nakładów na użytkowanie i obsługiwanie.

Niezawodność

Teoria niezawodności zajmuje się metodami syntezy i analizy oraz badań

niezawodności maszyn na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.

Niezawodność to zespół właściwości, które opisują gotowość maszyny i wpływające

na nią: nieuszkadzalność, obsługiwalność i zapewnienie środków obsługi.

Definicja ta jest odpowiednikiem często jeszcze przywoływanej normy, gdzie:

„niezawodność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do wykonywania

określonych funkcji, w określonych warunkach i w określonym przedziale czasu”. Termin

ten oznaczał właściwość kompleksową, obejmującą takie właściwości, jak: nieuszkadzalność,

trwałość, naprawialność i przechowywalność.

Rozwiązanie problemów niezawodności maszyn sprowadza się do:

* opracowania sformalizowanych modeli oceny ich niezawodności;

* ustalenia optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych;

* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;

* prognozowania niezawodności pojazdów w trakcie ich eksploatacji;

* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodności.

Kształtowanie niezawodności maszyn jest możliwe poprzez:

a) uwzględnienie trwałości i niezawodności maszyn w konstruowaniu i technologii

wytwarzania;

b) wdrożenie programów i metod badań eksploatacyjnych trwałości i niezawodności

maszyn oraz ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;

c) wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwałości i

niezawodności maszyn.

Realizacja tych celów winna doprowadzić do zwiększenia efektywności maszyn, ich

gotowości i zdolności produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów

użytkowania, obsługiwań technicznych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

Teoria i badania niezawodności maszyn muszą przy tym dotyczyć projektowania –

wytwarzania - eksploatacji, połączonych funkcjonalnie z kreowaniem potrzeby.

Tribologia

Tribologia jest nauką o tarciu i procesach mu towarzyszącychu. Zajmuje się opisem

zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych,

biologicznych i innych w obszarach tarcia. Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a

mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz

smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje się tribotechnika.

Do podstawowych zagadnień, którymi zajmuje się tribologia należą:

a) fizyka, chemia i metaloznawstwo działających na siebie nawzajem obszarów tarcia,

znajdujących się w ruchu względnym;

b) smarowanie płynne, np. hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne;

c) tarcie mieszane ciał stałych;

d) smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej, itp.;

e) badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni maszyn;

f) własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;

g) własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych,

gazowych i stałych;

h) badania nad zastosowaniem substancji smarujących;

i) zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.

Wymiana energii materii pomiędzy węzłem tarcia i otaczającym środowiskiem oraz

wewnętrzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowadzi

do tworzenia warstewki chroniącej powierzchnie tarcia przed zużyciem.

Diagnostyka techniczna

Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy diagnostyka

techniczna - zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn poprzez badanie własności

procesów roboczych i towarzyszących pracy maszyny, a także poprzez badanie własności

wytworów maszyny.

Istota diagnostyki technicznej polega na określaniu stanu maszyny (zespołu,

podzespołu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, w oparciu o pomiar generowanych

sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartościami nominalnymi.

Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z

diagnozowaną cechą stanu maszyn, charakteryzującą jego stan techniczny. Najszersze

oddziaływanie na ograniczenie stanu destrukcji maszyny występuje podczas jej eksploatacji,

przy wykorzystaniu metod diagnostyki technicznej.

Do podstawowych form badań diagnostycznych dla podsystemu użytkowania należy

dozorowanie stanu zdatnego maszyny, diagnozowanie ogólne, szczegółowe i prognozowanie

stanu. Efektem opracowania procesu diagnozowania dla okresu eksploatacji maszyny są

zwykle odpowiednie rozdziały w instrukcjach użytkowania i obsługiwania.

Opracowując instrukcję należy dążyć do minimalizacji liczby badanych wielkości i

poszukiwać parametru uogólnionego. Takie podejście jest niezbędne, gdy użytkownik nie

posiada dostatecznych kwalifikacji do prowadzenia diagnozowania i obsługiwania obiektu. W

instrukcjach obsługi diagnozowanie zajmuje coraz więcej miejsca i obejmuje przepisy

dotyczące postępowania po wykonaniu działań diagnostycznych, przy lokalizacji uszkodzeń,

w czasie badań okresowych, przy pracach profilaktycznych i przy diagnozowaniu

użytkowym. Programy diagnostyczne związane z obsługiwaniem pojazdu opracowywane są

tak, by uzyskiwane diagnozy były maksymalnie wiarygodne.

Diagnostyka techniczna, jak każda dziedzina wiedzy ma swe źródła, paradygmaty i

metodologię. Zagadnienia te doczekały się już szczegółowych opracowań, pozwalających

precyzyjnie formułować podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.

Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki warunkujące

racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują :

1. fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne,

warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),

2. metodologiczne podstawy badań diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele

diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techniki

wnioskowania, sposoby prezentacji diagnoz),

3. komputerowa obsługa zadań diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie

eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja

wymiarowości, estymacja modeli),

4. techniczne metody kontroli stanu pojazdów szynowych, (metodyki, metody, środki -

od najprostszych do systemów doradczych),

5. rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia pojazdów szynowych, (projektowanie

układów diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk

użytkowych, wartości graniczne, sterowanie eksploatacją),

6. przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki wartości, modele

decyzyjne, wskaźniki efektywności, rachunek optymalizacyjny),

7. kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy

kształcenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).

Są to więc grupy podstawowych problemów z różnych dyscyplin podstawowych i

stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki technicznej.

Badania nieniszczące

Uwzględniając specyfikę starzenia i zużyć w badaniach rozwijających się uszkodzeń

znajdują zastosowanie badania nieniszczące, stosowane na etapie rozwoju wad

materiałowych, co wyróżnia je od badań diagnostycznych, stosowanych na etapie

funkcjonowania maszyn. Celem badań nieniszczących jest: wykrycie wad, ich opis i ocena,

rejestracja, dokumentacja i pomiar użytkowych własności materiału. Dzięki badaniom

nieniszczącym możliwa jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia

maszyn. Stanowi to podstawę opracowywanych prognoz bezpiecznej ich eksploatacji, oceny

narastania ryzyka nagłego pęknięcia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy [67].

Metody badań nieniszczących są bardzo różnorodne w zakresie wykorzystywanych

zjawisk, mierzonych parametrów, czy ważniejszych zastosowań. Obejmują one: metody

ultradźwiękowe, emisję akustyczną, metody radiacyjne, metody magnetyczne, metody

elektryczne, prądy wirowe, metody penetracyjne, metody termiczne.

Metody badań nieniszczących znajdują już ugruntowaną pozycję wśród badań stanu

maszyn, wyraźnie wyróżnioną zakresem zainteresowań od badań diagnostyki technicznej.

Bezpieczeństwo maszyn

Teoria bezpieczeństwa maszyn zajmuje się szczególnymi przypadkami eksploatacji

tych obiektów, zagrażającymi życiu i zdrowiu [3,12,20,40] operatora, istnieniu maszyny,

obiektów współpracujących oraz środowisku naturalnemu.

Teoria bezpieczeństwa posługuje się pojęciami takimi jak zawodność bezpieczeństwa

i zawodność sprawności oraz poczucie zagrożenia bezpieczeństwa i jego realne

zagrożenie - ryzyko. Z analizy bezpieczeństwa techniki wynikają następujące wnioski: a) straty mogą pojawić się we wszystkich fazach istnienia wytworu; są one nie do

uniknięcia, co najwyżej można zmniejszyć ich wielkość i częstotliwość pojawiania się;

b) bezpieczeństwo wytworów techniki można i należy kształtować w fazach ich

projektowania i wytwarzania, a sterować nim w fazie eksploatacji;

c) bezpieczeństwem w określonych warunkach ryzyka można i należy zarządzać;

d) racjonalność w kształtowaniu bezpieczeństwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu

jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;

e) kwantyfikacja bezpieczeństwa następuje w oparciu o pojęcia „zagrożenie” i „ryzyko”;

f) optymalizacja bezpieczeństwa wytworu techniki jest możliwa w ramach optymalizacji

jego efektywności; żądany poziom bezpieczeństwa stanowi wtedy ograniczenie w

algorytmie optymalizacji efektywności;

g) racjonalność i optymalność w kształtowaniu i sterowaniu bezpieczeństwem wytworu

może być rozważana wtedy, gdy można skwantyfikować poziom jego bezpieczeństwa.

Z powyższych przesłanek wypływa cel bezpieczeństwa maszyn: „sprowadzenie

negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum”. Zagrożenie definiowane jest jako źródło, potencjał lub sytuacja, które mogą

spowodować straty w systemie C-T-S. Zagrożenie bywa kwantyfikowane, przy czym miarą

zagrożenia może być funkcja rodzaju i wielkość materiału niebezpiecznego, warunków

eksploatacji, możliwości uwolnienia się zagrożenia i powstania strat oraz innych czynników.

Ryzyko definiowane jest jako możliwość powstania strat w systemie C-T-S. W sensie

kwantytatywnym stanowi funkcję, której dziedziną są procesy strat elementów systemu.

Najczęściej ryzyko wyraża się jako wartość oczekiwana strat, a więc jest zależne od

wielkości straty i prawdopodobieństwa jej powstania.

Bezpieczeństwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolność tego wytworu w

założonych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie większego od

wartości kryterialnej. Wychodząc od skutków, teoria bezpieczeństwa sięga do uszkodzeń i

błędów, które stwarzają zagrożenie bezpieczeństwa.

Strukturę bezpiecznościową wyznaczają energia i informacja, tworzące zazwyczaj

strukturę nadmiarową systemu, co ma na celu zmniejszenie wrażliwości, zwiększenie

żywotności i odparowalności systemu. Odpowiedni poziom bezpieczeństwa zapewnia się

także przez różne formy nadmiarów:

nadmiar strukturalny, polegający na dublowaniu ważnych układów systemu i

zmniejszających wrażliwość systemu na sytuacje niebezpieczne;

nadmiar funkcjonalny, polegający na przystosowaniu elementów systemu do

przejmowania określonych dodatkowych funkcji i zmniejszających wrażliwość systemu;

nadmiar parametryczny, polegający na utrzymaniu większej energii i możliwości

funkcjonalnych w odniesieniu do przeciętnych potrzeb, zmniejszający wrażliwość oraz

zwiększający żywotność systemu technicznego;

nadmiar informacyjny, polegający na istnieniu nadmiarowej informacji w systemie

odnośnie do ważnych zdarzeń (np. sygnalizacja zagrożeń – świetlna, dźwiękowa);

nadmiar wytrzymałości (mechanicznej, elektrycznej), polegający na zwiększeniu

odporności na zniszczenie, zmniejszający wrażliwość na określonego rodzaju porażenia;

nadmiar czasowy, polegający na istnieniu zwiększonego czasu dla różnego rodzaju

działań w systemie, umożliwiający właściwe reakcje operatora w warunkach ryzyka;

nadmiar elementowy, polegający na wprowadzeniu do systemu dodatkowych

elementów wykorzystywanych w procesie odparowania sytuacji niebezpiecznej.

W ostatnim okresie można zauważyć tendencje przyjmowania bezpieczeństwa za

kryterium jakości sterowania procesem eksploatacji maszyn [39].

Proces eksploatacji

W realizacji procesu racjonalnej eksploatacji obiektów technicznych przyjęto

następujące założenia [39]:

proces eksploatacji obiektów technicznych składa się ze skończonej liczby okresów

użytkowania i okresów obsługiwania, w tym przechowywania;

obiekty podlegają okresowemu diagnozowaniu ze stałą lub zmienną częstotliwością;

przejścia obiektów między zbiorem Wu stanów użytkowania, zbiorem Wo stanów

obsługiwania i zbiorem Wp stanów przechowywania odbywają się przez zbiór Wd

stanów diagnozowania obiektów;

obiekty mogą być efektywnie użytkowane wtedy i tylko wtedy, gdy znajdują się w

stanie zdatności w1. Dotyczy to również obiektów, które są przechowywane;

w stanie w0 niezdatności - obiekty są obsługiwane;

eksploatowane obiekty techniczne są oceniane w aspekcie efektywności ich

funkcjonowania w podzbiorze stanów Wx.

Proces {Wt(t): tT} zmian stanów technicznych i proces {We(t): tT} zmian stanów

eksploatacyjnych obiektów są procesami wzajemnie zależnymi. W związku z tym tworzą one

proces dwuwymiarowy Wt(t), We(t):

W(t) = {Wt(t), We(t)} tT (2.8)

W ten sposób zdefiniowany proces nazywamy procesem eksploatacji obiektów

technicznych. Zatem proces eksploatacji jest łącznym procesem jednoczesnych zmian stanów

technicznych (zbiór Wt(t)) i stanów eksploatacyjnych (zbiór We(t)) obiektów. Łączne

uwzględnianie zbioru stanów technicznych Wt = {w1, w

0} i zbioru stanów: użytkowania Wu =

{wa, wb, wc}, obsługiwania Wo = {wd, we, wf, wg, wh, wk}, przechowywania Wp = {wo, wu,

wp, wr} umożliwia utworzenie następującego zbioru W stanów procesu eksploatacji obiektów:

W = Wt We = {(w1, wa), (w

1, wb), (w

1, wC), (w

1, wd), (w

1, we), (w

1, wf),

(w1, wg), (w

1, wh), (w

1, wk), (w

1, wo), (w

1, wu), (w

1, wp), (w

1, wr)} (2.9)

Oznaczając: w1=(w1,wa); w2=(w

1,wb); w3=(w

1,wc); w4=(w

0,wd); w5=(w

0,we); w6 = (w

0,wf); w7=(w

0,wg);

w8 = (w0,wk); w10 = (w

1,wo); w11=(w

1,wu); w12 = (w

1,wp); w13 = (w

1,wr),

można napisać, że:

W = {w1, w2,..., w13} (2.10)

Zatem proces eksploatacji obiektów technicznych obejmuje 13 istotnych stanów, gdzie:

w1 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego w 100%;

w2 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego od 50 do 100%;

w3 – stan użytkowania zdatnego obiektu technicznego obciążonego poniżej 50%;

w4 – stan obsługiwania bieżącego niezdatnego obiektu technicznego;

w5 – stan naprawy bieżącej niezdatnego obiektu technicznego;

w6 – stan eksploatacji niezdatnego obiektu technicznego;

w7 – stan naprawy głównej niezdatnego obiektu technicznego;

w8 – stan rozpoznania technicznego obiektów;

w9 – stan ewakuacji, w którym niezdatny obiekt jest przemieszczany w określone miejsce;

w10 – stan przechowywania zdatnego obiektu technicznego użytku bieżącego;

w11 – stan przechowywania zdatnego obiektu, będącego na konserwacji krótkoterminowej;

w12 – stan przechowywania zdatnego obiektu będącego na konserwacji długoterminowej;

w13 – stan przechowywania zdatnego obiektu stanowiącego zapas nienaruszalny.

Opisany proces {W(t): tT} eksploatacji obiektów ma następujące właściwości (rys.2.14):

przedziały czasu ti trwania poszczególnych stanów w1, w2,..., w13 są nieujemnymi

zmiennymi losowymi o różnych rozkładach, ciągłych gęstościach prawdopodobieństw

i dodatnich wartościach oczekiwanych;

przedziały czasu ti trwania stanów są zmiennymi losowymi wzajemnie niezależnymi;

prawdopodobieństwo przejścia procesu ze stanu wi, do dowolnego innego stanu wj nie

zależy od tego, w jakich stanach ten proces był wcześniej;

zbiór stanów W(t) procesu eksploatacji obiektów technicznych jest zbiorem

dyskretnym, a jego realizacje są funkcjami przedziałami stałymi i ciągłymi.

t1

w1

w2

w3

w4

w5

w6

w7

w8

w9

w1 0

w1 1

w1 2

w1 3

t2

t1 3

W(t)

t Rys.2.14. Ilustracja graficzna realizacji procesu eksploatacji {W(t); t T} obiektów

t1, t2, ..., – chwile, w których następują zmiany wartości procesu eksploatacji obiektu

W procesie eksploatacji obiektów technicznych istnieje konieczność identyfikacji

wyróżnionych stanów. Wymaga to uwzględnienia podzbioru stanów Wd badań i oceny

stanów:

Wd = {w, w, w} (2.11)

gdzie: w - stan diagnozowania obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t;

w - stan prognozowania stanu obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t + t;

w - stan genezowania stanu obiektu, czyli ustalenia jego stanu w chwili t – t.

Często zachodzi także potrzeba oceny efektywności eksploatowanych obiektów

technicznych, zatem wprowadzenia podzbioru stanów Wx oceny efektywności:

Wx = {w, w} (2.12)

gdzie: w - stan, w którym efektywność wykorzystania ocenia się za pomocą kryterium kosztów eksploatacji;

w - stan, w którym o efektywności wykorzystania obiektu decyduje jego stan techniczny.

W związku z tym całkowity zbiór Wc stanów procesu eksploatacji obiektów

technicznych ma postać:

Wc = W Wd Wx (2.13)

Wstawiając do (2.13) wyrażenie (2.9) uzyskujemy zbiór całkowity stanów procesu

eksploatacji obiektów technicznych:

Wc = {(Wt Wt) Wd Wx} (2.14)

Uwzględnienie w procesie podejmowania decyzji eksploatacyjnych określonych

technik informacyjnych wynika z potrzeb doskonalenia systemu eksploatacji w aspekcie:

organizacyjnym, technicznym i informatycznym.

Aspekt organizacyjny wynika z konieczności uporządkowania wszystkich działań

realizowanych w ramach organizacji utrzymania ruchu (zarówno o charakterze technicznym,

jak i nietechnicznym). Ma to wpływ na skuteczność pozyskiwania i selekcji wartościowych

informacji jako podstawy wspomaganych zadań i przedmiotu dalszych działań prowadzących

do rozwiązania postawionego problemu. Działania organizacyjne muszą uwzględniać

indywidualne uwarunkowania strukturalne i funkcjonalne jednostki odpowiedzialnej za

utrzymanie ruchu w przedsiębiorstwie i są związane z wdrożeniem skutecznych zasad

zarządzania w postaci odpowiedniej strategii eksploatacyjnej. Wdrożenie takiej strategii

wymaga przeprowadzenia czynności określanych mianem reengineringu [96], czyli

dostosowania wcześniej rozpoznanych struktur i działań organizacji utrzymania ruchu do

wymogów strategii i odwrotnie.

Aspekt techniczny wynika z konieczności określenia sposobu przetwarzania

gromadzonych informacji, co ma bezpośredni wpływ na jakość wspomagania działań

eksploatacyjnych. Wiąże się to z obowiązującą strategią eksploatacyjną i polega na

wykorzystaniu szczegółowych informacji o obiektach eksploatacji o charakterze

jakościowym, jak i ilościowym. Informacje te stanowią źródło danych i wiedzy dla potrzeb

wybranych metod i analiz składających się na sposób rozwiązywania problemów.

Aspekt informacyjny wynika z konieczności praktycznej realizacji działań związanych

z gromadzeniem i udostępnianiem informacji i wspomagania na tej podstawie procesów

eksploatacyjnych. W tym zakresie pomocne mogą być istniejące i funkcjonujące rozwiązania

w postaci odpowiednich narzędzi informatycznych. Współczesne układy techniczne w bardzo

wielu sytuacjach wykorzystują oferowane komercyjnie systemy wspomagające zarządzanie

utrzymaniem ruchu (np. systemy klasy CMMs/EAM. Systemy takie wspomagają zarządzanie

procesami eksploatacyjnymi w zakresie zapewnienia utrzymania obiektów eksploatacji w

stanie zdatności poprzez nadzór nad pracami o charakterze technicznym, organizacyjnym i

ekonomicznym. Uwzględnienie systemów klasy CMMs/EAM ma kluczowe znaczenie, gdyż

pozwala na przyjęcie ogólnych rozwiązań w zakresie struktur zbiorów danych i algorytmów

ich przetwarzania dla potrzeb wspomagania działań zarządczych, w ramach organizacji

utrzymania ruchu.

Współczesne systemy informatyczne są systemami zintegrowanymi, co przynosi

następujące korzyści: optymalizacja eksploatacji, znaczne ograniczenie kosztów

modelowania, zbierania i utrzymania danych, wyraźne zmniejszenie kosztów eksploatacji

systemu w całym okresie jego życia, wzrost bezpieczeństwa danych, wspólne użytkowanie

interfejsów użytkownika dla wspomagania różnych funkcji, wspólne wykorzystanie sprzętu.

W rozwoju systemów informatycznych zarysowują się następujące tendencje:

wdrażanie otwartych, rozproszonych systemów, rozwój systemów na platformie PC w małych

przedsiębiorstwach dystrybucyjnych, rozwój specjalizowanego oprogramowania

ułatwiającego operatorom korzystanie z systemu, wzrastająca rola Internetu, tworzenie

kompatybilnych systemów wspólnych dla grup, sektorów itd. Wdrażanie tych tendencji w

istotny sposób zmniejsza nakłady na tworzenie i rozwój systemów tego typu, niestety, są one

w ograniczony sposób wprowadzane w naszym kraju.

2.3. MODELE PROCESÓW EKSPLOATACJI

Całokształt przedsięwzięć, w wyniku których uzyskuje się możliwość użytkowania

(eksploatowania) artefaktu, może być rozpatrywany jako pewna logiczna sekwencja

zadań/celów cząstkowych. Istnienie i funkcjonowanie zbioru artefaktów (środków

technicznych) w otoczeniu człowieka (tzw. “technosfery”) jest uwarunkowane realizacją

sekwencji przedsięwzięć szczegółowych, które rozpatrywane są wraz z odpowiednimi

powiązaniami “międzyzadaniowymi”. Zmodernizowana sekwencja taka [18,21,24,30,32], jest

określana jako model procesu zaspokajania potrzeb, albo etapy życia maszyny - rys.2.15).

KSZTAŁTOWANIE JAKOŚCI MASZYN METODAMI DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ

FAZY ISTNIENIA MASZYNY

WARTOŚCIOWANIE KONSTRUOWANIE WYTWARZANIE EKSPLOATACJA

Wybór metod Identyfikacja źródeł Ocena Ocena stanu

i środków podwyższonej jakości technicznego

diagnostyki dynamiczności wytworów maszyny-procesu

Rys.2.15. Model procesu zaspokajania potrzeb (etapy życia maszyny)

Zgodnie z tym rysunkiem wyróżnia się następujące etapy życia obiektu:

- wartościowanie (rozpoznanie potrzeby + środki finansowe) określonego środka

technicznego, w wyniku którego zostaje rozpoznana potrzeba w postaci specyfikacji

wymagań i zaleceń, a także środki finansowe na realizację tej potrzeby (bussines plan);

- projektowanie, na które składają się tworzenie koncepcji rozwiązania oraz optymalizacja,

w wyniku czego określona zostaje optymalna koncepcja środka technicznego,

- konstruowanie, na które składa się dobór cech konstrukcyjnych (geometrycznych,

materiałowych i dynamicznych), czego wynikiem jest konstrukcja w postaci dokumentacji

konstrukcyjnej i technologicznej,

- wytwarzanie, które polega na wytworzeniu zaprojektowanego środka technicznego w

oparciu o opracowaną w poprzednim etapie dokumentację,

- eksploatacja, będąca efektem docelowym istnienia środka technicznego, w wyniku czego

obiekt jest wykorzystywany do celu zgodnie z jego przeznaczeniem.

Projektowanie to koncepcja, a konstruowanie to działanie ściśle określone (obliczenia

geometrii, dobór materiału, badania stanu dynamicznego prototypu) typowo inżynierskie, stąd

na rys.2.16 zaproponowano cztery etapy istnienia obiektu: C – K – W – E.

Przedstawiony powyżej zbiór etapów można traktować jako swoisty cykl "życia"

obiektu, który pozwala na wyodrębnienie i szczegółowy opis kluczowych obszarów i zadań

inżynierskich, wielokrotnie zamieszczany wcześniej [1,3,5,6,18,22,27,30,32,35,39] w

licznych dostępnych opracowaniach.

Jednym z ważnych obszarów w ramach modelu procesu zaspokojenia potrzeb jest

eksploatacja systemów technicznych, uważana często jako podstawowy etap istnienia

maszyny, w którym oddaje ona potencjał „zainwestowany” we wcześniejszych fazach

istnienia. Analizując informacje wynikające z rys.2.15 można stwierdzić, że:

- eksploatacja jest etapem finalnym procesu zaspokajania potrzeb,

- eksploatacja jest etapem docelowym procesu zaspokajania potrzeb,

- etapy poprzedzające eksploatację pełnią ważną rolę "usługową" na rzecz eksploatacji,

- w wieloetapowym procesie istnienia etap eksploatacji jest weryfikacją poprzednich etapów,

- sprzężenie zwrotne pomiędzy eksploatacją a wartościowaniem (rozpoznaniem potrzeby)

stanowi źródło doświadczeń prowadzących do modyfikacji lub stymulowania potrzeb

tworzenia nowych środków technicznych.

Taki model systemu eksploatacji zawiera wcześniej przedstawione główne elementy,

czyli podsystem użytkowania i podsystem obsługiwania. Podsystem obsługiwania, w tym

ujęciu jest podrzędny w stosunku do podsystemu użytkowania, gdyż pełni rolę zapewnienia

zdatności maszyny dla potrzeb i działań użytkowania.

Budowa modeli procesu eksploatacji

Wyróżnia się dwa sposoby tworzenia modelu matematycznego obiektu badań dla

procesu eksploatacji obiektów technicznych:

- metoda eksperymentalna – oparta na wynikach badań i stosowana jeśli są nieznane

podstawy teoretyczne, albo zjawiska w obiekcie badań są szczególnie złożone;

- metoda teoretyczna - na podstawie analizy teoretycznej zjawisk związanych z obiektem.

Metoda eksperymentalna - schemat procesu tworzenia modelu obiektu dla potrzeb

badań przedstawiono na rys.2.16.

informacje o obiekcie badań

podstawy teoretyczne(fizyka, chemia itp.)

I

T

jakościowy modelmatematyczny obiektu badań

MQ

planowanie doświadczeń P

Rrealizacja doświadczeń

cel badań(poznawczyutylitarny)

Canaliza wynikowa A

analiza statystyczna AS

funkcja obiektu badań(aproksymacja)

F

analiza merytoryczna(logiczne uzasadnieniezjawisk przyczynowo-

skutkowych)

AM

model matematyczny obiektu badań MMOB

Rys.2.16. Algorytm tworzenia modelu obiektu badań metodą eksperymentalną

W pierwszej kolejności, uwzględniając wielkości charakteryzujące obiekt badań

tworzy się model jakościowy (rys.2.17), opisany relacją [20,23,39]:

Fz(x1, x2,..., xm, y1, y2,..., yn, c1, c2, …, cs, z1, z2, …, zk) (2.15) x1, x2,..., xm – wielkości wejściowe (wielkości sterujące, wielkości niezależne, czynniki badane), których

wartości można dobierać tworząc plan doświadczenia;

y1, y2,..., yn – wielkości wyjściowe (wielkości decyzyjne, wielkości wynikowe, wielkości zależne,), których

wartości stanowią wyniki pomiarów zależnych od ustalonych w planie wartości wejściowych;

c1, c2, …, cs – wielkości stałe, których wartości celowo nie zmienia się w trakcie realizowania badań;

z1, z2, …, zk – wielkości zakłócające, które są albo znane i mierzalne, albo znane lecz niemierzalne, lub też

nieznane, a ich wpływ na wynik eksperymentu jest przypadkowy.

Obiektbadań

x1

z1

c1

y1

x2

z2

c2

y2

xm

zk

cs

yn

Rys.2.17. Wielkości charakteryzujące obiekt badań:

x – wielkości wejściowe, y – wielkości wyjściowe, c – wielkości stałe, z – zakłócenia

Mając jakościowy model obiektu badań należy:

1) opracować plan eksperymentu (doświadczenia),

2) zrealizować eksperyment,

3) dokonać analizy statystycznej i merytorycznej wyników badań,

4) dążyć za pomocą funkcji obiektu badań postaci: y = F(x1, x2,..., xi), będącej jedynie funkcją

aproksymującą do utworzenia modelu matematycznego systemu.

Funkcję obiektu badań można wyznaczyć jako zależność aproksymującą wyników

pomiarów i może ona taką pozostać i być wykorzystana przykładowo do optymalizacji i

sterowania. Funkcja obiektu badań może stać się modelem matematycznym po

przekształceniach obrazujących w sposób logiczny teoretyczne zależności przyczynowo -

skutkowe właściwe obiektom badań. Funkcja ta dopiero po stwierdzeniu jej logicznej

zgodności z fizycznymi, chemicznymi i innymi prawami rządzącymi rzeczywistym obiektem,

może być uznana za jego model matematyczny, co w praktyce sprowadza się do nadania

interpretacji fizycznej współczynnikom modelu.

Utworzony w ten sposób model spełnia nie tylko cel poznawczy badań, przedstawiając

nową informację w jednoznacznej i skondensowanej postaci - funkcji matematycznej, ale

może być wykorzystywany praktycznie. Należy jednak pamiętać o pewnych wadach modelu

utworzonego na drodze badań doświadczalnych, np.:

często model odzwierciedla jedynie przypadkową korelację statystyczną, a nie

rzeczywistą zależność przyczynowo - skutkową;

nie można modelu dowolnie ekstrapolować poza warunki badań doświadczalnych;

model jako funkcja matematyczna może podlegać formalnym przekształceniom, które

mogą pozostawać w sprzeczności z fizycznym sensem tych zabiegów.

Czynności ustalenia struktury i parametrów modelu nazywa się identyfikacją,

natomiast konfrontacja modelu z danymi rzeczywistymi nazywa się weryfikacją (rys.2.18).

Wybór struktury (postaci modelu)

Planowanie i wykonanie eksperymentu

Sprawdzenie istotności modelu(algorytm weryfikacji)

Ocena efektywności modelu (efektypoznawcze i utylitarne)

Model systemu(w szczególnościmatematyczny)

Decyzja o koniecznościzmiany lub uzupełnienia

modelu

Informacjepoczątkowe o

procesieeksploatacji

obiektów

Rys.2.19. Fazy budowy modelu procesu eksploatacji obiektów technicznych

Inaczej weryfikacja to sprawdzenie, czy model dobrze odzwierciedla przebieg procesu

eksploatacji obiektów technicznych. Jeżeli wybierze się określony model matematyczny

procesu eksploatacji obiektów to zbiór wartości Y wielkości wyjściowych można wyznaczyć

z dokładnością do nieznanego zbioru parametrów A, co można opisać w postaci:

AXY ,ˆ (2.16)

Kryterium jakości modelu Q ocenia odległość między zbiorem wielkości wyjściowych

Y obiektu i zbiorem Y modelu, za pomocą normy YY ˆ dla zbioru X tych samych wartości

wielkości wejściowych, np.:

n

i

ii yyQ1

2

1 ,

n

i

ii yyQ1

2 . Jeżeli, Q < Qdop to proces

budowy modelu procesu eksploatacji obiektów należy uznać za zakończony. W przeciwnym

przypadku należy poszukiwać nowego modelu matematycznego – rys.2.19.

Obiektbadań

Modelobiektubadań

Q < Qd o p

Modelmatematyczny

Q

Y

Y

X

N

T

Rys.2.19. Proces weryfikacji modelu matematycznego obiektu badań

Metoda teoretyczna

W metodzie teoretycznej budowy modelu obiektu eksploatacji można wyróżnić cztery

podstawowe etapy (rys.2.20):

- modelowanie;

- eksperyment;

- estymacja;

- weryfikacja.

Sformułowanie

zadania identyfikacji

Ustaleniestanu wiedzy

Wybór technikieksperymentu

Przetwarzaniedanych z

eksperymentu

Estymacjaparametrów

Sprawdzaniezgodności modelu

z obiektem

Decyzjao przyjęciu

modelu

Model

Tak

Nie

Weryfikacja

Estymacja

Kryteriumzgodności

Eksperyment

Wiedzaa priori

Modelowanie

Rys.2.20. Ilustracja procesu identyfikacji modelu eksploatacji obiektu metodą teoretyczną

W etapie modelowania poszukuje się struktury modelu opisującej dany obiekt. W

poszukiwaniu struktury modelu obiektu należy wyróżnić następujące etapy jego budowy:

- nominalnego (fenomenologicznego);

- fizycznego (empirycznego);

- matematycznego (analitycznego).

Model nominalny opisuje zasadnicze cechy i zjawiska, występujące w badanym

obiekcie. Przykładowo model nominalny układu mechanicznego obejmuje zbiór cech i

elementów tego układu, które wpływają na jego ruch (np. łańcuch kinematyczny układu

napędowego obrabiarki) Na podstawie modelu nominalnego można zbudować model

fizyczny obiektu.

Model fizyczny w układach mechanicznych określa sposób obciążenia układu i

reakcje jakie to obciążenie wywołuje (np. belka, płyta). Modele fizyczne dyskretne układów

mechanicznych stanowią kombinację elementów masowych, sprężystych i tłumiących. Każdy

model fizyczny ma wiele modeli matematycznych.

Model matematyczny obiektu to analityczny operator, który przekształca dany sygnał

wejściowy w sygnał wyjściowy obiektu. Modelem matematycznym układów mechanicznych

jest najczęściej układ równań różniczkowych lub algebraicznych, które można wyprowadzić

na podstawie praw dynamiki Newtona, zasad wariacyjnych mechaniki, praw ciągłości itp.

Eksperyment w identyfikacji jest podstawowym źródłem informacji a posteriori o

obiekcie badań. Podkreślić należy, że stanowi on podstawowe ograniczenie identyfikacji

obiektów technicznych, z uwagi na trudność jego zrealizowania dla obiektów złożonych.

Estymacja parametrów zawiera wyznaczenie wartości parametrów modelu dla jego

przyjętej struktury, na podstawie uzyskanych wyników badań eksperymentalnych.

Weryfikacja modelu polega na badaniu rozbieżności między modelem a układem

rzeczywistym, czyli jest to konfrontacja wyników z modelu z danymi rzeczywistymi.

Można zatem powiedzieć, że model reprezentuje trzy rodzaje wiedzy o obiekcie, a

mianowicie: strukturze, wartościach parametrów, stanie układu w pewnej chwili.

Ze względu na zastosowanie modele procesów eksploatacji obiektów dzielą się

następująco:

funkcjonalne, które opisują własności transmisyjne układu, bez uwzględnienia jego

struktury wewnętrznej;

strukturalne, w których organizacja wewnętrzna jest podobna do organizacji

wewnętrznej badanego układu, przy czym zachodzi zbieżność relacji wejście – wyjście

dla układu i modelu.

Model w uproszczony sposób opisuje przebieg rzeczywistych procesów eksploatacji

obiektów technicznych w systemach działania (przemysłowych, roboczych, usługowych i

innych). Do budowy modeli procesów eksploatacji obiektów technicznych można

wykorzystać dwie metody: eksperymentalną i teoretyczną. Do opisu procesów eksploatacji

obiektów technicznych można wykorzystać wszystkie modele (rys.2.21), w szczególności

modele matematyczne, w tym rozmyte, a także modele neuronowe [39]. Modele procesów

eksploatacjiobiektów technicznych

Materialne

Geometryczne

Fizyczne

Inne

Teoretyczne

Intuicyjne

Sformalizowane

Analogowe

Symboliczne

Słowne

Graficzne

MATEMATYCZNE

Neuronowe Decyzyjne

Symulacyjne

Optymalizacyjne

Prognostyczne

Inne

Inne

Rys.2.21. Klasyfikacja modeli procesów eksploatacji obiektów technicznych

Poniżej omówiono niektóre modele matematyczne procesów eksploatacji obiektów

(ogóle, liniowe, odnowy, niezawodności, masowej obsługi) najczęściej stosowane w praktyce.

Modele ogólne, w których przedmiotem modelowania jest obiekt (np. model

stanowiska obsługiwania, model urządzenia), albo proces (czynności działania).

Matematyczny model obiektu opisuje wyrażenie:

MMD = < D, R, Z, F, P > (2.17)

gdzie: D – dziedzina modelu (zbiór elementów obiektu);

R – relacje modelu (zbiór związków między elementami dziedziny);

Z – założenia modelu (zbiór ograniczeń i uproszczeń);

F – kryterium modelu (miara jakości dana w postaci funkcji kryterium);

P – problem modelu (pytanie, na które należy odpowiedzieć).

W wyrażeniu (2.17) można wyróżnić dwa człony:

MM = < D, R > (2.18)

MD = < Z, F, P > (2.19)

Człon MM określa identyfikację systemu rzeczywistego w modelu i nazywa się

modelem matematycznym systemu eksploatacji. Człon MD określa problem decyzyjny w

modelu i nosi nazwę modelu decyzyjnego systemu eksploatacji. Matematyczny model

decyzyjny opisuje wyrażenie (rys.2.22):

MMD = < X, Y, J, f, > (2.20)

gdzie: X – zbiór parametrów systemu;

Y – zbiór charakterystyk systemu;

J – zbiór miar jakości systemu;

f: XY – model matematyczny (odwzorowanie, relacja, związek, funkcja);

: YJ – matematyczny model decyzyjny.

x1

y1

j2

j1

jk

y2

yn

x2

xj

,...,

,...,

,...,

Model matematyczny

f: X Y

: Y J

Model decyzyjny

Parametrysystemu

Charakterystykisystemu

Miaryjakościsystemu

Rys.2.22. Ilustracja matematycznego modelu decyzyjnego systemu eksploatacji obiektów

W zbiorze X wyróżnia się podzbiór Xd parametrów zmiennych (zmiennych

decyzyjnych) i podzbiór XS parametrów ustalonych (stałych systemu).

Modele liniowe opisujące procesy eksploatacji obiektów za pomocą równań

liniowych, z typowymi zadaniami formułowanymi w kategoriach optymalizacji liniowej:

zadania transportowe (z kryterium czasu lub kosztów), polegają na takim dostarczeniu

środków materiałowych, aby czas (koszt) dowozu tych środków był minimalny;

zadania przydziału, polegające na takim przydziale zadań wykonawcom, aby ogólny

efekt realizacji wszystkich zadań był maksymalny;

zadania wyboru urządzeń technicznych, czyli określenia ich ilości, typów, aby

uzyskać maksymalną efektywność całego systemu;

zadania znalezienia najkrótszej drogi w sieci komunikacyjnej i zadania maksymalnego

strumienia w sieci;

problem najtańszej diety;

zagadnienie rozdziału jednorodnych zasobów.

Model liniowy problemu decyzyjnego można sformułować następująco: znaleźć taki

wektor zmiennych decyzyjnych X: [49,50,96]:

nxxxX ,,, 21 , (2.21)

który pozwala uzyskać maksimum liniowej funkcji celu Z:

nnxcxcxcZ 2211 , (2.22)

w warunkach ograniczeń:

00,0 21

2211

22222121

11212111

n

mnmnmm

nn

nn

xxx

bxaxaxa

bxaxaxa

bxaxaxa

(2.23)

gdzie: x1, x2,..., xj,...xn – zbiór zmiennych decyzyjnych o nieznanych wartościach xj0;

aij, bj, cj – zadane wartości liczbowe.

Problem ten można zapisać krócej, w postaci macierzowej: znaleźć wektor

X={x1, x2,..., xn}, który maksymalizuje funkcje liniową:

XCZ maksimum (2.24)

Graficzna metoda rozwiązywania liniowego modelu decyzyjnego może być

zastosowana tylko do modeli o trzech, a praktycznie o dwu zmiennych decyzyjnych.

Analityczna metoda rozwiązywania liniowego modelu decyzyjnego – algorytm symplex jest

procedurą iteracyjną, pozwalającą ukierunkować badanie punktów eksperymentalnych, w

przestrzeni n-wymiarowej, gdzie n oznacza liczbę zmiennych decyzyjnych [39].

Inne ważne modele to modele odnowy, modele niezawodności i modele masowej

obsługi zajmujące się ustaleniem zasad optymalnej eksploatacji obiektów technicznych,

uwzględniające wiele oryginalnych rozwiązań z obszaru eksploatacji maszyn, szczególnie w

zakresie utrzymania zdatności (ruchu) i kresu eksploatacji maszyn [4,20,22,35,39].

2.4. STRATEGIE EKSPLOATACYJNE

We współczesnym świecie rywalizacja gospodarcza przebiega praktycznie na

płaszczyźnie szeroko rozumianej "jakości", z tytułu której można uzyskać określone korzyści

ekonomiczne. Strategia eksploatacyjna sterująca racjonalnym wykorzystaniem maszyn i

urządzeń technicznych polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i

obsługiwania oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów, co w sposób ogólny

zapewnia przedstawiona na rys. 2.23 struktura systemu eksploatacji maszyn [30,35].

OBSŁUGIWANIA usługi zewnętrzne PUR - PODSYSTEM UŻYTKOWANIA RUCHU

X Y

SE -SYSTEM EKSPLOATACJI

PS-PODSYSTEM STEROWANIA

PZ PODSYSTEM

ZARZADZANIA

PI PODSYSTEM

INFORMACYJNY PD PODSYSTEM

DECYZYJNY

PD

POD-

SYSTEM

DIAGNOS-

TYCZNY

PU PODSYSTEM

UZYTKOWANIA

PO

PODSYSTEM

PZ

PODSYSTEM

ZASILANIA

-materialowe

-kadrowe

PL-PODSYSTEM LOGISTYCZNY

PP PODSYSTEM PROCESOWY

< C-OT >

PROCES REALIZACJI CELOW

SYSTEMU

Rys.2.23. Struktura systemu eksploatacji [30]

Jednoznacznie wynika z powyższego rysunku, że podstawowe składowe tej struktury

tworzącej system eksploatacji, to podsystem użytkowania oraz podsystem obsługiwań

technicznych.

Przedstawiony powyżej układ dwóch głównych podsystemów w eksploatacji

zapewnia możliwość jednoznacznego przyporządkowania każdego zadania eksploatacyjnego.

Jednakże różnorodność koncepcji eksploatowania w określonych warunkach organizacyjno-

technicznych doprowadziła do wyodrębnienia niektórych podsystemów, szczególnie istotnych

z puntu widzenia układu rozpatrywanego w określonych warunkach. Doprowadziło to do

powstania różnych strategii eksploatacji maszyn, a także zróżnicowało systemy utrzymania

ruchu maszyn (utrzymania zdatności).

Strategia eksploatacyjna sterująca racjonalnym wykorzystaniem maszyn polega na

ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i obsługiwania oraz relacji między nimi, w

świetle przyjętych kryteriów. Literaturowo znane są – rys.2.24 - następujące strategie

eksploatacji maszyn:

Rys.2.24. Możliwe strategie eksploatacji maszyn [42]

I. Prewencyjne strategie eksploatacji

II. Potencjałowe strategie eksploatacji

według niezawodności,

według efektywności ekonomicznej,

według ilości wykonanej pracy, albo planowo- zapobiegawcze,

mieszane, a więc planowo- zapobiegawcze z diagnozowaniem;

według stanu technicznego,

strategia tolerowanych uszkodzeń.

Prewencyjne strategie eksploatacji

Ograniczenie się do przeprowadzania obsługiwań tylko po uszkodzeniu elementu

(obiektu technicznego) prowadzi najczęściej do dużych kosztów ekonomicznych. W związku

z tym opracowuje się różne strategie prowadzenia obsług profilaktycznych polegających na

tym, że wykonywane są one przed i po uszkodzeniu obiektu. Obsługę w przypadku, gdy

element (obiekt techniczny) jest sprawny nazwano prewencyjną, zaś w przypadku awarii –

obsługą korekcyjną [38]. Momenty czasowe przeprowadzenia obsług prewencyjnych zależą

od wielu czynników - przede wszystkim od struktury niezawodnościowej obiektu

zawierającego jako składnik elementy, które planuje się poddawać obsługom profilaktycznym

oraz od relacji kosztów związanych z uszkodzeniami do kosztów obsługi profilaktycznej.

Budowane modele obsługi uwzględniają zysk wynikający z poprawnej pracy obiektu

technicznego. Pod uwagę bierze się także inne koszty związane z utrzymaniem systemu

eksploatacji takie, jak na przykład koszty pogotowia technicznego.

Proces wyznaczania optymalnych obsług prewencyjnych jest złożony z budowy

modelu dla optymalnej strategii obsług prewencyjnych, który powinien zawierać wszystkie

istotne wskaźniki eksploatacyjne rozważanego obiektu. Na dalszym etapie wykonuje się

optymalizację funkcji kryterialnej i na tej postawie wyznacza się optymalną strategię.

Model wymian profilaktycznych uwzględnia następujące założenia [26]:

– czasy przebywania obiektu w analizowanych stanach procesu eksploatacji są zmiennymi

losowymi,

– naprawa obiektu, albo wymiana profilaktyczna nie zawsze prowadzi do pełnej zdatności,

– czas do uszkodzenia obiektu winien mieć rozkład z jednomodalną funkcją intensywności.

W literaturze dotyczącej zagadnień wyznaczania optymalnych obsług prewencyjnych

stosuje się różne sposoby opisu modelu działania systemu eksploatacji. Najczęściej zakłada

się, że obiekt ma skończoną liczbę stanów, stan całkowitej niezdatności obiektu oraz stan

całkowitej sprawności obiektu. W systemie eksploatacji przejście z jednego stanu do innego

odbywa się losowo. Losowe są także czasy przebywania w stanach. Proces zmian stanów

systemu eksploatacji może być sterowany przez podejmowanie różnych decyzji dotyczących

procesu eksploatacji. Dotyczyć to może wykonywania napraw częściowych lub całkowitych

wymian elementów [38].

Stosowanie racjonalnych (optymalnych) obsług prewencyjnych wymaga znajomości

wielu cech charakteryzujących dany obiekt, takich jak: rozkłady czasów poprawnej pracy

elementów obiektu, czasy odnów obiektu, czasy trwania awarii, koszty awarii i obsług

profilaktycznych. Wyznaczanie tych wielkości wymusza zbieranie danych statystycznych i

korzystanie z metod statystyki matematycznej.

Potencjałowe strategie eksploatacji

STRATEGIA WEDŁUG NIEZAWODNOŚCI Eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza się do podejmowania decyzji

eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodności urządzeń

(różne wskaźniki niezawodnościowe), eksploatowanych aż do wystąpienia uszkodzenia.

Strategia wg niezawodności, zwana inaczej strategią „według uszkodzeń” polega na

eksploatacji obiektu do chwili wystąpienia uszkodzenia.

Badania niezawodności maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy

wykorzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarzeń, co obecnie zastępuje

komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodności. Wyróżniane w

badaniach niezawodności maszyn słabe ich ogniwa są cennym wskazaniem dla konieczności

prowadzenia badań diagnostycznych.

Nie trzeba uzasadniać, że strategia ta może być stosowana tylko wówczas, gdy

następstwa uszkodzeń nie naruszają zasad bezpieczeństwa pracy i nie zwiększają kosztów

eksploatacji maszyn.

STRATEGIA WEDŁUG EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a

decyzje eksploatacyjne podejmowane są w oparciu o wskaźnik zysku. Podstawą

podejmowanych decyzji są dane o niezawodności, kosztach użytkowania i napraw

eksploatowanych maszyn. Ważnym czynnikiem w tej strategii jest postęp techniczny, którego

wysoka dynamika określa starzenie moralne maszyn, a więc czynnik wnikliwie śledzony

przez potencjalnych odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie również w sytuacjach, gdy

moralne starzenie się maszyn wyprzedza ich zużycie fizyczne.

W tej strategii kryterium efektywności ekonomicznej, a więc opłacalności eksploatacji

maszyny staje się podstawą decyzji o wycofaniu maszyny z użycia. Wyniki efektywności

ekonomicznej mogą często doprowadzać do wycofywania maszyn z eksploatacji jeszcze

zdatnych, lecz niezadowalających użytkownika eksploatacji.

Poprawne stosowanie tej strategii wymaga gromadzenia dużej ilości informacji

statystycznych z zakresu gospodarki finansowej działu eksploatacji, znajomości modeli

decyzyjnych, mierników wartości i wskaźników efektywności ekonomicznej oraz rachunku

optymalizacyjnego.

STRATEGIA WEDŁUG ILOŚCI WYKONANEJ PRACY

Eksploatowanie maszyn w tej strategii jest limitowane ilością wykonanej pracy, która

może być określana liczbą godzin pracy, ilością zużytego paliwa, liczbą przejechanych

kilometrów, liczbą cykli pracy itp. Generalną zasadą w tej strategii jest zapobieganie

uszkodzeniom (zużycie, starzenie) poprzez konieczność wykonywania zabiegów

obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osiągnięciem granicznego

poziomu zużycia.

Z punktu widzenia wykorzystania rzeczywistego potencjału użytkowego maszyny jest

to strategia mało efektywna, gdyż podstawą przyjmowania dopuszczalnej ilości pracy są

ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje się tu najniekorzystniejsze warunki pracy, najsłabsze

ogniwa (zespoły, części) maszyny, ekstremalne obciążenia, które nie zawsze i w nie równym

stopniu mogą się ujawnić podczas eksploatacji.

STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO

Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie

bieżącej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów. Umożliwia to

eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych już

strategii. Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany wartościami mierzonych

symptomów stanu, jest podstawą decyzji eksploatacyjnej.

Poprawna realizacja tej strategii wymaga skutecznych metod i środków diagnostyki

technicznej oraz przygotowanego personelu technicznego. Wymaga też przezwyciężenia

nieufności decydentów do efektywności takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z

takiego sposobu eksploatacji są niewspółmiernie wyższe niż w innych strategiach, co

warunkuje ogromne zainteresowanie tym rozwiązaniem.

STRATEGIA TOLEROWANYCH USZKODZEŃ

Strategia eksploatacji według uszkodzeń polega na użytkowaniu obiektu do momentu

wystąpienia uszkodzenia, bez wykonywania jakichkolwiek działań prewencyjnych. Strategia

według uszkodzeń charakteryzuje się następującymi cechami:

- użytkowanie obiektu jest realizowane bez działań opóźniających procesy starzenia i zużycia,

- do momentu wystąpienia uszkodzenia nie wykonuje się żadnych działań prewencyjnych,

- decyzje i działania eksploatacyjne dotyczą tylko usuwania skutków zaistniałych zdarzeń.

AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYN

Jakościowe zmiany wymuszone gospodarką rynkową mają rozległe konsekwencje we

wszystkich sferach gospodarowania, w tym również w eksploatacji środków trwałych.

Wymagania od strony "jakości", marketingu i logistyki zmieniają radykalnie kryteria

oceny maszyn, dając przesłanki do dalszego, rosnącego zainteresowania metodami i środkami

diagnostyki technicznej. Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniają

konieczność wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji

maszyn. W propozycji tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej

strategii eksploatacji według stanu, lecz twórczo się ją modernizuje. Sama idea tej strategii,

pokazana na rys.2.27, opiera się na wykorzystaniu "pętli jakości", którą uzupełniono

elementami teorii eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicznej.

Proponowana strategia istnienia - ASIM - imiennie wskazuje na twórcę i

odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jakością i późniejszym zbytem jest

odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, aż do

utylizacji po likwidacji obiektu.

Najczęściej w oparciu o jedną z powyższych strategii buduje się system eksploatacji

przedsiębiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii są często jego uzupełnieniem. W

praktyce przemysłowej występują najczęściej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane

do indywidualnych wymagań i warunków eksploatowanych maszyn.

Budowane na bazie znanych strategii eksploatacji systemy utrzymania maszyn w

ruchu przedstawiono na rys.2.25.

s ta tu s o s z c z ę d n o ś c io w y U T R Z Y M A N IE K O R E K C Y J N E z a p a s y m a te r ia ło w e W A W

lo s o w e z a rz ą d z a n ie

p la n u trz y m a n ia U T R Z Y M A N IE P R E W E N C Y J N E m o n ito ro w a n ie d z ia ła ń W t p te c h n o lo g ia d z ia ła ń

p la n o w a n ie i m o n ito ro w a n ie U T R Z Y M A N IE P R O G N O S T Y C Z N E k o s z ty k o n tro li s ta n u W D T

te c h n o lo g ia u trz y m a n ia

k o n tro la s y s te m u u trz y m a n ia R O Z W Ó J S T R A T E G II ? ? ? U T R Z Y M A N IA d ia g n o s ty c z n y m o d e l p ro d u k c ji i k o n tro li

L O G IS T Y K A (***U T R Z Y M A N IE M A S Z Y N W R U C H U ***)

S Y S T E M IN F O R M A T Y C Z N Y S Y S T E M IN F O R M A T Y C Z N Y E K S P L O A T A C J I P R Z E D S IĘ B IO R S T W A

M O N IT O R O W A N IE I Z A R Z Ą D Z A N IE P R Z E D S IĘ B IO R S T W E M

Rys.2.25. Podstawowe formy utrzymania maszyn w ruchu

Do wyróżnienia, oceny i podtrzymywania cech użytkowych wykorzystuje się:

- możliwości diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocenę jakości

wytworów, diagnostykę eksploatacyjną, metody i środki diagnostyki technicznej,

wspomaganie badań diagnostycznych techniką komputerową;

- badania niezawodności maszyn w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i

poprodukcyjnej, przy wykorzystaniu badań stanowiskowych, modelowania

deterministycznego i stochastycznego czynników wymuszających, wspomagania

komputerowego badań niezawodności;

- metodologię kształtowania „jakości” przez „jakościowy system sterowania

przedsiębiorstwem” z uwzględnieniem kryteriów norm jakości (EN serii 29 000);

- możliwości regeneracji części i zespołów, w tym regenerację wielokrotną, badania

zmęczeniowe i modelowanie obciążeń części regenerowanych, nowe techniki i technologie

odtwarzania jakości tych części;

- badania technologiczności obsługowej i naprawczej maszyn, kształtowanie intensywności

starzenia i zużywania się ich elementów, kształtowanie podatności eksploatacyjnej

(naprawczej, obsługowej, diagnostycznej) oraz ocenę efektywności ich eksploatacji.

Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań szerokiego grona

społeczności eksploatacyjnej, przyczyniając się do rozwoju metod i metodologii

kształtowania i podtrzymywania jakości eksploatowanych maszyn.

Ocena istniejących strategii

Uwzględniając dostępne warianty stosowanych strategii eksploatacji maszyn można

ich praktyczną przydatność ocenić przy pomocy użytkowych wskaźników efektywności. Dla

ich wyznaczenia przyjmuje się, że:

- czas pracy maszyny do uszkodzenia określa funkcja niezawodności:

R(t) P(T ) ( )U

t f t dtt

R(t)

- oczekiwany czas pracy:

OCp

R(t)dt0

Ocp

t

- przeciętny rzeczywisty czas pracy: R(t)

(główny dla zadań utrzymania maszyn w ruchu):

PRZCp

R(t)dt0

t

PRZCp

Pozwala to zdefiniować - współczynnik wykorzystania maszyny WW : t

WW

PRZCp

OCp

„ kryterium jakości strategii ”

Według tego kryterium można dokonać oceny poszczególnych strategii eksploatacji

maszyn i dalej ich przydatności w praktyce przemysłowej.

I. Strategia od „awarii do awarii” stosowana dla uszkodzeń o małych skutkach

ekonomicznych i bez następstw zagrożenia bezpieczeństwa:

W

AA

( )

PRZCp

Usz

OCp

1, R(t)

gdyż: Ocp = PRZCp (uszkodzenie) = R(t)dt0

Ocp = PRZCp t

Jest to zatem strategia najbardziej efektywna ekonomicznie, a zadania obsługowo-naprawcze

inicjowane są uszkodzeniem.

II. Strategia „według ilości pracy” (obligatoryjna), w której przedsięwzięcia

obsługowo-naprawcze są zaplanowane po z góry określonej ilości wykonanej pracy

(statystyczne oszacowania słabych ogniw i czasu do awarii): R(tp) ( p) R

RZ P O

Cpt

gdzie: RRZ - wymagany poziom niezawodności,

tp - czas OT zapobiegawczej ze względu na koszt, bezpieczeństwo.

PRZCp

(tp) R(t)dt0

tp

R(t)

OCp = PRZCp (tp) + PNCp PRZCp

Wskaźnik efektywności w tej strategii: PNCp

Wtp

PRZCp

(tp)

OCp

1 tp t

Wskaźnik niewykorzystanego czasu pracy WNCp :

WNCp

1 PRZCp

(tp)

OCp

- wskazuje potrzebę zmiany strategii.

III. Strategia „według stanu technicznego”, w której zakres i częstotliwość czynności

obsługowo-naprawczych limituje stan techniczny, w wersji:

a). inspekcyjnej, ze stałym okresem kontroli stanu, jw.;

b). kontroli stanu wg prognozowanej zmiany stanu.

PRZCp

(T1

) fRZCp(t)

(x)dxS

0

Sgr

0

T1

dt

R(t) PNCP

P

RZCpfRZCp(t)

(x)dxS

0

Sgrdt

T1

PRZCp(T1) PNCp

Wskaźnik efektywności tej strategii:

T1 t

W

DT

PRZCp

(T1

) PRZCp

OCp

1

Jakościowa analiza przedstawionych wskaźników pokazuje, że ich uszeregowanie w

postaci: WAA WDT Wtp preferuje, poza strategią uszkodzeniową, strategię według stanu

technicznego. Przedstawione wskaźniki dobrze ilustrują efektywność działań obsługowo-

naprawczych w różnych strategiach utrzymania maszyn.

W oparciu o zaproponowany model ocenowy jakości eksploatacji można stwierdzić,

że najbardziej efektywną jest strategia według uszkodzeń, nazywana niekiedy strategią do

uszkodzenia, albo strategią od awarii do awarii. Jednak uwzględniając informacje płynące z

analizy strategii według modelu ekonomicznego, a wynikające przede wszystkim z kryterium

bezpieczeństwa i kryterium kosztów, pole możliwych rozwiązań (wdrożeń) tej strategii należy

ograniczyć do wybranej grupy obiektów o dużej niezawodności i trwałości oraz mało

odpowiedzialnych. Strategia według uszkodzeń może być stosowana wtedy, gdy

częstotliwość i zakres występujących zdarzeń niezamierzonych (uszkodzeń) nie powoduje

zagrożeń bezpieczeństwa pracy oraz nie zwiększa kosztów działalności przedsiębiorstwa

wynikających z ponoszonych strat. Strategia ta może być także wykorzystywana jako

podstawa badań niezawodnościowych. Na podstawie historii występowania zdarzeń

niezamierzonych obiektów eksploatacji tego samego typu, z wykorzystaniem statystycznych

metod teorii niezawodności, określa się słabe ogniwa oraz wskaźniki będące miarą

niezawodności dla danej grupy podobnych obiektów (o takich samych cechach

konstrukcyjnych).

Strategia według stanu jest najbardziej skuteczna ze względów technicznych (wynika

to z najlepszej wartości współczynnika jakości strategii), co przekłada się na zwiększenie

trwałości i niezawodności obiektów eksploatacji, możliwość optymalnego wykorzystania

cyklu eksploatacyjnego (odpowiednio dobrane terminy i zakresy obsługiwań i napraw), a

także ograniczenie kosztów związanych z działalnością systemu utrzymania ruchu.

Wdrożenie tej strategii wiąże się ze zwiększeniem ilości zadań planowanych w stosunku do

nieplanowanych. Analogiczny efekt osiąga się w ramach strategii według ilości wykonanej

pracy, jednak ten stosunek w ramach strategii według ilości wykonanej pracy jest mniejszy.

Zalety strategii według stanu nie mogą przesłonić jej ograniczeń wynikających przede

wszystkim z konieczności zapewnienia odpowiednich metod i narzędzi diagnostyki

technicznej oraz przygotowanego (wyszkolonego) personelu. Podstawą strategii według stanu

jest dysponowanie specjalistyczną aparaturą diagnostyczną oraz osobami potrafiącymi ją

wykorzystać i podejmować decyzje na podstawie wyników pomiarów. Wiąże się to z bardzo

dużymi kosztami, które w niektórych przypadkach nie są w stanie zrekompensować

oszczędności wynikających z wdrożenia takiej strategii. Dlatego w dużych

przedsiębiorstwach strategia ta nie jest zwykle stosowana jako strategia wiodąca, ale stanowi

zapewnienie utrzymania ruchu w postaci monitorowania określonych parametrów, najbardziej

krytycznych obiektów.

Strategia według ilości wykonanej pracy posiada najbardziej niekorzystny wynik

analizy współczynników wykorzystania obiektu, wynikający z dużej „niegospodarności”

cyklu eksploatacyjnego. Jest to spowodowane przede wszystkim, „sztywnym” cyklem

określającym terminy i zakresy czynności obsługowych i naprawczych w oparciu o wartości

średnie statystyczne. Powoduje to, że według jednego szablonu obsługiwane mogą być

obiekty o zróżnicowanym stanie technicznym. Sytuacja taka jest spowodowana tym, że

rzeczywista trwałość danego typu obiektów eksploatacji jest różna w przypadku różnych jego

egzemplarzy. Wynika to z:

- zróżnicowania cech obiektów uzyskanych na etapie wytwarzania egzemplarzy,

- zróżnicowania obciążeń roboczych poszczególnych egzemplarzy obiektu,

- zróżnicowania oddziaływania obiektów technicznych z otoczeniem,

- zróżnicowania jakości wykonywanych kolejnych obsług i napraw.

Skutkiem powyższych zjawisk mogą być dwie sytuacje:

obiekt eksploatacji przechodzi w stan niezdatności przed terminem realizacji zadania

wynikającego z systemu obsługiwania planowo – zapobiegawczego i cyklu obsługowego.

Ponosi się w związku z tym konsekwencje i koszty wystąpienia uszkodzenia/awarii i w

większości przypadków także przestoju danego obiektu i obiektów od niego zależnych;

przedwczesna, w stosunku do rzeczywistego stanu, realizacja obsługi bądź naprawy, co

wiąże się z koniecznością wyłączenia z użytkowania obiektu technicznego i obiektów

zależnych oraz zbędną w danym momencie wymianę części zamiennych. Pociąga to za

sobą określone nakłady finansowe, które zwiększają ogólny koszt eksploatowania

obiektu. Poza tym, z powodu zastosowania stałych procedur działania w ramach cykli

obsługowych, klasyczny planowo - zapobiegawczy system obsługiwania nie wymusza

postępu technicznego i nie mobilizuje personelu obsługowego do podnoszenia swoich

kwalifikacji.

Pomimo opisanych wad i ograniczeń, strategia według ilości wykonanej pracy posiada

pozytywne cechy w zakresie możliwości wykorzystania jej jako głównej strategii

eksploatacyjnej przedsiębiorstwa. Skłaniają ku temu względy organizacyjno - ekonomiczne

związane z uporządkowaną, stabilną i przejrzystą działalnością organizacji utrzymania ruchu

nie wymagającą dużych nakładów finansowych (wyniki analizy w oparciu o model

ekonomiczny), co wynika z zasady, że lepiej i taniej jest zapobiegać niż naprawiać.

Podsumowując przedstawioną analizę porównawczą wybranych strategii

eksploatacyjnych można stwierdzić, że ze względu na określone wymagania i charakter pracy

maszyn i urządzeń, bardzo rzadko zdarza się aby w danym przedsiębiorstwie wszystkie

obiekty były eksploatowane z wykorzystaniem jednej strategii. Jest to możliwe tylko w

niewielkich przedsiębiorstwach o małej ilości i różnorodności obiektów. W większości

przypadków polityka eksploatacyjna przedsiębiorstwa jest kombinacją wszystkich lub

niektórych z wymienionych strategii, przy czym jedna z nich jest dominująca, a pozostałe

stanowią jej uzupełnienie.

2.5. EFEKTYWNOŚĆ EKSPLOATACJI MASZYN

Modele procesów eksploatacji obiektów technicznych umożliwiają podejmowanie

właściwych decyzji dotyczących urządzeń technicznych w zakresie niezawodności, trwałości

diagnozowania, genezowania, prognozowania, obsługiwania, użytkowania, a także

funkcjonowania systemów eksploatacji. Systemy eksploatacji oparte na tych modelach noszą

nazwę systemów dynamicznych, tzn. takich w których użytkowanie i obsługiwanie obiektów

technicznych jest zdeterminowane chwilowym stanem technicznym. System taki przynosi

następujące korzyści [20,39]:

polepsza dyspozycyjność obiektów i wydajność produkcji przez zminimalizowanie czasu

przestoju maszyn;

zmniejsza koszty obsługiwania i napraw obiektów;

przedłuża „życie” obiektów wiec zmniejsza wydatki na zakup nowych urządzeń;

racjonalizuje zatrudnienie w dziale utrzymania maszyn w ruchu;

zwiększa bezpieczeństwo.

Wymienione elementy mają istotny wpływ na efektywność funkcjonowania

przedsiębiorstw, jednostek budżetowych i innych systemów działania.

Efektywność działania można mierzyć stosunkiem uzyskanego efektu (wyniku) do

poniesionych nakładów na uzyskanie tego efektu:

N

WE f (2.25)

gdzie: Ef – miernik efektywności działania;

W – uzyskane efekty w wyniku działania;

N – poniesione nakłady na uzyskanie efektu.

Wśród wielu problemów towarzyszących podejmowaniu decyzji przez człowieka

jeden jest szczególnie istotny. Sprowadza się on do pytania: jak użyć posiadane środki, aby

osiągnąć zamierzony cel i uzyskać najlepsze efekty, jak racjonalnie gospodarować?

W zasadzie racjonalnego gospodarowania maksymalny sposób realizacji celu osiąga

się postępując w następujący sposób:

wariant I – zasada największego efektu (największej wydajności): przy danym nakładzie

środków N otrzymać maksymalny stopień realizacji celu W:

N

WE fw max (2.26)

N = const

W max

wariant II – zasada najmniejszego nakładu środków (oszczędności środków): do

uzyskania ustalonego stopnia realizacji celu W użyć minimalnego nakładu środków N:

N

fwN

WE max (2.27)

NN min.

W = const

Ogólnie można wyróżnić następujące kryteria oceny efektywności funkcjonowania

systemów działania [50]:

kryteria operacyjne – służące do oceny działania oraz stopnia osiągania zamierzonych

celów lub realizacji określonych potrzeb;

kryteria ekonomiczne – służące do oceny efektów dodatnich (korzyści) działalności

inwestycyjno-finansowej w systemie;

kryteria informacyjne – służące do oceny organizacji systemu i przebiegów procesów

informacyjnych oraz wyrażające, najogólniej wpływ systemu sterowania na działanie;

kryteria techniczne – służące do oceny jakości elementów i środków działania oraz

wyrażające, najogólniej, wpływ techniki na działanie;

kryteria eksploatacyjne – służące do oceny funkcjonowania elementów i środków

działania oraz wyrażające ich wpływ na zdolność systemu do bezawaryjnego

funkcjonowania w określonym czasie.

Mierniki efektywności funkcjonowania systemów działania mogą być wyrażone w

postaci wskaźników (stosunek dwóch wielości niejednorodnych), współczynników (stosunek

dwóch wielkości jednorodnych), a także w jednostkach naturalnych, których podstawą

ustalenia są fizyczne jednostki miar na przykład: objętości, ciężaru, czasu, powierzchni oraz

jednostkach wartościowych wyrażonych w postaci pieniężnej (np. jednostki fizyczne

pomnożone przez ceny). Pierwszą grupę mierników są mierniki czasu. Stanowią one

podstawę do oceny efektywności realizowanych procesów eksploatacji i oceny

funkcjonowania podsystemów systemu eksploatacji obiektów technicznych.

Mierniki czasu

1) wartość oczekiwana i odchylenie standardowe czasów przebywania obiektów w

wyróżnionych stanach, określone typem rozkładu i wartością jego parametrów;

2) sumaryczny czas Tip przebywania pojedynczego obiektu w wyróżnionym stanie

K

k

ijip tT1

(2.28)

3) średni czas ipT przebywania pojedynczego obiektu w wyróżnionym stanie:

K

k

ijip tK

T1

1 (2.29)

4) sumaryczny czas TiN przebywania N obiektów w wyróżnionym stanie:

N

n

K

k

nijiN tT1 1

(2.30)

5) średni czas iNT przebywania N obiektów w wyróżnionym stanie:

N

n

K

k

nijiN tKN

T1 1

1 (2.31)

6) sumaryczny czas T przebywania N obiektów w I stanach:

N

n

I

i

K

k

nijtT1 1 1

(2.32)

7) średni czas T przebywania N obiektów w I stanach:

N

n

I

i

K

k

nijtKIN

T1 1 1

1 (2.33)

gdzie: Kk ,1 - liczba wejść obiektu do stanu i;

Ii ,1 - liczba wyróżnionych stanów;

tij – czas przebywania obiektu w stanie i pod warunkiem, że stanem początkowym był stan j;

Nn ,1 - liczba obiektów technicznych;

8) wartości oczekiwane i odchylenia standardowe czasów pomiędzy tymi samymi stanami

procesu obsługiwania obiektów technicznych. Interpretacja tych zmiennych losowych

oznacza czas pomiędzy uszkodzeniami obiektów technicznych;

9) ciągi losowe wartości oczekiwanych i odchyleń standardowych czasów przebywania

obiektów w wyróżnionych stanach omawianych w punktach od 1 do 8

10) inne.

Współczynniki

Grupę współczynników stanowią mierniki decyzyjne sterowania eksploatacją

obiektów technicznych i obejmują one:

1) prawdopodobieństwa przebywania obiektów w wyróżnionych stanach określonych i

zinterpretowanych w punktach 5, 6 i 7;

2) sumaryczne prawdopodobieństwa przebywania obiektów w kilku wyróżnionych

stanach, na przykład współczynnik gotowości technicznej;

3) prawdopodobieństwa przejść obiektów pomiędzy wyróżnionymi stanami procesu

eksploatacji obiektów technicznych określone za pomocą macierzy prawdopodobieństw

przejść, opisanych w punktach 5, 6 i 7.

Mierniki wartościowe

Do mierników wartościowych wyrażonych w postaci pieniężnej wykorzystywanych w

sterowaniu eksploatacją obiektów technicznych zalicza się:

1) wartości oczekiwane i odchylenia standardowe dochodów z przebywania obiektów w

wyróżnionych stanach, określone typem rozkładu i wartością jego parametrów;

2) jednostkowy dochód di (zł/godz) wynikający z eksploatacji jednego obiektu

technicznego przypadający na jednostkę czasu, gdy obiekt ten znajduje się w

wyróżnionym stanie;

3) sumaryczny dochód Di uzyskany z eksploatacji pojedynczego obiektu technicznego w

przedziale czasu <0, t> w wyróżnionym stanie:

K

k

iijip dtD1

(2.34)

Przestrzeganie zasady racjonalnego gospodarowania w przedsiębiorstwie wymaga od

decydenta takich narzędzi, które umożliwiłyby mu szybką ocenę podejmowanych decyzji i

wybór rozwiązań najbardziej korzystnych.

Wybór najlepszego wariantu działania wymaga znajomości kryteriów optymalizacji

decyzji ekonomicznych. W praktyce gospodarczej za kryteria wyboru rozwiązań wielu

problemów decyzyjnych najczęściej przyjmuje się: maksymalizację produkcji, minimalizację

kosztów, maksymalizacje zysku. Wszystkie wymienione parametry ekonomiczne są ze sobą

ściśle związane.

Najwęższe jest kryterium maksymalizacji produkcji, ponieważ pozwala na

regulowanie i kierowanie jedynie podstawowymi i pomocniczymi procesami produkcyjnymi,

pozostawiając poza zasięgiem obserwacji nakłady materiałowo–energetyczne, problemy

zakupu materiałów, surowców, energii, siły roboczej oraz problemy sprzedaży wytworzonych

produktów.

Przyjęcie jako funkcji celu minimalizacji kosztów rozszerza pole decyzji o regulację

nakładów, ale poza jej oddziaływaniem pozostaje sprzedaż. Na podkreślenie zasługuje to, że

czynniki produkcji (np. materiały, praca ludzka, maszyny, urządzenia, części wymienne,

energia technologiczna itp.) zużyte w procesie produkcji i sprzedaży nazywamy kosztami.

Przyjęcie jako kryterium podejmowania decyzji – zysku pozwala uwzględnić

większość różnorodnych czynników mających zasadnicze znaczenie dla zarządzania

podmiotem gospodarczym.

Biorąc pod uwagę prace [20,39,41] wielkości: dochód, koszty i zysk można

przedstawić za pomocą wzorów:

Ii

ii

Ii

iii

p

TEp

TEpd

D*

*

(2.35)

Ii

ii

Ii

iii

p

TEp

TEpc

C*

*

(2.36)

Ii

ii

Ii

iii

p

TEp

TEpz

Z*

*

(2.37)

gdzie: *

ip – prawdopodobieństwo graniczne włożonego łańcucha Markowa;

E(Ti) – wartość oczekiwana zmiennej losowej oznaczającej czas przebywania obiektu w stanie i;

i I – liczba stanów procesu;

di, ci, zi – dochód, koszty, zysk na jednostkę czasu związane z przebywaniem obiektu w stanie i.

ppp ZCD ,, – prawdopodobny: dochód, koszty, zysk przypadający na jednostkę czasu eksploatowanego

w danym systemie obiektu technicznego.

Dodatni wynik finansowy przedsiębiorstwa na sprzedaży nazywa się zyskiem, a wynik

ujemny stratą. Zysk jest różnicą miedzy sumarycznym dochodem D przedsiębiorstwa, a jego

kosztami C sumarycznymi (własnymi):

Z = D – C (2.38)

Koszty całkowite systemu działania opisuje wzór:

C =Cdp + Cdl + Cds (2.39)

Cdl = Clz + Clt + Cld + Clo + Cle (2.40)

Cle = Co + Cu + Cp + Cd + Cz (2.41)

gdzie: Cdp – koszty działalności podstawowej (produkcji); Cdl – koszty działalności logistycznej; Cds – koszty

działalności systemowej (administracyjnej); Clz – koszty zasilania (zaopatrzenia); Clt – koszty transportu;

Cld – koszty dystrybucji; Clo – koszty ochrony środowiska; Cle – koszty eksploatacji obiektów technicznych;

Co – koszty obsługiwania; Cu – koszty użytkowania; Cp – koszty przechowywania; Cd – koszty diagnozowania;

Cz – koszty zarządzania.

Wstawiając (2.39) i (2.40) do (2.37) otrzymamy:

Z = D – (Cdp + Cds) – (Clz + Clt + Cld + Clo + Cle) (2.42)

Wyrażenie (2.69) pokazuje wpływ kosztów działalności podstawowej, systemowej,

logistycznej, w tym eksploatacji urządzeń technicznych na wynik finansowy

przedsiębiorstwa. Przyjmując za W D, zaś za Nn D otrzymamy dwie strategie

działania:

max

max

D

constC

C

DEs

(2.43)

constD

C

C

DEs

min

max

(2.44)

Strategia pierwsza (2.43) oznacza, że przy ustalonych kosztach systemu należy dążyć

do maksymalizacji dochodu, zaś strategia druga (2.44) nakazuje minimalizację kosztów

systemu przy ustalonych jego dochodach.

Podstawiając do (2.44) wyrażenia (2.38), (2.39) i (2.40) otrzymamy:

leloldltlzdsdp

SCCCCCCC

Z

C

CZE

1 (2.45)

Współczynnik ES określa efektywność funkcjonowania systemu działania. Zakładając

Z > 0, ze wzrostem kosztów C maleje wartość ES, zaś ze spadkiem C rośnie. Dla Z = 0,

D = C co oznacza, że przychód przedsiębiorstwa zrównoważył tylko jego koszty własne.

Jeżeli do wzoru (2.45) podstawimy wyrażenia (2.35) i (2.36) to uzyskamy:

Ii

iii

Ii

iii

P

PS

TEpc

TEpz

C

ZE

*

*

11 (2.46)

Wielkość SE można nazwać współczynnikiem efektywności wykorzystania obiektu

technicznego w przedsiębiorstwie.

Biorąc pod uwagę wzór (2.36) można wyprowadzić następujące współczynniki:

1. kosztów logistycznych obiektu:

Ii

iii

Ii

iiiil

lpTEpc

TEpc

C

Ck

*

*

(2.47)

gdzie: cii – jednostkowe koszty logistyczne związane z przebywaniem obiektu w stanie i; ci – jednostkowe

koszty całkowite związane z przebywaniem obiektu w stanie i; lC - prawdopodobne koszty logistyczne

przypadające na jednostkę czasu eksploatacji obiektu; C -koszty całkowite przypadające na jednostkę czasu

eksploatowanego w danym systemie obiektu technicznego;

2. kosztów eksploatacji obiektu:

Ii

iili

Ii

iii

dl

le

epTEpc

TEpc

C

Ck

*

*

(2.48)

3. syntetyczny współczynnik kosztów eksploatacji obiektu:

Ii

iii

Ii

iiile

esTEpc

TEpc

C

Ck

*

*

(2.49)

gdzie: leC - prawdopodobne koszty eksploatacji przypadające na jednostkę czasu eksploatowanego w danym

systemie obiektu technicznego.

Wyrażenia (2.45) do (2.49) stanowią kryterium optymalizacji lub funkcję kryterialną,

którą po ustaleniu współczynników można wykorzystać w badaniach symulacyjnych

optymalizacji i prognozowania kosztów eksploatacji obiektów technicznych.

Rozważając zagadnienia modelowania w klasycznym ujęciu inżynierii systemów,

należy zwrócić uwagę na to, że właściwe wykorzystanie modelu do rozwiązania praktycznego

problemu wymaga zwykle realizacji czasochłonnych i kosztownych badań naukowych, które

dostarczają wielu wyników bezpośrednio nieprzydatnych w realizacji konkretnego celu.

Ważne zagadnienie stanowi również adaptacja modelu do konkretnego zastosowania. Model

szczegółowy, nadmiernie rozbudowany, może być nieprzydatny lub mało użyteczny ze

względu na brak zdolności pozyskiwanych zbyt dopasowanych wyników do generalizacji.

Modelowanie procesów eksploatacji jest możliwe i efektywne przy wykorzystaniu

najnowszych dokonań wielu dziedzin nauki, skutecznie i szybko dostarczając informacji o

poprawności eksploatacji maszyn. Opracowanie skutecznych modeli, które dostarczają

informacji o zmieniającym się stanie maszyn, jest podstawą decyzji eksploatacyjnych i bazą

budowanych prostych i skutecznych modeli i strategii eksploatacyjnych.

…czytelnik ma dobrze,

on może wybierać sobie książki i autorów…

LITERATURA

1. Bendat J. S., Piersol A.G.: Metody analizy i pomiarów sygnałów losowych. PWN, Warszawa 1976.

2. Bishop R.D., Gladwell G.M., Michaelson S.: Macierzowa analiza drgań. PWN, Warszawa, 1972.

3. Borkowski W., Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych. WNT, Warszawa 1996.

4. Broch J.T.: Mechanical Vibration and Shock Measurements. Brüel & Kjaer, 1980.

5. Eykhoff P. : Identyfikacja w układach dynamicznych. BNInż. Warszawa.1980.

6. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, WNT Warszawa 1982.

7. Cempel C.: SVD Decomposition of symptom observation matrix as the help in a quality assessment of a

group of applications, Diagnostyka nr 35, PTDT Warszawa 2005.

8. Cempel C., Tomaszewski F.: Diagnostyka maszyn. Zasady ogólne. ITE Radom, 1992.

9. Giergiel J.: Drgania mechaniczne, Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków 2000.

10. Giergiel J., Uhl T.: Identyfikacja układów mechanicznych, PWN Warszawa 1990.

11. Jóźwiak J., Podgórski J.: Statystyka od podstaw, Polskie Wydawnictwa Ekonomiczne Warszawa 1997.

12. Kaczmarek J.: Podstawy teorii drgań i dynamiki maszyn. Wyższa Szkoła Morska, Szczecin 1993.

13. Kałaczyński T., Żółtowski M.: Badania i rozwój innowacyjnej gospodarki. AGRONEX, Bydgoszcz, 2011.

14. Łukasiewicz M.: Testowanie modalne przekładni zębatych – budowa modelu modalnego, Materiały IX

Międzynarodowego Sympozjum im. Prof. Cz. Kanafojskiego, Płock 2003.

15. Łukasiewicz M.: Badania diagnostyczne stanu technicznego silnika spalinowego metodą eksploatacyjnej

analizy modalnej, Diagnostyka nr 37, PTDT Warszawa 2006.

16. Łukasiewicz M.: Investigation of the operational modal analysis applicability in combustion engine

diagnostics. Journal of Polish CIMAC Diagnosis, Reliability and Safety vol. 3, nr 2 Gdańsk 2008.

17. Łukasiewicz M.: Investigation of the operational modal analysis and SVD applicability in combustion

engine diagnostics. Radom – Bydgoszcz – Borówno 2009.

18. Mantura W.: Organizacyjne i ekonomiczne aspekty diagnostyki technicznej. Diagnostyka maszyn. Pod

redakcją C. Cempla i F. Tomaszewskiego, CNEMT, Radom 1992.

19. Morrison F.: Sztuka modelowania układów dynamicznych, WNT, Warszawa 1996.

20. Niziński S.: Eksploatacja obiektów technicznych, ITE Radom 2002.

21. Niziński S., Michalski R.: Diagnostyka obiektów technicznych, ITE Radom 2002.

22. Niziński S., Żółtowski B.: Informatyczne systemy zarządzania eksploatacją obiektów technicznych,

Olsztyn – Bydgoszcz 2001.

23. Niziński S., Żółtowski B.: Zarzadzanie eksploatacją obiektów technicznych za pomocą rachunku kosztów,

Olsztyn – Bydgoszcz 2002.

24. Tylicki H.: Badanie ewolucji stanu maszyn. Diagnostyka, Vol..25 Warszawa 2001, str.13-20.

25. Tylicki H.: Redukcja informacji w rozpoznawaniu stanu maszyn. Diagnostyka, vol. 26, Olsztyn, 2002.

26. Knopik L.: Metoda wyboru efektywnej strategii eksploatacji obiektów technicznych. Rozprawa

habilitacyjna, UTP-WIM, Bydgoszcz 2011.

27. Tylicki H., Żółtowski B.: Rozpoznawanie stanu maszyn. ITE - PIB, Radom 2010 s.188.

28. Uhl T.: Komputerowo wspomagana identyfikacja konstrukcji mechanicznych. WNT, Warszawa 1997.

29. Uhl T., Lisowski W.: Eksploatacyjna analiza modalna i jej zastosowanie. AGH, Kraków 1999.

30. Woropay M.: Podstawy racjonalnej eksploatacji maszyn. ITE – ATR, Bydgoszcz – Radom 1996.

31. Żółtowski B.: Badania wibroakustyczne w pojazdach. Mechanika nr 33, ATR Bydgoszcz 1999.

32. Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn. Wydawnictwa ATR Bydgoszcz 1996.

33. Żółtowski B., Ćwik Z.: Leksykon diagnostyki technicznej, Bydgoszcz 1996.

34. Żółtowski B.: Badania dynamiki maszyn. Bydgoszcz 2002.

35. Żółtowski B., Cempel C.: Inżynieria diagnostyki maszyn. PTDT, Warszawa, Bydgoszcz, Radom 2004.

36. Żółtowski B., Łukasiewicz M.: Wibroakustyka maszyn w laboratorium, UTP, Bydgoszcz 2005.

37. Żółtowski B., Castaneda L.F.: Estudio de explotación de vehículos ferroviarios. EAFIT, Colombia, 2009.

38. Żółtowski B., Castaneda Heredia L.F.: Badania pojazdów szynowych. Transport. Wydawnictwo UTP,

Bydgoszcz, 2009 s.220.

39. Żółtowski B., Niziński S.: Modelowanie procesów eksploatacji. ITE - PIB, Radom 2010 s.211.

40. Żółtowski B., Castaneda Heredia L.F.: Basis del diagnostico tecnico de maquinas. EAFIT, Colombia, 2010.

41. Żółtowski B.: Podstawy diagnozowania maszyn. UTP, Bydgoszcz 2011.

42. Żółtowski B.: Metody inżynierii wirtualnej w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska

eksploatowanych maszyn. Wyd. UTP, Bydgoszcz 2012.