Глава 5

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НОРМАТИВОВ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ

5.1. Понятие о нормативах и их назначении

Любое государственное, муниципальное или частное предприятие может эф­фективно работать, имея соответствующие планы и программы производства и его развития. Для составления и реализации этих планов и программ предприятие должно располагать обоснованными нормативами.

Под нормативом понимается количественный или качественный показатель, используемый для упорядочения процесса принятия и реализации решений.

По назначении) различают нормативы, регламентирующие

• свойства изделий (надежность, безопасность, производительность, грузо­подъемность, масса, габаритные размеры и др.);

• состояние изделий (номинальные, допустимые и предельные значения пара­метров технического состояния) и материалов (плотность, вязкость, содер­жание компонентов, примесей и т.д.);

• ресурсное обеспечение (капиталовложения, расход материалов, запасных ча­стей, трудовые затраты);

• технологические требования, определяющие содержание и порядок прове­дения определенных операций и работ ТО, ремонта и др.

По уровню нормативы подразделяются на

• федеральные (законы, стандарты, требования по дорожной, экологической и пожарной безопасности и др.);

• региональные, межотраслевые (положения о техническом обслуживании и ремонте подвижного состава автомобильного транспорта, правила технической эксплуатации);

• отраслевые и групповые (группа предприятий, объединения, холдинг);

• внутриотраслевые и хозяйственные (применяемые на предприятии или группе предприятий нормативы, стандарты качества и др.).

Нормативы используются при определении уровня работоспособности авто­мобилей и парка, планировании объемов работ, определении необходимого числа исполнителей, потребности в производственной базе, в технологических расчетах.

К важнейшим нормативам технической эксплуатации относятся периодичность ТО, ресурс изделия до ремонта, трудоемкость ТО и ремонта, расход запасных ча­стей и эксплуатационных материалов.

Определение нормативов производится на основе теоретических предпосылок, аналитических расчетов и данных о надежности изделий, расходе материалов, продолжительности и стоимости проведения работ ТО и ремонта, составляющих совокупность закономерностей ТЭА шестого вида.

5.2. Определение периодичности технического обслуживания

Периодичность ТО (/то) ~ ^это нормативная наработка (в километрах пробега или часах работы) между двумя последовательно проводимыми однородными работами или видами ТО.

Как отмечалось ранее (§ 2.6), при техническом обслуживании применяются две тактики доведения изделия до требуемого технического состояния: по наработке (1-1) и по состоянию (1-2). Поэтому при первой тактике определяется периодич­ность контроля, которая переходит в исполнительскую часть операции, с коэф­фициентом повторяемости К\ = 1 (см. § 2.6). При второй тактике определяется периодичность контроля, а исполнительская часть операции выполняется по пот­ребности в зависимости от результатов контроля, т.е. 1 ^ К₂ ^ 0.

Методы определения периодичности ТО подразделяются на простейшие (метод аналогии по прототипу); аналитические, основанные на результатах наблюдений и основных закономерностях ТЭА; имитационные, основанные на моделировании случайных процессов. Рассмотрим наиболее распространенные методы.

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧНОСТИ

ПО ДОПУСТИМОМУ УРОВНЮ БЕЗОТКАЗНОСТИ

Этот метод основан на выборе такой рациональной периодичности, при ко­торой вероятность отказа F элемента не превышает заранее заданной величины (рис. 5.1), называемой риском.

Вероятность безотказной работы

Определенная таким образом периодичность значительно меньше средней наработки на отказ (см. рис. 5.1) и связана с ней следующим образом: /₀ = Р„*, где Р„ - коэффициент рациональный периодичности, учитывающий величину и ха­рактер вариации наработки на отказ или ресурса, а также принятую допустимую вероятность безотказной работы (табл. 5.1).

Таким образом, чем меньше вариация случайной величины, тем большая пе­риодичность ТО при прочих равных условиях может быть назначена.

Поэтому одной из главных задач технической эксплуатации является принятие технологических и организационных мер по сокращению вариации наработки на отказ профилактируемых элементов:

• повышение качества ТО и ремонта;

• выдерживание назначенных периодичностей, т.е. регулярность ТО;

• группировка автомобилей при конкретном обслуживании по возрасту и усло­ виям эксплуатации, обеспечивающая относительную однородность техничес­ кого состояния.

Таблица 5.1

Коэффициент рациональной периодичности при различных значениях допустимой вероятности безотказной работы и коэффициента вариации ресурса

Преимущества метода: простота и учет риска. Недостатки метода:

• неполное использование ресурса изделия, так как /₍₎ <^ I, а /?_д изделий имеет наработку на отказ jc,- > /₀;

• отсутствие прямых экономических оценок последствий отказа (косвенный учет - при назначении риска F).

Сферы применения:

• при незначительных экономических и других последствиях отказа;

• для массовых объектов, когда влияние каждого из них на надежность изделия в целом невелико (несиловые крепежные детали);

• при практической невозможности или большой стоимости последовательной фиксации изменения параметров технического состояния (электропроводка, транзисторы, гидро- и пневмомагистрали);

• при необходимости минимизировать риски, затраты на которые перекры­ ваются экономией по другим статьям (доставка опасных и скоропортящихся грузов, доставка точно в срок, специальные операции).

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧНОСТИ ПО ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЕГО ДОПУСТИМОМУ ЗНАЧЕНИЮ

Как известно, для группы автомобилей (или элементов) изменение параметров технического состояния по наработке является случайным процессом (см. § 2.4) Y(l, t) и графически изображается пучком функций К, = *¥{1, t).

Проведем анализ этой ситуации и выделим условно из этого пучка три изделия с разной интенсивностью а изменения параметра технического состояния (рис. 5.3): максимальной (/), средней (2) - выделяем или вычисляем, минимальной (3).

• Определим средний ресурс (изделие № 2) х_р2 при Y_{n д}.

• Построим при фиксированной наработке всех изделий х ₂ график 5 плотнос­ ти вероятности распределения параметра технического состояния f_x(Y) для всей совокупности изделий.

• Назначим допустимое для данного изделия значение риска F_fl.

• Уменьшим периодичность ТО до величины /_т'₀ таким образом, чтобы вероят­ность отказа была равна или меньше допустимой F^ (сдвиг по стрелке 4 на рис. 5.3).

• Получим новое распределение плотности вероятности отказа, /₂(У) - 6 на рис. 5.3.

• При этом варианте рациональная периодичность ТО /_то = x_pl(F₂).

• При этой периодичности обеспечиваются заданные условия, а именно:

вероятность, что параметр превысит предельно допустимый: P(Yj > Y_{n д}} ^ ^ F '

вероятность, что отказ возникнет раньше постановки на ТО: Р{х_{ < /_то} ^ ^ F

— Г д.

• Определим изделие 7 на рис. 5.3, которое имеет предельно допустимое зна­ чение интенсивности изменения параметра технического состояния а_{п д}, соот­ ветствующее условию нулевого риска при /"_то = x_p7(F₂).

• По кривой 7 рис. 5.3 или аналитически определим

где а - средняя интенсивность изменения параметра технического состояния (для изделия 2 на рис. 5.3); [i - коэффициент максимально допустимой интенсивности изменения параметра технического состояния.

Его превышение означает, что риск отказа до направления изделия на обслу­живание будет больше заданного, т.е. F₂ > F_R\.

Коэффициент jlx зависит от вариации наработки до отказа, заданного значения вероятности безотказной работы при межосмотровой наработке (рис. 5.4) и вида закона распределения.

Пример. Определить рациональную периодичность /_то контроля и регулирования тор­мозного механизма грузового автомобиля с пневматическим приводом при работе в го­родских условиях, обеспечивающую с вероятностью 90% сохранение работоспособности между ТО. Исходные данные:

Следовательно:

• сокращение вариации увеличивает при прочих равных условиях перио­ дичность ТО;

• ориентация при определении /_то на средние данные (а, кривая 2 на рис. 5.3) не может обеспечить высокую безотказность между ТО (F\ « 0,5).

Преимущества метода:

• учет фактического технического состояния изделия (диагностика);

• возможность гарантировать заданный уровень безотказности F;

• учет вариации технического состояния. Недостатки метода:

• отсутствие прямого учета экономических факторов и последствий;

• необходимость получать (или иметь) информацию о закономерностях изме­ нения параметров технического состояния Y = MV, л).

Сферы применения:

• объекты с явно фиксируемым и монотонным изменением параметра техни­ческого состояния (постепенные отказы) - регулируемые механизмы (тор­моза, сцепление, установка передних колес, клапанный механизм);

• при реализации стратегии профилактики по состоянию.

3. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕТОД

Этот метод сводится к определению суммарных удельных затрат на ТО и ре­монт и их минимизации. Минимальным затратам соответствует оптимальная периодичность технического обслуживания /₀. При этом удельные затраты на ТО С\ = dll, где /- периодичность ТО; d - стоимость выполнения операции ТО.

При увеличении периодичности разовые затраты на ТО (d) или остаются постоянными, или незначительно возрастают (рис. 5.5, я), а удельные затраты значительно сокращаются (рис. 5.5, б).

Увеличение периодичности ТО, как правило, приводит к сокращению ресурса детали или агрегата (рис. 5.6, а) и росту удельных затрат на ремонт: С_п = c/L (рис. 5.6, б), где с - разовые затраты на ремонт; L - ресурс до ремонта. Выражение U = С i + Сц = Сх является целевой функцией, экстремальное значение которой соответствует оптимальному решению. В данном случае оптимальное решение соответствует минимуму удельных затрат. Определение минимума целевой функ­ции и оптимального значения периодичности ТО проводится графически (рис. 5.7)

Если при назначении уровня риска учитывать потери, связанные с дорожными происшествиями, то технико-экономический метод применим для определения оп­тимальной периодичности операций, влияющих на безопасность движения.

Преимущества метода:

• учет экономических последствий принимаемых решений (/₀); простота, яс­ность, универсальность.

Недостатки метода:

• необходимость в достоверной информации о стоимости операций ТО и ре­ монта, влияния периодичности ТО на ресурс элемента;

• отсутствие учета вариации (случайность) всех показателей (L, x, d, с);

• отсутствие гарантии определенного уровня безотказности. Сферы применения:

• для сложных и дорогих систем (элементов, агрегатов), не оказывающих пря­ мого влияния на безопасность (смена масел и смазок, фильтров, регули­ ровочные работы - сцепление, клапанный механизм, антикоррозионная за­ щита кузова и др.);

• для определения периодичности ТО по группе автомобилей, работающих в одинаковых условиях.

4. ЭКОНОМИКО-ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД

Этот метод обобщает предыдущие и учитывает экономические и вероятност­ные факторы, а также позволяет сравнивать различные стратегии и тактики поддержания и восстановления работоспособности автомобиля.

Как уже отмечалось, одна из стратегий (С_п) сводится к устранению неисправ­ностей изделия по мере их возникновения, т.е. по потребности. Удельные затраты при этом

разовые затраты на ремонт, т.е. на устранение отказа.

Преимуществом этой стратегии является простота - ожидание отказа и его устранение. Основным недостатком - неопределенность состояния изделия, кото­рое может отказать в любое время. Кроме того, затрудняются планирование и организация ТО и ремонта.

Альтернативная стратегия (С_{) предусматривает предупреждение отказов и неисправностей, восстановление исходного или близкого к нему состояния изделия до того, как будет достигнуто предельное состояние. Эта стратегия реализуется при

предупредительном ТО, предупредительных заменах деталей, узлов, механизмов и т.д. Причем возможны две тактики реализации этой стратегии (см. § 2.6): по нара­ботке (1-1) и по техническому состоянию (1-2).

Рассмотрим последовательно определение периодичности ТО экономико-ве­роятностным методом при тактике (1-1) - профилактика по наработке.

Постановка задачи: требуется определить с учетом вариации наработки на отказ оптимальную периодичность /₍₎, при которой суммарные удельные затраты на предупреждение (ТО) и устранение (Р) отказов будут минимальны, а риск отказа известен.

1. Исходными данными являются:

• наработка на отказы х_х (в виде плотности вероятности Дх)) при эксплуатации изделия без профилактики (рис. 5.8);

• разовая стоимость выполнения профилактических (d) и ремонтных (с) работ.

2. Определяем базу для сравнения, удельные затраты на устранение отказов без профилактики, т.е. при стратегии II (формула (5.5)).

3. Выбираем целевую функцию - суммарные удельные затраты на преду-

• случаи Xj < /_р соответствуют отказам изделий с вероятностью F, так как изделие откажет до момента его направления на ТО. Средняя наработка ус­ транения этих отказов

• случаи Xj ^ /_р соответствуют предупреждению отказов с вероятностью R = = 1 - F, так как изделие будет направлено на ТО раньше, чем оно может отказать.

5. Рассмотрим варианты реализации стратегии профилактики и ремонта, показатели которых приведены под графиком рис. 5.8.

6. Определим удельные затраты на предупреждение и устранение отказов как отношение взвешенной стоимости ТО и Р к взвешенной наработке выполнения операций ТО и Р.

где cF + dR - средневзвешенная стоимость выполнения операции ТО иР;/?-вероятность выполнения операции ТО; d - разовая стоимость операции ТО; F - ве­роятность отказа при выполнении ТО с периодичностью /_р и вероятность выпол­нения ремонтной операции (устранение отказа); с - стоимость устранения отказа; ILF + l R -средневзвешенная наработка выполнения операции ТО и Р; /_р - перио­дичность ТО при выполнении по наработке; /'_р - средняя наработка отказавших с вероятностью F элементов (jc, < /_р).

периодичность /₀, соответствующий ей риск F₀ и вероятность безотказной рабо­ты /?₀.

казы (ТО), а достаточно их устранять, т.е. реализовать стратегию II - ремонт

по потребности со средней наработкой до отказа х. 10. Построим карту профилактической операции (рис. 5.9),которая показывает зависимость суммарных удельных затрат на ТО и ремонт при тактике профилак­тики 1-1. На карте профилактической операции можно выделить три характерные зоны.

Зона Л - зона экономической нецелесообразности профилактической стратегии, так как С\.\ > Сц. Это также внеэкономическая зона, используемая при определении /₀, когда необходимо гарантировать высокую безотказность, несмотря на затраты (например, специальные операции, доставка особо опасных грузов, военные операции и т.д.).

Зона Б - зона предпочтительности по экономическим показателям профи­лактической стратегии (1-1) над ремонтной (II), так как Сц ^ Сц. Внутри этой зоны по организационным причинам (например, одновременное выполнение груп­пы операций ТО, имеющих разную оптимальную периодичность) можно изменять фактическую периодичность, сохраняя условие С_и ^ Сц.

Зона В - зона относительной стабильности профилактической стратегии, внутри которой колебания фактической периодичности (от Г₀ до Г₀) приводят к не­значительному изменению С\.\. Это допуск при планировании ТО, который обычно составляет ±10% от /₀.

В табл. 5.2 и на рис. 5.10 приведены результаты определения периодичности ТО рассмотренным методом при следующих исходных данных: х - 10 тыс. км; с_х = 3 тыс. км; с - 10 расчетных ед.; d = 2 расчетных ед.; распределение наработки до отказа - нормальное.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы.

а. Минимальные удельные затраты (Ci_i)_mi_n = 0,47 р.е./ЮОО км соответствуют оптималь­ ной периодичности ТО /₀ = 6 тыс. км.

б. Применение профилактической стратегии 1-1 с оптимальной периодичностью ТО сокращает удельные затраты по сравнению с ремонтом по потребности (II) в 2,1 раза (100 и 47%).

в. Отклонение от оптимальной периодичности сокращает эффективность профилакти­ ческой стратегии. Например, при L = х = 10 тыс. км затраты

• увеличиваются по сравнению с оптимальными в 1,5 раза (с 0,47 до 0,7);

• сокращаются по сравнению с ремонтной стратегией (И) примерно только на 30% (100 и 70%).

г. При постановке автомобилей на ТО целесообразно и реально интервальное плани­ рование периодичности. Например, при /_то = 4-^8 тыс. км затраты изменяются в пределах

(0,55 - 0,47)/0,47 = 0,17, или 17%.

д. При оптимальной периодичности риск отказа составляет 9,5%; F(x = 6 тыс. км) = = 0,095 (см. табл. 5.2). При увеличении периодичности по сравнению с оптимальной риск увеличивается (в пределе до 1), а при сокращении - уменьшается.

Таким образом, при профилактике наблюдается смешанная (I и II) стратегия обеспечения работоспособности.

В экономико-вероятностном методе, так же как и при определении оптималь­ной периодичности по безотказности, используют понятие коэффициента рацио­нальной периодичности

Экономико-вероятностный метод позволяет рассчитать рациональную перио­дичность ТО, исходя из заданного сокращения потока отказов в межосмотровые периоды, т.е. между двумя последовательными ТО. При наличии ограничений по безотказности

где к_ш = щ/щ - коэффициент заданного сокращения параметра потока отказов; C0i - параметр потока отказов при использовании предупредительной стратегии; со_п - то же, при устранении отказов по потребности.

Если в рассматриваемом примере задано сокращение параметра потока отка­зов при использовании предупредительной стратегии в 5 раз (£_ш = 0,2), то коэффи­циент рациональной периодичности определяется по формуле (5.9) и составит р₀ = = 0,48, а рациональная периодичность /₀ = 0,48 • 15,5 = 8,4 тыс. км. Необходимо под­черкнуть, что принятие дополнительных требований по безотказности сокращает рациональную периодичность по сравнению с использованием только экономи­ческих критериев.

Преимущества метода:

• учет вероятностных и стоимостных факторов;

• гарантия при проведении ТО с оптимальной периодичностью определенных уровней безотказности /?_д и риска F_A при известных затратах на реализацию этой стратегии;

• возможность реализовать предупредительный ремонт (замена важных для экологической и дорожной безопасности и экономичности деталей).

Основной недостаток - неиспользование ресурса элементов, которые имеют потенциальную наработку до отказа jc, > 2/_р (см. рис. 5.8). Эти элементы при /_р достаточно только контролировать (диагностировать), а исполнительскую часть операции производить при последующем ТО, т.е. при х = 2/_р. Таким образом, реа­лизуется стратегия 1-2, т.е. определение периодичности ТО экономико-вероят­ностным методом с учетом технического состояния.

Действительно, для части изделий, имеющих потенциальную наработку до

При данной тактике все изделия можно разделить на три группы:

• изделия, отказавшие с вероятностью F при наработке х < /_р (стратегия II);

• изделия, имеющие с вероятностью R_{ потенциальную наработку на отказ 2/_р > > л', > /_р. Если им не проводить ТО при /_р, то они с вероятностью R_{ откажут в интервале /_р-2/_р. Следовательно, этим изделиям при /_р необходимо вы­ полнить контроль стоимостью d_K и исполнительскую часть операции сто­ имостью d„, а разовая стоимость профилактической операции составит d_n =

= d* + ^_и;

• изделия, имеющие с вероятностью R₂ = 1 - F - R\ потенциальную наработку на отказ *, > 2/_р, для которых при /_р достаточно ограничиться контролем (d_K), a исполнительскую часть операции "отложить", по крайней мере, до наработки 2/_р. Для них стоимость профилактической операции d_n = d_K.

Удельные затраты при реализации тактики ТО по наработке (1-2)

Далее графически или аналитически (формула (5.10)) определяют оптималь­ную периодичность /_о2 и минимальные удельные затраты при реализации тактики

ке) и выбирается тактика, обеспечивающая работоспособность изделия (табл. 5.3).

Можно рассматривать изделия, которые потенциально потребуют выполне­ния исполнительской части при 3/_р, 4/_р и т.д. Это повысит требования к точ­ности контрольной части операции, увеличит ее стоимость d_K и серьезно услож­нит расчеты и организацию работ, не внеся значительных уточнений в их резуль­таты.

Дополнительные преимущества определения периодичности ТО экономико-вероятностным методом по состоянию изделия:

• более полное использование потенциального ресурса изделия;

• возможность увеличения периодичности ТО по сравнению с профилактикой по наработке (/_о2 > /_о0;

• возможность сокращения средней трудоемкости профилактической операции, так как ее исполнительская часть выполняется по потребности в зависимости от технического состояния.

Основной недостаток, вернее условие применения этой тактики, связан с ростом стоимости профилактической операции d₄ из-за более сложного и дорого­стоящего контрольно-диагностического оборудования и необходимости иметь персонал высокой квалификации.

Сферы применения:

• определение периодичности ТО дорогостоящих операций, оказывающих существенное влияние на безотказность, дорожную и экологическую безо­пасность автомобилей;

• разграничение сфер рационального использования профилактических тактик по наработке (1-1) и состоянию (1-2);

• оценка стоимости сокращения риска F возникновения отказа;

• определение эффективности использования и сравнения диагностического оборудования;

• оценка возможности применения предупредительного ремонта (замены) дета­лей, агрегатов, систем автомобиля;

• использование данного методического подхода при решении других задач ТЭА: определение размера запасов, численности персонала, пропускной спо­собности средств обслуживания, резервирования и т.д.