ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE. Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych

Transkrypt

1 ISSN ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE OBSŁUGIWANIE MASZYN I URZĄDZEŃ OKRĘTOWYCH OMiUO 2005 Mariusz Chalamoński Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych Słowa kluczowe: diagnozowanie, układ hydrauliczny, koparka, podatność diagnostyczna, koszty diagnozowania W artykule opisano problematykę podatności diagnostycznej na przykładzie układów hydraulicznych koparek. Przedstawiono wskaźniki podatności diagnostycznej, które można wykorzystać do oceny ekonomicznej efektywności systemu diagnostycznego. Przedstawiono efekty ekonomiczne wprowadzanego systemu diagnostycznego. Economic Aspects of Technical Diagnosis of Hydraulic Systems Key words: technical diagnosis, hydraulic systems, excavator, diagnostic susceptibility, cost of diagnosing This paper presents aspects of diagnostic susceptibility illustrated with hydraulic systems of excavators. The presented factors of diagnostic susceptibility are used for the estimation of economic effectiveness of technical diagnosis. 167

2 Mariusz Chalamoński Wstęp Maszyny dzieli się na dwie grupy: silniki, będące urządzeniami przetwarzającymi energię z dowolnej postaci na energię mechaniczną potrzebną do napędu innych maszyn; maszyny robocze, będące urządzeniami o różnym stopniu złożoności, pobierającymi energię mechaniczną od silników w celu wykonania ściśle określonej pracy. Warunki bezpieczeństwa i higieny pracy podczas eksploatacji maszyn i innych urządzeń technicznych do robót ziemnych, budowlanych i drogowych zawarte są w rozporządzeniu Ministra Gospodarki dnia 20 września 2001 r. opublikowanym w Dzienniku Ustaw Nr 118, poz Maszyny robocze pracują często w ekstremalnych warunkach. Duże obciążenie (często są przeciążane) oraz niekiedy skrajne warunki środowiska (temperatura, wilgotność i zapylenie powietrza) przyczyniają się do zwiększonego ryzyka uszkodzenia podzespołów np. w wyniku zwiększonego tarcia, które może wyeliminować maszynę roboczą z eksploatacji i tym samym przyczynić się do powstawania strat. Obciążenia oddziaływujące na maszyny robocze z grup: I, II oraz IV mają przeważnie charakter złożony oraz stochastyczny. Charakter obciążeń ma istotny wpływ na trwałość podukładów maszyn i stanowi utrudnienie w procesie diagnozowania niektórych układów np. układów napędowych, hydraulicznych czy sterowania. Badania maszyn roboczych przeprowadzane są we wszystkich fazach istnienia maszyn. Przedmiotem badań mogą być: poszczególne elementy, podzespoły, zespoły, układy lub całe maszyny. Zakres badań, które powinny być planowane i organizowane w zależności od potrzeb obejmuje [1]: 168 określenie zgodności parametrów technicznych roboczych z założeniami konstrukcyjnymi i technologicznymi, określenie zgodności z dokumentacją techniczną, badania ergonomiczne, badania stateczności maszyny, badanie trwałości podzespołów elementów, badania wydajności maszyny, badania właściwości trakcyjnych samobieżnych maszyn roboczych, badania wytrzymałości poszczególnych węzłów konstrukcyjnych, badania przebiegu obciążeń, badania dynamiki ruchu, badania ekonomiki eksploatacji, badania podatności diagnostycznej,

3 Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych badania na znak jakości, badania na zgodność z wymogami dozoru technicznego. 1. Podatność diagnostyczna układów hydraulicznych maszyn roboczych Własność charakteryzująca przystosowanie maszyny roboczej i metod diagnostycznych do prowadzenia badań diagnostycznych, to jest realizacji procesu diagnostycznego, czyli ciągu operacji zmierzających do uzyskania informacji umożliwiających wypracowanie decyzji diagnostycznych nazywamy podatnością diagnostyczną. W przypadku maszyny roboczej stanowiącej złożony system techniczny mówimy o podatności diagnostycznej systemu diagnostycznego składającego się z dwóch podsystemów: podsystemu diagnozowania, podsystemu diagnozującego. Dla układu hydrauliki maszynowej, będącego jednym z podsystemów technicznych maszyny roboczej, system diagnostyczny traktowany jest jako część składowa systemu diagnostycznego całej maszyny. Z uwagi na specyfikę, podatność diagnostyczną układów hydrauliki maszynowej można rozpatrywać oddzielnie od podatności diagnostycznej całej maszyny roboczej. Podatność diagnostyczna określa właściwości układów maszyny roboczej, związane z ich niezawodnością, warunkami eksploatacji i systemem obsługiwań, charakteryzujące przystosowanie układów, ich zespołów i mechanizmów oraz metod i środków do diagnozowania. Zgodnie z powyższym w skład podatności diagnostycznej maszyn roboczych wchodzą: diagnozowalność, technologiczność diagnostyczna. Podstawą do oceny diagnozowalności układów maszyny roboczej jest przede wszystkim model diagnostyczny układu i algorytm diagnozowania. Diagnozowalność wyraża się poprzez: możliwe do wykorzystania metody i środki diagnozowania; skuteczność i wiarygodność metod diagnozowania, np. przyjętego algorytmu diagnozowania; stopień automatyzacji działań diagnostycznych; współdziałanie diagnozowania ze sterowaniem obiektu. Diagnozowalność można ocenić przy pomocy następujących wskaźników: wiarygodności algorytmu diagnozowania, 169

4 Mariusz Chalamoński uniwersalności metody diagnozowania, stopnia unifikacji parametrów sygnałów diagnostycznych, wskaźnika informacyjności parametrów diagnostycznych. Technologiczność diagnostyczna jest związana przede wszystkim z właściwościami maszyny roboczej i można ją określić przy pomocy wskaźników podatności, takich jak: dostępność do miejsca diagnozowania, łatwość podłączenia środków diagnozy, możliwość diagnozowania bezdemontażowego, skuteczność (pewność) diagnozowania, komfort (ergonomiczność) pracy, wyposażenie w czujniki sygnałów diagnostycznych maszyny roboczej na etapie wytwarzania, bezbłędność podłączenia urządzeń diagnostycznych, unifikacja punktów pomiarowych (gniazd diagnostycznych), liczba punktów pomiarowych i ich usytuowanie. Współczesne maszyny robocze charakteryzują się wysokim poziomem podatności diagnostycznej, przy czym wybór metod i środków diagnozowania zastosowanych w konkretnej maszynie roboczej zależy przede wszystkim od następujących czynników: czy maszyna robocza jest wytworem seryjnym, czy też wytworem jednostkowym; poziomu hierarchii maszyny roboczej w realizowanym procesie technologicznym; sposobu użytkowania maszyny (w procesie ciągłym czy okresowo); wymaganego poziomu niezawodności maszyny roboczej; stopnia złożoności konstrukcji maszyny; kosztów maszyny roboczej Ekonomiczne wskaźniki podatności diagnostycznej Średnia pracochłonność przygotowania układu hydraulicznego do diagnozowania T p : T = T + T (1) p pc T pc średnia pracochłonność zamontowania i wymontowania czujników i innych urządzeń niezbędnych do diagnozowania, pm 170

5 Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych T pm średnia pracochłonność czynności montażowo-demontażowych w układzie hydrauliki maszynowej, wykonywanych w celu umożliwienia dostępu do punktów kontrolnych i doprowadzenia układu hydrauliki maszynowej do stanu przed diagnozowaniem Wskaźnik pracochłonności przygotowania układu hydrauliki maszynowej do diagnozowania K prd : K prd Tp = 1 (2) T T p średnia operacyjna pracochłonność przygotowania układu hydrauliki maszynowej do diagnozowania, T d średnia operacyjna pracochłonność diagnozowania układu hydrauliki maszynowej Względny wskaźnik pracochłonności diagnozowania K Td : d K td k l i= j= T dij = 1 1 (3) L T dij pracochłonność i-tego diagnozowania j-tego parametru, L okres pracy samojezdnej maszyny roboczej, k ilość diagnozowań j-tego parametru, l ilość diagnozowanych parametrów Koszt diagnozowania układu hydrauliki maszynowej C d : C = C + C + C + C + C + C + C (4) d pod psd bd C pod koszt przygotowania układu hydrauliki maszynowej do diagnozowania, C psd koszty pośrednie diagnozowania, C bd koszty bezpośrednie diagnozowania, C zd koszty prac montażowych i dodatkowych po przeprowadzeniu diagnozowania, C md koszty materiałów zużytych podczas diagnozowania, zd md wd aa 171

6 Mariusz Chalamoński C wd koszty wnioskowania diagnostycznego, C aa koszty amortyzacji aparatury diagnostycznej Koszt przygotowania układu hydrauliki maszynowej do diagnozowania C pod : C = T C ( 1 k ) (5) pod p h + T p średnia pracochłonność przygotowania układu hydrauliki maszynowej do diagnozowania (w roboczogodzinach), C h średni koszt roboczogodziny, k w współczynnik kosztów warsztatowych Koszty pośrednie diagnozowania C psd : w C psd = t C (6) p ph t p czas przestoju układu hydrauliki maszynowej spowodowany przez diagnozowanie, C ph koszt godziny przestoju diagnozowanego układu hydrauliki maszynowej Koszty bezpośrednie diagnozowania C bd : C bd = k l T dij i= 1 j= 1 C hd (7) C hd koszt roboczogodziny diagnozowania (stawka godzinowa diagnosty) Koszt zakończenia diagnozowania C zd : T z C = T C ( 1 k ) (8) zd z h + średnia pracochłonność czynności demontażowo-montażowych po zakończeniu diagnozowania. w 172

7 Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych Koszty materiałowe diagnozowania C md : C k l md = tdij ( Cej + Cmj + Cdj ) i= 1 j= 1 (9) t dij czas i-tego diagnozowania j-tego parametru, C ej koszt energii zużytej przy diagnozowaniu j-tego parametru, C mj koszt zużytych materiałów, C dj inne koszty dodatkowe Koszty wnioskowania diagnostycznego C wd : Cwd = υ Cd ( 1+ k ' wd ) (10) υ współczynnik udziału kosztów wnioskowania w ogólnym koszcie diagnozowania, ' C d suma kosztów diagnozowania bez C wd, k wd współczynnik kosztów dodatkowych związanych z opracowaniem danych, kosztami transportu, uzyskaniem dochodu itp Koszty amortyzacji aparatury diagnostycznej C aa : C C t δ (11) aa = ah wa C ah koszt roboczogodziny pracy aparatury, t wa czas wykorzystywania aparatury w diagnozowaniu, δ współczynnik intensywności wykorzystywania aparatury (δ 1) Względny wskaźnik kosztów diagnozowania K Cdw : Cd KCdw = L (12) Uogólniony wskaźnik kosztów diagnozowania K Cd : 173

8 Mariusz Chalamoński K Cd Cd = (13) C + C d C To sumaryczne koszty obsługiwań i napraw, odniesione do określonej liczby godzin pracy samojezdnej maszyny roboczej. Podane ekonomiczne wskaźniki podatności diagnostycznej nie wyczerpują możliwości stosowania innych wskaźników, nie wszystkie są też jednakowo przydatne w praktyce. Stosowanie wybranych wskaźników podatności diagnostycznej jest uwarunkowane ogólnym poziomem i zakresem wprowadzania diagnostyki dla poszczególnych faz istnienia maszyn roboczych. Odnosi się to głównie do fazy projektowania i konstruowania oraz eksploatacji. Część wskaźników podatności diagnostycznej może być oceniana na etapie konstruowania maszyny roboczej i ich wartości powinny być stymulatorem do podwyższania podatności diagnostycznej maszyny roboczej, a w następstwie jej jakości eksploatacyjnej. To 2. Wyniki badań W Katedrze Maszyn Roboczych i Pojazdów Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy przeprowadzono badania mające na celu określenie celowości wprowadzania systemu diagnostycznego układów hydraulicznych w grupie kontrolnej 16 koparek. Jak wynika z przeprowadzonych badań, w praktyce eksploatacyjnej nie diagnozowano (lub diagnozowano wyrywkowo) układów hydraulicznych, czego dowodem jest fakt, iż prawie 63% uszkodzeń ujawnianych było w trakcie bieżącej eksploatacji. Podczas przeglądu codziennego ujawniano najczęściej nieszczelności zewnętrzne (wycieki oleju hydraulicznego) oraz mechaniczne uszkodzenia przewodów elastycznych (rys. 1). Brak systematycznego diagnozowania układów hydraulicznych na pewno był jedną z podstawowych przyczyn wysokich kosztów eksploatacji. Następne wyniki badań (rys. 2), potwierdzają brak organizacji i planowania polityki remontowej. Czas balastowy w ilości 52% całego czasu postojowego, spowodowanego uszkodzeniem elementu układu hydraulicznego, w połączeniu z brakiem systematycznego diagnozowania, wskazuje na niską jakość przeprowadzanych napraw i brak polityki remontowej. Użytkowanie przeprowadzane było bez wyraźnej strategii eksploatacji (od uszkodzenia do uszkodzenia). 174

9 Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych Przegląd codzienny 27,8% Przegląd okresowy 9,5% Bieżąca eksploatacja 62,7% Rys. 1. Moment ujawnienia uszkodzenia Fig. 1. Moment of observing a failure Czas wymiany uszkodzonego elementu 34,0% Czas próby po naprawie 6,0% Czas balastowy 52,0% Czas zlokalizowania uszkodzenia 8,0% Rys. 2. Składniki czasu usuwania uszkodzenia elementów Fig. 2. Components of failure repair time Około 70% niezdatności układów hydraulicznych koparek (zatarcie elementów) spowodowana została zanieczyszczeniem cząstkami stałymi cieczy roboczych. Pozostałymi przyczynami niesprawności są: przedwczesne zużycie elementów (pomp, zaworów, rozdzielaczy, przewodów), zmęczenie materiału, uszkodzenie mechaniczne przewodów elastycznych, oraz przeciążenie układu (rys. 3). Wprowadzenie systematycznego nadzoru diagnostycznego spowodowało wyraźny spadek dynamiki uszkodzeń elementów układów hydraulicznych (rys. 4). Dzięki nadzorowi można było uniknąć uszkodzeń, poprzez rozpoznawanie stanów przedawaryjnych systemu, a co za tym idzie, obsługiwanie i wymianę zużytych elementów można było dokonywać w momencie, kiedy koparka nie pracowała. Kontrola klasy czystości cieczy roboczej spowodowała spadek uszkodzeń spowodowanych zatarciem elementów, przede wszystkim sterujących (rozdzielaczy), również można było na bieżąco kontrolować stan pomp hydraulicznych i siłowników. 175

10 Mariusz Chalamoński Zużycie 12% Przeciążenie 8% Zanieczyszczenie cieczy roboczej 70% Inne 10% Rys. 3. Podział przyczyn uszkodzeń elementów układów hydraulicznych Fig. 3. Classification of failures of the hydraulic system elements Koparki pracujące bez nadzoru diagnostycznego Koparki diagnozowane co 250 mth mth Rys. 4. Porównanie dynamiki uszkodzeń układów hydraulicznych Fig. 4. Comparison of dynamics of hydraulic systems failures Porównując dynamikę wzrostu nakładów na diagnozowanie (rys. 5), widać wyraźny wzrost kosztów w pierwszym okresie (lata ), wynikający z konieczności dostosowania układów hydraulicznych koparek do diagnozowania określenie punktów diagnostycznych, przekonstruowywanie wybranych odcinków instalacji hydraulicznej, instalowanie końcówek diagnostycznych itp. W późniejszym okresie dynamika nakładów maleje i jej wzrost spowodowany jest przede wszystkim wysoką inflacją, jaka panowała w ówczesnych latach. Wprowadzenie systematycznej kontroli czystości cieczy roboczej oraz stanu technicznego wybranych elementów układu hydraulicznego (pomp i siłowników) pozwoliło ograniczyć ilość awarii systemów hydraulicznych i ograniczyć czas postoju spowodowany uszkodzeniem elementów i ich wymianą. 176

11 Ekonomiczne aspekty diagnozowania układów hydraulicznych maszyn roboczych Koszty diagnozowania Koszty eksploatacji Rys. 5. Porównanie dynamiki wzrostu kosztów diagnozowania układów hydraulicznych z dynamiką wzrostu kosztów eksploatacji w kontrolowanej grupie koparek hydraulicznych Fig. 5. Cost increase dynamics concerning diagnosing of hydraulic systems compared to opera- tional costs increase dynamics Zmniejszona awaryjność systemów hydraulicznych przyczyniła się wyraźnie do obniżenia kosztów eksploatacji diagnozowanych koparek i pozwoliła na wprowadzenie elementów racjonalnej ich eksploatacji (eksploatacja według stanu technicznego) oraz umożliwiła planowanie gospodarki remontowej koparek. Literatura 1. Borkowski W., Konopna S., Grochowski L., Dynamika maszyn roboczych, WNT, Warszawa Chalamoński M., Contaminations in hydraulic systems of combine harvesters, ICAE, Mediolan Chalamoński M., Diagnozowanie układów hydraulicznych maszyn roboczych, Wydawnictwo ATR, Bydgoszcz Chalamoński M., Diagnozowanie układów hydrauliki maszynowej samobieżnych maszyn roboczych, 52 Konferencja Wyższe Szkoły Techniczne Republice, Rep. Białoruś, Mińsk Chalamoński M., Dulcet E., Podatność diagnostyczna układów hydraulicznych ciągników kołowych, ICAE, Madryt

12 Mariusz Chalamoński Recenzenci dr hab. inż. Piotr Bielawski, prof. AM dr hab. inż. Cezary Behrendt Adres Autora dr hab. inż. Mariusz Chalamoński, prof. ATR Akademia Techniczno-Rolnicza Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska Katedra Inżynierii Sanitarnej i Wodnej ul. Grodzka 18/20, Bydgoszcz Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r. 178