Dr hab. inż. Marek Młyńczak, prof. PWr.

WPROWADZENIE DO EKSPLOATACJI MASZYN

EKSPLOATACJA (wg PN-82/N-04001) jest to:

zespół

celowych

działań

organizacyjno-technicznych

i

ekonomicznych

ludzi

z obiektami technicznymi oraz wzajemne relacje występujące między nimi od chwili

przejęcia obiektu do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem aż do jego likwidacji.

Fazy życia obiektu technicznego

FAZA WARTOŚCIOWANIA

FAZA PROJEKTOWANIA

FAZA KONSTRUOWANIA

FAZA WYTWARZANIA

FAZA EKSPLOATACJI

POTRZEBA

hierarchizacja potrzeb, wybór
wariantu rozwiązania

koncepcja spełnienia potrzeby,
dobór cech konstrukcyjnych
(postać konstrukcyjna i układ
wymiarów)

realizacja celów

materialna synteza obiektu -
wytwór

KASACJA

odzysk materiałów

POTRZEBA implikuje określone wymagania (indywidualne, grupowe, społeczne) opisane

zbiorem cech C={c

i

} np.: funkcjonalność, niezawodność, sprawność, ekonomiczność,

dostępność tworzywa, technologiczność, łatwość użytkowania i obsługiwania,

ergonomiczność, zgodność normatywna, spełniony wymóg wtórnego obrotu materiału

(recycling).

Teoria eksploatacji

Eksploatacja ogólna (filozoficzna) - opis zjawisk eksploatacyjnych na gruncie prakseologii.

Analiza i synteza logiczna modeli ogólnych;

teoria organizacji, cybernetyka, logika, teoria mnogości, nauka o pracy, filozofia, historia

techniki.

Eksploatacja matematyczna - modelowanie matematyczne zjawisk eksploatacyjnych;

modele decyzyjne, programowanie, cybernetyka, teoria systemów.

Eksploatacja doświadczalna - badanie eksperymentalne zjawisk zachodzących podczas

eksploatacji; teoria eksperymentu, praktyczne modele decyzyjne, symulacja cyfrowa.

Eksploatacja techniczna

– modelowanie zjawisk eksploatacyjnych, teoria degradacji,

statystyka matematyczna, fizyka, podstawy konstrukcji maszyn.

Łańcuch działania jest łańcuchem użytkowania jeśli obiekt (maszyna, urządzenie) jest

pośrednikiem działania:

Ł

u

= <x, M, z>

z

M

x

wegiel

ladowarka

operator

Łańcuch działania jest łańcuchem obsługiwania jeśli obiekt (maszyna, urządzenie) jest

przedmiotem działania:

Ł

o

= <x, y, M>

M

y

x

samochód

mechanik klucz nasadowy

OBIEKT W EKSPLOATACJI

JEST UŻYTKOWANY LUB OBSŁUGIWANY

EKSPLOATACJA TO UŻYTKOWANIE I OBSŁUGIWANIE OBIEKTÓW

Systemowe ujęcie obiektu technicznego.

System jest zbiorem elementów i relacji zachodzących między nimi.

S= <E, R>

gdzie: E= {E

i

}, i= 1, 2, ...

R= {R

j

}, j= 1, 2, ...

Formalny opis modelu systemu eksploatacji

SE= <E

(SE)

, R

(SE)

> gdzie: SU= <E

(SU)

, R

(SU)

> , SO= <E

(SO)

, R

(SO)

>

Cybernetyczny model eksploatacji

SE

SO

SU





system zamknięty

SO

SU



w



z





z



w



SE

system

otwarty (rodzący się,

wymierający, pełnego przepływu)

INTENSYWNOŚĆ (przepływ w jednostce czasu): maszyn, urządzeń, narzędzi, materiałów

eksploatacyjnych, energii, kadry, dokumentacji, myśli technicznej, norm, finansów itp.

Intensywność w modelu ogólnym może mieć charakter: statyczny, niezmienny w czasie

(



,



= const. dla ustalonego



t lub (0-t)) lub dynamiczny (



(t),



(t)).

Proces eksploatacji urządzenia

Proces eksploatacji opisuje przebieg zmian stanów eksploatacyjnych w czasie.

t

t

3

o

t

2

o

t

1

o

t

4

u

t

3

u

t

2

u

t

1

u

E

u

E

o

stan

S

1

S

2

S

3

1 1 0
1 1 1
1 0 1



=

p

11

(t) p

12

(t) 0

p

21

(t) p

22

(t) p

23

(t)

p

31

(t) 0 p

33

(t)



=

Wskaźniki ocenowe procesu eksploatacji dla procesu dwustanowego:

Wskaźnik gotowości technicznej urządzenia:

k t

T t

T t

T t

T t

t

g

u

u

o

u

( )

( )

( )

( )

( )







Wskaźnik odnowy urządzenia:

k t

T t

T t

T t

T t

t

k t

o

o

u

o

o

g

( )

( )

( )

( )

( )

( )







 

1

EKSPLOATACJA TECHNICZNA

SYSTEM EKSPLOATACJI

PROCES EKSPLOATACJI

OBIEKT EKSPLOATACJI

BAZA

EKSPLOATACYJNA

OTOCZENIE EKSPLOATACJI

PROCESY STEROWANE

PROCESY NIESTEROWANE

- USZKADZALN

OŚĆ

- DEGRADACJA

LOGISTYKA UŻYTKOWANIA

I OBSŁUGIWANIA

PROCES OBSŁUGIWANIA

KADRA EKSPLOATACYJNA

PROCES UŻYTKOWANIA

ZARZĄDZANIE

EKSPLOATACJĄ

METODY

ZARZĄDZANIA

DIAGNOSTYKA

BADANIA

EKSPLOATACYJNE

Stan techniczny obiektu technicznego

Obiekt techniczny jest traktowany jako system względnie odosobniony sprzężony z

otoczeniem poprzez wymianę masy, energii i informacji.

Własności obiektu można opisać zbiorem cech mierzalnych i niemierzalnych.

Wybór cech uzależniony jest od celu analizy

CECHY

NIEMIERZALNE

MIERZALNE

POMIJALNE

MALO WAZNE

WAZNE

KRYTYCZNE

Cechy krytyczne (EOSJ) -

decydujące o bezpieczeństwie i nieodwracalnym zmniejszeniu

efektywności funkcjonowania.

Cechy ważne - decydujące o zagrożeniu dla obiektu lub istotnie wpływające na

efektywność funkcjonowania.

Cechy małoważne - nieistotnie lub odwracalnie wpływające na efektywność

funkcjonowania.

Cechy pomijalne -

nieistotne ze względu na funkcjonowanie obiektu.

Stan techniczny obiektu

oznacza się wektorem parametrów jego budowy oraz procesów w

nim zachodzących: roboczych, pomocniczych i resztkowych: C(t) = [c

1

(t), c

2

(t), ... , c

m

(t)]

t

Graniczny poziom zużycia

górny

c(t)

Graniczny poziom zużycia

dolny

Wartość wymagana

Zmiany własności zachodzące w eksploatacji:



trwałe,



odwracalne (samoodwracalne, odnawialne).

Uszkodzenie jako skutek przekroczenia wytrzymałości

Zmienna losowo wytrzymałość

Proces losowy

stała wytrzymałość

ciągły

skokowy

sta

łe

o

b

ciąże

n

ie

np. starzenie

np. zmienna temp.

Zm

ien

n

e

lo

so

wo

na

p

rę

że

n

ie

P

roce

s lo

so

wy

ciąg

ły

np. uszk. katastrof.

Utrata wytrz. przy
skokach obc.

uszk. zmęczen.

sko

ko

wy

ruch przeryw.

utrata wytrzym.

zmęczenie, obc.
okresowe

Klasyfikacja procesów zużycia elementów maszyn

PROCESY ZUŻYCIA

ELEMENTÓW MASZYN

TECHNICZNE

PROCESY ZUŻYCIA

KOROZYJNE

PROCESY ZUŻYCIA

TRIBOLOGICZNE

PROCESY ZUŻYCIA

EROZYJNE PROCESY

ZUŻYCIA

PROCESY DORAŹNE

(ZUŻYCIE ŚCIERNE)

PROCESY

PRZYGOTOWANE

MIKROSKRAWANIE

RYSOWANIE

BRUZDOWANIE

ŚCINANIE

NIERÓWNOŚCI

ODRYWANIE

NIERÓWNOŚCI

ZUŻYCIE

ADHEZYJNE

ZUŻYCIE PRZEZ

UTLENIANIE

PROCESY

ZMĘCZENIOWE

PITTING

(cykl. napr. kontakt.)

FRETTING

(cierno-korozyjne

SCUFING

(adhezyjne i ścierne)

SPALLING

(łuszczenie zmęcz.)

W STRUMIENIU

CZĄSTEK STAŁYCH

W STRUMIENIU

CIECZY

W STRUMIENIU

CIECZY Z CZĄSTK.

STAŁYMI

ZUŻYCIE

KAWITACYJNE

ZUŻYCIE

ELEKTROEROZYJNE

ZUŻYCIE NA SKUTEK

SUBLIMACJI I

JONIZACJI

PROCESY KOROZJI

CHEMICZNEJ

PROCESY KOROZJI W

RÓŻNYCH

ŚRODOWISKACH

PROCESY KOROZJI

ELEKTROCHEMICZNEJ

Tribologiczne procesy zużycia

Rysowanie

obserwuje się jako rozsmarowywanie miękkiego materiału na twardszym, tak

jak to można zaobserwować rysując kredą po tablicy. Jedna z powierzchni zużywa się
intensywnie, podczas gdy na drugiej narasta warstwa materiału przeciwpowierzchni.
Obraz bruzdowania podobny jest do tw

orzących się bruzd po przejeździe koła po błocie

pośniegowym lub po przejeździe roweru po piasku. Miękki materiał ulega w tym przypadku
plastycznej deformacji, co może być widoczne jako zagłębienie oraz wypiętrzenie brzegów
bruzdy.

Ścinanie i odrywanie nierówności w efekcie końcowym mogą pozostawić podobny obraz,
jednak mechanizm tych zjawisk jest odmienny. Ścinanie nierówności może być podobne
do skrawania, przy czym dotyczy to tylko najwyższych nierówności. Nierówności zostają
ścięte twardszymi nierównościami przeciwpowierzchni. Odrywanie nierówności może
natomiast zachodzić podczas sczepiania (zespawania) nierówności z przeciwpowierzchnią
lub odrywania nierówności u jej podstawy jak podczas zginania belki obciążonej na końcu
siłą skupioną.
Procesy przygotowane -

pierwotnym źródłem jest pękanie zmęczeniowe.

Spalling

jest procesem zużywania przez łuszczenie powierzchni współpracujących na

sucho (np. koło-szyna). Powtarzające się duże naciski powodują odwarstwianie się łusek
materiału na skutek miejscowego przekraczania dopuszczalnych obciążeń i korozji.

Pittnig jest zjawiskiem obserwowanym w smarowanych powierzchniach tocznych np. w
łożyskach tocznych, w postaci oddzielających się cząstek materiału bieżni lub kulek.
Drobiny te powstają w wyniku długotrwałego, powtarzającego się silnego nacisku
powierzchni i pows

tawaniu mikroszczelin rozklinowywanych z kolei działaniem

wnikającego oleju smarującego. Oddzielone drobiny materiału są zwykle rozwalcowywane
w kolejnych obrotach łożyskach i widoczne jako metaliczne płatki.

Fretting

to zużywanie mocno obciążonych przeciwpowierzchni trwale zespolonych ze

sobą jednak umożliwiających względne mikro-ruchy (np. połączenia nitowanie, śrubowe,
złącza wpustowe). Głównymi czynnikami starzeniowymi jest tu sczepianie adhezyjne i
utlenianie spowodowane wysokimi naprężeniami w warstwie wierzchniej. Cząsteczki
współpracujących powierzchni sczepiają się adhezyjnie i na skutek mikrodrgań odrywają i
utleniają. Na skutek takich zjawisk warstwa wierzchnia osłabia się i traci swoje własności.

Scuffing jest procesem mikrospawania i przenosz

enia materiału obserwowanym przy

głowie lub stopie zębów. Chwilowe przerwanie filmu smarowego i wysokie obciążenie
powoduje miejscowy wzrost temperatury i zespawanie cząstek współpracujących zębów a
następnie wyrwanie jednej z nich. Intensywność procesu zależy od wielkości nacisków,
względnego poślizgu, stanu powierzchni i warunków smarowania.

KLASYFIKACJA OBSŁUGIWANIA

po uszkodzeniu

OBSŁUGIWANIE

KOREKCYJNE

Zdeterminowane

OBSŁUGIWANIE

PROFILAKTYCZNE

przed uszkodzeniem

Monitorowanie

stanu i kontrola

Odnowa lub

wymiana

prewencyjna

Test

funkcjonalności

Świadome

użytkowanie do

uszkodzenia

U

żytkowanie

do losowego
uszkodzenia

W oparciu

o stan obiektu

czyszczenie, smarowanie, regulacja, kalibracja, naprawa, wymiana

Czy OK

Czy OK

nie

nie

OBSŁUGIWANIE

Ocena wyboru strategii
Ocena taka opiera się na ocenie całkowitych efektów działania systemu OEE (Overall
Equipment Efectiveness), która uwzględnia gotowość, wydajność i jakość działania w
postaci iloczynowej:

𝑂𝐸𝐸 = 𝐴𝑉𝐴𝐼𝐿𝐴𝐵𝐼𝐿𝐼𝑇𝑌 ∗ 𝑃𝐸𝑅𝐹𝑂𝑅𝑀𝐴𝑁𝐶𝐸 ∗ 𝑄𝑈𝐴𝐿𝐼𝑇𝑌

gdzie: AVAILABILITY

jest gotowością techniczną,

PERFORMANCE

jest wskaźnikiem wydajności użytkowej

(wskaźnik wykorzystania czasu użytkowania),

QUALITY

określa udział błędów (wad produkcyjnych, błędnych

cykli pracy) w całkowitej liczbie sztuk lub cykli.

Ocenia się, że oczekiwana (przeciętna światowa) wartość OEE wynosi, uwzględniając
odpowiednio poszczególne czynniki iloczynu:

𝑂𝐸𝐸 = 0,90 ∗ 0,95 ∗ 0,999 = 0,85

Modyfikacja uwzględniająca bezpieczeństwo

𝐶𝐸𝑀 = 𝐺𝑂𝑇 ∗ 𝑊𝑌𝐾 ∗ 𝐽𝐴𝐾 ∗ 𝐵𝐸𝑍𝑃

gdzie: CEM-

całkowita efektywność obiektu mechanicznego

w eksploatacji,

GOT-

wskaźnik gotowości technicznej obiektu,

WYK-

wskaźnik wykorzystania obiektu,

JAK-

wskaźnik jakości produkcji/usługi,

BEZP-

wskaźnik bezpiecznego działania, 𝐵𝐸𝑍𝑃 = 1 −

𝐾𝑆

𝐷𝐸

,

KS- koszt strat i

odszkodowań w okresie badań,

DE-

dochód w okresie badań.

Źródła poprawy efektywności eksploatacji:



wydłużenie czasu, lub innej miary pracy, między obsługami profilaktycznymi,



ograniczanie nieplanowych wyłączeń i uszkodzeń,



eliminacja braków materiałów niezbędnych w użytkowaniu obiektu,



skrócenie czasu niezdatności wynikającego z czasu obsług profilaktycznych i napraw,



skrócenie czasu niezdatności wynikającego z czasu obsługiwania pasywnego
(oczekiwanie na obsługę),



skrócenie czasu użytkowania pasywnego i jałowego,



zwiększenie intensywności użytkowania (operator, zasilanie, stopień zużycia i jakość
obiektu),



aktywizacja i motywacji eksploatatorów do wykonywania pracy zgodnie z najwyższymi
standardami jakościowymi,



włączenie polityki bezpiecznego działania do rutynowych działań eksploatacyjnych,



wprowadzanie środków bezpieczeństwa celem ograniczania częstotliwości i wielkości
skutków zdarzeń niepożądanych.