Geum.ru
Темы диссертаций по экономике » Экономика стандартизации и управление качеством продукции

Разработка метода прогнозирования технического состояния изделий в процессе эксплуатации на основе обучения по изделиям аналогам (на примере паропроводов станций теплоэнергоснабжения) тема диссертации по экономике, полный текст автореферата



Автореферат



Ученая степень кандидат технических наук
Автор Калинкин, Юрий Львович
Место защиты Москва
Год 1990
Шифр ВАК РФ 08.00.20

Автореферат диссертации по теме "Разработка метода прогнозирования технического состояния изделий в процессе эксплуатации на основе обучения по изделиям аналогам (на примере паропроводов станций теплоэнергоснабжения)"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ШРАЗШИЮ КАЧЕСТВОМ ПРОДЩИЯ И СГДДАР1АМ ГОССТАНДАРТ ВСЕСОЕВНЬИ НЛУЧНО-ИССЩОВАТЕЛЬОКИЙ ЙНСТИТУТ ПО НОРМАЛИЗАЦИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ ВНйИНМАИ

На правах рукописи

КАШМН ЕРИЙ львсвга

УДК 62-19:629.12 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗЙРОБАДОЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЩЦЕШ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ПА ОСНОВЕ ОБУЧЕНИЯ ПО ИЗДОИШ АНАЛОГАМ (НА ШВДЕРЕ ПАРОПРОВОДОВ СТАНЦИЙ ШЛОЭНЕРГОСНАЕЖЕНШ)

0В.00.20

Стандартизация и управление качеством продукции

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

{ / ^А? )

ОБЩАЯ ШЖГЕРЖТШ. РАБОТЫ Актуальность работа

В основных: направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 года и на период да 2000 года поставлена задача повысить надежность отечественной техники в 2 раза. В настоящее время из-за низкой надежности затраты на ре-Х монт техники достигает милиардов рублей* В 1985 году объемы ремонтных работ в энергетике- возросли ка. 4СЙ по сравнен!о с 1975 годои. Более- 100 мн.хзт. установленных в СССР энергетических мощностей езсегодда подвергается капитальному и среднему ремонту, затраты наг которые составляют более 1,5 мрд.рублей.

Оггь;т эксплуатация, эяергообсрудования свадетельствует о том, что для поддержания регзаыенптруеиыг показателей надежности: и договечности энергаоборудования. на доланом,уровне все чаще применяется методология, основанная- на применении' простого увеличения объемов контроля и. оокрадения ыеяремонтжх периодов. При этом нередко увеличение объемов работ происходит за счет директивных тотальных проверок всего парка типовые элементов энергооборудования, иногда на'оснований единичного факта отказа. ' Д - '

Альтернативным путей является назначение объемов контроля и ремонта по фактическому состоят отдельного изделия с обязательной прогнозной оценкой остаточного ресурса.

Проблема прогнозирования остаточного ресурса особо актуальна для крупных энергетических установок, тепловых и атомных станций тепло и энергоснабжения. Они являются ответственными объектами, содержат напряженные элементы, которые при аварии могут стать источником поветенной опасности для ладей и окруха-щей среда. Поэтому для них совершенно нз допустима ориентация

ка оценку надеакости генеральной совокупности однотипных элементов. Перспективно применение методов Евдиведуадького прогнозирования в практике эксплуатации автомобилей, судов и сельскохозяйственной техники.

Сказанное доказывает необходимость разработки метода индивидуального прогнозироваши изменения технического состояния на этапе эксплуатации изделия..

Цель работы - разработка и стандартизация нового метода индивидуального прогнозировании изменения технического состояния изделий в процессе эксплуатации, позволявшего использовать унифицированную прогксзарувяуо функцию Ери неизвестной .модели исчерпания ресурса.

Область риишеюш .метода ~ яздедкя, потеря работоспособности которых обусловлена достеленным дараыетричесыш'отказом, Х а исчерпание ресурса - с процессами накопления повреждений м, в той числе, процессом позучести металов.

Задатда исследования. 2*. Анализ математических методов прогнозирования случайных процессов; методов прогнозирования позучести; судествущих НЦ по прогнозированию; систем технического дкагносгвроьанвд. 2. Разработка метода ивдивадуааь-ного прогнозироваяия измененкл технического состояния изделий, основанного на процедуре обучения с использованием данных об изменении технического состояния кздеяиЯ-еналогав. 3. Разработка методических материалов, аггоритма и программной реализаций метода на ЗШ. 4. Исследование эффективности разработанного метода. 5. Разработка в внедрение метода прогнозирования остаточного ресурса паропроводов ТЭЦ.

{етодика исследования. В основе проведенных исследований лек&т положения теории стандартизации и управления качеством продукции, теории надежности, фа доведении теоретических ис-

следований использовасяаппарат высшей агебры, теории вероят-

ности, статистического моделирования. Для практической реализации широко применялись метода к средства вычислительной техника. Разрабаташ агоритмы и их програшная реализация на ДЕС-совиестииой технике.

Научная новтаяги Научнал новизна результата а работы состоит в следуюпрэ* I. Разработан иетод ивдюящуадьнога прогнозирования для оперативной оценки изменения темическсго состояния изделий во ареин эксплуатации, основанный яа процедуре обучения, которая- осуществляет адаптацяв-настройку унифицированной прогнозирующей фуннцшг. на действущий ивхашш исчерпания ресурса .без определения его исдеяа. Предложит унифицированные прогнозируетйл функция я. процедура, обучения, позволяющее прогнозировать процесс изменена* технического состояния бег определенна модели его описания- 3. Разработана оригинальная процедура обучения- ш адаптащщ-настройке прогноз ирувдей функции на. действуете механази исчерпания ресурса- 4. Определен широкий класс процессов л нздела, для которых, коэффициента прогнозирупцвй дунацшг инвариантна по ансамблю изделий-аналогов, что и обуславливает эффективность данного метода. 5 Определены мадеиш процессов описания изменения технического состояния, в рамках- которых для определения коэффициентов прогноз мруидей функции иожно использовать разнородную по зре-ыени и условиял' эксплуатации инфоркацио.

Практическая ценность. I. Разработан метод индивидуальна-га прогнозирования изменения технического состояния изделий в процессе эксплуатации, для использования которого .необходимы лишь данные об изменении технического состояния с изделий-аналогов^ В качестве которых служат изделия-одного наименования с прогнозируемым и эксплуатировавшихся а одних с нии режимах.

2. Применение разработанного иетода позволяет исключить проведение допонительное исследований, связанных с определением модели описания изменения технического состояния, которая традиционно используется в качестве прогнозирующей функции

3. Разработаны методические рекоыеццшда по рименепвд метода, формализованный агоритм проведения прогноза а его программная реализация на аШ, которые входят в програаино-иетодический кэнлсхс общехеаоппшекого характера- 4. Примеиенке метода индивидуального прогнозирования необходимо при переходе к более совершенной по сравкеаио с системой планзво-щ>едуцредитедьных ремонтов системе организации ргзшнтшго обслуживания по фактическому состояние, л рамках которой метод гадшщуааьного црогнозярования используется для назначения периодичности и объемов контроля к назначения межремонтных периодов и позволяет уыеньгшть дол изделий преядевреыеняо ремоятируеаьос, способствует предупреждению аварий.

Реализации в прсмшиенности. Разработана специализированная методика к прэгряшвое средство но прогнозированию остаточного ресурса паропроводов на энергояреаприятик- Применение разработанного метода для прогнозирования иаменения технического состоящая паропроводов позволило повысить точность прогноза в 3 раза пс сравнение с традиционно применяемым.

Метод внедрен на Сормовской ТЭД г.Горького. Экономический эффект, подтеернденнкй актом о внедрении, составил ICI тыс. рублей.

Апробация. Диссертация рассмотрена на заседашшх НТС Горькозскаго филиала ШШШШ (февраль 1990г.); ВЙИИ2Ш! (июнь 1990г.) v Основные результаты диссертационной работа обсундены на научно-технических конференциях и cstuapsx: 6 Всесовзная ьоа^ерекция "Проблемы астрологического обеспевенкя снстеи обра

ботки измерительной информации" (Москва, 1967г.); Всесоюзная конференция "Повышение гк^фективности эксплуатации машин и оборудования на основе стандартизации* (Горький 1987г.); Всесоюзные конференции молодых ученых и специалистов ГОССШЩАРГа '(Львов, 1985г.,' Казань, 1987г.); научно-техническая конференции "Стандартнаация качества и надежности промышленной продукции" (Горький, 1989г.); Всесоюзное совещание "Совершенствование технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации* (Горысий, 1989г.); Всесоюзный семинар "Современные проблемы надежности к стандартизации" (Ыосвсва, 1989г.); Всесоюзный семинар "Вероятностно-физические метода расчета нздез-ности машин и аппаратуры" (Киев, 1990г.); семинары в 30 и 31 отделах ВНИИНМП (осква^. 1990г.); семинары дяа представителей промышленности в центре научда-техничесаой пропаганды (Горький, 1986-1989г.).

Публикации.. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ.. В том числе 4 статьи, 8 тезисов докладов, I методический документ межотраслевого характера.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаз, двух' приложений содержат 109 страниц машинописного текста, 7 рисунков, 12 таблиц,, список: литературы 98 наименований.

аЭДЕЕМШ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы, поставлены цели и обоснована программа исследований, сформулированы основные положения, выдвигаемые на защиту, отрааены научная новизна и практическая ценность результатов работы. '

В первой гдаве дан обзор математических методов прогнозирования процессов с точки зрения получения индивидуального прогноза, трудоемкости выбора и построения прогнозирующей ~унк-

ции. Доказано, выбор я построение аяадиягческсго выражения прогнсаирукщей функции является ключевым вопросом, который существенна: образо вявяет на качество прогноза. К прогнозирующей функции предъявляется следующие требования: она дожна быть индиЕидуаськс детерышярозанной и рабастноЯ; содержать элементы адаптации. На шбор прогнозирующей функции оказывает влияние объем исходных: и дошшштэгьяас статистических данных, сгелень изученности физика хдрогнозируемаго процесса.

Проведан анализ методов прогнозирования договечности и позучести жехахлов, асшльзувщигся в теплоэнергетике. Показано: технических хрвшхешцв качестве врагнозирувдей функции исшльзусгея в остгопяри -вдели трввда, При выбхфе яяфп^имиру-ицего вьрахшив дав am: отдаются на изучение физики процесса. Больше разнообразие уставай .аксщуатации и нааятее. нескольких стадий в резвитаи позучести иетадов знергообарудования обус-лавливаат многие шады моделей треада. Отсутствует реальная возможность создания единой модели для описания длительной прочности и позучести, с поновил которой можно было бк описывать и прогнозировать свойства ае только широкого класса металов, но и одного материала в большое температурно-вроменньос интервалах.

Сделан вквод о целесообразности разработки нового унифицированного метода прогнозирования широкого класса изделий.

Во второй главе изложены результата теоретических исследований. Предметал анализа в ^предлагаемом методе является временное рад, то есть поведение во времени единственной случайной переменной, ойискваодей изменение технического состояния изделии бо время эксплуатации.

Вазовая идея метода заключается в определении прогнозирующего правила, евкзквавщего значение анализируемой переменной в

некоторый момент времени с ее же собствекнши значениями, зафиксированным в предыдущие момента:

ш Х.(ТКД) <Ж ]<*(Т4 к..<-л(Т,),

где Х(Т,),... ,Х(Т* ] - база прогноза ( К );

Тп 3 " Т*- - упрезденив ( П );

С? - коэффициента прогнозирующей функции.

Коэффициенты " С* * определяется на основе процедуры обучения. Существо процедуры обучения состоят в нападении коэффициентов " С-* " на основе информации об изменении технического состояния изделий одного канненовакяд с. прогнозируемым и эксплуатировавшихся в тех ав режимах, минуя этап определения модели описания изменения технического состояния (такие изделия будем называть "издалия-аналоги").

где ] Х и - число издекй-аиадогов или объем

обучаицей выборки;

Т^ - продожительность эксплуатация изделий-аналогов. Критерием для вычисления коэффициентов " С* " является минимум среднего квадрата ошибка прогноза в обучающей выборки:

(3) = ] -2?,(сгсъ))г:

Эффективность метода определяется общностью коэффициентов " С; " для прогнозируемого изделия и изделий-аналогов. 3 работе показано, что для изделий, модель описания изменения технического состояния которых можно представить в виде:

(4)' СТ).

эго условие выпоняется, (5)

Подчеркнем, что для проведения процедуры обучения вед составлявших модели " ГД " к значения коэффициентов " А^ " неизвестны и не определяются.

В'работе проведено подробное изучение выпонения условий (4,5) для изделий, исчерпание ресурса которых связано с процессами позучести. Показано, что для изделий с моделями аат-ноыинадьнсго, экспоненциального ввдов или их комбинации можно использовать разнородна по времени информацию.

При совпадении анализируемой переменной с моделью процесса .X - У метод дает точный прогноз С единственное ограничение

Следует отметить, что существует соответствие между видом модели процесса и наборам числовых значений коэффициентов " С? Так линейной модели процейса при упреждении I и базе прогноза 2 ( И в 1, Я = 2) соответствуй значения С/ - -I и С^ & 2, квадратичной- С! * -1.6 и С^ = 2.6, экспоненциальной - С/ в -2.6 и О'о 3.5, обратноэкспоненциальной - С] = -0.3 к Сг л 1.3 и так далее. Установлено, что вед

и Г Л п

зависимости коэффициентов 1 С; " от величины упреждения совпадает с моделью процесса.

Эти обстоятельства даст основания назвать, во-первых, процедуру обучения процедурой адаптации настройки прогнозирующей функции .на действующий механизм изменения технического состояния; во-вторых, предлагаемую црагнозирующуо функцию - унифицированной, то есть способной прогнозировать процесс с произвольным механизмом без определения модели его описания.

При отклонении изменения технического состояния от модели

его описания из-за случайной природа: его развития, неконтролируемых внешних факторов и ошибок измерения точность прогноза определяется дисперсией помехи V :

Доследование точности прогноза и его связи с дисперсией помехи проводилось методом статистических испытаний, агоритм которого показан на рис Л.

Проведенное исследование показало, что точность прогноза определяется дисперсией помехи (рис.2), которую в методе предлагается оценивать при заданном объеме обучающей выборки и с определенной вероятность средни! квадратом ошибки в обучающей выборке:

(?) г-- (хч%п) - г

Третья глава посвяцена стандартизации метода, экспериментальному апробировании метода на примере процессов позучести металов элементов знергооборудования и его внедрения. I. Сравнительный анализ с другими стандартизованными методами показал, что последние разработаны для конкретных изделий или моделей исчерпания ресурса. Стандартизация процедуры прогнозирования предполагает наличие стандартной прогнозирующей функции, универсального агоритма по обработке измерительной информации и собственно вычислении прогноза. С другой стороны,существуют НГД, устанавливающие, в частности, основные положения по сбору и хранению информации по надежности на этапе эксплуатации. Бее это дало основание для стандартизации данного метода, которая бкяа реализована в форме программно-методического комплекса общетехнического характера. Такая форма позволяет с нинимальньми затратами осуществлять разработку инструкций для

Рис.1. Агоритм метода статистических испытаний для исследования точности метода СО

л/ЙчЮО , 20

<О 9 <Р 7 б 5 Ч 3 2 1

/

\ ( /

\ V

\ 1 1/

1 к=г /

N. / / /

Ч / /

/ N X / /

/1 ' 1 , 1 "V Ч -

! У 1 П

\ 1 / ! ^ х

/ ----Г Ч

0-Р 0.7

0.1 0.2 0.3 0.1/ .0.3- 0.6 0-7 02 О-в <

Рис.2. Расчетные зависимости средней ошибки

прогноза & ( Ч ), среднего квадрата оаибки прогноза й < Ч Ч ) и дисперсии

помехи Ь (---) для модели

применения к конкретному изделию и условиям эксплуатации.

2. Самым распространенным элементам энергооборудования наТЭД, ТЭС и АЭС, ACT являются паропроводы. Процессом, определяющим потеро заданных прочностных свойств, является позучесть. Под действием внутреннего растягивающего давления пара происходит увеличение линейных размеров трубы. Уменьшается тощина их стенки. Поэтому контролируемым параметром технического состояния является диаметр*трубы. По изменение диаметра в процессе эксплуатации определяется остаточная деформация, которая является ресурсным параметрам.

Апробирование проводилось на модельных, экспериментальных данных и данных промышленной эксплуатации на ТЭЦ с условиями эксплуатации: Т а 550-560

3. Внедрение метода осуц&ствдяяась в рамках действующей системк контроля технического состодаия паропроводов. Статистические данные получены при атагных осмотрах паропроводов. Автором разработана программа для ДЕС-совместимой техники. Программа позволяет: поностью автоматизировать хранение и использование данных' для настройки прогнозирующей функции; выбирать оптимальный порядок прогнозирующей унидии и критерий для. определения коэффициентов прогнозирующей функции; расчитать коэффициенты

Рис.3. Характер изменения остаточной деформации ( ) паропроводов с наработкой.

Таблица

Значения коэффициентов прогнозирующей функции для паропроводов из стали 12хПо, с/ = 273ш, 1Т в 25 тыс.часов

а I I | 2 3 4

сГ -0.002 -1.096 -3.665 -7.717

1.685 3.515 7.078 13.913

Г 0.016 0.041 0.085 0.210

прогнозирующей функции для условий эксплуатации на конкретной предприятия, которые можно использовать в дальнейшем самостоятельно; провести прогноз. Эффективное и удобное использование программы обеспечивается использованием многооконного режима, псевдографики и развитой системы меню.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате проведенных исследований разработан новый метод оперативного иццивздуальнетто прогнозирования изменения технического состояния изделий в процессе юг эксплуатации, позволяющего использовать унифицированную прогнозирующую функцию . при неизвестной модели исчерпания ресурса Создание метода включало в себя разработку:

а) унифицированной прогнозирующей функции, основанной на описании изменения технического состояния изделия временным ря-

дом и способной прогнозировать процесс с произвольным механизмом без определения модели его описания;

6} процедуры ойучвнка-настройки прогнозирующей функции на действующий меошшзм изменения технического состояния;

в) агоритма использования при отздивщууадьном прогнозе данных об изменении технического состояния изделий-аналогов;

г) моделей процессов, в рамках которых обеспечивается эффек тавность предлагаемого метода;

д) моделей процессов, позволяющих использовать в процедуре обучения разнородные ш времени и условиям эксплуатации данные.

2. Исследование области эффективного применения метода показало что последняя ограничена условием линейности модели процесса по индивидуальны! параметрам отдельного изделия. Вид модели процес са и ее порядок в предлагаемом методе не определяются. Это обстоятельство позволяет поностью автоматизировать процедуру

прогноза..

3. Цроведено исследование н показана более высокая точность предложенного метода прогнозирования по сравнению с традиционными, основанными на регрессионных моделях, для рассмотренных в работе изделий.

4. Разработан формализованный агоритм .по обработке данных, определение оптимальной структуры прогнозирупщей функции, вычисления прогноза, который программно реализован на ДЕС-совме-стимой технике.

5. Осуществлена стандартизация метода в форме программно-методического комплекса общетехничеезеого характера.

6. Проведена апробация метода в рамках действутаей системы контроля технического состояния ашейгов знергооборудованкя на ГЭД. Разработана инструкция для прогнозирования остаточного ресурса паропроводов и осуществлено ее внедрение.

7. Метод внедрен на Сормовской ГЭЦ г.Горького. Экономический эффект, подтвержденный актом о внедрении, составил 101 тыс. рублей. .

Основные публикации по теме диссертации.

1. Калинкин D.I., Киселев A.B., Дейфер Л., Чеберенев А.й. Индивидуальное прогнозирований деформации позучести по испытаниям малой продожительности //Прикладные проблемы прочности и пластичности.' Автоматизация научных исследований по прочности, 193ог.,с.128-131.

2. Дейфер Л.А., Калинкин D.I., Зуль М.Н. Ивдивадуальное прогнозирование изменения технического состояния. Авторегрессионная модель //Надежность и контроль качества, 1937г.,}? 12,

с.27-31.

3. Калинкин ЮЛ., -Кейфер jLA. , Новиков В.Ы. Планирование сроков и объемов замен трубопроводов с учетом их текущего состояния //Электрические станции, 1989г.,№ 12,с.23-31.

4. Калинкин D.I. Прогнозирование моментов ремонтных воздействи! по фактическому техническому состоянию машин и конструкций, i "Повышение эффективности эксплуатации маягин и оборудования на основе стандартизации"- Сб.научн.трудов ШШШШ,в.62,с.93-98.

м.шшшлааат.

5. Калинкин ИХ, Дейфер i.A. Ивдивадуальное прогнозировалие процессов, свюанных с ншгпготениеи повреждений. Ь сб. "Повышение роли стандартизации и метрологии в обеспечении интенсификации общественного производства; тез.докл. Всесоюзн.кокф. молодых ученых и специалистов Госстандарта, 19-21 ноября 1935г! - Львов, 1985г.,ч.1, с.43.

6. Калинин D.JL Идентификация систематической ошбки в измерениях /6 Всесоюзная конференция "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации", иосква, I9Q7, с.12о.

7. Калинкин D.I. Сравнительный анализ методов прогнозирования,

построенных на регрессионных и авторегрессионньас моделях изменения технического состояния /Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение эффективности эксплуатации машин и оборудования на основе стандартизации", Горький, 196?г.,с.132-133.

8. Калинкил В.Д. Установление индивидуальных показателей договечности и метода прогнозирования остаточного ресурса. В сб. "Стандартизация и контроль качества и надежности промышленной продукции: Тез .докл. научно-техн. конф., Горький .май 1939г."-Горький, 1989г., с. 100-201.

9. Калинкин D.I. Повышение эксплуатационной надежности троссов на основе использования интегрального диагностического параметра и метода индивидуального прогнозирования остаточного ресурса. В сб."Совершенствование эксплуатации, технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации: тез.докл. Всесосзн.научяо-тегн.совещагааг, Горький, ноябрь 1989г."-Горький, 1989, с.106-108.

10. Программно-методический комплекс для прогнозирования остаточного ресурса типовых деталей машин в процессе их эксплуатации. Горький, Гф ВНИИЕШШ, 1987г.,с.62.

11. Кадинкин ЮЛ. Метод прогнозирования временных рядов, ис-пользувщий данные с изделий-аналогов. В сб."Вероятностно-физические методы расчета надежности машин и аппаратуры: тез.докл. научно-техн.семинара. Киев, апрель 1990г.Киев,1990г.,с.13-14.

Похожие диссертации