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

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

ГООДАРСТВЕННЫй КОМИТЕТ ПО УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ И СТАНДАРТЫ ГОССТАНДАРТ ВСЕСОЮЗНЫЙ РЮ'ЧНО-ИССЛЕДСВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО НОРМАЛИЗАЦИИ В ШШНОСГГРОЕШИ

На правах рукописи

ШИНКИН ХРИЙ Л1ВСШЧ

УДК 62-19:629.12 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ИЗДЕЛИЯ В ПРОЦЕССЕ ЭНШЛУАТАЦИИ

НА ОСНОВЕ ОБУЧЕНИЯ ПО ВДЕШШ АНАЛОГАМ (НА ПРИМЕРЕ ПАРОПРОВОДОВ СТАНЦИЯ ТЕПДОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ)

08.оо.го

Стандартизация и управление качеством продукции

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание.ученой степени кандидата технических наук

Москва 1990

Работа, вкпонена в Горысохсзшм ивдале Зсесосзного наушо-исследователъского института да нориализации в ыашнностроеши

Научный руководитель - каедадат технических наук, ст.научи.

сотрудник Дейфер Д. А.

Официальные оппоненты- доктор технических: наук, профессор

Острейковский В.А. - ьсаедвдат технических наук, ст.ваучн. сотрудник Кубарев А.й.,

Ведущая организация - институт атомной энергии им.Курчатова

3адата состоится 7 декабря 1990г. в 10 часов на заседании специализированного совета К 041.05.01 во Всесоюзном научно-исследовательское инскггуте по нормализации в машиностроении (ШШШШШ) до адресу: 123007, Москва, уд.Шеяогина, 4

С диссертацией мсшю ознакомиться в библиотеке БНЖНШШ2.

Автореферат разослан ливября 19Э0г.

Ученый секретарь специализированного совета, каедидат

АН СССР'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В основных, направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года поставлена задача повысить надежность отечественной техники в 2 раза.

В настоящее время из-за низкой надежности затрата на ремонт техники достигает милиардов рублей. В 1965 году объемы ремонтных работ в энергетике возросли на. 4055 по сравнения с 1975 годом. Более 100 мян.кзт. установленных в СССР энергетических мощностей ежегодна подвергается капитальному и среднему ремонту, затраты на которые составляй более 1.5 ирд.рублей.

Опыт эксплуатации, энергооборудования свидетельствует о том, что для поддержания .регламентируемых показателей надежности и договечности энергооборудоваяия. на дожном уровне все чаде применяется методология, основанная- на применении' простого увеличения объемов контроля и, оокрашения межремонтных периодов. При этом нередко увеличение объемов работ происходит за счет директивных тотальных проверок всего парка типовых элементов энергооборудовадия, иногда на основании единичного факта отказа.

Альтернативным путем 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 является ответственными объектами, содержат напряженные элементы, которые при аварии могут стать источником повышенной опасности для ццей и окружающей среды. Поэтому для них совершенно не допустима ориентация

на оценку надежности генеральной совокупности однотипных элементов. Перспективно применение методов ищивадуального прогнозирования в практике эксплуатации автомобилей, судов и сельскохозяйственной техники.

Сказанное показывает необходшость разработки метода индивидуального прогнозирования изменения технического состояния на этапе эксплуатации изделия..

Цель работы - разработка и стандартизация нового метода индивидуального рогдазироваюш изменения технического состояния изделий в процессе эксплуатации, доззэлязщего использовать унифицированную щ>огшзирувщуо функции ври неизвестной мод едя исчерпания ресурса.

Область применения метода - аздвдея, потеря работоспособности которых обусловлена тстеоеннш параметрическим'отгазом, Х а исчерпание ресурса Ч с процессами накопления повреждений и, в теш числе, процессом позучести -металов.

Задает исследования. I- Анаштя математических методов прогнозирования случайных процессао; методов прогнозирования позучести; сущестауввдх ГОД по прогнозировании; систем технического диагностирования. Разработка метода индивидуального прогнозирования изменения технического состояния изделий, основанного на процедуре обучения с использованием данных об изменении технического состояния изделий-аналогов. 3. Разработка методических материалов, агоритма и программной реализации метода на ЕШ. 4. Исследование эффективности разработанного метода. 5, Разработка и внедрение метода прогнозирования остаточного ресурса паропроводов ТЭЦ.

Методика исследована. В основе проведенных исследований лежат положения теории стандартизации и управления качеством продукции, Хтеории надежности. При проведении теоретически ис-

следований использовася аппарат выспей агебры, теории вероятности, статистического моделирования. Дли практической реализации широко применялись методы к средства вычислив ель ной техникл. Разработаны агоритмы и их програшная реализация на ДЕС~совместииой- технике.

Наувдая яоаяэ№и- Научная, ниьнзна результатов работы состоит в следующее. Разработан метод ивдиввдуального прогнозирования для оперативной оценки измеяегая технического состояния изделия во время эксплуатации, основанный на процедуре обучения, которая осуществляет ад агггацио-нас тройку унифицированной прогнозирующей функции; на действующий механизм исчерпания ресурса .бет определения его иод ала. JL. Цредаошзш ункфици-ровандае прогнозирующая (функция я процедура. обучения, позволяющие прогнозировать процесс измензная технического состояния без определения модели его описания 3. Разработана оригинальная процедура обучения та адаятация-насграаяе прогнозирующей функция на. действующа механизм исчерпана* ресурса 4. Определен широкий класс процессов к изделий, ддя которых козффицаен-ты прогнозирующей функция инвариант па ансамбли изделий-аналогов что и обуславливает эффектитюсть данного метода. 5. Определены мадеа процессов описания изменения технического состояния в рамках которых для определения коэффициентов прогнозирующей функции иожно использовать, разнородную по времени и условия* эксплуатации информацию.

Практическая ценность. I. Разработан метод индивидуального прогнозирования изменении технического состояния изделий в процессе эксплуатации, для использования которого.необходимы лить данные об изменении технического состояния с изделий-аналогов. В качестве которых служат изделия- одного наименования с прогнозируемым и эксплуатировавшихся в одних с ним режимах.

2. Прииенеяне разработанного метода позволяет исключить проведет: е допонительные исследований, связанных, с определением модели описания изменения технического состояния, которая традиционно используется в качестве црогноанруочей функции.

3. Разработаны методические рекаисвдвщы ш применении метода, формализованный агоритм проведения прогноза н его программная реализация на ЗВМ, которые входят в праграшшо-методтгесыШ коцдлеас обцетехничесього характера. 4. Применение метода индивидуального прогнозирования необходимо при переходе л более совершенной по сравнение с системой планово-предупредительных ремонтов системе организации ремонтного обслуживания ш фактическому состояние, л рамках которой метод яцциЕвдуальшго прогнозирования используется для назвеяендя периодичности и объемов контроля и назначения м&кремонтшх периодов и позволяет уменьшить дола изделия шэеждеврамедао рамонтируеякх, способствует предупредиеетю аварий.

Реализация в промышленности. Разработана специализированная методика к црзграшеюе средство тю прогнозирование остаточного ресурса паропроводов ка энергадредприятик. Применение разработанного метода для прогнозирования изменения технического состояния паропроводов позволило повысить точность прогнозе, в 3 раза пс сравнению с традиционно применяемым.

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

Апробация. Диссертация рассмотрена на заседаниях НТС Горькозского филиала ВННШШ1 (февраль 1990г.); БНШВДШ (конь 1990г.) , Основяке результаты диссертационной работы обсуя^енн на научно-технических конференциях и саыикарах: 6 Всесоюзная конференция "Проблемы метрологического обеспечения сиггеи обрэ-

ботки измерительной информации" (Москва, 1987г.); Всесоюзная конференция" "Повышение эффективности эксплуатации машин и оборудования на основе стандартизации" (Горький, 1937г.); Всесоюзные конференции молодых ученых и специалистов ГОССТАДЦАРТа "(Львов, 1985г. Казань, 1987г.); научно-техническая конференции "Стандартизация качества и надежности промышленной продукции" (Горький, 1929г.); Всесоюзное ссвецаниэ "Совершенствование технического обслуживания и ремонта техники на основе стандартизации* (Горький, 1999г.); Всесоозный семинар "Современные проблемы надежности и стандартизации" (Москва, 1989г.); Всесоюзный семинар "Вероятностно-физические методы расчета надежности машин и аппаратуры" (Киев, 1990г.); семинары в 30 и 31 отделах ВШИВШИ (Москва 1990г.); семинары для представителей промышленности в центре научно-технической пропаганды (Горький, 1986-1989Г.).

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

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, двух'приложений и содержат-169 страниц машинописного-текста, 27 рисунков, 12 таблиц, список литературы 98 наименования.

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ Во введении показала актуальность работы, поставлены цели и обоснована программа исследований, сформулированы основные положения, вьдаигаемые на задиту, отражены научная новизна и практическая ценность результатов работы. 'Х

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

ции. Показано, выбор и построение аналитического выражения прогнсзируацей фунжции является квчезым вопросом, который существ анкык образом влияет на качество прогноза. К прогнозирующей функции предъявляются следующие требования: она дожна быть индивидуально детерминированной и рабастяой; содержать элементы адаптации- На выбор прогнозирующей функции оказывает влияние объем исходных и допонительных статистических данных, степень изученности физики прогнозируемого процесса.

Проведан анализ иетсдов прагназкроваты договечности и позучести металов, исдсльзусашхея в теплоэнергетике. Показано: в технических чявювенвдх в каяестае адюгнозярупдей функции ислользуптсЕ в основном -модели тревда, Ир Еыбореяшцюксвниру-ыцего вкражанщ для шх спираются да изучение физики процесса. Большое разнообразие уставай эксплуатации и наличие. нескольких стадий в развитая ппизучестк металов энергооборудовдния обус-лавлеваат цисте взды -моделей зревда. Отсутствует реальная возможность сосдания единой модели доя описания длительной прочности и позучести, с поыоцьо которой можно было бы описывать и прогнозировать свойства не только широкого класса металов, но и одного материала в болышх температурно-вроыенных интервалах.

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

Ьо второй главе изложены результаты .теоретических исследований. Предметам анализа в предлагаемом методе является временной рдц, то есть поведение во времени единственной случайной переменной, ойгсываодей изменение технического состояния изделия во время эксплуатации.

Базовая адея метода заключается в определении прогнозирующего правила, связь'ващего значение анализируемой переменной в

некоторый момент времени с. ее яе собственными знамениями, за!и.ч-сированадю в предыдущие момента:

ш ^ъ.п}<м%х-х.1%к..<1ха:),

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

X, 3 ' Тх- - упреждение ( П );

С? - коэффициенты прогнозирующей функции.

Коэффициенты " С* " определится на основе процедуры обучения. Существо процедуры обучения состоит в нахождении коэффициентов " С? " на: основе информации об изменении технического состояния изделий одного назогенозаияя с прогнозиру еьшу и эксплуатировавшиеся в тех не режимах, минуя этап' опредыения модели описания изменения технического состояния (такие изделия будем называть "изделия-аналоги").

где Ь - число изделий-аналогов или объем

обучащей выборки;

Т^ - продожительность эксплуатации изделий-аналогов, й^ртераеи для внчислэнадг яозффвдаеятоз п С* " является минимум среднего квадрата ошибка прогноза в обучавшей выборки:

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

(4) ' ПГ ,

эго условие выпоняется,

(5) С-'=СПУ(]).

Подчеркнем, чго для проведения процедуры обучения вид составляющих модели " " и значения коэффициентов " " 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 поли-номинаявнсго, экспоненциального видов или их комбинации можно использовать разнородную по времени информацию.

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

Следует отметить, что существует соответствие меаду видом модели процесса и. набором числовых значений коэффициентов " С,п Так линейной модели процесса при упреждении I и базе прогноза ?. ( Н. * I, И =2) соотьетствувт значения С/ ~ -I и С^ в 2, квадратичной Ч . С1, * -1.6 и = 2.6, экспоненциальной - С? л -2.6 и С/в 3.6, обратноэкспоненциальной - С/ = -0.3 и Сг = 1.3 и так далее. Установлено, что ввд

зависимости коэффициентов Ч от величины упреащения совпадает с моделью процесса,

Эти обстоятельства даст основанзд.-наэватъ, во-первых, процедуру обучения процедурой адаптации настройки прогнозирующей функции .на действующий механизм изменения технического состояния; во-вторых, предлагаемую прогнозирующую функцию - унифицированной, то есть способной прогнозировать процесс с произ-зслькым механизмл! без определения модели его описания.

При отклонении изменения технического состояния от модели

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

Исследование точности прогноза и его связи с дисперсией помехи проводилось методом статистических испытаний, агоритм которого показан на рис.1.

Проведенное исследование доказало, что точность прогноза определяется дисперсией помехи (рис.2), которуп в методе предлагается оценивать при заданном объеме обучающей выборки и с определенной вероятность средним квадратал ошибки в обучающей выборке:

(V) 5)* - ) - < СГггЖ^'

Третья глава посвячена стандартизации метода, экспериментальному апробирован!о метода на примере процессов позучести металов элементов энергооборудования и его внедрения. I. Сравнительный анализ с другиии стандертизованньми 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 вычислению прогноза. С другой стороны,существуют НГД, устанавливающие, в частности, основные положения по сбору и хранению информации по надежности на этапе эксплуатации. Бее зто дало основание для стандартизации данного метода, которая была реализована в форме программно-методического комплекса общетехнкческого характера. Такая форма позволяет с миниыальньми затратами осуществлять разработку инструкций для

Рис Л. Агоритм метода статистических испытаний для исследования точности метода АСО

Ый--100 , 1-^20

{О 3 7 6

к з 2 1

1 1 /

\ 1 1 /

1 \ / /

1 \ / г

\ / / кг /

Ч ! ч 1 ( / /

ч у /

/ * ... Хч ч / /

-'ч-

. ! >/ 1 1 / п

/ / I

/ / ' __

0.1 О.г о.з 0-Н О: 0.6 0-7 й/ 03 1

Рис.2. Расчетные зависимости средней ошибки

прогноза & ( - ), среднего квадрата

ошибки прогноза ( Ч Ч ) и дисперсии

помехи Ь (---) для модели

-- <,..., Л? ; Я+Гс --/О ; г= К\/-(3 +2;/Г* / ).

применения к конкретному изделию и условиям эксплуатации.

2. Самым распространенным элементам энергооборудавания на ТЭЦ, ТЭС и АЭС, ACT являются паропровода. Процессом, определяющим штеро заданных прочностных свойств, является позучесть. Под действием внутреннего растягивающего давления пара происходит увеличение линейных размеров труби. Уменьшается тощина их стенки. Поэтому контролируемым параметров технического состояния является диаметр'трубы. По изменению диаметра в процессе эксплуатации определяется остаточная деформация, которая является ресурсным параметром.

Апробирование проводилось на модельных, экспериментальных данных и данных промшигенной эксплуатации на ТЭЦ с условиями эксплуатации: с ^ 550-560

3. Внедрение метода осуществлялось в рамках действующей системы контроля технического состояния паропроводов. Статистические данные получены при шгаяныг осмотрах паропроводов. Автором разработала программа для ДЕС-ссовместимой техники. Программа позволяет: поностью автоматизировать хранение я использование данных для настройки прогнозирующей функция; выбирать оптимальный порадок прогнозирующей функции и критерий для определения коэффициентов прогнозирующей функции; расчитать коэффициенты

Ю 50 . 0 70 ^Тю'^ас Рпс.З. Характер изменения остаточной деформации ( ) паропроводов с наработкой.

Таблица

Значения коэффициентов прогнозирующей функции для паропроводов из стали 12x1о, с/ л 27Эмы.дТ = 25 тыс.часов

а I 2 3 4

гп -1 -0.002 -1.096 -3.665 -7.717

Сг | 1.685 3.515 7.078 13.913

_ <7 1 $ | 0.016 0.041 0.055 0.210

прогнозирующей функция для условий эксплуатации на конкретном предприятии, которые моею использовать в дальнейшей самостоятельно; провести прогноз. Эффективное и удобное использование программы обеспечивается использованием многооконного реаоша, псевдографики и развитой системы мета.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

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

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

б) процедуры обучшия-настройкн прогнозирующей функции на действующ** механизм изменения технического состояния;

в) агоритма, использования дря ивдавадуальном прогнозе данных об хэмдеешш териаческога состояния изделий-вналогов;

г) моделей процессов, в рамках которых обеспечиьается эффективность предлагаемого метода;

д) моделей процессов, позволяющих использовать в процедуре обучения разнородные по Бремени и условиям эксплуатации'данные.

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

прогноза.

3. Проведено исследование и 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 даншх, определенна оптимальной структуры прогнозирующей функции, вычислению прогноза, который программно реализован на ДЕС-соЕме-стимой технике.

5. Осуществлена стандартизация метода в форме програамно-мего-дического комплекса обаетехиичесхого характера.

6. Дров едена апробация метода в ртпгях действующей системы контроля технического состоянии элементов энергооборудования на ТЭЦ. Разработана инструкция для прогнозирования остаточного ресурса паропроводов и осуществлено ее внедрение.

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

Основные публикации по теме диссертации.

1. Калинкин Ю.Д., Киселев А.В., Дейфер Л.А., Чеберенев А.Н. ндиввдуальное прогнозирование деформации позучести по испытаниям малой продожительности //Прикладные проблемы прочности н пластичности.' Автоматизация научных исследований по прочности, 1936г.,с.123-131.

2. Дейфер Л.А., Кавинкин В.Л., Зуль 14.Н. Иццивидуальное прогнозирование изменения технического состояния. Авторегрессионная модель //Надешость и контроль качества, 1937г.,Р 12,

с.27-31.

3. Налинкин IJ.iL, Лейфер А.к., Новиков В.М. Планирование сроков и объемов замен трубопроводов с учетом их текущего состояния //Электрические станции, 1999г.,№ 12,с.23-31.

4. Калинкин В.Д. Прогнозирование моментов ремонтных воздействий по фактическому техническому состояние! машин и конструкций. ' "Повышение эффективности эксплуатации машин и оборудования на основе стандартизации"- Сб.научн.трудов ВШШШШ,в.62,с.93-98.

-М. шаш,29ввг.

5. Калинкин ЕЛ., Дейфер Л..А. Йвдиведуальное прогнозирование процессов, саюаайас с накооаешкм повреждений. сб. "Повышение роля ставдартизации я метрология в обеспечении интенсификации общественного производства: тез .докл.б Всесоюзн.кокф. молодых учетах и специалистов Госстандарта, 19-21 ноября 1935г? - Львов, 1985г.,чЛ, с.43.

6. Калинкин ЮЛ. Цдентификация систематической ошибки в измерениях /6 Всесоюзная коррекция "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации", москза, 1937, с.126.

7. Калинкин ЮЛ. Сравнительный анализ методов прогнозирования,

построенных на регрессионных и авторегрессионных моделях изменения технического состояния /Всесоюзная научно-техническая конференция "Повышение эффективности эксплуатации машин и оборудования на основе стандартизации", Горький, 1987г.,с.132-133.

8. Калинкин В.Л. 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 1989г."-Горький, 1989г.,сЛ00-101.

9. Калинкин В.Л. 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. Бсесогзн.научно-техн. совещания, Горький, ноябрь 19Э9г."-Горький, 1989,с.106-108.

10. Программно-методический комплекс для прогнозирования остаточного ресурса типовых деталей ыашн в процессе их эксплуатации. Горький, Гф ВНИИНМШ, 1937г.,с.62.

11. Калинкин В.Д. Метод прогнозирования временных рядов, использующий данные с изделий-аналогов. В сб."Вероятностно-физические методы расчета надежности падин и аппаратуры: тез .докл. научно-техн.семинара. Киев, апрель 1990г.Киев,1990г.,с.13-14.

Похожие диссертации