канд. техн. наук, доцент МАДИ(ГТУ) В.А. Зенченко,
инженер-диагност АО «Головное производственно-техническое предприятие «ГРАНИТ» М. В. Григорьев
В современных условиях в сфере производства отечественных легковых автомобилей осуществляется интенсивная модернизация базовых и массовое освоение новых моделей подвижного состава оснащенных электронными системами управления двигателем (ЭСУД).
Уровень затрат на поддержание работоспособности и уровень надежности в эксплуатации автомобилей индивидуальных владельцев, оснащенных ЭСУД, в значительной мере зависит от степени обоснованности используемых нормативов технического обслуживания и ремонта. Важным фактором в повышении эффективности технической эксплуатации таких автомобилей является сокращение сроков разработки научно-обоснованных нормативов, их оперативное корректирование с учетом конкретных условий эксплуатации. Отсутствие обоснованных режимов ТО электронных систем приводит к снижению эксплуатационной надежности и значительным затратам на поддержание ЭСУД в исправном состоянии. Специальных исследований по формированию режимов обслуживания ЭСУД в ускоренные сроки их внедрения в последнее время не проводилось. При этом, формирование режимов на основе использования раннее разработанных и успешно апробированных методов в большинстве случаев требует проведения длительных эксплуатационных испытаний. В тоже время в условиях интенсивной модернизации и обновления модельного ряда легковых автомобилей и их систем (например, систем управления работой двигателя, автоматической коробкой передач, АБС и др.) отсутствует возможность в получении, на начальном этапе эксплуатации, полного объема информации об их эксплуатационной надежности, являющейся основой для формирования регламентов профилактического обслуживания автотранспортных средств (АТС), что требует разработки и практической реализации специальных прикладных методов.
В данной статье представлены теоретические предпосылки и подходы по совершенствованию методов формирования рациональных режимов обслуживания ЭСУД в условиях начальной стадии их освоения, характеризующейся ограниченным объемом информации о надежности элементов исследуемых систем управления (I этап) и последующей эксплуатации ЭСУД с накоплением информации о надежности до представительного объема (II этап), что позволяет обеспечить качественное улучшение разрабатываемых нормативов.
В условиях ограниченной информации о надежности элементов ЭСУД на начальном периоде их производства и эксплуатации формирование оптимальных режимов обслуживания может осуществляться на основе использования методов оптимизации, базирующихся на применении минимаксных стратегий обслуживания, предусматривающих получение оптимальных значений показателя функционирования системы для наихудших вариантов характеристик ее надежности. При этом решение данной задачи рассматривается с точки зрения регенерирующего апериодического процесса, предусматривающего переходы элементов ЭСУД из неработоспособных состояний в работоспособное.
Характеристикой качества функционирования выступает дробно-линейный функционал, представляющий собой средние удельные потери , определяемые отношением общих потерь к времени исправного функционирования системы за период регенерации, т.е.
где — средние удельные потери за период регенерации; Q(x) — функция распределения плановых профилактик; F(y) — функция вероятности возникновения отказа; D(x,y) — функция среднего времени нахождения исследуемых объектов (элементов ЭСУД) в работоспособном состоянии;П(x,y) — функция средних потерь (затрат) в случае нахождения объекта в профилактическом обслуживании или во внеплановом ремонте.
В функционале (1) потери П(х,у) пропорциональны времени проведенному автомобилем в обслуживании или внеплановом ремонте, а функция D(x,y) есть время нахождения его в работоспособном состоянии, для которых:
где Tа — затраты времени на проведение ремонтных работ; Sa — потери за единицу времени при проведении ремонта (выражаются через стоимость нормо-часа); Sз.ч. — затраты на запасные части (стоимость заменяемого элемента ЭСУД); Tп — затраты времени на проведение профилактических работ (контрольно-диагностических работ); Сп — потери за единицу времени при проведении профилактических (контрольно-диагностических) работ; и — абсолютные затраты на одно обращение на СТО при проведении профилактических (П) и ремонтных (а) работ.
Поскольку в условиях ограниченной информации о надежности элементов ЭСУД вероятность возникновения отказов известна лишь частично, то определение оптимальных периодичностей контроля технического состояния заключается в отыскании гарантированного среднего выигрыша (минимума удельных потерь), из условия:
где G(n,y,р) — класс функций распределения, которые в заданных точках y=(y0, y1, …, yn) принимают значения вероятностей отказов P=(р0, р1, …, рn); n — число рассматриваемых точек функции F(У).
При фиксированных значениях интервалов профилактик Q(x) функционал (1) является дробно-линейным относительно функции наработок элементов ЭСУД на отказ F(y). Значение экстремума (3) функции минимизации потерь
Значение экстремума (3) функции минимизации потерь на контроль технического состояния и ремонт элементов ЭСУД при фиксированных значениях интервалов профилактик Q(x) после несложных преобразований выражения (1) с учетом (2) будет имееть вид:
где — — есть скачок вероятности возникновения отказа («О») или неисправности («Н») в интервале [,); — значения аргумента функции распределения наработок на «О» и «Н» неисправности для i=;Pk+1 — вероятности возникновения «О» и «Н» для соответствующих наработок . Решение (4) определяет минимальные удельные потери на ТО и ремонт элементов ЭСУД, которым соответствуют оптимальные периодичности контроля их технического состояния (рис. 1).
В процессе дальнейшей эксплуатации снижается степень неполноты информации, и появляется возможность в описании безотказности элементов через линейные функции P(ℓ).
Учитывая, что наработки на «О» и «Н» описываются известными распределениями, относящимися к классу функций Пойя 2-го порядка (PF2), то оптимальная процедура контроля технического состояния элементов ЭСУД может быть определена через минимизацию целевой функции общих потерь:
где С = – затраты на проведение контроля технического состояния; Sуд – удельные (на 1000 км пробега) затраты, включающие трудозатраты и затраты на запасные части и материалы при устранении «О» и «Н»; k – порядковый номер очередного контроля технического состояния; L – наработка объекта на момент контроля технического состояния; – текущее значение наработки на «О» и «Н».
Проведенные исследования эксплуатационной надежности элементов, подсистем и системы в целом указывают на проявление либо внезапных, либо постепенных «О» и «Н». В связи с этим преобразование модели (5) позволяет окончательно представить его в виде минимизации функционала (6) обеспечивающего определение оптимальных режимов обслуживания элементов ЭСУД, т.е.
где β — приведенное значение средней наработки на отказ; α — параметр формы распределения.
Формирование рациональных периодичностей обслуживания ЭСУД потребовало предварительного выделения элементов лимитирующих надежность и уже для их совокупности осуществляется окончательное определение регламентов ТО и ремонта электронных систем управления. Выделение таких элементов реализуется при комплексном учете: выявляемых типовых «О» и «Н»; влияния последствий «О» и «Н» на уровень работоспособности ЭСУД; соотношения затрат на замену элементов и средних наработок на «О» и «Н».
Необходимо учитывать, что при формировании оптимальных периодичностей обслуживания элементов ЭСУД может проявляться изначальная неоднородность общей их совокупности. С целью совмещения операций обслуживания элементов в компактные классы с малыми вариациями разброса периодичностей предлагается математическая модель группировки оптимальных периодичностей контроля технического состояния элементов ЭСУД в однородные классы. Данная модель базируется на использовании принципа «максимального правдоподобия», предусматривающего выявление из исходного множества периодичностей однородных групп периодичностей с соответствующими оценками параметров и функций распределений (рис. 2).
При этом появление более двух однородных совокупностей периодичностей маловероятно, что подтверждается анализом статистических характеристик наработок элементов ЭСУД на «О» и «Н».
Формирование однородных классов осуществляется на основе максимизации функции правдоподобия:
где и — оценки параметров распределения функций f1 и f2; М — число значений оптимальных периодичностей обслуживания, принадлежащих исходному множеству С. Учитывая, что периодичности могут располагаться в достаточно компактных группах, и предполагая нормальность их распределения, отнесение значений Li к тому или иному классу осуществляется, после несложных преобразований, из условия максимизации функции вида:
где М1, М2, М — число значений Li, принадлежащих однородным подмножествам А, В и общему исходному множеству С соответственно; — оценка среднеквадратичного отклонения периодичности обслуживания для подмножеств или.
Предложенный метод группировки позволяет осуществить эффективное разделение общей совокупности периодичностей на заданное их количество с наименьшей возможной средневзвешенной дисперсией.
Разработанный комплекс математических моделей и их реализация на основе использования экспериментальных данных, характеризующих эксплуатационную надежность элементов и подсистем электронных систем управления двигателями, позволяет оптимизировать формирование регламентов обслуживания и контроля технического состояния ЭСУД в условиях начальной стадии освоения новой автомобильной техники и последующего уточнения нормативов в процессе ее дальнейшей эксплуатации.
Моделирование и формирование оптимальных периодичностей контроля технического состояния проводилось для ЭСУД Bosch M1.5.4 и Микас 5.4, их подсистемам, а также по элементам лимитирующих надежность исследуемых систем на двух уровнях, учитывающих различную глубину контроля технического состояния элементов ЭСУД с соответствующими затратами (=С1 и =С2) на его проведение.
Первый вид контроля – общий, включает в себя: проверку системы сканером или компьютером; визуальный осмотр моторного отсека; прослушивание области впускного коллектора на наличие подсоса воздуха; тестирование системы газоанализатором. Стоимость общего контроля С1 составляет 300 руб. Второй вид контроля – комплексный, включает: все вышеперечисленные позиции общего контроля; проверку баланса компрессии по цилиндрам; проверку высоковольтной части; проверку топливоподачи.
В случае необходимости осуществляется детальная проверка: целостности управляющего жгута проводов; номинального напряжения на клеммах датчиков и исполнительных механизмов, а также ЭБУ; номинального сопротивления электронных датчиков и элементов высоковольтной части; следов прогаров или утечки искры на деталях высоковольтной части. Стоимость комплексного контроля С2 составляет 600 руб. Оба вида контроля позволяют выявить основные неисправности ЭСУД.
Результаты моделирования позволили получить совокупность оптимальных периодичностей обслуживания элементов лимитирующих надежность ЭСУД для обоих уровней глубины контроля технического состояния и при этом подтвердили первоначальную гипотезу об их частичной неоднородности, что предопределило необходимость проведения оптимальной группировки сформированного массива полученных периодичностей в компактные однородные классы с разной глубиной контроля технического состояния на основе использования модели (7).
Полученные результаты группировки оптимальных периодичностей контроля технического состояния элементов в однородные классы на примере ЭСУД Bosch M1.5.4 (аналогичные результаты получены и для ЭСУД Микас 5.4), представлены в таблице 1.
Анализ полученных массивов оптимальных периодичностей в сформированных классах показывает на нормальность их распределения с относительно малыми коэффициентами вариации, что говорит об эффективности выполненной группировки. Проведенные исследования позволили сформировать рекомендации (отраженные в табл. 2) по рациональным периодичностям обслуживания элементов ЭСУД Bosch M1.5.4 и Микас 5.4 при различной глубине контроля технического состояния, а также разработать методы и технические условия проведения контрольно-диагностических и ремонтных работ при обслуживании отмеченных ЭСУД.
Результаты проведенных исследований и их практическая апробация позволили оценить изменение средних накопленных интегральных и годовых дисконтированных по годам эффектов при переходе со стратегии поддержания работоспособности ЭСУД по потребности на профилактическую (рис. 3).
Оценка эффектов выполнена с учетом ставки рефинансирования Центрального Банка России на уровне R=16% и темпа инфляции И=12%.
Полученные оценочные показатели позволяют утверждать о целесообразности использования профилактической стратегии поддержания работоспособности ЭСУД с практическим применением разработанных для нее режимов обслуживания.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы автозаводами и их представителями (дилерами) для оперативного формирования и корректирования нормативной базы. Это, по предварительным оценкам, позволит снизить количество рекламационных ремонтов на гарантийном периоде эксплуатации до 10% и соответственно укрепить имидж марки автомобиля. Полученные результаты исследований могут использоваться на независимых автосервисных предприятиях для повышения эффективности функционирования производственного и технологического процессов обслуживания и ремонта электронных систем управления двигателем, а также эффективного управления запасами элементов ЭСУД.
Разработанные рекомендации позволят повысить уровень надежности ЭСУД Микас 5.4 и Bosch М1.5.4 от 28% до 48% соответственно и получить для владельцев автомобилей экономию материальных средств на обслуживание и ремонт электронных систем в размере от 800 (Bosch М1.5.4) до 1700 руб. (Микас 5.4) в год.