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

ь а,

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

На правах рукописи

КАЛШМН 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

'1.1

{ / ^А? )

г-'

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-• монт техники достигает миллиардов рублей* В 1985 году объемы ремонтных работ в энергетике- возросли ка. 4СЙ по сравнен!® с 1975 годои. Более- 100 млн.хзт. установленных в СССР энергетических мощностей езсегодда подвергается капитальному и среднему ремонту, затраты наг которые составляют более 1,5 млрд.рублей.

Оггь;т эксплуатация, эяергообсрудования свадетельствует о том, что для поддержания регзаыенптруеиыг показателей надежности: и долговечности 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. ' „ - '

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 лриишеюш .метода ~ яздедкя, потеря работоспособности которых обусловлена достеленным дараыетричесыш'отказом, • а исчерпание ресурса - с процессами накопления повреждений м, в той числе, процессом ползучести металлов.

Задатда исследования. 2*. Анализ математических методов прогнозирования случайных процессов; методов прогнозирования ползучести; 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 использовалсяаппарат высшей алгебры, теории вероят-

%

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

Научная новтаяги Научна« 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 прогнозирует©« 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 « 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 условия«' 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 дополнительное исследований, связанных с определением модели описания изменения технического состояния, которая традиционно используется в качестве прогнозирующей функции

3. Разработаны методические рекоыеццшда по лрименепвд метода, формализованный алгоритм проведения прогноза а его программная реализация на аШ, которые входят в програаино-иетодический кэнллсхс 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, « 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 cstuœapsx: 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: образ® вявяет на качество прогноза. К прогнозирующей функции предъявляется следующие требования: она должна 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 долговечности и ползучести 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 ползучести иеталдов знергообарудования обус-лавливаат многие шады моделей треада. Отсутствует реальная возможность создания единой модели для описания длительной прочности и ползучести, с понови« которой можно было бк описывать и прогнозировать свойства ае только широкого класса металлов, 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. Предмета« 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.(ТК„) <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 ] • и - число изделкй-аиадогов или объем

обучаицей выборки;

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

(3) = ] -2?,(с«гсъ))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).

а

эго условие выполняется, (5)

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

В'работе проведено подробное изучение выполнения условий (4,5) для изделий, исчерпание ресурса которых связано с процессами ползучести. 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

I Я ).

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'® 3.5, обратноэкспоненциальной - С] = -0.3 к Сг « 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 :

С 5)

¡Доследование точности прогноза и его связи с дисперсией помехи проводилось методом статистических испытаний, алгоритм 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 ползучести металлов 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 алгоритма 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. Алгоритм 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 — -

! У 1 П

■\ 1 / ! ^ ■ х

/ ----Г —

4.6

и

У.З

/.г и

I

0.9

0-Р 0.7

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

XV

Рис.2. Расчетные зависимости средней ошибки

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

л .

помехи Ь (---) для модели

а! где

применения к конкретному изделию и условиям эксплуатации.

2. Самым распространенным элементам энергооборудования наТЭД, ТЭС и АЭС, ACT являются паропроводы. Процессом, определяющим потер® заданных прочностных свойств, является ползучесть. Под действием внутреннего растягивающего давления пара происходит увеличение линейных размеров трубы. Уменьшается толщина 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°С и Р » 130-140 кг/см'Ч рис.3). В результате праведежых исследований дадтнеридены выводы главе 2. Определены оптимальные параметры, то есть изменение которых не приводит к шшшв точности прогноза. Эти параметры: объем обучающей выборки» база прогноза, критерий для определения коэффициентов прогнозирующей функция.. Получено; база, прогноза - К * 2, критерий - татр» среднего квадрата ошибки щюгаоэа в обучающей выборке, ее объем - L ^ 20 (табл.). ЕБри атом точность прогноза в данном методе в 3 раза выше, чем ■ в обычно используемом методе, основанном на модели треща.

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: полностью 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 12хП®, 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-

I

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) алгоритма 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 полностью 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 алгоритм .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 алшейгов 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 ЛЛ., Чеберенев А.й. Индивидуальное прогнозирований деформации ползучести по испытаниям малой продолжительности //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.ä 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 долговечности 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.