ISTOTA DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ

Definicja diagnostyki technicznej

Diagnostyka techniczna jest to dział nauki o eksploatacji technicznej, zajmujący się problemami związanymi z rozpoznawaniem stanu technicznego obiektów bez ich demontażu lub częściowego demontażu, nie naruszającego zasadniczych funkcjonalnych połączeń elementów.

Badania diagnostyczne polegają na określeniu stanu maszyny bądź podczas eksploatacji, lub podczas dokonywania kontroli technicznej gotowego wyrobu w zakładzie produkcyjnym. W wyniku badania diagnostycznego otrzymuje się informacje o wewnętrznych cechach badanej maszyny. Wynikiem badania diagnostycznego jest diagnoza, która stanowi podstawę co do dalszego użytkowania obiektu lub zakresu naprawy.

Diagnostyka jako metoda pomiaru musi spełniać dwa warunki:

Powtarzalność - polega na tym, by proces diagnostyczny można było powtarzać dowolną liczbę razy, tzn. aby cechowała go standardowość tak jak np. funkcjonowanie prasy wytłaczającej jednakowe części. Aby ten warunek mógł być spełniony, proces diagnostyczny powinien być ściśle i szczegółowo określony przez dokładne i wyraźnie podanie następujących po sobie czynności.

Jednoznaczność - odnosi się do obiektywności diagnozy i polega na tym, by ponowne badania diagnostyczne maszyn znajdujących się w takim samym stanie prowadziły do analogicznych wyników. Diagnoza powinna zależeć od stanu maszyny a nie od subiektywnej oceny osoby badającej i pozostałych warunków zewnętrznych, w których znajduje się obiekt.

Obiektem badań diagnostycznych może być każde urządzenie techniczne spełniające następujące warunki.

• może znajdować się w dwóch różnych, wzajemnie wykluczających się stanach, to znaczy może być zdatne (zdolne do wykonania pracy) lub niezdatne (niezdolne do wykonania pracy),

• składa się z elementów mogących również znajdować się w co najmniej dwóch różnych stanach.

Jednym z podstawowych zadań diagnostyki technicznej jest zmniejszenie nieokreśloności obiektu i ustalenie stanu, w jakim znajduje się obiekt. Miarą nieokreśloności w teorii informacji jest entropia zdefiniowana następująco:

gdzie: k - liczba prawdopodobnych stanów W obiektu,

pi - prawdopodobieństwo wystąpienia stanu i,

a - podstawa logarytmu.

ENtropia ma następujące własności:

• osiąga wartość zero, kiedy jeden ze stanów obiektu jest pewny a inne niemożliwe, tzn. kiedy stan techniczny obiektu jest zdeterminowany,

• przy danej liczbie stanów osiąga maksimum, kiedy te stany są równoprawdopodobne a przy zwiększaniu liczby stanów - zwiększa się,

• ma cechy addytywności, tzn. jeśli kilka niezależnych systemów połączyć w jedną całość, to ich entropie sumują się.

W procesie diagnozowania poprzez pomiar wartości parametrów S określa się stany W. Jeśli zostanie wykonane sprawdzenie któregokolwiek z parametrów S_j , to nieokreśloność zbioru W zmniejszy się i wyniesie E(W/S). Wielkość ta jest entropią względną, której wartość jest mniejsza od wartości E(W), ponieważ uzyskano pewną ilość informacji o zbiorze W.

Do zasadniczych zadań diagnostyki technicznej zalicza się:

• ustalenie, klasyfikowanie i badanie niezdatności obiektów oraz symptomów tych niezdatności,

• opracowanie metod i aparatury do mierzenia wartości parametrów diagnostycznych,

• ocena stanu technicznego obiektów na podstawie zmierzonych wartości parametrów diagnostycznych oraz przez porównanie ich z wyznaczonymi wcześniej wartościami dopuszczalnymi,

• ustalenie charakteru i zakresu czynności profilaktycznych lub prognozowanie zakresu dalszej poprawnej pracy.

Struktura obiektu a sygnał diagnostyczny

Podczas realizacji zadań diagnostyki są wykorzystywane dwie charakterystyczne cechy urządzeń technicznych. Pierwszą z nich jest struktura urządzenia, wyznaczająca jego właściwości użytkowe. Drugą natomiast cechą urządzeń jest to, że podczas ich funkcjonowania realizowane są różnorodne procesy fizyczne i chemiczne nazywane procesami wyjściowymi (sygnałami).

Strukturę urządzenia stanowi zbiór tworzących go elementów konstrukcyjnych, uporządkowanych i wzajemnie powiązanych w ściśle określony sposób w celu wypełniania założonych funkcji. Jest ona charakteryzowana rozmieszczeniem, kształtem i wymiarami elementów.

Struktura urządzenia wyznacza całokształt jego właściwości techniczno-eksploatacyjnych założonych podczas konstruowania, określa stopień przydatności obiektu do wypełniania zadań. Może ona być opisana zbiorem mierzalnych, takich jak wymiary wzajemnego ich położenia, luzy między współpracującymi elementami, zużycia, parametry opisujące deformacje kształtu (np. owalność, stożkowatość, falistość), charakteryzujące stan powierzchni, sprężystość elementów itp. Zbiór ten nazywany jest zbiorem parametrów struktury i oznaczamy:

U{u_i} i=1,2,…..,n

Podczas eksploatacji następuje zmiana wartości parametrów struktury związana z pogorszeniem stanu technicznego urządzenia.

Ocena stanu urządzania polega to na tym, że mierzy się pewne procesy generowane przez dane urządzenie (sygnały) i na tej podstawie uzyskuje się informacje o stanie urządzenia i jego elementów, co można zapisać:

gdzie:

S - wektor parametrów sygnału,

U - wektor parametrów stanu (struktury),

E - wektor parametrów sterowania,

Z - zakłócenia.

Niewiadomymi w tym równaniu są parametry struktury (stanu), natomiast znane parametry sygnału. Wobec tego rozwiązanie zadania diagnostycznego będzie polegać na rozwiązaniu równania:

przeważnie podczas pomiarów E = const, staramy się prowadzić je tak, aby wpływ zakłóceń był jak najmniejszy i stały Z = min i Z = const, wówczas równanie to przyjmie postać:

przy założeniu że: E = const, Z = min i Z = const.

Równanie to mówi o tym, że aby ocenić stan techniczny urządzenia należy znać wektor parametrów sygnałów generowanych przez urządzenie, przy zachowaniu określonych warunków pomiarów.

Na rysunku 1 przedstawiono istotę podstawowego równania diagno-stycznego i założeń z tym związanych.

Rys. 1. Istota podstawowego równania diagnostyki technicznej

Sygnały generowane przez urządzenie mechaniczne dzielą się na dwie grupy:

• robocze (użytkowe) - wynikające bezpośrednio z realizacji użytkowych funkcji urządzenia (spalania paliwa w silniku, przemiany energetyczne, wymiana ciepła, tarcie w elementach ciernych),

• towarzyszące - powstające jako wtórny efekt zasadniczych procesów roboczych (szumy, drgania, zjawiska świetlne, zapachy, procesy cieplne).

Procesy te można opisać wielkościami mierzalnymi, które nazywano parametrami wyjściowymi (sygnałami). Zatem procesy wyjściowe mogą być scharakteryzowane zbiorem parametrów wyjściowych:

S  = {s_j}; j=1,2,…..,n

Przebieg procesów wyjściowych jest uzależniony m.in. od stanu technicznego urządzenia. Wobec tego wartości parametrów wyjściowych będą się zmieniać wraz z jego zmianą.

Ponieważ stan techniczny urządzenia zależy od wartości parametrów struktury, a z kolei ich zmiany powodują zmiany wartości parametrów wyjściowych, to parametry wyjściowe odzwierciedlają charakter współpracy elementów urządzenia, tzn. jego stan techniczny.

Podczas pracy urządzenia mechanicznego w efekcie współdziałania wejścia wewnętrznego i zewnętrznego generowane są w nim dwa rodzaje procesów: robocze oraz towarzyszące, które mogą być wykorzystywane jako parametry diagnostyczne (rys. 2).

Pierwszy rodzaj procesów odzwierciedlają główny proces roboczy są: moc, prędkość obrotowa, zużycie paliwa itp. Parametry tych procesów zawierają informacje o ogólnym stanie technicznym urządzenie. Wykorzystywane są do diagnozowania ogólnego obiektu technicznego.

Drugi rodzaj procesów generowanych w urządzeniu mechanicznym to procesy towarzyszące będące najczęściej wtórnym efektem procesu roboczego zalicza się do nich: drgania, hałas, procesy cieplne, procesy zużycia. Procesy te zawierają informacje szczegółowe o stanie elementów, zespołów urządzenia, dlatego wykorzystywane są w diagnozowaniu szczegółowym oraz w lokalizacji uszkodzeń obiektu technicznego.

Rys. 2. Schemat procesów zachodzących w urządzeniach mechanicznych

Wejście wewnętrzne - jest to zbiór wielkości wymuszających, będących atrybutem istnienia urządzenia i reprezentujących jego strukturę (kształt, sposób wykonania, dokładność, itp.).

Wejście zewnętrzne - charakteryzuje warunki pracy w systemie (obciążenie, prędkość, itp.).

Wzajemny związek parametrów struktury i wyjściowy przedstawiony na rysunku 3 pozwala traktować parametry wyjściowe jako parametry stanu.

Rys. 3. Modelowe przedstawienie związków między parametrami struktury

i parametrami wyjściowymi

Parametr wyjściowy może być uznany za diagnostyczny parametr stanu technicznego obiektu, jeżeli charakteryzują go następujące cechy:

• jednoznaczność − każdej wartości parametru struktury odpowiada tylko jedna, określona wartość parametru wyjściowego),

• dostateczna szerokość pola zmian (wrażliwość) − możliwie duża względna zmiana wartości parametru wyjściowego przy niewielkiej zmianie wartości parametru struktury,

• łatwość pozyskania parametru.

Warunek ostatni nie wymaga dodatkowych wyjaśnień. Dwa pierwsze zostaną omówione na podstawie przykładowych przebiegów przedstawionych na rysunku 4.

Parametr wyjściowy s1 (prosta równoległa do osi u_i) nie może być uznany za diagnostyczny parametr stanu technicznego, ponieważ s1=f(u₁)=const. w całym zakresie zmian parametru u_i. Zależności s_j = f(u_i) przedstawione za pomocą krzywych 2 oraz 3 nie spełniają warunku jednoznaczności, ponieważ mają ekstremum.

Parametry s2 i s3 mogą być uznane za parametry diagnostyczne, w przypadku braku innych, pod warunkiem, że podczas kolejnych diagnostycznych badań stanu technicznego obiektu będą dane wyniki badań poprzednich.

Rys. 4. Możliwe zmiany parametrów diagnostycznych

Parametry wyjściowe, przedstawione za pomocą krzywych 4, 5 i 6, spełniają warunek jednoznaczności, ponieważ

przy czym dla 4 i 5 pochodna jest dodatnia a dla 6 - ujemna.

W celu wyjaśnienia warunku szerokości pola zmian (wrażliwości), można porównać krzywe 4 i 5. Lepszy jest parametr wyjściowy s5, ponieważ:

tzn., że intensywność zmiany wartości parametru s5 jest większa niż intensywność zmiany wartości parametru s4, przy tej samej zmianie wartości parametru ui .

Klasyfikacja stanów wykorzystywanych w badaniach diagnostycz-nych

Stan techniczny obiektu jest określany na podstawie zmierzonych wartości parametrów diagnostycznych s_j (sygnałów) z zależności:

Do tej oceny niezbędne jest znajomość wartości dopuszczalnych i granicznych parametrów struktury i odpowiadających im parametrów wyjściowych (sygnałów).

Na skutek oddziaływania procesów wymuszających, starzenia, następują zmiany parametrów struktury, powodujących pogorszenie stanu technicznego obiektu. Stopniowo kumulujące się zmiany mogą doprowadzić do osiągnięcia granicznych wartości parametrów struktury, przy których następuje zniszczenie elementu, zmiana lub pełna utrata właściwości techniczno-eksploatacyjnych urządzenia tak, że dalsza jego eksploatacja będzie niemożliwa lub nieopłacalna.

Jeżeli nawet graniczne wartości parametrów struktury nie zostały osiągnięte, dalsza eksploatacja urządzenia może być niewskazana lub niedopuszczalna ze względu na czynniki techniczne, eksploatacyjne lub ekonomiczne. Na podstawie analizy tych czynników są ustalane dopuszczalne wartości parametrów struktury, charakteryzujących taki stan techniczny obiektu, przy którym jest możliwe jeszcze jego użytkowanie.

W związku z powyższym, w badaniach diagnostycznych wyróżnia się następujące klasy stanów technicznych urządzeń:

• sprawności technicznej,

• niesprawności technicznej,

• zdatności,

• niezdatności.

W literaturze można znaleźć jeszcze zdefiniowane dwa stany techniczne obiektów, a mianowicie:

− stan dopuszczalny,

− stan częściowej zdatności.

− stan dopuszczalny − definiowany jest jak stan zagrożenia uszkodzenia obiektu.

− stan częściowej zdatności − jest to taki stan obiektu, przy którym obiekt może wykonywać swoje zadania w ograniczonym zakresie, np. mniejsza prędkość, mniejsza siła pociągowa itp..

Dla uogólnionego obiektu diagnostyki, klasyfikację tą można wyjaśnić następująco:

• stan sprawności technicznej - jeżeli żaden parametr struktury ze zbioru U, opisującego stan techniczny obiektu, nie osiągnął wartości dopuszczalnej,

• stan niesprawności technicznej - jest wtedy, gdy jakiś parametr ze zbioru U osiągnie i przekroczy wartość dopuszczalną, obiekt może nadal wypełniać zasadnicze funkcje robocze. Jednakże biorąc pod uwagę inne kryteria, obiekt będzie miał właściwości techniczno-eksploatacyjne nie w pełni odpowiadające założonym (np. zwiększone zużycie paliwa),

• stan zdatności - jest wtedy, gdy jakiś parametr ze zbioru U osiągnie i przekroczy wartość dopuszczalną, natomiast nie osiągnął jeszcze wartości granicznej (obiekt może być zdatny lecz niesprawny technicznie),

• stan niezdatności - gdy któryś z parametrów ze zbiory U osiągnie wartość graniczną, obiekt utraci swoje właściwości techniczno-eksploatacyjne i nie będzie mógł wypełniać funkcji roboczych.

Na rysunku 5 przedstawiono klasyfikację podstawowych stanów technicz-nych obiektów.

Rys. 5. Graficzna ilustracja klasyfikacji stanów technicznych obiektów

W przypadku konkretnych obiektów zaliczenie poszczególnych rzeczywistych stanów do odpowiednich klas może być subiektywne. Wynika to stąd, że elementy struktury obiektu mają różne przeznaczenie. Część z nich umożliwia wykonywanie zasadniczych funkcji roboczych (np. silnik) a inne spełniają rolę pomocniczą (wskaźniki). Na tej podstawie zbiór U można podzielić na dwa podzbiory.

• podzbiory zasadniczych parametrów struktury Uz, opisujących elementy zapewniających wypełnianie podstawowych funkcji roboczych obiektu,

• podzbiór drugorzędnych parametrów struktury Ud, opisujących elementy zapewniające wygodę eksploatacji, estetykę itp.

Zaliczenie konkretnego parametru do jednego z podzbiorów może być subiektywne i zależne od konkretnych potrzeb. Wprowadzony podział zbioru U na podzbiory Uz i Ud umożliwia wyjaśnienie omawianej klasyfikacji stanów również dla konkretnych, złożonych obiektów.

Podziału zbioru U na ogół nie można dokonać w przypadku parametrów struktury opisujących stan techniczny pary kinematycznej. Wobec tego klasyfikacja stanów technicznych dowolnej pary kinematycznej może być przeprowadzona w sposób opisany powyżej.

Zaliczenie konkretnego stanu technicznego urządzenia, zespołu lub podzespołu do jednej z wymienionych klas może odbywać się w inny sposób. Dla zespołu, podzespołu można wyróżnić następujące stany:

• stan sprawności technicznej - obiektu będzie wtedy, gdy zarówno parametry zasadnicze jak i drugorzędne nie przekraczają swoich wartości dopuszczalnych,

• stan niesprawności technicznej obiektu jest wtedy, gdy:

a) parametry zasadnicze nie osiągnęły wartości dopuszczalnych, natomiast przynajmniej jeden z parametrów drugorzędnych osiągnął wartość dopuszczalną lub graniczną,

b) przynajmniej jeden z parametrów zasadniczych osiągnął wartość dopuszczalną, a parametry drugorzędne nie osiągnęły wartości dopuszczalnych, albo jeden z nich osiągnął wartość dopuszczalną lub graniczną,

• stan zdatności - jest wtedy, dopóki żaden z zasadniczych parametrów nie osiągnie wartości granicznej. Parametry drugorzędne mogą w tym czasie osiągnąć wartości mniejsze lub większe od dopuszczalnych, albo większe od granicznych,

• stan niezdatności - jest wtedy, kiedy parametr zasadniczy przekroczy wartość graniczną a parametry drugorzędne nie przekroczyły względnie przekroczyły wartość dopuszczalną lub graniczną.

W tablicy 1 przedstawiono możliwe przyczyny zaliczenia konkretnego stanu obiektu do odpowiedniej klasy stanów.

Z powyższego wynika (rys. 5), że:

• klasa stanów sprawności technicznej stanowi podzbiór klasy stanów zdatności.

• klasa stanów niesprawności technicznej zawiera podzbiór klasy stanów zdatności i zbioru stanów niezdatności.

• klasa stanów niezdatności jest natomiast podzbiorem klasy stanów niesprawności.

Tablica 1.

Klasy stanów technicznych i przyczyn ich osiągnięcia

Klasy stanów techni- cznych	Urządzenie, zespół, podzespół						Para kinematyczna
		Parametry struktury
		zasadnicze			drugorzędne			U<Ud	U≥Ud	U≥Ug
		U<Ud	U≥Ud	U≥Ug	U<Ud	U≥Ud	U≥Ug
Sprawności technicznej	1	0	0	1	0	0	1	0	0
Niesprawno-ści technicznej	1 1 0 0 0	0 0 1 1 1	0 0 0 0 0	0 0 1 0 0	1 0 0 1 0	0 1 0 0 1	0 0 - - -	1 0 - - -	0 1 - - -
Zdatności	1 1 1	0 0 0	0 0 0	1 0 0	0 1 0	0 0 1	0 - -	1 - -	0 - -
Niezdatnści	0 0 0	0 0 0	1 1 1	1 0 0	0 1 0	0 0 1	0 - -	0 - -	1 - -

1- występowanie cechy,

0-cecha nie występuje,

U - parametr struktury,

U_d - wartość dopuszczalna parametru struktury,

U_g - wartość graniczna parametru struktury.

Klasyfikacja diagnostycznych parametrów stanu technicznego maszyn

Do oceny stanu technicznego maszyn, w większości przypadków, muszą być wykorzystywane mierzalne wielkości pośrednie (fizyczne) - parametry diagnostyczne.

Charakteryzują one zazwyczaj procesy wyjściowe, zachodzące podczas pracy maszyn. Tylko w nielicznych przypadkach są wykorzystywane jako parametry diagnostyczne inne wielkości (np. geometryczne) możliwe do zmierzenia bez demontażu maszyny. Przeważnie maszyny są obiektami złożonymi i ich stan techniczny jest uzależniony od stanu technicznego elementów. W związku z tym, w celu zidentyfikowania (każdego) możliwego stanu maszyny jest konieczne ustalenie odpowiednio licznego zbioru parametrów diagnostycznych. Dlatego bardzo istotnym problemem jest wszechstronna analiza funkcjonowania maszyn, w celu dokładnego poznania ich procesów wyjściowych. Najogólniej są one dzielone na robocze i towarzyszące. Podobnie można podzielić parametry diagnostyczne (rys. 6).

Rys. 6. Klasyfikacja parametrów diagnostycznych wg

a) zasady powstawania, b) zawartości informacji.

Parametry diagnostyczne dzielą się na:

• parametry roboczych procesów wyjściowych - (np. moc efektywna, moment obrotowy, zużycie paliwa) opisują podstawowe funkcjonalne właściwości obiektów i zawierają uogólnioną informacje o ich stanie. Mogą być wykorzystane podczas diagnozowania ogólnego, czyli do oceny stanu technicznego obiektu w całości,

• parametry towarzyszące procesów wyjściowych (np. temperatura, drgania, hałas) zawierają szczegółowe informacje o stanie elementów diagnozowanego obiektu. Są to parametry uniwersalne i mogą być stosowane do oceny różnych maszyn.

Diagnostycznymi parametrami stanu technicznego maszyn mogą być także inne wielkości, np.: wielkości geometryczne (jak wartości luzów, skoki jałowe elementów) możliwe do zmierzenia bez demontażu obiektu.

Ta najprostsza klasyfikacja parametrów diagnostycznych nie odzwierciedla w pełni zróżnicowania zjawisk wykorzystywanych dla realizacji celów diagnostyki technicznej maszyn.

Na rysunku 7 przedstawiono klasyfikację symptomów diagnostycznych pozwalająca wszechstronniej spojrzeć na to, które symptomy stanu technicznego obiektu są związane z rodzajem wykorzystywanego zjawiska fizycznego.

Rys. 7. Klasyfikacja symptomów diagnostycznych w powiązaniu z występującymi zjawiskami

Parametry charakteryzujące efektywność pracy, mogą być wykorzystywane do oceny stanu technicznego całego obiektu lub jego zespołów i układów. Przykładowo do tej grupy można zaliczyć dla lokomotywy - moc i zużycie paliwa, dla układu hamulcowego - droga hamowania.

Parametry charakteryzujące szczelność, są wykorzystywane podczas diagnozowania zamkniętych przestrzeni roboczych, takich jak układy chłodzenia, smarowania, zasilania, zespoły hydrauliczne i pneumatyczne.

Stan cieplny, określany za pomocą temperatury elementów oraz szybkości jej zmian jest wykorzystywany głównie do oceny stanu technicznego zespołów, w których na skutek pracy wydzielają się znaczne ilości ciepła.

Stan materiałów eksploatacyjnych, charakteryzowany np. ilością i składem zanieczyszczeń w oleju oraz zmianą jego właściwości użytkowych, umożliwia ocenę intensywności oraz stopnia zużycia niektórych elementów maszyn.

Parametry procesów wibroakustycznych, towarzyszących pracy wszystkich ruchomych elementów mechanizmów, są wykorzystywane do ogólnej oceny ich stanu technicznego, jak również do diagnozowania szczegółowego.

Wykorzystanie przebiegów napięcia prądu do oceny stanu technicznego zespołów maszyn jest możliwe w przypadku, gdy uszkodzenie jakiegoś elementu zmienia przebieg procesów elektrycznych (prądy trybologiczne), lub maszyn elektrycznych.

Wykorzystanie innych zjawisk np. wydzielanego przez materiały rozczepialne promieniowania przenikliwego, wymaga na ogół specjalnego przygotowania obiektów do diagnozowania.

Diagnostyczne parametry stanu technicznego można również podzielić następująco:

a) według charakteru związków między nimi na:

• niezależne − niezależnie od innych odzwierciedlają zmianę stanu technicznego konkretnego elementu badanego obiektu,

• zależne − zmianę stanu technicznego można określić dopiero za pomocą kilku parametrów.

b) według pojemności i charakteru informacji na:

• szczegółowe − sygnalizujące zmianę stanu technicznego konkretnego elementu obiektu,

• ogólne − charakteryzujące stan techniczny obiektu w całości.

Zasady wykorzystania parametrów diagnostycznych do oceny stanu technicznego maszyn

Proces diagnozowania obiektu zawiera takie czynności jak testowe oddziaływanie na obiekt (np. ustalenie określonej wartości prędkości obrotowej, obciążenia, itp.), pomiar parametrów diagnostycznych, przetwarzanie uzyskanej informacji oraz postawienie diagnozy.

Stan techniczny urządzenia można ocenić na podstawie zmierzonych wartości parametrów diagnostycznych, pod warunkiem, że znane są związki pomiędzy parametrami struktury lub rozróżnianymi stanami a parametrami diagnostycznymi. Charakter tych zależności i zawarte w nich informacje wyznaczają metody dalszego postępowania przy stawianiu diagnozy.

W procesie diagnozowania złożonego obiektu z reguły wykorzystuje się znaną liczbę parametrów diagnostycznych. Dlatego też w celu uzyskania określonej wiarygodności diagnozy stosuje się metody syntezy i analizy podczas opracowania uzyskanych informacji.

Diagnozowanie metodą syntezy informacji

Schemat diagnozowania metodą syntezy informacji przedstawiono na rysunku 8.

Diagnozowany obiekt jest poddawany oddziaływaniu testowemu. Przetworniki d₁,d₂,...,d_n rejestrują sygnały, które zawierają informacje o wartościach parametrów struktury u₁,u₂,...,u_n, każdego elementu e₁,e₂,...,e_n obiektu. Rejestrowanie wielkości s₁,s₂,...,s_n z reguły przetransformowane na sygnały elektryczne, zostają wzmocnione do wartości s'₁,s'₂,...,s'_n i skierowane do urządzenia progowego. Urządzenie progowe przepuszcza tylko te sygnały, których wartości przekroczyły wartości dopuszczalne sd. Sygnały s"₁,s"₂,...,s"_n docierają do urządzenia logicznego, w którym następuje synteza informacji otrzymanych od szeregu czujników i postawienie diagnozy.

Diagnozowanie metodą syntezy informacji wymaga stosowania znacznej ilości czujników i urządzeń dodatkowych, utrudnia normowanie i nie zapewnia wystarczającej dokładności z powodu dużej różnorodności wykorzystywanych parametrów diagnostycznych. Ponadto konieczność przetwarzania dużej liczby sygnałów diagnostycznych, zmusza do stosowania skomplikowanych urządzeń diagnostycznych. Czas diagnozowania jest stosunkowo długi.

Rys. 8. Proces diagnozowania stanu technicznego urządzenia mechanicznego metodą syntezy informacji

Diagnozowanie metoda analizy uogólnionej informacji.

Schemat diagnozowania metodą analizy informacji przedstawia rysunek 9.

Diagnozowanie tą metodą różni się od poprzedniej metody m.in. tym, że sygnały charakteryzujące parametry struktury u₁,u₂,...,u_n grupy elementów obiektu, rejestruje się za pomocą jednego przetwornika d (np. czujnika piezoelektrycznego). Po wzmocnieniu, sygnał s' zawierający uogólnioną informację o stanie technicznym obiektu jest kierowany do analizatora, w którym zostają wydzielone najbardziej charakterystyczne, użyteczne jego składowe. Następnie sygnał w postaci składowych wydzielonych w analizatorze docierają do urządzenia progowego, w którym porównane są ich wartości z wartościami dopuszczalnymi. Końcowy etap diagnozowania to postawienie diagnozy.

Rys. 9. Proces diagnozowania stanu technicznego urządzenia mechanicznego metodą analizy informacji

Istota metod syntezy i analizy informacji

Metod syntezy informacji	Metoda analizy informacji
− duża liczba przetworników sygnału, − rozbudowany układ pomiarowy, − metod kosztowna, − metoda inwazyjna, − metoda laboratoryjna, − metoda bardzo dokładna.	− niewielka ilość przetworników (1 lub 2), − prosty układ pomiarowy, − metoda wymagająca specjalisty, − metoda nieinwazyjna, − metoda eksploatacyjna, − metoda dokładna.

Przy wyborze jednej z wymienionych metod należy uwzględnić charakterystyczne właściwości obiektu, jak również postawiony cel diagnozowania. Obie metody są wykorzystywane do oceny stanu technicznego złożonych obiektów mechanicznych, przy czym często zachodzi konieczność zastosowania ich kombinacji.

W badaniach stanu technicznego obiektów na ogół wyróżnia się dwie fazy:

• kontrolę stanu (diagnozowanie ogólne),

• lokalizację uszkodzeń (diagnozowanie szczegółowe).

Kontrola stanu jest najbardziej ogólnym procesem badania stanu obiektu bez rozróżniania stanu jego elementów. Celem badania jest stwierdzenie, czy obiekt jako całość nadaje się do wypełniania założonych funkcji roboczych. Metody pomiarowe wykorzystywane podczas diagnozowania ogólnego są przeznaczone głównie do kontroli zdatności obiektu.

Lokalizację uszkodzeń wykonuje się po kontroli stanu w przypadku, gdy dała ona wynik negatywny (obiekt stanie niezdatności). Lokalizację uszkodzeń umożliwiają szczegółowe metody i środki diagnozowania.

Na rysunku 10 została przedstawiona klasyfikacja rodzajów diagnozowania obiektów mechanicznych.

Rys. 10. Klasyfikacja rodzajów diagnozowania obiektów mechanicznych

Przedstawiona na rysunku 10 klasyfikacja rodzajów diagnozowania obiektów mechanicznych sporządzona jest wg:

a) parametrów diagnostycznych,

b) miejsca w procesie technologicznym,

c) rodzaje środków diagnozowania,

d) sposobu stosowania.

Stanowiskowe środki diagnostyczne są z reguły urządzeniami diagnostycznymi stacjonarnymi i umożliwiają wykonywanie kontroli zdatności oraz lokalizację uszkodzeń. Przenośne środki diagnostyczne są to przyrządy umożliwiające ocenę stanu elementów na podstawie wyników pomiarów wartości parametrów sygnału wibroakustycznego, stanu cieplnego, szczelności, itp.

Uzyskaniu negatywnego wyniku diagnozowania ogólnego następuje lokalizacja uszkodzenia. Po zlokalizowaniu uszkodzenia następuje jego usunięcie. Usunięcie uszkodzenia nie kończy procesu diagnozowania, następuje po nim ponowne badanie w celu stwierdzenia poprawności wykonania naprawy. Jeżeli wynik jest pozytywny obiekt wraca do eksploatacji, jeżeli nie, ponownie lokalizuje się nowe uszkodzenie, które mogło zaistnieć podczas naprawy albo źle naprawione pierwsze.

Przedstawione fazy badania obiektu mechanicznego mogą być dokonywane przy założeniu:

• dwuwartościowej oceny stanu (rys. 11, 12),

• trójwartościowej ocenie stanu. (rys. 13, 14).

Dwuwartościowa ocena stanu technicznego obiektu mechanicznego zakłada wartość graniczną jako kryterium oceny stanu. Przy tej ocenie bada się tylko czy obiekt jest zdatny lub niezdatny.

Przy zastosowaniu trójwartościowej oceny stanu rozróżnia się obiekt będący w następujących stanach niesprawny i sprawny technicznie oraz zdatny i niezdatny technicznie. Jest to diagnozowanie bardziej szczegółowe i daje więcej informacji o stanie obiektu.

Rys. 11. Fazy badania stanu technicznego obiektu mechanicznego przy pomocy dwuwartościowej ocenie stanu

Rys. 12. Zmiany parametru diagnostycznego na tle klasyfikacji dwustanowej

Rys. 13. Fazy badania stanu technicznego obiektu mechanicznego przy pomocy trójwartościowej ocenie stanu

Rys. 14. Zmiany parametru diagnostycznego na tle klasyfikacji trójstanowej

Określenie wartości cech charakteryzujących działanie urządzenia (stan techniczny) może odbywać się w różnych etapach życia urządzenia.
W zależności od etapu na jakim diagnostyka znalazła zastosowanie wyróżnia się następujące rodzaje diagnostyki:

• emisyjna - zadaniem jej jest zlokalizowanie uszkodzenia (stosowana w podsystemie obsługiwania),

• kontrolną - stosowana jest w zakładach produkcyjnych do oceny (stanu) jakości nowych wyrobów (ocena zgodności wykonania maszyny z dokumentacją techniczną),

• eksploatacyjną - ocenia stan techniczny urządzenia w czasie eksploatacji (ciągła lub dyskretna obserwacja stanu maszyny − stosowana w podsystemie użytkowania),

• procesów technologicznych - ocenia jakość procesu technologicznego (ocena jakości wytwarzania elementów, zespołów maszyn na każdym etapie ich wytwarzania).

W diagnostyce technicznej ze względu na sposób oceny stanu (pozyskania sygnałów) wyróżnia się dwa rodzaje obiektów:

• aktywne (czynne) - są to takie obiekty, które podczas realizowania swoich funkcji (zadań) generują procesy (robocze i towarzyszące) wykorzystywane do oceny ich stanu technicznego np. silnik spalinowy, sprężarka itp,

• pasywne (bierne) - są to takie obiekty, które podczas realizowania swoich funkcji (zadań) nie generują żadnych procesów np. konstrukcja stalowa w postaci mostu, wieży itp. Diagnozowanie takich obiektów polega na pobudzaniu np. do drgań, obciążaniu itp. i pomiarze odpowiedzi obiektu na zadane wymuszenie.

Korzyści techniczne i aspekty ekonomiczne wynikają z stosowania badań diagnostycznych urządzeń mechanicznych:

- znaczne skrócenie czasu potrzebnego na ocenę stanu technicznego urządzenia, wskutek czego następuje obniżenie kosztów badań,

- uniknięcie konieczności demontażu poszczególnych zespołów badanego urządzenia, w wyniku czego uzyskuje się dłuższy czas pracy urządzenia między naprawami,

- uzyskanie wzrostu niezawodności pracy urządzeń i zlikwidowanie strat wskutek nieprzewidzianych przerw w pracy urządzeń,

- badania diagnostyczne usprawniają proces eksploatacji urządzeń.

IV − 1

Procesy towarzyszące

Procesy robocze

Procesy zużycia

Procesy cieplne

Hałas

Drgania

Realizowany

proces

Wejście

zewnętrzne

Wejście

wewnętrzne

(wnioski

o stanie

technicznym)

związki

pomiędzy U i S

interwencja

nując powoduje

funkcjo-

posiada

określa

Diagnostyczne

badanie

stanu technicznego

Eksploatator

urządzenia

Zbiór S

parametrów

wyjściowych

Procesy

wyjściowe

Urządzenie

w nieznanym

stanie

technicznym

Struktura

urządzenia

Zbiór U

parametrów

struktury

Sj

Ui

ds₅

ds₄

Sj_o

Ui_o

du_i

1

2

3

4

5

6

U

Mira starzenia Θ

Stan niezdatności

Stan niesprawności technicznej

Stan zdatności

Stan sprawności technicznej

Parametry

diagnostyczne

Parametry

procesów

wyjściowych

Inne

Parametry

procesów

roboczych

Parametry

procesów

towarzyszących

Parametry

geometryczne

Parametry

promieniowania

materiałów

rozczepialnych

Uogólnione

Szczegółowe

a)

b)

Inne

Zjawiska

elektryczne

Hałas

i drgania

Stan

materiałów

eksploatacyjnych

Stan

cieplny

Szczelność

Efektywność

pracy

Symptomy stanu

technicznego maszyn

Diagnoza

Synteza

informacji

Urządzenie logiczne

s''_n

s''₂

s''₁

s''>s_d

s_d

s'_n

s'₅

s'₄

s'₃

s'₂

s'₁

Urządzenie progowe

s_n

s₅

s₄

s₃

s₂

s₁

Blok wzmocnienia sygnałów

u_n

u₅

u₄

u₃

u₂

u₁

s'<s_d

Użytkowanie

s''>s_g

Naprawa

s_g>s''>s_d

Obsługa

d_n

d₅

d₄

d₃

d₂

d₁

e_n

e₂

Diagnoza

Czas eksploatacji

Parametr diagnostyczny

e₁

Obiekt

diagnozowany

Testowe oddziaływanie na obiekt

Θ

ZDATNY

NIEZDATNY

e_n

e₂

u_n

u₅

u₄

Kodowanie informacji o stanie elementów

u₃

u₂

u₁

e₁

Obiekt

diagnozowany

Testowe oddziaływanie na obiekt

Wzmacniacz

s

s'

d

Analizator

t_g

s''>s_d

s''₁

s''₂

s''_n

s_d

Analiza

informacji

Urządzenie progowe

s'<s_d

Użytkowanie

s''>s_g

Naprawa

s_g>s''>s_d

Obsługa

Rodzaj diagnozowania

Na podstawie

parametrów

procesów

roboczych

Na podstawie

parametrów procesów

towarzyszących,

geometrycznych i innych

Ogólne

Szczegółowe

Stanowiskowe

Za pomocą

urządzeń przenośnych

Stacjonarne

Ruchowe za pomocą

przyrządów organicznie

związanych z obiektem

lub urządzeń przenośnych

d)

c)

b)

a)

Usuwanie uszkodzeń

Stan niezdatności

obiektu (uszkodzenie zlokalizowane)

Lokalizacja niezdatności

(diagnozowanie szczegółowe)

Koniec badania

stanu obiektu

Obiekt niezdanty

Obiekt zdanty

Kontrola stanu

(diagnozowanie ogólne)

Negatywny wynik

sprawdzenia

Pozytywny wynik

sprawdzenia

Nieznany stan techniczny

obiektu mechanicznego

DOPUSZCZLNY

ZDATNY

Obiekt sprawny

Obiekt niezdanty

Koniec badania

stanu obiektu

Lokalizacja niespraw-ności (diagnozowanie szczegółowe)

Stan zdatności

obiektu (niesprawność zlokalizowana)

Usuwanie niesprawności

S_d < S < S_g

S < S_d

S > S_g

Wynik sprawdzenia

Obiekt zdanty

Lokalizacja uszkodzeń

(diagnozowanie szczegółowe)

Stan niezdatności

obiektu (uszkodzenie zlokalizowane)

Usuwanie uszkodzeń

Θ

E = const Z = min, Z = const

Miara starzenia obiektu

Symptom diagnostyczny

kolejne obserwacje diagnostyczne sygnału S_i

poziom sygnału wynikający z danego poziomu zakłóceń Z

poziom sygnału wynikający z zadanego wektora sterownia E

poziom znamionowy sygnału S_o

S_i=Φ(U)

S_i

S_g

S

Parametr diagnostyczny

Czas eksploatacji

Θ

NIEZDATNY

S_d

t_g

t_d

Kontrola stanu

(diagnozowanie ogólne)

Nieznany stan techniczny

obiektu mechanicznego

S_g

S

---