„ ...

maszyna nie izoluje człowieka

od wielkich problemów eksploatacji,

ale przybli a go do nich jeszcze bardziej... „

R O Z D Z I A Ł II

ELEMENTY TEORII EKSPLOATACJI

2.1 Wprowadzenie

2.2 Nauki eksploatacyjne

2.3 Teoria eksploatacji

2.3.1 System eksploatacji maszyn

2.3.2 Strategie eksploatacji maszyn

2.4 Niezawodno maszyn

2.5 Tribologia

2.6 Diagnostyka techniczna

2.7 Badania nieniszcz ce

2.8 Bezpiecze stwo maszyn

2.8.1 Wska niki bezpiecze stwa systemów

2.8.2 Struktura bezpiecze stwa systemów

2.9 Podsumowanie

Literatura

ROZDZIAŁ II

ELEMENTY TEORII EKSPLOATACJI

2.1 Wprowadzenie

W procesie rozwoju techniki i produkcji istotnym zagadnieniem jest zapewnienie

wyrobom odpowiedniej „jako ci” i efektywno ci. Wła ciwo ci obiektu, wpływaj ce na jako

i efektywno , wywołuj coraz to nowe problemy techniczne dla specjalistów ró nych

dziedzin techniki, jak i dla ekonomistów zainteresowanych nimi w aspekcie potrzeb

gospodarki.

Traktuj c u ytkowanie maszyn jako główny etap weryfikacji ich przydatno ci i

spełniania oczekiwa społecznych, coraz cz ciej na tym etapie prowadzi si intensywne

badania poprawno ci działania maszyn w odpowiednio sformalizowanych strukturach

eksploatacji.

Mo liwo ci dokona wszystkich dziedzin teorii eksploatacji pozwalaj na nowoczesne

rozwi zania w zakresie planowania i optymalizacji procedur projektowania, konstruowania,

wytwarzania i eksploatacji maszyn, według głównego kryterium ich jako ci i efektywno ci

wykorzystania.

Dla omówienia zada i roli diagnostyki technicznej, traktowanej jako samodzielnej

dziedziny naukowej teorii eksploatacji, w tym rozdziale przedstawiono skrótowo problemy

główne składowych dziedzin teorii eksploatacji, jednoznacznie okre laj ce mo liwo ci i

potrzeby realizowanych bada , wspomaganych diagnostyk techniczn .

Interdyscyplinarne powi zanie problemów eksploatacji maszyn wyra nie wskazuje na

dominuj c w ród nich rol diagnostyki technicznej, traktowanej jako narz dzie badania stanu

maszyn oraz kształtowania ich jako ci i sposobów wykorzystania.

2.2 Nauki eksploatacyjne

Rozwijaj ca si dynamicznie nowa dyscyplina wiedzy dotycz ca eksploatacji maszyn i

urz dze technicznych budowana jest na podstawach nauk eksploatacyjnych, do których jako

główne zaliczamy:

systemy eksploatacji, niezawodno , tribologi , diagnostyk

techniczn i bezpiecze stwo maszyn.

Składowe dziedziny nauk eksploatacyjnych przedstawiono na rys.2.1, przy czym ze

wzgl du na tre ci tej ksi ki

diagnostyk techniczn potraktowano jako główn w tej

specyfikacji.

Rys.2.1 Miejsce diagnostyki technicznej w nauce o eksploatacji.

Wyeksponowanie miejsca i roli eksploatacji w gospodarce (rys.2.2), na któr

składaj si

produkcja, dystrybucja i konsumpcja wi e si z zale no ciami wyst puj cymi

w procesie pracy, gdzie umiejscowione s ró nego typu maszyny i urz dzenia techniczne.

Rys.2.2 Miejsce i rola eksploatacji w gospodarce.

Produkcja (wytwarzanie) jest wiadom i celow działalno ci ludzk , przy realizacji

której nale y d y do optymalnego wykorzystania maszyn i urz dze dla zaspokojenia

społecznych potrzeb.

Dystrybucja, to równie wiadoma i celowa działalno ludzka zmierzaj ca do

optymalnego zaspokojenia potrzeb produkcji i konsumpcji przez racjonalny podział zasobów,

ich przechowywanie i przemieszczanie za pomoc wszelkiego rodzaju urz dze

transportowych i magazynowych.

Konsumpcja to bezpo rednie zaspokojenie potrzeb ludzkich i produkcyjnych z

uwzgl dnieniem minimalizacji nakładów rodków materialnych, finansowych oraz nakładów

pracy ywej i uprzedmiotowionej.

W ka dym z wymienionych działów gospodarki wyst puje praca ludzi oraz maszyn i

urz dze . Jest to społeczne miejsce pracy uprzedmiotowionej i zwi zane z ni procesy

eksploatacji.

Realizacja zada produkcyjnych jest mo liwa dzi ki maszynom, których istnienie

obejmuje faz

warto ciowania (zaistnienie potrzeby), konstruowania, wytwarzania i

eksploatacji. Zapewnienie wymaganej jako ci nowo konstruowanych lub modernizowanych

maszyn jest mo liwe przez wykorzystanie dokona wskazanych nauk eksploatacyjnych, w

tym szczególnie poprzez racjonalne stosowanie osi gni diagnostyki technicznej.

2.3 Teoria eksploatacji

Teoria eksploatacji zajmuje si syntez , analiz i badaniem systemów eksploatacji, a

w szczególno ci zagadnieniami procesów u ytkowania i obsługiwa technicznych maszyn i

urz dze wyst puj cych w tych systemach [4,7,11]. Obiekty b d ce w zakresie rozwa a

teorii i praktyki eksploatacji, w zale no ci od potrzeb b d traktowane jako urz dzenia,

maszyny, systemy lub obiekty.

Z definicji eksploatacji wypływa zakres oczekiwanych, merytorycznych umiej tno ci,

które mo na przedstawi jako:

- kierowanie eksploatacj , a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz dobieranie,

motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;

- formułowanie zada projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy, dotycz cych

obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji;

- projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie warunków

eksploatacji optymalnej;

- identyfikowanie stanów technicznych obiektów eksploatacji i stanów systemów eksploatacji;

- identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich warto ci;

- okre lanie, wyznaczanie i ocenianie sprawno ci systemu eksploatacji;

- okre lanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;

- planowanie strategiczne eksploatacji (rozwój, modernizacja);

- dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.

Ta charakterystyka umiej tno ci w zakresie in ynierii eksploatacji okre la

zadania

teorii eksploatacji, która winna wypracowywa i doskonali nast puj ce metodyki:

* projektowania i organizowania systemów eksploatacji;

* analizy ryzyka i szans przedsi wzi eksploatacyjnych;

* planowania strategicznego eksploatacji;

* kierowania eksploatacj i sterowania procesami eksploatacji;

* analizy ekonomicznej eksploatacji;

* bada eksploatacyjnych;

* opracowywania tre ci i technik instrukcji eksploatacyjnych;

* motywowania eksploatatorów.

Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajduj ca ostatnio swoje miejsce w

systemie logistycznym, ma struktur wielowarstwow (hierarchiczn ), do której analizy

niezb dne s metody wypracowywane przez ogóln teori systemów.

Do podstawowych

praw rz dz cych eksploatacj maszyn nale y zaliczy :

* ka de urz dzenie techniczne (maszyna) jest obiektem eksploatacji i słu y człowiekowi

do realizacji okre lonego celu;

* system eksploatacji składa si z podsystemu u ytkowania i obsługiwa technicznych;

* nie ma obiektu eksploatacji, którego nie mo na byłoby u ytkowa ;

* nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;

* obiekt eksploatacji zu ywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;

* obsługiwany obiekt eksploatacji odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga

nakładów eksploatacyjnych;

* proces eksploatacji obiektu jest realizowany w okre lonym przedziale czasu.

W ocenie działania zło onych systemów eksploatacji wykorzystuje si nast puj ce

własno ci:

-

efektywno : uto samiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w okre lonym czasie, w

sensie zamierzonego celu;

-

gotowo : wyra aj ca mo liwo działania eksploatowanych obiektów, w tym równie

systemu jako cało ci, w danej chwili czasu;

-

wydajno : uto samiana z intensywno ci realizacji zada ;

-

skuteczno : własno osi gania stanów wyró nionych jako pozytywne w zbiorze stanów

mo liwych;

-

sprawno : mo liwo znajdowania si systemu w stanach okre lonych przez system

nadrz dny;

-

ekonomiczno : własno wyra aj ca relacje mi dzy warto ci uzyskanych efektów a

wielko ci nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;

-

niezawodno : własno wyra aj ca stopie zaufania, e spełnione zostanie wymagane

działanie.

Przedstawione własno ci systemu eksploatacji maszyn, zorganizowanego według

okre lonych reguł działania to zakres zainteresowa składowych dziedzin nauki o eksploatacji

maszyn i urz dze technicznych.

Z racji tre ci merytorycznych tej ksi ki w dalszej cz ci przedstawiono tylko główne

elementy teorii eksploatacji, wi

ce si bezpo rednio z zagadnieniami diagnostyki

eksploatacyjnej maszyn, wskazuj ce na miejsce i rol bada diagnostycznych w realnych

systemach eksploatacji maszyn.

2.3.1 System eksploatacji maszyn

W wieloetapowym procesie istnienia maszyn (warto ciowanie, konstruowanie,

wytwarzanie, eksploatacja) faza eksploatacji jest weryfikacj ko cow efektywno ci działania

wytworu (wyrobu), ujmuj c „jako ” wszystkich poprzednich etapów.

Współcze nie pod poj ciem "eksploatacja" rozumie si zespół celowych

działa organizacyjno - technicznych i ekonomicznych ludzi z urz dzeniami
technicznymi oraz wzajemne relacje wyst puj ce mi dzy nimi od chwili przej cia
urz dzenia do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, a do jego utylizacji po
likwidacji.

Działalno eksploatacyjna przebiega w obr bie

logistyki, w ramach ró nych

systemów produkuj cych rozliczne dobra i wiadcz cych przeró ne usługi. Systemy te s na

ogół zło one i wydzielenie w nich podsystemu eksploatacji wcale nie jest łatwe.

Schemat strukturalny systemu eksploatacji maszyn pokazano na rys.2.3,

wyró niaj c w nim jako główne:

- podsystem

sterowania z jego składowymi,

- podsystem

u ytkowania z jego składowymi,

- podsystem

logistyczny,

- podsystem

procesowy.

Taka struktura systemu eksploatacji zawiera znane dotychczas elementy główne tego

systemu (

u ytkowanie i obsługiwanie), przy czym obsługiwanie to podsystem zapewnienia

zdatno ci potraktowany jako podrz dny dla podsystemu u ytkowania [8,12].

Rys.2.3 Elementy systemu eksploatacji maszyn.

Z punktu widzenia teorii systemów cało ciowe potraktowanie procesu eksploatacji

maszyn wraz z procesami realizowanymi przez człowieka przedstawia rys.2.4. Stopie

ogólno ci rozwa a procesu eksploatacji pozwala wyznaczy tu nast puj ce zbiory procesów:

- procesy sterowane,

- procesy informacyjne (np. in ynieria diagnostyki),

- procesy nie sterowane.

Takie uj cie pozwala wyra nie wyró ni miejsce diagnostyki technicznej w strukturze

systemu eksploatacji, dostarczaj cej informacji o stanach procesów destrukcyjnych

elementów maszyn, niezb dnych do podejmowania racjonalnych decyzji eksploatacyjnych.

Rys.2.4 Procesy eksploatacyjne.

Ka dy z tych zbiorów mo na zdekomponowa na podzbiory charakteryzuj ce

szczegółowo zakres problemowy elementów składowych procesu eksploatacji, co

przedstawiono na rys.2.5.

W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest

podsystem

u ytkowania i nieodł cznie z nim zwi zany podsystem obsługiwa technicznych.

W podsystemie u ytkowania znajduj si tylko

maszyny zdatne i mog one by

u ytkowane intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekuj co, kiedy trwa postój na

zapotrzebowanie do u ycia.

Rys.2.5 Szczegółowy zakres procesów eksploatacyjnych maszyn.

Ka da niezdatno powoduje przej cie maszyny do podsystemu obsługiwa

technicznych. W tym podsystemie wyró nia si podsystemy:

•

zabiegów profilaktycznych; obsługiwanie w dniu u ytkowania (OU), obsługiwanie

po okre lonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie
powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzaj ce (OP), okresu docierania (OD) itd.,

•

rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoz-

nanie i pomoc techniczna (PT).

•

napraw; naprawa bie ca (NB), naprawa rednia (NS), naprawa główna (NG),

naprawa poawaryjna (NA) itd.,

•

konserwacji; konserwacja krótkoterminowa (KK), rednioterminowa (KS),

długoterminowa (KD),

Zadaniem podsystemu obsługiwa technicznych jest usuni cie niezdatno ci maszyny

lub wykonanie niezb dnie koniecznych czynno ci obsługowych(zalecanych przez wytwórc ).

Eksploatowanie rozlicznych urz dze warunkuje rozwój produkcji wytworów nie

b d cych urz dzeniami, rozwój realizacji usług oraz rozwój produkcji urz dze . Tak

rozumiana działalno eksploatacyjna powinna charakteryzowa si :

•

technik eksploatacyjn eliminuj c ci k prac ludzi,

•

rodkami eksploatacji umo liwiaj cymi minimalizacj kosztów,

•

warunkami eksploatacji umo liwiaj cymi maksymalizacj trwało ci urz dze .

Znajomo stanu maszyny jak i mo liwo ci prognozowania tego stanu na okre lony

horyzont czasowy to główne nowo ci wykorzystywane coraz cz ciej w stosowanych

współcze nie strategiach eksploatacji maszyn.

Ze wzgl du na losowy charakter przebiegu procesu eksploatacji maszyn (np. zmienne

warunki pracy, obci enia), uzyskanie dostatecznie wiarygodnych prognoz wymaga

wykorzystania metod statystycznych. Uzyskanie niezb dnych do tego danych jest mo liwe

poprzez dozorowanie stanu obiektu. Analiza tych danych mo e by nast pnie wykorzystana

do genezowania stanu obiektu w wybranych przedziałach czasu, a tak e do celów

sprawozdawczych i wielu innych.

Zmiany wywołane stanem niezawodno ciowym eksploatowanych maszyn

(uszkodzenia, przestoje) maj charakter losowy i ich wpływ na zmian intensywno ci
u ytkowania usiłuje si zminimalizowa za pomoc ró nych form rezerwowania.

Kierownictwo zakładu, prowadzi polityk eksploatacyjn polegaj c na sterowaniu

stanem zdatno ci maszyn w taki sposób, by uzyskiwa optymalne efekty. Najcz ciej
stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma
uogólnionych nakładów na u ytkowanie i obsługiwanie maszyn.

2.3.2 Strategie eksploatacji maszyn

Ustalenie miejsca i funkcji diagnostyki technicznej w systemie eksploatacji maszyn

warunkuje potrzeb omówienia istniej cych strategii eksploatacji, w oparciu o które

realizowane s procesy u ytkowania i obsługiwa technicznych maszyn w

przedsi biorstwach.

Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia u ytkowania i

obsługiwania maszyn oraz relacji mi dzy nimi w wietle przyj tych kryteriów.

W literaturze znane s nast puj ce

strategie eksploatacji maszyn [9,12]:

•

według niezawodno ci,

••••

według efektywno ci ekonomicznej,

••••

według ilo ci wykonanej pracy,

••••

według stanu technicznego,

• autoryzowana strategia eksploatacji maszyn.

Najcz ciej w oparciu o jedn z powy szych strategii buduje si

system eksploatacji

przedsi biorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii s cz sto jego uzupełnieniem. W

praktyce przemysłowej wyst puj wi c najcz ciej

strategie eksploatacji mieszane,

dostosowane do wymaga i warunków eksploatowanych maszyn.

STRATEGIA WEDŁUG NIEZAWODNO CI.

Eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza si do podejmowania decyzji

eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodno ci urz dze

(ró ne wska niki niezawodno ciowe), eksploatowanych a do wyst pienia uszkodzenia.

Strategia wg niezawodno ci, zwana inaczej strategi „według uszkodze ” polega na

eksploatacji obiektu do chwili wyst pienia uszkodzenia.

Badania niezawodno ci maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy

wykorzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarze , co obecnie zast puje

komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodno ci. Wyró niane w

ba-daniach niezawodno ci maszyn słabe ich ogniwa s cennym wskazaniem dla konieczno ci

prowadzenia bada diagnostycznych.

Nie trzeba uzasadnia , e strategia ta mo e by stosowana tylko wówczas, gdy

nast pstwa uszkodze nie naruszaj zasad bezpiecze stwa pracy i nie zwi kszaj kosztów

eksploatacji maszyn.

STRATEGIA WEDŁUG EFEKTYWNO CI EKONOMICZNEJ.

Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a

decyzje eksploatacyjne podejmowane s w oparciu o wska nik zysku. Podstaw

podejmowanych decyzji s dane o niezawodno ci, kosztach u ytkowania i napraw

eksploatowanych maszyn.

Wa nym czynnikiem w tej strategii jest post p techniczny, którego wysoka dynamika

okre la starzenie moralne maszyn, a wi c czynnik wnikliwie ledzony przez potencjalnych

odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie równie w sytuacjach gdy moralne starzenie si

maszyn wyprzedza ich zu ycie fizyczne.

W tej strategii kryterium efektywno ci ekonomicznej, a wi c opłacalno ci eksploatacji

maszyny staje si podstaw decyzji o wycofaniu maszyny z u ycia. Wyniki efektywno ci

ekonomicznej mog cz sto doprowadza do wycofywania maszyn z eksploatacji jeszcze

zdatnych, lecz niezadowalaj cych u ytkownika eksploatacji.

Poprawne stosowanie tej strategii wymaga gromadzenia du ej ilo ci informacji

statystycznych z zakresu gospodarki finansowej działu eksploatacji, znajomo ci modeli

decyzyjnych, mierników warto ci i wska ników efektywno ci ekonomicznej oraz rachunku

optymalizacyjnego.

STRATEGIA WEDŁUG ILO CI WYKONANEJ PRACY.

Eksploatowanie maszyn w tej strategii jest limitowane ilo ci wykonanej pracy, która

mo e by okre lana liczb godzin pracy, ilo ci zu ytego paliwa, liczb przejechanych kilo-

metrów, liczb cykli pracy itp. Generaln zasad w tej strategii jest zapobieganie

uszkodzeniom (zu yciowym, starzeniowym) poprzez konieczno wykonywania zabiegów

obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osi gni ciem granicznego

poziomu zu ycia.

Z punktu widzenia wykorzystania rzeczywistego potencjału u ytkowego maszyny jest

to strategia mało efektywna, gdy podstaw przyjmowania dopuszczalnej ilo ci pracy s

ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje si tu najniekorzystniejsze warunki pracy, najsłabsze

ogniwa (zespoły, cz ci) maszyny, ekstremalne obci enia, które nie zawsze i w nierównym

stopniu mog si ujawni podczas eksploatacji.

Strategia ta, mimo do powszechnego stosowania, posiada szereg wad, jak np.:

•

planowanie czynno ci obsługowych odbywa si w oparciu o normatyw, niezale nie

od stanu technicznego maszyny, co prowadzi do wykonywania zb dnych prac obs-
ługowych i nadmiernego zu ywania cz ci i materiałów eksploatacyjnych;

•

sztywne struktury cykli naprawczych (naprawy główne) nie odpowiadaj ce rzeczy

wistym potrzebom;

•

bardzo mała efektywno wykorzystania potencjału u ytkowego maszyny;

•

przyj te normatywy nie uwzgl dniaj post pu technicznego, nie wyzwalaj inicjatywy

personelu obsługuj cego, nie doskonal systemu eksploatacji;

•

ustalenie optymalnego czasu poprawnej pracy maszyny jest trudne, a to prowadzi do

wzrostu kosztów eksploatacji.

STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO.

Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie

bie cej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów (rys.2.6). Umo liwia

to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych ju

strategii.

zakłócenia

WE

SYSTEM

WY

EKSPLOATACJI

MASZYN

PODSYSTEM

DIAGNOSTYCZNY

(informacje o stanie maszyn)

DECYZJE ALGORYTM WZORZEC

EKSPLOATACYJNE POST POWANIA STANU

Rys.2.6 Diagnostyczne sterowanie systemem eksploatacji maszyn.

Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany warto ciami mierzonych

symptomów stanu, jest podstaw decyzji eksploatacyjnej. Poprawna realizacja tej strategii

wymaga skutecznych metod i rodków diagnostyki technicznej oraz przygotowanego

personelu technicznego. Wymaga te przezwyci enia nieufno ci decydentów co do

efektywno ci takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z takiego sposobu

eksploatacji s niewspółmiernie wy sze ni w innych strategiach, co warunkuje powodzenie i

ogromne zainteresowanie tym rozwi zaniem.

Podstawowym warunkiem powodzenia tej strategii jest dost pno prostych i

skutecznych metod diagnostycznych, najlepiej wkonstruowanych w produkowane maszyny,

które z kolei s nadzorowane w systemie monitorowania stanu.

W oparciu o omówione strategie eksploatacji maszyn w praktyce przemysłowej

budowane s

systemy obsługiwa technicznych maszyn. Do najbardziej

rozpowszechnionych nale :

•

system wymian profilaktycznych; budowany głównie w oparciu o strategi eksplo

atacji według efektywno ci; (dla obiektów jednostkowych, odpowiedzialnych-gdzie
prowadzi si wymiany profilaktyczne dla unikni cia awarii),

•

planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych; budowany w oparciu o

strategi według ilo ci wykonanej pracy; (z góry zaplanowany zakres i cz stotliwo
obsługiwa technicznych, niezale nie od aktualnego stanu, czyli potrzeb),

•

planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych z diagnozowaniem;

(jak wy ej, lecz wspomagany cz ciowym diagnozowaniem stanu maszyny),

•

system obsługiwa technicznych według stanu; (czynno ci obsługowe - cz sto-

tliwo i zakres - wyznaczane s w oparciu o aktualny stan techniczny maszyny).

AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYNY

Jako ciowe zmiany wymuszone gospodark rynkow maj rozległe konsekwencje we

wszystkich sferach gospodarowania, w tym równie w eksploatacji rodków trwałych.

Wymagania od strony "jako ci", marketingu i logistyki zmieniaj radykalnie kryteria

oceny maszyn, daj c przesłanki do dalszego, rosn cego zainteresowania metodami i rodkami

diagnostyki technicznej.

Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniaj konieczno

wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji maszyn. W

propozycji tej strategii nie traci si dotychczasowych dokona najnowszej strategii

eksploatacji według stanu, lecz twórczo si j modernizuje. Sama idea tej strategii, pokazana

na rys.2.7, opiera si na wykorzystaniu "p tli jako ci", któr uzupełniono elementami teorii

eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicznej.

Rys.2.7 Autoryzowana strategia istnienia maszyny

Proponowana strategia eksploatacji- ASIM -imiennie wskazuje na twórc i

odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jako ci i pó niejszym zbytem jest

odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcj , wytwarzanie i eksploatacj , a do

utylizacji po likwidacji obiektu. Tym samym producent konstruuje i wytwarza swoje wyroby

w oparciu o najnowsze osi gni cia my li technicznej, zabezpiecza swój wytwór własnym

serwisem obsługowym w czasie eksploatacji, a tak e wyposa a obiekty w rodki

diagnostyczne (najlepiej automatyczne).

2.4 Niezawodno maszyn

Teoria niezawodno ci zajmuje si metodami syntezy i analizy oraz bada

niezawodno ci systemów technicznych na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.

Niezawodno to zespół wła ciwo ci, które opisuj gotowo obiektu i wpływaj ce

na ni : nieuszkadzalno , obsługiwalno i zapewnienie rodków obsługi.

Definicja ta jest odpowiednikiem cz sto jeszcze przywoływanej normy, gdzie:

„niezawodno to wła ciwo obiektu charakteryzuj ca jego zdolno do wykonywania

okre lonych funkcji, w okre lonych warunkach i w okre lonym przedziale czasu”. Termin ten

oznaczał wła ciwo kompleksow , obejmuj c takie wła ciwo ci, jak: nieuszkadzalno ,

trwało , naprawialno i przechowywalno .

Problematyka teorii niezawodno ci obejmuje nie tylko techniczne aspekty istnienia i

funkcjonowania urz dze . W fazie tworzenia systemów, organizowania ich eksploatacji i

sposobu odnowy, pojawiaj si problemy oceny efektywno ci ró nych mo liwych rozwi za i

wyboru wariantu najlepszego z punktu widzenia celu, któremu ma on słu y . Obok

wska ników technicznych, okre laj cych jako i niezawodno działania systemu, nale y

uwzgl dni ekonomiczn stron rozwi zania - oczekiwany dochód z systemu, koszty z nim

zwi zane, ewentualne straty z powodu przestoju.

Podstawowe cechy jako ci eksploatacyjnej maszyn, okre laj ce niezawodno oraz

u yteczno pokazano na rys.2.8.

Rys.2.8 Niezawodno ciowe cechy jako ci maszyn.

Badania niezawodno ci maj głównie na celu opracowanie sposobów post powania

prowadz cych do budowy układów, charakteryzuj cych si mo liwie najwi ksz

niezawodno ci w aktualnych warunkach eksploatacji. Realizacja tego celu wymaga

okre lenia ilo ciowych miar niezawodno ci, opracowania metod przeprowadzania bada i

oceny niezawodno ci, znalezienia sposobów wykrywania przyczyn powoduj cych

uszkodzenia, zbadania mo liwo ci usuwania tych przyczyn lub zmniejszenia ich

intensywno ci, zapobiegania uszkodzeniom przez stosowne procedury obsługowe.

Rozwi zanie problemów niezawodno ci obiektów mechanicznych sprowadza si do:

* opracowania sformalizowanych modeli oceny niezawodno ci;

* ustalenia optymalnych rozwi za konstrukcyjnych;

* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;

* prognozowania niezawodno ci maszyn w trakcie ich eksploatacji;

* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodno ci.

Kształtowanie niezawodno ci maszyn jest mo liwe przez realizacj nast puj cych

celów:

- uwzgl dnienie trwało ci i niezawodno ci zespołów w konstruowaniu i technologii

wytwarzania;

- wdro enie programów i metod bada eksploatacyjnych trwało ci i niezawodno ci oraz

ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;

- wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwało ci i

niezawodno ci maszyn.

Realizacja tych celów winna doprowadzi do zwi kszenia efektywno ci układów, ich

gotowo ci i zdolno ci produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów

u ytkowania, obsługiwa technicznych, cz ci zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

W systemie bada niezawodno ci obiektów mechanicznych stosowane s metody:

* bada modelowych, w tym bada symulacyjnych;

* bada stanowiskowych;

* bada eksploatacyjnych (statystycznych i programowanych);

* bada eksploatacyjno-stanowiskowych.

Program przebiegu bada niezawodno ci dla całego okresu istnienia obiektu pokazano

na rys.2.9, natomiast zestawienie danych zbieranych w trakcie badania niezawodno ci maszyn

pokazuje rys.2.10.

Rys.2.9 Badania niezawodno ci obiektu w cyklu jego istnienia.

Rodzaj zbieranej informacji w warunkach bada eksploatacyjnych, w których

uzewn trzniaj si własno ci niezawodno ciowe obiektu s zale ne od przewidywanego

zakresu jej wykorzystania.

Ni ej wymieniono główne grupy oceny niezawodno ciowej obiektu okre lane na

podstawie informacji eksploatacyjnej [2,8]. Nale do nich :

1. Wyznaczenie liczbowych wska ników niezawodno ci, takich jak: liczba uszkodze na

jednostk czasu pracy obiektu, gotowo obiektu, itp. Do ich wyznaczenia wystarcza

informacja zbiorcza, typu: ł czny czas pracy, ł czny czas naprawy, ł czna liczba uszkodze w

zadanym przedziale czasu eksploatacji.

2. Wyznaczanie funkcyjnych wska ników niezawodno ci, takich jak: funkcja

niezawodno ci, funkcja intensywno ci uszkodze , funkcja wiod ca rozkładu, funkcja

odnowy, itp. Celem bada mo e by wyznaczenie warto ci chwilowych wymienionych

funkcji (metody nieparametryczne) lub warto ci parametrów modeli matematycznych

rozkładu zmiennych losowych (np. czas pracy do uszkodzenia, czas pracy mi dzy

uszkodzeniami, czas trwania odnowy, itp.). Przy wyznaczaniu funkcyjnych wska ników

niezawodno ci niezb dna jest znajomo historii stanów wszystkich badanych obiektów.

3. Wyznaczanie parametrycznej niezawodno ci obiektu, np. prawdopodobie stwa

zgodno ci cech mierzalnych obiektu z wymaganiami w zadanym przedziale czasu

eksploatacji.

4. Wyznaczanie modeli procesu powstawania uszkodze . Modele procesu powstawania

uszkodze wyznaczane s na podstawie analizy fizyko-chemicznej procesów zachodz cych w

obiekcie (zu ycie, korozja, zm czenie, itp.). Informacja niezb dna do syntezy modeli procesu

powstawania uszkodze mo e by uzyskiwana w procesie analiz technicznych przyczyn

uszkodze lub w procesie wykonywania zabiegów obsługowych.

5. Diagnozowanie stanu niezawodno ciowego obiektu, np. wyznaczanie tendencji zmian

wska ników niezawodno ci, ustalanie słabych ogniw, itp. Do diagnozowania aktualnego stanu

niezawodno ciowego obiektu niezb dna jest informacja zebrana z wielu przedziałów

czasowych, znajomo ci skutków uszkodze ze wzgl du na bezpiecze stwo, wykonanie

zadania, poniesionych nakładów na naprawy, itp. Do wygenerowania diagnozy niezb dne s

wieloletnie banki informacji o uszkodzeniach obiektów z uwzgl dnieniem ró nego rodzaju

skutków uszkodze .

6. Prognozowanie wyst powania stanów niezawodno ciowych obiektu. W celu dokonania

prognozy niezb dna jest znajomo modeli matematycznych procesu powstawania

prognozowanych uszkodze . Do wyznaczenia tych modeli niezb dne jest zbieranie informacji

w czasie wykonywania czynno ci obsługowych, np. warto ci cech obiektów podlegaj cych

kontroli lub regulacji.

Rys.2.10 Składowe informacji w badaniach niezawodno ci.

7. Wyznaczanie skuteczno ci działa obsługowych, np. wykrywalno uszkodze w

ró nych obsługach (kontrola stanu, profilaktyka), wystarczalno cz ci zamiennych, stopie

wykorzystania oprzyrz dowania obsługowego, itp. Potrzebne informacje zbierane s w czasie

obsługiwa technicznych i napraw. Na podstawie wska ników skuteczno ci działania

obsługowego podejmowane mog by decyzje modernizacyjne.

Szybkie upowszechnienie sprz tu komputerowego, daleko zaawansowane rozwi zania

modelowe i wdro enia w zakresie programowanych bada niezawodno ci, to tylko niektóre

kierunki nowoczesnej teorii niezawodno ci maszyn, umo liwiaj ce cało ciowe badania

niezawodno ciowe obiektów.

Teoria i badania niezawodno ci obiektów mechanicznych s rozwijane przy czynnym

wykorzystaniu uj cia systemowego, z uwzgl dnieniem:

- zło ono ci struktury;

- zmienno ci lub przypadkowo ci warto ci parametrów;

- wyst powania ogniw antropotechnicznych w układzie sterowania;

- nieliniowo ci charakterystyk;

- losowo ci oddziaływania otoczenia na maszyny;

- zmienno ci warunków pracy i sterowania.

Teoria i badania niezawodno ci obiektów mechanicznych musz przy tym dotyczy

projektowania – wytwarzania - eksploatacji, poł czonych funkcjonalnie z kreowaniem

potrzeby okre lonej maszyny.

2.5 Tribologia

Tribologia jest nauk o tarciu i procesach towarzysz cych tarciu. Zajmuje si opisem

zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych,

biologicznych i innych w obszarach tarcia.

Zakres tribologii nie ogranicza si tylko do procesów tarcia w maszynach, ale równie

odnosi si do wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i w technice. Do wa nych zjawisk

towarzysz cych tarciu, a maj cych du e znaczenie techniczne, nale procesy zu ywania

materiałów tr cych oraz smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje si

tribotechnika [3,5,10].

Tribologia została wi c okre lona jako nauka interdyscyplinarna, która zajmuje si

cz ci zespołu wła ciwo ci ciał b d cych tak e przedmiotem zainteresowa : fizyki, fizyki

ciała stałego, chemii oraz nauk technicznych: in ynierii materiałowej, konstrukcji maszyn i

technologii rodków smaruj cych. W tym zakresie zainteresowa znajduj si te problemy

metrologii warstwy wierzchniej, jak e cz sto decyduj cej o jako ci wytworów i własno ciach

eksploatacyjnych.

Schemat powi za tribologii i tribotechniki z innymi naukami pokazano na rys.2.11.

Rys.2.11 Współzale no ci tribologii w dziedzinie nauk: I-nauki podstawowe,

II-nauki techniczne, III-wytwarzanie i eksploatacja.

Do podstawowych zagadnie , którymi zajmuje si tribologia nale :

* fizyka, chemia i metaloznawstwo działaj cych na siebie nawzajem obszarów tarcia,

znajduj cych si w ruchu wzgl dnym;

* smarowanie płynne, np. hydrostatyczne, hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerody-

namiczne;

* tarcie mieszane ciał stałych;

* smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej, itp.;

* badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni elementów

maszyn;

* własno ci i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;

* własno ci i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych,

gazowych i stałych;

* badania nad zastosowaniem substancji smaruj cych do maszyn;

* zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.

Tak zarysowana problematyka tribologii znajduje swoje odzwierciedlenie praktyczne

i badawcze w dwóch grupach problemowych:

*

tribologia klasyczna, przyjmuj ca postulat, w którym dwa podstawowe materiały

stykaj si bezpo rednio i tworz poprzez powierzchnie warstw wierzchnich styk

wymuszony. Terminy i poj cia tego zakresu bada przedstawiono na rys.2.12.

Rys.2.12 Zakres tematyczny tribologii klasycznej.

*

tribologia współczesna, nawi zuj ca do funkcjonuj cego w przyrodzie tarcia w or-

ganizmach o ywionych, posiadaj cego konstruktywny charakter oparty o procesy

samoorganizacji przenoszenia materii, energii i informacji. Postulat, terminy i poj -

cia tego zakresu bada przedstawiono na rys.2.13.

Rys.2.13 Zakres tematyczny tribologii współczesnej.

Wymiana energii materii pomi dzy w złem tarcia i otaczaj cym rodowiskiem oraz

wewn trzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowa-

dzi do tworzenia warstewki chroni cej powierzchnie tarcia przed zu yciem. Wytworzona w

procesie tarcia warstewka nazywa si „serwowitn ”. Tarcie nie mo e zniszczy tej warstew-

ki, poniewa stymuluje taki strumie energii, który j wytwarza.

Wyzwaniem wi c współczesnej tribologii jest potrzeba opracowania sposobu wytwa-

rzania „serwowitnych” warstw na powierzchniach skojarze tr cych. Szereg bada dotycz -

cych np. nowych materiałów, odporno ci na docieranie, zm czenie, szczepienia itp. stan

si wówczas bezprzedmiotowe.

Od elementów w złów tarcia wymaga si b dzie głównie odpowiedniej wytrzyma-

ło ci obj to ciowej, a istota bada sprowadzi si do ukonstytuowania warstwy wierzchniej

sprzyjaj cej tworzeniu warunków „bezzu yciowego” tarcia.

Funkcjonowanie systemów samoorganizacji przy rednio stałej warto ci ich entropii

jest problemem niezwykle zło onym, obejmuj cym zbiór wielu zjawisk, których poznanie

jest zaledwie w pocz tkowej fazie.

2.6 Diagnostyka techniczna

Termin

"diagnostyka" pochodzi z j zyka greckiego, gdzie diagnosis - oznacza

rozpoznanie, rozró nianie, os dzanie, a diagnostike techne - sztuka rozró niania, sztuka

stawiania diagnozy. Ukształtowana ju w obr bie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy

diagnostyka techniczna - zajmuje si ocen stanu technicznego maszyn

poprzez badanie własno ci procesów roboczych i towarzysz cych pracy

maszyny, a tak e poprzez badanie własno ci wytworów maszyny.

Istota diagnostyki technicznej polega na okre laniu stanu maszyny (zespołu,

podzespołu, elementu) w sposób po redni, bez demonta u, w oparciu o pomiar generowanych

sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z warto ciami nominalnymi.

Warto sygnału (symptomu) diagnostycznego musi by zwi zana znan zale no ci z

diagnozowan cech stanu obiektu, charakteryzuj c jego stan techniczny [1,9,12].

Konieczno oceny stanu technicznego obiektu wynika z potrzeby podejmowania

decyzji dotycz cych "jako ci" i dalszego post powania z obiektem. Mo e to by decyzja o

jego u ytkowaniu, o podj ciu przedsi wzi profilaktycznych (regulacje, wymiana elementów

lub całych zespołów) lub wprowadzeniu zmian w konstrukcji, technologii, eksploatacji.

Diagnostyka techniczna, jak ka da dziedzina wiedzy ma swe ródła, paradygmaty i

metodologi . Zagadnienia te doczekały si ju szczegółowych opracowa , pozwalaj cych

precyzyjnie formułowa podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.

Do podstawowych zada diagnostyki technicznej nale y zaliczy :

•

badanie, identyfikacja i klasyfikacja rozwijaj cych si uszkodze oraz ich

symptomów, (symptom - to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału

diagnostycznego), dyskryminant i syndromów;

•

opracowanie metod i rodków do badania i selekcji symptomów, dyskryminant i syn-

dromów diagnostycznych,

•

wypracowanie decyzji diagnostycznych o stanie obiektu (na podstawie symptomów),

i wynikaj cych z niego mo liwo ci wykorzystywania lub rodzaju i zakresie ko-

niecznych czynno ci profilaktycznych.

Realizacja tych zada wymaga znajomo ci cech stanu struktury obiektu oraz

diagnostycznie zorientowanych parametrów procesów wyj ciowych (symptomów), odwzoro-

wuj cych cechy stanu.

W metodologii bada diagnostycznych rozró nia si nast puj ce

fazy badania

ocenowego:

•

kontrol stanu obiektu,

• ocen stanu i jego konsekwencje,

•

lokalizacj i separacj uszkodze powstałych w obiekcie,

•

wnioskowanie o przyszłych stanach obiektu.

Te zadania realizowane s w nast puj cych

formach działania diagnostycznego:

•

diagnozowanie - jako proces okre lania stanu obiektu w chwili tp ,

•

genezowanie - jako proces odtwarzania historii ycia obiektu,

•

prognozowanie - jako proces okre lania przyszłych stanów obiektu.

Przedstawione formy działania diagnostycznego realizowane s w czasie ci głej lub

dyskretnej obserwacji obiektu.

Najwa niejsze elementy terminologii diagnostycznej, szczególnie z zakresu

formalizacji zapisu działa dotycz nast puj cych okre le :

* diagnostyka techniczna - dziedzina wiedzy dotycz ca metod i rodków okre lania stanu

technicznego maszyn,

* diagnozowanie - zespół działa zwi zanych z okre laniem obecnego i przyszłego stanu

maszyny,

a)

diagnozowanie u ytkowe- okre laj ce przydatno maszyny do u ytkowania,

b)

diagnozowanie obsługowe- okre laj ce niezb dne działania obsługowe dla przy-

wrócenia stanu zdatno ci ,

c)

diagnozowanie projektowe- słu ce decyzjom projektowym,

d)

diagnozowanie produkcyjne- generuj ce decyzje o jako ci produkcji,

e)

diagnozowanie likwidacyjne- zwi zane z decyzjami dotycz cymi likwidacji maszyny,

* diagnoza - decyzja o stanie maszyny, (wynik procesu diagnozowania).

Stan techniczny obiektu jest definiowany w kategoriach jako ci i bezpiecze stwa jego

działania, poprzez wektor miar bezpo rednich lub po rednich. Aktualny stan maszyny mo na

okre la obserwuj c funkcjonowanie obiektu, tzn. jego wyj cie główne przekształconej energii

(lub produktu), oraz wyj cie dyssypacyjne gdzie obserwuje si procesy resztkowe np. termiczne,

wibracyjne, akustyczne, elektromagnetyczne. Obserwacja tych wyj daje cał gam mo liwo ci

diagnozowania stanu (rys.2.14) poprzez :

*

obserwacje procesów roboczych, monitoruj c ich parametry w sposób ci gły, czy te

prowadz c badania sprawno ciowe maszyn na specjalnych stanowiskach (moc, pr dko ,

ci nienie itp.),

*

badania jako ci wytworów, zgodno ci pomiarów, pasowa , poł cze itp., gdy

ogólnie tym lepszy stan techniczny maszyny im lepsza jako produkcji,

*

obserwacje procesów resztkowych, stanowi cych baz wielu atrakcyjnych metod

diagnostycznych, opartych głównie na modelach symptomowych.

zakłócenia

sterowanie

zasilanie

MASZYNA

przetworzona energia procesy

robocze

STATYKA produkt jako

I DYNAMIKA wytworu

procesy resztkowe procesy dla

-wibroakustyczne

bada

STAN

- elektryczne, magnetyczne

diagnostycznych

TECHNICZNY

- cieplne

- tarciowe

- inne

destrukcyjne sprz enie zwrotne

Rys.2.14 Mo¿liwe trzy sposoby obserwacji stanu maszyny.

Efektywne wykorzystanie diagnostyki jest uwarunkowane dynamicznym rozwojem

nast puj cych zagadnie :

- modelowania diagnostycznego, (strukturalnego, symptomowego),

- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,

- podatno ci diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty),

- budowy ekonomicznych i dokładnych rodków diagnozy,

- precyzowania mo liwo ci diagnostyki w kolejnych fazach istnienia maszyny,

- budowy metod oceny efektywno ci zastosowa diagnostyki,

- metodologii projektowania i wdra ania diagnostyki technicznej,

- metod sztucznej inteligencji w diagnostyce,

- projektowania systemów samodiagnozuj cych.

Jest przy tym oczywistym, e powy sze problemy winny by rozwi zane w oparciu o

najnowsze dokonania ró nych dziedzin wiedzy. Jest tu zatem miejsce na szerokie stosowanie

wspomagania komputerowego w zakresie: modelowania holistycznego, planowania i realizacji

bada , wnioskowania, miejsce dla sztucznej inteligencji obejmuj cej systemy doradcze i sieci

neuronowe z udziałem logiki rozmytej.

Pełna realizacja tych bada sprawi, e diagnostyka wypełni swoj funkcj tworz c

oczekiwane narz dzia kształtowania jako ci maszyn na wszystkich etapach ich istnienia.

Patrz c syntetycznie na ogół mo liwych zastosowa diagnostyki w ka dej z faz

istnienia obiektu, mo na wyró ni

dziedziny i zakres wiedzy niezb dnej do prawidłowego

rozwoju tej dziedziny.

S to :

wiedza o obiektach, ich modelowaniu, identyfikacji, symulacji zachowa ,

nauka o sygnałach i symptomach, teoria eksperymentu, teoria decyzji oraz

komputerowe wspomaganie bada diagnostycznych.

Z praktycznego punktu widzenia

problemy główne diagnostyki, warunkuj ce

racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmuj :

•

fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne,

warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),

•

metodologiczne podstawy bada diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele

diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wra liwo ci miar, techniki wniosko-

wania, sposoby prezentacji diagnoz),

•

komputerowa obsługa zada diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie

eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja

wymiarowo ci, estymacja modeli),

•

techniczne metody kontroli stanu obiektu, (metodyki, metody, rodki - od najpros-

tszych do systemów doradczych),

•

rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia obiektu, (projektowanie układów diag-

nostyki, projektowanie diagnostyczne, okre lanie charakterystyk u ytkowych, war-

to ci graniczne, sterowanie eksploatacj ),

•

przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki warto ci, modele decy-

zyjne, wska niki efektywno ci, rachunek optymalizacyjny),

•

kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy kształ-

cenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).

S to wi c grupy podstawowych problemów z ró nych dyscyplin podstawowych i

stosowanych, zawieraj ce w sobie wyró niki odr bno ci naukowej diagnostyki technicznej.

2.7 Badania nieniszcz ce

Uwzgl dniaj c specyfik starzenia i zu y w badaniach rozwijaj cych si uszkodze

znajduj zastosowanie

badania nieniszcz ce, stosowane na etapie rozwoju wad

materiałowych, co wyró nia je od

bada diagnostycznych, stosowanych na etapie

funkcjonowania obiektów.

Celem bada nieniszcz cych jest: wykrycie wad, ich opis i ocena, rejestracja,

dokumentacja i pomiar u ytkowych własno ci materiału. Dzi ki badaniom nieniszcz cym

mo liwa

jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia obiektu.

Stanowi to podstaw opracowywanych prognoz bezpiecznej eksploatacji obiektu, oceny

narastania ryzyka nagłego p kni cia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy.

Istota znaczenia wad materiałowych jest okre lana w aspektach:

- warunków pracy, a wi c temperatury, stanu napr e , zmiany napr e w czasie, stanu od-

kształce i oddziaływania rodowiska;

- własno ci materiału: wytrzymało ciowych, plastycznych, odporno ci materiału na p kanie

,

intensywno ci napr e i parametrów propagacji szczeliny przy zm czeniu;

- obliczenia współczynników bezpiecze stwa i współczynników wyt enia materiału;

- stanu struktury materiału, ocenianego w wyniku bada nieniszcz cych (lokalizacja,

rozmiary, orientacja i rodzaj wady) oraz poziomu napr e własnych i napr e

pochodz cych od obci e u ytkowych.

Metody bada nieniszcz cych w układzie : * wykorzystywane zjawisko, ** mierzone

parametry, *** wa niejsze zastosowania, **** minimalne wykrywalno ci, obejmuj [4]:

metody ultrad wi kowe:

* rozchodzenie si fal spr ystych, odbicie, przenikanie, rozpraszanie, tłumienie, dyfrakcja

fal;

** amplituda fali odbitej i przenikaj cej, czas przej cia fali, kształt sygnału w dziedzinie

czasu i cz stotliwo ci;

*** wady mikrostruktury, przyczepno , korozja, rozmiary ziaren, pomiar odległo ci i gru-

bo ci, stałych spr ysto ci, identyfikacja struktury;

**** około 2mm w przedziale cz stotliwo ci 2-6 MHz, pomiar gł boko ci p kni od 1-2mm

wzwy , dokładno dziesi te cz ci milimetra;

emisja akustyczna:

* fale spr yste wywołane procesami nagłymi;

** liczba generowanych impulsów, pr dko generacji, widmo generowanych sygnałów, am-

lituda i przebiegi czasowe, liczba przej przez zadany poziom amplitud, współczynnik

szczytu, energia pojedy czego impulsu;

*** lokalizacja wad, ledzenie odkształce , p kanie, korozja, przemiany strukturalne w ma-

teriale, prognozowanie trwało ci;

**** badanie zjawisk w krzepn cych stopach, identyfikacja przemian fazowych, zarodkowa-

nie i wzrost porów, rozwarstwienia struktury materiału;

metody drganiowe:

* rezonans, drgania ci głe, zanikaj ce, impulsowe;

** poziom amplitudy (a,v,x), czas pogłosu, widmo drga , cz sto ci drga własnych;

*** stałe spr ysto ci, lokalizacja wad, identyfikacja struktury, ocena stanu;

**** wykrywalno trudna do jednoznacznego okre lenia;

metody radiacyjne:

* promieniowanie: a, b, g, x, neutrony, protony, pozytony;

** nat enie promieniowania, osłabienie promieniowania;

*** wady makrostruktury materiału, mikroporowato , tomografia;

**** wykrywalne zmiany grubo ci wynosz ce 0,4-1%;

metody magnetyczne:

* rozproszenie pola magnetycznego, przenikalno magnetyczna, koercja, oddziaływanie po-

la magnetycznego;

** nat enie pola magnetycznego, przenikalno magnetyczna;

*** wady powierzchniowe i podpowierzchniowe w materiałach;

**** szereko wad 0,1-15um, wysoko 10-40um, długo 1um - 50% wykrywalno ci;

metody elektryczne:

* pole elektryczne, zjawisko dielektryczne, zjawisko termoelektryczne;

** spadek potencjału;

*** pomiar gł boko ci p kni , ocena struktury;

**** gł boko p kni około 1um;

pr dy wirowe:

* pole elektromagnetyczne ci głe, impulsowe, wielocz stotliwo ciowe;

** impedancja, amplituda, faza;

*** wady powierzchniowe materiałów przewodz cych, pomiar grubo ci, identyfikacja

struktury;

**** wady o wysoko ci 10-70um;

metody penetracyjne:

* wnikanie cieczy w szczeliny powierzchniowe;

** długo i szeroko wskaza ;

*** p kni cia powierzchniowe;

**** wysoko 10-20um, szeroko 0,2-13um, długo 1um - 100% wykrywalno ci;

metody termiczne:

* przepływ ciepła, promieniowanie podczerwone;

** rozkład temperatur;

*** wykrywanie braku przyczepno ci, miejsc gor cych, zdalny pomiar napr e ;

**** zdalny pomiar temperatury o du ej rozdzielczo ci.

Metody bada nieniszcz cych znajduj ju ugruntowan pozycj w ród bada stanu

obiektów, wyra nie wyró nion zakresem zainteresowa od bada diagnostycznych.

2.8 Bezpiecze stwo maszyn

Teoria bezpiecze stwa maszyn zajmuje si szczególnymi przypadkami eksploatacji

obiektów, zagra aj cymi yciu i zdrowiu operatora, istnieniu obiektu, obiektów

współpracuj cych oraz rodowisku naturalnemu. Teoria bezpiecze stwa pozwala na

dokonywanie analizy systemów technicznych z punktu widzenia bezpiecze stwa [6,8].

Teoria bezpiecze stwa posługuje si poj ciami takimi jak

zawodno bezpiecze stwa

i

zawodno sprawno ci oraz poczucie zagro enia bezpiecze stwa i jego realne zagro enie

- ryzyko.

Bezpiecze stwo wywodzi si w prosty sposób z teorii niezawodno ci i wi kszo

elementów tworzonej teorii bezpiecze stwa pochodzi z tego obszaru.

Bezpiecze stwo techniki rozpatrywane jest w obr bie systemu:

człowiek -

technika -

rodowisko.

Dziedzin bada w systemie człowiek – technika - rodowisko (C-T-S) s ujemne

skutki istnienia techniki, ujawniaj ce si w postaci strat w tym systemie.

Z analizy bezpiecze stwa techniki w powy szym systemie wynikaj nast puj ce

podstawowe wnioski:

-

straty mog pojawi si we wszystkich fazach istnienia wytworu techniki; s one nie do

unikni cia, co najwy ej mo na zmniejszy ich wielko i cz stotliwo pojawiania si ;

- bezpiecze stwo wytworów techniki mo na i nale y kształtowa w fazach ich projektowa-

nia i wytwarzania, a sterowa nim w fazie eksploatacji;

- bezpiecze stwem w okre lonych warunkach ryzyka mo na i nale y zarz dza ;

- racjonalno w w kształtowaniu bezpiecze stwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu

jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;

- kwantyfikacja bezpiecze stwa nast puje w oparciu o poj cia „zagro enie” i „ryzyko”;

- optymalizacja bezpiecze stwa wytworu techniki jest mo liwa w ramach optymalizacji jego

efektywno ci; dany poziom bezpiecze stwa stanowi wtedy ograniczenie w algorytmie

optymalizacji efektywno ci (rys.2.15);

Rys.2.15 Czynniki kształtuj ce efektywno wytworu techniki.

- racjonalno i optymalno w kształtowaniu i sterowaniu bezpiecze stwem wytworu mo e

by rozwa ana wtedy, gdy mo na skwantyfikowa poziom jego bezpiecze stwa.

Z powy szych przesłanek wypływa cel bezpiecze stwa maszyn:

„sprowadzenie negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum”.

Zbiór podstawowych poj teorii bezpiecze stwa przedstawiony jest na rys.2.16.

Rys.2.16 Podstawowe poj cia teorii bezpiecze stwa.

Zagro enie definiowane jest jako ródło, potencjał lub sytuacja, które mog

spowodowa straty w systemie C-T-S. Zagro enie bywa kwantyfikowane, przy czym miar

zagro enia mo e by funkcja rodzaju i wielko materiału niebezpiecznego, warunków

eksploatacji, mo liwo ci uwolnienia si zagro enia i powstania strat oraz innych czynników.

Ryzyko definiowane jest jako mo liwo powstania strat w systemie C-T-S. W sensie

kwantytatywnym stanowi funkcj , której dziedzin s procesy strat elementów systemu.

Najcz ciej

ryzyko wyra a si jako warto oczekiwana strat , a wi c jest zale ne od

wielko ci straty i prawdopodobie stwa jej powstania.

Bezpiecze stwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolno tego wytworu w

zało onych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie wi kszego od

warto ci kryterialnej.

Wychodz c od skutków, teoria bezpiecze stwa si ga do uszkodze i bł dów, które

stwarzaj zagro enie bezpiecze stwa oraz mog by powodowane nast puj cymi

przyczynami:

- nie sprzyjaj cym wpływem otoczenia, jak np. bł dami w systemie kierowania i

ubezpieczenia systemów, niesprzyjaj cym oddziaływaniu rodowiska, itp.;

- bł dami działania rozumianymi jako bł dy operatora popełniane w procesie eksplo-

atacji systemu, szczególnie bł dami sterowania;

- niewła ciwym działaniem elementów, agregatów lub zespołów funkcjonalnych, na

skutek uszkodze .

W problematyce bezpiecze stwa mo na wyró ni dwa podstawowe kierunki działa-

nia, a mianowicie:

* kształtowanie bezpiecze stwa systemów i ich elementów (maszyn);

* obliczanie (kontrola) poziomu bezpiecze stwa systemów.

Pierwszy kierunek problematyki bezpiecze stwa w odniesieniu do techniki

realizowany jest za pomoc podej cia systemowego w projektowaniu:

- nowoczesnych metod konstrukcyjnych i technologicznych;

- stosowania materiałów konstrukcyjnych o wysokiej jako ci;

- weryfikacja zało e podczas bada obiektów;

- prawidłowej eksploatacji.

W odniesieniu natomiast do operatorów (ludzi) realizowany jest poprzez odpowiedni

dobór i selekcj kandydatów do zawodu, kształcenie i trening, motywowanie,

podtrzymywanie kondycji psychicznej, itp..

Drugi kierunek problematyki bezpiecze stwa wi e si z ocen systemów we

wszystkich fazach ich istnienia za pomoc metod i kryteriów ocenowych, przydatnych

odpowiednio do kolejno ocenianych faz.

2.8.1 Wska niki bezpiecze stwa systemu

Stan bezpiecze stwa w systemach technicznych okre laj wska niki bezpiecze stwa,

tj. charakterystyki funkcyjne lub liczbowe. Nale do nich:

-

zawodno bezpiecze stwa systemów; wyznaczany przez czas funkcjonowania systemu do

chwili jego przej cia do stanu zawodno ci bezpiecze stwa;

-

niezawodno bezpiecze stwa; wska nik charakteryzuj cy nie przej cie systemu do stanu

zawodno ci;

-

zawodno sprawno ci systemów; ka dy stan, w którym system utracił w pełni lub cz -

ciowo swoje wła ciwo ci funkcjonalne; (intensywno zawodno ci, funkcja wiod ca rozka-

du, warto oczekiwana czasu przej cia do stanu zawodno ci);

-

ywotno ; charakteryzowany czasem od chwili pora enia systemu do chwili jego przej -

cia do stanu zawodno ci bezpiecze stwa, przy zało eniu braku czynno ci przeciwdziała-

j cych;

-

dyspozycyjno i odparowalno ; okre lony czas dyspozycyjny, w którym ma sens prze-

ciwdziałanie sytuacji niebezpiecznej ró nymi metodami. Istnienie czasu dyspozycyjnego nie

gwarantuje odparowania sytuacji niebezpiecznej, co zale y od:

* predyspozycji operatora (odporno ci na stresy, kondycji fizycznej, pr dko ci reakcji

na zmian stanu, itp.;

* wła ciwo ci układów bezpiecze stwa bior cych udział w przeciwdziałaniu sytuacji

niebezpiecznej (ich wydajno , nieuszkadzalno , gotowo , itp.);

* czas odparowania sytuacji niebezpiecznej.

Miar odparowalno ci jest prawdopodobie stwo, e w czasie dyspozycyjnym zagro enie bez-

piecze stwa zostanie odparowane;

-

pora alno i wra liwo systemu; prawdopodobie stwo zawodno ci bezpiecze stwa

przez oddziaływanie czynników pora aj cych, z uwzgl dnieniem wra liwo ci systemu na

działaj ce czynniki pora aj ce;

-

wska niki pomocnicze; słu ce do wyznaczania wska ników podstawowych. Nale do

nich charakterystyki probabilistyczne czasu przebywania systemu w poszczególnych stanach

bezpieczno ciowych. Zwykle s to:

* dystrybuanty czasu przebywania w stanach bezpiecze stwa;

* warto ci oczekiwane czasu przebywania w stanach bezpiecze stwa;

* prawdopodobie stwo przej cia mi dzy stanami;

* intensywno przej mi dzy stanami;

* prawdopodobie stwo przebywania systemów w poszczególnych stanach bezpiecz-

no ciowych.

2.8.2 Struktura bezpiecze stwa systemu

Struktur bezpieczno ciow systemu technicznego wyznaczaj elementy systemu

energia i informacja, tworz ce zazwyczaj struktur nadmiarow systemu. Ma to na celu

zmniejszenie wra liwo ci, zwi kszenie ywotno ci i odparowalno ci systemu.

W strukturze bezpiecze stwa mo na wyró ni nast puj ce formy nadmiaru:

*

nadmiar strukturalny, polegaj cy na dublowaniu wa nych układów systemu i zmniejsza-

j cych wra liwo systemu na sytuacje niebezpieczne;

*

nadmiar funkcjonalny, polegaj cy na przystosowaniu niektórych elementów systemu do

przejmowania okre lonych dodatkowych funkcji i zmniejszaj cych wra liwo systemu;

*

nadmiar parametryczny, polegaj cy na utrzymaniu wi kszej energii i mo liwo ci funk-

cjonalnych w odniesieniu do przeci tnych potrzeb, zmniejszaj cy wra liwo oraz zwi ksza-

j cy ywotno systemu technicznego;

*

nadmiar informacyjny, polegaj cy na istnieniu nadmiarowej informacji w systemie odno -

nie do wa nych zdarze (np. sygnalizacja zagro e - wietlna, d wi kowa);

*

nadmiar wytrzymało ci (mechanicznej, elektrycznej), polegaj cy na zwi kszeniu odpor-

no ci na zniszczenie, zmniejszaj cy wra liwo na okre lonego rodzaju pora enia;

*

nadmiar czasowy, polegaj cy na istnieniu zwi kszonego czasu dla realizacji ró nego ro-

dzaju działa w systemie, umo liwiaj cy wła ciwe reakcje operatora w warunkach ryzyka;

*

nadmiar elementowy, polegaj cy na wprowadzeniu do systemu dodatkowych elementów

wykorzystywanych w procesie odparowania sytuacji niebezpiecznej (urz dzenia zabezpie-

czaj ce, urz dzenia bezpiecze stwa, systemy bezpiecze stwa).

W ostatnim okresie mo na zauwa y tendencje przyjmowania bezpiecze stwa za kry-

terium jako ci sterowania procesem eksploatacji systemów technicznych, co w powi zaniu z

diagnostyk techniczn traktowan jako narz dzie oceny stanu daje du e mo liwo ci w ksz-

tałtowaniu efektywnych strategii eksploatacji maszyn.

2.9 Podsumowanie

Tre ci tego rozdziału skrótowo omawiaj podstawowe problemy eksploatacji maszyn i

systemów technicznych, przy uwzgl dnieniu specyfiki zagadnie składowych dziedzin

naukowych tej problematyki. Uwa na lektura tych tre ci daje podstawy racjonalnego

kształtowania jako ci maszyn i wytworów oraz mo liwo ci budowy nowoczesnych systemów

eksploatacji maszyn.

Pozyskana wiedza daje lepsze zrozumienie zagadnie tworzenia i wykorzystania

maszyn, stwarza logiczne podstawy do rozwa ania i ustalania celów post powania, zwi ksza

umiej tno ci planowania i kierowania oraz stwarza nowe mo liwo ci wyboru, nowe cele i

horyzonty stawiania i realizacji zada eksploatacyjnych.

Na tle stanu wiedzy składowych dyscyplin eksploatacji wyra nie zaznacza si

dominuj ca rola diagnostyki technicznej, znajduj ca szerokie zastosowanie w kształtowaniu

jako ci maszyn oraz nowoczesnych strategii eksploatacji maszyn.

Poznanie tre ci tego rozdziału wyra nie okre la miejsce i zadania diagnostyki (z jej

szczególn rol na etapie eksploatacji, gdzie weryfikowane s wszelkie wła ciwo ci maszyn) i

pozwala na łagodne przej cie do zagadnie podstawowych diagnostyki maszyn, co jest tre ci

kolejnych rozdziałów ksi ki.

Literatura

1. CEMPEL C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT.Warszawa.1982.

2. DWILI SKI L.: Niezawodno maszyn rolniczych. WEMA.Warszawa.1988.

3. GÓRECKA R., POLA SKI Z.: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT.Warszawa.1983.

4. HEBDA M., MAZUR T.: Podstawy eksploatacji pojazdów samochodowych. WKŁ. 1980.

5. HEBDA M., WACHAL A.: Tribologia. WNT.Warszawa.1980.

6. JA WI SKI J.,WA Y SKA-FIOK K.:Bezpiecze stwo systemów.WNT.Warszawa.1993.

7. LEWITOWICZ J. ii : Problemy bada i eksploatacji techniki lotniczej.ITWL.Wawa. 1993.

8. MAZUR T., MAŁEK A.: Zarz dzanie eksploatacj systemów technicznych. WNT.1979.

9. MIGDALSKI J. ii :In ynieria niezawodno ci.PORADNIK.ATR-WEMA.Bydgoszcz.1992.

10.NIZI SKI S.: Dynamiczny system eksploatacji obiektów technicznych. Problemy Eks-

ploatacji 5/93. Radom. 1993.

11. PAWŁOWSKI Z.: Charakteryzowanie stanu materiału metodami nieniszcz cymi. Mat.

Konf. Ustronie Morskie. 1988.

12. SMALKO Z.: Podstawy projektowania niezawodnych maszyn i urz dze technicznych.

Warszawa. PWN. Warszawa.1972.

13. ÓŁTOWSKI B.: Diagnozowanie silnika wysokopr nego. ITE. Radom. 1995.

14. ÓŁTOWSKI B., WIK Z.: Leksykon diagnostyki technicznej. ISBN 83-900853-3-X.

Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996.