... maszyna nie izoluje człowieka
od wielkich problemów eksploatacji,
ale przybliża go do nich jeszcze bardziej... 
R O Z D Z I A A
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 Niezawodność maszyn
2.5 Tribologia
2.6 Diagnostyka techniczna
2.7 Badania nieniszczące
2.8 Bezpieczeństwo maszyn
2.8.1 Wskaz
niki bezpieczeństwa systemów
2.8.2 Struktura bezpieczeństwa systemów
2.9 Podsumowanie
Literatura
ROZDZIAA
II
ELEMENTY TEORII EKSPLOATACJI
2.1 Wprowadzenie
W procesie rozwoju techniki i produkcji istotnym zagadnieniem jest zapewnienie
wyrobom odpowiedniej  jakości i efektywności. Właściwości obiektu, wpływające na jakość
i efektywność, wywołują coraz to nowe problemy techniczne dla specjalistów różnych
dziedzin techniki, jak i dla ekonomistów zainteresowanych nimi w aspekcie potrzeb
gospodarki.
Traktując użytkowanie maszyn jako główny etap weryfikacji ich przydatności i
spełniania oczekiwań społecznych, coraz częściej na tym etapie prowadzi się intensywne
badania poprawności działania maszyn w odpowiednio sformalizowanych strukturach
eksploatacji.
Możliwości dokonań wszystkich dziedzin teorii eksploatacji pozwalają na nowoczesne
rozwiązania w zakresie planowania i optymalizacji procedur projektowania, konstruowania,
wytwarzania i eksploatacji maszyn, według głównego kryterium ich jakości i efektywności
wykorzystania.
Dla omówienia zadań i roli diagnostyki technicznej, traktowanej jako samodzielnej
dziedziny naukowej teorii eksploatacji, w tym rozdziale przedstawiono skrótowo problemy
główne składowych dziedzin teorii eksploatacji, jednoznacznie określające możliwości i
potrzeby realizowanych badań, wspomaganych diagnostyką techniczną.
Interdyscyplinarne powiązanie problemów eksploatacji maszyn wyraz
nie wskazuje na
dominującą wśród nich rolę diagnostyki technicznej, traktowanej jako narzędzie badania stanu
maszyn oraz kształtowania ich jakości i sposobów wykorzystania.
2.2 Nauki eksploatacyjne
Rozwijająca się dynamicznie nowa dyscyplina wiedzy dotycząca eksploatacji maszyn i
urządzeń technicznych budowana jest na podstawach nauk eksploatacyjnych, do których jako
główne zaliczamy: systemy eksploatacji, niezawodność, tribologię, diagnostykę
techniczną i bezpieczeństwo maszyn.
Składowe dziedziny nauk eksploatacyjnych przedstawiono na rys.2.1, przy czym ze
względu na treści tej książki diagnostykę techniczną potraktowano jako główną w tej
specyfikacji.
 Rys.2.1 Miejsce diagnostyki technicznej w nauce o eksploatacji.
Wyeksponowanie miejsca i roli eksploatacji w gospodarce (rys.2.2), na którą
składają się produkcja, dystrybucja i konsumpcja wiąże się z zależnościami występującymi
w procesie pracy, gdzie umiejscowione są różnego typu maszyny i urządzenia techniczne.
Rys.2.2 Miejsce i rola eksploatacji w gospodarce.
Produkcja (wytwarzanie) jest świadomą i celową działalnością ludzką, przy realizacji
której należy dążyć do optymalnego wykorzystania maszyn i urządzeń dla zaspokojenia
społecznych potrzeb.
Dystrybucja, to również świadoma i celowa działalność ludzka zmierzająca do
optymalnego zaspokojenia potrzeb produkcji i konsumpcji przez racjonalny podział zasobów,
ich przechowywanie i przemieszczanie za pomocą wszelkiego rodzaju urządzeń
transportowych i magazynowych.
Konsumpcja to bezpośrednie zaspokojenie potrzeb ludzkich i produkcyjnych z
uwzględnieniem minimalizacji nakładów środków materialnych, finansowych oraz nakładów
pracy żywej i uprzedmiotowionej.
W każdym z wymienionych działów gospodarki występuje praca ludzi oraz maszyn i
urządzeń. Jest to społeczne miejsce pracy uprzedmiotowionej i związane z nią procesy
eksploatacji.
Realizacja zadań produkcyjnych jest możliwa dzięki maszynom, których istnienie
obejmuje fazę wartościowania (zaistnienie potrzeby), konstruowania, wytwarzania i
eksploatacji. Zapewnienie wymaganej jakości nowo konstruowanych lub modernizowanych
maszyn jest możliwe przez wykorzystanie dokonań wskazanych nauk eksploatacyjnych, w
tym szczególnie poprzez racjonalne stosowanie osiągnięć diagnostyki technicznej.
2.3 Teoria eksploatacji
Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a
w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwań technicznych maszyn i
urządzeń występujących w tych systemach [4,7,11]. Obiekty będące w zakresie rozważań
teorii i praktyki eksploatacji, w zależności od potrzeb będą traktowane jako urządzenia,
maszyny, systemy lub obiekty.
Z definicji eksploatacji wypływa zakres oczekiwanych, merytorycznych umiejętności,
które można przedstawić jako:
- kierowanie eksploatacją, a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz dobieranie,
motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;
- formułowanie zadań projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy, dotyczących
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 wartości;
- określanie, wyznaczanie i ocenianie sprawności systemu eksploatacji;
- określanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;
- planowanie strategiczne eksploatacji (rozwój, modernizacja);
- dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.
 Ta charakterystyka umiejętności w zakresie inżynierii eksploatacji określa zadania
teorii eksploatacji, która winna wypracowywać i doskonalić następujące metodyki:
* projektowania i organizowania systemów eksploatacji;
* analizy ryzyka i szans przedsięwzięć eksploatacyjnych;
* planowania strategicznego eksploatacji;
* kierowania eksploatacją i sterowania procesami eksploatacji;
* analizy ekonomicznej eksploatacji;
* badań eksploatacyjnych;
* opracowywania treści i technik instrukcji eksploatacyjnych;
* motywowania eksploatatorów.
Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajdująca ostatnio swoje miejsce w
systemie logistycznym, ma strukturę wielowarstwową (hierarchiczną), do której analizy
niezbędne są metody wypracowywane przez ogólną teorię systemów.
Do podstawowych praw rządzących eksploatacją maszyn należy zaliczyć:
* każde urządzenie techniczne (maszyna) jest obiektem eksploatacji i służy człowiekowi
do realizacji określonego celu;
* system eksploatacji składa się z podsystemu użytkowania i obsługiwań technicznych;
* nie ma obiektu eksploatacji, którego nie można byłoby użytkować;
* nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;
* obiekt eksploatacji zużywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;
* obsługiwany obiekt eksploatacji odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga
nakładów eksploatacyjnych;
* proces eksploatacji obiektu jest realizowany w określonym przedziale czasu.
W ocenie działania złożonych systemów eksploatacji wykorzystuje się następujące
własności:
- efektywność: utożsamiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w określonym czasie, w
sensie zamierzonego celu;
- gotowość: wyrażająca możliwość działania eksploatowanych obiektów, w tym również
systemu jako całości, w danej chwili czasu;
- wydajność: utożsamiana z intensywnością realizacji zadań;
- skuteczność: własność osiągania stanów wyróżnionych jako pozytywne w zbiorze stanów
możliwych;
- sprawność: możliwość znajdowania się systemu w stanach określonych przez system
nadrzędny;
- ekonomiczność: własność wyrażająca relacje między wartością uzyskanych efektów a
wielkością nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;
- niezawodność: własność wyrażająca stopień zaufania, że spełnione zostanie wymagane
działanie.
Przedstawione własności systemu eksploatacji maszyn, zorganizowanego według
określonych reguł działania to zakres zainteresowań składowych dziedzin nauki o eksploatacji
maszyn i urządzeń technicznych.
Z racji treści merytorycznych tej książki w dalszej części przedstawiono tylko główne
elementy teorii eksploatacji, wiążące się bezpośrednio z zagadnieniami diagnostyki
eksploatacyjnej maszyn, wskazujące na miejsce i rolę badań diagnostycznych w realnych
systemach eksploatacji maszyn.
2.3.1 System eksploatacji maszyn
 W wieloetapowym procesie istnienia maszyn (wartościowanie, konstruowanie,
wytwarzanie, eksploatacja) faza eksploatacji jest weryfikacją końcową efektywności działania
wytworu (wyrobu), ujmującą  jakość wszystkich poprzednich etapów.
Współcześnie pod pojęciem "eksploatacja" rozumie się zespół celowych
działań organizacyjno - technicznych i ekonomicznych ludzi z urządzeniami
technicznymi oraz wzajemne relacje występujące między nimi od chwili przejęcia
urządzenia do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, aż do jego utylizacji po
likwidacji.
Działalność eksploatacyjna przebiega w obrębie logistyki, w ramach różnych
systemów produkujących rozliczne dobra i świadczących przeróżne usługi. Systemy te są na
ogół złożone i wydzielenie w nich podsystemu eksploatacji wcale nie jest łatwe.
Schemat strukturalny systemu eksploatacji maszyn pokazano na rys.2.3,
wyróżniając w nim jako główne:
- podsystem sterowania z jego składowymi,
- podsystem użytkowania z jego składowymi,
- podsystem logistyczny,
- podsystem procesowy.
Taka struktura systemu eksploatacji zawiera znane dotychczas elementy główne tego
systemu (użytkowanie i obsługiwanie), przy czym obsługiwanie to podsystem zapewnienia
zdatności potraktowany jako podrzędny dla podsystemu użytkowania [8,12].
Rys.2.3 Elementy systemu eksploatacji maszyn.
Z punktu widzenia teorii systemów całościowe potraktowanie procesu eksploatacji
maszyn wraz z procesami realizowanymi przez człowieka przedstawia rys.2.4. Stopień
ogólności rozważań procesu eksploatacji pozwala wyznaczyć tu następujące zbiory procesów:
- procesy sterowane,
- procesy informacyjne (np. inżynieria diagnostyki),
- procesy nie sterowane.
Takie ujęcie pozwala wyraz
nie wyróżnić miejsce diagnostyki technicznej w strukturze
systemu eksploatacji, dostarczającej informacji o stanach procesów destrukcyjnych
elementów maszyn, niezbędnych do podejmowania racjonalnych decyzji eksploatacyjnych.
Rys.2.4 Procesy eksploatacyjne.
Każdy z tych zbiorów można zdekomponować na podzbiory charakteryzujące
szczegółowo zakres problemowy elementów składowych procesu eksploatacji, co
przedstawiono na rys.2.5.
W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem
użytkowania i nieodłącznie z nim związany podsystem obsługiwań technicznych.
W podsystemie użytkowania znajdują się tylko maszyny zdatne i mogą one być
użytkowane intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekująco, kiedy trwa postój na
zapotrzebowanie do użycia.
Rys.2.5 Szczegółowy zakres procesów eksploatacyjnych maszyn.
 Każda niezdatność powoduje przejście maszyny do podsystemu obsługiwań
technicznych. W tym podsystemie wyróżnia się podsystemy:
" zabiegów profilaktycznych; obsługiwanie w dniu użytkowania (OU), obsługiwanie
po określonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie
powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzające (OP), okresu docierania (OD) itd.,
" rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoz-
nanie i pomoc techniczna (PT).
" napraw; naprawa bieżąca (NB), naprawa średnia (NS), naprawa główna (NG),
naprawa poawaryjna (NA) itd.,
" konserwacji; konserwacja krótkoterminowa (KK), średnioterminowa (KS),
długoterminowa (KD),
Zadaniem podsystemu obsługiwań technicznych jest usunięcie niezdatności maszyny
lub wykonanie niezbędnie koniecznych czynności obsługowych(zalecanych przez wytwórcę).
Eksploatowanie rozlicznych urządzeń warunkuje rozwój produkcji wytworów nie
będących urządzeniami, rozwój realizacji usług oraz rozwój produkcji urządzeń. Tak
rozumiana działalność eksploatacyjna powinna charakteryzować się :
" techniką eksploatacyjną eliminującą ciężką pracę ludzi,
" środkami eksploatacji umożliwiającymi minimalizację kosztów,
" warunkami eksploatacji umożliwiającymi maksymalizację trwałości urządzeń.
Znajomość stanu maszyny jak i możliwości prognozowania tego stanu na określony
horyzont czasowy to główne nowości wykorzystywane coraz częściej w stosowanych
współcześnie strategiach eksploatacji maszyn.
Ze względu na losowy charakter przebiegu procesu eksploatacji maszyn (np. zmienne
warunki pracy, obciążenia), uzyskanie dostatecznie wiarygodnych prognoz wymaga
wykorzystania metod statystycznych. Uzyskanie niezbędnych do tego danych jest możliwe
poprzez dozorowanie stanu obiektu. Analiza tych danych może być następnie wykorzystana
do genezowania stanu obiektu w wybranych przedziałach czasu, a także do celów
sprawozdawczych i wielu innych.
Zmiany wywołane stanem niezawodnościowym eksploatowanych maszyn
(uszkodzenia, przestoje) mają charakter losowy i ich wpływ na zmianę intensywności
użytkowania usiłuje się zminimalizować za pomocą różnych form rezerwowania.
Kierownictwo zakładu, prowadzi politykę eksploatacyjną polegającą na sterowaniu
stanem zdatności maszyn w taki sposób, by uzyskiwać optymalne efekty. Najczęściej
stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma
uogólnionych nakładów na użytkowanie i obsługiwanie maszyn.
2.3.2 Strategie eksploatacji maszyn
Ustalenie miejsca i funkcji diagnostyki technicznej w systemie eksploatacji maszyn
warunkuje potrzebę omówienia istniejących strategii eksploatacji, w oparciu o które
realizowane są procesy użytkowania i obsługiwań technicznych maszyn w
przedsiębiorstwach.
 Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i
obsługiwania maszyn oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów.
W literaturze znane są następujące strategie eksploatacji maszyn [9,12]:
" według niezawodności,
" według efektywności ekonomicznej,
"
"
"
" według ilości wykonanej pracy,
"
"
"
" według stanu technicznego,
"
"
"
" autoryzowana strategia eksploatacji maszyn.
Najczęściej w oparciu o jedną z powyższych strategii buduje się system eksploatacji
przedsiębiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii są często jego uzupełnieniem. W
praktyce przemysłowej występują więc najczęściej strategie eksploatacji mieszane,
dostosowane do wymagań i warunków eksploatowanych maszyn.
STRATEGIA WEDA
UG NIEZAWODNOŚCI.
Eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza się do podejmowania decyzji
eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodności urządzeń
(różne wskaz
niki niezawodnościowe), eksploatowanych aż do wystąpienia uszkodzenia.
Strategia wg niezawodności, zwana inaczej strategią  według uszkodzeń polega na
eksploatacji obiektu do chwili wystąpienia uszkodzenia.
Badania niezawodności maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy
wykorzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarzeń, co obecnie zastępuje
komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodności. Wyróżniane w
ba-daniach niezawodności maszyn słabe ich ogniwa są cennym wskazaniem dla konieczności
prowadzenia badań diagnostycznych.
Nie trzeba uzasadniać, że strategia ta może być stosowana tylko wówczas, gdy
następstwa uszkodzeń nie naruszają zasad bezpieczeństwa pracy i nie zwiększają kosztów
eksploatacji maszyn.
STRATEGIA WEDA
UG EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ.
Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a
decyzje eksploatacyjne podejmowane są w oparciu o wskaz
nik zysku. Podstawą
podejmowanych decyzji są dane o niezawodności, kosztach użytkowania i napraw
eksploatowanych maszyn.
Ważnym czynnikiem w tej strategii jest postęp techniczny, którego wysoka dynamika
określa starzenie moralne maszyn, a więc czynnik wnikliwie śledzony przez potencjalnych
odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie również w sytuacjach gdy moralne starzenie się
maszyn wyprzedza ich zużycie fizyczne.
W tej strategii kryterium efektywności ekonomicznej, a więc opłacalności eksploatacji
maszyny staje się podstawą decyzji o wycofaniu maszyny z użycia. Wyniki efektywności
ekonomicznej mogą często doprowadzać do wycofywania maszyn z eksploatacji jeszcze
zdatnych, lecz niezadowalających użytkownika eksploatacji.
Poprawne stosowanie tej strategii wymaga gromadzenia dużej ilości informacji
statystycznych z zakresu gospodarki finansowej działu eksploatacji, znajomości modeli
decyzyjnych, mierników wartości i wskaz
ników efektywności ekonomicznej oraz rachunku
optymalizacyjnego.
STRATEGIA WEDA
UG ILOŚCI WYKONANEJ PRACY.
 Eksploatowanie maszyn w tej strategii jest limitowane ilością wykonanej pracy, która
może być określana liczbą godzin pracy, ilością zużytego paliwa, liczbą przejechanych kilo-
metrów, liczbą cykli pracy itp. Generalną zasadą w tej strategii jest zapobieganie
uszkodzeniom (zużyciowym, starzeniowym) poprzez konieczność wykonywania zabiegów
obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osiągnięciem granicznego
poziomu zużycia.
Z punktu widzenia wykorzystania rzeczywistego potencjału użytkowego maszyny jest
to strategia mało efektywna, gdyż podstawą przyjmowania dopuszczalnej ilości pracy są
ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje się tu najniekorzystniejsze warunki pracy, najsłabsze
ogniwa (zespoły, części) maszyny, ekstremalne obciążenia, które nie zawsze i w nierównym
stopniu mogą się ujawnić podczas eksploatacji.
Strategia ta, mimo dość powszechnego stosowania, posiada szereg wad, jak np.:
" planowanie czynności obsługowych odbywa się w oparciu o normatyw, niezależnie
od stanu technicznego maszyny, co prowadzi do wykonywania zbędnych prac obs-
ługowych i nadmiernego zużywania części i materiałów eksploatacyjnych;
" sztywne struktury cykli naprawczych (naprawy główne) nie odpowiadające rzeczy
wistym potrzebom;
" bardzo mała efektywność wykorzystania potencjału użytkowego maszyny;
" przyjęte normatywy nie uwzględniają postępu technicznego, nie wyzwalają inicjatywy
personelu obsługującego, nie doskonalą systemu eksploatacji;
" ustalenie optymalnego czasu poprawnej pracy maszyny jest trudne, a to prowadzi do
wzrostu kosztów eksploatacji.
STRATEGIA WEDA
UG STANU TECHNICZNEGO.
Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie
bieżącej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów (rys.2.6). Umożliwia
to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych już
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 wartościami mierzonych
symptomów stanu, jest podstawą decyzji eksploatacyjnej. Poprawna realizacja tej strategii
wymaga skutecznych metod i środków diagnostyki technicznej oraz przygotowanego
personelu technicznego. Wymaga też przezwyciężenia nieufności decydentów co do
efektywności takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z takiego sposobu
eksploatacji są niewspółmiernie wyższe niż w innych strategiach, co warunkuje powodzenie i
ogromne zainteresowanie tym rozwiązaniem.
Podstawowym warunkiem powodzenia tej strategii jest dostępność prostych i
skutecznych metod diagnostycznych, najlepiej wkonstruowanych w produkowane maszyny,
które z kolei są nadzorowane w systemie monitorowania stanu.
W oparciu o omówione strategie eksploatacji maszyn w praktyce przemysłowej
budowane są systemy obsługiwań technicznych maszyn. Do najbardziej
rozpowszechnionych należą :
" system wymian profilaktycznych; budowany głównie w oparciu o strategię eksplo
atacji według efektywności; (dla obiektów jednostkowych, odpowiedzialnych-gdzie
prowadzi się wymiany profilaktyczne dla uniknięcia awarii),
" planowo - zapobiegawczy system obsługiwań technicznych; budowany w oparciu o
strategię według ilości wykonanej pracy; (z góry zaplanowany zakres i częstotliwość
obsługiwań technicznych, niezależnie od aktualnego stanu, czyli potrzeb),
" planowo - zapobiegawczy system obsługiwań technicznych z diagnozowaniem;
(jak wyżej, lecz wspomagany częściowym diagnozowaniem stanu maszyny),
" system obsługiwań technicznych według stanu; (czynności obsługowe - często-
tliwość i zakres - wyznaczane są w oparciu o aktualny stan techniczny maszyny).
AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYNY
Jakościowe zmiany wymuszone gospodarką rynkową mają rozległe konsekwencje we
wszystkich sferach gospodarowania, w tym również w eksploatacji środków trwałych.
Wymagania od strony "jakości", marketingu i logistyki zmieniają radykalnie kryteria
oceny maszyn, dając przesłanki do dalszego, rosnącego zainteresowania metodami i środkami
diagnostyki technicznej.
Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniają konieczność
wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji maszyn. W
propozycji tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej strategii
eksploatacji według stanu, lecz twórczo się ją modernizuje. Sama idea tej strategii, pokazana
na rys.2.7, opiera się na wykorzystaniu "pętli jakości", którą 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 twórcę i
odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jakością i póz
niejszym zbytem jest
odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, aż do
utylizacji po likwidacji obiektu. Tym samym producent konstruuje i wytwarza swoje wyroby
w oparciu o najnowsze osiągnięcia myśli technicznej, zabezpiecza swój wytwór własnym
serwisem obsługowym w czasie eksploatacji, a także wyposaża obiekty w środki
diagnostyczne (najlepiej automatyczne).
2.4 Niezawodność maszyn
Teoria niezawodności zajmuje się metodami syntezy i analizy oraz badań
niezawodności systemów technicznych na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.
Niezawodność to zespół właściwości, które opisują gotowość obiektu i wpływające
na nią: nieuszkadzalność, obsługiwalność i zapewnienie środków obsługi.
Definicja ta jest odpowiednikiem często jeszcze przywoływanej normy, gdzie:
 niezawodność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do wykonywania
określonych funkcji, w określonych warunkach i w określonym przedziale czasu . Termin ten
oznaczał właściwość kompleksową, obejmującą takie właściwości, jak: nieuszkadzalność,
trwałość, naprawialność i przechowywalność.
Problematyka teorii niezawodności obejmuje nie tylko techniczne aspekty istnienia i
funkcjonowania urządzeń. W fazie tworzenia systemów, organizowania ich eksploatacji i
sposobu odnowy, pojawiają się problemy oceny efektywności różnych możliwych rozwiązań i
wyboru wariantu najlepszego z punktu widzenia celu, któremu ma on służyć. Obok
wskaz
ników technicznych, określających jakość i niezawodność działania systemu, należy
uwzględnić ekonomiczną stronę rozwiązania - oczekiwany dochód z systemu, koszty z nim
związane, ewentualne straty z powodu przestoju.
Podstawowe cechy jakości eksploatacyjnej maszyn, określające niezawodność oraz
użyteczność pokazano na rys.2.8.
Rys.2.8 Niezawodnościowe cechy jakości maszyn.
Badania niezawodności mają głównie na celu opracowanie sposobów postępowania
prowadzących do budowy układów, charakteryzujących się możliwie największą
niezawodnością w aktualnych warunkach eksploatacji. Realizacja tego celu wymaga
określenia ilościowych miar niezawodności, opracowania metod przeprowadzania badań i
oceny niezawodności, znalezienia sposobów wykrywania przyczyn powodujących
uszkodzenia, zbadania możliwości usuwania tych przyczyn lub zmniejszenia ich
intensywności, zapobiegania uszkodzeniom przez stosowne procedury obsługowe.
Rozwiązanie problemów niezawodności obiektów mechanicznych sprowadza się do:
* opracowania sformalizowanych modeli oceny niezawodności;
* ustalenia optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych;
* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;
* prognozowania niezawodności maszyn w trakcie ich eksploatacji;
* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodności.
Kształtowanie niezawodności maszyn jest możliwe przez realizację następujących
celów:
- uwzględnienie trwałości i niezawodności zespołów w konstruowaniu i technologii
wytwarzania;
- wdrożenie programów i metod badań eksploatacyjnych trwałości i niezawodności oraz
ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;
- wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwałości i
niezawodności maszyn.
Realizacja tych celów winna doprowadzić do zwiększenia efektywności układów, ich
gotowości i zdolności produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów
użytkowania, obsługiwań technicznych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.
W systemie badań niezawodności obiektów mechanicznych stosowane są metody:
* badań modelowych, w tym badań symulacyjnych;
* badań stanowiskowych;
* badań eksploatacyjnych (statystycznych i programowanych);
* badań eksploatacyjno-stanowiskowych.
Program przebiegu badań niezawodności dla całego okresu istnienia obiektu pokazano
na rys.2.9, natomiast zestawienie danych zbieranych w trakcie badania niezawodności maszyn
pokazuje rys.2.10.
Rys.2.9 Badania niezawodności obiektu w cyklu jego istnienia.
Rodzaj zbieranej informacji w warunkach badań eksploatacyjnych, w których
uzewnętrzniają się własności niezawodnościowe obiektu są zależne od przewidywanego
zakresu jej wykorzystania.
Niżej wymieniono główne grupy oceny niezawodnościowej obiektu określane na
podstawie informacji eksploatacyjnej [2,8]. Należą do nich :
1. Wyznaczenie liczbowych wskaz
ników niezawodności, takich jak: liczba uszkodzeń na
jednostkę czasu pracy obiektu, gotowość obiektu, itp. Do ich wyznaczenia wystarcza
informacja zbiorcza, typu: łączny czas pracy, łączny czas naprawy, łączna liczba uszkodzeń w
zadanym przedziale czasu eksploatacji.
2. Wyznaczanie funkcyjnych wskaz
ników niezawodności, takich jak: funkcja
niezawodności, funkcja intensywności uszkodzeń, funkcja wiodąca rozkładu, funkcja
odnowy, itp. Celem badań może być wyznaczenie wartości chwilowych wymienionych
funkcji (metody nieparametryczne) lub wartości parametrów modeli matematycznych
rozkładu zmiennych losowych (np. czas pracy do uszkodzenia, czas pracy między
uszkodzeniami, czas trwania odnowy, itp.). Przy wyznaczaniu funkcyjnych wskaz
ników
niezawodności niezbędna jest znajomość historii stanów wszystkich badanych obiektów.
3. Wyznaczanie parametrycznej niezawodności obiektu, np. prawdopodobieństwa
zgodności cech mierzalnych obiektu z wymaganiami w zadanym przedziale czasu
eksploatacji.
4. Wyznaczanie modeli procesu powstawania uszkodzeń. Modele procesu powstawania
uszkodzeń wyznaczane są na podstawie analizy fizyko-chemicznej procesów zachodzących w
obiekcie (zużycie, korozja, zmęczenie, itp.). Informacja niezbędna do syntezy modeli procesu
powstawania uszkodzeń może być uzyskiwana w procesie analiz technicznych przyczyn
uszkodzeń lub w procesie wykonywania zabiegów obsługowych.
5. Diagnozowanie stanu niezawodnościowego obiektu, np. wyznaczanie tendencji zmian
wskaz
ników niezawodności, ustalanie słabych ogniw, itp. Do diagnozowania aktualnego stanu
niezawodnościowego obiektu niezbędna jest informacja zebrana z wielu przedziałów
czasowych, znajomości skutków uszkodzeń ze względu na bezpieczeństwo, wykonanie
zadania, poniesionych nakładów na naprawy, itp. Do wygenerowania diagnozy niezbędne są
wieloletnie banki informacji o uszkodzeniach obiektów z uwzględnieniem różnego rodzaju
skutków uszkodzeń.
6. Prognozowanie występowania stanów niezawodnościowych obiektu. W celu dokonania
prognozy niezbędna jest znajomość modeli matematycznych procesu powstawania
prognozowanych uszkodzeń. Do wyznaczenia tych modeli niezbędne jest zbieranie informacji
w czasie wykonywania czynności obsługowych, np. wartości cech obiektów podlegających
kontroli lub regulacji.
Rys.2.10 Składowe informacji w badaniach niezawodności.
7. Wyznaczanie skuteczności działań obsługowych, np. wykrywalność uszkodzeń w
różnych obsługach (kontrola stanu, profilaktyka), wystarczalność części zamiennych, stopień
wykorzystania oprzyrządowania obsługowego, itp. Potrzebne informacje zbierane są w czasie
obsługiwań technicznych i napraw. Na podstawie wskaz
ników skuteczności działania
obsługowego podejmowane mogą być decyzje modernizacyjne.
Szybkie upowszechnienie sprzętu komputerowego, daleko zaawansowane rozwiązania
modelowe i wdrożenia w zakresie programowanych badań niezawodności, to tylko niektóre
kierunki nowoczesnej teorii niezawodności maszyn, umożliwiające całościowe badania
niezawodnościowe obiektów.
Teoria i badania niezawodności obiektów mechanicznych są rozwijane przy czynnym
wykorzystaniu ujęcia systemowego, z uwzględnieniem:
- złożoności struktury;
- zmienności lub przypadkowości wartości parametrów;
- występowania ogniw antropotechnicznych w układzie sterowania;
- nieliniowości charakterystyk;
- losowości oddziaływania otoczenia na maszyny;
- zmienności warunków pracy i sterowania.
Teoria i badania niezawodności obiektów mechanicznych muszą przy tym dotyczyć
projektowania  wytwarzania - eksploatacji, połączonych funkcjonalnie z kreowaniem
potrzeby określonej maszyny.
2.5 Tribologia
Tribologia jest nauką o tarciu i procesach towarzyszących tarciu. Zajmuje się opisem
zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych,
biologicznych i innych w obszarach tarcia.
Zakres tribologii nie ogranicza się tylko do procesów tarcia w maszynach, ale również
odnosi się do wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i w technice. Do ważnych zjawisk
towarzyszących tarciu, a mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania
materiałów trących oraz smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje się
tribotechnika [3,5,10].
Tribologia została więc określona jako nauka interdyscyplinarna, która zajmuje się
częścią zespołu właściwości ciał będących także przedmiotem zainteresowań: fizyki, fizyki
ciała stałego, chemii oraz nauk technicznych: inżynierii materiałowej, konstrukcji maszyn i
technologii środków smarujących. W tym zakresie zainteresowań znajdują się też problemy
metrologii warstwy wierzchniej, jakże często decydującej o jakości wytworów i własnościach
eksploatacyjnych.
Schemat powiązań tribologii i tribotechniki z innymi naukami pokazano na rys.2.11.
 Rys.2.11 Współzależności tribologii w dziedzinie nauk: I-nauki podstawowe,
II-nauki techniczne, III-wytwarzanie i eksploatacja.
Do podstawowych zagadnień, którymi zajmuje się tribologia należą:
* fizyka, chemia i metaloznawstwo działających na siebie nawzajem obszarów tarcia,
znajdujących się w ruchu względnym;
* 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;
* własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;
* własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych,
gazowych i stałych;
* badania nad zastosowaniem substancji smarujących do maszyn;
* zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.
Tak zarysowana problematyka tribologii znajduje swoje odzwierciedlenie praktyczne
i badawcze w dwóch grupach problemowych:
* tribologia klasyczna, przyjmująca postulat, w którym dwa podstawowe materiały
stykają się bezpośrednio i tworzą poprzez powierzchnie warstw wierzchnich styk
wymuszony. Terminy i pojęcia tego zakresu badań przedstawiono na rys.2.12.
Rys.2.12 Zakres tematyczny tribologii klasycznej.
* tribologia współczesna, nawiązująca do funkcjonującego w przyrodzie tarcia w or-
ganizmach ożywionych, posiadającego konstruktywny charakter oparty o procesy
samoorganizacji przenoszenia materii, energii i informacji. Postulat, terminy i poję-
cia tego zakresu badań przedstawiono na rys.2.13.
Rys.2.13 Zakres tematyczny tribologii współczesnej.
Wymiana energii materii pomiędzy węzłem tarcia i otaczającym środowiskiem oraz
wewnętrzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowa-
dzi do tworzenia warstewki chroniącej powierzchnie tarcia przed zużyciem. Wytworzona w
procesie tarcia warstewka nazywa się  serwowitną . Tarcie nie może zniszczyć tej warstew-
ki, ponieważ stymuluje taki strumień energii, który ją wytwarza.
Wyzwaniem więc współczesnej tribologii jest potrzeba opracowania sposobu wytwa-
rzania  serwowitnych warstw na powierzchniach skojarzeń trących. Szereg badań dotyczą-
cych np. nowych materiałów, odporności na docieranie, zmęczenie, szczepienia itp. staną
się wówczas bezprzedmiotowe.
Od elementów węzłów tarcia wymagać się będzie głównie odpowiedniej wytrzyma-
łości objętościowej, a istota badań sprowadzi się do ukonstytuowania warstwy wierzchniej
sprzyjającej tworzeniu warunków  bezzużyciowego tarcia.
Funkcjonowanie systemów samoorganizacji przy średnio stałej wartości ich entropii
jest problemem niezwykle złożonym, obejmującym zbiór wielu zjawisk, których poznanie
jest zaledwie w początkowej fazie.
 2.6 Diagnostyka techniczna
Termin "diagnostyka" pochodzi z języka greckiego, gdzie diagnosis - oznacza
rozpoznanie, rozróżnianie, osądzanie, a diagnostike techne - sztuka rozróżniania, sztuka
stawiania diagnozy. Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy
diagnostyka techniczna - zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn
poprzez badanie własności procesów roboczych i towarzyszących pracy
maszyny, a także poprzez badanie własności wytworów maszyny.
Istota diagnostyki technicznej polega na określaniu stanu maszyny (zespołu,
podzespołu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, w oparciu o pomiar generowanych
sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartościami nominalnymi.
Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z
diagnozowaną cechą stanu obiektu, charakteryzującą jego stan techniczny [1,9,12].
Konieczność oceny stanu technicznego obiektu wynika z potrzeby podejmowania
decyzji dotyczących "jakości" i dalszego postępowania z obiektem. Może to być decyzja o
jego użytkowaniu, o podjęciu przedsięwzięć profilaktycznych (regulacje, wymiana elementów
lub całych zespołów) lub wprowadzeniu zmian w konstrukcji, technologii, eksploatacji.
Diagnostyka techniczna, jak każda dziedzina wiedzy ma swe z
ródła, paradygmaty i
metodologię. Zagadnienia te doczekały się już szczegółowych opracowań, pozwalających
precyzyjnie formułować podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.
Do podstawowych zadań diagnostyki technicznej należy zaliczyć:
" badanie, identyfikacja i klasyfikacja rozwijających się uszkodzeń oraz ich
symptomów, (symptom - to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału
diagnostycznego), dyskryminant i syndromów;
" opracowanie metod i środków do badania i selekcji symptomów, dyskryminant i syn-
dromów diagnostycznych,
" wypracowanie decyzji diagnostycznych o stanie obiektu (na podstawie symptomów),
i wynikających z niego możliwości wykorzystywania lub rodzaju i zakresie ko-
niecznych czynności profilaktycznych.
Realizacja tych zadań wymaga znajomości cech stanu struktury obiektu oraz
diagnostycznie zorientowanych parametrów procesów wyjściowych (symptomów), odwzoro-
wujących cechy stanu.
W metodologii badań diagnostycznych rozróżnia się następujące fazy badania
ocenowego:
" kontrolę stanu obiektu,
" ocenę stanu i jego konsekwencje,
" lokalizację i separację uszkodzeń powstałych w obiekcie,
" wnioskowanie o przyszłych stanach obiektu.
Te zadania realizowane są w następujących formach działania diagnostycznego:
" diagnozowanie - jako proces określania stanu obiektu w chwili tp ,
" genezowanie - jako proces odtwarzania historii życia obiektu,
" prognozowanie - jako proces określania przyszłych stanów obiektu.
Przedstawione formy działania diagnostycznego realizowane są w czasie ciągłej lub
dyskretnej obserwacji obiektu.
Najważniejsze elementy terminologii diagnostycznej, szczególnie z zakresu
formalizacji zapisu działań dotyczą następujących określeń:
* diagnostyka techniczna - dziedzina wiedzy dotycząca metod i środków określania stanu
 technicznego maszyn,
* diagnozowanie - zespół działań związanych z określaniem obecnego i przyszłego stanu
maszyny,
a) diagnozowanie użytkowe- określające przydatność maszyny do użytkowania,
b) diagnozowanie obsługowe- określające niezbędne działania obsługowe dla przy-
wrócenia stanu zdatności ,
c) diagnozowanie projektowe- służące decyzjom projektowym,
d) diagnozowanie produkcyjne- generujące decyzje o jakości produkcji,
e) diagnozowanie likwidacyjne- związane z decyzjami dotyczącymi likwidacji maszyny,
* diagnoza - decyzja o stanie maszyny, (wynik procesu diagnozowania).
Stan techniczny obiektu jest definiowany w kategoriach jakości i bezpieczeństwa jego
działania, poprzez wektor miar bezpośrednich lub pośrednich. Aktualny stan maszyny można
określać obserwując funkcjonowanie obiektu, tzn. jego wyjście główne przekształconej energii
(lub produktu), oraz wyjście dyssypacyjne gdzie obserwuje się procesy resztkowe np. termiczne,
wibracyjne, akustyczne, elektromagnetyczne. Obserwacja tych wyjść daje całą gamę możliwości
diagnozowania stanu (rys.2.14) poprzez :
* obserwacje procesów roboczych, monitorując ich parametry w sposób ciągły, czy też
prowadząc badania sprawnościowe maszyn na specjalnych stanowiskach (moc, prędkość,
ciśnienie itp.),
* badania jakości wytworów, zgodności pomiarów, pasowań, połączeń itp., gdyż
ogólnie tym lepszy stan techniczny maszyny im lepsza jakość produkcji,
* obserwacje procesów resztkowych, stanowiących bazę wielu atrakcyjnych metod
diagnostycznych, opartych głównie na modelach symptomowych.
zakłócenia
sterowanie
zasilanie
MASZYNA przetworzona energia procesy
robocze
STATYKA produkt jakość
I DYNAMIKA wytworu
procesy resztkowe procesy dla
-wibroakustyczne badań
STAN - elektryczne, magnetyczne diagnostycznych
TECHNICZNY - cieplne
- tarciowe
- inne
destrukcyjne sprzężenie zwrotne
Rys.2.14 Możliwe trzy sposoby obserwacji stanu maszyny.
 Efektywne wykorzystanie diagnostyki jest uwarunkowane dynamicznym rozwojem
następujących zagadnień :
- modelowania diagnostycznego, (strukturalnego, symptomowego),
- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,
- podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty),
- budowy ekonomicznych i dokładnych środków diagnozy,
- precyzowania możliwości diagnostyki w kolejnych fazach istnienia maszyny,
- budowy metod oceny efektywności zastosowań diagnostyki,
- metodologii projektowania i wdrażania diagnostyki technicznej,
- metod sztucznej inteligencji w diagnostyce,
- projektowania systemów samodiagnozujących.
Jest przy tym oczywistym, że powyższe problemy winny być rozwiązane w oparciu o
najnowsze dokonania różnych dziedzin wiedzy. Jest tu zatem miejsce na szerokie stosowanie
wspomagania komputerowego w zakresie: modelowania holistycznego, planowania i realizacji
badań, wnioskowania, miejsce dla sztucznej inteligencji obejmującej systemy doradcze i sieci
neuronowe z udziałem logiki rozmytej.
Pełna realizacja tych badań sprawi, że diagnostyka wypełni swoją funkcję tworząc
oczekiwane narzędzia kształtowania jakości maszyn na wszystkich etapach ich istnienia.
Patrząc syntetycznie na ogół możliwych zastosowań diagnostyki w każdej z faz
istnienia obiektu, można wyróżnić dziedziny i zakres wiedzy niezbędnej do prawidłowego
rozwoju tej dziedziny.
Są to : wiedza o obiektach, ich modelowaniu, identyfikacji, symulacji zachowań,
nauka o sygnałach i symptomach, teoria eksperymentu, teoria decyzji oraz
komputerowe wspomaganie badań diagnostycznych.
Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki, warunkujące
racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują :
" fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne,
warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),
" metodologiczne podstawy badań diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele
diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techniki wniosko-
wania, sposoby prezentacji diagnoz),
" komputerowa obsługa zadań diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie
eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja
wymiarowości, estymacja modeli),
" techniczne metody kontroli stanu obiektu, (metodyki, metody, środki - od najpros-
tszych do systemów doradczych),
" rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia obiektu, (projektowanie układów diag-
nostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk użytkowych, war-
tości graniczne, sterowanie eksploatacją),
" przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki wartości, modele decy-
zyjne, wskaz
niki efektywności, rachunek optymalizacyjny),
" kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy kształ-
cenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).
Są to więc grupy podstawowych problemów z różnych dyscyplin podstawowych i
stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki technicznej.
2.7 Badania nieniszczące
 Uwzględniając specyfikę starzenia i zużyć w badaniach rozwijających się uszkodzeń
znajdują zastosowanie badania nieniszczące, stosowane na etapie rozwoju wad
materiałowych, co wyróżnia je od badań diagnostycznych, stosowanych na etapie
funkcjonowania obiektów.
Celem badań nieniszczących jest: wykrycie wad, ich opis i ocena, rejestracja,
dokumentacja i pomiar użytkowych własności materiału. Dzięki badaniom nieniszczącym
możliwa jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia obiektu.
Stanowi to podstawę opracowywanych prognoz bezpiecznej eksploatacji obiektu, oceny
narastania ryzyka nagłego pęknięcia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy.
Istota znaczenia wad materiałowych jest określana w aspektach:
- warunków pracy, a więc temperatury, stanu naprężeń, zmiany naprężeń w czasie, stanu od-
kształceń i oddziaływania środowiska;
- własności materiału: wytrzymałościowych, plastycznych, odporności materiału na pękanie,
intensywności naprężeń i parametrów propagacji szczeliny przy zmęczeniu;
- obliczenia współczynników bezpieczeństwa i współczynników wytężenia materiału;
- stanu struktury materiału, ocenianego w wyniku badań nieniszczących (lokalizacja,
rozmiary, orientacja i rodzaj wady) oraz poziomu naprężeń własnych i naprężeń
pochodzących od obciążeń użytkowych.
Metody badań nieniszczących w układzie : * wykorzystywane zjawisko, ** mierzone
parametry, *** ważniejsze zastosowania, **** minimalne wykrywalności, obejmują [4]:
metody ultradz
więkowe:
* rozchodzenie się fal sprężystych, odbicie, przenikanie, rozpraszanie, tłumienie, dyfrakcja
fal;
** amplituda fali odbitej i przenikającej, czas przejścia fali, kształt sygnału w dziedzinie
czasu i częstotliwości;
*** wady mikrostruktury, przyczepność, korozja, rozmiary ziaren, pomiar odległości i gru-
bości, stałych sprężystości, identyfikacja struktury;
**** około 2mm w przedziale częstotliwości 2-6 MHz, pomiar głębokości pęknięć od 1-2mm
wzwyż, dokładność dziesiąte części milimetra;
emisja akustyczna:
* fale sprężyste wywołane procesami nagłymi;
** liczba generowanych impulsów, prędkość generacji, widmo generowanych sygnałów, am-
lituda i przebiegi czasowe, liczba przejść przez zadany poziom amplitud, współczynnik
szczytu, energia pojedyńczego impulsu;
*** lokalizacja wad, śledzenie odkształceń, pękanie, korozja, przemiany strukturalne w ma-
teriale, prognozowanie trwałości;
**** badanie zjawisk w krzepnących stopach, identyfikacja przemian fazowych, zarodkowa-
nie i wzrost porów, rozwarstwienia struktury materiału;
metody drganiowe:
* rezonans, drgania ciągłe, zanikające, impulsowe;
** poziom amplitudy (a,v,x), czas pogłosu, widmo drgań, częstości drgań własnych;
*** stałe sprężystości, lokalizacja wad, identyfikacja struktury, ocena stanu;
**** wykrywalność trudna do jednoznacznego określenia;
metody radiacyjne:
* promieniowanie: a, b, g, x, neutrony, protony, pozytony;
** natężenie promieniowania, osłabienie promieniowania;
*** wady makrostruktury materiału, mikroporowatość, tomografia;
**** wykrywalne zmiany grubości wynoszące 0,4-1%;
 metody magnetyczne:
* rozproszenie pola magnetycznego, przenikalność magnetyczna, koercja, oddziaływanie po-
la magnetycznego;
** natężenie pola magnetycznego, przenikalność magnetyczna;
*** wady powierzchniowe i podpowierzchniowe w materiałach;
**** szerekość wad 0,1-15um, wysokość 10-40um, długość 1um - 50% wykrywalności;
metody elektryczne:
* pole elektryczne, zjawisko dielektryczne, zjawisko termoelektryczne;
** spadek potencjału;
*** pomiar głębokości pęknięć, ocena struktury;
**** głębokość pęknięć około 1um;
prądy wirowe:
* pole elektromagnetyczne ciągłe, impulsowe, wieloczęstotliwościowe;
** impedancja, amplituda, faza;
*** wady powierzchniowe materiałów przewodzących, pomiar grubości, identyfikacja
struktury;
**** wady o wysokości 10-70um;
metody penetracyjne:
* wnikanie cieczy w szczeliny powierzchniowe;
** długość i szerokość wskazań;
*** pęknięcia powierzchniowe;
**** wysokość 10-20um, szerokość 0,2-13um, długość 1um - 100% wykrywalności;
metody termiczne:
* przepływ ciepła, promieniowanie podczerwone;
** rozkład temperatur;
*** wykrywanie braku przyczepności, miejsc gorących, zdalny pomiar naprężeń;
**** zdalny pomiar temperatury o dużej rozdzielczości.
Metody badań nieniszczących znajdują już ugruntowaną pozycję wśród badań stanu
obiektów, wyraz
nie wyróżnioną zakresem zainteresowań od badań diagnostycznych.
2.8 Bezpieczeństwo maszyn
Teoria bezpieczeństwa maszyn zajmuje się szczególnymi przypadkami eksploatacji
obiektów, zagrażającymi życiu i zdrowiu operatora, istnieniu obiektu, obiektów
współpracujących oraz środowisku naturalnemu. Teoria bezpieczeństwa pozwala na
dokonywanie analizy systemów technicznych z punktu widzenia bezpieczeństwa [6,8].
Teoria bezpieczeństwa posługuje się pojęciami takimi jak zawodność bezpieczeństwa
i zawodność sprawności oraz poczucie zagrożenia bezpieczeństwa i jego realne zagrożenie
- ryzyko.
Bezpieczeństwo wywodzi się w prosty sposób z teorii niezawodności i większość
elementów tworzonej teorii bezpieczeństwa pochodzi z tego obszaru.
Bezpieczeństwo techniki rozpatrywane jest w obrębie systemu:
człowiek -
technika -
środowisko.
Dziedziną badań w systemie człowiek  technika - środowisko (C-T-S) są ujemne
skutki istnienia techniki, ujawniające się w postaci strat w tym systemie.
 Z analizy bezpieczeństwa techniki w powyższym systemie wynikają następujące
podstawowe wnioski:
- straty mogą pojawić się we wszystkich fazach istnienia wytworu techniki; są one nie do
uniknięcia, co najwyżej można zmniejszyć ich wielkość i częstotliwość pojawiania się;
- bezpieczeństwo wytworów techniki można i należy kształtować w fazach ich projektowa-
nia i wytwarzania, a sterować nim w fazie eksploatacji;
- bezpieczeństwem w określonych warunkach ryzyka można i należy zarządzać;
- racjonalność w w kształtowaniu bezpieczeństwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu
jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;
- kwantyfikacja bezpieczeństwa następuje w oparciu o pojęcia  zagrożenie i  ryzyko ;
- optymalizacja bezpieczeństwa wytworu techniki jest możliwa w ramach optymalizacji jego
efektywności; żądany poziom bezpieczeństwa stanowi wtedy ograniczenie w algorytmie
optymalizacji efektywności (rys.2.15);
Rys.2.15 Czynniki kształtujące efektywność wytworu techniki.
- racjonalność i optymalność w kształtowaniu i sterowaniu bezpieczeństwem wytworu może
być rozważana wtedy, gdy można skwantyfikować poziom jego bezpieczeństwa.
Z powyższych przesłanek wypływa cel bezpieczeństwa maszyn:
 sprowadzenie negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum .
Zbiór podstawowych pojęć teorii bezpieczeństwa przedstawiony jest na rys.2.16.
Rys.2.16 Podstawowe pojęcia teorii bezpieczeństwa.
Zagrożenie definiowane jest jako z
ródło, potencjał lub sytuacja, które mogą
spowodować straty w systemie C-T-S. Zagrożenie bywa kwantyfikowane, przy czym miarą
zagrożenia może być funkcja rodzaju i wielkość materiału niebezpiecznego, warunków
eksploatacji, możliwości uwolnienia się zagrożenia i powstania strat oraz innych czynników.
Ryzyko definiowane jest jako możliwość powstania strat w systemie C-T-S. W sensie
kwantytatywnym stanowi funkcję, której dziedziną są procesy strat elementów systemu.
Najczęściej ryzyko wyraża się jako wartość oczekiwana strat , a więc jest zależne od
wielkości straty i prawdopodobieństwa jej powstania.
Bezpieczeństwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolność tego wytworu w
założonych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie większego od
wartości kryterialnej.
Wychodząc od skutków, teoria bezpieczeństwa sięga do uszkodzeń i błędów, które
stwarzają zagrożenie bezpieczeństwa oraz mogą być powodowane następującymi
przyczynami:
- nie sprzyjającym wpływem otoczenia, jak np. błędami w systemie kierowania i
ubezpieczenia systemów, niesprzyjającym oddziaływaniu środowiska, itp.;
- błędami działania rozumianymi jako błędy operatora popełniane w procesie eksplo-
atacji systemu, szczególnie błędami sterowania;
- niewłaściwym działaniem elementów, agregatów lub zespołów funkcjonalnych, na
skutek uszkodzeń.
W problematyce bezpieczeństwa można wyróżnić dwa podstawowe kierunki działa-
nia, a mianowicie:
* kształtowanie bezpieczeństwa systemów i ich elementów (maszyn);
* obliczanie (kontrola) poziomu bezpieczeństwa systemów.
 Pierwszy kierunek problematyki bezpieczeństwa w odniesieniu do techniki
realizowany jest za pomocą podejścia systemowego w projektowaniu:
- nowoczesnych metod konstrukcyjnych i technologicznych;
- stosowania materiałów konstrukcyjnych o wysokiej jakości;
- weryfikacja założeń podczas badań obiektów;
- prawidłowej eksploatacji.
W odniesieniu natomiast do operatorów (ludzi) realizowany jest poprzez odpowiedni
dobór i selekcję kandydatów do zawodu, kształcenie i trening, motywowanie,
podtrzymywanie kondycji psychicznej, itp..
Drugi kierunek problematyki bezpieczeństwa wiąże się z oceną systemów we
wszystkich fazach ich istnienia za pomocą metod i kryteriów ocenowych, przydatnych
odpowiednio do kolejno ocenianych faz.
2.8.1 Wskaz
niki bezpieczeństwa systemu
Stan bezpieczeństwa w systemach technicznych określają wskaz
niki bezpieczeństwa,
tj. charakterystyki funkcyjne lub liczbowe. Należą do nich:
- zawodność bezpieczeństwa systemów; wyznaczany przez czas funkcjonowania systemu do
chwili jego przejścia do stanu zawodności bezpieczeństwa;
- niezawodność bezpieczeństwa; wskaz
nik charakteryzujący nie przejście systemu do stanu
zawodności;
- zawodność sprawności systemów; każdy stan, w którym system utracił w pełni lub częś-
ciowo swoje właściwości funkcjonalne; (intensywność zawodności, funkcja wiodąca rozka-
du, wartość oczekiwana czasu przejścia do stanu zawodności);
- żywotność; charakteryzowany czasem od chwili porażenia systemu do chwili jego przejś-
cia do stanu zawodności bezpieczeństwa, przy założeniu braku czynności przeciwdziała-
jących;
- dyspozycyjność i odparowalność; określony czas dyspozycyjny, w którym ma sens prze-
ciwdziałanie sytuacji niebezpiecznej różnymi metodami. Istnienie czasu dyspozycyjnego nie
gwarantuje odparowania sytuacji niebezpiecznej, co zależy od:
* predyspozycji operatora (odporności na stresy, kondycji fizycznej, prędkości reakcji
na zmianę stanu, itp.;
* właściwości układów bezpieczeństwa biorących udział w przeciwdziałaniu sytuacji
niebezpiecznej (ich wydajność, nieuszkadzalność, gotowość, itp.);
* czas odparowania sytuacji niebezpiecznej.
Miarą odparowalności jest prawdopodobieństwo, że w czasie dyspozycyjnym zagrożenie bez-
pieczeństwa zostanie odparowane;
- porażalność i wrażliwość systemu; prawdopodobieństwo zawodności bezpieczeństwa
przez oddziaływanie czynników porażających, z uwzględnieniem wrażliwości systemu na
działające czynniki porażające;
- wskażniki pomocnicze; służące do wyznaczania wskażników podstawowych. Należą do
nich charakterystyki probabilistyczne czasu przebywania systemu w poszczególnych stanach
bezpiecznościowych. Zwykle są to:
* dystrybuanty czasu przebywania w stanach bezpieczeństwa;
* wartości oczekiwane czasu przebywania w stanach bezpieczeństwa;
* prawdopodobieństwo przejścia między stanami;
* intensywność przejść między stanami;
* prawdopodobieństwo przebywania systemów w poszczególnych stanach bezpiecz-
nościowych.
 2.8.2 Struktura bezpieczeństwa systemu
Strukturę bezpiecznościową systemu technicznego wyznaczają elementy systemu
energia i informacja, tworzące zazwyczaj strukturę nadmiarową systemu. Ma to na celu
zmniejszenie wrażliwości, zwiększenie żywotności i odparowalności systemu.
W strukturze bezpieczeństwa można wyróżnić następujące formy nadmiaru:
* nadmiar strukturalny, polegający na dublowaniu ważnych układów systemu i zmniejsza-
jących wrażliwość systemu na sytuacje niebezpieczne;
* nadmiar funkcjonalny, polegający na przystosowaniu niektórych elementów systemu do
przejmowania określonych dodatkowych funkcji i zmniejszających wrażliwość systemu;
* nadmiar parametryczny, polegający na utrzymaniu większej energii i możliwości funk-
cjonalnych w odniesieniu do przeciętnych potrzeb, zmniejszający wrażliwość oraz zwiększa-
jący żywotność systemu technicznego;
* nadmiar informacyjny, polegający na istnieniu nadmiarowej informacji w systemie odnoś-
nie do ważnych zdarzeń (np. sygnalizacja zagrożeń-świetlna, dz
więkowa);
* nadmiar wytrzymałości (mechanicznej, elektrycznej), polegający na zwiększeniu odpor-
ności na zniszczenie, zmniejszający wrażliwość na określonego rodzaju porażenia;
* nadmiar czasowy, polegający na istnieniu zwiększonego czasu dla realizacji różnego ro-
dzaju działań w systemie, umożliwiający właściwe reakcje operatora w warunkach ryzyka;
* nadmiar elementowy, polegający na wprowadzeniu do systemu dodatkowych elementów
wykorzystywanych w procesie odparowania sytuacji niebezpiecznej (urządzenia zabezpie-
czające, urządzenia bezpieczeństwa, systemy bezpieczeństwa).
W ostatnim okresie można zauważyć tendencje przyjmowania bezpieczeństwa za kry-
terium jakości sterowania procesem eksploatacji systemów technicznych, co w powiązaniu z
diagnostyką techniczną traktowaną jako narzędzie oceny stanu daje duże możliwości w ksz-
tałtowaniu efektywnych strategii eksploatacji maszyn.
2.9 Podsumowanie
Treści tego rozdziału skrótowo omawiają podstawowe problemy eksploatacji maszyn i
systemów technicznych, przy uwzględnieniu specyfiki zagadnień składowych dziedzin
naukowych tej problematyki. Uważna lektura tych treści daje podstawy racjonalnego
kształtowania jakości maszyn i wytworów oraz możliwości budowy nowoczesnych systemów
eksploatacji maszyn.
Pozyskana wiedza daje lepsze zrozumienie zagadnień tworzenia i wykorzystania
maszyn, stwarza logiczne podstawy do rozważania i ustalania celów postępowania, zwiększa
umiejętności planowania i kierowania oraz stwarza nowe możliwości wyboru, nowe cele i
horyzonty stawiania i realizacji zadań eksploatacyjnych.
Na tle stanu wiedzy składowych dyscyplin eksploatacji wyraz
nie zaznacza się
dominująca rola diagnostyki technicznej, znajdująca szerokie zastosowanie w kształtowaniu
jakości maszyn oraz nowoczesnych strategii eksploatacji maszyn.
Poznanie treści tego rozdziału wyraz
nie określa miejsce i zadania diagnostyki (z jej
szczególną rolą na etapie eksploatacji, gdzie weryfikowane są wszelkie właściwości maszyn) i
pozwala na łagodne przejście do zagadnień podstawowych diagnostyki maszyn, co jest treścią
kolejnych rozdziałów książki.
Literatura
1. CEMPEL C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT.Warszawa.1982.
2. DWILIC
SKI L.: Niezawodność maszyn rolniczych. WEMA.Warszawa.1988.
3. GÓRECKA R., POLAC
SKI Z.: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT.Warszawa.1983.
4. HEBDA M., MAZUR T.: Podstawy eksploatacji pojazdów samochodowych. WKA
. 1980.
5. HEBDA M., WACHAL A.: Tribologia. WNT.Warszawa.1980.
6. JAy
WIC
SKI J.,WAŻYC
SKA-FIOK K.:Bezpieczeństwo systemów.WNT.Warszawa.1993.
7. LEWITOWICZ J. ii : Problemy badań i eksploatacji techniki lotniczej.ITWL.Wawa. 1993.
8. MAZUR T., MAA
EK A.: Zarządzanie eksploatacją systemów technicznych. WNT.1979.
9. MIGDALSKI J. ii :Inżynieria niezawodności.PORADNIK.ATR-WEMA.Bydgoszcz.1992.
10.NIZIC
SKI S.: Dynamiczny system eksploatacji obiektów technicznych. Problemy Eks-
ploatacji 5/93. Radom. 1993.
11. PAWA
OWSKI Z.: Charakteryzowanie stanu materiału metodami nieniszczącymi. Mat.
Konf. Ustronie Morskie. 1988.
12. SMALKO Z.: Podstawy projektowania niezawodnych maszyn i urządzeń technicznych.
Warszawa. PWN. Warszawa.1972.
13. ŻÓA
TOWSKI B.: Diagnozowanie silnika wysokoprężnego. ITE. Radom. 1995.
14. ŻÓA
TOWSKI B.,ĆWIK Z.: Leksykon diagnostyki technicznej. ISBN 83-900853-3-X.
Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996.