DIAGNOSTYKA I PREWENCJA W EKSPLOATACJI MASZYN
9.1. Przedmiot i zadania diagnostyki technicznej
Nazwa "diagnostyka" pochodzi od greckiego sÅ‚owa "diagnôstikôs", znaczÄ…cego - "umiejÄ…cy
rozpoznawać". Wielowiekową historię ma ju\
dziedzina wiedzy zwana diagnostykÄ… medycznÄ…
(lekarską), podczas gdy diagnostyka techniczna, i diagnostyka maszyn rozwinęły się w ostatnich
kilku dziesięcioleciach. W in\
ynierii mechanicznej, w budowie i eksploatacji maszyn, czynni-
kiem pobudzającym rozwój diagnostyki było dą\
enie do osiągnięcia wysokiego poziomu nieza-
wodności, definiowanego zarówno w kategoriach ekonomicznych jak i bezpieczeństwa. Ten
drugi aspekt zadecydował, \
e najwcześniej została ona zastosowana do środków transportu, w
szczególności do maszyn latających. W dobie powszechnej automatyzacji, kolejnym etapem
rozwoju diagnostyki technicznej jest wykorzystanie jej w nadzorowaniu procesów realizowanych
przez maszyny, a tak\
e do oceny jakości produkcji przemysłowej.
W najbardziej ogólnym ujęciu, głównym celem badań diagnostycznych jest określenie tech-
nicznego stanu obiektu bez jego demonta\
u lub określenie poprawności realizowanego przez
niego procesu w chwili uznanej za wa\
ną. Ocenę przeprowadza się na drodze porównywania
zmierzonych wartości zasadniczych parametrów, opisujących w danej chwili stan maszyny lub
proces z wartościami dopuszczalnymi, będącymi konkretnymi miarami starzenia (zu\
ycia) czÄ™-
ści, zespołów lub całych maszyn. W konsekwencji, obiektem diagnostycznym mo\
e być proces,
całe urządzenie lub maszyna, jego (jej) zespół, a nawet pojedyncza para kinematyczna, np. ło\
y-
sko lub przekładnia zębata.
Do zasadniczych zadań diagnostyki technicznej zaliczać się zatem będzie:
- ustalenie, klasyfikowanie i badanie niesprawności obiektów oraz symptomów ich występowa-
nia,
- opracowanie metod i aparatury do mierzenia parametrów diagnostycznych,
- ocenę stanu technicznego obiektów na podstawie zmierzonych parametrów diagnostycznych i
porównanie ich z wyznaczonymi wcześniej wartościami granicznymi,
- ustalenie charakteru i zakresu czynności profilaktycznych, lub resursu poprawnej pracy.
Dodatkowym, bardzo wa\
nym efektem procesu diagnozowania jest gromadzenie informacji
o charakterystycznych niesprawnościach obiektu, które po analizie i statystycznym opracowaniu
mogą być podstawą do sformułowania zaleceń w zakresie modernizacji i poprawy jakości obiek-
tów.
9.2. Współzale\
ność procesów mierzenia, diagnozowania i nadzorowania
Najogólniej mo\
na zdefiniować cel badań diagnostycznych jako pozyskiwanie informacji o
stanie obiektu takich badań. Informacje te są potrzebne jednak tylko w ograniczonym zakresie,
głównie z uwagi na ograniczenie zakresu badań, zatem w konkretnym przypadku badań nie mu-
szą być identyfikowane wszystkie mo\
liwe stany obiektu. Dla oceny stanu maszyny, zespołu lub
elementu, niezbędne jest dokonanie pomiaru wybranych wielkości (symptomów), które przyjęto
za parametry diagnostyczne. Do ich mierzenia wykorzystuje się odpowiednie układy pomiarowe.
Je\
eli poprzestanie siÄ™ tylko na okresowym pozyskiwaniu i gromadzeniu mniej lub bardziej prze-
tworzonych wyników pomiarowych (tabele, wykresy), to mamy do czynienia z procesem mie-
rzenia zwanym monitorowaniem. Do jego realizacji potrzebne są czujniki, układy pomiarowe i
odpowiednie urządzenia wyjściowe (drukarki, rejestratory), dokumentujące rezultat monitorowa-
nia.
Je\
eli na podstawie wyników monitorowania przeprowadzi się stosowną ich analizę, polega-
jącą zazwyczaj na porównaniu zmierzonych wielkości ze znanymi wzorcami i na tej podstawie
dokona klasyfikacji stanu badanego obiektu, to mamy ju\
do czynienia z procesem zwanym dia-
gnozowaniem. W zale\
ności od przyjętego stopnia szczegółowości diagnozowania, mo\
e ono
dotyczyć zarówno orzekania o przyczynach zaistniałego stanu jak i prognozy odnoszącej się do
mo\
liwości dalszego u\
ytkowania badanego obiektu. Mo\
na zatem powiedzieć, \
e na proces
diagnozowania składa się proces mierzenia i proces analizy oraz wnioskowania na podstawie
uzyskanych z pomiaru wielkości.
Je\
eli w wyniku przeprowadzonej diagnozy, stosowne układy logiczne automatycznie po-
dejmują właściwe decyzje, dotyczące zarówno maszyny jak i realizowanego przez nią procesu, to
mamy do czynienia z procesem nadzorowania. W dobie powszechnej automatyzacji pracy ma-
szyn i urządzeń wielu bran\
przemysłowych, nadzorowaniu przypada szczególna rola. W zale\
-
ności od zakresu nadzorowanych funkcji i liczby monitorowanych wielkości mówi się o pełnej
lub częściowej automatyzacji pracy określonych maszyn lub urządzeń. Sam wynik procesu nad-
zorowania mo\
na zaś określić jako syntezę procesu mierzenia, procesu diagnozowania i procesu
podejmowania decyzji (p. rysunek 9.1).
PROCES NADZOROWANIA
(monitorowanie + diagnozowanie + podejmowanie decyzji)
PROCES DIAGNOZOWANIA
(monitorowanie + klasyfikowanie)
Przyczyny Prognoza
PROCES MIERZENIA
Obiekt (monitorowanie)
badany
czujnik układy wynik Analiza Klasyfikacja Podejmowanie
układy
Parametry pomiarowe pomiaru (synteza) stanów decyzji
diagnostyczne wyników (porównywanie)
Rys. 9.1. Współzale\
ność procesów: mierzenia, diagnozowania i nadzorowania
Jedną z często występujących form nadzorowania jest adaptacyjne sterowanie pracą maszyn.
Polega ono na ciągłym monitorowaniu określonego parametru (siły, ciśnienia, temperatury), po-
równaniu mierzonej wielkości z zadanym wzorcem i stosownie do wyników tego porównania,
wydawaniu maszynie poleceń, mających na celu osiągnięcie zało\
onego kryterium (np. wydajno-
ści, jakości, itp.) realizowanego przez nią procesu. Cele jakie stawia się przy nadzorowaniu mo\
-
na zazwyczaj osiągnąć stosując bardzo ogólne, dwustanowe diagnozowanie, nie wymagające
zło\
onego wnioskowania. Je\
eli jednak wez
mie się pod uwagę zło\
oność struktur maszynowych
i automatycznie realizowanych przez nie procesów, to kompleksowe nadzorowanie wymaga wie-
lotorowego mierzenia i kontrolowania stanów, co znajduje swoje wyraz
ne odbicie w konstrukcji,
układów sterowania i w koszcie wszelkiego rodzaju automatów.
9.3. Rodzaje diagnostyki technicznej
W trosce o większą niezawodność, efektywność, jakość i bezpieczeństwo funkcjonowania
maszyn i urządzeń mechanicznych z problematyką diagnostyki technicznej, spotykamy się we
wszystkich fazach ich tworzenia i eksploatacji (p. rysunek 9.2).
9.3.1. Aspekty diagnostyczne w procesie konstruowania maszyn
Rozwój techniki diagnostycznej oraz upowszechnienie jej zastosowania, uzasadnia potrzebę
2
uwzględnienia tej problematyki ju\
na etapie projektowania maszyn. Chodzi bowiem o to, by w
ten sposób zapewnić lepsze przystosowanie obiektów do stosowania diagnostyki w okresie póz
-
niejszej ich eksploatacji. Ju\
na etapie konstruowania maszyny powinno się podejmować decyzje
o zakresie, metodach i środkach po\
ądanej diagnostyki, nie wykluczając zaleceń dotyczących
wbudowania odpowiednich sensorów. Wskazane jest równie\
przeprowadzenie określonych sy-
mulacji analitycznych przyszłego zachowania się urządzenia w warunkach eksploatacji. Mo\
e to
dotyczyć np. właściwości dynamicznych i statycznych (drgania, sztywność) jak i termicznych
(poziomu nagrzewania się i wynikających z tego odkształceń). Uwzględniając w procesie projek-
towania problematykÄ™ diagnostycznÄ… nale\
y mieć na uwadze szereg czynników, takich jak: prze-
znaczenie obiektu, jego zło\
oność, mo\
liwości wykonawcze, wymagana trwałość i niezawod-
ność, warunki eksploatacji i kryteria ekonomiczne.
Maszyna (obiekt) w
swych fazach \
ycia
Proces techno-
Dziedziny za-
Konstruowanie Wytwarzanie Eksploatacja
stosowania logiczny
Diagnostyka Diagnostyka
Nazwa dia-
Diagnostyka
Diagnostyka
kontrolna procesu
gnostyki
eksploatacyjna
konstrukcyjna
wytwarzania wytwórczego
Identyfikacja Ocena stanu Automatyzacja i po-
Cel diagno-
Ocena jakości
przyczyn technicznego prawa jakości procesu
styki
wyrobów
błędów maszyn wytwarzania
Rodzaje diagnostyki
Rys.9.2. Rodzaje diagnostyki w poszczególnych fazach tworzenia i eksploatacji maszyny
Czynniki te winny być uwzględnione przy podejmowaniu w procesie projektowania decyzji
o zakresie, metodach i środkach prowadzenia diagnostyki. Mo\
liwe są przy tym następujące,
cztery przypadki:
1. Projektowanie obiektu bez uwzględnienia problematyki diagnostycznej.
2. Zapewnienie w procesie projektowania optymalnej podatności diagnostycznej obiektu, bez
wbudowania środków diagnozowania.
3. Jw. z wbudowaniem do obiektu elementów układu diagnostycznego.
4. Projektowanie obejmujÄ…ce dodatkowo opracowanie diagnostycznego systemu ekspertowego.
Projekty współczesnych maszyn powinny równie\
uwzględniać potrzebę prowadzenia okre-
sowych diagnozowań, np. w czasie przeglądów i napraw, środkami uniwersalnymi i specjali-
stycznymi.
Bardzo przydatne dla u\
ytkowników maszyn jest opracowanie na etapie konstruowania od-
powiedniej dokumentacji dotyczÄ…cej sposobu diagnozowania obiektu w okresie jego eksploata-
cji. Dotyczy to równie\
wzorców i określenia wartości dopuszczalnych i granicznych dla wybra-
nych parametrów diagnostycznych. Przykładem efektów  diagnostycznego myślenia w procesie
projektowania mo\
e być współczesny serwis diagnostyczny w bran\
y motoryzacyjnej. W specja-
listycznych stacjach diagnostycznych sprzęga się, wbudowane w nowoczesnych silnikach samo-
3
chodowych, środki diagnozowania z elektroniczną aparaturą, współpracującą z systemem kom-
puterowego przetwarzania wyników z pomiarów diagnostycznych, co wyklucza wszelki subiek-
tywizm w ocenie stanu badanego obiektu.
9.3.2. Diagnostyka kontrolna jakości wykonania
Maszyny sÄ… zwykle urzÄ…dzeniami o du\
ym stopniu zło\
oności. W cyklu ich wytwarzania
mogą pojawiać się egzemplarze, których właściwości ró\
nić się będą od średnich oczekiwanych.
Jest to konsekwencjÄ… du\
ej liczby zabiegów technologicznych, niezbędnych do wykonania części
składowych maszyn, ich monta\
u w zespoły i kojarzenia zespołów, dającego w efekcie funkcjo-
nalnÄ… strukturÄ™ maszynowÄ…. Nieuniknione tolerancje wykonania i monta\
u części są zatem przy-
czyną zró\
nicowania eksploatacyjnych właściwości urządzeń mechanicznych tego samego typu.
Stopień wzajemnego zró\
nicowania będzie zale\
ny od historii przypadkowości w całym procesie
wytwarzania. Śledzenie rozkładu przypadkowości tych cech będzie domeną diagnostyki kontrol-
nej, stanowiącej ostatnie ogniwo całego - jak i cząstkowych procesów wytwarzania. Jej wyni-
kiem będzie nie tylko zakwalifikowanie badanego obiektu do klasy zdatny lub niezdatny, ale tak-
\
e oddziaływanie na te elementy procesu wytwarzania, które spowodowały niepo\
Ä…dane odchy-
lenia.
Dla podniesienia jakości wytwarzanych maszyn, powszechnym stało się wyposa\
anie fabryk
produkujÄ…cych urzÄ…dzenia mechaniczne w skali wielkoseryjnej i masowej w stanowiska badaw-
cze, słu\
ące kontroli elementów i zespołów jeszcze przed ich monta\
em w większe struktury.
Mo\
na tą drogą stosunkowo wcześnie eliminować z dalszego monta\
u wadliwe zespoły i tym
samym nie tylko przyczynić się do podniesienia jakości maszyn, ale równie\
do obni\
ki kosztów
ich wytwarzania.
Specyficzną odmianę diagnostycznych badań kontrolnych, stosuje się przy odbiorze maszyn
produkowanych jednostkowo lub w małych seriach, jak to np. ma miejsce w przypadku obrabia-
rek zespołowych. Ka\
da taka obrabiarka jest w zasadzie prototypem. Jakość jej wykonania oce-
nia się głównie na podstawie badań dokładności obrabianego na takiej obrabiarce przedmiotu.
Je\
eli przedmiot spełnia wymagania zało\
onej dokładności wymiarów, kształtu, chropowatości
oraz dokładności wzajemnego poło\
enia powierzchni obrabianych, to wszelkie inne właściwości
badanej obrabiarki mają drugorzędne znaczenie. Negatywny wynik odbiorczej diagnostyki kon-
trolnej wymaga specjalistycznego badania obiektu w celu zlokalizowania przyczyn stwierdzo-
nych niedokładności. Stosując metody diagnostyczne oparte na pomiarach wa\
nych dla określo-
nej maszyny parametrów diagnostycznych (sztywności statycznej, temperatury, amplitudy drgań
itp.), mo\
na niejednokrotnie uniknąć kosztownego demonta\
u zespołów i sprawdzania stanu ich
elementów.
9.3.3. Diagnostyka procesów technologicznych
Zadaniem diagnostyki procesów technologicznych jest przede wszystkim czuwanie nad pra-
widłową realizacją tych procesów, przez odpowiednie oddziaływanie na układy sterujące. Mo\
e
być ona realizowana po przerwaniu procesu (szukanie przyczyn awarii przez ukierunkowane
pomiary), lub w sposób ciągły, w trakcie procesu, co sprowadza się do znanego nam ju\
nadzo-
rowania lub sterowania adaptacyjnego. Diagnostyka procesowa jest wprost nieodzowna wszędzie
tam gdzie pracują urządzenia bez - lub tylko z częściowym nadzorem operatorskim. Przykładem
takich maszyn są nowoczesne, elastyczne systemy produkcyjne, składające się z wielu mecha-
nicznych urządzeń i maszyn, sprzę\
onych ze sobÄ… systemami transportu i sterowania. Zakres i
strukturÄ™ diagnostyki takiego systemu mo\
na zilustrować schematycznie jak na rysunku 9.3.
Diagnostyka ta obejmuje, poza diagnozowaniem poprawności pracy samych obrabiarek i czuwa-
niem nad przebiegiem realizowanych na nich procesów skrawania, tak\
e funkcjonowanie urzÄ…-
4
dzeń peryferyjnych i układów sterowania.
Wynikiem ciągłego mo-
DIAGNOSTYKA SYSTEMU PRODUKCYJNEGO
nitorowania, polegajÄ…cego na
Obrabiarki
Układy sterowania
mierzeniu wybranych wielko-
Narzędzia
UrzÄ…dzenia peryferyjne Proces
ści fizycznych i kontrolowa-
Przedmioty obrabiane
* transportowe
Magazyny narzędziowe
niu zaistnienia określonych
* pomiarowe
skrawania
Układy mocowania
stanów, będzie generowanie
* magazynowe
Podajniki
informacji np. o osiągnięciu
pewnych wartości granicz-
Diagnostyka pod- Diagnozowanie po nych, informacji które mogą
czas obróbki przerwaniu obróbki
być bezpośrednio wykorzy-
stane przez układy sterowania
(sterowanie adaptacyjne) lub
Monitorowanie
Ukierunkowane pomia-
przekazywane do układu dia-
Mierzenie wybranych
ry
gnostycznego, przeprowadza-
parametrów
jącego  logiczną obróbkę
sygnałów, której wynikiem
Diagnoza Diagnoza
będzie spowodowanie okre-
Określanie przyczyn Określanie przyczyn
ślonych reakcji, np. wydania
polecenia wymiany stępione-
go narzędzia lub zatrzymanie
Samoczynna Naprawa, regu-
tej czy innej maszyny pracu-
reakcja lacja
jÄ…cej w systemie.
Rys.9.3. Schemat przebiegu diagnozowania procesu produk-
Oprócz potrzeby modyfi-
cyjnego
kacji i ciągłej aktualizacji
technicznych danych sterujÄ…-
cych w systemach produkcyjnych, diagnozowanie procesu istotne jest równie\
z uwagi na opty-
malne dopasowanie pracy systemu do uwarunkowań organizacyjnych. Ma to na celu wyklucze-
nie niepo\
ądanych zdarzeń w przebiegu procesu obróbki. Nadzorowanie tego procesu jest tym
samym częścią obwodu regulacji, który umo\
liwia oddziaływanie w trybie on-line na przebieg
całego procesu wytwarzania. Mo\
liwe jest dzięki temu zwiększenie dyspozycyjności środków
produkcji jak i polepszenie jakości wyrobów.
9.3.4. Diagnostyka eksploatacyjna
Zasadniczym celem diagnostyki eksploatacyjnej jest orzekanie o stanie technicznym maszyn
i urządzeń poddanych diagnozowaniu. Procesy u\
ytkowania będą powodować wyczerpywanie
się resursu sprawności technicznej i zdatności do dalszej eksploatacji nawet najdoskonalszych
maszyn. W wyniku stosowania ciągłych lub okresowych badań diagnostycznych eksploatowa-
nych maszyn, u\
ytkownik mo\
e:
- śledzić i kontrolować przebieg procesów degradacyjnych,
- podejmować określone działania obsługowe mające na celu przywrócenie sprawności urzą-
dzeniu jako całości, określonemu zespołowi lub części,
- zapobiegać nieoczekiwanym awariom przez uprzedzające przerwanie procesu u\
ytkowania
maszyny,
- stosować ekonomiczny system remontów technicznie uzasadnionych,
- prowadzić racjonalną gospodarkę częściami zamiennymi,
- zwiększyć bezpieczeństwo i niezawodność u\
ytkowania maszyn.
Urządzenia mechaniczne, uczestniczące w zło\
onych procesach wytwórczych, wymagają
5
często sterowania automatycznego bez obsługi lub tylko z ograniczonym jej udziałem. Wymaga
to ciągłego monitorowania stanu odpowiednich zespołów, bądz
monitorowania poprawności re-
alizowanych funkcji. Przykładem zło\
onej maszyny wytwórczej jest np. centrum obróbkowe. ste-
rowane układem komputerowym typu CNC, w którym du\
a liczba wielkości wymaga nadzoro-
wania. Konieczne jest tutaj uzyskiwanie wielu sygnałów np.
- określenie gotowości obrabiarki do pracy: wyłącznik sygnalizujący zamknięcie osłony zabez-
pieczającej, czujnik sygnalizujący obecność przedmiotu w uchwycie, czujnik sygnalizujący
zadziałanie urządzeń mocujących itd. Jeśli cały zestaw niezbędnych warunków nie jest jedno-
cześnie spełniony niemo\
liwe jest uruchomienie maszyny,
- nadzorowanie stanu maszyny jak: dokładność ustalania poło\
enia, temperatura maszyny, od-
kształcenia geometrii, geometria przedmiotu obrabianego, poziom drgań. Sygnały te pozwala-
ją stwierdzić czy dalsza kontynuacja procesu nie spowoduje niedopuszczalnego obni\
enia ja-
kości wyrobów, czy te\
nie grozi awaria układu mechanicznego,
- nadzorujące prawidłowość prowadzenia procesu: siły skrawania, siły posuwu, moment skręca-
jÄ…cy wrzeciono,
- nadzorowanie stanu narzędzi (zu\
ycie i wykruszenie).
Diagnozowanie ciągłe, wieloparametryczne stosuje się w odniesieniu do maszyn i urządzeń,
dla których skutki nieprzewidzianych awarii oznaczały by powa\
ne koszty, a tak\
e wówczas
gdyby mogły spowodować zagro\
enie dla otoczenia (siłownie jądrowe, urządzenia pokładowe
samolotów). W przypadku większości maszyn technologicznych, transportowych oraz silników,
wystarczająca okazuje się diagnostyka okresowa, dostarczająca wszystkich niezbędnych infor-
macji do racjonalnego u\
ytkowania parku maszynowego.
9.3.4.1. Parametry strukturalne i wyjściowe
Struktura urzÄ…dzenia jest zdefiniowana w procesie konstrukcyjnym. Mo\
e być ona opisana
zbiorem mierzalnych wielkości takich jak: wymiary, odległości wzajemnego poło\
enia, luzy
między współpracującymi elementami, wielkość napięcia. Zbiór ten nazywany jest zbiorem pa-
rametrów strukturalnych, oznaczanych w literaturze przedmiotu przez:
U = {ui : i = 1 ... n}
Parametry struktury urządzenia w chwili wprowadzenia go do eksploatacji będą miały okre-
ślone wartości, które w trakcie pracy ulegną zmianie. Intensywność zmian wartości parametrów
strukturalnych, uzale\
niona jest od jakości projektowanej maszyny, jakości wykonania i u\
ytych
materiałów oraz od warunków pracy. W praktyce na ogół nie mo\
na wykorzystywać parametrów
strukturalnych do bezpośredniej oceny stanu technicznego, poniewa\
zwykle nie ma mo\
liwości
ich zmierzenia bez demonta\
u obiektu. Tej podstawowej wady nie posiadajÄ… parametry zaliczane
do grupy parametrów wyjściowych.
Pracujące maszyny i urządzenia realizują określone procesy, które mo\
emy podzielić na ro-
bocze i towarzyszÄ…ce. Procesy te mo\
na opisać mierzalnymi wielkościami, które w odró\
nieniu
od wielkości strukturalnych nazywa się parametrami wyjściowymi i oznacza:
S = {sj : j = 1 ... n}
Większość realizowanych przez maszynę procesów jest uzale\
nionych od technicznego sta-
nu urządzenia. Wraz ze zmianą tego stanu (zmianą parametrów strukturalnych), będą się zmie-
niać parametry wyjściowe, co umo\
liwia pośrednią ocenę technicznego stanu urządzenia bez je-
go demonta\
u, nierzadko w czasie normalnej pracy. Mo\
na zatem stwierdzić, \
e:
9.3.4.2. Parametry diagnostyczne
Są to mierzalne parametry wyjściowe charakteryzujące procesy zachodzące podczas pracy
6
maszyn, oraz te parametry strukturalne, które mo\
na zmierzyć bez demonta\
u maszyny. Dla
ustalenia stanu technicznego maszyny potrzebny jest zwykle więcej ni\
jeden parametr diagno-
styczny. W przypadku parametrów wyjściowych mogą to być takie jak:
- moc efektywna, moment obrotowy, zu\
ycie paliwa w przypadku silników spalinowych, ciśnie-
nie czynnika roboczego w pompach, sprÄ™\
arkach, układach hydraulicznych,
- temperatura, drgania, hałas, skład spalin itp., a tak\
e takie parametry strukturalne jak:
- luzy, bicie promieniowe, nieprostoliniowość i inne.
Parametr wyjściowy lub strukturalny mo\
e być uznany za parametr diagnostyczny, je\
eli po-
siada następujące cechy:
- jednoznaczność, co oznacza, \
e ka\
dej wartości parametru strukturalnego, odpowiada tylko
jedna, określona wartość parametru wyjściowego.
- dostateczna szerokość pola zmian, czyli mo\
liwie du\
a zmiana parametru wyjściowego, przy
niewielkiej zmianie parametru struktury, któremu ten parametr wyjściowy jest przypisany.
- łatwość mierzenia.
Mo\
liwe typy zmian parametrów wyjściowych pokazano na rysunku 9.4. Jak widać nie
wszystkie parametry spełniają ww. warunki. Na rysunku oznaczono:
ą sg - graniczne wartości parametrów
wyjściowych,
uin, uig - graniczne wartości parametrów
strukturalnych.
Parametry s1 i s5 spełniają warunek jed-
" s
j
noznaczności, bo `" 0 .
" ui
Pod względem szerokości pola zmian,
porównanie parametru s1 i s4 wypada na
korzyść tego pierwszego, bo spełniony
" s1 " s4
jest warunek *# .
Rys.9.4. Przykładowe przebiegi zmian parametrów dia-
" u1 " u4
gnostycznych
Parametr s3 nie mo\
e być przydatny jako
parametr diagnostyczny, bo s3 = f(ui) = const. Równie\
s2 i s4 nie spełnia warunku jednoznaczno-
ści. Parametry tego typu mogą być u\
yte w badaniach diagnostycznych tylko w przypadku braku
innych i pod warunkiem, \
e diagnoście znana będzie wzorcowa charakterystyka zmian.
9.3.4.3. Klasyfikacja technicznych stanów maszyn i urządzeń
W badaniach diagnostycznych wyró\
nia siÄ™ cztery stany w jakich mo\
e znalez
ć się maszyna:
Mo\
e ona być technicznie
sprawna, niesprawna, zdatna, niezdatna.
Przyjętą klasyfikację mo\
na te\
wyjaśnić następująco:
Je\
eli \
aden parametr struktury ze zbioru U, opisujÄ…cego stan techniczny obiektu nie osiÄ…gnÄ…Å‚
wartości dopuszczalnej, obiekt jest sprawny technicznie. Gdy jakiś parametr ze zbioru U osiągnie
i przekroczy wartość dopuszczalną, obiekt mo\
e nadal wypełniać zasadnicze funkcje, co ozna-
cza, \
e jest w stanie zdatności z ograniczoną sprawnością techniczną, z uwagi na właściwości
techniczno-eksploatacyjne - np. zwiększenie zu\
ycia paliwa, głośność, utratę mocy itp. Gdy któ-
7
ryś z parametrów zbioru U osiągnie wartość graniczną, obiekt utraci swoje właściwości u\
ytko-
we i nie będzie mógł wypełniać swoich funkcji roboczych, czyli znajdzie się w stanie niezdatno-
ści. Graficznie mo\
na znaczenie w/w. pojęć przedstawić jak na rysunku 9.5. Zbiory obiektów
sprawnych, niesprawnych, zdatnych i niezdat-
U
i
nych mo\
na przedstawić graficznie i opisać
rachunkiem zbiorów, co uczyniono na rysun-
wartość graniczna
Uig
ku 9.6. Mo\
na jednak spotkać się ró\
nymi,
bardziej rozbudowanymi terminami określa-
wartość dopuszcz.
jącymi stan maszyny np. zdatność, sprawność,
Uid
rys9_5.dwg
normalna praca, poprawne działanie, spełnia-
nie wymagań, poprawność pracy, wadliwość
miara starzenia (czas, przebieg w km)
działania, niesprawność, niezdatność, uszko-
stan sprawności techn. stan niesprawności techn.
dzenie, awaria.
stan zdatności stan niezdatności
W praktyce eksploatacyjnej zaliczenie
Rys.9.5. Objaśnienie klasyfikacji technicznych
określonych, rzeczywistych stanów do odpo-
stanów maszyn i urządzeń
wiednich klas mo\
e być subiektywne. Wynika to
między innymi z ró\
nego przeznaczenia elemen-
tów struktury obiektu. Część z nich warunkuje
D = B \ C
mo\
liwość wykonania zasadniczych funkcji robo-
E = C )" B
czych, a inne spełniają jedynie rolę pomocniczą.
A " C
Często mo\
liwa będzie praca obiektu nawet wów-
czas, je\
eli niektóre z jego elementów będą w sta-
nie niesprawności, a nawet niezdatności.
Najogólniej mo\
na powiedzieć, \
e w przy-
padku obiektów zło\
onych, stan niezdatności ele-
mentu lub podzespołu, nie zawsze jest równo-
Rys.9.6. Klasyfikacja technicznych stanów
znaczny z osiągnięciem tego stanu przez urządze-
maszyn i urządzeń przedstawiona
nie, mogące dalej spełniać, z pewnymi ogranicze-
rachunkiem zbiorów
niami, swojÄ… funkcjÄ™.
9.3.4.4. Zasady wykorzystania sygnałów diagnostycznych
W przypadku prostych obiektów, sformułowanie diagnozy polega na porównaniu zmierzonej
wartości jednego lub kilku parametrów dia-
gnostycznych z ustalonymi wartościami nor-
matywnymi. Przykładem takiej diagnostyki
mogą być równie\
tzw. badania odbiorcze ma-
szyn, polegające na spełnieniu szeregu testów,
ujętych zazwyczaj w dokumentach, określa-
nych jako "Warunki Odbioru Technicznego"
(WOT). Diagnozowanie eksploatowanych ma-
szyn będzie polegało na porównywaniu zmie-
rzonych wartości parametrów diagnostycznych
z dopuszczalnymi lub granicznymi wartościa-
mi, ustalonymi wcześniej dla diagnozowanej
maszyny w formie określonych wzorców.
Rys.9.7. Procedury realizowane w metodzie syn-
W procesie diagnozowania zło\
onego
tezy sygnałów diagnostycznych
obiektu, gdy wykorzystuje siÄ™ znacznÄ… liczbÄ™
8
parametr struktury
parametrów diagnostycznych stosuje się:
- metodę syntezy informacji, pochodzących ze znacznej liczby czujników i urządzeń dodatko-
wych. Metoda ta zmusza do stosowania skomplikowanych układów diagnostycznych, wymaga
wysokich kwalifikacji personelu i pochłania stosunkowo wiele czasu. Przetworniki - d1, d2 ...
dn, informują o wartości parametrów diagnostycznych, pośrednio opisujących parametry struk-
turalne u1, u2 .. un, i stan elementów lub zespołów z1, z2, ... zn. Rejestrowane wielkości parame-
trów procesu s1, s2, ... sn, przetwarzane są na analogowe sygnały elektryczne które podlegają
wzmocnieniu do s'1, s'2, ... s'n i trafiają do członu porównującego, oddzielającego te, które prze-
kroczyły wartości dopuszczalne. Odfiltrowane sygnały trafiają do urządzenia logicznego, w
którym następuje synteza i postawienie diagnozy. Mo\
na powiedzieć, i\
mamy w tym przypad-
ku do czynienia z systemami ekspertowymi o ró\
nym stopniu rozbudowania. Procedury reali-
zowane przy wykorzystaniu metody syntezy sygnałów diagnostycznych przedstawić mo\
na gra-
ficznie jak na rys.9.7.
- metodę uogólnionej analizy informacji - przedstawioną schematycznie na rys.9.8, Polega ona na
tym, \
e sygnały charakteryzujące parametry struktury u1, u2, ... un grupy elementów obiektu re-
jestruje się za pomocą jednego przetwornika d. Po wzmocnieniu sygnał s', zawierający uogól-
nionÄ… informacjÄ™ o stanie technicznym obiektu, kierowany jest do analizatora, pozwalajÄ…cego
wyodrębnić z niego najbardziej charakterystyczne jego składowe. Składowe sygnału następnie
docierają do urządzenia progowego, gdzie porównywane są z wartościami dopuszczalnymi.
Wynik porównania jest podstawą do postawienia diagnozy.
Proces diagnozowania realizowany jest w systemie diagnostycznym, w którym występuje
podsystem diagnozujący (aparatura, diagności) oraz podsystem diagnozowany (obiekt, maszyna).
Obydwa podsystemy tworzą jedną całość. Realizowane w systemie diagnostycznym procesy dia-
gnozowania polegają najczęściej na wielokrotnym podawaniu oddziaływań na podsystem dia-
gnozowany (sygnałów wejściowych), wielokrotnych pomiarach sygnałów wyjściowych i na ana-
lizie uzyskanych wyników pomiarów. Mogą
przy tym być stosowane dwie zasadnicze
metody diagnozowania maszyn - metoda
diagnozowania eksperymentalnego lub me-
toda diagnozowania funkcjonalnego. W
pierwszej metodzie (diagnozowanie ekspe-
rymentalne) musi istnieć mo\
liwość oddzia-
ływania na  wejście maszyny poprzez spe-
cjalnie dobrane czynniki wymuszajÄ…ce, wy-
twarzane przez podsystem diagnozujÄ…cy.
Metoda ta jest stosowana do badania ma-
szyn w stanie niezdatności jak i w przypad-
ku maszyn funkcjonujÄ…cych, jednak pod wa-
Rys.9.8. Procedury realizowane w metodzie analizy
runkiem, \
e podsystem diagnozujÄ…cy nie za-
sygnałów diagnostycznych
kłóca funkcjonowania maszyny. W meto-
dzie diagnozowania funkcjonalnego podsystem diagnozowania nie wytwarza wymuszenia na
 wejściu maszyny lecz maszyna jest obcią\
ona wymuszeniami wynikajÄ…cymi z jej funkcjono-
wania. Tę metodę stosuje się z reguły do oceny prawidłowości funkcjonowania maszyn.
W badaniach diagnostycznych wyró\
nia się na ogół dwie fazy przedstawione na rysunku
9.9:
faza I - dotyczy kontroli stanu czyli diagnozowania ogólnego, oraz
9
faza II, - w której lokalizuje się uszkodze-
nie, co ju\
jest domenÄ… diagnozowania
szczegółowego.
Celem pierwszego etapu jest stwierdze-
nie czy maszyna jako całość nadaje się do
wypełnienia zało\
onych funkcji roboczych.
Negatywny wynik diagnozy ogólnej, wyma-
ga lokalizacji uszkodzenia, co umo\
liwiajÄ…
szczegółowe metody i środki diagnozowa-
nia.
9.4. Wibroakustyczna diagnostyka eks- Rys.9.9. Dwie fazy badań diagnostycznych
ploatacyjna maszyn
Orzekanie o stanie maszyny następuje na podstawie analizy informacji udzielonych przez
ró\
nego typu sensory. Ich ró\
norodność jest du\
a, dostosowana do funkcji kontrolnych przez nie
wypełnianych. Najczęściej stosowanymi czujnikami w diagnostyce maszyn są czujniki do pomia-
ru drgań. Z ich pomocą rozwinęła się i coraz powszechniej dziś jest stosowana wibroakustyczna
diagnostyka maszyn. Metoda ta jeszcze do niedawna nosiła znamiona sztuki, uprawianej przez
wąskie grono wysokokwalifikowanych fachowców, orzekających o stanie maszyny na podstawie
słyszalnych, drganiowo-akustycznych symptomów jej działania. Decyzje i oceny takich fachow-
ców, mimo \
e są bardzo wartościowe, i w wielu przypadkach nadal nie do zastąpienia, to jednak
majÄ… charakter subiektywny.
Rozwój naukowych podstaw diagnozowania na podstawie wibroakustycznych symptomów
działania maszyn, datuje się od połowy lat sześćdziesiątych. Fundamentalne znaczenie dla roz-
woju tej dziedziny wiedzy miały i mają cechy oraz zalety sygnału wibroakustycznego, z których
najwa\
niejsze to:
- du\
a pojemność sygnału i szybkość przekazywania informacji,
- uzyskać go mo\
na bez demonta\
u maszyny,
- w czasie normalnej jej pracy,
- a nawet w sposób bezdotykowy.
Wadą jest trudność w rozszyfrowaniu informacji niesionej przez sygnał wibroakustyczny.
Znalezienie odpowiedniego klucza do interpretacji sygnału, oraz metod jego analizy, jest głów-
nym celem i podmiotem naukowej metody diagnostyki wibroakustycznej. Stosuje siÄ™ jÄ… dla:
- lokalizacji z
ródeł drgań i hałasów. Zajmuje się tym szczegółowo diagnostyka emisyjna.
- prowadzenia systematycznych, okresowych badań będących podstawą do oceny stany tech-
nicznego u\
ytkowanej maszyny - co stanowi domenÄ™ diagnostyki eksploatacyjnej.
- czuwania nad prawidłowym przebiegiem procesu technologicznego, czym zajmuje się diagno-
styka procesowa,
- oceny nowych maszyn, co stanowi zadanie dla diagnostyki kontrolnej, zwanej te\
odbiorczÄ….
Zajmiemy się nieco szerzej diagnostyką eksploatacyjną, będącą nowoczesnym narzędziem w
procesie racjonalnego u\
ytkowania maszyn i urządzeń.
9.4.1. Istota wibroakustycznej diagnostyki eksploatacyjnej
Podczas u\
ytkowania maszyn nieuniknione sÄ… procesy zu\
ywania się ich części i zespołów,
przebiegające z ró\
ną intensywnością. Ich poziom zaawansowania określa stan techniczny ma-
szyny. Zarówno praktyka jak i badania wykazały, \
e stopień zu\
ycia maszyny znajduje bezpo-
średnie odbicie w intensywności i charakterze drgań generowanych przez maszynę.
10
Badając w regularnych odstępach czasu poziom i charakter tych drgań, jesteśmy w stanie
przewidzieć wystarczająco wcześnie, rodzaj uszkodzenia maszyny bądz
jej elementu i podjąć we
właściwym czasie stosowne środki zaradcze.
Choć pod względem poziomu drgań i tempa przebiegu procesów zu\
yciowych występować
będą pomiędzy poszczególnymi typami maszyn ró\
nice, to jednak ogólny przebieg tych proce-
sów mo\
na scharakteryzo-
wać wykresem przedsta-
wionym na rysunku 9.10.
Ciągła zautomatyzowana
diagnostyka wibroakustycz-
na, stosowana jest raczej
rzadko, i to w odniesieniu
do maszyn unikalnych, dro-
gich, zajmujÄ…cych wa\
ne
pozycje w zakładzie prze-
mysłowym, maszyn od któ-
rych w du\
ym stopniu zale-
\
y utrzymanie produkcji.
We wszystkich innych
Rys.9.10. Przebieg poziomu drgań maszyny w funkcji czasu jej
przypadkach, ekonomicznie
u\
ytkowania
uzasadniona jest jedynie
diagnostyka okresowa.
9.4.2. Czujniki stosowane w diagnostyce wibroakustycznej
Z uwagi na szerokie pasmo drgań generowanych przez maszyny, rozciągające się od zera do
kilku, a nawet kilkunastu tysięcy Herzów, stosuje się przy ich mierzeniu czujniki do pomiaru:
- przemieszczeń (d),
- prędkości (v),
- przyspieszenia (a).
Ró\
na zasada pracy ww. czujników predys-
ponuje je do stosowania w określonych zakre-
sach częstotliwości, w których ich charakterysty-
ki sÄ… najlepiej dopasowane (p. rys.9.11). Je\
eli
np. wiadomo, \
e usterki wymagajÄ…ce monitoro-
wania objawiają się w zakresie niskich częstotli-
wości, to najkorzystniej jest wybrać do badań
czujnik mierzÄ…cy przemieszczenia. Wy\
sze har-
moniczne zwykle nie mieszczÄ… siÄ™ w ograniczo-
nym zakresie dynamicznym tych czujników, za-
wierających w swej strukturze części ruchome.
Powszechnie u\
ywane w diagnostyce wibro-
akustycznej sÄ… czujniki sejsmiczne do pomiaru
Rys.9.11. Widma drgań uzyskane za pomocą
prędkości ruchu drgającego oraz czujniki piezo-
czujników do pomiaru przemiesz-
elektryczne do pomiaru przyspieszeń. Te ostatnie
czeń (d), prędkości (v) oraz przy-
zwane te\
akcelerometrami stały się w ostatnich
spieszenia (a)
latach typem najczęściej stosowanym, z uwagi na
takie zalety jak:
11
- szeroki zakres częstotliwości i dynamiki co stanowi o ich du\
ej uniwersalności,
- małe rozmiary czujników, nie zawierających części ruchomych,
- niezawodność i niewra\
liwość na przemysłowe warunki zastosowań.
Sygnał z akcelerometru daje mo\
liwość mierzenia ka\
dej z wymienionych wielkości ruchu
drgającego. Współpracujące z tymi czujnikami mierniki mają zwykle wbudowane obwody całku-
jÄ…ce, co umo\
liwia wybranie po\
ądanej wielkości prostym ustawieniem stosownej gałki.
Najprostsza metoda diagnostyki wibroakustycznej polega na okresowym mierzeniu szeroko-
pasmowego sygnału emitowanego przez badany obiekt. Chodzi przy tym wyłącznie o określenie
poziomu wibracji czyli amplitudy prędkości lub przemieszczeń, jej wartości maksymalnej lub
skutecznej i porównywanie tych wartości, z określonymi dla danej maszyny normami i wzorca-
mi.
PodstawowÄ… zasadÄ…, obowiÄ…zu-
jÄ…cÄ… w takich badaniach jest prze-
strzeganie niezmiennych warunków
w jakich dokonywane sÄ… pomiary.
Wa\
ne jest równie\
to, by czujnik
znajdował się mo\
liwie blisko ze-
społu lub części najbardziej istotnej,
decydującej o sprawności maszyny.
Czujniki do pomiarów wibroaku-
stycznych instaluje siÄ™ zazwyczaj
bezpośrednio na maszynie, stosując
Rys.9.12. Korelacja pomiędzy amplitudą prędkości drgań
połączenia mechaniczne lub techniki
a hałasem zestawu pompy i silnika
klejenia.
Je\
eli umieszczenie czujnika wibroakustycznego bezpośrednio na maszynie jest niemo\
liwe,
to posłu\
yć się mo\
na pomiarem hałasu generowanego przez maszynę lub jej określony zespół.
Korelacja między amplitudą prędkości drgań a hałasem jest bardzo wyraz
na. W tym drugim
przypadku mo\
na co najwy\
ej mówić o mniejszej rozdzielczości sygnału akustycznego, reje-
strowanego za pomocą mikrofonu. Za przykład niech posłu\
y pokazane na rysunku 9.12 porów-
nanie wyników bezpośredniego pomiaru prędkości ruchu drgającego, zmierzonej dla ło\
yska sil-
nika i Å‚o\
yska pompy agregatu pompowego, z sygnałem diagnostycznym, uzyskanym z mikrofo-
nu. Sygnał z mikrofonu ma wę\
sze pasmo zmian i trudno wydzielić z niego poszczególne z
ródła
emisji.
9.4.3. Analiza widmowa sygnału wibroakustycznego
W prostych badaniach diagnostycznych, dających informacje jedynie o ogólnym stanie tech-
nicznym maszyny, zadawalamy się pomiarem hałasu lub amplitudy drgań i porównaniem zmie-
rzonej wartości z wielkościami granicznymi, określonymi wcześniej dla badanej maszyny. Takie
diagnozowanie nie daje informacji o stanie poszczególnych elementów lub zespołów, informacji
wa\
nych dla planowania rodzaju i zakresu niezbędnego remontu.
Je\
eli takie informacje są niezbędne, to mo\
na je uzyskać z analizy widmowej sygnału wi-
broakustycznego, która umo\
liwia zlokalizowanie uszkodzenia i śledzenie intensywności jego
narastania w czasie eksploatacji maszyny. Wez
my za przykład widmo prędkości drgań powstałe
w wyniku analizy sygnału wibroakustycznego zdjętego z jednostopniowego reduktora, pokazane
na rysunku 9.13.
ZnajÄ…c strukturÄ™ kinematycznÄ… maszyny i jej konstrukcjÄ™, mo\
na ka\
demu maksimum pręd-
kości drgań przyporządkować z
ródło, które daną częstotliwość generuje. Porównując kolejne
12
widma, uzyskiwane w miarę upływu czasu u\
ytkowania reduktora, mo\
na śledzić postępujące
zu\
ycie określonego zespołu lub węzła.
Rys.9.14. Fragment skośnego ło\
yska tocznego
Rys.9.13. Widmo prędkości drgań jednostop-
z oznaczeniem uszkodzenia pierście-
niowego reduktora w dwóch ró\
-
nia zewnętrznego i wewnętrznego
nych okresach jego eksploatacji
Je\
eli np. znamy rodzaj i wielkość ło\
ysk kulkowych skośnych, na których osadzono wał I,
to znając prędkość obrotową tego wału mo\
na policzyć częstotliwości generowane przez uszko-
dzenia bie\
ni tych Å‚o\
ysk. Punktowe uszkodzenie bie\
ni zewnętrznej - (defekt 1) lub wewnętrz-
nej - (defekt 2) Å‚o\
yska skośnego, pokazanego na rys.9.14 wywoła bowiem wzrost szczytowej
wartości drgań. Ich częstotliwość mo\
na wyznaczyć drogą obliczeniową. Przykład obliczeń
przedstawiono poni\
ej.
Przy zało\
eniu, \
e obraca się wewnętrzny pierścień ło\
yska, zaś zewnętrzny jest nieruchomy
częstość drgań spowodowanych pojedynczym defektem umiejscowionym na bie\
ni zewnętrznej
(defekt  1 ) Å‚o\
yska skoÅ›nego o kÄ…cie dziaÅ‚ania ² mo\
na wyznaczyć następująco:
Prędkość liniowa bie\
ni wewnętrznej wynosi (p. rys. 9.14)
dp - dkcos²
Ä„ n 2Ä„ n
vpw = d = ........................................................................(1)
pw
60 60 2
Prędkość liniowa koszyka jest dwa razy mniejsza ni\
prędkość bie\
ni wewnętrznej, czyli
vpw Ä„ n
vk = = (d - d cos²) . .......................................................................................(2)
p k
2 2 Å" 60
Prędkość kątowa koszyka jest zatem równa
(d - d cos²)
vk Ä„ n
p k
Ö = = ,.....................................................................................(3)
k
d
rp 2 Å" 60
p
2
i jest powiązana z częstością impulsu zale\
nością
Ä„ n d cos²
k
Ö = 2Ä„ fz = (1- ) ............................................................................................(4)
k
60 d
p
skÄ…d mo\
na obliczyć częstość impulsu dla jednej kulki w ło\
ysku
n d cos²
k
fz = (1- ) . .....................................................................................................(5)
2 Å" 60 dp
Dla  i kulek częstość ta wyniesie
n Å" i d cos²
k
fz = (1- ) . ..................................................................................................(6)
2 Å" 60 dp
13
Jeśli wystąpi defekt  2 na bie\
ni wewnętrznej to częstość fw impulsu mo\
na wyznaczyć oblicza-
jąc względną prędkość kątową bie\
ni wewnętrznej i koszyka. Kątowe prędkości wynoszą odpo-
wiednio:
2Ä„ n
Ö = .........................................................................................................................(7)
pw
60
Ä„ n d cos²
k
Ö = (1- ) ,.......................................................................................................(8)
k
60 d
p
zaÅ› wzglÄ™dna prÄ™dkość kÄ…towa Éw , jako ró\
nica obu podanych wy\
ej wynosi
dk cos² dk cos² d cos²
2Ä„ n Ä„ n Ä„ n Ä„ n k
..(9)
Ö = Ö - Ö = - (1- ) = (2 - 1+ ) = (1+ )
w pw k
60 60 60
d dp 60 dp
p
i jest powiązana z częstością fw impulsu na bie\
ni wewnętrznej zale\
nością
dk cos²
Ä„ n
Ö = 2Ä„ fw = (1+ ) , ........................................................................................(10)
w
60
dp
skąd częstość impulsu dla jednej kulki
d cos²
k
n
fw = (1+ ) . ..........................................................................................(11)
2 Å" 60
d
p
Dla  i kulek częstość ta wyniesie
d cos²
k
n Å" i
fw = (1+ ) . .........................................................................................(12)
2 Å" 60
d
p
Aby móc poprawnie orzekać o stanie tech-
nicznym maszyny na podstawie widma jej drgań,
trzeba znać właściwy poziom odniesienia, zale\
ny
od konstrukcji maszyny oraz zadanej funkcji celu.
SprÄ™\
arka wirnikowa i sprÄ™\
arka tłokowa, choć
przewidziane sÄ… do realizacji tej samej funkcji ce-
lu, będą miały zdecydowanie ró\
ne widma drga-
niowe. W pierwszym przypadku będziemy mieli
do czynienia jedynie z drganiami wynikajÄ…cymi z
resztkowego niewywa\
enia, w drugim natomiast,
z uwagi na układ korbowy, drgania będą znacznie
silniejsze i innego charakteru. Poziom wyjściowy
Do zale\
y od cech konstrukcyjnych maszyny oraz
warunków jej pracy. Stosowne normy poziomu
wyjściowego, określone zostały dla ró\
nych ty-
pów maszyn przez ISO lub krajowe względnie
bran\
owe normy.
9.4.4. Podstawowe zestawy przyrządów stoso-
wanych w diagnostyce wibroakustycznej
W praktyce stosuje siÄ™ dwa typy aparatury
diagnostycznej:
- specjalistyczną, dostosowaną do wymagań określonych przez konstruktora i u\
ytkownika ma-
szyny. Przewidziana jest ona zwykle jako stacjonarna aparatura do ciągłego nadzoru du\
ych i
wa\
nych maszyn.
14
- uniwersalną, jako sprzęt przenośny lub mobilny, kompletowany w zale\
ności od potrzeb w ze-
stawach, od kieszonkowych niemal wersji poczÄ…wszy, po kosztowne konfiguracje z kompute-
rowym wspomaganiem analiz diagnostycznych (rys.9.15).
Do najprostszych, nieelektronicznych przyrządów do diagnostyki wibroakustycznej zaliczają
siÄ™ stetoskopy, do dziÅ› stosowane w wielu serwisowych warsztatach. Bardziej nowoczesnym,
umo\
liwiającym ilościowy pomiar przyrządem jest, pokazany na rysunku (rys.9.16) kieszonko-
wy, szerokopasmowy miernik wartości szczytowych (Peak) i skutecznych (RMS) przyśpieszenia
lub prędkości ruchu drgającego. Posiada on dwa zakresy pomiarowe dla częstotliwości od 10-
1000 Hz i od 10-10.000 Hz. Przyrząd ten doskonale nadaje się do zdobywania doświadczenia w
wykorzystywaniu wyników pomiaru wibracji do oceny stanu maszyny. Miernik ten jest szcze-
gólnie przydatny do kontroli stanu ło\
ysk tocznych, poniewa\
uzyskać mo\
na z jego pomocÄ…
wczesne ostrze\
enie o pogarszajÄ…cym siÄ™ stanie Å‚o\
yska, dzięki jednoczesnemu pomiarowi war-
tości szczytowej i skutecznej. We wczesnych
stadiach zu\
ycia Å‚o\
yska mo\
na bowiem za-
uwa\
yć małe zmiany w wartości RMS, mimo
\
e poziom wartości szczytowej wzrasta
znacznie.
Wykrycie wady we wczesnym stadium,
Å‚Ä…cznie z diagnozÄ… i przewidzeniem terminu
awarii, wymaga zastosowania zestawu przy-
rządów umo\
liwiającego analizę częstotliwo-
ści. Zestawy takie o charakterze przenośnym
(p. rys.9.15b), wyposa\
a siÄ™ zwykle w analiza-
tor i rejestrator sygnałów mierzonych. Pełną
analizÄ™ widmowÄ… przeprowadza siÄ™ na miej-
scu pomiaru, łącznie z wykreśleniem jej wy-
niku. Uzyskane widma porównuje się wzro-
kowo z wcześniej zarejestrowanymi widmami
odniesienia (szablony) w celu ujawnienia
istotnych zmian poziomu poszczególnych
składowych częstotliwości reprezentatywnych
dla określonych części lub zespołów.
Przy du\
ej liczbie maszyn podlegajÄ…cych
regularnemu diagnozowaniu, praktyczny i
ekonomicznie uzasadniony jest zestaw składa-
jący się z przenośnego, wieloście\
kowego magnetofonu i stacjonarnego, sprzÄ™\
onego z kompute-
rem analizatora, mieszczÄ…cego siÄ™ zwykle w laboratorium (p. rys.9.15c). Zaawansowane progra-
my komputerowe wspomagają diagnostykę uszkodzeń i monitorowanie trendów. Zbieranie da-
nych jest proste: pracownik wysyłany jest z magnetofonem pomiarowym w teren i rejestruje w
ka\
dym ustalonym wcześniej punkcie pomiarowym, próbkę sygnału wibracji. Zarejestrowane na
taśmie magnetofonowej sygnały diagnostyczne są odtwarzane w pokoju pomiarowym a następnie
poddane wąskopasmowej analizie częstotliwości. Otrzymane widma porównywane są automa-
tycznie z wcześniej zdefiniowanymi widmami odniesienia, przechowywanymi na dysku kompu-
tera. Pakiet specjalistycznych programów przyspiesza rutynowe badania ka\
dej, dowolnie du\
ej,
liczby próbek sygnału. Gdy analizator posiada mo\
liwość wykonania tzw. "zoom'u", czyli kilku-
nastokrotnego zwÄ™\
enia pasma analizy, to dowolna część widma mo\
e być przedstawiona z kil-
kakrotnie zwiększoną rozdzielczością, co uwydatnia szczegóły poszczególnych składowych i
tym samym zwiększa precyzję diagnozowania.
15
9.5. Diagnostyka z wykorzystaniem Å‚Ä…cz telekomunikacyjnych
Nowoczesne maszyny, stosowane obecnie w przemyśle są bardzo kosztowne i wyposa\
one
w skomplikowane układy sterowania, których awaryjność mo\
e być przyczyną długotrwałych i
kosztownych przestojów. Często się zdarza, i\
mimo wyszkolenia wyspecjalizowanych słu\
b
serwisowych u u\
ytkownika, nie są one w stanie zlokalizować i usunąć uszkodzenie. Nieodzow-
ne staje się w takich przypadkach ściągnięcie specjalisty od wytwórcy, co jest równoznaczne z
przeciąganiem się postoju i zwiększonymi stratami oraz kosztami serwisu.
Aby temu zapobiec amerykański koncern Kearney & Trecker opracował Diagnostic Comu-
nication System (DCS), umo\
liwiajÄ…cy wykonanie diagnozy stanu maszyny przez laboratorium
producenta, do którego stosowne sygnały diagnostyczne przekazywane są łączami telekomunika-
cji przewodowej lub bezprzewodowej. Dzięki teletransmisji sygnałów diagnostycznych istnieje
mo\
liwość połączenia ka\
dej z maszyn danego wytwórcy, niezale\
nie od miejsca jej zainstalo-
wania, z centrum diagnostycznym producenta, co znacznie przyspiesza usunięcie awarii i obni\
a
jej koszt. Ponadto system taki daje u\
ytkownikowi szereg innych powa\
nych korzyści, jak np.:
- Diagnozę stawiają wysokiej klasy eksperci i specjaliści.
- System umo\
liwia wykrycie błędów w programie pracy maszyny. Stwierdzono statystycznie,
\
e około 20% awarii maszyn NC, spowodowanych jest błędami w programach.
- U\
ytkownik mo\
e na drodze teletransmisji uzyskać od producenta maszyny dodatkowe, spe-
cjalistyczne oprogramowanie, oraz wiedzę ekspertową, słu\
Ä…cÄ… doskonaleniu personelu.
- System stwarza mo\
liwości przeprowadzania okresowych badań diagnostycznych maszyn w
czasie ich u\
ytkowania, bez zakłócania produkcji.
- Centrum diagnostyczne u wytwórcy zakłada i prowadzi kartotekę maszyny, uaktualnianą po
ka\
dym okresowym badaniu diagnostycznym, co stanowi podstawÄ™ do tego by w stosownym
czasie uprzedzić u\
ytkownika o konieczności przeprowadzenia naprawy i niezbędnym jej za-
kresie.
- Zdalne diagnozowanie stanu maszyny obejmuje nie tylko elektroniczne układy sterowania, ale
tak\
e kontrolÄ™ najwa\
niejszych, mechanicznych elementów w strukturze maszyny.
9.6. Ekonomiczna efektywność diagnostyki
Du\
e znaczenie diagnostyki technicznej w eksploatacji maszyn wynika z jej trzech podsta-
wowych funkcji:
- prognostycznej, stanowiącej podstawę do przewidywania stanów maszyn oraz stanów proce-
sów, zachodzących w tych maszynach,
- prewencyjnej, stanowiącej podstawę do skutecznego planowania i realizacji działań ograni-
czających intensywność zu\
ywania się elementów maszyn oraz intensywność oddziaływania
czynników destrukcyjnych.
- korekcyjnej, której celem jest wykazanie potrzeby i sposobu dokonania modernizacji cech
konstrukcyjnych maszyny, procesu jej budowy i eksploatacji.
Wdra\
anie procesów diagnostycznych mo\
e odbywać się w dwojaki sposób: kompleksowy
(wykorzystanie badań diagnostycznych do sterowania eksploatacją maszyn) lub cząstkowy, któ-
rego celem jest wykorzystanie wyników tych badań w ograniczonym zakresie, bez zmiany struk-
tury działania tych systemów. Natomiast kompleksowe realizowanie procesów diagnostycznych
jest wykonywane przez podsystem diagnostyczny, zbudowany dla celów realizacji badań diagno-
stycznych w systemie eksploatacji. Diagnostyka powinna być stymulowana koniecznością umac-
niania samodzielności finansowej i zapewnienia odpowiedniego poziomu efektywności działania
systemów eksploatacyjnych. Oznacza to, \
e odpowiednio do określonych poziomów rozwoju
systemów nale\
y zapewnić odpowiedni poziom rozwoju podsystemu diagnostycznego.
16
Dokonując oceny opłacalności podejmowanych przedsięwzięć modernizacyjnych procesów i
systemów diagnostycznych nale\
y wziąć pod uwagę: cel i zakres przedsięwzięcia modernizacyj-
nego, zbiór oczekiwanych nakładów i efektów (ekonomicznych - zwiększone zyski, oszczędno-
ściowych jak i negatywnych - straty podczas wdra\
ania przedsięwzięcia) i ich zmienność w cza-
sie i wreszcie okres obliczeniowy rozło\
enia przedsięwzięcia.
Celowość stosowania diagnostyki jest uzasadniona w działach gospodarki i przedsiębior-
stwach o du\
ym nasyceniu maszynami, od których wymaga się du\
ej niezawodności, a ewentu-
alne awarie sÄ… przyczynÄ… powa\
nych strat. Są to działy, do których zalicza się energetyka, wy-
twarzanie i dystrybucja gazu, wody lub ciepła, wydobycie i przetwórstwo węgla, metali, ropy
naftowej, wielka chemia itp. Wg. raportu sporządzonego dla potrzeb brytyjskiego przemysłu, ko-
rzyści wynikające ze stosowania diagnostyki oszacowano na poziomie 3% zysku przedsię-
biorstw. Skąd biorą się te oszczędności? Składają się na nie:
- Wydłu\
enie okresów międzyremontowych, nawet o 100% i więcej.
- Wyeliminowanie nieoczekiwanych awarii i strat wynikających ze skutków tych awarii.
- Zmniejszenie zapasów części zamiennych i kosztów napraw.
- Skrócenie czasu napraw dzięki wcześniejszemu rozpoznaniu ich zakresu.
- Obni\
enie składek ubezpieczeniowych.
Po stronie kosztów ponieść trzeba wydatki na zakup i utrzymanie w sprawności przyrządów
pomiarowych, na przeszkolenie personelu do przeprowadzania rutynowych pomiarów oraz in\
y-
nierów umiejących właściwie zinterpretować wyniki pomiarów, na opracowanie wzorców i nor-
matywów.
Je\
eli wez
mie się pod uwagę równie\
diagnostykÄ™ procesowÄ… i
kontrolnÄ… to mo\
na wyliczyć dodatkowe korzyści, które w ujęciu
tabelarycznym zebrano w tabeli 9.1.
Obecnie diagnostyka i nadzorowanie stały się niezbędne w ela-
stycznych stacjach i systemach produkcyjnych sterowanych kompu-
terowo. Przykładowo wprowadzenie diagnostyki centrum obróbko-
wego spowodowało zwiększenie efektywnego czasu pracy z 10% a\

do 65% teoretycznego czasu pracy. Jednak\
e stosowanie diagnosty-
Rys.9.17. Wyznaczanie
ki musi uwzględnić zale\
ność pomiędzy nakładami i zyskami i
optymalnego zasięgu
przesadne jej stosowanie mo\
e przynieść więcej strat ni\
korzyści.
diagnostyki
Pewien pogląd na ten temat daje rysunek 9.17, na którym na osi po-
ziomej oznaczono zasięg diagnostyki, zaś na pionowej jednostkowe koszty utrzymania w ruchu
maszyny. Oczywiście im większy zasięg diagnostyki tym większe nakłady na jej stosowanie
(dolna krzywa), mniejsze natomiast koszty związane ze stratami eksploatacyjnymi (krzywa środ-
kowa). Sumaryczne koszty nakładów i strat (krzywa górna) posiadają minimum, które wyznacza
optymalny zasięg diagnostyki.
17
Tabela 9.1 Podstawowe korzyści z wprowadzenia diagnostyki
Korzyści Sposób, w jaki mo\
na osiągnąć korzyści
predykcja awarii lepsza znajomość maszyn
Zmniejszona liczba Umo\
liwia bezpieczne wyłą- Alarm układu nadzoru jest wystar-
wypadków spowo- czenie z ruchu, jeśli natych- czającym powodem wyłączenia,
Bez-
dowanych przez miastowe zatrzymanie jest jeśli natychmiastowe zatrzymanie
pie- maszyny niemo\
liwe jest mo\
liwe
czeń- Zmniejszone za- Umo\
liwia wycofanie perso- Unika siÄ™ niepotrzebnych wydat-
gro\
enie zdrowia nelu ze strefy zagro\
onej awa- ków na dodatkowe zmniejszenie
stwo
personelu przez rią drgań i hałasu
drgania i hałas
DÅ‚u\
szy Umo\
liwia ponad dwukrotne
czas eks- Umo\
liwia uniknięcie strat z zwiększenie przebiegu międzyre-
Zwięk- ploatacji tytułu nieplanowanego wyłą- montowego. Jeśli jest to konieczne
Wy- szenie czenia z ruchu pozwala na eksploatacjÄ™ bez pla-
nowanego remontu
daj- dyspo- Umo\
liwia zatrzymanie ruchu
zycy- Krótszy na czas, bez uszkodzeń i Zmniejsza czas badania stanu ma-
ność
jności czas re- zniszczeń wydłu\
ajÄ…cych czas szyny po zatrzymaniu i przyspie-
ma- montu remontu. Umo\
liwia przystą- sza podjęcie właściwych działań
szyn pienie brygady remontowej do remontowych
Efe-
pracy z odpowiednimi czÄ™-
kty- ściami zapasowymi ju\
w
chwili zatrzymania ruchu
wność Umo\
liwia eksploatacjÄ™ pewnych
Zwiększenie wy- maszyn przy zwiększonym obcią-
dajności produkcji Pozwala na planowanie wy- \
eniu lub prędkości. Pozwala wy-
dajności w czasie kryć zmniejszenie sprawności ma-
szyn lub zwiększony pobór energii
Umo\
liwia zaawansowane Umo\
liwia zmniejszenie liczby
planowanie dla uniknięcia wybrakowanych wyrobów lub
Ja-
Lepsza jakość wy- przerw w dostawach dla na- zmniejszenie liczby usług na po-
kość robów i usług bywcy produktów lub usług, a ziomie ni\
szym od obowiÄ…zujÄ…-
tym samym podwy\
sza dobrÄ… cych norm
reputacjÄ™ producenta
eksl 3.doc
18