1 .Omówić strategię eksploatacji maszyn.
2. Zadania diagnostyki w etapach istnienia maszyny
3.Diagnostyka w konstruowaniu maszyn
4. Na czym polega funkcja sterująca diagnostyki technicznej
5. Modelowanie w diagnostyce technicznej.
6. Model mechaniczny i energetyczny maszyny
7. Metodologia badań diagnostycznych
9. Rodzaje eksperymentów w diagnostyce technicznej
12. Dlaczego drgania dobrze odzwierciedlają stan maszyny.
13. Wibroakustyka maszyn
14. Miary procesu drganiowego
15. Wybór punktów diagnostycznych
17. Etapy budowy procedury diagnozowania
18. Identyfikacja prosta
19. Identyfikacja złożona
20. Kształtowanie podatności diagnostycznej maszyn
21. Symptomy, wartości graniczne i okresowość diagnozowania
1 .Omówić strategię eksploatacji maszyn.
Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia użytkowania i obsługiwania maszyn oraz relacji między nimi w świetle przyjętych kryteriów.
Znane są następujące strategie eksploatacji maszyn:
- według niezawodności
- według efektywności ekonomicznej
- według ilości wykonanej pracy
- według stanu technicznego
- autoryzowana strategia eksploatacji maszyn
Strategia według niezawodności - eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza się do podejmowania decyzji eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodności urządzeń eksploatowanych aż do wystąpienia uszkodzenia. Strategia ta może być stosowana tylko wówczas gdy następstwa uszkodzeń nie naruszają zasad bezpieczeństwa pracy i nie zwiększają kosztów eksploatacji maszyn.
Strategia według efektywności ekonomicznej - Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a decyzje eksploatacyjne podejmowane są w oparciu o wskaźniki zysku. Podstawą podejmowanych decyzji są dane o niezawodności, kosztach użytkowania i napraw eksploatowanych maszyn.
Strategia według 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 kilometrów. Liczbą cykli pracy itp.
Generalną zasadą w tej strategii jest zapobieganie uszkodzeniom poprzez konieczność wykonywania zabiegów obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osiągnięciem granicznego poziomu zużycia.
Strategia według stanu technicznego - strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie bieżącej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów. Umożliwia to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych już strategii.
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.
Autoryzowana strategia eksploatacji maszyn - w tej strategii nie traci się dotychczasowych dokonań najnowszej strategii eksploatacji według stanu. lecz się ją modernizuje.
Producent zainteresowany jakością i późniejszym zbytem jest odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, aż do utylizacji po likwidacji obiektu. Producent wytwarza swoje wyroby, zabezpiecza swój wytwór własnym serwisom obsługowym w czasie eksploatacji, a także wyposaża obiekty w środki diagnostyczne.
2. Zadania diagnostyki w etapach istnienia maszyny
Każda maszyna przechodzi cztery fazy swego istnienia: wartościowanie, konstruowanie, wytwarzanie i eksploatacja.
Etap wartościowania - zadania diagnostyki technicznej na tym etapie wiążą się z określeniem możliwych do zastosowania metod i środków diagnostyki, metodyki badań, automatyzacji procedur diagnostycznych i sposobu wkomponowania diagnostyki w strukturę obiektu. (system diagnostyczny zewnętrzny, wewnętrzny lub rozproszony)
Etap konstruowania - nowe zadania i możliwości diagnostyki technicznej, szczególnie istotne w początkowych fazach istnienia maszyny, zbiegają się z nowymi możliwościami mikroelektroniki, techniki komputerowej, teorii fraktali, sieci neuronowych czy logiki rozmytej - generując całą gamę zupełnie nowych problemów.
Problematykę diagnostyki na etapie konstruowania przedstawiono w aspekcie konstruowania diagnostycznego oraz konstruowania układów diagnostycznych.
Projektowanie układów diagnostyki maszyn.
Zautomatyzowane badania stanu przy pomocy nowoczesnych urządzeń diagnostycznych umożliwia:
- obniżenie kosztów eksploatacji
- zmniejszenie czasu kontroli
- zwiększenie wiarygodności wyników kontroli
- zmniejszenie wymagań co do kwalifikacji i liczby personelu.
3.Diagnostyka w konstruowaniu maszyn
Stosowanie diagnostyki umożliwia zatem korygowanie rozwiązań konstrukcyjnych w aspekcie wymogów poprawności pracy, niezawodności, trwałości, podatności diagnostycznej itp.
Etap wytwarzania - podstawowym zadaniem w tej fazie istnienia obiektu jest wytworzenie poszczególnych elementów obiektu, a następnie całości zgodnie z dokumentacją techniczną. W procesie produkcji dokonuje się zatem systematycznie pomiarów, których wyniki porównywane są z wymaganiami zawartymi w dokumentacji technicznej. W zależności od wyniku tego porównania podejmuje się dalszy etap wytwarzania lub wprowadza poprawki.
Etap eksploatacji - Najszersze oddziaływanie diagnozowania na stan obiektu występuje podczas jego eksploatacji. Uwzględnić należy tutaj dwojakie zapotrzebowanie na decyzje diagnostyczne.
a) Ze strony użytkownika, dla którego ważne są następujące efekty:
- Określenie, czy obiekt funkcjonuje prawidłowo. Oczekuje się diagnoz użytkowych uzyskanych w wyniku badania właściwości funkcjonalnych obiektu.
- Wyznaczenie prognozy dotyczącej oczekiwanego okresu zdatności obiektu. Jest to zwykle wyznaczenie prawdopodobieństwa poprawnej pracy w zadanym okresie czasu.
b) Ze strony obsługującego obiekt dla którego ważna jest :
- możliwość lokalizacji każdego uszkodzenia
- określenie przyczyny uszkodzenia
- wyznaczenie danych umożliwiających określenie podstawowych parametrów procesu naprawy.
Wyznaczenie danych, umożliwiających oszacowanie parametrów procesu odnowy
4. Na czym polega funkcja sterująca diagnostyki technicznej
W systemach sterowania obok wykorzystywania informacji do sprawnego działania istotne jest także pozyskiwanie, przetwarzanie i gromadzenie informacji. Na proces decyzyjny składa się więc ciąg operacji od momentu zdobycia informacji przez jej gromadzenie i przetwarzanie aż do momentu wyboru i przekazania ustalonej decyzji do realizacji.
Na podstawie zebranej informacji diagnostycznej z podsystemu diagnostycznego podejmowane są następujące decyzje:
- ocena stanu maszyny w chwili t
- uszkodzone element, w przypadku niezdatności maszyny
- rozregulowane elementy, w przypadku niezdatności maszyny
- przewidywany stan maszyny w chwili tP = t + Δt
- czas pracy maszyny do naprawy głównej
- czas rezerwowy do likwidacji maszyny
- termin następnego diagnozowania maszyny
Proces postępowania z maszyną jest więc następujący:
a) W przypadku maszyny zdatnej: badanie stanu, wykonanie niezbędnie koniecznych zabiegów obsługowych , prognozowanie stanu, ustalenie terminu następnego badania
b) W przypadku maszyny niezdatnej: badanie stanu, ustalenie przyczyn niezdatności, usunięcie uszkodzenia, ocena jakości wykonanej naprawy, wykonanie niezbędnych czynności obsługowych, prognozowanie, termin kolejnego diagnozowania.
Funkcja sterująca diagnostyki w utrzymaniu zdatności maszyn polega więc na:
- ocenie aktualnego stanu maszyny, określającego możliwości dalszej jej pracy,
- eliminacji niezbędnych, a więc i niebezpiecznych maszyn z użytkowania,
- zapobieganiu uszkodzeniom lub nagłym awariom maszyn dzięki uprzedzającym badaniom i ocenie stanu,
- przewidywaniu przyszłych stanów maszyn, stwarzając podstawy planowania materiałowo- technicznego i zadaniowego systemu eksploatacji.
5. Modelowanie w diagnostyce technicznej.
Modele diagnostyczne obiektów tworzy się dla potrzeb wnioskowania diagnostycznego w badaniach symulacyjnych lub eksperymentalnych. Przez model rozumie się taki układ, dający się pomyśleć lub materialnie zrealizować, który odtwarzając przedmiot badania zdolny jest zastępować go tak, że jego badanie dostarcza nam nowych informacji o tym przedmiocie.
W ogólności modele stosowane w badaniach diagnostycznych mogą być: symptomowe i holistyczne. Modele symptomowe opisują stan techniczny obiektu w kategoriach obserwowanych symptomów, nie zawierających czasu dynamicznego t lecz tylko czas życia Q. Natomiast modele holistyczne ujmują dynamikę systemu i jego procesy zużyciowe łącznie.
W diagnostyce technicznej można wyróżnić następujące cele tworzenia modeli:
- dla potrzeb projektowania - gdzie model służy do optymalizacji struktury i parametrów konstruowanego obiektu i jest narzędziem oceny jakości konstrukcji, eliminacji słabych ogniw, projektowania układów nadzoru.
- dla potrzeb diagnozowania - gdzie model jest podstawą ustalenia algorytmu diagnozowania, który prowadzi do określenia stanu aktualnego i przyszłego obiektu
- dla potrzeb użytkowania i sterowania - wykorzystującego model do podejmowania decyzji z działającym obiektem.
6. Model mechaniczny i energetyczny maszyny
Model energetyczny
W myśl ogólnej teorii systemów maszynę można traktować jako otwarty system działaniowy z przepływem masy, energii i informacji, celowo skonstruowany dla wykonania określonej misji. Są to więc układy transformujące energię, z nieodłączną jej dyssypacją wewnętrzną.
7. Metodologia badań diagnostycznych
Wiedza i technologia diagnozowania łączą się nieodmiennie z rodzajem modelu diagnostycznego, jaki można stworzyć dla badanego obiektu.
Modelowanie obiektu może może być przeprowadzane na trzech poziomach:
Na poziomie modelowania pełnego, które zapewnia podobieństwo ruchu materii w podstawowych formach jej istnienia.
Na poziomie modelowania niepełnego, które zapewnia podobieństwo ruchu materii tylko w czasie lub w przestrzeni.
Na poziomie modelowania przybliżonego, które występuje wtedy, gdy pewne cechy obiektu nie są uwzględniane w modelu, ponieważ:
- nie ma możliwości ich oszacowania lub są w ogóle nieznane,
- nie wykazują możliwego do oszacowania wpływu na badany proces,
- są nieistotne z punktu widzenia celu badań, a ich pominięcie nie zniekształca istotnie cech badanego procesu.
Modelom diagnostycznym przypisywane są określone funkcje, charakterystyczne do własności modelu i zadania badawczego. Funkcje te można rozdzielić następująco: funkcje wyjaśniające, funkcje kryterialne, funkcja pomiarowa, funkcja klasyfikacyjna, funkcje prognostyczne, funkcja demonstracyjna.
W zależności od rodzaju cech obiektu zawartych w modelu będzie on miał charakter symptomowy lub strukturalny.
9. Rodzaje eksperymentów w diagnostyce technicznej
W badaniach diagnostycznych podczas planowania i realizacji pomiarów dla potrzeb oceny stanu maszyny znajduje zastosowanie najczęściej eksperyment, w formie czynnej. Biernej i bierno - czynnej.
Eksperyment czynny - jest stosowany szczególnie w ustalaniu relacji „stan-sygnał'' w warunkach laboratoryjnych z kontrolowaną zmianą cech stanu {X} i sterowania {E}. Mamy więc tu znane cechy stanu obiektu, jak i wartości odpowiadających im symptomów diagnostycznych. Jest on szczególnie przydatny w przypadkach krótkiego czasu na badania i niewielkiej ilości danych pomiarowych. Stosowany jest najczęściej dla potrzeb identyfikacji i optymalizacji modelu matematycznego nowego lub modernizowanego obiektu.
Eksperyment bierny - polega na badaniu obiektu w naturalnych warunkach jego pracy, bez znajomości cech stanu {X}, a jedynie przy założeniu jego sposobu zużywania się. Dysponujemy tu jedynie wynikami pomiarów diagnostycznych, a pozostaje problem zastosowania metody opracowania tych wyników i konstruowania modelu, który możliwie dobrze przybliża rzeczywistość.
Zaletą tej formy eksperymentu jest niezakłócenie normalnej pracy obiektu, co w warunkach przemysłowych jest sprawą ogromnej wagi.
Eksperyment bierno-czynny - polega na obserwacji sygnałów diagnostycznych z równoczesnym pomiarem cech stanu dla jednej lub dwu wartości czasu eksploatacji, jednak bez możliwości ingerencji w wartości cech stanu badanego obiektu. Typowym przykładem jednopunktowego zbierania danych do badania cech stanu tuż przed planowaną naprawą maszyny, lub tuż przed wyłączeniem maszyny, lub tuż przed wyłączeniem maszyny z ruchu w obawie przed awarią. Po demontażu można dokonać pomiarów wszystkich interesujących nas cech stanu.
Lepszym wariantem jest dwupunktowe zbieranie informacji, gdzie badań cech stanu dokonuje się pierwszy raz z chwilą uruchomienia maszyny, zaś drugi podobnie jak poprzednio, przy planowanej naprawie lub po zaistniałej awarii.
12. Dlaczego drgania dobrze odzwierciedlają stan maszyny.
Praktyczne wykorzystanie drgań umożliwia opis stanu dynamicznego maszyn za pomocą uszkodzeniowo zorientowanych różnych symptomów drganiowych. Obraz drganiowy maszyny nowej i po pewnym okresie użytkowania daje podstawę wnioskowania o rodzajach zużyć, dominujących źródłach wymuszeń, co pozwala na modernizację konstrukcji. Stosowanie diagnostyki drganiowej znajduje swoje uzasadnienie w modelu destrukcji obiektu, uwzględniającego związek zaawansowania zużycia proporcjonalny do zużycia energii dyssypacji, wiążący się z czasem istnienia obiektu, poziomem konstrukcji, nowoczesności technologii wytwarzania, intensywności użytkowania oraz jakości obsług technicznych.
13. Wibroakustyka maszyn
Wibroakustyka jest dziedzina wiedzy zajmująca się wszelkimi procesami drganiowymi, akustycznymi i pulsacyjnymi zachodzącymi w przyrodzie, budownictwie, technice, maszynach, urządzeniach, środkach komunikacji i transportu a więc w środowisku.
Do zadań wibroakustyki zaliczyć można:
- identyfikację źródeł energii wibroakustycznej
- opracowanie dróg propagacji energii wibroakustycznej,
- opracowanie metod kontroli energii wibroakustycznej,
- wykorzystanie sygnałów wibroakustycznych dla celów diagnostyki technicznej,
- synteza wibroakustyczna maszyn i obiektów,
- czynne zastosowania energii wibroakustycznej.
Procesy wibroakustyczne, jako procesy towarzyszące funkcjonowaniu maszyn, z punktu widzenia zastosowań diagnostycznych są dobrymi nośnikami informacji o stanie technicznym. Zastosowanie ich do diagnozowania urządzeń mechanicznych wynika z następujących powodów.
Procesy wibroakustyczne są odzwierciedleniem najistotniejszych zjawisk fizycznych zachodzących w maszynach, od których zależy ich poprawne funkcjonowanie, co wynika z charakteru rozprzestrzeniania się procesu drganiowego.
Łatwość pomiaru procesów wibroakustycznych w warunkach normalnej pracy obiektu, bez konieczności wyłączania go z ruchu oraz specjalnego przygotowania, umożliwia bezdemontażową ocenę stanu.
Procesy wibroakustyczne cechują się dużą prędkością przekazywania informacji w jednostce czasu.
Procesy te cechują się złożona strukturą czasową, amplitudową i częstotliwościową co zapewnia im dużą informacyjność.
14. Miary procesu drganiowego
Pomiary drgań polegają na mierzeniu pewnych wielkości fizycznych, charakteryzujących drgania obiektu. Do takich wielkości zalicza się przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie.
Przemieszczenie punktu określa jednoznacznie wektor przemieszczenia s. Przy pomiarach wektora S określamy jego współrzędne Sx, Sy, Sz.
Drgania obiektu można określić wektorem chwilowych wartości prędkości v. Do wyznaczenia wektora v należy pomierzyć jego trzy składowe. Pomiary prędkości sa celowe w wielu przypadkach. Wiadomo na przykład, że siły działające mogą być zależne od prędkości. Zjawisko to występuje przy siłach tarcia. Ruch drgający można określić także wektorem chwilowego przyspieszenia a. Wektor ten można wyznaczyć przez pomiar jego trzech współrzędnych. Przyspieszenie jest proporcjonalne do działającej siły, w związku z tym dla jednoznacznego scharakteryzowania drgań można mierzyć przyspieszenie wyznaczające położenie danego punktu i przyspieszenie określające oddziaływującą na obiekt siłę
15. Wybór punktów diagnostycznych
Mając na uwadze wczesne wykrycie rozwijającego się uszkodzenia należy zminimalizować wpływ odległości r od miejsca powstawania symptomu tzn. mierzyć tak blisko potencjalnego miejsca uszkodzenia jak tylko jest to możliwe. Mierząc blisko miejsca tworzenia się sygnału maksymalizuje się jego amplitudę i tym samym poprawia się korzystnie stosunek sygnału do szumu. W praktycznych zastosowaniach diagnostyki miejsce odbioru sygnałów ustalane jest w oparciu o znajomość modelu funkcjonalnego obiektu i jego modeli generacji sygnałów. Nie zawsze jednak wyselekcjonowana strefa powstawania uszkodzeń jest dostępna pomiarowo co determinuje konieczność stosowania miar analitycznych w wyborze tych punktów. Zadanie to można wykonać stosując jedną z miar podobieństwa procesów generowanych w różnych punktach maszyny. Dobre własności separacji punktów odbioru sygnału posiada funkcja koherencji.
17. Etapy budowy procedury diagnozowania
Budowa procedury diagnostycznej jest etapem kompleksowych badań, obejmujących problematykę bloku pomiarowego, bloku modelowania, bloku identyfikacji oraz bloku symulacji. Informacje uzyskane w wyniku realizacji zadań reprezentowanych przez te bloki wykorzystywane są w bloku diagnostyk, gdzie w efekcie otrzymuje się procedurę czyli przepis dla badań diagnostycznych, stanowiącą podstawę budowanych systemów diagnostycznych.
Ogólnie tok postępowania podczas budowy procedury można zgrupować w następujące bloki problemowe:
Droga pomiarowa zawierająca:
- blok pomiarowy - obejmujący badania obiektu bez wad i pomiary sygnałów wejściowych i wyjściowych
- blok diagnostyki - obejmujący badania obiektu z wadami, pomiary sygnałów oraz wnioskowanie diagnostyczne
- blok wynikowy - obejmujący budowę procedury i określenie stanów granicznych dla zastosowań praktycznych
Droga teoretyczno - eksperymentalna zawierająca:
- blok modelowania obiektu badań - model fiz, określenie wymuszeń
- blok identyfikacji - określenie parametr. ident., kryteria ident, proced. ident
- blok symulacji uwzględniający uszkodz. Obiektu, symulacje stanów, wybór sygnałów,
- blok diagnostyki obejmujący częściową weryf. praktyczną,
- blok wynikowy określający szczegóły procedury diagnostycznej,
18. Identyfikacja prosta
Zmiany stanu maszyn opisywane sygnałem drganiowym odzwierciedlają się w zmiennych wartościach poziomu drgań lub w zmianie transmitancji od punktu uszkodzenia do punktu odbioru. Każdy układ mechaniczny w zakresie niskich częstotliwości można modelować układami dyskretnymi m, k, c.
W większości zastosowań korzysta się z identyfikacji prostej, gdzie wyznacza się zmiany wartości m, k, c, albo zmiany parametrów charakterystyk amplitudowo - częstotliwościowych.
Do zadań identyfikacji prostej w diagnostyce technicznej należy:
- wyznaczenie struktury modelu, czyli wartości i wzajemnych połączeń między elementami masowymi (m), sprężystymi (k), i dyssypacyjnymi (c).
- wyznaczenie charakterystyk amplitudowo - częstotliwościowych układów lub tylko pewnego zbioru ich parametrów.
Badanie zmian transmitancji odzwierciedlającej własności dynamiczne obiektu można przeprowadzić trzema metodami: za pomocą testu impulsowego, testu harmonicznego i testu przypadkowego.
19. Identyfikacja złożona
Dla układów złożonych często nieliniowych używa się dla potrzeb identyfikacji złożonej analizy modalnej (teoretycznej, eksperymentalnej lub eksploatacyjnej). W wyniku przeprowadzenia analizy modalnej otrzymuje się model modalny, który stanowi uporządkowany zbiór częstości własnych, odpowiadających im współczynników tłumienia oraz postaci drgań własnych. Na podstawie znajomości modelu modalnego można przewidzieć reakcje obiektu na dowolne zaburzenie, zarówno w dziedzinie czasu jak i częstotliwości.
20. Kształtowanie podatności diagnostycznej maszyn
Podatność diagnostyczna obiektów jest ważnym zagadnieniem procesu diagnozowania, mającym istotny wpływ na jego szybkość i łatwość przeprowadzania, zakres, koszty i wiarygodność diagnozy. Podatność diagnostyczna może być kształtowana i doskonalona we wszystkich fazach życia obiektu.
Kształtowanie podatności diagnostycznej na etapie eksploatacji obiektów odbywać się może poprzez doskonalenie metod i algorytmów diagnozowani, jak również udoskonalanie środków czyli urządzeń diagnostycznych.
Podejmowanie pewnych wstępnych decyzji o sposobie, zakresie i metodach diagnozowania, a więc mających na celu uzyskanie określonej podatności diagnostycznej odbywa się już na etapie wartościowania. Konkretyzowanie podatności diagnostycznej ma miejsce podczas projektowania i konstruowania obiektu, przygotowanie materialne i kontrola - podczas wytwarzania, zaś praktyczne sprawdzenie, wykorzystywanie i doskonalenie - w czasie eksploatacji.
Jeżeli proces kształtowania podatności nie jest świadomie sterowany, uzyskuje się wytwór stwarzający często duże trudności w prowadzeniu jego diagnozowania.
21. Symptomy, wartości graniczne i okresowość diagnozowania
Szerokie stosowanie diagnostyki technicznej w zakresie zagadnień tolerowania rozwijających się uszkodzeń w trakcie realizacji zadań przez maszyny jest oparte na dwóch głównych zagadnieniach:
- wyznaczenie symptomów współ zmienniczych ze stanem technicznym maszyny
- określenie wartości granicznych tych symptomów, niezbędnych dla bezpiecznej eksploatacji maszyny
Przekroczenie wartości granicznej mierzonego symptomu oznacza wejście maszyny w stan przyspieszonego zużycia, cechującego się dużym prawdopodobieństwem zaistniałej nagłej awarii, często trudnej do oszacowania w skutkach.
Realizowane najczęściej w praktyce przemysłowej bierne i bierno-czynne eksperymenty diagnostyczne dostarczają symptomów stanu, które porównywane są podczas wnioskowania diagnostycznego z wartościami granicznymi dostępnymi w wielu normach krajowych, zagranicznych, branżowych lub z danymi własnych doświadczeń.
Gdy jednak dla badanej maszyny brak takich norm z pomocą może przyjść statystyczny opis losowego procesu eksploatacji za pomocą gęstości rozkładu lub częstości występowania obserwowanego symptomu.