Koncepcja wykorzystania indywidualnych charakterystyk wibroakustycznych zespołów i podzespołów w wytwarzaniu i eksploatacji pojazdów samochodowych

Transkrypt

1 Koncepcja wykorzystania indywidualnych charakterystyk wibroakustycznych zespołów i podzespołów w wytwarzaniu i eksploatacji pojazdów samochodowych Jan Kaźmierczak, Wojciech Moczulski, Arkadiusz Boczkowski Politechnika Śląska, Gliwice Henryk Tylicki Akademia Techniczno Rolnicza, Bydgoszcz. Conception of using individual vibroacoustical characteristics of assemblies and subassemblies in production and exploitation of automobiles SUMMARY The paper presents a conception of using individual vibroacoustical characteristics of assemblies and subassemblies in production and exploitation of automobiles. The conception is pointed at various aspects of utilizing the individual characteristics and bases on possibility of creating a knowledge base and an expert system which can be applied for the needs of diagnosing technical states of new cars as well as cars along the exploitation process. The expert system would be based on vibroacoustic data, including other sources of information. STRESZCZENIE W referacie przedstawiono koncepcję wykorzystania indywidualnych charakterystyk wibroakustycznych zespołów i podzespołów w wytwarzaniu i eksploatacji pojazdów samochodowych. Ponadto zwrócono uwagę na możliwość opracowania systemu doradczego wspomagającego diagnozowanie stanu technicznego zarówno nowych, jak i eksploatowanych pojazdów, opartego na analizie sygnału wibroakustycznego. WPROWADZENIE Prowadzone w ubiegłych latach przez wiele zespołów i ośrodków badania nad metodami pomiaru sygnałów wibroakustycznych, związanych z funkcjonowaniem maszyn i urządzeń, oraz rozwój środków i sposobów przetwarzania danych z takich pomiarów umożliwiają sformułowanie nowych jakościowo zadań badawczych, bazujących na ogólnej metodologii wibroakustycznej diagnostyki maszyn i urządzeń. Wyniki takich badań są podstawą praktycznych metod oceny stanu obiektów technicznych z wykorzystaniem wibroakustycznych symptomów diagnostycznych oraz metod, umożliwiających na drodze diagnostycznej ocenę procesów zachodzących w maszynach w toku procesu ich użytkowania (eksploatacji). W ostatnim okresie czasu, w obszarze badań wibroakustycznych maszyn podejmowane są intensywne prace, związane z wykorzystaniem przedstawionych powyżej metod dla konkretnych grup obiektów technicznych (np. maszyny wirnikowe, maszyny

2 elektryczne itp.) [2],[3]. Wynikiem takich prac mogą stać się nowe jakościowo problemy badawcze, wymagające rozwinięcia nowej lub uzupełnienia dostępnej metodologii badań. OPIS PROBLEMU BADAWCZEGO Wieloletnie doświadczenia w zakresie badań akustycznych maszyn oraz - w szczególności - diagnostyki wibroakustycznej [5], [6] mają zespoły badawcze w Politechnice Śląskiej w Gliwicach. Na bazie tych doświadczeń podjęto w ostatnim okresie prace badawcze, ukierunkowane na wykorzystanie charakterystyk wibroakustycznych jako podstawy obiektywnej oceny jakości wykonania i montażu przekładni zębatych, stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym [1].[8]. Punktem wyjścia dla tych badań była umowa o współpracy naukowej, zawartej pomiędzy Politechniką Śląską i koncernem FIAT. Dzięki tej umowie możliwe stało się przeprowadzenie szeroko zakrojonych pomiarów sygnałów wibroakustycznych, generowanych przez skrzynie biegów, przekładnie główne oraz przekładnie specjalne stosowane w samochodach produkowanych przez FIAT-a, na stanowiskach kontroli produkcji w Zakładzie FIAT Auto Poland w Bielsku Białej. Przy współudziale pracowników tego zakładu opracowano także koncepcję nowego stanowiska, przystosowanego do kontroli jakości montażu skrzyń przekładniowych na podstawie wyników analizy sygnału wibroakustycznego [8]. Sygnał wibroakustyczny, rejestrowany na takim stanowisku, zawiera informację komplementarną w stosunku do wyników klasycznej oceny jakości wykonania elementów przekładni z wykorzystaniem np. bezpośredniego pomiaru geometrii elementu, gdyż wyniki pomiarów dokonanych na projektowanym stanowisku będą odwzorowywać cechy konkretnego egzemplarza przekładni, związane z wzajemnym układem odchyłek wykonawczych elementów oraz np. obecnością medium smarującego. Niezwykle istotnym elementem metodologicznym staje się w takim podejściu indywidualizacja oceny badanego obiektu. W typowych procedurach diagnostycznych, diagnozowany obiekt jest oceniany w kategoriach przynależności do klasy obiektów, zdefiniowanej poprzez np. wartości progowe symptomów określone w toku badań uczących [5]. W przypadku obiektów bardziej złożonych może być celowe potraktowanie każdego badanego obiektu jako odrębnego, opisanego przypadku. Ujęcie takie skutkowałoby indywidualizacją wyników pomiaru sygnału diagnostycznego oraz działaniem na indywidualnych dla każdego obiektu zbiorach ocen sygnału (indywidualnych charakterystykach obiektu). W szczególności, w opisywanych tu badaniach przekładni samochodowych [8] podstawowym elementem zbioru wyników badań jest indywidualna charakterystyka wibroakustyczna konkretnego egzemplarza przekładni. Pojawia się tu możliwość nie tylko dokonania oceny jakości badanej przekładni w kategoriach dobra - wadliwa, ale także (w oparciu o bazę wiedzy o konkretnych stwierdzonych przypadkach nieprawidłowego funkcjonowania) formułowanie wniosków o możliwościach i sposobach usunięcia stwierdzonych nieprawidłowości. Rozwinięciem opisanych prac jest przedstawiona poniżej koncepcja opracowania metody generowania indywidualnych charakterystyk wibroakustycznych złożonych obiektów, w szczególności: pojazdów samochodowych, oraz wykorzystania takich charakterystyk zarówno w procesie wytwórczym, jak i w toku użytkowania takich obiektów. Rezultatem kolejnych etapów badań wg przedstawianej koncepcji byłoby: 1. Opracowanie narzędzia informatycznego (system doradczy), umożliwiającego dokonywanie oceny jakości wykonania obiektu na podstawie wyników pomiarów efektów

3 wibroakustycznych poszczególnych elementów składowych wraz ze wskazaniem prawdopodobnych przyczyn stwierdzonych niesprawności oraz sposobów ich usunięcia 2. Opracowanie metody, pozwalającej na monitorowanie zmian w charakterystyce wibroakustycznej obiektu związanych z procesem jego eksploatacji oraz wykorzystanie wyników takiego monitorowania w realizacji zadań z zakresu utrzymania ruchu PODSTAWY METODOLOGICZNE PROJEKTU Indywidualna charakterystyka wibroakustyczna (ICW) stanowi uporządkowany zbiór: C U X Y (1) gdzie: U - przestrzeń cech wejść (wymuszeń), obejmująca zwłaszcza cechy warunków działania obserwowanych układów, X - przestrzeń cech stanu, Y - przestrzeń symptomów stanu (tj. cech obserwowanych sygnałów wibroakustycznych), - zbiór chwil czasu makro (czasu życia układu), przy czym: X X 1 X 2 (2) gdzie: X1 - cechy stanu uzyskanego w trakcie procesu wytwarzania poszczególnych podzespołów (niosące informację o własnościach grupowych obiektu wyznaczonych przez konstrukcję, a także o jakości wykonania i montażu poszczególnych elementów); X2 - cechy stanu spowodowanego procesem eksploatacji (niosące informację o postępującym zużyciu poszczególnych układów oraz wczesną informację o nagłych uszkodzeniach, które wystąpią w najbliższym czasie). Ukierunkowanie opisywanego problemu badawczego na specyficzną klasę obiektów, jaką stanowią pojazdy samochodowe (z punktu widzenia teorii niezawodności pojazd taki jest obiektem odnawialnym) oznacza, że dla potrzeb reprezentacji ICW celowe może być rozważenie bardziej złożonych struktur danych, z czasem rozgałęzionym [7]. Identyfikacja ICW będzie następować w zmiennych warunkach działania obiektu, aby uzyskać wymuszenie o zmiennej strukturze częstotliwościowej. Z punktu widzenia projektowanego systemu diagnostycznego identyfikacja ta będzie dokonywana w dwóch różnych okolicznościach działania: bezpośrednio po zakończeniu procesu wytwórczego (na stacji prób) oraz w ramach okresowych obsług. Pierwszy rodzaj obserwacji umożliwia określenie jednakowego programu obserwacji, dotyczącego odpowiedniej sekwencji wymuszeń. Drugi rodzaj obserwacji powoduje konieczność identyfikacji podstawowych cech obiektu niezależnie od często niepowtarzalnych warunków działania, warunkujących chwilowe wymuszenie oddziałujące na badany układ (który staje się sam dla siebie wzbudnikiem okresowych oddziaływań, powodujących obserwowalną odpowiedź obserwowanych elementów samochodu). Stosując do opisu sygnału wibroakustycznego model zaproponowany przez C. Cempla [2], [3], dla każdego układu można zidentyfikować elementarny proces ( t, ), gdzie t - czas mikro, - czas makro, który ze względu na cykliczność działania podstawowych zespołów układu napędowego przekształcany jest za pomocą tzw. transformacji T-okresowej w przebieg ciągły. Dla potrzeb identyfikacji ICW proces elementarny winien podlegać dalszej dekompozycji w celu wyróżnienia w nim [4], [9]: części reprezentatywnej S ( t, ), niezależnej od warunków działania danego układu, a zwłaszcza od chwilowej częstości powtarzania wyznaczonej przez długość cyklu pracy dla danych warunków działania obiektu, oraz

4 części rezonansowej ( t, ), zależnej od chwilowych warunków działania obiektu. R Szczególnie złożone zadanie stanowić będzie poszukiwanie relacji pomiędzy jakością wykonania poszczególnych układów pojazdu, a obrazem wibroakustycznym pojazdu, który reprezentowany będzie za pomocą ICW. W tym zakresie przewiduje się zastosowanie metod uczenia maszynowego [9], które wymaga przygotowania odpowiedniego zbioru przykładów uczących. Przykłady te mogą być zgromadzone w trakcie eksperymentów czynnych oraz eksperymentów numerycznych, realizowanych za pomocą odpowiedniego oprogramowania symulacyjnego. Pozyskane relacje reprezentowane będą w odpowiednim formacie i znajdą zastosowanie w diagnostycznym systemie doradczym, przeznaczonym do oceny jakości wykonania poszczególnych podzespołów pojazdu [1]. WYKORZYSTANIE INDYWIDUALNYCH CHARAKTERYSTYK WIBROAKUSTYCZNYCH POJAZDU W PROCESIE EKSPLOATACJI Indywidualne charakterystyki wibroakustyczne pojazdów, obok możliwości w zakresie oceny jakości wykonania i montażu, mogą być przydatnym narzędziem wspomagającym racjonalne użytkowanie pojazdów samochodowych. Z tego też względu, w najbliższym czasie planuje się przeprowadzenie badań także w takim zakresie. Punktem wyjścia dla tej części badań jest przyjęcie założenia, że pojazdy mechaniczne w każdej chwili znajdują się w pewnym określonym stanie, a sekwencje czasowe tych stanów rozpatruje się jako czas istnienia pojazdów. Destrukcyjne oddziaływanie czynników eksploatacyjnych (roboczych i zewnętrznych) prowadzi do zmiany stanu pojazdów. Podczas eksploatacji w zespołach pojazdów zachodzą różnorodne procesy zużyciowe i starzeniowe. Przebieg zużycia zespołów pojazdów w czasie eksploatacji zależy od tego, który z procesów zużycia jest dominujący. Dla zespołów pojazdów wyróżnia się zazwyczaj trzy okresy przebiegu zużycia (okres starzenia wstępnego, okres zużycia normalnego, okres zużycia przyśpieszonego). Z powodu występowania różnorodnych przyczyn uszkodzeń zespołów pojazdów, intensywność występowania tych uszkodzeń w toku eksploatacji jest różna i można ją związać z przedstawionymi etapami eksploatacji pojazdów. W okresie starzenia wstępnego występuje znaczna intensywność uszkodzeń, powodowana ukrytymi wadami materiałowymi, błędami wytwarzania (szczególnie montażu) oraz błędami w czasie transportu i podczas przechowywania. Okres normalnej eksploatacji charakteryzuje się obniżonym i w przybliżeniu ustabilizowanym poziomem intensywności uszkodzeń. W okresie zużyć przyśpieszonych stopniowo narasta intensywność uszkodzeń, spowodowana sumowaniem się różnych przyczyn uszkodzeń oraz gwałtownym zużyciem zespołów pojazdów. Występujące w czasie eksploatacji pojazdu uszkodzenia zespołów są związane ściśle z charakterem zmian wartości wymuszeń działających na pojazdy. W odpowiadającej temu podejściu klasyfikacji wyróżnia się: uszkodzenia zużyciowe i uszkodzenia nagłe (przypadkowe). Główne przyczyny powstawania uszkodzeń klasyfikuje się jako: konstrukcyjne, produkcyjne (technologiczne), eksploatacyjne oraz starzeniowe. Na wszystkich etapach istnienia pojazdów występuje różnego rodzaju przypadkowość, szczególnie dotyczy to ich wytwarzania i eksploatacji. W ramach danej klasy pojazdów (marki i typu), pomimo wymagań wprowadzanego obecnie systemu jakości (normy ISO ) istnieje przypadkowy rozrzut wymiarów i własności fizycznych (sprężystości, plastyczności, twardości, zdolności tłumienia drgań, składu fizykochemicznego, własności warstw wierzchnich). Podobną przypadkowość można zaobserwować podczas montażu

5 współpracujących elementów w jedną funkcjonalną całość. Pomimo starannego doboru i kojarzenia par obrotowych, suwliwych i połączeń stałych nieuniknione są przypadkowe odstępstwa od idealnego procesu montażu. W związku z tym analiza pojazdów tego samego typu wykaże przypadkowość ich własności geometryczno-mechanicznych, powodujących rozrzut procesów dynamicznych zachodzących w zespołach pojazdów. Zmiany te, w połączeniu ze zmianami wymuszeń wejściowych, zarówno zdeterminowanymi (np. zmiana prędkości obrotowej, obciążenia), jak i losowymi (zakłócenia w postaci zmiennych warunków eksploatacji) generują rozrzut własności funkcjonalnych poszczególnych egzemplarzy pojazdów, co powoduje konieczność generowania także ich indywidualnych ocen zarówno w procesie wytwarzania jak i podczas eksploatacji. Złożoność współczesnych pojazdów i odpowiedzialność za jakość realizowanych zadań jest tak duża, że niezbędne jest zapewnienie użytkownikowi pojazdu szybkiej i wiarygodnej informacji o ich aktualnym stanie technicznym. Uzupełnienie stosowanych obecnie procedur oceny stanu przez możliwości, wynikające z wykorzystania monitorowania zmian indywidualnych charakterystyk, wpłynąć powinny znacząco na jakość i bezpieczeństwo eksploatacji pojazdów mechanicznych. Zastosowanie proponowanej modyfikacji do procedur badania diagnostycznego pojazdów wymagać będzie: a) opracowania metodyki oceny stanu zespołów pojazdu za pomocą cech sygnału wibroakustycznego jako symptomów stanu; b) opracowania sposobu gromadzenia zbiorów wartości cech, opisujących stany zespołów pojazdu, z wykorzystaniem inżynierii wiedzy; c) opracowania sposobu agregacji charakterystyk wibroakustycznych zespołów pojazdu w celu uzyskania charakterystyki całego pojazdu; d) opracowania metody pozwalającej na monitorowanie zmian, w zagregowanej charakterystyce wibroakustycznej pojazdu, związanych z procesem jego eksploatacji e) opracowania systemu doradczego, umożliwiającego dokonywanie oceny stanu na podstawie wyników pomiaru sygnału wibroakustycznego poszczególnych zespołów pojazdu wraz z lokalizacją uszkodzeń i prognozowaniem stanu zespołów; f) wykorzystania opracowanej metodyki modyfikacji badania diagnostycznego w realizacji zadań z zakresu utrzymania ruchu. KIERUNKI DALSZYCH BADAŃ Opracowanie metodologii generowania indywidualnych charakterystyk wibroakustycznych złożonych obiektów technicznych, jakimi są pojazdy samochodowe, może stanowić punkt wyjścia do rozwijania dalszych prac, tak metodologicznych jak i aplikacyjnych. Zdaniem autorów niniejszego projektu, obiecującymi kierunkami takich badań mogą być np.: badania możliwości wykorzystania charakterystyki wibroakustycznej do identyfikacji konkretnego pojazdu, badania możliwości potraktowania indywidualnej charakterystyki wibroakustycznej jako elementu metryki pojazdu. Wypracowane w toku takich badań rozwiązania metodologiczne mogłyby być przenoszone, w miarę potrzeb, także na inne klasy obiektów technicznych.

6 BIBLIOGRAFIA [1] Boczkowski A., Kaźmierczak J.: System doradczy wspomagający konstruowanie cichobieżnych przekładni zębatych, Materiały XXVII Zimowej Szkoły Zagrożeń Wibroakustycznych, Gliwice-Ustroń, luty 1999, str [2] Cempel Cz.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT, Warszawa 1982 [3] Cempel Cz.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. PWN, Warszawa 1989 [4] Cholewa W.: Różnicowe widmo reprezentatywne umownego zastępczego źródła sygnału w badaniach maszyn, Archiwum Akustyki, 3 (1975), [5] Cholewa W., Kaźmierczak J.: Diagnostyka techniczna maszyn. Przetwarzanie cech sygnałów (wydanie II), Skrypt Nr 1905 Politechniki Śląskiej, Gliwice 1995 [6] Cholewa W., Moczulski W.: Diagnostyka techniczna maszyn. Pomiar i analiza sygnałów, Skrypt Nr 1758 Politechniki Śląskiej, Gliwice 1993 [7] Hajnicz E.: Reprezentacja logiczna wiedzy zmieniającej się w czasie, Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa 1996 [8] Kaźmierczak J., Boczkowski A., Świerczek T., Cichowski A.: Conception of a Method of Testing Gears for the Automotive Industry, Proceedings of 32nd ISATA (International Symposium on Automotive Technology and Automation), Wien/Austria, June 1999, code: 99ME070, tom Automotive Mechatronics, Design and Engineering, str [9] Moczulski W.: Metody pozyskiwania wiedzy dla potrzeb diagnostyki maszyn, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria Mechanika, z.130, Wydawnictwo Pol.Śl., Gliwice 1997 [10] Timofiejczuk A.: Metoda badania maszyn w warunkach rozruchu, rozbiegu i wybiegu, Praca doktorska (maszynopis niepublikowany), Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechnika Śląska, Gliwice 1999 [11] Tylicki H.: Optymalizacja procesu prognozowania stanu technicznego pojazdów mechanicznych, Wydawnictwo Uczelniane ATR Bydgoszcz, Seria Rozprawy nr 86, Bydgoszcz 1998 [12] Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn, Wydawnictwo Uczelniane ATR Bydgoszcz, Bydgoszcz 1996