WK AD PROFESORA CZES AWA CEMPELA W ROZWÓJ WIBROAKUSTYKI

Transkrypt

1 DIAGNOSTYKA 3(47)/ WKAD PROFESORA CZESAWA CEMPELA W ROZWÓJ WIBROAKUSTYKI Zbigniew Witold ENGEL Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Mechaniki i Wibroakustyki Al. Mickiewicza 30, Kraków, engel@agh.edu.pl Centralny Instytut Ochrony Pracy, ul. Czerniakowska 16, Warszawa 1. WSTP Nowa dziedzina wiedzy wibroakustyka, której Wspótwórc jest Profesor Czesaw Cempel powstaa w naszym Kraju okoo 40 lat temu. Byo to moliwe, gdy w Polsce rozwijay si róne dziay nauki w tym szeroko pojta mechanika. Powstay znaczce orodki zajmujce si problematyk drganiow, powstay silne orodki akustyki. Do powstania wibroakustyki przyczynia si polska szkoa teorii drga oraz krakowska szkoa drganiowa tworzona przede wszystkim przez profesorów Stefana Ziemb, Wadysawa Bogusza, Zbigniewa Osiskiego, Romana Gutowskiego, Janisawa Skowroskiego, Kazimierza Piszczka oraz innych. Drug dyscyplin naukow, która w znaczcy sposób przyczynia si do powstania wibroakustyki bya akustyka. Prace Marka Kwieka, Edmunda Karakiewicza, Ignacego Maleckiego, Stefana Czarneckiego i wielu innych doprowadziy do rozwoju tej dziedziny nauki. Rozwój mechaniki i jej bran, akustyki i innych dziedzin naukowych pozwoliy na wykrystalizowanie si nowej dziedziny wiedzy wibroakustyki. Wibroakustyka jest now dziedzin nauki zajmujc si wszelkimi problemami drganiowymi i akustycznymi zachodzcymi w przyrodzie, technice, maszynach, urzdzeniach, rodkach transportu i komunikacji, a wic w rodowisku. 2. WSPÓCZESNE ZADANIA WIBROAKUSTYKI Znajc definicj wibroakustyki mona przedstawi jej cel: Celem utylitarnym wibroakustyki jest obnienie zakóce wibroakustycznych maszyn, urzdze, instalacji oraz ich otoczenia do minimum moliwego na danym etapie wiedzy i technologii, a take wykorzystanie informacji zawartych w sygnale wibroakustycznym do oceny jakoci maszyn i urzdze, budowli itp. oraz realizowanych procesów technologicznych. Wykorzystanie sygnau dla celów diagnostyki medycznej. Dla tak sformuowanego celu mona poda podstawowe zadania wibroakustyki. Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie te zadania. S to: a. Identyfikacja róde energii wibroakustycznej, która polega na zlokalizowaniu róde w obrbie maszyny, obiektu, urzdzenia. Nastpnie poda naley charakterystyki róde, okreli wspózaleno midzy poszczególnymi ródami, okreli moc akustyczn, a take poda charakter generacji drga i dwików. b. Identyfikacja dróg transmisji energii wibroakustycznej w okrelonym rodowisku (budowlach, obiektach, maszynach, urzdzeniach itp.). Opracowanie teorii transformacji i przenoszenia energii, rozdzielenie sygnaów wibroakustycznych, opracowanie biernych i czynnych metod kontroli zjawisk, opracowanie metod analizy na pograniczu falowego i dyskretnego ujcia zjawisk. c. Diagnostyka wibroakustyczna wykorzystujca sygnay emitowane przez maszyny, urzdzenia itp. Sygnay wibroakustyczne zawieraj informacje o stanie zdrowia, stanie budowli, obiektu, maszyny i urzdzenia. Te wasnoci sygnaów s czsto wykorzystywane zarówno w diagnostyce medycznej jak równie w diagnostyce maszyn i urzdze oraz realizowanych procesów technologicznych, a take w badaniach nieniszczcych. Zasady diagnostyki wibroakustycznej stosowane s w kadej fazie istnienia maszyn i urzdze: w konstruowaniu, wytwarzaniu i eksploatacji oraz przy sterowaniu procesami wibroakustycznymi. d. Synteza wibroakustyczna maszyn, obiektów oraz sygnaów. Zadania podzieli mona na dwie grupy zagadnie: -synteza parametrów opisujcych pole akustyczne, wzgldnie synteza wielkoci stosowanych metodach aktywnych, synteza w akustyce mowy; -synteza maszyn i obiektów, przez co rozumiemy syntez strukturaln, kinematyczn i dynamiczn prowadzc do uzyskania odpowiedniej aktywnoci wibroakustycznej. e. Czynne zastosowanie energii wibroakustycznej. Procesy wibroakustyczne nie zawsze musz by procesami szkodliwymi. Zastosowane celowo przy uyciu odpowiednich rodków zabezpieczajcych mog by efektywnym nonikiem energii, która moe by wykorzystana do realizacji rónych procesów technologicznych. Czynne zastosowanie energii wibroakustycznej zwizane jest z kontrolowanym wykorzystaniem tej energii,

2 14 DIAGNOSTYKA 3(47)/2008 Rys. 1. Zadania wibroakustyki przy warunku maksymalnej efektywnoci energetycznej i minimalnych zakóceniach zewntrznych. Energia wibroakustyczna wykorzystana moe by równie dla celów medycznych przy tzw. terapii wibroakustycznej. f. Opracowanie metod kontroli emisji, propagacji i eimisji energii wibroakustycznej w rodowisku, w tym równie w maszynach i urzdzeniach, a take opracowanie metod sterowania procesami wibroakustycznymi, co si czy z tzw. metodami aktywnymi. Podstawow cech ukadów aktywnych jest to, e zawieraj one zewntrzne ródo energii. Ukady te odpowiednio sterowane mog dostarcza lub absorbowa energi wibroakustyczn w okrelony sposób z dowolnych miejsc ukadu. Metody sterowania procesami wibroakustycznymi stanowi nowy dzia nauki szybko rozwijajcy si i majcy ju szereg praktycznych zastosowa. Wszystkie maszyny i urzdzenia, obiekty znajdujce si w rodowisku tworz zoony ukad fizyczny, który pozwala przez zastosowanie odpowiednich uproszcze przej do modelu mechanicznego, a nastpnie do modelu wibroakustycznego. Modelowanie wibroakustyczne naley równie do wanych zada wibroakustyki. 3. MASZYNY I URZDZENIA JAKO PRZETWORNIKI ENERGII Profesor Czesaw Cempel swoich pracach [15, 16] pokaza, e wszelkie maszyny i urzdzenia s przetwornikami energii. Na rys. 2 pokazany jest model takiego przetwornika. Celowo skonstruowane obiekty (maszyny, urzdzenia, budowle) dla wykonania okrelonego zadania traktujemy jako systemy dziaaniowe. S to

3 DIAGNOSTYKA 3(47)/ systemy otwarte z przepywem masy (materiau), energii i informacji. Mona wic stwierdzi, e s to ukady transformujce energi z nieodczn jej dyssypacj wewntrzn i zewntrzn. Wejciowy strumie masy, energii i informacji na energi uyteczn w postaci innej jej formy lub produktu oraz na energi niepodan, dyssypowan, która jest czciowo emitowana do rodowiska, a czciowo akumulowana w obiekcie jako efekt rónych procesów zuyciowych zachodzcych podczas jego pracy. Zaawansowanie procesów zuyciowych determinuje jako kadego obiektu technicznego i nosi nazw stanu technicznego. Stan techniczny moe by okrelony poprzez obserwacj przeksztaconej energii tj. energii uytecznej i energii niepodanej. Rys. 2.Maszyna jako system przetwarzania energii Analizujc energi dyssypowan obserwujemy rónego typu tzw. procesy resztkowe rónego typu np. wibroakustyczne, termiczne, elektromagnetyczne itp. niezamierzone przez projektanta. Obserwacja wyj daje due moliwoci diagnozowania stanu technicznego z jednej strony, za z drugiej minimalizacj czynników ujemnie wpywajcych na rodowisko, ale take na sam obiekt. Wewntrzna dyssypacja energii w kadym systemie dziaaniowym ma charakter kumulacyjny, determinujcy stan tego systemu. Dyssypacja energii wynika z tytuu zachodzcych w systemie procesów zuyciowych jak: zmczenie we wszystkich formach, tarcie, erozja w strumieniu czstek oraz korozje wszelkiego typu, a take pynicie materiau, zwaszcza przy wysokich temperaturach, cznie z pezaniem przy wysokich obcieniach. Te procesy s przyczynkami sumarycznej dyssypacji energii. Sumaryczn dyssypacj energii w systemie E d mona wyrazi nastpujco [15]: E d () = N d [V(),] d E db,v«n d 0 gdzie: N d - intensywno dyssypacji (moc); - czas dziaania(ycia) obiektu; V() moc dyssypacji zewntrznej; E db - pojemno dyssypacji energii przed zniszczeniem systemu; Warto intensywnoci dyssypacji energii zaley od czasu dziaania (ycia) obiektu oraz od mocy dyssypacji zewntrznej. Prof. Czesaw Cempel wykaza, e cakowita moc dyssypowana, a take moc dyssypacji zewntrznej rosn monotonicznie w funkcji czasu ycia dc do nieskoczonoci dla czasu awarii. Pokazany na rys. 3 model ewolucji stanu ukadu transformujcego energi mona stosowa do opisu zmian stanu eksploatacyjnego. Ujawnia si w tym fraktalna natura przeksztacania energii. N u N d N i zwykujca lub uytkowa moc wejciowa dla nastpnego wyszego poziomu transformacji moc wejciowa lub warto energii cakowita moc rozproszona sprzenie zwrotne E d E WEWNTRZNA MOC ROZPROSZENIA ZGROMADZONA JAKO E D mier czas pocztkowy v zewntrznie eksportowana moc rozproszona T s dostrzegalne symptomy lub wektor symptomów narodziny Rys. 3. Model energetyczny systemu dziaaniowego

4 16 DIAGNOSTYKA 3(47)/2008 Koncepcja procesora energii doprowadzia do sformuowania pojcia czasu ycia i czasu przeycia, jako miary zdyssypowanej wewntrznie energii, mierzonej od urodzenia systemu a do jego mierci. Umoliwio to z kolei wprowadzenie czasu ycia innych systemów dziaaniowych, w ramach którego nastpuje ewolucja wasnoci systemów. Dao to narzdzie do sformuowania przez Profesora Cempela Holistycznej Dynamiki Systemów Mechanicznych, dynamiki ujmujcej dwa czasy: ewolucj wasnoci systemów w czasie ich dziaania makro czas, a take zjawiska dynamiczne i drgania w systemie mikro czas. Springer stay si one podstawowymi podrcznikami z tego zakresu w wiecie naukowym. C. Cempel stwierdza, e diagnostyka to zorganizowany zbiór metod i rodków do oceny stanu technicznego obiektów, maszyn, urzdze. W wikszoci przypadków s to systemy dziaaniowe generujce i przenoszce procesy wibroakustyczne. 4. IDENTYFIKACJA RÓDE ENERGII WIBROAKUSTYCZNEJ Jednym z podstawowych zada wibroakustyki jest identyfikacja róde generacji energii wibroakustycznej. Identyfikacja ta obejmuje midzy innymi lokalizacj poszczególnych róde, okrelenie charakterystyk i wspózalenoci pomidzy poszczególnymi ródami.. W wielu przypadkach przyjmowao si, e maszyna lub urzdzenie jest pojedynczym ródem tej energii. Takie przyjcia byy duym uproszczeniem, gdy nawet prosta maszyna czy urzdzenie posiada od kilku do kilkuset elementarnych róde. Zagadnieniami identyfikacji róde energii wibroakustycznej zajmowao si szereg osób w naszym kraju, midzy innymi Prof. Cz. Cempel, który na drodze teoretycznej i dowiadczalnej prowadzi tego typu badania. Na podkrelenie zasuguje stosowanie przez niego do identyfikacji metod koherencyjnych. Na rys. 4 przedstawiony jest schemat ukadu do identyfikacji róde przy zastosowaniu metod koherencji, zastosowany przez Profesora Cempela. Rys. 4. Schemat zastosowanej procedury 5. DIAGNOSTYKA WIBROAKUSTYCZNA Na specjalne podkrelenie zasuguje wkad Profesora Cempela w rozwój diagnostyki wibroakustycznej maszyn i urzdze. Czesaw Cempel stworzy podstawy teoretyczne diagnostyki wibroakustycznej, pokaza jej praktyczne zastosowania. Wyniki swoich bada opublikowa w kilku monografiach i publikacjach w renomowanych czasopismach naukowych. Monografie te byy przetumaczone na jzyki obce i opublikowane przez takie wydawnictwa jak Rys. 5. Rodzaje i cele diagnostyki wibroakustycznej. Procesy te s nonikami informacji o stanie technicznym. Stan techniczny obiektu podawany jest w kategoriach jakoci i bezpieczestwa jego dziaania poprzez wektor miar bezporednich lub porednich. Miary bezporednie s np. wymiary, parametry technologiczne itp. Miary porednie stanu technicznego nosz nazw symptomów, czyli wielkoci wspózmienniczych z miarami stanu technicznego. W diagnostyce maszyn naley wyróni cztery rodzaje zastosowa: diagnostyk konstrukcyjn, diagnostyk kontroln, diagnostyk eksploatacyjn oraz diagnostyk procesów (rys. 5). Celem diagnostyki konstrukcyjnej dokonywanej na etapie bada prototypu jest identyfikacja róde zakóce wibroakustycznych jako zjawisk wiadczcych o niedocigniciach projektowych i konstrukcyjno montaowych, a take identyfikacja wasnoci dynamicznych. Celem diagnostyki kontrolnej jest ocena jakoci wytworzonych elementów i podzespoów maszyn i urzdze, natomiast diagnostyka eksploatacyjna ma za zadanie ocen biecego i przyszego stanu eksploatacyjnego maszyn i urzdze w trakcie ich eksploatacji. Wreszcie diagnostyka procesów technologicznych ma na celu ocen jakoci i etapu procesu. Problemy badawcze i aplikacyjne diagnostyki wibroakustycznej s wielorakie i coraz lepiej rozwijane za pomoc wspóczesnych rodków pomiarowych, technologii informatycznych oraz sztucznej inteligencji. Do nich zaliczy mona: - wybór miejsca pomiaru sygnau wibroakustycznego, co decyduje o zawartoci sygnau uytecznego; - wybór sposobu przetwarzania sygnau dla uzyskania symptomu stanu; - ekstrakcja caociowej informacji diagnostycznej ze zbioru symptomów stanu i selekcja

5 DIAGNOSTYKA 3(47)/ rozwijajcych si niezalenych uszkodze w obiekcie; - ocena zaawansowania uszkodze i podjcie decyzji o stanie obiektu. Kady z tych czstkowych celów diagnostyki wibroakustycznej moe by rozwizywany na wiele sposobów i w rónych zakresach wypenienia zadania. Reasumujc, naley stwierdzi, e identyfikacja uszkodze w diagnostyce wibroakustycznej odbywa si poprzez pomiar specjalnych uszkodzeniowo zorientowanych symptomów. Profesor Cempel jako pierwszy zdefiniowa te wielkoci oraz doda kilka atwo mierzalnych jak np. wspóczynnik impulsowoci, luzu, czstoci Rice a, wspóczynniki harmonicznoci. Zaproponowa softwarow procedur dyskryminacji i klasyfikacji uszkodze maszyn poprzez wybór zbioru symptomów o minimalnej redundancji opisujcych stan maszyny. Procedura ta oparta bya o metody rozpoznawania obrazów, a w szczególnoci o metod skadowych gównych macierzy uszkodze. Prof. C. Cempel wprowadzi równie do zastosowa w diagnostyce wibroakustycznej pojcie niezawodnoci symptomowej. Omówione problemy diagnostyki byy i s przedmiotem prac badawczych Profesora Cempela, a take licznych Jego publikacji w tym monografii. 6. PODSUMOWANIE Profesor Czesaw Cempel jest wspótwórc wibroakustyki nowej dziedziny wiedzy. Okreli nie tylko podstawowe zadania i metody wspóczesnej wibroakustyki, lecz równie pokaza praktyczne zastosowania. Dziaalno naukowa i publikacyjna Czesawa Cempela z zakresu wibroakustyki moe by podzielona na kilka grup: -wibroakustyka maszyn i rodowiska; -wibroakustyka narzdzi rcznych, gównie pneumatycznych; -dynamika ukadów wibrouderzeniowych; -diagnostyka wibroakustyczna. W ramach tych grup zagadnie, Prof. Czesaw Cempel opublikowa du ilo prac. Wyniki swoich bada przedstawia na licznych kongresach, konferencjach i sympozjach naukowych. By wielokrotnie zapraszany do wygaszania referatów plenarnych na wiatowych kongresach. Szerokie, rónorodne Jego osignicia naukowe i wdroenia z zakresu wibroakustyki przyczyniy si do rozwoju tej dziedziny wiedzy nie tylko w Polsce, lecz równie na caym wiecie. LITERATURA 1. Cempel C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT Warszawa, Cempel C. Wibroakustyka stosowana. PWN Warszawa Cempel C.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. Wyd. Politechniki Poznaskiej Cempel C. Wibroakustyczna diagnostyka maszyn. PWN Warszawa, Cempel C.: Vibroakustische Maschinen- Diagnostik. Verlag Technik Berlin Cempel C. Vibroacoustic Condition Monitoring. Horwood, Chichester, New York, Cempel C:. The Tribovibroacoustical Model of Machines. Wear 105, str , Cempel C.: The Wear Process and Machinery Vibration a Tribovibroacoustic Model. Bull.of the Pol. Acad.of Sc. vol. 35, nr. 7-8, str , Cempel C.: Theory of Energy Transforming Systems and their Application in Diagnostics of Oprerating Systems. Applied Mathematics and Computer Science, vol. 3, nr. 3, str , Cempel C.: Energy Processors in Systems Engineering and their Evolution. Bull. Of the Pol. Academy of Sc. Vol. 45, nr 4, str , Cempel C.: Diagnostically Oriented Measures of Vibroacoustical Processes. Journal of Sound and Vibration 73(4), str , Cempel C. Modele ewolucji systemów. Problemy Eksploatacji nr. 3, 47-69, Cempel C., Kosiel U.: Noise Sources Identification in Machines and Mechanical Devices. Archives of Acoustics 1,1, str. 5-19, Cempel C., Engel Z.: Wibroakustyka maszyn, geneza dziedziny i jej podstawowe problemy. Zeszyty Naukowe AGH, nr. 728, str , Cempel C., Lotz G.: Efficiency of Vibrational Energy Dissipation by Moving Shot. Journal of Structural Engineering, Vol 119, no 9, str , Cempel C., Natke H. G.: The Modeling of Energy Transforming and Energy Recycling Systems. Journal of Systems Engineering. Vol. 6, str , Engel Z., Cempel C.: Vibroacoustics and its Place in Science. Bull. Of the Pol. Acad. of Sc. Vol 49, nr 2, str , Natke H. G., Cempel C.: Model-Aided Diagnosis of Mechanical Systems. Springer Verlag, 1997.

6 18 DIAGNOSTYKA 3(47)/2008 Prof. zw. dr hab. in. Zbigniew ENGEL jest wieloletnim profesorem AGH w Krakowie i Centralnego Instytutu Ochrony Pracy w Warszawie. Jest specjalist zakresu mechaniki i inynierii rodowiska, twórca nowej dziedziny nauki wibroakustyki. Dorobek publikacyjny prof. Engela obejmuje ponad 550 publikacji, w tym monografie, skrypty, podrczniki, artykuy w znanych czasopismach zagranicznych i krajowych, referaty na konferencjach naukowych. Jest doktorem honoris causa Akademii Górniczo- Hutniczej i Politechniki Krakowskiej.