... w naturze człowieka ley rozsdne mylenie, fizyczne uzasadnianie i nielogiczne działanie... R O Z D Z I A Ł IV FIZYCZNE ASPEKTY DIAGNOSTYKI 4.1 Wprowadzenie 4.2 Metrologia warstwy wierzchniej 4.3 Fizyczne starzenie maszyn 4.4 Sposoby zuywania si maszyn 4.5 Przyczyny uszkodze 4.6 Klasyfikacja uszkodze 4.7 Miary uszkodze 4.8 Przeciwdziałanie uszkodzeniom 4.9 Zuyciowe procesy dynamiczne 4.10 Podsumowanie Literatura.
ROZDZIAŁ IV FIZYCZNE ASPEKTY DIAGNOSTYKI 4.1 Wprowadzenie Współczesne tendencje rozwojowe w budowie maszyn zakładaj cigły wzrost ich osigów, przy równoczesnym zmniejszeniu kosztów produkcji i eksploatacji oraz zwikszeniu trwałoci i niezawodnoci. W efekcie produkowane obecnie maszyny charakteryzuj si duym wyteniem, tzn. duym nasileniem oddziaływa czynników cieplnych, mechanicznych (zmniejszenie wymiarów i masy przy równoczesnym wzrocie obcie i prdkoci)i chemicznych, co prowadzi do znacznej intensyfikacji procesów starzenia i zuycia. Wiedza na temat istoty fizycznej oraz technicznych aspektów procesów starzenia i zuycia jest niezbdna w rozwizywaniu wikszoci zagadnie konstruowania, wytwarzania i eksploatacji. Pozwala ona na racjonalne konstruowanie, wybór odpowiedniej technologii wytwarzania oraz optymalizacj właciwoci eksploatacyjnych maszyn. Procesy starzenia i zuycia s nieodłcznie zwizane z istnieniem obiektów technicznych, wpływajc destrukcyjnie na ich stan techniczny i prowadzc nieuchronnie do dajcych si obserwowa uszkodze. Łczne oddziaływanie tych form degradacji struktury obiektu prowadzi do rozwoju uszkodze, prowadzcych do przerwania pracy a nawet fizycznej spoistoci obiektu. Znajomo podstaw fizycznych zjawisk starzeniowych i zuyciowych ułatwia poznanie i opis generowanych sygnałów diagnostycznych, umoliwiajcych ledzenie zmian stanu obiektu i przewidywanie uszkodze, co warunkuje skuteczno diagnostyki technicznej. Współmierne oddziaływanie destrukcyjne starzenia fizycznego i zuycia na obiekty mechaniczne w warunkach losowych obcie podczas ich funkcjonowania, prowadz do złoonego sposobu opisu identyfikacji stanu obiektów i warunkuj podejmowanie decyzji diagnostycznych w kategoriach prawdopodobiestw. Przez zuycie elementu maszyny rozumie si trwałe, niepodane zmiany jego stanu, wystpujce w czasie eksploatacji, w wyniku których potencjał uytkowy elementu stopniowo wyczerpuje si. Przez stan elementu naley rozumie jego stan fizykalny, okrelony dwoma grupami parametrów: * parametry stereometryczne (kształt, wymiary, chropowato powierzchni czynnych, kierunkowo ladów obróbki, rysy, pknicia, wery, wgniecenia, itp.); * parametry fizykalne (skład chemiczny, struktur, rozkład napre, zmiany twardoci, rozkład dyslokacji w sieci krystalicznej, własnoci mechaniczne, itp.).
Pomimo tego, e procesy starzenia i zuy s czsto rozpatrywane łcznie i s trudne do jednoznacznego rozdzielenia, w tej ksice te procesy destrukcyjne potraktowano, z punktu widzenia metodyki, rozłcznie. 4.2 Metrologia warstwy wierzchniej. Warstwa wierzchnia (WW) elementu maszyny jest to zbiór punktów materialnych, zawartych pomidzy jego powierzchni zewntrzn i powierzchni umown, bdc granic zmian wartoci cech stref podpowierzchniowych. Jest to wic zewntrzna warstwa elementu, powstała w wyniku działania procesów fizycznych lub chemicznych, jakociowo rónica si od reszty materiału. Pozostała cz elementu maszyny nazywa si rdzeniem. Wytrzymało eksploatacyjna elementów maszyn, traktujca sumarycznie wytrzymało objtociow (klasyczna wytrzymało materiałów) oraz powierzchniow (eksploatacyjn), uwarunkowan odpornoci na zuycie, jest cile zwizana z właciwociami warstwy wierzchniej. Poniewa procesy tarcia i zuycia ciał stałych zachodz w warstwie wierzchniej, warstwie tej nadaje si właciwoci przeciwdziałajce niszczcemu działaniu warunków pracy maszyny. Stosuje si w tym celu zrónicowane metody obróbki: obróbk wiórow, plastyczn, ciepln, chemiczn, elektrochemiczn, itp. oraz cisłe przestrzeganie zasad eksploatacyjnego docierania maszyn. Podczas eksploatacji maszyn, w warstwie wierzchniej trcych si elementów zachodz procesy fizykochemiczne oraz oddziaływania, w wyniku których powstaj elementarne procesy niszczenia materiału, co przedstawiono na rys. 4.1. NISZCZENIE WW PRZYGOTOWANE DORANE ZMCZENIE TARCIOWE POWSTAWANIE I NISZCZENIE POŁ CZE TARCIOWYCH Wiodcy I ETAP NARASTANIE ZMIAN I ETAP POWSTAWANIE mechanizm - odkształcenia spryste POŁ CZE niszczenia - odkształcenie plastyczne TARCIOWYCH - powstawanie niejednorodnoci - adhezja strukturalnych - zgrzanie - mikrospawanie - powstawanie niejednorodnoci - zespawanie - rysowanie stanu napre II ETAP DEKOHEZJA - cinanie nierów- II ETAP DEKOHEZJA POŁ CZE TARCIOWYCH noci MATERIAłU - cinanie wzdłu powierzchni - odrywanie - powstawanie pkni rozdziału - rozwój i propagacja pkni - cinanie połcze w - powstawanie ubytków głbi materiału - głbokie wyrywanie Rys. 4.1 Elementarne sposoby niszczenia warstwy wierzchniej.
Kombinacja, superpozycja lub synergia elementarnych procesów niszczenia powoduje starzenie i zuycia elementów maszyn w wyniku tribologicznych, zmczeniowych, erozyjnych lub korozyjnych procesów starzenia. Własnoci warstwy wierzchniej s ukształtowane specjalnie na etapie wytwarzania elementów maszyny, zmienne w procesie eksploatacji obiektów s podstaw zmiany stanu, prowadzc do niezdatnoci i uszkodze, co jest przedmiotem bada diagnostyki technicznej. Zuycie cierne jest charakterystyczne dla wszystkich czci maszyn współpracujcych w skojarzeniach ruchowych i podlegajcych obcieniom powierzchniowym. Zuycie to jest przede wszystkim zalene od cech warstwy wierzchniej. Zuycie zmczeniowe podobnie, lecz w mniejszym stopniu, jest uzalenione od cech warstwy wierzchniej. Niezalenie od rodzaju oddziałujcego okresowo zmiennego obcienia, maksymalne wartoci napre w podstawowych przypadkach wytrzymałociowych wystpuj najczciej w strefach warstwy wierzchniej. Ponadto istnieje znana zaleno midzy struktur geometryczn powierzchni a wytrzymałoci zmczeniow (mikrokarby). Warstwa wierzchnia wpływa zatem na zuywanie si wyrobu i procesy jej kształtowania winny zapewni cechy optymalne ze wzgldu na własnoci uytkowe wytworów, a przede wszystkim zapewniały wymagan ich odporno na zuycie cierne i zmczeniowe. W literaturze technicznej spotyka si róne sposoby przedstawiania budowy warstwy wierzchniej. Na rys. 4.2 pokazano przykładowo pełny schemat budowy warstwy wierzchniej. Strefy I, II, III powstaj na skutek adsorbcji i chemisorpcji czsteczek gazów, par, wody oraz czsteczek organicznych. Przenikaj si one wzajemnie, a ich usytuowanie zaley od czasu istnienia (historii) powierzchni. Istnienie tych stref powoduje, e w wikszoci praktycznych przypadków, tarcie suche ma posta tarcia technicznie suchego. Strefa IV stanowi warstewk tlenków metalu, która powstaje wskutek dyfuzji reaktywnej w głb materiału elementu maszyny. Strefa ta zmniejsza energi swobodn powierzchni i ogranicza przez to udział sił adhezji w szczepianiu trcych skojarze. Strefa V powstaje w wyniku zniszczenia krystalitów metalu na powierzchni skutkiem działania ostrza narzdzia na materiał podczas obróbki powierzchniowej. Strefa ta (naz.warstw amorficzn) i ma struktur cieczy przechłodzonej, nie wykazujcej uporzdkowania. I adsorbowane czsteczki polarne II adsorbowane czsteczki wody warstwa Fizycznie III czsteczki gazów i par przypowierzchniowa IV tlenki metali czysta V strefa bezpostaciowa zniszczonych krystalitów właciwa powierzch- VI strefa steksturowana warstwa nia wierzchnia VII strefa odkształce plastycznych metalu VIII strefa odkształce sprystych IX rdze metalu nieuszkodzony obróbk Rys. 4.2 Schemat strefowej budowy warstwy wierzchniej.
Strefa VI obejmuje obszar warstwy wierzchniej, w którym istnieje metal odkształcony plastycznie i steksturowany. Tekstur stanowi regularne uporzdkowanie krystalitów metalu, w wyniku działania sił odkształcajcych plastycznie materiał, wyróniajc krystalograficzny kierunek uprzywilejowany. Taka orientacja kryształów lub ziaren moe by spowodowana ukierunkowanym działaniem sił podczas kształtowania si warstwy wierzchniej. Strefa VII zawiera metal odkształcony plastycznie. Kademu odkształceniu plastycznemu towarzyszy zjawisko umocnienia, polegajce na tym, e rozpoczynajce si odkształcenie plastyczne ulega w miar postpowania coraz silniejszemu blokowaniu. Aby odkształcenie mogło postpowa dalej, potrzebne s wic coraz wiksze siły. Umocnienie nie jest wyłcznym skutkiem działania dyslokacji, ale take efektem istnienia wewntrznego stanu napr- e wywołanego przez wzajemne oddziaływanie ziaren. Strefa VIII zawiera odkształcenia spryste. W wyniku działania na metal obcie zewntrznych, połoenie atomów w sieci krystalicznej wykracza poza poziom minimum energii, zakłócajc budow sieci, a tym samym powodujc stan napre materiału. Po usuniciu obcienia tylko cz atomów zajmuje połoenie wyjciowe, reszta za pozostaje przesunita, powodujc naprenia własne materiału. Strefa IX przedstawia materiał rdzenia. Grubo warstwy wierzchniej, powstałej podczas obróbki mechanicznej metali oraz obróbki cieplnej lub cieplno - chemicznej, wynosi nawet kilka milimetrów. Grubo ta, czyli odległo pomidzy zewntrzn powierzchni ustalajc kształt elementu a powierzchni wewntrzn, oddzielajc warstw wierzchni od rdzenia materiału, jest trudna do praktycznego wyznaczenia (granica wewntrzna jako powierzchnia fizyczna praktycznie nie istnieje). Stan warstwy wierzchniej moe by scharakteryzowa zbiorem parametrów, których wartoci s zalene od właciwoci materiału i warunków tworzenia warstwy wierzchniej. Właciwoci uytkowe elementów maszyn s funkcj wartoci parametrów jej stanu wywołanego obróbk oraz eksploatacj maszyny. Prawidłowo ukształtowana procesami technologicznymi produkcji elementów maszyn, procesami docierania maszyny oraz procesami w okresie jej uytkowania - warstwa wierzchnia zapewnia maksymaln odporno na zuycie, a tym samym wytrzymało eksploatacyjn rozwaanego skojarzenia. Warstwa wierzchnia tylko wtedy moe by efektywnie wykorzystywana w doskonaleniu techniki wytwarzania (technologii maszyn) i uytkowania (eksploatacji), jeeli bdzie przedstawiona w postaci pewnych zbiorów wielkoci moliwych do ilociowego lub jakociowego okrelenia za pomoc pomiarów lub obserwacji. W tym włanie celu s tworzone charakterystyki warstwy wierzchniej zawierajce moliwie pełn informacj o jakoci warstwy wierzchniej wytworów. Znaczenie warstwy wierzchniej w zintegrowanym systemie : wartociowanie - projektowanie - wytwarzanie - uytkowanie wymaga szczególnego podkrelenia, co zobrazowano na rys. 4.3. Na etapie wartociowanie wypracowywane s podstawowe wymagania dla warstwy wierzchniej, wynikajce z załoe jakociowych nowo tworzonych wytworów, uwzgldniajce wymagania trwałociowo - niezawodnociowe, przewidywane warunki pracy, dostpne rodki diagnostyczne oraz wymagania eksploatacyjne. W procesie projektowania wytworu postulowane s okrelone wymagania dotyczce własnoci warstwy wierzchniej i sposobów ich zapewnienia na etapie wytwarzania. Realno postulatów projektanta okrela si pojciem technologicznoci warstwy wierzchniej. Konkretne wartoci parametrów stanowicych charakterystyk warstwy wierzchniej, narzucanej przez
projektanta, powinny wynika ze znajomoci zalenoci wystpujcych midzy warstw wierzchni a procesami eksploatacji wytworu (np. z bada tribologicznych). W rzeczywistoci budowa warstwy wierzchniej moe si róni od omówionego modelu teoretycznego, w konkretnych warunków technologicznych i eksploatacyjnych niektóre strefy warstwy wierzchniej mog nie wystpowa lub wzajemnie si przenika. wartociowanie projektowanie (konstruowanie) dystrybucja wytwarzanie WARSTWA uytkowanie WIERZCHNIA (technologia) (WW) (eksploatacja) metrologia warstwy wierzchniej Rys. 4.3 Warstwa wierzchnia w zintegrowanym systemie istnienia maszyny. Dla poprawnego ukształtowania warstwy wierzchniej naley okreli: - charakterystyk warstwy wierzchniej łcznie ze sposobami pomiarów tworzcych j wielkoci; - metodyk bada dowiadczalnych zalenoci funkcyjnych midzy wielkociami tej charakterystyki a wielkociami okrelajcymi warunki tworzenia warstwy wierzchniej; - metodyk bada warunków procesów technologicznych wynikajc z relacji pomidzy warstw wierzchni a jakoci uytkow wytworu. W pomiarach wielkoci tworzcych charakterystyk warstwy wierzchniej mona wyróni trzy wzajemnie powizane zagadnienia: - definicje podstawowych wielkoci tworzcych charakterystyk warstwy wierzchniej i układy takich charakterystyk; - metody pomiarów wielkoci tworzcych charakterystyk warstwy wierzchniej; - technik pomiarów (metodyka pomiarów, przyrzdy pomiarowe, opracowanie wyników pomiarów). Wymienione powyej zagadnienia stanowi treci właciwie rozumianej metrologii warstwy wierzchniej. W metrologii warstwy wierzchniej mona obecnie wyróni dwa zasadnicze jej ujcia okrelane umownie jako: metrologia klasyczna i metrologia współczesna. Metrologia klasyczna to dziedzina wiedzy o pomiarach, czyli nauka o mierzeniu. Problematyka metrologii klasycznej jest zwizana z technik pomiarów, a wic z metodami pomiaru okrelonych wielkoci (długoci i kta, wielkoci mechanicznych mierzonych metodami elektrycznymi, itp.), opisem budowy i działania przyrzdów pomiarowych, zagadnieniami niedokładnoci pomiarów (teoria błdów), itp. Metrologia współczesna to dziedzina bada obiektów poprzez mierzenie prowadzce do identyfikacji ich modeli matematycznych, wykorzystywanych dalej w identyfikacji. Jest to
wic taki zakres bada dowiadczalnych, w którym problematyka metrologii klasycznej jest rozszerzona o zagadnienia teorii dowiadcze, obejmujc : planowanie dowiadcze, modelowanie matematyczne oraz analiz statystyczn wyników. W takim rozumieniu metrolologii mona zatem wyróni: - technik pomiaru, czyli sposób przeprowadzania pomiaru, okrelajc czynnoci dowiadczalne wykonywane przy uyciu narzdzi pomiarowych w celu wyznaczania wartoci wielkoci, czyli iloczynu liczby i jednostki miary; - metodyk bada dowiadczalnych, czyli sposób realizacji zbioru pomiarów na podstawie ustalonego planu bada, których celem jest identyfikacja modelu matematycznego obiektu bada. W metrologii warstwy wierzchniej celowe i w pełni uzasadnione jest rozrónienie w budowie warstwy wierzchniej - rys. 4.4 : - powierzchni warstwy wierzchniej, charakteryzowanej struktur geometryczn powierzchni, odwzorowywan w pomiarach miarami długoci i kta; - stref warstwy wierzchniej, lecych w głbi materiału pod powierzchni rzeczywist i charakteryzowanych struktur fizyczno-chemiczn stref. WARSTWA WIERZCHNIA POWIERZCHNIA WARSTWY WIERZCHNIEJ STREFY WARSTWY WIERZCHNIEJ struktura geometryczna struktura fizyczno - powierzchni chemiczna stref Rys. 4.4 Podstawowe elementy budowy warstwy wierzchniej. Strefa warstwy wierzchniej to cz warstwy, której objto jest wyznaczona istnieniem okrelonej cechy fizyczno-chemicznej. Poszczególne strefy wyznaczane istnieniem okrelonej cechy fizyko-chemicznej mog si wzajemnie pokrywa całkowicie lub czciowo, albo te stopniowo przenika - co wskazuje na potrzeb opisu ich struktury za pomoc ich kształtu, wymiarów i rozmieszczenia w objtoci warstwy wierzchniej. Do wielkoci charakteryzujcych struktur geometryczn powierzchni warstwy wierzchniej zalicza si: - chropowato powierzchni, mierzon za pomoc profilometrów, gładkociomierzy, płytek wzorcowych lub przyrzdów laserowych (SURFANALIZER 2000); - falisto powierzchni, okrelan w sposób mechaniczno-geometryczny lub za pomoc filtru elektrycznego [3]. Struktur stref fizyczno-chemicznych charakteryzuje si poprzez : - badanie mikrostruktury prowadzone za pomoc mikroskopów optycznych, elektronowych, dyfraktometrów, analizatorów roentgenowskich i automatycznych analizatorów obrazu; - badanie mikrotwardoci przy wykorzystaniu metody Vickersa, Brinella, Knopa, Grodziskiego, Martensa, itd.; - badanie napre metodami: mechaniczn (strzałka ugicia, odkształcenia), fotometrycznymi lub dyfraktometrycznymi.
Badanie wad struktury powierzchni warstwy wierzchniej prowadzi si najczciej za pomoc bada ultradwikowych, przy czym ostatnio istnieje moliwo wykorzystania do tego całego zestawu metod bada nieniszczcych. Poniewa około 85% uszkodze maszyn jest spowodowane uszkodzeniami warstwy wierzchniej poszczególnych elementów, problem kształtowania i badania warstwy wierzchniej naley do waniejszych w zagadnieniach technologii i eksploatacji maszyn. 4.3 Fizyczne starzenie maszyn Starzeniem fizycznym nazywa si procesy fizyczne zachodzce w materiałach czci maszyn na skutek wymusze wewntrznych i zewntrznych, powodujcych nieodwracalne zmiany własnoci uytkowych czci. Procesy starzenia wystpuj z chwil zakoczenia produkcji czci. Starzenie fizyczne oddziałuje na obiekt w całym procesie jego istnienia, od wytworzenia do likwidacji, nawet wówczas gdy obiekt nie wykonuje swoich funkcji. Rozrónia si starzenie fizyczne i moralne, przy czym główne dla obiektów technicznych jest starzenie fizyczne. Starzenie moralne jest przedmiotem bada ekonomicznych, gdy obiekty mog nie ulega starzeniu fizycznemu, ale mog starze si ekonomicznie na skutek postpu technicznego, stajc si przestarzałymi konstrukcyjnie, z mniejsz wydajnoci i jakoci produkcji. Procesy starzenia zale od szeregu czynników i oddziaływa zewntrznych i wewntrznych. Do czynników zewntrznych zaliczy mona: wpływ atmosfery, naturalnego podłoa, współpracujcych obiektów itp., natomiast do czynników wewntrznych nale: procesy mechaniczne, mechaniczno-fizyczne i mechaniczno-chemiczne, wystpujce w trakcie funkcjonowania i przechowywania obiektu [5,7]. Starzenie fizyczne obiektów zaley od: * czynników atmosferycznych, opady atmosferyczne i opary, ruch powietrza, zanieczyszczenia, pyły i gazy przemysłowe, aktywno chemiczna i wilgotno atmosfery, nagrzanie słoneczne i przemysłowe oraz cinienie barometryczne; * czynników naturalnego podłoa ziemskiego lub roboczego, pole magnetyczne, przyciganie ziemskie, gsto, spoisto podłoa, ukształtowanie warstwy wierzchniej podłoa, wilgotno i rodzaj gruntu, aktywno chemiczna podłoa, temperatura podłoa, ruch cieczy w zbiornikach wodnych. Ogólny podział czynników starzeniowych, nie uwarunkowanych funkcjonowaniem obiektów, schematycznie przedstawiono na rys. 4.5, a poniej krótko je omówiono. Czynniki atmosferyczne, róne dla terytorialnego rozmieszczenia obiektu zmieniaj si zasadniczo w rejonach wysoko uprzemysłowionych, w pobliu zbiorników wodnych (morze, jeziora, sztuczne zbiorniki), w zalenoci od wysokoci usytuowania maszyny wzgldem poziomu morza, itd. Zale zatem od krainy klimatycznej (lokalizacji) i ich charakterystyk (np.redniej rocznych opadów, redniej temperatury, itp.). Opady atmosferyczne w postaci deszczu, niegu lub gradu dla maszyn pracujcych na otwartej przestrzeni tworz podzbiór czynników, oddziaływanie których mierzone by mo- e przy pomocy takich wielkoci fizycznych jak: wilgotno, ciar własny pokrywy nienej, chwilowa odkształcalno podłoa itp. Ruch powietrza odgrywa wan rol przy konstrukcjach o wymaganej statecznoci (urawie, wycigi, maszty) i mierzony moe by np. sił oddziaływania wiatru i prdkoci ruchu powietrza.
CZYNNIKI STARZENIOWE ZEWNTRZNE czynniki atmosferyczne czynniki naturalnego podłoa ziemskiego lub roboczego opady atmosferyczne opary ze zbiorników wodnych pole magnetyczne, przyciganie ziemskie gsto, spoisto podłoa ruch powietrza ukształtowanie warstwy wierzchniej podłoa zanieczyszczenia, pyły, gazy przemysłowe wilgotno gruntu aktywno chemiczna atmosfery nagrzanie słoneczne i przemysłowe struktura warstwy wierzchniej rodzaj gruntu, ziarnisto aktywno chemiczna materiału podłoa temperatura podłoa cinienie barometryczne ruch cieczy w zbiornikach wodnych Rys. 4.5 Zewntrzne czynniki starzeniowe nie uwarunkowane funkcjonowaniem obiektu. Cinienie atmosferyczne moe powodowa niepodane rónice cinie w elementach maszyn z okrelonym lotnym lub ciekłym wypełniaczem (układy pneumatyczne, hydrauliczne, zbiorniki).
Nagrzewanie słoneczne lub przemysłowe moe spowodowa niepodane odkształcenia temperaturowe elementów maszyny lub współpracujcych obiektów (szyny kolejowe lub tramwajowe, itp.). Aktywno chemiczna i wilgotno sprzyja intensywnoci procesów korozji materiału, podstawowego tworzywa konstrukcyjnego. Zanieczyszczenia i gazy przemysłowe przenikaj w połczenia i pary kinematyczne maszyn, zwikszajc opory oraz intensyfikujc procesy chemiczne w warstwie poredniej smaru lub chłodziwa. Pole magnetyczne powoduje zmiany własnoci magnetycznych niektórych tworzyw elementów oraz stałe oddziaływanie sił ciaru elementów na elementy none konstrukcji. Gsto, spoisto podłoa warunkuje połoenie, rozruch i ruch maszyny, zalenie od pory roku, warunków klimatycznych, itd. Ukształtowanie warstwy wierzchniej oceniane klasami dróg, współczynnikiem przyczepnoci, ktem wzniesienia, falistoci terenu - powoduje istotne zmiany w warunkach pracy maszyny oraz jej przechowywania. Aktywno chemiczna, temperatura i wilgotno podłoa posiada wpływ podobny jak analogiczne własnoci atmosfery. Ruch cieczy w zbiornikach wodnych powoduje zmiany własnoci mechanicznych tworzywa elementów maszyn, pracujcych w danym rodowisku (np. statki i okrty, pływajce maszyny technologiczne, itd.). Struktura warstwy wierzchniej (ziarnisto, kształt i wymiary ziarna, zawarto kwarcu, piasku) ma szczególnie duy wpływ na zanieczyszczenie par kinematycznych maszyny, głównie roboczych urzdze mechanicznych. Przedstawione czynniki starzenia fizycznego elementów maszyn prowadz do uszkodze starzeniowych, polegajcych na stopniowej utracie własnoci fizycznych przez tworzywo elementu na skutek destrukcyjnego oddziaływania rodowiska oraz zmian zachodzcych w samym tworzywie elementu. Najbardziej typowe uszkodzenia powodowane przez czynniki klimatyczne mona podzieli nastpujco: - cieplne starzenie materiału, powodujce utrat własnoci mechanicznych lub elektrycznych; - rozmikczenie materiału przy wysokich temperaturach, powodujce utrat sztywnoci lub całkowite uszkodzenie niektórych elementów nieodpornych na ciepło; - utrat lepkoci przy wysokich temperaturach, powodujce wycieki np. materiałów impregnacyjnych; - przejcie w stan kruchy niektórych materiałów pod wpływem niskich temperatur; - utrata własnoci smarujcych przy niskich temperaturach rónych płynów eksploatacyjnych; - wzrost lepkoci a nawet zamarznicie przy niskich temperaturach uywanych płynów; - strukturalne zniszczenia przy duym cinieniu atmosferycznym, powodujce uszkodzenia zarówno o charakterze mechanicznym jak i elektrycznym; - pkanie osłon hermetyzujcych lub izolujcych wskutek zmian cinienia; - przenikanie czstek wody lub pary poprzez róne pokrycia; - skutki korozji w zakresie zniszcze mechaniczno-chemicznych; - zasychanie, prowadzce do mechanicznego uszkodzenia materiału; - nadmierne zuycia czci ruchomych wskutek zanieczyszcze piaskiem lub pyłem; - mechaniczne zniszczenia pod wpływem opadów, wiatru itp. Uszkodzenia maszyn i ich elementów pod wpływem oddziaływania nadmiernej temperatury nastpuj przewanie przy przekraczaniu granicznej temperatury roboczej, powodujc zmiany własnoci uytych materiałów (płynów) lub przypieszajcych ich starzenie.
4.4 Sposoby zuywania si maszyn Zuyciem nazywamy proces stopniowego niszczenia czci, pod wpływem czynników fizyko-chemicznych, rodzaju obcie i czasu pracy, w całym okresie eksploatacji. Procesy zuywania si obiektu zachodz tylko podczas wykonywania procesów roboczych (funkcjonowania) obiektu. Procesy zuyciowe obiektów mechanicznych zwizane s z przetwarzaniem energii w prac mechaniczn i towarzyszcymi im siłami, którymi oddziaływuj na siebie jej elementy. W trakcie funkcjonowania obiektu w parach kinematycznych wystpuj reakcje od przyłoonych sił, wynikajce z nałoonych wizów geometrycznych i kinematycznych. W elementach ogniw i par kinematycznych powstaj zmienne naprenia mechaniczne zalene od obcienia, obrotów, jakoci warstwy wierzchniej, itp. Podstawowe rodzaje zuycia (rys.4.6) obejmuj: zuycie cierne, adhezyjne, zmczeniowe, przez utlenianie i cierno-korozyjne. Sam mechanizm przebiegu i opisu rozwoju tych zuy jest stosunkowo trudny i stanowi przedmiot wielu bada. Przykładowo, rónorodno warunków rozwoju korozji w maszynach sprawia, e wyrónia si nastpujce rodzaje korozji: korozja gazowa, korozja w nieelektrolitach, korozja w elektrolitach, korozja glebowa, korozja atmosferyczna, elektrokorozja, korozja kontaktowa, korozja napreniowa, korozja kawitacyjna, erozja korozyjna, korozja biologiczna [3,5]. cierne mikroskrawanie, rysowanie adhezyjne powstawanie i niszczenie połcze adhezyjnych ZUYCIE zmczeniowe cykliczne oddziaływanie napre przez utlenianie tworzenie i usuwanie warstewek tlenkowych cierno-korozyjne połczone działanie procesów zuycia RODZAJ ZUYCIA WIOD CY PROCES Rys. 4.6 Klasyfikacja zuy ze wzgldu na dominujcy proces elementarny. W literaturze technicznej i naukowej istnieje wiele klasyfikacji rodzajów zuycia. S one bardzo zrónicowane i zwykle niepełne, gdy w ich badaniu obserwuje si jedynie skutki
po zatrzymaniu współpracy. Niemoliwe jest obserwowanie procesu zuycia w czasie jego trwania, a ocen zjawisk przeprowadza si na podstawie skutków współpracy i ich korelacji z wymuszeniem (prdko, obcienie, temperatura, itp.), materiałem tworzyw (materiał elementów współpracujcych, substancja smarujca) oraz geometri elementów. Brak jednolitych kryteriów podziału jest spowodowany niedostateczn znajomoci istoty fizycznej procesów zuycia oraz złoonoci wpływu czynników warunkujcych zuycie na przebieg tego procesu. Istnieje jednak potrzeba i moliwo dokonania dla celów praktycznych podziałów, opartych o jednolite kryteria i uwzgldniajcych współczesne zdobycze wiedzy. Wystpujcy w elementach maszyn rodzaj niszczenia jest zaleny od wielu czynników, które mona podzieli na: - geometryczne (kształt, chropowato, błdy kształtu, itp.); - kinematyczne (rodzaj ruchu, prdko, itp.); - dynamiczne (rodzaj obcienia, siła obciajca, nacisk jednostkowy, itp.); - materiałowe (materiał warstwy wierzchniej, jako smarowania, itp.); - rodowiskowe (wilgotno, powinowactwo chemiczne, itp.); - cieplne (temperatura, odprowadzenie ciepła, itp.). Mona wic dokona podziału podanych rodzajów zuy (rys.4.5) dla celów czysto technicznych, na zasadnicze odmiany w nastpujcy sposób: * zuycie cierne : bez warstwy ciernej, z warstw ciern, strumieniowo cierne i w orodku sypkim; * zuycie adhezyjne : bez głbokiego wyrywania i z głbokim wyrywanim; * zuycie plastyczne : w warstwie wierzchniej i w całej masie; * zuycie zmczeniowe : normalne, pitting, spaling, fretting; * zuycie korozyjne : metali i niemetali; * zuycie erozyjne : hydroerozja, erozja gazowa, elektroerozja; * zuycie kawitacyjne : kawitacja przepływowa, kawitacja falowa; * zuycie cieplne : metali, niemetali. Podział ten, cho bardzo pomocny przy omawianiu istoty fizycznej elementarnych procesów zuycia, wymaga dodatkowo uwzgldnienia oprócz mechanizmu niszczenia wpływu warunków zewntrznych na przebieg zuycia. Szczegółowy opis poszczególnych rodzajów zuy jest dostpnie opisany w wielu opracowaniach [3,4,5,6], tu wic przytoczone zostan tylko podstawowe okrelenia charakteryzujce te zuycia. Adhezja (przyczepno) - zjawisko łczenia si powierzchniowych warstw dwóch rónych ciał (faz) doprowadzonych do zetknicia, wskutek przycigania midzyczsteczkowego. Adsorbcja fizyczna (czsteczkowa, powierzchniowa, właciwa) - adsorpcja polegajca na zagszczeniu si substancji na powierzchni adsorbentu pod działaniem sił przycigania midzyczsteczkowego, traktowana jako proces nieodwracalny. Chemisorpcja (dasorpcja chemiczna, adsorpcja aktywowana) - adsorpcja zachodzca wskutek tworzenia si wiza chemicznych, na ogół proces nieodwracalny. Utlenianie - nazwa ogólna procesów chemicznych, przebiegajcych z oddaniem elektronów przez atom lub jon, powodujcych wzrost wartociowoci ujemnej pierwiastka. W szczególnym przypadku jest to łczenie si danej substancji z tlenem. Korozja - stopniowe niszczenie tworzyw wskutek chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania rodowiska.
Dyfuzja - zjawisko przenikania czsteczek jednej substancji w zasig (obrb) drugiej przy bezporednim zetkniciu tych substancji. Odkształcenia plastyczne (trwałe) - odkształcenia, które nie zanikaj po usuniciu statycznego układu sił zewntrznych, który je wywołał. Mikroskrawanie - zjawisko wykrawania w materiale okrelonej mikroobjtoci na skutek skrawajcego działania, znajdujcych si midzy powierzchniami tarcia lub opływajcych powierzchni tarcia czstek cierniwa znacznie twardszego od tworzywa elementu, lub te na skutek skrawajcego działania nierównoci twardszej powierzchni. Bruzdowanie - zjawisko, które polega na wgłbianiu elementu jednego z ciał współpracujcych w cierany materiał i plastycznym wyciniciu w nim bruzdy podczas ruchu. Rysowanie - zjawisko tworzenia rys w cieranym materiale, przez przesuwajcy si element ciała współpracujcego (na skutek wykrawania i odsuwania materiału na boki). Odrywanie - zjawisko podwaania i oddzielania przez wystpy jednej powierzchni, wystpów drugiej powierzchni. Zrywanie połcze tarciowych - zjawisko rozrywania połcze tarciowych wytworzonych w procesie adhezji, zgrzania lub zespawania wierzchołków nierównoci dwóch powierzchni. Przemiany strukturalne i fazowe - przejcie substancji z jednej fazy lub struktury w drug. Rozwój procesów zuyciowych w maszynie wywoływanych rónymi czynnikami wymuszajcymi przedstawiono na rys. 4.7. CZYNNIKI SPRZYJAJ CE ZUYCIU Kształt, ruch, materiały, obróbka powierzchniowa, smary, dodatki do smarów, zanieczyszczenia, wykoczenie powierzchni, obcienia łoysk, szybko na powierzchni, temperatura, czas, drgania, wstrzsy (udary). OZNAKI ZUYWANIA POWIERZCHNI Oddziaływanie tribologiczne współpracujcych powierzchni MECHANIZMY POGARSZANIA STANU POWIERZCHNI Erozja, cieranie, fretting, korozja werowa, zmczenie, korozja zmczenowa, utlenianie
WPŁYW NA CAŁO SYSTEMU TRIBOLOGICZNEGO Praca w warunkach zuycia, zuycie pocztkowe, zuycie normalne, zuycie wzmoone, zuycie awaryjne, (wykładnicze), zuycie katastroficzne, uszkodzenie powierzchni zapocztkowanie pkni zmczeniowych, szybki rozwój pkni Rys. 4.7 Przebieg procesu zuywania si maszyn. MODELOWANIE ZUY Analiza przyczyn uszkodze oraz bogaty materiał eksperymentalny z tego zakresu s podstaw do budowy symulacyjnego modelu uszkodze obiektów mechanicznych. Technika symulacyjna jest tu szczególnie uyteczna ze wzgldu na moliwoci zmian modelowej struktury obiektu jak i parametrów opisujcych proces jego eksploatacji. Modele teoretyczne zakładaj pełn znajomo przebiegu parametru decydujcego o uszkodzeniu i graniczne, dopuszczalne jego wartoci. W rzeczywistoci oszacowanie zmiennoci zuycia czy starzenia jest trudne i najczciej przyblia si przebieg tych parametrów funkcjami liniowymi, potgowymi lub losowymi. Dla niektórych elementów jest wrcz niemoliwa obserwacja tych zjawisk i uszkodzenie elementu objawia si dopiero po osigniciu stanu granicznego (awarii). Podczas uytkowania wielkoci opisujce starzenie i zuycia rosn od wartoci pocztkowej, zadanej projektowo i wykonawczo, a do wartoci granicznej, równowanej uszkodzeniu elementu. Zatem, ze wzgldu na zewntrzn posta moliwoci oceny stanu mona sformułowa dwa modele uszkodze elementów (rys. 4.8) : * model zuy starzeniowych, gdzie parametr starzeniowy jest monitorowany (organoleptycznie, aparaturowo) lub diagnozowany okresowo i pełna znajomo stanu zapobiega nagłym uszkodzeniom i zatrzymaniu maszyny; * model zuy awaryjnych, gdzie brak moliwoci obserwacji stanu elementu prowadzi do uszkodze awaryjnych (bez wczeniejszch symptomów). Z(t) Z(t) z(gr) z(gr) uszkodzenie t uszkodzenie t Rys. 4.8 Modelowe rodzaje uszkodze. Elementy starzeniowe modelowane s z uwzgldnieniem zmiennoci intensywnoci starzenia i zuy oraz moliwoci sterowania chwil naprawy, w zalenoci od biecej wartoci symptomów zuycia. Symulacyjne modelowanie elementów awaryjnych polega na generowaniu zmiennych
losowych odpowiadajcych czasom poprawnej pracy (przebieg km, liczba zadziała) oraz zmiennych losowych dotyczcych napraw (czas naprawy, koszt naprawy, czas oczekiwania na napraw). Badania symulacyjne wykonuje si w oparciu o szerokie moliwoci techniki cyfrowej, odtwarzajc proces eksploatacji maszyny i wykorzystujc wyniki w biecej eksploatacji jak i na etapie projektowania. 4.5 Przyczyny uszkodze Uszkodzenie jest jednym z istotnych zdarze wystpujcych w procesie uytkowania maszyn, determinujcym niezawodno maszyn, efektywno ich wykorzystania, proces obsługiwa technicznych, a take zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Najogólniej pojcie uszkodzenia maszyny zdefiniowa mona jako zdarzenie polegajce na przejciu maszyny (zespołu, elementu) ze stanu zdatnoci do stanu niezdatnoci. Przez stan zdatnoci rozumie si taki stan maszyny, w którym spełnia ona wyznaczone funkcje i zachowuje parametry, okrelone w dokumentacji technicznej. Natomiast przez stan niezdatnoci rozumie si stan maszyny, w którym nie spełnia ona chociaby jednego z wymaga, okrelonych w dokumentacji technicznej. Dla potrzeb analizy przyczyn uszkodze wystpujcych w maszynach istotna jest klasyfikacja postaci uszkodze, zobrazowanych na rys.4.9. Przedstawiona klasyfikacja uwzgldnia jedynie cechy mierzalne charakteryzujce elementy zespołów maszyn. W tej klasyfikacji wyodrbniono trzy grupy: - cechy charakteryzujce makro-geometri elementu; - cechy charakteryzujce mikro-geometri elementu; - złom elementu. Cechy charakteryzujce makro-geometri POSTA USZKODZENIA Cechy charakteryzujce mikro-geometri - zmiana wymiaru, - nierównoległoci osi, płaszczyzn, - nieprostopadłoci osi, płaszczyzn, - owalno, - wichrowato osi, - niewspółosiowo, - inne, - falisto, - chropowato, - przyleganie, - rysy, wgniecenia, wery, - kierunkowo nierównoci, - kruchy, Złom elementu - plastyczny, - dwustrefowy. Rys. 4.9 Klasyfikacja postaci uszkodze.
Dla potrzeb tej klasyfikacji naley okreli przedziały graniczne (stany graniczne), na podstawie których uzna si dane mikro- oraz makro- odkształcenie elementu za niedopuszczalne, a tym samym element za uszkodzony. Jeeli chodzi o złom elementu, to samo kryterium uszkodzenia jest oczywiste. Nieprzypadkowo w tej klasyfikacji zostały wyodrbnione uszkodzenia powierzchni, co do których zaostrzenie wymaga w zakresie jakoci powierzchni s coraz czciej postrzegane jako główne dla rozwoju uszkodze. Aktualny stan techniczny maszyny w eksploatacji zaley od losowego oddziaływania eksploatacyjnych czynników wymuszajcych, od losowego charakteru własnoci pocztkowych nadanych maszynie w procesie wytwarzania oraz zaawansowania procesów starzenia fizycznego i zuy. Wynika z tego, e uszkodzenia maszyn w procesie eksploatacji posiadaj charakter losowy, co zobrazowano na rys. 4.10. Własnoci pocztkowe maszyny podlegajce rozkładowi normalnemu (równomiernemu) [rys.b)] jak i czynniki wymuszajce podlegajce rozkładom przypadkowym [rys. a)] s dalej transformowane w obecnoci obcie na rozwijajce si uszkodzenia [rys.c)], które mona obserwowa za pomoc intesywnoci uszkodze lub krzywej ycia maszyny. Na skutek oddziaływania otoczenia oraz realizacji przez obiekt stawianych mu zada pocztkowe własnoci obiektu mog ulega zmianie, co odzwierciedli si w zmianie wartoci pocztkowych cech mierzalnych oraz ewentualnie w zmianie stanu cech niemierzalnych. czynniki własnoci wymuszajce pocztkowe uszkodzenia Z (t) W (t) MASZYNA λ (t) A (t) S (t) C [ ij ] a) b) c) f(t) f(t) λ (t) t t t Rys. 4.10 Uwarunkowania losowego charakteru uszkodze. [ Z(t) - zakłócenia, W(t) - robocze czynniki wymuszajce, A(t) - czynniki antropotechniczne, S(t) - zewntrzne czynniki wymuszajce, C [ij] - macierz własnoci pocztkowych ]. Uszkodzenie obiektu rozumiane zatem w najbardziej ogólnym sensie polega na tym,e conajmniej jedna z mierzalnych lub niemierzalnych cech obiektu przestaje spełnia stawiane jej wymagania. Uszkodzenia maszyn w toku eksploatacji mog zachodzi w nastpujcy sposób: * wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zuyciowych zachodzcych w maszynie (rys.4.11 a); * w wyniku pojawienia si procesów odwracalnych o rónej intensywnoci przebiegu, wywołanychprzez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartoci jednego lub wicej czynników wymuszajcych (rys.4.11 b);
* w sposób skokowy, objawiajcy si niecigłym przejciem jednej lub wicej cech poza granice przyjte za dopuszczalne dla danej maszyny (rys.4.11 c). a) b) c) C C C obszar zdatnoci obszar zdatnoci obszar zdatnoci czas czas czas Rys. 4.11 Moliwe sposoby zmiany stanu maszyny. Uwzgldniajc dotychczasowe rozwaania mona wskaza na główne przyczyny powstawania uszkodze, które klasyfikuje si nastpujco: - konstrukcyjne - uszkodzenia powstałe wskutek błdów projektowania i konstruowania obiektu, najczciej przy nie uwzgldnieniu obcie ekstremalnych, tzn. wartoci, które w istotny sposób przekraczaj obcienia nominalne, prowadzc wprost do uszkodze; - produkcyjne (technologiczne) - uszkodzenia powstałe wskutek błdów i niedokładnoci procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkoci powierzchni, obróbki termicznej, itp.) lub wad materiałów elementów obiektu; - eksploatacyjne - uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowizujcych zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływa czynników zewntrznych nie przewidzianych dla warunków uytkowania danego obiektu, co prowadzi do osłabienia i przedwczesnego zuycia i osignicia stanu granicznego; - starzeniowe - zawsze towarzyszce eksploatacji obiektów i bdce rezultatem nieodwracalnych zmian, prowadzcych do pogorszenia wytrzymałoci i zdolnoci współdziałania poszczególnych elementów. W ujciu potrzeb diagnostyki na wszystkich etapach istnienia obiektu mamy do czynienia z rónego rodzaju przypadkowoci, szczególnie za dotyczy to wytwarzania i eksploatacji obiektów. W ramach danej klasy tolerancji wykonawczej istnieje przypadkowy rozrzut wymiarów midzy rónymi egzemplarzami tej samej partii wytworu. Podobn przypadkowo mona zaobserwowa mierzc własnoci tych egzemplarzy, takie jak np.: sprysto, plastyczno, twardo, zdolno tłumienia drga, itp. W dziedzinie własnoci mikroskopowych w pierwszym rzdzie naley wymieni rónice w składzie fizykochemicznym i mikrostrukturze midzy elementami, a zwłaszcza ich warstwami wierzchnimi, gdy one to włanie s najbardziej naraone na działanie kompleksowych obcie w póniejszym procesie eksploatacji. Podczas montau współpracujcych elementów maszyn w jedn funkcjonaln cało, mimo starannego doboru i kojarzenia par obrotowych, suwliwych oraz połcze stałych o rónych sposobach wykonania (spawanie, klejenie, nitowanie, złcza rubowe, itp), na kadym etapie s nieuniknione przypadkowe odchyłki od wzorca idealnego procesu montau. W wietle powyszego staje si jasne, e analiza partii maszyn tego samego typu wykae przypadkowo ich własnoci geometryczno-mechanicznych, powodujcych rozrzut w charakterze procesów dynamicznych zachodzcych w tych maszynach. Zmiany te, w poł-
czeniu ze zmianami wymusze wejciowych maszyny, zarówno zdeterminowanymi (np. zmiana obrotów, obcienia, itp), jak i niezdeterminowanymi (zakłócenia niesterowalne), objawiaj si ostatecznie w rozrzucie własnoci funkcjonalnych poszczególnych egzemplarzy. Uszkodzenie lub zniszczenie obiektu technicznego nastpuje pod wpływem przenoszonej przez niego energii. Zalenie od tego, jaki rodzaj energii dominuje w danych warunkach, przyczyny uszkodze elementów mona podzieli na nastpujce grupy: - mechaniczne - naprenia statyczne, pełzanie, zmczenie, pitting, zuycie cierne; - chemiczne - korozja metali, starzenie gumy, farb, izolacji, butwienie drewna; - elektryczne - elektrokorozja; - cieplne - nadtapianie, intensyfikacja przebiegu zjawisk. Naley przy tym mie na uwadze, e niszczenie materiału wie si z przechodzeniem energii jednego rodzaju w energi innego rodzaju. Czsto na element jednoczenie działa energia kilku rónych rodzajów. Dotyczy to np. energii mechanicznej i cieplnej, wywołujcej pełzanie lub zmczenie; mechanicznej i chemicznej, wywołujcej zmczenie korozyjne lub zuycie korozyjne; elektrycznej i chemicznej, wywołujcej korozj elektrochemiczn. 4.6 Klasyfikacja uszkodze Uszkodzenia obiektów zachodz w wyniku oddziaływania eksploatacyjnych (roboczych i zewntrznych) czynników wymuszajcych, oraz w wyniku rónych błdów, które mog wystpi w procesie projektowania, konstruowania, wytwarzania, w transporcie, przechowywania, itd. Z powodu wystpowania rónorodnych przyczyn uszkodze obiektów, intensywno wystpowania tych uszkodze w toku eksploatacji jest róna. Typow posta przebiegu zmian intensywnoci uszkodze obiektów w czasie eksploatacji przedstawiono na pogldowo na rys. 4.12. λ I okres II okres III okres konieczna naprawa, likwidacja uszkodzenia losowe okres starzenia okres normalnej eksploatacji okres zuy przypieszonych wstpnego t1 t2 czas Rys. 4.12 Przebieg intensywnoci uszkodze (λ) maszyny podczas eksploatacji. Z wykresu przebiegu intensywnoci uszkodze wynika, e jest ona róna dla kolejnych etapów eksploatacji obiektów. W okresie I (starzenia wstpnego) wystpuje znaczna intensywno uszkodze, powodowana ukrytymi wadami materiałowymi, błdami wytwarzania, szczególnie montau oraz
bldami w czasie transportu i podczas przechowywania. Duy wpływ na zmniejszenie intensywnoci uszkodze w tym okresie ma kontrola jakoci, tak wstpna, midzyoperacyjna jak i ostateczna, a take odbiór techniczny i przegld zerowy dokonywany czsto w imieniu producenta przez zaplecze techniczne. Okres II (normalnej eksploatacji) charakteryzuje si obnionym i w przyblieniu ustabilizowanym poziomem intensywnoci uszkodze. W tym najdłuszym okresie eksploatacji uszkodzenia maj charakter nagły i zachodz losowo. W okresie III (katastroficzne narastanie uszkodze) stopniowo narasta intensywno uszkodze, spowodowane sumowaniem si rónych przyczyn uszkodze oraz gwałtownym zuyciem elementów maszyny. Podziału uszkodze dokona mona przyjmujc róne kryteria klasyfikacyjne, jak np.: - czas trwania; - sposób ujawniania si; - wzajemne powizania; - przyczyny pojawiania si; - charakter pojawiania si. Najbardziej ogólny podział, z punktu widzenia moliwoci dalszego wykorzystania obiektu, obejmuje: - uszkodzenia czciowe, gdy obiekt przestaje wykonywa jedn lub kilka ze zbioru realizowanych funkcji, wykonujc jednak nadal normalnie pozostałe; - uszkodzenia zupełne, gdy obiekt przestaje wykonywa wszystkie swoje funkcje. Ze wzgldu na losowe zmiany stanów fizycznych zachodzcych w obiekcie, uszkodzenia mona klasyfikowa (rys. 4.13) : * według poziomu oddziaływania czynników eksploatacyjnych i zuyciowych na: - uszkodzenia przy dopuszczalnym poziomie czynników, uszkodzenia wystpujce w trakcie dopuszczalnego przebiegu zmian poziomów oddziaływania czynników; USZKODZENIA poziom czynników zakres zmian prdko zmian zbieno dopuszczalny poziom nieodwracalne skokowe przypadkowe przekroczony poziom odwracalne stopniowe systematyczne odnawialne Rys. 4.13 Klasyfikacja uszkodze w aspekcie losowych oddziaływa procesów fizycznych. - uszkodzenia przy niedopuszczalnym poziomie czynników, uszkodzenia wystpujce na skutek przekroczenia dopuszczalnego poziomu oddziaływania czynników;
* według zakresu zmian na: - uszkodzenia nieodwracalne, uszkodzenia elementu wykluczajce jakiekolwiek jego celowe zastosowanie; - uszkodzenia odwracalne, uszkodzenia elementu pozwalajce na jego dalsze celowe zastosowanie; * według prdkoci przebiegu zmian na: - uszkodzenia skokowe, uszkodzenia elementu nastpujce przy tak nagłej zmianie wartoci przyjmowanej przez wielkoci fizyczne (zanikanie własnoci), e nie da si dokładnie przewidzie chwili uszkodzenia; - uszkodzenia stopniowe, uszkodzenia elementu nastpujce przy tak powolnej zmianie wielkoci fizycznych, e istnieje moliwo przewidywania chwili uszkodzenia na okrelonym poziomie ufnoci. Ze wzgldu na współzaleno elementów konstrukcyjnych maszyny uszkodzenia dziel si nastpujco: - niezalene (pierwotne) - powstałe na skutek dowolnej przyczyny, z wyjtkiem jednak uszkodzenia innego elementu. Uszkodzenia pierwotne czci s niezalene od miejsca zajmowanego w strukturze funkcjonalnej obiektu i jest rozumiane jako zdarzenie wywołane procesami fizyko- chemicznymi (starzeniowymi i zuyciowymi) zachodzcymi w danym elemencie lub parze kinematycznej; - zalene (wtórne) - powstałe na wskutek zaistnienia uszkodzenia innego elementu. Powstaj one jako skutek uszkodzenia pierwotnego. Awaria - jest szerszym pojciem ni uszkodzenie i dotyczy uszkodzenia maszyny lub urzdzenia ograniczajcego lub uniemoliwiajcego dalsze jego działanie. Awaria jest stanem bardzo niepodanym, gdy nawet niewielkie uszkodzenie inicjujce moe rozwin si w cig uszkodze elementów, zespołów lub nawet całego kompleksu maszyn doprowadzajc do katastrofy o duym zasigu zniszcze z ofiarami w ludziach włcznie. W innych przypadkach niewielka nawet awaria moe prowadzi do wstrzymania przebiegu rozbudowanego procesu (np. chemicznego) lub linii produkcyjnej. Z powyszych powodów unikanie awarii jest bardzo wane, a rodki zapobiegawcze o wiele mniej kosztowne ni usuwanie awarii. Wczesne wykrywanie zagroenia awaryjnego jest jednym z podstawowych zada diagnostyki technicznej, dokonywane jest to na drodze oceny cigłej (monitorowania) lub chwilowej stanu technicznego maszyny i prognozowania jej stanów przyszłych np. poprzez analiz trendów zmiennoci sygnałów diagnostycznych. Odmienn grup stanowi uszkodzenia powstałe na skutek rozregulowania. Uszkodzenia takie zazwyczaj daj si usun przy pomocy elementów regulacyjnych, znajdujcych si w obiekcie. Logiczny opis struktury i ustalenie zwizków przyczynowo-skutkowych zachodzcych midzy elementami obiektu lub midzy elementami a czynnikami wymuszajcymi (co jest zadaniem diagnostyki) pozwala na klasyfikacj rodzajów zdarze uszkodze -rys. 4.14 - w wyniku zaistnienia których obiekt moe znale si w stanie niezdatnoci. Wyłczajcymi si (niewyłczajcymi si) uszkodzeniami nazywa si takie uszkodzenia rónych elementów lub tego samego elementu, e zaistnienie jednego z uszkodze wyklucza (nie wyklucza) zaistnienia innych uszkodze.
USZKODZENIA wyłczajce si niezalene bezwarunkowe nie wyłczajce si zalene warunkowe Rys. 4.14 Rodzaje uszkodze w aspekcie zwizków przyczynowo-skutkowych. Niezalenymi (zalenymi) uszkodzeniami maszyny nazywa si takie uszkodzenia, e jedno uszkodzenie wpływa (nie wpływa) na powstawanie innych uszkodze. Uszkodzeniami bezwarunkowymi (warunkowymi) nazywa si takie uszkodzenia, e jedno z nich nie pociga (pociga) za sob pojawienie si innych uszkodze. W procesie eksploatacji, wspomaganym metodami diagnostyki technicznej, biorc pod uwag charakter zmian wartoci wymusze (obcie) działajcych na obiekt wyrónia si: - uszkodzenia przypadkowe (nagłe), które powstaj w wyniku działania bodców skokowych powodujcych przekroczenie ustalonych wartoci dopuszczalnych parametrów poprawnej pracy; uszkodze nagłych nie mona przewidzie na podstawie wyników wykonywanych obsługiwa technicznych, w tym i diagnostyki; - uszkodzenia zuyciowe (naturalne) bdce wynikiem nieodwracalnych zmian właciwoci pocztkowych obiektu, zachodzcych podczas eksploatacji, na skutek procesów starzenia i zuywania si; uszkodzenia zuyciowe powstaj od bodców, które kumuluj si w czasie jego uytkowania i mona je przewidywa majc wyniki pomiarów diagnostycznych. Podział uszkodze na naturalne i nagłe jest wzgldny, poniewa kade uszkodzenie powstaje wskutek nagromadzenia si nieodwracalnych zmian w elementach i jedynie niedoskonałoci metod pomiarowych naley przypisa, e dla dzisiejszych uszkodze nagłych nie mona dokona pomiarów zachodzcych zmian. Ostatnio wic coraz wicej uwagi powica si wyjanieniu procesów powstawania uszkodze jako czasowego procesu kinetycznego, którego szybko i mechanizm s okrelone struktur i własnociami materiału, napreniami spowodowanymi przez obcienia oraz temperatur. W zwizku z tym jest analizowana klasyfikacja uszkodze z punktu widzenia procesów fizyko-chemicznych, bezporednio lub porednio wpływajcych na powstanie uszkodzenia. Taka klasyfikacja procesów moe by dokonywana według nastpujcych kryteriów: - rodzaju (klasy) materiału; - miejsca przebiegu procesów; - rodzaju energii okrelajcej charakter procesu; - rodzaju oddziaływa czynników; - charakteru (mechanizmów wewntrznych) zachodzcych procesów. Dla obiektów zmieniajcych stan w sposób nagły głównym celem diagnostyki jest wyznaczanie intensywnoci uszkodze, natomiast dla obiektów zuywajcych si w sposób cigły celem diagnostyki jest okrelenie dynamiki zmian klas zdatnoci.
4.7 Miary uszkodze Analiza przyczyn uszkodze obiektu wie si bezporednio z ustaleniem mechanizmu zmian stanu obiektu, charakteryzowanego w dowolnej chwili za pomoc zbioru cech zwanych własnociami obiektu. Własnoci obiektu naley zatem rozumie jako zespół mierzalnych i niemierzalnych cech obiektu wynikajcych z rozwiza konstrukcyjnych, zaprojektowanych kształtów geometrycznych, przyjtej technologii wytwarzania oraz własnoci mechanicznych i fizykochemicznych tworzyw konstrukcyjnych. Zbiór cech mierzalnych charakteryzuje si tym, e dla kadej z nich okrelono dopuszczalne granice zmiennoci (max., min.) takie, i kada warto cechy z tego przedziału odpowiada poprawnemu działaniu obiektu (stanowi zdatnoci). Natomiast dla cech niemierzalnych mona bezporednio lub porednio ustali kryteria pozwalajce jednoznacznie stwierdzi, czy dana cecha niemierzalna spełnia w przedziale czasowym wymagania poprawnego działania obiektu (1), czy te ich nie spełnia (0). Zatem uszkodzeniem obiektu nazywa si zdarzenie polegajce na tym, e co najmniej jedna z mierzalnych lub niemierzalnych cech obiektu przestaje spełnia wymagania dotyczce jego poprawnego działania. W odniesieniu do cech mierzalnych za uszkodzenie uwa- a zatem naley kade przekroczenie jednej z wartoci granicznych przedziału (max.-min.) przez którkolwiek z cech, natomiast w odniesieniu do cech niemierzalnych-przejcie którejkolwiek cechy ze stanu (1) do stanu (0). Dla maszyn i ich elementów, które podlegaj na wiele sposobów starzeniu i zuyciom miary uszkodze s okrelane doln i górn granic dopuszczalnych wartoci mierzonych cech stanu w okrelonych jednostkach. Przedziały dopuszczalnych wartoci s okrelane odpowiednimi normami technologicznymi, przestrzeganymi przez konstruktora i wytwórc, podanymi w dokumentacji techniczno-ruchowej jako zalecenia dla eksploatatorów. W czstych przypadkach braku takich zakresów zmiennoci cech stanu maszyny (elementu) zdatnej naley w praktyce eksploatacyjnej stworzy dla posiadanego parku maszynowego własny bank informacji o miarach nadzorowanych uszkodze. W ujciu systemowym wskaniki i miary uszkodze umoliwiaj ilociow ocen niezawodnoci maszyn lub ich elementów oraz stawianie konkretnych wymaga obiektom nowo konstruowanym. Dziki tym wskanikom jest moliwa ocena i porównywanie obiektów ze wzgldu na ich niezawodno oraz uwzgldnienie wpływu tej niezawodnoci na efektywno wykonywania zada. Ponadto wskaniki niezawodnoci stanowi podstaw dla prawidłowej organizacji procesów obsługiwa technicznych i racjonalnej gospodarki czciami zamiennymi. W zwizku z przypadkowym charakterem wystpowania uszkodze w maszynach, wskaniki niezawodnoci s wielkociami losowymi. Okrela si je za pomoc metod statystyki matematycznej oraz teorii prawdopodobiestwa. Obiekty mechaniczne mona podzieli na: naprawialne i nienaprawialne, co jednoznacznie wie si z zadaniami jakie musi obiekt wykona, zgodnie z załoeniami konstrukcyjnymi. A. Dla nienaprawialnych obiektów, dla których umownie zachodz nieodwracalne zmiany a okres do do uszkodzenia traktowany jest jako zmienna losowa, zadania stawiane przed obiektem s okrelane nastpujco: - zachowanie wymaganych wartoci wielkoci fizycznych opisujcych stan obiektu do pierwszego uszkodzenia; - zachowanie wymaganych wyej wartoci do pierwszego uszkodzenia lub do osignicia stanu granicznego;