...najszybciej robi si rzecz, samodzielnie... ROZDZIAŁ I WIADOMOCI OGÓLNE 1. WSTP 2. DETERMINANTY SYSTEMU ISTNIENIA MASZYN 3. WIBROAKUSTYKA MASZYN 4. ZAGROENIA DRGANIOWO HAŁASOWE 5. IDENTYFIKACJA STANU DYNAMICZNEGO MASZYN 6. PROGNOZOWANIE STANU MASZYN
1. WSTP Zagadnienia poprawnoci działania i jakoci maszyn i ich wytworów stały si w ostatnim czasie wanymi problemami technicznymi i ekonomicznymi w zmieniajcym si systemie gospodarczym, włczonym w obszar działania gospodarki wolnorynkowej. Powszechnie obserwuje si wzrost zainteresowania problemami pozyskiwania informacji z bada dla potrzeb nowoczesnego konstruowania, wytwarzania i eksploatacji maszyn. Wzrost wymaga niezawodnociowych wraz z zastosowaniem wielu obiektów w nowych dziedzinach ycia (zarzdzanie, medycyna) spowodował rozwój komputerowych urzdze diagnostycznych, umoliwiajcych detekcj i lokalizacj uszkodze wraz z generowanymi decyzjami eksploatacyjnymi, ustalanymi przy pomocy metod sztucznej inteligencji. Modelowania zmian stanu obiektów umoliwia ocen indywidualnego przebiegu procesów destrukcji w elementach, moliwo opisu zmiennych obcie i ich wpływu na kształtowanie si w czasie eksploatacji symptomów stanu, a take pozwala na ucilenie wartoci granicznych symptomów i terminów kolejnych bada stanu. Powysze zagadnienia umoliwiaj generowanie informacji w zakresie oceny stanu dynamicznego, wyznaczania kresu racjonalnej eksploatacji maszyn, sposobu ich utylizacji, a take utrzymania w ruchu w okrelonej zdatnoci zadaniowej. Obserwujc rozwój techniki w dziedzinie konstruowania i wykorzystania maszyn mona zauway dwie zasadnicze tendencje: optymalizacja wagowa i gabarytowa maszyn i urzdze oraz wzrost wydajnoci procesów technologicznych, głównie przez podwyszenia prdkoci eksploatacyjnych. Z punktu widzenia skutków dynamicznych tych tendencji mona je scharakteryzowa nastpujco: podwyszenie prdkoci eksploatacyjnych daje w efekcie wzrost obcie dynamicznych, za obydwie tendencje optymalizacyjne daj wzrost podatnoci dynamicznej maszyn i urzdze. Do jakociowych miar stanu dynamicznego maszyny, czyli jej dynamicznoci zalicza si poziom amplitud drga, zarówno maszyn jako całoci, jak równie drga wzgldnych poszczególnych elementów i czci. Drgania całociowe maszyny mona uzna za objaw zewntrzny, gdy one s odpowiedzialne za poziom zakłóce emitowanych w otoczenie. Natomiast drgania wzgldne poszczególnych elementów rzutuj przede wszystkim na stan sił wewntrznych w maszynie, czyli na jej poziomie amplitud napre dynamicznych. Z uwagi na istotny zwizek poziomu napre dynamicznych z trwałoci maszyny, dogodnie jest przyj je za odrbn miar dynamicznoci [16,28,30,40,71,81]. Zalenoci midzy stanem dynamicznym maszyny i jej wskanikami jakoci mona porówna z amplitud drga maszyny i jej elementów. Mona wykaza, e naprenia dynamiczne w konstrukcji s wprost proporcjonalne do skutecznej amplitudy prdkoci drga, podobnie jak poziom hałasu promieniowanego przez konstrukcje powierzchniowe. Tak wic, dobr miar stanu dynamicznego maszyny jest jej stan drganiowy, za chcc podwyszy podstawowe wskaniki jakoci maszyn, naley za pomoc istniejcych metod i rodków obniy amplitudy drga. Wielko niezbdnego obnienia amplitudy w konkretnym przypadku dyktuj odpowiednie przepisy norm pastwowych, branowych itp., za moliwe do zastosowania rodki, metody i ich efektywno omówiono w tym rozdziale. Umiejscowienie przedstawionej problematyki w yciu maszyny uzasadnia treci tego rozdziału, gdzie omówiono determinanty systemu istnienia maszyn, elementy identyfikacji i wibroakustyki jako podstawowe dziedziny opisu stanu dynamicznego maszyn oraz elementy prognozowania stanu maszyn stanowice podstaw nowoczesnych strategii eksploatacji. Takie umocowanie problematyki ułatwia rozwaania szczegółowe dalszej czci opracowania, gdzie szczegółowo omawiane s główne problemy dynamiki maszyn.
2. DETERMINANTY SYSTEMU ISTNIENIA MASZYN 2.1 Wstp W inynierii mechanicznej, w budowie i eksploatacji maszyn czynnikiem stymulujcym bezporednio rozwój diagnostyki jest odpowiedzialno funkcji realizowanej przez maszyn, w tym szczególnie minimalizacja: zagroe zdrowia i ycia ludzkiego, zagroe rodowiska biologicznego i technicznego, zagroe wartoci ekonomicznych (w tym i jakoci). Diagnostyka techniczna to zorganizowany zbiór metod i rodków do oceny stanu technicznego (jego przyczyn, ewolucji i konsekwencji) systemów technicznych. W wikszoci przypadków s to systemy działaniowe, celowo zaprojektowane dla wykonania okrelonej misji, generujce lub transformujce informacje, które s wykorzystywane do oceny ich stanu technicznego [16,81]. Potrzeba stosowania diagnostyki znajduje swoje uzasadnienie w modelu destrukcji obiektu, uwzgldniajcego zwizek zaawansowania zuycia proporcjonalny do energii dyssypacji, wicy si z czasem istnienia obiektu, poziomem konstrukcji, nowoczesnoci technologii wytwarzania, intensywnoci uytkowania oraz jakoci obsługiwa technicznych. Przedstawiony zakres wiedzy formułuje obszar zagadnie definiujcych podstawy diagnostyki technicznej oraz moliwoci jej efektywnego wykorzystania. Diagnostyka techniczna jest to wic uznana ju dziedzina wiedzy o rozpoznawaniu stanów obiektów technicznych w teraniejszoci, w przyszłoci i w przeszłoci. Obiektem bada diagnostyki technicznej moe by cały obiekt, zespół, podzespół, a nawet pojedycza cz, coraz czciej na kolejnych etapach ich istnienia. Diagnoza - to rozpoznanie stanu rzeczy (obiektu, procesu) przez zaliczenie go do znanego gatunku przez przyczynowe i celowe wyjanienie tego stanu rzeczy, oznaczenie fazy obecnej oraz przewidywanie dalszego rozwoju. Rodzaje bada diagnostycznych: genezowanie; diagnozowanie; prognozowanie. Fazy badania diagnostycznego: kontrola stanu; lokalizacja uszkodze. Badania i ocena stanów, ustalenie przyczyn zaistniałych stanów, a take przewidywanie rozwoju zmian stanów - przedmiotów diagnozowania to główne zadania diagnostyki technicznej. Cele diagnostyki s osigane poprzez: poznanie natury procesów fizyczno-chemicznych wykorzystywanych jako noniki informacji o zmieniajcym si stanie obiektów; badania procesów fizyczno-chemicznych umoliwiajcych ustalenie zbioru parametrów diagnostycznych (symptomów stanu); ustalenie zbiorów niezalenych i zupełnych cech stanu (liczba stanów) i parametrów diagnostycznych; poszukiwania modelu diagnostycznego przedmiotu diagnozy dla okrelonych podzbiorów cech stanu i parametrów diagnostycznych, model diagnostyczny ustala algorytmy tzn. porzdkuje zbiory sprawdze: diagnozowania, prognozowania i genezowania stanów; algorytmy: diagnozowania, prognozowania i genezowania stanów wymuszaj odpowiedni podatno diagnostyczn obiektu technicznego (podatno diagnostyczna to: diagnozowalno [model, metoda, skuteczno] i technologiczno diagnostyczna [punkty, dostp, wygoda]); opracowywanie zasadnych metod i urzdze diagnostycznych;
opracowywanie procesów technologicznych, czyli postpowania praktycznego w badaniach i ocenie stanów obiektów technicznych; wymienione elementy i diagnoci tworz podsystem diagnostyczny usprawniajcy funkcjonowanie maszyn, pod warunkiem. e zostały okrelone: funkcja i sposób wykorzystania DT; wdroone systemy diagnostyczne podlegaj ocenie w aspekcie: efektywnoci ekonomicznej, niezawodnoci i bezpieczestwa funkcjonowania systemów działania. 2.2 Zakres problematyki diagnostyki technicznej Aby okreli zakres zastosowa diagnostyki technicznej, celowym jest przeanalizowanie całego okresu istnienia dowolnego obiektu i wyselekcjonowanie sytuacji, w których uwzgldnianie działa diagnostycznych jest niezbdne. Okrelenie "okres istnienia obiektu" stosuje si zwykle do okresu rozpoczynajcego si z chwil sformułowania wymaga (warunków technicznych), które spełni powinien nowoprojektowany obiekt, a koczcego si wraz z jego likwidacja (złomowaniem, rozbiórk i utylizacj). Istnieje moliwo sterowania jakoci systemu działaniowego w rónych zakresach - ocena projektowania, produkcji, eksploatacji lub całego cyklu istnienia. Sterowanie cechami uytkowymi obiektu (jako, bezpieczestwo, efektywno - w ujciu antropotechnicznym) w całym cyklu istnienia jest moliwe przy wykorzystaniu informacji diagnostycznej, przetworzonej na decyzje projektowe, produkcyjne i eksploatacyjne. Diagnostyka obiektów technicznych jest w chwili obecnej antycypowana dychotomicznie, jako wsparta modelowo i jako diagnostyka symptomowa. Oparcie si na modelu działania obiektu dla wykrywania i lokalizacji uszkodze jest najprostsze dla systemów sterowania obiektami technicznymi, gdzie ich modele s na ogół jawne i o małej złoonoci. Jednak w układach i obiektach czysto mechanicznych wymiar równa ruchu obiektu jest bardzo duy, a do tego dochodz procesy starzeniowe i zuyciowe powodujce ewolucj stanu obiektu. Std podejcie metodami diagnostyki symptomowej i próby budowy ilociowych modeli symptomowych. Czasami te próby zawodz, gdy nawet model symptomowy (mimo, i jest przyczynowo-skutkowy) cechuje si niejawnoci. Jest tu zatem miejsce na szerokie zastosowania inteligencji komputerowej, czyli systemów ekspertowych i sieci neuronowych z udziałem logiki rozmytej. W myl ogólnej teorii systemów, systemy działaniowe s to systemy otwarte z przepływem masy, energii i informacji, a wic s to układy transformujce energi z nieodłczn jej dyssypacj wewntrzn i zewntrzn. Tak wic wejciowy strumie masy (materiału), energii i informacji jest przetworzony na dwa strumienie wyjciowe, energi uyteczn w postaci innej podanej jej formy lub te produktu bdcego celem projektowanym danego obiektu. Drugi strumie to energia dyssypowana, czciowo eksportowana do rodowiska lub metasystemu, a czciowo akumulowana w obiekcie jako efekt rónych procesów zuyciowych zachodzcych podczas pracy maszyny. Zaawansowanie tych procesów zuyciowych determinuje jako funkcjonowania kadego obiektu, co syntetycznie pokazano na rys.1.1. Jak wida z rysunku wszystkie moliwoci diagnozowania daj si uj w trzy podstawowe grupy, objaniajce sens postpowania badawczego w zakresie oceny jakoci stanu lub wytworu. Pierwsza z nich to diagnostyka przez obserwacj procesów roboczych, monitorujc ich parametry w sposób cigły, czy te na specjalnych stanowiskach prowadzc badania sprawnociowe maszyn (moc, moment, prdko, cinienie itp.). Przed tym rodzajem bada diagnostycznych otwarta jest przyszło z racji coraz czciej wprowadzanych do maszyn
sensorów mechanotronicznych, mikroprocesorów itp., przy czym w takim przypadku wymagana jest znajomo modelu funkcjonowania obiektu. Drugi sposób diagnozowania maszyn ujmuje badania jakoci wytworów, zgodnoci wymiarów, pasowa, połcze itp., gdy ogólnie tym lepszy stan techniczny maszyny im lepsza jako produkcji. zakłócenia MASZYNA STATYKA I DYNAMIKA energia uyteczna (wytwór) energia procesy robocze * monitorowanie parametrów procesu * badania sprawnociowe sterowanie X(t, Θ, r) destrukcyjne rozpro- badania wytworu STAN TECHNICZNY zasilanie (energia, materiał) sprzenie szona procesy tribowibroakustyczne procesy resztkowe zwrotne - drgania, hałas, - pulsacja cinienia, - procesy cieplne, - produkty zuycia, - procesy elektromagnet., - ultradwiki, - inne. Rys.1.1 Maszyna jako system przetwarzania energii i jej moliwoci diagnozowania. Trzecia moliwo diagnozowania to obserwacja procesów resztkowych, wykorzystujca róne procesy fizyko-chemiczne, zawarte w procesach wyjciowych z funkcjonujcej maszyny i bdca ródłem wielu atrakcyjnych metod diagnozowania maszyn. Warto w tym miejscu w uproszczony sposób pokaza ogóln istot diagnozowania maszyn, zakładajc poszukiwania zwizków pomidzy stanem maszyny Xn a generowanymi sygnałami diagnostycznymi Sm, z pominiciem dla prostoty rozwaa innych oddziaływa zewntrznych (rys.1.2). W tablicy obserwacji (rys.1.3) z jednej strony mamy zestaw moliwych uszkodze (n), reprezentowanych przez cechy stanu odwzorowujce rozwijajce si X S uszkodzenia A (X, S) symptomy n m m n Rys.1.2 Obserwacja stanu maszyny X za pomoc symptomów S. uszkodzenia. Z drugiej za strony z pomiarów otrzymujemy zestaw symptomów (Sm), charakterystyczny dla stanu rozwoju uszkodze w chwili pomiaru symptomów. Jak wida z rysunku o jednym uszkodzeniu moe informowa wiele symptomów, przy czym rozwizanie problemu diagnostycznego wymaga spełnienia warunku: m n. Operator A, wicy cechy stanu obiektu X i jego symptomy S po zidentyfikowaniu, pozwala na bazie pomierzonych symptomów S wnioskowa o stanie X.
Symptomy Cechy Sm Wartoci mierzonych symptomów stanu obiektu Xn C K I Psk... F0... Hv... m 1. Bicie 2. Luz 3. Zacisk... Symptomy diagnostyczne... w dziedzinie czasu, amplitud, czstotliwoci.... ( wymiarowe, bezwymiarowe ) n. Ilo pracy Rys.1.3 Tablica obserwacji symptomów Sm dla wybranych cech stanu obiektu Xn. Realizowane zadanie diagnostyczne mona zatem przedstawi w postaci przykładowego algorytmu, pokazanego na rys.1.4. Stałe warunki bada (zasilanie, sterowanie, zakłócenia) Procesy Przetwornik Symptomy ZNANE dynamiczne proces - stanu maszyny - sygnał maszyny S OBIEKT BADA (maszyna) Rozpoznanie stanu maszyny Decyzja X = A 1 S Informacja Niezalene NIEZNANE X o stanie cechy maszyny stanu CEL DIAGNOZOWANIA Rys.1.4 Kolejno postpowania podczas diagnozowania maszyny. Głównym problemem w analizie zmieniajcego si stanu maszyny jest wic wyznaczenie sygnału wyjciowego S na podstawie historii sygnału na wejciu X oraz własnoci układu maszyny A, co mona zapisa zalenoci: X = A S (1.1) W badaniach systemowych ten problem znany jest jako problem odwrotny analizy systemów, gdzie przy danej historii zachowania si obiektu na wejciu i na wyjciu naley wyznaczy model przyczynowo-skutkowy zaistniałego stanu. Rozwizujc zatem zagadnienie odwrotne w liniowym przyblieniu trzeba zidentyfikowa najpierw A, póniej mierzc S wnioskowa o stanie X, co zapisuje si zalenoci: S = A 1 X (1.2) W diagnostyce problem ten dotyczy braku jednoznacznych relacji przyczynowoskutkowych pomidzy moliwymi przyczynami (zrónicowane zaawansowanie rozwijajcych
si uszkodze lub rozregulowa) obserwowanych skutków (mierzonych sygnałów), które nie maj zwykle charakteru przyczynowo-skutkowego. Moliwe w tym wzgldzie bardzo rozbudowane modele analityczne, wystpujce najczciej w postaci układów równa róniczkowych i dostatecznie dokładnie opisujce działanie diagnozowanych maszyn, wymagaj rozwiza jedynie na drodze numerycznej, którym daleko jeszcze do aplikacji diagnostycznych. Szansa oceny stanu technicznego maszyn podczas konstruowania, wytwarzania lub eksploatacji, czsto bez potrzeby wyłczania ich z ruchu - a nawet w sposób bezkontaktowy, umoliwia udzielenie odpowiedzi na podstawowe pytania: - jaka jest maszyna (element, zespół) podczas konstruowania? - jaka jest maszyna po jej wytworzeniu? - jaka jest maszyna w czasie uytkowania i / lub obsługiwania? - jak przebiega proces technologiczny realizowany przez maszyn? Odpowiedzi na te pytania uzyska mona z opracowanych procedur diagnostycznych, zawierajcych szczegółowe algorytmy badania diagnostycznego, dajcych odpowiedzi na pytania uytkowników: - co mierzy? (jaki proces, dlaczego ten, w którym miejscu); - jak mierzy? (sposób akwizycji sygnału, jakie parametry procesu, jakie cechy stanu, jak czsto); - czym mierzy? (oprzyrzdowanie, przygotowanie sygnału, sposób przetwarzania); - jak wnioskowa? (modele, stany graniczne, decyzje). Okrelane metodami diagnostyki technicznej w procesie diagnozowania decyzje diagnostyczne o stanie maszyny s wyróniane za pomoc rónego rodzaju wskaników (cech, symptomów). Zawsze jednak ich forma prezentacji powinna by dostosowana do moliwoci percepcyjnych, decyzyjnych i wykonawczych uytkowników diagnozowanego obiektu. Std du rol przypisuje si w tym zakresie nowoczesnym technologiom informatycznym. Przytoczone skrótowo powyej treci główne, motywujce potrzeb i rozwój diagnostyki technicznej stanowi zrby podstaw składajcych si na now dziedzin wiedzy jak jest uznana ju diagnostyka techniczna. 2.3 Miejsce diagnostyki w yciu maszyny Patrzc syntetycznie na ogół moliwych zastosowa diagnostyki technicznej w kadej z faz istnienia obiektu, trzeba wyróni kadorazowo trzy róne dziedziny wiedzy, niezbdnej do prawidłowej oceny stanu obiektu. S to : wiedza o obiekcie bada, wiedza o sygnałach i symptomach, wiedza z teorii decyzji, w zakresie wnioskowania diagnostycznego. Wiedza o obiekcie diagnozowania obejmuje problematyk z dziedziny projektowania, wytwarzania i eksploatacji obiektu. Znajduj tu miejsce zagadnienia z zakresu nowoczesnoci konstrukcji, technologii wytwarzania, warunków eksploatacji, zasad funkcjonowania, moliwych uszkodze oraz kryteriów oceny. Wiedza o sygnałach i symptomach wiadczcych o stanie diagnozowanego obiektu obejmuje zarówno sygnały nieodłcznie zwizane z prac obiektu, jak i sygnały generowane w sztucznie wymuszonym stanie. Niezbdna staje si tu znajomo sposobu generacji sygnałów, ich akwizycji i przetwarzania, jak i tworzenia diagnostycznie zorientowanych symptomów stanu obiektu. Teoria decyzji w zakresie wnioskowania diagnostycznego obejmuje problematyk podejmowania decyzji diagnostycznych w warunkach niepewnoci. Jak wiadomo w diagnostyce, ze wzgldu na zakłócenia, wszelkie decyzje podejmowane s w kategoriach
prawdopodobiestw. Std te modele diagnostyczne obiektów, czyli "zwizki midzy obserwowanymi symptomami a cechami stanu" s mniej lub bardziej probabilistyczne. Mona wic niewiedz o istniejcych zwizkach w modelu obiektu, potraktowa jako zakłócenie modelu deterministycznego lub przyj od razu model probabilistyczny. Przedstawiony zakres wiedzy formułuje obszar zagadnie definiujcych podstawy diagnostyki technicznej oraz moliwoci jej poprawnego wykorzystania. Kada maszyna przechodzi cztery fazy swego istnienia (rys.1.5): wartociowanie (C), projektowanie (P), wytwarzanie (W) i eksploatacja (E). Coraz wiksze wymagania stawiane maszynom okreliły szereg kryteriów, które s badane na kadym z etapów. Metody i rodki dajce tak moliwo kontroli "jakoci" maszyn - spełniania stawianych kryteriów - s zakresem zainteresowa diagnostyki technicznej. W kadym z etapów istnienia obiektów (C - K - W - E) wystpuj działania diagnostyczne o rónym charakterze, odpowiednio do zada, jakie maj by zrealizowane, przy czym zaangaowanie diagnostyki jest zauwaalne wyranie w kadym z tych etapów. Uwzgldnienie przedstawionych kryteriów stawianych obiektom w poszczególnych fazach ich istnienia: C - K - W - E, daje podstaw oceny spełniania potrzeb, a take wytycza kierunki rozwoju wiedzy i bada diagnostyki technicznej. 2.3.1 Diagnostyka na etapie wartociowania Pierwszy etap - wartociowanie, znany od dawna w gospodarce rynkowej, pozwala ocenia zaspokojenie potrzeb i oczekiwa odbiorcy w wietle parametrów technicznych i ekonomicznych urzdzenia. Poczynajc zatem od wyrónienia i identyfikacji potrzeby, poprzez sformułowanie problemu technicznego i poszukiwanie rónych koncepcji rozwiza, a koczc na zasadach i taktyce opracowania projektu technicznego - realizujemy wyroby (ma-szyny) do zaspokajania okrelonych potrzeb. Wiarogodno spełniania tych potrzeb okrela si na podstawie analizy ryzyka kosztów i korzyci, zarówno odbiorcy jak i wytwórcy. T faz działania okrelaj : Fazy istnienia maszyny Dziedzina Warto zastosowania Wartociowanie Konstrułowanie Wytwarzanie Eksploatacja (wyrób-proces) Nazwa Diagnostyka Diagnostyka Diagnostyka Diagnostyka diagno- heurystyczna konstrukcyjna kontrolna eksplatacyjna styki (wytwarzania) Cel diagno- Wybór metod i Identyfikacja ródeł drga i po- Ocena jakoci Ocena stanu technicznego styki rodków tencjalnych zagroe wyrobów obiektów Rys.1.5 Fazy istnienia maszyny w diagnostyce technicznej. a). rodki techniczne, np.: zbiory elementów; pola moliwych rozwiza projektowych i konstrukcyjnych;
sposoby porównania; skale miar, wanoci, kolejnoci; układy kryteriów; systemy oceny; jednoznaczna identyfikacja wielkoci mierzonych i rodków mierzcych; b). rodki organizacyjno - wytwórcze, których celem jest: uzyskanie i utrzymanie jakoci wytworzonego wyrobu, usługi - by w sposób trwały zaspakajały potrzeby odbiorcy; potwierdzenie stopnia wiarogodnoci, e zaplanowany system eksploatacji (w 85% na tym etapie) zapewni w sposób trwały zakładan jako; uzyskanie u odbiorcy zapewnienia, e proponowany wyrób spełnia jego wymagania; wyznaczenie ywotnoci, kosztów jednostkowych i całkowitych eksploatacji, funkcji degradacji i warunków złomowania i utylizacji. Zawsze te elementy były w umyle twórcy podstaw decyzji, a poparte dokumentami i rzeczywistym rachunkiem ekonomicznym - wypełniaj treci etapu wartociowania (przez niektórych nazywanego etapem potrzeby). Zadania diagnostyki technicznej na tym etapie wi si z okreleniem moliwych do zastosowania metod i rodków diagnostyki, metodyki bada, automatyzacji procedur diagnostycznych i sposobu wkomponowania diagnostyki w struktur obiektu (system diagnostyczny zewntrzny, wewntrzny lub rozproszony). 2.3.2 Diagnostyka konstrukcyjna Etap projektowania (czsto zwany konstruowaniem) obiektów uwzgldnia zasady: funkcjonalnoci, niezawodnoci i trwałoci, sprawnoci, technologicznoci, ergonomii, efektywnoci ekonomicznej i ekologii. W tej grupie wymaga najczciej stosowane s te, które maj charakter uniwersalny, czyli mog si znale w zestawie wymaga dowolnego wytworu. Nowe zadania i moliwoci diagnostyki technicznej, szczególnie istotne w pocztkowych fazach istnienia maszyny, zbiegaj si z nowymi moliwociami mikroelektroniki, techniki komputerowej, teorii fraktali, sieci neuronowych czy logiki rozmytej - generujc cał gam zupełnie nowych problemów. Problematyk diagnostyki na etapie konstruowania przedstawiono w aspekcie: konstruowania diagnostycznego oraz konstruowania układów diagnostycznych. A. Projektowanie układów diagnostyki maszyn Realizacj procesu bada diagnostycznych umoliwiaj urzdzenia diagnostyczne. Klasyczne sposoby kontroli nie odpowiadaj ju współczesnym wymaganiom ani co do czasu kontroli, ani co do jej wiarygodnoci. Zautomatyzowanie badania stanu przy pomocy nowoczesnych urzdze diagnostycznych umoliwia: - obnienie kosztów eksploatacji, - zmniejszenie czasu kontroli, - zwikszenie wiarygodnoci wyników kontroli, - zmniejszenie wymaga co do kwalifikacji i liczby personelu. Urzdzenia diagnostyczne mona zaprojektowa w sposób najbardziej racjonalny na etapie projektowania maszyny. Wówczas równolegle z powstajc koncepcj rozwiza funkcjonalnych mona zaplanowa struktur kontrolno-pomiarow maszyny. Wyrónienie etapu projektowania od konstruowania (czsto zamiennie stosowanego) znajduje swoje uzasadnienie w liczbie faz istnienia obiektów i zadaniami diagnostyki w tych fazach. Dla potrzeb diagnostyki przyjmuje si, e projektowanie to zespół działa, w wyniku których powstaje projekt wytworu, plan działania, sposób jego wykonywania (projekt technologii), lub projekt systemu organizacyjnego, natomiast konstruowanie to materiałowe urzeczywistnianie projektu.
Układ diagnostyczny składa si ze struktury sprawdze (oprogramowania) i struktury konstrukcyjnej. Koncepcja układu diagnostycznego obejmuje: - sposób kontroli stanu (automatyczny, nieautomatyczny), - metod badania stanu (cigłe,dyskretne), - struktur układu diagnostycznego (przyrzdy zewntrzne, moduły wewntrzne, struktura wewntrzna rozmyta), - sposób prezentacji decyzji diagnostycznych (systemy sterujco-diagnostyczne), - sposób egzekucji decyzji diagnostycznych, - sposób samokontroli układu diagnostycznego. Przedstawione wymagania narzucaj kadorazowo potrzeb zaprojektowania podatnoci diagnostycznej maszyny, rozumianej jako diagnozowalno (metoda, jej skuteczno, automatyzacja działania i sterowanie) oraz technologiczno diagnostyczna (wygoda bada, punkty odbioru informacji itd.). Komputeryzacja urzdze diagnostycznych pozwala budowa pokładowe urzdzenia sterujco-diagnostyczne. Mikroprocesor steruje: akwizycj danych, ich przetwarzaniem, gromadzeniem danych oraz wytwarzaniem sygnałów sterujcych i zobrazowaniem decyzji diagnostycznej w postaci przyjaznej dla uytkownika. B. Diagnostyka w konstruowaniu maszyn Coraz doskonalsze metody i rodki diagnostyki technicznej winny wspomaga konstruowanie maszyn, poprzez biec kontrol spełniania wymogów eksploatacyjnych przez konstruowane wzły, pary kinematyczne czy zespoły mechaniczne. Stosowanie diagnostyki w konstruowaniu umoliwia zatem korygowanie rozwiza konstrukcyjnych w aspekcie wymogów poprawnoci pracy, niezawodnoci, trwałoci, podatnoci diagnostycznej itp. W okresie konstruowania obiektu naley pamita, e w przyszłoci bdzie on wymagał kontroli stanu, (diagnozowania uytkowego i obsługowego) zarówno całoci jak i poszczególnych elementów. W zalenoci od wyniku tej kontroli zachodzi moe konieczno naprawy, czsto polegajcej na wymianie fragmentu obiektu obejmujcego take nie uszkodzone elementy. Std w okresie konstruowania obiektu naley przewidzie tak jego konstrukcj, by w okresie eksploatacji, diagnozowanie: - mogło obj cały obiekt (pełno kontroli); - było ekonomicznie uzasadnione; - pozwalało realizowa wymiany, naprawy i obsługiwanie profilaktyczne (kontrola stanu przed i po obsługiwaniu); - umoliwiało podejmowanie optymalnych lub przynajmniej korzystnych decyzji dotyczcych dalszego postpowania z obiektem (np. w sytuacji, gdy jest on nie zdatny). W okresie konstruowania, zwykle po przeprowadzeniu bada prototypu obiektu, ustala si dane niezbdne dla prowadzenia procesu diagnozowania (wartoci odniesienia, warunki pomiarów, relacje midzy wynikami sprawdze a diagnozami). Efektem konstruowania obiektu w zakresie diagnozowania powinno by: - opracowanie zwykle dwu modeli diagnostycznych obiektu: dla diagnozowania uytkowego (kontroli funkcjonalnej) oraz obsługowego (lokalizacji uszkodze); - opracowanie wytycznych dotyczcych konstrukcji obiektu optymalnej ze wzgldów diagnostycznych (dostpno, sygnalizacja zmian stanu, podział na moduły); - opracowanie zestawu badanych wielkoci, metod ich pomiaru i sposobu wyznaczania relacji diagnostycznych. Zastosowanie diagnostyki na etapie konstruowania jest moliwe w symulacyjnym eksperymencie czynnym-pozwalajcym minimalizowa dynamik pracy maszyny, a take w eksperymencie biernym - umoliwiajcym okrelenie zmian eksploatacyjnych parametrów wpływajcych na dynamik pracy maszyny. Dogodnym kryterium podwyszonej
dynamicznoci maszyny mog tu by np. wartoci amplitudy drga, czy te czstoci drga własnych, gdy ogólnie minimum poziomu drga jest wskanikiem nierozerwalnie złczonym z charakterem procesów dynamicznych na etapie konstruowania, jak i w eksploatacji maszyn. Skuteczne wykorzystanie diagnostyki na etapie konstruowania wymaga opracowania nowej, szczegółowej metodologii diagnostyki, uwzgldniajcej: modelowanie fizyczne i matematyczne, identyfikacj parametrów modelu, symulacj prognostyczn oraz weryfikacj eksperymentaln procedury. Informacje dla konstruowania diagnostycznego uzyskujemy z jednej strony z modelowania systemów działaniowych, które w ogólnoci s znane i w dostpnej literaturze dobrze opisane. Z drugiej strony przesłanki pomiarowe ewolucji stanu technicznego s dostpne jedynie poprzez mierzalne symptomy stanu, moliwe do otrzymania z procesów resztkowych takich jak ciepło, drgania, hałas, emisja akustyczna, resztkowe procesy zuycia itp. Istnieje wiele metod wyznaczania symptomowej krzywej ycia i wartoci granicznych symptomu, pozwalajcych generowa zmienno eksploatacyjn cech stanu obiektu, niezbdnych konstruktorowi dla oceny prognozowanych zuy. Wydaje si, e przyszłociowe s tu modele holistyczne systemów działaniowych oparte na modelach strukturalnych. 2.3.3 Diagnostyka na etapie wytwarzania Etap wytwarzania obiektów pod wzgldem wymogów traktuje jako główne: wysokiej jakoci wykonanie, technologiczno operacyjn, dostpno właciwych materiałów, niskie koszty produkcji oraz zgodno z normami (unifikacja, typizacja i normalizacja). Podstawowym zadaniem w tej fazie istnienia obiektu jest wytworzenie poszczególnych elementów obiektu, a nastpnie całoci, zgodnie z dokumentacj techniczn. W procesie produkcji dokonuje si zatem systematycznie pomiarów, których wyniki porównywane s z wymaganiami zawartymi w dokumentacji technicznej. W zalenoci od wyniku tego porównania podejmuje si dalszy etap wytwarzania lub wprowadza poprawki. Jako kocowego produktu uzaleniona jest od dokładnoci sprawdze i konsekwentnego postpowania zgodnie z ich wynikami - kolejnymi diagnozami. Ponadto jednak, kocowy wynik bdzie w pełni pozytywny, jeli do midzyoperacyjnej kontroli stanu wybrano właciwe wielkoci a w całym procesie diagnozowania uwzgldniono wszystkie istotne właciwoci obiektu i jego pod-zespołów. Zatem efekty diagnozowania obiektu w czasie jego produkcji uzalenione s od: prawidłowego zaplanowania procesu diagnozowania; właciwego wykonania pełnego zbioru działa dla tego procesu. Midzy tymi zadaniami wystpuje pewne sprzenie: prawidłowe wykonanie działa zaley w pewnym stopniu od sposobu ich zaplanowania (dostpno, czasochłonno, złoono metod pomiarowych) a dowiadczenia wynikajce z realizacji podobnych procesów w przeszłoci, uwzgldnia si przy planowaniu nowych procesów kontroli. Efektem opracowania procesów diagnozowania dla tego etapu istnienia obiektu jest: a) zaplanowanie procesu kontroli elementów, zwykle jest to statystyczna kontrola jakoci elementów nie własnej produkcji; b) zaplanowanie kontroli elementów własnej produkcji (kontrola stanowiskowa, midzyoperacyjna, itp.); c) zaplanowanie kontroli podzespołów i całoci obiektu. W kadym z tych zada naley ustali: metody badania (co, czym i jak mierzy); wartoci odniesienia dla poszczególnych wielkoci (wartoci nominalne z tolerancj); warunki bada (sygnały testujce, wymuszenia zewntrzne); redni czas trwania czynnoci; liczno i sposób pobierania próbek losowych w przypadku statystycznej kontroli jakoci;
instrukcje postpowania z obiektem w zalenoci od otrzymanych wyników sprawdze, w tym wytyczne dotyczce zmian i regulacji umoliwiajcych uzyskanie stanu zdatnoci. Efektywne wykorzystanie diagnostyki technicznej na tym etapie istnienia obiektów wie si z dostpnoci procedur i rodków diagnostyki, przygotowaniem diagnostów oraz przekonaniem pracowników zakładu o potrzebie oceny poprawnoci wykonywanych przez nich czynnoci. 2.3.4 Diagnostyka eksploatacyjna Najwicej wymaga wie si ze sfer eksploatacji wyrobów. Jest to zrozumiałe, gdy za racj bytu obiektu uznamy jego uytkowanie. W tym zakresie mona wyróni : wymagania trwałociowo - niezawodnociowe, wymagania zwizane z efektywnoci stosowania wyrobów (sprawno, wydajno, niskie koszty eksploatacji), wymagania zwizane bezporednio z uytkowaniem (uniwersalno, łatwo obsługiwa, podatno odnowy, automatyzacja), wymagania zwizane z oddziaływaniem na otoczenie (cichobieno, bezpieczestwo, ergonomia, zanieczyszczenie rodowiska). Mona zatem przyj, e najszersze oddziaływanie diagnozowania na stan obiektu wystpuje podczas jego eksploatacji. Uwzgldni naley tutaj dwojakie zapotrzebowanie na decyzje diagnostyczne : a). ze strony uytkownika, dla którego wane s nastpujce efekty: okrelenie, czy obiekt funkcjonuje (lub moe funkcjonowa) prawidłowo - diagnozy uytkowe uzyskane w wyniku badania właciwoci funkcjonalnych obiektu (kontrola funkcjonowania); wyznaczenie prognozy dotyczcej oczekiwanego okresu zdatnoci obiektu - jest to zwykle wyznaczenie prawdopodobiestwa poprawnej pracy w zadanym okresie czasu; b). ze strony obsługujcego obiekt, dla którego wana jest: moliwo lokalizacji kadego uszkodzenia (uzyskanie dostatecznie dokładnych diagnoz obsługowych); okrelenie przyczyny uszkodzenia; wyznaczenie danych umoliwiajcych okrelenie podstawowych parametrów procesu naprawy (redni czas naprawy, prawdopodobiestwo naprawienia w zadanym czasie, oczekiwany koszt naprawy); wyznaczenie danych umoliwiajcych oszacowanie parametrów procesu odnowy (redni czas do nastpnego uszkodzenia, oczekiwany czas do kolejnych bada i prac profilaktycznych). Zasady wykorzystania diagnostyki na etapie eksploatacji obiektów obejmuje podsystem uytkowania i obsługiwania. Dla podsystemu uytkowania jest to najczciej dozorowanie stanu zdatnej maszyny, która po przejciu do stanu niezdatnoci (rozregulowanie, uszkodzenie) trafia do podsystemu obsługiwa technicznych. Tu z kolei w zorganizowanym systemie nadzoru wystpuj nastpujce formy działania diagnostycznego: diagnozowanie ogólne, diagnozowanie szczegółowe, prognozowanie stanu. Efektem opracowania procesu diagnozowania dla okresu eksploatacji obiektu s zwykle odpowiednie rozdziały w instrukcjach uytkowania i obsługiwania, traktujce o zasadach wykorzystania diagnostyki. W instrukcji uytkowania podaje si: a) zalenoci funkcyjne, cechy, symptomy i ich wartoci, charakteryzujce stan zdatnoci obiektu; b) punkty kontrolne i metody bada. Opracowujc instrukcj dy si do minimalizacji liczby badanych wielkoci i poszukuje si parametru uogólnionego, to jest wielkoci, której warto (czsto logiczna: "jest
- nie jest") pozwala wnioskowa o stanie całoci obiektu, nawet kosztem obnienia wiarogodnoci kontroli. Takie podejcie jest niezbdne w przypadkach, gdy uytkownik nie posiada dostatecznych kwalifikacji do prowadzenia diagnozowania i obsługiwania obiektu. 2.4 Diagnostyczny system istnienia maszyn Ustalenie miejsca i funkcji diagnostyki technicznej w systemie istnienia maszyn warunkuje potrzeb omówienia istniejcych strategii eksploatacji, w oparciu o które realizowane s procesy uytkowania i obsługiwa technicznych maszyn w przedsibiorstwach. Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia uytkowania i obsługiwania maszyn oraz relacji midzy nimi w wietle przyjtych kryteriów. W literaturze znane s nastpujce strategie eksploatacji maszyn: według niezawodnoci, według efektywnoci ekonomicznej, według iloci wykonanej pracy, według stanu technicznego, autoryzowana strategia eksploatacji maszyn. Najczciej w oparciu o jedn z powyszych strategii buduje si system eksploatacji przedsibiorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii s czsto jego uzupełnieniem. W praktyce przemysłowej wystpuj wic najczciej strategie eksploatacji mieszane, dostosowane do wymaga i warunków eksploatowanych maszyn. STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie biecej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów (rys.1.6). Umoliwia to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych ju strategii. Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany wartociami mierzonych symptomów stanu, jest podstaw decyzji eksploatacyjnej. Poprawna realizacja tej strategii wymaga skutecznych metod i rodków diagnostyki technicznej oraz przygotowanego personelu technicznego. zakłócenia WE SYSTEM WY EKSPLOATACJI MASZYN PODSYSTEM DIAGNOSTYCZNY (informacje o stanie maszyn) DECYZJE ALGORYTM WZORZEC EKSPLOATACYJNE POSTPOWANIA STANU Rys.1.6 Diagnostyczne sterowanie systemem eksploatacji maszyn. Wymaga te przezwycienia nieufnoci decydentów co do efektywnoci takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z takiego sposobu eksploatacji s niewspółmiernie wysze
ni w innych strategiach, co warunkuje powodzenie i ogromne zainteresowanie tym rozwizaniem. Podstawowym warunkiem powodzenia tej strategii jest dostpno prostych i skutecznych metod diagnostycznych, najlepiej w konstruowanych w produkowane maszyny, które z kolei s nadzorowane w systemie monitorowania stanu. W oparciu o omówione strategie eksploatacji maszyn w praktyce przemysłowej budowane s systemy obsługiwa technicznych maszyn. Do najbardziej rozpowszechnionych nale : system wymian profilaktycznych; budowany głównie w oparciu o strategi eksploatacji według efektywnoci; (dla obiektów jednostkowych, odpowiedzialnych-gdzie prowadzi si wymiany profilaktyczne dla uniknicia awarii), planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych; budowany w oparciu o strategi według iloci wykonanej pracy; (z góry zaplanowany zakres i czstotliwo obsługiwa technicznych, niezalenie od aktualnego stanu, czyli potrzeb), planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych z diagnozowaniem; (jak wyej, lecz wspomagany czciowym diagnozowaniem stanu maszyny), system obsługiwa technicznych według stanu; (czynnoci obsługowe - czstotliwo i zakres - wyznaczane s w oparciu o aktualny stan techniczny maszyny). AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYN Jakociowe zmiany wymuszone gospodark rynkow maj rozległe konsekwencje we wszystkich sferach gospodarowania, w tym równie w eksploatacji rodków trwałych. Wymagania od strony "jakoci", marketingu i logistyki zmieniaj radykalnie kryteria oceny maszyn, dajc przesłanki do dalszego, rosncego zainteresowania metodami i rodkami diagnostyki technicznej. Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniaj konieczno wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji maszyn. W propozycji tej strategii nie traci si dotychczasowych dokona najnowszej strategii eksploatacji według stanu, lecz twórczo si j modernizuje. Sama idea tej strategii, pokazana na rys.1.7, opiera si na wykorzystaniu "ptli jakoci", któr uzupełniono elementami teorii eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicznej. Rys.1.7 Autoryzowana strategia istnienia maszyn.
Proponowana strategia istnienia- ASIM -imiennie wskazuje na twórc i odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jakoci i póniejszym zbytem jest odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcj, wytwarzanie i eksploatacj, a do utylizacji po likwidacji obiektu. Tym samym producent konstruuje i wytwarza swoje wyroby w oparciu o najnowsze osignicia myli technicznej, zabezpiecza swój wytwór własnym serwisem obsługowym w czasie eksploatacji, a take wyposaa obiekty w rodki diagnostyczne (najlepiej automatyczne). 2.5 Ocena istniejcych strategii Uwzgldniajc dostpne warianty stosowanych strategii eksploatacji maszyn mona ich praktyczn przydatno oceni przy pomocy uytkowych wskaników efektywnoci. Dla ich wyznaczenia przyjmuje si, e: - czas pracy maszyny do uszkodzenia okrela funkcja niezawodnoci: R(t) = P(T U t ) = f ( t) dt (1.3) t - oczekiwany czas pracy: Cp = R(t) dt 0 O (1.4) - przecitny rzeczywisty czas pracy (główny dla zada utrzymania maszyn w ruchu): P (1.5) RZCp = t R(t) dt 0 Pozwala to zdefiniowa - współczynnik wykorzystania maszyny WW : P RZCp W W = kryterium jakoci strategii (1.6) O Cp Według tego kryterium mona dokona oceny poszczególnych strategii eksploatacji maszyn i dalej ich przydatnoci w praktyce przemysłowej. I. Strategia od awarii do awarii (znana jako: od uszkodzenia do uszkodzenia) stosowana dla uszkodze o małych skutkach ekonomicznych i bez nastpstw zagroenia bezpieczestwa: P ( Usz) RZCp W = = 1 AA O Cp, (1.7) gdy : Ocp = PRZCp (uszkodzenie) = R(t) dt 0 Jest to zatem strategia najbardziej efektywna ekonomicznie, a zadania obsługowonaprawcze inicjowane s uszkodzeniem. II. Strategia według iloci pracy (obligatoryjna), w której przedsiwzicia obsługowo-naprawcze s zaplanowane po z góry okrelonej iloci wykonanej pracy (statystyczne oszacowania słabych ogniw i czasu do awarii): R(t p ) = ( O Cp tp ) R RZ P (1.8) gdzie: RRZ - wymagany poziom niezawodnoci, tp - czas OT zapobiegawczej ze wzgldu na koszt, bezpieczestwo. (t p ) RZCp t p = R(t) dt 0 P (1.9) OCp = PRZCp (tp) + PNCp
Wskanik efektywnoci w tej strategii: PRZCp (t p ) W t = << 1 (1.10) p O Cp Wskanik niewykorzystanego czasu pracy PNCp : 1 PRZCp (t p ) WNCp = - wskazuje potrzeb zmiany strategii. (1.11) O Cp III. Strategia według stanu technicznego, w której zakres i czstotliwo czynnoci obsługowo- naprawczych limituje stan techniczny, w wersji: a). inspekcyjnej, ze stałym okresem kontroli stanu, b). kontroli stanu wg prognozowanej zmiany stanu. T 1 S gr P RZCp (T 1 ) = f (x) dx dt 0 S RZCp(t) 0 S gr P RZCp = f (x) dx dt T 1 S RZCp(t) (1.12) 0 Wskanik efektywnoci tej strategii: P RZCp (T 1 ) + P RZCp W DT = <1 (1.13) O Cp Jakociowa analiza przedstawionych wskaników wskazuje, e ich uszeregowanie w postaci: WAA > WDT > Wtp preferuje, poza strategi uszkodzeniow, strategi według stanu technicznego. Przedstawione wskaniki dobrze ilustruj efektywno działa obsługowonaprawczych w rónych strategiach utrzymania maszyn. 2.6 Funkcja sterujca diagnostyki Rola i znaczenie diagnostyki technicznej w kadej z faz istnienia maszyny jest bardzo istotna, a ukazana na tle zada spełnianych przez wytwór w poszczególnych strategiach eksploatacji okrela funkcj sterujc diagnostyki. Na podstawie zebranej informacji z bada diagnostycznych istnieje moliwo : - oceny stanu maszyny w chwili badania "t" (zdatna, niezdatna), - wskazania na uszkodzone elementy w przypadku niezdatnoci, - zlokalizowania uszkodzonych elementów w przypadku niezdatnoci, - prognozowanie przyszłego stanu maszyny w chwili tp = t + t, - okrelenia czasu pracy maszyny do naprawy głównej, - ustalenia czasu rezerwowego do likwidacji maszyny, - wyznaczenia terminu nastpnego diagnozowania maszyny. Proces postpowania z maszyn jest wic nastpujcy : a). w przypadku maszyny zdatnej: badanie stanu - wykonanie niezbdnie koniecznych zabiegów obsługowych - prognozowanie stanu - ustalenie terminu nastpnego badania; b). w przypadku maszyny niezdatnej: badanie stanu - ustalenie niezdatnoci (rozregulowanie, uszkodzenie, wykonana praca do naprawy głównej lub likwidacji) - usunicie uszkodzenia - ocena jakoci wykonanej naprawy - wykonanie niezbdnych czynnoci obsługowych - prognozowanie - termin kolejnego diagnozowania. Funkcja sterujca diagnostyki w utrzymaniu zdatnoci maszyn polega wic na : * ocenie aktualnego stanu maszyn, okrelajcego moliwoci dalszej ich pracy,
* eliminacji niezdatnych, a wic i niebezpiecznych maszyn z uytkowania, * zapobieganiu uszkodzeniom lub awariom maszyn, dziki uprzedzajcej ocenie stanu, * przewidywaniu przyszłych stanów maszyn, stwarzajc podstawy planowania materiałowotechnicznego i zadaniowego dla systemu eksploatacji. Biorc za podstaw przedstawione moliwoci diagnostyki w zakresie nadzorowania zmiennoci stanów maszyn, zasadne s propozycje metody obsługiwania maszyn według stanu technicznego w ramach autoryzowanej strategii istnienia maszyn ASIM. Doskonalenie tej przyszłociowej strategii opiera si o skuteczne metody diagnozowania stanu maszyn, o opracowania pokładowych i stacjonarnych układów diagnostycznych, wspieranych technik komputerow i dokonaniami sztucznej inteligencji. 2.7 Organizacyjne aspekty diagnostyki maszyn Wdroenie diagnostyki technicznej w przedsibiorstwie uwarunkowane jest przekonaniem decydentów o potrzebie, odpowiednim przygotowaniem organizacyjnym, szczególnie: słub planowania i sterowania produkcj przedsibiorstwa, słub sterowania jakoci produkcji, słub konserwacyjno - naprawczych. Zakres problemowy projektu organizacyjnego przygotowania wdroenia diagnostyki w przedsibiorstwie obejmuje : - pełn dokumentacj techniczn dotyczc aparatury diagnostycznej, technologii jej instalacji i eksploatacji (w tym symptomy stanu i instrukcje diagnostyczne), - system informatyczny obejmujcy: ródła, odbiorców, sie przepływu, sposób wykorzystania, techniczne rodki przesyłania i przetwarzania oraz dokumentacj, - technologie obsługiwa, organizacj i jednostki odpowiedzialne za zaopatrzenie i gotowo funkcjonaln diagnostyki technicznej, - zasady doboru i program szkolenia personelu odpowiedzialnego za wykonywanie, nadzór i kontrol czynnoci diagnostycznych, - analiz ekonomicznej efektywnoci zastosowania diagnostyki w przedsibiorstwie, - opracowanie mechanizmów pozytywnej stymulacji ekonomicznej pracowników i jednostek zwizanych z wykonywaniem zada diagnostyki. Problematyk diagnostyki w zakładzie najczciej powierza si zespołowi diagnostycznemu, który okrela zakres, metody i rodki niezbdne do nadzoru maszyn (krytycznych, wanych, mało istotnych). Swoje zadania zespół realizuje w powizaniu z działem głównego mechanika, szefa produkcji, kierownikiem działu marketingu i ksigowoci. Zespół diagnostyki pozyskuje i przetwarza informacje o maszynach i na tej podstawie podejmuje odpowiednie decyzje. Decyzje o dopuszczeniu do ruchu danej maszyny oraz informacje o moliwoci obcienia maszyny, a take o koniecznoci wyłczenia maszyny z ruchu przekazywane s do szefa produkcji. Do głównego mechanika zakładu przekazywane s informacje o terminie i zakresie spodziewanych napraw, a od niego otrzymuje dane niezawodnociowe w celu lepszego zorientowania swych prac. Dla optymalizacji zakresu swych prac i potwierdzenia swej przydatnoci zespół otrzymuje informacje o potrzebach rynku z działu marketingu, za o kosztach napraw i przestojów z działu finansowego. 2.8 Przyszło diagnostyki technicznej Moliwe trendy rozwojowe diagnostyki technicznej na stosunkowo niedalek przyszło, zawieraj jako główne: - wejcie diagnostyki w pocztkowe etapy istnienia obiektów (w faz projektowania, konstruowania i wytwarzania) dla podwyszenia ich niezawodnoci funkcjonalnej i jakoci; - wejcie diagnostyki w konstrukcje inynierskie, zagregowane systemy maszynowe i budowle;
- zastosowanie nowych przetworników wraliwych zjawiskowo i układów mechanotronicznych dla oceny stanu, wspomaganych nowoczesnymi technologiami informatycznymi i elementami sztucznej inteligencji (przetworniki wirtualne); - stopniowe pojawianie si pokładowych układów sterujco-diagnostycznych, szczególnie dla obiektów krytycznych; - pojawianie si układów diagnostyki kompleksowej (stanu operacyjnego i fizycznego) w obiektach krytycznych i zrobotyzowanych dziki masowemu zastosowaniu transputerów; - wejcie diagnostyki w systemy antropotechniczne i socjotechniczne, gdzie moe nastpi integracja diagnostyki medycznej (operator) i technicznej (maszyny); - postp w modelowaniu diagnostycznym wspomaganym nowoczesnymi technologiami wnioskowania diagnostycznego (sieci neuronowe, systemy ekspertowe i logika rozmyta); - integracja diagnostyki z innymi dyscyplinami inynierii i nauki dla wypracowywania łcznych kryteriów efektywnoci działania systemów antropotechnicznych. Powysze grupy tematyczne stanowi obszar zainteresowa szerokiego grona społecznoci eksploatacyjnej, przyczyniajc si do rozwoju metod i metodologii kształtowania i podtrzymywania jakoci maszyn. 3. WIBROAKUSTYKA MASZYN 3.1 Wstp Rosncy stopie złoonoci maszyn i krytyczno ich funkcji ze wzgldów bezpieczestwa i ekonomicznych zmuszaj konstruktorów i uytkowników tych obiektów do nadzorowania ich biecego stanu technicznego i prognostycznie zorientowanego uytkowania. Jest to moliwe, jeli na etapie uytkowania lub lepiej konstruowania zintegrowane zostan z obiektem urzdzenia i procedury diagnostyczne. Problemy diagnostyki maszyn obejmuj zagadnienia: pozyskiwania i przetwarzanie informacji diagnostycznej; budowy modeli i relacji diagnostycznych; wnioskowania diagnostycznego i wartoci granicznych; klasyfikacji stanów maszyny; przewidywania czasu kolejnego diagnozowania; obrazowania informacji decyzyjnych. System pomiarowy dla celów współczesnej wibrodiagnostyki maszyn składa si z dwóch podstawowych czci: - sprztu, w którym wyrónia si nastpujce moduły: - podsystem kondycjonowania i przetwarzania sygnałów, - podsystem przetwarzania sygnałów znacznika fazy, - podsystem komputera przemysłowego, - podsystem zasilania, - oprogramowania, w którego skład wchodz nastpujce moduły: - system operacyjny, - oprogramowanie modułów przetwarzania i analizy sygnałów, - oprogramowanie zapewniajce komunikacj pomidzy warstwami systemu, - oprogramowanie do archiwizacji i przetwarzania danych pomiarowych, - oprogramowanie zarzdzajce prac systemu (konfigurowanie i testowanie systemu, inicjalizacja sesji pomiarowych itp.). Przedstawiona struktura systemu pomiarowego wykorzystuje najnowsze rozwizania zarówno sprztowe, jak i programowe. Zastosowane rozwizania umoliwiaj łatw
rozbudow systemu, oraz moliwoci włczenia go do dowolnych systemów diagnostycznych. Współczesne maszyny okrelane s takimi cechami jak: funkcjonalno, niezawodno, gotowo, bezpieczestwo, mobilno i podatno eksploatacyjna. Złoono i zadania maszyn krytycznych, a take odpowiedzialno za jako realizowanych zada jest tak dua, e niezbdne jest zapewnienie uytkownikowi szybkiej i wiarygodnej informacji o ich aktualnym stanie technicznym. Uzupełnienie stosowanych obecnie procedur oceny stanu przez moliwoci, wynikajce z wykorzystania monitorowania zmian indywidualnych charakterystyk, wpłyn powinny znaczco na jako i bezpieczestwo eksploatacji maszyn krytycznych [16,67,81]. Dla weryfikacji takiego podejcia wydaje si by najbardziej stosowane modelowanie strukturalne (analiza modalna, MES, MEB), które umoliwia porównanie modelu symptomowego maszyny z jej dynamicznym modelem strukturalnym. W przypadku zgodnoci modeli, naley tu oczywicie zastosowa odpowiednie miary podobiestwa modeli, mona uzna wielosymptomowy model diagnostyczny jako dobrze dopasowany do maszyny, co umoliwia nastpnie budow algorytmów diagnozowania i opracowanie systemu diagnostycznego dla pojedynczej maszyny. Metoda elementów skoczonych (MES) Cech charakterystyczn MES jest modelowanie i obliczanie własnoci dynamicznych obiektu oraz moliwo szybkiego wprowadzania zmian w konstrukcji obudowy i oceny ich wpływu na drgania. Metoda sztywnych elementów skoczonych (MSES) Metoda ta w porównaniu z MES jest metod uproszczon, ale znacznie szybsz i mniej pracochłonn. Moe ona by stosowana przy uyciu małych komputerów, dajc konstruktorowi pewien pogld na zachodzce zalenoci. Główn jej zalet jest łatwo interpretacji i oblicze. Za pomoc metody SES mona w sposób prosty bada jakociowo wpływ niektórych zabiegów konstrukcyjnych na poziom generowanego hałasu. Opracowany program umoliwia porównanie poziomu hałasu wytwarzanego przez płyty gładkie lub uebrowane o danej masie i sztywnoci. Płyt modeluje si, stosujc sztywne elementy skoczone (SES) i elementy sprysto - tłumice (EST). Analiza modalna Celem analizy modalnej jest pobudzenie obudowy do drga za pomoc wibratora lub młotka i pomiar odpowiedzi (przyspieszenia drga) w wielu punktach obudowy, słucej ustaleniu struktury modelu oraz wyznaczeniu jego parametrów. Parametry modelu: czstoci własne, tłumienie oraz wektory własne (zwane postaciami drga) okrelane s podczas identyfikacji w eksperymencie. Cech charakterystyczn analizy modalnej jest animacja postaci drga obudowy, umoliwiajca optymalizacj dynamiki przekładni. Odtworzenie drga z wykorzystaniem interferometrii laserowej (VPI) Metoda ta umoliwia szybkie seryjne sprawdzanie dynamiki maszyn, poprzez uzyskanie kolorowego - trójwymiarowego obrazu drga obudowy. Wykonanie pomiaru moliwe jest dziki wykorzystaniu zjawiska interferencji fal, przy czym jako ródło promieniowania stosuje si laser. Promie laserowy sprawdza bezstykowo stan przemieszcze drga powierzchni obudowy. Holografia akustyczna Holografia akustyczna zajmuje si sporzdzaniem i wykorzystaniem zapisu informacji o amplitudzie i fazie promieniowania spójnego odbitego od danego obiektu. Stosujc dwie wizki promieniowania i wykorzystujc zjawisko interferencji uzyskuje si stan przemieszcze powierzchni obudowy utrwalony na hologramie. W rezultacie bada stanu dynamicznego i automatycznej diagnozy stanu obiektu, a take inteligentnego, adaptacyjnego wspomagania sterowania obiektem, tworzy si now
jakociowo maszyn, gdzie nie eliminujc operatora wspomaga si jego działanie elementami sztucznej inteligencji. 3.2 Charakterystyka procesów wibroakustycznych Wibroakustyka jest dziedzin wiedzy zajmujc si wszelkimi procesami drganiowymi, akustycznymi i pulsacyjnymi zachodzcymi w przyrodzie, budownictwie, technice, maszynach, urzdzeniach, rodkach komunikacji i transportu, a wic w rodowisku. Procesy wibroakustyczne to nie tylko procesy szkodliwe, czy pasoytnicze. Zastosowane celowo mog by efektywnym nonikiem energii, która wykorzystana moe by do realizacji rónorodnych procesów technologicznych. Poczwszy od spawania ultradwikowego, czyszczenia ultradwikowego, poprzez transport materiałów i elementów maszyn na liniach technologicznych, do zagszczania mas formierskich, wybijania i czyszczenia odlewów, a do zagszczania gruntów i betonów. Zwizane jest to z kontrolowanym wykorzystaniem energii wibroakustycznej w technice przy warunku maksymalnej efektywnoci energetycznej i minimalnych zakłóceniach zewntrznych. Mimo małej sprawnoci mechaniczno-akustycznej w wikszoci maszyn, urzdze i rodków transportu zagadnienia wibroakustyczne s istotne ze wzgldu na mał dyssypacj energii w tworzywie konstrukcyjnym (drgania) oraz otaczajcym rodowisku (dwiki). Std te przy małej sprawnoci akustycznej łatwo zachodzi zagroenie hałasem rodowiska pracy i ycia człowieka, a take zagroenia wibracyjnego dla innych maszyn i konstrukcji. Produkcja maszyn i urzdze cichobienych zwizana jest z wysok precyzj ich wykonania, odpowiedni klas pasowa współpracujcych elementów, odpowiednim doborem materiałów, co w zasadniczy sposób wpływa na ich jako, niezawodno i trwało. Proces wibroakustyczny przedstawiony moe by jako: - generacja sił zmiennych w czasie, działajcych na struktur i otaczajce rodowisko; - propagacja i transformacja energii w strukturach i płynach oraz elementach rodowiska; - promieniowanie dwików poprzez elementy stref materiałowych rodowiska i struktur mechanicznych. W analizie procesów wibroakustycznych bierze si pod uwag nastpujce aspekty: - czasowy i przestrzenny rozkład przebiegu energii pochodzcej ze ródła (pierwotnego), - odpowied układu (struktura, płyn) oraz przenoszenie przez propagujce media, - współzaleno pomidzy ródłami. Badania procesów wibroakustycznych odbywaj si na drodze teoretycznej, przy zastosowaniu rónych metod oraz na drodze dowiadczalnej. Badania na drodze teoretycznej zwizane s z modelowaniem wibroakustycznym oraz modelowaniem matematycznym. W ostatnich latach coraz czciej do analizy procesów wibroakustycznych znajduj metody energetyczne. Tworzenie bowiem bilansu energetycznego wszelkich zjawisk fizycznych wystpujcych w rodowisku pozwala na równoczesny zapis rónych energii wystpujcych w tym rodowisku. Przy badaniach rzeczywistych układów (maszyny, urzdzenia, konstrukcje, budowle) podstawowym problemem jest okrelenie wartoci energii wibroakustycznej magazynowanej, rozpraszanej i przenoszonej przez poszczególne elementy tych układów. Znajomo tych wielkoci słuy ocenie wytenia materiału, zmczenia, bada diagnostycznych oraz predykcji hałasów, a take ułatwia projektowanie elementów układu (np. wibroizolacji). Rozwój metod pomiarowych szczególnie pomiarów wielkoci energetycznych w istotny sposób rozszerzyły moliwoci bada promieniowania dwiku przez struktury oraz pozwoliło na obliczenie mocy akustycznej promieniowanej do pola dalekiego na podstawie pomiarów w polu bliskim. Rozwinły si metody badania ilociowej i jakociowej propagacji energii wibroakustycznej w przestrzeni ze złoonymi obszarami granicznymi. Zwizane to