Лекция №7. Техническая диагностика машин и оборудования

Основные сведения о технической диагностике. Недостатком действующей системы планово-предупредительных ремон­тов является слабая ориентация на техническое обслуживание оборудования, в том числе, и на его важную составляющую часть — диагностику. Например, в соответствии с системой планово-предупредительных ремонтов, нормы затрат труда на техническое обслуживание технологического оборудования, в среднем, не превышают 25—30% всех трудовых затрат.

Как известно из практики, то или иное оборудование направляют в ремонт обычно после определенного срока эксплуатации или каких-либо явных нару­шений и отклонений в его работе. Однако в связи с тем, что условия работы однотипных машин часто не одинаковы, их техническое состояние к моменту выхода в ремонт бывает различным. Оборудование нередко ремонтируется преждевременно только потому, что это положено в связи с истечением установленного срока его эксплуатации. Особенно важен точный учет машинного времени работы, когда осущест­вляется непосредственная отработка оборудования.

Не допустить направление в ремонт оборудования с недоиспользованным ресурсом, ранее экономически и технически допустимой величины его износа, может только правильно организованное техническое диагностирование обо­рудования. Поэтому в настоящее время большое значение имеет диагностика всех видов оборудования.

Одна из основных задач диагностики технического состояния элементов машины — наиболее полное использование ресурса ее основных агрегатов.

Процесс изнашивания машин носит случайный характер, поэтому ресурс их агрегатов — случайная величина, а ресурсный отказ конкретного элемента, агрегата происходит в случайный момент времени, который без применения диагностики нельзя предсказать и предотвратить.

Прогнозируя остаточный ресурс изделий от момента контроля до их пре­дельного состояния, можно обеспечить разумное управление техническим состоянием машины и полнее использовать ресурс агрегатов при условии сохра­нения уровня их безотказности в прогнозируемый период.

С расширением применения сложного автоматизированного оборудования его техническое обслуживание, предвидение возможных отказов на основе диагностики его состояния приобретает особо актуальное значение. И это вполне закономерно, так как задача технического обслуживания заключается в непрерывном наблюдении за состоянием оборудования и, при определенных изменениях технических характеристик, в осуществлении мероприятий, пред­отвращающих непредвиденный или окончательный его выход из строя и обеспе­чивающих возможность экономически эффективного обслуживания и ремонта.

Некоторые приемы непрерывного наблюдения за техническим состоянием технологического оборудования применяются на практике уже давно.

Метод диагностики и прогнозирования времени наступления ремонта содействует продлению сроков службы оборудования и сокращает излишние работы, связанные с его ремонтом. Помимо общего улучшения состояния обо­рудования это позволяет изменить структуру ремонтных работ — сокращает число и трудоемкость ремонтов и увеличивает объем работ именно технического обслуживания.

Почти полностью исключаются случаи непредвиденного аварийного вы­хода оборудования из строя (что нередко ведет к многочисленным простоям оборудования и рабочих, отрицательно сказывается на выполнении производ­ственных программ), а также случаи окончательного выхода из строя оборудо­вания из-за технической невозможности или экономической нецелесообраз­ности его ремонта после аварии. Диагностика повышает ответственность работ­ника за содержание и эксплуатацию оборудования. Все это значительно сокращает общие затраты на ремонт и эксплуатацию оборудования. Применение технической диагностики оборудования не уменьшает зна­чения разработки и внедрения эффективных систем ремонта оборудования. Даже зная заранее, при помощи соответствующих диагностических средств, время отказа определенной части оборудования, конкретное время ее замены должно быть установлено экономическим расчетом.

Основные понятия и определения. Диагностика — отрасль науки, изучающая и устанавливающая признаки неисправного состояния, а также методы, принципы и средства, при помощи которых дается заключение о характере и существе неисправностей системы без ее разборки и производится прогнозирование ее ресурса. Техническая диагностика машин представляет собой систему методов и средств, применяемых при определении технического состояния машины без ее разборки. При помощи технической диагностики можно опре­делять состояния отдельных деталей и частей машин, производить поиск не­исправностей, вызвавших остановку или ненормальную работу машины.

На основе полученных при диагностике данных о характере износа деталей и частей машины в зависимости от времени ее работы техническая диагностика позволяет прогнозировать техническое состояние машины на последующий срок работы после диагностирования.

Техническая диагностика возникла и развивается как раздел теории изме­рений. Ее содержание заключается в изучении и обосновании способов косвен­ных измерений скрытых параметров механизма по характеру его функциональ­ного поведения.

Объектом технической диагностики может быть техническое устройство или его элемент. Однако в класс рассматриваемых объектов может быть включён агрегат любой сложности.

Механизм можно рассматривать в двух аспектах; с точки зрения структуры и способа функционирования. Каждый из аспектов имеет особенности, описы­ваемые своей системой понятий.

Под структурой системы понимается определенная взаимосвязь, взаимо­расположение составных частей (элементов), характеризующих устройство и конструкцию системы.

Параметр — качественная мера, характеризующая свойство системы, эле­мента или явления, в частности, процесса. Значение параметра — количественная мера параметра.

Структура механизма определяется предписываемыми ему функциями (на­пример, кривошипно-шатунный механизм, планетарный механизм и др.). При структурном подходе имеют дело с размерами и формой деталей, с зазорами в кинематических парах и сопряжениях и с другими свойствами элементов механизма, обеспечивающими его нормальную работу.

Основным понятием технической диагностики, связанным со структурным аспектом, будет состояние механизма (неисправность, работо­способность и т. п.).

Свойства структуры механизма в некоторый момент времени могут быть охарактеризованы совокупностью структурных параметров х, х'₂, . . ., х'_п.

Структурный параметр — качественная мера, характеризу­ющая свойство структуры системы или ее элемента (геометрическая форма, размеры, шероховатость поверхности элементов и др.).

Структурные параметры х— переменные величины. При изготовлении механизма они зависят от раз­личных технологических факторов, а в период эксплуатации — от степени износа и разрушения деталей. Чтобы задать начало отсчета параметров вводят понятие идеального механизма.

Рисунок 6.1 – График нарастания

износа в сопряжении.

Под идеальным механизмом подразумевается воображаемая система, структура которой с абсолютной точностью соответствует проекту (номиналу). В идеальном механизме отсутствуют какие бы то ни было наруше­ния и дефекты. Прогнозирование технического со­стояния механизма может быть осуществлено путем определения коэффициентов работо­способности, которые позволяют оценить не только пригодность проверяемых частей, но и предсказать время их отказа.

На рис. 6.1 в качестве примера показано нарастание износа в сопряженных деталях, вызывающее изменение коэффициента работоспособности:

(6.1)

где _зам — замеряемый зазор; _доп — допустимый зазор.

Если _зам = _доп, то К_р = 0

Если _зам = 0, то K_р = 1, т. е. 0 < К_р < 1

Если _зам > _доп, то K_р <0.

Отрицательная величина коэффициента свидетельствует об аварийном характере износа проверяемых деталей. На основании опыта принимаем, что зазор _нач в конце приработки примерно в 2 раза больше предусмотренного конструкцией допуска а в подвижном сопряжении. Тогда можно записать:

_зам 2(а +tga).

Где — наработка, соответствующая зазору_зам; tg — интенсивность изнашивания.

Таким образом, коэффициент работоспособности К_р уменьшается с увели­чением пробега и будет иметь значение

(6.2)

где В — постоянная для данных сопряженных деталей величина (так как а, и _доп постоянны).

По величине коэффициента работоспособности можно судить об остаточном ресурсе () до появления отказа в агрегате. Из рис. 3.5 следует, что приK_р 1 = , а приK_р 0 = 0.

Параметры диагностического сигнала. Этот класс функций состояния включает в себя числовые характеристики различных выходных процессов, сопутствующих работе механизма и доступных для непосредственного измерения.

Сами по себе процессы, образующие диагностический сигнал, как правило, не имеют существенного значения с точки зрения работоспособности механизма. Однако в диагностике их роль существенна: они служат источником информации о состоянии механизма.

Обозначим параметры диагностического сигнала через s₁, s₂, . . ., s_m. На их совокупность можно наложить рассмотренные выше условия минималь­ности и полноты.

Совокупность параметров сигнала будет полной, если через эти параметры можно однозначно выразить каждый параметр состояния механизма.

Если существуют однозначные функции

(6.3)

для каждого из п параметров х_i, то совокупность параметров

(6.4)

полна с точки зрения решаемой задачи.

В связи с неизбежными ошибками измерения параметров сигнала на них обычно накладывают несколько ослабленное требование полноты, а не в виде соотношения (6.3).

Если х_i, — истинное значение параметра состояния в момент времени t, а , s₂, . . ., s_m — значения параметров сигнала в тот же момент, то совокуп­ность параметров сигнала можно считать полной при

(6.5)

где ; — допустимая ошибка в определении параметра состояния.

Теперь введем одно из основных понятий диагностики — понятие диагно­стического сигнала.

Диагностическим сигналом будем называть полную сово­купность функций состояния s_l, s₂, . -, s_m, каждая из которых может быть непосредственно измерена на работающем механизме.

Функции состояния, в частности, диагностический сигнал s₁, s₂, . . ., s_m, снимаемый с механизма, определяются не только его состоянием х₁,х₂, . . ., х_п, но и другими переменными, называемыми внешними условиями.

Внешние условия, определяющие работу механизма, можно разделить на три группы факторов:

1) управляющие, которые могут изменяться персоналом, произво­дящим диагностирование, по его усмотрению. К ним относится, например, установка рычагов управления механизмом;

2) контролируемые, которые в процессе диагностирования можно измерить, но нельзя изменить. К ним, например, относится состояния среды, в которой работает механизм (температура и состав окружающего воздуха, напряжение и частота тока в сети и др.).

3) неконтролируемые — это всевозможные флуктуации окру­жающей среды, контроль которых затруднен. Неконтролируемые факторы вносят погрешность в диагностическое решение и поэтому называются помехой. Диагностические сигналы должны по возможности удовлетворять следу­ющим требованиям:

1) доступности и точности измерения;

2) каждое значение измеренного диагностического параметра должно одно­значно определять значение структурного параметра, т.е. размеры детали, величину зазора в сопряжении и т. д.

3) должны иметь достаточно широкий диапазон изменения диагностиче­ского параметра, соответствующего определенному интервалу изменений струк­турного параметра.

Средства диагностики технического состояния оборудования. Средства диагностики технического оборудования служат для фиксиро­вания и измерения величины диагностических признаков (параметров). Для этого применяют приборы, приспособления и стенды сообразно характеру диагностических признаков и методам диагностики.

Значительное место среди них занимают электроизмерительные приборы (вольтметры, амперметры, осциллографы и др.). Для этой цели электрические измерительные приборы снабжают датчиками.

При диагностике механизмов наиболее часто используют: датчики сопро­тивления, концевые, индукционные, оптические и фотоэлектрические датчики, при помощи которых можно измерять зазоры, люфты, относительные переме­щения, скорость и частоту вращения проверяемых деталей; термосопротивления, термопары и биметаллические пластины для измерения теплового состояния деталей; пьезоэлектрические и тензометрические датчики для замера колеба­тельных процессов давления, биении, деформаций и др.

Одно из положительных качеств электроизмерительных приборов — удоб­ство получения информации, а также в перспективе возможность ее анализа при помощи счетно-решающих устройств.

В зависимости от полноты и степени механизации технологических про­цессов диагностику можно проводить выборочно, только для контроля техни­ческого состояния отдельных механизмов, или комплексно для про­верки сложных агрегатов, таких как двигатель, и наконец, комплексно для диагностики машины в целом.

Во втором случае приборы комбинируют в виде передвижных стендов, а в третьем случае — ими комплектуют датчики и пульты управления стацио­нарных стендов.

Передвижным комплексным средством диагностики является ходовая диагностическая станция. Она может обеспечивать диагностику технического состояния автомобилей в местах их временного размещения. Компоновка ходовой диагностической станции возможна на базе прицепа достаточно большой грузоподъемности.

Основными требованиями к средствам диагностики являются: обеспечение достаточной точности замеров, удобство и простота использования при мини­мальной затрате времени.

В дальнейшем, помимо различных приборов, индикаторов узкого назна­чения, в систему диагностических средств следует включать комплексы элект­ронной аппаратуры.

Эти комплексы могут состоять из датчиков — органов восприятия диагно­стических признаков, блоков измерительных приборов, блоков обработки информации в соответствии с заданными алгоритмами и, наконец, блоков хране­ния и выдачи информации в виде запоминающих устройств для преобразова­ния информации в удобный для использования вид.

Место диагностики в техническом процессе технического обслуживания. Диагностика является составной частью технического обслуживания ма­шин. Она должна органически сливаться с технологическими процессами тех­нического обслуживания и служить целям повышения его качества. В связи с этим очень важно определить задачи диагностики и ее место в системе ре­монта машин.

Практически диагностика технического состояния машин может выпол­няться: перед техническим обслуживанием или ремонтом, в ходе этих работ или же после их выполнения.

Кроме того, возможна эпизодическая диагностика во время приемки ма­шин при их проверке работниками технической инспекции, при подготовке к длительной работе в отрыве от базы. По объему, ме­тодам и глубине операций она может быть комплексной (называемой также общей) и поэлементной.

Комплексная диагностика выявляет нормальное функцио­нирование, эффективность, работоспособность машины (агрегата) в целом. Цель ее — определить соответствие нормам выходных эксплуатационных показателей проверяемых агрегатов по их основным функциям. Примером такой диагностики может быть определение мощности и топливной экономичности двигателя, производительности и долговечности насоса, потерь в трансмиссии, процента буксования сцепления и т. д.

Поэлементная диагностика определяет причину нарушения работы агрегатов (механизмов) обычно по сопутствующим косвенным призна­кам; например, причину потерь мощности двигателя — по компрессии или про­рыву газов в картер, причину повышенного расхода топлива — по уровню в поплавковой камере карбюратора или производительности жиклеров, причину потерь в трансмиссии — по вибрациям и нагревам и т. п. Однако в этом слу­чае конкретизация причин неисправностей доводится лишь до такого уровня, при котором выявляется потребность снятия или разборки проверяемого механизма.

Вообще диагностику, как правило, проводят на нескольких уровнях:

1) на уровне машины в целом;

2) на уровне ее агрегатов;

3) на уровне систем, механизмов и деталей и др.

При этом на каждом из перечисленных уровней определяют техническое состояние, главным образом, двухмерно. Это означает, что диагностика должна дать однозначный ответ: нуждается или не нуждается в настоящее время прове­ряемый агрегат в ремонте или техническом обслуживании с учетом обеспечения безотказной работы до очередного планового технического воздействия. Если техническое состояние проверяемого агрегата не соответствует нормам и он состоит из нескольких самостоятельных механизмов, то необходима поэлемент­ная диагностика каждого из этих механизмов и т. д.

Место диагностики в технологическом процессе технического обслужива­ния машины зависит от развития ее методов и средств. Так, при недостаточной механизации и автоматизации диагностических операций сосредоточение диаг­ностики в одном месте делает ее очень трудоемкой работой, а большой объем полученной при этом разрозненной, несистематизированной диагностической информации затрудняет практическое использование результатов. И наоборот, включение всех диагностических работ в технологический процесс технического обслуживания неизбежно тормозит его и нарушает ритмичность. Поэтому при решении вопроса о месте диагностики не следует искать единых, универсальных форм. Необходимо в соответствии сданным уровнем меха­низации диагностических работ исходить, во-первых, из обеспечения удобства технического обслуживания и ремонта и, во-вторых, из периодичности, обу­словленной заданным уровнем безотказной работы.

В дальнейшем после создания достаточно эффективных и высокопроизводи­тельных средств, диагностика станет обязательной операцией, предшествующей любому техническому обслуживанию или ремонту. Введение диагностики в тех­нологический процесс технического обслуживания неизбежно повлечет за собой ряд изменений, потребует пересмотра значительной части объемов профилакти­ческих работ и выделения из них необязательных операций, выполняемых по результатам диагностики, т. е. по потребности. В дальнейшем возможно развитие так называемой «бортовой диагностики», т. е. диагностики при помощи штатных приборов машины, фиксирующих в ходе эксплуатации расход ресурса и снижение параметров работоспособности.

Литература: 2 осн. [298-300], 3 осн. [69-82], 13 доп. [40-48]

Контрольные вопросы:

1. Что такое диагностика?

2. Какие виды диагностических параметров знаете?

3. Какие виды диагностических сигналов знаете?

4. Назовите виды диагностических средств.