l1

П Л А Н

чтения лекции № 1 по учебной дисциплине

«ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ»

Раздел № I. Математические модели и методы в теории технической диагностики. Анализ граф моделей

Тема №1. Цели и задачи технического диагностирования машин

Время 2 часа

Целевая установка:

Врезультате проведения лекции студент должен: ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

•о терминологии и содержании понятийного аппарата технической диагностики.

ЗНАТЬ:

•основные понятия и определения технической диагностики;

•задачи и сущность процессов технической диагностики.

Рекомендованная литература:

1.Ефимов А.В., Галкин А.Г. Надежность и диагностика систем электроснабжения железных дорог. Учебник для вузов ж/д транспорта. М.: УМК МПС России, 2000, с. 275…278.

2.Измерения и диагностирование в системах железнодорожной автоматики телемеханики и связи. И.Е. Дмитренко, В.В. Сапожников, Д.В. Дьяков. Учебник для вузов ж/д транспорта./ Под ред. И.Е. Дмитриенко. М.: Транспорт, 1994, с. 109…113.

3.Сапожников В.В. Сапожников Вл.В. Основы технической диагностики: Учебное пособие для студенотов вузов ж-д. транспорта. М.: Маршрут, 2004, с.3…15.

4.Надёжность и эффективность в технике. Справочник. Т.9. под общ. ред. В.В. Клюева и П.П. Пархоменко

План проведения лекции

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

При постановке задачи необходимо довести объём, структуру дисциплины, виды контроля и отчётности, а также основные учебники и учебные пособия по дисциплине. Необходимо подчеркнуть значимость и универсальный характер прорабатываемого на лекции материала, а также необходимость детального конспектирования из-за отсутствия по этим вопросам комплексного учебника. Проработку материала лекции целесообразно иллюстрировать схемами и слайдами.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Тема №1. Цели и задачи технического диагностирования машин

1.1. Основные понятия и определения технической диагностики

Определение технического состояния объектов железнодорожного транспорта — одна из наиболее сложных задач в области их технической эксплуатации. Как правило, наиболее трудоемкая часть работы инженерно-технического состава депо заключается в выполнении работ по проверке исправности, работоспособности, правильности функционирования изделий, а также поиску возникающих в них неисправностей. Успешное решение этой задачи может быть получено только на основе применения современных научных методов технической диагностики, представляющей собой отрасль знаний, которая исследует техническое состояние объектов диагностирования и проявления технических состояний, разрабатывает методы их определения, а также принципы построения и организации системы диагностирования.

Техническое состояние объекта - совокупность подверженных изменению в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией на этот объект (ГОСТ

20911-75).

Признаками технического состояния могут быть качественные и (или) количественные характеристики его свойств. Фактические значения этих характеристик определяют техническое состояние объекта.

Следует различать понятия «техническое состояние» и «вид технического состояния». Совокупность технических состояний, удовлетворяющих (не удовлетворяющих) требованиям, определяющим исправность, работоспособность или правильное функционирование объекта, образует соответствующие виды технических состояний объекта.

Различают следующие виды технических состояний объектов:

исправное состояние, при котором объект соответствует всем требованиям, установленным нормативнотехнической документацией;

неисправное состояние, при которой объект не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической документации;

работоспособное состояние, при котором объект способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных входных основных параметров в пределах, установленных норматив- но-технической документацией. При этом не основные характеристики объекта могут не соответствовать требованиям (наличие коррозии, нарушение окраски, неправильная контровка и т.д.). Следовательно, работоспособный объект может быть неисправным. Исправный объект всегда работоспособен;

неработоспособное состояние, при котором значение хотя бы одного заданного параметра, определяющего способность объекта выполнять функции, не соответствуют требованиям норма- тивно-технической документации. Переход изделия из работоспособного в неработоспособное состояние в заданных условиях применения называется отказом.

При одном и том же объективно существующем техническом состоянии объект может быть работоспособным в одних условиях применения не работоспособным в других. Например, тяговый двигатель после перехода в неработоспособное состояние на локомотиве может использоваться в качестве источника механической или тепловой энергии в установках наземного применения.

Каждый объект в общем случае может находиться во многих работоспособных и неработоспособных состояниях. Однако в дальнейшем предполагается, что объект обладает только одним работоспособным состоянием, а число неработоспособных состояний объекта определяется числом возможных отказов элементов и их сочетаний и зависит от принимаемой подробности контроля.

Состояние правильного функционирования означает, что объект в текущий момент времени выполняет предписанный алгоритм функционирования. Объект может находиться в таком неработоспособном состоянии, что он правильно функционирует в одних режимах работы и неправильно в других. Работоспособный объект правильно функционирует во всех режимах работы.

Предельным состоянием называется такое, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо либо восстановление исправного или работоспособного состояния невозможно, или нецелесообразно.

Множества неисправных А и работоспособных Б состояний обычно пересекаются (рис. 1). Область 3 неисправных работоспособных состояний принадлежит одновременно множествам А и Б, множество А может включать также область 4 неработоспособных состояний правильного функционирования.

Для определения технического состояния изделия предназначен контроль технического

состояния, под которым понимается определение вида технического состояния объекта

(ГОСТ 20911-75).

АБ

1 2

3

4

Рис. 1.1 Взаимное расположение областей видов технического состояния объекта:

А – множество неисправных состояний; Б – множество работоспособных состояний; 1 – область состояний отказов; 2 - область исправных состояний; 3 - область работоспособных неисправных состояний; 4 – область неработоспособных состояний правильного функционирования

В общем случае контроль технического состояния объекта есть совокупность операций по проверке работоспособности, локализации и прогнозированию отказов объекта. Составными элементами контроля в общем случае являются измерение контролируемых параметров объекта, анализ полученных данных с целью распознавания вида состояния и места отказа с заданной подробностью, управление процессом контроля.

Анализ полученных при контроле данных для распознавания вида состояния и места отка-

за называется техническим диагностированием, которое сформулировано как «процесс опреде-

ления технического состояния объекта диагностирования с определенной точностью»

(ГОСТ 19919-74) (термин «диагностика» происходит от греческого «диагностикос», что означает распознавание, определение). Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием при необходимости, места, вида и причины дефекта.

Жизненный цикл любого объекта состоит из этапов производства и эксплуатации. На каждом из этих этапов к объекту предъявляются определенные технические требования. Объект всегда должен удовлетворять требованиям, установленным технической документацией. Возникающие в объекте дефекты нарушают это соответствие. Задача диагностирования состоит в том, чтобы своевременно обнаружить дефекты, найти места и причины их возникновения и, в конечном итоге, восстановить нарушенное дефектами соответствие объекта техническим требованиям.

Дефекты могут появиться и на этапе проектирования объекта. Ошибки проектирования

представляют собой особый класс дефектов, также подлежащих устранению с помощью методов исредств технической диагностики.

Дефект – конкретное наименование неисправности.

В технической диагностике термин «неисправность» используют как название модели дефекта, а также для обозначения неисправного состояния у объекта или его составной части.

Чтобы убедиться в том, что объект исправен (т. е. в нем нет ни одной неисправности), проводят проверку исправности объекта. На этапе производства такая проверка позволяет узнать, содержит ли созданный объект дефектные компоненты (детали, элементы, блоки, узлы и т. п.), а их монтаж — ошибки. Проверка исправности является основой деятельности производственных отделов технического контроля. На этапе эксплуатации проверяют: в условиях ремонта — все ли имевшиеся в объекте неисправности устранены; в условиях хранения — не возникли ли какиелибо неисправности за время хранения объекта. При профилактике объекта перед применением его по назначению или после такого применения в ряде случаев необходимо установить, в состоянии ли объект выполнить все функции, предусмотренные его рабочим алгоритмом функцио-

нирования, т. е. проверить работоспособность объекта. Проверка работоспособности может быть менее полной, чем проверка исправности, т. е. после проверки могут остаться необнаруженными неисправности, которые не препятствуют применению объекта по назначению. Например, резервированный объект может быть работоспособным несмотря на наличие неисправностей в резервных компонентах или связях.

На этапе эксплуатации в процессе применения объекта по назначению часто необходимо

проверить правильность функционирования, т. е. выявить неисправности объекта, нарушающие его нормальную работу в текущий момент реального времени. Проверка правильности функционирования является менее полной, чем проверка работоспособности, так как позволяет убедиться только в том, что объект правильно функционирует в данном режиме работы в данный момент времени. Однако в правильно функционирующем объекте возможны неисправности, которые могут быть причиной неправильной работы объекта в других режимах, тогда как работоспособный объект правильно функционирует во всех режимах.

Таким образом, исправный объект всегда работоспособен и функционирует правильно; неправильно функционирующий объект всегда неработоспособен и неисправен. Правильно функционирующий объект может быть неработоспособным и, значит, неисправным. Работоспособный объект также может быть неисправным.

Важной характеристикой процедур проверки исправности, работоспособности или правильности функционирования является полнота обнаружения дефектов, задающая долю гарантированно обнаруживаемых неисправностей относительно всех заданных или рассматриваемых неисправностей объекта.

Техническое диагностирование с целью определения мест и, при необходимости, причин и видов дефектов объекта называют поиском дефектов. Поиск дефектов необходим для выявления и замены дефектных компонентов или связей объекта, для устранения ошибок монтажа и т. п. После устранения дефектов объект становится исправным, работоспособным или правильно функционирующим. Поиск дефектов является существенной составляющей деятельности служб наладки на этапе производства и ремонтных служб на этапе эксплуатации.

Степень детализации, указывающая, до какой составной части объекта определяется место отказа, называется глубиной поиска дефекта.

Процедура диагностирования включает в себя целую совокупность операций контроля, выполняемых в определенной последовательности. Всякое изделие, состояние которого подверга-

ется контролю, называется объектом контроля. Изделие и его составные части, технические состояния которых подлежат определению, называется объектом диагностирования.

Объект диагностирования всегда является и объектом контроля, поскольку техническое диагностирование является составной (не обязательной) частью процесса контроля. Однако объект контроля в определенных условиях может не быть объектом диагностирования.

Признаками технического состояния объекта контроля (объекта диагностирования) могут быть определенные области значений качественных и количественных характеристик свойств объекта. В качестве количественных и качественных характеристик технических состояний изделия обычно используются контролируемые параметры с установленными нормативами по допустимому изменению их численных значений. Под п а р а м е т р о м в технической диагностике понимают наименование какой-либо физической величины, устанавливаемой для отличия данного состояния от других состояний объекта контроля.

Например, техническое состояние колёсных пар характеризуется следующими частными свойствами: степенью износа бандажей и цельнокатаных колёс по поверхности катания, наличием механических повреждений, наличием изменений целостности конструкции под воздействием климатических факторов и временных изменений (старения).

Количественно эти свойства оцениваются параметрами:

−величиной проката бандажа Sh;

−толщиной бандажа S;

−номинальным диаметром колеса DH;

−межбандажным расстоянием A.

По каждому из перечисленных параметров в эксплуатационной документации указываются предельно допустимые значения, т.о. по соответствию или несоответствию численных значений

ных состояний 2 в множество неисправных состояний А (см. рис. 1.1). Она возникает при изготовлении устройств на заводах, включении их после долгого хранения или ремонта.

Вторая задача диагностирования — п р о в е р к а р а б о т о с п о с о б н о с т и , при которой решается задача обнаружения тех неисправностей, которые переводят ОД из множества работоспособных состояний Б в множество неработоспособных состояний (совокупность областей 1 и 4). Во время проверки работоспособности можно оставлять необнаруженными неисправности, не препятствующие применению системы по назначению. Например, при наличии резервирования система может быть работоспособна, несмотря на наличие неисправностей в резервных элементах. Поэтому данная задача является менее детальной, чем проверка исправности, и может быть решена более простыми методами. Проверка работоспособности осуществляется при включении объекта в работу или при профилактических осмотрах, а также когда имеется ограничение на время, отведенное для проверки устройств.

Третья задача диагностирования — п р о в е р к а п р а в и л ь н о с т и ф у н к ц и о н и - р о в а н и я — решается во время работы ОД. При этом достаточно следить за тем, чтобы в объекте не появились неисправности, нарушающие ее нормальную работу в настоящий момент времени, и исключить недопустимое для нормальной работы влияние неисправностей. Проверка правильности функционирования позволяет делать вывод о правильной работе ОД только в данном режиме и в данный момент времени. Указанная задача имеет важное значение для устройств железнодорожной автоматики, выполняющих ответственные функции по регулированию движения поездов. В них надо следить за тем, чтобы искажение алгоритма функционирования не приводило к опасным последствиям в поведении объекта управления.

Четвертая задача диагностирования — п о и с к н е и с п р а в н о с т е й (дефектов), при котором решается проблема точного указания в объекте неисправного элемента или множества элементов, среди которых находился неисправный элемент. Поиск дефектов может осуществляться в неисправных, неработоспособных и в неправильно функционирующих устройствах во время наладки при производстве и во время ремонта при эксплуатации и хранении. Результатом процесса поиска неисправностей является разбиение множества состояний {1,3,4} (если исследуется не-

исправный объект) или множества состояний {1,4} (если исследуется неработоспособный объ-

ект) на классы неразличимых между собой (или эквивалентных) состояний, а также соответствующих им неисправностей. Эквивалентными неисправностями называются такие, которые нельзя отличить друг от друга при принятом для исследования устройства способе диагностирования. При этом решается вопрос — в каком из классов эквивалентных состояний находится ОД: Число классов определяет ту степень детализации, которая достигается при поиске неисправностей. Ее называют глубиной диагноза (поиска).

Например, в любой блочной системе дефекты всех элементов, входящих в один блок, образуют в большинстве случаев один класс эквивалентных неисправностей. Поиск неисправностей в этом случае ведется до неисправного блока, замена которого на исправный обеспечивает восстановление работоспособности системы.

Пятая задача диагностирования — п р о г н о з и р о в а н и е с о с т о я н и я ОД, для решения которой изучается характер изменения диагностических параметров и на основе сформировавшихся тенденций предсказываются значения параметров в будущий момент времени.

Эффективность диагностирования ОД достигается в том случае, когда задачи диагностирования учитываются на всех этапах жизненного цикла технического объекта (рис. 1.2). При проектировании решаются общие вопросы организации системы диагностирования. На основе анализа ОД составляется ее диагностическая модель, проектируются технические средства диагностирования (СД), а также оценивается эффективность диагностирования.

При диагностировании могут решаться как прямые, так и обратные задачи.

Прямые задачи диагностирования - это определения по заданной элементарной проверке информации о техническом состоянии объекта диагностирования. За информацию, полученную при элементарной проверке, можно принять ряд состояний объекта, соответствующих данной проверке.

Для решения прямых задач диагностирования необходимо предварительно построить математическую модель исправного объекта и произвести необходимое множество допустимых элементарных проверок предполагаемых неисправностей.

В результате решения прямых задач на первом этапе определяется множество технических состояний объекта, в одном из которых фактически он находится. Такие задачи решают по результату одной-двух проверок. Далее прогноз уточняют путем использования последующих проверок с применением различных средств и методов контроля. При диагностировании сложных многофункциональных объектов оператору приходится многократно повторять проверки для локализации возникшей неисправности. Часто возникает необходимость в процессе проверок комбинировать различные методы и средства с целью достижения поставленной задачи.

Так, если информация о параметрах работы компрессора при его отказах вызывает сомнения и затрудняет принятие решения, то необходимо использовать другие методы, например, спектральный анализ масла.

Рис. 1.2 Диагностирование на всех этапах жизни технического объекта

Под обратными задачами диагностирования понимается определение некоторой совокупности элементарных проверок, которые позволяют определить заданное техническое состояние объекта, т.е. если в объекте предполагается какая-то неисправность. Решение обратных задач диагностирования позволяет получить все возможные элементарные проверки, обнаруживающие эту неисправность.

Обратные задачи диагностирования заключаются в том, что при известном техническом (неисправном) состоянии изделия необходимо найти такие проверки (методы контроля, программы), которые с высокой степенью точности выявляют это состояние, то есть, возникшую неисправность. Необходимость решения обратных задач диагностирования возникает, как правило, при составлении алгоритмов диагностирования, когда оператору из большого количества методик надо выбрать одну или несколько для практической реализации.

Основными ч а с т н ы м и задачами при диагностировании объектов ПС ЖД являются:

•определение числа состояний, в которых может пребывать диагностируемый объект;

•определение числа контролируемых параметров, которые могут выявить все состояния объекта;

•минимизация числа контролируемых параметров (с учетом использования комбинаций параметров);

•определение программы диагностирования объекта.

1.3. Сущность процессов диагностирования

В общем случае процесс диагностирования состоит из отдельных элементарных проверок, каждая из которых характеризуется подаваемым на объект тестовым или рабочим воздействием и реакцией объекта на это воздействие, называемое ответом. Сочетание отдельного тестового

(или рабочего) воздействия на объект и снимаемого с объекта ответа называется элементар-

ной проверкой объекта. Результатом элементарной проверки является значение ответа объекта. При одном тестовом воздействии одновременно могут контролироваться несколько контрольных точек, т.е. сниматься несколько ответов объекта контроля. В этом случае число элементарных проверок определяется числом контролируемых ответов. Определенная совокупность элемен-

тарных проверок, позволяющая решать какую-либо из задач диагноза, называется тестом диагностирования, или тестом: Т = π], π2, ... πп. Диагностический тест Т — это совокупность проверок, позволяющая указать место неисправности с точностью до классов эквивалентных неисправностей. Он позволяет решать задачу поиска неисправностей.

Рис. 1.3. Объект диагноза ОД

Под длиной теста L понимают число входящих в него проверок.

Важной характеристикой процедур диагностирования является полнота обнаружения неисправностей, задающая долю гарантированно обнаруживаемых неисправностей относительно всех заданных или рассматриваемых неисправностей объекта диагноза. Любая диагностическая процедура (а также и тест диагноза) обязательно связывается с определенным, строго фиксированным списком неисправностей, обнаружение которых обеспечивается при ее проведении. Это фактически определяет ограничение, накладываемое на процесс обнаружения неисправностей, и в конечном итоге определяет глубину диагностирования.

Алгоритмом диагностирования технического состояния объекта называется формаль-

ное описание процесса диагностирования, представляющее собой принятую последовательность элементарных проверок и правил анализа их результатов.

Для решения одной и той же задачи диагностирования (например, для проверки исправности) можно построить несколько алгоритмов, которые различаются между собой либо составом элементарных проверок, либо последовательностью их реализации, или тем и другим вместе.

Сокращение времени и затрат для решения задач диагностирования достигается путем построения оптимальных алгоритмов диагностирования технического состояния.

Таким образом, необходимость разработки формальных методов построения алгоритмов определения технического состояния является актуальной задачей технической диагностики. Это особенно важно для сложных объектов ЖТ (к которым относятся вагоны) насчитывающих сотни конструктивных, функционально взаимосвязанных элементов. Кроме того, применение формальных методов позволяет в некоторых случаях автоматизировать или механизировать процессы построения алгоритмов диагностирования при помощи ЭВМ.

1.4.Классификация контроля и диагностирования

Взависимости от глубины контроля различают контроль работоспособности и контроль с поиском места отказа (диагностирование). В зависимости от природы контролируемых параметров и способов их контроля различаются физические и параметрические методы контроля.

Физические методы принято называть методами неразрушающего контроля. Они основаны на использовании различных физических явлений, сопутствующих работоспособным и неработоспособным состояниям объектов.

Внерабочих состояниях объекта физические методы контроля обеспечивают определение наличия (отсутствия) скрытых механических повреждений и дефектов в деталях объектов (появление скрытых сквозных и несквозных микротрещин, внутренних раковин и посторонних вклю-

чений, надломов и т.д.). Для этих целей нашли широкое распространение оптический, капиллярные, магнитные, токовихревые, ультразвуковой, радиационные методы.

Физические методы для контроля объектов в их рабочих состояниях обеспечивают выявление недопустимых изъянов и повреждений в сопряженных подвижных деталях механизмов (подшипниках, кривошипных и т.п. механизмах). К таким методам относятся тепловые и акустические методы, статистической обработки случайных колебаний выходных параметров объектов контроля.

На применении физических методов основан д е ф е к т о с к о п и ч е с к и й к о н т р о л ь объектов ж/д транспорта, который выполняется в целях своевременного обнаружения трещин, коррозионных поражений, недопустимых изменений эксплуатационных свойств и других дефектов материала высоконагруженных деталей объектов ж/д транспорта и осуществляется с помощью средств неразрушающего контроля.

Параметрические методы контроля работоспособности основаны на измерении, соответствующем функциональном преобразовании и оценке выходных и внутренних параметров объектов контроля. Эти методы обеспечивают контроль объектов в их нерабочих состояниях, в статистических и динамических режимах работы. К параметрическим относятся методы контроля работоспособности отдельных элементов электрических схем объектов - резисторов, реактивных сопротивлений, контактов и т.п. как правило, эти элементы контролируются в нерабочих состояниях объектов.

В организационном аспекте виды контроля объектов ПС ЖД можно классифицировать, например, так, как это показано на рисунке 1.4.

А в т о м а т и ч е с к и й к о н т р о л ь осуществляется с помощью ЭВМ по предварительно разработанным "жестким" программам для ЭВМ (например, диагностирование аппаратуры диспетчерской и электрической централизации крупных станций: "Нева", "Диагноз", «Прогноз» и

т.п.).

Виды эксплуатационного контроля объектов Ж/Д Т

Визуальный Инструментальный

Рис. 1.4 Классификация видов эксплуатационного контроля

А в т о м а т и з и р о в а н н ы й к о н т р о л ь проводится путем комплексного использования ЭВМ, предварительно разработанных "жестких" программ для ЭВМ, специалистов (операторов ЭВМ) и предварительно разработанных "гибких" программ для операторов. Примером такого вида контроля является использование бортовых систем диагностирования дизелей, тяговых двигателей.

Т е х н и ч е с к и й о с м о т р осуществляется специалистами по гибким программам, заданным эксплуатационной документацией. При техническом осмотре специалисты могут задействовать контрольно-поверочную аппаратуру, инструмент, а для вспомогательных целей - ЭВМ. Часто технический осмотр проводится в с использованием органов чувств человека (в основном - зрения), поэтому этот вид контроля называют о с м о т р о м.

В х о д н о й к о н т р о л ь выполняется перед выполнением какого либо комплекса ре- монтно-профилактических работ с целью установления фактического состояния изделия ПС ЖД и формирования (уточнения) перечня предстоящих работ. Например, входной контроль при постановке вагона в депо для выполнения ремонта.

П р и е м о ч н ы й к о н т р о л ь выполняется при приемке готовой продукции для установления полноты и качества выполненных работ. Например, приемочный контроль бригадой электровоза после выполнения на нём комплекса работ по ТО-1.

П о о п е р а ц и о н н ы й к о н т р о л ь выполняется во время выполнения какого либо комплекса работ. Пооперационному контролю подвергаются отдельные наиболее ответственные операции (работы) из выполняемого комплекса работ. Например, контроль правильности установки нового фильтропакета маслофильтра при выполнении периодических работ на компрессоре.

К о н т р о л ь ф у н к ц и о н и р о в а н и я, р а б о т о с п о с о б н о с т и и и с п р а в н о с т и отличающиеся лишь глубиной контроля. Наиболее поверхностный контроль - контроль функционирования. Он требует минимум сил, средств и времени и осуществляется, в основном, с привлечением бортовых средств контроля. Это наиболее массовый вид контроля. Чаще всего выполняется при подготовке к рейсу и проверке работы систем и оборудования.

Наиболее глубокий контроль осуществляется при контроле исправности. Этот вид контроля требует значительных сил, средств и времени. Он осуществляется, в основном, с привлечением наземно-бортовых и наземных комплексов контроля при выполнении периодических и ремонтных работ.

В зависимости от способа инициирования контролируемых параметров объекта различают методы тестового и функционального контроля (диагностирования).

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

При подведении итогов необходимо подчеркнуть значимость и универсальный характер проработанного на лекции материала, а также необходимость более углубленного изучения учебного материала из-за отсутствия по этим вопросам систематической литературы в часы самостоятельной работы. Для проработки материала лекции целесообразно использовать дополнительную литературу.

Лекцию разработал ст. преподаватель кафедры Т и ПМ

_____________ И. Диденко