ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ. ДИАГНОСТИКИ

Любая техническая система представляет материальное воплощение некоторой организации и характеризуется определенной структурой. Система состоит из элементов, а элементы характеризуются составными частями (сопряжения, детали). Составные части отражают размер и форму детали, характер сопряжении величины зазоров, характер взаимодействия и т. д. Если каждая составная часть охарактеризована в виде некоторого числового значения x то совокупность числовых значений х1, x2, x3, ..., xп достаточно полно характеризует структуру и способ функционирования любого механизма в данный момент времени. Переменные х1, x2, x3, ..., xп называют параметрами состояния. Параметры состояния обычно нельзя непосредственно замерить, так как большин­ство сопряжений находится внутри машины. В процессе ра­боты машины происходит изменение ее параметров состоя­ния. Если числовые значения параметров состояния не, выхо­дят за допустимые пределы, то объект находится в исправном состоянии. Если же числовые значения хотя бы одного из этих параметров выходят за пределы поля допуска, то объект находится в неисправном состоянии.

Любая работающая машина порождает множество про­цессов: излучает тепло, шум, вибрации, и т. д., которые мож­но назвать выходными процессами. Параметры выходных процессов отражают качество функционирования машины. Параметры выходных процессов могут быть обобщенными или частными. Обобщенные параметры характеризуют техни­ческое состояние машины по ее прямому назначению в целом (расход топлива, качество изделия, общий шум, полный ход определяющего механизма производительность и т. д.), частные—конкретного механизма или системы влияющие на непосредственное выполнение функций машиной косвенно (стук, повышенная вибрация приводных цепей, повышенный износ шлицев и т. д.). Обобщенные и частные параметры могут быть не­посредственно измерены на работающей машине. Совокупность параметров выходных процессов, используемых для оценки технического состояния работающей машины, называ­ют диагностическими сигналами или симптомами.Диагности­ческие сигналы с параметрами состояния связаны некоторы­ми функциональными зависимостями

(i=1,2,…,n).

Задача диагностики состоит в том, чтобы решить эту си­стему уравнений. То есть определить

Xi=Fi(Yi,Y2,…,Yn)

(i=1,2,…,n).

Функциональная зависимость fi(хi, х2, ...,xп) определяется как правило экспериментально. С помощью специальной аппаратуры определяются диагностические сигналы, а затем расчетным путем параметры состояния системы.

Для того, чтобы использовать параметр выходного процес­са в качестве диагностического симптома, он должен удовлет­ворять требованиям однозначности (соответствие одному структурному параметру), широты диапазона информации, распространения в пространстве (достигать наружной поверх­ности), простоты и надежности измерения.

Для решения задач диагностики машины необходимо выя­вить наиболее удобный и полный комплекс выходных пара­метров, отобрать наиболее типичные и информативные режи­мы работы машины, определить законы изменения парамет­ров выходных процессов в функции времени и их предельно-допустимые значения, выбрать диагностическое оборудование, определить последовательность (стратегию) поиска неисправностей машины в целом и ее элементов.

Для химических машин и аппаратов целесообразно подраз­делить диагностику на два вида: во время эксплуатации ма­шины (точнее во время технических уходов) и во время ее ремонта.

По срокам проведения технический диагноз в эксплуата­ции можно подразделить на два вида: постоянный, периоди­ческий (ежесменный, после определенной наработки ).

Постоянный диагноз необходим для предупреждения вне­запных по проявлению отказов, для контроля настройки авто­матических устройств, а также некоторых ответственных узлов и деталей (например, обнаружение усталостной трещины на валу, роторе, корпусе может предотвратить аварию).

Периодический диагноз в процессе эксплуатации проводится для обнару­жения и предупреждения постепенных отказов, связанных с износом элементов, нарушающим качественные показатели машины.

Износ деталей и узлов рабочих органов машин и аппаратов приводит к увеличению потерь и ухудшения качества готовой продукции. По­этому своевременная диагностика их теоретического состояния позволяет существенно повысить эффективность работы машины.

Технический диагноз может проводиться визуально, с ис­пользованием мерительного инструмента, приборов или с по­мощью систем контроля.

Отдельные специализированные системы контроля мон­тируются в виде передвижного или стационарного агрегата.

Техническая диагностика машин при ремонте проводится аналогично эксплуатационной, но дополнительно для деталей и узлов, вырабатывающих более межремонтного срока необходимо определить достаточен ли оставшийся ресурс до следующего ремонта.

Чрезвычайно важным вопросом технической диагностики является определение предельных значений диагностических симптомов. Без знания предельных значений невозможно диагностирование будущего состояния изделия — прогнозирования.

Рис. 3. Зависимость качества обрезки облоя манжет от величины затупления ножа.

Если контролируются симптомы, связанные с количественными показателями машины, то их предельные значения задаются по предельному значению качества, оговоренного техническими требованиями. Для этого необходимо опытным путем, специально поставленными исследованиями, определить корреля­ционные связи между контролируемым параметром и пара­метром качества. Например, на рис. 3 приведена зависимость качества обрезки облоя манжет от величины затупления ножа. Процент некондиционных изделий допускается не более 10%, то есть минимальное качество W=0,9. Ему соответствующий размер кромки ножа а =0,7 мм.

Такие корреляционные зависимости могут быть получены также и на основании обработки эксплуатационных статисти­ческих данных по значениям параметров к качеству продук­ции.

Если же контролируются симптомы, связанные с показа­телями безотказности или долговечности, то их предельные значения задаются по соответствующим допустимым значе­ниям показателей.

Например, известно по ГОСТу, что удлинение двадцати звеньев приводной цепи транспортера не должно пре­вышать 4%. Если удлинение больше этого предельного зна­чения, то может происходить соскакивание цепи, ее ненормальная работа и, следовательно, наступает отказ. Допустимое удлинение принимается, в качестве предельного значения из условия безотказной работы приводной цепи.

Важным вопросом в технической диагностике является выбор периодичности диагностирования.

При выборе периодичности диагностирования могут исхо­дить из условия обеспечения заданной безотказности, либо из экономических соображений.

В первом случае периодичность диагностирования опреде­ляется точно также как и периодичность ремонта и обслуживания по заданному допустимому проценту отказов.

Если процесс диагностирования трудоемок, то возникает задача выбора периодичности диагностирования, обеспечива­ющей минимум удельных затрат.

Минимизируются суммарные затраты на выполнение вне­плановых текущих ремонтов и плановой диагностики, ремон­тов и плановой диагностики, ремонта и обслуживания изде­лия.

В отличие от ранее полученной оптимальной периодично­сти обслуживания и ремонта в этом случае под С понимают­ся затраты на диагностику, проводимую принудительно для всех изделий и профилактику и ремонт только для тех изде­лий, которые в этом нуждаются. То есть исключаются затра­ты на «лишние» профилактические работы.

Для того, чтобы определить какие изделия, возможно не обслуживать и не ремонтировать необходимо уметь прогно­зировать наработку каждого конкретного изделия до пре­дельного состояния.

Предположим, что известны способы прогноза для изделий (они будут рассмотрены ниже) и определим оптимальное время диагностирования.

3. ОПТИМАЛЬНОЕ ВРЕМЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Процесс проведения профилактических работ можно представить следующим образом.

В некоторый момент То+Т₁ (рис. 4) производится диагностика всех изделий проработавших это время. При этом с (помощью диагностики определяются те изделия, которые не могут отработать время большее То+Т₁+Т₂, то есть время, например, до следующего ремонта, окончания сезона и т. д. Другими словами определяются те изделия, которые необходимо ремонтировать в первую очередь и имеющие большую долговечность (Т>То+Т₁+Т₂), которые можно пока не ремонтировать. Когда проводить диагностику и насколько времени вперед, с помощью ремонта, обеспечивать безотказную работу изделия, ка­кую часть изделий оставлять без ремонта можно решить лишь с помощью привлечения экономических соображений. В данном случае цикл затрат на восстановление партии из­делий числом N складывается из следующих этапов. Ремонт в условиях эксплуатации (1 — 2), ремонт в мастерской (2—3), ремонт снова в эксплуатации (3—4) я диагностика всех изделий попавших в ремонт, а момент То +Т₁ и отремонтированных в эксплуатации.

Рис. 4. К определению времени профилактических работ.

Для вычисления удельных затрат необходимо определить среднее время безотказной работы. Оно определяется средним временем работы изделий в эксплуатации на участке То—То+Т₁ и на участке

Итак, затраты равны

где С_Э, Ср , Сд - стоимость (трудоемкость) восстановления одного отказа в эксплуатации, в мастерской и его диагностики в условиях мастерской;

N_Э1 - число изделий отказавших и отремонтиро­ванных на участке Т÷Т1 в эксплуатации;

N_Э2 - число изделий отказавших и отремонтированных на участке (То+Т₁+Т₂) ÷ Тмакс в экcплуатации;

N_Р - число изделий отремонтированных ,в мастерской;

N — общее число изделий.

Вычислим каждое слагаемое. Отсчет ведем от точки Т = То

площадь под кривой f(t) на участке 0—Т₁

площадь под кривой f(t) на участке Т₁+T₂, ÷T_макс

площадь под кривой f(t) на участке То÷Т₁ + Т₂.

Определим теперь средний ресурс отработавших в эксплу­атации изделий. Те изделия, которые преждевременно заме­нены или отремонтированы, выпадают из рассмотрения. Их ресурс, является потерянным для деталей этого наименования.

График вероятности безотказной работы изделия приве­ден я а рисунке. Заштрихованная сеткой площадь определяет потерянный ресурс из-за преждевременного ремонта или замены деталей.

Средний ресурс изделия определяется площадью под кривой ограниченной точками 1, 2, 3, 4. Отсчитывая от Т=То имеем

где

Теперь удельные затраты, отнесенные к одному изделию, равны

Эту же формулу можно представить в дискретном виде, удобном для числовых расчетов. Расчет сводится к тому, что необ­ходимо выбрать так период диагностики Т₁ и период времени профилактического (преждевременного) ремонта Т₂, чтобы минимизировать удельные затраты. Все вычисления удобно производить в дискретном виде задавая различные значения Т₁ и Т₂.

Пример. Определить периодичность диагностирования Т₁ и время Т₂, соответствующее частичному ремонту для условий предыдущего примера, если задано С_Э/С_Р=2, С_Д/С_Р=0,1.

Результаты расчетов приведены на рис. 5.

Рис. 5. Определение оптимальной периодичности про­ведения профилактики транспортеров

а) удельные затраты с увеличением среднего ресурса, б) минимальные удельные затраты в зависимости от Т₂: 1.2,3— наработки, Т₂=30, 60, 90сут.

Оптимальное время ремонта осталось То+Т₁=210сут, а время соответствующее частичному ремонту (оптимальное) равно Т₂ ==60сут. Выигрыш удельной стоимости составляет %. Средний ресурс увеличился на ΔТ=70-50=20сут.