ISTOTA DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ

Definicja diagnostyki technicznej

Diagnostyka techniczna jest to dział nauki o eksploatacji technicznej, zajmujący się problemami związanymi z rozpoznawaniem stanu technicznego obiektów bez ich demontażu lub częściowego demontażu, nie naruszającego zasadniczych funkcjonalnych połączeń elementów.

Badania diagnostyczne polegają na określeniu stanu maszyny bądź podczas eksploatacji, lub podczas dokonywania kontroli technicznej gotowego wyrobu w zakładzie produkcyjnym. W wyniku badania diagnostycznego otrzymuje się informacje o wewnętrznych cechach badanej maszyny. Wynikiem badania diagnostycznego jest diagnoza, która stanowi podstawę co do dalszego użytkowania obiektu lub zakresu naprawy.

Diagnostyka jako metoda pomiaru musi spełniać dwa warunki:

Powtarzalność – polega na tym, by proces diagnostyczny można było powtarzać dowolną liczbę razy, tzn. aby cechowała go standardowość tak jak np. funkcjonowanie prasy wytłaczającej jednakowe części. Aby ten warunek mógł być spełniony, proces diagnostyczny powinien być ściśle i szczegółowo określony przez dokładne i wyraźnie podanie następujących po sobie czynności.

Jednoznaczność – odnosi się do obiektywności diagnozy i polega na tym, by ponowne badania diagnostyczne maszyn znajdujących się w  takim samym stanie prowadziły do analogicznych wyników. Diagnoza powinna zależeć od stanu maszyny a nie od subiektywnej oceny osoby badającej i pozostałych warunków zewnętrznych, w których znajduje się obiekt.

Obiektem badań diagnostycznych może być każde urządzenie techniczne spełniające następujące warunki.

-          może znajdować się w dwóch różnych, wzajemnie wykluczających się stanach, to znaczy może być zdatne (zdolne do wykonania pracy) lub niezdatne (niezdolne do wykonania pracy),

-          składa się z elementów mogących również znajdować się w co najmniej dwóch różnych stanach.

Jednym z podstawowych zadań diagnostyki technicznej jest zmniejszenie nieokreśloności obiektu i ustalenie stanu, w jakim znajduje się obiekt. Miarą nieokreśloności w teorii informacji jest entropia zdefiniowana następująco:

gdzie:              k – liczba prawdopodobnych stanów W obiektu,

                            pi – prawdopodobieństwo wystąpienia stanu i,

                            a – podstawa logarytmu.

ENtropia ma następujące własności:

-          osiąga wartość zero, kiedy jeden ze stanów obiektu jest pewny a inne niemożliwe, tzn. kiedy stan techniczny obiektu jest zdeterminowany,

-          przy danej liczbie stanów osiąga maksimum, kiedy te stany są równoprawdopodobne a przy zwiększaniu liczby stanów – zwiększa się,

-          ma cechy addytywności, tzn. jeśli kilka niezależnych systemów połączyć w jedną całość, to ich entropie sumują się.

W procesie diagnozowania poprzez pomiar wartości parametrów S określa się stany W. Jeśli zostanie wykonane sprawdzenie któregokolwiek z parametrów Sj , to nieokreśloność zbioru W zmniejszy się i wyniesie E(W/S). Wielkość ta jest entropią względną, której wartość jest mniejsza od wartości E(W), ponieważ uzyskano pewną ilość informacji o zbiorze W.

Do zasadniczych zadań diagnostyki technicznej zalicza się:

-          ustalenie, klasyfikowanie i badanie niezdatności obiektów oraz symptomów tych niezdatności,

-          opracowanie metod i aparatury do mierzenia wartości parametrów diagnostycznych,

-          ocena stanu technicznego obiektów na podstawie zmierzonych wartości parametrów diagnostycznych oraz przez porównanie ich z wyznaczonymi wcześniej wartościami dopuszczalnymi,

-          ustalenie charakteru i zakresu czynności profilaktycznych lub prognozowanie zakresu dalszej poprawnej pracy.

Struktura obiektu a sygnał diagnostyczny

Podczas realizacji zadań diagnostyki są wykorzystywane dwie charakterystyczne cechy urządzeń technicznych. Pierwszą z nich jest struktura urządzenia, wyznaczająca jego właściwości użytkowe. Drugą natomiast cechą urządzeń jest to, że podczas ich funkcjonowania realizowane są różnorodne procesy fizyczne i chemiczne nazywane procesami wyjściowymi (sygnałami).

Strukturę urządzenia stanowi zbiór tworzących go elementów konstrukcyjnych, uporządkowanych i wzajemnie powiązanych w ściśle określony sposób w celu wypełniania założonych funkcji. Jest ona charakteryzowana rozmieszczeniem, kształtem i wymiarami elementów.

Struktura urządzenia wyznacza całokształt jego właściwości techniczno-eksploatacyjnych założonych podczas konstruowania, określa stopień przydatności obiektu do wypełniania zadań. Może ona być opisana zbiorem mierzalnych, takich jak wymiary wzajemnego ich położenia, luzy między współpracującymi elementami, zużycia, parametry opisujące deformacje kształtu (np. owalność, stożkowatość, falistość), charakteryzujące stan powierzchni, sprężystość elementów itp. Zbiór ten nazywany jest zbiorem parametrów struktury i oznaczamy:

U{ui}          i=1,2,…..,n

Podczas eksploatacji następuje zmiana wartości parametrów struktury związana z pogorszeniem stanu technicznego urządzenia.

Ocena stanu urządzania polega to na tym, że mierzy się pewne procesy generowane przez dane urządzenie (sygnały) i na tej podstawie uzyskuje się informacje o stanie urządzenia i jego elementów, co można zapisać:

gdzie:             

S – wektor parametrów sygnału,

              U – wektor parametrów stanu (struktury),

              E – wektor parametrów sterowania,

              Z – zakłócenia.

Niewiadomymi w tym równaniu są parametry struktury (stanu), natomiast znane parametry sygnału. Wobec tego rozwiązanie zadania diagnostycznego będzie polegać na rozwiązaniu równania:

przeważnie podczas pomiarów E = const, staramy się prowadzić je tak, aby wpływ zakłóceń był jak najmniejszy i stały Z = min i Z = const, wówczas równanie to przyjmie postać:

przy założeniu że:  E = const, Z = min i Z = const.

Równanie to mówi o tym, że aby ocenić stan techniczny urządzenia należy znać wektor parametrów sygnałów generowanych przez urządzenie, przy zachowaniu określonych warunków pomiarów.

Na rysunku 1 przedstawiono istotę podstawowego równania diagno-stycznego i założeń z tym związanych.

Rys. 1. Istota podstawowego równania diagnostyki technicznej

Sygnały generowane przez urządzenie mechaniczne dzielą się na dwie grupy:

-          robocze (użytkowe) – wynikające bezpośrednio z realizacji użytkowych funkcji urządzenia (spalania paliwa w silniku, przemiany energetyczne, wymiana ciepła, tarcie w elementach ciernych),

-          towarzyszące – powstające jako wtórny efekt zasadniczych procesów roboczych (szumy, drgania, zjawiska świetlne, zapachy, procesy cieplne).

Procesy te można opisać wielkościami mierzalnymi, które nazywano parametrami wyjściowymi (sygnałami). Zatem procesy wyjściowe mogą być scharakteryzowane zbiorem parametrów wyjściowych:

S  = {sj};       j=1,2,…..,n

Przebieg procesów wyjściowych jest uzależniony m.in. od stanu technicznego urządzenia. Wobec tego wartości parametrów wyjściowych będą się zmieniać wraz z jego zmianą.

Ponieważ stan techniczny urządzenia zależy od wartości parametrów struktury, a z kolei ich zmiany powodują zmiany wartości parametrów wyjściowych, to parametry wyjściowe odzwierciedlają charakter współpracy elementów urządzenia, tzn. jego stan techniczny.

Podczas pracy urządzenia mechanicznego w efekcie współdziałania wejścia wewnętrznego i zewnętrznego generowane są w nim dwa rodzaje procesów: robocze oraz towarzyszące, które mogą być wykorzystywane jako parametry diagnostyczne (rys. 2).

Pierwszy rodzaj procesów odzwierciedlają główny proces roboczy są: moc, prędkość obrotowa, zużycie paliwa itp. Parametry tych procesów zawierają informacje o ogólnym stanie technicznym urządzenie. Wykorzystywane są do diagnozowania ogólnego obiektu technicznego.

Drugi rodzaj procesów generowanych w urządzeniu mechanicznym to procesy towarzyszące będące najczęściej wtórnym efektem procesu roboczego zalicza się do nich: drgania, hałas, procesy cieplne, procesy zużycia. Procesy te zawierają informacje szczegółowe o stanie elementów, zespołów urządzenia, dlatego wykorzystywane są w diagnozowaniu szczegółowym oraz w lokalizacji uszkodzeń obiektu technicznego.

Wejście

wewnętrzne

Drgania

Hałas

Realizowany

proces

Procesy cieplne

Procesy zużycia

Procesy robocze

Wejście

zewnętrzne

Procesy towarzyszące

Rys. 2. Schemat procesów zachodzących w urządzeniach mechanicznych

Wejście wewnętrzne – jest to zbiór wielkości wymuszających, będących atrybutem istnienia urządzenia i reprezentujących jego strukturę (kształt, sposób wykonania, dokładność, itp.).

Wejście zewnętrzne – charakteryzuje warunki pracy w systemie (obciążenie, prędkość, itp.).

Wzajemny związek parametrów struktury i wyjściowy przedstawiony na rysunku 3 pozwala traktować parametry wyjściowe jako parametry stanu.

Rys. 3. Modelowe przedstawienie związków między parametrami struktury

i parametrami wyjściowymi

Parametr wyjściowy może być uznany za diagnostyczny parametr stanu technicznego obiektu, jeżeli charakteryzują go następujące cechy:

-          jednoznaczność - każdej wartości parametru struktury odpowiada tylko jedna, określona wartość parametru wyjściowego),

-          dostateczna szerokość pola zmian (wrażliwość) - możliwie duża względna zmiana wartości parametru wyjściowego przy niewielkiej zmianie wartości parametru struktury,

-          łatwość pozyskania parametru.

Warunek ostatni nie wymaga dodatkowych wyjaśnień. Dwa pierwsze zostaną omówione na podstawie przykładowych przebiegów przedstawionych na rysunku 4.

Parametr wyjściowy s1 (prosta równoległa do osi ui) nie może być uznany za diagnostyczny parametr stanu technicznego, ponieważ s1=f(u1)=const. w całym zakresie zmian parametru ui. Zależności sj = f(ui) przedstawione za pomocą krzywych 2 oraz 3 nie spełniają warunku jednoznaczności, ponieważ mają ekstremum.

Parametry s2 i s3 mogą być uznane za parametry diagnostyczne, w przypadku braku innych, pod warunkiem, że podczas kolejnych diagnostycznych badań stanu technicznego obiektu będą dane wyniki badań poprzednich.

Rys. 4. Możliwe zmiany parametrów diagnostycznych

Parametry wyjściowe, przedstawione za pomocą krzywych 4, 5 i 6, spełniają warunek jednoznaczności, ponieważ

przy czym dla 4 i 5 pochodna jest dodatnia a dla 6 – ujemna.

W celu wyjaśnienia warunku szerokości pola zmian (wrażliwości), można porównać krzywe 4 i 5. Lepszy jest parametr wyjściowy s5, ponieważ:

tzn., że intensywność zmiany wartości parametru s5 jest większa niż intensywność zmiany wartości parametru s4, przy tej samej zmianie wartości parametru ui .

Klasyfikacja stanów wykorzystywanych w badaniach diagnostycz-nych

Stan techniczny obiektu jest określany na podstawie zmierzonych wartości parametrów diagnostycznych sj (sygnałów) z zależności:

Do tej oceny niezbędne jest znajomoś...