II. WYBRANE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN

…łatwiej jest napisać, niż wdrożyć lub sprzedać…

II. WYBRANE ZAGADNIENIA EKSPLOATACJI MASZYN

2.1. DESTRUKCJA STANU MASZYN

Procesy destrukcji systemów technicznych wpływające na bezpieczeństwo ruchu wymuszają potrzebę nadzorowania zmian ich stanu technicznego [1,3,10,12,14,52,83,90,96].

Powszechnie obserwuje się wzrost zainteresowania problemami pozyskiwania informacji z badań dla potrzeb nowoczesnego konstruowania, wytwarzania i eksploatacji maszyn. Wzrost wymagań niezawodnościowych wraz z zastosowaniem wielu obiektów w nowych dziedzinach życia (zarządzanie, medycyna) spowodował rozwój komputerowych urządzeń diagnostycznych, umożliwiających detekcję i lokalizację uszkodzeń wraz z generowanymi decyzjami eksploatacyjnymi, ustalanymi przy pomocy metod sztucznej inteligencji.

Do jakościowych miar stanu dynamicznego maszyny, czyli jej dynamiczności zalicza się poziom amplitud drgań (rys.2.1) zarówno maszyn jako całości, jak również drgań względnych poszczególnych elementów i części. Drgania całościowe maszyny można uznać za objaw zewnętrzny, gdyż one są odpowiedzialne za poziom zakłóceń emitowanych w otoczenie. Natomiast drgania względne rzutują na poziom amplitud naprężeń dynamicznych.

Z uwagi na istotny związek poziomu naprężeń dynamicznych z trwałością maszyny, dogodnie jest przyjąć je za odrębną miarę dynamiczności [1,8,12,16,27,28,32,34,39,41,42].

Etap kons truowani a mas zyn

DYNAMIKA MASZYN Y

Wskażniki jakości

- duż a tr walość - duż a niez awodnoś ć

- duż a dokl adnoś ć

- nis ki poziom z aklóceń we wnętrz nych

Warunki uzys kania

MAŁE DRGANIA

Rys.2.1. Dynamika a drgania maszyn

Dynamika jest nauką o tym, jak rzeczy zmieniają się w czasie i o siłach, które są przyczyną tych zmian [12,15,52,69,82]. Celem studium dynamiki układu jest zrozumienie zasad funkcjonowania, zmian stanu obciążeń dynamicznych i przewidywanie poprawnego zachowania się układu. Wraz ze wzrostem wartości obciążeń, zwiększeniem wymagań dotyczących trwałości i niezawodności rośnie znaczenie analizy dynamiki konstrukcji.

Analiza dynamiki układu składa się z następujących etapów [6,19,27,34,41]:

- etap I - dokładne określenie układu, jego istotnych cech i budowa modelu fizycznego, którego własności dynamiczne będą w dostatecznym stopniu zgodne z własnościami rzeczywistego obiektu;

- etap II – analityczny opis zjawisk dynamicznych odzwierciedlanych modelem fizycznym, czyli znalezienie modelu matematycznego - równań różniczkowych opisujących ruch modelu fizycznego;

- etap III - przestudiowanie własności dynamicznych modelu na podstawie rozwiązania równań różniczkowych ruchu, ustalenie przewidywanego ruchu układu;

- etap IV - podjęcie decyzji projektowych, tj. przyjęcie fizycznych parametrów układu, z

modernizacją przystosowaną do oczekiwań. Synteza i optymalizacja prowadząca do

osiągnięcia wymaganych własności dynamicznych konstrukcji.

Przedstawiona procedura – rys.2.2 - opiera się na znajomości modelu układu, a wnioski płynące z działań na modelach zależą od ich jakości. Budową modeli zajmuje się identyfikacja, która utożsamia systemy rzeczywiste z ich modelami. W zależności od celu prowadzonej analizy dynamicznej obiektu stawia się różne wymagania budowanym modelom, a ich ocenę przeprowadza się różnymi metodami eksperymentalnymi.

Rzeczywistości techniczna to wynik analizy modeli, które ją mniej lub bardziej poprawnie opisują. Proces, którego celem jest zbudowanie najlepszego modelu operacyjnego (matematycznego lub empirycznego) nazywany jest procesem identyfikacji. Identyfikacja może dotyczyć zarówno budowy modeli obiektu jak i odtworzenia stanu badanego obiektu, co prowadzi wprost do problematyki diagnostyki technicznej.

Poprawki modelu fizycznego

UKŁAD Etap I Etap II Etap III WYJŚCIOWY MODELOWANIE PRZYJĘCIE STUDIUM

rzeczywisty FIZYCZNE RÓWNAŃ RUCHU WŁAŚCIWOŚCI RUCH

DYNAMICZNYCH UKŁADU

Warunki techniczne Etap IV DECYZJE

KONSTRUKCYJNE

Rys.2.2. Etapy studium dynamiki układu Proces identyfikacji diagnostycznej obejmuje [6,27,34,38,39,41]:

* modelowanie (symptomowe lub strukturalne),

* eksperyment identyfikacyjny (symulacyjny i/lub rzeczywisty),

* estymację parametrów diagnostycznych (cech stanu lub symptomów),

* wnioskowanie diagnostyczne.

Istniejące metody identyfikacji można podzielić na metody identyfikacji własności statycznych i dynamicznych. Metody identyfikacji można podzielić ze względu na: rodzaj identyfikowanego modelu, rodzaj eksperymentu, zastosowane kryterium identyfikacji, czy też zastosowaną procedurę estymacji. W ogólności są to: metody analityczne, czasowe, częstotliwościowe, korelacyjne, regresyjne, analizy czynnikowej i metody iteracyjne, omówione w pracach szeregu autorów [6,9,10,29,34,35,39].

Dla obiektów prostych dobrym narzędziem oceny zmieniającego się ich stanu dynamicznego są metody identyfikacji prostej, wykorzystujące widmo amplitudowo – częstotliwościowe. Innym sposobem opisu i analizy stanu dynamicznego jest analiza modalna, stosowana jako teoretyczna, eksperymentalna i eksploatacyjna analiza modalna.

Wykorzystuje ona częstości drgań własnych i postacie drgań do opisu zmieniającego się stanu maszyn oraz służy do doskonalenia metody elementów skończonych.

Identyfikacja prosta

W większości zastosowań korzysta się z identyfikacji prostej, gdzie wyznacza się zmiany wartości masy - m, sztywności - k, tłumienia - c, albo zmiany parametrów charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych (widma). Do zadań identyfikacji prostej należy [6,10,32]:

- wyznaczanie struktury modelu, czyli wartości i wzajemnych połączeń między elementami masowymi (m), sprężystymi (k) i dyssypacyjnymi (c);

- wyznaczanie charakterystyk amplitudowo – częstotliwościowych układów lub tylko pewnego zbioru ich parametrów.

W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o

kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody – rys.2.3. Badania transmitancji

układów o jednym stopniu swobody może polepszyć zrozumienie procesów drganiowych

zachodzących w maszynach, a także zrozumienie zmian zachodzących w tych procesach z tytułu zmian wartości parametrów m, k, c.

Rys.2.3. Układ o jednym stopniu swobody jako najprostszy model obiektu mechanicznego Opis drgań układu o jednym stopniu swobody przedstawiają równania:

( ) .

..

t F cx x b x

m    (2.1) x  A sin(   t   )







v dx

2 sin( )

2

2       

 A t

dt dV dt

x a d

Wartość modułu transmitancji



wyznacza się z ilorazu amplitudy odpowiedzi na wymuszenie harmoniczne do amplitudy tego wymuszenia. Faza transmitancji jest po prostu opóźnieniem fazowym między wymuszeniem a odpowiedzią. Transmitancja własna siła – przemieszczenie dla układu z rys.2.26 jest następująca [6,34]:

2 2

2 0 2

0

) 2 ( ) ( ) 1

(

r r

xF

F m

H x





 

 







 

 

r

r

(2.2) Zatem postać transmitancji układu o jednym stopniu swobody określają całkowicie dwa parametry: częstotliwość rezonansowa



m

f_r  k

i stopień tłumienia c

 c

 . Obydwa te parametry są łatwo mierzalne: pierwszy z położenia piku rezonansowego f na wymiarowej

osi częstotliwości, zaś drugi z wysokości piku rezonansowego, gdyż:

 f k

H H

fr

r f

2 ) 1

( 



stąd



0

2

0

st r r

H x F

x   (2.3) gdzie:

k

x_st  F⁰

oznacza statyczne ugięcie sprężyny k pod działaniem siły F

.

Zmiana piku rezonansowego może być spowodowana tylko zmianą sztywności lub masy w układzie, zaś zmiana wartości amplitudy rezonansowej drgań może wynikać ze zmiany siły F

, sztywności k, lub stopnia tłumienia  . Tak więc mierząc położenie częstotliwości rezonansowej f

i wartość x

można orzekać o zmianie albo stacjonarności transmitancji układu, a tym samym o zachowaniu się parametrów fizycznych m, k, c samego modelu obiektu.

W zakresie częstotliwości niskich obiekty można modelować układami dyskretnymi o

kilku stopniach swobody, a często o jednym stopniu swobody. Układ dyskretny w

odróżnieniu od ciągłego cechuje się punktowym rozkładem mas, sztywności tłumienia i

wymiary tych elementów nie odgrywają roli. Dla układów mających więzy sprężyste

ustalające ich położenie w przestrzeni, przyjmuje się zwykle liczbę stopni swobody równą liczbie mas w układzie. Badania zmian transmitancji odzwierciedlającej własności dynamiczne obiektu można przeprowadzić – rys.2.4 - trzema metodami [6,34]:

- za pomocą testu impulsowego (uderzenie młotkiem);

- za pomocą testu harmonicznego (sygnał z generatora);

- za pomocą testu przypadkowego (pobudzanie wielu rezonansów jednocześnie).

Przetwornik drgań

częstotliwość amplituda

z t. harmoniczny

t. impulsowy t. przypadkowy

Wzmacniacz mocy

Wzbudnik Drgań

Badany obiekt Przetwornik siły

Filtr

Przedwzmacniacz Analizator

drgań Rejestrator

Miernik wartości skutecznej siły A

Rys.2.4. Idea realizacji eksperymentów w identyfikacji prostej

Zmiany stanu (destrukcja elementów) opisywane sygnałem drganiowym odzwierciedlają się w zmiennych wartościach poziomu (parametrów) drgań lub w zmianie transmitancji od punktu uszkodzenia do punktu odbioru.

Identyfikacja złożona

Dla układów złożonych, często nieliniowych używa się dla potrzeb identyfikacji złożonej analizy modalnej (teoretycznej, eksperymentalnej lub eksploatacyjnej). W wyniku przeprowadzenia analizy modalnej otrzymuje się model modalny, który stanowi uporządkowany zbiór częstości własnych, odpowiadających im współczynników tłumienia oraz postaci drgań własnych. Na podstawie znajomości modelu modalnego można przewidzieć reakcje obiektu na dowolne zaburzenie, zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Analiza modalna w diagnozowania stanu obiektów znajduje zastosowanie w następujących obszarach [10,28]:

 wyznaczanie wymuszeń działających na układ i ich widm częstotliwościowych na podstawie parametrów modelu modalnego i zmierzonej odpowiedzi układu; badanie podobieństwa charakterystyk częstotliwościowych: drganiowych i modalnych;

 wyznaczenie parametrów modelu modalnego eksploatowanego obiektu i śledzenie ich zmian w czasie eksploatacji;

 dostrojenie, na bazie modelu modalnego, modelu elementów skończonych konstrukcji w stanie zdatności oraz śledzenie zmian tego modelu w czasie eksploatacji; dostrojony model elementów skończonych jest podstawą do modyfikacji konstrukcji.

Model modalny otrzymany w wyniku analizy modalnej jest opisany zbiorem częstości własnych, postaci drgań oraz współczynników tłumienia. Odwzorowuje on zmiany stanu dynamicznego reprezentowane przez zmiany masy, sztywności oraz tłumienia występujące w równaniach opisujących stan dynamiczny.

Ocenę wpływu rozwijającego się uszkodzenia na parametry modelu modalnego można

oszacować stosując teorię wrażliwości do modelu strukturalnego bez tłumienia w postaci:

M

x

 Kx  0 (2.4) gdzie: M,K – macierze mas i sztywności,





x ,x – wektor przyśpieszeń i przemieszczeń.

W celu wyznaczenia parametrów modelu modalnego należy rozwiązać zagadnienie własne w postaci:

K { 

}  

M { 

}  { 0 } (2.5) gdzie: 

-wartości własne, { 

}-wektory własne.

Z powyższego równania wynika, że zmiana charakterystyk mechanicznych układu pociąga za sobą zmianę jego charakterystyk własnych, co znane jest jako zagadnienie wrażliwości [68].

Po serii przekształceń (2.5) uzyskano, dla układu bez tłumienia, w efekcie końcowym zależność:

i i

p f M

p K f

p

f 



 



 

 

 





} 2 { } 8 {

1

2

(2.6)

gdzie: pierwszy składnik opisuje wpływ zmian sztywności, a drugi efekt zmian masy układu.

Określane zmiany częstości własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian sztywności lub masy, jak też zależą od miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.

W zastosowaniu klasycznej analizy modalnej do identyfikacji parametrów stanu badanego obiektu w trakcie badań wyznacza się parametry modalne na podstawie pomiaru charakterystyk częstościowych zmierzonych na obiekcie. W trakcie eksperymentu, polegającego na sterowanym wymuszeniu drgań układu i pomiarze odpowiedzi w postaci widma przyśpieszenia drgań, dokonuje się identyfikacji charakterystyk częstościowych badanego układu.

W praktycznych zastosowaniach realizacji badań modalnych obiektów, parametry modelu modalnego umożliwiają rozprzężenie równań opisujących drgania układu, a ich wartości wyznacza się z zależności [13,28]:

ir r

r

j R

m 2 

 1

k

 

m

c

 2 m





(2.7)

Wielkości te opisują własności układu związane z r - tą częstością własną i zmiany częstości własnej zależą wprost proporcjonalnie od wielkości zmian sztywności lub masy, jak też zależą od miejsca rozwoju uszkodzenia w konstrukcji.

Znajomość zachowania się modelu w określonych sytuacjach pozwala na określenie możliwych miejsc uszkodzeń oraz przeciwdziałanie im przez wprowadzanie modyfikacji:

masy (w jednym lub wszystkich kierunkach drgań układu), tłumienia oraz sztywności (pomiędzy poszczególnymi punktami modelu). Tak widziane możliwości zastosowań pozwalają wyróżnić następujące rodzaje analizy modalnej:

 teoretyczną, która wymaga rozwiązania zagadnienia własnego dla przyjętego modelu strukturalnego badanego obiektu,

 eksperymentalną, wymagającą sterowanego eksperymentu identyfikacyjnego, podczas którego wymusza się ruch obiektu (np. drgania) oraz dokonuje pomiaru wymuszenia i pomiaru odpowiedzi (rys.2.5) w jednym lub w wielu punktach pomiarowych, rozmieszczonych na badanym obiekcie,

Analizator APB 200 Obiekt

badań Młotek PCB

Czujnik ICP Typ

Rys.2.5. Idea realizacji eksperymentalnej analizy modalnej

 eksploatacyjną, opierającą się na eksperymencie eksploatacyjnym, w którym dokonuje się pomiarów tylko odpowiedzi układu w wielu punktach pomiarowych, podczas gdy ruch obiektu spowodowany jest rzeczywistymi wymuszeniami eksploatacyjnymi (rys.2.6).

Rys.2.6. Istota eksploatacyjnej analizy modalnej

Stosowana analiza modalna pozwala na rozwiązanie szeregu zagadnień, m.in.[28]:

- analiza modalna jest metodą rozwiązania zagadnienia własnego dla konstrukcji;

- analiza modalna jest metodą rozprzęgania układu równań ruchu,

- analiza modalna jest metodą identyfikacji własności dynamicznych obiektu,

- analiza modalna jest metodą dyskretyzacji konstrukcji o ciągłym rozkładzie parametrów, - analiza modalna jest metodą redukcji modelu.

Przedstawione podejścia i uzyskane w teorii zależności [28,35,42] obrazują ruch drgający obiektu (modelu) i opisujące go parametry procesu drganiowego, co pozwala na zaniechanie trudnego opisu analitycznego (szczególnie dla wielu stopni swobody) i zastąpienie go bezpośrednimi pomiarami drgań. Stan destrukcji obiektu można więc, opisywać zamiennie, zamiast modelowania w kategoriach (m,k,c) stosować opis drganiowy w kategoriach (a,v,x).

Procesy dynamiczne zachodzące w maszynach są szczególnie istotne przy ocenie stanu wyjściowego, ale też są decydujące w degradacji stanu maszyn w eksploatacji.

Dynamika staje się więc podstawą diagnostyki technicznej umożliwiającej opis i badania rozwoju uszkodzeń odzwierciedlających zmiany stanu maszyn w eksploatacji.

Zmiany stanu maszyn

Uszkodzenie jest jednym z istotnych zdarzeń występujących w procesie użytkowania maszyn, determinującym niezawodność maszyn, efektywność ich wykorzystania, proces obsługiwań technicznych, a także zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Najogólniej, pojęcie uszkodzenia maszyny zdefiniować można jako zdarzenie polegające na przejściu maszyny (zespołu, elementu) ze stanu zdatności do stanu niezdatności. Przez stan zdatności rozumie się taki stan maszyny, w którym spełnia ona wyznaczone funkcje i zachowuje parametry, określone w dokumentacji technicznej. Natomiast przez stan niezdatności rozumie się stan maszyny, w którym nie spełnia ona chociażby jednego z wymagań, określonych w dokumentacji technicznej.

Na skutek oddziaływania otoczenia oraz realizacji przez obiekt stawianych mu zadań początkowe własności obiektu mogą ulegać zmianie, co odzwierciedli się w zmianie wartości początkowych cech mierzalnych oraz ewentualnie w zmianie stanu cech niemierzalnych.

Uszkodzenia maszyn – rys.2.7 - w toku eksploatacji mogą zachodzić w następujący sposób:

- wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych;

- w wyniku pojawienia się procesów odwracalnych o różnej intensywności przebiegu, wywołanych przez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartości jednego lub więcej czynników wymuszających;

- w sposób skokowy, objawiający się nieciągłym przejściem jednej lub więcej cech poza

granice przyjęte za dopuszczalne dla danej maszyny.

Uwzględniając dotychczasowe rozważania można wskazać na główne przyczyny powstawania uszkodzeń, które klasyfikuje się następująco:

a) konstrukcyjne — uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruowania obiektu, najczęściej przy nie uwzględnieniu obciążeń ekstremalnych, tzn. wartości, które w istotny sposób przekraczają obciążenia nominalne, prowadząc wprost do uszkodzeń;

b) produkcyjne (technologiczne) — uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedokładności procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkości powierzchni, obróbki termicznej itp.) lub wad materiałów elementów obiektu;

c) eksploatacyjne — uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowiązujących zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływań czynników zewnętrznych nieprzewidzianych dla warunków użytkowania danego obiektu, co prowadzi do osłabienia i przedwczesnego zużycia i osiągnięć stanu granicznego;

d) starzeniowe i zużyciowe — zawsze towarzyszące eksploatacji obiektów i będące rezultatem nieodwracalnych zmian, prowadzących do pogorszenia wytrzymałości i zdolności współdziałania poszczególnych elementów.

Rys.2.7. Jedna z możliwych klasyfikacji uszkodzeń

Uszkodzenie lub zniszczenie obiektu technicznego następuje pod wpływem przenoszonej przez niego energii. Zależnie od tego, jaki rodzaj energii dominuje w danych warunkach, przyczyny uszkodzeń elementów można podzielić na następujące grupy:

a) mechaniczne — naprężenia statyczne, pełzanie, zmęczenie, pitting, zużycie cierne;

b) chemiczne — korozja metali, starzenie gumy, farb, izolacji, butwienie drewna;

c) elektryczne — elektrokorozja;

d) cieplne — nadtapianie, intensyfikacja przebiegu zjawisk.

Klasyfikacja uszkodzeń

Dla poprawnego scharakteryzowania zmian własności i zjawisk je powodujących zachodzących w maszynach podczas ich funkcjonowania, a szczególnie zjawisk prowadzących do powstawania uszkodzeń potrzebne są wiarygodne dane o funkcjach roboczych poszczególnych zespołów i warunkach ich pracy, co wiąże się z potrzebą klasyfikacji urządzeń.

W urządzeniach technicznych można wyróżnić:

* elementy aktywne, które bezpośrednio uczestniczą w przemianie energii, przekazywaniu mocy, przetwarzaniu ruchów roboczych na inne ich rodzaje, przenoszeniu obciążeń, itp.;

* elementy bazowe, które ustalają prawidłowe rozmieszczenie elementów aktywnych oraz elementów wspomagających, np. korpusy, prowadnice, ramy;

* elementy wspomagające, które zabezpieczają urządzenia od przeciążeń lub przekroczenia

stanów granicznych.

Sprecyzowanie funkcji użytkowych oraz przeprowadzenie klasyfikacji cech (własności) obiektu jest możliwe metodami diagnostyki technicznej. Najczęściej stosowany jest następujący podział cech:

* cechy krytyczne, decydujące o stopniu zagrożenia dla życia lub zdrowia ludzkiego, zagrożeniu środowiska, zagrożeniu układów współpracujących oraz całkowitej utracie wartości użytkowej obiektu (wyrobu), podlegające monitorowaniu;

* cechy ważne, posiadające istotne znaczenie dla oceny stanu (przydatności) obiektu, określające zagrożenia dla konstrukcji, zmieniające się odwracalnie w czasie eksploatacji;

* cechy małoważne, powodujące nieistotne i odwracalne zmniejszanie efektywności funkcjonowania obiektu.

Przedstawione cechy ze względu na metodę oceny można podzielić na:

* cechy mierzalne, dające się zmierzyć i określić ich wartość nominalną i graniczną;

* cechy niemierzalne, których ocenę dokonuje się jedynie organoleptycznie.

Ocena cech krytycznych jest prowadzona najczęściej w formie monitorowania w odniesieniu do każdej z nich osobno i stanowi podstawę do wyłączenia obiektu z eksploatacji, przy nie spełnieniu wymagań którejkolwiek z cech. Wartości nominalne oraz graniczne dla tych cech są określane przez odpowiednie normy, lub są określane przez użytkownika.

Cechy ważne są podstawą oceny aktualnego stanu badanego obiektu i wytyczają zakres i potrzeby czynności obsługowych i naprawczych.

Uszkodzenia w zależności od charakteru pojawienia się, można podzielić na [11]:

* pierwotne (niezależne), których pojawienie się nie było wywołane innym uszkodzeninn,

* wtórne (zależne), jeżeli uszkodzenie jednego urządzenia zostało spowodowane wysląpicnicm uszkodzenia w innym urządzeniu,

* łączne, czyli uszkodzenia różnych elementów urządzenia występujące jednocześnie,

* pojedyncze, gdy pojawiają się oddzielnie,

* stopniowe, czyli powstające w rezultacie zmian w czasie parametrów uszkodzenia,

* nagłe, charakteryzujące się skokową, niedopuszczalną zmianą wartości cech elementów.

Z punktu widzenia przyczyn, uszkodzenia można podzielić na:

* przypadkowe, o stałym ryzyku wystąpienia w procesie eksploatacji; uszkodzeniom takim podlegają elementy, których stan techniczny nie zależy od czasu funkcjonowania,

* spowodowane błędami wytwarzania i obsługi o gasnącym ryzyku występowania w procesie eksploatacji; występują one najczęściej w początkowym okresie eksploatacji,

* spowodowane procesami zużycia i starzenia się elementów, o rosnącym ryzyku występowania w procesie eksploatacji; występują one przede wszystkim w końcowym okresie eksploatacji,

* spowodowane nieprzestrzeganiem założonych warunków eksploatacji, na przykład przeciążeniami różnej natury; rozkład tych uszkodzeni w czasie jest na ogół nieznany;

przyjmuje się najczęściej stałe ryzyko ich występowania w procesie eksploatacji.

Przeciwdziałanie uszkodzeniom

Zmniejszanie destrukcyjnego wpływu starzenia fizycznego i zużywania się obiektów mechanicznych jest konieczne we wszystkich fazach istnienia obiektów. Wymierne efekty zmniejszania liczby uszkodzeń obiektów technicznych można kształtować:

* w dziedzinie konstrukcji - przez należyty dobór materiałów i ich kształtów do obciążeń, kształtowanie nacisków jednostkowych, dobór materiałów i tworzyw na pary trące, wyeliminowanie tarcia suchego, szerokie stosowanie odpowiednich uszczelnień, zapewnienie odpowiedniej temperatury;

* w dziedzinie technologii - przez wybór optymalnego rodzaju obróbki, kształtowanie

optymalnej warstwy wierzchniej, wybór właściwej obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej,

prawidłowy montaż i regulacje;

* w dziedzinie eksploatacji - poprzez przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności obsługowych (smarowanie, regulacje, ochrona przed korozją), unikanie przeciążeń i gwałtownych zmian prędkości, monitorowanie stanu.

Ogólnie więc metodyka przeciwdziałania uszkodzeniom maszyn pozwala wyróżnić dwie grupy metod postępowania:

* metody przedeksploatacyjne, stosowane w fazie opracowywania (wartościowania), konstruowania i produkcji maszyn, z wyraźnym zaznaczeniem, że są one najbardziej efektywne z punktu widzenia ekonomicznego;

* metody eksploatacyjne, stosowane podczas eksploatacji nawet wówczas, gdy takich metod nie przewidziano w procesie opracowywania.

Na etapie konstruowania określane są cechy elementów maszyn poprzez ustalenie ich kształtów i wymiarów materiałów, z których będą wykonane, tolerancji, gładkości powierzchni i sposobu dokładności ich wzajemnego połączenia. W dokumentacji konstrukcyjnej podaje się również wymagania dotyczące trwałości materiału, rodzaju struktury geometrycznej powierzchni, a także niekiedy sposób obróbki elementu.

Przy projektowaniu maszyn należy pamiętać o zmniejszeniu do minimum niebezpieczeństwa wywołania uszkodzeń przez obsługę. Upraszczanie, typizacja i normalizacja części i układów mechanicznych prowadzi nie tylko do uzyskania właściwej niezawodności, ale także obniża koszty i upraszcza konstrukcję.

Do eksploatacyjnych metod przeciwdziałania uszkodzeniom można zaliczyć:

- racjonalną eksploatację maszyn w zadanych warunkach i określonym przeznaczeniu;

- badanie stanu i monitorowanie rozwijających się uszkodzeń metodami diagnostyki;

- przestrzeganie częstotliwości i zakresu czynności obsługiwań technicznych;

- badania statystyczne uszkodzeń w eksploatacji dla potrzeb typowania słabych ogniw, modernizacji maszyn, racjonalizacji gospodarki częściami zamiennymi itp.

Niewłaściwa eksploatacja powoduje intensywne oddziaływanie procesów zużyciowych, prowadzących do przedwczesnych uszkodzeń i zagrożeń bezpieczeństwa, co uzasadnia potrzebę powszechnych zastosowań badań diagnostycznych.

Diagnostyka w ocenie rozwoju uszkodzeń

Metody i środki diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania stanu systemów technicznych (rys.2.8), co jest podstawą podejmowanych decyzji eksploatacyjnych [6,8,12,19,27,42]. Diagnostyka techniczna obejmuje następujące formy działania:

1. ocenę stanu aktualnego,

2. genezowanie stanu – najsłabiej rozpoznane, 3. prognozowanie stanu.

Rys.2.8. Modelowe przedstawienie możliwości diagnozowania maszyn

Te formy działania realizowane są przez inteligentne systemy diagnostyczne (mobilny softwer i hardwer, z pętlą samouczenia i oceną ryzyka).

W badaniach stanu obiektów posługujemy się modelami: fizycznymi lub symbolicznymi, które są przedstawieniem fizycznym lub myślowym badanego oryginału.

Modelowanie dla potrzeb diagnostyki obejmuje modelowanie fizyczne, matematyczne i energetycze, co daje podstawy: diagnostyki symptomowej, holistycznej i energetycznej.

Problemy główne diagnostyki maszyn obejmują:

* pozyskiwanie i przetwarzanie informacji diagnostycznej;

* budowę modeli i relacji diagnostycznych;

* wnioskowanie diagnostyczne i wartości graniczne;

* klasyfikację stanów maszyny;

* przewidywanie czasu kolejnego diagnozowania;

* obrazowanie informacji decyzyjnych.

Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań w zakresie metod i metodologii kształtowania i podtrzymywania jakości degradacji stanu maszyn, który jest uwarunkowany dynamicznym rozwojem następujących zagadnień :

- modelowania obiektów, (strukturalne, symptomowe, energetyczne), - metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,

- podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty), - budowy ekonomicznych i dokładnych środków badania,

- możliwości eksperymentów w kolejnych fazach istnienia maszyny, - metod oceny efektywności zastosowań metod badawczych,

- metodologii projektowania i wdrażania układów pomiarowych, - metod sztucznej inteligencji w badaniach.

Sygnały diagnostyczne

Fizyka zjawisk towarzyszących pracy maszyny oparta na modelu generacji sygnałów (rys.2.9) jest podstawą dobrej diagnostyki i opiera się na znajomości opisu dynamiki maszyny, co ułatwia łagodne przejście do obszaru diagnostyki (MEB, MES, MSES, AM).

napęd

u x y T 2T T T 2T

t t t T - okresowa

transformacja Układ kinematyczna dynamiczny

i(t,,r) x(t,)=iri h(t,,r) y=hiri

Rys.2.9. Model generacji sygnału drganiowego [6,10,34]

Sposób interpretacji przedstawionego na rys.2.9 modelu dla =const (przy pominięciu sprzężeń zużyciowych) można przedstawić następująco. Sygnał pierwotny i(t,,r) jest pierwotnym i - tym zdarzeniem elementarnym, którego postać determinuje konstrukcja i stan eksploatacyjny maszyny. Dzięki T - okresowemu napędowi jest on przekształcony w ciąg zdarzeń elementarnych opisanych jako sygnał (proces) x(t,,r). Ten proces dynamiczny przechodząc przez strukturę (korpus) maszyny daje w efekcie w punkcie odbioru sygnału nowy ciąg zdarzeń, przekształcony na własnościach przestrzennych, który jest nowym sygnałem diagnostycznym y(t,,r). Stopień uporządkowania tego sygnału jako ciągu zdarzeń, może być podstawą do utworzenia metody diagnostycznej. Miary tego uporządkowania mogą być różne, lecz muszą być one zawsze oparte na badaniu podobieństwa między poszczególnymi zdarzeniami (i=1,2,...). Mogą one dotyczyć czasu występowania określonego fragmentu zdarzenia, czasu jego trwania, amplitudy itp.

Przedstawiony sposób interpretacji sygnału diagnostycznego y(t,,r) jest w ogólnym

przypadku maszyn o działaniu okresowym prawdziwy, lecz nie zawsze tak prosty. W wielu

przypadkach dla maszyn złożonych mamy dużą ilość ciągów zdarzeń elementarnych, przy czym nie muszą mieć one wspólnego okresu T, lecz zawsze będą w liniowej zależności od pewnego okresu podstawowego.

Wybór parametrów diagnostycznych

Zbiór parametrów diagnostycznych sygnału wyróżnia się ze zbioru parametrów wyjściowych, towarzyszących pracy maszyny. Wyznaczanie zbioru wrażliwych uszkodzeniowo parametrów diagnostycznych powinno uwzględniać:

 zdolność odwzorowania zmian stanu w czasie eksploatacji,

 ilość informacji o stanie technicznym przekładni,

 wrażliwość wartości parametrów w czasie eksploatacji.

Metody wyznaczania symptomów diagnostycznych są następujące:

 metoda maksymalnej wrażliwości parametru na zmianę stanu technicznego,

 metoda maksymalnej względnej zmiany parametru diagnostycznego,

 metoda maksymalnej pojemności informacyjnej parametru diagnostycznego,

 metoda maksymalnej zmienności parametru diagnostycznego.

Zaletą powyższych metod jest to, że pozwalają wybrać ze zbioru parametrów wyjściowych jednoelementowe, jak i wieloelementowe zbiory parametrów diagnostycznych.

Kryteria optymalizacji zbioru parametrów diagnostycznych:

1. Parametry diagnostyczne powinny charakteryzować proces destrukcji obiektu i być z nim ściśle związane.

2. Parametry diagnostyczne powinny być wrażliwe na zmiany zachodzącego procesu pogarszania się zdatności obiektu.

3. Liczba parametrów diagnostycznych nie może być zbyt duża, gdyż znaczna ich liczba utrudnia, a niekiedy uniemożliwia poznanie procesu pogarszania się stanu obiektu.

4. Parametry diagnostyczne powinny mieć charakter mierzalny.

5. Muszą istnieć wiarygodne dane statystyczne i analityczne wyróżnianych parametrów (BEDIND, SVD, PCA).

System diagnostyczny jest to zbiór elementów i relacji, które są niezbędne do realizacji procesu diagnozowania. Ponieważ na proces ten składa się szereg działań, w wyniku których informacja o właściwościach obiektu zostaje przetworzona na informacje o jego stanie, zatem postać systemu diagnostycznego jest uzależniona od rodzaju obiektu i działań diagnostycznych niezbędnych do wypracowania diagnoz.

Szczegółowa definicja systemu diagnostycznego istnieje w postaci:

„ SYSTEM DIAGNOSTYCZNY to zespół diagnostów, zbiór metod i środków uzyskiwania, przetwarzania, prezentacji i gromadzenia informacji oraz zbiór obiektów, ich modeli i algorytmów diagnozowania, prognozowania i genezowania stanów, a także relacji między tymi elementami, przeznaczony do podejmowania wiarygodnych decyzji o przynależności badanego obiektu do określonej klasy stanów”.

Struktura systemu diagnostycznego zaproponowana na rys.2.10 ukazuje podstawowe powiązania pomiędzy obiektem badań, jego modelem diagnostycznym, a układem rozpoznania stanu i decyzji.

Uporządkowanie struktury systemu wyrażane jest za pomocą zbioru relacji i dotyczy wybranych właściwości jego elementów, w wyniku czego wyróżnia się rozmaite struktury, np.: struktura organizacyjna, ekonomiczna, technologiczna itp. Systemy diagnostyczne należą do klasy systemów informatycznych i wyróżniają się tym, że:



celem ich działania jest określanie stanu innych obiektów (lub systemów), w zasadzie bez wpływania na zmianę tego stanu,



cel ten, to opracowanie diagnozy, możliwej do uzyskania przez przetwarzanie informacji o właściwościach obiektu na informację o jego stanie.

Z tych względów główną uwagę należy poświęcić informacyjnej strukturze systemu

diagnostycznego oraz projektować go, optymalizować i oceniać ze względu na obieg

informacji. Różna postać składowych elementów i różne ich wykorzystanie w systemie stwarza możliwość tworzenia systemów diagnostycznych o różnych strukturach oraz zróżnicowanym stopniu ich automatyzacji.

A. Niezautomatyzowany system diagnostyczny obejmuje człowieka (lub zespół ludzi);

który wykonuje wszystkie czynności, korzystając z przyrządów pomiarowych, instrukcji dotyczących metod zbierania i przetwarzania informacji o badanym obiekcie oraz wypracowuje diagnozę, którą w razie potrzeby rejestruje (np. w protokole). System taki obejmuje przyrząd pomiarowy, diagnostę i instrukcję z danymi. Z takimi systemami diagnostycznymi spotykamy się jeszcze stosunkowo często w praktyce przemysłowej.

B. Zautomatyzowany system diagnostyczny wykorzystuje układ urządzeń technicznych, które realizują proces diagnozowania zgodnie z zadanym programem. Udział człowieka jest znikomy, najczęściej sprowadza się do włączenia systemu. Automatyczne systemy diagnostyczne objęte są zwykle samokontrolą, a zaistnienie uszkodzenia jest sygnalizowane.

Mogą być wówczas włączane elementy rezerwowe lub kontrolowany obiekt wyłączany jest z ruchu. Poszczególne wyniki kontroli lub tylko wyniki wykraczające poza zadane granice są rejestrowane automatycznie.

Rys.2.10. Struktura systemu diagnostycznego

Monitorowanie stanu maszyn, w aspekcie niezawodności funkcjonalnej (traktowanej jako zdolność maszyny do wykonania zadania) jak i w sensie diagnostyki technicznej (rozpoznawanie przyczyn zaistniałych uszkodzeń) występuje na poziomie utrzymania maszyn w ruchu. Praktyka zastosowań diagnostyki obejmuje wiele ważnych obszarów, takich jak:

1. Organizacja systemu diagnostycznego (DSEM).

2. Zarządzanie i systemy jakości (TQM, TPM, QFD, FMEA).

3. Nowoczesne technologie informatyczne (ISZOT).

4. Modelowanie systemów eksploatacji z diagnostyką i oceną ryzyka.

W praktyce funkcjonowania przedsiębiorstw problemy eksploatacji i diagnostyki wkomponowane są w struktury organizacyjne – rys.2.11, w których znacząca rolę odgrywa zespół diagnostyki zakładu.

N maszyn (N > m) bądź obserwacji S > m niezależnych dyskryminant tej samej maszyny w kolejnych lub symptomów sygnału stanach eksploatacyjnych diagnostycznego m - rozróżnialnych uszkodzeń poszukiwanie niezależnych o różnej intensywności symptomów

obiekt diagnostyki i jego model

decyzja o decyzja o klasie stanie jakości obiektu układ

rozpoznania stanu i decyzji Model stanu

obiektu badań. Model obserwacji

diagnostycznej.

Algorytmy klasyfikacji

obiektów. Układ

decyzyjny.

zadane lub nieznane kryterium

jakości

wzorzec dopuszczal-

nych stanów

MASZYNY

Dane niezawodnościowe Dane niezawodnościowe Pozyskiwanie i przwtwarzanie

Utrzymanie informacji o maszynach, Obciążenie produkcyjne ruchu wyrobach rynku

Postęp techn.

Główny mechanik trwałość MARKET ING Niezawodność maszyn Serwis Szanse - zagrożenia - Zmiany po trzeb rynku Terminy , zakres - Jakość wy robów obsługiwań technicznych - Ilość wyro bów i napraw

Aktywizacja informacji ZESPÓŁ DIAGNOSTYKI Generuje informacje i decyzje

Koszty awarii, napraw i przestojów

Decyzje dopuszczenia

DZIAŁ FINANSOWY do ruchu SZEF PRODUKCJI Optym. zespołu i prac Możliwość Efekt. plan. produkcji obciążania

Rys.2.11. Powiązania informacyjne zespołu diagnostyki w zakładzie

Funkcje podsystemu eksploatacji realizowane przez służby utrzymania ruchu, w tym też przez zespół diagnostyki, można określić jako następujące zadania:

- prowadzi klasyfikację i ewidencję wszystkich środków trwałych,

- proponuje wskaźniki techniczno-ekonomiczne gospodarki środkami trwałymi, - nadzoruje eksploatację środków trwałych,

- analizuje dane z monitoringu i podejmuje decyzje, - wnioskuje likwidację środków trwałych,

- planuje, nadzoruje i realizuje wszystkie rodzaje przeglądów, konserwacji i napraw.

Najnowsze tematy diagnostyki technicznej prężnie rozwijane to:

1. nowoczesne metody przetwarzania sygnałów;

2. wielowymiarowa diagnostyka maszyn;

3. analiza numeryczna i metody synchroniczne;

4. diagnostyka energetyczna;

5. diagnostyka przez identyfikację;

6. diagnostyka wg modelu;

7. elementy sztucznej inteligencji w diagnostyce;

8. nowoczesne technologie informatyczne w diagnostyce;

9. projektowanie komputerowych systemów diagnostycznych;

10. inteligentny agent diagnostyczny.

2.2. PROCESY EKSPLOATOWANIA

Rozwijająca się dynamicznie dyscyplina wiedzy dotycząca eksploatacji maszyn budowana jest na podstawach wielu nauk, do których jako główne zaliczamy: teorię eksploatacji, niezawodność, tribologię, diagnostykę techniczną i bezpieczeństwo.

Teoria eksploatacji zajmuje się syntezą, analizą i badaniem systemów eksploatacji, a w szczególności zagadnieniami procesów użytkowania i obsługiwań technicznych maszyn. Z definicji eksploatacji postrzeganej wśród innych nauk (rys.2.12), wypływa zakres oczekiwanych, merytorycznych umiejętności, które można przedstawić jako [6,15,69,96]:

fizyka techniczna ogólna teoria działania

TRIBOLOGIA BEZPIECZEŃSTWO

procesy tarcia i zużycia zagrożenia, ryzyko

modelowanie DIAGNOSTYKA ^geneza

identyfikacja TECHNICZNA ocena stanu

symulacja prognoza

ogólna teoria urządzenia ogólna teoria działania NIEZAWODNOŚĆ EKSPLOATACJA

teoria systemów prakseologia

Rys. 2.12. Struktura powiązań nauki o eksploatacji z innymi

a) kierowanie eksploatacją, a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz dobieranie, motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;

b) formułowanie zadań projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy, dotyczących obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji;

c) projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie warunków eksploatacji optymalnej;

d) identyfikowanie stanów technicznych maszyn i stanów ich systemów eksploatacji;

e) identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich wartości;

f) określanie, wyznaczanie i ocenianie sprawności systemu eksploatacji;

g) określanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;

h) dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.

Ta charakterystyka umiejętności w zakresie inżynierii eksploatacji określa zadania teorii eksploatacji, która winna wypracowywać i doskonalić następujące metodyki:

a) projektowania i organizowania systemów eksploatacji;

b) analizy ryzyka i szans przedsięwzięć eksploatacyjnych;

c) planowania strategicznego eksploatacji;

d) kierowania eksploatacją i sterowania procesami eksploatacji;

e) analizy ekonomicznej eksploatacji;

f) badań eksploatacyjnych;

g) opracowywania treści i technik instrukcji eksploatacyjnych;

h) motywowania eksploatatorów.

Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajdująca ostatnio swoje miejsce w systemie logistycznym, ma strukturę wielowarstwową (hierarchiczną), do której analizy niezbędne są metody wypracowywane przez ogólną teorię systemów.

Do podstawowych praw rządzących eksploatacją maszyn należy zaliczyć:

a) każde urządzenie techniczne jest obiektem eksploatacji i służy człowiekowi;

b) do realizacji określonego celu;

c) system eksploatacji składa się z podsystemu użytkowania i obsługiwań technicznych;

d) nie ma obiektu eksploatacji, którego nie można byłoby użytkować;

e) nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;

f) obiekt eksploatacji zużywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;

g) obsługiwany obiekt odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga nakładów;

h) proces eksploatacji obiektu jest realizowany w określonym przedziale czasu.

W ocenie działania systemów eksploatacji wykorzystuje się następujące własności:

a) efektywność: utożsamiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w określonym czasie, w sensie zamierzonego celu;

b) gotowość: wyrażająca możliwość działania eksploatowanych obiektów, w tym również systemu jako całości, w danej chwili czasu;

c) wydajność: utożsamiana z intensywnością realizacji zadań;

d) skuteczność: własność osiągania stanów wyróżnionych w zbiorze stanów możliwych;

e) sprawność: znajdowanie się systemu w stanach określonych przez system nadrzędny;

f) ekonomiczność: własność wyrażająca relacje między wartością uzyskanych efektów a wielkością nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;

g) niezawodność: wyrażająca stopień zaufania, że spełnione zostanie wymagane działanie.

W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem użytkowania i nieodłącznie z nim związany podsystem obsługiwań technicznych - rys.2.13.

W podsystemie użytkowania znajdują się tylko maszyny zdatne i mogą one być użytkowane intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekująco, kiedy trwa postój na zapotrzebowanie do użycia. Każda niezdatność powoduje przejście maszyny do podsystemu obsługiwań technicznych. W tym podsystemie wyróżnia się podsystemy:

Rys.2.13. Struktura systemu eksploatacji

1. zabiegów profilaktycznych; obsługiwanie w dniu użytkowania (OU), obsługiwanie po określonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzające (OP), okresu docierania (OD) itd., 2. rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoznanie

i pomoc techniczna (PT),

3. napraw; naprawa bieżąca (NB), naprawa średnia (NS), naprawa główna (NG), naprawa poawaryjna (NA) itd.,

4. konserwacji; krótkoterminowa (KK), średnioterminowa (KS), długoterminowa (KD).

Zadaniem podsystemu obsługiwań technicznych jest usunięcie niezdatności lub wykonanie niezbędnie koniecznych czynności obsługowych (zalecanych przez wytwórcę).

Kierownictwo zakładu, prowadzi politykę eksploatacyjną polegającą na sterowaniu

stanem zdatności maszyn w taki sposób, by uzyskiwać optymalne efekty. Najczęściej

stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma

uogólnionych nakładów na użytkowanie i obsługiwanie.

Niezawodność

Teoria niezawodności zajmuje się metodami syntezy i analizy oraz badań niezawodności maszyn na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.

Niezawodność to zespół właściwości, które opisują gotowość maszyny i wpływające na nią: nieuszkadzalność, obsługiwalność i zapewnienie środków obsługi.

Definicja ta jest odpowiednikiem często jeszcze przywoływanej normy, gdzie:

„niezawodność to właściwość obiektu charakteryzująca jego zdolność do wykonywania określonych funkcji, w określonych warunkach i w określonym przedziale czasu”. Termin ten oznaczał właściwość kompleksową, obejmującą takie właściwości, jak: nieuszkadzalność, trwałość, naprawialność i przechowywalność.

Rozwiązanie problemów niezawodności maszyn sprowadza się do:

* opracowania sformalizowanych modeli oceny ich niezawodności;

* ustalenia optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych;

* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;

* prognozowania niezawodności pojazdów w trakcie ich eksploatacji;

* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodności.

Kształtowanie niezawodności maszyn jest możliwe poprzez:

a) uwzględnienie trwałości i niezawodności maszyn w konstruowaniu i technologii wytwarzania;

b) wdrożenie programów i metod badań eksploatacyjnych trwałości i niezawodności maszyn oraz ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;

c) wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwałości i niezawodności maszyn.

Realizacja tych celów winna doprowadzić do zwiększenia efektywności maszyn, ich gotowości i zdolności produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów użytkowania, obsługiwań technicznych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

Teoria i badania niezawodności maszyn muszą przy tym dotyczyć projektowania – wytwarzania - eksploatacji, połączonych funkcjonalnie z kreowaniem potrzeby.

Tribologia

Tribologia jest nauką o tarciu i procesach mu towarzyszącychu. Zajmuje się opisem zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych, biologicznych i innych w obszarach tarcia. Do ważnych zjawisk towarzyszących tarciu, a mających duże znaczenie techniczne, należą procesy zużywania materiałów trących oraz smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje się tribotechnika.

Do podstawowych zagadnień, którymi zajmuje się tribologia należą:

a) fizyka, chemia i metaloznawstwo działających na siebie nawzajem obszarów tarcia, znajdujących się w ruchu względnym;

b) smarowanie płynne, np. hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne;

c) tarcie mieszane ciał stałych;

d) smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej, itp.;

e) badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni maszyn;

f) własności i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;

g) własności i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych, gazowych i stałych;

h) badania nad zastosowaniem substancji smarujących;

i) zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.

Wymiana energii materii pomiędzy węzłem tarcia i otaczającym środowiskiem oraz

wewnętrzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowadzi

do tworzenia warstewki chroniącej powierzchnie tarcia przed zużyciem.

Diagnostyka techniczna

Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy diagnostyka techniczna - zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn poprzez badanie własności procesów roboczych i towarzyszących pracy maszyny, a także poprzez badanie własności wytworów maszyny.

Istota diagnostyki technicznej polega na określaniu stanu maszyny (zespołu, podzespołu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, w oparciu o pomiar generowanych sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z wartościami nominalnymi.

Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z diagnozowaną cechą stanu maszyn, charakteryzującą jego stan techniczny. Najszersze oddziaływanie na ograniczenie stanu destrukcji maszyny występuje podczas jej eksploatacji, przy wykorzystaniu metod diagnostyki technicznej.

Do podstawowych form badań diagnostycznych dla podsystemu użytkowania należy dozorowanie stanu zdatnego maszyny, diagnozowanie ogólne, szczegółowe i prognozowanie stanu. Efektem opracowania procesu diagnozowania dla okresu eksploatacji maszyny są zwykle odpowiednie rozdziały w instrukcjach użytkowania i obsługiwania.

Opracowując instrukcję należy dążyć do minimalizacji liczby badanych wielkości i poszukiwać parametru uogólnionego. Takie podejście jest niezbędne, gdy użytkownik nie posiada dostatecznych kwalifikacji do prowadzenia diagnozowania i obsługiwania obiektu. W instrukcjach obsługi diagnozowanie zajmuje coraz więcej miejsca i obejmuje przepisy dotyczące postępowania po wykonaniu działań diagnostycznych, przy lokalizacji uszkodzeń, w czasie badań okresowych, przy pracach profilaktycznych i przy diagnozowaniu użytkowym. Programy diagnostyczne związane z obsługiwaniem pojazdu opracowywane są tak, by uzyskiwane diagnozy były maksymalnie wiarygodne.

Diagnostyka techniczna, jak każda dziedzina wiedzy ma swe źródła, paradygmaty i metodologię. Zagadnienia te doczekały się już szczegółowych opracowań, pozwalających precyzyjnie formułować podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.

Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki warunkujące racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmują :

1. fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne, warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),

2. metodologiczne podstawy badań diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wrażliwości miar, techniki wnioskowania, sposoby prezentacji diagnoz),

3. komputerowa obsługa zadań diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja wymiarowości, estymacja modeli),

4. techniczne metody kontroli stanu pojazdów szynowych, (metodyki, metody, środki - od najprostszych do systemów doradczych),

5. rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia pojazdów szynowych, (projektowanie układów diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, określanie charakterystyk użytkowych, wartości graniczne, sterowanie eksploatacją),

6. przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki wartości, modele decyzyjne, wskaźniki efektywności, rachunek optymalizacyjny),

7. kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy kształcenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).

Są to więc grupy podstawowych problemów z różnych dyscyplin podstawowych i

stosowanych, zawierające w sobie wyróżniki odrębności naukowej diagnostyki technicznej.

Badania nieniszczące

Uwzględniając specyfikę starzenia i zużyć w badaniach rozwijających się uszkodzeń znajdują zastosowanie badania nieniszczące, stosowane na etapie rozwoju wad materiałowych, co wyróżnia je od badań diagnostycznych, stosowanych na etapie funkcjonowania maszyn. Celem badań nieniszczących jest: wykrycie wad, ich opis i ocena, rejestracja, dokumentacja i pomiar użytkowych własności materiału. Dzięki badaniom nieniszczącym możliwa jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia maszyn. Stanowi to podstawę opracowywanych prognoz bezpiecznej ich eksploatacji, oceny narastania ryzyka nagłego pęknięcia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy [67].

Metody badań nieniszczących są bardzo różnorodne w zakresie wykorzystywanych zjawisk, mierzonych parametrów, czy ważniejszych zastosowań. Obejmują one: metody ultradźwiękowe, emisję akustyczną, metody radiacyjne, metody magnetyczne, metody elektryczne, prądy wirowe, metody penetracyjne, metody termiczne.

Metody badań nieniszczących znajdują już ugruntowaną pozycję wśród badań stanu maszyn, wyraźnie wyróżnioną zakresem zainteresowań od badań diagnostyki technicznej.

Bezpieczeństwo maszyn

Teoria bezpieczeństwa maszyn zajmuje się szczególnymi przypadkami eksploatacji tych obiektów, zagrażającymi życiu i zdrowiu [3,12,20,40] operatora, istnieniu maszyny, obiektów współpracujących oraz środowisku naturalnemu.

Teoria bezpieczeństwa posługuje się pojęciami takimi jak zawodność bezpieczeństwa i zawodność sprawności oraz poczucie zagrożenia bezpieczeństwa i jego realne zagrożenie - ryzyko. Z analizy bezpieczeństwa techniki wynikają następujące wnioski:

a) straty mogą pojawić się we wszystkich fazach istnienia wytworu; są one nie do uniknięcia, co najwyżej można zmniejszyć ich wielkość i częstotliwość pojawiania się;

b) bezpieczeństwo wytworów techniki można i należy kształtować w fazach ich projektowania i wytwarzania, a sterować nim w fazie eksploatacji;

c) bezpieczeństwem w określonych warunkach ryzyka można i należy zarządzać;

d) racjonalność w kształtowaniu bezpieczeństwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;

e) kwantyfikacja bezpieczeństwa następuje w oparciu o pojęcia „zagrożenie” i „ryzyko”;

f) optymalizacja bezpieczeństwa wytworu techniki jest możliwa w ramach optymalizacji jego efektywności; żądany poziom bezpieczeństwa stanowi wtedy ograniczenie w algorytmie optymalizacji efektywności;

g) racjonalność i optymalność w kształtowaniu i sterowaniu bezpieczeństwem wytworu może być rozważana wtedy, gdy można skwantyfikować poziom jego bezpieczeństwa.

Z powyższych przesłanek wypływa cel bezpieczeństwa maszyn: „sprowadzenie negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum”.

Zagrożenie definiowane jest jako źródło, potencjał lub sytuacja, które mogą spowodować straty w systemie C-T-S. Zagrożenie bywa kwantyfikowane, przy czym miarą zagrożenia może być funkcja rodzaju i wielkość materiału niebezpiecznego, warunków eksploatacji, możliwości uwolnienia się zagrożenia i powstania strat oraz innych czynników.

Ryzyko definiowane jest jako możliwość powstania strat w systemie C-T-S. W sensie kwantytatywnym stanowi funkcję, której dziedziną są procesy strat elementów systemu.

Najczęściej ryzyko wyraża się jako wartość oczekiwana strat, a więc jest zależne od wielkości straty i prawdopodobieństwa jej powstania.

Bezpieczeństwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolność tego wytworu w założonych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie większego od wartości kryterialnej. Wychodząc od skutków, teoria bezpieczeństwa sięga do uszkodzeń i błędów, które stwarzają zagrożenie bezpieczeństwa.

Strukturę bezpiecznościową wyznaczają energia i informacja, tworzące zazwyczaj

strukturę nadmiarową systemu, co ma na celu zmniejszenie wrażliwości, zwiększenie