TECHNIKI INFORMATYCZNE W BADANIACH STANU MASZYN

Bogdan ŻÓŁTOWSKI Marcin ŁUKASIEWICZ Tomasz KAŁACZYŃSKI

TECHNIKI INFORMATYCZNE

W BADANIACH STANU MASZYN

…na początku – było tak…

Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu

Technologiczno−Przyrodniczego w Bydgoszczy

2012

Bogdan ŻÓŁTOWSKI, Marcin ŁUKASIEWICZ, Tomasz KAŁACZYŃSKI

TECHNIKI INFORMATYCZNE W BADANIACH STANU MASZYN

Opracowanie metodyki budowy dedykowanych systemów monitorowania stanu oraz oceny zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska ze strony użytkowanych maszyn krytycznych, z wykorzystaniem opracowanych narzędzi wirtualnych do realizacji tych zadań stanowi główny cel projektu „Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn”. Projekt ten realizowany jest w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013.

W pracy przedstawiono możliwości implementacji technik informatycznych w analizie stanu degradacji obiektów technicznych. Wiele miejsca poświęcono prezentacji wybranych narzędzi i systemów oceny stanu, omawiając zagadnienia akwizycji sygnałów, ich przetwarza- nia i wnioskowania statystycznego. W części końcowej przedstawiono testy diagnostyczne wybranych obiektów technicznych realizowanych w ramach projektu.

Wytyczne do konstrukcji i wytwarzania maszyn płyną głównie z planowanego sposobu realizacji zadania, które ma ona wykonywać w systemie produkcyjnym. Z jednej strony projekt maszyny musi być dostosowany do możliwości inżynierii materiałowej (dostępność odpowiednich tworzyw) oraz musi uwzględniać poziom technologiczności wytwarzania zakładu produkcyjnego. Z drugiej natomiast należy dostosować konstrukcję i sposób wyko- nania maszyny do struktury systemu produkcyjnego i sposobu eksploatacji, który wynika z wybranego sposobu realizacji zadania. W tym przypadku ujawnia się zatem nadrzędne stanowisko eksploatacji maszyny w systemie produkcyjnym w stosunku do projektowania i wytwarzania maszyny. Można powiedzieć, że eksploatacja niejako determinuje strukturę maszyny oraz procesy główne w niej zachodzące podczas pracy.

W pracy mówi się o możliwościach doskonalenia eksploatacji złożonych systemów technicznych, przy wykorzystaniu elementów teorii diagnozowania, zarządzania i technik informacyjnych w nadzorze degradacji stanu obiektów.

Recenzenci: prof. dr hab. inż. Wiesław PIEKARSKI – UP Lublin prof. n. dr hab. inż. Szymon SALAMON – PCz.

© Copyright by Bogdan ŻÓŁTOWSKI, Marcin ŁUKASIEWICZ, Tomasz KAŁACZYŃSKI, 2012 r.

© Copyright by Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, 2012 r.

Wydawnictwo dofinansowane z środków projektu nr WND-POIG.01.03.01-00-212/09

„Techniki wirtualne w badaniach stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska eksploatowanych maszyn” współfinansowanego przez Unię Europejską ze środków

Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.

Cytaty zaczerpnięto z wielu dostępnych ksiąg cytatów

Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego Redaktor Naczelny – prof. dr hab. inż. Józef Flizikowski

ul. Ks. A. Kordeckiego 20, 85-225 Bydgoszcz, tel. 52 3749482, 52 3749426 e-mail: wydawucz@utp.edu.pl http://www.wu.utp.edu.pl

Wyd. I. Nakład 100 egz. Ark. aut. 11,3. Ark. druk. 11,7. Zamówienie nr 22/2012 Zakład Małej Poligrafii UTP Bydgoszcz, ul. Ks. A. Kordeckiego 20

SPIS TREŚCI

WPROWADZENIE ... 5

1. STUDIUM UTRZYMANIA ZDATNOŚCI MASZYN... 6

1.1. Strategie utrzymania zdatności... 6

1.2. Degradacja stanu maszyn ... 10

1.3. Diagnozowanie stanu maszyn ... 22

1.4. Miary i symptomy stanu ... 26

1.5. Wnioskowanie diagnostyczne ... 37

1.6. Podsumowanie ... 47

2. BADANIA STANU DEGRADACJI MASZYN ... 48

2.1. Badania stanu dynamicznego ... 48

2.2. Modele diagnostyczne ... 54

2.3. Eksperymenty diagnostyczne ... 65

2.4. Struktura systemu diagnostycznego ... 73

2.5. Rozpoznawanie stanu maszyn ... 77

2.6. Podsumowanie ... 84

3. ANALIZA STATYSTYCZNA DANYCH POMIAROWYCH ... 85

3.1. Wprowadzenie ... 85

3.2. Techniki wirtualne w życiu maszyny ... 86

3.3. Metoda OPTIMUM ... 92

3.4. Metoda SVD ... 96

3.5. Modelowanie przyczynowo-skutkowe ... 100

3.6. Podsumowanie ... 103

4. NARZĘDZIA OCENY STANU MASZYN ... 104

4.1. Uwarunkowania badań diagnostycznych ... 104

4.2. SIBI – System informatyczny badań identyfikacyjnych ... 107

4.3. Procedury badania stanu maszyn ... 114

4.4. LMS Test.Lab ... 124

4.5. LMS Virtual.Lab ... 129

4.6. LMS AmeSIM... 133

4.7. System ViBEX, Vibstand... 140

4.8. Podsumowanie ... 147

5. TESTY DIAGNOSTYCZNE WYBRANYCH OBIEKTÓW ... 148

5.1. Badania linii produkcyjnej świetlówek ... 148

5.2. Badania stanu linii do przerobu odpadów ... 157

5.3. Badania stanu siłowni wiatrowej... 164

5.4. Badania systemów wentylacyjnych ... 171

5.5. Badania degradacji stanu skrzynki przekładniowej ... 178

5.6. Podsumowanie ... 185

POSŁOWIE ... 186

LITERATURA ... 187

4

WPROWADZENIE

W książce przedstawiono wybrane zagadnienia z obszaru doskonalenia sys- temów eksploatacji maszyn technikami informacyjnymi, w zakresie utrzymania zdatności, badania degradacji stanu, zagrożeń bezpieczeństwa i środowiska.

Podstawą sprawnego i skutecznego zarządzania eksploatacją systemów technicznych jest dostępny, ale i odpowiedni system informacyjny. Uwidacznia się to szczególnie wyraźnie w eksploatacji układów złożonych, w których in- formacja, stanowiąca podstawę decyzji eksploatacyjnych, dotyczy bardzo róż- norodnego obszaru zagadnień. Chodzi tu głównie o kontrolę użytkowania oraz prowadzenie obsługiwań technicznych w celu utrzymania zdatności zadaniowej, co daje możliwości zwiększenia określonych zysków. Poprawa efektywności eksploatowania, która w praktyce przekłada się na wydłużenie czasu zdatności, ograniczenie awarii i przestojów maszyn oraz właściwą organizację i realizację prac obsługowo-naprawczych, możliwe jest utrzymanie ciągłości produkcji, zwiększenie wydajności i poprawa jakości produkowanych wyrobów oraz ogra- niczenie kosztów eksploatacji maszyn, a w konsekwencji ograniczenie kosztów produkcji i produktu.

W pracy przedstawiono zagadnienia teoretyczne związane z teorią degradacji stanu, modelowaniem i drganiami w opisie zmian stanu oraz wskazano na podsta- wowe źródła procesów destrukcji maszyny w trakcie eksploatacji. Wskazano po- nadto na sposoby opisu stanu dynamicznego maszyn, które przekładają się na po- miar drgań, a następnie na miary sygnału drganiowego, które po przekroczeniu wartości granicznych świadczą o złym stanie technicznym obiektu. Omówiono wybrane problemy diagnostyki technicznej, w tym przedstawiono klasyfikację stanów obiektów, eksperymenty i podstawowe procedury badania stanu maszyn.

Wiadomości teoretyczne zestawiono z praktycznymi zagadnieniami zwią- zanymi z implementacją technik informatycznych w analizie stanu obiektów poprzez prezentację wybranych narzędzi i systemów do pomiaru i analizy drgań, z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi informacyjnych.

Książka przeznaczona jest dla szerokiego grona odbiorców, studentów wy- działów mechanicznych, inżynierów mechaników i młodych pracowników nau- kowych oraz pracowników zaplecza technicznego zakładów pracy, zaintereso- wanych utrzymania zdatności obiektów w eksploatacji.

Autorzy mają nadzieję, iż przedstawione w pracy zagadnienia teoretyczne oraz praktyczne przyczynią się do poszerzenia wiedzy i umiejętności praktycz- nych związanych z implementacją technik informacyjnych w analizie utrzyma- nia zdatności i oceny degradacji obiektów technicznych.

Bogdan ŻÓŁTOWSKI Marcin ŁUKASIEWICZ Tomasz KAŁACZYŃSKI

…nic tak nie wiąże ludzi – jak przekazywanie pieniędzy…

…z ręki – do ręki…

1. STUDIUM UTRZYMANIA ZDATNOŚCI MASZYN 1.1. STRATEGIE UTRZYMANIA ZDATNOŚCI

Utrzymanie zdatności maszyn (maszyn w ruchu) jest w przedsiębiorstwie sprawą kluczową, a właściwie przyjęta strategia eksploatacji rozumiana jako sposób użytkowa- nia i obsługiwania maszyn oraz relacje między nimi, może decydować o konkurencyj- ności przedsiębiorstwa na rynku, gdyż zdatność maszyn gwarantuje dobrą jakość produkcji.

Utrzymanie maszyn w zdatności eksploatacyjnej (użytkowania, obsługiwania) jest podstawowym zakresem obowiązków służb utrzymania ruchu i zależy od wielu skła- dowych: poprawności działania struktur decyzyjnych zakładu, przyjętej strategii eks- ploatacji maszyn, jakości eksploatowanych maszyn (wiek, technologie, niezawodność), mobilności ludzi i narzędzi logistyki maszyn.

Najbardziej odpowiednia struktura organizacyjno-decyzyjna dla organizacji utrzymania ruchu zależy od przyjętych założeń i wytycznych wynikających z zidentyfi- kowanej relacji: strategia – struktura – działania. Na sposób organizacji w znacznym stopniu wpływają także względy prawne i bezpieczeństwa, które wyznaczają i wymu- szają określone działania. Dodatkowo należy także wymienić pewne czynniki subiek- tywne i ludzkie, jak np.: tradycja, przejmowanie i podtrzymywanie pewnych wzorców z przeszłości (dotyczy głównie przedsiębiorstw z długą historią), wygoda i przyzwycza- jenie kierownictwa.

W szczególności zwraca się uwagę, na trzy aspekty:

– niekorzystną, ze względu na efektywność eksploatowania obiektów, lokalizację organizacji utrzymania ruchu w strukturach przedsiębiorstwa;

– dostosowywanie struktury organizacyjno-decyzyjnej do istniejących lub planowa- nych stanowisk lub przydziałów personalnych. Taka działalność, przyczynia się do tworzenia dodatkowych i często niepotrzebnych, stanowisk prowadząc do genero- wania nieczytelnych relacji kompetencyjnych, co może wpływać na pogorszenie procesu decyzyjnego;

– przyporządkowywanie zespołów do różnych struktur (podstruktur) organizacyjno- decyzyjnych z punktu widzenia zakresu zadaniowego, często o całkowicie rozbież- nych zadaniach. W takim przypadku wymusza się tworzenie sztucznych decyzyjnych relacji poziomych umożliwiających realizowanie przez zespół przydzielonych zadań.

Analiza struktur informacyjnych organizacji utrzymania ruchu jest istotna szcze- gólnie ze względu na sprawność procesu decyzyjnego oraz możliwości komputerowego wspomagania prac obsługowo-naprawczych. Rozpoznanie struktury informacyjnej organizacji utrzymania ruchu wymaga zarówno rozpatrzenia sposobu przepływu danych wewnątrz organizacji, jak również informacyjnych powiązań z jednostkami otoczenia zewnętrznego. W tym celu konieczne jest wyodrębnienie jednostki organizacyjnej od- powiedzialnej za utrzymanie ruchu, w sposób pozwalający na identyfikację i opis jej struktury informacyjnej.

Przyjmuje się, że przedmiotem rozpoznania jest wyodrębniona organizacyjnie jed- nostka, realizująca zadania eksploatacyjne w zakresie technicznym, organizacyjnym,

prawnym i ekonomicznym na obiektach eksploatacji, według przyjętej polityki eksploa- tacyjnej, dla potrzeb (na zlecenie) innych jednostek przedsiębiorstwa. W tym kontek- ście, w celu pełnego zdefiniowania struktury informacyjnej organizacji utrzymania ruchu, należy dokonać identyfikacji i opisu:

– informacyjnych powiązań zewnętrznych organizacji utrzymania ruchu,

– informacyjnych powiązań wewnętrznych organizacji utrzymania ruchu, dla typowej wzorcowej organizacji utrzymania ruchu.

Zidentyfikowany ogólny zasób informacji stanowiący zbiór danych wejściowych do organizacji utrzymania ruchu może obejmować [34, 38]:

– dane ekonomiczne, – decyzje jednostki głównej,

– oferty i dane techniczne usług i zasobów jednostek otoczenia zewnętrznego, – opisy zdarzeń, podlegające obsłudze przez wydział,

natomiast informacja stanowiąca dane wyjściowe obejmuje:

– raporty (techniczne i ekonomiczne),

– potwierdzenia realizacji zadań i decyzji jednostki głównej,

– zapytania ofertowe i techniczne do jednostek otoczenia zewnętrznego, – umowy na obsługi/naprawy.

Rodzaj i charakter dokumentów zależy od strategii eksploatacyjnej, struktury or- ganizacyjnej, charakteru organizacji, przepisów prawnych i warunków ekonomicznych, jak również pewnych uwarunkowań historycznych i upodobań.

Procesy starzenia i zużycia są nieodłącznie związane z istnieniem obiektów tech- nicznych, wpływając destrukcyjnie na ich stan techniczny i prowadząc nieuchronnie do dających się obserwować uszkodzeń. Łączne oddziaływanie tych form degradacji struk- tury obiektu prowadzi do rozwoju uszkodzeń, prowadzących do przerwania pracy a nawet fizycznej spoistości obiektu.

Degradacja stanu maszyn wymusza zorganizowane poprawnie działania służb utrzymania ruchu, wyposażonych w metody i środki utrzymania zdatności maszyn.

Należą do nich procedury badania stanu (diagnozowania) maszyn, jednoznacznie wnio- skujące na podstawie mierzonych wartości symptomów o czynnościach obsługowych i decyzjach eksploatacyjnych.

Literatura opisuje wiele systemów i strategii utrzymania zdatności maszyn [3-5,9] począwszy od najprostszych – do uszkodzenia czy planowo – zapobiegawczych poprzez strategie wg stanu technicznego, niezawodności, ilości wykonanej pracy itd.

W warunkach rzeczywistych świadomy wybór strategii dokonywany jest głównie w przed- siębiorstwach, które mają niezbędne zasoby ludzkie, finansowe i techniczne. Sprowadza się on najczęściej do przyjęcia jednego z poniższych modeli utrzymania lub ich kombinacji:

• strategia wynikająca z procedur ISO;

Rosnąca konkurencja, wymagania klientów, globalizacja gospodarki wymuszają na przedsiębiorstwach konieczność wdrażania i utrzymywania systemów zarządzania jako- ścią (SZJ). Podstawą do certyfikacji takich systemów jest na ogół norma ISO9001.

Zawiera ona wymagania dla SZJ mające zastosowanie dla każdej organizacji, niezależ- nie od jej wielkości i rodzaju, która potrzebuje wykazać zdolność do ciągłego dostar- czania wyrobów zgodnych z wymaganiami klienta i mających zastosowanie przepisów oraz dąży do zwiększenia zadowolenia klienta. Jest to standard międzynarodowy, który odnosi się do procesów decydujących o wytworzeniu produktu albo usługi, jakich do- starcza swoim klientom przedsiębiorstwo.

8

• outsourcing usług związanych z utrzymaniem maszyn;

Outsourcing jest strategią zarządzania, która polega na oddaniu na zewnątrz (partne- rowi zewnętrznemu) zadań nie związanych bezpośrednio z podstawową działalnością firmy. Dzięki temu firma może skupić swoje zasoby i środki finansowe na tych obsza- rach stanowiących podstawę jej działań, w których osiąga przewagę konkurencyjną.

Firma zleca na zewnątrz obsługę tych procesów, które traktowane są jako pomocnicze, np. IT, transport, księgowość czy utrzymanie maszyn.

• wg instrukcji obsługi, DTR i wymagań prawnych (głównie UDT);

Wiele przedsiębiorstw przyjmuje strategię utrzymania maszyn wynikającą z dostarczo- nych wraz z maszynami instrukcji obsługi i dokumentacji techniczno ruchowych (DTR).

W dokumentach tych zawarte są informacje o wymaganych wymianach (olejów, pasów, łożysk) i przeglądach (np. przegląd gwarancyjny, po 10 000km, po 500mth). Strategia ta ma zatem charakter planowo – zapobiegawczy a w przypadku eksploatacji pewnej grupy maszyn (np. dźwigi, zbiorniki ciśnieniowe) dodatkowo mają zastosowanie odpo- wiednie przepisy Urzędu Dozoru Technicznego dotyczące konieczności dokonywania przeglądów (inspekcji) głównie w aspekcie bezpieczeństwa.

• strategie o podejściu filozoficznym (5S, Kazein, TPM itp.);

Podejście pro-produktywnościowe TPM jest podejściem do zarządzania utrzymaniem ruchu maszyn i urządzeń o rodowodzie japońskim. Zarządzanie sprzętem na zasadach programu TPM polega na prewencji powstawania błędów jakościowych, awarii maszyn oraz ich regulacji. Jest to program ciągłego doskonalenia opierający się na współpracy pracowników produkcji i obsługi.

• strategia ukierunkowana na produkcję (do uszkodzenia).

Ten rodzaj strategii – niestety używany zbyt często – jest najczęściej brakiem jakiejkol- wiek świadomej strategii utrzymania maszyn. Maszyny i urządzenia użytkowane są do momentu uszkodzenia lub pierwszych symptomów pojawiającego się uszkodzenia, po czym następuje ich naprawa i dalsze użytkowanie.

Ważnym elementem systemu utrzymania ruchu są celowo budowane do tego celu techniki informatyczne wspomagające poprawne funkcjonowanie systemu. W realizacji przedsięwzięć informatycznych tego zakresu bierze udział wielu partnerów (kierownictwo przedsiębiorstwa, informatycy, ekonomiści, zewnętrzni eksperci). Po to, aby zrealizowany przez nich system informatyczny spełniał później wymagania spójności technicznej i organizacyjnej, niezbędna jest praca wszystkich partnerów według jednakowych reguł.

Architektury systemów informacyjnych określają komponenty, które tworzą system in- formacji przedsiębiorstw i organizacji, czyli konstrukcję „budowli" procedury budowy.

Niektóre architektury opracowuje się dla określonych dziedzin zastosowań. Coraz częściej wykorzystuje się je nie tylko do budowy systemów informacyjnych, ale do restrukturyza- cji gospodarczych w projektów reengineeringu.

W przypadku większości architektur próbuje się ująć w postaci całościowej koncepcji:

– strukturę (budowę) systemu, – metody budowy systemu,

– oprogramowanie wspomagające tworzenie systemu.

Architektury referencyjne są coraz częściej stosowane jako podstawa opracowy- wania systemów informacji dla indywidualnych warunków i wymagań przedsiębiorstw lub jako punkt odniesienia dla dokonywania oceny projektowanych lub funk- cjonujących systemów. Są one przydatnymi narzędziami analityka i projektanta zinte- growanych systemów informacyjnych przedsiębiorstw oraz, bazą modelowania proce- sów w ramach projektów reengineeringu.

CIMOSA jako uniwersalna metoda projektowania umożliwia dynamiczny opis przedsiębiorstwa, uwzględniając jego cele, środki oraz aspekty organizacyjne i tech- nologiczne. Opis ma charakter wielofazowy. Rozpoczyna się od zdefiniowania wyma- gań przedsiębiorstwa stawianych systemowi informacyjnemu, na podstawie których wyprowadzone zostają rozwiązania w postaci modułów.

Zgodnie z koncepcją modeli cyklu życia systemu, różne metody opisu systemu infor- macji są przedstawiane stosownie do ich odległości od technologii informatycznej. Takie podejście zapewnia konsekwentny i spójny opis, począwszy od problemów gospodarczych, poprzez poszczególne poziomy szczegółowości, aż do implementacji technicznej.

Podobnie jak w innych architekturach, przedsiębiorstwo, jego procesy gospodar- cze, systemy informacyjne są rozpatrywane z różnych punktów widzenia (perspektyw badawczych), co pozwala na zredukowanie złożoności. Rozłożenie procesów gospo- darczych na poszczególne (osobne) „punkty widzenia” umożliwia opisywanie przed- miotu analizy za pomocą metod właściwych dla poszczególnych perspektyw. W opi- sach unika się w ten sposób powielania tych samych informacji.

W trakcie realizacji przedsięwzięcia informatycznego utrzymywana jest baza da- nych, w której gromadzone są modele danych, funkcji, organizacji i sterowania w celu opisania łańcuchów procesów gospodarczych w kolejnych fazach: tworzenia: modeli semantycznych, specyfikacji projektowej i realizacji technicznej.

Definicje pojęć: modelowanie systemów informacyjnych, modelowanie przedsię- biorstwa, integracja, cykl życia systemu, cykl życia przedsiębiorstwa, poziomy mode- lowania procesów gospodarczych, są płaszczyzną porozumienia dostawców narzędzi informatycznych i użytkowników tych narzędzi. Architektury proponują różne „punkty widzenia” i „poziomy” opisu przedsiębiorstw, procesów gospodarczych, systemów informacyjnych. W wypadku realizacji projektów reengineeringu stanowią coraz czę- ściej koncepcje ramowe systematycznego i kompleksowego modelowania i zarządzania procesami gospodarczymi. Dostarczając wzorców konstrukcyjnych, umożliwiają skró- cenie czasu i redukcję kosztów równoczesnego wdrażania nowoczesnych technologii.

Mogą być też traktowane jako narzędzia ścisłego opisu, przydatne w sferze nauki: roz- wijania wiedzy w zakresie modelowania procesów gospodarczych, modelowania sys- temów informacyjnych, modelowania przedsiębiorstw i wdrażania nowych technologii.

Niektóre architektury są ukierunkowane na wspomaganie procesów gospodar- czych w przedsiębiorstwach przemysłowych (produkcji), inne mają bardziej ogólny charakter. Spośród analizowanych w literaturze architektur, cztery architektury:

CIMOSA, GRAI/GIM, PERA, GERAM zostały zbudowane z myślą o utworzeniu w pełni zintegrowanego wytwarzania, natomiast architektury ARIS oraz IFIP-ISM z myślą przeprowadzania rekonstrukcji procesów gospodarczych, przy jednoczesnym wdrażaniu nowoczesnych technologii.

Utrzymanie zdatności maszyn jest w przedsiębiorstwie produkcyjnym sprawą kluczową, aczkolwiek w podejściu procesowym jest na ogół klasyfikowane jako proces pomocniczy w stosunku do produkcji. Tymczasem proces ten ma lub może mieć zasad- niczy wpływ na ilość i koszty produkcji, jakość produktu finalnego, bezpieczeństwo ludzi i środowiska, przy zasadnym wspomaganiu technikami informacyjnymi. Dodat- kowo jest to proces, którego wyniki można rozpatrywać w wymiernych wartościach, a nakładami stosunkowo łatwo zarządzać. Wszystko to sprawia, ze w przedsiębior- stwach stosujących tzw. dobre praktyki inżynierskie utrzymanie maszyn nie jest jedynie kosztem, którego należy unikać, ale również aktywnym działaniem mogącym stanowić efektywny wkład w rozwój firmy.

10

1.2. DEGRADACJA STANU MASZYN

Procesy starzenia i zużycia są nieodłącznie związane z istnieniem obiektów tech- nicznych, wpływając destrukcyjnie na ich stan techniczny i prowadząc nieuchronnie do dających się obserwować uszkodzeń. Łączne oddziaływanie tych form degradacji struktury obiektu powoduje wiele uszkodzeń, prowadzących do przerwania pracy, a nawet fizycznej spoistości obiektu.

Znajomość podstaw fizycznych zjawisk starzeniowych i zużyciowych ułatwia po- znanie i opis generowanych sygnałów diagnostycznych, umożliwiających śledzenie zmian stanu obiektu i przewidywanie uszkodzeń, co warunkuje skuteczność diagnostyki technicznej.

Współmierne oddziaływanie destrukcyjne starzenia fizycznego i zużycia na obiek- ty mechaniczne w warunkach losowych obciążeń podczas ich funkcjonowania, prowa- dzą do złożonego sposobu opisu identyfikacji stanu obiektów i warunkują podejmowa- nie decyzji diagnostycznych w kategoriach prawdopodobieństw.

Przez zużycie elementu maszyny rozumie się trwałe, niepożądane zmiany jego stanu, występujące w czasie eksploatacji, w wyniku których potencjał użytkowy ele- mentu stopniowo wyczerpuje się. Przez stan elementu należy rozumieć jego stan fizy- kalny, określony dwoma grupami parametrów:

• parametry stereometryczne (kształt, wymiary, chropowatość powierzchni czyn- nych, kierunkowość śladów obróbki, rysy, pęknięcia, wżery, wgniecenia, itp.),

• parametry fizykalne (skład chemiczny, strukturę, rozkład naprężeń, zmiany twar- dości, rozkład dyslokacji w sieci krystalicznej, własności mechaniczne, itp.).

Pomimo tego, że procesy starzenia i zużyć są często rozpatrywane łącznie i są trudne do jednoznacznego rozdzielenia, w pracy tej potraktowano rozłącznie.

Starzeniem fizycznym nazywa się procesy fizyczne zachodzące w materiałach części maszyn na skutek wymuszeń wewnętrznych i zewnętrznych, powodujących nieodwracalne zmiany własności użytkowych części. Procesy starzenia występują z chwilą zakończenia produkcji części. Starzenie fizyczne oddziałuje na obiekt w całym procesie jego istnienia, od wytworzenia do likwidacji, nawet wówczas gdy obiekt nie wykonuje swoich funkcji. Rozróżnia się starzenie fizyczne i moralne, przy czym głów- ne dla obiektów technicznych charakterystyczne jest starzenie fizyczne. Starzenie mo- ralne to starzenie ekonomiczne na skutek postępu technicznego, gdzie maszyny stają się przestarzałymi i z mniejszą wydajnością produkcji.

Procesy starzenia zależą od szeregu czynników i oddziaływań zewnętrznych i we- wnętrznych. Do czynników zewnętrznych zaliczyć można: wpływ atmosfery, natural- nego podłoża, współpracujących obiektów itp. Do czynników wewnętrznych należą natomiast: procesy mechaniczne, mechaniczno-fizyczne i mechaniczno-chemiczne, występujące w trakcie funkcjonowania i przechowywania obiektu [8,13,22,32,49].

Ogólny podział czynników starzeniowych, nieuwarunkowanych funkcjonowaniem obiektów, schematycznie przedstawiono na rysunku 1.1.

Rys. 1.1. Zewnętrzne czynniki starzeniowe nie uwarunkowane funkcjonowaniem obiektu Przedstawione główne czynniki starzenia fizycznego elementów maszyn prowadzą do uszkodzeń starzeniowych, polegających na stopniowej utracie własności fizycznych przez tworzywo elementu na skutek destrukcyjnego oddziaływania środowiska oraz zmian zachodzących w samym tworzywie elementu [26].

Najbardziej typowe uszkodzenia powodowane przez czynniki klimatyczne można podzielić następująco:

a) cieplne starzenie materiału, powodujące utratę własności mechanicznych lub elek- trycznych,

b) rozmiękczenie materiału przy wysokich temperaturach, powodujące utratę sztywno- ści lub całkowite uszkodzenie niektórych elementów nieodpornych na ciepło, c) utratę lepkości przy wysokich temperaturach, powodujące wycieki np. materiałów

impregnacyjnych,

d) przejście w stan kruchy niektórych materiałów pod wpływem niskich temperatur, e) utrata własności smarujących przy niskich temperaturach różnych płynów eksploat-

acyjnych,

f) wzrost lepkości, a nawet zamarznięcie przy niskich temperaturach używanych płynów, g) strukturalne zniszczenia przy dużym ciśnieniu atmosferycznym, powodujące uszko-

dzenia zarówno o charakterze mechanicznym jak i elektrycznym, h) pękanie osłon hermetyzujących lub izolujących wskutek zmian ciśnienia,

12

i) przenikanie cząstek wody lub pary poprzez różne pokrycia, j) skutki korozji w zakresie zniszczeń mechaniczno-chemicznych, k) zasychanie, prowadzące do mechanicznego uszkodzenia materiału,

l) nadmierne zużycia części ruchomych wskutek zanieczyszczeń piaskiem lub pyłem, m) mechaniczne zniszczenia pod wpływem opadów, wiatru itp.

Uszkodzenia maszyn i ich elementów pod wpływem oddziaływania nadmiernej temperatury następują przeważnie przy przekraczaniu granicznej temperatury roboczej, powodując zmiany własności użytych materiałów lub przyśpieszających ich starzenie.

Zużyciem określa się proces stopniowego niszczenia części, pod wpływem czyn- ników fizyko-chemicznych, rodzaju obciążeń i czasu pracy, w całym okresie eksploata- cji. Procesy zużywania się obiektu zachodzą tylko podczas wykonywania procesów roboczych (funkcjonowania) obiektu. Podstawowe rodzaje zużycia (rys. 1.2) obejmują:

zużycie ścierne, adhezyjne, zmęczeniowe, przez utlenianie i ciernokorozyjne.

Rys. 1.2. Klasyfikacja zużyć ze względu na dominujący proces elementarny

Sam mechanizm przebiegu i opisu rozwoju tych zużyć jest stosunkowo trudny i stanowi przedmiot wielu badań. Przykładowo, różnorodność warunków rozwoju koro- zji w maszynach sprawia, że wyróżnia się następujące rodzaje korozji: korozja gazowa, korozja w nieelektrolitach, korozja w elektrolitach, korozja glebowa, korozja atmosfe- ryczna, elektrokorozja, korozja kontaktowa, korozja naprężeniowa, korozja kawitacyj- na, erozja korozyjna, korozja biologiczna [24,49].

Występujący w elementach maszyn rodzaj niszczenia jest zależny od wielu czyn- ników, które można podzielić na:

a) geometryczne (kształt, chropowatość, błędy kształtu itp.), b) kinematyczne (rodzaj ruchu, prędkość itp.),

c) dynamiczne (rodzaj obciążenia, siła obciążająca, nacisk jednostkowy itp.), d) materiałowe (materiał warstwy wierzchniej, jakość smarowania itp.), e) środowiskowe (wilgotność, powinowactwo chemiczne itp.),

f) cieplne (temperatura, odprowadzenie ciepła itp.).

Można zatem dokonać podziału podanych rodzajów zużyć dla celów czysto tech- nicznych, na zasadnicze odmiany w następujący sposób:

• zużycie ścierne: bez warstwy ściernej, z warstwą ścierną, w ośrodku sypkim,

• zużycie adhezyjne: bez głębokiego wyrywania i z głębokim wyrywaniem,

• zużycie plastyczne: w warstwie wierzchniej i w całej masie,

• zużycie zmęczeniowe: normalne, pitting, spaling, fretting,

• zużycie korozyjne: metali i niemetali,

• zużycie erozyjne: hydroerozja, erozja gazowa, elektroerozja,

• zużycie kawitacyjne: kawitacja przepływowa, kawitacja falowa,

• zużycie cieplne: metali, niemetali.

Podstawowe określenia charakteryzujące te zużycia przytoczono poniżej.

Adhezja (przyczepność) – zjawisko łączenia się powierzchniowych warstw dwóch różnych ciał doprowadzonych do zetknięcia, wskutek przyciągania międzycząsteczkowego.

Adsorbcja fizyczna (cząsteczkowa, powierzchniowa) – adsorpcja polegająca na za- gęszczeniu się substancji na powierzchni adsorbentu pod działaniem sił przyciągania międzycząsteczkowego, traktowana jako proces nieodwracalny.

Chemisorpcja (adsorpcja chemiczna, adsorpcja aktywowana) – adsorpcja wiązań chemicznych, na ogół proces nieodwracalny.

Utlenianie – nazwa ogólna procesów chemicznych, przebiegających z oddaniem elektronów przez atom lub jon, powodujących wzrost wartościowości ujemnej pier- wiastka.

W szczególnym przypadku jest to łączenie się danej substancji z tlenem.

Korozja – niszczenie tworzyw wskutek chemicznego lub elektrochemicznego od- działywania środowiska.

Dyfuzja – zjawisko przenikania cząsteczek jednej substancji w zasięg (obręb) dru- giej przy bezpośrednim zetknięciu tych substancji.

Odkształcenia plastyczne (trwałe) – odkształcenia, które nie zanikają po usunięciu statycznego układu sił zewnętrznych, który je wywołał.

Mikroskrawanie – zjawisko wykrawania w materiale określonej mikroobjętości na skutek skrawającego działania, znajdujących się między powierzchniami tarcia lub opływających powierzchnię tarcia cząstek ścierniwa znacznie twardszego od tworzywa elementu, lub też na skutek skrawającego działania nierówności twardszej powierzchni.

Bruzdowanie – zjawisko wgłębiania elementu jednego z ciał współpracujących w ścierany materiał i plastycznym wyciśnięciu w nim bruzdy podczas ruchu.

Rysowanie – zjawisko tworzenia rys w ścieranym materiale przez przesuwający się element ciała współpracującego (na skutek wykrawania i odsuwania materiału na boki).

Odrywanie – zjawisko podważania i oddzielania przez występy jednej powierzch- ni, występów drugiej powierzchni.

Zrywanie połączeń tarciowych – rozrywanie połączeń tarciowych wytworzonych w procesie adhezji, zgrzania lub zespawania wierzchołków nierówności dwóch po- wierzchni.

Rozwój procesów zużyciowych w maszynie wywoływanych różnymi czynnikami wymuszającymi przedstawiono na rysunku 1.3.

14

CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ZUŻYCIU

Kształt, ruch, materiały, obróbka powierzchniowa, smary, dodatki do smarów, zanieczyszczenia, wykończenie powierzchni, obciążenia łożysk, szybkość na powierzchni,

temperatura, czas, drgania, wstrząsy (udary).

OZNAKI ZUŻYWANIA POWIERZCHNI

Oddziaływanie trybologiczne współpracujących powierzchni

MECHANIZMY POGARSZANIA STANU POWIERZCHNI

Erozja, ścieranie, fretting, korozja wżerowa, zmęczenie, korozja zmęczeniowa, utlenianie

WPŁYW NA CAŁOŚĆ SYSTEMU TRIBOLOGICZNEGO

Praca w warunkach zużycia,. zużycie początkowe, zużycie normalne, zużycie wzmożone, zużycie awaryjne (wykładnicze), zużycie katastroficzne, uszkodzenie powierzchni, zapoczątkowanie pęknięć

zmęczeniowych, szybki rozwój pęknięć

Rys. 1.3. Przebieg procesu zużywania się maszyn

Podczas użytkowania wielkości opisujące starzenie i zużycia rosną od wartości po- czątkowej Z, zadanej projektowo i wykonawczo, aż do wartości granicznej Zgr, równo- ważnej uszkodzeniu elementu. Można sformułować dwa modele uszkodzeń (rys. 1.4):

a) model zużyć starzeniowych, gdzie parametr starzeniowy jest monitorowany (orga- noleptycznie, aparaturowo) lub diagnozowany okresowo i pełna znajomość stanu zapobiega nagłym uszkodzeniom i zatrzymaniu maszyny,

b) model zużyć awaryjnych, gdzie brak możliwości obserwacji stanu elementu pro- wadzi do uszkodzeń awaryjnych (bez wcześniejszych symptomów).

Elementy starzeniowe modelowane są z uwzględnieniem zmienności intensywno- ści starzenia i zużyć oraz możliwością sterowania chwilą naprawy, w zależności od bieżącej wartości symptomów zużycia.

Z(t) Z(t) z(gr) z(gr)

uszkodzenie t uszkodzenie t Rys. 1.4. Modelowe rodzaje uszkodzeń

Symulacyjne modelowanie elementów awaryjnych polega na generowaniu zmien- nych losowych odpowiadających czasom poprawnej pracy (przebieg km, liczba zadzia- łań) oraz zmiennych losowych dotyczących napraw (czas naprawy, koszt naprawy).

Uszkodzenie jest jednym z istotnych zdarzeń występujących w procesie użytko- wania maszyn, determinującym niezawodność maszyn, efektywność ich wykorzystania, proces obsługiwań technicznych, a także zakres potrzeb diagnostyki technicznej. Najo- gólniej uszkodzenia maszyny to 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. Stan niezdatności określa natomiast stan ma- szyny, w którym nie spełnia ona chociażby jednego z wymagań, określonych w doku- mentacji technicznej [24,49].

Dla potrzeb analizy przyczyn uszkodzeń występujących w maszynach istotna jest klasyfikacja postaci uszkodzeń, przedstawionych na rysunku 1.5.

- zm ia n a w y m ia r u ,

- n ieró w n o le g ło śc i o si, p ła szc zy zn , C e c h y c h a ra k t e ry zu j ą c e - n iep ro st o p a d ło śc i o si, p ła sz c z y zn , m a k r o - g e o m e t rię - o w a ln o ść ,

- w ic h ro w a t o ś ć o si, - n iew sp ó ło sio w o ść , - in n e ,

P O S T A Ć U S Z K O D Z E N IA

- fa list o ść , - c h ro p o w a to ść , C e c h y c h a ra k t e ry zu j ą c e - p rz y le g a n ie ,

m ik ro - g e o m e t ri ę - ry sy , w g n ie c e n ia , w ż e r y , - k ie ru n k o w o ść n ie ró w n o śc i,

- k r u c h y , Z ło m e le m e n tu - p la st y c zn y , - d w u st re fo w y .

Rys. 1.5. Klasyfikacja postaci uszkodzeń

Uszkodzenia maszyn w procesie eksploatacji mają charakter losowy (rys. 1.6).

Własności początkowe maszyny podlegające rozkładowi normalnemu (równomierne- mu) – rysunek 1.6b – jak i czynniki wymuszające podlegające rozkładom przypadko- wym – rysunek 1.6a – są dalej transformowane w obecności obciążeń na rozwijające się uszkodzenia – rysunek 1.6c, które można obserwować za pomocą intensywności uszko- dzeń lub krzywej życia maszyny.

16

czynniki własności wymuszające początkowe uszkodzenia

Z (t)

W (t) MASZYNA λ(t) A (t)

S (t) C [ ij ]

a) b) c) f(t) f(t) λ(t)

t t t

Rys. 1.6. Uwarunkowania losowego charakteru uszkodzeń Z(t) – zakłócenia, W(t) – robocze czynniki wymuszające, A(t) – czynniki antropotechniczne, S(t) – zewnętrzne czynniki wymuszające, C [ij] – macierz własności początkowych

Uszkodzenie obiektu rozumiane zatem w najbardziej ogólnym sensie polega na tym, że co najmniej jedna z mierzalnych lub niemierzalnych cech obiektu przestaje spełniać stawiane jej wymagania. Uszkodzenia maszyn w toku eksploatacji mogą za- chodzić:

a) wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych za- chodzących w maszynie (rys. 1.7a),

b) w wyniku pojawienia się procesów odwracalnych o różnej intensywności przebiegu, wywołanych przez czasowe przekroczenia dopuszczalnych wartości jednego lub więcej czynników wymuszających (rys. 1.7b),

c) w sposób skokowy, objawiający się nieciągłym przejściem jednej lub więcej cech poza granice przyjęte za dopuszczalne dla danej maszyny (rys. 1.7c).

Rys. 1.7. Możliwe sposoby zmiany stanu maszyny

Można wskazać na główne przyczyny powstawania uszkodzeń, które są następu- jące:

1. Konstrukcyjne – uszkodzenia powstałe wskutek błędów projektowania i konstruo- wania obiektu, najczęściej przy nie uwzględnieniu obciążeń ekstremalnych, tzn.

wartości, które w istotny sposób przekraczają obciążenia nominalne, prowadząc wprost do uszkodzeń.

2. Produkcyjne (technologiczne) – uszkodzenia powstałe wskutek błędów i niedo- kładności procesów technologicznych (brak tolerancji wymiarów, gładkości po- wierzchni, obróbki termicznej, itp.) lub wad materiałów elementów obiektu.

3. Eksploatacyjne – uszkodzenia powstałe w wyniku nie przestrzegania obowiązują- cych zasad eksploatacji lub na skutek oddziaływań czynników zewnętrznych nie przewidzianych dla warunków użytkowania danego obiektu, co prowadzi do osła- bienia i przedwczesnego zużycia i osiągnięcia stanu granicznego.

4. Starzeniowe – towarzyszące eksploatacji obiektów i będące rezultatem nieodwra- calnych zmian, prowadzących do pogorszenia wytrzymałości i zdolności współdzia- łania poszczególnych elementów.

Typową postać przebiegu zmian intensywności uszkodzeń obiektów w czasie eks- ploatacji przedstawiono na poglądowo na rysunku 1.8.

Rys. 1.8. Przebieg intensywności uszkodzeń (λ) maszyny podczas eksploatacji Z wykresu przebiegu intensywności uszkodzeń wynika, że jest ona różna dla ko- lejnych etapów eksploatacji obiektów.

W okresie I (starzenia wstępnego) występuje znaczna intensywność uszkodzeń, powodowana ukrytymi wadami materiałowymi, błędami wytwarzania, szczególnie montażu oraz błędami w czasie transportu i podczas przechowywania. Duży wpływ na zmniejszenie intensywności uszkodzeń w tym okresie ma kontrola jakości, tak wstępna, międzyoperacyjna jak i ostateczna, a także odbiór techniczny i przegląd „zerowy” do- konywany często w imieniu producenta przez zaplecze techniczne.

Okres II (normalnej eksploatacji) charakteryzuje się obniżonym i w przybliżeniu ustabilizowanym poziomem intensywności uszkodzeń. W tym najdłuższym okresie eksploatacji uszkodzenia mają charakter nagły i zachodzą losowo.

W okresie III (katastroficzne narastanie uszkodzeń) stopniowo narasta intensyw- ność uszkodzeń, spowodowana sumowaniem się różnych przyczyn uszkodzeń oraz gwałtownym zużyciem elementów maszyny.

Najbardziej ogólny podział, ze względu na możliwości dalszego wykorzystania obiektu, obejmuje:

a) uszkodzenia częściowe, gdy obiekt przestaje wykonywać jedną lub kilka ze zbioru realizowanych funkcji, wykonując jednak nadal normalnie pozostałe;

b) uszkodzenia zupełne, gdy obiekt przestaje wykonywać wszystkie swoje funkcje.

Ze względu na losowe zmiany stanów fizycznych zachodzących w obiekcie, uszkodzenia można klasyfikować (rys. 1.9):

18

1. Według poziomu oddziaływania czynników eksploatacyjnych i zużyciowych na:

a) uszkodzenia przy dopuszczalnym poziomie czynników, uszkodzenia występujące w trakcie dopuszczalnego przebiegu zmian poziomów oddziaływania czynników, b) uszkodzenia przy niedopuszczalnym poziomie czynników, uszkodzenia wy-

stępujące na skutek przekroczenia dopuszczalnego poziomu oddziaływania czynników.

2. Według zakresu zmian na:

a) uszkodzenia nieodwracalne, uszkodzenia elementu wykluczające jakiekolwiek jego celowe zastosowanie,

b) uszkodzenia odwracalne, uszkodzenia elementu pozwalające na jego dalsze ce- lowe zastosowanie.

U S Z K O D Z E N IA

p o zio m c zy n n ik ó w za k re s zm ia n p ręd k o ść zm ia n zb ie żn o ś ć

d o p u sz cz a ln y p o z io m n ie o d w raca ln e sko k o w e prz yp a d k o w e

p rz ek ro czo n y p o z io m o d w ra ca ln e sto p n io w e s yste m aty cz n e

o d na w ia ln e

Rys. 1.9. Klasyfikacja uszkodzeń w aspekcie losowych oddziaływań procesów fizycznych 3. Według prędkości przebiegu zmian na:

a) uszkodzenia skokowe, uszkodzenia elementu następujące przy tak nagłej zmia- nie wartości przyjmowanej przez wielkości fizyczne (zanikanie własności), że nie da się dokładnie przewidzieć chwili uszkodzenia,

b) uszkodzenia stopniowe, uszkodzenia elementu następujące przy tak powolnej zmianie wielkości fizycznych, że istnieje możliwość przewidywania chwili uszkodzenia na określonym poziomie ufności.

Ze względu na współzależność elementów konstrukcyjnych maszyny uszkodzenia dzielą się następująco:

a) niezależne (pierwotne) – powstałe na skutek dowolnej przyczyny, z wyjątkiem jednak uszkodzenia innego elementu. Uszkodzenia pierwotne części są niezależne od miejsca zajmowanego w strukturze funkcjonalnej obiektu i jest rozumiane jako zdarzenie wywołane procesami fizykochemicznymi (starzeniowymi i zużyciowymi) zachodzącymi w danym elemencie lub parze kinematycznej;

b) zależne (wtórne) – powstałe na wskutek zaistnienia uszkodzenia innego elementu.

Powstają one jako skutek uszkodzenia pierwotnego.

Awaria – jest szerszym pojęciem niż uszkodzenie i dotyczy uszkodzenia maszyny lub urządzenia ograniczającego lub uniemożliwiającego dalsze jego działanie. Awaria jest sta- nem bardzo niepożądanym, gdyż nawet niewielkie uszkodzenie inicjujące może rozwinąć się w ciąg uszkodzeń elementów, zespołów lub nawet całego kompleksu maszyn doprowa- dzając do katastrofy o dużym zasięgu zniszczeń z ofiarami w ludziach włącznie.

Odmienną, ale zarazem najczęstszą grupę stanowią uszkodzenia powstałe na sku- tek rozregulowania, na co trzeba zwracać szczególną uwagę. Uszkodzenia takie wcze- śnie rozpoznane zazwyczaj nie są groźne i dają się szybko usunąć za pomocą elemen- tów regulacyjnych, znajdujących się w obiekcie.

Logiczny opis struktury i ustalenie związków przyczynowo-skutkowych zachodzących między elementami obiektu lub między elementami a czynnikami wymuszającymi (co jest zadaniem diagnostyki) pozwala na klasyfikację rodzajów zdarzeń uszkodzeń – rysunek 1.10 – po zaistnieniu których obiekt może znaleźć się w stanie niezdatności.

Wyłączającymi się (niewyłączającymi się) uszkodzeniami nazywa się takie uszkodzenia różnych elementów lub tego samego elementu, że zaistnienie jednego z uszkodzeń wyklucza (nie wyklucza) zaistnienia innych uszkodzeń.

Rys. 1.10. Rodzaje uszkodzeń w aspekcie związków przyczynowo-skutkowych

Niezależnymi (zależnymi) uszkodzeniami maszyny nazywa się takie uszkodzenia, że jedno uszkodzenie wpływa (nie wpływa) na powstawanie innych.

Uszkodzeniami bezwarunkowymi (warunkowymi) nazywa się takie uszkodze- nia, że jedno z nich nie pociąga (pociąga) za sobą pojawienie się innych.

W procesie eksploatacji, wspomaganym metodami diagnostyki technicznej, biorąc pod uwagę charakter zmian wartości wymuszeń (obciążeń) działających na obiekt wy- różnia się:

a) uszkodzenia przypadkowe (nagłe), które powstają w wyniku działania bodźców skokowych powodujących przekroczenie ustalonych wartości dopuszczalnych pa- rametrów poprawnej pracy; uszkodzeń nagłych nie można przewidzieć na podstawie wyników wykonywanych obsługiwań technicznych, w tym i diagnostyki,

b) uszkodzenia zużyciowe (naturalne) będące wynikiem nieodwracalnych zmian właściwości początkowych obiektu, zachodzących podczas eksploatacji na skutek procesów starzenia i zużywania się; uszkodzenia zużyciowe powstają od bodźców, które kumulują się w czasie jego użytkowania i można je przewidywać mając wyni- ki systematycznych pomiarów diagnostycznych.

Zmniejszanie destrukcyjnego wpływu starzenia fizycznego i zużyć maszyn 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, kształtowa- nie optymalnej warstwy wierzchniej, wybór właściwej obróbki cieplnej i cieplno- chemicznej, prawidłowy montaż i regulacje,

20

• w dziedzinie eksploatacji – poprzez przestrzeganie częstotliwości i zakresu czyn- ności obsługowych (smarowanie, regulacje, ochrona przed korozją), unikanie prze- ciążeń i gwałtownych zmian prędkości, monitorowanie stanu.

Ogólnie więc metodyka przeciwdziałania uszkodzeniom maszyn pozwala wyróż- nić dwie grupy metod postępowania:

a) metody przed-eksploatacyjne, stosowane w fazie opracowywania (wartościowa- nia), konstruowania i produkcji maszyn, z wyraźnym zaznaczeniem, że są one naj- bardziej efektywne z punktu widzenia ekonomicznego,

b) metody eksploatacyjne, stosowane podczas eksploatacji nawet wówczas, gdy ta- kich metod nie przewidziano w procesie opracowywania.

Klasyfikacja przed eksploatacyjnych metod zapobiegania uszkodzeniom została przedstawiona na rysunku 1.11, a wynika ona z osiągnięć dynamiki maszyn, zmęczenia i wytrzymałości materiałów, bezpieczeństwa konstrukcji, starzenia i zużyć elementów, inżynierii materiałowej i diagnostyki technicznej.

Rys. 1.11. Przed-eksploatacyjne możliwości kształtowania jakości maszyn

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 kon- strukcyjnej podaje się również wymagania dotyczące trwałości materiału, rodzaju struk- tury geometrycznej powierzchni, a także niekiedy sposób obróbki elementu.

Przy projektowaniu maszyn należy pamiętać o tym, ażeby zmniejszyć do mini- mum niebezpieczeństwo wywołania uszkodzeń przez obsługę. Upraszczanie, typizacja i normalizacja części i układów mechanicznych prowadzi nie tylko do uzyskania wła- ściwej niezawodności, ale także obniża koszty i upraszcza konstrukcję.

Własności użytkowe maszyn nadawane są na etapie wytwarzania i dotyczą najczę- ściej kształtowania właściwości warstwy wierzchniej. Algorytm kształtowania poszcze- gólnych własności powierzchni elementu maszyny jest następujący:

– dobór rodzajów i wartości liczbowych własności użytkowych dla znanych parame- trów fizycznych, chemicznych i przewidywanych obciążeń,

– dobór wartości liczbowych poszczególnych cech warstwy wierzchniej dla założo- nych własności użytkowych,

– dobór takich sposobów obróbki zapewniających uzyskanie zakładanych cech war- stwy wierzchniej oraz dobór parametrów przewidywanych zabiegów obróbczych, – wybór sposobu obróbki, zapewniającego najniższe koszty wytwarzania oraz możli-

wego do zrealizowania w zakładzie przemysłowym przewidzianym do wytwarzania elementów,

– badania jakościowe zespołu wytwarzanego według przyjętej technologii,

– korygowanie wartości liczbowych własności użytkowych (rezultat badań) i projek- towanie procesu technologicznego według punktów 2–5.

Do eksploatacyjnych metod przeciwdziałania uszkodzeniom (rys. 1.12) można za- liczyć:

a) racjonalną eksploatację maszyn w zadanych warunkach i określonym przeznaczeniu, b) badanie stanu i rozwijających się uszkodzeń przy pomocy diagnostyki technicznej, c) przestrzeganie wymagań określonych w dokumentacji ruchowej w zakresie często-

tliwości i zakresu czynności obsługiwań technicznych,

d) badania statystyczne uszkodzeń w eksploatacji dla potrzeb modernizacji (zmiany konstrukcji) maszyn, racjonalizacji gospodarki częściami zamiennymi itp.

EKSPLOATACYJNE

SPOSOBY PRZECIWDZIAłANIA USZKODZENIOM

stabilizacja warunków użytkowania optymalizacja obciążeń

warunki eksploatacji

stabilizacja cieplna

monitorowanie i badania stanu diagnostyka techniczna

prognozowanie uszkodzeń regeneracja

stosowany nadmiar

wykorzystanie nadmiaru eksploatacyjnego modernizacja eksploatacji

Rys. 1.12. Eksploatacyjne możliwości kształtowania uszkodzeń

W przedstawionych przedsięwzięciach wiedza merytoryczna, sumienność i staran- ność, umiejętności i doświadczenie, a także właściwa organizacja prac odgrywają decy- dującą rolę dla zachowania dużej niezawodności maszyn w eksploatacji.

Pogarszające się własności maszyny w czasie są wynikiem:

a) niedotrzymania wymaganych wartości własności początkowych obiektu,

22

b) przekroczenia przez czynniki wymuszające wartości, na które obiekt był projektowany, c) przekroczenia stanów granicznych, na skutek procesów starzeniowych i zużycia.

Niewłaściwa eksploatacja powoduje intensywne oddziaływanie procesów zużycia, prowadzących do przedwczesnych uszkodzeń (rys. 1.13) elementów, zespołów, a w konsekwencji całych maszyn lub systemów technicznych. 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. Rozwój uszkodzeń maszyny w toku eksploatacji jest nieuchronny i użytkownik może sterować jakością utrzymania stanu zdatności, aby nie dopuścić do degradacji przedwczesnej (B), a zadbać o normalny przebieg zużycia potencjału (A) użytkowego maszyny.

R(t) 1

B A

Ɵ Stan wyjściowy Stan eksploatacyjny

Rys. 1.13. Krzywe degradacji stanu maszyny

Oceny stanu zaawansowania stopnia degradacji maszyny prowadzone są według procedur badania stanu metodami diagnostyki technicznej, przy czym ostatnio do opisu stopnia degradacji często używany jest potencjał użytkowy.

Potencjał użytkowy zapewnia zdolność danej maszyny do użytkowania, czyli do zastosowania w dowolnej chwili zgodnie z przeznaczeniem, do którego została ona przy- sposobiona w fazie projektowania i wytwarzania. W czasie działania maszyny potencjał ten ulega zużyciu i wobec tego musi być on odnawiany. Wobec tego trzeba brać także pod uwagę potencjał obsługowy maszyny, który charakteryzuje jej potrzeby w zakresie ob- sługiwania i ma doprowadzić do odnowy potencjału użytkowego zużytego podczas dzia- łania maszyny. Istnieje zatem konieczność dokonania opisu zmian tych potencjałów, które rozpatrywane łącznie charakteryzują potencjał eksploatacyjny maszyny.

Opis zmian potencjału użytkowego maszyny wymaga uwzględnienia również (choćby tylko w formie ogólnej) jej potencjału obsługowego. Wynika to z konieczności uwzględnienia specyfiki systemu eksploatacji maszyn przy opisie ich potencjału użyt- kowego, co szczegółowo omówiono w książce [50].

1.3. DIAGNOZOWANIE STANU MASZYN

Potrzeba stosowania diagnostyki znajduje swoje uzasadnienie w modelu destrukcji obiektu, uwzględniającego związek zaawansowania zużycia proporcjonalny do energii dyssypacji, wiążący się z czasem istnienia obiektu, poziomem konstrukcji, nowoczesności technologii wytwarzania, intensywności użytkowania oraz jakości obsługiwań technicznych.

Diagnostyka techniczna to zorganizowany zbiór metod i środków do oceny stanu technicznego (jego przyczyn, ewolucji i konsekwencji) systemów technicznych.

W większości przypadków są to systemy działaniowe, celowo zaprojektowane dla wy- konania określonej misji, generujące lub transformujące informacje, które są wykorzy- stywane do oceny ich stanu technicznego [40].

Termin "diagnostyka" pochodzi z języka greckiego, gdzie diagnosis – oznacza rozpoznanie, rozróżnianie, osądzanie, a diagnostike techne – sztuka rozróżniania, sztuka stawiania diagnozy. Ukształtowana już w obrębie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy diagnostyka techniczna – zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn po- przez badanie własności procesów roboczych i towarzyszących pracy maszyny, a także poprzez badanie własności wytworów maszyny.

Istota diagnostyki technicznej polega na określaniu stanu maszyny (zespołu, podze- społu, elementu) w sposób pośredni, bez demontażu, opierając się na pomiarach genero- wanych sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównaniu ich z wartościami nomi- nalnymi. Wartość sygnału (symptomu) diagnostycznego musi być związana znaną zależnością z diagnozowaną cechą stanu maszyn, charakteryzującą jego stan techniczny.

Do podstawowych zadań diagnostyki technicznej należy zaliczyć:

• badanie, identyfikacja i klasyfikacja rozwijających się uszkodzeń oraz ich sympto- mów, (symptom – to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału),

• opracowanie metod i środków do badania i selekcji sygnałów diagnostycznych,

• wypracowanie decyzji o stanie i wynikających z niego możliwości wykorzystywania maszyny lub rodzaju i zakresie koniecznych czynności profilaktycznych.

W badaniach diagnostycznych rozróżnia się następujące fazy badania:

• kontrolę stanu maszyny,

• ocenę stanu i jego konsekwencje,

• lokalizację uszkodzeń powstałych w maszynie,

• poszukiwanie przyczyn zaistniałych uszkodzeń,

• wnioskowanie o przyszłych stanach maszyny.

Zadania te realizowane są w następujących formach działania diagnostycznego:

• diagnozowanie – jako proces określania stanu maszyny w chwili badania,

• genezowanie – jako proces odtwarzania historii życia maszyny i poszukiwania przyczyny zaistniałego stanu,

• prognozowanie – jako proces określania przyszłych stanów maszyny.

Przedstawione formy działania diagnostycznego realizowane są w czasie ciągłej lub dyskretnej obserwacji maszyn.

Efektywne wykorzystanie diagnostyki jest uwarunkowane rozwojem:

a) narzędzi badania procesów uszkodzeń,

b) modelowania diagnostycznego, (strukturalnego, symptomowego), c) metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,

d) podatności diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty), e) budowy ekonomicznych i dokładnych środków diagnozy, f) metodologii projektowania i wdrażania diagnostyki technicznej, g) metod sztucznej inteligencji w diagnostyce,

h) projektowania systemów samodiagnozujących.

Pełna realizacja tych zadań sprawi, że diagnostyka wypełni swoją funkcję tworząc narzędzia kształtowania jakości maszyn na wszystkich etapach ich istnienia, co syntetycznie przedstawiono na rysunku 1.14.

24

procesy robocze zakłócenia * monitorowanie parametrów procesu MASZYNA * badania sprawnościowe STATYKA I DYNAMIKA energia użyteczna (wytwór)

energia

sterowanie X(t, Θ, r) destrukcyjne rozpro- badania wytworu sprzężenie szona

STAN TECHNICZNY procesy tribowibroakustyczne procesy resztkowe zwrotne - drgania, hałas,

- pulsacja ciśnienia, zasilanie - procesy cieplne, (energia, materiał) - produkty zużycia, - procesy elektromagnet., - ultradźwięki, - inne.

Rys. 1.14. Maszyna jako system przetwarzania energii i jej możliwości diagnozowania Możliwości diagnozowania można ująć w trzy podstawowe grupy, objaśniające sens postępowania badawczego w zakresie oceny jakości stanu lub wytworu.

Pierwsza z nich to diagnostyka przez obserwację procesów roboczych, monitoru- jąc ich parametry w sposób ciągły czy też na specjalnych stanowiskach prowadząc badania sprawnościowe maszyn (moc, moment, prędkość, ciśnienie itp.). Przed tym rodzajem badań diagnostycznych otwarta jest przyszłość z racji coraz częściej wprowa- dzanych do maszyn sensorów mechatronicznych, mikroprocesorów itp.

Drugi sposób diagnozowania maszyn ujmuje badania jakości wytworów, zgodno- ści wymiarów, pasowań, połączeń itp., gdyż ogólnie „tym lepszy stan techniczny ma- szyny, im lepsza jakość produkcji”.

Trzecia możliwość diagnozowania to obserwacja procesów resztkowych, wyko- rzystująca różne procesy fizykochemiczne, zawarte w procesach wyjściowych z funk- cjonującej maszyny i będące źródłem wielu atrakcyjnych metod diagnozowania ma- szyn. Warto w tym miejscu w uproszczony sposób pokazać ogólną istotę diagnozo- wania maszyn, zakładającą poszukiwania związków pomiędzy stanem maszyny Xn a generowanymi sygnałami diagnostycznymi Sm, z pominięciem dla prostoty rozważań innych oddziaływań zewnętrznych (rys. 1.15).

X S

u s z k o d zen i a

A ( X , S )

n m

m ≥ n

Rys. 1.15. Obserwacja stanu maszyny X za pomocą symptomów S

W tablicy obserwacji badania zmian stanu (rys. 1.16) z jednej strony mamy zestaw możliwych uszkodzeń (n), reprezentowanych przez cechy stanu odwzorowujące rozwi- jające się uszkodzenia. Z drugiej zaś z pomiarów otrzymujemy zestaw symptomów (Sm), charakterystyczny dla stanu rozwoju uszkodzeń w chwili pomiaru symptomów.

Jak widać z rysunku o jednym uszkodzeniu może informować wiele symptomów, przy

czym rozwiązanie problemu diagnostycznego wymaga spełnienia warunku: m ≥ n.

Operator A, wiążący cechy stanu obiektu X i jego symptomy S po zidentyfikowaniu, pozwala na bazie pomierzonych symptomów S wnioskować o stanie X.

Symptomy

Cechy Sm Wartości mierzonych symptomów stanu

obiektu Xn C K I Psk ... F0 ... Hv ... m

1. Bicie 2. Luz 3. Zacisk

... Symptomy diagnostyczne ... w dziedzinie czasu, amplitud, częstotliwości.

... ( wymiarowe, bezwymiarowe ) n. Ilość pracy

Rys. 1.16. Tablica obserwacji symptomów Sm dla wybranych cech stanu obiektu Xn Problemy diagnostyki maszyn obejmują zagadnienia:

a) pozyskiwania i przetwarzanie informacji diagnostycznej, b) budowy modeli i relacji diagnostycznych,

c) wnioskowania diagnostycznego i wyznaczania wartości granicznych, d) klasyfikacji stanów maszyny,

e) przewidywania czasu kolejnego diagnozowania, f) obrazowania informacji decyzyjnych.

Kształtowanie i ocena jakości maszyn metodami diagnostyki technicznej wiąże się ściśle z koniecznością utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech użytkowych w okre- ślonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniające wymogi reprezentatywnych dla stanu obiektu, winny być określone już na etapie wartościowania i konstruowania, a wery- fikowane podczas wytwarzania i eksploatacji. Dokonania diagnostyki technicznej umożli- wiają budowę i wdrażanie diagnostycznych systemów eksploatacji maszyny (DSEM), gdzie badania stanu są podstawą podejmowanych decyzji eksploatacyjnych – rysunek 1.17.

Rys. 1.17. Diagnostyczne sterowanie systemem eksploatacji maszyn

26

Najbardziej ogólnie rozumiana inżynieria diagnostyki technicznej obejmuje zatem swym zakresem całokształt działań, związanych z:

a) obserwacją diagnostyczną obiektów,

b) przetwarzaniem danych zgromadzonych w procesie obserwacji diagnostycznej w celu uzyskania danych wejściowych do procesu wnioskowania diagnostycznego, c) prowadzeniem różnorodnych eksperymentów numerycznych wspierających wnio-

skowanie diagnostyczne,

d) prewencją diagnostyczną, której wynikami mogą być plany odpowiednich działań przywracających pełną użyteczność diagnozowanym obiektom oraz inne działania o charakterze naprawczym i korygującym (np. plany szkoleń personelu, moderniza- cja użytkowanych maszyn i technologii itp.),

e) udostępnianiem wyników badania diagnostycznego odpowiedniemu gronu adresa- tów, a zwłaszcza osobom zarządzającym eksploatacją danej grupy środków tech- nicznych.

Czynnikiem, który łączy wszystkie te kroki w jedną całość są nowoczesne techno- logie informatyczne. Najnowsze problemy inżynierii diagnostyki prężnie rozwijane obejmują:

a) nowoczesne metody przetwarzania sygnałów, b) wielowymiarową diagnostykę maszyn, c) analizy numeryczne i metody synchroniczne, d) diagnostykę energetyczną,

e) diagnostykę przez identyfikację, f) diagnostykę wg modelu,

g) elementy sztucznej inteligencji w diagnostyce,

h) nowoczesne technologie informatyczne w diagnostyce, i) projektowanie komputerowych systemów diagnostycznych, j) inteligentny agent diagnostyczny.

Wiele z przedstawionych problemów kształtujących dziedzinę inżynierii diagno- styki, a szczególnie wybrane opracowane procedury badania degradacji maszyn zostało szczegółowo omówione w dalszych rozdziałach książki.

1.4. MIARY I SYMPTOMY STANU

Ocena stanu dynamicznego maszyn za pomocą generowanych przez nie procesów fizycznych wymaga jednoznacznego skojarzenia parametrów funkcjonalnych oceniane- go obiektu ze zbiorem miar i ocen procesów wyjściowych wykorzystywanych w dia- gnostyce, co stanowi podstawę budowanych procedur diagnostyki maszyn.

Chcąc w pełni skorzystać z informacji o stanie technicznym maszyny zawartych w emitowanych procesach wyjściowych, należy najpierw zapoznać się z mechanizmem ich generacji oraz z ich charakterem.

Podczas pracy maszyn, na skutek istnienia szeregu czynników zewnętrznych (wymu- szenia środowiska, od innych maszyn) oraz wewnętrznych (starzenie, zużycia, współpraca elementów) w maszynie następują zaburzenia stanów równowagi, które rozchodzą się w ośrodku sprężystym – materiale, z którego zbudowana jest maszyna. Zaburzenia mają charakter dynamiczny i zachowują warunki równowagi pomiędzy stanem bezwładności, sprężystości, tłumienia i wymuszenia. Zaburzenia rozchodzą się od źródeł w postaci fal w sposób zależny od własności fizycznych oraz granic konfiguracji, wymiarów i kształtów

maszyny. Powoduje to w konsekwencji rozpraszanie energii fal, ich ugięcia, odbicia i wza- jemne nakładanie się. Istnienie źródeł i rozprzestrzenianie się zaburzeń powoduje wystę- powanie drgań elementów maszyny i otaczającego je środowiska.

Zależnie od źródeł i warunków propagacji wyjściowe procesy dynamiczne od- zwierciedlają w praktyce wiele istotnych własności konstrukcyjnych, wykonawczych i montażowych elementów i par kinematycznych maszyny oraz warunki jej funkcjono- wania we współpracy z innymi urządzeniami w systemie produkcyjnym.

Procesy tarcia i zużycia towarzyszą nieodłącznie procesowi użytkowania maszyn, zakłócając, a w konsekwencji uniemożliwiając wykorzystanie maszyny. Współczynnik tarcia, siła lub moment tarcia charakteryzują własności maszyny związane ze stanem powierzchni (mikro-nierówności, falistość), jakością obróbki cieplnej tych powierzchni (ziarnistość, stan struktury), stanem obróbki plastycznej (zgniot, nagniatanie, pneumo- kulowanie), stanem środowiska (warunki smarowania, aktywność chemiczna, tempera- tura), stanem obciążeń (wartość, charakter) itd. Zagadnienia dotyczące zużycia po- wierzchniowego, konstytuowania własności warstwy wierzchniej oraz wyznaczania warunków jej pracy, w świetle generowania informacji diagnostycznej, nabierają zna- czenia pierwszoplanowych poczynań.

Procesy termodynamiczne jako główne w wielu maszynach (np. silniki spalinowe, turbiny cieplne) są źródłem wielu skomplikowanych w opisie procesów dynamicznych, kształtujących procesy wyjściowe wykorzystywane w diagnostyce. Ich wpływ na wa- runki smarowania, chłodzenia, kształtowanie zużywania się warstwy wierzchniej, jak i często dominujący charakter procesów cieplnych (spalanie w silniku spalinowym) wyznaczają znaczącą ich rolę w kształtowaniu procesów wyjściowych.

Inne procesy (elektryczne, magnetyczne, objętościowe), których opis i wykorzystanie w diagnostyce jest jeszcze niewielkie są źródłem wielu obciążeń dynamicznych znajdują- cych swoje odzwierciedlenie w analizie i opisie zmiennych stanów dynamicznych maszyny.

Wyodrębniając w analizie stanu dynamicznego maszyny procesy wejściowe, strukturę i procesy wyjściowe, należy pamiętać o ich losowym charakterze. Wejście wewnętrzne, traktowane jako zbiór wielkości wymuszających określających strukturę maszyny (kształt, jakość wykonania, luzy itd.) i sposób współpracy elementów jest kształtowane w warunkach losowych podczas wytwarzania i ujawnia się tymi własno- ściami losowymi podczas funkcjonowania. Wejście zewnętrzne, określające warunki współpracy maszyny z innymi elementami systemu produkcyjnego (zmiany obciążeń, prędkości, wpływ środowiska) ma w praktyce również charakter losowy.

Charakter tych wymuszeń oraz sposób, w jaki przebiegają procesy przez nie gene- rowane stanowią z reguły o własnościach losowych wykorzystywanych w diagnostyce procesów wyjściowych, prowadząc do budowy deterministyczno-probabilistycznych modeli diagnostycznych. Składowa deterministyczna modelu reprezentuje idealną struk- turę i sposób działania maszyny, niezbędne do realizacji zadania i pozostaje niezmienna w czasie funkcjonowania. Składowa probabilistyczna reprezentuje indeterminizm po- wstały w wyniku istniejących odchyłek od ideału, na skutek losowości struktury i zda- rzeń podczas funkcjonowania.

Bogactwo możliwości losowości i istnienia zakłóceń jest przyczyną dodatkowych założeń dotyczących wejść oraz zachodzących transformacji stanów maszyny. Dotyczą one założeń o liniowości, stacjonarności i ergodyczności obiektów i procesów [8,40].

Zależnie od źródeł i warunków rozprzestrzeniania się zaburzeń wyjściowe procesy dynamiczne odzwierciedlają wiele istotnych własności konstrukcyjnych, wykonawczych i montażowych par kinematycznych i elementów maszyny. Wyodrębniając w analizie