V. ELEMENTY METODYKI PROJEKTOWANIA MASZYN 5.1. ZAKRES PROBLEMATYKI

…ważniejsza od rzeczywistości – jest wizja tej rzeczywistości…

V. ELEMENTY METODYKI PROJEKTOWANIA MASZYN

5.1. ZAKRES PROBLEMATYKI

Wytyczne do projektowania, konstrukcji i wytwarzania maszyn płyną głównie z planowanego sposobu realizacji zadania, które ma ona wykonywać w zaprojektowanym cyklu życia (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 strony należy dostosować konstrukcję i sposób wykonania maszyny do struktury systemu produkcyjnego i sposobu eksploatacji, który wynika z wybranego sposobu realizacji zadania.

Ujawnia się tu zatem nadrzędne stanowisko eksploatacji maszyny w systemie cyklu życia w stosunku do projektowania i wytwarzania maszyny. Można powiedzieć, że eksploatacja niejako determinuje strukturę maszyny oraz procesy główne w niej zachodzące podczas pracy.

Unia Europejska wprowadziła koncepcję zapewnienia bezpieczeństwa i ochrony zdrowia związanego z maszynami i innymi wyrobami opartą na wzajemnym współdziałaniu projektantów i producentów z eksploatatorami [58]. Główne tezy tej koncepcji odniesione do projektowania i produkcji dotyczą m.in. obowiązkowego przestrzeganie wymagań zasadniczych dość ogólne ujętych w dyrektywach nowego podejścia. Uszczegółowione zostały one w normach zharmonizowanych z tymi dyrektywami, co daje możliwość przeprowadzania oceny ryzyka, jako podstawy do projektowania i wytwarzania maszyn zapewniających możliwie najwyższy poziom bezpieczeństwa.

Przedstawione uwarunkowania uzasadniają potrzebę projektowania eksploatacji maszyn, którego elementy zamieszczono w tym rozdziale. Tematyka szczegółowa obszaru wiedzy związanej z oczekiwaniami użytkowników, a która winna być zrealizowana podczas projektowania eksploatacji maszyn, została szeroko omówiona w pozycjach [100-111].

Stanowią one wymiernych efektach i dokonaniach zespołu badawczego projektu POIG WND-POIG.01.03.01-00-212/09, przy czym w tym miejscu dokonano jej scalenia i uporządkowania - dla potrzeb przesłanek merytorycznych projektowania eksploatacji.

Problematyka projektowania eksploatacji maszyn omówiona w tym rozdziale obejmuje następujące zagadnienia:

 właściwości eksploatacyjne maszyn,

 cykle życia maszyny,

 metodologia projektowania,

 zmiany potencjału użytkowego maszyny,

 ewolucja stanu - pętla jakości maszyny,

 projektowanie właściwości eksploatacyjnych,

 holistyczne projektowanie maszyny,

 metodyka kształtowania zdatności maszyny,

 rozpoznawanie stanu maszyny,

 zarządzanie w eksploatacji maszyn.

Przytoczone skrótowo powyżej treści główne potrzeb projektowania, motywujące potrzebę i rozwój problematyki bezpiecznej eksploatacji maszyn, stanowią zręby koncepcji przedstawionej w tym rozdziale. Zostały one w dalszej części opracowania metodycznie ułożone i szczegółowo opracowane, tworząc spójny obraz zagadnień składających się na nową dziedzinę wiedzy, jaką jest uznana już potrzeba projektowania eksploatacji maszyn.

Treści tego rozdziału wskazują też problemy główne do podjęcia w najbliższym czasie przez grono społeczności eksploatacyjnej maszyn, wśród których dominującą rolę należy przypisać powiązaniom teorii projektowania i konstruowania z praktyką eksploatacji [64].

Przedstawione treści są próbą zgromadzenia i wyjaśnienia w możliwie prosty sposób pewnej liczby zasad, metod i wytycznych postępowania - w obszarze projektowania racjonalnej i bezpiecznej eksploatacji maszyn (rys.5.1) - o wartości uznanej przez wielu badaczy. W pewnym więc sensie rozdział ten traktuje o metodyce projektowania i badań jego jakości, jakkolwiek nie z przyjętego zazwyczaj filozoficznego punktu widzenia. Chodziło tu raczej o cel praktyczny, mogący ułatwić poznanie tego, co inni już przez wiele lat doświadczali.

Rys.5.1. Wspomaganie procesu projektowania i badania degradacji stanu

Żadna książka nie może jednak w całości zastąpić doświadczenia, lecz niemało wiedzy zdobytej na żmudnej drodze dociekań można przekazać innym za pośrednictwem zadrukowanej kartki papieru. Ponieważ rozdział ten obejmuje całą problematykę eksploatacji maszyn (od projektu, przez konstrukcję, wytwarzanie i eksploatację, aż do likwidacji) w ujęciu metodologii ogólnej, zawiera więc wiele podstawowych tematów, przez co niektóre z nich nie są bo i nie mogą często jeszcze być omówione wyczerpująco. Niemal każdy punkt należałoby właściwie opatrzyć uwagą: ”punkt ten ma na celu wprowadzenie Czytelnika w temat, któremu już poświęcono całe księgi”. To uzasadnia fakt, że na końcu opracowania w rozdziale Literatura znajdzie Czytelnik bibliografię, umożliwiającą późniejsze zgłębienie zagadnienia. Bibliografia nie jest podana z punktu widzenia rozwoju poszczególnych zagadnień, a także często przytaczane są raczej opracowania wtórne niż źródłowe. Pilny Czytelnik zdoła z łatwością dotrzeć do prac źródłowych, jeśli tylko tego zapragnie.

Postęp w nauce jest wydarzeniem rzadko spotykanym i najczęściej jest on wynikiem długotrwałej i mozolnej pracy badawczej oraz szczęśliwej zgodności czasu, miejsca i osób.

Zasadnicze idee tego rozdziału książki odnajdują swoje początki w intelektualnej pożywce spotkań środowiska eksploatacyjnego, związanego z osobami bezimiennych tu twórców podwalin teorii eksploatacji i diagnostyki technicznej.

Wykraczanie poza oficjalnie przekazywane fakty i idee odbywające się na bazie respektowania jasności logiki i matematyki, modelowania i weryfikacji praktycznej proponowanych metod i środków projektowania oraz badania jakości maszyn, dały zręby dla powstania problematyki tego rozdziału. Zawartość merytoryczna i metodologiczna zagadnień tego rozdziału porządkuje możliwe i dostępne podejścia i formalizmy w kolejności ich występowania w szczegółowych zagadnieniach projektowania eksploatacji maszyn.

Tutaj dopiero widać całą złożoność strony naukowej całej dziedziny eksploatacji, gdzie niezbędna wiedza sięga tradycyjnie od projektowania i konstruowania, wytwarzania i eksploatacji, modelowania i estymacji parametrów, do teorii eksperymentu, teorii informacji i statystyki w ujęciu nowoczesnych technologii informatycznych.

Procesy destrukcji systemów technicznych wpływające na bezpieczeństwo ruchu wymuszają potrzebę nadzorowania zmian ich stanu technicznego [12,17,29,43,59,82,89].

Metody i środki nowoczesnej diagnostyki technicznej są narzędziem diagnozowania stanu systemów technicznych, co jest podstawą podejmowanych decyzji eksploatacyjnych [11,16,25,29,58,59,75,89,100,109].

Konfrontacja zmienionych wymagań i nowych możliwości wygenerowała nowe klasy problemów badawczych, zintensyfikowała inne, a równocześnie wiele kierunków prac badawczych stało się nieistotne bez możliwości aplikacyjnych, poprzez:

- dostęp do zaawansowanych technologii światowych;

- możliwości zakupu najnowszej generacji urządzeń badawczych;

- możliwości aplikacji informatycznych w obszarze hardware’u i software’u;

- dostęp do baz danych, rynku kapitałowego i możliwości powiązań kooperacyjnych.

To wszystko diametralnie zmienia poglądy i dokonania w obszarze racjonalnej eksploatacji, wykrywania i nadzorowania zmian stanu degradacji obiektów metodami diagnostyki technicznej, szczególnie w obszarze kształtowania bezpieczeństwa zadaniowego obiektów technicznych.

W praktyce w wyodrębnionym fragmencie rzeczywistości eksploatacyjnej powstają różnorodne problemy których rozwiązanie powinno nastąpić w obszarze teorii. W wyniku rozwiązania tych problemów otrzymujemy zasady postępowania w praktyce – rys.5.2.

Procesy eksploatacji

obiektów technicznych

Modele procesów eksploatacji

obiektów technicznych

problemy

zasady Obszar

teorii

Obszar problematyki eksploatacyjnej

Rys.5.2. Koncepcja modelowania rzeczywistości eksploatacyjnej W fazie eksploatacji obiektów zachodzą różne procesy, a w szczególności:

- użytkowania obiektów;

- zużycia obiektów;

- diagnozowania, genezowania i prognozowania stanów obiektów;

- obsługiwania obiektów;

- przetwarzania, przechowywania i przedstawiania informacji;

- zarządzania eksploatacją;

- inne.

Dobry projekt eksploatacji maszyny daje w praktyce przedsiębiorstw możliwość nadzorowania zmian stanu, lokalizacji uszkodzeń i minimalizacji skutków uszkodzeń i zagrożeń bezpieczeństwa ze strony eksploatowanych maszyn.

5.2. WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE MASZYN

Eksploatacja obiektów technicznych (maszyn) to „zespół celowych działań organizacyjno–technicznych i ekonomicznych ludzi z obiektami technicznymi oraz wzajemne relacje występujące między nimi od chwili przejęcia obiektu, do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, aż do jego likwidacji”.

Efektywne eksploatowanie systemów technicznych obejmuje racjonalne użytkowanie maszyn oraz obsługiwania techniczne, czyli wszelkie działania (przywracanie zdatności) realizowane w sytuacji utraty zdatności maszyny do poprawnego funkcjonowania. W obszarze tym mieści się zbiór zadań związanych z przeciwdziałaniem stanom niezdatności (obsługiwanie, diagnozowanie), usuwaniem ich skutków (naprawy), a także – koniecznością wymiany (i zagospodarowania) zużytych elementów maszynowych. Tak zdefiniowana eksploatacja (wspierana technikami informacyjnymi), ukierunkowana na optymalne wykorzystanie możliwości maszyn (elementy zarządzania) do realizacji działań określonych w procesie projektowania i konstruowania, stawia szczególne wymagania podmiotom racjonalnej ich eksploatacji i zarządzającym tym obszarem zadań.

Maszyna – to mechanizm lub zespół mechanizmów we wspólnym kadłubie, służący do wytworzenia energii lub wykonywania określonej pracy.

Maszyna – (w ujęciu cybernetycznym):

- sztuczne urządzenie przeznaczone do częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i intelektualnych człowieka;

- czarna skrzynka, w której przekształcana jest masa, energia, informacja w inne ich postacie.

Maszyna – to przetwornik energetyczny.

Maszyna – to celowy wytwór materialny człowieka służący do spełnienia określonej misji w zaprojektowanych warunkach.

Potocznie maszyna to: obiekt techniczny, urządzenie techniczne, narzędzie, przyrząd, aparatura, automat, mechanizm, agregat, instalacja, osprzęt itp. Cechy ogólne tak zdefiniowanych i użytkowanych oraz w różnych aspektach badanych i opisanych maszyn, zostały wcześniej przedstawione w pracach zespołu badawczego projektu POIG [100-111].

Właściwości eksploatacyjne obiektu są realizowane na różnych etapach jego istnienia – rys.5.3. Kształtowanie i ocena jakości maszyn metodami badania degradacji stanu wiąże się ściśle z koniecznością utrzymania na odpowiednim poziomie ich cech użytkowych w określonych warunkach eksploatacji. Cechy te, spełniające wymogi bezpieczeństwa i reprezentatywne dla stanu maszyn (zespołu, elementu), winny być zadane już na etapie wartościowania (potrzeby + środki finansowe), a doprecyzowane na etapie projektowania i konstruowania. Ich weryfikacja przydatności i skuteczności jest weryfikowana podczas wytwarzania i eksploatacji, metodami diagnostyki technicznej.

KSZTAŁTOWANIE JAKOŚCI MASZYN METODAMI DIAGNOSTYKI TECHNICZNEJ FAZY ISTNIENIA MASZYNY

WARTOŚCIOWANIE KONSTRUOWANIE WYTWARZANIE EKSPLOATACJA

Wybór metod Identyfikacja źródeł Ocena Ocena stanu i środków podwyższonej jakości technicznego diagnostyki dynamiczności wytworów maszyny-procesu

Rys.5.3. Etapy istnienia maszyny

Do wyróżnienia, oceny i podtrzymywania cech użytkowych wykorzystuje się:

- badania niezawodności w fazach: przedprodukcyjnej, produkcyjnej i poprodukcyjnej przy wykorzystaniu badań stanowiskowych, modelowania deterministycznego i stochastycznego czynników wymuszających, wspomagania komputerowego badań niezawodności;

- metodologię kształtowania „jakości” przez jakościowy system sterowania przedsiębiorstwem z uwzględnieniem kryteriów norm jakości EN serii 29 000;

- badania technologiczności obsługowej i naprawczej pojazdów, kształtowanie intensywności starzenia i zużywania się elementów, kształtowanie podatności oraz ocenę efektywności eksploatacji maszyn;

- możliwości diagnostyki technicznej, w tym konstruowanie diagnostyczne, ocenę jakości wytworów, diagnostykę eksploatacyjną, metody i środki diagnostyki technicznej, wspomaganie badań diagnostycznych techniką komputerową;

Powyższe grupy tematyczne stanowią obszar zainteresowań szerokiego grona społeczności eksploatacyjnej, przyczyniając się do rozwoju metod i metodologii kształtowania i podtrzymywania zdatności maszyn, coraz częściej przy wykorzystaniu badań diagnostycznych (rys.5.4).

GOSPODARKA MATERIAŁOWA BEZPIECZEŃSTWO PRACY (Konserwacyjna, naprawcza) NIEZAWODNOŚĆ PROCESÓW Materiały eksploatacyjne. TECHNOLOGICZNYCH.

OCHRONA ŚRODOWISKA DIAGNOSTYKA JAKOŚĆ WYTWORÓW NATURALNEGO. TECHNICZNA (reklamacje,kary,opusty cenowe)

STOPIEŃ WYKORZYSTANIA WIELKOŚĆ JEDNOSTKOWEGO MOCY PRODUKCYJNYCH ZUŻYCIA MASZYN

Rys.5.4. Możliwości diagnostyki w badaniu degradacji stanu

Diagnostyka techniczna, obok tribologii, niezawodności, teorii bezpieczeństwa i teorii eksploatacji jest jedną z podstawowych nauk o racjonalnej eksploatacji obiektów.

Ogół działań zmierzających do realizacji zbioru zaprojektowanych właściwości obiektu, przeprowadzanych na poszczególnych etapach cyklu życia, nazywa się procesem realizacji obiektu technicznego. Zbiór właściwości określających stopień spełniania wymagań użytkownika, nazywa się jakością. Wytyczne uzyskania określonej jakości zdefiniowano w normach ISO 9000-9004 jako zespół właściwości i charakterystyk liczbowych wyrobu lub usługi, które wpływają na ich zdolność do zaspokajania potrzeb ludzkich. To wszystko określa zakres działań projektowych w sferze racjonalnej eksploatacji maszyn.

W aspekcie praktycznego wykorzystania miar do oceny eksploatowania obiektów technicznych oraz realizowanych z ich udziałem procesów eksploatacyjnych, można wyróżnić kilka kluczowych obszarów zainteresowań, które obejmują [38,111]:

- stan techniczny - będący miarą możliwości użytkowania obiektu w określonym czasie, - niezawodność - opisująca gotowość obiektu do działania w ujęciu statystycznym, - jakość - opisująca zdolność obiektu do zaspokojenia przewidywanych potrzeb, - funkcjonalność - opisująca obiekt w sferze kontaktów z człowiekiem,

- efektywność - opisująca obiekty pod względem wydajności,

- obsługiwalność - opisująca podatność obiektu na wykonywanie czynności obsługowych, - diagnozowalność - opisująca podatność (przystosowanie) obiektu do badania stanu.

W ramach każdego obszaru można zlokalizować miary (wskaźniki), opisujące i oceniające wybrane aspekty eksploatacyjne obiektów technicznych, jak również funkcjonowania służb utrzymania ruchu.

Nowe maszyny powinny przede wszystkim posiadać odpowiednią jakość, którą rozumiemy jako ogół cech i właściwości decydujących o jej zdolności do zaspokojenia stwierdzonych lub przewidywanych potrzeb, które określają maszynę pod względem eksploatacyjnym (mechanicznym). Rozważamy tu poszczególne parametry opisujące

maszynę takie jak: moc, wydajność, zużycie paliwa, czas życia, czas poprawności i precyzja działania w systemie innych maszyn, stopień szkodliwego oddziaływania na środowisko i człowieka oraz nowoczesność rozwiązania konstrukcyjnego.

Niezawodność, czyli własność obiektu mówiąca o tym, czy pracuje on poprawnie (spełnia wszystkie powierzone mu funkcje i czynności) przez wymagany czas i w określonych warunkach eksploatacji (w danym zespole czynników wymuszających). Możemy tu wyróżnić poszczególne własności, opisujące stan maszyny: prawdopodobieństwo poprawnej pracy w określonym czasie, intensywność uszkodzeń, zużywanie się elementów w jednostce czasu, zmęczenie elementów i połączeń w jednostce czasu, złożoność konstrukcyjna maszyny, gotowość techniczna maszyny w czasie.

Efektywność to charakterystyka maszyna opisująca ją pod względem ekonomicznym.

Można tu wymienić parametry: koszty wyprodukowania jednostki wytworu przez maszynę, koszt obsługiwania maszyny, pobór energii, sprawność maszyny, podatność eksploatacyjna maszyny, szybkość działania maszyny.

Funkcjonalność to charakterystyka maszyny opisująca ją pod względem prakseologicznym, traktowana jako zespół własności opisujących maszynę w sferze kontaktów z człowiekiem. Są to takie parametry jak: własności ergonomiczne, łatwość sterowania, estetyka maszyny, naprawialność maszyny, łatwość transportu, podatność obsługowa maszyny.

W praktyce miary te powinny stanowić skuteczne narzędzie do:

- wartościowania charakterystycznych wielkości dla potrzeb ilościowej oceny obiektów technicznych i organizacji utrzymania ruchu,

- porównywania skuteczności działań pomiędzy poszczególnymi pionami przedsiębiorstwa w określonych interwałach czasowych,

- podejmowania działań doskonalących w oparciu o wyniki analiz z wykorzystaniem wartości pozyskanych miar.

W czterech fazach istnienia maszyn (wartościowanie, konstruowanie, wytwarzanie, eksploatacja) kształtują się cechy, które decydują jak dobra jest wytworzona maszyna. W zależności od potrzeb odbiorców i od problemu jakości projektowania technicznego tworzy się standard przyszłego urządzenia.

Współczesne narzędzia informatyczne pozwalają w szerokim zakresie na realizację zadań wynikających z przedstawionych różnorodnych, sformułowanych powyżej zadań inżynierskich. Jest to szczególnie istotne w takich przypadkach, w których realizacja zadania wymaga uwzględnienia wielu różnorodnych aspektów obejmujących swym zasięgiem, często nie powiązane ze sobą zagadnienia. Sytuacja taka jest bardzo charakterystyczna dla działań w obszarze utrzymania ruchu, a szczególnie w zakresie zarządzania tym obszarem zadań. W szczególności pozyskiwana i przetwarzana informacja jest w tym obszarze podstawą podejmowania optymalnych (pod względem czasu i zakresu) decyzji. Decyzje takie mogą być podejmowane tylko wtedy, gdy decydent dysponuje możliwie szerokim i pełnym zakresem informacji oraz modelami, metodami i narzędziami pozwalającymi na gromadzenie, przetwarzanie (realizację specyficznych analiz) oraz udostępnianie wiarygodnych danych stanowiących podstawę takich decyzji.

Projektowanie modelowe ocen elastycznych systemów maszynowych w technice wirtualnej wymaga podejścia obiektowego i wypracowania gotowych systemów technologicznych pozyskiwania i przetwarzania informacji diagnostycznej. Wymaga to projektowania obiektu technicznego i pozostałych bloków w miarę możliwości w taki sposób, aby powstała wzajemna korelacja funkcjonalna i strukturalna.

Całokształt przedsięwzięć, w wyniku których uzyskuje się możliwość użytkowania (eksploatowania) obiektu, może być rozpatrywany jako pewna logiczna sekwencja zadań i celów cząstkowych. Istnienie i funkcjonowanie zbioru środków technicznych w otoczeniu człowieka (czyli istnienie tzw. “technosfery”) jest uwarunkowane realizacją sekwencji przedsięwzięć szczegółowych, które rozpatrywane są wraz z odpowiednimi powiązaniami

“międzyzadaniowymi”. Sekwencja taka, zaprezentowana na rys.5.5 jest określana jako model procesu zaspokajania potrzeb.

BADANIA PROJEKTOWANIE KONSTRUOWANIE

Identyfikacja potrzeb i wymagań.

Studia. Koncepcja wyrobu.

Projekty: koncepcyjny, wstępny, JAKOŚĆ techniczny. Prototyp wytworu. PROJEKTOWA

Weryfikacja eksperymentalna Poprawianie modelu.

Technologia WYTWARZANIE produkcji

Uruchomienie produkcji JAKOŚĆ Seria informacyjna WYKONANIA

Produkcja Kontrola jakości

EKSPLOATACJA Obrót towarowy

JAKOŚĆ Użytkowanie

EKSPLOATACJI Obsługiwanie techniczne

JAKOŚĆ OGÓLNA (eksploatacyjna) WYTWORU

Rys.5.5. Model kształtowania jakości eksploatacyjnej maszyny Zgodnie z tym schematem wyróżnia się następujące etapy działań:

- rozpoznanie potrzeby istnienia określonego środka technicznego, w wyniku którego zostaje rozpoznana potrzeba w postaci odpowiedniej specyfikacji wymagań i zaleceń,

- projektowanie, na które składają się tworzenie koncepcji rozwiązania oraz optymalizacja, w wyniku czego określona zostaje koncepcja środka technicznego,

- konstruowanie, na które składa się dobór cech konstrukcyjnych (geometrycznych, materiałowych i dynamicznych), czego wynikiem jest konstrukcja (prototyp) i jej opis w postaci dokumentacji konstrukcyjnej,

- wytwarzanie, które polega na wytworzeniu środka technicznego w oparciu o opracowaną w poprzednim etapie dokumentację,

- eksploatacja, będąca efektem docelowym istnienia środka technicznego, w wyniku czego obiekt jest wykorzystywany do realizacji celu zgodnie z jego przeznaczeniem.

Przedstawiony powyżej zbiór etapów specyficznych działań jest często traktowany jako swoisty cykl "życia" obiektu technicznego, który pozwala na wyodrębnienie kluczowych obszarów i zadań w nich realizowanych. Jednym z głównych obszarów istnienia maszyny w ramach procesu zaspokojenia potrzeb jest eksploatacja systemów technicznych.

Analizując informacje wynikające z przedstawionego rysunku, można stwierdzić, że:

- eksploatacja jest etapem finalnym (docelowym) procesu zaspokajania potrzeb,

- etapy poprzedzające eksploatację pełnią ważną rolę "usługową" na rzecz eksploatacji,

- w wieloetapowym procesie istnienia maszyny etap eksploatacji jest weryfikacją końcową wszystkich poprzednich etapów,

- sprzężenie zwrotne pomiędzy eksploatacją a rozpoznaniem potrzeby stanowi źródło doświadczeń prowadzących do modyfikacji poprzednich lub stymulowania potrzeb tworzenia nowych środków technicznych;

- eksploatacja to:

 ogół zdarzeń, zjawisk, działań i procesów jakim podlega i w jakich uczestniczy dany obiekt techniczny od chwili zakończenia procesu jego wytwarzania, aż do likwidacji,

 zespół celowych działań organizacyjno - technicznych i ekonomicznych ludzi z urządzeniami technicznymi oraz wzajemne relacje występujące między nimi od chwili przejęcia urządzenia do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, aż do momentu jego utylizacji po likwidacji.

Uwzględniając powyższe uwarunkowania obszaru projektowania eksploatacji i utrzymania maszyn w zdatności (w ruchu), w celu pełnego zdefiniowania problemów eksploatacji należy rozpoznać zagadnienie degradacji stanu maszyn.

Starzeniem fizycznym nazywa się procesy fizyczne zachodzące wskutek wymuszeń wewnętrznych i zewnętrznych, powodujących nieodwracalne zmiany własności użytkowych maszyn. Procesy starzenia występują z chwilą zakończenia produkcji maszyny i zależą od szeregu czynników oraz oddziaływań zewnętrznych i wewnętrznych. Do czynników zewnętrznych zaliczyć można: wpływ atmosfery, naturalnego podłoża, współpracujących maszyn itp. Do czynników wewnętrznych należą: procesy mechaniczne, mechaniczno- fizyczne i mechaniczno-chemiczne, występujące w trakcie użytkowania, obsługiwania i przechowywania maszyny. Przedstawione czynniki powodują uszkodzenia starzeniowe, polegające na stopniowej utracie własności fizycznych wskutek destrukcyjnego oddziaływania środowiska oraz zmian zachodzącej w maszynie. Starzenie fizyczne maszyn zależy od:

a) czynników atmosferycznych (opady atmosferyczne i opary, ruch powietrza, zanieczyszczenia, pyły i gazy przemysłowe, aktywność chemiczna i wilgotność atmosfery, nagrzanie słoneczne i przemysłowe oraz ciśnienie barometryczne);

b) czynników naturalnego podłoża ziemskiego lub roboczego (pole magnetyczne, przyciąganie ziemskie, gęstość, spoistość podłoża, ukształtowanie warstwy wierzchniej podłoża, wilgotność i rodzaj gruntu, aktywność chemiczna podłoża, temperatura podłoża, ruch cieczy w zbiornikach wodnych).

Zużycie maszyny to trwałe niepożądane zmiany jej stanu, występujące podczas eksploatacji. Procesy zużyciowe maszyny związane są z przetwarzaniem energii w pracę mechaniczną i towarzyszącymi im siłami, którymi oddziaływują na siebie elementy maszyny.

W trakcie funkcjonowania maszyny w parach kinematycznych występują reakcje od przyłożonych sił, wynikające z nałożonych więzów geometrycznych i kinematycznych. W elementach par kinematycznych powstają zmienne naprężenia mechaniczne zależne od obciążenia, obrotów, jakości warstwy wierzchniej itp.

Jako podstawowe rodzaje zużycia wyróżnia się:

a) zużycie ścierne (bez i z warstwą ścierną, strumieniowo ścierne i w ośrodku sypkim);

b) zużycie adhezyjne (bez głębokiego wyrywania i z głębokim wyrywaniem);

c) zużycie plastyczne (w warstwie wierzchniej i w całej masie);

d) zużycie zmęczeniowe (normalne, pitting, spaling, fretting);

e) zużycie korozyjne (metali i niemetali);

f) zużycie erozyjne (hydroerozja, erozja gazowa, elektroerozja);

g) zużycie kawitacyjne (kawitacja przepływowa, kawitacja falowa);

h) zużycie cieplne (metali, niemetali).

Występujące w elementach maszyn rodzaje niszczenia są zależne od wielu czynników, 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.).

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 w toku eksploatacji (rys.5.6) mogą zachodzić w następujący sposób:

Rys.5.6. Rodzaje uszkodzeń

- wskutek powolnych, nieodwracalnych procesów starzeniowych i zużyciowych, zachodzących w maszynie;

- 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.

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.

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.

Zmniejszanie destrukcyjnego wpływu starzenia fizycznego i zużyć 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;

- 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 wymagań określonych w dokumentacji techniczno - ruchowej w zakresie częstotliwości i zakresu czynności obsługiwań technicznych;

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

Niewłaściwa eksploatacja powoduje intensywne oddziaływanie procesów zużyciowych, prowadzących do przedwczesnych uszkodzeń i zagrożeń bezpieczeństwa.

Proces postępowania z maszyną jest więc następujący:

a) w przypadku maszyny zdatnej: badanie stanu - wykonanie niezbędnie koniecznych zabiegów obsługowych - prognozowanie stanu - ustalenie terminu następnego badania;

b) w przypadku maszyny niezdatnej: badanie stanu - ustalenie niezdatności (rozregulowanie, uszkodzenie, wykonana praca do naprawy głównej lub likwidacji) - usunięcie uszkodzenia - ocena jakości wykonanej naprawy - wykonanie niezbędnych czynności obsługowych - prognozowanie - termin kolejnego diagnozowania.

Właściwości eksploatacyjne rozpoznane dla potrzeb projektowania eksploatacji maszyn powodują, że nowa maszyna musi spełniać szereg kryteriów, aby była funkcjonalna, bezpieczna, praktyczna przy zastosowaniu najnowocześniejszych technologii, przy użyciu jak najmniejszych kosztów.

5.3. METODOLOGIA PROJEKTOWANIA

Projekt – dotyczy pomysłu, zamiaru, planu, konstrukcji, modelu, szkicu.

Projekt – to zamierzony plan działania, postępowania; pomysł, plan, szkic jakiegoś przedsięwzięcia; dokument zawierający rysunki techniczne, obliczenia, opisy, kosztorysy związane z zamierzoną budową.

Projektowanie – to proces wyrażający się zbiorem czynności przebiegających w czasie i mających na celu sporządzenie niematerialnej wizji przyszłego obiektu.

Elementy składowe metodologii projektowania ujmują trzy aspekty:

 podmiot projektowania - osoba lub zespół ludzi, dobierani specjaliści lub wirtualne zespoły realizacyjne;

 przedmiot projektowania – obiekt, proces lub system do zaprojektowania zorientowane projektowo pod względem planowanych właściwości (niezawodności, ergonomia, podatność eksploatacyjna, naprawialność, diagnozowalność itp.);

 proces projektowania – uporządkowany ciąg czynności projektowych o charakterze twórczym, z uporządkowaniem logicznym i organizacyjnym dającym wytwór projektowania – według którego realizowany jest przedmiot projektowania.

Proces projektowania zaczyna się po zaistnieniu potrzeby i podjęciu decyzji o próbie jej zaspokojenia, a kończy się wypracowaniem szczegółowych i wiarygodnych informacji w jaki sposób i za pomocą jakich środków dana potrzeba może być zaspokojona – rys.5.7.

Rys.5.7. Procedura poszukiwania rozwiązań projektowych

Celami szczegółowymi projektowania jest określenie właściwości zaspokajających potrzeby użytkownika. Dla projektowanego obiektu technicznego mogą to być:

funkcjonalność, trwałość, niezawodność, sprawność, lekkość, taniość i dostępność materiałów, właściwy układ przenoszenia obciążenia, technologiczność wytwarzania, łatwość eksploatacji, ergonomiczność, bezpieczeństwo, diagnozowalność itp.

Łańcuch projektowania obejmuje: podmiot działania (projektant) oraz przedmiot działania (obiekt projektowania) i ciąg działań (pośrednik działania). Pośrednikiem działania są: metody projektowania oraz narzędzia właściwe (pomoce projektowe).

Metody projektowania (heurystyczne, racjonalne, algorytmiczne) dotyczą procedur projektowania, czyli sposobów działania prowadzących do rozwiązania zadania (rys.5.8).

Narzędzia właściwe to modele fizyczne i graficzne, katalogi, normy, książki, systemy komputerowe, które wspomagają pracę podmiotu projektowania.

Komputerowe systemy wspomagania (analizy) projektowanego obiektu zmieniły rutynową pracę projektantów i zmniejszyły czasochłonność procesu projektowania. Obecnie znacznie szybciej wykonuje się obliczenia, stosuje się bardziej złożone modele obliczeniowe, szybciej wykonuje się dokumentację techniczną, łatwiej nanosi się zmiany i modyfikacje.

Wirtualne projektowanie daje matematyczny zapis cech projektu, daje możliwości analizowania dynamiki, zmian przestrzennych, jest czytelniejszy w odbiorze i precyzyjny w opisie. Obecnie „komputerowe wspomaganie projektowania” obejmuje czynności zapisu, dobór cech konstrukcyjnych oraz opracowywanie dokumentacji projektowej.

Rys.5.8. Iteracyjne poszukiwania metody projektowania

Zarys struktury projektowanego obiektu może być zrealizowany w projektowaniu rutynowym, innowacyjnym lub kreatywnym, ale zgodnie z wymogami UE (Dyrektywa 98/37/WE z 1998r.). Wprowadzane systemy jakości (ISO 9000, TQM) wymagają udziału wielu specjalistów w procesie projektowania, a projektowanie współbieżne daje zmniejszenie kosztów, zapewnienie jakości i skrócenie czasu wprowadzania obiektu do eksploatacji oraz prowadzi do modułowych konstrukcji, o dużej podatności obsługowej i regulacyjnej.

Konstrukcja modułowa stanowi naturalną ewolucję złożonych systemów ze względu na wydajność, elastyczność, badania stanu i niezawodność. Uproszczenie konstrukcji, standaryzacja podzespołów, szybszy montaż kompletnej maszyny - to tylko niektóre z zalet konstrukcji modułowej. Dodatkowymi korzyściami, co jest szczególne istotne dla producentów maszyn, są skrócenie czasu wytwarzania maszyny i zmniejszenie ich kosztów.

Modułowość konstrukcji to jednak również wyzwania inżynierskie i konieczność nowego spojrzenia na konstrukcję maszyn, ich uruchamianie oraz użytkowanie. Dąży się do tego, aby tworzenie gotowych wyrobów mogło odbywać się poprzez ich budowę ze standardowych modułów, które mogą być łączone ze sobą na różne sposoby. Rozwiązanie takie jest dla producenta korzystniejsze, niż konstruowanie jednej dużej maszyny, której konfiguracja musi być zmieniona pod kątem każdego indywidualnego zamówienia.

Wprowadzenie do modułów interfejsów komunikacyjnych przyczynia się do zredukowania ilości okablowania, co ułatwia serwisowanie urządzenia. Również w przypadku modyfikacji maszyny zmiany w poszczególnych jej modułach mogą zostać wprowadzone w czasie krótszym, niż miałoby to miejsce w przypadku maszyny zbudowanej klasycznie.

Konstrukcja modułowa to także wyzwanie dla projektantów. Moduły powinny być tak opracowane, aby można je zaadoptować do dowolnej architektury budowanej maszyny.

Modułowość konstrukcyjna to także ułatwiona rozbudowa danego modułu. W eksploatacji modułowość to szybka lokalizacja uszkodzeń modułów, łatwa ich wymiana i ułatwiony nadzór zmian stanu podczas degradacji obiektów.

Projektowanie eksploatacji maszyn dotyka dwóch rozdzielnych obszarów:

- projektowania maszyn;

- eksploatacji maszyn.

Projektowanie maszyn posiada wieloletnią już tradycję, gdzie istnieje wiele opracowań literaturowych ujmujących zagadnienia: metodologii projektowania, komputerowego wspomagania projektowania, projektowania współbieżnego, opisu metod i badań dynamiki konstruowanych obiektów.

Eksploatacja maszyn podobnie ma już wiele opracowań i książek omawiających niezawodność, bezpieczeństwo, ergonomię, badania stanu degradacji oraz strategie eksploatacji.

W tym rozdziale podjęto się próby opracowania problemu zawierającego połączenie wskazanych, odrębnie jeszcze często traktowanych zagadnień, formułując zręby:

projektowania eksploatacji maszyn. Obejmuje ono zagadnienia wieloaspektowego kształtowania nowej maszyny, badania procesu jej degradacji w czasie, doboru strategii eksploatacji i systemy informacyjne wspomagające projektowanie. Ujęto tu też zagadnienia badania właściwości eksploatacyjnych, metody ich opisu i analizy, strategie eksploatacji i narzędzia ich opisu oraz wskazania dla projektowania utrzymania maszyn w ruchu.

Projektowanie eksploatacji maszyn w tym ujęciu, stanowi odwrócenie ważności etapów w cyklu życia maszyny, gdzie dla potrzeb zaprojektowania eksploatacji już na etapie pierwszym cyklu życia projektuje się finalny aspekt przedmiotu eksploatacji, dla spełnienia zakładanych właściwości obiektu w użytkowaniu.

Obiekt techniczny, operator (decydent) i relacje środowiskowe między tymi elementami tworzą system antropotechniczny. W fazie projektowania i konstruowania obiektu należy wykonać analizę strukturalną takiego systemu, dokonać dekompozycji i skupić się na elementach i zadaniach ważnych, krytycznych. Przyjmowane kryteria w projektowaniu eksploatacji maszyny to: trwałość i niezawodność, degradacja stanu zdatności, koszty eksploatacji, efektywność eksploatacji ii. To one stanowią podstawowe wyróżniki eksploatacji złożonych obiektów technicznych, odwzorowujących realizacje wielu różnorodnych funkcji, mnogości procesów roboczych, we współbieżnym przebiegu procesów użytkowania i obsługiwania.

Wymagania użytkowników dla projektowanych maszyn i systemu ich eksploatacji obejmują różne preferencje, ale do głównych są zaliczane:

- prostota maszyn (proste maszyny do pojedynczych zadań, krótko używane);

- ergonomia maszyn (zadaniowa, stanowiskowa, personalna);

- łatwy montaż, dostęp, demontaż;

- bezpieczeństwo pracy i obsługi;

- duża trwałość i niezawodność;

- zaimplementowane konstrukcyjnie metody i środki oceny stanu degradacji maszyn;

- dostępność procedur utrzymania zdatności (metody, wartości graniczne) podane w DTR;

- wymagania środowiskowe, BHP, czas eksploatacji (wg norm);

- łatwość serwisu, obsługi (zalecane przeglądy);

- szkolenia pracowników u producenta.

Systemowe podejście do procesów zachodzących w technosferze kładzie nacisk na szeroko rozumiane bezpieczeństwo i efektywność. Bezpieczeństwo to cecha zdolności systemu do minimalizacji zagrożeń zdrowia i życia ludzkiego, zagrożeń środowiska biologicznego i technicznego oraz zagrożeń wartości ekonomicznych, w tym i jakości.

Efektywna minimalizacja tych zagrożeń, czyli wzrost bezpieczeństwa, jakości i efektywności systemów antropotechnicznych i socjotechnicznych jest możliwa, jeśli rozważy się system (najlepiej modelowo) w całym jego cyklu życia: od zamysłu realizacji potrzeby - do utylizacji po likwidacji, wykorzystując przy tym narzędzia pozyskiwania informacji.

Narzędziem zyskującym sobie coraz większe uznanie w zakresie kształtowania jakości systemów (maszyn) jest diagnostyka techniczna, jej metody i urządzenia, umożliwiające śledzenie zmian degradacji stanu i doskonalące systemy efektywnego wykorzystania maszyn w eksploatacji. Aby określić zakres zastosowań diagnostyki technicznej, celowym jest przeanalizowanie całego okresu istnienia dowolnego obiektu i wyselekcjonowanie sytuacji, w

których uwzględnianie działań diagnostycznych jest niezbędne. Określenie "okres istnienia obiektu" stosuje się zwykle do okresu rozpoczynającego się z chwilą sformułowania wymagań (warunków technicznych), które spełnić powinien nowoprojektowany obiekt, a kończącego się wraz z jego likwidacja (złomowaniem, rozbiórką i utylizacją).

W ujęciu systemowym nowoczesne sposoby kreowania „jakości” maszyn na wszystkich etapach jej istnienia pokazano na rys.5.9, zaznaczając tam też koszty związane z realizacją określonego przedsięwzięcia. Kontrola spełniania wymagań i poprawności działania systemu technicznego jest prowadzona metodami diagnostyki technicznej. Z rysunku widać, że zależnie od typu posiadanego modelu systemu istnieje możliwość sterowania jego cechami użytkowymi w sensie węższym (na określonym etapie) lub w sensie szerszym, w całym cyklu życia. Z rysunku wynika również, że istnieje możliwość sterowania jakością systemu działaniowego w różnych zakresach - ocena projektowania, produkcji, eksploatacji lub całego cyklu istnienia (ścieżka A). Sterowanie cechami użytkowymi obiektu (jakość, bezpieczeństwo, efektywność - w ujęciu antropotechnicznym) w całym cyklu istnienia jest możliwe przy wykorzystaniu informacji diagnostycznej, przetworzonej na decyzje projektowe, produkcyjne i eksploatacyjne.

Powstawanie Kasacja

System eksploatacjii

0 Diagnostyka! 

UŻYTKOWNIK WYTWÓRCA UŻYTKOWNIK

Pętla sprzężenia zwrotnego dla korekty działania ( doskonalenia systemu ).

1 2 3 4 5 6 7

Rozpozna- Ocena Użytkowanie nie Planowanie Badania Projektowa- Produkcja ewolucji systemu potrzeby systemu systemu nie i / lub systemu i wsparcie systemu konstrukcja logistyczne ścieżka B

ścieżka C Model Wycofanie z holistyczny eksploatacji, systemu kasacja i/lub ścieżka A (zawiera wszystkie etapy) działaniowego odzyskanie

koszty Eksploatacja Wycofanie Koszt Inwestycja i konserwacja z użycia

0 2 4 6 8 16 18 20 Program w czasie - lata.

Rys.5.9. Cykle i etapy istnienia systemu działaniowego

Systemy działaniowe, traktowane jako celowo zaprojektowane obiekty dla wykonania określonej misji, cechują się dużą złożonością konstrukcyjną i funkcjonalną oraz dużą dywersyfikacją celów. Ich struktura i procesy w nich zachodzące mają niejednokrotnie cechy fraktalne (powtarzające się) i hierarchiczne (złożone z różnych podsystemów antropotechnicznych). Diagnostyka takich systemów jest niezwykle potrzebna, lecz zaledwie antycypowana w kraju i na świecie.

Diagnostyka obiektów technicznych jest w chwili obecnej antycypowana dychotomicznie, jako wsparta modelowo i jako diagnostyka symptomowa, a opisana została w wielu opracowaniach, w tym w realizowanym projekcie POIG [100-110].

Coraz doskonalsze metody i środki diagnostyki technicznej winny wspomagać konstruowanie maszyn, poprzez bieżącą kontrolę spełniania wymogów eksploatacyjnych przez konstruowane węzły, pary kinematyczne czy zespoły mechaniczne.

Stosowanie diagnostyki w konstruowaniu umożliwia zatem korygowanie rozwiązań konstrukcyjnych w aspekcie wymogów poprawności pracy, niezawodności, trwałości, podatności diagnostycznej itp. - rys.5.10.

Rys.5.10. Algorytm konstruowania zorientowany eksploatacyjnie

W okresie konstruowania obiektu należy pamiętać, że w przyszłości będzie on wymagał kontroli stanu, (diagnozowania użytkowego i obsługowego) zarówno całości jak i poszczególnych elementów. W zależności od wyniku tej kontroli zachodzić może konieczność naprawy, często polegającej na wymianie fragmentu obiektu obejmującego także nie uszkodzone elementy. Stąd w okresie konstruowania obiektu należy przewidzieć taką jego konstrukcję, by w okresie eksploatacji, diagnozowanie:

 mogło objąć cały obiekt (pełność kontroli);

 było ekonomicznie uzasadnione;

 pozwalało realizować wymiany, naprawy i obsługiwanie profilaktyczne (kontrola stanu przed i po obsługiwaniu);

 umożliwiało podejmowanie optymalnych lub przynajmniej korzystnych decyzji dotyczących dalszego postępowania z obiektem (np. w sytuacji, gdy jest on nie zdatny).

W okresie konstruowania, zwykle po przeprowadzeniu badań prototypu obiektu, ustala się dane niezbędne dla prowadzenia procesu diagnozowania w eksploatacji (wartości

odniesienia, warunki pomiarów, relacje między wynikami sprawdzeń a diagnozami). Efektem konstruowania obiektu w zakresie diagnozowania powinno być:

 opracowanie zwykle dwu modeli diagnostycznych obiektu: dla diagnozowania użytkowego (kontroli funkcjonalnej) oraz obsługowego (lokalizacji uszkodzeń);

 opracowanie wytycznych dotyczących konstrukcji obiektu optymalnej ze względów diagnostycznych (dostępność, sygnalizacja zmian stanu, podział na moduły);

 opracowanie zestawu badanych wielkości, metod pomiaru i relacji diagnostycznych.

Zastosowanie diagnostyki na etapie konstruowania jest możliwe w symulacyjnym eksperymencie czynnym - pozwalającym minimalizować dynamikę pracy maszyny, a także w eksperymencie biernym - umożliwiającym określenie zmian eksploatacyjnych parametrów wpływających na dynamikę pracy maszyny. Dogodnym kryterium podwyższonej dynamiczności maszyny mogą tu być np. wartości amplitudy drgań, czy też częstości drgań własnych, gdyż ogólnie minimum poziomu drgań jest wskaźnikiem nierozerwalnie złączonym z charakterem procesów dynamicznych na etapie konstruowania, jak i w eksploatacji maszyn.

Skuteczne wykorzystanie diagnostyki na etapie konstruowania wymaga wykorzystania szczegółowej metodologii diagnostyki, uwzględniającej: modelowanie fizyczne i matematyczne, identyfikację parametrów modelu, symulację prognostyczną oraz weryfikację eksperymentalną opracowanych procedur.

Informacje dla konstruowania diagnostycznego uzyskujemy z jednej strony z modelowania systemów działaniowych, które w ogólności są znane i w dostępnej literaturze dobrze opisane. Z drugiej strony przesłanki pomiarowe ewolucji stanu technicznego są dostępne jedynie poprzez mierzalne symptomy stanu, możliwe do otrzymania z procesów resztkowych takich jak ciepło, drgania, hałas, emisja akustyczna, resztkowe procesy zużycia itp.

Istnieje wiele metod wyznaczania symptomowej krzywej życia i wartości granicznych symptomu, pozwalających generować zmienność eksploatacyjną cech stanu obiektu, niezbędnych konstruktorowi dla oceny prognozowanych zużyć. Wydaje się, że przyszłościowe są tu modele holistyczne systemów działaniowych oparte na modelach strukturalnych.

Diagnostyka na etapie wytwarzania obiektów pod względem wymogów traktuje jako główne: wysokiej jakości wykonanie, technologiczność operacyjną, dostępność właściwych materiałów, niskie koszty produkcji oraz zgodność z normami (unifikacja, typizacja i normalizacja). Podstawowym zadaniem w tej fazie istnienia obiektu jest wytworzenie poszczególnych elementów obiektu, a następnie całości, zgodnie z dokumentacją techniczną.

W procesie produkcji dokonuje się systematycznie pomiarów, których wyniki porównywane są z wymaganiami zawartymi w dokumentacji technicznej. W zależności od wyniku tego porównania podejmuje się dalszy etap wytwarzania lub wprowadza poprawki. Jakość końcowego produktu uzależniona jest od dokładności sprawdzeń i konsekwentnego postępowania zgodnie z ich wynikami - kolejnymi diagnozami. Ponadto jednak, końcowy wynik będzie w pełni pozytywny, jeśli do międzyoperacyjnej kontroli stanu wybrano właściwe wielkości a w całym procesie diagnozowania uwzględniono wszystkie istotne właściwości obiektu i jego podzespołów. Zatem efekty diagnozowania obiektu w czasie jego produkcji uzależnione są od prawidłowego zaplanowania procesu diagnozowania oraz od właściwego wykonania pełnego zbioru działań dla tego procesu.

Między tymi zadaniami występuje pewne sprzężenie: prawidłowe wykonanie działań zależy w pewnym stopniu od sposobu ich zaplanowania (dostępność, czasochłonność, złożoność metod pomiarowych) a doświadczenia wynikające z realizacji podobnych procesów w przeszłości, uwzględnia się przy planowaniu nowych procesów kontroli. Efektem opracowania procesów diagnozowania dla tego etapu istnienia obiektu jest:

 zaplanowanie procesu kontroli elementów, zwykle jest to statystyczna kontrola jakości elementów nie własnej produkcji;

 zaplanowanie kontroli elementów własnej produkcji (kontrola stanowiskowa, międzyoperacyjna, itp.);

 zaplanowanie kontroli podzespołów i całości obiektu.

W każdym z tych zadań należy ustalić:

 metody badania (co, czym i jak mierzyć);

 wartości odniesienia dla poszczególnych wielkości (wartości nominalne z tolerancją);

 warunki badań (sygnały testujące, wymuszenia zewnętrzne);

 średni czas trwania czynności;

 liczność i sposób pobierania próbek losowych w przypadku statystycznej kontroli jakości;

 instrukcje postępowania z obiektem w zależności od otrzymanych wyników sprawdzeń, w tym wytyczne dotyczące zmian i regulacji umożliwiających uzyskanie stanu zdatności.

Efektywne wykorzystanie diagnostyki technicznej na tym etapie istnienia obiektów wiąże się z dostępnością procedur i środków diagnostyki, przygotowaniem diagnostów oraz przekonaniem pracowników zakładu o potrzebie oceny poprawności wykonywanych przez nich czynności.

Diagnostyka eksploatacyjna związana jest ze sferą finalną jakości wyrobów, gdzie za rację bytu obiektu uznaje się jego użytkowanie. W tym zakresie można wyróżnić:

 wymagania trwałościowo - niezawodnościowe,

 wymagania związane z efektywnością stosowania wytworów (sprawność, wydajność, niskie koszty eksploatacji),

 wymagania związane bezpośrednio z użytkowaniem (uniwersalność, łatwość obsługiwań, podatność odnowy, automatyzacja),

 wymagania związane z oddziaływaniem na otoczenie (cichobieżność, bezpieczeństwo, ergonomia, ochrona środowiska).

Można przyjąć, że najszersze oddziaływanie diagnozowania na stan obiektu występuje podczas jego eksploatacji. Uwzględnić należy tutaj dwojakie zapotrzebowanie na decyzje diagnostyczne:

a) ze strony użytkownika, dla którego ważne są następujące efekty:

 określenie, czy obiekt funkcjonuje (lub może funkcjonować) prawidłowo - diagnozy użytkowe uzyskane w wyniku badania właściwości funkcjonalnych obiektu;

 wyznaczenie prognozy dotyczącej oczekiwanego okresu zdatności obiektu - jest to zwykle wyznaczenie prawdopodobieństwa poprawnej pracy w zadanym okresie czasu;

b) ze strony obsługującego obiekt, dla którego ważna jest:

 możliwość lokalizacji uszkodzenia (uzyskanie dokładnych diagnoz obsługowych);

 określenie przyczyny uszkodzenia;

 wyznaczenie danych umożliwiających określenie parametrów procesu naprawy (średni czas naprawy, prawdopodobieństwo naprawienia w zadanym czasie, oczekiwany koszt naprawy);

 wyznaczenie danych umożliwiających oszacowanie parametrów procesu odnowy (średni czas do uszkodzenia, oczekiwany czas do kolejnych badań i prac profilaktycznych).

Efektem opracowania procesu diagnozowania dla okresu eksploatacji obiektu są zwykle odpowiednie rozdziały w instrukcjach użytkowania i obsługiwania, traktujące o zasadach wykorzystania diagnostyki. W instrukcji użytkowania podaje się:

 zależności, cechy, symptomy i ich wartości, charakteryzujące stan zdatności obiektu;

 punkty kontrolne i metody badań.

Opracowując instrukcję dąży się do minimalizacji liczby badanych wielkości i poszukuje się parametru uogólnionego, to jest wielkości, której wartość (często logiczna: "jest - nie jest") pozwala wnioskować o stanie całości obiektu, nawet kosztem obniżenia wiarogodności kontroli. Takie podejście jest niezbędne w przypadkach, 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 (diagnozowaniu obsługowym), w czasie badań okresowych, przy pracach profilaktycznych i przy diagnozowaniu użytkowym

Jest przy tym oczywistym, że powyższe problemy winny być rozwiązane w oparciu o najnowsze dokonania różnych dziedzin wiedzy, szczególnie z obszaru nauk eksploatacyjnych.

5.4. PROJEKTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNYCH

5.4.1 Zmiany potencjału użytkowego maszyny

Podobieństwo zużywania się różnego typu maszyn i ich elementów skłania do poszukiwania ogólnych modeli ewolucji życia, odwzorowywanych obserwowanymi symptomami stanu. Jest to możliwe dla modeli budowanych na podstawie rozważań fizykalnych i energetycznych, dla których znane są już zasady przepływu i transformacji energii. Każdy przypadek zmiany stanu systemu jest reakcją obiektu materialnego na wymuszenia spowodowane bezpośrednim lub pośrednim oddziaływaniem energetycznym.

Reakcja ta może być natychmiastowa lub też może być odłożona w czasie do chwili, kiedy warunki pozwolą na jej ujawnienie [29,33].

W myśl ogólnej teorii systemów maszynę można traktować jako otwarty system działaniowy z przepływem masy, energii i informacji, celowo skonstruowany dla wykonania określonej misji. Są to więc układy transformujące energię, z nieodłączną jej dyssypacją wewnętrzną i zewnętrzną. Tak więc wejściowy strumień masy (materiału), energii i informacji jest przetwarzany na dwa strumienie wyjściowe, energię użyteczną w postaci innej pożądanej jej formy lub też produktu będącego celem projektowym danego obiektu. Drugi strumień to energia dyssypowana, częściowo eksportowana do środowiska, a częściowo akumulowana w obiekcie jako efekt różnych procesów zużyciowych zachodzących podczas pracy maszyn i urządzeń. Zaawansowanie tych procesów zużyciowych determinuje jakość funkcjonowania każdego obiektu i określa jego stan techniczny.

Potencjał użytkowy maszyny może być definiowany jako zasób materiałowo- energetyczny zapewniający jej zdolność do użytkowania – rys.5.11. Ten potencjał maleje w czasie działania maszyny, a jednocześnie rośnie jej potencjał obsługowy. Potencjał obsługowy jest interpretowany jako zasób materiałowo-energetyczny niezbędny do odnowienia potencjału użytkowego maszyny. Oba te rodzaje potencjałów tworzą potencjał eksploatacyjny, który charakteryzuje właściwości maszyny jako jej zdolność do wykorzystania zgodnie z potrzebami, do których została ona przysposobiona w fazach projektowania i wytwarzania.

Podczas działania maszyny zainicjowanego działaniem jej użytkownika następuje zmniejszanie potencjału użytkowego a jednocześnie narasta jej potencjał obsługowy.

Potencjał użytkowy może być odnowiony po przerwaniu przez użytkownika jej działania i dokonania przez niego odpowiedniej obsługi organizacyjno-technicznej. Odnowa potencjału użytkowego maszyny jest celem działania jej użytkownika, natomiast obsługa – sposobem odtworzenia potencjału użytkowego.

R(t) 1

B A

Ɵ Stan wyjściowy Stan eksploatacyjny

Rys.5.11. Krzywe degradacji stanu maszyny

W naukach technicznych używany jest termin „działanie” odnoszący się zarówno do pracy człowieka jak też do pracy urządzeń technicznych, podczas gdy w prakseologii termin

„działanie” odnoszony jest wyłącznie do człowieka.

Do zainicjowania i zrealizowania działania, w którego wyniku może być osiągnięty cel w określonym czasie, potrzebna jest odpowiednia ilość energii, która może mieć rozmaite postacie. Osiągnięcie celu może więc być niemożliwe między innymi wskutek niedoboru energii i braku czasu. Z tego też względu działanie, w ujęciu wartościującym (D) może być przyrównane do wielkości fizycznej i tym samym interpretowane jako wielkość fizyczna określona iloczynem energii (E) i czasu (t), której jednostką miary jest dżulosekunda [dżulsekunda]. W ujęciu deterministycznym, gdy energia E nie ulega zmianie w przedziale czasu [0, t], wielkość tę można wyrazić następująco [29]:

D = Et (5.1) a zmiany energii w czasie [E = f(t]) w przedziale [0, t] można zapisać jako:

^D



0

 (5.2) Takie działania daje łatwe analizy ekonomiki działania () przy użyciu maszyny o określonej sprawności, którą można wyrazić [4]:

N

εW (5.3)

przy czym, jeśli E = f(t): ^{N κDκ}



0

) (

gdzie: W - wynik działania; N - nakład poniesiony na działanie,  - koszt jednostkowy (koszt przypadający na jednostkę zwaną dżulosekundą).

Oprócz ekonomiki działania (3) można także analizować efekt działania, który w przypadku E = f(t) określa zależność:

^{K W N W κ}



0

{ (5.4)

Sprawność energetyczna (e) maszyny, której zastosowanie umożliwiło uzyskanie efektu działania  może być określona wzorem [29]:

d u

e E

η  E (5.5)

Działanie ekonomiczne prowadzi zawsze do minimalizacji nakładów w odniesieniu do wyniku działania, którym jest stan rzeczy osiągnięty jako skutek działania. Natomiast wydajniejsze będzie takie działanie, gdy przy danym zużyciu zasobów (energii i/albo czasu) uzyskano lepszy wynik działania, czyli większy efekt działania.

Przekształcanie energii przebiega w każdej maszynie, wskutek zużycia jej elementów, z coraz mniejszą sprawnością, powodując wzrost Er. Wskutek tego przy E_d = idem wraz z upływem czasu energia Eu (rys.5.12) będzie malała.

Rys.5.12. Schemat działania maszyny jako przetwornika energii w stanie ustalonym:

Z – zakłócenia, Z_Z – zakłócenia zasilania, Z_S – zakłócenia sterowania, N – inne zakłócenia, E_d – energia doprowadzona, E_r – energia rozproszona (tracona), U - przyrost energii wewnętrznej, Eu – energia użyteczna

Ed

Z = {ZZ, ZS, N}

Eu

Stan techniczny Stan energetyczny

U = 0 Er

E(t) E1

E2

t1 t2

t pole działania DM

Ef = f(t)

pole działania DR

Utrzymanie warunku: Eu = idem, wymaga zwiększenia Ed z upływem czasu, jeśli jest to możliwe. Rozpatrując działanie maszyn, trzeba uwzględnić to, że podczas działania są one obciążone cieplnie i mechanicznie, co jest przyczyną narastania ich zużycia i związanych z tym strat energii. Tak rozumiane działanie, może być przedstawione w formie wykresu, który można nazwać wykresem działania. Przykład takiego działania, w zakresie zmian energii od E₁ do E₂ dla dowolnie wybranego przedziału czasu pracy maszyny [t₁, t₂] przedstawiono na rys.5.13. Pole działania DM maszyny jest polem charakteryzującym „działanie możliwe”

maszyny w przedziale czasu t1, t2. Natomiast pole działania DR jest polem obrazującym

„działanie tracone” wskutek zużycia maszyny, które jest przyczyną narastania (wraz z czasem użytkowania maszyny) strat energetycznych.

W przypadku, gdy energia danej maszyny jest przekazywana do odbiornika w przedziale czasu [t1, t2], to jego działanie można interpretować następująco [30,32,34,46]:

^



1

d ) (

t

t

t t E

D (5.6)

przy czym: E(t) = f(t) – E2,

gdzie: D - działanie maszyny; E – energia przetwarzana (uzyskana), umożliwiająca realizację jakiegoś zadania w przedziale czasu [t₁, t₂]; t - czas zużywania energii E.

Rys.5.13. Przebieg działania maszyny:

E - energia, t - czas, DM – działanie możliwe maszyny, DR – działanie rozproszone wskutek strat energii

Wobec tego, jeśli przyjąć, że E(t) = f(t) – E₂, zależność (5.6) może być także zapisana w formie wzoru:

^



1

) ( d )

( _{2 2 1}

t

t

t t E t t f

D (5.7)

Zastosowanie powyższych wzorów wymaga geometrycznego zastosowania całki oznaczonej, gdzie całkowanie należy wykonać uwzględniając nierówności:

Ef  E  E2 oraz t1  t  t2

W przypadku, gdy energia urządzenia przekazywana do odbiornika jest stała (E = idem) w przedziale czasu [t₁, t₂], to zgodnie z wzorem (5.6) działanie:

^





1

2 1 2

1

) ( d

d )

( _{2 1}

t

t

t t t

t

t t E Et t E t t E

D (5.8)

Uwzględniając formy przemiany energii E w maszynach takie jak praca (L) oraz ciepło (Q), można korzystając z wzoru (5.8) określić ich działanie następująco:

d ( _{2 1}); d ( _{2 1})

2

1 2

1

t t Q t Q D

t t L t L D

t

t Q t

t

L 





Zależności (5.7) i (5.8) mają interesujące walory poznawcze, ale mogą mieć także istotne znaczenie utylitarne. Korzystając z nich można łatwo wyznaczyć zarówno działanie wymagane (DW) jak też możliwe (DM) każdego urządzenia i uzyskać wstępną informację na temat jego przydatności eksploatacyjnej do wykonania określonego zadania.