Стремление подвергнуть двигатель ремонту раньше потребности отчасти объясняется силой традиции, уста
ревших представлений о долговечности механизмов. При этом упускается из виду, что конструкции и технология изготовления двигателей непрерывно совершенствуются. За последние 10 лет долговечность отечественных авто
мобильных двигателей возросла более, чем в 2 раза. Если поршневые кольца первых двигателей ЗИЛ-130 нужно было заменять через 80-100 тыс. км пробега, то ресурс этих колец в настоящее время превышает 200 тыс. км. Подобные примеры можно было бы привести для мно
гих других деталей.
Кроме того, незнание методов диагностики двигате
лей, а порою и несовершенство их, является причиной того, что автомобили и их агрегаты подвергаются ремон
ту на основании субъективных заключений обслужива
ющего персонала, а не по фактической потребности. В то же время известно, что любая разборка механизма отрицательно влияет на его дальнейшую работоспособ
ность. С какой бы тщательностью ни была произведена разборка и сборка, режим затяжки крепежных соедине
ний всегда отличается от первоначального. Вследствие деформации материала деталей изменяется их геометри
ческая форма, нарушается соосность и т. д. Это приво
дит к тому, что при дальнейшей работе механизма вновь происходит приработка деталей, так называемая вторич
ная приработка, которая, как известно, сопровождается повышенной скоростью износа деталей. По некоторым данным, на вторичную приработку затрачивается до 30% ресурса безотказной работы механизмов, что резко сни
жает срок их службы.
Нередко встречается: и другая крайность: автомобиль или его агрегат подвергаются ремонту после аварийной поломки, когда отдельные детали не подлежат восста
новлению и их приходится заменять новыми, Восстановление других деталей связано с более сложными и до
рогими технологическими процессами. Например, в обыч
ном случае коленчатый вал двигателя подвергается при ремонте проточке и шлифовке. Этот способ - способ ремонтных размеров - один из самых дешевых и обес
печивает высокую долговечность коленчатых валов. Но если шейки вала вследствие аварийной поломки имеют глубокие задиры, оплавления, их приходится протачи
вать, наплавлять, вновь протачивать, шлифовать и под
вергать термообработке. Ремонт, таким образом, зна
чительно усложняется. Кроме того, общий срок службы деталей до полной выбраковки в этих случаях обычно резко сокращается. Следовательно, как чрезмерно ран
ний, так и поздний ремонт автомобиля или его агрегата весьма нежелательны.
^ Своевременно прекратить эксплуатацию автомобиля и подвергнуть его ремонту можно только в случае при
менения объективного инструментального диагностиро
вания технического состояния.
Диагностика в технике не случайно претерпела наи
более бурное развитие именно на автомобильном транс
порте. Автомобиль - достаточно сложная система, в ко
торой для хорошей работы всей машины в целом нужна надежная и согласованная работа ее отдельных агрега
тов и механизмов. Кроме того, автомобили в масштабе страны исчисляются десятками миллионов, и их эксплу
атацией занимается огромное количество людей. Отсюда понятно, что обеспечение надежной, безотказной рабо
ты автомобилей - важная народнохозяйственная за
дача.
Двигатель принято называть сердцем автомобиля. Он является наиболее сложным и дорогостоящим агрегатом. Техническое состояние его во многом зависит от исправ
ности всего автомобиля. Поэтому развитию методов и средств диагностики уделяется огромное внимание.
Диагностирование , в отличие от обычного контроля, ставит перед собой задачу определения технического состояния автомобиля или его агрегата для прогнозирова
ния ресурса дальнейшей безотказной работы. При этом д иагностирование должно производиться на основании наследования, преимущественно без разборки механиз
мов, с помощью новейших достижений науки и техники.
Диагностика технического состояния системы - отрас ль науки, изучающая и устанавливающая признаки неисправного состояния, методы, принципы и оборудова
ние, при помощи которых дается заключение о техниче
ском состоянии системы без разборки и прогнозирование ресурса ее безотказной работы.
Диагностирование - это один из видов технических воздействий, направленных на поддержание автомобиля в исправном состоянии. Диагностирование - часть кон
троля технического состояния системы по диагностиче
ским параметрам. Снятие отдельных деталей для при
соединения измерительных приборов не является разбор
Система - упорядоченная совокупность совместно действующих объектов, предназначенная для выполне
ния заданных функций. В качестве системы можно рас
сматривать двигатель или его механизмы, например, кривошипно-шатунный механизм.
Элемент - объект (часть системы), входящий в си
стему и выполняющий в ней заданные функции. Элемен
тами двигателя являются отдельные его узлы и детали.
Структура системы - определенная взаимосвязь, взаиморасположение составных частей (элементов), ха
рактеризующая устройство и конструкцию системы.
Параметр - качественная мера, объясняющая свой
ство системы, элемента или явления, в частности, про
цесса.
Параметр, используемый при диагностировании, называется диагностическим пара
метром .
Значение параметра - количественная мера пара
метра.
Структурный параметр - качественная мера, харак
теризующая свойство структуры системы или ее элемента.
Основной структурный параметр - ка
чественная мера возможности выполнения системой заданных функций.
Второстепенный структур
ный параметр - качественная мера, характеризу
ющая удобство эксплуатации, внешний вид, техническую эстетику и другое.
Под структурным параметром подра
зумевается геометрическая форма, размеры, взаимное расположение и сопряжение элементов, чистота их по
верхности, микроструктура материала и т. д.
Входной параметр - качественная мера воздействия на систему извне. В качестве входных параметров мож
но рассматривать нагрузку, климатические, атмосферные и другие условия.
Выходной параметр - качественная мера внешнего проявления свойств системы. Выходными параметрами двигателя являются мощность и крутящий момент, га
зовыделение, шумообразование и т. д.
Предельное значение параметра - показатель, при котором дальнейшая эксплуатация агрегата или узла не
доступна или нецелесообразна по технико-экономиче
ским соображениям.
Диагностический параметр (симптом) - косвенное проявление технического состояния системы, элемента,
Исправное техническое состояние - состояние систе
мы, при котором все бесструктурные и выходные пара
метры находятся в
Неисправное техническое состояние - состояние системы, при котором хотя бы один из основных структур
ных и выходных параметров вышел за допустимые пре
делы изменения.
Работоспособное состояние - состояние системы , при котором ее основные структурные и выходные парамет
ры находятся в допустимых пределах изменения.
Отказ автомобиля, агрегата, узла, детали - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состоя
ния в течение определенного времени, запланированного для выполнения транспортной или специальной работы, а также выявленное при диагностировании, техническом обслуживании и ремонте.
Прогнозирование - определение срока службы авто
мобиля, агрегата или узла до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической до
кументации.
Диагноз - заключение о техническом состоянии си
стемы.
Диагноз, формируемый по минимальному числу общих диагностических параметров, называется экс
пресс-диагнозом .
Объективное диагностирование - процесс, осуще
ствляемый при помощи контрольно-измерительного обо
рудования, приборов и инструментов.
Субъективное диагностирование - определение без контрольно-измерительных приборов и инструментов ди
агностических параметров, поддающихся оценке с по
мощью органов чувств или с применением отдельных средств для усиления сигнала.
Общее диагностирование - диагностирование авто
мобиля, агрегата, узла по диагностическим параметрам, характеризующим их общее техническое состояние без выявления конкретной неисправности («исправен» - «неисправен»).
Диагностирование поэлементное (углубленное) - диагностирование автомобиля, агрегата, узла по пара
метрам, характеризующим их техническое состояние с выявлением места, причины и характера неисправностей и отказов.
Контрольно-диагностические средства - оборудова
ние, приборы и инструменты для оценки техническо
го состояния автомобилей. Контрольно-диагностические средства могут быть стационарными, передвижными, пе
реносными.
Вполне очевидно, что с изменением структурных па
раметров, например, зазоров, размеров, изменяются и параметры выходных процессов (мощность, расход топ
лива, давление в конце такта сжатия и др.). Поэтому параметры выходных процессов при определенных усло
виях могут служить косвенными признаками исправного или неисправного технического состояния двигателя. При этом диагностирование механизма может произ
водиться без его разборки.
Неисправное состояние наступает тогда, когда значе
ния структурных параметров агрегата и соответствую
щие им параметры выходных процессов выходят за пре
делы допустимых, заранее установленных.
Автомобиль является восстанавливаемой системой , может многократно подвергаться различным видам технического обслу
живания и ремонтам, т. е. он ремонтопригодный.
Ремонтопригодность - свойство, заключающееся в его при
способленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технических обслу
живании и ремонтов. В зависимости от уровня ремонтопригод
ности автомобиля изменяется продолжительность простоя при техническом обслуживании и ремонте, а также трудоемкость этих работ. Показателями ремонтопригодности автомобиля могут слу
жить, например, вероятность выполнения ремонта в заданное время, удельная трудоемкость и средняя стоимость технического обслуживания.
Сохраняемость -свойство автомобиля сохранять обуслов
ленные эксплуатационные показатели в течение и после срока хранения и транспортирования, установленного в технической документации. Сохраняемостью определяются целесообразные сроки хранения и консервации автомобилей, а также допустимые расстояния (время) транспортирования, после которых автомо
биль остается пригодным к дальнейшей эксплуатации без ремон
та. Показателем сохраняемости может служить, например, сред
ний срок сохранности.
Сохраняемость автомобиля зависит от качества его изготов
ления, интенсивности протекания в его элементах необратимых процессов (старения, коррозии), внешних факторов (температу
ры и влажности воздуха, агрессивности среды, солнечной радиа-ции), На срок сохраняемости большое влияние оказывает ка
чество консервации и обслуживания автомобиля в
процессе хра
нения, а также свойство применяемых эксплуатационных материалов.
Долговечность автомобиля - свойство сохранять работоспо
собность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технических обслуживании и ремонтов. Предельное состоя
ние автомобиля может определяться по износу его базовых и ос
новных деталей, по условиям безопасности движения, по измене
нию эксплуатационных свойств и оговаривается в технической до
кументации. Наиболее часто предельное состояние автомобиля определяют по экономическим показателям.
Показателями долговечности автомобиля могут служить, на
пример, ресурс (пробег автомобиля или его агрегата до предель
ного состояния, оговоренного в технической документации) или срок службы (календарная продолжительность эксплуатации автомобиля до предельного состояния, оговоренного в техничес
кой документации). В практике эксплуатации автомобилей ос
новным показателем долговечности автомобиля (агрегата) при
нимают средний пробег до первого капитального ремонта. В этом случае очень важно точно оговорить понятие «капитальный ремонт» применительно к автомобилю или агрегату (узлу).
Работоспособность автомобиля - состояние, при котором он может выполнять заданные функции с параметрами, установлен
ными требованиями технической документации.
Надежность автомобиля закладывается при его проектирова
нии и доводке опытного образца, обеспечивается в процессе про
изводства и как одно из важнейших эксплуатационных свойств проявляется и поддерживается в процессе эксплуатации. Исходя из этого, следует рассматривать конструктивную, производствен
ную и эксплуатационную надежность автомобиля. По мере раз
вития,и совершенствования методов расчетов, конструирований и технологии производства автомобилей, внедрения научно обо
снованных методов технической эксплуатации, эксплуатационная надежность автомобиля по своему уровню будет приближаться к конструктивной надежности.
Надежность автомобиля не остается постоянной в течение всего срока службы. По мере изнашивания деталей, накопления в них необратимых процессов (усталостных явлений, износа, коррозии) увеличивается вероятность появления неисправностей и отказов. Новые автомобили всегда
имеют более высокую на
дежность по сравнению с автомобилями, имеющими большой пробег или прошедшими капитальный ремонт.
^ Основная задача рациональной технической эксплуатации автомобиля заключается прежде всего в том, чтобы как можно дольше сохранить заложенную в нем надежность.
Фундаментальным понятием в теории надежности является понятие отказа.
Отказ автомобиля -это событие, заключающееся в наруше
нии работоспособности. Отказ может произойти вследствие раз
рушения, деформации или износа деталей, нарушения регулиро
вок механизмов или систем, прекращения подачи топлива, смаз
ки или такого изменения рабочих характеристик автомобиля (потеря мощности, перерасход смазки, большой тормозной путь и др.) или его элементов, когда они выходят за пределы допусти
мых норм, оговоренных техническими условиями.
Необходимо различать также понятие неисправность автомо
биля (или его элемента) - состояние, при котором он не соответ
ствует хотя бы одному из требований технической документации. Различают неисправности, не приводящие к отказам (разруше
ние окраски кузова автомобиля, вмятины в кабине и другие), и неисправности (и их сочетания), вызывающие отказы.
^ Для того чтобы точно определить понятие отказ и зафиксиро
вать все случаи отказов, необходимо точно сформулировать понятие нормального функционирования автомобиля (обусловить пределы допустимого изменения рабочих характеристик автомо
биля в целом и его отдельных элементов с учетом требований эксплуатации).
В зависимости от поставленной исследователем задачи отказы автомобиля можно классифицировать по различным призна
кам.
Для анализа физической природы отказов, их взаимосвязи для разработки мер по их прогнозированию отказы целесообраз
но классифицировать по следующим признакам:
по их взаимо
связи -
вопричинам, обусловливающим возникновение зависимых отка
зов. Поток зависимых отказов в процессе эксплуатации свиде
тельствует о несовершенстве выбранной структурной схемы сложных элементов автомобиля.
По последствиям отказы делятся на опасные и безопасные .
Опасные отказы- это такие, возникновение которых представ
ляет опасность для жизни или здоровья людей, обслуживающих или пользующихся автомобилем. Опасные отказы могут возни
кать в механизмах управления автомобиля (рулевом управле
нии, тормозах).
По характеру изменения состояния автомобиля (агрегата, ме
ханизма) отказы могут быть внезапные или постепенные. Такое деление отказов является условным. Внезапные отказы в боль
шинстве случаев являются следствием постепенного качественного изменения физико-механических свойств материалов, но скрытого от наблюдателя до момента внешнего их проявления.
^ Для разработки мероприятий по повышению надежности автомобилей важное значение имеет классификация отказов по причинам их возникновения . По этой классификации отказы де
лятся на
шенными методами конструирования автомобиля или его элемен
тов, ошибками и просчетами, допущенными конструктором. Эти отказы могут появляться, когда не
учитываются «пиковые» (слу
чайные) нагрузки, величина которых значительно превышает эксплуатационные нагрузки, на которые рассчитан автомобиль. Проявляются конструкционные отказы преимущественно в первые периоды эксплуатации автомобиля, однако они могут возникнуть и на более поздней стадии эксплуатации. Характерной особенностью этих отказов является то, что они присущи по месту и времени всем экземплярам данной системы (элемента).
Технологические отказы имеют в своей основе неправильно назначенные технологические процессы изготовления деталей или являются следствием нарушения принятой техноло
гии сборки, регулировки, приработки или испытания автомобиля (агрегатов) неправильно выбранные материалы, нестабильность Их свойств. Они проявляются на самой ранней стадии эксплуа
тации автомобиля.
Эксплуатационные отказы возникают в случае на
рушения установленных правил технической эксплуатации авто
мобиля, а также при несоответствии конструкции автомобиля ус
ловиям внешней среды и заданным режимам работы. Износные отказы обусловлены старением системы И возникают в результате постепенного накапливания в элемен
тах необратимых изменений (рекристаллизация металла, кор
розия, усталостные явления, изменения формы деталей и т. д.). Износные отказы возникают вследствие совместного действия нескольких причин, поэтому важно установить главную причину возникновения отказа и устранить ее.
^ Если при испытании новой машины произошел отказ, следо
вательно, на стадии проектирования уровень прочности не был скоординирован с уровнем нагрузки. Поэтому нужно хорошо знать внешние условия работы машины, нагрузки, воспринимае
мые машиной, амплитуды их рассеивания и пр. При таком под
ходе к пониманию отказов надежность можно определить как свойство машины (элемента) непрерывно сохранять работоспо
собность в определенных условиях эксплуатации в течение задан
ного периода времени.
^ Надежность автомобиля оценивается вероятностными, чи
сленными характеристиками, которые могут быть получены на основании математической обработки достаточной статистичес
кой информации.
Теория надежности автомобиля является разделом общей тео
рии надежности машин и развивается на базе теории вероятнос
тей и математической статистики. В ряде разделов теории на
дежности широкое
применение получают методы теории инфор
мации, теории массового обслуживания, линейного и нелинейного программирования и др.
«При решении задач теория надежности использует результа
ты исследований физических и химических процессов, лежащих в основе явлений, связанных с потерей качества».
Непрерывное совершенствование техники, усложнение функций, выполняемых машинами и техническими системами, ведет к усложнению и самих машин. Чем сложнее машина, тем, при прочих равных условиях, она менее надежна. Для снятия этого противоречия в теории надежности разрабатываются методы со
здания надежных машин и систем путем резервирования, вы
бора оптимальной структурной и функциональной схем, раци
ональных методов и приемов технической эксплуатации и ре
монта.
Применительно к автомобилю задачи теории надежности со
стоят в том, чтобы устанавливать и изучать количественные ха
рактеристики надежности, закономерности возникновения отка
зов, методы анализа и прогнозирования отказов, методику испы
тания и математической обработки статистических показателей.
Тема 1. Цели и задачи технического диагностирования оборудования План лекции
1.3. Показатели диагностирования
1.3.1. Вероятность ошибки диагностирования
1.3.2. Вероятность правильного диагностирования и апостериорная вероятность ошибки диагностирования
1.3.3. Средняя продолжительность, средние трудозатраты и средняя стоимость диагностирования
1.4. Системы диагноза технического состояния
1.5. Объекты диагноза
Одним из основных видов деятельности выпускников специальностей ЭНС и АТС является систематический контроль технического состояния оборудования. В специальной литературе контроль технического состояния принято называть технической диагностикой. Техническая диагностика является важнейшей составной частью технической эксплуатации специальностей ЭНС и АТС, способствующей наряду с теорией надежности повышению эффективности применения специального оборудования.
Термин «диагностика» происходит от греческого «диагностикос», что означает распознавание, определение. В процессе диагностирования изделию обычно ставится диагноз - то есть определяется его техническое состояние с указанием места, вида и причины дефекта (если он есть). Диагноз представляет собой процесс исследования объекта. Объект, состояние которого определяется, будем называть объектом диагноза . Характерными примерами результатов диагноза состояния технического объекта являются заключения вида: объект исправен, объект неисправен, в объекте имеется какая-то неисправность.
Таким образом, диагностика есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов диагноза, а также принципы построения средств диагноза. Когда объектами диагноза являются объекты технической природы, говорят о технической диагностике.
Техническая диагностика решает три типа задач:
Задача диагноза (задачи по определению состояния, в котором находится
объект в настоящий момент времени). Это техническая диагностика;
Задача прогноза (от греческого «прогнозис» - предвидеть, предсказывать.) Предсказание состояния, в котором окажется объект в будущий момент времени. Это техническая прогностика;
Задача генеза («генезис» - происхождение, возникновение.) Определение состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в
прошлом. Это техническая генетика.
Задачи технической генетики возникают в связи с расследованием причин аварий и катастроф, когда настоящее состояние объекта отличается от состояния, в котором он оказался в прошлом в результате появления первопричины, вызвавшей аварию. Задача технической прогностики - определение срока службы оборудования, или определение периодичности проверок и ремонтов.
Техническая диагностика представляет собой основу технической генетики и технической прогностики, и последние развиваются в тесной взаимосвязи с первой.
Одной из важнейших задач диагноза состояния объекта является поиск неисправностей , т.е. указание мест и, возможно, причин возникновения неисправностей. Поиск неисправностей необходим для выявления и замены неисправных компонентов. После устранения неисправности объект становится исправным, работоспособным или правильно функционирующим.
В результате эксплуатации оборудование может находиться в одном из следующих технических состояний:
Исправном (изделие соответствует всем требованиям нормативнотехнической документации);
Неисправном (изделие не соответствует хотя бы одному требованию нормативно-технической документации);
- работоспособном (значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции на всех режимах, соответствуют требованиям нормативно-технической документации);
- неработоспособном (значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданную функцию, не соответствует требованиям нормативно-технической документации);
- функционирующем (значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции на проверенных режимах, соответствуют требованиям нормативно-технической документации);
- нефункционирующем (значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции на проверенных режимах, не соответствует требованиям нормативно-технической документации).
Исправное и все неисправные состояния объекта образуют множество Е его технических состояний. Задачи проверки исправности, проверки работоспособности, проверки правильности функционирования и поиска неисправностей представляют собой частные случаи общей задачи диагноза технического состояния объекта.
На рис. 1 множество технических состояний объекта диагноза условно ограниченно замкнутой кривой, причем исправное состояние обозначим кружком, неисправное - крестиками. Результатами проверки исправности (а) проверки работоспособности (б) и проверки правильности функционирования (в) является получение двух подмножеств технических состояний. Одно из них (левое) содержит только исправное состояние или те неисправные состояния, находясь в которых объект остается работоспособным или правильно функционирующим. Второе подмножество содержит либо все неисправные состояния (при проверке исправности), либо такие, пребывание в которых делает объект неработоспособным или неправильно функционирующим.
Результатами поиска неисправностей (рис. 1 г, д, е) являются разбиения на классы не различаемых между собой неисправных состояний вторых подмножеств. Число классов и, следовательно, числа входящих в них неисправных состояний определяют достигаемую при поиске степень детализации мест и состава имеющихся (или подозреваемых на наличие) в объекте неисправностей. Эту степень детализации принято называть глубиной поиска или глубиной диагноза.
Рис. 1. Представление задач диагноза через разбиения множества технических состояний объекта
Заметим, что при проверке правильности функционирования и при поиске неисправностей, нарушающих правильное функционирование объекта, разбиения относятся к определенному (настоящему) моменту времени и поэтому могут быть разными для разных моментов времени и разных режимов работы объекта.
Диагноз технического состояния объекта осуществляется при помощи тех или иных средств диагноза. Взаимодействующие между собой объект и средства диагноза образуют систему диагноза . Протекающий в системе диагноза процесс в общем случае представляет собой многократную подачу на объект определенных воздействий (входных сигналов ) и многократное измерение и анализ ответов (выходных сигналов ) объекта на эти воздействия. Воздействия на объект либо поступают от средств диагноза, либо являются внешними (по отношению к системе диагноза) сигналами, определяемыми рабочим алгоритмом функционирования
объекта. Измерение и анализ ответов объекта всегда осуществляются средствами диагноза .
В качестве количественных и качественных характеристик технических состояний изделия обычно используются контролируемые параметры с установленными нормативами по допустимому изменению их численных значений. Например, объектом диагноза является электрический кабельный жгут. По качественным показателям он оценивается по проверке правильности распайки (монтажа) проводов. Количественно он оценивается по сопротивлению изоляции между разными цепями.
По каждому из перечисленных параметров в эксплуатационной документации указываются порядок соединения проводов и предельно допустимые значения, т. е. по соответствию или несоответствию численных значений параметров установленным требованиям можно однозначно определить техническое состояние.
Под параметром в технической диагностике понимают наименование какойлибо физической величины, устанавливаемой для отличия данного состояния от других состояний объекта контроля.
Помимо параметров для оценки технического состояния объектов в технической диагностике используется понятие - признак состояния .
Под признаком состояния понимают значение (или интервал значений) какоголибо параметра, устанавливаемого для отличия данного состояния от других состояний. Смысловым эквивалентом признака состояния является значение параметра (входной сигнал на реле составляет 27 Вольт напряжение в Вольтах - это параметр, а ее выражение в числе - это значение параметра).
Техническое диагностирование объектов представляет собой процесс исследования последних. Результатом этого исследования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием вида технического состояния, а также, при необходимости, вида, места и причины неисправности.
По каждому контролируемому параметру в эксплуатационной документации указывается нормативное значение, чаще всего соответствующее состояниям: функционирования, работоспособности или исправности. Реже указываются нормативы параметра для нефункционирующего, неработоспособного или неисправного состояний.
Нормативные значения параметров могут указываться в виде:
числа с указанием размерности (например, 5 А);
диапазона чисел с указанием размерности (2…4 мВ);
номинального значения числа с указанием его допуска и размерности
(27+ − 5 5 В).
В эксплуатационной документации наряду с параметром, и его значением также указывают и условия, диагностическую аппаратуру, а иногда - технологию контроля и интерпретации результатов контроля.
1.2. Показатели контролепригодности изделий
Важным аспектом технической диагностики является оценка контролепригодности изделий. Контролепригодность – свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. Контролепригодность обеспечивается конструкцией изделия и принятой системой технической диагностики.
Контролепригодность изделия задается на стадии разработки и обеспечивается на стадии производства. Возможности улучшения контролепригодности в условиях эксплуатации практически отсутствуют.
В качестве показателей контролепригодности используются:
коэффициент полноты проверки исправности (работоспособности,
функционирования)
К ПП = λ К λ 0 ,
где λк - суммарная интенсивность отказов проверяемых составных частей изделия; λо - суммарная интенсивность отказов всех составных частей изделия;
коэффициент глубины поиска дефекта (повреждения)
К ГП = F R ,
где F - число составных частей изделия, с точностью до которых определяется место дефекта; R - общее число составных частей изделия, с точностью до которых требуется определение места дефекта;
среднее время подготовки изделия к диагностированию заданным числом специалистов
Т В = Т УСЛ + Т МДР ,
где Т УСЛ среднее время установки и снятия измерительных устройств, необходимых для диагностирования; Т МДР - среднее время монтажно-демонтажных работ на изделии, необходимых для подготовки к диагностированию (вскрытие люков, разъемов, снятие блоков и т.д.);
средние трудозатраты на подготовку изделия к диагностированию
Q B = Q УСЛ + Q МДР ,
где Q УСЛ - средние трудозатраты на установку и снятие измерительных устройств, необходимых для диагностирования; Q МДР - средние трудозатраты на монтажно-демонтажные работы на изделии, необходимые для подготовки к диагностированию (вскрытие люков, разъемов, снятие блоков и т.д.);
коэффициент избыточности изделия
К ИИ = G И − G ИИД ,
где G И - масса составных частей, введенных в конструкцию для диагностирования изделия; G ИИД - масса всего изделия;
коэффициент использования специальных средств диагностирования
К ИС = G СДG − G ССД , СД
где G СД - суммарная масса серийных и специальных средств диагностирования изделия; G ССД - масса специальных средств диагностирования изделия;
коэффициент трудозатрат на подготовку к диагностированию
К ТД = Q Д Q + Д Q В ,
где Q Д - средние трудозатраты на диагностирование изделия; Q В - средние трудозатраты на подготовку изделия к диагностированию;
дифференциальная оценка контролепригодности g i = K i K iб ,
где К i - значение i -го показателя ремонтопригодности (любого из указанных выше) рассматриваемого изделия; К iб - значение i -го показателя ремонтопригодности (любого из указанных выше) базового (эталонного) изделия;
комплексная оценка контролепригодности
g = ∏ (ai gi ) ,
i= 1
где n - количество показателей контролепригодности рассматриваемого изделия; gi - i -ая дифференциальная оценка контролепригодности; a i - коэффициент весомости i -го показателя контролепригодности.
1.3. Показатели диагностирования
Стандартом устанавливаются следующие показатели диагностирования:
- вероятность ошибки диагностирования P ij ;
- апостериорная вероятность ошибки диагностирования P aij ;
- вероятность правильного диагностирования (достоверность контроля) D ;
- средняя оперативная продолжительность диагностирования T Д ;
- средняя стоимость диагностирования С Д ;
- средние оперативные трудозатраты на диагностирование Q Д . Показатели диагностирования определяются при проектировании, испытаниях
и эксплуатации системы диагностирования. Показатели включаются в техническое задание на изделие и нормируются.
1.3.1. Вероятность ошибки диагностирования
В общем случае вероятность ошибки диагностирования Pij вычисляют по формуле
P ij = P oi ∑ P cl P yjil , l= 1
где k - количество технических состояний (далее - состояний) средства диагностирования; P оi - априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии i; P сl - априорная вероятность нахождения средства диагностирования в состоянии l; P yjil - условная вероятность того, что в результате диагностирования объект диагностирования признается находящимся в состоянии j при условии, что он находится в состоянии i и средство диагностирования находится в состоянии l .
По статистическим данным оценку вероятности ошибки диагностирования определяют по формуле
r jil |
|||
P ij* = P oi ∑ P cl |
|||
l= 1 |
|||
где N il - общее число испытаний системы диагностирования (диагностирований объекта, находящегося в состоянии i , средством диагностирования, находящимся в состоянии l ); r jil - число испытаний, при которых система диагностирования зафиксировала состояние j.
Для систем диагностирования, предназначенных для проверки работоспособности (то есть при различении только двух состояний объекта диагностирования - работоспособное и неработоспособное) возможны ошибки диагностирования видов (i=1, j=2) и (i=2, j=1).
Очевидно, что при i=1 и j=1 - состояние объекта работоспособное и ошибка диагностирования отсутствует. При i=2 и j=1 – состояние объекта неработоспособное и ошибка диагностирования также отсутствует.
Вероятность ошибки диагностирования вида (1,2) P 12 - это вероятность совместного наступления двух событий: объект находится в работоспособном состоянии, но в результате ошибки диагностирования признан неработоспособным.
Вероятность ошибки диагностирования вида (2,1) P 21 - это вероятность совместного наступления двух событий: объект находится в неработоспособном состоянии, но в результате ошибки диагностирования признан работоспособным. Для рассмотренного частного случая вероятности P 12 и P 21 вычисляются по формулам
P 12 = P o 1 ∑ P cl P y 21l , l = 1
P 21 = P o 2 ∑ P cl P y 12l , l = 1
где P o1 - априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в работоспособном состоянии; P о2 - априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в неработоспособном состоянии; P у21l - условная вероятность того, что в результате диагностирования объект считается находящимся в неработоспособ-
ном состоянии при условиях, что он находится в работоспособном состоянии и средство диагностирования в состоянии l; P у12l - условная вероятность того, что в результате диагностирования объект считается находящимся в работоспособном состоянии при условиях, что он находится в неработоспособном состоянии и средство диагностирования в состоянии l; P сl - априорная вероятность нахождения средства диагностирования в состоянии l .
1.3.2. Вероятность правильного диагностирования и апостериорная вероятность ошибки диагностирования
Вероятность правильного диагностирования часто называют достоверностью контроля и считают основным показателем диагностирования.
Достоверность контроля - это показатель степени объективного отображения результатами контроля действительного технического состояния изделия.
Вероятность правильного диагностирования (достоверность контроля) D вычисляют по формуле
D = ∑ Pij ,
i = 1
где P ij - вероятность ошибки диагностирования вида (i,j); m - число возможных технических состояний объекта диагностирования (для систем диагностирования, определяющих работоспособное и неработоспособное состояния объекта в целом m = 2 ).
Оценку правильного диагностирования определяют по формуле
D * = ∑ P ij * ,
i = 1
где P * ij - оценка вероятности ошибки диагностирования вида (i,j);
Для распространенного класса систем диагностирования, предназначенных для проверки работоспособности (m = 2), вероятность правильного диагностирования определяют по формуле
D =1 − P 12 − P 21 .
Апостериорную вероятность Pаij вычисляют по формуле
∑ P ij |
|||||
i= 1 |
|||||
где P ij - вероятность ошибки диагностирования вида (i,j); m - число возможных технических состояний объекта диагностирования (для систем диагностирования, определяющих работоспособное и неработоспособное состояния объекта в целом
m = 2 ); D - вероятность правильного диагностирования.
1.3.3. Средняя продолжительность, средние трудозатраты и средняя
стоимость диагностирования
Среднюю оперативную продолжительность диагностирования в общем случае опре-деляют по формуле
Т Д = ∑ T oi P i , i= 1
где Т i - средняя оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии i . Величина Тi включает продолжительность выполнения как вспомогательных операций, так и собственно диагностирования; P оi - априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии i .
Оценку средней оперативной продолжительности диагностирования выполняют по формуле
Т * Д = |
|||
∑∑ T ij P oi , |
|||
g= 1 i= 1 |
где N - общее число испытаний системы диагностирования (диагностирований объекта); Т ig - оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии i при g -ом испытании.
Средние оперативные трудозатраты на диагностирование в общем случае определяют по формуле
Q Д = ∑ Q ОДi P i ,
i= 1
где Q ОДi - средние оперативные трудозатраты на диагностирование объекта, находящегося в состоянии i .
Оценку средних оперативных трудозатрат на диагностирование выполняют по формуле
Q * Д = 1 ∑∑ N m Q ОДig P i N g = 1 i = 1
где N - общее число испытаний системы диагностирования (диагностирований объекта); Q ОДig - оперативные трудозатраты на диагностирование объекта, находящегося в состоянии i при g -ом испытании.
Среднюю стоимость диагностирования S д вычисляют по формуле
С Д = ∑ C oi P i , i= 1
где C oi - средняя стоимость диагностирования объекта, находящегося в состоянии i. Величина С i включает амортизационные затраты диагностирования, затраты на эксплуатацию системы диагностирования и стоимость износа объекта диагностирования при его диагностировании.
1.4. Системы диагноза технического состояния
На рис.2 представлены обобщенные функциональные схемы системы тестового диагноза и системы функционального диагноза технического состояния. Системы содержат объект диагноза ОД и средства диагноза СД. Схемы даны в «однолинейном» изображении. Физически каждая линия схемы, снабженная стрелкой на конце, может представлять несколько каналов передачи информации.
Как видно из рис.2,а в системах тестового диагноза воздействия на объект поступают от средств диагноза. Поэтому как состав, так и последовательности подачи этих воздействий можно выбирать, исходя из условий эффективной организации процесса диагноза. Более того, каждое очередное воздействие в процессе диагноза может назначаться в зависимости от ответов объекта на предыдущие воздействия. Воздействия в системах тестового диагноза будем называть тестовыми . Тестовые воздействия могут подаваться как в периоды времени, когда объект не используется по прямому назначению, так и в процессе выполнения им его рабочего алгоритма функционирования. Во втором случае, однако, тестовыми воздействиями могут быть только такие сигналы, которые не мешают нормальной работе объекта. Например, при инерционных исполнительных механизмах некоторого функционирующего объекта возможна подача кратковременных импульсных тестовых воздействий на схемы управления этими механизмами.
Тестовые воздей- |
||||||||
воздействия |
||||||||
Результаты ди- |
||||||||
Результаты ди- |
||||||||
Рис. 2. Обобщенные функциональные схемы систем диагноза технического состояния: а)- система тестового диагноза; б)- система функционального диагноза
Тестовые воздействия могут подаваться как на основные входы объекта, т.е. на его входы, необходимые для применения объекта по назначению, так и на дополнительные входы, организованные специально для целей диагноза.
В системах функционального диагноза (рис. 2,б) воздействия, поступающие на основные входы объекта, заданы его рабочим алгоритмом функционирования и поэтому, как правило, не могут выбираться, исходя из условий эффективной организации процесса диагноза. Эти воздействия будем называть рабочими . Указанная на рис.2,б подача рабочих воздействий и на средства диагноза часто имеет место в системах функционального диагноза, хотя и не является обязательной.
Отметим, что системы функционального диагноза могут использоваться также в режимах имитации функционирования объекта. При этом, естественно, должна быть обеспечена имитация рабочих воздействий. Такое использование систем функционального диагноза целесообразно при наладке или ремонте объекта.
Ответы объекта (на тестовые или на рабочие воздействия) в обоих видах систем диагноза поступают (рис. 2) на средства диагноза. Ответы могут сниматься как с основных выходов объекта, т.е. с выходов, необходимых для применения объекта по назначению, так и с дополнительных выходов, организованных специально для целей диагноза. Эти основные и дополнительные выходы часто на-
зывают контрольными точками.
Обратимся теперь к средствам диагноза. Средства диагноза реализуют некоторый алгоритм диагноза, задающий состав и очередность реализации, а также способ анализа результатов элементарных проверок объекта.
Реализация элементарных проверок заключается в выработке и подаче на объект входных сигналов (воздействий) и в приеме и измерении соответствующих выходных сигналов (ответов). Естественно, что для реализации этих операций средства диагноза должны содержать источники воздействий (в системах тестового диагноза), измерительные устройства и устройства связи источников воздействий и измерительных устройств с объектом.
Целью анализа результатов элементарных проверок является получение результатов диагноза, т. е. определение технических состояний, в одном из которых фактически находится объект.
Как было сказано выше, результаты элементарных проверок представлены в виде значений сигналов в контрольных точках. Результаты же диагноза должны быть представлены в иной форме, более удобной для практического их использования. Например, при проверке исправности результатом диагноза должен быть один из ответов: «объект исправен» или «объект неисправен», а при поиске неисправностей - «в объекте неисправна такая-то конкретная компонента (узел, блок, деталь)». Другими словами, требуется расшифровка (анализ, преобразование) результатов элементарных проверок, полученных в процессе реализации алгоритма диагноза.
В простейшем случае такая расшифровка может представлять собой обычное сравнение физических значений сигналов в контрольных точках с заданными эталонными значениями этих сигналов. Заметим, что при недостаточном уровне автоматизации процесса диагноза, в частности, при использовании ручных средств диагноза функции расшифровки результатов элементарных проверок возлагаются на человека.
Так или иначе, для выполнения операций анализа результатов элементарных проверок средства диагноза должны располагать определенной информацией о поведении исправного объекта. Аппаратуру средств диагноза, хранящую информацию о поведении объекта, или другой носитель этой информации будем называть физической моделью объекта . Наглядным примером физической модели объекта является эталонный, заведомо исправный его экземпляр. Однако во многих случаях такая физическая модель информационно избыточна и зачастую трудно реализуема. В широко распространенных системах централизованного контроля, являющихся системами проверки правильности функционирования, физическая модель объекта представляет собой аппаратуру для задания допустимых значений (уставок) контролируемых параметров, а также средства коммутации и подключения этой аппаратуры к устройствам сравнения допустимых значений.
Средства, осуществляющие сопоставление информации об объекте, с фактическими результатами элементарных проверок и вырабатывающие сигнал «ре-
зультаты диагноза», назовем блоком расшифровки результатов.
Наконец, средства диагноза должны иметь тот или иной носитель алгоритма диагноза. Носителем жестких или редко изменяемых алгоритмов диагноза обычно является аппаратура, конструктивно объединенная с остальной аппаратурой средств диагноза. Для задания сменных алгоритмов диагноза часто применяются стандартные программоносители - магнитные барабаны, магнитные ленты, гибкие магнитные диски, жесткие диски и т. п. В последнем случае, естественно, средства диагноза должны содержать соответствующие устройства считывания информации с программоносителей.
Итак, по завершении процесса определения технического состояния объекта средства диагноза вырабатывают сигнал «результаты диагноза». Знание технического состояния объекта может быть использовано для различных целей, в том числе, например, для выбора и применения другого алгоритма диагноза, позволяющего более точно определить техническое состояние объекта.
1.5. Объекты диагноза
Для построения математических моделей объектов диагноза в процессе проектирования и создания систем диагноза необходимо знать физические свойства и характеристики этих объектов.
В получении таких знаний важное место занимает изучение возможных физических неисправностей объекта, а также параметров, характеризующих исправное и все неисправные состояния объекта. При этом полезна классификация объектов по принципу их действия, по назначению, по сложности, по энергетическим и другим признакам. Необходимо также классифицировать неисправности по их видам (например, на производственные и эксплуатационные, на катастрофические и постепенные), определять вероятности или частности, анализировать причины их возникновения, разрабатывать методы определения признаков неисправностей и т.п. Работы по исследованию параметров объектов включают в себя разработку методов задания допусков и определения контрольных соотношений между отдельными параметрами, изучение вопросов точности измерения параметров при диагнозе, определение законов изменения параметров во времени и т.п.
Для построения оптимальных алгоритмов диагноза большое значение имеет организация сбора и обработки статистических данных, особенно по вероятностям возникновения неисправностей и по затратам (времени, энергии, материальных или денежных средств и т. д.) на отыскание неисправностей и их устранение. Отметим, что статистические данные важны не только для оптимизации алгоритмов диагноза, но также для эффективного решения задач технической прогностики и технической генетики.
Объектами диагноза могут быть любые технические изделия, устройства или системы, относительно которых имеет смысл ставить и решать задачи проверки их исправности, работоспособности, правильности функционирования или задачи поиска неисправностей.
Последствия любых явлений или действий, которые переводят объект в некоторое неисправное состояние, называются физическими неисправностями объекта.
Объект может состоять из компонент - функционально или конструктивно выделенных частей. Тогда совокупность компонент объекта, связей между компонентами (внутренних связей) и связей объекта с внешней средой (внешних связей) называют структурой объекта. Понятия исправного и неисправного состояний, а также физической неисправности приложимы к компонентам объекта, его внутреннимивнешнимсвязям.
Взаимодействие объекта с внешней средой осуществляется через его основные и дополнительные входы и выходы. Сигналы на входах и выходах объекта характеризуются параметрами тех физических величин, с помощью которых передаются указанные сигналы. Это - входные и выходные параметры объекта. Часто возникает необходимость рассматривать внутренние параметры объекта, т. е. такие параметры, которые не являются его входными или выходными. Например, необходимо замерить сопротивление резистора, снять напряжение на трансформаторе и т.д.
Последовательности (или, в частном случае, совокупности) возможных значений входных параметров образуют множество возможных воздействий на объект. Аналогично, множество ответов объекта определяется последовательностью (или, в частном случае, совокупностью) значений его выходных параметров.
Таким образом, воздействие на объект (ответ объекта) характеризуется составом входов (выходов) и теми моментами времени, в которые поступают заданные (измеряются получаемые) значения параметров на этих входах (выходах). Последовательность (совокупность) значений указанных параметров можно называть значени-
емвоздействия(ответа).
Элементарная проверка представляет собой некоторый физический эксперимент над объектом и определяется значением воздействия, подаваемого или поступающего на объект, а также ответом объекта на это воздействие. Значение ответа объекта является результатом элементарной проверки. Ясно, что объект, находящийся в разных технических состояниях, может выдать разные результаты одной и той же элементарной проверки. Понятие элементарной проверки применимо также к отдельным компонентам объекта. В этом случае, естественно, предполагается доступность входов и выходов компонент, что может потребовать организации дополнительных входовивыходовобъекта.
Как и любая наука, техническая диагностика оперирует специфическим набором терминов и определений, которые установлены ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика. Термины и определения». Ниже приведены некоторые из них.
Техническая диагностика - область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.
Техническое диагностирование - определение технического состояния. Задачами технического диагностирования являются:
Иногда допускается некорректное применение этих двух терминов в плане отождествления. Поэтому следует четко определиться, что диагностика - это наука, диагностирование - это процесс.
Техническое состояние объекта - состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией.
Следует обратить внимание на то, что условия внешней среды должны быть в установленных технической документацией пределах. Например, такой параметр дизель-генераторной установки (ДГУ) тепловоза, как удельный расход топлива, подвержен влиянию барометрического давления, температуры окружающей среды и т.д. Если измеренный удельный расход топлива при испытаниях не привести к нормальным условиям, то в результате можно сделать ошибочный вывод о техническом состоянии ДГУ тепловоза.
Объект технического диагностирования (контроля технического состояния) - изделие и (или) его составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю).
Контроль технического состояния - проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени. Видами технического состояния являются, например, исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное и т.п. в зависимости от значений параметров в данный момент времени.
Диагностический (контролируемый) параметр - параметр объекта, используемый при его диагностировании (контроле).
Прогнозирование технического состояния - определение технического состояния объекта с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени.
Рабочее техническое диагностирование - диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия.
Тестовое техническое диагностирование - диагностирование, при котором на объект подаются тестовые воздействия.
Средства технического диагностирования (контроля технического состояния) - аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется диагностирование (контроль).
Система технического диагностирования - совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным технической документацией.
Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния) - совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля).
Диагностическая модель - формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования.
Встроенное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) - средство диагностирования (контроля), являющееся составной частью объекта.
Внешнее средство технического диагностирования (контроля технического состояния) - средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от объекта.
Специализированное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) - средство, предназначенное для диагностирования (контроля) одного объекта или группы однотипных объектов.
Универсальное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) - средство, предназначенное для диагностирования (контроля) объектов различных типов.
Достоверность технического диагностирования (контроля технического состояния) - степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому состоянию.
Полнота технического диагностирования (контроля технического состояния) - характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном методе его диагностирования (контроля).
Глубина поиска места отказа (неисправности) - характеристика, задаваемая указанием составной части объекта, с точностью до которой определяется место отказа (неисправности).
Следует указать, что приведенный перечень терминов и определений, применяемых в технической диагностике, является сокращенным. Поэтому при изучении теоретических основ диагностирования очень важно подробно ознакомиться с содержанием ГОСТ 20911-89.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Основные понятия и определения технической
диагностики
Техническая диагностика – область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объекта. Техническое состояние – состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. В дальнейшем рассматриваются виды состояний: работоспособное и неработоспособное.
Общим понятием теории надежности и технической диагностики является работоспособность. Это понятие используется для обозначения класса состояний ОД, находясь в котором он выполняет свойственную ему работу. Состояние, при котором значения всех диагностических признаков, характеризующих способность ОД выполнять заданные функции, соответствуют установленным требованиям, называется работоспособным . В этом случае можно говорить, что оборудование функционирует штатно . Установленные требования образуют область работоспособности (ОР).
Неработоспособное состояние – состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического признака, характеризующего выполнение заданной функции, не соответствует установленным требованиям. Если объект неработоспособен и выполняет часть функций, то он функционирует нештатно .
Процесс определения технического состояния объекта называется диагностированием . Различают рабочее и тестовое диагностирование. При рабочем диагностировании состояние объекта оценивается по выходным параметрам при подаче на его входы рабочих воздействий. При тестовом диагностировании состояние объекта оценивается по его реакции, вызываемой подаваемыми на его входы специальными тестовыми воздействиями.
Диагностирование может осуществляться различными методами. Метод диагностирования – совокупность операций, действий, позволяющих дать объективное заключение о состоянии объекта. Определение состояния объекта предусматривает наличие обоснованных алгоритмов диагностирования. Алгоритм диагностирования представляет собой совокупность предписаний, определяющих упорядоченную последовательность действий при проведении диагностирования. Они реализуются средствами диагностирования , под которыми понимаются аппаратура, программы и ремонтно-эксплуатационная документация, позволяющая оценить состояние технических объектов. Результат диагностирования, то есть заключение о техническом состоянии объекта, называют диагнозом .
Блок, устройство, прибор, оборудование, система, подлежащие (подвергаемые) диагностированию, называются объектом диагностирования (ОД) . Часть ОД, которую при диагностировании нельзя разделить на более мелкие, называют элементом (структурной единицей, СЕ). Любой объект диагностирования состоит из элементов. Например, генератор электростанции может рассматриваться как ОД из одной СЕ. Распределительная сеть может включать в себя как минимум три элемента (опору, провод, изолятор). Районная электрическая подстанция состоит из многих структурных единиц.
Все ОД с позиции используемого математического аппарата для описания изменения его состояния можно разделить на: непрерывные (аналоговые, кроме ЭВМ) и дискретные (цифровые) – ЭВМ (релейно-контакторные схемы).
Состояние ОД оценивается по диагностическим признакам. Диагностическим признаком (ДП) называют параметр или характеристику, используемую при диагностировании и несущую информацию об изменении состояния ОД:
параметры – физические величины: сила тока I , напряжение U, мощность P, время переходного процесса t пп и др.;
характеристики – зависимость одной физической величины от другой, а именно: статическая характеристика, если величина не зависит от времени, частоты. Например, внешняя характеристика U = f(I) генератора постоянного тока (рис.6.1,а) при смешанном 1, независимом 2, параллельном 3 возбуждении соответственно; динамическая характеристика, если такая зависимость есть. Например, амплитудно-частотная А=f(w) (рис.6.1,б), переходная h(t) характеристика(рис.6.1,в). Каждому состоянию соответствует определенное значение диагностического признака.
Ко второй группе можно отнести сопротивление изоляции, емкость сети по отношению к земле, т.е. все то, что позволяет оценить качество изоляции электрической сети.
Переход из класса работоспособных состояний, определяющих область работоспособности ОР, в класс неработоспособных называется отказом . При этом возможен полный отказ (момент t п.о ), приводящий к полной потере работоспособности и прекращению функционирования (отключение фидера при двух- и трехфазных замыканиях), и частичный отказ (момент t ч.о ) при однофазных замыканиях на землю), т.е. сеть продолжает функционировать с ухудшенными показателями качества электроэнергии (рис.6.2).
Существует третий тип отказа элемента – "перемежающийся", означающий, что он то исчезает, то снова появляется. Это затрудняет определение местоположения отказавшего элемента, так как при проверке оборудование может оказаться работоспособным, а через некоторое время неработоспособным.
Причиной потери работоспособности или резкого снижения запаса работоспособности является дефект от лат. defectus – изъян, недочет, недостаток.
В ОД, состоящем из нескольких элементов, дефектом является отказ элемента, нарушение связи или появление связи между элементами. Возникновение же дефекта в ОД, состоящего из нескольких элементов, не обязательно приводит к потере его работоспособности. При этом ОД сохраняет работоспособность при наличии в нем дефекта за счет избыточности (структурной, временной, информационной) или за счет того, что потеря работоспособности не всех элементов приводит к потере его работоспособности. Например, в гирлянде изоляторов воздушной линии появились нулевые элементы, в ОД возник дефект, но он не потерял работоспособности. В этом случае говорят, что запас работоспособности его снизился, а следовательно, повысилась вероятность его отказа в дальнейшем.
Дефекты разделяют на одиночные и кратные (несколько сразу), логические (нарушение алгоритмов) и физические (элементы, связи).
При диагностировании могут решаться следующие задачи:
: z 1 – контроль работоспособности (КР); z 2 – поиск места и определение причины отказа – дефекта(ПД); z 3 – прогнозирование изменения состояния (ПИС). Какие из этих задач решаются в процессе диагностирования зависит от условий его выполнения и особенностей электроэнергетического оборудования.
Первая задача обязательно решается при диагностировании объектов любого назначения. Контроль работоспособности предполагает проверку соответствия значений диагностических признаков ОД требованиям технической документации и определение на этой основе вида технического состояния в данный момент времени. Видами технического состояния являются работоспособное и неработоспособное. Поэтому в дальнейшем наряду с понятием контроль технического состояния употребляются понятия контроль работоспособности и контроль запаса работоспособности.
В том случае, когда ОД утратил работоспособность или запас работоспособности значительно снизился, при диагностировании может решаться вторая задача . Целесообразность решения ее определяется возможностью восстановления ОД, устранения возникшего дефекта, т.е. восстановления работоспособности ОД. В свою очередь, устранить возникший дефект можно только, если ОД ремонтопригоден и приспособлен к устранению возникающих в нем дефектов, а обслуживающий персонал имеет средства и время для его восстановления. Поиск возникшего дефекта начинается при условии, что уже известно о наличии дефекта, но неизвестно, какой именно дефект возник.
При решении третьей задачи изучается характер изменения диагностических параметров под влиянием внешних и внутренних воздействий и на основе сформировавшихся тенденций предсказывается значение параметров в будущий момент времени.
Наиболее распространенными сочетаниями задач, решаемых в процессе диагностирования являются:
контроль работоспособности (запаса работоспособности) и поиск возникшего дефекта;
контроль работоспособности (запаса работоспособности) и прогнозирование технического состояния;
контроль работоспособности (запаса работоспособности), поиск возникшего дефекта и прогнозирование технического состояния.
Первый случай имеет место тогда, когда диагностируется восстанавливаемый ОД. В этом случае на основе полученного диагноза обслуживающий персонал проводит работы по восстановлению его работоспособности. Второй случай характерен для ОД, когда обслуживающий персонал, учитывая диагноз, принимает решение об использовании или режиме его использования. Третий случай наблюдается при наличии у восстанавливаемого ОД необходимости установления срока его безотказного функционирования. Такое положение типично для диагностирования высокосложных и особо ответственных ОД.
При решении основных задач диагностирования возможны различные действия по формированию диагноза (рис.6.3):
а) при положительном результате КР:
выдача заключения о работоспособности ОД;
контроль запаса работоспособности (КЗР) объекта диагностирования и выдача заключения о его состоянии;
прогнозирование изменения состояния (ПИС) объекта диагностирования и выдача заключения о его состоянии;
б) при отрицательном результате КР:
выдача заключения о неработоспособности ОД;
поиск возникшего дефекта (ПД) и выдача заключения о состоянии ОД.
При этом возможны следующие виды диагноза:
1) "Работоспособен", "Годен", "Да";
2) степень работоспособности 10,...,50,...,100%;
3) оборудование проработает 10000ч;
4) "Неработоспособен", "Не годен", "Нет";
5) "Износ изоляции силового трансформатора".
В основу методологии технической диагностики положены следующие исходные положения.
1. Допущение о том, что объект может находиться в конечном множестве состояний S , которое определяется ограниченными возможностями измерительных средств (рис.6.4). В множестве S выделяются два непересекающихся подмножества : Sр – подмножество работоспособных состояний; Sн – подмножество неработоспособных состояний.
Подмножество Sр ={s i }, включает все состояния, которые позволяют ОД выполнить возложенные на него функции или решить поставленные перед ним задачи, т.е. когда ОД работоспособен. Каждое состояние в этом подмножестве различается запасом работоспособности, который характеризуется приближением состояния объекта к предельно допустимому. Состояние оценивается путем измерения и контроля параметров (рис.6.5) или характеристик.
Подмножество S н = {s j }, включает все состояния, соответствующие возникновению в объекте дефектов, приводящих к потере его работоспособности. Мощность подмножества S н определяется количеством различимых дефектов или глубиной поиска дефектов.
При допусковом контроле работоспособности i = 1, j = 1. Если дается заключение "не годен меньше-годен-не годен больше" i = 1, j = 2.
2. Решение задач по оценке состояния объекта сводится к анализу множества S , если отсутствует информация о состоянии ОД; подмножества S н или S р ,если информация о состоянии ОД имеется.
При контроле работоспособности проверяются условия работоспособности и полученные результаты относят к одному из подмножеств S р или S н . Условия работоспособности определяются как ограничения на диагностические признаки, при выполнении которых ОД может выполнить поставленные перед ним задачи или возложенные на него функции.
При поиске возникшего дефекта, когда установлено, что объект неработоспособен, осуществляется анализ подмножества состояний S н и устанавливается, какому именно состоянию s j соответствует его текущее состояние. В случае резкого снижения запаса работоспособности поиск дефекта возможен в подмножестве работоспособных состояний S р . Необходимость поиска дефектов определяется ремонтопригодностью объекта и требованием минимизации времени его технического обслуживания и восстановления.
При прогнозировании работоспособного состояния объекта осуществляется анализ подмножества S р состояний, причем каждому состоянию соответствует определенный запас работоспособности объекта. Анализ состояний объекта в подмножестве S р позволяет установить характер изменения запаса его работоспособности и в ряде случаев предсказать моменты перехода объекта в подмножество состояний S н и, следовательно, спрогнозировать состояние объекта.
3.Возникновение в объекте дефекта не означает, что он неработоспособен. Появление дефекта приводит к тому, что объект из одного состояния s k переходит в другое состояние s l . Однако при этом могут не нарушаться условия работоспособности. Это происходит в том случае, когда s k и s l относятся к подмножествусостояний S р (в случае резервирования). Таким образом, работоспособный объект может иметь дефект, так же как и неработоспособный. Следовательно, заключение о том, что ОД работоспособен, не означает, что в нем отсутствуют дефекты. С другой стороны, если ОД неработоспособен, то в нем обязательно имеется дефект.
4. В процессе диагностирования участвуют объект диагностирования (ОД), средства технического диагностирования (СТД) и человек оператор (ЧО). Их совокупность образует систему диагностирования (рис.6.6).
Рассмотренные положения являются основой, позволяющей создавать системы диагностирования ЭУ. При этом объект должен иметь диагностическое обеспечение – комплекс диагностических признаков, алгоритмы и средства, необходимые для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта.
Оборудование – собирательный термин, который включает в себя машины, агрегаты, механизмы, узлы, а также аппараты, колонны, установки, технологические линии, электротехнические и теплотехнические объекты, сети, технологические и обвязочные трубопроводы и другие устройства, используемые при производстве продукции и выполняющие те или иные технологические функции. Примеры оборудования: энергетическое, механическое, электрическое, химическое, машиностроительное.
Термин «агрегат» имеет два прочтения:
Машина – комплекс механизмов, предназначенный для выполнения полезной работы, связанной с процессом производства, транспортировки, преобразования энергии или информации. Примеры: машина для вскрытия чугунной летки, разливочный кран и др.
Механизм – система кинематически связанных узлов и деталей, предназначенная для преобразования вида движения. Примеры: редуктор, кривошипно-шатунный механизм, винтовая передача и др.
Узел – изделие, составные части которого соединяют между собой на предприятии-изготовителе. Это сборочная единица, собираемая отдельно от других составных частей изделия или изделия в целом, способная выполнять определенную функцию в изделиях одного назначения только совместно с другими составными частями. Термин соответствует агрегату как части механического оборудования, включая разъёмное или неразъёмное соединение нескольких деталей. Примеры: подшипник, узел барабана, ролик конвейера и др.
Деталь – изделие, изготовленное из материала одной марки без применения сборочных операций. Это изделие, изготовленное как одно целое, разделение которого на части невозможно без повреждения. Примеры: вал, гайка, болт, лопатка, зубчатое колесо и др.
Стадии существования машины: проектирование, изготовление и эксплуатация. Идеи и свойства, заложенные конструкторами и машиностроителями, реализуются и проявляются на стадии эксплуатации.
Эксплуатация – совокупность всех фаз существования оборудования с момента взятия на балансовый учёт и до списания, включая периоды хранения, транспортирования, использования по назначению и все виды технического обслуживания и ремонта.
Хранение – комплекс мероприятий по защите от разрушающего воздействия внешней среды и разукомплектования. Ревизия – комплекс работ по установлению степени износа изделия для определения необходимого объёма ремонтных работ. Сборка – комплекс работ по воссозданию изделия из составных частей. Монтаж – вид сборочных операций, выполняемых с использованием грузоподъёмных машин для установки изделия на место. Наладка – приведение фактических отклонений режимов работы в соответствие с нормативными. Разборка – расчленение изделия на составные части.
Техническое обслуживание – комплекс операций по поддержанию работоспособности или исправности изделия. Может включать: мойку, контроль технического состояния, очистку, смазывание, крепление резьбовых соединений, замену составных частей, регулировку.
Текущий ремонт – ремонт, выполняемый для обеспечения или восстановления работоспособности изделия путём замены или восстановления отдельных частей. Капитальный ремонт – ремонт, выполняемый для восстановления исправности и близкого к полному восстановлению ресурса изделия с заменой его частей, включая базовые.
Плановый ремонт – ремонт, остановка на который осуществляется по требованиям нормативно-технической документации. Неплановый ремонт – ремонт, осуществляемый без предварительного назначения. Регламентированный ремонт – плановый ремонт, выполняемый с периодичностью и в объёме установленном эксплуатационной документацией. Ремонт по техническому состоянию – плановый ремонт, объём и сроки которого определяются техническим состоянием изделия.
Исправное состояние – состояние объекта, при котором он способен выполнять все заданные функции объекта.
Неисправное состояние – состояние объекта, при котором он неспособен выполнять хотя бы одну из заданных функций объекта. Неисправность часто является следствием отказа объекта, но может иметь место и без него.
Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором он способен выполнять все требуемые функции.
Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором он неспособен выполнять хотя бы одну из требуемых функций.
Критическое состояние – состояние объекта, которое может привести к травмам работающего персонала, значительному материальному ущербу или другим неприемлемым последствиям. Критическое состояние не всегда является следствием критической неисправности. Для конкретного объекта должны быть установлены критерии критического состояния.
Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состоянии невозможно или нецелесообразно. Предельное состояние наступает тогда, когда параметр потока отказов становится неприемлемым и (или) объект считают неремонтопригодным в результате неисправности.
Техническое состояние определяется наличием и развитием в объекте неисправностей. Виды неисправностей:
Развитие неисправностей приводит к отказу.
Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, т. е. в утрате объектом способности выполнять требуемую функцию. Отказ является событием в отличие от «неисправности», которая является состоянием и причиной отказа.
Сбой – самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора. Это событие, при котором в результате временного изменения параметров объекта возникают помехи, воздействующие на работоспособность.
В зависимости от необходимости проведения технического обслуживания и ремонта различают следующие категории технического состояния :
Техническая диагностика – область знаний о распознавании состояния технических систем (объектов), исследующая формы проявления технического состояния, разрабатывающая методы и средства его определения.
Техническая система – материальный объект искусственного происхождения, который состоит из элементов, объединённых связями и вступающих в определённые отношения между собой и с внешней средой, для выполнения определенных полезных функций. Технической системой необходимо управлять для получения эффективного результата.
Управление – это процесс получения, хранения и обработки информации для организации целенаправленных действий.
Служба технического диагностирования – подразделение, обеспечивающее технические службы предприятия информацией о техническом состоянии, прогнозе и причинах появления данного состояния.
Диагностирование – операции, проводимые с целью установления наличия неисправности и определения причин ее появления.
Диагностирование технического состояния объекта осуществляется средствами диагностирования (аппаратными и программными).
Средства и объект диагностирования, взаимодействующие между собой, образуют систему диагностирования .
Результатом диагностирования является диагноз , определяющий техническое состояние – установление неисправности в объекте и отнесение объекта к определенной категории технического состояния. Осуществляется диагностирование в соответствии с разрабатываемым алгоритмом.
Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния) – совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования или контроля. В общем случае алгоритм ‑ последовательность действий, построенная по определенным правилам для достижения поставленной цели.
Основными задачами технической диагностики, как науки, являются:
Техническая диагностика изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Техническая диагностика базируется на двух теориях: теории распознавания и теории контролепригодности ().
Теория распознавания , используя диагностические модели при исследовании объекта, определяет решающие правила для распознавания текущего состояния и вида неисправности. Благодаря известным характеристикам неисправностей появляется возможность разработки оптимальных алгоритмов (последовательности) распознавания.
Теория контролепригодности решает вопросы рациональной последовательности поиска, отказавшего или неисправного элемента, контроля состояния объекта. Решения базируются на использовании диагностической информации характеризующей состояние объекта.
Контролепригодность – приспособленность объекта к измерению диагностических параметров средствами диагностирования, свойство изделия обеспечивать достоверную оценку технического состояния и раннее обнаружение неисправностей и отказов. Контролеспособность создается конструкцией изделия и принятой системой технического диагностирования.
Диагностическая модель – формализованное описание объекта технического диагностирования, необходимое для решения задач диагностирования. Формы описания: аналитическая, табличная, векторная, графическая.
Диагностический параметр – параметр (признак) объекта, количественно или качественно характеризующий техническое состояние объекта. Диагностические параметры имеют следующие градации: номинальный, предельно допустимый, предельно возможный, аварийный.
Главная задача диагностирования – получение информации о техническом состоянии объекта.
Стандартное определение по ГОСТ 20911-89 «Техническая диагностика. Термины и определения»: «Техническое состояние характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект».
Определение технического состояния по ГОСТ 19919-74: «Техническое состояние – совокупность подверженных в процессе производства или эксплуатации свойств объекта, характеризуемое в определенный момент признаками, установленными технической документацией на этот объект».
В основе диагностирования лежит решение задачи распознавания технического состояния объекта. Состояние объекта, применительно к механическому оборудованию характеризуется диагностическими параметрами: входными, выходными и внутренними ().
Входные параметры – внешние условия и управляющие воздействия (частота вращения, прилагаемый момент, сила, мощность, давление, подача, скорость). Выходные параметры (реакции) – параметры, показывающие поведение объекта (вибрация, шум, температура, равномерность вращения и др.). Внутренние параметры – параметры, определяющие структуру объекта и характеризующие процессы, происходящие внутри его (размеры деталей, зазоры, шероховатость, распределение сил и напряжений, механические характеристики материала и др.).
Влияние входных параметров при определении технического состояния должно быть исключено посредством приведения к стандартным условиям. Данное обстоятельство должно быть учтено при проведении измерений на испытательных стендах и в промышленных условиях. Измерения диагностических параметров необходимо выполнять при неизменной нагрузке.
Диагностические параметры могут быть прямыми – непосредственно отражающими внутренние параметры машин (момент, частота и равномерность вращения, зазоры, шероховатость поверхности) и косвенными – отражающими связь между внутренними и выходными параметрами (физические поля: вибрационные, акустические, тепловые). При решении задач диагностирования обычно предпочтение отдается косвенным параметрам благодаря большей доступности к проведению измерений на работающем оборудовании без разборки механизма.
Процесс функционирования механизма определяют не только внутренние свойства элементов механизма. На работоспособность механической системы влияют равнозначно прикладываемые силы, и качество технического обслуживания. Именно эти три фактора: внутренние свойства элементов, прикладываемые силы, качество технического обслуживания и ремонта определяют такое понятие как техническое состояние (
