Диагностика технического состояния объектов

Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов Лекция № 1 (конспект лекций) 1.1. Предмет Технической диагностики Основное назначение технической диагностики – повышение надежности объектов на этапе их длительной эксплуатации и предотвращение брака при изготовлении на заводе –изготовителе. Любой технический объект проходит следующие основные стадии: проектирование, изготовление и эксплуатация. Контроль технического состояния объекта проводится как на стадии проектирования (могут быть ошибки в расчетах, выборе материала, принятия допусков и т.д.), так и на стадиях изготовления (изготовление и испытание) и эксплуатации (хранение, транспортировка, использование по назначению). На каждом этапе к объекту предъявляются определенные технические требования, установленные нормативно-технической документацией. Дефекты, заложенные на стадии проектирования и в процессе изготовления, а также возникшие в процессе эксплуатации, нарушают это соответствие. Задачи технического диагностирования заключаются в своевременном выявлении дефектов, установления их видов, характера возникновения и развития, расположения, причин появления. Система технического диагностирования (СТД) представляет собой совокупность средств технического диагностирования, объекта диагностирования и обученных и аттестованных специалистов, нормативно-технической документации. Различают системы: тестового диагностирования (на объект подаются специальные тестовые воздействия от средств диагностирования) и функционального диагностирования (на объект диагностирования подаются только рабочие воздействия). Системы тестового диагностирования необходимы для проверки исправности и работоспособности, для поиска дефектов, нарушающих работоспособность объекта. Системы функционального диагностирования необходимы для проверки правильности функционирования объекта и для поиска дефектов, нарушающих правильность функционирования. СТРУКТУРА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Тестовая Функциональная Неразрушающие Тестовая Диагностика Мониторинг методы контроля диагностика обороудования УЗ Тестовая Вибродиагностика Контроль рабочих (ультразвуковой) вибродиагностика работающего параметров работы оборудования оборудования МП Тестирование Другие методы Температурный (магнитопорошковый) трубопроводов мониторинг давлением подшипников и корпусных деталей, Вихретоковой Тестирование вибрационный электрокабелей мониторинг и т.д. Капиллярный Тестовые включения Акустический Магнитная (импедансный) диагностика канатов Радиационный ВИК (визульно- измерительный) 1.2. Диагностика как основа обслуживания машин по фактическому техническому состоянию Одной из наиболее важных и актуальных проблем современного производства является повышение качества и надежности механизмов, машин и оборудования в любой отрасли промышленности. Это вызвано постоянным ростом энерговооруженности современных предприятий, оснащением их сложной техникой, внедрением автоматизированных систем обслуживания и управления. Известны традиционные пути увеличения надежности и ресурса, такие как • оптимизация систем (блочно-модульное исполнение и т.п.), • совершенствование конструкции и технологии изготовления отдельных элементов, резервирование механизмов, машин и оборудования, • увеличение коэффициента запаса (работа не на полную мощность, не на номинальном режиме и т.п.). До недавнего времени машины и оборудование, в том числе и на промышленных предприятиях, либо эксплуатировались до выхода их из строя, либо обслуживались по регламенту, т.е. осуществлялось планово-профилактическое техническое обслуживание . В первом случае эксплуатация оборудования до выхода из строя возможна при использовании недорогих машин и при дублировании важных участков технологического процесса. Более широкое распространение в настоящее время получило обслуживание по регламенту, т.е. планово-профилактическое техническое обслуживание, что обусловлено невозможностью или нецелесообразностью дублирования и большими потерями при непредусмотренных остановках машин или оборудования. В этом случае техническое обслуживание проводится с фиксированными интервалами времени. Но оказывается, что для многих машин обслуживание и ремонт по регламенту не снижает частоту выхода их из строя. Более того, надежность работы машин и оборудования после технического обслуживания часто снижается иногда временно до момента их приработки, а иногда это снижение надежности обусловлено появлением ранее отсутствующих дефектов монтажа. Очевидно, что увеличение эффективности, надежности и ресурса, а также обеспечение безопасной эксплуатации машин и механизмов тесно связано с необходимостью оценки их технического состояния. Это и определило формирование нового научного направления - технической диагностики, которое получило особо широкое развитие в последние десятилетия. Использование методов и средств технической диагностики позволяет значительно уменьшить трудоемкость и время ремонта и таким образом снизить эксплуатационные расходы. Следует отметить, что эксплуатационные расходы превышают расходы изготовления в несколько раз. Это превышение составляет, например, для самолетов в 5 раз, для автотранспорта в 7 раз, для станков в 8 раз и более. Если учесть, что за время эксплуатации механизм подвергается нескольким десяткам профилактических осмотров с частичной разборкой, до 10 вынужденных и плановых средних ремонтов и до 3 капитальных ремонтов, можно оценить, какой экономический эффект будет получен за счет внедрения средств технической диагностики. Внедрение средств технической диагностики позволяет: 1. предупреждать аварии, 2. повышать безотказность машин и оборудования, 3. увеличивать их долговечность, надежность и ресурс, 4. повышать производительность и объем производства, 5. прогнозировать остаточный ресурс, 6. снижать затраты времени на ремонтные работы, 7. сокращать эксплуатационные затраты, 8. уменьшать количество обслуживающего персонала, 9. оптимизировать количество запасных деталей, 10. снижать затраты на страхование. Таким образом, безопасная эксплуатация, повышение надежности и значительное увеличение ресурса машин, механизмов и оборудования невозможны в настоящее время без широкого применения методов и средств технической диагностики. Внедрение средств технической диагностики позволяет отказаться от обслуживания и ремонта по регламенту и перейти к прогрессивному принципу обслуживания и ремонта по фактическому состоянию, что дает значительный экономический эффект. В развитии средств оценки технического состояния машин и оборудования можно выделить 4 основных этапа: 1. контроль измеряемых параметров, 2. мониторинг контролируемых параметров, 3. диагностика машин и оборудования, 4. прогноз изменения их технического состояния. При контроле машин и оборудования достаточно информации о величинах измеряемых параметров и зонах их допустимых отклонений. При мониторинге контролируемых параметров необходима дополнительная информация о тенденциях изменения измеряемых параметров во времени. Еще больший объем информации требуется при диагностике машин и оборудования: определить место возникновения дефекта, идентифицировать его вид и оценить степень его развития. И наиболее сложной задачей является прогноз изменения технического состояния, позволяющий определить остаточный ресурс или период безаварийной работы. В настоящее время под термином «мониторинг технического состояния» понимается весь комплекс процедур оценки состояния машин или оборудования: 1. защита от внезапных поломок, 2. предупреждение об изменении технического состояния оборудования, 3. обнаружение на ранних этапах зарождающихся дефектов и определение места их появления, вида и степени развития, 4. прогноз изменения технического состояния оборудования. 1.3. Техническая диагностика как этап проведения промышленной безопасности опасных производственных объектов экспертизы В настоящее время в России около 80 % промышленного оборудования, зданий и сооружений отработало свой расчетный срок эксплуатации. Порядок продления срока службы технических устройств и опасных производственных объектов определен федеральным законом № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» и другими нормативными актами и руководящими документами Ростехнадзора. Каждое предприятие, которое занимается экспертизой и продлением срока эксплуатации объектов и технических устройств согласно установленных законом требований, должно иметь аттестованных экспертов, приборную и инструментальную базу для проведения неразрушающего контроля. Экспертная организация может привлекать по договору для проведения работ по техническому диагностированию аттестованные испытательные и аналитические лаборатории неразрушающего контроля. 2.1. Основные понятия и определения Технической диагностики Техническая диагностика - это область знаний (науки и техники), изучающая и разрабатывающая методы и средства определения и прогнозирования технического состояния механизмов, машин и оборудования. Техническое состояние — совокупность свойств объекта, определяющих возможность его функционирования (по технической документации) и подверженных изменению в процессе производства, эксплуатации и ремонта. Различают виды технического состояния – исправность и неисправность, работоспособность и неработоспособность, правильное и неправильное функционирование. Процесс определения состояния технического объекта называется диагностированием. Различают рабочее диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия и тестовое, при котором на объект подаются тестовые воздействия, вызывающие его реакцию. Конечный результат диагностирования, т. е. заключение о техническом состоянии объекта, называют диагнозом. (заключение, с указанием при необходимости, места, вида и причины дефекта) 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 — совокупность предписаний, правил, определяющих упорядоченную последовательность действий при проведении диагностирования. Алгоритм диагностирования реализуется с помощью средств технического диагностирования, под которыми понимается аппаратура, программы и ремонтноэксплуатационная документация, позволяющие определять состояние технического объекта. Узел, механизм, машина, оборудование, система, подлежащие (подвергаемые) диагностированию, называются объектами диагностирования (ОД). Часть ОД, которую при диагностировании нельзя разделить на более мелкие, называют элементом (структурной единицей — СЕ). Любой объект диагностирования состоит из элементов (в пределе из одного элемента). Состояние ОД оценивается по диагностическим признакам. Диагностический признак - свойство объекта, качественно отражающее его состояние, в том числе и появление различных видов дефектов. Диагностическим признаком (ДП) называют параметр или характеристику, используемую при диагностировании. Параметры — физические величины: давление, диаметр, зазор, сила тока I, напряжение U, мощность Р и др. Характеристики — зависимость одной физической величины от другой, а именно: статическая характеристика, если величина не зависит от времени, частоты; динамическая характеристика, если такая зависимость есть. Каждому состоянию соответствует определенное значение диагностического признака. Часто пользуются термином Диагностический симптом - это разность между фактическим и эталонным значениями диагностического параметра. Эталонное значение параметра – Эталонное значение указывает, какую величину будет иметь соответствующий параметр у исправного хорошо отрегулированного механизма, работающего при такой же нагрузке и таких же внешних условиях. Диагностические параметры выбираются в результате анализа диагностической модели, под которой понимается формальное описание ОД (в аналитической, табличной, графической и других формах), учитывающее изменение его состояния. Система технического диагностирования – совокупность средств и объекта диагностирования и, исполнителей, подготовленная к диагностированию или осуществляющая его по правилам, установленным соответствующей документацией. Диагностическое правило - совокупность диагностических признаков и параметров, характеризующих появление в объекте определенного вида дефектов или неисправностей, и пороговых значений, разделяющих множества бездефектных объектов и объектов с разной величиной дефекта. Системы диагностирования подразделяются на локальные и общие. Локальная система диагностирования – система диагностирования составной части объекта или заготовки. Общая система технического диагностирования – система диагностирования объекта в целом. Понятие Работоспособности 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 объект функционирует штатно. Неработоспособное состояние — состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического признака, характеризующего выполнение заданных функций, не соответствует установленным требованиям. Если объект выполняет часть функций, находясь в неработоспособном состоянии, то говорят что он функционирует нештатно. Переход из класса работоспособных состояний в класс неработоспособных называется отказом. Понятие отказа. При этом возможен полный отказ, приводящий к потере работоспособности и частичный отказ, приводящий к потере работоспособности и нештатному функционированию (например, цветной телевизор показывает черно-белое изображение,), т. е. объект продолжает функционировать с ухудшенными показателями. Степень ухудшения функционирования может быть от штатной работы до почти полного отказа. Отказ также бывает внезапным – скачкообразное изменение состояния объекта, постепенным – отказ, в результате длительного, постепенного изменения параметров (обычно при старении или изнашивании). Следующий (пятый) тип отказа — "перемежающийся", означающий, что он попеременно исчезает, а затем снова появляется. Это затрудняет определение местоположения отказавшего элемента, так как при проверке объекта он может оказаться работоспособным, а через некоторое время неработоспособным. Если отказ объекта не обусловлен отказом другого объекта, то его называют независимым, в обратном случае – зависимым. Отказ, возникший в результате несовершенства или нарушения установленных правил и норм конструирования называют конструктивным. Отказ в результате несовершенства или нарушения процесса производства или ремонта – технологическим. Отказ в результате нарушений условий эксплуатации – эксплуатационным. Понятие Дефекта Причиной отказов (потери работоспособности или резкого снижения запаса работоспособности) является дефект (от лат. defectus — изъян, недочет, недостаток). В ОД, состоящем из нескольких элементов, дефектом является отказ любого элемента, нарушение связи или появление связи между элементами. Возникновение в таком объеме дефекта не обязательно приводит к потере его работоспособности. При этом ОД сохраняет работоспособность при наличии в нем дефекта за счет избыточности (структурной, временной, информационной). В тех случаях, когда в ОД возник дефект, но объект не потерял работоспособность, говорят, что запас работоспособности его снизился, а следовательно, повысилась вероятность его отказа в дальнейшем. Дефекты (как и отказы) могут быть следствием ошибок при конструировании, изготовлении и эксплуатации (ремонтах), а также следствием естественного износа и старения оборудования при его эксплуатации. Все дефекты узлов и деталей можно разделить на две группы производственнотехнологические и эксплуатационные. Производственно-технологические дефекты возникают при плавке и литье, прокатке и ковке, соединении металлов, т.е. сварке, пайке, склеивании, при термической и электрохимической обработке, а также при механической обработке. Эксплуатационные дефекты появляются после некоторой наработки изделий и делятся на две основные группы: трещины различного происхождения (усталостные, коррозионно-усталостные, термической усталости, ползучести, термические) и коррозионные поражения (сплошные, точечные, язвенные, ножевые, расслаивающие и др.). Самым опасным считается Зарождающийся дефект - потенциально опасное изменение состояния объекта в процессе его эксплуатации, при котором значение информативного параметра (или параметров) не вышло за пределы допусков, задаваемых в технической документации. Поиск дефекта - диагностирование, целью которого является определение места и, при необходимости, причины и вида дефекта. Поиск дефекта осуществляется с определенной глубиной. Глубина поиска – характеристика поиска дефекта, задаваемая указанием составной части объекта или его участка с точностью до которой определяется место дефекта. 2.2. Задачи технической диагностики и формирование диагноза При диагностировании могут решаться задачи: • • • контроль работоспособности; поиск дефекта; прогнозирование состояния объекта. Какие из этих задач решаются в процессе диагностирования, зависит от условий его выполнения и особенностей ОД. Первая задача обязательно решается при диагностировании объектов любого назначения. Контроль работоспособности предполагает проверку соответствия значений диагностических признаков ОД требованиям технической документации. При этом возможны два вида контроля: качественный (допусковый) и количественный (запас 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, т. е. устранением возникшего дефекта. В свою очередь, устранить возникший дефект можно только, если ОД ремонтопригоден, т. е. приспособлен к устранению возникающих в нем дефектов, и обслуживающий персонал имеет средства и время для его восстановления. При решении третьей задачи изучается характер изменения диагностических параметров и на основе сформировавшихся тенденций предсказывается значение параметров в будущий момент времени. Например, можно спрогнозировать ресурс главной вентиляторной установки до ремонта на основе каких-либо тенденций. Наиболее распространенными сочетаниями задач, решаемых в процессе диагностирования являются: — контроль работоспособности (запаса работоспособности) и поиск дефекта; — контроль работоспособности (запаса работоспособности) и прогнозирование состояния; — контроль работоспособности (запаса работоспособности), поиск дефекта и прогнозирование 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 высокосложных и особо ответственных ОД. При решении основных задач диагностирования возможны различные действия по формированию диагноза (рис.2.1): а) при положительном результате контроля работоспособности (КР): — выдача заключения о работоспособном состоянии ОД; — контроль запаса работоспособности (КЗР) объекта диагностирования и выдача заключения о его состоянии; — прогнозирование состояния (ПС) объекта диагностирования и выдача заключения о его состоянии; б) при отрицательном результате КР: — выдача заключения о неработоспособном состоянии ОД; — поиск возникшего дефекта (ПД) и выдача заключения о состоянии ОД. Возможны следующие виды диагноза (см. рис.2.1.): Рис. 2.1. Процесс постановки диагноза 1) "Работоспособен", "Годен", "Да"; 2) степень работоспособности 10, ..., 50, ..., 100% или "отлично" "хорошо", "удовлетворительно"; 3) оборудование проработает 700 ч; 4) "Неработоспособен", "Негоден", "Нет"; 5) "Износилась щетка машины постоянного тока", "Сломалось поршневое кольцо в i-м цилиндре", "Износилась шестерня редуктора" и др. З.1. Основные принципы и положения технической диагностики Техническая диагностика базируется на основных принципах и допущениях: 1. Допущение о том, что объект может находиться в конечном множестве состояний S (рис. 3.1.). Это определяется ограниченными возможностями измерительных средств и глубиной познания объекта. Рис 3.1. Иллюстрация конечности множества состояний В множестве S можно выделить два непересекающихся подмножества S p ∪ Sн где S p — подмножество работоспособных состояний; Sн подмножество неработоспособных состояний. Рис. 3.2. Иллюстрация множеств работоспособных и неработоспособных состояний Подмножество S p = {si }, i = 1, n состояния, которые позволяют ОД выполнить возложенные на него функции , т. е. когда ОД работоспособен. Каждое состояние в этом подмножестве различается запасом работоспособности, который характеризуется приближением состояния объекта к предельно допустимому. Оценивается состояние путем измерения и контроля параметров ξ (рис. 3.2) или характеристик. Подмножество Sн = {s j }, j = 1, m включает все состояния, соответствующие возникновению в ОД дефектов, приводящих к потере его работоспособности. Мощность подмножества Sн определяется количеством различимых дефектов. 2. Решение задач по оцениванию состояния ОД сводится к анализу множества S при отсутствии информации о его состоянии, подмножества S p и ли Sн при ее наличии. При контроле работоспособности проверяются условия работоспособности, и полученные результаты относят состояние объекта к одному из подмножеств S p или Sн В случае резкого снижения запаса работоспособности поиск дефекта возможен в подмножестве работоспособных состояний S p . При прогнозировании состояния объекта осуществляется анализ подмножества S p состояний, что позволяет установить характер изменения запаса его работоспособности и в ряде случаев предсказать моменты перехода ОД в подмножество Sн состояний. 3. Возникновение в ОД дефекта не означает, что он неработоспособен. Появление дефекта приводит к тому, что ОД из одного состояния sk переходит в другое состояние sl . Однако при этом могут не нарушаться условия работоспособности. С другой стороны, если ОД неработоспособен, то в нем обязательно имеется дефект. 4. Само по себе значение параметра состояния или диагностического параметра еще не дает оценки технического состояния объекта. Чтобы оценить состояние машины или оборудования необходимо знать не только фактические значения параметров, но и соответствующие эталонные значения. Разность между фактическим s ф и эталонным s э эт значениями диагностических параметров называется диагностическим симптомом: D = θФ − θ э Таким образом, оценка технического состояния объекта определяется отклонением фактических значений его параметров от их эталонных значений. Следовательно, любая система технической диагностики работает по принципу отклонений (принцип Солсбери). Погрешность, с которой оценивается величина диагностического симптома, в значительной степени определяет качество и достоверность диагноза и прогноза контролируемого объекта. 5. В процессе диагностирования участвуют, как правило, ОД, средства технического диагностирования (СТД) и человек-оператор (ЧО). Их совокупность образует систему диагностирования . При этом ОД имеет диагностическое обеспечение — комплекс диагностических признаков, методов, алгоритмов и средств, необходимых для диагностирования на всех этапах жизненного цикла технического объекта. 3.2. Основные этапы разработки системы технического диагностирования Первым этапом разработки системы диагностирования является изучение объекта диагностирования (его назначения, конструкции, параметров, материала и т.д.) Второй этап - определение номенклатуры наиболее вероятных дефектов, которые представляют опасность для функционирования объекта и должны обнаруживаться в процессе диагностики. (для этого проводятся специальные исследования причин наиболее частых отказов, изменений параметров состояния, которые изменяются у аналогичных объектов вышедших из строя или отработавших свой ресурс). Кроме того, изучаются условия и признаки проявления дефектов. Для малоизученных дефектов проводится физическое моделирование. Третий этап – выбор известной или построение новой математической модели объекта и соответствующие ей модели возможных дефектов. Четвертый этап – построение диагностической модели объекта. На четвертом этапе решаются следующие задачи: 1) определение совокупности возможных параметров состояния, диагностических признаков и диагностических параметров, которые могут быть измерены для определения технического состояния объекта. Как правило, из всех возможных параметров выбирают именно те, которые наиболее доступны для измерения, имеют минимальные ошибки измерения диагностических симптомов и позволяют обнаруживать дефекты на начальной стадии. Эта задача решается на основе исследований о влиянии различных дефектов на параметры состояния и диагностические параметры сигналов контролируемых объектов. 2) оптимизация совокупности измеряемых параметров состояния и диагностических признаков. Эта совокупность должна по возможности отражать развитие всех дефектов определяющих состояние или ресурс механизма или машины в целом. Желательно что-бы каждый диагностический признак из выбранной совокупности отражал бы развитие какого-то одного дефекта. При выборе диагностических признаков предпочтение отдается тем, которые в значительной степени зависят от дефектов, а не от режимов работы механизма. 3) определение для каждого параметра не только его эталонного значение (характеризующее состояние бездефектного объекта), но и пороговых значений (пороговые уровни), характеризующих состояние объекта с дефектом определенной величины, т.е. определяющее допустимое изменение данного контролируемого параметра. Параметр состояния может иметь несколько (например три) пороговых значения, характеризующих степень развития дефекта, т.е. зарождающийся, средний и сильный. 4) создание правил измерения диагностических параметров и правил принятия решений в тех случаях, когда одним и тем же дефектам соответствует группа различных признаков и параметров и, что наиболее сложно, когда один и тот же признак отвечает за появление разных дефектов в различных режимах работы объекта. Эталонные и пороговые значения параметров состояния могут определяться различными способами. Один из них расчетный – с использованием математической модели объекта. Эталонные и пороговые значения рассчитываются для конкретного режима работы с учетом конкретных внешних условий. Другой способ определения эталонных и пороговых значений – определение их по результатам непосредственных измерений параметров состояния или диагностических параметров. Эталонные и пороговые значения могут определяться либо по измерениям одних и тех же параметров у группы одинаковых объектов, работающих в одинаковых режимах и внешних условиях, либо по периодическим измерениям этих параметров у одного объекта. Для определения пороговых значений параметров, характеризующих дефект конкретного вида, используется термин Пороговые значения дефектов. Еще один способ определения пороговых значений дефектов - экспериментальное многократное моделирование дефектов в однотипных объектах со статистической оценкой величины соответствующего диагностического симптома. Как уже упоминалось, может использоваться несколько пороговых значений дефектов. Если погрешность измерения симптома велика, чаще всего используется два порога – порог допустимых отклонений диагностического параметра от эталонного значения и порог аварийного отклонения диагностического параметра. При уменьшении погрешности измерения симптома, количество порогов может быть больше, например слабого, среднего и сильного дефектов, а также аварийный порог. После решения четвертой задачи, наиболее сложной с практической точки зрения, следующим этапом будет выбор методов и составление алгоритма диагностирования, анализирую модель объекта. Далее следует оценка качества полученного алгоритма: основные характеристики – полнота обнаружения возможных дефектов, глубина поиска. Если указанные характеристики не соответствуют требуемым, то либо проводят доработку алгоритма, либо разрабатывают новый, применяя другие методы диагностирования. Шестой этап - выбор технических средств измерений и анализа диагностических сигналов, которые реализуют выбранный алгоритм диагностирования. На этом этапе также осуществляется выбор точек контроля диагностических параметров и режимов работы объекта во время диагностирования. Основной задачей при этом является минимизация затрат на диагностирование без потерь качества диагностики (т.е. минимальная вероятность пропуска дефектов). Далее проводится оценка выбранных или разработанных средств диагностирования (достоверность, безотказность и т.д.). Если какие-либо характеристики ТСД не соответствуют требуемым, то либо проводят их доработку, либо разрабатывают другие, не меняя алгоритм диагностирования. 3.3. Диагностирование технических объектов в их жизненном цикле Существуют три стадии жизненного цикла технических объектов: проектирование, изготовление и эксплуатация. Определим каждую из них, Проектирование — процесс анализа, планирования затрат и сроков разработки, задания требований, разработки технической (конструкторской) документации, по которой создается объект, и эксплуатационно-технической документации, по которой объект будет эксплуатироваться. Изготовление — процесс реализации технических требований в "металле", включая испытания как этап комплексной проверки характеристик оборудования, собранного из частей (для судов швартовые, ходовые). Эксплуатация — совокупность организационно-технических мероприятий, обеспечивающих правильное применение объекта по назначению, постоянную готовность его к применению, поддержание работоспособного состояния объекта и продление его ресурса. К этапам эксплуатации относятся следующие: транспортировка, хранение, применение по назначению, техническое обслуживание (ТО), ремонт. При проектировании надежность закладывается, при изготовлении обеспечивается, при эксплуатации расходуется, С позиции технической диагностики при проектировании объект приспосабливается к диагностированию и ремонту, при изготовлении создается работоспособный объект, при эксплуатации он поддерживается в работоспособном состоянии. Диагностирование возможно на всех этапах жизненного цикла. Для того чтобы можно было оценить состояние объекта (диагностировать), необходимо, во-первых, спроектировать объект, приспособленный к оцениванию его состояния с требуемой глубиной и достоверностью; во-вторых, создать средства диагностирования, которые позволяли бы оценить состояние объекта в заданных условиях; в-третьих, определить роль и функции человека-оператора, участвующего в диагностировании. Наибольшего эффекта при диагностировании объекта можно достичь только в том случае, когда решения, принимаемые при проектировании отдельных элементов СД, будут согласованы между собой. В процессе проектирования определяют эффективность СД, которая может быть достигнута на практике. Основной задачей в процессе изготовления объекта и средств диагностирования является обеспечение требований, предъявляемых к ним. Для этого необходимо оценивать их состояние. Например, состояние отдельных комплектующих изделий и состояние объекта в целом для проверки правильности сборки и монтажа, при настройке, наладке и испытаниях, а также при выходном контроле. При необходимости возможен поиск возникшего дефекта. В процессе эксплуатации диагностирование ведется непрерывно или периодически с целью контроля работоспособности объекта. В случае необходимости осуществляются прогнозирование или поиск возникшего дефекта для выполнения профилактических или восстановительных работ. Диагностирование на этом этапе позволяет обоснованно принимать решения об использовании объекта в требуемый момент времени. Если диагностирование осуществлять на всех этапах жизненного цикла объекта, то его эффективность повысится, а надежность может быть поддержана на уровне, заложенном при проектировании и обеспеченном при изготовлении. 4.1. Диагностические признаки Большинство диагностических параметров, отображающих состояние машин и механизмов, являются неэлектрическими величинами: линейные и угловые перемещения, виброускорения, расход газов и жидкостей, давление, температура, время, частота вращения, угловые скорость и ускорение. Часть диагностических параметров, которые присутствуют в явном виде в диагностической модели, называют прямыми. Те же параметры, через которые можно оценить прямые косвенным образом, называют косвенными. Например, глубину и ширину трещины можно оценить, измерив магнитную проницаемость, коэрцитивную силу и магнитную индукцию ферромагнитного материала. Прямыми параметрами могут быть износ, зазор в сопряжении, а косвенными — давление масла, время. Все диагностические параметры делятся на частные и обобщенные. Первые характеризуют состояние отдельных элементов составных узлов и агрегатов машин и механизмов, вторые — общее состояние машин и механизмов. К обобщенным параметрам относится, например, эффективная мощность. 4.2 Условия работоспособности Условие работоспособности задают областью работоспособности исходя из следующих предположений: - вектор состояний оборудования определен; - существует номинальный вектор состояний; - отклонение вектора состояний от номинального вектора допускается только в определенных пределах; - допустимые отклонения определяют область работоспособности объекта Условия работоспособности объекта можно представить в следующем виде: 1. нарушение условий работоспособности для параметров ξ iНОМ − ξ i ≥ ∆ i (условия работоспособности для параметров задаются неравенствами, которые ограничивают его значение) Пример: сопротивление изоляции более 50 Ом ξ i > ξ iH ξ i ≥ ξ iH Сопротивление изоляции не менее 50 Ом Амплитуда вибрации менее 2 мм ξi < ξ Амплитуда вибрации не более 2 мм ξi ≤ ξ Где ξ i − текущее значение, ξ iH , ξ iB − наименьшее и наибольшее допустимые значения диагностических параметров соответственно. B i B i В большинстве случаев на значения диагностических параметров задаются двусторонние ограничения ξ iH < ξ i < ξ iB - ( 3 A < I H < 5 A Ток нагрузки ) ξ iH ≤ ξ i ≤ ξ iB ( U Г = 27 ± 3 Напряжение генератора) Если состояние объекта определяется несколькими параметрами, то контроль работоспособности сводят к проверке рассмотренных неравенств для каждого параметра, если хотя бы одно неравенство не выполняется объект признается неработоспособным. 2. Если в качестве диагностических признаков рассматривается характеристика y = f ( x) , где x и y соответственно входная выходная характеристики, то условия работоспособности определяются отклонением текущей характеристики f ( x) от номинальной ϕ ( x) . При этом необходимо установить количественный критерий, который позволял бы оценивать сходство и различие этих характеристик. Таких критериев существует несколько: а) критерий среднего отклонения Интеграл в этом соотношении численно равен площади (рис. 4.1.), ограниченной функциями f(х) и у(х). Недостатком этого критерия является одинаковая чувствительность как к величине абсолютного отклонения, так и к длительности интервала, на котором оценивается отклонение; б) критерий среднеквадратичного отклонения Рис. 4.1. Номинальная ϕ (x) и текущая f (x) характеристики Рис. 4.2 «Маска» (область работоспособной характеристики) Этот критерий более чувствителен к величине отклонения, чем к длительности интервала, на котором это отклонение оценивается. Он наиболее часто используется на практике. В) критерий равномерного приближения ρ 3 ( f , ϕ ) = max | f ( x) − ϕ ( x) | a≤ x≤d В этом случае критерием близости является их максимальное отклонение на интервале [a,b]. Если максимальное отклонение мало, то на всем интервале определения функции будут мало отличаться друг от друга. В этих случаях условие работоспособности будет выглядеть в виде неравенства: ρ p ( f ,ϕ ) ≤ ε где ε − допустимое отклонение; p − вид критерия. Допустимое отклонение на всю характеристику может задаваться в виде маски (рис. 4.2.). В случае, если характеристика оценивается по точкам, условия работоспособности задаются для каждой точки в виде неравенства f ( xi ) − ϕ ( xi ) ≤ ε i , i = 1, n . Если неравенства справедливы для все совокупности рассматриваемых точек характеристики, то объект признается работоспособным. Для объекта состоящего из нескольких структурных единиц СЕ условием работоспособности является работоспособность каждой из структурных единиц. Состояние СЕ имеет 2 исхода: 1 – работоспособна, 0 – неработоспособна. Тогда условие работоспособности можно записать: S p = (1,...,1,...,1) . Для каждой структурной единицы условия работоспособности могут записываться в одном из приведенных выше виде. 4.3. Степень работоспособности Оборудование может оказаться в работоспособном состоянии, но с различным запасом работоспособности. Для оцениваемых признаков вводятся допуски, представляющие собой установленные опытным путем или расчетным допустимые границы изменения. Степень работоспособности, определяемая по одному параметру | ei − eiГ | C i (t , R) = ∆i ∆ i − допуск (область работоспособности); t, R − время и режим работы. Если умножить на 100, то степень работоспособности оценивается в процентах. Если состояние объекта определяется несколькими диагностическими параметрами, то C = 1 / M (θ ) Где M (θ ) − число, больше 0, которое при достижении какого-либо параметра своего граничного значения стремится к бесконечности. Например: M = N /Z e − eiГ N = ∑ ai i ∆i 2 − среднеквадратичное отклонение; ai − весовые коэффициенты диагностических параметров; e − eiГ Z =∏ i ∆i qi - произведение qi − произвольное число, выбираемое в зависимости от влияния параметра на работоспособность. При этом степень работоспособности объекта с несколькими диагностическими параметрами будет находится в пределах [C max ,0] . В качестве весовых коэффициентов при определении степени работоспособности объекта в зависимости от его особенностей могут использоваться различные показатели, получаемые расчетным или эмпирическим путем (например показатели надежности). 4.4. Методы контроля работоспособности Метод, основанный на контроле совокупности диагностических параметров. Для реализации этого метода должна быть выбрана минимальная совокупность диагностических признаков и на них заданы допустимые пределы изменения, при которых объект сохраняет работоспособность. Метод, основанный на контроле обобщенного диагностического параметра. В результате анализа диагностической модели может быть найден параметр, который характеризует состояние объекта в целом и зависит от других параметров (например: Мощность). Метод сравнения реакции ОД и эквивалентной модели. Этот метод находит применение при диагностировании сложных динамических объектов. Эквивалентная модель может быть представлена физической моделью (аналогичным объектом) и/или математической моделью (эквивалентным описанием). На вход ОД и модели подается один и тот же сигнал, изменяющийся во времени. На выходе сравниваются реакции Объекта и Эквивалентной модели. Условием работоспособности является требуемое значение разности: δ = y − y тр ≤ δ тр (в идеальном случае при адекватном описании объекта и работоспособном состоянии δ = 0 ) Основные недостатки метода: - трудность создания адекватной модели объекта; избыточность, так как требуется модель такого же порядка как и объект. 5.1. Поиск дефектов Одной из задач диагностирования при ремонте является обнаружение возникших дефектов. Все методы обнаружения дефектов можно разделить на три группы осмотра, индикации и поиска. Если известно, что ОД отказал или нештатно работает, вначале необходимо выполнить визуальный осмотр. При этом часто обнаруживаются поврежденные детали. Автоматическая индикация в настоящее время находит применение для различных ОД. В этом случае в объекте размещается определенное количество датчиков в соответствии с требуемой глубиной мониторинга, которые сигнализируют о возникновении дефекта. Такими датчиками могут быть термопары, термореле и другие элементы, реагирующие на перегрузки. В выпускаемых промышленностью источниках питания устанавливаются автоматы перегрузок, сигнализирующие о резком увеличении потребляемого тока при возникновении дефекта. При поиске дефект обнаруживается в процессе реализации ряда проверок, объединенных в алгоритм поиска дефекта. Сочетание слов "поиск дефектов" является синонимом хорошо известного термина "дефектоскопия", возникшего от слова дефект [лат. defectus 1 — изъян, недостаток, недочет и скоп(ия) [гр. skopeo] — смотрю, рассматриваю, наблюдаю и обозначающего обнаружение невидимых глазу дефектов в материалах и изделиях. 5.2. Алгоритмы поиска дефектов В ряде случаев неработоспособный элемент конструкции машины однозначно определяют по отклонению одного из диагностических параметров или при осмотре. Однако, как правило, отказ машины приводит к изменению функционирования ряда систем и установить дефект без проведения специальных процедур его поиска невозможно. Поиск дефекта состоит в непрерывном сужении области поиска местонахождения дефекта путем выполнения последовательности проверок. Такой подход сокращает количество проверок, что не только экономит время, но и сводит к минимуму вероятность ошибок. Для выбора последовательности проверок необходимо знать, как те или иные дефекты влияют на состояние ОД. Решение задачи поиска возникшего дефекта, в отличие от задачи контроля работоспособности, требует более длительного анализа ОД или его модели. При этом степень детализации определяется заданной глубиной поиска дефекта, т.е. указанием части ОД или его СЕ), с точностью до которой находится место дефекта. Поиск дефекта выполняется по алгоритму, включающему определенную совокупность проверок. При этом проверкой называется оценивание состояния СЕ по ее выходу или выходу ОД. Множество состояний в общем случае больше числа проверок, поскольку при выполнении одной проверки может быть найдено больше одного дефекта. Каждая проверка требует определенных затрат. При построении алгоритма поиска дефекта стараются выбрать такую последовательность проверок, которая позволяет найти дефект с наименьшими затратами. Поскольку каждая проверка делит пространство состояний на две части (включающая и не включающая искомое состояние), в результате выполнения последовательности проверок поиск приводит к определенному состоянию, соответствующему обнаружению СЕ, которая отказала. Последовательность выполнения проверок при поиске дефекта может быть представлена в виде графа (дерева), где вершинами являются проверки, а ветви указывают направление перехода в зависимости от результата проверки, конечные вершины — обнаруживаемые дефекты. После того как выполнена первая проверка, встает вопрос: "Куда дальше двигаться?". Ответ на него зависит, естественно, от результатов первой проверки. Здесь только два возможных результата: удовлетворительная (+) и неудовлетворительная (—) работа проверяемой СЕ. В последнем случае СЕ либо совсем не работает, либо работает с ухудшенными показателями. В любом случае полученный результат укажет на следующую проверку. Алгоритмы поиска дефектов могут быть трех видов: последовательные, параллельные и комбинированные. При последовательном поиске каждая проверка выделяет в пространстве поиска один дефект. Удовлетворить это условие можно для ОД, представленного в виде последовательной схемы соединения СЕ, когда известно, что на вход подается штатный сигнал, а по выходному сигналу можно определить наличие в ОД дефекта двумя путями: от начала к концу и от конца к началу. Проиллюстрируем алгоритм поиска дефекта на примере ОД, представленного на рис. 5.1,а. Рис. 5.1. Алгоритмы поиска дефектов В первом случае необходимо выполнить проверку π 1 в точке А, поскольку она позволит исключить из рассмотрения сразу один элемент CE1. Если сигнал — в допустимых пределах, то проверку π 2 следует выполнить в точке В, которая позволит определить состояние СЕ2. Если результат проверки отрицательный, то дефект — в данном элементе. Если положительный, то необходимо выполнить проверку π 3 в точке С. Если результат проверки положительный, то дефект — в СЕ4, в противном случае — дефект в СЕЗ. Алгоритм поиска представлен на рис. 5.1,б. Во втором случае (от конца к началу), если результат проверки π 1 в точке С положительный, то следующую проверку π 2 необходимо выполнить в точке В. При положительном результате — дефект в СЕЗ, при отрицательном выполняется проверка л:3. По результатам этой проверки отыскивается дефект либо в СЕ1, либо в СЕ2. Алгоритм поиска представлен на рис. 5.1., в. Число проверок N для нахождения всех дефектов определяется соотношением N = n-1; n — число СЕ объекта. При параллельном поиске ОД разбивается каждой проверкой на две равные или почти равные части, если соответственно в ОД четное или нечетное число СЕ. Так, для ОД из четырех СЕ (рис. 5.2,а) при реализации параллельного поиска первая проверка π 1 выполняется в точке В. Если результат отрицательный, то следующая проверка π 2 выполняется в точке Д, в результате чего определяется место нахождения дефекта (СЕ1 или СЕ2). В противном случае назначается проверка π 3 в точке С, позволяющая определить дефект в СЕЗ или СЕ4. Алгоритм приведен на рис. 5.2.,6. Рис.5.2. Параллельный алгоритм поиска дефектов Число проверок N, необходимых для нахождения всех дефектов через число СЕ, можем определить по формуле N = log2n. Полученное значение округляется до большего целого числа. При n=4 требуется две проверки, при n = 8 — три проверки. При комбинированном поиске имеет место сочетание последовательного и параллельного алгоритмов. Алгоритмы поиска дефектов могут быть построены на основе анализа структуры объекта или использования показателей, характеризующих надежность СЕ. 5.3. Методы построения алгоритмов поиска дефектов 1. Метод, основанный на показателях надежности. Строить алгоритм поиска дефектов можно на основе известных показателей надежности, в качестве которых используются показатели безотказности (вероятности отказа qi или безотказной работы pi ) и ремонтопригодности (время, затрачиваемое на обнаружение дефекта τ Пi ). Возможны три способа: — по показателям безотказности; — по показателям ремонтопригодности— по отношению τ Пi / qi ("время — вероятность"). Для построения алгоритмов поиска дефектов необходимо знать показатели qi и τ Пi , т.е. для каждой СЕ объекта, i=1, n. A. Алгоритм поиска дефекта может быть построен на основании известных значений вероятности отказа qi структурных единиц. При построении алгоритма поиска дефекта вводятся допущения: — длительности всех проверок равны, — отказы СЕ независимы, — одновременно отказывает только одна (любая) СЕ. В этом случае алгоритм поиска может быть последовательным. Для его реализации вероятности отказа qi упорядочиваются по величине, и последовательно выполняются проверки, начиная с СЕ, характеризуемой наибольшей величиной qi , и заканчивая СЕ, характеризуемой наименьшей величиной qi . Пример. Для ОД, состоящего из четырех СЕ, известны вероятности отказа каждой qi . q1 = 0,6 ; q2 = 0,1 ; q3 = 0,18, q4 = 0,12. Ранжируем СЕ по qi . Получаем: q1, q3, q4, q2. Этот порядок определяет структуру алгоритма поиска дефектов (рис.5.3.). Рис. 5.3.. Алгоритм поиска дефектов Б. Если имеется информация о времени, затрачиваемом на поиск дефекта каждой СЕ, то можно построить алгоритм поиска по правилу: проверку начинать с СЕ, на поиск дефекта которой затрачивается наименьшее время. Зная значения τ Пi , можно расположить их в ряд в порядке возрастания и построить алгоритм поиска. Пример. Для ОД, состоящего из трех СЕ, время τ Пi -: τ П 1 = 0,4ч; τ П 2 = 0,14ч; τ П 3 = 0,24 Алгоритм поиска дефектов имеет вид, показанный на рис. 5.4.. Рис. 5.4.. Алгоритм поиска дефектов B. Метод "время — вероятность" является наиболее совершенным, так как учитывает два показателя. В этом случае последовательность проверок должна удовлетворять условию, согласно которому номер проверки определяется отношением τ Пi / qi и возрастает с увеличением отношения. Метод, основанный на анализе таблиц состояний. Поиск дефекта в этом случае базируется на выборе минимальной совокупности проверок, позволяющих различить дефекты всех СЕ. Рассмотрим метод на примере ОД, представленного на рис. 5.5.. Рис. 5.5. Диагностическая модель объекта Пример. Считаем, что дефект каждой СЕ нарушает работоспособность ОД. Тогда множество неработоспособных состояний Sн будет включать пять элементов, т.е. -Sн = {sj}, i = 1, 5, где Sj — состояние неработоспособной СЕ. Обнаружить все дефекты в таком ОД можно, выполнив пять проверок, т. е. π = { π j } , j = 1, 5. При этом считаем, что каждая проверка может иметь два результата: 0 — СЕ неработоспособна, 1 — СЕ работоспособна. Можно ли сократить число проверок π Составим таблицу состояний в виде Таблицы 5.1: Таблица 5.1. Как видно, проверка π 5 не несет информации (все 0). Действительно, если известно, что ОД отказал, то проверка на его выходе не даст новой информации по поиску дефекта. Составим Табл 5.2 попарного сравнения всех состояний ОД для оценки различимости пар состояний той или иной проверкой. Если состояния различаются проверкой, то — 1, если не различаются, то 0. Таблица 5.2 Анализ табл. 5.2 показывает, что проверка π 1 различает четыре пары состояний, проверка π 2 — еще четыре пары состояний, проверка π 3 — лишь одну пару, а проверка π 4 - две пары состояний. Исключив π 3 , как наименее информативную, включим в алгоритм три проверки. Таким образом, количество проверок для диагностики объекта сократилось с 5 до 3. Информационный метод. Первой выбирается проверка, несущая максимум информации. При ее проведении мера неопределенности (энтропия) снижается. Вторая и последующие проверки выбираются по наибольшей условной информации с учетом энтропии после первой и последующих проверок. Процедура выбора проверок заканчивается когда энтропия становится равной 0. Простейший пример алгоритма – метод половинного деления, когда одной проверкой снимается половина неопределенности. Недостаток метода – метод применим для ОД с последовательным соединением элементов и имеющих равную вероятность отказа.