Предмет технической диагностики. Диагностика как основа обслуживания машин

Техническая диагностика (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 методы контроля Тестовая диагностика обороудования Диагностика Мониторинг УЗ (ультразвуковой) Тестовая вибродиагностика Вибродиагностика работающего оборудования Контроль рабочих параметров работы оборудования МП (магнитопорошковый) Тестирование трубопроводов давлением Другие методы Температурный мониторинг подшипников и корпусных деталей, вибрационный мониторинг и т.д. Вихретоковой Тестирование электрокабелей Капиллярный Тестовые включения Акустический (импедеансный) Магнитная 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 экспертизы промышленной безопасности опасных производственных объектов 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. Лекция 2 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 ремонтно-эксплуатационная 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 производственно-технологические 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. Лекция 3 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 где — подмножество работоспособных состояний; подмножество неработоспособных состояний. Рис. 3.2. Иллюстрация множеств работоспособных и неработоспособных состояний Подмножество 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 (рис. 3.2) или характеристик. Подмножество включает все состояния, соответствующие возникновению в ОД дефектов, приводящих к потере его работоспособности. Мощность подмножества определяется количеством различимых дефектов. 2. Решение задач по оцениванию состояния ОД сводится к анализу множества S при отсутствии информации о его состоянии, подмножества и ли при ее наличии. При контроле работоспособности проверяются условия работоспособности, и полученные результаты относят состояние объекта к одному из подмножеств или В случае резкого снижения запаса работоспособности поиск дефекта возможен в подмножестве работоспособных состояний . При прогнозировании состояния объекта осуществляется анализ подмножества состояний, что позволяет установить характер изменения запаса его работоспособности и в ряде случаев предсказать моменты перехода ОД в подмножество состояний. 3. Возникновение в ОД дефекта не означает, что он неработоспособен. Появление дефекта приводит к тому, что ОД из одного состояния переходит в другое состояние . 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 и эталонным эт значениями диагностических параметров называется диагностическим симптомом: 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. Лекция 4 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 (условия работоспособности для параметров задаются неравенствами, которые ограничивают его значение) Пример: сопротивление изоляции более 50 Ом Сопротивление изоляции не менее 50 Ом Амплитуда вибрации менее 2 мм Амплитуда вибрации не более 2 мм Где текущее значение, , наименьшее и наибольшее допустимые значения диагностических параметров соответственно. В большинстве случаев на значения диагностических параметров задаются двусторонние ограничения - ( Ток нагрузки ) ( 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 , где x и y соответственно входная выходная характеристики, то условия работоспособности определяются отклонением текущей характеристики от номинальной . 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 и текущая 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 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: где допустимое отклонение; 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 . 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: . 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 допуск (область работоспособности); время и режим работы. Если умножить на 100, то степень работоспособности оценивается в процентах. Если состояние объекта определяется несколькими диагностическими параметрами, то Где число, больше 0, которое при достижении какого-либо параметра своего граничного значения стремится к бесконечности. Например: среднеквадратичное отклонение; весовые коэффициенты диагностических параметров; - произведение произвольное число, выбираемое в зависимости от влияния параметра на работоспособность. При этом степень работоспособности объекта с несколькими диагностическими параметрами будет находится в пределах . 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: (в идеальном случае при адекватном описании объекта и работоспособном состоянии ) Основные недостатки метода: - трудность создания адекватной модели объекта; - избыточность, так как требуется модель такого же порядка как и объект. Лекция 5. 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 в точке А, поскольку она позволит исключить из рассмотрения сразу один элемент CE1. Если сигнал — в допустимых пределах, то проверку 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 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 в точке С положительный, то следующую проверку 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 выполняется в точке В. Если результат отрицательный, то следующая проверка выполняется в точке Д, в результате чего определяется место нахождения дефекта (СЕ1 или СЕ2). В противном случае назначается проверка 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 или безотказной работы ) и ремонтопригодности (время, затрачиваемое на обнаружение дефекта ). Возможны три способа: — по показателям безотказности; — по показателям ремонтопригодности- — по отношению / ("время — вероятность"). Для построения алгоритмов поиска дефектов необходимо знать показатели и , т.е. для каждой СЕ объекта, i=1, n. A. Алгоритм поиска дефекта может быть построен на основании известных значений вероятности отказа 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 упорядочиваются по величине, и последовательно выполняются проверки, начиная с СЕ, характеризуемой наибольшей величиной , и заканчивая СЕ, характеризуемой наименьшей величиной . Пример. Для ОД, состоящего из четырех СЕ, известны вероятности отказа каждой . q1 = 0,6 ; q2 = 0,1 ; q3 = 0,18, q4 = 0,12. Ранжируем СЕ по . 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 , можно расположить их в ряд в порядке возрастания и построить алгоритм поиска. Пример. Для ОД, состоящего из трех СЕ, время -: 1 = 0,4ч; 2 = 0,14ч; 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 / 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. = {} , j = 1, 5. При этом считаем, что каждая проверка может иметь два результата: 0 — СЕ неработоспособна, 1 — СЕ работоспособна. Можно ли сократить число проверок Составим таблицу состояний в виде Таблицы 5.1: Таблица 5.1. Как видно, проверка 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 различает четыре пары состояний, проверка — еще четыре пары состояний, проверка — лишь одну пару, а проверка - две пары состояний. Исключив , 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. Лекция 6 Прогнозирование состояния технических объектов Выполнить достоверное прогнозирование можно только в том случае, когда известны условия, в которых ОД будет применяться. При этом под условиями понимаются: режимы использования, характер нагрузки, внешние факторы (температура, влажность и т.п.). Чем больше физических процессов, являющихся причинами деградации объекта, тем сложнее характер изменения работоспособности, тем труднее осуществить точное прогнозирование. При решении задачи прогнозирования находят применение два понятия: интерполяция или аппроксимация (лат. interpolatio — изменение), означающее определение промежуточных значений функции по некоторым известным ее значениям, экстраполяция (лат. extra+polire — сверх+гладкий), характеризующее определение значений функции за пределами интервала, где известны ее значения. При решении этой задачи имеем дело со случайными процессами, представляющими изменения случайной величины при изменении неслучайного параметра. Случайными величинами являются значения диагностических признаков, а неслучайным параметром — время. При этом изменения параметров, случайные для одного объекта, имеют устойчивый статистический характер для группы объектов. Причем явно выражена тенденция к монотонности и плавности, что является одной из решающих предпосылок для прогнозирования. Прогнозирование возможно, если в случайном процессе, характеризующем изменение параметра, можно выделить тренд (англ. trend — тенденция, уклон), т. е. принципиальной основой прогнозирования служит предположение о существовании единых закономерностей, определяющих износ или старение. Тренды, представляют собой зависимость диагностических параметров или симптомов от времени. На Рис 6.1 приведен тренд характеризующий 4 основные этапа изменения характеристик вибрации, что соответствует 4 этапам жизненного цикла оборудования. Первый этап Т1 – приработка машины, второй Т2 – нормальная работа, третий Т3 – развитие дефекта, четвертый Т4 – этап деградации (развитие цепочки дефектов с момента, когда появляется необходимость в ремонте, до момента возникновения аварийной ситуации). Рис. 6.1.. Типовой тренд изменения диагностического параметра Наибольшая практическая сложность для решения задач диагностики возникает на первом этапе. Это обусловлено возможностью появления специфических дефектов монтажа, изготовления, многие из которых после приработки исчезают, что затрудняет их систематизацию. Существует два основных вида прогнозирования состояния объектов диагностики. Первый по тренду, построенному в результате аппроксимаций ретроспективных данных с дальнейшей экстраполяцией аппроксимирующей функции. В этом случае прогнозирование требует знания предельного значения диагностического симптома и фактической кривой тренда, который совсем не обязательно бывает линейным и может характеризоваться большим разбросом точек (рис 6.2.). Остаточный ресурс при условии монотонности тренда может быть оценен как интервал времени с момента последнего измерения до времени, соответствующего точке пересечения линии тренда и некого предельного уровня диагностического параметра (симптома). Второй тип прогнозирования – по заранее известному тренду, построенному с момента начала работы однотипных машин до полного их выхода из строя, т.е. по всему их жизненному циклу.(Рис.6.3.). Остаточный ресурс здесь это разность времени соответствующего предельному значению диагностического симптома и времени соответствующего значению диагностического симптома на момент его измерения. Рис. 6.2.. Прогнозирование остаточного ресурса по ретроспективным данным Рис. 6.3.. Прогнозирование по заранее известному тренду. Рис. 6.4.. Тренд - зависимость диагностического симптома от времени с момента развития первого дефекта до полного выхода машины из строя Во многих практических случаях тренды могут быть немонотонными. Так, на рис. 6.4. представлен тренд, участок I которого характеризует развитие одного дефекта, на участке II наблюдается стабилизация уровня вибрации и на участке III производная изменения уровня вибрации увеличивается в результате появления еще одного дефекта. В этом случае достоверный прогноз состояния объекта и оценка остаточного ресурса возможны только на последнем участке развития цепочки дефектов. Модели процессов износа и старения можно представить как процесс вытекания вязкой жидкости (рис. 6.5.). Аналоги физических параметров, определяющих процесс износа или старения: Рис. 6.5.. Аналог математической модели износа и старения: НТ – нерегулируемый трубопровод; РТ – регулируемый трубопровод; Н – насос; ОТ – обратный трубопровод. — время вытекания жидкости, измеряемое уровнем h жидкости в резервуаре, соответствует времени t — вязкость жидкости 0, зависящая от ее температуры, плотность жидкости и статическое давление действующее на жидкость, соответствуют параметрам окружающей среды при работе ОД; — длина и площадь сечения трубопровода, по которому вытекает жидкость из резервуара, соответствуют параметрам нагружения сопряженных элементов ОД. Дифференциальное уравнение вязкого течения жидкости из резервуара имеет вид: где h — уровень жидкости; vp T, vH T, v0 т — скорости вытекания жидкости из регулируемого, нерегулируемого и обратного трубопроводов. Поскольку скорости истечения пропорциональны кинематической вязкости и являются функциями времени, уравнение примет вид По аналогии уравнение для диагностического параметра, определяющего износ и старение ОД, запишется где X — обобщенный диагностический признак (например, вибропараметр) ; к — коэффициент пропорциональности, зависящий от скорости протекания процесса износа или старения; f(X) — функция, определяемая принятой гипотезой о характере процессов износа или старения рассматриваемого ОД. Для анализа процессов износа или старения принимают пять видов гипотезы (табл. 6.1.). Таблица 6.1. Для решения задачи прогнозирования весь период использования технического объекта разделяется на два интервала: Т1 — интервал наблюдения за состоянием объекта; Т2 — интервал, в котором осуществляется прогнозирование. Естественно, что чем больше Т1, тем достовернее прогноз, поскольку с увеличением Т1 возрастает объем информации о прогнозируемом процессе. Однако увеличение интервала наблюдения приводит к дополнительным затратам, связанным с выполнением длительного эксперимента или дополнительной обработкой данных, характеризующих состояние объекта. В связи с этим на практике при прогнозировании состояния ОД стараются по возможности сократить величину Т1. Задача прогнозирования изменения состояния объекта может быть решена методами экстраполяции или классификации. При экстраполяции реализуется принцип переноса на будущее тенденций прошлого. Процедура прогнозирования включает анализ результатов наблюдения, построение аналитического выражения, связывающего результаты наблюдения (интерполяцию) и, соответственно, экстраполяцию с помощью полученного выражения. При классификации необходимо обнаружить общие черты в различных объектах, их систематизировать и отнести к классу известных. В зависимости от используемого математического аппарата различают три вида прогнозирования: 1) аналитическое, основанное на степенных рядах и уравнениях регрессии; 2) вероятностное, основанное на теории вероятности; 3) статистическая классификация, основанная на теории распознавания образов. Решение задачи прогнозирования для конкретного ОД позволяет: — выявить узлы (блоки) объекта, работоспособность которых существенно изменится в ближайшее время; — обосновать количество запасных блоков или узлов перед очередным использованием и объем запасных частей на весь период эксплуатации объекта; — определить сроки проведения профилактических работ, направленных на обеспечение работоспособности объекта. Аналитическое прогнозирование Методы экстраполяции, используемые для определения значения прогнозируемой переменной, называются аналитическими, или методами аналитического прогнозирования. При выборе математического аппарата для решения задачи аналитического прогнозирования необходимо предварительно определить диагностические параметры. Оценить параметры каждого элемента, входящего в объект, технически сложно из-за их большого количества, поэтому стараются выбрать минимум (в пределе — один) диагностических параметров, обеспечивающий требуемую достоверность прогнозирования изменения состояния объекта. Выбранные параметры должны быть чувствительными к изменениям, происходящим в элементах, входящих в объект диагностирования, т. е. любая наметившаяся тенденция изменения состояния составляющих элементов должна отражаться на поведении выбранного диагностического параметра. Рассмотрим постановку задачи прогнозирования. Для простоты будем считать, что работоспособность объекта определяется одним параметром £. В этом случае прогнозирование работоспособности ОД рассматривается как прогнозирование изменения функции £ (t), значения которой изменяются дискретно или непрерывно в интервале времени Т1 = [ t0 , tn ]. В результате имеются значения этой функции £0 , £t ,...,£,-,..., £n на интервале Т1 (рис. 6.6.). Рис. 6.6. Изменение диагностического параметра Необходимо по известным значениям £i определить значения функции в будущие моменты времени tn+1, ..., tn +j, ... , tn+m Т2 или узнать, через какое время tn + j Т2 значение £n +j достигнет допустимого уровня £доп. Задача может быть решена методом экстраполяционных полиномов и регрессионного анализа. Метод экстраполяционных полиномов. Идеальным случаем решения задачи является адекватное описание изменения функции £ (t) каким-либо аналитическим выражением. Ввиду сложности нахождения таких выражений по дискретным точкам целесообразно определить наилучшую структуру аналитического выражения, а при прогнозировании конкретной функции £ (t) изменять базовые элементы, входящие в это выражение. В интервале Т1 по известным значениям £;- необходимо найти такую функцию F(t), которая с заданной точностью описывала бы процесс изменения состояния ОД, т. е. выполнить интерполяцию. В общем случае можно использовать многочлен вида где аl — неизвестные коэффициенты; (t) — известные функции простейшего вида. Получить многочлен F (t) значит определить коэффициенты а Целесообразно использовать в качестве функций (t) функции, имеющие наиболее простую структуру, например: Тогда будем иметь базовый полином в виде К этому виду могут быть сведены многие степенные выражения, которые различаются способом вычисления а Отношение (£j - £0) / ( t1 - t0 ) = £ назовем средней скоростью изменения параметра в интервале [ t0 , t1 ]. Описать характер изменения параметра в этом интервале времени можно с помощью выражения Если предполагать, что скорость изменения параметра сохраняется, можно прогнозировать значение параметра через время т; На практике для малых интервалов т такой прогноз вполне допустим. Если известно допустимое значение £доп диагностического параметра, то с помощью этой формулы можно определить время, в течение которого оборудование сможет проработать до отказа, т. е. время безотказной работы Для выполнения точного прогнозирования следует воспользоваться более сложной экстраполяционной формулой и использовать результаты не двух, а более измерений. При прогнозировании изменения состояния по одному обобщенному параметру могут быть использованы экстраполяционные полиномы Лагранжа и Ньютона. Ввиду того, что коэффициенты экстраполяционных полиномов не зависят от значения прогнозируемого параметра, они могут быть заранее рассчитаны и сведены в специальные таблицы, что упрощает процесс прогнозирования, так как сокращается объем вычислительных работ и облегчается автоматизация прогнозирования. На практике обычно ограничиваются полиномами 1-й и 2-й степеней, поскольку скорость изменения состояния не превышает скорость реагирования полиномов. Точность прогноза можно повышать, если прогнозировать только на один шаг с последующим включением полученного значения в область известных значений Т1. При этом каждое прогнозирование (на один шаг) начинается из новой точки А1, получаемой смещением процесса на один шаг ( tQ , tl ) . Количество измерений и время прогнозирования влияет на точность прогноза: чем больше п, тем точнее прогноз, так как удается более точно описать (интерполировать) процесс изменения параметра в области Т1. Чем больше время, на которое осуществляется прогнозирование Тпр, тем меньше точность, так как в области Т2 могут быть учтены не все факторы. Минимальное количество требуемых измерений связано со степенью г полинома следующим образом: п = r+ 1. На практике для приемлемой точности прогноза п увеличивается в 3...5 раз. Таким образом, использование экстраполяционных полиномов для аналитического прогнозирования предполагает: 1) выбор оптимального выражения F (t) с учетом тенденции изменения параметра в области T1; 2) определение коэффициентов al для получения точного прогноза; 3) экстраполяцию F (t) на область Т2 и определение значения параметра в требуемый (прогнозируемый) момент времени; оценивание точности прогноза. Кроме полиномов вида используются следующие известные функции: - степенная ; -экспоненциальная ; -логарифмическая Метод регрессионного анализа. Он основывается на использовании уравнения регрессии вида где у — величина, характер изменения которой необходимо определить; — постоянная величина; ; — коэффициенты; xi — параметры, влияющие на прогнозируемую величину; — случайная погрешность. Это линейная зависимость у от х. Модель изменения диагностического параметра во времени на основе регрессионного уравнения имеет вид где £0 — начальное значение параметра; — коэффициент регрессии, определяющий наклон прямой. Очевидно, что время работы ОД до отказа tQTK будет определяться допустимым значением диагностического параметра Метод предполагает: 1) выбор однотипных ОД, эксплуатирующихся в одинаковых условиях; 2) измерение значений диагностических параметров - для всей совокупности ОД через определенные интервалы времени ; 3) вычисление средних значений по всем ОД для фиксированного момента времени , 4) нахождение коэффициента регрессии по значениям параметров в моменты времени ; 5) определение среднего времени отказа М (tотк); 6) вычисление допустимого значения ; 7) нахождение прогнозируемого времени безотказной работы. Если имеется статистика по наблюдениям, прогнозирование можно осуществить следующим образом. По результатам измерений устанавливают аппроксимирующий полином - тренд. Линейная форма тренда имеет вид: где , — текущие значения диагностического параметра и времени; , — средние значения диагностического параметра и времени; — аппроксимирующий коэффициент. Параметры тренда по данным наблюдений определяют из следующих соотношений: Время безотказной работы , где — продолжительность достижения предельного состояния при гамма-процентном ресурсе элементов, tH — продолжительность работы элемента к началу прогнозирования. Доверительные границы прогноза значения диагностического параметра где t(p) — коэффициент Стьюдента для N—2 степеней свободы; — среднеквадратичное отклонение диагностического параметра: где — среднеквадратичное отклонение результатов от тренда; — отклонение фактического значения от вычисленного по уравнению регрессии. Лекция 7 7. 1. Общая характеристика методов диагностирования Оценить состояние объекта можно, подавая на объект рабочие (рабочее диагностирование) или тестовые воздействия (тестовое диагностирование) различными методами. На практике используют три группы методов диагностирования машин и механизмов: по параметрам рабочих процессов, непосредственно характеризующих состояние оборудования; по параметрам сопутствующих процессов {тепловое поле, шумы, виброакустические процессы и т.п.), косвенно характеризующих состояние оборудования; по структурным параметрам (зазоры в сопряжениях, значение регулировочных параметров), непосредственно характеризующих состояние узлов и агрегатов оборудования. Первые две группы методов можно отнести к динамическим, если иметь в виду, что они применимы к функционирующему оборудованию, а третью группу — к статическим методам, распространяемым на неработающее во время диагностирования оборудование. В настоящее время методы диагностирования горных машин и механизмов развиваются в трех основных направлениях; диагностирование методами неразрушающего контроля, по виброакустическим сигналам, исходя из концентрации продуктов изнашивания в масле. 7.2. Методы неразрушающего контроля (общая характеристика) Этими методами пользуются для оценивания состояния узлов и деталей, являющихся составными частями машин и механизмов, а также трубопроводов и конструкций. При этом решаются две задачи диагностирования: контроль работоспособности и поиск дефектов. Согласно ГОСТ 18353, в основу классификации методов НК положен физический процесс с момента взаимодействия физического поля или вещества с контролируемым объектом до получения первичной информации. Неразрушающий контроль подразделяется на радиационный, акустический, магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновой, тепловой, оптический, проникающими веществами, течеисканием, визуально-измерительный (ВИК). Последний является важнейшим методом при первичной оценке технического состояния объекта повышенной опасности. На основе результатов ВИК назначаются объемы и методы контроля. Ни один из методов НК не универсален, поэтому при техническом диагностировании очень важен не только правильный выбор метода контроля, но и комбинирование ряда методов, сочетание неразрушающих и разрушающих испытаний, а также проведение микроскопического исследования и т.д. Важнейшие характеристики неразрушающих методов контроля — их чувствительность и разрешающая способность, простота и доступность технологического процесса контроля, надежность аппаратуры. Чувствительность метода определяется наименьшими размерами выявляемых дефектов, она зависит от физических особенностей метода НК, технических характеристик применяемой аппаратуры, чистоты обработки поверхности, условий контроля и многих других факторов. Разрешающая способность метода определяется наименьшим расстоянием между двумя соседними минимальными выявляемыми дефектами, для которых возможна их раздельная регистрация. Чувствительность к обнаружению дефектов для каждого метода определяют по-разному, она колеблется в широком диапазоне. Общая характеристика чувствительности некоторых методов приведена в табл.7.1. Характеристика методов НК, их достоинства и недостатки приведены в таблице 7.2. Таблица 7.1. Таблица 7.2. Характеристика методов диагностирования узлов и деталей Разновидность метода Дефекты Характеристика Магнитопорошковый метод С применением магнитной суспензии С использованием воздушной взвеси ферромагнитного порошка Поверхностные и неглубоко залегающие неоднородности (на глубине 0,1. -.0,3 мм) Поверхностные микротрещины шириной раскрытия 0,001. ..0,003 мм, глубиной 0,01. .-0,05 мм Непровары, поры, шлаковые включения площадью 2...3 мм на глубине 1...3 мм Достоинства: высокая чувствительность и точность, простота технологии, малые затраты времени. Недостатки: необходимость удаления лакокрасочных покрытий толщиной более 0,03 мм, возможность попадания порошка в подшипники и сочленения, сложность размагничивания некоторых узлов Продолжение таблицы 7.2. Капиллярный метод Цветной, люминесцентный, люми-несцентно-цветной Свободные полости, выходящие на поверхность Трещины, глубина которых значительно превышает ширину раскрытия: ширина раскрытия более 0,001 мм, глубина свыше 0,01 мм, протяженность более 0,1 мм Достоинства: высокие чувствительность и разрешающая способность, простота технологии, наглядность диагноза. Недостатки: необходимость удаления защитных покрытий, большие затраты времени (1...3 ч), высокая трудоемкость Электромагнитный метод Вихретоковый импульсный Неоднородность поверхностного слоя глубиной до 1 мм Трещины глубиной 0,15 ...0,2 мм и с шириной раскрытия у поверхности 0,5 мкм Достоинство — возможность диагностирования деталей с защитным покрытием. Недостатки: отсутствие наглядности, большая трудоемкость, сложность определения размеров дефекта, требование однородности свойств материала Акустический метод Ультразвуковой импульсный Неоднородности на большой глубине с площадью отражения 1...4.5 мм2 Трещины с минимальной глубиной 0,1 мм Достоинство — большая глубина обнаружения дефектов. Недостатки: необходимость технического и методического обеспечения применительно к каждому типу детали и узла; отсутствие возможности точно оценить размеры и характер дефекта; трудность расшифровки результатов при диагностировании сложных деталей, имеющих конструктивные отражатели (отверстия, проточки, валики и др.) Импедансный Отслоения Непроклей Достоинство — обнаружение дефектов в многослойных конструкциях. Недостаток — обнаружение дефекта только со стороны установки преобразователя Продолжение таблицы 7.2. Радиационный метод Рентгенографический Гаммаграфический Протяженность трещины 1...2% толщины просвечиваемой конструкции Протяженность трещины 2. ..4% толщины просвечиваемой конструкции. Наименьшая ширина раскрытия трещин в конструкциях толщиной до 40 мм не превышает 0,1 мм, при толщине более 40 мм составляет 2,5% просвечиваемой толщины при совпадении направления просвечивания с плоскостью трещины Достоинства: возможность определения взаимного положения внутренних деталей в агрегатах и узлах, наличие документа в виде рентгено- и гамма-снимков. Недостатки: громоздкость и сложность аппаратуры, высокая стоимость, неудобства с обработкой пленки, необходимость защиты от вредного воздействия на организм человека Оптический метод Большие трещины с шириной раскрытия 0,1. ..0,001 мм. Механическое изнашивание. Поверхностная коррозия. Пробоины. Обрывы. Достоинство — простота. Недостаток — низкая чувствительность Лекция 8 8.1. Магнитные методы контроля Ими контролируют детали из ферромагнитных материалов. При этом выявляются поверхностные и подповерхностные дефекты типа трещин с раскрытием более 1 мкм, подрезы, непровары в сварных соединениях и металлургические дефекты типа волосовин и др. Магнитные методы дефектоскопии основаны на следующем принципе: магнитный поток, проходя по металлу детали, без резких неоднородностей ее сечения, не изменяется на границе перехода деталь — воздух (рис. 8.1., а). Рис. 8.1. Распределение магнитного потока В по сечению качественного (а) и дефектного (б) сварных швов. При наличии в контролируемом изделии несплошности в зоне дефекта образуется участок с резкоменяющейся магнитной проницаемостью, вследствие чего происходит перераспределение магнитного потока. Часть потока при этом выходит на поверхность, образуя поле рассеяния и создавая в месте дефекта на поверхности детали нормальную составляющую магнитного поля. При нарушении сплошности в районе дефектного участка часть магнитного потока перераспределяется, а в бездефектной зоне первоначальный магнитный поток остается неизменным, к нему добавляется часть перераспределенного потока, который направляется по трем путям: через воздушные пути над дефектом, непосредственно через дефект и по металлу под дефектом (см. рис. 8.1., б). Магнитопорошковым методом определяют состояние большинства стальных деталей, снятых или не снятых с машин и механизмов, к которым имеется доступ для намагничивания, нанесения суспензии и осмотра. На поверхность детали наносят ферромагнитные частицы (тонкий порошок), которые находятся во взвешенном состоянии в жидкости (минеральном масле, керосине, воде и т.п.) или в воздухе. Деталь помещается в магнитное поле или пропускается ток по кабелю, проходящему через отверстие в детали. Вследствие взаимодействия образуется магнитный поток, неоднородный при наличии дефекта. В результате возникает сила, стремящаяся затянуть ферромагнитные частицы в место наибольшей плотности магнитных силовых линий, т.е. к месту дефекта. Информативным параметром в этом случае является индикаторный рисунок в виде полосок или валиков осевшего на поверхности детали порошка. Размер и характер дефекта можно оценить по интенсивности оседания порошка и форме рисунка. Детали обычно намагничивают с помощью специальных приборов-дефектоскопов. Дефектоскопы, применяемые при МПД, согласно ГОСТ 21105 делят на универсальные и специализированные. И те и другие могут быть стационарными, передвижными или переносными. В соответствии с ГОСТ 21105 в зависимости от магнитных свойств материалов, размеров и формы контролируемого изделия, а также оборудования, используемого для намагничивания, применяют способы контроля приложенного магнитного поля СПП и остаточной намагниченности СОН. При способе приложенного магнитного поля намагничивание начинается раньше или одновременно с моментом нанесения порошка или магнитной суспензии. Контроль способом остаточной намагниченности заключается в предварительном намагничивании изделия и последующем нанесении на него порошка либо суспензии. Оседание порошка происходит в зоне дефекта при отсутствии внешнего намагничивающего поля. Кроме того, существуют три способа намагничивания: продольный, циркуляционный и комбинированный. На чувствительность контроля и, следовательно, выявляемость дефектов значительно влияют вышеуказанные способы намагничивания. Род тока намагничивания и способ нанесения порошка также влияют на обнаружение подповерхностных дефектов. На результат МПД в значительной мере влияет состояние контролируемой поверхности. Чем грубее поверхность, тем хуже чувствительность. В зависимости от вида контролируемого изделия условный уровень чувствительности подразделяют на группы А, Б, В, соответственно ширина выявляемого дефекта составляет до 2,5; от 2,5 до 10 мкм и 10-25 мкм 8.2. Электромагнитный (вихретоковый) метод основан на возбуждении в материале вихревых токов и оценивании их влияния на магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности преобразователя. Рис 8.2. Иллюстация сущности вихретокового метода Под действием тока в катушке индуктивности образуется переменный магнитный поток Ф0, проникающий в металл. При этом в металле возникают вихревые токи, создающие свой магнитный поток Фв, направленный навстречу возбуждающему потоку. Поле вихревых токов взаимодействует с полем возбуждающей катушки, образуя результирующее поле, несущее в себе информацию об электромагнитных характеристиках, расстоянии до поверхности, о нарушении однородности, изменении формы и размеров контролируемого изделия. За счет протекания вихревых токов происходит превращение электрической энергии в тепловую, что эквивалентно изменению индуктивности и активного сопротивления преобразователя. Трещина на поверхности (рис.5.7) приводит к перераспределению вихревых токов, уменьшению их плотности, вследствие чего уменьшаются вносимые индуктивность и сопротивление, что может быть зарегистрировано ТСД. Вихревые токи в металле распространяются в поверхностных слоях в направлении. Из-за экранирующего действия вихревых токов и потерь на тепло электромагнитное поле в металле быстро затухает. Глубина проникновения поля зависит от частоты электромагнитных колебаний, электропроводности, магнитной проницаемости, коэрцитивной силы, формы поля, создаваемого источником, и размеров контролируемого объекта. Низкочастотные электромагнитные поля проникают в металл глубже, нежели высокочастотные. Импульсный метод возбуждения вихревых токов в материале проверяемых деталей позволяет выявлять дефекты на большой глубине. На величину вихревых токов значительно влияют геометрические параметры объекта: форма, размеры, взаимное расположение измерительного вихретокового преобразователя (ВТП) и изделия, толщина детали, покрытия, слоя после химико-термической обработки (ХТО) и другие факторы. Об изменениях величины вихревых токов и, следовательно, о наличии дефектов судят по изменению тока в возбуждающей катушке, изменению составляющих комплексного сопротивления этой катушки или ЭДС преобразователя. В качестве ВТП используют обычно индуктивные катушки, одну или несколько. В катушках ВТП создается электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи в объекте, и далее, регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта. Эта информация — многопараметровая, что и определяет как преимущество, так и недостатки при реализации вихретокового метода (ВТМ). Часто при контроле одного из параметров влияние остальных на сигнал преобразователя становится мешающим. Большим преимуществом ВТМ, особенно при проведении технического диагностирования объектов повышенной опасности, является то, что контроль можно проводить без контакта преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит обычно на расстоянии, достаточном для свободного движения преобразователя относительно объекта, от долей до нескольких миллиметров. ВТМ можно применять без зачистки поверхностного слоя, что очень важно при работе в полевых условиях. Одной из особенностей ВТМ является то, что на сигналы преобразователя практически не влияют влажность, давление и загрязненность среды, радиоактивное излучение, наличие на поверхности объекта контроля непроводящих веществ. Простота конструкции преобразователя и хорошая защита позволяют применять ВТМ при контроле металла как в агрессивных средах, так и в широком интервале температур и давлений, преобразователи устойчивы против механических воздействий. В дефектоскопии ВТМ выявляют дефекты типа несплошностей, выходящих на поверхность или залегающих на небольшой глубине, а также трещины, расслоения, закаты, крупные неметаллические включения и т.д. При оптимальных условиях контроля можно выявить дефекты глубиной 0,1-0,2 мм, протяженностью 1-2 мм. С помощью ВТМ решаются задачи контроля размеров деталей. Ими измеряют диаметры труб, проволоки, прутков, толщину металлических листов и стенок труб, толщину покрытий на электропроводящих основах, глубину зоны ХТО. Измеряемые величины могут изменяться в пределах от микрометров до десятков миллиметров. Характер микроструктуры металлов и сплавов в значительной степени влияет на их электромагнитные характеристики. Именно эта зависимость позволяет контролировать не только однородность химического состава, но и структуру металлов и сплавов, а также определять механические напряжения. Кроме того, с помощью вихревых токов проводят контроль качества термической и ХТО обработки, состояние поверхности деталей после механической обработки, наличие остаточных напряжений, различных фаз и т.д. 8.3. Капиллярная дефектоскопия Одним из наиболее распространенных методов контроля качества металла и сварных соединений является капиллярная дефектоскопия (КД). Капиллярный метод основан на использовании свойства смазывающих жидкостей, нанесенных на очищенную поверхность детали, заполнять узкие полости. Он предназначен для определения мест расположения поверхностных дефектов с открытой полостью, их направления, протяженности, характера развития. На очищенную поверхность наносится пенетрант – специальное цветоконтрастное вещество (жидкость). Лишнюю жидкость с поверхности удаляют. На поверхность наносят проявитель в виде специальной белой краски или порошка, под действием которого выступающая из полостей жидкость окрашивает проявитель и образует хорошо видимый на белом фоне индикаторный рисунок, являющийся информативным параметром о месте расположения, форме и протяженности дефекта. При цветном методе используют жидкость, окрашенную в красный цвет и образующую рисунок, видимый при дневном свете, а при люминесцентном методе — жидкость, дающую рисунок, ярко светящийся в ультрафиолетовых лучах. При люминесцентно-цветном методе рисунок виден как при дневном свете, так и в ультрафиолетовых лучах. Методы КД подразделяют на: — яркостный (ахроматический) проникающих растворов, применяются керосин, проявитель, мел; — цветной (хроматический) проникающих растворов, используется пенетрант, образующий после проявления красный след; — люминесцентный, для выявления дефектов применяют специальные ультрафиолетовые установки и лампы; — люминесцентно-цветной, приборы и материалы — совместное применение материалов и оборудования для цветной и люминисцентной дефектоскопии; — капиллярно-электростатический, используется электростатическая установка и пенетрант (ионогенная жидкость); — капиллярно-электроиндукционный, применяются электроиндукционная установка и электропроводящая жидкость или органические растворители; — капиллярно-магнитопорошковый, используются прибор МПД и пенетрант (ферромагнитный порошок); — капиллярно-радиационный метод поглощения, применяются источник радиационного излучения и пенетрант (оптически плотные жидкости); — капиллярно-радиационный метод контроля, используются источник радиационного излучения и радиоактивный пенетрант. Размеры дефектов, выявляемые методами КД, так малы, что обнаружение их невооруженным взглядом практически невозможно. Дефект заметен только при наличии контраста между дефектом и фоном. Поэтому для обнаружения дефектов следует искусственно повысить контрастность дефектного и неповрежденного участков контролируемой поверхности. Явления, обусловленные втягиванием смачивающихся жидкостей в капилляры или выталкиванием несмачивающихся жидкостей из капилляров, называются капиллярными. На границе соприкосновения твердых тел с жидкостью наблюдаются явления смачивания, проявляющиеся в искривлении свободной поверхности жидкости около стенки дефекта (сосуда). При дефектоскопии лучшее смачивание обеспечивают жидкости с малым поверхностным натяжением, что и учитывается при выборе жидкостей для КД. На смачивание существенно влияет шероховатость контролируемой поверхности: чем выше шероховатость, тем лучше смачиваемость. У стенок дефектов шероховатость выше, чем на бездефектной поверхности изделия. Следовательно, при КД в чистых полостях дефектов у жидкости будет более высокая смачиваемость по отношению к изделию. Под действием поверхностного натяжения поверхность жидкости сокращается. Сорбционные явления. Для отыскания дефекта необходимо возможно большее количество индикаторного пенетранта, находящегося в его микрополостях, извлечь на поверхность, подвергаемую контролю. Извлечение и локализация пенетранта достигаются вследствие сорбционных свойств проявителей пенетранта. При использовании в качестве проявителя сухих порошков или суспензий на поверхности каждой частицы проявителя адсорбируются молекулы индикаторного пенетранта. При физической адсорбции молекулы индикаторного пенетранта сохраняют свое первоначальное строение, а при химической они образуют на поверхности частиц химическое соединение с веществом проявителя пенетранта. Схематическое изображение процесса КД представлено на рис. 8.3. Чувствительность методов КД. Условно определяется наименьшими значениями ширины раскрытия, глубины, длины надежно выявляемого дефекта по его индикаторному следу и зависит от свойств применяемых дефектоскопических материалов, качества и состояния поверхности. Согласно ГОСТ 18442, в зависимости от минимальных размеров выявляемых дефектов, метода контроля, используемых дефектоскопических материалов и технологии контроля, устанавливаются следующие условные классы чувствительности: I—IV и технологический. Для каждого класса чувствительности установлены минимальные размеры дефектов (мкм): I — менее 1; II - от 1 до 10; III - от 10 до 100; IV -от 100 до 500; технологический не нормируется. Определяющим параметром при выборе класса чувствительности метода является ширина раскрытия дефекта. Глубина зародышевых трещин деформационного происхождения обычно оценивается в 10~3 мм. Рис. 8.3. Схематическое изображение процесса капиллярной дефектоскопии. а — нанесение и проникновение пенетранта в несплошности; б — удаление излишков пенетранта; в — нанесение проявляющей жидкости и проявление несплошностей при цветной дефектоскопии; г — проявление несплошностей ультрафиолетовым облучением (УФО) при люминисцент-ной дефектоскопии. Размер пор диффузионного происхождения такого же порядка. При слиянии микродефектов формируется макродефект, который и выявляется методом КД. Приведенные выше минимальные размеры дефектов определяют границу необходимой чувствительности методов КД. 8.4. Акустические методы В каком бы состоянии материальная среда не находилась, она благодаря взаимодействию между частицами обладает упругими свойствами. От внешнего воздействия колебания одной частицы будут передаваться другим, т.е. в среде будет распространяться волновое движение, называемое акустическими колебаниями. Частицы среды совершают колебания около точки равновесия, а волна распространяется с некоторой постоянной скоростью. Упругие колебания и акустические волны, особенно ультразвукового диапазона, широко применяются в технике. Мощные ультразвуковые колебания используют для сварки, для локального разрушения хрупких материалов и др. Другая область применения акустических колебаний и волн — контроль и измерения. Сюда относят локацию, медицинскую диагностику, контроль уровня жидкости, скорости потока и т.д., а также использование акустических колебаний и волн для неразрушающего контроля. Для контроля применяют колебания частотой от 50 Гц до 50 МГц. В зависимости от упругих свойств среды в ней могут возникать упругие волны различных видов, отличающиеся скоростью распространения, направлением колебания частиц и другими признаками. Различают продольные волны (расширения-сжатия), сдвиговые, поверхностные, нормальные и др. В жидкостях и газах существует только один тип волн — волны расширения-сжатия. В твердых телах, кроме продольных волн, существуют поперечные (сдвига), так как твердое тело обладает упругостью не только объема, но и формы. Скорость продольной волны примерно в 2 раза больше скорости поперечной. Комбинации этих волн создают другие типы волн. На свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны, или волны Рэлея. По характеру траекторий частиц поверхностная волна как бы состоит из колебаний продольных и сдвиговых волн. Амплитуда колебаний частиц по мере удаления от свободной поверхности убывает по экспоненте, поэтому волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной в одну-полторы длины волны. В тонких плоских телах (листах, пластинах, проволоке) возбуждаются нормальные волны, или волны Лэмба. В металлах возбуждаются все типы волн. Для ультразвуковых колебаний характерны те же явления преломления, отражения, дифракции, интерференции, реверберации, что и для любых волновых явлений. Для ультразвуковой дефектоскопии большое значение имеет волновой импеданс — удельное акустическое сопротивление среды, которое выражается произведением плотности среды на скорость распространения в ней упругих волн данного типа. Ультразвуковой контроль (УЗК) основан на свойстве УЗ волн распространяться в однородном плоском теле и на его плоских или криволинейных поверхностях в виде лучей и отражаться от границ тела или нарушений сплошности, обладающих другими акустическими свойствами. При неразрушаюшем контроле акустические волны возбуждают и принимают путем преобразования электрических колебаний в упругие и наоборот. Для этой цели используют специальные устройства — электроакустические преобразователи (ЭАП) или просто преобразователи. Если преобразователь используют для излучения волн, то его называют излучателем, если для приема — то приемником. Если один и тот же преобразователь выполняет обе функции, то его называют совмещенным. Если излучатель и приемник разделены, то схему контроля называют раздельной. Если раздельные излучатель и приемник объединены в один блок, то преобразователь называют раздельно-совмещенным. Ультразвуковые колебания получают за счет пьезоэффекта, который был открыт братьями Кюри в 1880 г. Он заключается в следующем: при сжатии или растяжении специальной пластинки на ее гранях появляется электрический заряд. Пьезоэффект обратим, так как под влиянием электрического поля пластинки деформируются. Пьезопластины обычно изготавливают из монокристалла кварца или из кристаллических соединений класса сегнетоэлектриков, таких как титанат бария, цирконат титаната свинца и др. (ГОСТ 13927). Амплитуда колебаний пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний пластины. Максимальная амплитуда колебаний пьезоэлемента наблюдается при резонансе, когда собственная частота колебаний пластины совпадает с частотой вынужденных колебаний от приложенного внешнего напряжения. Собственная частота пластины зависит от ее толщины и скорости упругих волн: f = c/2b где f — собственная частота пластины; с — скорость упругих волн; b — толщина пластины. При приложении пьезопластины к поверхности контролируемой детали в материале ее возбуждаются упругие волны. Если подавать на пьезоэлемент переменное напряжение с частотой, отличной от собственной, то можно получить вынужденные колебания пьезоэлемента с любой частотой. Однако излучаемая энергия будет меньше, чем на резонансной частоте. Распространение ультразвуковых колебаний происходит по законам геометрической оптики и основывается на представлении об ультразвуке как о совокупности ультразвуковых лучей — линий, вдоль которых распространяется звуковая энергия. Если материал однороден и изотропен, то пьезоэлемент создает волновое поле, которое вблизи имеет цилиндрическую форму (зона дифракции Френеля), а на некотором расстоянии — форму усеченного конуса (дальняя зона, или зона дифракции Фраунгофера). При распространении ультразвуковых волн в упругой среде возможна реверберация — постепенное затухание колебаний вследствие повторных многократных отражений. Реверберация бывает объемной (из-за отражений колебаний от граней контролируемого объекта) и структурной (из-за многократных отражений границами зерен). При распространении упругих волн в твердом теле наблюдаются процессы дифракции и интерференции. Дифракция — явление огибания волнами малых препятствий, размеры которых соизмеримы с длиной звуковой волны или меньше ее. Отражение волны происходит в том случае, если размеры препятствий больше длины волны. По характеру отражения ультразвуковых волн от несплошностей судят о размере и расположении дефектов. Интерференция — результат сложения двух или нескольких когерентных колебаний, воздействующих на одну и ту же точку среды. Она может привести к образованию стоячих волн, характеризующихся тем, что вдоль оси поля чередуются неподвижные точки и точки, колеблющиеся с максимальной амплитудой. Интерференция и дифракция взаимно связаны и существуют одновременно, что усложняет измерения в режиме непрерывного излучения. Поэтому более предпочтителен импульсный метод, при котором короткие импульсы следуют друг за другом через промежутки времени, достаточные для того, чтобы падающая и отраженная волна не встретились. Законы отражения и преломления УЗ волн аналогичны законам геометрической оптики. Встречая на своем пути среду с другими акустическими свойствами, часть ультразвуковых волн отражается, а оставшаяся часть входит в новую среду. При этом проходящая и отраженная волны будут того же вида, что и падающая. При перпендикулярном падении УЗ луча на границу раздела отраженный луч будет перпендикулярен этой границе (рис. 8.4 а). При неровной поверхности раздела с выступами и впадинами более 0,1 мм наблюдается диффузное отражение (см. рис. 8.4 в). При падении ультразвукового луча на границу раздела сред под углом, отличным от прямого, наряду с отражением наблюдается преломление. а б в Рис. 8.4. Отражение ультразвуковых волн на плоской границе двух сред при перпендикулярном (а) и наклонном (б, в) падении луча (б — зеркальное, в — диффузное отражение). Отношение синусов углов падения, отражения и преломления равно отношению скоростей распространения колебаний соответствующего вида в первой (I) и второй (II) средах (см. рис. 8.4 б). Если ,то при переходе продольных упругих волн из одной твердой среды в другую кроме двух отраженных лучей (см. рис. 8.4, б) будут наблюдаться и два преломленных (рис. 8.5). Углы падения, отражения и преломления связаны следующим соотношением или законом Снеллиуса: где СLi, CL2,CS2 — скорости распространения продольных и сдвиговых волн в первой и второй средах соответственно. При увеличении угла падения продольной волны L углы и также увеличиваются, и при некотором значении = кр1 продольные волны будут распространяться по поверхности, не проникая в глубь второй среды, и возникнет подповерхностная волна (первый критический угол). При дальнейшем увеличении угла падения до значения кр2 (второй критический угол) по поверхности будут распространяться преломленные сдвиговые волны (рис. 8.6). Рис. 8.5. Преломление ультразвуковых волн на плоской границе двух твердых сред. Рис. 8.6. Распространение продольной (а) и сдвиговой (б) преломленных волн на границе раздела сред при критических углах. Для упругих волн справедлив закон обратимости. Если луч от первой среды во вторую падает под углом а, то луч, падающий из второй среды на границу с первой под углом В, войдет в первую среду под углом а. Все эти свойства ультразвуковых волн широко используются при разработке и внедрении акустических методов контроля, приборов, при конструировании призматических преобразователей. Акустические методы неразрушающего контроля основаны на анализе параметров упругих колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте (ГОСТ 23829). Методы акустического контроля подразделяют на две большие группы: активные, использующие излучение и прием акустических волн и колебаний, и пассивные, основанные только на приеме акустических волн. Лекция 9 Активные методы УЗ контроля. В них применяют бегущие волны и колебания, их делят на подгруппы. В практике используют методы прохождения и методы отражения волн. В комбинированных методах применяют как отражение, так и прохождение. Методы прохождения предполагают наличие при контроле двух преобразователей: излучающего и приемного, расположенных по разные стороны контролируемого объекта. К методам прохождения относят следующие методы: — теневой или амплитудно-теневой — основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны из-за наличия дефекта. Применяют импульсное и непрерывное излучение (см. рис. 9.1, а); — временной теневой — основан на измерении запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефектов (см. рис. 9.1, б). Методы отражения используют как один, так и два преобразователя, зачастую применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы: — эхометод — основан на регистрации эхо-сигналов от дефектов (рис. 7.7, а). Здесь на экране электронно-лучевой трубки обычно наблюдают зондирующий (посланный) импульс I, донный импульс III, отраженный от дна контролируемого изделия, и сигнал от дефекта П. Время прохождения импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. На рис. 9.2, а приведена совмещенная схема контроля; Рис. 9.1. Методы прохождения а — теневой, б — временной теневой. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; 6 — измеритель амплитуды; 7 — измеритель времени пробега. — эхозеркальным — анализируют сигналы, испытавшие зеркальное отражение от дна контролируемой детали и дефекта (рис. 9.2, б). Вариант этого метода, используемый для выявления вертикальных дефектов (плоскость EF), называют тандем-методом (ПЭП в точке D) и К-методы (ПЭП в точке С); — реверберационным — анализируют время объемной реверберации — процесса постепенного затухания звука в некотором объеме, т.е. в контролируемой детали (см. рис. 9.2, в). В комбинированных методах применяют как отражение, так и прохождение акустических волн. К этим методам относят: — зеркально-теневой — основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения — это метод отражения, а по своей сущности он близок к теневому, так как в процессе контроля измеряют ослабление сигнала, дважды прошедшего изделие в зоне дефекта (рис. 9.3, а); — эхотеневой — применяют и анализируют прошедшие и отраженные волны (см. рис. 9.3, б); — импедансный — существенно отличен от ранее рассмотренных методов и основан на анализе изменения механического или входного акустического импеданса участка контролируемой поверхности, с которым взаимодействует преобразователь. Чем больше импеданс, тем труднее раскачать контролируемый участок (рис. 9.4). В низкочастотном импедансном методе преобразователем является колеблющийся стержень, прижатый к поверхности детали. Рис. 9.2. Методы отражения. а — эхо; б — зеркальный эхометод; в — ревербационный. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; б — синхронизатор; 7 — генератор развертки. Рис. 9.3. Комбинированные методы. а — зеркально-теневой; б — эхотеневой. . Рис. 9.4. Импедансный метод. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; б — индикатор. Рис. 9.5. Метод акустической эмиссии. 1 — блок обработки результатов; 2 — усилитель; 3 — объект контроля; 4 — приемник. При наличии подповерхностных дефектов в виде расслоений уменьшается механический импеданс, в участке над дефектом легко возбуждаются изгибные колебания. В результате чего изменяется режим колебаний стержня, в том числе уменьшаются механические напряжения на приемном элементе 4, что и является признаком дефекта. В высокочастотном методе преобразователь излучает продольную волну. Условия этого возбуждения зависят от акустического импеданса поверхности, а акустический импеданс, в свою очередь, зависит от наличия или отсутствия несплошности. Пассивные методы. К ним относят акустико-эмиссионный метод, вибрационно-диагно-стический и шумодиагностический. Явление акустической эмиссии состоит в излучении упругих волн материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Движение дислокаций, зарождение и развитие микротрещин, рост макротрещин, полиморфные превращения и др. сопровождаются акустической эмиссией. Преобразователи, установленные на поверхности контролируемого изделия, принимают упругие колебания и позволяют установить вид источника эмиссии, а при наличии нескольких преобразователей и при обработке полученных от них сигналов можно определить местоположение источника (рис. 9.5). При использовании вибрационно-диагностического метода анализируют параметры вибраций контролируемой детали с помощью приемников контактного типа. В шумодиагностическом методе изучают спектр шумов работающего механизма в целом на слух или с помощью микрофонных и других приемников — анализаторов спектра. По частотам все рассмотренные акустические методы делят на низко- и высокочастотные. К первым относят методы с частотами до 100 кГц, ко вторым — использующие частотный спектр от нескольких сотен килогерц до 50 МГц. Эти методы называют ультразвуковыми. Из всех рассмотренных методов наибольшее применение в практической деятельности нашел эхометод. Около 90 % объектов, проверяемых акустическими методами, контролируют эхометодом. Его применяют при дефектоскопии сварных соединений, поковок, литья, неметаллических материалов. Этот метод используют при измерении геометрических параметров, времени прихода донного сигнала, и по известной скорости ультразвука определяют толщину металла при одностороннем доступе. Эхометод позволяет также определять физико-механические свойства материала. Другие методы используют в основном в качестве дополнительных к эхометоду, для более полного обнаружения и исследования дефектов. Лекция 10 10.1. Радиационные методы Методы незаменимы при контроле крупных литых деталей, толстостенных заготовок и сварных соединений. Одним из главных достоинств метода является наличие реального документа контроля — рентгеновского снимка, где четко показано наличие дефекта либо его отсутствие. Сущность радиационной дефектоскопии заключается в изменении интенсивности проникающего излучения (рентгеновского, гамма-излучений и др.)после прохождения его через изделие (рис. 10.1). Гамма-излучение испускается при самопроизвольном распаде неустойчивых ядер атомов радиоактивных изотопов. В результате ядерных превращений радиоактивные ядра становятся стабильными, их общее число в источнике убывает. Количество таких превращений в единицу времени называют активностью радиоизотопного источника. Активность источника уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Гамма-излучение характерно для тяжелых элементов, ядра атомов которых имеют избыток нейтронов, приводящий атомы в неустойчивое состояние (U, Ra, Th и др.). Переход их в устойчивое состояние сопровождается излучением нейтронов, альфа- и бета-частиц, а также и гамма-излучением. В ядрах более легких элементов (Со, Cs, Ir и др.) неустойчивое состояние создают искусственно путем облучения их в ядерных реакторах. Рис. 10.1. Схема контроля металла методами радиационной дефектоскопии. а — просвечивание гамма-лучами, б — рентгеновскими лучами. 1 — ампула с изотопом; 2 — гамма-лучи; 3 — сварной шов; 4 — усиливающий экран; 5 — рентгеновская пленка; 6 — рентгеновская трубка; 7 — рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение возникает при прохождении потока электронов через вещество и при торможении этого потока на вольфрамовом или молибденовом аноде. Место торможения электронов на аноде, являющееся источником излучения, называют фокусом излучения. Диаметр активной части источника при просвечивании аналогичен фокусу рентгеновской трубки. Из ее фокуса и из активной части источника рентгеновские или гамма-лучи распространяются во все стороны прямолинейно. Основные радиационные характеристики источников — спектральный состав (энергия квантов, излучаемых источником, и их процентное содержание в общем потоке излучения) и активность источника. Проникающая способность лучей с возрастанием частоты электромагнитного колебания (жесткости излучения) возрастает. В зависимости от энергии гамма-квантов выделяются источники с жестким излучением и энергией около 1 МэВ; с излучением средней жесткости с энергией 0,3-0,7 МэВ (Cs-137, Ir-192) и с мягким излучением с энергией ниже 0,3 МэВ (Тm-170). Для просвечивания с помощью проникающих веществ служат гамма-дефектоскопы. Они являются автономными и не требуют электропитания от внешних источников, что обеспечивает возможность их применения как в монтажных условиях, так и при ремонтах во время контроля элементов конструкций в труднодоступных местах. Они имеют защитные радиационные головки с источником излучения, органы управления, систему сигнализации о положении источника и транспортного устройства. Органы управления осуществляют перемещение ампулы с радиоактивным изотопом в положение просвечивания и возвращение ее в положение хранения. При просвечивании с помощью дистанционного управления открывают затвор радиационной головки и либо применяют образовавшийся при этом направленный пучок излучения, либо выводят источник за пределы головки, что обеспечивает просвечивание панорамным методом. Рентгеновское излучение. Источником его служит вакуумная камера бетатрона или трубка рентгеновского аппарата. С увеличением анодного напряжения излучение становится более жестким. Увеличение или уменьшение анодного тока приводит к увеличению или уменьшению интенсивности излучения соответственно. Максимальная энергия рентгеновского излучения пропорциональна напряжению на рентгеновской трубке. Для просвечивания рентгеновскими лучами применяют аппараты, которые по режиму работы делятся на две группы: аппараты, работающие в режиме импульсного излучения, и аппараты, работающие в режиме непрерывного излучения. Источники гамма- или рентгеновского излучения выбирают в зависимости от толщины контролируемого материала с учетом условий и доступа к зоне контроля. Радиография. Способ контроля заключается в фиксации на рентгеновской пленке изображения контролируемой зоны с темными (иди светлыми) пятнами в местах расположения дефектов. В радиографии используют свойство рентгеновских пленок чернеть под воздействием излучения после соответствующей фотообработки. Участки снимков с большим потемнением характеризуют большую интенсивность излучения за объектом и свидетельствуют о нарушении сплошности контролируемой зоны, т.е. о наличии определенного дефекта. Способность пленки темнеть после облучения при проявлении характеризует ее фоточувствительность. Зернистость пленки зависит от величины и неравномерности распределения в эмульсии зерен Ag, формирующих рентгеновское изображение. Если требуется выявление очень мелких дефектов, применяют пленку менее чувствительную, но более мелкозернистую. Если решающим фактором является величина экспозиции, то используют более чувствительную пленку. Для получения плотных снимков без увеличения времени экспозиции применяют усиливающие экраны, о чем подробно изложено в соответствующей литературе. Область применения любого источника ограничена задаваемой величиной минимального выявляемого дефекта. В основном гамма-аппараты используют при контроле массивных отливок, сварных швов трубопроводов, сосудов, барабанов котлов для выявления крупных дефектов. Бетатроны применяют в основном для просвечивания толстостенных изделий; особенностью снимков является весьма четкое изображение. Радиографический метод контроля регламентирован ГОСТ-7512. Он предусматривает применение гамма- и тормозного излучения с регистрацией на рентгеновской пленке. Этим методом выявляют в сварных соединениях внутренние дефекты: трещины, поры, непровары, неметаллические включения и т.д., а также недоступные для внешнего осмотра наружные дефекты, такие как утяжины, превышения проплава и др. Радиографический контроль не обеспечивает выявление дефектов, если их протяженность в направлении излучения меньше удвоенной чувствительности контроля (в мм) или изображения дефектов совпадают на снимке с другими: непроваров и трещин с раскрытием менее 0,1 мм для сварных соединений с толщиной до 40 мм, непроваров и трещин с раскрытием менее 0,25 мм для сварных соединений с толщиной более 40 мм, непроваров и трещин, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением излучения и т.д. Для надежного выявления трещин шириной раскрытия до 0,1 мм необходимо, чтобы лучи совпадали с плоскостью нарушения сплошности или составляли с ней угол не более 10-12°. Характер и размер дефектов обычно определяют по эталонным снимкам, полученным экспериментальным путем при контроле деталей с аналогичными характерными дефектами. Глубину залегания дефектов находят по специальным эталонам, путем сравнения потемнения на снимке с потемнением изображения соответствующей канавки пластинчатого эталона. 10.2. Методы диагностирования по результатам анализа масла. Анализ проб масла в системе смазки широко используют для оценивания изнашивания элементов редукторов, передач, двигателей внутреннего сгорания и работоспособности масло- и воздухоочистителей. Частицы продуктов изнашивания принято подразделять на две группы: размером 2,5- 10~6мм, что соответствует нормальным условиям трения, и размером, превышающим указанный, при поверхностном разрушении материала деталей. Концентрация Кпи — продуктов изнашивания в картерном масле через 2…4 ч работы двигателя стабилизируется на уровне Кпи = g/(gф + gy), где g, gф, gy — соответственно интенсивность поступления продуктов изнашивания в масло, интенсивность их задержки фильтрующими элементами и интенсивность их убывания из-за угара масла. Концентрация продуктов изнашивания в масле может быть определена также как отношение массы продуктов изнашивания Mпи, находящихся в масле, к общей массе вещества M в системе: Кпи = Mпи/(Mм + Mпи), где Mм — масса масла в системе без продуктов изнашивания в нем. При диагностировании для каждого типа двигателей целесообразно иметь зависимость (рис.10.2) изменения относительной концентрации Кпи после замены масла в двигателях от числа часов, отработанных ими после изготовления или капитального ремонта. Кривая показывает, что в период приработки при отсутствии дефектов интенсивность изнашивания со временем постепенно уменьшается и практически стабилизируется. Рис. 10.2 Изменение концентрации продуктов износа в картерном масле двигателя: 1 – новый двигатель; 2, 3, 4, 5 – после наработки 100, 300, 600 и 1000 часов Появление дефектов приводит к резкому увеличению концентрации продуктов изнашивания. Для получения наиболее достоверных результатов пробы масла следует отбирать на прогретом двигателе не ранее чем через два календарных дня работы автомобиля после смены или долива масла и не позднее чем через 20 мин после остановки двигателя. Для диагностирования могут быть использованы четыре метода анализа масла: калориметрический, спектральный, фотометрический и индукционный. Калориметрический метод основан на анализе осажденных продуктов изнашивания путем длительного выстаивания пробы. Калориметрический метод требует предварительного отстоя пробы в течение 1,5...2 ч и трудоемок. При спектральном методе пробу картерного масла сжигают в высокотемпературном пламени вольтовой дуги и регистрируют спектр при помощи спектрографов или квантометров. Пары продуктов изнашивания дают линейчатый спектр, который подвергают качественному или количественному анализу. Качественный анализ состоит в обнаружении спектральных линий при наличии в масле металлов изнашиваемых деталей, а количественный — в определении интенсивности почернения спектральных линий. Присутствие в масле железа свидетельствует об изнашивании цилиндров, алюминия — поршней, хрома — колец, свинца — подшипников коленчатого вала. Метод спектрального анализа масла обладает высокой информативностью и обеспечивает с большой достоверностью обнаружение дефектов до их внешнего проявления. Точность количественной оценки изнашивания двигателя методом спектрального анализа невелика. Чтобы повысить точность и достоверность спектрального анализа, необходимо оценивать продукты изнашивания не только в масле, но и в отложениях фильтра очистки масла. В настоящее время, этот метод является основным. Фотометрический метод используется для определения общей загрязненности масла и основан на определении оптической плотности пленки масла с помощью фотометра. Индукционный метод базируется на изменении индуктивности при наличии продуктов изнашивания в масле. Индукционный метод менее трудоемок, но имеет невысокую чувствительность к малым концентрациям и целесообразен при анализе проб отложений в маслоочистителях. Вид продуктов изнашивания и их концентрация указывают также на режимы работы двигателя и его систем. Например, если используется этилированный бензин, то наличие свинца в масле говорит о неполном сгорании топлива. Присутствие кварца и абразивных частиц свидетельствует о плохой работе системы очистки воздуха, а высокая концентрация железа в отложениях центрифуги — о повышенной нагрузке двигателя. Лекция 11 11.1 Виброаккустические методы диагностирования Методы основываются на измерении общего уровня вибрации (виброперемещения, виброскорости либо виброускорения) машин или механизмов и на спектральном анализе вибросигналов. В первом случае осуществляются контроль и прогнозирование состояния (исходя из принятого предельного уровня вибрации); во втором случае, позволяющем определить изменение амплитуды вибрации в широком диапазоне частот, решается задача поиска дефекта. На основании спектрального анализа виброграмм достаточно четко определяются дефекты вида: динамическая разбалансировка, нарушение соосности, изнашивание подшипников, перекос линии вала, изнашивание редукторов и т.п. Для неподвижных конструкций – ослабление крепления или затяжки болтов, трещины несущих конструкций и т.п. Качественная конструкция машин и оборудования характеризуется, как правило, относительно низкими уровнями механических колебаний. Однако в процессе эксплуатации происходит естественный износ машин и оборудования, что сопровождается оседанием фундамента, деформацией и износом деталей, нарушением центровки валов, увеличением зазоров и, в конечном итоге, повышением вибрации. Элементы машины взаимодействуют друг другом, и через конструкцию происходит рассеивание энергии в виде механических колебаний. 11.2 Общие понятия об акустическом шуме и вибрации Акустический шум и вибрация представляют собой разновидность колебаний в упругих средах и структурах. Виброакустический сигнал (рис.11.1) представляет собой последовательность импульсов, каждый из которых порождается соударением деталей в одной из кинематических пар механизма. Высокочастотное заполнение импульсов соответствует, колебаниям механизма на его собственной резонансной частоте. Амплитуда акустического импульса пропорциональна скорости соударения деталей, которая зависит от размеров зазора в кинематической паре. Рис.11.1 Виброаккустический сигнал и его элементарная составляющая Акустический сигнал, возникающий в механизме в связи с соударением деталей в кинематической паре, представляется в виде где at — амплитуды составляющих, определяющие интенсивность удара; — коэффициенты затухания, характеризующие скорость рассеяния энергии колебаний; — частоты собственных колебаний механизма. Параметры и являются постоянными для механизма вне зависимости от его состояния. Амплитуды зависят от состояния кинематической пары, возбудившей колебание. Элементарной составляющей сигнала является затухающее колебание вида . Колебание характеризует заполнение импульса, а — частоту заполнения. Функция описывает огибающую импульса (линия, проведенная по гребням колебаний). Параметры, характеризующие виброакустический сигнал Для количественного определения величин акустического шума или механических колебаний во временной области можно использовать различные значения: Рис 11.2. Простейшее гармоническое колебание - пиковое значение, которое характеризует максимальное значение колебаний, но не отображает его развитие во времени; - среднеквадратическое (эффективное) значение, представляющее собой квадратный корень из усредненных во времени возведенных в квадрат мгновенных значений. Это значение имеет особую важность, так как связано с энергией, а следовательно, с разрушающей способностью колебаний (Т - период колебания). Для гармонических колебаний ; - среднее абсолютное значение, связанное с развитием механических колебаний во времени; размах колебаний (двойная амплитуда); - пик-фактор (амплитудный коэффициент), числовое значение которого тем больше, чем больше выражен импульсный или случайный характер колебаний. Для синусоидальных колебаний . Для простейшего гармонического колебания можно записать где - амплитуда; - частота; - начальная фаза; - время. Амплитуда, частота и начальная фаза сигнала - три независимых параметра, каждый из которых может содержать диагностическую информацию. Составляющие виброакустического сигнала Составляющие виброаккустического сигнала имеющие постоянную частоту, называются гармоническими или гармониками. Во вращающихся механизмах в вибросигнале всегда присутствует гармоника частоты вращения, так как вибрация оборудования очень часто связана с этой частотой. Эту гармонику также называют оборотной гармонкой. Кроме оборотной гармоники и других составляющих в вибросигнале присутствуют как правило гармоники кратные этим составляющим, т.е. частота кратных гармоник в 2, 3,…,n раз больше чем частота первой гармоники какой-либо составляющей вибросигнала. Кроме гармонических составляющих в реальном сигнале акустического шума или вибрации машины либо оборудования присутствуют, как правило, и случайные составляющие. Случайный виброакустический сигнал может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его нельзя характеризовать амплитудой, частотой и фазой. Он характеризуется пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением и значением пик-пик (значением от пика до пика). Реальный сигнал акустического шума или вибрации машины представляет собой совокупность гармонических и случайных составляющих. В реальных условиях всегда присутствует помеха, которая искажает сигнал и нарушает соответствие между его параметрами и состоянием кинематической пары. Акустический сигнал можно представить в виде x(f) — k(t)x(t) + u(f), где х±(£) — полезная часть сигнала; k(t) и u(f) — мультипликативная и аддитивная помехи соответственно. Основными источниками помех являются: нестабильность внешних условий, в которых работает механизм (вызывает как мультипликативную, так и аддитивную помехи); сигналы от других кинематических пар (аддитивная помеха); неполнота описания состояния кинематической пары (аддитивная помеха); аппаратурные помехи. Для выделения полезного сигнала используют фильтрацию. Виброаккустический сигнал удобнее всего для анализа представлять в виде спектра, хотя иногда для диагностики оказывается полезной и временная развертка вибросигнала. Спектр представляет собой зависимость мощности (или амплитуды) составляющих в сигнале от их частоты. По спектру определяются основные гармонические составляющие вибросигнала и их связь с характерными частотами механизма. Такое преобразование сигнала (разложение на простые составляющие) используют для обнаружения дефектов, чье проявления связано с ростом определенных составляющих. Механические колебания (полезная часть) могут быть простыми и содержать только одну составляющую на определенной частоте, например, колебание камертона. Одновременно колебания могут взвиваться на двух разных частотах, например, колебания поршневого насоса или двигателя. Но, как правило, вибрация реальных машин и оборудования представляет собой сложные механические колебания со многими составляющими на разных частотах, например, колебания редуктора. Если сигнал - комбинация двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами (см. рис.11.3 а,б), то его спектр имеет вид, представленный на рис.11.3 в, где явно видно наличие именно двух гармонических составляющих, у которых легко определяются их частоты и амплитуды. Рис 11.3 Временные сигналы и их спектры Виброакустический сигнал представляет собой совокупность многих составляющих акустического шума или вибрации, связанных с техническим состоянием машины или оборудования. Как уже было сказано, реальный сигнал шума или вибрации содержит, как правило, сумму гармонических составляющих и случайных составляющих . Рис 11.4. Временной сигнал вибрации и его спектр Лекция 12 12.1. Вибрация Вибрацией называются механические колебания тела относительно опорного положения равновесия. Тип вибрации называется общей вибрацией, когда тело перемещается как единое целое и все его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Положением равновесия называют такое положение, в котором тело находится в состоянии покоя или положение которое оно займет, если сумма действующих на него сил равна нулю. Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декартовых координатах) и вращательного относительно трех взаимно перпендикулярных осей (Ох, Оу, Оz). (6 степеней свободы). Вибрацию любого объекта можно характеризовать виброперемещением , виброскоростью или виброускорением Обозначим , , , это соответственно, амплитуды виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Относительно вибросмещения виброскорость имеет опережение фазы на 90 , виброускорение - на 180°. Виброскорость гармонических колебаний может быть определена путем деления их виброускорения на , а вибросмещение делением виброускорения на : Современные виброизмерительные приборы автоматически осуществляют эти операции электронными или цифровыми интеграторами. Виброперемещение представляет собой линейное перемещение контрольной точки элемента конструкции. Виброскорость характеризует затраченную на вибрацию механическую энергию, и ее максимальное значение равно произведению амплитуды виброперемещения на частоту колебаний. Виброускорение характеризует силу, развиваемую вибрацией, и максимальное ускорение равно произведению амплитуды виброперемещения на квадрат частоты колебаний. Спектры виброперемещения, виброскорости и виброускорения идентичны по пикам колебаний, но имеют различный наклон и кривизну. Между этими кривыми существует простые математические соотношения, и значения могут быть преобразованы из одной величины в другую с помощью преобразователей. Очевидно, что виброускорение целесообразно измерять на высоких частотах, так как его амплитуда пропорциональна квадрату круговой частоты , как следует из выражения. Параметром виброускорения зачастую удобнее пользоваться в тех случаях, когда основной интерес представляют высокочастотные составляющие вибрации (например, при диагностике подшипников качения). Используется на высоких частотах 1000 Гц и более. Аналогично, амплитуда скорости механических колебаний пропорциональна круговой частоте в первой степени, что свидетельствует о целесообразности измерять виброскорость, если измерительный прибор имеет ограниченный динамический диапазон или если спектр виброскорости машины либо оборудования относительно равномерный по частоте. Спектр виброскорости несет больше полезных данных, его часто используют для анализа колебаний в широком спектре. Как правило, на средних частотах 50-1000 Гц. Виброперемещение наиболее часто используется для измерения низкочастотных механических колебаний. Виброперемещением наиболее удобно пользоваться при анализе колебаний на низких частотах (до 50 Гц). В основном в качестве датчиков вибрации используются акселерометры, которые регистрируют виброускорение, преобразование их в виброперемещение и виброскорость осуществляется автоматически с помощью интеграторов. При диагностировании машин и оборудования следует разделять вибрацию на низкочастотную, среднечастотную, высокочастотную и ультразвуковую. Это обусловлено тем, что в каждой области частот вибрация имеет свои физические особенности, оказывающие значительное влияние на выбор вибродиагностических параметров и методов диагностирования. Единицы измерения шума и вибрации Для шума линейными единицами измерения являются: паскаль (Па) - при измерении звукового давления; ватт на метр квадратный (Вт/м2) - при измерении интенсивности звука. Однако, как правило, шум измеряется в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ), что обусловлено удобством использования этих единиц измерения при изменении значений шума в большом диапазоне. Уровень звукового давления, выраженный в децибелах, определяется формулой: где давление, Па; Па - порог слышимости человека на частоте 1 кГц. Интенсивность звука J (Вт/м2) связана со звуковым давлением Р выражением: Где - волновое сопротивление; - плотность среды, равная для воздуха приблизительно 1,29 кг/м ; 330 м/с - скорость звука в воздухе. Пороговые значения давления и интенсивности выбраны такими, чтобы для воздуха в нормальных условиях они удовлетвори соотношению , поэтому интенсивность звука и звуковое давление в воздухе, выраженные в децибелах, совпадают. Для вибрации линейными единицами измерения, согласно ГОСТам ИСО, являются: микрометры (мкм) - для измерения виброперемещения, миллиметры в секунду (мм/с) - для измерения виброскорости, метры в секунду за секунду (м/с2 ), или в единицах ускорения свободного падения g = 9,8 м/с2 (M/c2(g)) - для измерения виброускорения. Так же, как и для шума, вибрация может выражаться в относительных единицах - децибелах. Тогда уровни колебаний соответственно виброперемещения, виброскорости и виброускорения (дБ) определяются следующим образом: где пороговые значения, равные до недавнего времени: , м; м/с; м/с2 В некоторых отраслях промышленности и до сих пор действительны эти пороговые значения. Пороговое значение для виброскорости определяется из выражения, связывающего давление в упругой волне со скоростью колебания частиц при замене на пороговое значение давления ; Тогда для воздуха пороговое значение виброскорости равно м/с Следует отметить, что это пороговое значение не зависит от частоты. Пороговые значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения выбраны таким образом, чтобы измеренные в одной точке и выраженные в децибелах, совпадали на частоте = 1000 Гц. С учетом того, что для гармонического колебания амплитуда виброскорости по абсолютной величине равна произведению круговой частоты на амплитуду виброперемещения получим величину порогового значения для виброперемещения. (для частоты = 1000 Гц ). Соответственно, величину порогового значения для виброускорения можно получить из выражения, связывающего амплитуду виброускорения с амплитудой виброперемещения. Подставляя в это выражение вместо амплитуды виброперемещения его пороговое значение получим пороговое значение для виброускорения. В настоящее время в соответствии со Стандартом ИСО - 1683 широко используются следующие пороговые значения механических колебаний: м, м/с, м/с2 приведенные не к частоте =1 кГц, а, для получения более простых значений к круговой частоте = 1000 рад/с (=159 Гц). Это означает, что числовые значения уровней виброускорения, виброскорости и виброперемещения механических колебаний с синусоидальной формой волны и с угловой частотой - 1000 рад/с равны друг другу. Таким образом, выражая амплитуды виброперемещения, виброскорости или виброускорения в децибелах, необходимо указывать уровень относительно определенного опорного значения, например, уровень ускорения 78 дБ относительно 10-6 м/с2. При сравнении амплитуд механических колебаний достаточно указать лишь разность соответствующих уровней в децибелах, отнесенных к одному и тому же опорному значению. Например, один уровень выше другого на столько-то децибел, при этом опорное значение не указывается. Для того чтобы в первом приближении оценить в разах уровень колебаний, приведенный в децибелах, достаточно запомнить только несколько значений: 3дБ соответствует увеличению в 1,41 раза, 6 дБ – в 2 раза, 10 дБ – в 3,16 раза, 20 дБ – в 10 раз. Лекция 13 Анализ виброаккустических сигналов 13.1 Анализ общих уровней вибрации Простейший из виброакустических методов - метод измерения общего уровня шума или вибрации. В этом случае в широких частотных диапазонах измеряются или среднеквадратичные значения, или пиковые значения виброускорения, виброскорости или виброперемещения. При измерении общего уровня колебаний максимальный вклад могут давать несколько основных составляющих или даже одна составляющая, например, на частоте вращения (Рис 13.1). Рис.13.1. Общее значение амплитуды или общий уровень колебаний в широкой частотной полосе Эта составляющая имеет, безусловно, большое значение, однако развивающиеся дефекты могут привести к росту других составляющих, уровень которых может быть значительно ниже уровня доминирующей составляющей. Таким образом, измерение общего уровня является слишком грубой оценкой с точки зрения определения технического состояния машины или оборудования и может быть использовано для его контроля, чем для диагностики. Однако следует отметить, что практически все системы мониторинга и диагностики дают информацию об общем уровне шума и/или вибрации. Она используется, в частности, для сравнения с установленными стандартами пороговыми значениями и для построения трендов, т.е. зависимостей общего уровня от времени, что дает возможность оценить в первом приближении скорость изменения состояния машины или оборудования. Многие специалисты в качестве руководства для оценки состояния машинного оборудования используют один из опубликованных стандартов по жесткости механических колебаний (ISO 2372, VDI 2056, BS 4675). В нем указаны предельные значения, которые зависят только от мощности машины и типа фундамента. Большинство общих критериев базируется на СКЗ скорости механических колебаний в частотном диапазоне от 10 до 1000 Гц, хотя многие важные частотные составляющие часто находятся в области более высоких частот. Хотя абсолютные значения, предлагаемые этими критериями, не всегда могут быть использованы, они, тем не менее, являются полезными в смысле индикации различных степеней увеличения уровней механических колебаний. Например, в упомянутом выше стандарте ИСО 2372 указывается, что увеличение амплитуд в 2,5 раза (8 дБ) является значительным, так как такова протяженность одного класса качества. Аналогично, увеличение в 10 раз (20 дБ) является серьезным, так как оно может привести к ухудшению оценки состояния машины с «хорошей» до «недопустимой». 13.2 Спектральный (частотный) анализ Многие виды дефектов приводят к росту составляющих вибрации на самых разных частотах. Поэтому в большинстве практических случаев для разделения на отдельные составляющие широкополосных сигналов используется частотный анализ, позволяющий оценивать уровни вибрации или шума в более узких частотных полосах (рис.13.2) Рис. 13.2. Спектры вибрации, измеренные с различной разрешающей способностью Прибор, позволяющий измерять и анализировать амплитуды или среднеквадратические значения вибрации или шума в отдельных относительно узких полосах частот, называется анализатором спектра. Современные анализаторы спектра (рис. 13.3) осуществляют параллельный анализ, т.е. анализ, происходящий одновременно во всех полосах в пределах рабочего частотного диапазона. Таким образом, обеспечивается мгновенный частотный анализ шума или вибрации, т.е. частотный анализ в реальном времени. Рис 13.3 Структурная схема анализатора, работающего в реальном времени и осуществляющего параллельный спектральный анализ Современные анализаторы спектра, кроме измерения уровней вибрации или шума в относительно узких полосах частот, позволяют выполнять еще ряд функций, в том числе, как правило, измерять общий уровень в широкой полосе частот (используя так называемый "линейный фильтр"), уровни колебаний на низких и/или высоких частотах, а при измерении шума дополнительно его уровень в полосе частот, определяемой кривой А (используя "взвешивающий" фильтр), и т.д. 13.3. Анализ ударных импульсов Во многих случаях изменение технического состояния элементов машин и оборудования, особенно на начальной стадии развития дефектов, не влияет на общий уровень вибрации и шума. Так, в частности для подшипников, появление небольших дефектов на телах качения, а также на наружной или внутренней обоймах практически не изменяет общего уровня вибрации и шума. Однако наличие даже зарождающихся дефектов в подшипнике приводит к появлению высокочастотных ударных импульсов и, следовательно, к увеличению пиковых уровней в высокочастотном сигнале вибрации, при этом его среднеквадратические уровни в общем случае могут даже оставаться неизменными. Поэтому, отношение пикового и среднеквадратического значений, которое называется пикфактором - диагностический признак, а метод, основанный на измерении пикфактора, называется методом ударных импульсов. В случае отсутствия ударных импульсов пикфактор имеет значение меньше пяти, а при их наличии этот показатель может быть выше десяти. Принцип действия метода ударных импульсов можно пояснить рис.20, где представлены временные высокочастотные сигналы вибрации исправного подшипника качения и подшипника с раковиной на поверхности качения. Однако, поскольку ударные импульсы появляются при различных видах дефектов, этот метод не позволяет идентифицировать вид дефекта, а, следовательно, может быть использован только для контроля состояния узла, но не для его диагностирования. Кроме того, дефекты сборки, которые не приводят к продавливанию слоя смазки, не вызывают появление микроударов, а следовательно не могут быть обнаружены. Еще одно обстоятельство ограничивает применение метода ударных импульсов: рост пикфактора прекращается при развитых дефектах и даже происходит его уменьшение по мере увеличения степени развития дефекта. Это определяется тем, что среднеквадратическое значение высокочастотной вибрации в этом случае начинает расти быстрее, чем его пиковое значение. Рис 13.2 Высокочастотная вибрация исправного (а) и дефектного (б) подшипников качения На практике стандартный виброметр может совмещать функции прибора, измеряющего общий уровень, и прибора для измерения пик-фактора. 13.4 Диагностика подшипников качения с помощью детектора огибающей В работоспособном подшипнике сигнал вибрации не имеет ярко выраженных дискретных составляющих. В результате возникновения дефектов в подшипниках качения создаются серии ударов, которые периодически повторяются с частотой, зависящей от геометрических параметров подшипников. В колебаниях появляется модуляция по амплитуде с различными частотами, которые непосредственно связаны с дефектом, вызвавшим эту модуляцию. Различные частоты повторения характеризуют дефекты различных частей подшипников: внешней обоймы, внутренней обоймы, шарика или ролика и сепаратора. Частоты повторения или частоты подшипника определяются по строгим математическим формулам. При модулированном временном сигнале вибрации значительную информацию о дефектах несет огибающая временного сигнала Первым различимым признаком износа подшипника, проявляющимся в спектре механических колебаний, является общее увеличение уровней в районе от 2 до 20 кГц. Это происходит вследствие того, что каждый раз, когда шарик проходит дефект, результирующий удар приводит к возбуждению резонанса, который проявляется в данной части спектра. Для выделения огибающей должна быть определена зона общего увеличения уровня механических колебаний. После этого на среднюю частоту соответствующей полосы настраивается полосовой фильтр детектора огибающей. Детектор сглаживает и выпрямляет временной сигнал и отдает результирующий сигнал на анализатор. Сигнал, обрабатываемый анализатором, содержит составляющую с основной частотой и гармоники всех составляющих, связанных с дефектом подшипника. После анализа может быть осуществлена проверка частотных составляющих с вычислением характеристических частот для определения типа дефекта подшипника. Рис. 13.4 Последовательность действий по диагностированию подшипников качения с помощью детектора огибающей По результатам анализа спектра огибающей случайной вибрации подшипникового узла обнаруживаются и определяются виды одиннадцати из двенадцати возможных дефектов, которые отражают состояние поверхностей трения подшипников качения или качество установки подшипников в посадочные места. Вид дефектов идентифицируется по пяти основным и нескольким дополнительным группам гармоник в спектре огибающей. К основным группам в порядке снижения вероятности их появления в спектре огибающей относятся следующие гармоники с учетом того, что , где линейная частота: • гармоники с частотами, кратными частоте вращения кольца подшипника ; • гармоники с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу ; • гармоники с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу , • гармоники с частотами, кратными частоте вращения сепаратора ; • гармоники с частотами, кратными частоте вращения тел качения . Здесь k - кратность гармоники. Лекция 14. Средства технического диагностирования 14.1. Классификация К средствам технического диагностирования относятся Программные средства диагностирования — пакеты программ, используемые при диагностике. Ремонтно-эксплуатационная документация — таблицы состояний, методики поиска дефекта, ремонтные схемы, Технические средства диагностирования (ТСД) представляют собой приборы или устройства, предназначенные для решения различных диагностических задач. Состав и принцип построения ТСД определяются решаемыми задачами диагностирования, степенью воздействия на оборудование, степенью встраивания, способами получения информации, способами обработки информации о состоянии оборудования, степенью автоматизации, степенью универсальности и подвижности. В зависимости от решаемых задач диагностирования можно выделить следующие виды ТСД: • контроля работоспособности; • поиска дефектов; • прогнозирования состояния; • контроля и прогнозирования состояния; • контроля работоспособности и поиска дефектов; • контроля и прогнозирования состояния, поиска дефектов. По степени воздействия на оборудование ТСД разделяют на активные и пассивные. Конструктивно ТСД могут полностью или частично относиться к ОД (встроенные) или выполняться отдельно от конструкции ОД (внешние). То и другое конструктивное выполнение ТСД в основном определяется особенностями эксплуатации ОД. По способу получения информации о состоянии оборудования ТСД делятся на средства для определения состояния по совокупности параметров ТСД-П и средства для оценивания состояния по сигналам ТСД-С. В первом случае обрабатывается информация, снимаемая в контрольных точках, специально предусмотренных в оборудовании. Во втором случае для возможности оценивания реакции на рабочем выходе объекта в состав ТСД включают эквивалентную модель, а диагноз устанавливают путем сравнения реакции оборудования и модели на одинаковые входные воздействия. По способу обработки информации ТСД могут быть последовательного, параллельного и параллельно-последовательного действия. По степени автоматизации ТСД разделяются на ручные, автоматизированные и автоматические. Условной границей между этими ТСД может быть доля времени, затрачиваемого на выполнение операций автоматически та, в общем времени диагностирования тд, т.е. Ка = та/тд Если время на автоматическое выполнение операций составляет до 0,1 т , то ТСД называют ручными, а если время на автоматические операции составляет не менее 0,9 тд, то — автоматическими. Все остальные относятся к автоматизированным. По степени универсальности ТСД разделяют на специализированные и универсальные. Специализированные ТСД предназначены для оценивания состояния однотипного оборудования. Такие ТСД могут включать унифицированные блоки, мини-ЭВМ и микропроцессоры. Универсальные ТСД предназначены для диагностирования оборудования различного назначения и конструктивного выполнения. Такие средства строятся с применением ЭВМ. В этом случае переход от одного типа оборудования к другому осуществляется путем смены программы диагностирования без изменения структуры ТСД. Универсальные ТСД, как правило, проектируются с "открытыми входами" под унифицированные сигналы первичных измерительных преобразователей. Универсальные ТСД отличаются гибкостью, т.е. возможностью ввода новых программ диагностирования. Следует заметить, что универсальные ТСД достаточно сложные и дорогостоящие, и для их обслуживания требуются специалисты высокой квалификации. В зависимости от степени подвижности ТСД могут быть выполнены переносными, передвижными и стационарными. Стационарные средства чаще всего размещаются на диагностических станциях, испытательных и контрольных центрах. Передвижные средства монтируются на самоходных или несамоходных транспортных средствах. 14.2. Показатели технических средств диагностирования. Показатели надежности ТСД характеризуют: — вероятность безотказной работы Рт (t), т.е. вероятность того, что в пределах заданной наработки отказ ТСД не возникает. Величина вероятности безотказной работы рассчитывается по различным формулам в зависимости от закона распределения отказов элементов. Для экспоненциального закона, где— интенсивность отказов ТСД; — коэффициент готовности КГ представляет собой вероятность того, что ТСД окажутся работоспособными в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование их по назначению не предусматривается, и характеризует как безотказность, так и ремонтопригодность ТСД. Коэффициент готовности рассчитывается по формуле где Тт — наработка на отказ; Тв — среднее время восстановления. — вероятность правильного функционирования ТСД Метрологические показатели характеризуют точность ТСД, которая в большой степени влияет на инструментальную достоверность. Точность можно определить так называемой мерой точности где о (е) — среднеквадратичная погрешность. Мера точности зависит от сложности ТСД и определяется точностью отдельных операций при диагностировании. При постановке диагноза могут быть случайные и систематические погрешности, обусловленные погрешностями измерительного тракта ТСД и нестабильностью метода измерения. Систематические погрешности, характер изменения которых известен, могут быть учтены при выборе допуска на параметры. Случайные же погрешности всегда будут вносить неопределенность при оценивании результата диагностирования. Погрешности метода измерения приводят также к ошибкам в оценивании состояния ОД. Иногда кроме статической погрешности следует учитывать и динамическую погрешность измерения, влияние которой весьма существенно при измерении переменной величины. Причем чем быстрее изменяется параметр, тем больше погрешность измерения в данном интервале времени. Основной вклад в ошибки при постановке диагноза вносят датчики, первичные преобразователи, коммутаторы и элементы измерительного тракта. В общем случае погрешность складывается из погрешности датчиков ад, нормализаторов ан и коммутаторов ак, т.е. которая составляет единицы процентов. Цифровым измерительным устройствам свойственна более низкая погрешность, достигающая 0,01 %. Массогабаритные показатели ТСД можно охарактеризовать величиной компактности где G — масса ТСД; V— занимаемый объем. Требования минимально возможной стоимости, малой массы, габаритов являются общими для любых технических средств. Лекция 15. Датчики 15.1. Общие сведения Датчик (измерительный преобразователь) — устройство, воспринимающее измеряемый (контролируемый) параметр и преобразующее его в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения. В большинстве случаев датчик представляет собой конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей: (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктивных элементов, предназначенную для измерения (контроля) конкретной физической величины и выполненную в виде единой конструкции. В средствах технического диагностирования используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы этих средств имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлическими и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов диагноза в форме, удобной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие при наличии программирующего устройства оперативно перестраивать структуру измерительных каналов. Датчики, являясь первичными элементами средств диагностирования, осуществляют связь этих средств с объектом путем преобразования контролируемых параметров (неэлектрических и электрических величин) в электрические сигналы, поступающие во входные устройства диагностического средства. Преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал осуществляется в датчиках на основе использования зависимости электрических параметров различных физических тел от внешних воздействий. В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные или активные и параметрические или пассивные. В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи — сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. В настоящее время находят наиболее широкое применение следующие: 1. Тензорезисторные (тензометрические) датчики — для измерения давлений, усилий, вращающих моментов, относительных перемещений, линейных ускорений и др. 2.Электроконтактные датчики — для измерения временных интервалов и фазовых параметров работы двигателя. 3. Индуктивные датчики — для измерения давлений, линейных перемещений и др. 4. Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики — для измерения линейных перемещений, давлений, расходов и др. 5. Магнитоупругие датчики — для измерения вращающих моментов, усилий и др. 6. Индукционные датчики — для измерения расходов жидкости и газа, частоты вращения и др. 7. Пьезоэлектрические датчики — для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др. 8. Термоэлектрические датчики (термопары) — для измерения температуры выхлопных газов и температуры в камере сгорания двигателя, температуры поверхности корпусных деталей и др. 9. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) — для измерения температуры жидких сред и поверхности корпусных деталей. 10. Фотоэлектрические датчики — для измерения частоты вращения, вращающего момента, линейных размеров и др. 11. Механотронные датчики — для измерения малых перемещений, усилий, давлений и др. 12. Частотные стробоскопические датчики (стробоскопы) —для измерения фазовых параметров работы вращающихся механизмов и частоты вращения. Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины (электрического сигнала) U от входной величины (контролируемого параметра) X, определяемая градуировочной характеристикой U = f(X). На рис. изображены наиболее распространенные зависимости «выход — вход» для датчиков в зависимости от структуры их построения. В наиболее простых случаях структурная схема датчика включает в себя один или два элементарных преобразователя. В простейшем случае он может состоять только из одного преобразователя (рис. 1,а), осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую величину U. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию X измеряемого параметра и преобразующего ее в промежуточную неэлектрическую величину Х1, и преобразователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины Х1 в электрический сигнал U (рис. 1, б). В отдельных случаях между чувствительным элементом и преобразователем располагается передаточный механизм или несколько промежуточных преобразователей (структура каскадного соединения, рис. 1,в). Часто встречаются более сложные структуры: дифференциальная схема; (рис. 1,г), например, в индуктивных датчиках давления, и компенсационная схема (рис. 1,д), например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений. Рис.15.1.Структурные схемы основных типов датчиков: а - структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары), состоящего только из одного преобразователя; б — структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выходного преобразователя 2; в - схема каскадного соединения (3 - промежуточный преобразователь)- г — дифференциальная схема (4 — вычитающий элемент); д — компенсационная схема (5 - усилитель; 6 — генератор компенсирующей величины); е — обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины: ЧЭ — упругий чувствительный элемент (первичный преобразователь); ПМ — передаточный механизм (промежуточный преобразователь)- ПНЭ —- преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС — электрическая схема (вторичный преобразователь); Хнэ, Хэ и Уэ — соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выходной электрический сигналы В общем виде подавляющее большинство датчиков неэлектрических параметров можно представить обобщенной структурной схемой (рис. 1,е). Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал Uэ. Например, в некоторых тензометрических датчиках электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение. Вид функциональной зависимости датчика неэлектрического параметра U = f(X), как правило, определяется соотношением действующего и противодействующего усилий на чувствительный элемент и характеристиками преобразователя неэлектрического параметра в электрический сигнал. Если датчик состоит из одного преобразователя (см. рис. 1,а), то его характеристика определяется физическими и электрическими параметрами последнего. Характер зависимости U = f(X) в ее окончательном суммарном виде, как правило, находится путем градуировки датчиков и представляется в виде таблицы либо в виде графика. При градуировке для контроля задаваемых значений измеряемой неэлектрической величины и выходного сигнала применяют образцовые средства измерения с погрешностью, которая в 3—5 раз меньше погрешности датчиков в нормальных условиях. В зависимости от свойств составных конструктивных и схемных элементов датчика его градуировочная характеристика оказывается либо линейной, либо нелинейной. В большинстве случаев стремятся иметь датчики с линейной характеристикой, т. е. с характеристикой, погрешность от нелинейности которой ничтожна по сравнению с допускаемой погрешностью датчиков в нормальных условиях. Линейность характеристики особенно важна для измерений колебательных процессов и других динамических измерений. Из-за наличия сил трения в подвижных элементах конструкции датчиков при градуировке обнаруживается разница в значениях выходного сигнала между прямым и обратным ходом при одном и том же значении измеряемой величины. Основная доля вариационных отклонений вызывается свойствами упругих чувствительных элементов. При измерении медленно и быстро меняющихся процессов имеет место динамический режим работы аппаратуры, вызывающий появление дополнительных динамических погрешностей, а именно: амплитудных и фазовых погрешностей и погрешностей измерения переходных процессов. Эти погрешности зависят от динамических параметров измеряемых процессов и динамических характеристик датчиков. 15. 2. ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЕ (ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ)ДАТЧИКИ В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводников (тензорезисторов) при их механической деформации. Тензорезистор (от латинского слова tenso — растягиваю) характеризуется коэффициентом тензочувствительности (где — относительное изменение сопротивления тензорезистора; — относительная деформация преобразователя). Коэффициент К зависит от свойств материала тензорезистора, качества подложки (основы), на которую наклеивается тензорезистор, и вида клея. В практике широко используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочные тензорезисторы наиболее простые и представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких витков проволоки, наклеенную на специальную бумажную или лаковую (пленочную) основу. Сверху спираль закрывают такой же бумагой или пленкой. Материал проволоки — константан, манганин, нихром и другие металлы, которые имеют высокий коэффициент тензочувствительности К и малый температурный коэффициент сопротивления. Рис.3. Электрические схемы тензорезисторного датчика: а — потенциометрическая; б — мостовая, R1, R2, R3,Rd — сопротивление тензорезисторов; U — напряжение питания; — изменение выходного напряжения; И — индикатор; С — емкость конденсатора Тензорезисторы наклеивают на первичный или вторичный упругий чувствительный элемент датчика. Сжатие или растяжение чувствительного элемента в пределах упругих деформаций вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки тензорезистора, в результате чего меняется ее длина, поперечное сечение и удельное электрическое сопротивление, т. е. в конечном счете меняется электрическое сопротивление тензорезистора R = pl/S (где р — удельное электрическое сопротивление проволоки; l — длина деформируемого участка проволоки; S — площадь поперечного сечения проволоки). Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонких полосок фольги прямоугольного сечения, которые наносят на лаковую основу. Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют из германия, кремния, арсенида галия и других материалов, имеющих сильно развитый тензоэффект. Они обладают весьма важным преимуществом перед проволочными и фольговыми тензорезисторами: коэффициент тензочувствительности К достигает 100—120, т. е. в 50— 60 раз выше. Их недостатком является малая механическая прочность и нелинейность характеристики. Электрические схемы тензодатчиков обычно бывают двух видов: мостовая (полный мост и полумост) и потенциометрическая (рис. 3). Выходным сигналом датчика является изменение напряжения (), которое определяется напряжением источника питания и отношением сопротивлений тензорезисторов. Например, при мостовой схеме постоянного тока — в случае включения тензорезисторов во все 4 плеча (схема полного моста); — в случае включения тензорезисторов в два смежных плеча (схема полумоста). При потенциометрической схеме (где RI и R2 — последовательно соединенные резисторы, из которых один или оба могут быть тензорезисторами). Потенциометрические схемы имеют серьезный недостаток, так как на их выходе всегда есть постоянная составляющая, затрудняющая измерить малые . Эти схемы питаются постоянным током. Мостовые схемы не имеют указанного недостатка, так как в них обеспечивается балансировка, т. е. достигается равенстве сопротивлений диагоналей моста (рис. 3,6): R1R4 = R2R3. Балансировка мостов постоянного тока осуществляется по активному сопротивлению, а мостов переменного тока — по активной и реактивной составляющей. Вид упругого элемента тензорезисторного датчика (балка, скоба, мембрана, пружина и др.) определяет его назначение (для измерения перемещения, давления, силы и др.), а деформируемость и частотные свойства упругого элемента — чувствительность датчика и его применимость для измерения статических или динамических процессов. При разработке конструкции тензорезисторных датчиков могут быть успешно решены вопросы компенсации температурной и временной нестабильности их метрологических характеристик путем схемных решений, улучшением технологии крепления тензорезисторов на упругом элементе, выбором оптимальной жесткости упругого элемента и др. 15.3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ (ИНДУКТИВНЫЕ, ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ, МАГНИТОУПРУГИЕИИНДУКЦИОННЫЕ) ДАТЧИКИ Электромагнитные датчики основаны на использовании зависимости характеристик магнитной цепи (магнитного сопротивления, магнитной проницаемости, магнитного потока и др.) при механическом воздействии на элементы этой цепи. Датчики, преобразующие перемещение в изменение индуктивности, называют индуктивными (рис. 4, а, б, в). Датчики, преобразующие перемещение в изменение взаимной индуктивности (рис. 4, г, д, е), принято называть трансформаторными (или взаимоиндуктивными). В трансформаторных датчиках изменение взаимной индуктивности можно получить не только при изменении полного сопротивления, но и при перемещении одной из обмоток. Датчики, основанные на изменении магнитного сопротивления, обусловленном изменением магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника под воздействием механической деформации, называют магнитоупругими (рис. 4,ж, з, и). Датчики, в которых скорость изменения измеряемого механического параметра преобразуется в индуктированную ЭДС, называют индукционными или магнитоэлектрическими (рис. 4,к). Индуктивные датчики представляют собой дроссель с изменяющимся воздушным зазором А (см. рис. 4, а) или изменяющейся площадью 5 поперечного сечения магнитопровода (см.рис.4,б). Выходным параметром является изменение индуктивности L (или полного сопротивления Z) обмотки, надетой на сердечник. Широко распространены также индуктивные датчики соленоидного типа с разомкнутой магнитной цепью (см. рис. 4,в). Рис. 4.Принципиальные схемы электромагнитных датчиков Индуктивные датчики с переменным зазором (см. рис. 4, а) имеют ограниченный диапазон измерений (от 0,01 до 2 мм), так как при большем зазоре зависимость L = f(A) становится нелинейной. Датчики с регулируемой площадью поперечного сечения магнитопровода (см. рис. 4,6) имеют большую линейность (в диапазоне до 5—8 мм). Датчики соленоидного типа (см. рис. 4, в) пригодны для измерения больших перемещений (до 50—60 мм). Недостатком индуктивных датчиков является наличие на выходе постоянной составляющей сигнала, для компенсации которой применяют мостовые или дифференциальные схемы. Трансформаторные датчики представляют собой магнитопровод с двумя обмотками (см. рис. 4, г, д) и ферромагнитный сердечник. При перемещении сердечника изменяется взаимная индуктивность обмоток. С целью снижения постоянной составляющей сигнала на выходе применяют дифференциально-трансформаторные схемы (см. рис. 4,е), в которых вторичные обмотки w1’ и w2” включены встречно. Погрешность этих датчиков вызывается колебанием напряжения и частоты питания, температуры. Достоинствами индуктивных и трансформаторных датчиков являются: высокий коэффициент преобразования (можно работать без специальных усилительных устройств), простота конструкции Магнитоупругие датчики представляют собой ферромагнитный сердечник с обмоткой, при деформации которого от сжимающих растягивающих или скручивающих усилий (Р) происходит изменение магнитной проницаемости сердечника и изменение его магнитного сопротивления Z = f(P). Это приводит к изменению индуктивности обмотки, помещенной на сердечнике (см. рис. 4,ж,з) или взаимной индуктивности между обмотками (см. рис. 4, и). По принципу действия магнитоупругие датчики делят на две группы: дроссельного и трансформаторного типа. В датчиках дроссельного типа (см. рис. 4,ж,з) изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению полного электрического сопротивления Z катушки дросселя. Эти датчики просты, но чувствительны к колебаниям напряжения питания и изменениям температуры. Поэтому датчики дроссельного типа применяют при измерениях, не требующих высокой точности. Магнитоупругие датчики трансформаторного типа (см. рис. 4, и) имеют более высокие коэффициент преобразования и точность, чем дроссельные. Индукционные датчики выполняют с постоянным магнитом или электромагнитом, через обмотку которого пропускается постоянный ток (см. рис. 4, к). Эти датчики в отличие от вышерассмотренных индуктивных, трансформаторных и магнитоупругих относятся к разряду генераторных, так как при воздействии входной величины они генерируют электрическую энергию. В них используется явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется магнитный поток. Наводимая ЭДС в катушке зависит не от абсолютного значения магнитного потока, а от скорости его изменения внутри контура. Поэтому индукционные датчики применяют только для измерения: скорости угловых или линейных перемещений. 15.4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕДАТЧИКИ Основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта, суть которого заключается в том, что некоторые материалы при механическом нагружении образуют электрические заряды (прямой пьезоэффект). Оценивается пьезоэффект пьезомодулем К, характеризующим связь между приложенной нагрузкой Р и возникающим электрическим зарядом Q, т. е. Q = KP. Такими свойствами обладает ряд природных кристаллов: кварц, турмалин и др. и искусственных кристаллов: сегнетовая соль, дигидрофосфат аммония, титанат бария и др. Пьезоэлектрические датчики пригодны для измерения давления, силы, виброускорений и др. Рис5.Схемы включения пьезоэлектрического датчика в измерительную цепь: Сд, Rо — емкость и сопротивление пьезопреобразователя;Свх = Ск + Си— емкость кабеля и входная емкость измерительной цепи;1— пьезоэлектрический датчик(пьезопреобразователь); 2 — измерительная цепь; Увых — напряжение на выходе датчика Выходная мощность пьезоэлектрических датчиков очень мала (генераторные датчики), поэтому датчик включается в измерительной схеме на вход усилителя с возможно большим входным сопротивлением. Эквивалентная схема включения пьезоэлектрического датчика в измерительную цепь представлена на рис. 5,а. Упрощенная эквивалентная схема указана на рис. 5, б, где сопротивление - и емкость С = Сд+ Свх. Из схемы следует, что выходным сигналом датчика является напряжение Uвых = = КР/(Сд + Ск + Си) (где Сд, Ск, Си —соответственно емкость самого пьезопреобразователя, соединительного кабеля и входная емкость измерительной цепи). Погрешности пьезоэлектрического датчика складываются из погрешности от изменения емкости Свх, температурной погрешности, погрешности от способа установки датчика на объекте и др. Достоинства пьезодатчиков: малые габариты, простота конструкции, надежность в работе, возможность измерения быстропеременных параметров. 15.5. ДАТЧИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЯ Термоэлектрические датчики (термопары) основаны на явлении возникновения в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах) термозависимой ЭДС. Значение ЭДС зависит от разности температур горячего и холодного спаев и материала электродов. Термо-ЭДС пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями термопары. По термо-ЭДС, измеренной при постоянной температуре холодного спая (обычно 0°С), или внося поправку на отклонение от 0°С, определяют контролируемую температуру. Для упрощения ввода этой поправки холодные спаи выводят из зоны высоких температур и приближают к измерительному прибору с помощью компенсационных проводов. Обычно поправка вводится автоматически, например, при использовании в качестве измерительного прибора — потенциометра типа КСП. Погрешности термопар появляются в результате отклонения действительной характеристики термопары от первоначальной градуировочной характеристики из-за старения термоэлектродов, а также нелинейности характеристики. Рис. 6. Электрические схемы включения: а — термопары с мостом компенсации; б — термометра сопротивления с неуравновешенным мостом: t0 — термометр сопротивления; ТП — термопара Одним из способов термокомпенсации холодного спая является использование мостовой схемы, включаемой последовательно с термопарой (рис. 6,а). Мост устанавливают вблизи холодных спаев. Резисторы R1-R3 выполняют из манганина, a Rм— из меди или никеля, что придает мосту термочувствительные свойства. Питание моста производится стабильным напряжением U постоянного тока. При 0°С мост уравновешен, при изменении температуры на выходе моста появляется напряжение Uк, равное ЭДС термопары при этой температуре. Вычитание полученного напряжения из ЭДС термопары обеспечивает компенсацию. Датчики термосопротивления (термометры сопротивления) основаны на зависимости электрического сопротивления металлов от температуры. Термометр сопротивления выполняется в виде тонкой металлической проволоки, бифилярно намотанной на токонепроводящий и термостойкий каркас и помещенной в защитный чехол. Обычно применяют медные и платиновые термометры. Медные термометры имеют линейную характеристику и работают в диапазоне до +180°С; платиновые имеют некоторую нелинейность и работают в диапазоне до +650°С. Погрешности термометров сопротивления вызваны отклонением его сопротивления при 0°С и температурной характеристики от градуировочной таблицы; нестабильностью сопротивления соединительных проводов; нагревом термометра измерительным током. Предельная длина линии связи с термометрами сопротивления определяется сопротивлением провода (не более 2,5 Ом). Для превращения изменения сопротивления термометра в изменение напряжения Ux термометр t° включается в неуравновешенную мостовую схему (рис. 6,б), питание которой производится от стабильного источника напряжения постоянного тока. Включение в мостовую схему термометра осуществляется по трехпроводной схеме с целью уменьшения погрешности; R1—R3 — резисторы моста, a Rn — подгоночные резисторы, сопротивления которых в сумме с сопротивлением линии связи подгоняются к определенной величине (обычно 2,5 Ом). Помимо металлических термометров сопротивления применяют полупроводниковые термосопротивления — терморезисторы (термисторы). Термисторы имеют малые габариты, высокий температурный коэффициент сопротивления, более высокую чувствительность. Однако главный их недостаток — нелинейность температурных характеристик, низкая стабильность и взаимозаменяемость. Лекция 16. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ И АНАЛИЗА ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 16.1. Измерительные преобразователи вибрации Измерительные преобразователи вибрации значительно различаются по принципам действия и по конструкции в зависимости от диапазона частот измеряемой вибрации. В качестве измерительных преобразователей могут быть использованы датчики колебательных смещения, скорости или ускорения. Особенности их применения: - датчики вибросмещения (виброперемещения) чаще всего используются для измерения вибрации на низких и сверхнизких частотах, причем, как правило, являются параметрическими; - датчики виброскорости используются для измерения вибрации на низких и средних частотах и могут быть как генераторными, так и параметрическими. Чаще всего нормирование вибрации объектов контроля производится именно по виброскорости; - датчики виброускорения используются для измерения вибрации в широком диапазоне частот - от низких до ультразвуковых. Исключение составляют сверхнизкие частоты, на которых точности измерения падают, а уровень собственных шумов растет. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики вибрации генераторного типа. Эти же датчики с электрическим интегратором на выходе используются для измерения виброскорости, а иногда с двойным интегратором для измерения вибросмещения. 16.2. Измерительные преобразователи виброперемещения Множество существующих типов датчиков смещения, называемых проксиметрами, используют различные принципы преобразования вибрации в электрический сигнал. Тензометрические вибропреобразователи. Одна из возможных схем тензометрического вибропреобразователя приведена на рис.16.1. Основой такого преобразователя является тензосопротивление R(x), закрепленное на упругом элементе, один конец которого неподвижен, а второй контактирует с колеблющейся поверхностью контролируемого объекта. Проводимость тензосопротивления изменяется в зависимости от деформации упругого элемента, на котором он крепится, а деформация преобразователя определяется величиной относительного смещения подвижной и неподвижной поверхностей. Такого вида преобразователи являются параметрическими, и им требуется внешний источник энергии Выходное напряжение, снимаемое с последовательно включенного с R(x) сопротивления Rо , равно Рис. 16.1. Схема тензометрического преобразователя Переменную составляющую выходного напряжения тензометрического преобразователя можно представить в виде где Vx- чувствительность преобразователя колебательного смещения, мВ/мкм; x(t) - относительное смещение точки измерения и неподвижной поверхности. К недостаткам этих преобразователей можно отнести: •обязательное наличие внешнего источника питания; •неудобство измерений, связанное с необходимостью иметь неподвижную опору для крепления датчика; •невозможность выполнять бесконтактные измерения, например, вибросмещения вращающегося ротора относительно неподвижного корпуса машины. Фактически тензометрические преобразователи являются наиболее удобным средством измерения колебательных сил, а не вибрации. Вихретоковые вибропреобразователи. Вихретоковые вибропреобразователи получили наиболее широкое применение среди датчиков вибросмещения. Они предназначены для бесконтактного измерения вибрации и перемещения электропроводящих объектов относительно неподвижной точки, в которой устанавливается датчик. Приоритетной областью использования вихретоковых преобразователей является контроль осевого смещения и поперечного биения валов больших турбин, компрессоров, электромоторов и других машин, в которых используются подшипники скольжения. Вихретоковый вибропреобразователь представляет собой систему (рис.16.2) из катушки индуктивности, закрепленной на конце диэлектрического стержня, и электронного устройства. Эта катушка со специально подобранной емкостью образует резонансный контур. На вход контура с электрического генератора, входящего в состав электронного блока, подается высокочастотный сигнал. Если катушку поместить на небольшом расстоянии от электропроводящей поверхности, на поверхности будут наводиться токи Фуко и часть электрической энергии контура будет передаваться на нее и преобразовываться в тепло. Потери в контуре изменяют его добротность и снижают амплитуду резонансных колебаний. Таким образом, амплитуда колебаний зависит от расстояния между катушкой индуктивности и электропроводящей поверхностью. Естественно, что колебания этой поверхности приводят и к аналогичным колебаниям добротности резонансного контура и, как следствие, к амплитудной модуляции резонансных колебаний в контуре. Сигнал с контура подается на амплитудный детектор, и затем выпрямляется и из него вычитается опорная составляющая. Выходной сигнал преобразователя в итоге становится пропорциональным расстоянию от катушки до контролируемого объекта. Рис. 16.2. Вихретоковый преобразователь Резонансная частота контура (и частота генерируемых колебаний) зависит от верхней границы частотного диапазона преобразователя и превышает ее не менее чем в три раза. Максимальное расстояние от катушки до контролируемого объекта зависит от размеров катушки и расстояния от катушки до ближайших неподвижных электропроводящих поверхностей. Обычно это расстояние составляет от 0,5 мм до 1,0-3,0 мм. Поскольку от расстояния между катушкой и контролируемой поверхностью зависят не только активные потери в контуре, но и индуктивность катушки, а следовательно, и резонансная частота контура, приходится принимать специальные меры в виде автоподстройки частоты генератора или учета изменений индуктивности в полезном сигнале на выходе преобразователя. Иногда для снижения влияния неподвижных электропроводящих поверхностей, находящихся в непосредственной близости к датчику, на точность его показаний, контур помещают в ферритовый сердечник, открытый со стороны контролируемой поверхности. Наиболее часто вихретоковые датчики применяются для измерения относительного перемещения между шейкой вала, закрепленной в подшипнике скольжения, и корпусом подшипника скольжения. Во многих случаях устанавливаются два датчика, перпендикулярно валу, которые ориентированы относительно друг друга под углом 90 , что позволяет визуально наблюдать орбиту движения вала в радиальной плоскости (рис.16.3,а). Рис 16.3 Измерение перемещений вала относительно корпуса подшипника Для измерения осевого сдвига датчик размещают параллельно оси в торце вала и (или) параллельно плоскости измерительного буртика (рис.16.3,6). Иногда для усиления диагностических возможностей в торце вала рекомендуется устанавливать два датчика, что позволяет помимо осевого смещения измерять угол отклонения вала от осевой линии. Часто вихретоковые датчики используются для измерения частоты вращения или углового положения ротора (рис.16.3,в,г). Формирование отклика датчика обеспечивается небольшим выступом или углублением на валу. Вихретоковый датчик в виде формирователя фазовой метки часто используют совместно с X-Y-датчиками радиальной вибрации для определения ориентации орбиты движения вала относительно фазовой метки. Это позволяет легко определить место установки противовеса для устранения дисбаланса вала. Отношение сигнал/шум вихретоковых датчиков зависит от состояния поверхности вала, а также от качества внешнего источника питания датчика. Реальная оценка составляет 20-40 дБ в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц. Температурный диапазон обычно составляет от -40°С до +85°С. На показания вихретоковых датчиков влияют: •биения вала; •царапины на поверхности вала или другие дефекты; •изменение состава материала; •присутствие на поверхности намагниченных областей; •присутствие вблизи датчика посторонних проводящих материалов; •попадание в зазор между датчиком и поверхностью измеряемой детали посторонних проводящих частиц. К числу недостатков бесконтактных датчиков смещения, использующих вихревые токи, следует также отнести: •необходимость устойчивой опоры, так как датчик измеряет относительное смещение, поэтому он должен оставаться неподвижным; •требование внешнего источника питания; •сложность его калибровки, которую необходимо выполнять при каждой установке датчика и смене материала контролируемого объекта. 16.3. Измерительные преобразователи виброскорости Особо широкое распространение получили преобразователи виброскорости электродинамического типа, называемые велосиметрами. Схема подобного генераторного датчика приведена на рис.16.4. В велосиметре катушка с проводником крепится к инерционному элементу m, упруго закрепленному на магните. Выходное напряжение такого преобразователя зависит от скорости перемещения о проводника в постоянном магнитном поле и равно где В - магнитная индукция, Тл; l - общая длина проводника, находящегося в магнитном поле, м. Рис 16.4 Схема датчика виброскорости Рабочий диапазон частот электродинамических преобразователей лежит выше утроенного значения собственной частоты колебаний инерционного элемента m на упругих элементах С. Эквивалентная схема велосиметра приведена на рис.16.5. Рис. 16.5 Эквивалентная схема велосиметра Преимуществом такого датчика является его достаточно мощный выходной сигнал, так как ток в контуре l определяется выражением где выходное сопротивление (сопротивление катушки Rк) - мало по сравнению с сопротивлением нагрузки Rн. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость в условиях действия электромагнитных помех. К недостаткам преобразователей электродинамического типа можно отнести их относительно большие габариты. Поскольку нижняя граница частотного диапазона такого датчика часто даже выше аналогичной границы акселерометра с интегратором на его выходе, электродинамические велосиметры не получили широкого распространения. 16.4. Измерительные преобразователи виброускорения Во многих практических случаях для мониторинга и диагностики используются измерительные преобразователи виброускорения. Это объясняется тем, что выходной электрический сигнал таких датчиков, пропорциональный ускорению механических колебаний, эффективно измеряет высокочастотную вибрацию, а при необходимости выходной сигнал виброускорения с помощью интеграторов может быть преобразован в сигнал скорости и перемещения. На практике в основном используются пьезоэлектрические датчики ускорения (акселерометры), представляющие собой генераторные преобразователи вибрации. В качестве пьезоэлектрических материалов в акселерометрах применяется искусственно поляризованная керамика с металлизированными обкладками, процесс поляризации которой аналогичен процессу намагничивания железа в магнитном поле. Деформация пьезоэлементов может быть вызвана сжимающим или срезывающим усилием. И в одном и в другом случае электрический заряд образуется на поверхностях, находящихся под воздействием силы. Следует отметить, что при сжатии возникает паразитный электрический заряд из-за изменений температуры окружающей среды, а при срезывающем усилии нет. Поэтому акселерометры, работающие на срезывающем усилии, предпочтительны с этой точки зрения. Схема одного из возможных вариантов акселерометра, работающего на сжатие, представлена на рис.16.6. Основными элементами акселерометра являются пьезоэлемент в виде поляризованной шайбы (или пластины) с металлическими обкладками и инерционный элемент Т. Вибродатчик ускорения основан на пьезоэлектрическом эффекте. Воздействующие на акселерометр механические колебания приводят к тому, что на пьезоэлемент действует динамическая сила F(t), равная произведению ускорения инерционной массы х’’(t) на саму массу М : Под действием динамической силы F(t), пропорциональной ускорению объекта x’’(t), на котором установлен акселерометр, деформируется пьезоэлемент, в нем появляется объемный заряд q(t), а на его обкладках - напряжение Uвых(t). Величина заряда равна где d - пьезомодуль керамики, максимальная величина которого близка к 3*10-10 Кл/Н, vq- чувствительность акселерометра по заряду. Рис. 16.6. Схема акселерометра, работающего на сжатие Одна из существенных особенностей акселерометров - их очень большое сопротивление, исчисляемое гигаомами, что характерно для пьезокерамики. Как было упомянуто выше, более предпочтительными являются акселерометры, работающие на срезывающих усилиях. Упрощенная модель подобного преобразователя ускорения приведена на рис.16.7. Рис. 16.7. Схема акселерометра, работающего на срезывающих усилиях На треугольной стойке акселерометра крепятся его активные элементы, изготовленные из пьезоэлектрического материала. Они выполняют роль пружин, осуществляющих механическую связь между треугольной стойкой, соединенной с основанием датчика, и тремя инерционными массами. Поскольку амплитуда и фаза ускорения инерционных масс в широком частотном диапазоне идентичны амплитуде и фазе ускорения основания акселерометра, общий электрический заряд пропорционален ускорению основания и, следовательно, ускорению механических колебаний поверхности объекта, на котором закреплен акселерометр. Систему пьезоэлектрического акселерометра можно представить в виде еще более упрощенной и допускающей несложное математическое описание механической модели, представленной на рис.16.8, где mин - инерционная масса; mосн - масса основания датчика; k - эквивалентная жесткость акселерометра; F - сила, действующая на упругий элемент; Fвын - вынуждающая сила, действующая на основание датчика; хин - перемещение инерционной массы; хосн - перемещение основания акселерометра. Рис. 16.8. Модель пьезоэлектрического акселерометра Это колебательная система с одной степенью свободы. Она представляет собой две незакрепленные и соединенные друг с другом через идеальный упругий элемент инерционные массы. 16.5 Крепление акселерометров. Качество крепления акселерометров (см. рис.16.9) в значительной степени может влиять на его рабочие характеристики (частотный и динамический диапазоны). Среди известных способов крепления следует выделить крепления с помощью шпильки, воска, магнита, клея, липкой пластины и ручного щупа. Крепление с помощью шпильки. Этот вид крепления (рис.16.10) требует предварительного высверливания необходимого диаметра отверстия на поверхности машины или оборудования, ввинчивания шпильки в резьбовое отверстие и навинчивание на укрепленную шпильку акселерометра. Особо следует убедиться в том, чтобы шпилька не доходила до дна отверстия в акселерометре. Рис. 16.9. Крепление акселерометра Рис. 16.10. Крепление акселерометра с помощью шпильки Рис. 16.11. Крепление акселерометра с помощью воска Рис. 16.12. Крепление акселерометра с помощью магнита Крепление с помощью шпильки является одним из самых надежных способов, не искажающих его эксплуатационные характеристики, резонансную частоту и динамический диапазон. Такой вид крепления используется в стационарных системах контроля, мониторинга и диагностики; позволяет измерять колебания с большими амплитудами ускорения, а также высокочастотные колебания. Крепление с помощью воска. При креплении с помощью воска (рис.16.11) следует обратить внимание на то, что воск следует наносить тонким слоем. Этот слой должен быть таким, чтобы только обеспечить заполнение зазора между основанием акселерометра и поверхностью машины. Резонансная частота акселерометра при таком виде крепления практически сохраняется и лишь незначительно меньше, чем в случае крепления с помощью шпильки. Этот быстрый и несложный способ крепления используется обычно в условиях, когда нежелательно или невозможно крепление шпилек или винтов либо когда сам акселерометр не имеет резьбовых отверстий. Однако применение воска ограничивает диапазон рабочих температур. Как правило, верхняя граница рабочей температуры составляет величину порядка +40 С. Определенные ограничения имеются и для верхней границы рабочего динамического диапазона - это ускорения не более 100 м/с2. Крепление с помощью магнита. Магнит, закрепляемый на основании акселерометра с помощью резьбового соединения, широко используется, обеспечивая быструю установку и возможность перемещать датчик по поверхности объекта из ферромагнитного материала (рис.16.12). Использование магнита практически сохраняет динамический диапазон акселерометра, но несколько уменьшает верхнюю границу его диапазона рабочих частот. В зависимости от конструкции магнита и от кривизны магнитопроводящей поверхности объекта в точке контроля собственная частота колебаний датчика на магните может лежать в диапазоне от 3 до 12 кГц. Для сохранения максимально возможного значения частоты закрепленного акселерометра применяется тонкий слой консистентной силиконовой смазки, который наносится и на основание датчика, и на поверхность объекта в месте крепления. В этом случае при сохранении частоты резонанса датчика на магните снижается его добротность. Кроме этого, смазка на частотах выше резонанса выполняет функции воска, обеспечивая передачу высокочастотной вибрации на корпус датчика с минимальными потерями. Следует отметить, что определенные марки крепежных магнитов позволяют устанавливать акселерометры на искривленные поверхности, например, на трубы и т.п. Однако в этом случае сужается рабочий частотный диапазон и тем больше, чем меньше радиус закругления поверхности объекта. Поэтому при периодическом контроле вибрации одних и тех же объектов в точках контроля вибрации рекомендуется специально готовить установочную поверхность, зашлифовывая, приваривая или приклеивая ровную площадку по размерам установочного магнита. Крепление с помощью клея. Используется при стационарном креплении акселерометров в том случае, когда исключается их установка с помощью шпилек. Возможно непосредственное крепление акселерометра таким образом или предварительное крепление клеем или цементом шпильки на поверхность объекта. Использование клея практически не изменяет его рабочих частотного и динамического диапазонов. Применение, например, цианакрилового клея требует совершенно гладких и ровных поверхностей. Возможно использование эпоксидных смол, но следует помнить, что для их отвердения требуется определенное время. Кроме того, если это не специальные эпоксидные смолы, то они имеют ограничение верхнего предела рабочих температур приблизительно +80°С. Использование "мягких" клеев сужает рабочий частотный диапазон акселерометров, ограничивает диапазон рабочих температур и не обеспечивает достаточной жесткости крепления. Крепление с помощью ручного щупа. В этом случае (рис.16.13) акселерометр навинчивается на крепежную шпильку ручного щупа. Рис. 16.7. Крепление с помощью ручного щупа Измерения механических колебаний акселерометром, закрепленным на ручном щупе, ограничены частотами до 1000 Гц. Кроме того, использование такого вида крепления возможно, когда нет жестких требований к точности измерений. При измерениях конец щупа следует смазать тонким слоем консистентной силиконовой смазки и с некоторым усилием прижать к вибрирующей поверхности. Для расширения рабочего диапазона частот можно использовать так называемый "перевернутый" ручной щуп, когда датчик прижимается упругим щупом к контролируемому объекту.