Elementy teorii eksploatacji

„ ... maszyna nie izoluje człowieka
od wielkich problemów eksploatacji,
ale przybli a go do nich jeszcze bardziej... „
R O Z D Z I A Ł II
ELEMENTY TEORII EKSPLOATACJI
2.1 Wprowadzenie
2.2 Nauki eksploatacyjne
2.3 Teoria eksploatacji
2.3.1 System eksploatacji maszyn
2.3.2 Strategie eksploatacji maszyn
2.4 Niezawodno maszyn
2.5 Tribologia
2.6 Diagnostyka techniczna
2.7 Badania nieniszcz ce
2.8 Bezpiecze stwo maszyn
2.8.1 Wska niki bezpiecze stwa systemów
2.8.2 Struktura bezpiecze stwa systemów
2.9 Podsumowanie
Literatura
ROZDZIAŁ II
ELEMENTY TEORII EKSPLOATACJI
2.1 Wprowadzenie
W procesie rozwoju techniki i produkcji istotnym zagadnieniem jest zapewnienie
wyrobom odpowiedniej „jako ci” i efektywno ci. Wła ciwo ci obiektu, wpływaj ce na jako
i efektywno , wywołuj coraz to nowe problemy techniczne dla specjalistów ró nych
dziedzin techniki, jak i dla ekonomistów zainteresowanych nimi w aspekcie potrzeb
gospodarki.
Traktuj c u ytkowanie maszyn jako główny etap weryfikacji ich przydatno ci i
spełniania oczekiwa społecznych, coraz cz ciej na tym etapie prowadzi si intensywne
badania poprawno ci działania maszyn w odpowiednio sformalizowanych strukturach
eksploatacji.
Mo liwo ci dokona wszystkich dziedzin teorii eksploatacji pozwalaj na nowoczesne
rozwi zania w zakresie planowania i optymalizacji procedur projektowania, konstruowania,
wytwarzania i eksploatacji maszyn, według głównego kryterium ich jako ci i efektywno ci
wykorzystania.
Dla omówienia zada i roli diagnostyki technicznej, traktowanej jako samodzielnej
dziedziny naukowej teorii eksploatacji, w tym rozdziale przedstawiono skrótowo problemy
główne składowych dziedzin teorii eksploatacji, jednoznacznie okre laj ce mo liwo ci i
potrzeby realizowanych bada , wspomaganych diagnostyk techniczn .
Interdyscyplinarne powi zanie problemów eksploatacji maszyn wyra nie wskazuje na
dominuj c w ród nich rol diagnostyki technicznej, traktowanej jako narz dzie badania stanu
maszyn oraz kształtowania ich jako ci i sposobów wykorzystania.
2.2 Nauki eksploatacyjne
Rozwijaj ca si dynamicznie nowa dyscyplina wiedzy dotycz ca eksploatacji maszyn i
urz dze technicznych budowana jest na podstawach nauk eksploatacyjnych, do których jako
główne zaliczamy: systemy eksploatacji, niezawodno , tribologi , diagnostyk
techniczn i bezpiecze stwo maszyn.
Składowe dziedziny nauk eksploatacyjnych przedstawiono na rys.2.1, przy czym ze
wzgl du na tre ci tej ksi ki diagnostyk techniczn potraktowano jako główn w tej
specyfikacji.
Rys.2.1 Miejsce diagnostyki technicznej w nauce o eksploatacji.
Wyeksponowanie miejsca i roli eksploatacji w gospodarce (rys.2.2), na któr
składaj si produkcja, dystrybucja i konsumpcja wi e si z zale no ciami wyst puj cymi
w procesie pracy, gdzie umiejscowione s ró nego typu maszyny i urz dzenia techniczne.
Rys.2.2 Miejsce i rola eksploatacji w gospodarce.
Produkcja (wytwarzanie) jest wiadom i celow działalno ci ludzk , przy realizacji
której nale y d y do optymalnego wykorzystania maszyn i urz dze dla zaspokojenia
społecznych potrzeb.
Dystrybucja, to równie wiadoma i celowa działalno ludzka zmierzaj ca do
optymalnego zaspokojenia potrzeb produkcji i konsumpcji przez racjonalny podział zasobów,
ich przechowywanie i przemieszczanie za pomoc wszelkiego rodzaju urz dze
transportowych i magazynowych.
Konsumpcja to bezpo rednie zaspokojenie potrzeb ludzkich i produkcyjnych z
uwzgl dnieniem minimalizacji nakładów rodków materialnych, finansowych oraz nakładów
pracy ywej i uprzedmiotowionej.
W ka dym z wymienionych działów gospodarki wyst puje praca ludzi oraz maszyn i
urz dze . Jest to społeczne miejsce pracy uprzedmiotowionej i zwi zane z ni procesy
eksploatacji.
Realizacja zada produkcyjnych jest mo liwa dzi ki maszynom, których istnienie
obejmuje faz warto ciowania (zaistnienie potrzeby), konstruowania, wytwarzania i
eksploatacji. Zapewnienie wymaganej jako ci nowo konstruowanych lub modernizowanych
maszyn jest mo liwe przez wykorzystanie dokona wskazanych nauk eksploatacyjnych, w
tym szczególnie poprzez racjonalne stosowanie osi gni diagnostyki technicznej.
2.3 Teoria eksploatacji
Teoria eksploatacji zajmuje si syntez , analiz i badaniem systemów eksploatacji, a
w szczególno ci zagadnieniami procesów u ytkowania i obsługiwa technicznych maszyn i
urz dze wyst puj cych w tych systemach [4,7,11]. Obiekty b d ce w zakresie rozwa a
teorii i praktyki eksploatacji, w zale no ci od potrzeb b d traktowane jako urz dzenia,
maszyny, systemy lub obiekty.
Z definicji eksploatacji wypływa zakres oczekiwanych, merytorycznych umiej tno ci,
które mo na przedstawi jako:
- kierowanie eksploatacj , a w tym kontrolowanie procesów eksploatacyjnych oraz dobieranie,
motywowanie, instruowanie i szkolenie eksploatatorów;
- formułowanie zada projektowych, wytycznych zakupu i warunków dostawy, dotycz cych
obiektów technicznych - przyszłych obiektów eksploatacji;
- projektowanie i organizowanie systemów eksploatacji, a w tym wyznaczanie warunków
eksploatacji optymalnej;
- identyfikowanie stanów technicznych obiektów eksploatacji i stanów systemów eksploatacji;
- identyfikowanie cech systemów eksploatacji, a w tym - ich warto ci;
- okre lanie, wyznaczanie i ocenianie sprawno ci systemu eksploatacji;
- okre lanie, wyznaczanie i ocenianie ryzyka i szans eksploatacji;
- planowanie strategiczne eksploatacji (rozwój, modernizacja);
- dobieranie technologii eksploatacji i organizowanie usług serwisowych.
Ta charakterystyka umiej tno ci w zakresie in ynierii eksploatacji okre la zadania
teorii eksploatacji, która winna wypracowywa i doskonali nast puj ce metodyki:
* projektowania i organizowania systemów eksploatacji;
* analizy ryzyka i szans przedsi wzi eksploatacyjnych;
* planowania strategicznego eksploatacji;
* kierowania eksploatacj i sterowania procesami eksploatacji;
* analizy ekonomicznej eksploatacji;
* bada eksploatacyjnych;
* opracowywania tre ci i technik instrukcji eksploatacyjnych;
* motywowania eksploatatorów.
Ogólnie zatem, problematyka eksploatacji znajduj ca ostatnio swoje miejsce w
systemie logistycznym, ma struktur wielowarstwow (hierarchiczn ), do której analizy
niezb dne s metody wypracowywane przez ogóln teori systemów.
Do podstawowych praw rz dz cych eksploatacj maszyn nale y zaliczy :
* ka de urz dzenie techniczne (maszyna) jest obiektem eksploatacji i słu y człowiekowi
do realizacji okre lonego celu;
* system eksploatacji składa si z podsystemu u ytkowania i obsługiwa technicznych;
* nie ma obiektu eksploatacji, którego nie mo na byłoby u ytkowa ;
* nie ma obiektu eksploatacji, który nie wymaga obsługiwania technicznego;
* obiekt eksploatacji zu ywa swój potencjał eksploatacyjny i wytwarza dochód;
* obsługiwany obiekt eksploatacji odzyskuje swój potencjał eksploatacyjny i wymaga
nakładów eksploatacyjnych;
* proces eksploatacji obiektu jest realizowany w okre lonym przedziale czasu.
W ocenie działania zło onych systemów eksploatacji wykorzystuje si nast puj ce
własno ci:
- efektywno : uto samiana ze skutkiem wykorzystania zasobów w okre lonym czasie, w
sensie zamierzonego celu;
- gotowo : wyra aj ca mo liwo działania eksploatowanych obiektów, w tym równie
systemu jako cało ci, w danej chwili czasu;
- wydajno : uto samiana z intensywno ci realizacji zada ;
- skuteczno : własno osi gania stanów wyró nionych jako pozytywne w zbiorze stanów
mo liwych;
- sprawno : mo liwo znajdowania si systemu w stanach okre lonych przez system
nadrz dny;
- ekonomiczno : własno wyra aj ca relacje mi dzy warto ci uzyskanych efektów a
wielko ci nakładów, poniesionych w pewnym okresie czasu;
- niezawodno : własno wyra aj ca stopie zaufania, e spełnione zostanie wymagane
działanie.
Przedstawione własno ci systemu eksploatacji maszyn, zorganizowanego według
okre lonych reguł działania to zakres zainteresowa składowych dziedzin nauki o eksploatacji
maszyn i urz dze technicznych.
Z racji tre ci merytorycznych tej ksi ki w dalszej cz ci przedstawiono tylko główne
elementy teorii eksploatacji, wi ce si bezpo rednio z zagadnieniami diagnostyki
eksploatacyjnej maszyn, wskazuj ce na miejsce i rol bada diagnostycznych w realnych
systemach eksploatacji maszyn.
2.3.1 System eksploatacji maszyn
W wieloetapowym procesie istnienia maszyn (warto ciowanie, konstruowanie,
wytwarzanie, eksploatacja) faza eksploatacji jest weryfikacj ko cow efektywno ci działania
wytworu (wyrobu), ujmuj c „jako ” wszystkich poprzednich etapów.
Współcze nie pod poj ciem "eksploatacja" rozumie si zespół celowych
działa
organizacyjno - technicznych i ekonomicznych ludzi z urz dzeniami
technicznymi oraz wzajemne relacje wyst puj ce mi dzy nimi od chwili przej cia
urz dzenia do wykorzystania zgodnie z przeznaczeniem, a do jego utylizacji po
likwidacji.
eksploatacyjna przebiega w obr bie logistyki, w ramach ró nych
Działalno
systemów produkuj cych rozliczne dobra i wiadcz cych przeró ne usługi. Systemy te s na
ogół zło one i wydzielenie w nich podsystemu eksploatacji wcale nie jest łatwe.
Schemat strukturalny systemu eksploatacji maszyn pokazano na rys.2.3,
wyró niaj c w nim jako główne:
- podsystem sterowania z jego składowymi,
- podsystem u ytkowania z jego składowymi,
- podsystem logistyczny,
- podsystem procesowy.
Taka struktura systemu eksploatacji zawiera znane dotychczas elementy główne tego
systemu (u ytkowanie i obsługiwanie), przy czym obsługiwanie to podsystem zapewnienia
zdatno ci potraktowany jako podrz dny dla podsystemu u ytkowania [8,12].
Rys.2.3 Elementy systemu eksploatacji maszyn.
Z punktu widzenia teorii systemów cało ciowe potraktowanie procesu eksploatacji
maszyn wraz z procesami realizowanymi przez człowieka przedstawia rys.2.4. Stopie
ogólno ci rozwa a procesu eksploatacji pozwala wyznaczy tu nast puj ce zbiory procesów:
- procesy sterowane,
- procesy informacyjne (np. in ynieria diagnostyki),
- procesy nie sterowane.
Takie uj cie pozwala wyra nie wyró ni miejsce diagnostyki technicznej w strukturze
systemu eksploatacji, dostarczaj cej informacji o stanach procesów destrukcyjnych
elementów maszyn, niezb dnych do podejmowania racjonalnych decyzji eksploatacyjnych.
Rys.2.4 Procesy eksploatacyjne.
Ka dy z tych zbiorów mo na zdekomponowa na podzbiory charakteryzuj ce
szczegółowo zakres problemowy elementów składowych procesu eksploatacji, co
przedstawiono na rys.2.5.
W systemie eksploatacji maszyn jako główny zawsze traktowany jest podsystem
u ytkowania i nieodł cznie z nim zwi zany podsystem obsługiwa technicznych.
W podsystemie u ytkowania znajduj si tylko maszyny zdatne i mog one by
u ytkowane intensywnie (zgodnie z przeznaczeniem) lub wyczekuj co, kiedy trwa postój na
zapotrzebowanie do u ycia.
Rys.2.5 Szczegółowy zakres procesów eksploatacyjnych maszyn.
Ka da niezdatno
powoduje przej cie maszyny do podsystemu obsługiwa
technicznych. W tym podsystemie wyró nia si podsystemy:
• zabiegów
profilaktycznych; obsługiwanie w dniu u ytkowania (OU), obsługiwanie
po okre lonym przebiegu pracy (OT), obsługiwanie sezonowe (OS), obsługiwanie
powypadkowe (OA), obsługiwanie uprzedzaj ce (OP), okresu docierania (OD) itd.,
• rozpoznania stanu i pomocy technicznej; diagnostyka techniczna (DT), rozpoznanie i pomoc techniczna (PT).
• napraw; naprawa bie ca (NB), naprawa rednia (NS), naprawa główna (NG),
naprawa poawaryjna (NA) itd.,
• konserwacji; konserwacja krótkoterminowa (KK), rednioterminowa (KS),
długoterminowa (KD),
Zadaniem podsystemu obsługiwa technicznych jest usuni cie niezdatno ci maszyny
lub wykonanie niezb dnie koniecznych czynno ci obsługowych(zalecanych przez wytwórc ).
Eksploatowanie rozlicznych urz dze warunkuje rozwój produkcji wytworów nie
b d cych urz dzeniami, rozwój realizacji usług oraz rozwój produkcji urz dze . Tak
rozumiana działalno eksploatacyjna powinna charakteryzowa si :
• technik eksploatacyjn eliminuj c ci k prac ludzi,
rodkami eksploatacji umo liwiaj cymi minimalizacj kosztów,
• warunkami eksploatacji umo liwiaj cymi maksymalizacj trwało ci urz dze .
Znajomo stanu maszyny jak i mo liwo ci prognozowania tego stanu na okre lony
horyzont czasowy to główne nowo ci wykorzystywane coraz cz ciej w stosowanych
współcze nie strategiach eksploatacji maszyn.
Ze wzgl du na losowy charakter przebiegu procesu eksploatacji maszyn (np. zmienne
warunki pracy, obci enia), uzyskanie dostatecznie wiarygodnych prognoz wymaga
wykorzystania metod statystycznych. Uzyskanie niezb dnych do tego danych jest mo liwe
poprzez dozorowanie stanu obiektu. Analiza tych danych mo e by nast pnie wykorzystana
do genezowania stanu obiektu w wybranych przedziałach czasu, a tak e do celów
sprawozdawczych i wielu innych.
Zmiany wywołane stanem niezawodno ciowym eksploatowanych maszyn
(uszkodzenia, przestoje) maj charakter losowy i ich wpływ na zmian intensywno ci
u ytkowania usiłuje si zminimalizowa za pomoc ró nych form rezerwowania.
Kierownictwo zakładu, prowadzi polityk eksploatacyjn polegaj c na sterowaniu
stanem zdatno ci maszyn w taki sposób, by uzyskiwa optymalne efekty. Najcz ciej
•
stosowanym kryterium optymalizacyjnym jest tu koszt eksploatacyjny, rozumiany jako suma
uogólnionych nakładów na u ytkowanie i obsługiwanie maszyn.
2.3.2 Strategie eksploatacji maszyn
Ustalenie miejsca i funkcji diagnostyki technicznej w systemie eksploatacji maszyn
warunkuje potrzeb omówienia istniej cych strategii eksploatacji, w oparciu o które
realizowane s
procesy u ytkowania i obsługiwa
technicznych maszyn w
przedsi biorstwach.
Strategia eksploatacyjna polega na ustaleniu sposobów prowadzenia u ytkowania i
obsługiwania maszyn oraz relacji mi dzy nimi w wietle przyj tych kryteriów.
W literaturze znane s nast puj ce strategie eksploatacji maszyn [9,12]:
• według
niezawodno ci,
• według efektywno ci ekonomicznej,
• według ilo ci wykonanej pracy,
• według
stanu technicznego,
• autoryzowana strategia eksploatacji maszyn.
Najcz ciej w oparciu o jedn z powy szych strategii buduje si system eksploatacji
przedsi biorstwa, przy czym elementy pozostałych strategii s cz sto jego uzupełnieniem. W
praktyce przemysłowej wyst puj wi c najcz ciej strategie eksploatacji mieszane,
dostosowane do wymaga i warunków eksploatowanych maszyn.
STRATEGIA WEDŁUG NIEZAWODNO CI.
Eksploatacja maszyn według tej strategii sprowadza si do podejmowania decyzji
eksploatacyjnych w oparciu o wyniki okresowej kontroli poziomu niezawodno ci urz dze
(ró ne wska niki niezawodno ciowe), eksploatowanych a do wyst pienia uszkodzenia.
Strategia wg niezawodno ci, zwana inaczej strategi „według uszkodze ” polega na
eksploatacji obiektu do chwili wyst pienia uszkodzenia.
Badania niezawodno ci maszyn w tej strategii prowadzono dotychczas przy
wykorzystaniu metod statystycznych dla obserwowanych zdarze , co obecnie zast puje
komputerowa technika symulacyjna i programowane badania niezawodno ci. Wyró niane w
ba-daniach niezawodno ci maszyn słabe ich ogniwa s cennym wskazaniem dla konieczno ci
prowadzenia bada diagnostycznych.
Nie trzeba uzasadnia , e strategia ta mo e by stosowana tylko wówczas, gdy
nast pstwa uszkodze nie naruszaj zasad bezpiecze stwa pracy i nie zwi kszaj kosztów
eksploatacji maszyn.
STRATEGIA WEDŁUG EFEKTYWNO CI EKONOMICZNEJ.
Jest to strategia oparta o kryterium minimalnych kosztów eksploatacji maszyn, a
decyzje eksploatacyjne podejmowane s w oparciu o wska nik zysku. Podstaw
podejmowanych decyzji s dane o niezawodno ci, kosztach u ytkowania i napraw
eksploatowanych maszyn.
Wa nym czynnikiem w tej strategii jest post p techniczny, którego wysoka dynamika
okre la starzenie moralne maszyn, a wi c czynnik wnikliwie ledzony przez potencjalnych
odbiorców. Strategia ta ma zastosowanie równie w sytuacjach gdy moralne starzenie si
maszyn wyprzedza ich zu ycie fizyczne.
W tej strategii kryterium efektywno ci ekonomicznej, a wi c opłacalno ci eksploatacji
maszyny staje si podstaw decyzji o wycofaniu maszyny z u ycia. Wyniki efektywno ci
ekonomicznej mog cz sto doprowadza do wycofywania maszyn z eksploatacji jeszcze
zdatnych, lecz niezadowalaj cych u ytkownika eksploatacji.
Poprawne stosowanie tej strategii wymaga gromadzenia du ej ilo ci informacji
statystycznych z zakresu gospodarki finansowej działu eksploatacji, znajomo ci modeli
decyzyjnych, mierników warto ci i wska ników efektywno ci ekonomicznej oraz rachunku
optymalizacyjnego.
STRATEGIA WEDŁUG ILO CI WYKONANEJ PRACY.
Eksploatowanie maszyn w tej strategii jest limitowane ilo ci wykonanej pracy, która
mo e by okre lana liczb godzin pracy, ilo ci zu ytego paliwa, liczb przejechanych kilometrów, liczb cykli pracy itp. Generaln zasad w tej strategii jest zapobieganie
uszkodzeniom (zu yciowym, starzeniowym) poprzez konieczno wykonywania zabiegów
obsługowych w oznaczonych limitach wykonanej pracy, przed osi gni ciem granicznego
poziomu zu ycia.
Z punktu widzenia wykorzystania rzeczywistego potencjału u ytkowego maszyny jest
to strategia mało efektywna, gdy podstaw przyjmowania dopuszczalnej ilo ci pracy s
ekstremalne warunki pracy. Przyjmuje si tu najniekorzystniejsze warunki pracy, najsłabsze
ogniwa (zespoły, cz ci) maszyny, ekstremalne obci enia, które nie zawsze i w nierównym
stopniu mog si ujawni podczas eksploatacji.
Strategia ta, mimo do powszechnego stosowania, posiada szereg wad, jak np.:
• planowanie czynno ci obsługowych odbywa si w oparciu o normatyw, niezale nie
od stanu technicznego maszyny, co prowadzi do wykonywania zb dnych prac obsługowych i nadmiernego zu ywania cz ci i materiałów eksploatacyjnych;
• sztywne struktury cykli
naprawczych (naprawy główne) nie odpowiadaj ce rzeczy
wistym potrzebom;
• bardzo mała efektywno wykorzystania potencjału u ytkowego maszyny;
• przyj te normatywy nie uwzgl dniaj post pu technicznego, nie wyzwalaj inicjatywy
personelu obsługuj cego, nie doskonal systemu eksploatacji;
• ustalenie optymalnego
czasu poprawnej pracy maszyny jest trudne, a to prowadzi do
wzrostu kosztów eksploatacji.
STRATEGIA WEDŁUG STANU TECHNICZNEGO.
Strategia według stanu opiera podejmowanie decyzji eksploatacyjnych na podstawie
bie cej oceny stanu technicznego maszyn, ich zespołów lub elementów (rys.2.6). Umo liwia
to eliminowanie podstawowych wad eksploatacji maszyn według innych, omówionych ju
strategii.
zakłócenia
WE
SYSTEM
EKSPLOATACJI
MASZYN
WY
PODSYSTEM
DIAGNOSTYCZNY
(informacje o stanie maszyn)
DECYZJE
ALGORYTM
WZORZEC
EKSPLOATACYJNE
POST POWANIA
STANU
Rys.2.6 Diagnostyczne sterowanie systemem eksploatacji maszyn.
Aktualny stan techniczny maszyny, odwzorowany warto ciami mierzonych
symptomów stanu, jest podstaw decyzji eksploatacyjnej. Poprawna realizacja tej strategii
wymaga skutecznych metod i rodków diagnostyki technicznej oraz przygotowanego
personelu technicznego. Wymaga te przezwyci enia nieufno ci decydentów co do
efektywno ci takiego sposobu eksploatacji. Efekty ekonomiczne z takiego sposobu
eksploatacji s niewspółmiernie wy sze ni w innych strategiach, co warunkuje powodzenie i
ogromne zainteresowanie tym rozwi zaniem.
Podstawowym warunkiem powodzenia tej strategii jest dost pno
prostych i
skutecznych metod diagnostycznych, najlepiej wkonstruowanych w produkowane maszyny,
które z kolei s nadzorowane w systemie monitorowania stanu.
W oparciu o omówione strategie eksploatacji maszyn w praktyce przemysłowej
systemy obsługiwa
technicznych maszyn. Do najbardziej
budowane s
rozpowszechnionych nale :
• system wymian
profilaktycznych; budowany głównie w oparciu o strategi eksplo
atacji według efektywno ci; (dla obiektów jednostkowych, odpowiedzialnych-gdzie
prowadzi si wymiany profilaktyczne dla unikni cia awarii),
• planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych; budowany w oparciu o
strategi według ilo ci wykonanej pracy; (z góry zaplanowany zakres i cz stotliwo
obsługiwa technicznych, niezale nie od aktualnego stanu, czyli potrzeb),
• planowo - zapobiegawczy system obsługiwa technicznych z diagnozowaniem;
(jak wy ej, lecz wspomagany cz ciowym diagnozowaniem stanu maszyny),
• system obsługiwa technicznych według stanu; (czynno ci obsługowe - cz stotliwo i zakres - wyznaczane s w oparciu o aktualny stan techniczny maszyny).
AUTORYZOWANA STRATEGIA ISTNIENIA MASZYNY
Jako ciowe zmiany wymuszone gospodark rynkow maj rozległe konsekwencje we
wszystkich sferach gospodarowania, w tym równie w eksploatacji rodków trwałych.
Wymagania od strony "jako ci", marketingu i logistyki zmieniaj radykalnie kryteria
oceny maszyn, daj c przesłanki do dalszego, rosn cego zainteresowania metodami i rodkami
diagnostyki technicznej.
Potrzeby i uwarunkowania gospodarki rynkowej uzasadniaj
konieczno
wprowadzenia nowoczesnej autoryzowanej strategii wytwarzania i eksploatacji maszyn. W
propozycji tej strategii nie traci si dotychczasowych dokona najnowszej strategii
eksploatacji według stanu, lecz twórczo si j modernizuje. Sama idea tej strategii, pokazana
na rys.2.7, opiera si na wykorzystaniu "p tli jako ci", któr uzupełniono elementami teorii
eksploatacji (fazy istnienia maszyny, serwis) oraz diagnostyki technicznej.
Rys.2.7 Autoryzowana strategia istnienia maszyny
Proponowana strategia eksploatacji- ASIM -imiennie wskazuje na twórc i
odpowiedzialnego za wyrób. Producent zainteresowany jako ci i pó niejszym zbytem jest
odpowiedzialny za wyrób od zamysłu, poprzez konstrukcj , wytwarzanie i eksploatacj , a do
utylizacji po likwidacji obiektu. Tym samym producent konstruuje i wytwarza swoje wyroby
w oparciu o najnowsze osi gni cia my li technicznej, zabezpiecza swój wytwór własnym
serwisem obsługowym w czasie eksploatacji, a tak e wyposa a obiekty w rodki
diagnostyczne (najlepiej automatyczne).
2.4 Niezawodno
maszyn
Teoria niezawodno ci zajmuje si metodami syntezy i analizy oraz bada
niezawodno ci systemów technicznych na etapie projektowania, wytwarzania i eksploatacji.
Niezawodno
to zespół wła ciwo ci, które opisuj gotowo obiektu i wpływaj ce
na ni : nieuszkadzalno , obsługiwalno i zapewnienie rodków obsługi.
Definicja ta jest odpowiednikiem cz sto jeszcze przywoływanej normy, gdzie:
„niezawodno to wła ciwo obiektu charakteryzuj ca jego zdolno do wykonywania
okre lonych funkcji, w okre lonych warunkach i w okre lonym przedziale czasu”. Termin ten
oznaczał wła ciwo kompleksow , obejmuj c takie wła ciwo ci, jak: nieuszkadzalno ,
trwało , naprawialno i przechowywalno .
Problematyka teorii niezawodno ci obejmuje nie tylko techniczne aspekty istnienia i
funkcjonowania urz dze . W fazie tworzenia systemów, organizowania ich eksploatacji i
sposobu odnowy, pojawiaj si problemy oceny efektywno ci ró nych mo liwych rozwi za i
wyboru wariantu najlepszego z punktu widzenia celu, któremu ma on słu y . Obok
wska ników technicznych, okre laj cych jako i niezawodno działania systemu, nale y
uwzgl dni ekonomiczn stron rozwi zania - oczekiwany dochód z systemu, koszty z nim
zwi zane, ewentualne straty z powodu przestoju.
Podstawowe cechy jako ci eksploatacyjnej maszyn, okre laj ce niezawodno oraz
u yteczno pokazano na rys.2.8.
Rys.2.8 Niezawodno ciowe cechy jako ci maszyn.
Badania niezawodno ci maj głównie na celu opracowanie sposobów post powania
prowadz cych do budowy układów, charakteryzuj cych si mo liwie najwi ksz
niezawodno ci w aktualnych warunkach eksploatacji. Realizacja tego celu wymaga
okre lenia ilo ciowych miar niezawodno ci, opracowania metod przeprowadzania bada i
oceny niezawodno ci, znalezienia sposobów wykrywania przyczyn powoduj cych
uszkodzenia, zbadania mo liwo ci usuwania tych przyczyn lub zmniejszenia ich
intensywno ci, zapobiegania uszkodzeniom przez stosowne procedury obsługowe.
Rozwi zanie problemów niezawodno ci obiektów mechanicznych sprowadza si do:
* opracowania sformalizowanych modeli oceny niezawodno ci;
* ustalenia optymalnych rozwi za konstrukcyjnych;
* ustalenia optymalnych technologii wytwarzania;
* prognozowania niezawodno ci maszyn w trakcie ich eksploatacji;
* opracowania efektywnych systemów eksploatacji w sensie niezawodno ci.
Kształtowanie niezawodno ci maszyn jest mo liwe przez realizacj nast puj cych
celów:
- uwzgl dnienie trwało ci i niezawodno ci zespołów w konstruowaniu i technologii
wytwarzania;
- wdro enie programów i metod bada eksploatacyjnych trwało ci i niezawodno ci oraz
ustalenie stanów granicznych w celu wykrycia słabych ogniw;
- wprowadzenie metod i kryteriów oceny technicznej i ekonomicznej trwało ci i
niezawodno ci maszyn.
Realizacja tych celów winna doprowadzi do zwi kszenia efektywno ci układów, ich
gotowo ci i zdolno ci produkcyjnych, zmniejszenia kosztów eksploatacji, w tym kosztów
u ytkowania, obsługiwa technicznych, cz ci zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.
W systemie bada niezawodno ci obiektów mechanicznych stosowane s metody:
* bada modelowych, w tym bada symulacyjnych;
* bada stanowiskowych;
* bada eksploatacyjnych (statystycznych i programowanych);
* bada eksploatacyjno-stanowiskowych.
Program przebiegu bada niezawodno ci dla całego okresu istnienia obiektu pokazano
na rys.2.9, natomiast zestawienie danych zbieranych w trakcie badania niezawodno ci maszyn
pokazuje rys.2.10.
Rys.2.9 Badania niezawodno ci obiektu w cyklu jego istnienia.
Rodzaj zbieranej informacji w warunkach bada eksploatacyjnych, w których
uzewn trzniaj si własno ci niezawodno ciowe obiektu s zale ne od przewidywanego
zakresu jej wykorzystania.
Ni ej wymieniono główne grupy oceny niezawodno ciowej obiektu okre lane na
podstawie informacji eksploatacyjnej [2,8]. Nale do nich :
1. Wyznaczenie liczbowych wska ników niezawodno ci, takich jak: liczba uszkodze na
jednostk czasu pracy obiektu, gotowo obiektu, itp. Do ich wyznaczenia wystarcza
informacja zbiorcza, typu: ł czny czas pracy, ł czny czas naprawy, ł czna liczba uszkodze w
zadanym przedziale czasu eksploatacji.
2. Wyznaczanie funkcyjnych wska ników niezawodno ci, takich jak: funkcja
niezawodno ci, funkcja intensywno ci uszkodze , funkcja wiod ca rozkładu, funkcja
odnowy, itp. Celem bada mo e by wyznaczenie warto ci chwilowych wymienionych
funkcji (metody nieparametryczne) lub warto ci parametrów modeli matematycznych
rozkładu zmiennych losowych (np. czas pracy do uszkodzenia, czas pracy mi dzy
uszkodzeniami, czas trwania odnowy, itp.). Przy wyznaczaniu funkcyjnych wska ników
niezawodno ci niezb dna jest znajomo historii stanów wszystkich badanych obiektów.
3. Wyznaczanie parametrycznej niezawodno ci obiektu, np. prawdopodobie stwa
zgodno ci cech mierzalnych obiektu z wymaganiami w zadanym przedziale czasu
eksploatacji.
4. Wyznaczanie modeli procesu powstawania uszkodze . Modele procesu powstawania
uszkodze wyznaczane s na podstawie analizy fizyko-chemicznej procesów zachodz cych w
obiekcie (zu ycie, korozja, zm czenie, itp.). Informacja niezb dna do syntezy modeli procesu
powstawania uszkodze mo e by uzyskiwana w procesie analiz technicznych przyczyn
uszkodze lub w procesie wykonywania zabiegów obsługowych.
5. Diagnozowanie stanu niezawodno ciowego obiektu, np. wyznaczanie tendencji zmian
wska ników niezawodno ci, ustalanie słabych ogniw, itp. Do diagnozowania aktualnego stanu
niezawodno ciowego obiektu niezb dna jest informacja zebrana z wielu przedziałów
czasowych, znajomo ci skutków uszkodze ze wzgl du na bezpiecze stwo, wykonanie
zadania, poniesionych nakładów na naprawy, itp. Do wygenerowania diagnozy niezb dne s
wieloletnie banki informacji o uszkodzeniach obiektów z uwzgl dnieniem ró nego rodzaju
skutków uszkodze .
6. Prognozowanie wyst powania stanów niezawodno ciowych obiektu. W celu dokonania
modeli matematycznych procesu powstawania
prognozy niezb dna jest znajomo
prognozowanych uszkodze . Do wyznaczenia tych modeli niezb dne jest zbieranie informacji
w czasie wykonywania czynno ci obsługowych, np. warto ci cech obiektów podlegaj cych
kontroli lub regulacji.
Rys.2.10 Składowe informacji w badaniach niezawodno ci.
7. Wyznaczanie skuteczno ci działa obsługowych, np. wykrywalno uszkodze w
ró nych obsługach (kontrola stanu, profilaktyka), wystarczalno cz ci zamiennych, stopie
wykorzystania oprzyrz dowania obsługowego, itp. Potrzebne informacje zbierane s w czasie
obsługiwa technicznych i napraw. Na podstawie wska ników skuteczno ci działania
obsługowego podejmowane mog by decyzje modernizacyjne.
Szybkie upowszechnienie sprz tu komputerowego, daleko zaawansowane rozwi zania
modelowe i wdro enia w zakresie programowanych bada niezawodno ci, to tylko niektóre
kierunki nowoczesnej teorii niezawodno ci maszyn, umo liwiaj ce cało ciowe badania
niezawodno ciowe obiektów.
Teoria i badania niezawodno ci obiektów mechanicznych s rozwijane przy czynnym
wykorzystaniu uj cia systemowego, z uwzgl dnieniem:
- zło ono ci struktury;
- zmienno ci lub przypadkowo ci warto ci parametrów;
- wyst powania ogniw antropotechnicznych w układzie sterowania;
- nieliniowo ci charakterystyk;
- losowo ci oddziaływania otoczenia na maszyny;
- zmienno ci warunków pracy i sterowania.
Teoria i badania niezawodno ci obiektów mechanicznych musz przy tym dotyczy
projektowania – wytwarzania - eksploatacji, poł czonych funkcjonalnie z kreowaniem
potrzeby okre lonej maszyny.
2.5 Tribologia
Tribologia jest nauk o tarciu i procesach towarzysz cych tarciu. Zajmuje si opisem
zjawisk fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych, itp.), chemicznych,
biologicznych i innych w obszarach tarcia.
Zakres tribologii nie ogranicza si tylko do procesów tarcia w maszynach, ale równie
odnosi si do wszystkich procesów tarcia w przyrodzie i w technice. Do wa nych zjawisk
towarzysz cych tarciu, a maj cych du e znaczenie techniczne, nale procesy zu ywania
materiałów tr cych oraz smarowanie. Technicznym zastosowaniem tribologii zajmuje si
tribotechnika [3,5,10].
Tribologia została wi c okre lona jako nauka interdyscyplinarna, która zajmuje si
cz ci zespołu wła ciwo ci ciał b d cych tak e przedmiotem zainteresowa : fizyki, fizyki
ciała stałego, chemii oraz nauk technicznych: in ynierii materiałowej, konstrukcji maszyn i
technologii rodków smaruj cych. W tym zakresie zainteresowa znajduj si te problemy
metrologii warstwy wierzchniej, jak e cz sto decyduj cej o jako ci wytworów i własno ciach
eksploatacyjnych.
Schemat powi za tribologii i tribotechniki z innymi naukami pokazano na rys.2.11.
Rys.2.11 Współzale no ci tribologii w dziedzinie nauk: I-nauki podstawowe,
II-nauki techniczne, III-wytwarzanie i eksploatacja.
Do podstawowych zagadnie , którymi zajmuje si tribologia nale :
* fizyka, chemia i metaloznawstwo działaj cych na siebie nawzajem obszarów tarcia,
znajduj cych si w ruchu wzgl dnym;
* smarowanie płynne, np. hydrostatyczne, hydrodynamiczne, aerostatyczne i aerodynamiczne;
* tarcie mieszane ciał stałych;
* smarowanie w specjalnych warunkach, np. przy obróbce plastycznej, wiórowej, itp.;
* badanie zjawisk w mikroobszarach tarcia smarowanych powierzchni elementów
maszyn;
* własno ci i zachowanie podczas pracy warstwy wierzchniej obszarów tarcia;
* własno ci i zachowanie podczas pracy substancji smarnych, ciekłych, półciekłych,
gazowych i stałych;
* badania nad zastosowaniem substancji smaruj cych do maszyn;
* zastosowanie, przechowywanie i wydawanie materiałów smarnych.
Tak zarysowana problematyka tribologii znajduje swoje odzwierciedlenie praktyczne
i badawcze w dwóch grupach problemowych:
* tribologia klasyczna, przyjmuj ca postulat, w którym dwa podstawowe materiały
stykaj si bezpo rednio i tworz poprzez powierzchnie warstw wierzchnich styk
wymuszony. Terminy i poj cia tego zakresu bada przedstawiono na rys.2.12.
Rys.2.12 Zakres tematyczny tribologii klasycznej.
* tribologia współczesna, nawi zuj ca do funkcjonuj cego w przyrodzie tarcia w organizmach o ywionych, posiadaj cego konstruktywny charakter oparty o procesy
samoorganizacji przenoszenia materii, energii i informacji. Postulat, terminy i poj cia tego zakresu bada przedstawiono na rys.2.13.
Rys.2.13 Zakres tematyczny tribologii współczesnej.
Wymiana energii materii pomi dzy w złem tarcia i otaczaj cym rodowiskiem oraz
wewn trzne współdziałanie kompleksów i jonów poszczególnych mikroelementów prowadzi do tworzenia warstewki chroni cej powierzchnie tarcia przed zu yciem. Wytworzona w
procesie tarcia warstewka nazywa si „serwowitn ”. Tarcie nie mo e zniszczy tej warstewki, poniewa stymuluje taki strumie energii, który j wytwarza.
Wyzwaniem wi c współczesnej tribologii jest potrzeba opracowania sposobu wytwarzania „serwowitnych” warstw na powierzchniach skojarze tr cych. Szereg bada dotycz cych np. nowych materiałów, odporno ci na docieranie, zm czenie, szczepienia itp. stan
si wówczas bezprzedmiotowe.
Od elementów w złów tarcia wymaga si b dzie głównie odpowiedniej wytrzymało ci obj to ciowej, a istota bada sprowadzi si do ukonstytuowania warstwy wierzchniej
sprzyjaj cej tworzeniu warunków „bezzu yciowego” tarcia.
Funkcjonowanie systemów samoorganizacji przy rednio stałej warto ci ich entropii
jest problemem niezwykle zło onym, obejmuj cym zbiór wielu zjawisk, których poznanie
jest zaledwie w pocz tkowej fazie.
2.6 Diagnostyka techniczna
Termin "diagnostyka" pochodzi z j zyka greckiego, gdzie diagnosis - oznacza
rozpoznanie, rozró nianie, os dzanie, a diagnostike techne - sztuka rozró niania, sztuka
stawiania diagnozy. Ukształtowana ju w obr bie nauk eksploatacyjnych dziedzina wiedzy
diagnostyka techniczna - zajmuje si ocen stanu technicznego maszyn
poprzez badanie własno ci procesów roboczych i towarzysz cych pracy
maszyny, a tak e poprzez badanie własno ci wytworów maszyny.
Istota diagnostyki technicznej polega na okre laniu stanu maszyny (zespołu,
podzespołu, elementu) w sposób po redni, bez demonta u, w oparciu o pomiar generowanych
sygnałów (symptomów) diagnostycznych i porównanie ich z warto ciami nominalnymi.
Warto sygnału (symptomu) diagnostycznego musi by zwi zana znan zale no ci z
diagnozowan cech stanu obiektu, charakteryzuj c jego stan techniczny [1,9,12].
Konieczno oceny stanu technicznego obiektu wynika z potrzeby podejmowania
decyzji dotycz cych "jako ci" i dalszego post powania z obiektem. Mo e to by decyzja o
jego u ytkowaniu, o podj ciu przedsi wzi profilaktycznych (regulacje, wymiana elementów
lub całych zespołów) lub wprowadzeniu zmian w konstrukcji, technologii, eksploatacji.
Diagnostyka techniczna, jak ka da dziedzina wiedzy ma swe ródła, paradygmaty i
metodologi . Zagadnienia te doczekały si ju szczegółowych opracowa , pozwalaj cych
precyzyjnie formułowa podstawowe cele, zadania i formy działania diagnostycznego.
Do podstawowych zada diagnostyki technicznej nale y zaliczy :
• badanie, identyfikacja i klasyfikacja rozwijaj cych si uszkodze oraz ich
symptomów, (symptom - to zorientowana uszkodzeniowo miara sygnału
diagnostycznego), dyskryminant i syndromów;
• opracowanie metod i rodków do badania i selekcji symptomów, dyskryminant i syndromów diagnostycznych,
• wypracowanie decyzji diagnostycznych o stanie obiektu (na podstawie symptomów),
i wynikaj cych z niego mo liwo ci wykorzystywania lub rodzaju i zakresie koniecznych czynno ci profilaktycznych.
Realizacja tych zada wymaga znajomo ci cech stanu struktury obiektu oraz
diagnostycznie zorientowanych parametrów procesów wyj ciowych (symptomów), odwzorowuj cych cechy stanu.
W metodologii bada diagnostycznych rozró nia si nast puj ce fazy badania
ocenowego:
• kontrol stanu obiektu,
• ocen stanu i jego konsekwencje,
• lokalizacj i separacj uszkodze powstałych w obiekcie,
• wnioskowanie o przyszłych stanach obiektu.
Te zadania realizowane s w nast puj cych formach działania diagnostycznego:
• diagnozowanie - jako proces okre lania stanu obiektu w chwili tp ,
• genezowanie - jako proces odtwarzania historii ycia obiektu,
• prognozowanie - jako proces okre lania przyszłych stanów obiektu.
Przedstawione formy działania diagnostycznego realizowane s w czasie ci głej lub
dyskretnej obserwacji obiektu.
Najwa niejsze elementy terminologii diagnostycznej, szczególnie z zakresu
formalizacji zapisu działa dotycz nast puj cych okre le :
* diagnostyka techniczna - dziedzina wiedzy dotycz ca metod i rodków okre lania stanu
technicznego maszyn,
* diagnozowanie - zespół działa zwi zanych z okre laniem obecnego i przyszłego stanu
maszyny,
a) diagnozowanie u ytkowe- okre laj ce przydatno maszyny do u ytkowania,
b) diagnozowanie obsługowe- okre laj ce niezb dne działania obsługowe dla przywrócenia stanu zdatno ci ,
c) diagnozowanie projektowe- słu ce decyzjom projektowym,
d) diagnozowanie produkcyjne- generuj ce decyzje o jako ci produkcji,
e) diagnozowanie likwidacyjne- zwi zane z decyzjami dotycz cymi likwidacji maszyny,
* diagnoza - decyzja o stanie maszyny, (wynik procesu diagnozowania).
Stan techniczny obiektu jest definiowany w kategoriach jako ci i bezpiecze stwa jego
działania, poprzez wektor miar bezpo rednich lub po rednich. Aktualny stan maszyny mo na
okre la obserwuj c funkcjonowanie obiektu, tzn. jego wyj cie główne przekształconej energii
(lub produktu), oraz wyj cie dyssypacyjne gdzie obserwuje si procesy resztkowe np. termiczne,
wibracyjne, akustyczne, elektromagnetyczne. Obserwacja tych wyj daje cał gam mo liwo ci
diagnozowania stanu (rys.2.14) poprzez :
* obserwacje procesów roboczych, monitoruj c ich parametry w sposób ci gły, czy te
prowadz c badania sprawno ciowe maszyn na specjalnych stanowiskach (moc, pr dko ,
ci nienie itp.),
* badania jako ci wytworów, zgodno ci pomiarów, pasowa , poł cze itp., gdy
ogólnie tym lepszy stan techniczny maszyny im lepsza jako produkcji,
* obserwacje procesów resztkowych, stanowi cych baz wielu atrakcyjnych metod
diagnostycznych, opartych głównie na modelach symptomowych.
zakłócenia
sterowanie
zasilanie
MASZYNA
przetworzona energia
procesy
robocze
STATYKA
I DYNAMIKA
produkt
jako
wytworu
procesy resztkowe
STAN
TECHNICZNY
-wibroakustyczne
- elektryczne, magnetyczne
- cieplne
- tarciowe
- inne
destrukcyjne sprz enie zwrotne
Rys.2.14 Mo¿liwe trzy sposoby obserwacji stanu maszyny.
procesy dla
bada
diagnostycznych
Efektywne wykorzystanie diagnostyki jest uwarunkowane dynamicznym rozwojem
nast puj cych zagadnie :
- modelowania diagnostycznego, (strukturalnego, symptomowego),
- metod diagnozowania, genezowania i prognozowania,
- podatno ci diagnostycznej (przyjazne metody i obiekty),
- budowy ekonomicznych i dokładnych rodków diagnozy,
- precyzowania mo liwo ci diagnostyki w kolejnych fazach istnienia maszyny,
- budowy metod oceny efektywno ci zastosowa diagnostyki,
- metodologii projektowania i wdra ania diagnostyki technicznej,
- metod sztucznej inteligencji w diagnostyce,
- projektowania systemów samodiagnozuj cych.
Jest przy tym oczywistym, e powy sze problemy winny by rozwi zane w oparciu o
najnowsze dokonania ró nych dziedzin wiedzy. Jest tu zatem miejsce na szerokie stosowanie
wspomagania komputerowego w zakresie: modelowania holistycznego, planowania i realizacji
bada , wnioskowania, miejsce dla sztucznej inteligencji obejmuj cej systemy doradcze i sieci
neuronowe z udziałem logiki rozmytej.
Pełna realizacja tych bada sprawi, e diagnostyka wypełni swoj funkcj tworz c
oczekiwane narz dzia kształtowania jako ci maszyn na wszystkich etapach ich istnienia.
Patrz c syntetycznie na ogół mo liwych zastosowa diagnostyki w ka dej z faz
istnienia obiektu, mo na wyró ni dziedziny i zakres wiedzy niezb dnej do prawidłowego
rozwoju tej dziedziny.
S to : wiedza o obiektach, ich modelowaniu, identyfikacji, symulacji zachowa ,
nauka o sygnałach i symptomach, teoria eksperymentu, teoria decyzji oraz
komputerowe wspomaganie bada diagnostycznych.
Z praktycznego punktu widzenia problemy główne diagnostyki, warunkuj ce
racjonalny rozwój i praktyczne jej stosowanie, obejmuj :
• fizykochemiczne podstawy diagnostyki technicznej, (tworzywo konstrukcyjne,
warstwa wierzchnia, smarowanie, stany graniczne),
• metodologiczne podstawy bada diagnostycznych, (zadania diagnostyczne, modele
diagnostyczne, identyfikacja modeli, symulacja wra liwo ci miar, techniki wnioskowania, sposoby prezentacji diagnoz),
• komputerowa obsługa zada diagnostycznych, (oprogramowanie, planowanie
eksperymentów, badania, przetwarzanie sygnałów, estymacja charakterystyk, redukcja
wymiarowo ci, estymacja modeli),
• techniczne metody kontroli stanu obiektu, (metodyki, metody, rodki - od najprostszych do systemów doradczych),
• rola i miejsce diagnostyki w cyklu istnienia obiektu, (projektowanie układów diagnostyki, projektowanie diagnostyczne, okre lanie charakterystyk u ytkowych, warto ci graniczne, sterowanie eksploatacj ),
• przesłanki ekonomiczne stosowania diagnostyki, (mierniki warto ci, modele decyzyjne, wska niki efektywno ci, rachunek optymalizacyjny),
• kształcenie dla potrzeb diagnostyki, (zawód, sylwetka absolwenta, poziomy kształcenia, doskonalenie, materiały dydaktyczne).
S to wi c grupy podstawowych problemów z ró nych dyscyplin podstawowych i
stosowanych, zawieraj ce w sobie wyró niki odr bno ci naukowej diagnostyki technicznej.
2.7 Badania nieniszcz ce
Uwzgl dniaj c specyfik starzenia i zu y w badaniach rozwijaj cych si uszkodze
znajduj zastosowanie badania nieniszcz ce, stosowane na etapie rozwoju wad
materiałowych, co wyró nia je od bada diagnostycznych, stosowanych na etapie
funkcjonowania obiektów.
Celem bada nieniszcz cych jest: wykrycie wad, ich opis i ocena, rejestracja,
dokumentacja i pomiar u ytkowych własno ci materiału. Dzi ki badaniom nieniszcz cym
mo liwa jest identyfikacja stanu materiału w wybranych chwilach istnienia obiektu.
Stanowi to podstaw opracowywanych prognoz bezpiecznej eksploatacji obiektu, oceny
narastania ryzyka nagłego p kni cia lub prognozy reszty czasu poprawnej pracy.
Istota znaczenia wad materiałowych jest okre lana w aspektach:
- warunków pracy, a wi c temperatury, stanu napr e , zmiany napr e w czasie, stanu odkształce i oddziaływania rodowiska;
- własno ci materiału: wytrzymało ciowych, plastycznych, odporno ci materiału na p kanie,
intensywno ci napr e i parametrów propagacji szczeliny przy zm czeniu;
- obliczenia współczynników bezpiecze stwa i współczynników wyt enia materiału;
- stanu struktury materiału, ocenianego w wyniku bada nieniszcz cych (lokalizacja,
rozmiary, orientacja i rodzaj wady) oraz poziomu napr e własnych i napr e
pochodz cych od obci e u ytkowych.
Metody bada nieniszcz cych w układzie : * wykorzystywane zjawisko, ** mierzone
parametry, *** wa niejsze zastosowania, **** minimalne wykrywalno ci, obejmuj [4]:
metody ultrad wi kowe:
* rozchodzenie si fal spr ystych, odbicie, przenikanie, rozpraszanie, tłumienie, dyfrakcja
fal;
** amplituda fali odbitej i przenikaj cej, czas przej cia fali, kształt sygnału w dziedzinie
czasu i cz stotliwo ci;
*** wady mikrostruktury, przyczepno , korozja, rozmiary ziaren, pomiar odległo ci i grubo ci, stałych spr ysto ci, identyfikacja struktury;
**** około 2mm w przedziale cz stotliwo ci 2-6 MHz, pomiar gł boko ci p kni od 1-2mm
wzwy , dokładno dziesi te cz ci milimetra;
emisja akustyczna:
* fale spr yste wywołane procesami nagłymi;
** liczba generowanych impulsów, pr dko generacji, widmo generowanych sygnałów, amlituda i przebiegi czasowe, liczba przej przez zadany poziom amplitud, współczynnik
szczytu, energia pojedy czego impulsu;
*** lokalizacja wad, ledzenie odkształce , p kanie, korozja, przemiany strukturalne w materiale, prognozowanie trwało ci;
**** badanie zjawisk w krzepn cych stopach, identyfikacja przemian fazowych, zarodkowanie i wzrost porów, rozwarstwienia struktury materiału;
metody drganiowe:
* rezonans, drgania ci głe, zanikaj ce, impulsowe;
** poziom amplitudy (a,v,x), czas pogłosu, widmo drga , cz sto ci drga własnych;
*** stałe spr ysto ci, lokalizacja wad, identyfikacja struktury, ocena stanu;
**** wykrywalno trudna do jednoznacznego okre lenia;
metody radiacyjne:
* promieniowanie: a, b, g, x, neutrony, protony, pozytony;
** nat enie promieniowania, osłabienie promieniowania;
*** wady makrostruktury materiału, mikroporowato , tomografia;
**** wykrywalne zmiany grubo ci wynosz ce 0,4-1%;
metody magnetyczne:
* rozproszenie pola magnetycznego, przenikalno magnetyczna, koercja, oddziaływanie pola magnetycznego;
** nat enie pola magnetycznego, przenikalno magnetyczna;
*** wady powierzchniowe i podpowierzchniowe w materiałach;
**** szereko wad 0,1-15um, wysoko 10-40um, długo 1um - 50% wykrywalno ci;
metody elektryczne:
* pole elektryczne, zjawisko dielektryczne, zjawisko termoelektryczne;
** spadek potencjału;
*** pomiar gł boko ci p kni , ocena struktury;
**** gł boko p kni około 1um;
pr dy wirowe:
* pole elektromagnetyczne ci głe, impulsowe, wielocz stotliwo ciowe;
** impedancja, amplituda, faza;
*** wady powierzchniowe materiałów przewodz cych, pomiar grubo ci, identyfikacja
struktury;
**** wady o wysoko ci 10-70um;
metody penetracyjne:
* wnikanie cieczy w szczeliny powierzchniowe;
** długo i szeroko wskaza ;
*** p kni cia powierzchniowe;
**** wysoko 10-20um, szeroko 0,2-13um, długo 1um - 100% wykrywalno ci;
metody termiczne:
* przepływ ciepła, promieniowanie podczerwone;
** rozkład temperatur;
*** wykrywanie braku przyczepno ci, miejsc gor cych, zdalny pomiar napr e ;
**** zdalny pomiar temperatury o du ej rozdzielczo ci.
Metody bada nieniszcz cych znajduj ju ugruntowan pozycj w ród bada stanu
obiektów, wyra nie wyró nion zakresem zainteresowa od bada diagnostycznych.
2.8 Bezpiecze stwo maszyn
Teoria bezpiecze stwa maszyn zajmuje si szczególnymi przypadkami eksploatacji
obiektów, zagra aj cymi yciu i zdrowiu operatora, istnieniu obiektu, obiektów
współpracuj cych oraz rodowisku naturalnemu. Teoria bezpiecze stwa pozwala na
dokonywanie analizy systemów technicznych z punktu widzenia bezpiecze stwa [6,8].
Teoria bezpiecze stwa posługuje si poj ciami takimi jak zawodno bezpiecze stwa
i zawodno sprawno ci oraz poczucie zagro enia bezpiecze stwa i jego realne zagro enie
- ryzyko.
Bezpiecze stwo wywodzi si w prosty sposób z teorii niezawodno ci i wi kszo
elementów tworzonej teorii bezpiecze stwa pochodzi z tego obszaru.
Bezpiecze stwo techniki rozpatrywane jest w obr bie systemu:
człowiek technika rodowisko.
Dziedzin bada w systemie człowiek – technika - rodowisko (C-T-S) s ujemne
skutki istnienia techniki, ujawniaj ce si w postaci strat w tym systemie.
Z analizy bezpiecze stwa techniki w powy szym systemie wynikaj nast puj ce
podstawowe wnioski:
- straty mog pojawi si we wszystkich fazach istnienia wytworu techniki; s one nie do
unikni cia, co najwy ej mo na zmniejszy ich wielko i cz stotliwo pojawiania si ;
- bezpiecze stwo wytworów techniki mo na i nale y kształtowa w fazach ich projektowania i wytwarzania, a sterowa nim w fazie eksploatacji;
- bezpiecze stwem w okre lonych warunkach ryzyka mo na i nale y zarz dza ;
- racjonalno w w kształtowaniu bezpiecze stwa wytworu techniki polega na sprowadzaniu
jego negatywnych skutków do pewnego dopuszczalnego poziomu;
- kwantyfikacja bezpiecze stwa nast puje w oparciu o poj cia „zagro enie” i „ryzyko”;
- optymalizacja bezpiecze stwa wytworu techniki jest mo liwa w ramach optymalizacji jego
efektywno ci; dany poziom bezpiecze stwa stanowi wtedy ograniczenie w algorytmie
optymalizacji efektywno ci (rys.2.15);
Rys.2.15 Czynniki kształtuj ce efektywno
wytworu techniki.
- racjonalno i optymalno w kształtowaniu i sterowaniu bezpiecze stwem wytworu mo e
by rozwa ana wtedy, gdy mo na skwantyfikowa poziom jego bezpiecze stwa.
Z powy szych przesłanek wypływa cel bezpiecze stwa maszyn:
„sprowadzenie negatywnych skutków istnienia techniki do racjonalnego minimum”.
Zbiór podstawowych poj teorii bezpiecze stwa przedstawiony jest na rys.2.16.
Rys.2.16 Podstawowe poj cia teorii bezpiecze stwa.
Zagro enie definiowane jest jako ródło, potencjał lub sytuacja, które mog
spowodowa straty w systemie C-T-S. Zagro enie bywa kwantyfikowane, przy czym miar
zagro enia mo e by funkcja rodzaju i wielko materiału niebezpiecznego, warunków
eksploatacji, mo liwo ci uwolnienia si zagro enia i powstania strat oraz innych czynników.
Ryzyko definiowane jest jako mo liwo powstania strat w systemie C-T-S. W sensie
kwantytatywnym stanowi funkcj , której dziedzin s procesy strat elementów systemu.
Najcz ciej ryzyko wyra a si jako warto oczekiwana strat , a wi c jest zale ne od
wielko ci straty i prawdopodobie stwa jej powstania.
Bezpiecze stwo wytworu techniki definiowane jest jako zdolno tego wytworu w
zało onych warunkach eksploatacji do pozostawania w stanie ryzyka nie wi kszego od
warto ci kryterialnej.
Wychodz c od skutków, teoria bezpiecze stwa si ga do uszkodze i bł dów, które
stwarzaj zagro enie bezpiecze stwa oraz mog by powodowane nast puj cymi
przyczynami:
- nie sprzyjaj cym wpływem otoczenia, jak np. bł dami w systemie kierowania i
ubezpieczenia systemów, niesprzyjaj cym oddziaływaniu rodowiska, itp.;
- bł dami działania rozumianymi jako bł dy operatora popełniane w procesie eksploatacji systemu, szczególnie bł dami sterowania;
- niewła ciwym działaniem elementów, agregatów lub zespołów funkcjonalnych, na
skutek uszkodze .
W problematyce bezpiecze stwa mo na wyró ni dwa podstawowe kierunki działania, a mianowicie:
* kształtowanie bezpiecze stwa systemów i ich elementów (maszyn);
* obliczanie (kontrola) poziomu bezpiecze stwa systemów.
Pierwszy kierunek problematyki bezpiecze stwa w odniesieniu do techniki
realizowany jest za pomoc podej cia systemowego w projektowaniu:
- nowoczesnych metod konstrukcyjnych i technologicznych;
- stosowania materiałów konstrukcyjnych o wysokiej jako ci;
- weryfikacja zało e podczas bada obiektów;
- prawidłowej eksploatacji.
W odniesieniu natomiast do operatorów (ludzi) realizowany jest poprzez odpowiedni
dobór i selekcj kandydatów do zawodu, kształcenie i trening, motywowanie,
podtrzymywanie kondycji psychicznej, itp..
Drugi kierunek problematyki bezpiecze stwa wi e si z ocen systemów we
wszystkich fazach ich istnienia za pomoc metod i kryteriów ocenowych, przydatnych
odpowiednio do kolejno ocenianych faz.
2.8.1 Wska niki bezpiecze stwa systemu
Stan bezpiecze stwa w systemach technicznych okre laj wska niki bezpiecze stwa,
tj. charakterystyki funkcyjne lub liczbowe. Nale do nich:
- zawodno bezpiecze stwa systemów; wyznaczany przez czas funkcjonowania systemu do
chwili jego przej cia do stanu zawodno ci bezpiecze stwa;
- niezawodno bezpiecze stwa; wska nik charakteryzuj cy nie przej cie systemu do stanu
zawodno ci;
- zawodno sprawno ci systemów; ka dy stan, w którym system utracił w pełni lub cz ciowo swoje wła ciwo ci funkcjonalne; (intensywno zawodno ci, funkcja wiod ca rozkadu, warto oczekiwana czasu przej cia do stanu zawodno ci);
- ywotno ; charakteryzowany czasem od chwili pora enia systemu do chwili jego przej cia do stanu zawodno ci bezpiecze stwa, przy zało eniu braku czynno ci przeciwdziałaj cych;
- dyspozycyjno i odparowalno ; okre lony czas dyspozycyjny, w którym ma sens przeciwdziałanie sytuacji niebezpiecznej ró nymi metodami. Istnienie czasu dyspozycyjnego nie
gwarantuje odparowania sytuacji niebezpiecznej, co zale y od:
* predyspozycji operatora (odporno ci na stresy, kondycji fizycznej, pr dko ci reakcji
na zmian stanu, itp.;
* wła ciwo ci układów bezpiecze stwa bior cych udział w przeciwdziałaniu sytuacji
niebezpiecznej (ich wydajno , nieuszkadzalno , gotowo , itp.);
* czas odparowania sytuacji niebezpiecznej.
Miar odparowalno ci jest prawdopodobie stwo, e w czasie dyspozycyjnym zagro enie bezpiecze stwa zostanie odparowane;
- pora alno i wra liwo systemu; prawdopodobie stwo zawodno ci bezpiecze stwa
przez oddziaływanie czynników pora aj cych, z uwzgl dnieniem wra liwo ci systemu na
działaj ce czynniki pora aj ce;
- wska niki pomocnicze; słu ce do wyznaczania wska ników podstawowych. Nale do
nich charakterystyki probabilistyczne czasu przebywania systemu w poszczególnych stanach
bezpieczno ciowych. Zwykle s to:
* dystrybuanty czasu przebywania w stanach bezpiecze stwa;
* warto ci oczekiwane czasu przebywania w stanach bezpiecze stwa;
* prawdopodobie stwo przej cia mi dzy stanami;
* intensywno przej mi dzy stanami;
* prawdopodobie stwo przebywania systemów w poszczególnych stanach bezpieczno ciowych.
2.8.2 Struktura bezpiecze stwa systemu
Struktur bezpieczno ciow systemu technicznego wyznaczaj elementy systemu
energia i informacja, tworz ce zazwyczaj struktur nadmiarow systemu. Ma to na celu
zmniejszenie wra liwo ci, zwi kszenie ywotno ci i odparowalno ci systemu.
W strukturze bezpiecze stwa mo na wyró ni nast puj ce formy nadmiaru:
* nadmiar strukturalny, polegaj cy na dublowaniu wa nych układów systemu i zmniejszaj cych wra liwo systemu na sytuacje niebezpieczne;
* nadmiar funkcjonalny, polegaj cy na przystosowaniu niektórych elementów systemu do
przejmowania okre lonych dodatkowych funkcji i zmniejszaj cych wra liwo systemu;
* nadmiar parametryczny, polegaj cy na utrzymaniu wi kszej energii i mo liwo ci funkcjonalnych w odniesieniu do przeci tnych potrzeb, zmniejszaj cy wra liwo oraz zwi kszaj cy ywotno systemu technicznego;
* nadmiar informacyjny, polegaj cy na istnieniu nadmiarowej informacji w systemie odno nie do wa nych zdarze (np. sygnalizacja zagro e - wietlna, d wi kowa);
* nadmiar wytrzymało ci (mechanicznej, elektrycznej), polegaj cy na zwi kszeniu odporno ci na zniszczenie, zmniejszaj cy wra liwo na okre lonego rodzaju pora enia;
* nadmiar czasowy, polegaj cy na istnieniu zwi kszonego czasu dla realizacji ró nego rodzaju działa w systemie, umo liwiaj cy wła ciwe reakcje operatora w warunkach ryzyka;
* nadmiar elementowy, polegaj cy na wprowadzeniu do systemu dodatkowych elementów
wykorzystywanych w procesie odparowania sytuacji niebezpiecznej (urz dzenia zabezpieczaj ce, urz dzenia bezpiecze stwa, systemy bezpiecze stwa).
W ostatnim okresie mo na zauwa y tendencje przyjmowania bezpiecze stwa za kryterium jako ci sterowania procesem eksploatacji systemów technicznych, co w powi zaniu z
diagnostyk techniczn traktowan jako narz dzie oceny stanu daje du e mo liwo ci w kształtowaniu efektywnych strategii eksploatacji maszyn.
2.9 Podsumowanie
Tre ci tego rozdziału skrótowo omawiaj podstawowe problemy eksploatacji maszyn i
systemów technicznych, przy uwzgl dnieniu specyfiki zagadnie składowych dziedzin
naukowych tej problematyki. Uwa na lektura tych tre ci daje podstawy racjonalnego
kształtowania jako ci maszyn i wytworów oraz mo liwo ci budowy nowoczesnych systemów
eksploatacji maszyn.
Pozyskana wiedza daje lepsze zrozumienie zagadnie tworzenia i wykorzystania
maszyn, stwarza logiczne podstawy do rozwa ania i ustalania celów post powania, zwi ksza
umiej tno ci planowania i kierowania oraz stwarza nowe mo liwo ci wyboru, nowe cele i
horyzonty stawiania i realizacji zada eksploatacyjnych.
Na tle stanu wiedzy składowych dyscyplin eksploatacji wyra nie zaznacza si
dominuj ca rola diagnostyki technicznej, znajduj ca szerokie zastosowanie w kształtowaniu
jako ci maszyn oraz nowoczesnych strategii eksploatacji maszyn.
Poznanie tre ci tego rozdziału wyra nie okre la miejsce i zadania diagnostyki (z jej
szczególn rol na etapie eksploatacji, gdzie weryfikowane s wszelkie wła ciwo ci maszyn) i
pozwala na łagodne przej cie do zagadnie podstawowych diagnostyki maszyn, co jest tre ci
kolejnych rozdziałów ksi ki.
Literatura
1. CEMPEL C.: Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn. WNT.Warszawa.1982.
2. DWILI SKI L.: Niezawodno maszyn rolniczych. WEMA.Warszawa.1988.
3. GÓRECKA R., POLA SKI Z.: Metrologia warstwy wierzchniej. WNT.Warszawa.1983.
4. HEBDA M., MAZUR T.: Podstawy eksploatacji pojazdów samochodowych. WKŁ. 1980.
5. HEBDA M., WACHAL A.: Tribologia. WNT.Warszawa.1980.
6. JA WI SKI J.,WA Y SKA-FIOK K.:Bezpiecze stwo systemów.WNT.Warszawa.1993.
7. LEWITOWICZ J. ii : Problemy bada i eksploatacji techniki lotniczej.ITWL.Wawa. 1993.
8. MAZUR T., MAŁEK A.: Zarz dzanie eksploatacj systemów technicznych. WNT.1979.
9. MIGDALSKI J. ii :In ynieria niezawodno ci.PORADNIK.ATR-WEMA.Bydgoszcz.1992.
10.NIZI SKI S.: Dynamiczny system eksploatacji obiektów technicznych. Problemy Eksploatacji 5/93. Radom. 1993.
11. PAWŁOWSKI Z.: Charakteryzowanie stanu materiału metodami nieniszcz cymi. Mat.
Konf. Ustronie Morskie. 1988.
12. SMALKO Z.: Podstawy projektowania niezawodnych maszyn i urz dze technicznych.
Warszawa. PWN. Warszawa.1972.
13. ÓŁTOWSKI B.: Diagnozowanie silnika wysokopr nego. ITE. Radom. 1995.
14. ÓŁTOWSKI B., WIK Z.: Leksykon diagnostyki technicznej. ISBN 83-900853-3-X.
Wyd. ATR. Bydgoszcz. 1996.