Диагностика технического состояния горных машин

Существуют два основных метода организации технического обслуживания горного оборудования: на основе статистического анализа причин и периодичности отказов оборудования и на основе контроля технического состояния элементов и узлов машины и прогнозирования ее ресурса.

Первый метод связан со сбором и классификацией информации о надежности однотипных объектов. Анализ этой информации позволяет установить наиболее важные причины отказов и с определенной вероятностью периодичность их возникновения. В этом случае энергомеханическая служба горного предприятия получает возможность своевременно подготовиться и провести профилактические работы по предотвращению аварийных отказов оборудования, рассчитать материальные, трудовые и финансовые затраты, оценить ожидаемую себестоимость конечного продукта.

Второй метод связан с постоянным или периодическим контролем основных характеристик объекта. При наступлении критического состояния проводятся профилактические работы. В этом случае достигаются максимальное использование ресурса объекта, своевременность ремонтов, минимальная вероятность аварийных отказов и высокая эффективность использования оборудования.

Достоинства и недостатки присущи обоим методам и трудно говорить о преимуществах одного перед другим. Первый метод обычно используется при эксплуатации относительно недорогого оборудования, имеющего высокую ремонтопригодность, второй – при эксплуатации сложных и дорогих систем, в случае тяжелых последствий аварийных отказов.

Техническая диагностика объектов представляет собой техническую операцию получения и обработки информации о состоянии объектов во времени с целью обнаружения фактов существования отказов и устранения причин возникновения или мест появления отказов.

Техническая диагностика изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Целью технической диагностики является повышение надежности и ресурса технических систем. Благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей техническая диагностика позволяет устранить отказы объектов в процессе технического обслуживания, что повышает эффективность эксплуатации.

Техническая диагностика охватывает методы и средства определения состояния технического объекта. Процесс определения состояния технического объекта называют диагностированием. Различают рабочее диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия, и тестовое, при котором на объект подаются тестовые воздействия.

иагностирование выполняют с целью либо контроля работоспособности объекта, либо поиска дефекта, либо формирования прогноза дальнейшего изменения состояния, либо сочетаний этих целей. Процесс диагностирования осуществляется с помощью комплекта измерительных приборов, специального оборудования и программ измерения. В результате получают диагноз состояния объекта. Состояние объекта оценивается по диагностическим признакам – параметрам или характеристикам, отражающим изменение объекта в процессе эксплуатации. Общим понятием диагностики является работоспособность, которая позволяет обозначать классы состояний объектов.

Для обследования сложных технических систем используют диагностические системы в ЭВМ. Из-за сложности и высокой стоимости средств диагностирования этот метод используют в особых случаях.

В процессе эксплуатации диагностирование выполняется либо непрерывно, либо периодически для оценки состояния и прогнозирования его изменения в ближайшем будущем. При непрерывном диагностировании параметры оцениваются в рабочем режиме работы объекта либо переключаются на короткое время в специальный диагностический. Периодическое диагностирование выполняется с регулярным или случайным периодом.

Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации. Техническая диагностика двумя взаимосвязанными направлениями теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания, как раздел технической кибернетики, занимается распознаванием образов любой природы, машинным распознаванием речи, печатного и рукописного текстов и т.д. Она включает следующие основные разделы:

-построение алгоритмов распознавания;

-разработка правил решения;

-разработка диагностических моделей, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов.

Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей, с целью достоверной оценки технического состояния объекта.

Состояние системы описывается совокупностью (множеством) определяющих его параметров, признаков. Распознавание состояния системы — отнесение состояния системы к одному из возможных классов (диагнозов). Число признаков и диагнозов зависит от особенностей задачи и целей исследования.

Постановка задачи распознавания формулируется следующим образом. Имеется система, которая находится в одном из случайных состояний . Известна совокупность признаков, каждый из которых с определенной вероятностью характеризует состояние системы. Требуется построить решающее правило, с помощью которого предъявленная диагностируемая совокупность признаков была бы отнесена к одному из возможных состояний (диагнозов).

Для практического осуществления технической диагностики объектов необходимо решить следующие задачи (рис. 5.1) [6]:

1. Создать математическую модель нормального функционирования объекта диагностирования. Она позволит оценивать работоспособные состояния объекта, характеризуемые определенной величиной переменных состояния.

2. Разработать математическую модель отказов и предотказовых состояний объекта диагностирования, которая дает возможность прогнозировать возникновения отказов, обнаруживать отказы и выявлять причины их возникновения.

3. Создать оптимальные диагностические алгоритмы, определяющие в соответствии с некоторыми критериями принятия решений минимальную совокупность контрольных проверок, достаточную для различения всех состояний объекта диагностирования.

4. Разработать автоматизированную систему технической диагностики. Данная система должна быть универсальной и самопроверяемой.

Рис. 5.1. Схема организации автоматизированной системы диагностики

Техническая диагностика позволяет повысить готовность сложных систем, что обеспечивается улучшением их характеристик восстанавливаемости, достигаемым уменьшением времени поиска отказавшего элемента и обнаружения причин возникновения отказа, а также уменьшением времени устранения отказа.

Обычно используют следующие методы диагностирования: по параметрам рабочих процессов (скорость резания, потребляемая мощность, развиваемое давление и пр.), по параметрам сопутствующих процессов (количество выделяемого тепла, уровень вибрации, шумы и пр.), по структурным параметрам (зазоры в соединениях, разброс значений погрешности и пр.)

Модель процесса прогнозирования включает три этапа: ретроспектирование, диагностирование, прогнозирование. На первом этапе анализируют опыт эксплуатации объекта путем сопоставления условий работы и возникающих при этом неисправностей. В результате устанавливаются возможные направления изменения состояния объекта, наиболее информативные параметры и программы диагностирования. На втором этапе задаются тестовые воздействия на объект и накапливаются данные исследований в форме таблиц, графиков, спектрограмм и пр. На третьем этапе производится обработка полученной информации о состоянии объекта диагностирования. Как правило, для единичного объекта накопленная информация носит случайный характер. Для группы однотипных объектов изменения рабочих параметров приобретают статистический характер, имеющий свойства плавности и монотонности (тренд). Прогнозирование возможно при существовании единых закономерностей в изменении значений параметров, что и отражает тренд. Полученная модель прогнозирования должна пройти «обучение» – расчет прогнозных характеристик, сравнение с действительными и внесение корректив в модель.

Техническое диагностирование осуществляют с помощью технических средств. Система технических средств диагностирования представляет собой совокупность оборудования, программ и объекта, осуществляющую обследование по правилам, установленным соответствующей документацией. Различают системы тестового диагностирования (подача специально организуемых воздействий от средств диагностирования) и функционального диагностирования (подача рабочих воздействий).

Системы тестового диагностирования обычно решают задачи проверки исправности и работоспособности объекта, а также поиска неисправностей. Тестовые воздействия не должны мешать нормальному функционированию объекта. Системы функционального диагностирования используют для проверки правильности работы объекта и поиска неисправностей. Эти системы работают при применении объекта по назначению.

Различают три вида прогнозирования:

— аналитическое, основанное на методах экстраполяции значений прогнозируемой переменной на некоторый будущий период; наибольшую эффективность при этом дает метод группового учета аргументов (МГУА), использующий внешний критерий для оценки точности уравнений регрессии;

— вероятностное, основанное на теории вероятностей, позволяющей определить вероятность нахождения прогнозируемого параметра в заданном диапазоне;

— статистическая классификация, основанная на теории распознавания образов; при этом обосновывается отнесение объекта к одному из известных классов на основе меры подобия.

Прогнозирование способствует созданию долговечных объектов за счет выявления элементов для срочного восстановления, обоснования количества запасных частей, срока технического обслуживания и ремонтов.

Оценку состояния объекта производят по диагностическим признакам, в качестве которых используются параметры объекта или характеристики. К параметрам относят физические величины, имеющие конкретные значения, к характеристикам – зависимости одной физической величины от других. Если значения диагностических признаков находятся в пределах, допускаемых технической документацией на объект, то объект находится в работоспособном состоянии. Если хотя бы один признак выходит за допустимые пределы, то объект находится в состоянии отказа (неработоспособен).

Различают диагностические параметры прямые и косвенные. К прямым относят рабочие параметры объекта, значения которых измеряют и оценивают в процессе диагностирования (скорость перемещения, сила тяги, яркость излучения, развиваемое давление и т.п.), к косвенным – параметры, позволяющие косвенно оценить прямые параметры (концентрация и крупность частиц металла в масле редуктора, магнитная проницаемость материала, выделение тепла, износ рабочих поверхностей и пр.). В табл. 5.1 приведена классификация параметров прогнозирования.

При использовании в качестве диагностического признака характеристики, имеющей вид y = f(x) (здесь х – входной параметр, у – выходной), оценка работоспособности производится по величине отклонения текущей характеристики от номинальной. При этом требуется назначить количественный критерий, позволяющий оценить разность между текущей и номинальной характеристиками объекта. Для этого имеется несколько критериев: среднее отклонение, среднеквадратическое, маска 11.

Раздел 5. Техническая диагностика горных машин и оборудования (стр. 1 )

Раздел 5. Техническая диагностика

горных машин и оборудования

Развитие средств и методов технической диагностики применительно к условиям работы горношахтного обору­дования является важным фактором дальнейшего совер­шенствования процесса эксплуатации оборудования, обеспечивающего ее безопасность и возможность предуп­реждения аварийных режимов работы и внезапных отка­зов.

Диагностирование должно являться составной частью технического обслуживания и ремонта оборудования и должно обеспечивать его проведение по фактическому техническому состоянию при решении следующих основ­ных задач: определение вида технического состояния обо­рудования; поиск места дефекта; определение причин по­явления дефектов и выдача рекомендаций по их устране­нию; прогнозирование технического состояния оборудо­вания; контроль правильности действия эксплуатацион­ного персонала по эксплуатации оборудования; накопле­ние статистического материала для совершенствования технологии изготовления и режимов эксплуатации вновь создаваемых машин.

Наиболее эффективными методами диагностирова­ния являются виброакустический, пневмогидравлический, кинематический и электромагнитный (рис.47). Ди­агностические признаки, определяющие техническое со­стояние, вызываемые различного рода дефектами, следу­ет оценивать по следующим состояниям: структурному (геометрия, взаимосвязь деталей, состояние материала деталей); функциональному (эксплуатационные показа­тели и характеристики рабочего процесса и процесса ре­гулирования); вибрационному (совокупность колеба­тельных процессов).

Значительное число дефектов (до 60%) составляют прочностные дефекты, что объясняется сложностью и не­достаточным совершенством динамических расчетов, а также упрощенными представлениями о физике колеба­тельных процессов и вызываемых ими напряжениях.

Значительную роль в обнаружении подобных дефек­тов играет виброакустическая диагностика, так как возни­кающие при работе машины вибрации достаточно полно отражают относительное состояние детали или узла, по­зволяют судить о возникающих динамических нагрузках, а также обнаруживать причины дефектов и прогнозиро­вать техническое состояние (ТС) исследуемых элемен­тов.

5. 1. Система диагностирования, диагностические признаки и методы диагностирования

Широкий диапазон условий и режимов эксплуатации горных машин, значительная вариация начального уров­ня качества как новых машин, так и полученных из капи­тального ремонта приводят к значительному, разбросу скорости потери работоспособности машины и достиже­ния предельного состояния.

Значение момента и характера изменения состояния, а также причины, вызвавшей данное изменение, позволя­ет предупредить отказ, принять правильное решение и провести профилактический ремонт. Знание же действи­тельного технического состояния и режима работы позво­ляет использовать технику наиболее эффективно. Для его определения необходимо, во-первых, установить, какие параметры и каким способом следует определить и, во-вторых, какими средствами необходимо провести данное исследование.

Таким образом, система диагностирования включает методы и средства определения действительного состоя­ния объекта, т. е. является системой контроля и одновре­менно основным задающим звеном процесса управления состоянием объекта. Средства и методы контроля должны быть удобны в эксплуатации, обеспечивать осуществле­ние контроля в минимальное время, проводить его без разборки машины и желательно без нарушения ее работы. Сами же объекты эксплуатации должны быть приспособ­лены для диагностического контроля, иметь встроенные датчики и приборы (мощности, давления, напряжения сети, температуры, вибрации, усилий, расхода воздуха и др.) или возможность периодически подключаться к кон­тролирующим устройствам.

Разработка системы диагностирования объекта вклю­чает ряд этапов (рис.48).

Рис.48 Этапы разработки системы диагностирования

На первом этапе определяются условия работоспо­собности, т. е. предельно допустимое состояние объекта при количественных и качественных изменениях пара­метров отдельных элементов объекта. Этот этап нераз­рывно связан со вторым — выбором критериев оценки степени работоспособности, а именно контролируемых параметров и допустимого диапазона их изменений. К ним относятся: допустимое снижение тягового усилия, начального распора секций крепи, загрязнение смазки, температура корпуса редуктора, давление в гидросистеме, виброскорости отдельных точек и др.

В общем техническое состояние объекта можно опре­делить, контролируя либо его параметры и характеристи­ки, либо оценивая качество выполняемых им функций. При этом параметр определяется как физическая или ма­тематическая величина, характери-зующая состояние элемента или объекта, а характеристика представляет со­бой зависимость одного параметра от другого или от вре­мени.

Кинематические, геометрические, статические и ди­намические, механические и молекулярные, тепловые, акустические, электрические и магнитные параметры представлены на таблице 44.

Процесс определения действительного состояния объекта должен осуществляться по обоснованной про­грамме и разработанным алгоритмам диагностирования.

Алгоритмы диагностирования разрабатываются на основе диагностических моделей, которые представляют собой аналитические описания или графоаналитиче­ские представления основных свойств технических объ­ектов как объектов диагностирования, выраженные в ви­де математических и физических законов, процессов, логических соотношений, диаграмм записываемых сиг­налов. Диагностическая модель предусматривает форму­лировку условий работоспособности и неработоспособ­ного состояния, наличие критериев оценки степени ра­ботоспособности и установление признаков и причин возникших неисправностей.

На основе диагностической модели разрабатываются алгоритмы диагностирования, представляющие совокуп­ность операций, выполняемых в определенной последо­вательности с целью решения конкретной диагностиче­ской задачи. Получаемые в результате измерений (запи­сей) средствами диагностики диагностические сигналы (признаки, параметры) могут быть разбиты на три груп­пы: повреждения, выходные параметры, косвенные при­знаки, которым потери соответствуют три метода диагно­стирования.

1. Контроль повреждений, которые приводят или мо­гут привести к отказу элемента или объекта в целом: деформация, износ, коррозия, усталостные напряжения, изменения физико-химических свойств и другие являют­ся диагностическими признаками, по которым можно сде­лать вывод о техническом состоянии.

Повреждения чаще всего являются первопричиной отказа, но контролировать их в полном объеме очень трудно. Поэтому диагностирование повреждений прово­дят лишь при установлении снижения работоспособности машины. Однако имеются объекты, требующие непре­рывного контроля повреждений по правилам безопасно­сти (силовые кабели) или регулярного контроля (канаты подъемных машин), а также элементы, определяющие работоспособность машин или системы в целом (гидрома­гистрали механизированных комплексов и др.).

2. Контроль выходных параметров (мощность, скоро­сть, усилие, крутящий момент). Эти параметры дают ответ о работоспособности объекта, но, как правило, не опреде­ляют место и вида повреждения. Поэтому при их отклонении от нормы или приближений к границе допустимого изменения приступают к контролю повреждения.

3. Контроль косвенных признаков (состояние смазки, температура элемента, давление в системе, вибрация, уровень шума, АЧХ, входное напряжение сети и др.). Контроль работоспособности изделия по косвенным при­знакам позволяет дать интегральную характеристику состояния объекта, предупредить развитие повреждения и своевременно произвести профилактические работы.

Преимуществом контроля косвенных признаков яв­ляется его проведение в процессе работы без остановки и разборки машины, но часто отыскание связи между кос­венным признаком и выходным параметром затрудняется из-за воздействия посторонних факторов, накладываю­щихся на косвенный признак.

Завершающим этапом системы диагностирования яв­ляется поиск и устранение повреждений, ведущих к сни­жению работоспособности объекта.

Таблица 44 Параметры диагностирования (физические)

Время, скорость ускорение, угловая скорость, угловое ус­корение, период, частота периодического процесса, фаза, объемный расход, плотность обьемного расхода, гради­ент скорости

Длина, площадь, плоский угол, телесный угол кривизны ли­нии, кривизна поверхности, момент сопротивления пло­ской фигуры, осевой и полярный момент инерции площа­ди плоской фигуры.

Статические и динамические

Масса, сила, импульс силы, количество движения, давле­ние, градиент давления, работа, энергия, объемная плот­ность, энергия, мощность, коэффициент трения, коэффи­циент сопротивления, коэффициент упругости, момент си­лы, момент инерции, расход, молекулярная скорость пото­ка, затухание.

Механические и молекулярные

Плотность, удельный объем, удельный вес, количество ве­щества, относительная молекулярная масса, молярная масса, молярный объем, коэффициент продольного растя­жения, модуль продольной упругости, коэффициент все­стороннего сжатия, твердость, ударная вязкость, динами­ческая вязкость, текучесть, кинематическая вязкость, ко­эффициент поверхностного натяжения, концентрация, ко­эффициент диффузии, функция распределения

Температура, количество теплоты, температурный гради­ент, тепловой поток, поверхностная плотность теплового потока, энтропия, теплоемкость (объемная и удельная), теплота фазового превращения, теплота сгорания топли­ва, коэффициент теплопроводности, коэффициент тепло­передачи, коэффициент температуропроводности, темпе­ратурные коэффициенты

Звуковое давление, объемная скорость, звуковая энер­гия, плотность звуковой энергии, интенсивность звука, акустическое сопротивление, удельное акустическое со­противление, механическое сопротивление, интенсив­ность звука, высота звука, тембр звука, громкость звука, акустический коэффициент отражения, акустический коэф­фициент поглощения, акустическая проницаемость пере­городки, время реверберации

Электрические и магнитные

Электрический заряд, поверхностная плотность заряда, напряженность электрического поля, электрическое сме­щение, поток электрического смещения, потенциал, элект­рический момент диполя, емкость, поляризованность, диэ­лектрическая проницаемость, диэлектрическая восприим­чивость, сила тока, плотность тока, электрическое сопро­тивление, электрическая проводимость, удельное электри­ческое сопротивление, удельная проводимость, магнит­ная индукция, магнитный поток, напряженность магнитно­го поля, магнитный момент, магнитодвижущая сила, маг­нитное сопротивление, индуктивность, взаимная индук­тивность, намагниченность, магнитная проницаемость

5.2. Общая характеристика технических средств