УНИВЕРСИТЕТ ПО ХРАНИТЕЛНИ ТЕХНОЛОГИИФакултет: Технически

Катедра: „Автоматика, информационна и управляваща техника”

Тема: „Методи и инструментариум за събиране на първична информация. Обработка на получената първична диагностична информация”

Студент: Ивайло Стефанов Сираков Фак. № 27290

Специалност: „Автоматика, информационна и управляваща техника”

Образователно-квалификационна степен: Магистър

Пловдив

2011В механичните системи (двигатели, помпи и т.н.), основната цел на

техническата диагностика се състои в повишаване на надеждността и живота на машините, чрез ранно откриване на дефекти и оптимизация на поддръжката. Техническа диагностика на сложни системи представлява също система, която е необходимо да има информационно осигуряване, техническо осигуряване и софтуер.

Информационното осигуряване включва методи за получаване на диагностична информация, нейното съхраняване и систематизиране. Информационното осигуряване съдържа необходимия масив технически данни.

Техническото осигуряване е съвкупност от устройства за получаване и обработка на информация (диагностични устройства, сензори, аларми и др.) Важна част от техническото осигуряване на съвременните системи за диагностика съставят ЕИМ, устройства от вида цифрово-аналогови и др.

Математическия софтуер включва алгоритми и програми за разпознаване.

Техническата диагностика на системите включва и екип от специалисти, които са отговорни за вземане на решения. В момента, систематичен подход към проблемите на техническата диагностика е в начален стадий. По-голямата част от публикуваните резултати се отнасят само за отделни елементи на системата.

Способност за контрол се нарича свойството на изделие, което се състои в неговата адаптивност към ранно откриване и предотвратяване на аварии и неизправности.

Под ранно откриване се разбира да се установи дефект или неизправност в началния етап, при който все още не показват нежелани ефекти върху надеждността и оперативната съвместимост на продукта.Способността за контрол преди всичко зависи от качеството и количеството на диагностична информация, така че може да бъде получена от използването на продукта, неговата поддръжка, както и специални диагностични изпитания (диагностични тестове).

Основни видове на диагностична информация. Голяма част от информацията за поведението на системата ни дават

диагностичните изпитания, тъй като те отразяват състоянието на системата. Съставът и състоянието на средата взаимодействаща с продукта (въздух, вода, масло, горива, възпламенителните и продукти и т.н.), параметри на процеса на работа (скорост, температура, налягане и т.н.), вибрации, акустични и топлинното излъчване и др. съдържат диагностична информация.

В много случаи, много полезно е прякото визуално наблюдение на състоянието на елементите на машината. Това се извършва с помощта на

оптични тръби (бороскопи). Те ни позволяват да се открият пукнатини, прегряване, усуквания, и др.

Към основните видове диагностична информация се отнасят;- вибрациите на елементите на конструкциите;- звуковите колебания, стойността на параметрите,

характеризиращи функционирането на системата; - състоянието на околната среда; - визуални наблюдения, данни от дефектоскопии, както и проверка

на информацията.Диагностична стойност са не толкова стойностите на параметрите в

даден момент на работа на системата, но и изменението и във времето. Това се нарича кинетика на информационните параметри.

Измерване на вибрации. В процес на работа, някои елементи на машините се движат.

Причините за възникване на вибрации могат да бъдат циклични процеси в машината (въртене на ротора на двигател, периодични натоварване и др.), естествени вибрации на конструктивни елементи и др. Като цяло, всяка точка на структурата е пространствено изкривяване, т.е. геометрична сума от три компонента на изместване u(t), v(t), w(t). Във всеки един момент във времето изместванията от вибрации могат да бъдат представени като суперпозиция от елементарни хармонични трептения с различна честота и амплитуда. Обикновено, в проблемите на техническата диагностика се измерва честота от 30 000 Hz (най-често до 10 000 Hz) и ускорение до 1000 m/s2.

На фиг. 1 показваме блокова схема за измерване. Тя може да бъде използвана не само за измерване на вибрации.

Фиг. 1. Блокова схема на измерване:

Д – сензор;П – преобразувател; У – усилвател; P – записващо устройство.

Сензорът превръща неелектрически величини (механично преместване, налягане и др.) в електрически сигнал. Преобразувателя осъществява първични преобразувания на сигнала (филтриране). Усилвателя и записващото устройство усилват и записват сигнала на информационен носител. Последователно към тази система може да се включи и РС за обработка и анализ на данните.

В производството вибрационните датчици основно са индукционни и пиезоелектрични. Последните са по-ефективни, защото те са с по-малки размери и тегло и имат висока устойчивост на вибрации и температура (до 500 °C). Вибросензорите са закрепват на детайла посредством фланец или чрез резбован отвор. Конструктивната схема на пиезоелектричния датчик е показана на фиг. 2.

фиг. 2. Конструктивна схема ма пиезоелектричен вибродатчик:

В. корпуса на датчика (1) са разположени два пиезоелемента (6) разделени от пластина (3). Пиезоелемента показва свойството си при влияние на механичен натиск върху него. Тогава се получава разлика в потенциалите между двата елемента. Налягането на повърхността на пиезоелемента създава инерционна маса, която опъва еластичния елемент (7). Датчика е закрепен посредством резбова връзка (5), а сигнала се предава посредством проводници (4).

За да се премахнат динамичните грешки, първата естествена честота на сензора трябва да бъде по-малка от измерената честота на 4-6 пъти.

Измерване на акустични вибрации. Вибрациите на елементите на машините произхождат в резултат

работния процес, собствените колебания, удари и др., причини колебания на околната среда, т.е. източник на звукови колебания. В някои машини, например в авиодвигателите големи източници на звукови (акустични) колебания е струята на изходните газове от реактивната дюза, звукови излъчвания от лопатките или буталата на компресорите и др.Акустична вибрации се характеризират с широки непрекъснати спектри с отделни дискретни компоненти. Акустичните колебания представляват стохастичен процес с амплитудата и честотата от случаен характер.Амплитудо-честотната характеристика има голямо значение за състоянието на машините. Известно е, че опитните механици доста често могат на “слух” да определят неизправностите в двигател, турбина и др.

Измерването на акустичните колебания, техния спектрален анализ повишават стойността на акустичната диагностика. За измерването се използуват микрофони на електрически и пиезоелектиречски принцип с диапазон 5-100 кХц. Честотата на човешкия слух е 20 kHz. Основен проблем при използването на виброакустичните методи се явява деленето на полезния сигнал от външните шумове. За разделянето на сигнала ни необходим за диагностичната информация от шумовете се използват филтри.

В миналото е било установено, че когато се образуват пукнатини, се появяват интензивни акустични вибрации с честота от порядъка от 50 до 500 KHz. Това явление може да използва за откриване на пукнатини.

Измерване на постоянни и променливи напрежения и усилия.Диагностичната стойност има данни за измервания на постоянни и

променливи изменения на елементите на конструкциите в работни условия. За измерванията се използват терморезистори във вид на намотка от тънка тел с диаметър от 0,025-0,050 мм (проводникови тензометри). При натиск телта се разтяга, променя се напречното сечение и расте съпротивлението. Това се регистрира с помощна потенциометрична схема. Обикновено съпротивлението на тензорезистора е приблизително 100 Ω.

Тензорезисторите се закрепват на детайла с помощна хартиена лента, фолио или цимент. При измерване на остатъчна деформация се използват до 400°C, тъй като при високи температури е много трудно да се компенсират температурните грешки. При измерване на променливи деформации тезорезисторите могат да работят при температури до 900 °C. Точността на измерването е 1.5%.

Измерване на параметрите на процеса. Тези измервания включват налягане, температура, ъглова скорост и

други параметри.

Налягането в кухините на различни машини се измерва с помощта на манометри, манометрични тръби и др. За регистрация на бързоизменящи се процеси се използват натискови датчици, изградени от пиезоелектрични, индуктивни и тензорезисторни елементи.Температура в диапазона от -200 до 700 ° C се измерва чрез термометрични съпротивления. За измерване на температура до 1600 °C използват термоелектрически пирометри (термодвойки). Данните от тях се снемат посредством миливолтметри. За диагностични цели, се използват както оптични пирометри, така и други структурни елементи, включително и на бързо движещи се обекти.

Ъглова скорост се измерва с индуктивни и фотоелектрически тахометри. Най-широко използваните тахометри са индуктивните. Те са с висока точност и надеждност в дългосрочен план. В тези сензори се използва свойството на роторите променливотоковите двигатели. Записа на данните се осъществява чрез специални волтметри или електронни честотомери.

Много важна диагностична информация носи маслото, което се използва за смазване и охлаждане на триене повърхностите (лагери, предавки и др.) Диагностичния контрол се осъществява по наличието на метални стружки в маслото. Използват се специални устройства - стружкосигнализатори, които дават сигнал при наличие на метални частици в маслото. Метални частици в отработените газове могат да бъдат открити от помощни датчици, които изследват йонизация на средата. Диагностично значение има и анализа на химическия състав на отработените газове и други отработени продукти.

Визуални наблюдения се осъществяват чрез визуални тръби (бороскопи). За да може да се осъществи визуално наблюдение на елемента трябва да има кухина. Оптичните тръби дават увеличение от два до три пъти или повече, с диаметър 3-20 mm. зрително поле. Използването на оптични тръби с вътрешни огледала позволяват предаването изображения от криволинеен канал. През последните години за тази цел се използват световоди, изградени на основата на оптични влакна. Схема на бороскоп показана на фиг. 3.

Фиг. 3. Схема на бороскоп:

1 – Работни ножове подлежащи на инспекция; 2 – Бороскопна тръба;3 – Окуляр;4 – Наблюдател (оператор);5 – Стъкловлакнест проводник;6 – Източник на светлина;7 – корпус на компресора.

С помощта на визуални наблюдения се показват щети и повреди на повърхността от деформация, пукнатини, прегряване, износване и др.

Резултати от дефектоскопията. През последните години, методите на дефектоскопията са широко

използвани в процеса на производството и ремонта ма машините и апаратите. Използването на методите на дефектоскопията в експлоатационни условия е изключително трудно, тъй като в повечето случаи изискват частично или пълно разработване на нови продукти. Въпреки това, някои методи за дефектоскопия могат да бъдат използвани в реални условия. За откриване на пукнатини се използва и вихротоков метод, основан на измерване на електромагнитните полета на вихровите токове. С помощта на специален сензор се открива пукнатината по повърхността (фиг. 4).

Фиг. 4. Схема за вихротоков сензор :

1 – Ръкохватка;2 – Ферит;3 – Макара;4 – Лопатка;5 – Дефект;6 – Генератор на висока честота (осцилатор);7 – Усилвател;8 – Детектор;9 – Измервателен прибор;10 – Графика на дефекта;11 – Осцилоскоп.

Пукнатините и дефектите разсейват вибрациите и намаляват интензивността на отразения сигнал.

За откриване на пукнатини и други дефекти, като например шупли, също така се прилага и метода на рентгенографията. Използва се дифракцията на рентгеновите лъчи посредством изотопен източник на излъчване. Такъв източник се поставя във вътрешната кухина. На филма, разположен зад проверяваните компоненти, получава рентгеново изображение. Тези изображенията могат да открият наличието на пукнатини, люспи и др. Те по-малко абсорбират радиацията и следователно се появяват във филма като тъмни ивици.

В определени случаи, могат да бъдат използвани методите на цветната и луминесцентна дефектоскопия. При цветната дефектоскопия детайла се покрива с боя, която прониква в пукнатините и порите. След това слоят боя се отмива от основните елемент и детайла се залива с друга абсорбираща боя. На слоя се появяват във вид на щрихи и петна и се вижда остатъка от първата боя, която е останала в пукнатините.

При луминесцентния метод основната боя има свойството на флорисценция при облъчване с ултравиолетови лъчи. След отстраняването на основната боя или друго вещество, някои частици остават в цепнатините и под ултравиолетовата светлина дават светят в тъмното на фона на повърхнината на детайла. Тези методи могат да открия пукнатини дълбочина от порядъка на 0,01-0,10 мм.

Примери на техническата диагностика

Ето някои примери за техническа диагностика в различни области на машиностроенето. Широкото практическо прилагане на методи на техническата диагностика е само началото, но първите резултати показват значителен потенциал за повишаване надеждността и срока на експлоатация на машините с диагностиката.

Техническа диагностика на авиационните двигатели. В работата на съвременните двигатели се контролират 20-40

параметъра, и показанията са три нива на информационен дисплей: - в кабината на пилота;- на борда на въздухоплавателното средство;- наземна проверка. В пилотската кабина се показват най-важните параметри, като

например вибрацията на двигателите. Това са данни, които са необходими за правилното управление на самолета. Във всички случаи, когато стойностите достигнат определен лимит се включва допълнителна аларма (светлинна или звукова). Значителна част от информацията се записва на борда на самолета със специални записващи устройства и тази информация се съхранява. Редица диагностични признаци се откриват при наземните тестове (визуален контрол, проверка на филтрите и др.)

В американския двигател, CF-6 секонтролират около 40 параметъра, като например: температурата на газа зад турбината, температурата на компресора, честота на въртене на компресора и вентилатора, налягането на компресора и вентилатора, вибрациите в областта на вентилатора, компресора. Записва се и количеството и температурата на маслото, показанията на детектора за метални частици, сигнализатора на ниско ниво на маслото. Също се контролират и параметрите на горивната система, запалителната система, вземане на проби на въздуха и други системи.Повечето параметри се записват 1-2 пъти на полет (налягане, вибрации, скорост) и след това се изпраща на диагностичен център за анализ. Резултатите се сравняват с предишни отчитания и се взема решение за продължаване на нормална работа или за извършване на допълнителни проверки, подмяна на някои части дори и до подмяна на двигателя. В диагностичния центъра е създадена група от експерти, които анализират

постъпващите данни. За вземане на решения може да се използва компютър, който допринася за по-доброто управление на процеса.

Тестовете на двигателите на въздухоплавателните средства показват, че най-големите щети са особено на горещите части и се появяват по време на работа на най-трудния режим, а той е излитане.

Техническа диагностика на корабни машини. В Канада, 100 вида машини и електрически кораби, машини

използват често анализатор на вибрации. Намерените повреди, причинени от дисбаланс, несъосност и огъване ролки, неправилното функциониране на предавки и лагери са анализират от тях. Състоянието се определя от компютър, който сравнява нивото на вибрациите с таблични. Въз основа на статистическа информация, получените данни показват зависимостта на средната продължителност на живота експлоатация на машините, което позволява своевременно за извършване на превантивна поддръжка и подмяна. Оказва, че диагностична система дава спестявания, като броят на грешки, открити по време на работа незабавно, пада с 45%. Сред машините на кораба се смятат за парните и газови турбини, дизелови двигатели, помпи, компресори и др. Акцентът основно е върху акустичната диагностика.

Техническа диагностика на бутални двигатели. Буталните двигатели (автомобилни, тракторни, стационарни дизелови

двигатели и превозни средства) са широко използвани. Експлоатацията на автомобилните и тракторни двигатели е широко разпространена. Определя се техническото състояние на двигателя без разглобяване и по този начин се повишава на надеждността и подобрява поддръжката. Диагнозата се извършва от мобилни станции, оборудвани с вибро-акустични инструменти. Като признаци се използват, например, на "бял дим", "ниска компресия", "увеличаването разхода на гориво", "шум при запалване” и др.

Като заключение стигаме до следните изводи. Методите и инструментариума са от основно значение за извършване

на качествена техническа диагностика. При избран погрешен метод или наблюдаем параметър може да се достигне до грешен масив на данни. В последствие макар и правилно да бъдат обработени данните, получените резултати няма да бъдат коректни.

Тук следва да се отбележи, че сложността на ремонта надхвърля сложността на производството в 5-10 пъти, а превантивната поддръжка и ремонта има значителен икономически ефект.

ЛИТЕРАТУРА:1. Биргер И.А., Техническая диагностика, М., Машиностроене, 19782. Каменов Вл., Надеждност и диагностика на мехатронни системи,

ТУ – София, 2010