Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего образования

«ВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА» (ФГБОУ ВО «ВГУВТ»)

Каспийский институт морского и речного транспорта

имени генерал-адмирала Фёдора Матвеевича Апраксина

филиал ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

Факультет высшего образования

Кафедра: Судомеханических дисциплин

Специальность: 26. 05. 07 «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Дисциплина: «Основы теории надежности и диагностики»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Преподаватель по дисциплине ОТНиД: Конспект лекций ст. преподаватель Мелешин М. А. выполнил

студент группы: СМ-55

УРАЗГАЛИЕВ Д. Р.

« 04. 02. 2022год»

дата

Астрахань 2022

Системный анализ в теории надежности.

1. Для характеристики надежности сложной системы используется

комплекс показателей. Перечень используемых показателей должен быть

достаточно полным и целесообразным. Нет необходимости использовать весь

перечень показателей.

2. Целесообразно выделять главные показатели надежности и

вспомогательные. Для сложных систем к главным показателям надежности

относят комплексные показатели.

3. Количественные значения показателей надежности задаются исходя

из противоречивых требований обеспечения наивысшей надежности и

требований производства.

4. Показатель надежности каждый раз должен быть четко

сформулирован на понятном для пользователя языке.

Основными конструкторскотехнологическими факторами повышения надежности являются:

• применение в конструкции более надежных компонентов,

• оптимизация схем соединений компонентов с точки зрения повышения

схемной надежности,

• использование резервирования наиболее ответственных или наименее

надежных компонентов,

• строгое соблюдение технологии изготовления, сборки и ремонтов.

Повышение надежности технических объектов на стадии эксплуатации

достигается за счет:

1 Соблюдения условий и режимов эксплуатации, хранения,

транспортирования и ремонта объектов,

2 раннего обнаружения и устранения неисправностей,

3 устранение причин возникновения отказов в процессе эксплуатации,

4 снижение вредных последствий отказов,

5 использования автоматизированных систем диагностики,

обеспечивающих непрерывный мониторинг объектов.

Резервными средствами могут быть:

• резервные элементы, включаемые в структуру объекта;

• резервные возможности в выполнении элементом системы ряда

функций;

• резерв времени для выполнения функции;

• резерв информации для восстановления информации в случае ее

искажения.

Резервный элемент может быть включен постоянно и выполнять функцию одновременно с основным элементом, а может подключаться только при отказе основного элемента.

Различают разные способы резервирования. При общем резервировании резервируется

объект в целом. При раздельном резервировании резервируются элементы объекта по отдельности.

При общем резервировании используется резервный объект, который при отказе основного объекта продолжает выполнять требуемые функции. В большинстве случаев выгоднее резервировать не весь объект, а только его наименее надежные компоненты.

Тогда используют раздельное резервирование.

Резервирование замещением -резервный элемент включается вместо

основного при его отказе. Скользящее резервирование - группа

основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент.

Причины отказов и прогнозирование

технического состояния сложных систем.

В процессе выполнения расчетов и анализа надежности оценивается

вероятность появления двух следующих событий:

 события А, заключающегося в безотказной работе создаваемого

изделия при определенных условиях эксплуатации и заданной

продолжительности работы;

 противоположного события A (не A), выражающегося в появлении

отказа изделия при его работе в заданных условиях эксплуатации

Признаки отказов могут быть параметрические, функциональные,

прочностные и эксплутационные. Параметрические признаки связаны с

ухудшением параметров объекта, например нестабильность рабочих

параметров двигателя или их ухудшение сверх допустимых значений.

1. Метод структурных схем

Рассматриваемый объект представляется в виде расчетной схемы,

состоящей из отдельных функциональных элементов. Для составления

расчетной схемы конструкция объекта или его принципиальная схема

разбивается на отдельные функциональные элементы, которые

взаимодействуют друг с другом.

При разбивке объекта на элементы используются следующие правила:

1. Каждый элемент должен выполнять вполне определенные функции

и формировать некоторый выходной параметр при условии правильного

поступления к нему входного параметра или сигнала.

2. Все элементы системы должны быть взаимосвязанными при

выполнении каждым элементом заданные ему функции.

3. Каждый элемент должен иметь вполне определенные

количественные характеристики надежности, полученные из

эксплутационной статистики или по экспериментальным данным

При использовании структурного метода необходимо, чтобы

соблюдались следующие правила:

1. Все элементы объекта рассматриваются как одноотказовые (т. е. для

каждого элемента учитывается только один вид отказов). Если хотя бы один

элемент подвержен двум и более видам отказов, то метод структурных схем

для расчета надежности объекта неприменим.

2 Объект представляется в виде единой структурной схемы, состоящей

из суммы последовательных и параллельных соединений звеньев. События,

изображенные в виде звеньев структурной схемы, должны быть

независимыми.

3. В структурной схеме не должно быть событий, среди которых одно

событие является отрицанием другого. Одно и то же событие должно

представляться в виде одного звена.

Последовательным соединением называется совокупность звеньев, для

которых необходимым и достаточным условием отказа является отказ хотя бы одного звена.

Параллельным соединением называется совокупность звеньев,

работоспособность которой нарушается только при условии отказа всех

звеньев.

Пример составления расчетной схемы соединения двух фильтров при

учете различных видов отказов приведен в табл. 2.

Монтажная схема

Структурная (расчетная) схема фильтрующей сетки

фильтрующей сетки

фильтрующей сетки.

Структурная схема существенно зависит от характера отказов, которые

учитываются для элементов принципиальной схемы. При выборе

структурной схемы необходимо учитывать соотношение вероятностей

отказов разного вида. В свою очередь составление структуры позволяет

уточнить принципиальную схему соединения элементов с точки зрения

повышения ее безотказности.

В том случае, когда отказы подчиняются экспоненциальному закону с

интенсивностью отказов  можно использовать следующие формулы для

расчета показателей надежности последовательного и параллельного

соединения. Для последовательного соединения

Метод логических схем.

Этот метод накладывает меньше ограничений на возможности

применения, в частности, допустимы звенья с зависимыми событиями,

повторение одинаковых звеньев. Анализ схемной надежности методом

логических схем выполняется в следующем порядке:

а) формируются условия безотказной работы системы в зависимости от

сочетания отказов элементов системы;

б) строится графическая схема условий безотказной работы системы с

цепочкой логических связей работоспособности системы и возможных

отказов отдельных звеньев;

в) составляются логические формулы для событий безотказной работы

с использованием алгебры логики;

г) определяются количественные показатели надежности элементов;

д) рассчитывается вероятность безотказной работы системы.

Операция “И” (логическое умножение или конъюнкция):

L=A1⋅ A2

Операция “ИЛИ” (логическое сложение или дизъюнкция):

L=A1+A2

Операция “НЕ” (инверсия или отрицание):

L=А

Для описания логических переменных часто используются таблицы

истинности, пример которой для переменной L приведен ниже

А1 А2 А3 А4 L

0 0 0 0 0

1 0 0 0 0

0 1 0 0 0

1 1 0 0 1

0 0 1 0 0

0 0 0 1 0

0 0 1 1 1

1 1 1 1 1

Система будет работоспособна, если исправны агрегаты и фильтры

или если засорится только фильтр Ф1 или если засорится только фильтр

Ф2 при условии работоспособности остальных элементов. Отказ по

разрыву сеток недопустим и вызывает отказ системы.

Логическое выражение для работоспособного состояния системы S:

S=A1⋅ A2⋅ Aф1⋅ Aф2+A1⋅ A2⋅ Aф1

' + A1⋅ A. 2⋅ Aф1⋅ Aф2

где значение “штрих” присваивается отказу фильтра по засорению сетки.

Для количественной оценки надежности события заменяются их

вероятностями. В результате вероятность безотказной работы системы равна:

Pсист=P1⋅ P2⋅ (Pф1⋅ Pф2+ Pф2⋅ Qф1

' +Pф1⋅ Qф2

' ),

где P1, P2 – вероятность безотказной работы агрегатов 1 и 2,

Pф1, Pф2 - вероятность безотказной работы фильтров,

Qф1

', Qф2

- вероятность отказа фильтров по засорению сетки,

Qф1

'', Qф2

- вероятность отказа фильтров по разрыву сетки.

Рф=1− Qф=1− Qф ' − Qф''

Схемно-функциональный метод

Этот метод используется для сложных систем, когда применение

первых двух методов невозможно. Сущность метода заключается в том, что

производится анализ надежности работы изделия с оценкой вероятности

безотказного выполнения функций в условиях проявления различных отказов

элементов. Для оценки надежности строится развернутая таблица возможных

несовместимых событий для всех без исключения элементов изделия с

характеристикой их влияния на выполняемые функции. По таблице

оценивается вероятность обеспечения нормальной работы изделия.

Последовательность применения метода:

1) Выделение функциональных элементов и определение элементарных

функций объекта.

2) Определение возможных отказов.

3) Определение влияния отказов на выполнение функций.

4) Составление таблицы возможных состояний элементов и

вероятностей выполнения заданных функций.

5) Составление алгебраических уравнений для оценки вероятностей.

6) Определение характеристик надежности для элементов.

7) Расчет надежности объекта.

Суммирование производится только по тем строкам видов отказов (1, 2..

ν …k), где для функции i проставлена единица, т. е. для отказов, не влияющих

на выполнение функции.

Основы технической диагностики.

Основные понятия и определения

Исследования технического состояния оборудования является

предметом технической диагностики, цель которой - изучение проявлений

(признаков) различных технических состояний, разработка методов их

определения, а также принципов построения и использования систем

диагностирования.

Техническая диагностика - отрасль научно-технических знаний,

сущность которых составляют теория, методы и средства обнаружения и

поиска дефектов объектов технической природы. С технической

диагностикой связаны следующие основные понятия.

Целями диагностики являются своевременное выявление нарушений

функционирования и работоспособности объектов и предотвращение

серьёзных последствий возможных отказов.

Объект, удовлетворяющий всем требованиям нормативно-технической

документации, является исправным. Исправный объект находится в

исправном техническом состоянии. Объект работоспособен, если он может

выполнять все заданные ему функции с сохранением значений заданных

параметров в требуемых пределах. Работоспособный объект находится в

работоспособном состоянии.

Правильно функционирующим является объект, значения параметров

которого в данный момент времени находятся в требуемых пределах. Объект

может также находиться в неисправном состоянии и в состоянии

неправильного функционирования.

Основной задачей диагностирования является своевременное

обнаружение и поиск дефектов, т. е. определение их наличия, характера и

места нахождения. Обнаружение дефекта - установление факта наличия

дефекта у объекта. Поиск дефекта - указание с определенной точностью его

местонахождения в объекте.

Технический контроль осуществляется на разных стадиях жизненного

цикла изделия. В частности большое значение имеет эксплутационный

контроль:

1. Контроль параметров изделия при его функционировании с

использованием штатных приборов контроля.

2. Периодический контроль правильности функционирования с

использованием штатных сигнализаторов.

3. Контроль с целью обнаружения отклонений в работе изделия с

использованием штатных средств контроля.

4. Диагностика технического состояния с использованием специальных

диагностических алгоритмов на основе контрольно-измерительной

информации.

Контроль и диагностика решают следующие задачи:

1. Создание контролепригодного изделия.

2. Разработка системы контрольных средств.

3. Разработка методов обработки и анализа контрольно-измерительной

информации.

4. Обоснование и реализация способов представления диагностической

информации.

5. Разработка рекомендаций по использованию результатов контроля и

диагностики и принятия необходимых решений.

При решении задач диагностики необходимо определение и задание

класса дефектов, и наличие формализованных методов построения

алгоритмов диагностирования. Для диагностирования технического

состояния объекта используются технические средства диагностики.

Средства диагностики могут быть аппаратными и программными. Средства и

объект диагностирования образуют систему диагностирования.

Различают системы тестового и функционального диагностирования. В

системах тестового диагностирования на объект подаются специально

организуемые тестовые воздействия, и изучается их результат. В системах

функционального диагностирования используются только рабочие

воздействия.

Диагностика объекта осуществляется в соответствии с алгоритмом

диагностирования. Алгоритм диагностирования определяют объем,

последовательность и взаимосвязь испытаний объекта. Алгоритм

диагностирования состоит из элементарных проверок объекта, а также

правил, устанавливающих последовательность проверок и правил анализа

результатов проверок. Алгоритм устанавливается на основе диагностической

модели объекта.

По результатам диагностики ставится диагноз, содержащий указание на

выявленное состояние объекта, наличие дефектов и их местоположение.

Любая система диагностирования является специфической системой

управления или контроля. К системам управления относят системы тестового

диагностирования, а к системам контроля системы функционального

диагностирования.

При решении задачи диагностирования используется формализованная

модель объекта - его описание в аналитической, графической, табличной или

иной форме. Явная модель содержит описание исправного объекта и

описание каждой из его неисправных модификаций. Неявная модель

предполагает наличие только одного описания.

Модель включает:

 классификацию возможных дефектов;

 наблюдаемые признаки появления дефектов;

 методы выявления признаков.

Диагностические модели могут быть структурные и функциональные.

Структурные модели позволяют осуществить поиск дефектов. Модели могут

быть детерминированными и вероятностными. На основе модели строится

алгоритм диагностирования. Построение алгоритма диагностирования

заключается в выборе совокупности элементарных проверок.

В диагностике для объекта часто используется термин

“контролепригодность”- свойство объекта, характеризующее его

приспособленность к проведению контроля заданными средствами.

Задачи технической диагностики

При определении технического состояния объекта можно выделить три

типа решаемых задач:

1. Определение текущего состояния объекта - задача диагностирования.

2. Предсказание технического состояния объекта в будущий момент

времени - задача прогнозирования.

3. Определение технического состояния объекта для прошлого момента

времени - задача генеза (например, расследование аварии).

Наиболее трудными являются вопросы обоснованного назначения

критерия годности, а также выбор прогнозирующих параметров.

Теоретически обоснованные ответы на эти вопросы удается получить далеко

не всегда и только для простых объектов. В большинстве случаев могут

оказаться приемлемыми методы экспертных оценок.

Основу системы диагностики составляет эксплуатационный контроль

объекта. Эксплутационный контроль объектов является системой

определения его технического состояния. На основании полученных при

контроле данных принимается решение о допустимости дальнейшей

эксплуатации объекта или о необходимости ремонта и его объеме. Система

эксплутационного контроля должна обеспечить выявление и идентификацию

дефектов (собственно диагностирование), а также прогнозирование их

развития.

Термин “контроль” означает всю совокупность процедур, необходимых

для принятия решения по обеспечению нормальной эксплуатации объекта.

Объем испытаний при эксплуатационном контроле определяется исходя из

опыта эксплуатации. Периодичность контроля определяется скоростью

развития дефектов и устанавливается в результате ряда повторяемых

испытаний.

В наибольшей степени целям диагностики соответствует контроль по

прогнозирующему параметру, т. е. по такому параметру, который наиболее

тесно связан с отказом. Обычно эта связь носит стохастический характер.

Достоверность прогнозирования зависит от того, насколько тесна эта связь.

Прогноз надежности возможен лишь в том случае, если для каждого

вида оборудования будут выявлены прогнозирующие параметры, определены

их предельные значения и разработаны методы их измерения в условиях

эксплуатации. Пока таких данных в полном объеме ещё нет.

Диагностирование дает данные о состоянии объекта в момент контроля,

т. е. точечную оценку. Для прогнозирования необходимо знание процесса

изменения технических характеристик. Переход к прогрессивной системе

технического обслуживания оборудования по его состоянию требует

значительного повышения эффективности контроля.

Современная система диагностирования должна в первую очередь быть

системой раннего выявления развивающихся дефектов. Для создания

эффективной системы контроля необходимо:

1. На основании опыта эксплуатации выявить дефекты, приводящие к

отказам, причины их возникновения и ход развития.

2. Определить наблюдаемые характеристики (диагностические

параметры) объекта, изменение которых связано с возникновением и

развитием дефектов.

3. Выявить связи между значениями параметров и техническим

состоянием оборудования. Установить предельные значения параметров,

характеризующие переход объекта в другой класс технических состояний.

4. Разработать методы измерения этих параметров в условиях

эксплуатации.

5. Определить объем и периодичность испытаний, а также их

последовательность (алгоритм контроля).

6. Установить критерии браковки.

При создании диагностической системы для определенного объекта

решаются следующие задачи:

1. Изучение функциональных свойств объекта и основных

параметрических зависимостей.

2. Определение наиболее эффективных способов инструментального

контроля.

3. Формирование диагностических признаков на основе

параметрической информации.

4. Формирование диагностических алгоритмов на основе

параметрической информации.

5. Разработка программно - математического обеспечения.

6. Отработка методов идентификации результатов диагностики.

7. Разработка методов и правил использования результатов

диагностирования для принятия решений.

Методы диагностирования СЭУ.

1. Термометрический метод. При наличии связи между температурой в

контрольной точке и изменением структурного параметра.

2. Электромагнитный метод основан на бесконтактном измерении

взаимных смещений контролируемых поверхностей. Эти результаты

сопоставляются со структурными параметрами.

3. Виброакустический метод. Датчики вибрации воспринимают на

работающем механизме сложные результирующие сигналы и на их основе

определяются структурные параметры. Наиболее сложен поиск

диагностических параметров в вибросистеме.

4. Тензометрический метод. Зависимость между деформацией и

структурными параметрами. Тензометрические преобразователи.

5. Акустическая эмиссия. Действие комплекса разрушающих факторов

“озвучивает” потенциальные источники акустической эмиссии. Сложность

выделения прогнозирующих параметров из акустического сигнала.

Используется метод в основном в лабораторных условиях и на

испытательных стендах.

6. Метод спектрального анализа масла применяется для контроля

состояния трущихся узлов. Измеряют концентрацию продуктов износа

трущихся деталей. Определяется критическое значение концентрации

различных химических элементов в масле.

Эта ТСД имеет распределительную иерархическую структуру с

магистральным каналом обмена. Используются две группы оборудования:

- устройства нижнего уровня иерархии выделенное штриховой линией;

- устройства верхнего уровня иерархии.

При построении систем используются микропроцессорные комплекты

К1801, 1806, 588, 1824, 1810 и другие. Эти комплекты применимы для

нижнего уровня.

Программный комплекс системы состоит из трех взаимодействующих

между собой частей: операционная система, система контроля и

функциональная система.

Диагностирование объектов с использованием моделей.

Система управления главной энергетической установкой СЭУ

выполняет функции: управления, регулирования, контроля и

диагностирования. Автоматически система решает задачу идентификации

текущего состояния СЭУ и обеспечивает ее управление. Диагностирование

чаще выполняется вручную ремонтниками и операторами.

Задача автоматизации диагностирования:

- разработка методических основ формализации процесса

диагностирования;

- осуществление безразборного определения технического состояния и

прогнозирования его изменения.

Прогнозирующими параметрами для СЭУ являются параметры,

характеризующие износ сопрягаемых поверхностей и явления усталости.

Модель технического состояния представляется в табличной или иной форме.

При синтезе модели необходимо решить два основных вопроса:

 выбор узлов механизма для диагностического обеспечения;

 выбор параметров, наилучшим образом характеризующих изменения

технического состояния узлов.

Аналитического решения этих задач не существует.

Условие работоспособности СЭУ

Si≤ Siп ред

Методы физического моделирования, основанные на теории подобия, в

настоящее время привлекают пристальное внимание и находят широкое

применение в исследованиях надежности элементов машин. Физическое

моделирование базируется на анализе физической сущности процессов,

протекающих в механизме при его работе. Применение методов теории подобия

позволяет строго обосновать режимы испытаний и тем самым обеспечить их

соответствие эксплуатационным режимам работы машины. При этом

значительно сокращается продолжительность экспериментальных

исследований (в 5-10 раз в зависимости от масштаба моделирования) и

снижаются материальные затраты на проведение испытаний.

Метод физико-математического моделирования состоит из нескольких

этапов:

• анализ исходных данных и построение графика, иллюстрирующего

изменение прогнозируемого параметра во времени;

• определение аналитического выражения (математической модели),

описывающего закономерность изменения прогнозируемого параметра;

• экстраполяция полученного уравнения и прогнозирование показателей

надежности на заданный период.

После построения графиков, отражающих связь между переменными,

подбирают аналитическую функцию. В табл. 14. 1 приведены основные

аналитические зависимости, наиболее часто используемые при

прогнозировании надежности машин и их элементов, а также формулы для

определения постоянных параметров функций.

В общем виде функция изменения параметра технического состояния

(показателя надежности) имеет следующий вид

Ниже приведены эмпирические значения показателя степени α, полученные

в результате исследований надежности машин в эксплуатации.

Расход газов, прорывающихся в картер 1, 3

Угар масла 2, 0

Мощность двигателя 1, 7

Износ плунжерных пар 1, 1

Зазор между клапаном и коромыслом механизма газораспределения

1, 1

Утопание клапанов 1, 6

Зазоры в кривошипно-шатунном механизме 1, 2... 1, 6

Износ кулачков распределительного вала 1, 1

Радиальный зазор в подшипниках качения и скольжения 1, 5

Износ посадочных гнезд корпусных изделий 1, 0

Износ шестерен по толщине 1, 5

Износ шлицев валов 1, 1

Износ валов, пальцев и осей 1, 4

Информационно-экономические модели оптимизации

долговечности машин

Обеспечение долговечности машин в эксплуатации связано с большими

материальными, трудовыми и энергетическими затратами. С другой стороны,

при низкой эффективности мероприятий по поддержанию работоспособности

машин резко снижаются их производительность и эффективность

использования. В связи с этим возникает задача определения оптимальных

значений предельного износа, периодичности технического обслуживания и

ресурса.

В качестве критерия оптимизации при решении поставленной задачи

выбирают минимум удельных суммарных затрат С(т) на техническое

обслуживание, ремонт и компенсацию потерь из-за снижения

производительности и повышения расхода горюче-смазочных материалов

вследствие износа деталей. В настоящее время наибольшее распространение

получили модели оптимизации, разработанные проф. А. М. Шейниным. В

основе этих моделей лежит целевая функция:

Модель 1 — применяется для определения оптимальных значений

показателей долговечности конструктивно несложных сопряжений и сборочных

единиц, причиной отказа которых является предельный износ. Эту модель

применяют двояко.

Модель 1. 1 — используется для оптимизации ресурса и периодичности

технического обслуживания. Величина предельного износа известна из

нормативной документации. При расчете она является заданной и не

оптимизируется.

Модель 1. 2 — применяют для оптимизации ресурса, периодичности

технического обслуживания и предельного износа. В этом случае используется

та же целевая функция, что и для модели 1. 1, однако оптимальное значение

износа рассчитывают.

Полученное значение сравнивают с нормативным, а в дальнейших расчетах

используют меньшее значение.

Модель 2 — позволяет определять показатели долговечности сложных

объектов, работоспособность которых восстанавливается текущими и

капитальными ремонтами.

Модель 2. 1— применяют для оптимизации ресурса машин или

сборочных единиц, отказы которых происходят вследствие поломок деталей,

вызванных усталостью материала, коррозией или внешними нагрузками,

превышающими предел прочности материала.

Модель 2. 2 — используют для оптимизации ресурса и периодичности

технического обслуживания сложного объекта, предельное состояние которого

определяется износом сопряжения или сборочной единицы. Величина

предельного износа известна из нормативной документации. При расчете она

является заданной и не оптимизируется.

Модель 2. 3 — служит для оптимизации ресурса, периодичности

технического обслуживания и предельного износа сборочной единицы,

определяющей предельное состояние машины в целом. В этом случае

оптимальное значение износа рассчитывают.

Полученное значение сравнивают с нормативным, а в дальнейших расчетах

используют меньшее значение.

Методы измерения износа деталей и сопряжений.

Существующие методы измерения износа деталей и сборочных единиц

машин разделяют на интегральные и дифференциальные. Интегральными

методами можно определить общий суммарный износ деталей сопряжения или сборочной единицы в целом. Дифференциальные методы используют, когда необходимо определить износ определенного участка рабочей поверхности детали. Эти методы позволяют найти характер распределения износа по рабочей поверхности детали, соотношение износа деталей сопряжения и пр.

При исследовании закономерностей изнашивания элементов машин с

целью прогнозирования их надежности предпочтение отдают методам

непрерывного измерения износа. Методы непрерывного измерения сложны и

требуют применения специальной аппаратуры и приспособлений.

Метод микрометрических измерений основан на периодическом

измерении контрольных параметров деталей. Измерения проводят

микрометром или штангенциркулем, индикаторным нутромером, а также с

помощью рычажно-оптических приборов и инструментальных микроскопов.

Точность измерения в зависимости от применяемого мерительного

инструмента составляет 0, 01—0, 001 мм. На точность измерений влияет также

качество очистки деталей от смазки и загрязнений.

Классификация методов измерения износа

Метод профилографирования основан на том, что с контрольного

участка рабочей поверхности детали снимают профилограмму до начала

работы механизма и после истечения установленного времени. По разности

высот выступов микронеровностей опредляют линейный износ.

Измерительными средствами в этом случае служат профилометры и

профилографы ИЗП-5, ИЗП-17, ИТГТ-21, ИТП-201.

Принцип действия профилографа (рис. 10. 2) заключается в следующем.

Измерительный наконечник 1, имеющий малый радиус закругления,

перемещается по микронеровностям исследуемой поверхности. Перемещение

наконечника 1 вызывает поворот жестко связанного с ним зеркала 2. Пучок

лучей, падающий на зеркало 2 от источника света 3, отражается к объективу

4. Сфокусированный с помощью объектива 4 луч попадает на фотопленку

или светочувствительную бумагу, помещенную на равномерно вращающемся

барабане 5. На пленке или бумаге записывается профилограмма,

изображающая микронеровности в увеличенном масштабе. Точность метода

обусловлена точностью установки измерительного наконечника профилографа

относительно исследуемой поверхности и точностью совмещения

профилограмм.

Метод искусственных баз заключается в нанесении на рабочую

поверхность углубления правильной геометрической формы, по изменению

размеров которого судят о линейном износе. Недостатки метода искусственных баз: низкая точность измерения; большая трудоемкость операций; необходимость разборки механизма.

Метод отпечатков. Углубление пирамидальной формы наносят с помощью

алмазного инструмента с квадратным основанием и углом при вершине между противолежащими гранями 136° (рис. 10. 3). Отпечатки наносят с помощью приборов для определения твердости типа ПМТ-3 или Виккерса. Износ измеряют по изменению длины диагонали отпечатка с помощью микроскопа. Основным недостатком этого метода является вспучивание поверхности при нанесении отпечатка.

Метод вырезанных лунок. На рабочей поверхности детали с помощью

вращающегося резца вырезают лунку, по уменьшению размеров которой в

результате изнашивания судят о величине износа. Обычно в качестве

контрольного параметра используют длину лунки, определяемую с помощью

микроскопа. Лунки вырезают вращающимся алмазным резцом, заточенным в

виде трехгранной пирамиды с отрицательным передним углом. Соотношение

между глубиной лунки и длиной ее составляет 1: 50—1: 80, что обеспечивает

высокую точность измерения износа.

Для определения износа методом вырезанных лунок применяют приборы

УПОИ-6, оптико-механический индикатор износа ОМИ-1, а также обычные

микроскопы с градуированным окуляром.

Этот метод проще, чем метод отпечатков. При вырезании лунок на

поверхности детали материал не вспучивается. Точность метода 0, 0005-0, 002.

Метод слепков (негативных оттисков) используется в тех случаях, когда

измерение отпечатков лунок или рисок правильной геометрической формы на рабочей поверхности детали непосредственно произведено быть не может.

Предусматривается нанесение на поверхность детали специальной быстро

твердеющей массы (например, стиракрила) и снятие слепка или оттиска.

1. Метод измерения износа по изменению параметров сопряжения

основан на определении потери массы или объема детали, а также зазора между поверхностями трения.

2. Метод по потере массы заключается в периодическом взвешивании детали.

Измерительными средствами являются весы различных типов: приборные ПР-500, аналитические ВЛА-200, ВНЗ-2 и др. Точность метода зависит от точности весов и составляет (0, 05—5) х 10" г.

3. Метод по изменению объема детали или зазора между поверхностями

трения по существу близок к методу микрометрических измерений: при

определении контролируемых параметров применяют те же инструменты и

методы измерений. Основными недостатками метода измерения износа по

изменению параметров сопряжения являются необходимость разборки

механизма для проведения измерений; ограничение массы и размеров деталей возможностями применяемых измерительных средств.

4. Метод измерения износа по содержанию продуктов износа в масле

применяют, как правило, при определении износа металлических деталей.

Содержание металлических частиц в отработанном масле, определенное физико-химическими методами, является показателем весового износа деталей механизма. Перед отбором проб масло тщательно перемешивают.

Химический метод основан на определении содержания частиц износа в

продуктах сгорания масляной пробы. Этот метод не позволяет получить

необходимую точность результатов, и поэтому для измерения износа его

применяют редко

При спектральном анализе определяют спектральный состав пламени

при сгорании пробы масла. Спектральный анализ масел на продукты износа

элементов машин проводят с помощью квантомера, представляющего собой

многоканальную фотоэлектрическую установку. В состав установки входят

полихроматор с рельсом и растровым конденсатором, электронно-

регистрирующее устройство с цифровым вольтметром, источник возбуждения спектра, электромагнитный и электромеханический стабилизаторы напряжения, штатив для сжигания проб масел.

В основу работы установки положен общепринятый принцип

спектрального анализа. Анализируемая проба масла 1 помещается в штатив.

В ванночку с маслом погружают вращающийся угольный диск 2, который

является нижним электродом при анализе масла. При вращении диска масло с находящимися в нем продуктами износа проходит между нижним дисковым и верхним стержневым 3 угольными электродами. Под действием разряда происходит испарение масла и возбуждение излучения атомов элементов, присутствующих в пробе масла. Полихроматор 4 с вогнутой дифракционной решеткой разлагает излучение в спектр, характеризующий химический состав вещества пробы.

Каждому элементу соответствует своя совокупность спектральных линий.

Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элементов в

данной пробе.

С помощью выходных щелей, установленных на фокальной поверхности

полихроматора, выделяют из спектра пробы 16 аналитических линий

различных элементов (табл. 10. 2). Выделенные, таким образом, мо-

нохроматические излучения проецируются на фотокатоды фотоэлектронных

умножителей 5 и вызывают фототоки в их анодных цепях. Электронно-

регистрирующее устройство 6 автоматически высвечивает результат на шкале цифрового вольтметра или на экране дисплея 7.

Радиометрический метод используют для оценки износа радиоактивных

деталей по содержанию радиоактивных частиц в масле. Радиоактивность

деталей создается введением изотопов в плавку или с помощью покрытия

детали радиоактивным слоем

Активационный метод представляет собой комбинацию спектрального

и радиометрического методов. Содержание продуктов изнашивания

определяют по величине радиоактивности путем анализа спектров излу-

чения пробы после облучения ее нейтронами. Более просто и с меньшей

трудоемкостью можно определить износ по содержанию металлических

примесей в масле с помощью весового анализа

Весовой анализ заключается в том, что пробу масла установленного

объема пропускают через фильтр с тонкостью фильтрации не выше 3—5

мкм. Если исходная масса фильтра известна, то его взвешивание после

фильтрации и тщательного просушивания позволит определить массу

отфильтрованных механических примесей. При применении этого метода

необходимо учитывать, что в состав механических примесей входят не только продукты износа, но также и загрязняющие частицы, поступающие в масло из окружающей среды. Это значительно снижает точность оценки износа по результатам весового анализа механических примесей, содержащихся в масле.

Метод по расходу рабочей среды (смазочного материала или рабочей

жидкости) заключается в том, что на машине устанавливают прибор,

автоматически регистрирующий расход жидкости (как правило, масла),

проходящей через зазор между трущимися поверхностями деталей сопряжения.

Повышение расхода свидетельствует об увеличении зазора и, таким образом, о приращении износа поверхностей деталей Основной недостаток метода

состоит в том, что расход рабочей среды является косвенным показателем износа сопряжения, и непосредственно измерить износ детали невозможно.

Метод по изменению давления рабочей среды отличается от

предыдущего тем, что об износе в данном случае судят по уменьшению

давления жидкости или газа вследствие увеличения зазора между деталями. Для измерения и автоматической записи изменения давления рабочей среды в процессе работы машины используют самопишущие манометры.

Метод по линейным или угловым перемещениям деталей используют

метод тензометрического микрометрирования. В контакт с изнашивающейся

деталью вводят упругий элемент с наклеенными на него тензометрическими

датчиками. При изменении поверхности детали вследствие изнашивания

упругий элемент деформируется и посылает электрический сигнал с помощью тензодатчиков на гальванометр или осциллограф. К недостаткам этого метода следует отнести большую техническую сложность измерения и сравнительно узкие пределы измерения износа 0, 0001—0, 1 мм.

Метод электромагнитной индукции. На одной из исследуемых деталей

устанавливают индуктивный датчик, якорь которого перемещается при

увеличении зазора между рабочими поверхностями деталей вследствие износа.

Перемещение якоря регистрируется самопишущими приборами (рис. 10. 9).

Недостатком метода являются узкая область применения и небольшая

точность измерений.

Виброакустические параметры работы сопряжений также могут быть

использованы для оценки интегрального износа. Однако при этом необходимо учитывать, что посторонние шумы и вибрации оказывают влияние на результаты измерений и не позволяют определить износ с достаточной точностью.

Метод измерения износа по изменению радиоактивности детали

позволяет контролировать процесс изнашивания рабочей поверхности детали в периодическом или непрерывном режиме. В зависимости от технологии

активации детали различают метод поверхностной активации и метод

радиоактивных вставок.

Методом поверхностной активации измерением снижения

радиоактивности детали, в которой на заданном участке создан радиоактивный объем глубиной 0, 05—0, 4 мм. Облучают участок заряженными частицами (нейтронами, протонами, альфа-частицами).

Активация деталей может быть осуществлена также путем специальных

радиоактивных вставок из материала, сходного по фрикционным

характеристикам с материалом детали.

Голографические методы оценки технического состояния элементов

машин

Для правильного обоснования мер повышения долговечности машин,

необходимо учитывать изменения физико-механических свойств

конструктивных элементов и процессы, происходящие в механизмах во время работы. Для получения соответствующих сведений следует применять

исследования процессов усталости, старения, изнашивания, теплообмена,

деформации. В последнее время в научных исследованиях используют лазерное оборудование и голографические методы.

Голография — процесс воспроизведения объемного изображения

исследуемого объекта на фотопластине с одновременной фиксацией волновой картины рассеянного им света с помощью лазеров.

Голографические методы являются универсальными, что позволяет на

одной установке решать такие задачи, как определение:

• износа элементов машин и усталостных изменений в материалах деталей;

• состояния рабочих поверхностей деталей;

• внутренних дефектов деталей;

• качества смазочного материала;

• распределения температурных полей в механизмах;

• деформаций и внутренних напряжений в материалах деталей машин.

Двухдлинноволновый метод объединяет методы голографической

регистрации объекта с использованием или излучения, содержащего две

спектральные линии, или различных экспозиций, полученных при излучении с различной длиной волны. Этот метод обеспечивает более высокую

информативность интерферограмм.

Кинематический способ основан на измерении относительного

перемещения деталей в пределах зазоров в соединениях. По значениям

зазоров в трущихся парах определяют остаточный ресурс соединений и

агрегата в целом. Для определения зазоров в кривошипно-шатунном

механизме двигателя внутреннего сгорания применяют, например,

устройство КИ-13933, предел и погрешность измерения равны 8 и 0, 02 мм

соответственно.

Динамический способ применяют при диагностировании двигателей

внутреннего сгорания. Он основан на использовании функциональной

зависимости ускорения коленчатого вала двигателя на установленном отрезке его частоты вращения при полном открытии дросселя или полной подаче топлива. Угловое ускорение является диагностическим параметром, который косвенно характеризует мощность двигателя. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала устанавливается на время диагностирования на вал коробки отбора мощности. Угловое ускорение вращающейся детали определяют с помощью приборов ИМД-2М, ИМД-Ц, КИ-11331, КИ-13009, КИ-13940 (Россия), JK-1 (Чехия), DS-205 (Германия).

Пневматический способ применяют при оценке герметичности

замкнутых полостей (топливных баков, радиаторов, камер сгорания,

внутренних полостей агрегатов трансмиссий и др. ).

В качестве диагностических параметров используют время снижения

давления воздуха в полости при заданных пределах его изменения или расход среды под заданным давлением через течь. Точную оценку герметичности, особенно при малых утечках, обеспечивают пневмокалибратором, схема которого приведена на рис. 12. 1.

Оптические способы основаны на осмотре частей изделий для

обнаружения поверхностных дефектов в труднодоступных местах, в том

числе внутри механизмов. С помощью оптических способов выявляют

задиры, трещины, сколы, изломы, прогары, эрозию и другие повреждения.

Например, с помощью устройства с гибким волоконным световодом можно

оценить состояние днищ поршней, тарелок клапанов, зубчатых колес,

подшипников и др. через отверстия, соответственно, под свечи, форсунки или для залива масла.

Диагностика технического состояния дизеля.

Для своевременного обнаружения неисправностей, которые могут

привести к нарушению работоспособности, экономичности двигателя и к

возникновению отказов, осуществляется постоянный контроль правильности

функционирования двигателя. На основе данных контроля оценивается

текущее состояние СДЭУ и принимается решение о ее дальнейшей

эксплуатации, т. е. решается задача технической диагностики СДЭУ.

Используемые средства:

- наружные осмотры с оценкой состояния по внешним признакам;

- измерение и оценка различных параметров режима работы

двигателя.

Последний метод требует наличия контрольно-измерительной

аппаратуры (термометры, манометры, расходомеры, тахометры, а также

регистрирующие приборы). Для диагностики используются: штатные

измерительные средства, установленные на дизеле и агрегатах в МО;

средства дистанционного измерения и контроля из центрального поста

управления (ЦПУ) и рулевой рубки (РР); автоматизированные системы

аварийно-предупредительной сигнализации; системы централизованного

контроля (СЦК).

Алгоритм диагностирования представляет собой совокупность

последовательных действий по распознаванию возникшей неисправности.

Для описания связей могут использоваться довольно сложные

математические методы.

Составляющие задачи диагностирования:

- измерение фактических значений рабочих параметров двигателя;

- определение эталонных значений этих параметров;

- нахождение отклонений фактических параметров от эталонных

значений и их запоминание;

- оценка величины отклонений и их характера,

- заключение о фактическом состоянии дизеля и агрегатов.

Обобщенная структура задачи диагностирования состояния СДЭУ

приведена на рис

Встроенные средства диагностики. Такие диагностические средства

контролируют параметры, обрабатывают измерительную информацию,

решают задачу диагностирования и прогнозирования. Основываются на

применении дистанционных систем контроля, логических средств обработки

измерительной информации, ЭВМ и микропроцессоров. Структура

компьютерной системы диагностики показана на рис

Прибор К-748.

Предназначен для измерение параметров рабочего процесса дизелей. Измеряется угол поворота вала, давление газа в цилиндре, давление воздуха в ресивере. Возможен контроль двух однотипных двигателей с

числом цилиндров в каждом до 20. Прибор позволяет измерять и индицировать мгновенные и усредненные

значения параметров.

. Результаты измерения выдаются на экран монитора или печать. На рис.

в качестве примера показан график изменения давления в цилиндре дизеля

в зависимости от угла поворота коленчатого вала, построенный системой на

экране монитора.

омплекс НК-5

фирмы “Аутроника” (Норвегия). Комплекс также предназначен для контроля состояния и рабочего процесса дизеля. С помощью датчиков контролируются следующие параметры:

- высокое давление топлива,

- давление наддува,

- давление газов на выходе,

- угол поворота вала.

Результаты измерения выводятся в виде цифровых значений и графиков на

цветной монитор или печатающее устройство. Имеется встроенный

микропроцессор. Диагностика осуществляется на основе анализа динамики

получаемых измерительных данных (например, по изменению графика давления в цилиндре можно судить об

ухудшении распыления топлива форсункой или о запаздывании впрыска топлива.

Данные накапливаются в памяти процессора, что позволяет

производить их последующую статистическую обработку.

Прибор К-766. Прибор предназначен для контроля состояния

поршневых колец. В каждую втулку цилиндра над продувочными окнами

устанавливается индуктивный датчик ИД (рис. 14). Этот датчик включен в

электронную схему измерительного преобразователя ИП. Датчик реагирует

на величину зазора между поршневым кольцом и стенкой гильзы цилиндра.

При нормальном прилегании кольца к гильзе зазор минимален и в момент

прохождения кольца на выходе измерительного преобразователя формируется импульс максимальной величины.

Диагностика с разборкой. При разборке дизеля и агрегатов СДЭУ

осуществляется диагностика ответственных деталей и узлов, подверженных

интенсивному износу в процессе эксплуатации. С помощью измерительных

средств, погрешность которых должна быть, по крайней мере, в три раза

меньше измеряемых отклонений, контролируются размеры деталей, и

результаты контроля сравниваются с эталонными величинами.

Показателем износа подвижного цилиндрического сопряжения

(коренный и шатунные подшипники, сопряжение поршень – цилиндровая

втулка и др. ) является возрастание зазора в соединении сверх допустимого.

Для определения фактической величины износа необходимо измерить

диаметры вала и втулки, учитывая отклонение от цилиндричности этих

деталей (погрешность формы).

Схема измерения при определении износа в цилиндрическом

сопряжении показана на рис.. Для измерения могут использоваться

микрометрические приборы, обеспечивающие погрешность 0, 01мм, точные

индикаторные приборы с погрешностью 0, 001мм. Для учета погрешности

формы диаметр вала или отверстия должен измеряться в двух взаимно

перпендикулярных сечениях.

Полученная величина зазора Δ

сравнивается с эталонным значением зазора Δ э.

Если Δ ≤ Δ э, то детали считаются работоспособными. При несоблюдении этого условия детали неработоспособны и узел подлежит ремонту.

С помощью визуальных осмотров разобранных деталей могут быть

обнаружены их повреждения: трещины, сколы, выкрашивания, изломы и др.

Для измерения неразмерных параметров используются специальные

средства. Так для поршневых колец может контролироваться упругость, этот

параметр (или усилие) контролируются также для пружин и других упругих

элементов конструкций.

Для контроля свойств материала деталей и внутренних дефектов

(например, скрытых трещин) используются дефектоскопы, основанные на

различных принципах. Наибольшее применение для оперативной

диагностики нашли электромагнитные и ультразвуковые дефектоскопы.