5 1. WSTEP Diagnozowanie to sztuka wnioskowania o stanie

5 1. WSTEP Diagnozowanie to sztuka wnioskowania o stanie

1. WSTEP
Diagnozowanie to sztuka wnioskowania o stanie obiektu na podstawie symptomów [3].
Ze wzgledu na popularnosc terminu „diagnostyka” i uzytkowanie go w wielu dziedzinach nauki i techniki nalezy dodac, ze pod pojeciem diagnostyka w niniejszej pracy autor rozumie
diagnostyke techniczna maszyn (w odróznieniu od diagnostyki medycznej, laboratoryjnej,
diagnostyki ukladów elektronicznych itd.).
W literaturze spotyka sie rózne sposoby pozyskiwania informacji o stanie obiektu. Znane
sa techniki diagnozowania bazujace na symptomach takich jak np.: termiczne (rys. 1.1) (poszukiwanie przy pomocy technik termowizyjnych ognisk kumulacji energii dyssypacji, które
swiadcza o wystepowaniu uszkodzenia)[1], symptomy bazujace na metodach ferrografii analitycznej (rys.1.2) - analiza produktów zuzycia [3][4], metody wykorzystujace zjawiska emisji
akustycznej, istnieja takze koncepcje analizy przebiegów pradowych – analizuje sie pobierana
przez silnik moc elektryc zna.
28,0°C
25
20
15
12,0°C
Rys. 1.1 Zastosowanie termowizji do diagnozowania napedu pojazdu wieloczerpakowej koparki kolowej wg [1].
Metody te nie daja jednak wyczerpujacej odpowiedzi na pytanie dotyczace stanu przekladni
(termowizja) lub wiaza sie z koniecznoscia zatrzymania przekladni w celu pobrania próbek
(ferrografia).
Jesli chodzi o wybór rodzaju symptomów w diagnostyce przekladni najbardziej popularna ze
wzgledu na osiagane rezultaty i mozliwosc badania obiektu w czasie jego pracy jest diagnostyka drganiowa.
5
Rys.1.2 Ferrogramy produktów zuzycia z przekladni zebatej po 1678h (rys. a) i po 3669h pracy (rys. b) wg [3].
Najogólniej rzecz ujmujac diagnozowanie polega na wyodrebnieniu pewnych symptomów i
przypisaniu ich – zarówno pod wzgledem rodzaju jaki i wielkosci – do odpowiedniej klasy
stanu czy rodzaju niesprawnosci obiektu. Przykladowo jesli zalozymy, ze wystepowanie
okresowego impulsowego zaburzenia w drganiowym sygnale czasowym jest spowodowane
jednostkowym uszkodzeniem zeba to detekcja takiego symptomu w sygnale diagnostycznym
jest jednoznaczna z wykryciem jednostkowego uszkodzenia zeba.
Budowanie relacji diagnostycznych tj. powiazanie stanu obiektu z objawami, które diagnosta moze w sposób subiektywny (wykorzystujac np.: zmysl sluchu) lub obiektywny (pomiary)
zaobserwowac jest zagadnieniem tym bardziej skomplikowanym im bardziej zlozony jest
diagnozowany obiekt. Pojecie „diagnozowanie” w niniejszej pracy zostalo ograniczone do
tzw.: „diagnostyki eksploatacyjnej”, czyli oceny stanu obiektu w czasie jego pracy (choc z
powodzeniem techniki diagnozowania wykorzystywane w pracy moga zostac uzyte np.: w
diagnostyce kontrolnej na linii produkcyjnej).
Taki rodzaj diagnozowania wymaga uwzglednienia oddzialywania innych elementów systemu tj.: silnika, sprzegla, obiektu diagnozowanego tj. przekladni zebatej oraz maszyny roboczej stanowiacej obciazenie przekladni. Ze wzgledu na trudne warunki pracy (duze zmiany
temperatur, opady, duze zapylenie itd.) dochodzi czesto do szybkiego zuzycia pewnych podzespolów badz to przekladni, badz innych elementów systemu, co w zwiazku z jego interakcyjnoscia, powoduje w konsekwencji przyspieszone zuzycie lub awarie calego systemu.
W najbardziej ogólnym podejsciu diagnostyka odpowiada na pytanie „w jakim stanie jest dany obiekt” stwierdzeniem „obiekt w dobrym stanie technicznym” lub „obiekt w zlym stanie
technicznym”.
6
Z punktu widzenia eksploatacji niezwykle wazne jest nie tylko okreslenie ogólnego stanu
obiektu („jakosci” maszyny) ale przede wszystkim zidentyfikowanie i zlokalizowanie konkretnego uszkodzenia w maszynie. Informacja np.: o tym, który z elementów przekladni jest
uszkodzony (waly, lozyska, kola zebate) oraz lokalizacja uszkodzenia (np.: wylamany zab na
kole zebatym pracujacym na drugim stopniu) pozwala sluzbom utrzymania ruchu dokonac
naprawy obiektu w mozliwie najkrótszym czasie, co oczywiscie jest zwiazane z minimalizacja kosztów przestoju danego systemu maszynowego. Dlatego tez celowe jest uscislenie obszaru badan do ”diagnostyki eksploatacyjnej zorientowanej uszkodzeniowo ”.
W ostatnich latach szczególnym zainteresowaniem ciesza sie techniki wykrywania wczesnych form nieprawidlowej pracy [15][22][23][24][25]. Informacja o pojawieniu sie niesprawnosci we wczesnym stadium rozwoju pozwala na szybkie jej usuniecie tak aby nie
wplywala na inne elementy systemu badz jej monitorowanie az do osiagniecia okreslonej
wartosci symptomu (wartosci graniczne parametrów moga byc wyznaczone w oparciu o kryteria ekonomiczne, BHP itd.)[3].
Jak juz wspomniano budowa bazy relacji diagnostycznych jest kluczem do przeprowadzenia
prawidlowej diagnozy. Istnieja rózne metody pozyskiwania wiedzy diagnostycznej: na podstawie eksperymentów biernych, czynnych, na podstawie modelu matematycznego obiektu i
symulacji komputerowych pewnych „zachowan” maszyny czy tez systemu zawierajacego dany obiekt.
W niniejszej pracy obiektem zainteresowania jest dwustopniowa przekladnia zebata duzej
mocy stosowana w ukladach napedowych przenosników tasmowych. Ze wzgledu na specyfike obiektu (duze gabaryty, koszty ewentualnej ingerencji w budowe przekladni) w zasadzie
wykluczono mozliwosc pozyskiwania wiedzy diagnostycznej na podstawie eksperymentu
czynnego.
W przeciwienstwie do eksperymentu czynnego eksperyment bierny umozliwia diagnozowanie obiektu bez zaklócania jego pracy. Niestety powaznym ograniczeniem jest dlugi czas potrzebny do zbierania informacji, fragmentarycznosc zebranych informacji itp. [32].
Ze wzgledu na rozwój techniki komputerowej i mozliwosc wykorzystania jej do obliczen budowa relacji diagnostycznych bazujacych na modelowaniu i symulacji komputerowej wydaje
sie niezwykle interesujacym kierunkiem badan diagnostycznych [3][7][8][9][10][11][12]
[13][16][17][26][28][29][31].
7
W diagnostyce wazne jest nie tylko samo wykrycie uszkodzenia czy zuzycia. Trzeba powiedziec, ze istotne jest równiez ustalenie przyczyny wywolujacej nieprawidlowa prace (wyobrazmy sobie sytuacje, ze w przekladni zostalo uszkodzone kolo zebate – korzystajac z metod diagnostyki technicznej uszkodzenie zostalo wykryte, kolo zebate wymieniono. Nie usunieto jednak przyczyny – zuzyte lozysko toczne powodujace zukosowanie walu, na którym
mocowane jest kolo znów spowoduje szybkie zuzycie zazebienia). Zastosowanie modelowania do wspomagania diagnostyki umozliwia symulacje róznych stanów przekladni, ulatwia
analize przyczyn powstawania uszkodzen.
Modelowanie przekladni i zastosowanie ich do wspomagania diagnostyki jest jednym z
glównych celów niniejszej pracy.
Wynikiem procesu diagnozowania jest ocena stanu lub wspólpracy wirujacych elementów
przekladni: walów, lozysk i kól zebatych. Zwlaszcza w przypadku kól zebatych rejestrowanie
drgan bezposrednio z kól a w zasadzie z wspólpracujacych w danej chwili zebów kól jest
trudne. Pomiary takie byly realizowane na stanowiskach badawczych [18].
Z praktycznego punktu widzenia diagnozowanie przekladni zebatej polega na pomiarze predkosci lub przyspieszen drgan obudowy. Zaklada sie bowiem, ze wnioskowac o stanie zazebienia mozna równiez na podstawie pomiaru drgan obudowy przekladni, gdyz drgania zmierzone na sciance obudowy sa skorelowane z wartoscia sily w zazebieniu – róznica wywolana
jest modyfikacja przez tzw.: funkcje przejscia czyli charakterystyke czestotliwosciowa obudowy. Analogiczne zalozenie przyjmuje sie jesli chodzi o ocene stanu lozysk czy walów.
Ocena stanu przekladni dokonywana jest na podstawie informacji zawartych w drganiowym
sygnale diagnostycznym. W literaturze dostepne sa opracowania opisujace przyklady zastosowan róznych metod analizy sygnalów do wnioskowania diagnostyc znego.
Mimo duzej popularnosci metod diagnostyki drganiowej autorowi znane sa tylko dwa opracowania, które stanowia zwarta calosc i byly lub sa stosowane w praktyce przemyslowej.
Pierwsza z metod diagnozowania oparta na pomiarze drgan w trzech podzakresach czestotliwosci zawierajacych informacje o stanie walów, zazebienia i lozysk wraz z opracowanymi
procedurami diagnostycznymi zostala opracowana prze Poltegor Instytut i stosowana byla w
Kopalni Wegla Brunatnego w Belchatowie w latach 80-tych [2][3][5][6].
Druga z propozycji dostepnych na rynku to uniwersalny system diagnostyczny Compass firmy Bruel&Kjaer [14], którego zasady dzialania okryte sa tajemnica firmy.
8
Z materialów reklamowych firm i z konsultacji z ich pracownikami na róznych konferencjach
czy targach [19][20][27] wynika, ze w zasadzie nie ma zadnej koncepcji kompleksowego diagnozowania przekladni w warunkach eksploatacyjnych. Firmy na polskim rynku oferuja
przede wszystkim systemy pomiarowe z mozliwoscia prostych analiz (wartosc skuteczna sygnalu, analiza widmowa).
Nalezy równiez podkreslic, ze istnieje olbrzymia ilosc publikacji z zakresu diagnozowania
przekladni zebatych polskich (Bielsko, Bydgoszcz, Gliwice, Poznan, Warszawa, Wroclaw) i
zagranicznych osrodków badawczych ale praktycznie wszystkie prace skupiaja sie wokól
problemów wykrywania róznymi metodami konkretnych uszkodzen czy niesprawnosci (pittingu, pekniecia/wylamania/wykruszenia zeba, uszkodzen lozysk lub nieprawidlowej pracy
walów). Badania stanowiskowe prowadzone w róznych osrodkach badawczych dotycza przekladni pracujacej dla tych samych wartosci obciazenia, predkosciach obrotowych itd. Brakuje
– zdaniem autora – metody precyzyjnej oceny stanu technicznego przekladni, która mozna
zastosowac w warunkach eksploatacji obiektu.
W praktyce uszkodzenia czy formy zuzycia bardzo rzadko wystepuja pojedynczo. Ze znanych
autorowi prac problemy jednoczesnego wystepowania kilku niesprawnosci opisano w pracy
[17] gdzie analizowano przypadek wystepowania jednostkowego uszkodzenia zazebienia w
obecnosci bledów podzialki.
Celowe jest zatem stworzenie metodologii postepowania majacego na celu ocene stanu przekladni zebatej w sposób mozliwie szybki, czytelny i zapewniajacy postawienie diagnozy bez
ingerencji w system maszynowy zawierajacy diagnozowany element.
Ze wzgledu na fakt wystepowania podobnych czy nawet tych samych symptomów wywolanych róznymi typami uszkodzen [3] konieczna jest analiza fizyki zjawisk zachodzacych w
przekladni i wyróznienie nowych symptomów charakterystycznych dla danego typu niesprawnosci badz okreslenie w ramach diagnozy tylko pewnych klas niesprawnosci. Ze wzgledu na wspomniane wczesniej trudnosci w pozyskiwaniu danych i budowie relacji diagnostycznych na podstawie badan eksperymentalnych do wspomagania diagnozowania wykorzystane zostana: modelowanie i symulacja komputerowa dynamiki dwustopniowej przekladni
pracujacej w systemie: silnik-sprzeglo-przekladnia-maszyna robocza.
9
Stad przyjeto nastepujace tezy pracy:
•
w celu kompleksowej oceny stanu wielostopniowej przekladni zebatej istnieje koniecznosc zastosowania wielu metod analizy sygnalów diagnostycznych zintegrowanych w ramach metody diagnostycznej, gdyz ze wzgledu na fakt wystepowania
podobnych, czy nawet tych samych symptomów wywolanych róznymi typami
uszkodzen nie jest mozliwa precyzyjna diagnoza przy uzyciu jednego sposobu analizy sygnalu diagnostycznego;
•
relacje diagnostyczne opisane w literaturze dla przekladni jednostopniowych w
przypadku przekladni wielostopniowych nie sa wystarczajace, stad wynika potrzeba badan w tym kierunku.
Ze wzgledu na specyfike obiektu (duze gabaryty, koszty ewentualnej ingerencji w budowe
przekladni) do budowy relacji diagnostycznych nalezy uzyc modelu systemu uwzgledniajacego silnik, sprzeglo i maszyne robocza stanowiaca obciazenie przekladni. Zastosowanie modelowania matematycznego do symulacji zjawisk zachodzacych w systemie (niewywazenia/niewyosiwania walów, pittingu, jednostkowego uszkodzenia zeba, nierównomiernego zuzycia zebów) w interesujacym autora zakresie umozliwia budowe relacji diagnostyc znych.
Na podstawie tak sformulowanych tez pracy mozna okreslic zakres pracy:
•
okreslenie najczesciej wystepujacych typów uszkodzen przekladni zebatej;
•
opracowanie modelu dwustopniowej przekladni zebatej duzej mocy:
-
uwzgledniajacego oddzialywania elementów systemu: silnik-sprzegloprzekladnia-obciazenie;
-
umozliwiajacego wprowadzenie do systemu zadanych typów uszkodzen;
-
umozliwiajacego analize wzajemnego oddzialywania poszczególnych stopni;
•
weryfikacja modelu dwustopniowej przekladni zebatej duzej mocy;
•
budowa bazy relacji diagnostycznych dla zadanych uszkodzen z wykorzystaniem modelowania i analiz sygnalów syntetycznych i rzeczywistych;
•
opracowanie metody diagnostycznej dwustopniowych przekladni zebatych.
10
1.1. Literatura do ro zdzialu 1
[1] Augustynowicz J. Dudek K. Figiel A.: Wykorzystanie termowizji w diagnostyce maszyn górnictwa odkrywkowego. Wegiel Brunatny 2000 wyd. spec.
[2] Bartelmus W. VibrationCondition Monitoring of Gearboxes, Machine Vibration, Springer –Verlag London
Limited, pp178-189, 1992
[3] Bartelmus W. Diagnostyka Maszyn Górniczych Górnictwo Odkrywkowe Wyd. Slask Katowice 1998
[4] Bartelmus W. Fleszynska B. Wykonanie badan ferrograficznych dla ukladów hydraulicznych napedów kól
czerpakowych i przekladni napedu kól czerpakowych koparek Wroclaw Poltegor, 1989, nr 1823/ONB (nie
publikowana)
[5] Bartelmus W. Diagnostyka przekladni zebatych, Górnictwo Odkrywkowe 1991, nr 2, s 1-44
[6] Bartelmus W. High Power Gearbox Diagnostics Solutions and Problems, Proceedings of II International
Congress of Technical Diagnostics, Vol II Invited Papers Warszawa 2000
[7] Bartelmus W. Mathematical modeling of gearboxes vibration for fault diagnosis International Journal of Co madem (2000) 3(3) pp5-15
[8] Bartelmus W. Mathematical Modelling and Computer Simulations as an Aid to Gearbox Diagnostics. Mechanical Systems and Signal Processing 2001 Vol.15, nr5, s. 855-871
[9] Bartelmus W. Sawicki W. Zimroz R. Wspomaganie diagnostyki/wnioskowania diagnostycznego...etap 3,
Rap. Inst. Górn. PWr., Wroclaw 2000
[10] Bartelmus W. Zimroz R Vibration Spectrum generateg by gearing obtaineg by modelling and computer simulation, Proceedings of the 3th International Conference on Quality, Reliabilityand Maintenance, University of Oxford UK 2000 pp111-114 Proffesional Engineering Publishing
[11] Bartelmus W. Zimroz R.: Diagnostyka wielostopniowych przekladni zebatych wspomagana symulacja
komputerowa, XXVIII Ogólnopolskie Sympozjum Diagnostyka Maszyn, Wegierska Gó rka, 2001
[12] Bartelmus W.: Progress in mathematical modelling and computer simulation for supporting gearbox diagnostic inference. Proceedings of COMADEM World Congress, Houston, Texas, USA.
[13] Bartelmus W: Gearbox dynamic modelling, Journal of Theoretical & Applied Mechanics 2001 Vol.39, nr 4.
[14] Bruel&Kjaer – materialy reklamowe nt systemu Compass
[15] Capdessus C., Sidahmed M., Lacoume J. L. Cyclostationary Processes: Application In Gear Faults Early
Diagnosis, Mechanical Systems And Signal Processing, Vol. 14, No. 3, May 2000, Pp. 371-385
[16] Dalpiaz. G Rivola A. Rubini R Dynamic modelling of gear system for condition monitoring and diagnosis
Kongres Diagnostyki technicznej Gdansk 1996
[17] Dabrowski Z. Radkowski S. Wilk A. Dynamika przekladni zebatych Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji Radom 2000
[18] Gardulski J. Madej H. Pomiary drgan kól zebatych metoda radiotelemetryczna Przeglad Mech. nr 5-6 1996.
[19] Materialy reklamowe firmy SPM http:\\www.spminstrument.com.pl
[20] Materialy reklamowe firmy Wibrem Pruftechnik http:\\www.pruftechnik.com.pl
[21] Nandi A.K. Advanced digital vibration signal processing for condition monitoring COMADEM 2001 USA
[22] Radkowski S Bispektralna analiza sygnalu diagnostycznego, Kongres Diagnostyki Tech., Gdansk 1996
[23] Radkowski S Wykorzystanie widm wyzszego rzedu w wykrywaniu uszkodzen XIII Konfernencja Naukowa
Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych Zakopane 2000 s 91-98
[24] Radkowski S. Low energy components of vibroacoustic signal as the basis for diagnosis of defect formation. Machine Dynamics Problems vol 12 1995
[25] Rivola A. Crack detection by bispectral analysis, Atti XIII Congresso Nazionale Associazione Italiana di
Meccanica Teorica ed Applicata - AIMETA'97,1997, Siena, Italia, Ed. ETS, Pisa, Italia, 2, 73-80
[26] Skoc A. Dynamika przekladni stozkowych maszyn górniczych Górnictwo z 226 Gliwice 1996
[27] Technicad – materialy reklamowe
[28] Tomaszewski J. Trond J. Modelowanie drganiowych symptomów uszkodzenia przekladni.V Miedzynarodowa Konf. Nauk. „Komputerowe Wspomaganie Prac Inzynierskich” Polanica Zdrój 2000
[29] Wilk A. Lazarz B Badania symulacyjne zuzycia zebów kól na potrzeby diagnostyki przekladni. Przeglad
Mechaniczny 3-4/1997 pp14-22
[30] Wilk A. Lazarz B Madej H Diagnozowanie wczesnych stadiów rozwoju uszkodzen kól zebatych, Diagnostyka vol 24 2001
[31] Yao S.P , McFadden P. D. Study of modelling of monitoring of Gearboxes Vibration, Conference Proceedings of 4th International Conference, Acoustical and Vibratory Surveillance Methods and Diagnostics
Techniques, France Compiegne 2000
[32] Zóltowski B. Podstawy diagnostyki Maszyn Wyd ATR Bydgoszcz 1996
11