Раздел III диагностика оборудования

Глава 8

ДИАГНОСТИКА ОБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Диагностика - это установление и изучение признаков, ха­рактеризующих состояние машин, приборов, технических сис­тем, для предсказания возможных отклонений и предотвращения нарушений нормального режима работоспособности их в условиях эксплуатации.

Обеспечение работоспособности машин в условиях эксплуатации

В процессе эксплуатации оборудования происходит частич­ная или полная потеря ее работоспособности, т. е. отказ. Отказы вызваны действием различных причин: особенностями конструк­ции, отклонениями в технологии изготовления, естественным старением, особенностями управления машиной и физико-меха­ническими свойствами молока и молочных продуктов. Оборудо­вание отрасли эксплуатируют в самых разнообразных условиях, что приводит к дифференцированному изменению технического состояния даже однотипных машин.

График на рис. 8.1 показывает периодическую потерю маши­ной технического ресурса и его восстановление до заданного тех­нической документацией уровня. Уровень М соответствует пер­воначальной работоспособности машины. В зависимости от ха­рактера отказа после его устранения восстанавливается первона­чальная или близкая к ней работоспособность. Линия подъема

соответствует восстановлению работоспособности во время про­ведения ремонтов и технических обслуживании. Спуск линии и ее наклон характеризуют интенсивность потери работоспособности в период эксплуатации машины.

М

Рис. 8.1. Графическая модель изменения работоспособности машины в процессе эксплуатации

М — первоначальный уровень работоспособности; /_р - время работы; t_B - время восстановления ресурса; t_n - время простоя

с t„ t

m(t)

Время безотказной работы машины является величиной слу­чайной, так как наработка на отказ каждой сборочной единицы различна и колеблется в широких пределах.

Большой разброс в наработке на отказ деталей и сборочных единиц машин приводит к затруднениям с организацией работ по поддержанию машин в работоспособном состоянии.

Устранение отказов и восстановление работоспособности как при выполнении плановых технических обслуживании, так и при аварийных ремонтах, вызывают простой машин. Суммарное вре­мя простоя зависит от частоты возникновения отказов, периодич­ности технических обслуживании, времени устранения отказа.

Степень использования машин оценивается коэффициентом технического использования К™

\

(

N

/

N

К

ти

где ]Гг_н - суммарная наработка машин; - суммарное время про­

стоев в плановых и аварийных ремонтах; ^/_о6 - суммарное время про-

N

стоев в техническом обслуживании; £/_ож - суммарное время ожидания

технического воздействия.

С увеличением времени различных простоев уменьшается коэффициент технического использования. Основная задача службы технической эксплуатации - обеспечение работы техни­ки при минимальных затратах и простоях. Рассмотрим основные группы простоев.

Простои машин в ожидании технического воздействия вы­званы в основном организационными причинами - отсутствием запчастей, недостаточным количеством средств технического об­служивания и ремонта, расстоянием между машиной и ремонтно­эксплуатационной базой, эффективностью связи.

Простои машин в ремонте и техническом обслуживании за­висят от числа технических воздействий, способа и трудоемкости устранения отказа и проведения технического обслуживания, уровня механизации ремонтных работ, условий проведения тех­нических воздействии, количественного состава ремонтной бри­гады. В общем виде влияние различных факторов можно выра­зить следующим образом:

где К[ - число соответствующих технических воздействий, Т\ - трудо­емкость соответствующего технического воздействия, тп_х - число меха­низированного оборудования и инструмента щ - число рабочих (ре­монтный персонал).

Число и объемы необходимых технических воздействий зави­сят от интенсивности возникновения отказов и от качества выпол­ненных ранее воздействий. Современный уровень машинострое­ния позволяет создать машины с высоким уровнем надежности, однако при соответственно больших затратах на изготовление.

Таким образом, имеется два пути повышения надежности:

• совершенствование системы технической эксплуатации в на­правлении поддержания начального уровня надежности ма­шин во время всего срока службы;

• повышение начального уровня надежности за счет повышения стоимости машин (повышение начального уровня надежности

машин связано степенной зависимостью с их стоимостью). Ре­зультаты повышения надежности оценивают суммарными удельными затратами на производство машин и на поддержа­ние их в технически исправном состоянии. Средние суммар­ные удельные затраты (рис. 8.2, кривая 3) сначала уменьшают­ся до минимума при оптимальной наработке /_р, а затем возрас­тают. Это вызвано уменьшением удельных затрат на приобре­тение машин (кривая 2) и увеличением удельных затрат на поддержание машин в работоспособном состоянии (кривая 1).

'УД

Рис. 8.2. Зависимость удельных затрат на приобретение машин и на поддержание их работоспособности от наработки:

/ -удельные затраты на под­держание машин в работоспо­собном состоянии в процессе экс­плуатации; 2 -удельные затра­ты на приобретение машин;

3 - суммарные удельные затраты

С увеличением наработки машин возрастают объемы работ по их ремонту и техническому обслуживанию. Необходимо по­стоянно контролировать техническое состояние сборочных еди­ниц и с помощью комплекса мероприятий технического обслу­живания снижать интенсивность изнашивания элементов маши­ны. Существенную роль в этом и в обеспечении оптимальных режимов работы машины играет диагностирование. При одно­временном сохранении надежности диагностирование позволяет сократить время нахождения машин в техническом обслужива­нии и ремонте. Необходимо стремиться обеспечить эффектив­ность работы ремонтной службы, затрачивая минимум средств на устранение отказов и на выполнение технических обслуживаний при различной периодичности, т. е.:

Суд(Сбс) С_от(/обс) С_т0(Сбс) ^ Ш1П, где Суд - суммарные удельные затраты; /_о5с - периодичность техниче­ского обслуживания; С_от - удельные затраты на устранение отказов; С_то - удельные затраты на выполнение технических обслуживаний.

При увеличении периодичности обслуживании возрастают удельные затраты на устранение отказов (рис. 8.3, кривая 1), в то же время уменьшаются удельные затраты на проведение технических обслуживании. Сумма затрат позволяет определить оптимальную периодичность проведения плановых технических воздействий.

Рис. 8.3. Зависимость затрат на поддержание работоспособности машин от периодичности технического воздействия:

1 -затраты на устранение отказов; 2 - затраты на вы­полнение технических обслу­живании; 3 - суммарные за­траты на поддержание ра­ботоспособности

Работы по техническому обслуживанию и ремонту выпол­няют с определенной периодичностью, причем ряд работ связан с применением диагностических средств. Нормативная документа­ция предусматривает выполнение ежесменного технического об­служивания, планового и сезонного технических обслуживании и выполнение по потребности текущего и капитального ремонтов. Плановые технические обслуживания каждой машины различают­ся периодичностью, перечнем и объемом работ и, следовательно, трудоемкостью выполнения и временем простоя машины.

Все работы, входящие в состав технических обслуживании, разделены на моечные, крепежные, контрольно-регулировочные и смазочные. Большинство работ выполняют в обязательном поряд­ке, за исключением крепежных и регулировочных, которые вы­полняют по потребности. Причем до 50% работ по техническому обслуживанию связаны с выявлением технического состояния ма­шин и их регулировками, т. е. с диагностированием.

Диагностирование применяют при плановых обслуживаниях, а также для выявления дефектов при текущем ремонте.

На рис. 8.4 показана зависимость сравнительной эффективно­сти диагностирования Э_ср от вариации v долговечности машины (или сборочной единицы) и отношения затрат на ремонты К = c/d,

где с - стоимость устранения отказа; d - стоимость обслужива­ния. Из представленных графиков видно, что диагностирование машин тем эффективнее, чем больше вариация их ресурса и чем выше значение К, т. е. стоимости устранения отказа по сравне­нию со стоимостью планового обслуживания.

■SL

Рис. 8.4. Зависимость сравни­тельной эффективности Э_ср диагностирования от вариаций v долговечности машины или сборочной единицы и отноше­ния затрат на ремонты и об­служивания К

Задачи диагностики

Под техническим состоянием машин понимается совокуп­ность их внутренних свойств, подверженных изменениям при производстве и эксплуатации, характеризующих соответствие или несоответствие качества машин требованиям, установленным эксплуатационно-технической документацией на данные машины.

Первая задача технического диагностирования - определе­ние технического состояния, в результате чего состояние машин относят к одному из возможных технических состояний.

После установления факта потери работоспособности, нали­чия неисправности или неправильного функционирования решает­ся вторая задача - поиск, дефектов, нарушивших исправность и работоспособность машины или вызвавших неправильное ее функционирование.

Третья задача диагностирования - сбор исходных данных для прогнозирования остаточного ресурса или оценки вероятно­сти безотказной работы машины в межконтрольный период.

Если есть возможность следить за необратимыми измене­ниями физико-механических свойств элементов машин, то про­гнозирование отказов ведут инструментальными методами, если такой возможности нет, - то статистическими методами.

На этапе разработки новых машин должна решаться важная для диагностирования задача обеспечения контролепригодности - взаимного согласования характеристик машин, методов диагно­стирования и характеристик средств диагностирования. Для этого при создании машин к ним должны предъявляться следующие требования:

• приспособленности к рациональным методам и средствам диагностирования в зависимости от вида и назначения систем диагностирования;

• к взаимному согласованию устройств сопряжения машин со средствами диагностирования;

• к безопасному соединению устройств сопряжения машин и средств диагностирования;

• к доступности устройств сопряжения, устанавливаемых исхо­дя из необходимости обеспечить заданную трудоемкость под­готовки машин к диагностированию, с учетом минимального демонтажа машины;

• к легкосъемности и легкосоединяемости устройств сопряжения. Одной из важных задач является организационно-экономи­ческая задача, направленная на поиск наиболее рациональных форм организации диагностирования и определения места диаг­ностирования в системе технической эксплуатации машин.

При этом должны учитываться состав машин, возможности проведения диагностических работ как в условиях цеха, так и на ремонтной базе; объем работ по диагностированию всей машины и отдельных сборочных единиц.

Очень большая и сложная задача - определение допустимых и предельных значений диагностических параметров с учетом интенсивности и условий эксплуатации машин, объемов и перио­дичности выполнения диагностических работ.

Учитывая характер работы машин и, следовательно, интен­сивность работы каждой сборочной единицы, необходимо обосно­вать диагностические параметры с учетом степени информативно­сти каждого параметра и его значимости. Выбор необходимых па­раметров для различных групп машин должен производиться с учетом снижения трудоемкости диагностирования и получения максимальной информации о техническом состоянии машин.

Решение задач диагностирования требует их теоретического обоснования, разработки алгоритмов диагностирования и мето­дики прогнозирования, выбора и разработки эффективных средств диагностирования, решения проблемы их метрологиче­ского обеспечения и надежности.

Все это позволит обеспечить минимальный уровень затрат по поддержанию техники на требуемом уровне надежности и осуществить дифференцированное техническое обслуживание машин, исходя из их конкретного состояния в определенный пе­риод эксплуатации.

Диагностические параметры

Техническое состояние машин и их сборочных единиц про­является в различных формах через множество признаков. При­знаки, характеризующие техническое состояние машин и имею­щие количественное выражение, относят к параметрам техниче­ского состояния. В их число входят:

• структурные параметры, характеризующие структуру маши­ны, сборочной единицы или деталей и сопряжений (зазоры, на­тяги, несоосность, положения регулируемых элементов);

• функциональные параметры, характеризующие функциони­рование машин в целом и их сборочных единиц (мощность, удельный расход энергии; давление жидкости в гидросисте­ме, продолжительность циклов или операций);

• сопутствующие параметры процессов, сопровождающих работу машин или их сборочных единиц (параметры шума и вибраций, изменения температуры).

Любой из параметров технического состояния, входящих в перечисленные виды, если его используют непосредственно для диагностирования, является диагностическим параметром. Кроме диагностических параметров в процессе диагностирования изме­ряют также параметры, необходимые для контроля и поддержа­ния заданного режима работы объекта диагностирования. К таким параметрам, например, относят температуру рабочей жидкости в гидросистеме, давление и частоту вращения вала гид­ронасоса при определении коэффициента подачи (по результатам измерения подачи при разных давлениях в напорной магистрали). Контролируемые параметры могут и не быть параметрами техни­ческого состояния.

Основной причиной изменения технического состояния ма­шин является изменение структурных параметров. Технические

обслуживания (включающие регулировочные работы) и ремонты направлены на восстановление первоначальных значений струк­турных параметров сборочных единиц машин. Структурные па­раметры, используемые в качестве диагностических, называют также прямыми параметрами. Возможность их непосредственно­го измерения без разборки сборочных единиц, как правило, очень ограничена, поэтому наиболее общим случаем является исполь­зование косвенных диагностических параметров - функциональ­ных и сопутствующих и их производных, зависимых от струк­турных и несущих необходимую информацию о состоянии объек­та диагностирования.

По степени локализации диагностические параметры делят на две группы: обобщенные и частные. Первые характеризуют общее состояние сборочных единиц и машин в целом; вторые - состояние отдельных элементов.

К числу обобщенных диагностических параметров относят мощность электродвигателя, полный КПД его привода, ток холо­стого хода.

К частным диагностическим параметрам относят амплитуды расхода мощности электродвигателя, скорость нарастания давления на кривой пульсирующего давления аксиально-поршневого насоса.

Диагностические параметры могут содержать в себе не один, а несколько признаков технического состояния.

На рис. 8.5 показано несколько примеров сигналов, парамет­ры которых используют в качестве диагностических, для деталей и сборочных единиц машин. Такими сигналами являются реали­зации различных процессов в функции времени или других вели­чин. Левые части графиков на рисунке соответствуют начально­му виду сигналов объектов диагностирования, не имеющих де­фектов, а правые - деформированным сигналам после опреде­ленной наработки объекта диагностирования в связи с износом, деградацией материалов или нарушением регулировок.

Сигнал, представленный на рис. 8.5, а, показывает изменение зазора, характерное для различных сопряжений, например шар­нирных. Диагностическим параметром является значение орди­наты 5 (зазора), которую определяют после приложения к сопря­жению определенной нагрузки с целью выбора зазора. После на­работки сопряжения люфт (зазор) в результате износа увеличивает­ся. Зазоры, если их измеряют непосредственно при помощи ме-

рительных инструментов, относятся к числу прямых диагности­ческих параметров. Диагностический сигнал в виде функциональной зависимо­сти момента сопротивления на входном валу многоступенчатой

Начальный вид После наработки Начальный вид После наработки

0

tg f 0

t 0

0 л 2л 0 л 2л 0

а	$		S
		Выбор люфта <		Выбор люфта

t 0

лАЛа

Рис. 8.5. Примеры диагностических сигналов:

а - изменение зазоров различных сопряжения; б - зависимость момен­та сопротивления на входном в any многоступенчатой зубчатой пере­дачи от угла поворота вала; в - частотные характеристики парамет­ров вибраций зубчатой передачи; г - огибающие накопленных вибросиг­налов подшипника качения в функции угла поворота; д - зависимость силы торможения от силы нажатия на тормозной диск в сепараторе; е - характеристика нагрева гидравлической жидкости на выходе насо­са, ж - токовременные характеристики срабатывания электромаг­нитного реле, з - изменение сопротивления изоляции обмотки во време­ни от момента приложения испытательного напряжения; s - зазор; q> - угол поворота; М - момент; 0 - уровень вибрации; /- частота; Р_Т-сила торможения; Р_н - сила нажатия на тормозной диск сепаратора; Т - температура; I - ста электрического тока; R - сопротивление

зубчатой передачи от угла поворота вала показан на рис. 8.5, б. В качестве диагностических параметров здесь используют длины ф! фб ступенек стабилизации момента. Длина каждой ступеньки пропорциональна величине углового зазора (люфта) в каждой паре зацепления. Дополнительная информация о механических потерях в передачах, в частности о регулировке подшипников, может быть получена из этого сигнала при измерениях углов на­клона кривых нарастания момента сопротивления.

Рис. 8.5, в показывает изменение частотных характеристик параметров вибраций зубчатой передачи. На графиках отложены уровни параметров вибраций при работе передачи на определен­ных скоростном и нагрузочном режимах. В результате износа передачи меняются уровни сигналов на выбранных частотах f\ - f₇. Если установлены связи дефектов с изменениями уровней вибро­сигналов на этих частотах, то по уровням можно определить со­стояние диагностируемых передач, близость к допустимому или предельному состоянию.

На рис. 8.5, г представлены огибающие накопленных (много­кратно зарегистрированных) вибросигналов подшипников каче­ния в функции угла поворота вала при фиксированной частоте вращения. Накопленный вибросигнал исправного подшипника имеет вид периодической кривой, каждый период которой соот­ветствует прохождению шариками зоны нагружения. При появле­нии радиального зазора после наработки огибающая накопленно­го сигнала в результате упорядочения ударов принимает иной вид. Изучив характер деформации накопленного вибросигнала от вида дефектов, можно качественно и количественно оценить состояние подшипников.

Диагностический сигнал, связывающий изменение давления штока и давление в гидравлической системе, показан на рис. 8.5, д. При отсутствии дефектов в гидросистеме кривые прямого и об­ратного хода поршня почти совпадают. Диаграмма, показанная в правой части рисунка, характеризует работу поршня при засоре­нии гидравлической системы.

Графики, показанные на рис. 8.5, е, иллюстрируют темп и ве­личину нагрева гидравлической жидкости на выходе из насоса соответственно при высоком КПД и при сниженном КПД от из­носа узла подачи жидкости после наработки. Здесь в качестве диагностических параметров могут быть использованы как по­стоянная времени кривой нагрева (при стабилизированном режи­ме нагружения), так и значение перепада температуры на насосе.

Токовременные характеристики (рис. 8.5, ж), полученные при срабатывании реле или контактора в цепи электрического привода, несут информацию о состоянии электромеханической системы реле или контакторов. При подаче на обмотку диагно­стируемых реле или контактора напряжения ток в цепи обмотки возрастает по экспоненциальной кривой. После начала движения якоря уменьшается зазор в магнитной системе и ток убывает. Вторая экстремальная точка кривой соответствует полному сра­батыванию электромеханической системы. Затем ток по закону начальной экспоненциальной кривой достигает установившегося значения. При наличии дефектов в электромеханической системе реле или контактора ход токовременной характеристики иной, в частности она может иметь более двух экстремумов, как показано на правой части графика, рис. 8.5, ж.

Изменение сопротивления изоляции электрических уст­ройств, в частности обмоток, происходит по экспоненциальному закону (рис. 8.5, з) после приложения испытательного напряже­ния. Постоянная времени этого процесса характеризует деграда­цию электрических характеристик изоляционных материалов, а также степень их поверхностного или объемного загрязнения и увлажнения. При ухудшении электрических характеристик не только снижается установившееся значение сопротивления изо­ляции, но и уменьшается постоянная времени процесса установ­ления, как это показано на правой части графика рис. 8.5, з.

Рассмотренные примеры показывают, что в качестве диагно­стических параметров используют:

• единственное значение сигнала (рис. 8.5, а, е), если в качестве параметра используют установившееся значение сигнала;

• несколько значений одного сигнала для определения состоя­ния разных элементов объекта диагностирования (рис. 8.5, б);

• совокупность дискретных значений сигналов для локализа­ции дефектов одного объекта диагностирования (рис. 8.5, в);

• нормированные характеристики сигнала, например крутизну на­растания (рис. 8.5, б) или постоянную времени (рис. 8.5, е, ж, з);

• множество значений сигнала, в результате сравнения полу­ченного при диагностировании сигнала с его эталонным зна­чением (метод эталонных осциллограмм, рис. 8.5, г, д, ж).

К числу наиболее простых, в смысле применяемых средств измерения относится использование единственного значения ди­агностического сигнала и использование эталонных осцилло­грамм. В последнем случае с помощью простых аналоговых средств измерения получают очень большой объем информации об объекте диагностирования.

По характеру изменения диагностические параметры можно разделить на статические и динамические. Первые характерны для диагностирования в установившемся режиме функциониро­вания объекта диагностирования, а также при некоторых видах тестовых воздействии на объект диагностирования. Вторые ха­рактерны для диагностирования по характеристикам переходных процессов, получаемых в результате специальных изменений ре­жимов функционирования объекта диагностирования.

Выбор диагностических параметров производят разными способами. В качестве обобщенных диагностических параметров чаще всего используют параметры технического состояния сбо­рочной единицы или машины в целом, значения которых регла­ментированы технической документацией на данный объект. На­пример, обобщенным диагностическим параметром насоса гид­равлического привода может быть значение полного КПД или коэффициента подачи. Допустимые и предельные значения этих параметров приводятся в паспортах насосов.

При выборе из нескольких параметров учитывают информа­тивность (т. е. насколько полно выбранный параметр характери­зует состояние объекта диагностирования), а также сложность их измерения. В том же примере коэффициент подачи является по­казателем объемных потерь, а полный КПД учитывает не только объемные, но и механические потери. Но средства измерения ко­эффициента подачи в настоящее время разработаны более полно. Учитывая, что величина механического КПД в процессе эксплуа­тации практически неизменна, в качестве диагностического па­раметра для оценки общего состояния насоса можно принять ко­эффициент подачи.

При выборе частных диагностических параметров исполь­зуют один из методов анализа логического описания объекта ди­агностирования.

Датчики и приборы, применяемые при диагностировании

Основные задачи диагностирования (проверка исправности, работоспособности и функционирования, поиск дефектов и сбор информации для прогнозирования остаточного ресурса) решают системы диагностирования. Система диагностирования представ­ляет собой совокупность средств технической диагностики ма­шин, объекта диагностирования и исполнителей.

Средства технического диагностирования являются важной составной частью системы диагностирования. Среди аппаратур­ных средств диагностирования, которые имеют наиболее широ­кое применение для диагностирования машин различают внешние средства, подключаемые к объекту диагностирования только для осуществления процесса диагноза, и встроенные средства, со­ставляющие с объектом диагностирования конструктивно единое целое и дающие возможность получать информацию о состоянии объекта непрерывно.

Как и все средства измерений средства диагностирования де­лят на ручные и автоматизированные, кроме того, по отношению к объектам диагностирования они могут быть специализирован­ными или универсальными. Специализированные аппаратурные средства отличаются большей простотой и меньшей стоимостью. Универсальные аппаратурные средства могут работать по смен­ным программам, поэтому пригодны для различных объектов диаг­ностирования. Универсальные средства хотя и отличаются слож­ностью и большой стоимостью, могут быть легко унифицирова­ны, что открывает возможность их серийного производства.

Встроенные средства, как правило, всегда являются специали­зированными и труднее поддаются унификации вследствие боль­шого конструктивного разнообразия сборочных единиц машин.

Средства технического диагностирования могут быть пере­носными, передвижными и стационарными.

Средства технического диагностирования машин можно раз­делить также по принципу действия на две большие группы: средства механические (основанные на механических, гидравли­ческих и пневматических преобразователях и приборах) и сред­ства электрические (основанные на электрических преобразова­телях и приборах). В средства диагностирования входят также

различные устройства, обеспечивающие необходимое нагруже­ние объекта при диагностировании (специальные тормозные ма­шины, стенды). Современные средства диагностирования как ме­ханические, так и электрические должны быть укомплектованы также устройствами метрологического обеспечения.

Первые системы диагностирования машин базировались глав­ным образом на механических аппаратурных средствах. Хотя и сейчас применяют довольно широко механические средства диаг­ностирования, наблюдается тенденция к более широкому исполь­зованию электрических средств. Электрические средства позво­ляют достигать большей точности, обладают более широким, чем механические, частотным диапазоном, позволяют представлять результаты измерения в форме документа, а также автоматизиро­вать процесс постановки диагноза. Электрические средства диаг­ностирования в общем случае содержат последовательно вклю­ченные датчики, промежуточные преобразователи и приборы.

Датчики. Большинство параметров, подлежащих измерению при диагностировании, являются неэлектрическими величинами и только часть их, связанная с электрическим приводом и элек­трооборудованием машин, может быть непосредственно пред­ставлена электрическими сигналами.

К числу измеряемых при диагностировании неэлектрических величин относят, линейные и угловые перемещения, скорости и ускорения, силы и крутящие моменты, давления, расходы жидко­стей и газов, температуры, а также временные интервалы.

Измеряемые при диагностировании машин электрические величины включают в себя параметры электрических цепей (ак­тивные и реактивные сопротивления, емкости и индуктивности), а также напряжения, токи, их функциональные взаимозависимо­сти и изменения в функции времени.

При измерении неэлектрических величин одной из наиболее важных задач является преобразование всех измеряемых пара­метров в унифицированные электрические сигналы, обеспечи­вающие наибольшее удобство при последующих измерениях, об­работке и представлении информации. Эту функцию осуществ­ляют датчики. Датчики механических величин, как правило, со­держат в себе ряд преобразователей - это упругие чувствитель­ные элементы, рычаги, редукторы, турбинки, шатунно-криво­шипные механизмы и другие устройства, сигналы которых воз­действуют на электрические первичные преобразователи, также входящие в состав датчиков. Электрические преобразователи ме­ханических величин и температуры делят на две группы генера­торные, для которых выходной величиной является ЭДС или ток, и параметрические с выходной величиной в виде изменения со­противления, емкости или индуктивности. Обе группы электриче­ских первичных преобразователей имеют много разновидностей, основанных на определенных физических принципах действия.

Промежуточные преобразователи. К числу промежуточ­ных преобразователей в первую очередь относят электрические схемы, в которые включают датчики. Все датчики с параметриче­скими первичными преобразователями включают в специальные измерительные схемы (потенциометрические, мостовые, автоге- нераторные), которые осуществляют преобразование изменений параметров первичного преобразователя в изменения параметров сигнала на выходе схемы. Первичные генераторные преобразова­тели некоторых типов (например, тахогенераторы) и преобразо­ватели электрических величин (шунты, трансформаторы тока и напряжения) соединяют непосредственно без промежуточного преобразования с приборами.

Подавляющее большинство первичных преобразователей от­личаются низким уровнем выходных сигналов. С целью повыше­ния уровня сигнала до величины, достаточной для нормального функционирования прибора применяют масштабные промежу­точные преобразователи-усилители.

Промежуточные преобразователи также применяют в сред­ствах технического диагностирования машин - для формирова­ния сигналов по амплитуде и форме, а также селекции по частоте и фазе. Для этого используют аналоговые и частотные пороговые устройства, дифференцирующие и интегрирующие цепи, частот­ные фильтры и фазовые селекторы.

Приборы. К приборам относят все средства измерений, предназначенные для получения информации об измеряемой ве­личине, в форме, удобной для восприятия наблюдателем. Прибо­ры по способам снятия отсчета делят на приборы с визуачьным отсчетом и регистрирующие. Первые по типу индикации можно разделить на приборы с отсчетом по шкале (шкальные), с цифро­вым отсчетом (цифровые) и со знаковым представлением инфор­мации (дисплеи). Регистрирующие приборы в свою очередь делят

на приборы с открытой формой записи информации (самописцы), осциллографы, цифропечатающие устройства и приборы со скры­той формой записи информации.

Встроенный контроль параметров и мониторинг работы подшипников

Во многих машинах, включая измельчители, мешалки, насо­сы и вентиляционные системы с регулируемым расходом воздуха, все чаще применяются электродвигатели с преобразователями частоты. Это значит, что подшипники должны быть устойчивы к электрической эрозии как в нормальных условиях эксплуатации, так и при высоких температурах.

Новые вентиляционные системы с регулируемым расходом воздуха приходят на смену системам с постоянным расходом воздуха. Каждая зона регулируемого вентилирования чаще всего должна иметь собственные вентиляторы. Лопасти вентилятора непосредственно соединены с валом электропривода, а регулиро­вание скорости вращения осуществляется через частотный пре­образователь. Это дает возможность точно регулировать подачу воздуха в определенную зону.

Дополнительные требования к системам - высокая надеж­ность, необходимость в резервировании, а также соответствие требованиям пожарной безопасности.

Электростойкие подшипники

На сегодняшний день около 50% неисправностей электро­двигателей обусловлены состоянием подшипников. Ожидается значительный рост этого показателя для работающих в длитель­ном режиме маломощных электродвигателей (0,15-15 кВт) в свя­зи с возрастающим использованием преобразователей частоты. Они, как например, преобразователи с частотно-импульсной мо­дуляцией, способствуют электроэрозионному разрушению стан­дартных стальных подшипников.

Большинство маломощных электродвигателей часто стано­вятся неисправными в связи с применением в них обычных под­шипников, не защищенных от разрядов при контактах шариков или роликов с дорожками качения подшипника. В мощных же электродвигателях обычно используют подшипники с электро­изоляцией или изолирующие полимерные пленки, обеспечиваю­щие такую защиту. Специальные подшипники - наиболее прак­тичное обеспечение электрозащиты.

Признаки неисправности

Электроразряды обусловлены тем, что из-за очень малого времени переключения в частотном преобразователе возникают пиковые импульсы. Их можно измерить при помощи соответст­вующего осциллографа. Характерные признаки дефектности - это появление микросвищей, графитизация шариков, роликов и дорожек качения, вмятины на поверхности качения и потемнение смазки. Это приводит к плохому смазыванию, сильной вибрации и, наконец, к отказу подшипника.

Электрическая эрозия подшипников снижает срок их служ­бы. Анализ данных по техобслуживанию показал, что расчетная долговечность подшипников (надежность 90%) снижается до 30% от предполагаемого значения (рис. 8.6)

Время [час.]

Рис. 8.6. Статистические данные отказов подшипников (повышенный шум) в вентиляторах с частотным преобразователем. Пунктирная линия соответствует обычным проектным рекомендациям для подшипников с закладной смазкой. (1 год непрерывной работы = 8760 часам)

Подшипники смазывались пластичной смазкой, однако ста­тистический анализ показал большое снижение долговечности (надежность 50%). Присутствие электричества в подшипниках было выявлено непосредственными замерами (вал-корпус) в электродвигателях и анализом дефектных подшипников (потем­нение смазки и запах озона).

Частота отказов и, следовательно, вероятность раннего по­вреждения подшипника в приведенном примере резко увеличится после четырех лет эксплуатации (рис. 8.7).

Срок эксплуатации (лет)

Рис. 8.7. Частота отказов в подшипниках электродвигателей с

частотными преобразователями. Прогноз для систем с электроизоляцией подшипников (1) в сравнении с аналогичными системами без защиты (2)

Риск отказов в ответственных системах недопустим. Во из­бежание такого риска настоятельно рекомендуется оснастить электропривод такого вентилятора двумя специальными под­шипниками. Будучи электрически нейтральными, они обеспечи­вают защиту против прохождения электрического тока и других причин повреждения подшипников.

Специальные радиальные шарикоподшипники для электро­двигателей, как правило, имеют уплотнения пониженного трения, сепаратор из стеклонаполненного полиамида, керамические ша­рики, увеличенный радиальный внутренний зазор и пластичную смазку для широкого температурного диапазона.

Теплостойкие подшипники

Для крупных сооружений типа складов особую важность имеет противопожарная защита.

Многие из этих сооружений оснащаются мощными система­ми для отвода горячих газов в случае пожара и подачи более про­хладного и чистого воздуха. Эти жизненно важные системы двойного назначения (штатное и противодымовое) требуют по­вышенной надежности.

Новый европейский стандарт EN 12101-3 предписывает, что вентиляторы и соответствующие электродвигатели для вентиля­торов с непосредственным приводом подлежат контролю на ис­пользование при экстремальных температурах на случай пожара. Уровень конструкции электродвигателей должны соответство­вать классу F600 (600 °С). Кроме того, установки должны обес­печивать низкие эксплуатационные расходы, поскольку эти сис­темы используются повседневно в качестве штатной вентиляции.

Необходимо отметить, что стандарт EN предоставляет реше­ние вопроса о снижении расходов в повседневной работе венти­ляторов двойного назначения на усмотрение их изготовителей и пользователей. Возможность работы в чрезвычайной ситуации после продолжительного повседневного использования также не регламентируется.

Потребителю важно контролировать и регулировать крити­ческие рабочие параметры, определяющие эксплуатационную надежность машин. Целью контроля являются обеспечение на­дежности и безопасности в производстве, а также получение ин­формации в процессе эксплуатации. Надежность в производстве позволяет снизить продолжительность и интервалы плановых и внеплановых остановок, что обеспечивает повышение эффектив­ности и прогнозируемое™ производства. Повышение безопасно­сти обеспечивается своевременными мерами, позволяющими из­бежать возникновения отказов и опасных ситуаций. Информация в процессе эксплуатации позволяет выявлять причины отказов машин, оптимизируя тем самым производство.

Традиционные методы контроля зачастую требуют установки на объекте контрольно-измерительных приборов и датчиков. Эта конфигурация имеет ряд недостатков, таких как чувствительность к вибрациям и необходимость дополнительной защиты.

Встроенные датчики

Новая концепция защиты подшипников заключается в том, что необходимые датчики встраиваются в основание корпуса

подшипника (рис. 8.8). Сигналы от датчиков преобразуются схе­мой на печатной плате в устойчивый выходной сигнал. Электро­схема имеет также защиту датчиков от всплесков мощности пи­тания. Сигналы от датчиков передаются через штепсельные разъ­емы на передней части корпуса, обеспечивающих подключение к системе контроля. Благодаря этому достигается простота монта­жа и быстрый ввод системы в действие.

Рис. 8.8. Комплексная система диагностирования, контроля и регулирования параметров эксплуатации ответственных агрегатов на примере работы узла подшипника с встроенными в нем датчиками температуры, скорости вращения и вибрации

Важнейшими параметрами для контроля являются скорость вращения, температура и вибрация. Поэтому новая концепция защиты имеет модульную двухразъемную конструкцию. Первый разъем передает данные о скорости вращения и температуре, а второй - два сигнала вибраций. Контроль вибраций осуществля­ется по двум плоскостям - продольной и радиальной. Сигналы от датчика к разъему передаются через токосъемник специальной конструкции.

Контроль температуры дает информацию по перегреву, а контроль вибраций - о возможности повреждения подшипника и ослабления креплений.

Потенциальной сферой широкого применения новой систе­мы диагностирования являются вентиляторы. Например, встраи­вание датчиков в вентилятор позволяет диагностировать возмож­ную разбалансировку из-за загрязнения лопастей, в результате которой возникают вибрации, могущие привести к поломкам. Внешние вибрации эффективно выявляются датчиком радиаль­ных ускорений. Данные о скорости вращения используются для регулировки энергопотребления вентилятора. Область использо­вания вентиляторов - производства, где они являются неотъем­лемыми частями технологического процесса, например, при суш­ке или перемещении материалов.

Еще одна потенциальная область применения - промышлен­ные машины, работающие в больших диапазонах вибраций в за­висимости от нагрузки, например сепараторы.

Новая концепция диагностирования разработана для инте­грации как с уже существующими системами контроля, так и со специализированными системами.

Унифицирующий подход позволяет осуществить быстрый монтаж, ввод оборудования в эксплуатацию и повысить его на­дежность за счет системы мониторинга.

Преимуществами систем со встроенными датчиками являют­ся также получение более полной информации о конкретном процессе и безопасность.

Алгоритм реализации на ЭВМ диагностики состояния оборудования технологической линии

Процессы диагностирования складываются из операций оп­ределения технического состояния объекта в данный момент времени (собственно диагностика), определения его технического состояния в будущем (прогнозирование) и определения техниче­ского состояния, в котором объект находился в прошлом (ретро­спекция). Следовательно, техническое диагностирование состоит из трех элементов: выявление исправности объекта, определение периодичности диагностирования, прогноз технического состоя­ния в будущем. Ниже приведен алгоритм комплексной техниче­ской диагностики оборудования:

- изучение технического процесса, реализуемого в диагности­руемом оборудовании;

• определение технологических параметров, характеризующих качество работы диагностируемого оборудования, и состав­ление режимной карты технологических параметров;

• изучение общего принципа действия и конструкции оборудо­вания;

• определения конструктивных параметров, характеризующих качество работы диагностируемого оборудования, и состав­ление режимной карты конструктивных параметров;

• составление режимной карты работы оборудования с указа­нием параметров, контроль которых желателен или необхо­дим в процессе работы оборудования;

• условное расчленение оборудования на основные части (дви­гатель, передаточный механизм, рабочий орган);

• определение характерных точек контроля технологических и конструктивных параметров оборудования и его основных частей; выбор методов контроля технологических и конст­руктивных параметров;

• выбор предпочтительного метода технической диагностики оборудования;

• выбор необходимых для проведения технической диагности­ки приборов, инструментов и материалов;

• составление необходимой для регистрации результатов тех­нической диагностики документации (формы, ведомости, журналы);

• уточнение полученной схемы технической диагностики после выполнения работ, предшествующих ее проведению;

• составление структурно-следственных моделей диагности­руемого объекта применительно к основным частям оборудо­вания (рабочим органам).

Реализация предложенного алгоритма на ЭВМ в рамках под­системы «Техническая диагностика» требует детальной прора­ботки вопросов качества и надежности деталей, узлов и блоков основных групп машин и разработки технических средств диаг­ностирования. В этом плане процесс диагностирования можно рассматривать как сбор информации о состоянии объекта с целью принятия решения о его дальнейшем использовании. Не исклю­чается возможность воздействия с целью уточнения диагноза или управления им в процессе диагностирования, что определяет на­личие обратных связей. Таким образом, практическая реализация алгоритма возможна в рамках информационной диалоговой сис­темы (режим «советчик») и (или) информационно-управляющей системы (режим «управление»). Для обработки преобразованной информации на ЭВМ предложен и успешно апробирован алго­ритм диагностики, составленный на основании математической модели

где Q - коэффициент, оценивающий состояние оборудования; а, - без­размерный коэффициент весомости i-й машины в структуре технологи­ческой линии; Sflj = 1; b,j - безразмерный коэффициент весомости j-ro узла (детали) в структуре машины; Z.b_t] = 1; DT_t) - текущее значение па­раметра, характеризующего состояние j-го узла /-ой машины; D3_tj - за­данное значение параметра; AD3_t) -допустимое отклонение параметра.

Количественные значения величин D3_n и Д£>3_М вводится с учетом требований нормативно-технической документации, ве­личины ОТ_ц, периодически получают от датчиков, контроли­рующих состояние диагностируемых параметров. Коэффициенты о, и b[j алгоритмически определяют на основе матричной инфор­мационной модели, исходные данные для которой получают с помощью метода экспертных оценок.

Численный анализ выражения Q показал, что при нор­мальном состоянии оборудования технологической линии выпол­няется условие О <Q< 1, (оптимальный режим при Q = 0), а при нарушении режима работы Q > 1 . На основе модели выражения Q разработан алгоритм автоматического диагностирования со­стояния оборудования линии, основанный на периодическом ана­лизе коэффициента

DT_y~D3₄

В соответствии с выражением расчет осуществляется на ЭВМ, в которую через устройства связи с объектом периодиче­ски поступает информация о текущих значениях параметров.

В случае нарушений (Х_ц >1) в работе технологической линии ЭВМ выдает сообщение оператору о характере неисправности, рекомендации по ее устранению и (или) автоматически отраба­тывает управляющее воздействие, направленное на стабилизацию параметров или отключение машины.

Если нарушений нет (0 < Хц < 1 ), то управляющее воздейст­вие в контуре управления отсутствует.

Как показывает практика, применение технической диагно­стики позволяет в два раза уменьшить простой оборудования из- за технических неисправностей, на 15-20% повысить его произ­водительность, в полтора-два раза увеличить межремонтные сро­ки эксплуатации техники и уменьшить расход запасных частей, на 30-40% снизить затраты средств на ремонты и техническое обслуживание в межремонтный период.