Предмет и задачи дисциплины «Основы контроля и технической диагностики»
12
Лекция 1
Предмет и задачи дисциплины «Основы контроля и технической диагностики»
1. Информация о техническом состоянии систем как основа обеспечения их надежности
. Основные понятия и определения
3. Литература по дисциплине
1
Научно-технический прогресс обусловил появление сложных систем и комплексов, при эксплуатации которых возникает проблема обеспечения требуемой надежности их функционирования. Среди этих систем выделяются так называемые мехатронные комплексы, которые включают в себя как механические, электромеханические, так и электронные подсистемы (в том числе информационные и управляющие вычислительные машины). Иначе говоря, мехатронные комплексы являются электронно-механическими системами. Современный автомобиль - наглядный пример мехатронного комплекса.
Поскольку мехатронные комплексы включают подсистемы с различными физическими основами их функционирования, они отличаются сложностью информационного, энергетического и материального обмена между различными подсистемами.
Разработка мехатронных комплексов базируется на основе целого ряда научных направлений –теоретическая механика и теория механизмов, теория тепломассообмена, гидравлика, сопротивление материалов и теория упругости, электротехника, электроника, информатика, теория алгоритмов, программирование.
В настоящее время в науке и технике появилось новое направление –мехатроника, которая занимается изучением общих закономерностей построения и функционирования мехатронных комплексов. Естественно, что обеспечение надежности данных комплексов представляет собой сложную и актуальную задачу.
Одним из путей решения указанной задачи является получение объективной информации о состоянии, о степени функциональной пригодности системы. Такая информация позволяет своевременно организовать ремонтно-профилактические работы и, таким образом, поддерживать заданный уровень надежности сложных технических систем.
При этом основной упор делается на получение информации о состоянии безразборными методами, без производства каких-либо демонтажных работ. Это важно для любых систем, особенно дистанционно управляемых.
Методологической основой решения данных вопросов является научная дисциплина – «Основы контроля и технической диагностики».
Далее вводятся или конкретизируются ряд понятий и определений.
2
Одним из фундаментальных понятий теории контроля и диагностики является понятие технического состояния системы.
Техническим состоянием называется совокупность подверженных изменению в процессе производства и эксплуатации свойств объекта, характеризующих степень его функциональной пригодности в заданных условиях целевого применения или место дефекта в нём в случае несоответствия хотя бы одного из свойств установленным требованиям.
Раскрывая содержание данного определения более подробно, необходимо остановиться на следующих основных моментах.
Во-первых, под объектом в определении понимается отдельное устройство или совокупность устройств, обладающих определённой структурной законченностью и реализующих относительно самостоятельный комплекс функций.
Во-вторых, техническое состояние является характеристикой функциональной пригодности объекта только для заданных условий целевого применения. Это связано с тем, что в разных условиях применения требования к надёжности объекта, как правило, различны. Поэтому одно и то же техническое состояние объекта может означать как его пригодность к применению, так и необходимость проведения восстановительных работ или снятия с эксплуатации.
Например, для потребителей электроэнергии первой категории (различные вычислительные комплексы, стартовые комплексы РКН и др.) применяются резервные источники электроснабжения –как правило, дизель-электрические станции. Они работают параллельно с электросетью. Дизель-генератор, не обеспечивающий частоту выходного напряжения 50±0,5 Гц является функционально непригодным источником электроэнергии. Однако если частота выходного напряжения данного дизель-генератора не выходит из диапазона 50±1 Гц, то для потребителей электроэнергии третьей категории в качестве источника электроэнергии он может применяться.
В-третьих, в рассматриваемом определении фигурирует понятие дефекта. Под дефектом понимается любое несоответствие технического состояния объекта установленным требованиям. Существуют конкретные виды дефектов –повреждения и отказы.
Определить или оценить техническое состояние объекта – значит выяснить, обладает ли он набором требуемых свойств, обеспечивающих его пригодность к целевому применению и правильность выполнения им своих функций непосредственно в процессе применения, а если нет, то по причине каких дефектов.
Основные требования к свойствам объекта фиксируются в нормативно-технической документации (НТД). Спектр требований охватывает внешние и внутренние свойства объекта.
Внешние свойства определяют наружные характеристики объекта (качество и цвет защитных покрытий, герметичность уплотнений, свечение транспарантов на пультах управления и т.д.).
Внутренние свойства непосредственно определяют возможность реализации и эффективность процесса функционирования системы.
Применительно к электронным объектам в качестве внутренних свойств рассматриваются: сопротивление изоляции различных элементов, переходные сопротивления в штепсельных разъёмах, сопротивления запирающих слоёв полупроводниковых элементов, ёмкости конденсаторов, индуктивности обмоток и т.д.
Для механических объектов к таким свойствам могут быть отнесены: зазоры в кинематических парах и подшипниковых узлах, усилия сжатия или натяжения пружин, отложения из примесей рабочих сред в трубопроводах или воздушных трактах, продуктов сгорания в газовых трактах и т.д.
Поскольку свойства объекта изменяются во времени непрерывно, то и множество технических состояний, в которых он может находиться, является континуальным.
На множестве технических состояний объекта могут быть выделены подмножества, в рамках которых технические состояния обладают некоторыми общими свойствами. Данные подмножества называются видами технического состояния.
Таким образом, вид технического состояния – это подмножество технических состояний объекта, которые характеризуют одинаковую степень его функциональной пригодности или отдельные режимы его нормального функционирования. Выделяются следующие основные виды технического состояния: исправность, неисправность, работоспособность, неработоспособность, правильное функционирование, неправильное функционирование (ГОСТ 27.003-89 «Надежность в технике. Термины и определения»).
Исправность –вид технического состояния, при котором объект соответствует всем требованиям НТД (как по внешним, так и по внутренним свойствам).
Неисправность - вид технического состояния, при котором объект не соответствует хотя бы одному требованию НТД.
Событие, заключающееся в нарушении исправности объекта называется повреждением (причем это случайное событие).
Работоспособность - вид технического состояния, при котором объект соответствует всем требованиям НТД, определяющим его способность выполнять заданные функции (т.е. количественные характеристики внутренних свойств объекта удовлетворяют требуемым значениям).
Неработоспособность - вид технического состояния, при котором объект не соответствует хотя бы одному требованию НТД, определяющему его способность выполнять заданные функции.
Событие, заключающееся в переходе объекта в неработоспособное состояние, называется отказом.
Неисправный объект может быть работоспособен. Например, если состояние кислородного компрессора удовлетворяет всем требованием НТД, кроме требуемого качества и цвета защитного покрытия его корпуса, то он является неисправным, но работоспособным.
Правильное функционирование - вид технического состояния, при котором объект соответствует всем требованиям НТД, определяющим его способность выполнять заданные функции в данный момент времени (т.е. количественные характеристики внутренних свойств объекта в данный момент времени удовлетворяют требуемым значениям).
Неправильное функционирование - вид технического состояния, при котором объект не соответствует хотя бы одному требованию НТД, определяющему его способность выполнять заданные функции в данный момент времени.
Событие, заключающееся в переходе объекта в состояние неправильного функционирования называется отказом (случайное событие).
Неработоспособный объект может быть правильно функционирующим. Например, в объекте (рис.1) отказал какой-то функциональный элемент.
Он становится неработоспособным. Но если алгоритм функционирования объекта таков, что в данный момент времени ФЭ не задействован в реализации рабочего процесса, объект является правильно функционирующим.
Отказы подразделяются на постепенные и внезапные.
Постепенные отказы возникают в результате плавного изменения свойств объекта, характеризующих его функциональную пригодность в заданных условиях целевого применения. Недопустимые износы в кинематических парах механизма вследствие его длительной или неправильной эксплуатации являются примером постепенных отказов. Постепенные отказы снижают эффективность реализации рабочего процесса объекта.
Внезапные отказы возникают в результате скачкообразного изменения свойств объекта. Примеры внезапных отказов: поломка коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания; пробой запирающего слоя в транзисторе микросхемы. Причинами таких отказов являются производственные ошибки, отступления от требований НТД в ходе эксплуатации. Внезапный отказ означает невозможность дальнейшего применения объекта по назначению.
Значительная часть внезапных отказов представляет собой результат неконтролируемого развития постепенных отказов.
Все методы безразборного контроля и диагностирования ориентированы, в основном, на предупреждение и выявление постепенных отказов. Это позволяет одновременно значительно снизить вероятность возникновения отказов внезапных.
Контроль технического состояния –это процесс определения исправности, работоспособности или правильности функционирования объекта (ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения).
В дальнейшем будут рассматриваться вопросы, связанные со способностью или неспособностью объекта выполнять заданные функции. Поэтому под контролем технического состояния далее понимается процесс определения работоспособности или правильности функционирования объекта.
Техническое диагностирование –это процесс поиска отказов (отказавших функциональных элементов) в объекте (ГОСТ 20911-89).
Отрасль знаний «Основы контроля и технической диагностики» занимается исследованием технических состояний систем, формы проявления этих состояний, разрабатывает методы их определения, а также принципы построения и организацию использования систем контроля и диагностирования.
Система контроля и диагностирования –это совокупность объекта, технических средств контроля и диагностирования, исполнителей и соответствующей технической документации (ГОСТ 20911-89).
Технические средства контроля и диагностирования могут быть как аппаратурными, так и программными.
К аппаратурным средствам относятся: датчики (первичные преобразователи информации), вторичные и передающие преобразователи, устройства обработки информации (вычислительные блоки, ЭВМ).
Программные средства –это программы, которые реализуют заранее разработанные алгоритмы контроля и диагностирования. Реализация алгоритмов осуществляется с помощью аппаратурных средств.
Термин «диагностика» происходит от греческого «диагнозис», которое означает распознавание, определение.
Дополнение от 22.03.11.
В соответствии с положениями теории надежности отказ является случайным событием. Возникает вопрос, как можно определять момент и место такого случайного события? Следует вспомнить о философском понимании диалектики необходимости и случайности. «…где на поверхности происходит игра случая, там сама эта случайность всегда оказывается подчиненной внутренним, скрытым законам. Все дело лишь в том, чтобы открыть эти законы». (К. Маркс, Ф.Энгельс. Соч. 2-е изд. Т.21, с.308).
Момент и место появления отказа в объекте являются случайными в полном смысле этого слова, если отсутствует контроль его технического состояния. При наличии контроля и тем более при его постоянном углублении степень локализации отказа увеличивается. Причем имеет место увеличение степени локализации как по времени, так и по месту появления отказа. Конечно, отказ не становится событием, которое полностью детерминировано по времени и по месту появления. Но степень случайности этого события резко снижается.
3
Литература
1. Надежность и эффективность в технике. Справочник в 10 томах. Том 9. Техническая диагностика. –М.: Машиностроение, 1987. –с.
. Дмитриев А.К. , Мальцев П.А. Основы теории построения и контроля сложных систем. –Л.: Энергоатомиздат, 1988. –с.
3. Буравлев А.И. Управление техническим состоянием динамических систем. –М.: Машиностроение, 1995. –с.
. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. –М.: Машиностроение, 1987. –с.
5. Гуляев М.Н. Техническая диагностика управляющих систем. –Киев: Наукова Думка, 1993. –с.
6. Контроль и диагностика сложных технических систем/Под ред. В. Г. Беликова –М.: Энергоатомиздат, 1986. –с.
7. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов: Пер. с англ. –М.: Мир, 1978. –с.
8.Тарасенко Ф.П. Непараметрическая статистика. –Томск: Изд-во Томского университета, 1976. –с.
9. Цыпкин Я.З. Адаптация и обучение в автоматических системах. –М.: Наука, 1968. –с.
10. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа.–М.: Физматлит, 2009.
11. Сеньченков В.И. Математическая модель входных и выходных процессов системы как объекта контроля технического состояния // Изв. вузов. Приборостроение. 2004, Т.47, № 5.
12. Сеньченков В.И. Формирование множества контролируемых признаков системы на основе метрической теории и функционального анализа // Изв. вузов. Приборостроение. 2005, Т. 48, № 7.
13. Сеньченков В.И. Математическое обеспечение контроля технического состояния мехатронных комплексов // Авиакосмическое приборостроение. 2005, № 10.
14. Сеньченков В.И. Процедуры обучения при построении моделей контроля технического состояния сложных систем// Изв. вузов. Приборостроение. 2010, Т. 49, № 1.
11
Предмет и задачи дисциплины «Основы контроля и технической диагностики»