книги / Эксплуатация оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи
..pdf(7.2)
может служить оценкой ресурса объекта.
Поскольку интервал времени, необходимый для достижения одним из параметров состояния критического значения х* опре
деляется не только разностью Ах,-, но и скоростью изменения па раметра Xi (dxj/dt), то обычно в число искомых диагностической задачи включают и определение этой скорости. Так, прогнозиро вание технического состояния объекта может быть осуществлено путем определения параметров технического состояния, которые позволяют оценить не только пригодность проверяемых частей, но и предсказать время их отказа.
На рис. 7.1 в качестве примера показано нарастание износа в сопряженных деталях, вызывающее изменение параметра техни ческого состояния:
к — бдоп ~ взам |
1 |
_ бзам |
р ------1 |
—1 |
7— » |
доп |
|
°доп |
где 8эам - замеряемый зазор; 5Д0П“ допустимый зазор.
7.1. График изменения во времени износа (зазора) сопряжения
Если
Если
Если
^зам |
|
^доп » Т О |
|
^эам |
= |
0, |
Т О |
6 э.м |
^ |
^доп > Т О * р |
|
= 0
= 1 , т . е . О < А р < 1 . V о
Отрицательная величина параметра свидетельствует об ава рийном характере износа проверяемых деталей. На основании опыта принимаем, что зазор 5нач в конце приработки примерно в 2 раза больше предусмотренного конструкцией допуска а в под вижном сопряжении. Тогда можно записать
Ô,.M* 2(a + T J>Mt g a ) ,
где тэа„ наработка, соответствующая зазору 6эам; tg а - интенсивность изнашивания.
Таким образом, параметр технического состояния Кр умень шается с увеличением пробега и будет иметь значение
где В - постоянная для данных сопряженных деталей величина (так как a, tg а и 6Д0Ппостоянны).
По величине параметра технического состояния можно судить об остаточном ресурсе Тост до появления отказа в агрегате. Из рис. 7.1 следует, что при К? « 1 -> = тф, а при К? « 0 -> =
• 0, (где Тф - наработка, соответствующая изменению зазора от
8Нач ДО 8Д0П).
ПАРАМЕТРЫ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Этот класс функций состояния включает числовые характеристики различных выходных процессов, сопутствующих работе объекта и доступных для непосредственного измерения.
Сами по себе процессы, образующие диагностический сигнал, как правило, не имеют существенного значения с точки зрения работоспособности объекта. Однако в диагностике их роль суще ственна: они служат источником информации о состоянии объ екта. Выходные процессы объекта и изменения их параметров являются единственным видимым извне проявлением его со стояния.
Параметрами сигнала, давно используемыми для контроля со стояния объекта, являются температура в различных точках, уро-
222
вень создаваемого шума, цвет масла, прозрачность выхлоп ных газов и др. Обозначим параметры диагностического сигна ла через 5Ь 52, sm. На их совокупность можно наложить рас смотренные ранее условия минимальности и полноты. Совокуп ность параметров сигнала будет полной, если через эти парамет ры можно однозначно выразить каждый параметр состояния объекта.
Если существуют однозначные функции
Xi " Xi (5j, S2t ...» Sm) |
(7.3) |
для каждого из п параметров xif то совокупность параметров |
|
Sj ~~ Sj (5 i, 52, ..., 5m)
полна с точки зрения решаемой задачи.
В связи с неизбежными ошибками измерения параметров сигнала на них обычно накладывают несколько ослабленное тре бование полноты, а не в виде соотношения (7.3).
Если х* - истинное значение параметра состояния в момент времени t, а 5Ь 52, ..., sm - значения параметров сигнала в тот же момент, то совокупность параметров сигнала можно считать пол ной при
x ; - x l(sl,s2....sm)< Др
где Д, - допустимая ошибка в определении параметра состояния. Теперь введем одно из основных понятий диагностики - по
нятие диагностического сигнала.
Диагностическим сигналом будем называть полную совокуп ность функций состояния si, Si, .... sm, каждая из которых может быть непосредственно измерена на работающем объекте.
Функции состояния, в частности диагностический сигнал Si, sj...... sm, снимаемый с объекта, определяются не только его со стоянием *i, х2, ..., х„, но и другими переменными, называемыми внешними условиями.
Внешние условия, определяющие работу объекта, можно раз делить на три группы факторов:
1) управляющие, которые могут изменяться персоналом, про изводящим диагностирование, по его усмотрению. К ним отно сится, например, установка рычагов управления объектом;
2) контролируемые, которые в процессе диагностирования можно измерить, но нельзя изменить. К ним, например, относит ся состояние среды, в которой работает объект (температура и состав окружающего воздуха, напряжение и частота тока в сети и ДР-);
3) неконтролируемые - это всевозможные флуктуации окру жающей среды, контроль которых затруднен. Неконтролируемые факторы вносят погрешность в диагностическое решение и по этому называются помехой.
Диагностические сигналы должны по возможности удовлетво рять следующим требованиям:
1)доступности и точности измерения;
2)каждое значение измеренного диагностического параметра должно однозначно определять значение структурного параметра, т.е. размеры детали и зазора в сопряжении и т.д.;
3)должны иметь достаточно широкий диапазон изменения диагностического параметра, соответствующего определенному интервалу изменений структурного параметра.
ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ
Рассмотрим объект, состояние которого определяется независимыми величинами х и х2, ..., хт состояние объекта в не который момент времени известно, если определены значения каждой из п величин Эта задача будет также решена и в том случае, если х\ будут выражены любыми другими величинами
s2, -, sm, которые известны.
Такой косвенный процесс определения неизвестных парамет ров состояния и называют диагностикой. Она сводится к изме рению доступных параметров диагностического сигнала Sj, s2, ...» sm и к вычислению параметров состояния с помощью известных соотношений вида (7.3), которые устанавливаются во время та рировки системы диагностики. Тарировка заключается в измене нии в определенном порядке состояния элементов объекта и в регистрации параметров сигнала sj.
Таким образом, для описания состояния объекта имеем две системы параметров xh хъ -, хп и su s2t..., sm.
Связь между параметрами технического состояния X и диаг ностическим параметрами S может быть четырех видов: единич ная, множественная, интегральная и смешанная (рис. 7.2). При определении конкретной причины отказа объекта используют параметры первого и второго вида, а для общей оценки состоя ния объекта с минимальными затратами времени - параметры третьего вида. Параметры четвертого вида из-за их неоднознач ности для диагностирования непригодны.
Чтобы диагностическая задача была разрешимой, необходимо взаимно однозначное соответствие между обеими группами па раметров. Практически это значит, что каждому возможному со-
224
а |
б |
г |
Рис. 7.2. Виды связи между параметрами технического состояния и диагно стическими параметрами:
а - единичная; б - множественная; в - интегральная; г - смешанная
стоянию объекта должен соответствовать свой диагностический сигнал, а каждому сигналу - единственное состояние.
Определение зависимости сигнала от изменения параметров состояния объекта:
Sj - Sj (хх, хъ ..., хп) |
(7.4) |
или эквивалентной ей зависимости параметров состояния от ве личины параметров сигнала (7.3) составляет важнейший и самый трудоемкий этап разработки системы диагностики.
Число необходимых изменений состояния объекта при этом эксперименте определяется видом функций (7.3) и (7.4). Если эти зависимости линейны, то для определения их конкретного вида требуется всего 2 раза изменить состояние объекта и за фиксировать при этом значение параметров сигнала.
Практически оперирование с системами вида (7.3) и (7.4) может оказаться очень громоздким, если состояние объекта опи сывается большим числом параметров. Так, для описания со стояния четырехцилиндрового дизеля требуется около 100 пара метров. Очевидно, что для двигателя прямой путь использования системы (7.3) приводит к громоздким уравнениям. Чтобы избе жать подобных затруднений, механизм обычно условно расчле няют на части, и для каждой части в отдельности составляют уравнения вида (7.3). Наибольшие упрощения достигаются в том случае, если каждый параметр состояния х, удается связать толь ко с одним параметром сигнала s/.
Xi = Xi (sj). |
(7.5) |
Тогда система (7.3) распадается на п независимых соотношений вида (7.5).
При оценке технического состояния различных объектов испольэУют как субъективные, так и объективные методы диагно стирования.
Субъективные методы диагностирования. К ним относятся
8 - 10400 |
225 |
визуальный осмотр, прощупывание, остукивание, опробование и ослушивание сборочных единиц и машины в целом.
Эти методы позволяют выявить лишь качественные отклоне ния состояния того или иного механизма от нормы (ослабление крепления, наличие трещин, изломов и деформаций в деталях, подтекание топлива, масла, охлаждающей жидкости и электроли та, обрыв и расслоение ремней, неполнота сгорания топлива, не равномерное натяжение гусеничных полотен, попадание воздуха в гидросистему и т.д.). В практике они находят широкое приме нение для предварительной (ориентировочной) оценки техниче ского состояния.
Объективные методы диагностирования дают точную количе ственную оценку сборочной единицы, машины. Они основаны на использовании как специальных контрольно-диагностических средств (оборудования, приборов, инструмента, приспособлений), так и устанавливаемых непосредственно на машинах или входя щих в комплект инструмента машиниста.
Объективное диагностирование разделяют на прямое и кос венное.
Прямое диагностирование - это процесс определения техниче ского состояния объекта по его структурным параметрам (зазо рам в подшипниковых узлах, в клапанном механизме, в верхних и нижних головках шатунов кривошипно-шатунного механизма, биению валов, размерам деталей, доступных для непосредствен ного измерения, и др.).
Сборочные единицы и машину в целом диагностируют по структурным параметрам с помощью универсальных измеритель ных приборов: калибров, щупов, масштабной линейки, штанген циркулей, микрометров, зубометров, нормалемеров и др. Это По зволяет получать точные результаты. Недостаток такого метода заключается в том, что он во многих случаях требует разборки объекта диагностирования. Последнее значительно увеличивает трудоемкость работ и нарушает приработку сопряженных По верхностей. Поэтому в практике прямое диагностирование, как правило, проводят в тех случаях, когда структурные параметры объекта диагностирования можно замерить без разборки сопря женных поверхностей.
Косвенное диагностирование - это процесс определения фак тического состояния объекта диагностирования по косвенным, или, как их называют, диагностическим параметрам.
В качестве косвенных показателей используют изменение па раметров рабочих процессов, структурных шумов, содержания продуктов износа в масле, мощности, расхода топлива и др.
Сам процесс диагностирования проводят с помощью маИо-
метров, вакуумметров, пьезометров, расходомеров, пневматиче ских калибраторов, дымомеров и различных специальных при боров.
7.2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Современная техническая диагностика пользуется для определения технического состояния машин приборами, дающими возможность более объективно определять состояние машин, а также воспринимать диагностические сигналы, излу чаемые механизмом, недоступные восприятию непосредственно органами чувств человека.
Для разработки методов и средств технической диагностики какой-либо машины, прежде всего, следует выявить, какие пара метры характеризуют работу проверяемой машины и опреде ляют ее надежность. Затем надо установить диагностические критерии количественной величины параметров и для их опре деления разработать соответствующие методы и средства.
Внастоящее время основными параметрами, характеризую щими качество работы технологического оборудования, являют ся: производительность, точность, жесткость, виброустойчивость
ишумообразование; надежность технологического оборудования характеризуется вероятностью безотказности, долговечностью, ремонтопригодностью его частей и механизмов.
Вбольшинстве случаев перечисленные параметры взаимосвя заны, что дает возможность значения одного параметра опреде лять через значение другого. Например, точность работы некото рых механизмов металлорежущего станка можно определить, проверив их на жесткость. Диагностирование технологического оборудования по точности, жесткости, виброустойчивости и шумообразованию следует производить методами и средствами, указанными в соответствующих стандартах.
Взависимости от условий проведения диагностирования применяются следующие виды технической диагностики.
Техническая диагностика, проводимая на работающем объекте: по параметрам рабочих процессов (мощность, расход топлива, производительность, давление и др.); по диагностическим пара метрам, косвенно характеризующим техническое состояние
(температура, шум, вибрации и т.д.).
Техническая диагностика, выполняемая на неработающем объ екте: по структурным параметрам (износ деталей, зазор в сопря жениях и т.П.).
По объему, методам и глубине операций она может быть ком плексной (называемой также общей) и поэлементной.
Комплексная диагностика выявляет нормальное функциони рование, эффективность, работоспособность машины (агрегата) в целом. Цель ее - определить соответствие нормам выходных эксплуатационных показателей проверяемых агрегатов по их ос новным функциям. Примером такой диагностики может быть определение мощности и топливной экономичности двигателя, подачи и долговечности насоса, потерь в трансмиссии, процента буксования сцепления и т.д.
Поэлементная диагностика определяет причину нарушения работы агрегатов (механизмов) обычно по сопутствующим кос венным признакам; например, причину потерь мощности двига теля - по компрессии или прорыву газов в картер, причину по вышенного расхода топлива - по уровню в поплавковой камере карбюратора или производительности жиклеров, причину потерь в трансмиссии - по вибрациям и нагревам и т.д. Однако в этом случае конкретизация причин неисправностей доводится лишь до такого уровня, при котором выявляется потребность снятия или разборки проверяемого механизма.
Вообще диагностику, как правило, проводят на нескольких уровнях:
1)на уровне машины в целом;
2)на уровне ее агрегатов;
3)на уровне систем, механизмов и деталей и др.
При этом на каждом из перечисленных уровней определяют техническое состояние, главным образом, двухмерно. Это означа ет, что диагностика должна дать однозначный ответ: нуждается или не нуждается в настоящее время проверяемый агрегат в ре монте или техническом обслуживании с учетом обеспечения без отказной работы до очередного планового технического воздей ствия. Если техническое состояние проверяемого агрегата не со ответствует нормам и он состоит из нескольких самостоятельных механизмов, то необходима поэлементная диагностика каждого из этих механизмов и т.д.
При поэлементной диагностике данного механизма в первую очередь проверяют механическое состояние так называемых «критических» деталей, т.е. таких деталей, которые в первую очередь определяют работоспособность механизма (клапаны бу рового насоса, опора ротора и др.).
Глубина диагностики механизмов ограничивается получе нием ответа на вопрос: необходима ли разборка механизмов. Если она необходима, то дальнейшее более детальное диагнос тирование не имеет практического смысла, поскольку дефекты
228
Таблица 7.2
Диагностические параметры, методы и средства измерения
Параметры (признаки) |
Методы |
Средства |
Наработка, выполненные |
Ознакомление с учет |
Учетный документ (тех |
ремонты, эксплуатацион |
ными документами и |
нический паспорт, данные |
ный расход топлива и |
заявками обслуживаю |
о наработке, ремонтах, за |
масла, динамические ка |
щего персонала |
явки) |
чества |
Визуальная проверка |
Зеркало, перископ, теле |
Вмятины, поломки, зади |
||
ры, следы подтеканий, |
путем осмотра и про |
визор |
дымление, стуки, скрипы, |
слушивание |
|
нагрев |
Измерение рабочих па |
Стенды динамический и |
Мощность, расход топли |
||
ва, производительность, |
раметров состояния аг |
гидравлический для про |
давление, тормозные си |
регатов и систем (глав |
верки производительнос |
лы, пробуксовка сцепле |
ным образом эффектив |
ти, тяговых и тормозных |
ния, состав отработавших |
ности) |
качеств; анализатор газов; |
газов |
Измерение диагности |
расходомер и др. |
Потери в трансмиссии, |
Испытательный стенд, ди |
|
усилия на рычагах и пе |
ческих параметров (по |
намометр |
далях |
терь на трение в агре |
|
Температура воды, буро |
гатах и механизмах) |
Термометр, термопара, |
Измерение диагности |
||
вого раствора, масла, по |
ческих параметров (теп |
термосопротивление |
верхности корпусов, узлов |
лового состояния агре |
|
трения |
гатов и систем) |
Щупы, индикатор, люфто- |
Зазоры, люфты, свобод |
Измерение структурных |
|
ные и рабочие ходы, ус |
параметров, установоч |
меры, линейка |
тановочные углы |
ных размеров |
Компрессометр, вакуум |
Компрессия, разрежение, |
Измерение диагности |
|
утечки, прорыв газов, |
ческих параметров (гер |
метр, расходомер; пьезо |
жидкости, угар и давле |
метичности, давления) |
метр, опрессовочные при |
ние масла, давление пере |
|
способления |
качиваемого продукта |
Анализ колебательных |
Виброакустическая аппа |
Частота и амплитуда зву |
||
ка, вибраций, биений |
сопутствующих процес |
ратура, стетоскоп |
|
сов (диагностических |
|
Концентрация продуктов |
параметров) |
Спектрограф, микрофо |
Анализ картерного мас |
||
износа в масле |
ла |
тометр, прибор для опре |
|
|
деления количества ме |
|
|
талла в масле |
могут быть выявлены более просто и точно после разборки ме ханизма.
Методы и средства диагностики отдельных агрегатов, систем и механизмов определяются их конструкцией и выполняемыми функциями.
В зависимости от вида диагностических параметров применя ют следующие методы технической диагностики: измерение по терь на трение в механизмах; определение теплового состояния
механизмов; проверка состояния сопряжения, установочных раз меров, герметичности и утечек, контроль шума и вибраций в ра боте механизма; анализ картерного масла (двигателя, ротора, вертлюга и др.).
Примерный перечень диагностических параметров, методов и средств диагностики оборудования, применяемого в отечествен ной и зарубежной практике, приведен в табл. 7.2. Из табл. 7.2 видно, что диагностику оборудования необходимо начинать с получения сведений о наработке оборудования и ремонтах, кото рым оно подвергалось, о расходе топлива и масла, динамике, склонности к перегреву двигателя и других агрегатов, о дымле нии, скрипах, шумах и т.д.
Эти сведения позволяют более целеустремленно проводить дальнейшую диагностику уже с применением технических средств, при помощи которых проверяют показатели эффектив ности и работоспособности оборудования в целом, его агрегатов и механизмов.
СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Средства диагностики технического состояния обо рудования служат для фиксирования и измерения величины ди агностических признаков (параметров). Для этого применяют приборы, приспособления и стенды сообразно характеру диагно стических признаков и методам диагностики.
Значительное место среди них занимают электроизмеритель ные приборы (вольтметры, амперметры, осциллографы и др.). Они широко применяются как для непосредственного измерения электрических величин (например, при диагностике систем за жигания и электрооборудования автомобиля), так и для измере ния неэлектрических процессов (колебаний, нагрева, давления), преобразованных при помощи соответствующих датчиков в элек трические величины.
При диагностике механизмов наиболее часто используют: дат чики сопротивления, концевые, индукционные, оптические и фо тоэлектрические датчики, при помощи которых можно измерять зазоры, люфты, относительные перемещения, скорость и частоту вращения проверяемых деталей; термосопротивления, термопары и биметаллические пластины для измерения теплового состояния деталей; пьезоэлектрические и тензометрические датчики для за мера колебательных процессов давления, биений, деформаций и др.