Выбор диагностических признаков

Объектом диагностики может быть техническое устройство или его элемент. Простейшим объектом диагностики является кинематическая пара. В качестве объекта диагностики может выступать агрегат любой сложности.

Объект диагностики можно рассматривать в двух аспектах [40]:

- с точки зрения структуры;

- с точки зрения способа функционирования.

Каждый из аспектов имеет свои особенности, описываемые своей системой понятий. Структура объекта определяется предписываемыми ему функциями. При структурном подходе имеют дело с размерами и формой деталей, с зазорами в кинематических парах и др. свойствами элементов объекта, обеспечивающими его нормальную работу. Основным понятием диагностики, связанным со структурным аспектом, будет состояние объекта.

Свойства структуры объекта в некоторый момент времени t могут быть охарактеризованы совокупностью параметров x₁^', x₂^',.... x_n^'. Параметры x_i^' - величины переменные. При изготовлении объекта они зависят от различных технологических факторов, а в период эксплуатации - от степени износа и разрушения деталей. Чтобы задать начало отсчета параметра x_i^', вводится понятие идеального объекта. Под идеальным объектом подразумевается воображаемая система, структура которой с абсолютной точностью соответствует проекту. В идеальном объекте отсутствуют какие бы то ни было нарушения и дефекты. Все реальные объекты в той или иной степени отличаются от идеального. Обозначим x_i ^о значение параметра состояния идеального объекта. Тогда разность

x_i = x_i^' - x_i^о

будет характеризовать отклонение i -го параметра диагностируемого объекта от параметра идеального прототипа (от номинала).

Очевидно, что свойства структуры объекта могут быть охарактеризованы различными наборами параметров. Так, свойства подшипника можно задать диаметром вала d, диаметром втулки D и зазором между ними h. Таким образом, между некоторыми параметрами структуры объекта возможны зависимости вида

x_i = f(x₁^', x₂^',...., x_n).

Таким образом, техническое состояние машин и механизмов характеризуется структурными параметрами, изменение которых является причиной изменения технического состояния. Структурными параметрами являются параметры деталей, их взаимное расположение - размеры, зазоры, перекосы, нарушение геометрии, расходные характеристики и т.д. Таким образом, техническое состояние объекта определяется совокупностью технических параметров, характеризующих возможное отклонение функционирования объекта от нормального, приводящее к отказу.

В общем случае, на совокупность параметров структуры x_i накладывается условие минимальности. Совокупность параметров x₁, x₂,.... x_n будет минимальной, если ни одна из этих величин не может функционально выражаться через значения других параметров, входящих в совокупность.

Помимо минимальности, совокупность параметров, описывающих структуру механизма, должна удовлетворять условию полноты. Совокупность параметров x_i будет полной, если знание их величины позволяет принимать однозначные решения о необходимости ремонта и обслуживания механизма.

Состоянием объекта называют полную минимальную совокупность параметров структуры (x₁, x₂,.... x_n), характеризующих отклонение структуры объекта от структуры идеального прототипа.

При функциональном подходе объект рассматривается как единая система, порождающая различные процессы. Любой работающий объект порождает много различных по физической природе процессов: отдает механическую энергию, излучает тепло и акустические колебания и т.д. Все эти процессы можно охарактеризовать количественно совокупностью параметров s₁, s₂,..., s_m. Величина этих параметров зависит от состояния объект и от режима его работы (скорости, нагрузки и т.д.). Если режим работы объекта во время диагностики строго регламентируется, то любое изменение величины указанных параметров должно быть предписано изменению формы, размеров и т.д., т.е. изменению состояния объекта. На основании этого параметры выходных процессов объекта рассматривают как функции состояния:

s_j = S_j(x₁, x₂,.... x_n).

Для каждого вида объектов можно определить бесконечное число функций состояния, поскольку любая функция от функции состояния также является функцией состояния.

Группа функций состояния, основанная на критериях эффективности объекта, представляет собой числовые характеристики способности объекта выполнять заданную работу, т.е. характеристики, характеризующие работу объекта. Наиболее часто применяются такие показатели, как к.п.д., производительность и т.д.

Другая группа функций состояния включает в себя числовые характеристики различных процессов, т.е. параметры диагностического сигнала, сопутствующие работе объекта (сопровождающие работу объекта) и доступные для непосредственного измерения. Сами по себе процессы, образующие диагностический сигнал, как правило, не имеют существенного значения с точки зрения работоспособности объекта и поэтому в машиноведении, за исключением диагностики, обычно не изучаются. Но в диагностики их роль существенна: они служат источником информации о состоянии объекта.

В процессе поиска неисправностей осуществляется разделение составляющих объекта на классы не различающихся между собой неисправностей. Число классов (следовательно, число входящих в них неисправных состояний) определяет достигаемую при поиске неисправностей детализацию мест неисправностей. Эту степень детализации в технической диагностике принято называть глубиной поиска или глубиной диагностирования.

На практике при техническом обслуживании машин глубина поиска неисправностей в агрегате обычно ограничивается отдельными элементами агрегата. При нахождении отказавшего узла, детали его заменяют на исправный или проводят его регулирование, если, это регулирование предусмотрено инструкцией по эксплуатации и обеспечивает устранение неисправности. На ремонтных предприятиях или станциях технического обслуживания при осуществлении капитального ремонта глубина диагностирования доводится до отдельных узлов и деталей агрегатов.

При диагностировании сложных технических систем, широко используется теория информации, которая в этом случае является общей теорией связи статистических систем. В диагностике агрегатов, например, насосов, компрессоров, объектов, такими статистическими системами являются система состояния агрегата, образующая множество Е состояний, и связанная с ней система признаков К. При этом под диагностическим признаком (параметром) агрегата будем понимать признак, используемый для определения технического состояния диагностируемой системы и ее отдельных элементов. Таким образом, характеристики диагностического сигнала или параметры характеристик, содержащие информацию о параметрах технического состояния объекта, называют диагностическими признаками состояния.

Размерности совокупности структурных параметров и совокупности диагностических признаков в принципе неограниченны, что и обуславливает развитие технической диагностики.

Практическое же решение прикладных задач диагностики состоит в том, чтобы отыскать такие диагностические признаки, которые однозначно связаны с соответствующими структурными параметрами,определяющими основные причины деградации технического состояния объекта. Эти диагностические признаки должны быть практически взаимно статистически независимы между собой и должны соответствовать взаимно статистически независимым между собой классам неисправностей и дефектов объекта. Слово “практически” отражает наличие взаимосвязей между всеми дефектами и диагностическими признаками как объективного свойства природы.

Каждое техническое состояние агрегата, каждая конкретная ее неисправность обычно характеризуется одним или несколькими внешними признаками. Например, неисправность качающего узла гидронасоса может привести к снижению давления в напорной линии системы, резкому увеличению пульсации давления за насосом, повышению температуры корпуса насоса, изменению шумового спектра насоса и т. д. Диагностические признаки принято разделять на прямые и косвенные.

При выборе диагностических признаков для оценки технического состояния агрегатов следует учитывать требования эффективности контроля и оптимизации системы диагностирования. Диагностические признаки должны, прежде всего, иметь однозначную связь с состоянием объекта диагностирования. Однако следует учитывать, что изменение диагностических признаков происходит не только вследствие изменения технического состояния объекта, но и вследствие изменения условий диагностирования.

Выбранные диагностические признаки должны образовывать полную систему для обеспечения достоверного определения технического состояния агрегата. При их выборе следует обязательно учитывать характеристики взаимных статистических связей признаков, которые отражают взаимосвязи между различными физическими процессами в агрегате. Знание взаимных статистических связей признаков позволяет при необходимости устанавливать значения одних признаков по значениям других. Взаимосвязанные признаки часто называют структурными.

При оптимизации номенклатуры диагностических признаков для оценки технического состояния агрегатов следует отдавать предпочтение тем признакам, которые имеют наибольшую диагностическую ценность, позволяют обнаружить неисправности на возможно более ранних стадиях их развития и которые удобно определять, измерять в процессе эксплуатации и обрабатывать при анализе. При этом следует подчеркнуть, что выбор и оптимизация диагностических признаков зависит от выбранного метода диагностирования и является чрезвычайно сложной и ответственной задачей.

Существует много причин, изменяющих значение признака при неизменном состоянии агрегата, однако можно выделить три источника такой неинвариантности.

Одним из источников неинвариантности является сам агрегат как объект диагностирования. В результате воздействия внутренних и внешних случайных факторов характеристики агрегата обладают статистической изменчивостью. Это приводит к возможной невоспроизводимости значений признаков при повторных испытаниях и диагностировании.

Другой источник неинвариантности связан с аппаратурными помехами, погрешностями измерений и неисправностями аппаратуры диагностирования.

Третий источник неинвариантности определяется физической сущностью признаков. При данном состоянии агрегата признак может проявиться или не проявиться, а значение его может быть случайным.

Поэтому в связи с отмеченными свойствами диагностических признаков при определении технического состояния агрегата необходимо знать не только связи между структурными параметрами входящих в него узлов, механизмов и его выходными параметрами, но и их статистические характеристики.

Процессы, сопровождающие работу объекта и несущие диагностическую информацию, можно представить как функции времени. Такими функциями времени могут быть температура охлаждающей жидкости, расход энергии, уровень шума и многие другие процессы.

Диагностирование можно построить на следующем принципе. Используя датчики с высокой инерционностью или интегрируя сигнал с датчика в специальном устройстве, можно охарактеризовать процесс одной постоянной величиной – средним значением изменяющегося параметра. Если среднее значение заведомо равно нулю, то в качестве характеристики протекания процесса можно взять его дисперсию. В некоторых случаях процесс может быть охарактеризован максимальным значением изменяющегося параметра, например, процесс в цилиндре двигателя – максимальным индикаторным давлением.

Поскольку состояние объекта обычно описывается не одним, а целой совокупностью параметров, то при указанной выше обработке сигналов для однозначного диагностирования объекта требуется использовать большое число разнообразных процессов.

Но диагностирование может быть построено и на другом принципе. Вместо того чтобы регистрировать и усреднять большое число различных процессов, регистрируется только один из них, но для его анализа используется такой способ обработки сигнала, из которого извлекается вся диагностическая информация.

Системы диагностики, построенные на первом принципе, можно назвать статическими, поскольку они имеют дело с постоянными значениями сигнала. Системы, построенные на втором принципе, называют динамическими, так как они оперируют с переменными сигналами, главным образом имеющими колебательный характер. Такие сигналы обладают сложной временной и спектральной структурой, поэтому способны переносить большие объемы информации.

Использование всего одного процесса вместо множества разнородных по физической природе процессов следует считать достоинством динамической системы диагностики по сравнению с статической.