страница 1 страница 2 ... страница 7 | страница 8
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
Факультет металлургии, машиностроения и транспорта
Кафедра машиностроения и стандартизации
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Методические указания к выполнению практических работ для студентов машиностроительных специальностей
Павлодар
УДК 621:681.586.2 (07)
ББК 34.4-04 я7
С 40
Рекомендовано Учёным советом ПГУ им. С. Торайгырова
Рецензенты:
кандидат технических наук, профессор Шумейко И.А.
кандидат технических наук, профессор Дудак Н.С.
Составители: Р.О. Олжабаев, К.Н. Ромасёв, Д.А. Искакова
Д23 Системный анализ и диагностирование технических объектов: методические указания к выполнению практических работ для студентов машиностроительных специальностей / сост. Р.О. Олжабаев, К.Н. Ромасёв, Д.А. Искакова. – Павлодар, 2007. – 111 с.
В методических указаниях приводятся практические работы по дисциплине «Системный анализ и диагностирование технических объектов», показаны цели написания работы, приведены варианты расчётов.
Данные практические работы являются составной частью общего цикла работ предусмотренных по дисциплине «Системный анализ и диагностирование технических объектов».
УДК 621:681.586.2 (07)
ББК 34.4-04 я7
©Олжабаев Р.О., Ромасёв К.Н., Искакова Д.А., 2007
©
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова, 2007
Введение
Для изучения основных свойств машин необходимо проводить системный анализ и диагностирование технических объектов. Постановка задачи, формирование множества возможных вариантов решения задачи. Анализ ресурсного обеспечения вариантов; разработка вариантов; выбор и обоснование критериев эффективности решения задачи; методы и алгоритм принятия решения о выборе рационального варианта решения задачи.
Эффективность средств технической диагностики машин (СТДМ) не может быть рассмотрена в отрыве от эффективности системы диагностирования, в которой они используются. Эффективность, в свою очередь, является наиболее общей характеристикой системы диагностирования, оценивающей совершенство выполняемых ею функций.
К общим характеристикам СТДМ относят количественные показатели надежности, стоимость, массу и габаритные размеры. Показатели надежности и стоимость существенно влияют на показатели эффективности СТДМ. Габаритные размеры и масса определяют главным образом возможность применения средств в виде переносных, передвижных или стационарных.
Метрологические характеристики позволяют оценить СТДМ в отношении их пригодности для измерений в определенном диапазоне с заданной точностью. К числу метрологических характеристик, относящихся практически ко всем видам преобразователей и приборов, входящих в состав СТДМ, относятся функция преобразования, диапазоны показаний и измерений, погрешности средств измерений, динамические характеристики преобразователей и приборов, условия работы.
Практическая работа №1 Основные свойства средств технической диагностики машин
Цель работы: изучение основных свойств средств технической диагностики машин; получение практических навыков в определении эффективности СТДМ.
Задачи работы: научить студентов оценивать эффективность СТДМ.
После выполнения работы студент должен
Знать: совокупность показателей и характеристик, при помощи которых оцениваются СТДМ.
Уметь: рассчитывать эффективность различных СТДМ и определять пригодность того или иного средства в конкретных условиях оценки.
1.1 Эффективность, общие характеристики средств технической диагностики машин
Эффективность средств технической диагностики машин (СТДМ) не может быть рассмотрена в отрыве от эффективности системы диагностирования, в которой они используются. Эффективность, в свою очередь, является наиболее общей характеристикой системы диагностирования, оценивающей совершенство выполняемых ею функций. Известны разные показатели оценки эффективности. Например, экономический показатель W=(WP - Wз)/Wи, где Wи - идеальный доход (эффект), который можно получить в результате применения идеальной системы диагностирования; WP - реальный доход от применения реальной системы; W3 - затраты, связанные с использованием системы диагностирования. Однако этот показатель не может быть общим, например, он неприемлем при сравнении полезного эффекта с потерями в случае аварии объекта диагностирования (ОД). В связи с этим применяют не один, а ряд частных показателей, например информационно-статистический показатель W:
 (1.1)
где 
 - энтропии ОД по i-му параметру до и после диагностирования;
Рoi ; Pi - априорная и апостериорная вероятности безотказной работы ОД по i-му параметру.
Этот показатель хорошо учитывает точностные показатели системы диагностирования, но никак не учитывает, например, затрат, связанных с использованием системы диагностирования и трудоемкости диагностирования.
Объединенные частные показатели эффективности систем диагностирования регламентированы, приведены шесть частных показателей, предназначенных для сравнения различных вариантов систем диагностирования.
Вероятность Pij ошибки диагностирования вида (i, j). Вероятность совместного поступления двух событий: ОД находится в техническом состоянии i, а в результате диагностирования признается находящимся в техническом состоянии j. Здесь i - фактическое техническое состояние ОД; j -признанное по результатам диагностирования состояние ОД. Очевидно, что при i=j показатель Pij характеризует вероятность правильного определения технического состояния ОД.
Вероятность правильного диагностирования D — полная вероятность того, что система диагностирования определяет то техническое состояние, в котором действительно находится ОД.
Средняя продолжительность диагностирования τД - математическое ожидание продолжительности однократного диагностирования.
Средняя стоимость диагностирования Сд - математическое ожидание стоимости однократного диагностирования.
Средняя трудоемкость диагностирования Уд — математическое ожидание трудозатрат на проведение однократного диагностирования.
Глубина поиска дефекта L (по ГОСТ 20911-89) - характеристика поиска дефекта, задаваемая указанием составной части ОД или ее участка, с точностью до которой определяется место дефекта.
Первые пять из перечисленных показателей основаны на вероятностных оценках свойств ОД, результатов диагностирования, характеристик свойств диагностирования.
К числу общих характеристик СТДМ можно отнести следующие.
Универсальность СТДМ характеризует приспособленность СТДМ к диагностированию ОД различных типов или различных типоразмеров. Универсальность в значительной степени зависит от выбранных метода диагностирования и принципа измерения диагностических параметров.
Продолжительность и трудоемкость монтажа и демонтажа СТДМ на ОД. В большинстве внешних средств эта характеристика часто является одной из определяющих эффективность всей системы диагностирования, поскольку продолжительность монтажа и демонтажа СТДМ может составлять до 95% общей продолжительности процесса диагностирования.
Кроме используемого метода и средств диагностирования продолжительность диагностирования существенно зависит от степени приспособленности ОД к диагностированию (показателей контролепригодности ОД).
Быстродействие СТДМ определяет продолжительность измерений в процессе собственно диагностирования ОД. В многоканальных СТДМ с регистрацией результатов (например, виброаккустических параметров с опросом ряда преобразователей одним прибором быстродействие зависит от периода срабатывания коммутатора, времени установления переходного процесса в схеме прибора и быстродействия регистратора).
Степень автоматизации СТДМ. Наиболее распространенным критерием разделения СТДМ на ручные, полуавтоматические и автоматические является коэффициент степени автоматизации Ка:
 (1.2)
где  - суммарная продолжительность неавтоматического выполнения автоматизированных операций;
 - суммарная продолжительность неавтоматического выполнения операций.
К автоматическим относят средства при Ка>0,95...0,98, к полуавтоматическим при 0,95>Ка>0,5 и к ручным при Ка>0,5.
Форма представления информации. В СТДМ применяют аналоговые и дискретные формы представления информации. В соответствии с этим информацию о диагностических параметрах получают и обрабатывают в аналоговой (непрерывной) или дискретной форме. СТДМ с дискретной формой представления информации обладают большими возможностями, чем СТДМ с аналоговой формой представления информации, хотя последние проще и дешевле.
К общим характеристикам СТДМ относят количественные показатели надежности, стоимость, массу и габаритные размеры. Показатели надежности и стоимость существенно влияют на показатели эффективности СТДМ. Габаритные размеры и масса определяют главным образом возможность применения средств в виде переносных, передвижных или стационарных.
1.2 Метрологические характеристики
Метрологические характеристики позволяют оценить СТДМ в отношении их пригодности для измерений в определенном диапазоне с заданной точностью. К числу метрологических характеристик, относящихся практически ко всем видам преобразователей и приборов, входящих в состав СТДМ, относятся функция преобразования, диапазоны показаний и измерений, погрешности средств измерений, динамические характеристики преобразователей и приборов, условия работы.
Функция преобразования представляет собой табличную, графическую или аналитическую зависимость между значениями сигналов на входе и выходе средства измерения. Для преобразователей идеальной функцией преобразования является линейная зависимость между сигналами х на входе и у на выходе: у=К∙х, где К - коэффициент преобразования.
Графически эта зависимость выражается прямой, проходящей через начало координат под углом α к оси х. Значение tg α соответствует коэффициенту преобразования. В нелинейных преобразователях, как бы ни была нелинейна функция преобразования, всегда можно выделить небольшой участок, который можно аппроксимировать прямой и нормировать при этих условиях коэффициент преобразования.
Для приборов нормируют чувствительность S=Δy/Δx, которая является дифференциальным выражением коэффициента преобразования.
Диапазоны показаний и измерений. Диапазон показаний характеризует отношение максимальных к минимальным значениям измеряемой величины, несущих информацию о состоянии ОД.
Препятствием для измерений малых значений этих величин являются помехи и шумы, а также нестабильность нулевых уровней сигналов первичных и промежуточных преобразователей. Измерение показаний можно отличать только после того, как минимальная измеряемая величина xmin станет больше флюктуации выходного сигнала. В настоящее время понятию порог чувствительности (в отличие от ранее применявшегося количественно неопределенного понятия порог реагирования) дается строгая количественная оценка, а именно - значение измеряемой величины, равное абсолютному значению погрешности измерения.
Верхний предел диапазона показаний хmах в приборах и преобразователях прямого действия обычно определяется нелинейностью преобразователей и ограничением шкал в стрелочных приборах в конце диапазона показаний. В приборах сравнения верхний предел показаний, как правило, ограничен предельными параметрами элементов сравнения.
Отношения xmax/ xmin характеризует диапазон показаний, а часть этого диапазона, в который установлены нормы на погрешности, называют диапазоном измерений. Ширина диапазона измерений зависит от заданной погрешности. Диапазон показаний выражают в относительных или логарифмических единицах
 (1.3)
Аналогичным образом определяют и диапазон измерений.
Погрешности средств измерения. Средства измерения, применяемые в СТДМ, должны воспроизводить величины, характеризующие значения измеряемого диагностического параметра с погрешностью, не превышающей определенного значения. Погрешность результата измерения представляет собой разность между результатом измерения, т.е. значением, приписанным измеряемой величине после окончания измерений, и истинным значением этой величины, определение которого является целью измерения. Погрешность результата измерений обусловливается многими характеристиками измерительного процесса, в том числе и погрешностью СТДМ. К числу факторов, вызывающих погрешность измерения помимо погрешности СТДМ относятся погрешности выбранного метода диагностирования, изменение режима работы ОД во время диагностирования, а также субъективные погрешности оператора, фиксирующего показания, и т.п.
Погрешность СТДМ отражает только определенные свойства самого средства и обусловливается структурными, конструктивными или схемными особенностями средства, свойствами использованных в них материалов и элементов, особенностями технологии изготовления, регулировки и градуировки.
Погрешности средств измерения в первую очередь делят на основные и дополнительные.
Основной погрешностью называют погрешность средств измерения в условиях, которые определены нормативно-технической документацией как нормальные для данного средства измерений.
Дополнительные погрешности возникают при отклонении условий эксплуатации средства измерений от нормальных. Этот вид погрешности характеризуется так называемыми функциями влияния. Для СТДМ важна суммарная эксплуатационная погрешность, которая может быть определена в результате учета как основной, так и всех видов дополнительных погрешностей, имеющих место при работе СТДМ и ОД.
Динамические характеристики средств измерений. Эти характеристики используют для оценки динамических погрешностей измерений, которые возникают при неравенстве нулю скорости изменения измеряемых величин. Из всего многообразия динамических характеристик - ГОСТ 8.256-77 для СТДМ чаще всего использует совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик и переходную характеристику.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет зависимость коэффициента преобразования (чувствительности) от частоты.
Фазово-частотная характеристика (ФЧХ) представляет зависимость угла сдвига фазы от частоты моногармонического сигнала, поступающего на вход преобразователя или прибора. Идеальной ФЧХ является прямая, проходящая под любым углом из начала координат.
Переходная характеристика показывает реакцию преобразователя или прибора на воздействие скачкообразного входного сигнала. В практике скачкообразному воздействию (или близкому к нему) подвергаются преобразователи, воспринимающие удары, а также приборы, включаемые в работающие электрические цепи.
Переходной характеристикой широко пользуются для экспериментальной оценки динамических характеристик измерительных средств. Например, для определения верхнего частотного диапазона преобразователя давления последний устанавливают в замкнутом объеме, где создают скачок давления. По виду переходной характеристики оценивают верхнюю границу частотного диапазона. Для оценки АЧХ усилителя на его вход подают напряжение в виде единичного скачка. Таким же путем оценивают динамические характеристики регистрирующих приборов.
Выбор метрологических характеристик СТДМ. Метрологические характеристики выбирают на основе заданных требований к точности системы диагностирования и анализа характеристик связей диагностических и структурных параметров.
При выборе диагностических параметров в первую очередь рассматривают возможность их измерения (с оценкой степени сложности). Так, например, для механических передач, двигателей внутреннего сгорания, гидравлических машин и тормозов эффективным параметром является крутящий момент. Однако, сложность измерения очень часто исключает возможность его использования в качестве диагностического параметра. Количественную оценку целесообразности использования выбранного параметра в качестве диагностического осуществляют с учетом количественных показателей контролепригодности ОД по ГОСТ 23563-79.
Выбранные диагностические параметры х оценивают по виду функции х = f(ξ), где ξ - структурный параметр ОД. При сравнении диагностических параметров, имеющих идентичные виды f(ξ), проще пользоваться коэффициентом относительной дифференциации  , который показывает диапазон изменения диагностического параметра при фиксированном изменении структурного параметра.
Оценивают также степень нелинейности f(ξ). Предпочтительнее линейная зависимость. Наличие экстремумов функции f(ξ), т.е. точек с f(ξ)=0 усложняет средства и методику диагностирования, но, как правило, не исключает возможности использования такого параметра. При выборе диагностических параметров весьма важны их информационные характеристики, устанавливающие влияние вариаций функции f(ξ) на не поддающиеся учету влияющие факторы.
Требуемые динамические характеристики СТДМ выбирают по характеру изменения диагностических параметров во времени.
Практическая работа №2 Первичные измерительные преобразователи СТДМ
Цель работы: Изучение принципа действия различных первичных измерительных преобразователей СТДМ.
Задачи работы: Научить студентов определять расчетные значения характеристик различных первичных измерительных преобразователей.
После выполнения работы студент должен
Знать: принцип действия и конструкцию различных типов первичных измерительных преобразователей, методику расчета характеристик преобразователей.
Уметь: подбирать необходимый тип первичных измерительных преобразователей применительно к конкретным условиям испытаний, рассчитывать преобразователи.
Применяемые в СТДМ электрические первичные преобразователи делят на две группы: преобразователи электрических величин (напряжения, тока, сопротивления) и преобразователи неэлектрических величин (механических параметров, температуры, расходов жидкостей и газов, их состава и др.) в электрические. Последнюю группу, в свою очередь, делят на две подгруппы: генераторные, для которых выходной величиной является ЭДС или ток, и параметрические с выходной величиной в виде изменения параметров R, С или L. Характерным для этой подгруппы является наличие источника питания преобразователя. Параметрические преобразователи механических величин отличаются от генераторных также тем, что нижняя граница их частотного диапазона равна нулю.
В тех случаях, когда непосредственное преобразование входной величины в электрическую произвести не удается, применяют первичные неэлектрические преобразователи (упругие элементы, рычаги, редукторы, турбинки, шатунно-кривошипные механизмы и др.) выходные сигналы которых, в свою очередь, воздействуют на электрические преобразователи.
В настоящее время известно большое число типов преобразователей, основанных на различных физических принципах действия, и многие из них могут быть использованы в СТДМ. При выборе типов и конструкций преобразователей для СТДМ руководствуются следующими основными требованиями:
- метрологические характеристики преобразователей должны соответствовать информационным характеристикам диагностических параметров с учетом диапазонов изменений влияющих величин, выходной сигнал преобразователя должен иметь достаточно высокий для измерений уровень, а функция преобразования должна быть, как правило, линейной в диапазоне измерения;
- для унификации промежуточных преобразователей и приборов, а также сокращения числа измерительных трактов первичные преобразователи должны иметь минимальную номенклатуру выходных сигналов;
- конструкции первичных преобразователей должны допускать их многократную установку и снятие при минимальной трудоемкости и без демонтажа ОД;
- установленные первичные преобразователи не должны оказывать ощутимого влияния на нормальную работу ОД;
- первичные преобразователи должны нормально функционировать в условиях эксплуатации ОД (для ряда машин характерны высокие уровни вибраций, наличие электрических и магнитных помех, влажность, загрязненность и др.);
- дополнительные требования предъявляются к встроенным преобразователям.
страница 1 страница 2 ... страница 7 | страница 8
|