Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Кадильникова Тетяна Михайлівна

УДК 621.001.63, 621.81:539.4

НАУКОВО-МЕТОДОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТАБІЛЬНИХ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАШИН НА БАЗІ МОНІТОРИНГОВИХ СИСТЕМ БАГАТОПАРАМЕТРИЧНОГО ДІАГНОСТУВАННЯ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Луганськ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор

Проволоцький Олександр Євдокимович,

Національна металургійна академія України, завідувач кафедри "Технологія машинобудування"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Кузьо Ігор Володимирович,

Національний університет” Львівська політехніка”, завідувач кафедри "Теоретична механіка"

доктор технічних наук, професор

Нигора Володимир Миколайович,

Національний університет харчових технологій, професор кафедри "Інженерна графіка"

доктор технічних наук, професор

Шишов Валентин Павлович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри „Машинознавство”

моніторинговий діагностування машина датчик

Захист відбудеться "25" червня 2008 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою:

91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою:

91034, м.Луганськ, кв.Молодіжний, 20а.

Автореферат розіслано "21" травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради___________________ Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Надійне та довгострокове функціонування технічної інфраструктури сучасного суспільства визначає основні показники його життєдіяльності й добробуту та, у значній мірі, пов'язане з еколого-економічними характеристиками, такими, як вплив на навколишнє середовище, питоме використання енергоносіїв, витрати на створення, експлуатацію, ремонт та регенерацію машин та їх елементів.

Інтегрованим показником означеного циклу, який безпосередньо впливає на мінімізацію загальних витрат і обумовлює техніко-економічну ефективність машин і механізмів, є стабільність їхніх робочих характеристик протягом всього періоду експлуатації, починаючи з виготовлення та закінчуючи стадією утилізації.

У процесі експлуатації, під впливом незворотних процесів в елементах машин, їхні робочі характеристики мають тенденцію погіршення, що, безумовно, призводить до значних поточних витрат. Серед багатьох чинників, які обумовлюють стабільність робочих характеристик, у визначений термін експлуатації, найбільш вагомим є діагностика технічного стану машин і механізмів із метою попередження відмов у їхній роботі та своєчасного вживання заходів щодо відновлення оптимальних характеристик процесу експлуатації.

Актуальність теми

Для переважної більшості машин неможливо лише на підставі інформації про інтегральні показники працездатності та виконання функціонального призначення дати оцінку їх технічного стану та побудувати прогноз щодо зміни робочих характеристик у перспективі. Для вирішення цієї проблеми потрібне всебічне знання закономірностей взаємозв'язку окремих проміжних внутрішніх процесів, що протікають в елементах машини та обумовлюють її експлуатаційні властивості.

В умовах постійно зростаючих вимог до стабільності експлуатаційних характеристик сучасних машин та механізмів здійснення лише діагностики, як засобу визначення дефектів та можливого тимчасового впливу на них, не можна визнати достатнім, тому що вона (діагностика) не відповідає на головне питання, а саме, у чому криється причина дефекту. У зв'язку із цим, більш доцільним є реалізація моніторингової системи багатопараметричного діагностування, яка охоплює увесь цикл від розробки, виготовлення, експлуатації та до самої утилізації, аналізує причинно-наслідковий зв'язок формування дефектів і встановлює відповідність функцій машин і результатів функціонування, а також визначає рівень впливу на навколишнє середовище.

Така система повинна ґрунтуватись на теоретико - емпіричних методах та засобах ідентифікації характеристик робочих процесів та встановленні їхнього взаємозв'язку, методах математичного прогнозування динаміки зміни критеріальних параметрів, які обумовлюють визначення стратегії забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик у режимі зворотного впливу, а також містять комплекс практичних процедур і інструментів систем моніторингу. Крім цього, наявність інформації про динаміку поведінки елементів машин у часі створює передумови для розробки висновку щодо залишкового експлуатаційного ресурсу та рекомендацій, пов'язаних зі здійсненням ремонтно-відновлюваних заходів.

Актуальність означеної проблеми зростає багатократно ще й тому, що, незважаючи на певний розвиток методів діагностування машин і механізмів та поширення їх застосування у світі, треба визнати відсутність єдиної методології діагностики, яка б була спроможна задовольнити зростаючі вимоги. Насамперед, це стосується експлуатації машин та механізмів в агресивних середовищах або в екстремальних умовах роботи, наприклад, при спорудженні конфайменту над об'єктом “Укриття” Чорнобильської АЕС, де будь-які відмови техніки або погіршення стабільності їхніх робочих характеристик можуть призвести до непередбачуваних наслідків не тільки техногенного, а й соціального характеру.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами:

- державна науково-технічна програма "Підвищення надійності й довговічності машин і конструкцій" (постанова КМУ 28.07.2003 № 1174);

- державна науково-технічна програма "Розвиток промисловості на 2003-2011 роки" (постанова КМУ 28.07.2003 № 1174);

- урядова програма "Ресурс"(постанова КМУ 8.10.2004 № 2710);

- держбюджетна НДР "Моніторинг підйомно-транспортних машин", Національна металургійна академія України (ДР-ОК № 0201U004833), як безпосередній виконавець;

- держбюджетна НДР "Розробка фізико-хімічних основ створення нових високотвердих ливарних сплавів із виростанням нано-порошків та освоювання процесів їх механічної обробки", Національна металургійна академія України (ДР-ОК № 0103U003213), як безпосередній виконавець;

- держбюджетна НДР "Дослідження інтегрованих процесів обробки деталей типу "тіла обертання"", Національна металургійна академія України (ДР-ОК № 0106U002220), як безпосередній виконавець;

- державна цільова програма "Забезпечення технологічної безпеки в основних галузях економіки".

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик машин на базі моніторингових систем багатопараметричного діагностування, створення та впровадження яких дозволяє прогнозувати роботоздатність машин та їх складових частин, попереджає відмови в роботі та визначає відповідність і взаємозв'язок між параметрами діагностування та експлуатаційними характеристиками.

Об'єкт дослідження: аналітично-експериментальні процеси оцінки технічного стану машин, впливу параметрів діагностування на їхні експлуатаційні характеристики.

Предметом дослідження: математичне та програмне-апаратне моделювання моніторингової системи багатопараметричної діагностики машин.

Методи дослідження: структурно-функціональний метод, який розкриває основні характеристики системи моніторингу машин і механізмів; компаративістський метод, що дає можливість порівняти різні концептуальні підходи до моніторингових систем в історичних просторово-часових вимірах; комплексний аналіз - для розробки концептуальних основ системи моніторингу; прогностичний - як пошуковий і констатуючий; методи сучасних інформаційно-аналітичних технологій - як основа проектування і практичної реалізації діагностики машин; математичне й інформаційне моделювання; теорія систем і планування експерименту - для обґрунтування покомпонентного складу системи моніторингу; математична статистики й обробка даних вимірів; структурно-логічне моделювання та теорія розпізнавання образів - як концептуальний підхід для опису результатів діагностування; системний, ситуаційний і діяльницький підходи; загальні методи аналізу і синтезу (індукція і дедукція, аналогія, декомпозиція, суперкомпозиція тощо); спеціальна методологія сучасних інформаційно-аналітичних і експертних систем.

Задачі дослідження:

-систематизація і узагальнення наявного визначення моніторингу, визначення проблемного поля його аналізу, формулювання нового концептуального конструкту наукової сфери вивчення машин і механізмів;

- обґрунтування концепції моніторингу машин як багатокомпонентної, багатовимірної динамічної системи, яка є базисом системи діагностики машин і відображає реальний поточний стан окремих її елементів, а також машини в цілому;

-побудува теоретико-методологічних принципів проектування автоматизованих інформаційно-аналітичних моніторингових систем багатопараметричного діагностування, обґрунтування їхніх основних функцій та доцільності застосування інформаційно-аналітичних технологій для моделювання процесу збору, накопичення й оперативної первинної обробки інформації про технічний стан машин та їх елементів;

- розробка методів вибору основних діагностичних параметрів, а також первинних чутливих елементів, електронних перетворювачів, систем фільтрів та ін. на базі математичного прогнозу щодо діапазону зміни параметрів машин та їх елементів при експлуатації;

- виявлення основних закономірностей функціонування моніторингових систем технічного діагностування для різних класів машин, розробка прогнозових рекомендацій щодо їхнього застосування в залежності від технічних вимог;

- розробка принципів автоматизованого збору, накопичення та первинної обробки інформації для експериментальних досліджень машин та їх елементів за допомогою моніторингових систем, розробка відповідних комп'ютерних програм, їх тестування та апробація;

- визначення факторів, що впливають на якість первинної інформації про технічний стан машин та їхніх елементів, розробка та вдосконалення методів зменшення похибок при первісній обробці експериметальних даних, урахування сучасних економічних можливостей планування технічного обстеження машин;

- випробування розроблених методів у процесі проектування, виготовлення та експлуатації машин, перевірка адекватності принципів, методів, алгоритмів; розробка рекомендацій щодо впровадження автоматизованих інформаційно-аналітичних моніторингових систем багатопараметричного діагностування машин.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше запропонована концепція моніторингової системи багато- параметричного діагностування машин, яка поєднує етапи повного обстеження, спостереження, аудиту та прогнозу, охоплює стадії проектування, виготовлення й експлуатації машин, базується на комплексі теоретичних і експериментальних методів та засобів визначення діагностичних параметрів, встановлення їх взаємозв'язку та закономірностей впливу на експлуатаційні характеристики машин та їх елементів;

- - удосконалено методи діагностики машин та їх елементів шляхом застосування математичних моделей, які базуються на теорії функцій, множин, розпізнавання образів, із застосуванням сіток Петрі; реалізуються в процесі побудови й порівняльного аналізу еталонної поверхні (яка відповідає стабільному функціонуванню машини) і поверхні поточного стану; характеризуються розпізнаванням класів технічного стану об'єкту за сукупністю його технічних характеристик;

- вперше, на основі теорії систем і планування експерименту, розроблена математична модель оптимізації обстежень машин за критерієм мінімуму повних очікуваних витрат у вигляді задачі нелінійного математичного програмування з обмеженнями у вигляді нерівностей (умова забезпечення експлуатаційної надійності протягом розглянутого періоду експлуатації) і обмеженнями у вигляді рівностей (структура векторів обстежень і ремонтів у контрольних точках), що дозволяє прийняти економічно раціональне рішення по складанню конкретного плану-графіка проведення ревізій машин та їх елементів;

- запропоновано новий підхід до оптимізації точності експериментів по вивченню динамічних процесів у машинах, що полягає в раціональному виборі між застосуванням більш точної і дорогої апаратури (при збільшенні часу і вартості одиничного виміру) та збільшенням загального числа вимірів на менш точній апаратурі за відповідною методикою проведення експериментальних досліджень і використанні попереднього математичного моделювання досліджуваного процесу;

- вперше сформульована та вирішена аналітично задача прогнозування моментів контролю діагностичних параметрів, яка дозволяє визначити термін стабільної експлуатації машин та їх елементів і при своєму розв'язанні використовує функції Чебишева та поліноми Карліна.

Практичне значення одержаних результатів.

- запропонована система моніторингу багатопараметричного діагностування машин, яка спрямована на своєчасне попередження відмов функціональних систем машин та їх найбільш важливих складових частин; дозволяє оцінити їхні функціональні параметри, внутрішні зв'язки; визначити стратегію забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик із функціями зворотного впливу на робочі параметри, а також виявляти технічні недосконалості машин ще на стадії їх проектування та прогнозувати термін працездатності. Проведені експериментальні випробування моніторингової системи показали, що її похибка в 5-8 разів менше за похибку припустимою за технічним завданням для вимірювальних комплексів;

- розроблено комплекс функціонально взаємопов'язаних моделей, алгоритмів і комп'ютерних програм багатопараметричного діагностування, що містить в собі інформаційні та алгоритмічні моделі, системи визначення діагностичних параметрів технічного стану машин та процедури апостеріорної обробки інформації і прийняття рішень; форми подання і методи аналізу оперативної інформації з окремих елементів машин із можливістю надання поточних і перспективних рекомендацій у вигляді апаратних алгоритмів. Реалізація діагностичного коплекса на практиці показала, що вірогідність отриманих результатів перевищила 90%;

- розроблена методика технічного діагностування, реалізація якої дозволяє визначити доцільну сукупність діагностичних параметрів оцінки поточного стану, залишковий ресурс машин і їх елементів, сформувати висновок про необхідність проведення ремонтно-відновлювальних робіт, демонтаж тощо, запропонувати засоби забезпечення їхніх стабільних експлуатаційних характеристик;

- методично обґрунтовано покомпонентний склад моніторингової системи багатопараметричного діагностування машин, використання якої дозволяє зменшити кількість одиничних вимірювань в 3-4 рази; суттєво знизити трудомісткість і вартість випробувань при припустимій величині похибки технічних засобів;

- запропонована методика аналізу і зменшення похибок результатів первинної статистичної обробки вихідних даних, яка базується на визначенні факторів, що впливають на якість інформації про технічний стан машин у перехідних режимах їхньої роботи, дозволяє проводити раціональний вибір програмно-апаратних засобів та чутливих елементів для моделювання і здійснення процесу технічного діагностування, підвищувати вірогідність їх емперичних результатів; використовуються для оцінки поточного стану, визначення залишкового ресурсу машин та їх елементів, а також розробки конструктивних змін з метою продовження терміну їх служби. За допомогою механізму компенсації збільшена точність вимірів датчиками сили та прискорення на 5-10% без збільшення величин динамічної похибки коливань вузлів та механізмів машин;

- розроблено програмне забезпечення для організації моніторингових досліджень (“MONITOR- S ” і “MONITOR- D ”) - автономні автоматизовані програми моніторингу діагностичних параметрів у режимі реального часу, які дозволяють керувати процесом реєстрації і накопичення інформації з датчиків; виконувати статистичну обробку отриманих даних про статику та динаміку машин; архівування і спектральний аналіз отриманих даних; побудову еталонних поверхонь та поверхонь поточного технічного стану машин, а також проведення їхнього порівняльного аналізу (подані методичними матеріалами і програмними продуктами в додатку до дисертації). Аналіз практичної роботи програм у структурі апаратно-програмного комплексу продемонструвало їхню високу якість: відносна похибка “контролю нуля” по шістнадцятьох каналах за 10-72 години безперестанної роботи програми не перевищила 2 -3%. По окремих каналах відносна похибка не перевищила 1,0 -1,5% ;

- виконані експериментально-теоретичні дослідження закладають підґрунтя для створення діагностичної системи нового конфайменту над об'єктом “Укриття” ЧАЕС.

Комплекс технічних рішень і методів розрахунку впроваджені в проекті державної програми “Технологічна безпека”; на підприємстві АОО "ВЕЕСВІ" (м. Дніпропетровськ), в Української науково-промислової асоціації «Укркокс» (м. Дніпропетровськ), в ДХК „Луганськтепловоз” (м. Луганськ), експертно-діагностичній науково-дослідній лабораторії "Вантажопідйомні машини та промислові споруди"(м. Луганськ), в ІКЦ „Кран” (м. Москва), в Державному науково-дослідному інституті будівельних конструкцій (м.Київ), в науково-дослідних роботах Національної металургійноїй академії України. На комп'ютерну програму „Програма моніторингу статичних параметрів підйомно-транспортних машин у режимі реального часу” отримано свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір.

Результати теоретико-експериментальних досліджень впроваджені та використовуються у Східноукраїнському національному університеті (м. Луганськ), Московському державному відкритому університеті (м. Москва) у навчальному процесі при викладанні курсів „Деталі машин”, „Машинознавство”, „Будівельні конструкції”, „Будівельна техніка”, „Діагностика обладнання”, „Надійність і діагностування електрообладнання”, „Основи технічної діагностики автомобілів”.

Особистий внесок здобувача. Одноосібно одержані наукові результати опубліковано в 1 монографії, 21 статтях, у них висвітлено: постановку наукової проблеми; набір моделей багатопараметричного технічного діагностування; розробка діючих автономних автоматизованих програм моніторингу технічного стану машин та механізмів у режимі реального часу; розробку методик і алгоритмів прийняття варіантів технічних і організаційних рішень; формування апаратної та елементної бази моніторингу.

У 26 працях, опублікованих у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному:

- обґрунтування методології та концепції розробки інформацийно-аналітичних моніторингових систем багатопараметричного діагностування [1,11,12,23,28];

-формування розрахункових і математичних моделей, розробка обчислювальних алгоритмів [25,29,35,36];

-узагальнення теоретичних положень і результатів експериментів [4,17,30,31,32,36,37];

-раціональний вибір програмно-апаратних комплексів та чутливих елементів для моделювання процесів технічного діагностування [3,14,19,38];

-розробка методик і практичних рекомендацій по впровадженню інформаційно-аналітичних моніторингових систем багатопараметричного діагностування, статистична інформація щодо проблеми [24,31,33,34].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації доповідались:

на міжнародних наукових конференціях:

- VI szkota Geomechaniki. Matereaty Naukowe. Gliwice - Ustron, 20-21 рazdziernika, 2003;

- The IV International Scientific Conference „Aims for Future of Engineering Science”, July 2-8, Jgalo. Republic of Montenegro, 2003;

- The V International Scientific Forum „Аims for future of engineering science”, May 2-8, Paris. France, 2004;

- The VI International Scientific Forum „Аims for future of engineering science”, March 23-30, Hongkong, 2005;

- The VII International Scientific Forum „Аims for future of engineering science”, July 4-10, Davos Congress Centre. Switzerland, 2006.

на міжнародних симпозіумах:

- 6-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків, Львів, 21-23 травня, 2003;

- 8-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків, Львів, 23-25 травня, 2007.

на наукових конференціях із міжнародною участю:

- XIII міжнародна науково-практична конференція „Високі технології: тенденції розвитку”, Харків-НТУ, „ХПІ”-Алушта, 19-20 травня, 2005;

- XIII міжнародна науково-технічна конференція „Машинобудування і техносфера”, Севастополь, 11-16 вересня, 2006;

- II міжнародна науково-технічна конференція "Сучасні проблеми машинознавства" , Луганськ, 14-15 листопада, 2007;

- VII науково-практична конференція з міжнародною участю вчених України, Росії, Бєларусі „Прикладні задачі математики і механіки”, Севастополь, 15-21 вересня, 2003.

на українських науково-технічних конференціях:

- II науково-технічна конференція „Приладобудування 2003: стан і перспективи”, Київ, 22-23 квітня, 2003;

- V всеукраїнська науково-технічна конференція “Будівництво в сейсмічних районах України”, Ялта, 24-29 травня, 2004;

- науково-технічна конференція “Математичні моделі процесів у будівництві”, Луганськ, 9-11 червня, 2004;

- VIII Українська науково-технічна конференція “Металеві конструкції: погляд у минуле і майбутнє”,Київ, 18-22 жовтня, 2004;

Окремі положення дисертації обговорювались на тематичних семінарах і конференціях Національної металургійної академії України (Дніпропетровськ, 2000-2007).

У цілому дисертація доповідалась на:

- науковому семінарі в науково-дослідному інституті будівельних конструкцій (Київ, 2003),

- на спеціалізованому науковому семінарі в Київському Національному університеті будівництва та архітектури (Київ, 2004);

- на наукових семінарах кафедри технології машинобудування Національної металургійної академії України (Дніпропетровськ, 2003-2007);

- на науковому семінарі кафедри машинознавства Хмельницького Національного університету (Хмельницький, 2006);

- на науковому семінарі кафедри “Деталі машин” Національного Університету “Львівська політехніка” (Львів, 2006);

- на науковому семінарі кафедри техніки і технології Харківського національного економічного університету (Харків, 2006);

- на науковому семінарі кафедри машинознавства Східноукраїнського Національного університету ім. В.Даля (Луганськ, 2007).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи надруковано 49 наукових праць, у тому числі 3 монографії, посібник, 44 статті в наукових журналах та збірниках наукових праць, програма, яка зареєстрована в Державному департаменті інтелектуальної власності. Серед публікацій, що додатково відображають наукові результати дисертації, 9 статей і тез у інших наукових виданнях. 23 роботи написані без співавторів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація загальним обсягом 439 сторінок складається зі вступу, дев'яти розділів із висновками по кожному, загальних висновків, списку використаних джерел з 260 найменувань. Обсяг основного тексту дисертації становить 426 сторінок, включаючи 94 рисунка на 62 сторінках, та 26 таблиць на 20 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми і викладена загальна характеристика роботи, визначено об'єкт, предмет, сформульовано мета і задачі дослідження; вказується на зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, охарактеризовані елементи наукової новизни одержаних результатів, їх практична значимість. Визначено особистий внесок автора в спільних наукових публікаціях та загальні дані про апробацію результатів роботи.

У першому розділі "Діагностика машин як об'єкт програмно-апаратного діагностування складних технічних систем" проведено огляд наукових праць у галузі технічного діагностування машин на базі моніторингових систем. Показано, що створення моніторингових систем багатопараметричного діагностування машин є логічним та перспективним напрямком подальшого підвищення ефективності використання технічної інфраструктури сучасного суспільства. Особливо велике значення цей напрям має для держав, які знаходяться в умовах перехідної економіки, що характеризується обмеженістю вільних ресурсів і необхідністю повного використання механізмів та машин, незважаючи на високий рівень вичерпаності нормативного ресурсу їх експлуатації.

Актуальні наукові пошуки різних складових частин проблеми моніторингу машин містять роботи сучасних дослідників Нестерова А.П., Калюха Ю.І., Кулябко В.В., Горохова Є.В., Югова А.М. та ін. Різноманітні аспекти експериментально-аналітичних досліджень і діагностики в галузі машин та механізмів є в публікаціях Букати Г.Б., Вайсберга Л.А., Гончаревича Н.Ф., Дукельського О.М., Кальменца В.М., Куценко Ю.В., Лаврова Б.П., Нахапетяна Є.Г., Пронікова О.С.,Смірнова Н.Н., Толстова О.Г., Яковенко В.Б. Використання автоматизованих систем для технічного діагностування складних механізмів і машин розглянуто в дослідженнях Білошенка В.О., Варбанця Р.О., Гуляєва В.Л., Клюєва В.В., Седуща В.Я., Радченка О.П., Сірих В.Н., Тітієвського В.І., Шелудченка В.І. та закордонних авторів Bennet R., Cornell C., Dahlderg J., Maeda J., Pedersen.F, Savory E.. До фундаментальних досліджень у галузі надійності та довговічності зубчатих передач слід віднести роботи Брагіна В.В., Гапонова В.С., Гольдфарба В.И., Грибанова В.М., Дроздова Ю.М., Заблонського К.І., Захі П.С., Литвина Ф.Л., Решетова Д.М., Снесарева Г.А., Терехова О.С., Шишова В.П. та ін.

Аналіз літературних джерел виявив обмежений обсяг науково-технічної та патентної інформації щодо створення моніторингових систем багатопараметричної діагностики машин і механізмів, що обумовлено новизною сформулюваної в дисертації наукової проблеми, невизначеністю, у науковому плані, змісту і структури таких моніторингових систем та неоднозначністю алгоритмізації їх функціонування. На недостатньому рівні розроблені та подані в науково-технічній літературі наукові дані, які можна розглядати, як підґрунтя щодо проектування систем моніторингу складних технічних об'єктів, оцінку ефективності та технічного стану яких неможливо зробити на підставі вихідних показників працездатності та виконання функціонального призначення, а тим більш побудувати прогноз щодо зміни робочих характеристик у перспективі в залежності від впливаючих факторів.

Проблема моніторингу машин та їхніх складових частин набуває специфічних ознак в умовах України, де зношеність основних фондів перевищує 50 %, що накладає свої особливості і потребує нових нетрадиційних підходів щодо діагностування машин і механізмів, які вичерпали свій ресурс. У зв'язку із цим існуюча теорія розрахунку та проектування систем технічної діагностики не задовольняє об'єктивним умовам експлуатації машин і її можна розглядати як таку, що має фрагментарний характер і не об'єднана загальною методологією та принципами. Внаслідок цього, такі актуальні питання, як наукове обґрунтування продовження ресурсу машин та їх елементів, на практиці підміняється їх натурними обстеженнями та суб'єктивним визначенням терміну експлуатації.

Вже тривалий час у світі спостерігається поширення використання систем діагностики, але аналіз показує, що є певний розрив між практичним впровадженням цих систем і науковим забезпеченням цілосності процесу їх ефективного функціонування, маючи на увазі мету та засоби її досягнення. Внаслідок цього, практично немає рекомендацій щодо використання діагностичних систем із наперед визначеним рівнем похибки, науково обґрунтованого вибору та розробки чутливих елементів тощо. Слід додати, що теоретико-методологічна база створення таких систем практично відсутня.

Світова практика використання машин та технічних систем зараз зазнає істотних змін, а в середовищі науково-технічних фахівців формується новий підхід щодо експлуатації машин і взагалі будь-яких технічних конструкцій і систем, який базується на розумінні взаємопроникнення проблем створення, експлуатації, регенерації та навіть утилізації машин та їх елементів. В остаточному підсумку, даний підхід повинен призвести до виникнення системи забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик машин, у якому органічно поєднані та відображені всі стадії їх «життєвого циклу». Така система буде сприяти ефективному використанню енергетичних, матеріальних, фінансових, людських та інших ресурсів, зниженню екологічного навантаження на навколишнє середовище та задовольнятиме потреби сучасного суспільства, характеризуючи, зрештою, ступінь цивілізованості його громадян.

В результаті наведеного, стає зрозумілою логічна послідовність вирішення означеної проблеми дисертаційного дослідження, яка містить: первинний аналіз відомих систем автоматизованого технічного діагностування машин та їх елементів; аналіз гіпотез і припущень; розробку базової концепції, математичної, інформаційної та алгоритмічної моделей системи моніторингу; методологію її проектування; розробку рекомендацій щодо практичної організації моніторингових досліджень; питання математичного моделювання при проектуванні; числове моделювання режимів експлуатації машин; розробку сучасних програмних та апаратних засобів натурного дослідження машин; верифікацію та підвищення точності моніторингових результатів; ефективність впровадження та перспективи подальших досліджень.

У другому розділі "Концептуальні, теоретичні і методологічні основи моніторингу машин" запропонована концепція єдиного підходу щодо створення системи моніторингу машин, розроблено теоретико-методологічні основи організації проведення моніторингових досліджень. Показано, що реалізація моніторингової системи діагностування можлива при дотриманні ряду принципів: єдності цілей, ієрархічності, комплексності, системності, конструктивної специфічності, альтернативності, цільової оптимізації. Їх використання призводить до об'єднання таких понять, як моніторинг проектування та виготовлення деталей та вузлів машин, моніторинг експлуатації і ремонтного функціонування та інші види моніторингу у єдину систему -- моніторинг надійного (стабільного) функціонування машин.

Обґрунтована методологія моніторингу, яка заснована на комплексній системі автоматизованого збору, накопичення, обробки та застосування інформації у вигляді бази даних, організації вирішення задач прогнозу. Показано, що у своїй роботі система моніторингу спирається на використанні процедур послідовного комп'ютерного аналізу при виборі діагностичних параметрів; засобів діагностування і математичних методів обробки поточної інформації; апроксимаційних математичних моделей для діагностування; накопиченої діагностичної інформації у вигляді бази даних в ЕОМ.

За результатами проведених досліджень запропоновано комплекс видів робіт по проектуванню моніторингової системи, ієрархія послідовності операцій по її проектуванню.

З метою реалізації програм систем моніторингу машин розроблено комплекс напрямків робіт з організації проведення моніторингових досліджень, які полягають у застосуванні методів, що забезпечують одержання й обробку інформації в межах досліджуваних задач, здійснення вибору найкращого варіанту управлінських рішень, можливість внесення змін у систему управління при варіаціях робочих режимів експлуатації (оцінка зворотного зв'язку).

Побудована блок-схема практичної реалізації системи моніторингу. При цьому виділено чотири етапи моніторингових досліджень машин: первинне діагностування (повне обстеження згідно із заданими критеріями оцінки технічного стану); спостереження (збір та накопичення інформації за поточний стан, установлення зв'язків з експлуатаційними характеристиками); аудит (оцінка вірогідності апроксимаційних математичних моделей до дійсного технічного стану, уточнення моделей та їхнього інформаційного забезпечення); прогноз (прогнозування динаміки поведінки у часі із заданим ступенем вірогідності).

За результатами проведених досліджень закладено теоретико-методологічні основи створення моніторингової системи як багатокомпонентного, багатовимірного, динамічного інформаційно-аналітичного комплексу, який є базисом системи діагностики машин, відображає реальний поточний стан машин і механізмів, поєднує математичні, технологічні та організаційні компоненти моніторингу в загальну моніторингову систему забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик.

У третьому розділі - “Математичне моделювання технічного діагностування машин” розроблені математичні, інформаційні та алгоритмічні моделі багатопараметричного діагностування, що включають у себе системи визначення діагностичних параметрів технічного стану машин і механізмів, процедури апостеріорної обробки інформації і прийняття рішень.

На основі методу диференціації інформації на блоки побудована інформаційна модель багатопараметричного діагностування. При цьому, формування інформаційних блоків із застосуванням автоматизованої системи керування базою даних та ідеологія дій при підготовці моніторингової інформації для бази даних має ряд особливостей, які треба враховувати, а саме: розробка класифікаторів вузлів і деталей машин та механізмів; прив'язка інформації до конкретного вузла, механізма, агрегата; одержання інформації з бази даних. Запропонована інформаційна модель в структурі системи діагностики дозволяє у найкоротші терміни одержати необхідний довідковий матеріал про технічний стан машин та їхніх складових частин у цифровому, текстовому або графічному вигляді з метою оперативного вирішення питання моделювання та прогнозу.

Створена алгоритмічна модель багатопараметричного діагностування у вигляді основних блоків: попереднього моделювання поведінки машини, її елементів на основі апроксимаційних математичних моделей; декомпозиції машини на окремі вузли, механізми, деталі та інше; класифікації, накопичення та сортування інформації; коректування діагностичної системи; аналізу та прогнозування поточного стану; моделювання управлінських рішень; розробки рекомендацій щодо подальшої експлуатації машини. Запропонована модель забезпечує функціональну взаємодію інформаційних блоків системи визначення діагностичних параметрів технічного стану машин та їх складових частин.

Побудовано математичні моделі технічного діагностування на основі теорії множин. Для розв'язання питань вибору множини конструктивно-експлуатаційних параметрів {S}, що повністю описує поточний стан машин та механізмів і максимально компактна для проведення вимірів, скінченна та обмежена, був використаний метод агрегатування: розподіл машини на окремі інформаційні блоки з необхідною потужністю (фіксованим набором) множини {S}. Оцінка технічного стану машин проводилася за рахунковим показником надійності I = I({S}), який забезпечує перевищення над мінімально допустимим значенням I при ненульових значеннях відхилень дS. Оскільки при визначенні поточного значення конструктивно-експлуатаційних параметрів відсутня необхідність у конкретному значенні параметру S, то, застосовувавши лінійну математичну модель (розкладаючи I у ряд Тейлора й утримуючи тільки лінійну частину) та виключивши з розгляду множину {S+дS},одержуємо рівняння для рахункового показника надійності I у вигляді:

________________

де множина {X} вміщує параметри моніторингової системи, які можна практично вимірювати та оцінювати за допомогою чутливих елементів та пристроїв.

Використання математичного моделювання на основі теорії множин дає можливість для конкретного елемента чи машини визначити сукупність показників (діагностичних параметрів) її технічного стану, що забезпечують стабільні екслуатаційні характеристики. Для цього шляхом аналізу попередніх результатів моделювання вибираються найбільш інформативні індикаційні показники, сукупність яких фіксує стан досліджуваного об'єкту. З метою спостережень вибираються також індикаційні (контрольні) ділянки, тобто області найбільш динамічної (чи навпаки стабільної) зміни технічного стану. Для моделювання процесів взаємодії структурних параметрів, які вимірюються в різних одиницях, ефективним засобом є сітки Петрі, які визначають причинно-наслідкову модель подання подій, що виникають у процесі роботи дискретної системи технічного діагностування.

Застосування сіток Петрі показало,що структурний параметр можна вважати діагностичним параметром множини, якщо сітка Петрі для цього параметра обмежена, зберігаюча та живуча. Перевірка цих властивостей, як і побудова графів сітки Петрі, увійшли в комплекс робіт щодо вибору структурних параметрів для діагностичних досліджень за допомогою теорії множин.

Запропоновано математичні моделі технічного діагностування на основі теорії функцій із застосуванням методу перевірки статистичних гіпотез для кількісної характеристики показників стабільного функціонування машин. За допомогою теорії та алгоритму розпізнавання образів, на основі зіставлення апостеріорної інформації з апріорним описом класів розв'язані задачі розпізнавання технічного стану машин і формування їх діагностичних ознак. Реалізація процесу розпізнавання дозволяє на базі діагностичних досліджень будувати еталонні вектори (поверхні) стану, які відповідають стабільному функціонуванню машини, і порівнювати їх зі векторами (поверхнями) поточного стану.

Еталонний вектор для вибірки із l членів приймається у вигляді:

_____________

де - _- координати еталонного вектору технічного стану.

Розпізнавання стану, який задається вектором , здійснюється оцінкою відстані між векторами та і віднесенням до відповідного класу стану.

Максимум близькості досягається при виконанні умови:

_____________

де нескінченно мала функція, яка визначає похибку вимірювань фактичних параметрів технічного стану машини за допомогою комплексу контрольно-вимірювальної апаратури; відповідно координати еталонного вектору і вектору поточного стану.

Запропонований підхід дозволяє технічну діагностику машин інтерпретувати як розпізнавання класів технічного стану об'єкту за сукупністю його технічних характеристик.

У четвертому розділі “Розробка програмно-апаратних засобів натурного вивчення машин та підвищення точності діагностування” розглянуті практичні питання створення й налагодження вимірювальної системи багатопараметричної діагностики машин; проведено аналіз похибок окремих її елементів, а також усієї системи; запропоновано засоби підвищення точності вимірів, раціональний підхід до оптимізації точності експериментів.

Розглянуто основні види випробувань та діагностичних процедур для оцінки технічного стану машин на етапах проектування та експлуатації. Вирішені питання технічного та інформаційного забезпечення моніторингової системи шляхом створення адаптованого під конкретні умови її функціонування автоматизованого апаратно-програмного комплексу (АПК), який складається: з чутливих елементів (сенсори, датчики); блоку диференціальної гальванічної розв'язки; блоку аналогових фільтрів; блоку аналогово-цифрового перетворювача (АЦП); ЕОМ, яка містить у собі програму первинної обробки цифрової інформації, програму керування й настроювання АЦП, програму керування ходом моніторингових досліджень, програму формування первинної бази даних результатів вимірів, базу даних. Проведені експериментальні випробування моніторингової системи багатопараметричного діагностування показали її високу точність. Так, середньоквадратична похибка по всіх вимірювальних каналах знаходиться в межах 8.82 - 10.65 кут.сек., що в 5-8 разів менше за похибку, припустиму за технічним завданням для вимірювальних комплексів.

Розроблено методика, алгоритми та програми технічного діагностування машин у режимі реального часу. На базі розроблених комп'ютерних програм “MONITOR- S ” і “MONITOR- D ” відпрацьована специфіка формування інформації про технічний стан машин. На рис.1 приведений фрагмент роботи програми “MONITOR- S ” (залежность напруги від частоти вимушуваної сили ) по реєструванню даних датчиків на базі акселерометрів ДА-11. Проведений аналіз практичної роботи програм продемонстрував їхню високу якість. Показано, що в сукупності з вимірювальними датчиками й АЦП програми дозволяють: керувати процесом реєстрації й накопичення інформації з датчиків; виконувати статистичну обробку отриманих даних про статику та динаміку машин; архівування й спектральний аналіз отриманих даних; побудову еталонних поверхонь та поверхонь поточного технічного стану машин, а також проведення їхнього порівняльного аналізу. Результати експериментальної апробації програм технічного діагностування продемонстрували можливість здійснювати моніторинг швидкопротікаючих процесів у машинах, адекватну реакцію на зміну керуючих параметрів (поріг спрацьовування блоку статистичної обробки на зміни у величині, що спостерігається; стійкість до перешкод, програмні збої, обробка динамічних процесів). При цьому відносна похибка “контролю нуля” по шістнадцятьох каналах за 10-72 години безперестанної роботи програми не перевищила 2 -3%. По окремих каналах відносна похибка не перевищила 1,0 -1,5%.

Розроблена методика визначення сумарної похибки вимірювальних каналів системи моніторингу й засоби підвищення точності реєстрації кутових деформацій вимірювального елементу, що знаходиться під дією як розподіленого, так і зосередженого навантажень.

Проведено аналіз похибок датчиків сили й прискорення, що використовуються при експериментальному вивченні перехідних процесів, визначені їх відповідні аплітудно-частотні й фазово-частотні характеристики. Показано, що динамічна похибка системи моніторингу машин характеризується фазовими зсувами реєстрованого сигналу та змінами масштабу амплітудних характеристик. За допомогою запропонованого механізму компенсації збільшена точність вимірів датчиками на 5-10% без збільшення величини динамічної похибки коливань вузлів та механізмів машин.

На основі виконаних досліджень запропоновано новий підхід до оптимізації точності експериментів по вивченню динамічних процесів у машинах, що полягає в раціональному виборі між застосуванням більш точної й дорогої апаратури (при збільшенні часу й вартості одиничного виміру) і збільшенням загального числа вимірів на менш точній апаратурі за відповідною методикою проведення експериментальних досліджень і використанні попереднього математичного моделювання досліджуваного процесу. Доведено, що економічно й технічно необґрунтовані вимоги до підвищення точності експериментів призводять до збільшення тимчасових витрат і коштів на проведення експериментальних досліджень, що може зробити їх взагалі нездійсненними; зменшення кількості одиничних експериментів в 3-4 рази дозволяють у ряді випадків суттєво знизити трудомісткість і вартість випробувань при припустимій величині похибки засобів вимірювань; наявність систематичної похибки в експериментальних даних та її перевага над випадковою складовою призводить до того, що величина похибки експериментального обладнання слабо змінюється при загальній кількості експериментів більш ніж 4.

За результатами комплексного аналізу одержано раціональні співвідношення між величиною похибки засобів вимірювання та розкидом спектру даних , які реєструються вимірювальними приладами, у вигляді:

______________

де - _ розкид початкових даних.

Запропонований підхід дає можливість у першому наближенні при плануванні експерименту оцінювати похибки вимірювальних засобів згідно з вимогами до точності експериментальних даних та матеріальних ресурсів, які є в наявності для проведення досліджень.

У п'ятому розділі “Методика технічного діагностування машин” розглянуті практичні питання щодо створення й налагодження системи технічної діагностики машин, запропонована методика та оптимізаційна модель їх обстеження за критерієм мінімуму повних очікуваних витрат.

З метою визначення технічного стану машин та окремих механізмів, виявлення доцільності умов та терміну їх подальшої безпечної експлуатації з урахуванням фактичного режиму роботи, а також установлення необхідності проведення ремонту, реконструкції або виведення з експлуатації розроблена методика технічного діагностування. Методика базується на методологічних засадах, запропонованих у розділі 2, спирається на нормативні документи та встановлює порядок, методи та обсяги технічного обстеження.

Первинне технічне обстеження проводиться з метою перевірки технічного стану машини в цілому та може складатися загалом з таких етапів:

- проведення огляду металевих конструкцій;

- проведення огляду механізмів;

- проведення огляду гідравлічного і пневматичного приводів;

- проведення огляду електричного обладнання.

Обстеження здійснюється візуально, інструментально, а також із використанням методів неруйнівного контролю. Огляду підлягають опорні конструкції (рами, балки, колони, опори); рейкові колії; зворотні платформи; стріли. Метою огляду є виявлення втомних тріщин в елементах металоконструкцій, їхніх зварних з'єднаннях і пришовній зоні; дефектів зварних швів; ослаблення болтових і заклепочних з'єднань; спрацювання шарнірних з'єднань; деформації елементів металоконструкції (скручування, залишковий прогин); місцевих пошкоджень елементів ( ум'ятини, розриви, зломи); руйнування чи зменшення перерізу елементів внаслідок корозії.

При технічному обстеженні механізмів розглядається наявність таких дефектів: тріщини та обломи редукторів, гальмівних шківів, гальмівних колодок, блоків, барабанів; спрацювання зубчатих і черв'ячних зачеплень; викришування робочої поверхні зубців коліс і їхні обломи; спрацювання робочих поверхонь підшипників, руйнування сепаратора і тіл кочення, ослаблення посадки підшипників; ослаблення посадки муфт на валах і пальців у гніздах, спрацювання шпонкових і шліцьових з'єднань; спрацювання елементів муфт (пальців, гумових втулок, зубчатих напівмуфт тощо); спрацювання елементів передач (ланцюгових, клинопасових тощо); порушення співвісності валів, що з'єднані муфтами; спрацювання та руйнування ущільнень валів, площин рознімання та торцевих кришок корпусів редукторів, коробок тощо; тріщини і руйнування елементів металоконструкції рам редуктора, гальма або фланця електродвигуна чи гідромотора; залишкові деформації і злом пружин; спрацювання та механічні пошкодження рівчаків блоків, барабанів, лебідок і робочих поверхонь гальмівних шківів і гальмівних накладок; спрацювання шарнірних з'єднань складальних одиниць і деталей; перекіс опорно - зворотного пристрою; відбитки каната на поверхні рівчаків; порушення балансування барабана або гальмівного шківа; відсутність мастила в редукторах, підшипникових вузлах, шарнірах та інших рухомих з'єднаннях складальних одиниць і деталей; ослаблення кріплень механізмів, в тому числі канатів.

Під час проведення огляду електричного обладнання здійснюють зовнішній огляд та перевірку його працездатності; вимірювання опору ізоляції; розбирання із проведенням вимірювань (інструментальних і електричних) для підтвердження можливості експлуатації. Огляду підлягають ввідний пристрій; електродвигуни; контактори, пускачі, автоматичні вимикачі; пускорегулювальні резистори; гальмівні електромагніти; пульти керування; кабелі, проводи; заземлення та занулення. Контрольна перевірка працездатності машини здійснюється через випробування без навантаження; статичними і динамічними випробуваннями.

Організація робіт по проведенню технічного діагностування передбачає побудову інформаційної моделі, до якої входять: паспортні дані машини, технічний опис (креслення основних складових частин і деталей, які швидко спрацьовуються); акти приймання до експлуатації після первинної зборки або капітального ремонту; матеріали технічних обстежень, а також протоколи перевірки електрообладнання.

З метою знаходження місць контролю та режимів роботи будується динамічна модель конкретної машини та досліджуються умови її експлуатації; вибираються технічні засоби для проведення технічного освідотства; перевіряється наявність стабільних, із точки зору роботоздатності, параметрів машини; визначаються швидкомінливі параметри та склад вимірювального комплексу.

Математична модель діагностування вибирається в залежності від цілівказання й цілізабезпечення. Для забезпечення роботи моніторингової системи будується алгоритмічна модель діагностування, яка ускладнюється чи спрощується в залежності від цілівказання й умов експлуатації.

За допомогою сіток Петрі формується граф стану машини, а для різних умов експлуатації знаходиться множина діагностичних параметрів.

Для обраних діагностичних параметрів на основі даних інформаційної моделі за допомогою створеної програми “MONITOR- S ” будуються еталонні поверхні, які відповідають стабільному функціонуванню машини, і поверхні поточного стану, які постійно змінюються із часом у процесі моніторингової діагностики.

На основі математичної теорії розпізнавання образів проводиться порівняння еталонної поверхні з поверхнею поточного стану, на основі якого складається висновок про реальний технічний стан машини, надається прогноз щодо зміни її діагностичних параметрів та технічного стану, визначаються засоби забезпечення стабільних експлуатаційних характеристик.

За допомогою функцій Чебишева і поліномів Карліна сформульована та вирішена аналітично задача прогнозування моментів контролю діагностичних параметрів, яка дозволяє визначити термін стабільної експлуатації. Задача прогнозування технічного стану машин має вигляд:

____________

де - набір випадкових коефіцієнтів; - неперервні детерміновані функції, які характеризують зміну головних діагностичних параметрів за часом; h(t) - помилка моделі, яка визначається як функція похибки діагностування:

___________

де - задана функція моделювання.

Якщо функції (1) утворюють на інтервалі Т систему функцій Чебишева, то максимальними реалізаціями будуть екстремальні поліноми Карліна y(t)^- і y(t)⁺. Криві y(t)^- и y(t)⁺ утворюють для, конус прогнозу, в якому гарантовано знаходиться дійсна реалізація процесу діагностування.

Запропонована модель оптимізації обстежень машин за критерієм мінімуму повних очікуваних витрат, яка відображає сучасний підхід до прийняття рішень про експлуатацію й обслуговування машин. Задача оптимального проектування складається з розгляду питання про експлуатацію машин при заданому терміні експлуатації . При цьому потрібно вибрати економічно раціональний план-графік ревізій технічного стану машини на тимчасовому інтервалі [] її майбутньої експлуатації, що мінімізує загальні очікувані витрати при забезпеченні необхідної експлуатаційної стабільності.

...