Надежность и диагностика технологических систем

Весьма распространенным признаком  отказа, прежде всего при обработке сталей, является неблагоприятная форма образующейся при резании стружки. Шпагообразная или с большим радиусом завивания без разрывов стекающая стружка часто приводит к аварийным ситуациям на автоматизированных станках.

 

4.5. Структура отказов  инструмента

 

Анализ причин возникновения рассмотренных видов отказа инструмента показывает, что все отказы можно разделить на прогнозируемые и, следовательно, ожидаемые и непрогнозируемые – неожиданные.

Отказы прогнозируются тогда, когда  обработка заданного материала  осуществляется инструментом с оптимальными параметрами начального состояния при оптимальных условиях резания. В этом случае наступают отказы, главным образом, вследствие изнашивания РИ до величины допускаемого износа в течение принятого периода стойкости. При прерывистом резании наряду с изнашиванием прогнозируются отказы вследствие выкрашивания режущего участка из-за термоциклических или усталостных изменений в инструментальном материале или других причин, свойственных процессу прерывистого резания. Прогнозируемые отказы, как правили, устраняются переточкой инструмента.

Непрогнозируемые неожиданные отказы случаются тогда, когда обработка ведется при отличающихся от оптимальных, условиях эксплуатации или     параметрах начального состояния инструмента. Для таких случаев характерны также отказы в виде сколов, поломок, пластического разрушения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.4. Структура отказов  РИ

 

Неожиданно может наступить  отказ при работе инструмента  с переменными условиями в течение одного периода его стойкости. Работа инструмента при одних условиях может вызвать изменения в параметрах его состояния, неблагоприятные для работоспособности инструмента при других условиях. Поскольку эти изменения трудно прогнозируются, они приводят к неожиданному отказу.

 

4.6. Система обеспечения  надежности инструмента

 

Выходные параметры  Х  ТС в значительной степени зависят от показателей надежности РИ. Обеспечение необходимых показателей надежности РИ – процесс непрерывный, охватывающий стадии проектирования, изготовления и эксплуатации инструмента.

Стадия проектирования включает в  себя два этапа.

    1) Определение условий эксплуатации  принятого инструмента.

    2) Назначение параметров  начального состояния инструмента для известных условий эксплуатации и требований к обработке.

На стадии изготовления, при переходе от операции к операции достигается начальное состояние, обеспечивающее выполнение инструментом своего служебного назначения при заданных показателях надежности. Здесь же реализуются выбранные способы повышения надежности.

На стадии эксплуатации инструмента  показатели его надежности должны обеспечиваться или повышаться относительно заданных путем:

• анализа структуры отказов и корректировки режимов резания инструментом и технологии его изготовления с целью получения прогнозируемого вида отказа;
• выявление закона распределения стойкости для расчета показателей надежности инструмента;
• диагностирования состояния инструмента с целью управления процессом его эксплуатации и смены инструмента по фактическому отказу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Раздел II. Диагностика технологических систем

 

5. Основные понятия,  термины, определения

 

Регламентируют терминологию и  определения следующие стандарты:

• ГОСТ 20911 – 89. Техническая диагностика. Термины и определения;
• ГОСТ 27518 – 87. Диагностика изделий. Общие требования.

Техническая диагностика – область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Техническое состояние  объекта – состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект.

Техническая диагностика, как отрасль  знаний, занимается установлением и изучением признаков, характеризующих наличие дефектов, образующихся в объекте при его эксплуатации с целью предсказания возможных отклонений в состоянии объекта, а также разработкой методов и средств обнаружения дефектов (Из энциклопедического словаря).

Алгоритм технического диагностирования (контроля) – совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (Д). Алгоритмы основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями ТС и их отображениями в пространстве диагностических сигналов.

Система диагностирования – совокупность средств объекта и исполнителей, необходимая для выполнения Д по правилам, установленным в технической документации.

Средства диагностирования – аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется Д.

 

5.1. Задачи диагностирования.                                                                                   Предэксплуатационная и эксплуатационная диагностика

 

Опыт эксплуатации ТС, созданных на основе автоматизированных станков, показывает, что надежность их недостаточна. Простой из-за функциональных блоков элементов ТС и поисков повреждений резко снижает эффективность ТП. В связи с этим на стадии эксплуатации ТС должны решаться задачи повышения их надежности. Техническая диагностика способствует их решению.

Целью Д является поддержание установленного уровня надежности, обеспечение требований безопасности и эффективности использования изделий.

Исходным является измерение основных повреждений, наиболее существенно влияющих, на изменение выходного параметра Х. Измерения могут выполняться периодически после завершения технологической операции или перехода и непрерывно в течение процесса обработки. Однако, часто непрерывные измерения невозможно осуществить прямыми методами из-за того, что доступ к повреждениям во время работы закрыт. Тогда применяют косвенные методы измерения, когда искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величиной, доступной для измерения в процессе обработки. Косвенные методы определения повреждений возможны после выявления признаков этих повреждений. В качестве признаков часто используются параметры внутренних физических процессов в работающем объекте, содержащие определенный объем информации его технического состояния. Параметры эти измеряются также косвенными методами. Например, используются электрические методы измерения неэлектрических величин. Генерируют электрические сигналы различные датчики.

Т.к. системы Д устанавливаются на автоматизированном технологическом оборудовании, то и Д  должно осуществляться в автоматическом режиме. Достигается автоматическое определение состояния ТС и ее элементов, автоматическое определение выходных параметров. Средства достижения в общем виде представлены на рис. 5.1.

 

 

 

Рис. 5.1. Структура средств  контроля и диагностики

 

Различают два направления в  диагностике: предэксплуатационная диагностика и диагностика в процессе эксплуатации. Решаемые задачи приведены на рис. 5.2.

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.2. Предэксплуатационная и эксплуатационная диагностика

Предэксплуатационная диагностика решает задачи на стендах АСНИ – автоматизированных систем научных исследований, созданных на базе диагностируемого технологического оборудования.

Предэксплуатационное Д выполняется при испытании новых МРС с целью выявления слабых мест, недостаточно надежных деталей и узлов, требующих доработки конструкций или технологических решений. Определяются критерии состояния оборудования.

Система эксплуатационного Д включает в себя все необходимые исследования, позволяющие:

• определить критерии состояния объекта (решить вопрос – «что измерять?»);
• разработать технологию измерения (решить вопрос – «как измерять?»).

Это позволяет составить алгоритм Д ТС или ее элементов.

Необходимость Д при эксплуатации вызвана тем, что наработка до отказа ТС и ее элементов является случайной величиной. Д обеспечивает своевременное прекращение работы за счет оперативного определения состояния отказа.

Системы Д должны удовлетворять ряду требований, основные из которых следующие:

• удобство и простота применения в производственных условиях;
• осуществление процесса Д в минимальное время;
• обладать необходимой достоверностью.

При эксплуатации ТС Д решает различные задачи в зависимости от вида обработки. При черновой и получистовой обработке Д функциональные отказы. Значительна доля отказов инструмента из-за хрупкого разрушения и катастрофического износа. При окончательной обработке деталей должна обеспечиваться параметрическая надежность за счет Д параметрических отказов инструмента и станка. Для того, чтобы управлять доминирующими повреждениями, вызывающими отказы, осуществляется их постоянный контроль. Нарушения выходных параметров, показателей качества обработки, должны предупреждаться в процессе обработки, а не после изготовления деталей. Большинство реализованных на производстве систем Д распознают текущее состояние и отказ инструмента.

 

5.2. Диагностирование  – способ повышения надежности  ТП

 

Обратимся к таким показателям  надежности как коэффициент надежности и коэффициент технического использования ТС. Они завися от затрат времени на ремонт.

Коэффициент технического использования ( К ) – это отношение математического ожидания суммарного времени пребывания объекта работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации – mT_раб , к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных ТО и ремонтом за тот же период – m( T_раб + T_пр ).

                                                   

                                                   (5.1)

Коэффициент К характеризует долю времени нахождения ТС в работоспособном состоянии относительно общей продолжительности эксплуатации.

Д повышает К за счет:

• уменьшения простоев из-за сокращения времени на поиски предельных повреждений;
• повышения средней наработки ТС из-за повышения средней наработки до отказа режущего инструмента.

Повышение К также прямо связано с повышением производительности обработки. За счет уменьшения Т_пр уменьшается время обслуживания ТС Т_об и, следовательно, за счет сокращения штучного времени Т_шт = Т_маш + Т_вс + Т_об + Т_от увеличивается производительность.

Пропущенный отказ инструмента  является:

• в большинстве случаев – основной причиной брака продукции;
• в ряде случаев – причиной отказа инструмента, работающего на последующих операциях;
• иногда – причиной отказа узлов станка.

Д исключает эти катастрофические ситуации и тем самым, повышает надежность ТС.

 

6. Методические основы разработки систем диагностирования

 

Разработка систем Д состоит в выполнении в определенной очередности следующих этапов работ:

1) Выявляют возможные в процессе эксплуатации изменения в состоянии инструмента, определяют критерий состояния и критерий отказа (текущее и предельное состояние инструмента).

2) В результате анализа выделяют  наиболее информативный косвенный  диагностический признак.

3) Разрабатывают диагностические  модели, которые устанавливают связь  между состояниями объекта и  их отображениями в диагностических  сигналах.

4) Разрабатывают алгоритм и программное  обеспечение системы Д.

5) разрабатывают аппаратную реализацию  алгоритма Д.