PROVOZ, ÚDRŽBA A OPRAVY SILNIČNÍCH VOZIDEL

PROVOZ, ÚDRŽBA A OPRAVY SILNIČNÍCH VOZIDEL Miroslav Tesař

Pardubice 2012

Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu OP VK CZ.1.07/2.2.00/15.0462 „Virtuální vzdělávání v dopravě“.

2

Název:

Provoz a údržba silničních vozidel

Autor:

Miroslav Tesař

Vydání:

první, 2012

Počet stran:

74

Náklad:

50

Studijní materiály pro studijní obor : Dopravní prostředky – silniční vozidla, Dopravní fakulta Jana Pernera Jazyková korektura: nebyla provedena.

Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Název: Virtuální vzdělávání v dopravě Číslo: CZ.1.07/2.2.00/15.0462 Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava/Univerzita Pardubice

© Miroslav Tesař © Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Univerzita Pardubice ISBN: 978-80-248-3278-4

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

3

POKYNY KE STUDIU Provoz , údržba a opravy silničních vozidel Pro uvedený předmět, studovaný v 5. Semestru bakalářského studia oboru Dopravní prostředky – silniční vozidla jste obdrželi studijní balík obsahující: • integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu, • přístup do e-learningového portálu obsahující doplňkové videozáznamy , •
Prerekvizity Pro studium této opory se předpokládá znalost na úrovni absolventa předmětu Konstrukce silničních vozidel I a II .

Cílem učební opory Cílem studijní opory je zvýšení kvality, flexibility a atraktivnosti vzdělávání v oblasti technických předmětů za účelem zvýšení konkurenceschopnosti absolventů na trhu práce. Účelem je poskytnout studentům specifickou nabídku základních znalostí z technických předmětů zaměřených na oblast dopravy. Na předkládaný základ mají studenti jednodušší navázání svých budoucích teoretických, tak i praktických znalostí. Takto lze tedy klasifikovat studijní oporu jako jeden z možných kroků pro zkvalitnění teoretických znalostí absolventů technicky zaměřených vysokých škol.

Pro koho je předmět určen Modul je zařazen do bakalářského studia oboru Dopravní prostředky – silniční vozidla studijního programu Dopravní technologie a spoje, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru. Skriptum se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura.


4

Při studiu každé kapitoly se můžete setkat s následujícími informačními symboly: Čas ke studiu: xx hodin Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační a může vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly. Někomu se čas může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti.

Cíl: Informuje o tom, co je nejpodstatnější v dané části a co nového Vám studium přinese.

Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, vše doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace.

Shrnutí pojmů Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou.

Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek.

Úlohy k řešení Bude zadána úloha k samostatnému řešení, která Vám umožní lépe pochopit podstatu studovaného problému.

Klíč k řešení Výsledky zadaných příkladů i teoretických otázek jsou uvedeny v závěru učebnice v Klíči k řešení. Používejte je až po vlastním vyřešení úloh, jen tak si samokontrolou ověříte, že jste obsah kapitoly skutečně úplně zvládli.


5

CD-ROM Informace o doplňujících animacích, videosekvencích apod., které je možné si vyvolat z CD-ROMu nebo je lze nalézt na e-learningovém portálu Virtuálního vzdělávání v dopravě na: http://projekty.fs.vsb.cz/462/ .

Další zdroje Seznam použité literatury, www odkazů apod., pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky.

Zajímavost k tématu Text obsahující různé doplňkové informace, které více či méně souvisí s tématem. Různé poznatky z praxe, nebo zajímavosti ze vzniku daného oboru či objevu, nebo jiné informace ze zákulisí uvedené problematiky.

Úspěšné a příjemné studium s tímto učebním textem Vám přeje autor. Miroslav Tesař


6

OBSAH 1

2

ÚVOD DO PŘEDMĚTU – ZÁKLADNÍ POJMY ..................................................... 9 1.1

Úvodní slovo do problematiky ................................................................................ 9

1.2

Základní pojmy ...................................................................................................... 10

1.3

Dílčí vlastnosti spolehlivosti a jejich ukazatele .................................................... 19

DEGRADACE STROJNÍCH CELKŮ ..................................................................... 24 2.1

Základní pojmy ...................................................................................................... 25

2.2

Druhy opotřebení ................................................................................................... 26

2.3 3

2.2.1

Únavové opotřebení ............................................................................................. 26

2.2.2

Erozivní opotřebení ............................................................................................. 26

2.2.3

Adhezívní opotřebení .......................................................................................... 26

2.2.4

Vibrační opotřebení............................................................................................. 27

2.2.5

Abrazivní opotřebení........................................................................................... 27

2.2.6

Kavitační opotřebení ........................................................................................... 27

2.2.7

Korozivní opotřebení........................................................................................... 28

2.2.8

Otlačení................................................................................................................. 28

2.2.9

Deformace ............................................................................................................ 28

2.2.10

Trhliny .................................................................................................................. 28

Vliv prostředí na degradační projev..................................................................... 29

PODSTATA DIAGNOSTIKY PŘI ÚDRŽBĚ ......................................................... 32 3.1

Základní pojmy s vazbou na diagnostickou analýzu .......................................... 34

3.2

Diagnostický systém ............................................................................................... 36

3.3

Základní druhy diagnostických systémů.............................................................. 38 Systémy testové diagnostiky, tzv. OFF-LINE; ................................................................. 38 Systémy funkční (provozní) diagnostiky, tzv. ON-LINE; ............................................... 38 Expertní systém .................................................................................................................. 39

3.4

Technologie údržby ................................................................................................ 40

4 ROZPOZNÁVÁNÍ V DIAGNOSTICE NA ZÁKLADĚ DIAGNOSTICKÉHO SIGNÁLU ................................................................................................................................ 43

5

4.1

Diagnostické signály a jejich zpracování ............................................................. 43

4.2

Rozpoznávání v diagnostice................................................................................... 47

TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA A JEJÍ FYZIKÁLNÍ PODSTATA .................... 50 5.1

Vibrodiagnostika .................................................................................................... 50 VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

7 5.1.1

Aktivní univerzální diagnostické metody .......................................................... 52

5.1.2

Vibrační metody pro zjišťování skutečného technického stavu valivých 53

ložisek

5.2

6

Termodiagnostika................................................................................................... 54 5.2.1

Kontaktní metody měření teploty a teplotních polí .......................................... 54

5.2.2

Bezkontaktní měření teplot a teplotních polí .................................................... 55

5.3

Akustická diagnostika ............................................................................................ 56

5.4

Ultrazvuková diagnostika ...................................................................................... 58

5.5

Tribotechnická diagnostika ................................................................................... 60

DIAGNOSTIKA A ÚDRŽBA SPALOVACÍCH MOTORŮ .................................. 66 6.1

Výkon motoru ......................................................................................................... 67 6.1.1

Přímé metody měření výkonu spalovacího motoru .......................................... 67

6.1.1.1 Měření výkonu spalovacího motoru na motorové brzdě ................................. 67 6.1.1.2 Měření výkonu na válcové zkušebně ................................................................. 69 6.1.1.3 Snímání průběhu spalovacího tlaku ve válcích motoru ................................... 70 6.1.2

Metody nepřímého měření výkonu .................................................................... 72

6.1.2.1 Stanovení výkonu metodou vypínání válců ....................................................... 72 6.1.2.2 Měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru .............................................. 72


8

Předkládaný učební text slouží pouze jako vodítko k usnadnění studia. Text je určen pro posluchače kombinované formy studia a v žádném případě nenahrazuje přednášky, kde budou příslušná témata rozebrána do větší hloubky. Posluchači jsou povinni se seznámit s doporučenou a s povinnou literaturou.


Úvod do předmětu – základní pojmy

1

ÚVOD DO PŘEDMĚTU – ZÁKLADNÍ POJMY

Kapitola, kterou máme před, sebou se bude zabývat především základními pojmy, abyste se dovedli rychle orientovat v nastolené problematice. Současně je nutné znát odbornou terminologii, bez které by bylo řešení jakéhokoli problematiky nejednotné a velmi obtížné.

Příprava na tutoriál Nutností ke studiu je znalost předmětů Konstrukce silničních vozidel I a II a částečně i z předmětu Spalovací motory.

1.1 Úvodní slovo do problematiky Čas ke studiu: 1 hodina Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete seznámeni s problematikou, se kterou se budete setkávat v následujícím studiu.

Výklad Již od prvopočátku lidstva si lidé snaží namáhavou práci ulehčit. Za tímto účelem používali různé předměty a nástroje. V prvopočátcích se jednalo o jednoduché předměty, které se používaly, dokud nedošlo k jejich poškození. Vzhledem k nízké složitosti používaných předmětů byla jejich oprava jednoduchá. S postupem času lidé kladli stále vyšší nároky na ulehčení nejen fyzické námahy. Jedny z prvních složitých strojů, které potřebovaly speciální vlastní péči, byly parní lokomotivy. V prvopočátcích se o tyto stroje starali lidé, kteří je provozovali, jelikož právě oni dokonale znali zařízení a věděly, co je třeba na stroji opravit a co je třeba na nich promazat a dotáhnout. Postupem času se „rodina“ parních lokomotiv stále rozrůstala a již jedna lokomotiva měla více než jednoho člena obsluhy, který ji proháněl po kolejích. V této době se objevily, jak se dalo předpokládat, první problémy se spolehlivostí lokomotiv. Tedy nastala doba, kdy bylo třeba vhodným způsobem sestavit plán péče o zařízení, v tomto případě o parní lokomotivu. V podstatě se jedná o prvopočátky péče o užívaný objekt. V tomto okamžiku se setkáváme s pojmy údržba, oprava a plán údržby. S rostoucím technickým pokrokem a stále zvyšujícími se nároky na spolehlivost užívaných technických zařízení. Proto bylo třeba odstranit potencionální poruchu ještě před svým potencionálním vznikem. Takovýto postup ve zjišťování technického stavu je možné realizovat za pomoci diagnostiky. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

9

Úvod do předmětu – základní pojmy V následujících kapitolách předkládané publikace se můžete postupně seznámit s touto problematikou. A současně se podíváme na jednotlivé metody využívané při diagnostikování silničního dopravního prostředku a jeho konstrukčních skupin případně prvků. Tedy je možné popřát hodně zdaru v dalším studiu. S CHUTÍ DO TOHO A MINIMÁLNĚ PŮL JE HOTOVO!!!

Shrnutí pojmů 1.1. Po seznámení se s úvodní problematikou byste měli být schopni již sestavit chronologický postup vývoje péče o technický objekt společně s uvedením příkladů.

Otázky 1.1. 1. Co je to technické zařízení a jak se projevilo na lidském rozvoji? 2. Jak je možné pečovat o technický objekt?

1.2 Základní pojmy Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Orientovat se v terminologii spojené s provozem vozidel. Orientovat se v terminologii spojené s údržbou a opravami vozidel. Orientovat se v terminologii spojené s diagnostikou vozidel. Definovat pojmy z oblasti provozu, údržby, oprav a diagnostiky nejen silničních vozidel. Umět se orientovat ve výše zmíněné problematice základní terminologie.

Výklad Tak a nyní přistupujeme ke stěžejní kapitole. Sice se jedná o docela nezajímavou a monotónní oblast, ale bez jejího bezproblémového zvládnutí nemá smysl dále ve studiu předkládané knihy pokračovat. Spolehlivost výrobků – je podle ČSN IEC 50(191) chápána jako termín popisující pohotovost ve spojení s činiteli, které ji ovlivňují. Těmito činiteli jsou: VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

10

Úvod do předmětu – základní pojmy bezporuchovost, udržovatelnost a zajištěnost údržby (obrázek 1.1). Obecněji můžeme spolehlivost definovat jako objektivní, obecnou a komplexní vlastnost objektu (např. vozidla), spočívající ve schopnosti plnit požadované funkce a to při zachování hodnot stanovených provozních ukazatelů v daných tolerančních mezích a v čase podle stanovených technických podmínek.

Spolehlivost Pohotovost

udržovatelnost

zajištěnost údržby

bezporuchovost

Obrázek 1.1 – Vyjádření spolehlivosti dle ČSN v užším pojetí

Pojmy k zapamatování

Pohotovost – je schopnost objektu být ve stavu schopném plnit požadovanou funkci v daných podmínkách, v daném časovém okamžiku nebo intervalu, za předpokladu, že jsou zajištěny požadované vnější podmínky. Bezporuchovost – je schopnost objektu plnit požadovanou funkci v daném časovém období a za daných podmínek. Zajištěnost údržby – je schopnost organizace poskytující údržbářské činnosti zajišťovat, dle požadavků v daných podmínkách, veškeré prostředky potřebné pro údržbu. Údržba je dána koncepcí údržby. Udržovatelnost – je opět schopnost objektu v daných podmínkách užívání setrvat a to ve stavu nebo se vrátit do stavu, v němž může plnit požadovanou funkci. Podmínkou je, že se údržba provádí v daném rozsahu, za daných podmínek a používají se stanovené postupy a prostředky. Životnost – je schopnost objektu plnit požadovanou funkci v daných podmínkách používání a údržby do mezního stavu.


11

Úvod do předmětu – základní pojmy  technická – je dána dobou spolehlivé a bezpečné činnosti základních částí vozidla.  skutečná – je dána dobou provozu (proběhem), kdy dojde k poruše, po které je obnova technicky nebo ekonomicky neúčelná.  optimální – je dána dobou provozu (proběhem), během níž je dosaženo maximálního ekonomického účinku.  jmenovitá – je dána dobou provozu (proběhem) po níž je oprávněn odpis (vyřazení) vozidla.  morální – je vymezena morálním zastaráním vozidla v závislosti na technickém pokroku. Mezní stav – je takový hraniční stav, kdy při jeho překročení se přestává objekt využívat k účelu, ke kterému byl zhotoven. Mezní stav lze charakterizovat ukončením užitečného života, ekonomickou nebo technickou nevhodností, přechodem do stavu poruchového či jinými závažnými důvody. Mezní stav je uveden v grafické podobě na obrázku 1.2.

Obrázek 1.2 – Zobrazení mezního stavu Předmět sledování – jak již z názvu je patrné, jedná se o předmět našeho zkoumání – objekt nebo výrobek. Objektem – je skutečný předmět, materiál nebo pozorovaná hodnota. Je-li objekt vyrobený, nazýváme jej výrobkem (např. vozidlo nebo jeho dílčí část aj.). Výrobek může mít povahu prvku, častěji ale mívá povahu soustavy. Prvek – je samostatně uvažovaná část výrobku, (např. píst spalovacího motoru).


12

Úvod do předmětu – základní pojmy Soustava – je souhrn několika společně pracujících prvků a je možné ji dle funkční struktury rozdělit na dílčí části jako jsou (Obrázek 1.3):  hlavní skupiny – představují nejvyšší funkční celky  skupiny – představují vyšší funkční celky, vytvořené montážně ze součástek, součástkových celků a podskupin,  podskupiny – představují funkční celky, vytvořené montážně ze součástí  součástkové celky – představují nejjednodušší celky, vytvořené z několika součástek,  součásti – nejde je z pohledu funkčnosti dále rozdělit

Obrázek 1.3 – Dekompozice (objektu) stroje Objekt (entita) – je jakákoliv součást, zařízení, část systému, funkční jednotka, přístroj, systém, s kterým je možné se individuálně zabývat a řešit jej samostatně.  neopravovaný objekt – je takový objekt, u kterého po okamžiku výskytu poruchy nerealizujeme nápravu (návrat do funkčního stavu) – u objektu končí jeho životnost.  opravovaný objekt – je takový objekt, u kterého po okamžiku výskytu poruchy realizujeme nápravu (návrat do funkčního stavu). Návrat do funkčního stavu můžeme i několikrát opakovat. U objektu nekončí jeho životnost a stále je užíván za svým účelem. Porucha – je takový stav, kdy pozorovaný objekt neplní některý ze svých parametrů a to bez ohledu, zda se jedná o hlavní anebo vedlejší parametr. Parametr – je měřitelná veličina, která popisuje technické, ekonomické nebo provozní vlastnosti objektu. Bezpečnost – je stav, ve kterém je riziko ohrožení zdraví, života osob, životního prostředí nebo majetku omezeno na přijatelnou úroveň.


13


Úkol k řešení 1.2 1. V tomto okamžiku se zkuste zamyslet, jak může být chápáno přijatelné riziko. Zamyslete se nad jednotlivými kategoriemi dopravních prostředků. 2. Představte si automobil. Rozdělte si jej na jednotlivé skupiny a podskupina a díly. Nyní se zamyslete a zkuste si jednotlivé komponenty rozdělit do funkčních kategorií.

Odměna a odpočinek Nyní jste se seznámili se základními pojmy. Než se podíváme dále, dejte si krátkou přestávku a předchozí část si zopakujte. Jakmile se budete cítit opět ve formě, můžete přistoupit k následující části kapitoly.

Pojmy k zapamatování Údržba – je u nás obecně chápána jako kombinace všech organizačních, technických, řídících, kontrolních a administrativních činností, zaměřených na udržení objektu ve stavu nebo navrácení objektu do stavu, v němž může plnit svoji funkci. (takto obecně vymezená údržba = preventivní údržba + údržba po poruše); je prováděna uživatelem, provozovatelem, dodavatelem, výrobcem aj.  doba údržby – je časový interval, během něhož se na objektu provádí údržbářský zásah, včetně technických a logistických zpoždění.  doba aktivní údržby – doba údržby bez logistických a jiných zpoždění.  pracnost údržby – kumulovaná doba údržby při využití všech pracovníků pro daný údržbářský zásah, nebo během daného časového intervalu.  administrativní zpoždění – kumulovaná doba, během níž se na porouchaném objektu z administrativních důvodů neprovádí údržba po poruše.


14

Úvod do předmětu – základní pojmy  logistické zpoždění kumulovaná doba, během níž se nemohou provádět

údržbářské

operace

z důvodů

nezbytného

získání

údržbářských prostředků.  doba diagnostikování poruchy – doba, během níž se provádí diagnostika poruchového stavu.  doba lokalizace poruchy – část doby aktivní údržby po poruše, během níž se provádí lokalizace poruchy.  doba aktivní opravy – část doby aktivní údržby po poruše, během níž se provádí odstranění poruchy.  doba kontroly – část doby aktivní údržby, během níž se provádí kontrola po ukončení opravy. Dílčí dělení údržbových úkonů je patrné z obrázku 1.4.

Obrázek 1.4 – Dělení údržby Vnitřní spolehlivost (inherentní spolehlivost) – je považována za spolehlivost, kterou dá do vínku objektu jeho výrobce (kvalita návrhu, kvalita zpracování, výroby, …) Vnější spolehlivost – je klasifikována jako spolehlivost uživatele. Je charakterizována jako spotřebovávání inherentní spolehlivosti uživatelem a zároveň vyjadřuje, jak je o objekt pečováno u uživatele. Poškození – je považováno za narušení bezvadného stavu, tj. stavu, v němž objekt vyhovuje všem požadavkům stanoveným technickými podmínkami. Vada – může být charakterizována jako změna nejčastěji technického stavu objektu, která není podstatná pro činnost objektu.


15

Úvod do předmětu – základní pojmy Porucha z vnitřní příčiny – je taková porucha, která je způsobena vyčerpáním inherentní spolehlivosti. Porucha z vnější příčiny – je taková porucha, která je způsobena vyčerpáním inherentní spolehlivosti. Příčinou vyčerpání inherentní spolehlivosti je zanedbání péče o objekt (vnější spolehlivost). Klasifikace poruch – jedná se oblast, kde můžeme poruchy třídit do jednotlivých kategorií a dále jsme schopni je klasifikovat (popisovat jednotlivé poruchy). Časový průběh změn parametrů (obrázek 1.5)  náhlá – je taková porucha, které se projeví bez předešlého varování. Vzniká nejčastěji v důsledku vlivu vnějšího působení, které překračuje konstrukční možnosti prvku, se kterými nebylo předpokládáno v technických podmínkách. Od okamžiku prvotní signalizace poruchy až po její plný rozvoj (projevení v plném rozsahu) uplyne krátký časový interval . Častou příčinou jsou skryté materiálové či konstrukční závady.  postupná (přechodná) – je taková porucha, které se projeví s předešlým varováním. Od okamžiku prvotní signalizace poruchy až po její plný rozvoj, (projevení v plném rozsahu) uplyne relativně dlouhý časový interval, při kterém může být inicializovaný výskat poruchy odhalen, např. údržbářskými úkony. Vznikají jako důsledek degradačního procesu, dochází tak ke zhoršení počátečních vlastností prvku. Postupné poruchy se projevují u většiny součástí vozidel, jsou spojené s procesem koroze, křehnutí plastů, únavy materiálu, opotřebení. Interval .

t – okamžik inicializace poruchy;

t´, t´´, t´´´ – okamžik dosažení mezního stavu

Obrázek 1.5 – Klasifikace poruchy podle rozvoje v čase VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

16

Úvod do předmětu – základní pojmy  kombinovaná – jedná se o kombinaci obou předešlých případů. Inicializace vzniku degradačního procesu má původ ve vnějším působení a rychlost degradace odpovídá vzniku postupné poruchy, interval . Rozsah poruchy nebo-li stupeň narušení provozuschopnosti  úplná porucha – následuje úplné vyřazení objektu z užívání.  částečná porucha – užívání objektu je částečně omezeno, není možné v plném rozsahu. Výskyt v čase – jedná se o hodnocení dle toho, kdy se porucha objeví  náhodná – výskyt v čase je náhodný.  systematická – výskat v čase má charakter náhodný, ale při bližším zkoumání výskytu poruchy je možné nalézt určitou závislost. Vzájemný vztah – hodnoceno podle závislosti mezi dvěma anebo více poruchami  nezávislá (prvotní) – jejímu výskytu nepředcházela žádná jiná závada, která by měla jakýkoli vliv na její výskyt.  závislá (druhotná) – jejímu výskytu předcházel vznik jiné závady, která měla bezprostřední vliv na výskyt sledované závady. Vnější projev – je brán dle toho, jak je rozvoj poruchy a její výskyt patrný  zjevná – závada je patrná při běžném zkoumání.  skrytá – závada není patrná běžnými prostředky používanými ke zjišťování

technického

stavu.

Dá

se

odhalit

speciálními

diagnostickými přístroji anebo zařízením. Následky – klasifikace poruch podle následků, které daná porucha způsobila  lehká – hodnoceno na základě závažnosti, pro různé poruchy se může lišit.  těžká – hodnoceno na základě závažnosti, pro různé poruchy se taktéž může lišit jako v předešlém případě. Rozsah a charakter změn parametrů – jedná se obvykle o kombinaci dvou kategorií  havarijní – je kombinací poruchy náhlé a úplné.  degradační – je kombinací poruchy postupné a částečné. Příčina – klasifikace poruch na základě jevu a stavu, který poruchu způsobil  konstrukční a projekční – je dána oblastí z výroby, ovlivňuje ji výrobce. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

17

Úvod do předmětu – základní pojmy  výrobní a skladovací – je dána kvalitou výroby.  provozní a údržbová – je dána způsobem provozu a realizací údržbových úkonů.  vliv klimatických podmínek, obsluhy, stárnutí, opotřebení – vliv vnějších i vnitřních faktorů.  mechanismus opotřebení – lom, koroze, trhlina, znečištění, propálení, deformace aj. Složitost odstranění – klasifikace je dle náročnosti na odstranění (znalosti, sofistikovanost postupů a zařízení)  jednoduchá – relativně jednoduché odstranění za pomoci běžných opravárenských postupů a zařízení.  složitá – o poznání složitější odstranění jako v předchozím případě, neboje zapotřebí důmyslnějších opravárenských postupů a zařízení. Dvoustavový poruchový model – ideální model technického stavu objektu. Jedná se o model, který výstižně charakterizuje provoz zařízení. V tomto modelu jsou hodnotou „1“ označovány poruchové stavy a hodnotou „0“ jsou označovány bezporuchové stavy (obrázek 1.6)

O – provozuschopný stav; 1 – poruchový stav, t – čas uvedení do provozu; t´, t´´ – okamžik výskytu poruchy t*, t** – okamžik uvedení do provozuschopného stavu

Obrázek 1.6 – Dvoustavový poruchový model

Technická diagnostika – viz. kapitola č. 3.


18


Shrnutí pojmů 1.2. Spolehlivost výrobků, Pohotovost, Bezporuchovost, Zajištěnost údržby, Udržovatelnost, Životnost, Mezní stav, Předmět sledování, Objektem, Prvek, Soustava, Objekt, Porucha, Parametr, Bezpečnost, Údržba, Vnitřní spolehlivost, Vnější spolehlivost, Poškození, Vada, Porucha z vnitřní příčiny, Porucha z vnější příčiny, Klasifikace poruch.

Otázky 1.2. 3. Co je to údržba? 4. Co je to oprava? 5. Co je to porucha?

Úkoly k řešení 1.2 6. Zamyslete se nad pojmy, se kterými jste se setkali v předešlém textu a pro každý pojem si uveďte 3 až 5 příkladů z oblasti silničních vozidel.

1.3 Dílčí vlastnosti spolehlivosti a jejich ukazatele Čas ke studiu: 1 hodina Příprava na tutoriál Nutností ke studiu je znalost základů ze statistiky.

Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Orientovat se v oblasti údržby a oprav se zaměřením na využívání statistických nástrojů.

Výklad Ukazatelé bezporuchovosti neopravovaných výrobků VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

19

Úvod do předmětu – základní pojmy  Pravděpodobnost výskytu poruchy F(t) F (t ) =

n(t ) = 1 − R(t ) N

n(t) – počet výrobků, které měly poruchu do okamžiku t, N – celkový počet výrobků na začátku sledování

 Pravděpodobnost výskytu bezporuchového provozu R(t) R(t ) =

n(t ) N − n(t ) = 1− N N

 Hustota pravděpodobnosti poruchy f(t)

f (t ) = F ´(t ) = F (t ) =

∞

∫

dF (t ) dn(t ) ; = dt Ndt t

∞

0

t

R(t ) = 1 − ∫ f (t )dt = ∫ f (t )dt

f (t )dt ;

−∞

 Intenzita poruch λ(t) – je to pravděpodobnost, že dojde k poruše výrobku za nekonečně malou časovou jednotku po daném okamžiku, s podmínkou, že do tohoto okamžiku nedošlo k poruše.

λ (t ) =

∆n (N − n(t ))∆t

 Střední doba do poruchy ts Statistická hodnota střední doby do poruchy t* s se stanoví jako výběrový průměr naměřených dob do první poruchy t s* =

1 N ∑ ti N i =1

ti – doba do poruchy i-tého sledovaného výrobku  Zaručená doba bezporuchového provozu tα V praxi často potřebujeme zjistit, jaká je pro určitou pravděpodobnost α (dostatečně blízkou k jedné), zaručená doba provozu do první poruchy t a .


20

Úvod do předmětu – základní pojmy R(t a ) = a Je-li např. α = 0,75, je ta časový úsek provozu charakterizovaný tím, že na konci tohoto úseku zůstává 75 % výrobků provozuschopných.

Ukazatelé bezporuchovosti opravovaných výrobků Zajímáme se o ně po jejich první poruše.  Parametr hustoty obnovy (proudu poruch) z(t) (obrázek 1.7)

Obrázek 1.7 – Parametr hustoty obnovy  Střední doba mezi poruchami Ts Je to střední hodnota provozní doby (proběhu) mezi dvěma po sobě následujícími poruchami. Ts* (t ) =

tc 1 N = ∑ ti n n i =1

 Součinitelé pohotovosti

Mezi základní ukazatele opravitelnosti mimo jiné patří:  střední doba opravy,  pravděpodobnost opravy,  hustota pravděpodobnosti opravy,


21

Úvod do předmětu – základní pojmy  intenzita oprav,  součinitel neodkladnosti oprav,  součinitel složitosti oprav. Udržovatelnost – je vlastnost objektu (vozidla), spočívající ve způsobilosti k předcházení a zjišťování poruch předepsanou údržbou. Je popsána:  střední doba údržby,  pravděpodobnost provedení údržby,  intenzita údržby,  součinitel údržby,  četnosti údržby. Skladovatelnost – je možné při použití statistických nástrojů určit následující parametry:  střední dobu skladovatelnosti,  Gamma-procentní dobu skladovatelnosti,  parametr hustoty obnovy při skladování,  pravděpodobnost skladovatelnosti,  nákladová funkce skladovatelnosti.

Shrnutí pojmů 1.3. Udržovatelnost, Součinitelé pohotovosti, Střední doba mezi poruchami, Parametr hustoty obnovy, Ukazatelé bezporuchovosti, Zaručená doba bezporuchového provozu, Intenzita poruch, Střední doba do poruchy, Hustota pravděpodobnosti poruchy, Pravděpodobnost výskytu bezporuchového provozu, Pravděpodobnost výskytu poruchy, Skladovatelnost

Otázky 1.3. 7. Co je to střední doba do poruchy, jak se vypočítá? 8. Co je to pravděpodobnost bezporuchového stavu? 9. Co je to pravděpodobnost poruchy? 10. Jaký platí vztah mezi pravděpodobností bezporuchového stavu a pravděpodobností poruchy?


22


Úkoly k řešení 1.3 11. Zamyslete se nad rozdílem uplatnění statistického nástroje u opravovaných a neopravovaných objektů. 12. Pojednejte o automobilu z pohledu opravovaného a z pohledu neopravovaného objektu. Vyjmenujte co nejvíce příkladů a snažte se dané problematice porozumět i z pohledu tvorby dvoustavového modelu.

Další zdroje

Kapitola byla zpracována podle následující literatury: STODOLA, Jiří. Provoz, údržba a opravy vozidel I.. Pardubice : Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009. LÁNSKÝ, M.: MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I. PARDUBICE : UNIVERZITA PARDUBICE, 2001. 106 S.


23

Degradace strojních celků

2

DEGRADACE STROJNÍCH CELKŮ Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Orientovat se v jednotlivých druzích opotřebovávání. Budete znát příčiny vzniku opotřebení. Budete znát projevy daných opotřebení.

Příprava na tutoriál Nutností ke studiu je znalost základů z konstrukce technického zařízení a současně je nutná znalost z oblasti fyziky.

Výklad Při každém užívání objektu (vozidla) dochází k jeho opotřebovávání, které se projevuje změnou původních technických parametrů. V prvotním časovém intervalu po uvedení do provozu dochází obvykle ke krátkodobému zlepšení parametrů, tento stav se nazývá záběh. S rostoucím časem užívání dochází k negativní změně původních parametrů. Jedná se o opotřebovávání, které může vézt až ke vzniku poruchy, případně negativně ovlivní provozní vlastnosti objektu. Mimo vlastní opotřebování vlivem užívání objektu dochází k jeho znehodnocování také působením okolního prostředí. Snahou konstruktérů i provozovatele vozidla je především opotřebení zamezit, či jej alespoň snížit. Za tímto účelem musí být objekt vhodně navrhnut a musí být také správným postupem udržován. Souhrn všech působících vlivů a dějů na užívaný objekt se nazývá mechanismus poruch. Kapitola, kterou máme před, sebou se bude zabývat především základními principy a mechanismy, které vedou k poškozování a opotřebování strojních součástí. To, že nějaký prvek či subsystém přestane plnit svoji funkci, nebývá náhoda, ale jedná se o důsledek určitých procesů, které označujeme rámcově jako degradační procesy.


24


2.1 Základní pojmy Pojmy k zapamatování Funkční plocha – část povrchu součásti, která je ve vzájemném styku s funkční plochou jiné součásti nebo se zpracovávaným materiálem. Vznik poškození – nastává při vzájemném přibližování povrchů, kdy se na materiálu porušují ochranné vrstvy (adsorpční i oxidová) a tím na materiál působí okolní prostředí, případně se materiály dostávají do přímého kontaktu. Probíhají elektrochemické reakce, dále pak vznikají mikrospoje, které se v důsledku vzájemného pohybu rozrušují a dochází k oddělování částic materiálu. Opotřebení je nežádoucí změna povrchu, rozměru nebo vlastností tuhých těles. Je způsobená vzájemným působením funkčních povrchů nebo povrchu a média, které je schopno opotřebení vyvolat. Dle ČSN 015050 se opotřebení dělí na 6 základních skupin:  únavové,  erozivní,  adhezívní,  vibrační,  abrazívní,  kavitační.

Shrnutí pojmů 2.1. Opotřebení, poškození, funkční plocha

Otázky 2.1. 13. Co je to opotřebení? 14. Jaké jsou možnosti vzniku poškození?

Úlohy k řešení 2.1. 15. Zamyslete se, jaké existují funkční plochy u pístové skupiny spalovacího motoru. Dále se zamyslete, jakému opotřebení podléhají. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

25


2.2 Druhy opotřebení 2.2.1 Únavové opotřebení Únavové opotřebení vzniká při postupném kumulování poruch a to v povrchové vrstvě funkčních ploch. Tedy můžeme říci, že při opakujícím časově proměnném namáhání povrchové vrstvy vzniká tvorba zárodků povrchových a podpovrchových trhlin. Trhliny se šíří, spojují do té podoby, až začnou uvolňovat částice materiálu z povrchu – vznik důlků, proto také někdy označení dolíčkovité opotřebení. 2.2.2 Erozivní opotřebení Erozivní opotřebení vzniká dopadem hmotné částice obsažené v proudícím médiu (plyn, kapalina) na povrch funkční plochy. Pokud má částice při dopadu dostatečnou energii, tak v závislosti na úhlu dopadu může způsobit vytlačení nebo oddělení materiálu z funkční plochy. Pro tento způsob opotřebení je charakteristické oddělování materiálu účinkem částic, nesených proudem kapaliny nebo plynu (čerpadla na znečištěné kapaliny, ventilátory). Druhou možností je způsobení opotřebení od částic samotné kapaliny, páry nebo plynu (plynové turbíny, náběžné hrany křídel letadel, ventily spalovacích motorů. Porušení materiálu je nerovnoměrné, výrazně zvlněné a materiál je poškozen i v prohloubeninách. Výsledný tvar opotřebení je dán charakterem částic, úhlem dopadu, vzájemnou rychlostí pohybu a materiálem funkční plochy. 2.2.3 Adhezívní opotřebení Je způsobeno relativním pohybem při současném a značném radiálním zatížení. Toto zatížení funkčních povrchů způsobí jejich vzájemný dotyk a tím i porušení povrchových vrstev. Následně dochází k čistému kovovému styku funkčních ploch a ke vzniku mikrosvarů a jejich následnému porušováním. Což vede k přenosu materiálu z jednoho povrchu na druhý, k uvolňování a vytrhávání částic materiálu. Tento proces ovlivňuje přítomnost maziva mezi funkčními povrchy. Intenzivní adhezívní opotřebení můžeme nazývat zadíráním. Typickým projevem poškození je jemný adhezívní oděr. Adhezívní opotřebení je možné pozorovat u kluzných ložisek.


26

Degradace strojních celků Velikost opotřebení je závislá na zatížení kontaktní dvojice, volbě materiálů kontaktní dvojice, technologii opracování funkčních povrchů. Výrazné snížení opotřebení lze docílit vhodným mazáním funkčních povrchů, protože mazivo odděluje kontaktní povrchy a snižuje lokální napěťové špičky. Současně působí jako chemická ochrana povrchů, např. před působením vzdušného kyslíku. 2.2.4 Vibrační opotřebení Vzniká vzájemnými kmitavými tangenciálními posuny funkčních ploch při současném působení normálového zatížení. Amplitudy kmitavého pohybu mohou být i velmi malé, řádově 1 až 100 µm. Při těchto malých pohybech je znemožněno odstraňování otěrových částic, které jsou dále namáhány normálními i tangenciálními silami. Částice oxidují a dodávají opotřebeným místům na ocelových a litinových součástech typické hnědočervené až hnědočerné zbarvení. S vibračním opotřebením se můžeme v praxi setkat u lisovaných spojů kola na náboj a také na mnohých jiných místech. 2.2.5 Abrazivní opotřebení Je způsobeno „rozrýváním“ a řezáním měkčího povrchu jednoho tělesa drsným a tvrdším povrchem druhého tělesa. Tentýž účinek nastává působením volných částic, které mohou být oddělené z povrchů nebo vniknutých částic z okolí (nečistoty). Typickým projevem abrazivního poškození jsou rýhy. Velikost opotřebení je ve zjednodušené podobě závislá na poměru tvrdosti funkční plochy a abrazívní částice. Účinně se lze bránit vzniku abrazívního opotřebení u spalovacích motorů dobrou filtrací nasávaného vzduchu současně kvalitní filtrací motorového oleje. 2.2.6 Kavitační opotřebení Oddělování částic a poškozování povrchu v oblasti zanikání kavitačních dutin v kapalině. S kavitací se můžeme setkat v proudící kapalině a to v místech, kde se zvyšuje rychlost proudění, jejímž důsledkem dochází ke snížení tlaku kapaliny. Kavitační dutiny vznikají v místech, kde dochází ke snížení tlaku pod hodnotu nasycených par kapaliny při konkrétní teplotě. V takovémto případě se v kapalině začínají tvořit dutiny (kaverny), vyplněné parami kapaliny. V oblastech s vyšším tlakem pak tyto dutiny implozivně zanikají. Každý zánik kaverny způsobí hydrodynamické rázy, které poškozují povrchy materiálu. Typický kavitačně poškozený povrch je drsný, jakoby vytrhaný.


27

Degradace strojních celků 2.2.7 Korozivní opotřebení Koroze je nežádoucí trvalá změna povrchu materiálu, která je způsobena chemickými případně elektrochemickými vlivy okolního prostředí. Podle vzhledu se koroze dělí na:  Rovnoměrnou korozi – probíhá přibližně stejně rychle po celém napadeném povrchu, lze poměrně přesně předvídat její postup.  Nerovnoměrnou korozi – napadá jen některé části povrchu nebo některé strukturní složky materiálu. Napadená místa při tom navenek nemusí jevit zřetelné známky napadení. 2.2.8 Otlačení Je trvalá nežádoucí změna rozměrů povrchu, vzniklá působením vnějších sil. K otlačení dojde tehdy, jestliže skutečný kontaktní tlak překročí mez kluzu materiálu povrchové vrstvy. O otlačení jako samostatném poškození hovoříme tehdy, je-li zasažená (deformovaná) oblast makroskopických rozměrů. Z pohledu mikroskopického dochází k otlačení vždy a vlastně se jedná o první fázi opotřebení, ve které dochází k přibližování povrchů. 2.2.9 Deformace Deformaci definujeme jako změnu tvaru v důsledku působení síly. Silové působení mění vzájemné polohy atomů, ze kterých je těleso tvořeno.  Pružná (elastická) deformace – v případě, že se po odstranění působící síly těleso vrátí do původního tvaru.  Trvalá (plastická) deformace – v důsledku působení sil můžeme také zaznamenat, že dojde k nevratné změně. Tedy můžeme říci, že tvar tělesa se po odstranění působící síly již nevrátí do původního stavu. 2.2.10 Trhliny Jsou jedním z nejčastějších poškození především u odlitků, svařenců a u tepelně zpracovávaných součástí. Trhliny snižují pevnost součástí, působí netěsnosti a u dynamicky namáhaných součástí vedou ke vzniku únavových lomů.


28


Shrnutí pojmů 2.2. Únavové poškození, Erozivní poškození, Adhezívní poškození, Vibrační poškození, Abrazívní poškození, Kavitační poškození.

Otázky 2.2. 16. Zamyslete se nad rozdílem mezi otlačením a deformací? 17. Vyjmenujte jednotlivé druhy opotřebení?

Úlohy k řešení 2.2. 18. V úloze 2.1 jste si určili jednotlivé funkční plochy u pístové skupiny spalovacího motoru. Nyní na tento úkol navážeme a zkuste vyjmenovat jednotlivá opotřebení, která se zde mohou vyskytovat. 19. Nakreslete si schematicky jednotlivá opotřebení a stanovte, jak vypadá výsledný povrch při poškození.

Odměna a odpočinek Tak jsme dodělali druhou podkapitolu. Pokud je vám vše jasné, tak si dejte krátkou přestávku a poté si celou kapitolu 2.1 a 2.2 zopakujte. Pokud vám není něco jasného, vraťte se k nejasnostem a poté si dejte pauzu, než přistoupíte k opakování kapitoly a následnému studiu další části.

2.3 Vliv prostředí na degradační projev Jak bylo uvedeno výše, na degradační proces má nezanedbatelný vliv také prostředí, ve kterém se zařízení nachází. Základní vlivy jsou vyjmenovány níže. Samozřejmě, kdybychom se podívali kolem sebe, tak najdeme ještě mnoho dalších vlivů. Změna teploty – vyvolává mechanické pnutí, které může způsobit zhoršení mechanických vlastností materiálu. Vždy záleží na tom, zda se jedná o zahřívání anebo ochlazování a současně je důležitá i rychlost změny. Vysoká teplota – vždy záleží přesně na její absolutní hodnotě a může se projevit změnou viskozity, odpařováním kapalných látek, intenzivnější chemickou reakcí, teplotní VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

29

Degradace strojních celků dilatací.

Tyto jevy vedou k zvýšenému mechanickému namáhání na

tlak / tah nebo ztrátou mazacích vlastností. Nízká teplota – vždy záleží přesně na její absolutní hodnotě a může se projevit křehnutím, ztrátou mechanické pevnosti a samozřejmě i změnou viskozity. Tyto jevy vedou ke ztrátě mechanické pevnosti, snížení schopnosti mazání. Vysoká relativní vlhkost – může způsobit bobtnání, změnu absorpčních vlastností a také může měnit rychlost chemických reakcí. Důsledkem vysoké relativní vlhkosti je vznik netěsností a ztráta mechanických vlastností. Nízká relativní vlhkost – může způsobit vysoušení, smršťování a také může měnit rychlost chemických reakcí. Důsledkem vysoké relativní vlhkosti je vyšší náchylnost k abrazívnímu opotřebení a ztráta mechanických vlastností. Sluneční záření – ovlivňuje mechanické i elektrické vlastnosti materiálů, může způsobit křehnutí plastů a nestálost barevnosti povrchu. Sníh, led – způsobuje tepelné namáhání rázem a mění elektrické i mechanické vlastnosti materiálů. Elektrický proud – způsobuje zahřívání a změnu elektrických vlastností materiálů. V některých případech může urychlovat korozivní napadení, čímž vzniká elektrochemická koroze. Prach, písek a jiné tvrdé nečistoty – vedou ke zvýšenému abrazívnímu opotřebení, otěru a ke zvýšenému zahřívání vzájemné pohybujících se součástí.

Shrnutí pojmů 2.3. Vliv teploty, elektrického proudu, slunečního záření, relativní vlhkosti

Otázky 2.3. 20. Zamyslete se nad vlivem prostředí na degradační děje. Jaká je mezi nimi závislost? 21. Zkuste vysvětlit mechanismus vzniku elektrochemické koroze.


30


Úlohy k řešení 2.3. 22. Zkuste vyjmenovat jednotlivé vlivy prostředí působící na automobil jako celek, současně se zamyslete nad tím, jaké degradační procesy tyto vlivy způsobují.

Další zdroje Pošta, J., Veselý, P., Dvořák, M. : Degradace strojních součástí. Monografie Praha, ČZU, 2002, ISBN 80-213-0967-9 Famfulík, J.; Míková, J.; Krzyžánek, R. : Teorie údržby. Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava [online]. 2007, [cit. 2011-07-31]. Dostupný z WWW: . Stodola, Jiří : Provoz, údržba a opravy vozidel I.. Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009. 78 s. Manoj, V.; Manohar, K.; Shenoy , Gopinat K. : Developmental studies On rolling contact fatigue test ring, Wear, 2008, vol. 264, s. 708-718.


31

podstata diagnostiky při údržbě

3

PODSTATA DIAGNOSTIKY PŘI ÚDRŽBĚ Čas ke studiu: 2,5 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět: orientovat se v jednotlivých pojmech souvisejících s diagnostikou. vědět z jakých částí se skládá diagnostický systém. budete znát jednotlivé kategorie diagnostiky.

Příprava na tutoriál Nutností ke studiu je znalost základů z konstrukce technického zařízení a současně je nutná znalost z oblasti fyziky.

Výklad Než se podíváme na technickou diagnostiku jako takovou, tak se nejdříve v krátkosti podívejme na současný stav diagnostiky: V současnosti je zcela zřetelný trend k permanentnímu sledování hlavních funkcí a částí strojů tzv. palubní diagnostikou. Ta vzniká z několika hlavních popudů: 

jako důsledek vývoje diagnostiky a systémů údržby primárně založených na diagnostice,



jako všeobecná snaha eliminovat nespolehlivý lidský činitel a nahradit ho automaticky pracujícími systémy, které jsou schopny své činnosti v on-line režimu,



jako důsledek legislativních opatření, nařizujících nezávislou kontrolu vozidel s ohledem na bezpečnost a ekologii jejich provozu, a zároveň jako prostředek ke kontrole jejich dodržování.

Technická diagnostika může být považována za nauku, která zkoumá stav technických zařízení, metody a prostředky určování těchto stavů a principy konstrukce


32

podstata diagnostiky při údržbě diagnostických zařízení. Abychom mohli hovořit o diagnostice, musí být zajištěno zkoumání objektu bezdemontážním a nedestruktivním způsobem. Slovo diagnostika, resp. diagnóza je odvozeno z řeckého „dia-gnosis“, což v řečtině znamená „skrze poznání“. Aby bylo možné využít technickou diagnostiku, tak musíme taktéž zajistit, aby objekt vyhovovat dvěma základním podmínkám:  musí se nacházet alespoň ve dvou různých a to navzájem vylučujících se stavech, (např. provozuschopný stav a alespoň jeden poruchový stav),  musí mít rozpoznatelnou funkční strukturu, kterou lze rozčlenit na prvky, z nichž každý je charakterizován také alespoň dvěma technickými stavy. Posláním diagnostiky je:  zjišťování současného technického stavu objektu diagnostiky v reálném čase (jak již bylo uvedeno výše), zahrnující: •

detekci poruchy (identifikaci poruchy objektu)

•

lokalizaci poruchy (určení místa poruchy v objektu)

 předvídání technického stavu objektu diagnostiky, a to na základě stavu současného. To jsou úkoly prognostické (z řeckého „pro-gnosis" - předvídání, předpovídání) diagnostiky.  určení technického stavu, ve kterém se objekt diagnostiky nacházel v daném čase v minulosti. Analogicky zde budeme hovořit o úlohách genetických (z řeckého "genesis" - původ, vznik). Podmínkou pro správné aplikování diagnostiky je třeba, abychom znali správnou mezní velikost diagnostických veličin, tvořících předěl mezi provozuschopným a poruchovým stavem. Dále musíme znát zákonitosti rozvoje poruchy (správnost extrapolace) spojené s prováděním přiměřeně často diagnostickými měřeními, popř. trvale monitorovat vybrané veličiny, případně doplňkové diagnostické veličiny. Abychom získali z diagnostické analýzy maximum informací, musíme diagnostický objekt rozčlenit (např. vozidlo) na dílčí části, konající určitou funkci. Ve schématu vozidla tyto části znázorníme samostatnými bloky. Podrobnější nebo méně podrobné rozčlenění objektu diagnostiky závisí především na požadované přesnosti diagnózy, tzv. rozlišovací schopnosti diagnostického testu.


33

podstata diagnostiky při údržbě Profylaktická diagnostika je část provozní diagnostiky, která se zabývá objekty z hlediska

diagnostiky

předcházení

výskytu

závad

a

poruch

v průběhu

dalšího

provozu. Zkoumá provozuschopné objekty a velmi často vychází z výsledků funkční diagnostiky. Opravářská diagnostika je opět částí provozní diagnostiky, která se zabývá objekty v poruchovém stavu. Za její úkol vnímáme rozpoznávání poruch na objektu diagnostiky a především specifikaci jejich míst výskytu a příčin. Vychází z výsledků získaných aparátem funkční diagnostiky. Informace získané opravářskou diagnostikou slouží jako základ pro stanovení nutné opravy nebo údržby objektu s cílem odstranění zjištěných poruch. Dílenská diagnostika, jak je již pro nás z názvu patrné, zkoumá soustavy nebo prvky demontované z objektů (např. skupiny, podskupiny, soustavy vozidla aj.). Diagnostický proces je na nich realizován nezávisle na objektu, z něhož byly demontovány, nebo do něhož budou zabudovány. S dílenskou diagnostikou se setkáváme v potřebách výrobních a opravárenských podniků, opraven a dílen. Výzkumná a zkušební diagnostika je určená pro plnění úkolů spojených s výzkumem, vývojem a zkoušením objektu diagnostiky. Dílčí diagnostické metody nebo prostředky výzkumné a zkušební diagnostiky mohou, ale nemusí být po zavedení objektu do normálního používání využity v provozní nebo dílenské diagnostice.

3.1 Základní pojmy s vazbou na diagnostickou analýzu

Pojmy k zapamatování Diagnostický objekt (DO) – objekt, na něž se aplikuje technická diagnostika. V podstatě se jedná o objekt našeho zkoumání. Technický stav (TS) – stav zkoumaného objektu určující jeho schopnost plnit funkce za stanovených podmínek jeho užívání. Technický stav je popsán hodnotami diagnostických veličin. s(t) = [s 1 (t), s 2 (t), s 3 (t),……. s n (t)] Diagnostická veličina (s(t)) – veličina, která je nositelem informace o technickém stavu diagnostického objektu nebo jeho části. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

34

podstata diagnostiky při údržbě Diagnostikovatelnost

–

vlastnost

objektu

vyjadřující

jeho

způsobilost

k použití

diagnostických prostředků. Diagnostické prostředky – soubor technických zařízení, metod a pracovních postupů umožňujících provádět sběr dat, analýzu a vyhodnocení technického stavu objektu diagnostiky. Diagnostický ukazatel – charakteristika odvozená z diagnostické veličiny, která vyjadřuje vlastnosti diagnostického objektu. Diagnostikování – souhrn činností spojených s přípravou testů, jejich realizací v daném sledu a vyhodnocením technického stavu objektu diagnostiky. Lokalizace poruchy – určení místa, rozsahu a příčiny poruchy objektu na základě hodnoty diagnostických ukazatelů. Detekce poruchy – identifikace poruchy diagnostikovaného objektu nebo jeho funkčních částí na základě hodnot diagnostických ukazatelů. Bezvadný stav – je takový stav sledovaného objektu, kdy všechny parametry splňují předem dané podmínky (tolerance) a diagnostikované zařízení plní zadané funkce. Jestliže jsou v tolerancích pouze hlavní parametry zařízení, hodnotíme je jako provozuschopný stav. Pokud ani všechny hlavní parametry nemají předepsanou velikost, hodnotíme stav jako poruchu zařízení. Detekční test – test, kterým se zjišťuje, zda je diagnostický objekt v provozuschopném anebo v poruchovém stavu. Diagnostický test – posloupnost úkonů nebo pracovních operací, potřebných pro stanovení diagnostického ukazatele. Simulace poruchy – metoda zjištění reakce objektu při uměle vytvořeném poruchovém stavu diagnostického objektu. Simulace poruchy se používá při zjišťování etalonového průběhu diagnostické veličiny. Chyba – rozdíl (neshoda) mezi skutečnou a naměřenou hodnotou dané veličiny. Chyba nemusí být vždy důsledkem nějaké poruchy, ale může být způsobena i nedokonalostí měřící metody.


35


Shrnutí pojmů 3.1. Diagnostika, Chyba, Simulace poruchy, Diagnostický test, Detekční test, Provozuschopný stav, Bezvadný stav, Detekce poruchy, Lokalizace poruchy, Diagnostikování, Diagnostický ukazatel, Diagnostické prostředky, Diagnostikovatelnost, Diagnostická veličina, Technický stav, Diagnostický objekt

Otázky 3.1. 23. Co je to diagnostiky? 24. Jaký je rozdíl mezi detekcí a lokalizací při provádění diagnostické analýzy?

Úlohy k řešení 3.1. 25. Zamyslete se, jaký význam (zda vůbec nějaký má) má diagnostika při analýze spalovacího motoru.

3.2 Diagnostický systém Srdcem každé diagnostické analýzy je diagnostický systém se svojí sofistikovaností. Pod slovním spojením diagnostický systém, chápeme soustavu diagnostických prostředků společně se systémem diagnostických činností. Můžeme tedy říci, že se jedná o organizovaný systém tvořený diagnostickými prostředky, diagnostikovaným objektem a obsluhou. Cílem je určení technického stavu diagnostikovaného objektu a to současného a případně budoucího anebo i technického stavu, ve kterém se testovaný objekt nacházel v minulosti. Schéma diagnostického systému je uvedeno na obrázku 3.1.

DP – diagnostické prostředí

AZD – automatizované diagnostické zařízení

DO – diagnostikovaný objekt

LČ – lidský činitel

Obrázek 3.1 – Schéma diagnostického systému


36

podstata diagnostiky při údržbě Výsledek diagnostické analýzy nemusí mít podobu pouze deterministickou, ale může být i v podobě pravděpodobnostní. Podle podoby výstupu z diagnostické analýzy rozeznáváme diagnostické systémy pravděpodobnostní a deterministické. Deterministické systémy – pracují s pevně stanoveným diagnostickým modelem a rozpoznávání je určeno jednoznačným vztahem "PŘÍČINA → NÁSLEDEK". Pravděpodobnostní systémy – pracují i s nejasnými, případně i s neurčitými daty a proto také výsledky mají neurčitý pravděpodobnostní charakter. Většina testových a funkčních systémů patří k deterministickým systémům.

Shrnutí pojmů 3.2. V právě probrané podkapitole jsme se seznámili s jednotlivými částmi diagnostického systému.

Otázky 3.2. 26. Jaké diagnostické systémy se využívají častěji pravděpodobnostní nebo deterministické? 27. Co je to diagnostický systém?

Úlohy k řešení 3.2. 28. Na obrázku 3.1 jsou dvě bloková schémata. Zamyslete se nad nimi a zkuste nalézt alespoň pět příkladů s oblasti zkoušení silničních vozidel pro každé provedení.

Odměna a odpočinek Tak jsme dodělali druhou podkapitolu. Pokud je vám vše jasné, tak si dejte krátkou přestávku a poté si dosavadní kapitolu č. 3 zopakujte. Pokud vám není něco jasného, vraťte se ihned k nejasnostem. Než přistoupíte k opakování kapitoly a následnému studiu další části dejte si pauzu.


37


3.3 Základní druhy diagnostických systémů V diagnostice rozlišujeme podle funkce dva základní druhy diagnostických systémů:  systémy testové diagnostiky,  systémy funkční (provozní) diagnostiky. Systémy testové diagnostiky, tzv. OFF-LINE; Charakteristickým rysem pro systém je to, že diagnostické zařízení působí na objekt prostřednictvím speciálních podnětů formou testu (obrázek 3.2). Systém testové diagnostiky je v činnosti jen tehdy, když se objekt nevyužívá. Přičemž nevyužívání diagnostikovaného objektu nemusí být způsobeno závadou na objektu. Podněty na zkoušený objekt přichází od diagnostického prostředku, proto každý další podnět diagnostického testu může být závislý na odezvě objektu na předchozí podnět. OFF-LINE systém slouží obvykle ke kontrole správnosti a provozuschopnosti objektu, popř. k odhalování náhlých poruch.

Obrázek 3.2 – Blokové schéma systému testové diagnostiky

Systémy testové diagnostiky dělíme na:  nezávislé (kombinační), kdy sled jednotlivých testů nezávisí na výsledcích předchozích kroků testů a hodnocení technického stavu je podmíněno provedením všech testů.  závislé (sekvenční), kdy algoritmus testu realizujeme v závislosti na výsledcích předchozích kroků, což je časově méně náročné.

Systémy funkční (provozní) diagnostiky, tzv. ON-LINE; Jsou v činnosti tehdy, když objekt je v běžném provozním režimu. V některých případech může být diagnostický systém v činnosti i nepřetržitě, tzv. monitorování obsahující „předhavarijní“ signalizaci. Zdrojem testovacího podnětu je funkčně nadřazená komponenta daného stroje. Systém ON-LINE (obrázek 3.3) diagnostiky je schopný nejen rozpoznat náhlé poruchy, ale také sledovat postupné zhoršování některých diagnostických veličin, obvykle souvisejících se stavem mechanických částí (opotřebení ložisek aj.). VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

38


Obr. 3.3 – Blokové schéma systému funkční diagnostiky

Expertní systém Rozpoznávání vzniku, druhu a místa poruchy, popř. ještě formulace doporučení pro údržbu, představuje u složitých objektů značně komplikovaný rozhodovací proces. Využívají se ke zjišťování technického stavu u velmi složitých objektů a je jejich úkolem nahradit rozhodovací funkci experta (znalce z řešené oblasti), případně poznatky několika odborníků. Expertní systémy se vyznačují následujícími charakteristickými rysy, kde dominantním je prvý rys, další rysy jsou žádoucí, ale nemusejí být vždy přítomny:  oddělení databáze znalostí a mechanismu jejich využívání (tím se expertní systémy odlišují od klasických programů),  schopnost rozhodování s možností využití neurčitosti,  schopnost vysvětlování nastalé situace a předkládaného výsledku. Expertní systém, může také využívat principu heuristiky. Heuristika představuje zkušenosti, které nám obvykle v minulosti pomohly vyřešit problém. Nejsou formalizovány a nezaručují optimální řešení. Někdy za pomoci heuristky nenalezneme řešení vůbec, i když existuje.

Shrnutí pojmů 3.3. V právě probrané podkapitole jsme se seznámili se základními druhy diagnostiky a současně jsme se zmínili také o speciální diagnostice v podobě expertního diagnostického systému.


39


Otázky 3.3. 29. Snažte se nakreslit nezávislou a závislou testovou diagnostiku. Na nakresleném blokovém schématu vysvětlete rozdíly. 30. Jaká diagnostika má větší význam OFF- nebo ON-LINE, a proč? 31. Kde na vozidle se můžete setkat s testovou a kde s funkční diagnostikou?

Úlohy k řešení 3.3. 32. Jaký systém diagnostiky se primárně používá při ověřování technického stavu automobilu na stanicích technické kontroly?

Odměna a odpočinek Tak jsme dodělali třetí podkapitolu. Pokud je vám vše jasné, tak si dejte krátkou přestávku a poté si podkapitolu č. 2.3 zopakujte. Pokud vám není něco jasného, vraťte se ihned k nejasnostem. Než přistoupíte k opakování kapitoly a následnému studiu další části dejte si pauzu.

3.4 Technologie údržby Pokud se jedná o údržbu tak se setkáváme s následujícími údržbovými systémy, které jsou pouze v krátkosti vyjmenovány níže.

Pojmy k zapamatování Kontrolní prohlídka – Kontrolní prohlídka má za cíl kontrolovat technický stav objektu, zjistit jeho připravenost k použití, případně odstranit zjištěné závady. Kontrolní prohlídku obvykle provádíme před použitím objektu (před výjezdem vozidla) nebo také v průběhu používání objektu. Údržba po použití – jak již z názvu vyplývá, je cílem zkontrolovat technický stav objektu, jeho způsobilost k dalšímu použití při dodržení předepsaných zásad především z oblasti bezpečnosti. Tato údržba se provádí po odstavení objektu z dočasného užívání. Při údržbě po použití automobilu doplňujeme provozní náplně a odstraňujeme závady ohrožující další bezpečný provoz.


40

podstata diagnostiky při údržbě Základní údržba – cíl základní údržby spatřujeme v kontrole a odstranění všech závad způsobených předchozím provozem. Technická údržba – cílem technické údržby je celkové ověření funkce a technického stavu, seřízení stavitelných rozměrů a vůlí, výměna dílů s kratší životností, případné obnovení povrchové ochrany. Zvláštní druhy údržby – provádíme pouze u těch objektů, pro které je tato údržbová činnost uvedena v dokumentaci od výrobce nebo vyplývá ze zvláštností jejího používání. Za zvláštní druhy údržby můžeme považovat příprava objektu pro použití v letním a zimním období, doplňková technická údržba, případně údržba během skladování.

Shrnutí pojmů 3.4. V právě probrané podkapitole jsme se seznámili se základy údržby. Technická údržba, Základní údržba, Údržba po použití, Kontrolní prohlídka

Otázky 3.4. 33. Zamyslete se nad pojmem údržba. V čem je podstata údržby rozdílná od diagnostické analýzy?

Úlohy k řešení 3.4. 34. Nyní znáte jednotlivé typy údržby, zkuste si je aplikovat na silniční vozidlo osobní a nákladní. Jaké budou rozdíly?


41


Další zdroje HOLUB, Rudolf; VINTR, Zdeněk. Josef.posta.sweb.cz/KONF/Holub.doc [online]. 2011 [cit. 2011-08-01]. Příspěvek k optimalizaci programů údržby. Dostupné z WWW: <josef.posta.sweb.cz/KONF/Holub.doc>. LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I. Pardubice : Pardubice : Univerzita Pardubice, 2001. 106 s. STODOLA, Jiří: Provoz, údržba a opravy vozidel I. Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009 FAMFULÍK, Jan; MÍKOVÁ, Jana; KRZYŽÁNEK, Radek. Teorie údržby. Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava [online]. 2007, [cit. 2011-07-31]. Dostupný z WWW: . MYKISKA, A.: Spolehlivost technických systémů. Skriptum ČVUT Praha, vydavatelství ČVUT 2000. 177. ISBN 80-01-02079-7. FAMFULÍK, J.: Údržba hnacích vozidel zaměřená na bezporuchovost, disertační práce, VŠB – TU Ostrava 2002, ISBN 80-248-0259-7 NĚMEČEK, P. a kol.: Vedoucí podniku (podnik v kostce). Verlag Dashöfer, Praha, 1996, sv. 1 a 2. ISBN 80-901859-5-9. STUCHLÝ, V.: Teória údržby, VŠDS Žilina, Žilina 1993, ISBN 80-7100-056-6 MAREŠ, Jaromír; EIS, Karel. Management údržby pozemní vojenské techniky v armádě ČR. Brno : Vydavatelská skupina Univerzity obrany, 2008. 98 s.


42

Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu

4

ROZPOZNÁVÁNÍ V DIAGNOSTICE NA ZÁKLADĚ DIAGNOSTICKÉHO SIGNÁLU Čas ke studiu: 1,5 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Orientovat se v oblasti diagnostických signálů jako nositele informace o technickém stavu zkoumaného objektu.

Příprava na tutoriál Ke studiu je nutná znalost z oblasti fyziky a základů elektrotechniky.

Výklad Cílem rozpoznávání je určit validní diagnózu z naměřených diagnostických signálů. V současné době stále častěji čelíme požadavku, aby určení diagnózy, prognózy, případně geneze vady nebo poruchy probíhalo automaticky. Automatizaci můžeme spatřovat v oblastech:  činností, které byly dosud prováděny člověkem,  vyloučení subjektivních vlivů při lidském vyhodnocování,  kompenzování omezené schopnosti zpracování složitých případně rozsáhlých dat člověkem.

Diagnostickým signálem rozumíme nějaký vhodný ukazatel technického stavu diagnostikovaného objektu, jehož hodnota je závislá na technickém stavu tohoto objektu a to známým způsobem a lze ji zjistit jednoduchým způsobem a to bez demontáže. Diagnostické signály mohou být jednoduché nebo souhrnné. Jednoduchý ukazatel charakterizuje stav jedné skupiny, souhrnný ukazatel charakterizuje stav většího, případně kompletního celku.

4.1 Diagnostické signály a jejich zpracování Pro zpracování diagnostického signálu pomocí výpočetních systémů je zapotřebí realizovat digitalizaci signálu. První operací při přechodu od spojitého signálu (například VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

43

Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu výstupní napětí senzoru) k signálu číslicovému je vzorkování. Při vzorkování signálů v čase může dojít k nežádoucímu jevu zvanému aliasing, který vzniká v případě, kdy frekvence odebírání vzorku není dostatečně velká v porovnání s maximální frekvencí signálu. Aby nedošlo k aliasingu, tak je zapotřebí dodržet podmínku, aby vzorkovací frekvence byla alespoň 10x větší než je maximální frekvence měřeného signálu. Pojem signál obvykle vztahujeme na takové časové funkce, které reprezentují časové průběhy fyzikálních veličin a současně obsahují smysluplné informace (na rozdíl od šumu). Při diagnostice vozidel většinou snímáme časové průběhy diagnostických veličin (signálů) a jejich charakteru musíme přizpůsobit také způsob jejich zpracování. Při diagnostice se setkáváme se členěním signálů do kategorií, jak je uvedeno na obrázku 4.1.

Obrázek 4.1 – Dělení diagnostických signálů

Pojmy k zapamatování Časové průběhy signálů Signály deterministické – jsou takové signály, jejichž časový průběh odpovídá určitému funkčnímu předpisu. Příslušnou hodnotu jsme schopni odvodit pro libovolný časový okamžik. Signály o deterministickém průběhu lze rozdělit na:  periodické signály – jsou složeny z harmonických signálů o frekvencích, které jsou celistvým násobkem jedné základní frekvence, viz obrázek 4.2. Periodický signál lze definovat vztahem

x(t ) = x(t + τ ) , kde τ je doba periody.


44


Obrázek 4.2 – Periodické signály  kvaziperiodické signály – jsou takové signály, které jsou složeny z harmonických signálů o frekvencích, jež jsou násobky nejméně dvou základních frekvencí a současně jsou v poměru daném iracionálním číslem.  přechodné signály – jejich nenulová část z průběhu je na rozdíl od předchozích

kategorií

časově

omezena.

Typicky

jde

o

přechodné

(přechodové) děje, odezvy na impulsní vybuzení.  pseudonáhodné signály – jsou signály periodické a svými statistickými vlastnostmi se podobají signálům náhodným. Podmínkou je, aby perioda byla tak veliká, že se z pohledu konkrétní délky záznamu jeví tyto signály jako stochastické.  stacionární deterministické signály – můžeme je exaktně matematicky vyjádřit. Jejich okamžitá hodnota v čase t je předem přesně známa (stálou střední hodnotou, stacionární stochastický stálou střední hodnotou a stálou autokorelační funkcí v čase). Náhodné (stochastické) signály – mají svůj časový průběh takový, že okamžitou hodnotu v čase t lze stanovit jen s jistou pravděpodobností. Pro praktické využití náhodných signálů v diagnostice přibývá k požadavku stacionarity ještě požadavek ergodičnosti. Za ergodický považujeme signál, u něhož lze pravděpodobnostní charakteristiky, např. autokorelační funkci, stanovit z jednoho měření dostatečné délky. Většinou podmínky ergodičnosti diagnostického signálu odpovídají stabilnímu režimu práce objektu diagnostiky.


45

Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu  stacionární signál – je signál, jehož statistické vlastnosti definované středními hodnotami, se s časem nemění. Příklad stacionárního průběhu je ukázán na obrázku 4.3.

Obrázek 4.3 – Průběh stacionárního signálu

 nestacionární signál – je opakem signálu stacionárního. Jeho statistické vlastnosti se v průběhu času mění. Nestacionární signály dělíme na trvalé (kontinuální) a přechodné (transientní), které začínají a končí v nule (např. průběh průchodu proudu vstřikovacím ventilem u spalovacího motoru). Příklad nestacionárního signálu je uveden na obrázku 4.4.

Obrázek 4.4 – Průběh nestacionárního signálu


46

Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu Hranice mezi nestacionárními a stacionárními signály musíme určovat s přihlédnutím ke zkoumané délce signálu, přičemž původně nestacionární signál může být z pohledu několikanásobně delší doby stacionárním signálem.

Shrnutí pojmů 4.1. Signál, Digitalizace, Stacionarita, Nestacionarita

Otázky 4.1. 35. Zamyslete se nad rozdíly stacionárního a nestacionárního signálu. Při diagnostice kterých částí silničního dopravního prostředku se s danými signály setkáváme?

Úlohy k řešení 4.1. 36. Zkuste si objasnit pojem šum a uveďte si nějaké příklady, kde se se šumem můžeme setkat při diagnostickém měření. 37. Jakým způsobem je možné odstranit šum z užitečného diagnostického signálu?

4.2 Rozpoznávání v diagnostice Cílem rozpoznávání je určit validní diagnózu z naměřených diagnostických signálů. Podstatou rozpoznávání (technického stavu) v diagnostice je přiřazení hodnoty diagnostické veličiny určité diagnóze, její uložení do paměti diagnostického zařízení a vzájemným porovnáním etalonové a naměřené hodnoty zjistit skutečný technický stav objektu diagnostiky. U složitých objektů diagnostiky rozpoznáme technický stav na základě nepřímo změřených parametrů a to metodou rozpoznávání obrazů, která patří do metod umělé inteligence. Za rozpoznávání pak považujeme třídění (zařazování) věcí, jevů a procesů reálného světa do tříd se shodnými vlastnosti. Výsledkem rozpoznávání je obraz skutečnosti, ne skutečnost sama.


47


Pojmy k zapamatování V procesu rozpoznávání používáme následující terminologické pojmy: Obraz – je popis konkrétního jevu na základě konkrétních příznaků, tj. obraz technického stavu objektu diagnostiky. V maticovém tvaru je dán vektorem

x 1 , x 2 , …., x n – hodnoty diagnostických veličin Vektor příznaků – je vektorem hodnot diagnostických veličin, je to tedy obraz technického stavu, jemuž odpovídá příslušná diagnóza. Etalon – je vzorovým příznakem stanoveným pro určitou diagnózu (třídu), bývá heuristický, analytický, změřený na objektu diagnostiky se známou diagnózou, simulovaný na reálném diagnostickém objektu nebo na jeho modelu aj.

V úloze rozpoznávání naměřených signálů máme k dispozici dva zdroje informací. Těmito zdroji jsou apriorní znalost a empirická znalost. Apriorní znalost je znalost dostupná, kterou známe před provedením měření a je závislá na konkrétní aplikaci. Empirická znalost je výsledkem našich konkrétních měření.

Shrnutí pojmů 4.2. Rozpoznávání, Etalon, Vektor příznaků, Obraz

Otázky 4.2. 38. Zamysleme se nyní nad pojmem rozpoznávání. Jaký je rozdíl v rozpoznávání u živých organizmů a u rozpoznávání v diagnostice? 39. Kde se v reálném diagnostickém měření setkáváme s apriorní znalostí? Uveďte příklady z reálného diagnostického testu osobního vozidla. 40. Kde se v reálném diagnostickém měření setkáváme s empirickou znalostí? Uveďte příklady z reálného diagnostického testu osobního vozidla.


48


Úlohy k řešení 4.2. 41. Zkuste se nyní zamyslet nad tím, jakým způsobem je technicky realizováno rozpoznávání? 42. Proč je pro validitu diagnostické analýzy důležité kvalitní rozpoznání?

Další zdroje STODOLA, Jiří. Provoz, údržba a opravy vozidel I.. Pardubice : Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009 LÁNSKÝ, M., MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I. Pardubice : Univerzita Pardubice, 2001. HOLUB, R., VINTR. Z.: Základy spolehlivosti. Brno: Vojenská akademie v Brně, 2002. KREIDL, M. a kol. Diagnostické systémy. Vydavatelství ČVUT. Praha 2001.


49

Technická diagnostika a její fyzikální podstata

5

TECHNICKÁ DIAGNOSTIKA A JEJÍ FYZIKÁLNÍ PODSTATA

Čas ke studiu: 6 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět orientovat ve vibrodiagnostice a základních jejich metodách, orientovat se v problematice diagnostiky založené na akustickém projevu, orientovat se v tepelných metodách termodiagnostiky, orientovat se v problematice tribodiagnostiky, orientovat ve tribodiagnostice a základních jejich metodách, orientovat se v ultrazvukové diagnostice a v jejích základních metodách.

Příprava na tutoriál Ke studiu je nutná znalost z oblasti fyziky a základy elektrotechniky a předešlých kapitol vztahujících se k základům diagnostiky.

Výklad Technická diagnostika, jak již z názvu vyplývá, jedná se o podoblast diagnostiky, kde jejím objektem diagnostiky je technické zařízení. Současně se k diagnostické analýze využívá různých fyzikálních principů.

5.1 Vibrodiagnostika

Čas ke studiu: 1,5 hodiny

Vibrační metody se zabývají vyhodnocením mechanického kmitání. Termín vibrace je ekvivalentní pojmu mechanické kmitání. Velmi důležitou součástí při vibrodiagnostice je nutnost určit, zda se jedná o vibrace relativní anebo absolutní (obrázek 5.1). Relativní kmitání jsou vibrace mezi dvěma body, které mohou (oba) kmitat vůči Zemskému povrchu. Zemský povrch uvažujeme v podobě základu, tedy nevykonává žádný pohyb. Absolutní VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

50

Technická diagnostika a její fyzikální podstata kmitání jsou vibrace mezi daným bodem (objektem diagnostiky) a Zemským povrchem, který se bere za bod nevykonávající žádný pohyb.

Obrázek 5.1 – Schéma absolutního a relativního kmitání

Pojmy k zapamatování Mechanické kmitání – je dynamický jev, při němž hmotné body nebo tuhá tělesa konají vratný pohyb kolem rovnovážné polohy. Za rovnovážnou polohu je považována klidová poloha, ve které hmotný bod (objekt) setrvává. Kmitání lze popsat polohovým vektorem, tj. amplitudou a fází v časovém okamžiku. Kmitání je úzce spojeno s dynamickým namáháním stroje a ve výsledku s jeho technickým stavem.

Vibrační metody můžeme rozdělit na aktivní a pasivní, univerzální a speciální. Metody aktivní – jako zdroj informace snímají vibrace, vybuzené činností stroje. Metody pasivní – jsou založeny na principu, že pomocí generátoru kmitů šíříme diagnostikovaným objektem mechanické vlnění. Výskyt poruchy způsobuje změn přenosu signálu objektem a tyto změny přenosu nám umožňují odhalení poruchy.


51

Technická diagnostika a její fyzikální podstata Univerzální metody – umožňují aplikaci na nejrůznější stroje a jejich uzly, zvláště pak na pohony strojů. Specializované diagnostické metody – užívají diagnostického zařízení a postupů, přizpůsobených ke zjišťování technického stavu zcela určitého typu objektu např. valivých ložisek. 5.1.1 Aktivní univerzální diagnostické metody Základem těchto metod je vždy měření některých charakteristických parametrů kmitání stroje.  Metoda měření mohutnosti kmitání emitovaného diagnostikovaným strojem – v podstatě se jedná o stanovení efektivní hodnoty rychlosti kmitání v příslušném frekvenčním pásmu 10 – 1000 Hz. Abychom zjistily technický stav objektu, musíme naměřenou efektivní hodnotu rychlosti kmitání stroje porovnat s mezními hodnotami, danými výrobcem stroje a pokud tyto hodnoty nemáme k dispozici, tak porovnání provedeme s mezními hodnotami z norem a směrnic. Měření mohutnosti kmitání je jednoduchá, rychlá a levná metoda, která po uživateli nevyžaduje složitou aparaturu. Nevýhodou však je, že neumožňuje lokalizovat příčinu případného neuspokojivého technického stavu.  Metoda kepstrální analýzy vibrací, emitovaných diagnostickým objektem – u rotačních součástí se může porucha projevit nejen na naměřené spektrální charakteristice nevýrazným růstem amplitudy na některé vlastní frekvenci soustavy, ale i růstem postranních frekvenčních pásem vedle jednotlivých harmonických základního průběhu.  Metoda spektrální analýzy vibrací emitovaných diagnostikovaným strojem – spočívá v rozkládání naměřeného signálu, obsahujícího řadu harmonických složek, na dílčí složky tak, aby výsledkem byla např. amplitudová frekvenční charakteristika. Základem analýzy naměřeného průběhu je Fourierova transformace, která nám říká, že periodickou funkci f(t) lze rozložit v nekonečnou řadu harmonických složek.


52

Technická diagnostika a její fyzikální podstata 5.1.2 Vibrační metody pro zjišťování skutečného technického stavu valivých ložisek Valivá ložiska patři mezi základní konstrukční prvky všech technických zařízení. Proto byla vyvinuta řada metod a přístrojů zaměřených na diagnostiku ložisek. Základem metod je poznatek, že k poruchám ložisek dochází většinou na základě únavového poškození oběžných drah nebo valivých tělísek ložiska. Takto vzniklé únavové poškození (pittink) se stává výrazným budičem kmitání. Často využívanou diagnostickou metodou hodnocení technického stavu valivých ložisek je spektrální analýza FFT analyzátorem. Vady ložisek se projevují ve frekvenčním spektru rotačních částí amplitudovými špičkami kmitání v pásmu vysokých frekvencí (do 22 kHz). Chybové frekvence ložisek vypočítáváme dle příslušných vztahů, které jsou odlišné pro vnější, vnitřní kroužek, ale i pro klec ložiska. V praxi existuje několik dalších metod k určování technického stavu valivých ložisek. Pro základní představu uvedeme pouze přehled nejpoužívanějších:  metoda rázových pulsů SPM (Shock Pulse Method),  metoda k(t) parametru,  metoda KURTOSIS,  metoda Q-faktor,  metoda špičkové energie SE (Spike Energy),  metoda CREST-faktor.

Shrnutí pojmů 5.1. Mechanické kmitání, Vibrodiagnostika, Fast Fourier Transformace

Otázky 5.1. 43. Zamysleme se nyní nad pojmem vibrodiagnostika. Jaké závislosti při ní využíváme pro uřčení technického stavu? 44. K diagnostice jakých vibrodiagnostiku?

komponent

silničního

vozidla

je

možné

využít


53


Úlohy k řešení 5.1. 45. Ujasněte si, co jsou to charakteristiky kmitání stroje a které charakteristiky měříme.

Odměna a odpočinek Tak jsme dodělali vibrodiagnostiku. Pokud je vám vše jasné, tak si dejte krátkou přestávku a poté si vibrodiagnostiku zopakujte. Pokud vám není něco jasného, vraťte se ihned k nejasnostem. Než přistoupíte k opakování kapitoly a následnému studiu další části dejte si pauzu.

5.2 Termodiagnostika

Čas ke studiu: 1 hodina Teplota je jednou ze základních stavových veličin – je mírou kinetické energie pohybujících se částic a ovlivňuje téměř všechny procesy. Podstatou tepelné diagnostiky je sledování teploty zkoumaného tělesa. Teplota tělesa je dána změnou vývinu tepla, proto je vhodné realizovat měření trvale anebo opakovaně v kratších intervalech. Na základě získaného výsledku určit technický stav diagnostikovaného objektu. Základní nutností pro správnou diagnózu je přesné změření teploty, které je možné realizovat dvěma možnými způsoby:  bodové měření teploty, sledující vývin tepla v určitém bodě prvku či uzlu stroje (vozidla),  snímání a analýza teplotních polí na povrchu diagnostikovaného objektu (motoru, převodném ústrojí aj.). 5.2.1 Kontaktní metody měření teploty a teplotních polí Metody měření, převádějící změny teplot na změny některé elektrické veličiny. K měření dochází vzájemným kontaktem mezi snímačem a měřeným objektem. Jako snímače se mohou používat:


54

Technická diagnostika a její fyzikální podstata  odporové snímače – využívající růstu elektrického odporu některých kovových materiálů (platiny, mědi, niklu aj.) s teplotou. Výhodou je lineární závislost mezi změnou odporu a změnou teploty. Nevýhodou je docela úzké měřící pásmo teplot.  termistory – což jsou polovodičové součástky s kladným nebo záporným součinitelem změny teploty. Nevýhodou je nelinearita závislosti odporu na teplotě a rozptyl vlastností termistorů ve výrobní sérii. Výhodou je docela široké měřící pásmo teplot.  termoelektrické snímače (bimetalové teploměry) – využívají jevu, kdy na obvodu, tvořeném dvěma vybranými kovy (železo – konstantan) na obou koncích spojenými, vede rozdíl teplot těchto spojů ke vzniku elektromotorické síly, resp. termočlánkového napětí. Metody snímání teploty využívající tepelně citlivé barvy, tzv. termocitlivé barvy pro stálou indikaci teplot (s vratným cyklem) a termocitlivé barvy pro jednorázové použití (s nevratným cyklem), jejichž odstín barvy se změní při překročení nominální teploty, ale po následujícím poklesu teploty už zůstává zbarvena na odstínu, který odpovídá nejvyšší teplotě. Metody využívající organické sloučeniny, které ohřevem nepřecházejí do kapalného stavu, ale vytvářejí mezifázi, v níž si zachovávají určité molekulární uspořádání. Jde o tzv. kapalné krystaly, jejichž barva se vratně mění s teplotou.

5.2.2 Bezkontaktní měření teplot a teplotních polí Jsou charakteristické tím, že nedochází ke kontaktu mezi snímačem a měřeným objektem. Výhodou je, že nedochází k ovlivnění diagnostikovaného objektu snímačem. Jako snímače se mohou používat:  pyrometry – radiační pyrometry jsou bezkontaktní snímače, které ke své činnosti využívají Stefan-Boltzmanova zákona.  obrazové měniče – využívají fotoemise a sekundární emise elektronů,  systémy využívající infrafotografii – využívají fotografický materiál citlivý na infračervené záření,  tzv. evapografy, založené na přeměně tepelného záření objektu ve viditelné zobrazení.


55


Shrnutí pojmů 5.2. Odporové snímače, Termistory, Termoelektrické snímače, Tepelně citlivé barvy, Organické sloučeniny, Pyrometry, Obrazové měniče, Systémy využívající infrafotografii

Otázky 5.2. 46. Jak se definuje Stefan-Boltzmanův zákon? 47. Kde je možné se setkat s termovízí?

Úlohy k řešení 5.2. 48. Nyní se zkuste zamyslet, jestli je možné za pomoci bodových snímačů teploty měřit teplotu plošně. 49. K diagnostice jakých termodiagnostiku?

komponent

silničního

vozidla

je

možné

využít

5.3 Akustická diagnostika Čas ke studiu: 1,5 hodiny Akustické metody se opírají o měření fyzikálních veličin, popisujících kmity a vlnění v plynném prostředí, obyčejně ve vzduchu, a to v rozsahu frekvencí 20 Hz až 20 kHz. Z tohoto frekvenčního rozsahu také vyplývá i název diagnostiky, jelikož se jedná o slyšitelný zvuk, běžného člověka. Akustické jevy jsou odrazem nejpodstatnějších fyzikálních procesů, které probíhají uvnitř objektů (deformace, napětí, tření aj.). Pro určení skutečného stavu nám přináší velkou informační kapacitu v širokém spektru. Signál má podobu mnohasložkového vektoru a relativně jednoduše se měří v přirozených podmínkách práce zkoumaného objektu. Při vzájemném pohybu dvou a více části zařízení dochází k buzení kmitů povrchem součástí a tím k přenosu energie do okolí. Hluk se šíří nejen pevnými látkami, ale také kapalnými a plynnými. Za specifické zdroje hluku považujeme ložiska, převodovky, spalovací motory, kompresory, elektrické stroje točivé a jiná zařízení konající pohyb. Postup diagnózy objektu je založen na identifikaci signálu produkovaného objektem. Vlastní měření bývá velmi často zatíženo šumem. Za zdroj šumu můžeme považovat hluk VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

56

Technická diagnostika a její fyzikální podstata ostatních částí objektu, který nějakým způsobem má „snahu“ znehodnotit měřený signál. Je proto potřebné ze složitého akustického signálu, detekovaného snímačem, oddělit signál užitečný, a to nejčastěji metodou frekvenční filtrace nebo metodou časové selekce, tzv. strobováním. Měření hluku můžeme provádět jednak v laboratořích, kde se využívá dozvukových a bezdozvukových komor. V reálném prostředí, kde se měřený objekt nachází, zde musíme dát pozor na hluk pozadí, který způsobuje šum. Vybrané metody akustické diagnostiky:  Porovnání naměřeného akustického signálu s etalonem – Za pomoci korelátoru stanovíme vzájemnou korelační funkci. Tato funkce vyjadřuje míru shody naměřeného hlukového diagnostického signálu zkoumaného objektu s etalonovým průběhem. Vzájemná korelační funkce může nabývat hodnot z rozsahu mezi 0 (zcela rozdílný průběh) a 1 (naprostá shoda signálů).  Odhalení skryté periodické složky v náhodném akustickém signálu objektu – pokud se na objektu objeví porucha, je možné říci, že čistě náhodný signál se změní a bude obsahovat skrytou periodickou složku. Právě tato skrytá složka signálu odpovídá dané závadě.  Porovnání

autokorelační

funkce

akustického

signálu

s etalony

autokorelačních funkcí

Shrnutí pojmů 5.3. Hluk pozadí, Akustické jevy, Časové selekce, Frekvenční filtrace

Otázky 5.3. 50. Jak můžeme definovat šum? 51. Jaké jsou možnosti odstranění šumu z diagnostického signálu? 52. K diagnostice jakých komponent silničního vozidla je možné využít akustickou diagnostiku?


57


Úlohy k řešení 5.3. 53. Zopakujte si z matematiky, co je to vektor a matice. Ujasněte si jednotlivé operace s vektory a maticemi. 54. Objasněte si pojem korelace.

Odměna a odpočinek Tak jsme dodělali třetí podkapitolu. Pokud je vám vše jasné, tak si dejte krátkou přestávku a poté si celou podkapitolu zopakujte. Pokud vám není něco jasného, vraťte se ihned k nejasnostem. Než přistoupíte k opakování kapitoly a následnému studiu další části dejte si pauzu.

5.4 Ultrazvuková diagnostika Čas ke studiu: 1 hodina Jedná se o oblast technické diagnostiky, která jako diagnostický signál využívá vlnění v oblasti frekvencí vyšších jak 20 kHz, tedy v oblasti ultrazvuku. Odtud plyne i název diagnostické metody. Ultrazvuková diagnostika se dělí na metody aktivní a pasivní (obrázek 5.2). Pasivní metody jsou metodami klasické defektoskopie. Dále můžeme ultrazvukovou diagnostiku podle principu měření rozdělit na metody průchodové a odrazové. Diagnostický systém je složen ze zdroje ultrazvukového vlnění, snímacího zařízení a vyhodnocovacího zařízení. Průchodové ultrazvukové metody slouží k odhalování poruch, kdy každý nestandardní stav snižuje intenzitu procházejícího vlnění. Odrazové ultrazvukové metody vyhodnocují odrazy ultrazvukového vlnění, procházejícího objektem diagnostiky, od nehomogenit materiálu (defektů).


58


průchodový test

odrazový

test

Obrázek 5.2 – Metody ultrazvukové diagnostiky

Aktivní ultrazvukové metody diagnostiky analyzují objekt během jeho běžné funkce, kdy ultrazvukové vlnění je vyzařováno zkoumaným objektem diagnostiky. Ultrazvukové vlnění může být generováno vznikem kavitace v kapalinách, únikem stlačeného plynu nebo kapaliny netěsností případně trhlinou a dalšími mechanismy.

Shrnutí pojmů 5.4. Ultrazvuk, Průchodová ultrazvuková diagnostika, Odrazová ultrazvuková diagnostika

Otázky 5.4. 55. Jak je definován ultrazvuk? 56. Jaký je rozdíl mezi vibrodiagnostikou, akustickou diagnostikou a ultrazvukovou diagnostikou? 57. K diagnostice jakých vibrodiagnostiku?

komponent

silničního

vozidla

je

možné

využít

58. Jaký je rozdíl v diagnostickém zařízení u průchodové a odrazové ultrazvukové diagnostiky?

Úlohy k řešení 5.4. 59. Zkuste si nakreslit blokové schéma diagnostického systému.


59


5.5 Tribotechnická diagnostika

Čas ke studiu: 2 hodiny

Vědní disciplína, která se zabývá výzkumem tření, opotřebení a mazání se nazývá tribotechnika. Mimo již představené se tribotechnika zabývá možnostmi snižování součinitele tření, resp. optimalizací průběhu tření za účelem snížení opotřebení vzájemně se po sobě pohybujících ploch. Tribotechnická diagnostika řeší dva velké okruhy problémů:  zjištění aktuálního stavu mazacího oleje s možnostmi prodlužování jejich maximální využitelnosti,  zjištění místa společně s trendem opotřebení objektu (převodovky). Analýza se realizuje kvalitativním a kvantitativním vyhodnocováním výskytu cizích látek v mazivu.

Při tribodiagnostice olejů je pro správný výsledek diagnózy třeba zjistit nejen celkový obsah nečistot v oleji ale i materiálové a tvarové složení jednotlivých částic.

V oleji nacházíme nečistoty dvojího druhu:  primární – vznikají jako následek chemických oxidačních procesů v oleji při jeho stárnutí. Jsou to látky povahy laků, pryskyřic apod.  sekundární – dostávají se do mazacího média při plnění, netěsnostmi a mnoha dalšími způsoby. K sekundárním nečistotám řadíme také otěrové částice, které vznikají za provozu.

Provozní degradaci olejů můžeme provádět několika metodami. My se ale podíváme pouze na jednoduché provozní metody, tzv. rychlometody. Stanovení smluvní viskozity


60

Technická diagnostika a její fyzikální podstata Podstata měření spočívá v určení doby potřebné pro průtok daného objemu oleje kalibrovanou tryskou. Současně musíme zajistit přesné změření teploty, jelikož viskozita oleje je silně závislá na teplotě. Zá základní údaje pro stanovení diagnózy o stavu oleje považujeme dobu průtoku oleje a jeho teplota. Smluvní viskozitu podle naměřených dat odečteme z grafu (obrázek 5.3). Při překročení hraničních hodnot musí být olejová náplň vyměněna. Snížení viskozity může být zapříčiněno obsahem paliva (benzínu, nafty) v olejové náplni. Zvýšení viskozity je způsobeno primárním znečištěním oleje vlivem stárnutí (vznik pryskyřičných složek) anebo sekundárním znečištěním (obsah prachových částic).

Obrázek 5.4 – Ukázka grafu pro stanovení smluvní viskozity

Stanovení celkového znečištění oleje Je založeno na měření dielektrických vlastností oleje. Stanovené množství oleje se umístí do příslušné nádoby, kde se nachází dvě elektrody tvořící speciální kapacitní snímač a olej tvoří dielektrikum. V závislosti na znečištění oleje se mění dielektrické vlastnosti oleje. Výsledek zkoušky je negativně ovlivněn přítomností vody, proto by měl tomuto testu předcházet test na přítomnost vody. Výsledek analýzy má pouze informativní charakter.


61

Technická diagnostika a její fyzikální podstata Stanovení množství oleje v oleji Principem je reakce vody, obsažené v oleji, s hydridem kovu. Při reakci vzniká vodík a v uzavřené nádobce tím narůstá tlak, jehož velikost je úměrná obsahu vody. Z tlaku na diagramu na obrázku 5.4 odečteme obsah vody v procentech. Přípustná hodnota je max. 0,2 % vody v oleji. Další možností stanovení množství vody v oleji je informativní „prskací test“ dává pouze zevrubný výsledek. Podstata testu je založena na nižším bodu varu vody, než je bod varu oleje. Pokud je po kápnutí kapky oleje na podložku zahřátou na teplotu cca. 120 °C je slyšet „sykavý projev“, je v oleji zvýšené množství vody.

vyhovující stav Obrázek 5.4 – Přibližný graf pro stanovení obsahu vody v oleji

Obsah látek nerozpustných v hexanu Opět se jedná o orientační zkoušku sloužící jako doplněk k analýze celkového znečištění. Přesně daný objem oleje se rozpustí v daném objemu hexanu. Získaný roztok přefiltrujeme přes filtr pomocí vakuové filtrace. Výsledkem analýzy je vyhodnocení zbarvení výsledného vzorku, velikost průměru barevné stopy a také tvar okrajů skvrny.

Ferrografie Ferrografie pracuje na principu oddělování cizorodých částic ze stékajícího oleje. Předem stanovené množství oleje naředíme a necháme stékat po nakloněném sklíčku VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

62

Technická diagnostika a její fyzikální podstata ferrografu (obrázek 5.5). Pod sklíčkem je umístěn silný permanentní magnet. Vlivem sklonu sklíčka je proměnné magnetické pole působící na stékaný vzorek. Na začátku se zachycují větší částice a dále stále menší a menší. Po stečení celého vzorku se stopa oleje přetře bezbarvým lakem a výsledek se vyhodnotí pod mikroskopem.

1 - vzorek kapaliny 4 - stopa nečistot 7 - potrubí

2 - dávkovací zařízení 5 - pólové nástavce 8 - sběrná nádobka

3 - transparentní podložka 6 - permanentní magnet 9 - stojánek

Obrázek 5.4 – Ferrograf

Detergentně disperzní vlastnosti Analýza se provádí kapkovou zkouškou na chromatografickém papíru. Analýzu provedeme nanesením jedné kapky oleje o přesně daném objemu na papír a sledujeme tmavosti, rozsahu vsáknutí a charakteru okraje skvrny. Hodnocení se provádí porovnáním s etalonovou stupnicí. Výsledek zkoušky má opět informativní charakter. Dalšími analýzami, které je možné realizovat při tribotechnické diagnostice jsou analýzy dle norem ČSN:  stanovení viskozity,  stanovení bodu vzplanutí oleje,  číslo kyselosti,  stanovení procenta vody v oleji.


63


Shrnutí pojmů 5.5. Tribotechnika, Ferrografie, primární nečistoty, sekundární nečistoty

Otázky 5.5. 60. Promyslete si, čím může být dáno stárnutí motorového a převodového oleje. Je za všech podmínek stárnutí oleje stejné? 61. Co je podstatou prskacího testu na přítomnost vody v oleji? 62. Jak se může do oleje dostat palivo, voda a částice prachu? 63. K diagnostice jakých tribodiagnostiku?

komponent

silničního

vozidla

je

možné

využít

Úlohy k řešení 5.5. 64. Zamyslete se, na jakém principu funguje ferrograf. Zkuste si jeho princip nakreslit ve zjednodušeném schématu.

Další zdroje STODOLA, Jiří. Provoz, údržba a opravy vozidel I.. Pardubice : Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009. 78 s. BRANKO, Remek. Provozní údržba a diagnostika vozidel . Praha : Vydavatelství ČVUT, 2002. 142 s. STODOLA, J.: Vibrace a jejich využití v technické diagnostice strojů. Skripta VA, S-639, Brno 2003. KREIDL, M., kolektiv: Diagnostické systémy. Praha: ČVUT, 2001 NOVÝ, R.: Hluk a chvění. Vydavatelství ČVUT Praha, 2000 TŮMA, J.: Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT. Praha: Sdělovací technika 1997. MACHALÍKOVÁ, J.; CHÝLKOVÁ, J.; KOTRBA, A.: Aplikace vybraných instrumentálních metod v tribotechnické diagnostice. Sborník konference Tribotechnika a spolehlivost provozu. Lázně Bohdaneč 20. – 21. 4. 2004. Praha: +CSS − OS Tribotechnika, 2004


64

Technická diagnostika a její fyzikální podstata GRAJA, M.; ZIKMUND, T. Měření hluku [online]. 2010 [cit. 2010-10-12]. Hluk. Dostupné z WWW: . HELEBRANT, F., ZIEGLER, J.: Technická diagnostika a spolehlivost II.: Vibrodiagnostika. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2005.


65

Diagnostika a údržba spalovacích motorů

6

DIAGNOSTIKA A ÚDRŽBA SPALOVACÍCH MOTORŮ Čas ke studiu: 5 hodin Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět Zjistit technický stav spalovacího motoru na základě měření výkonu motorové brzdě. Zjistit technický stav spalovacího motoru na základě měření výkonu na výkonové stolici. Budete znát možnosti přímého a nepřímého měření výkonu u spalovacího motoru.

Příprava na tutoriál Ke studiu je nutná znalost z oblasti konstrukce silničních vozidel a z předmětu spalovací motory a bezpodmínečně je nutné znát základy diagnostiky.

Výklad Spalovací motor patří k nejdůležitějším konstrukčním skupinám silničního vozidla. Na aktuálním technickém stavu spalovacího závisí nejen dynamika jízdy vozidla, ale především i bezpečnost provozu. Při diagnostické analýze spalovacího motoru se zaměřujeme primárně na ty části motoru, jejichž technický stav má bezprostřední vliv na výkonové parametry jako je stav mechanických komponent, kouřivost u vznětových motorů, na složení výfukových plynů u zážehových motorů, hlučnost, spotřebu paliva a maziva a další. Ve skutečnosti lze diagnostické analýze motoru podrobit několik desítek komponent. Abychom měli diagnostiku co nejefektivnější, tak prvotně podrobíme analýze rozhodující podskupiny motoru. Přesná volba rozhodujících podskupin anebo prvků se mění v závislosti na vývoji diagnostických zařízení, z čehož nám vyplývá, že v průběhu času není stálá. Mezi nejdůležitější skupiny můžeme zařadit a tím i podrobit diagnostice rozvodové ústrojí – kontrola vůlí a opotřebení, klikové ústrojí – kontrola ložisek klikového mechanismu, opotřebení jednotlivých prvků a v neposlední řadě se jedná o analyzování oběhu motoru. My se budeme zabývat pouze diagnostikou oběhu, kam můžeme zařadit stav vložek válců, pístové skupiny, těsnost spalovacího prostoru, okruh chlazení a mazání a taktéž i stav palivové soustavy. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

66


6.1 Výkon motoru Pojmy k zapamatování

Výkon – můžeme definovat jako míru vykonané práce. Výkon

=

práce / čas

síla * vzdálenost / čas

=

Jednotkou výkonu jsou Watty, kde pojmenování je voleno po Jamesi Wattovi. Watt je definován jako síla potřebná pro vykonání práce odpovídající jednomu Joulu za sekundu. V automobilovém průmyslu se můžeme setkat s udáním výkonu v podobě koňských sil (HP – horse power). Označení koňské síly je používáno především z historického hlediska.

Výkon motoru je hlavním parametrem, který nám dává informaci o technickém stavu motoru. Jestliže výkon motoru je nižší, tak můžeme usuzovat na zvýšené opotřebení rozhodujících částí motoru, případně na poruchu soustavy, která má rozhodující vliv na těsnost spalovacího prostoru, správnou tvorbu palivové směsi, okamžik zážehu (vznětu). Z hlediska diagnostiky si musíme uvědomit, že maximální hodnota výkonu motoru je podmínkou nutnou, ale nikoli postačující. 6.1.1 Přímé metody měření výkonu spalovacího motoru 6.1.1.1 Měření výkonu spalovacího motoru na motorové brzdě Můžeme hovořit, že se jedná o velmi přesnou metodu, kdy spalovací motor je demontován z automobilu a na stolici jej zatěžujeme brzdou (obrázek 6.1). Stator brzdy je konstruován výkyvně, což umožňuje měřit reakční sílu například pomocí tenzometrů. Ve skutečnosti neměříme výkon, ale (jak bylo popsáno výše) reakční sílu F b na reakčním rameni brzdy r b a točivý moment M t vypočítáme pomocí následující rovnice:

M T = Fb .rb kde:

( Nm) ,

F b – síla na rameni brzdy,

r b – rameno brzdy

Sledovaný výkon motoru P e se vypočítá podle následujícího vztahu

Pe = M T .ω

(W )


67

Diagnostika a údržba spalovacích motorů kde:

ω – úhlová rychlost otáčení klikového hřídele

Technický stav určíme porovnáním rychlostní (otáčkové) vnější charakteristiky motoru s ekvivalentní charakteristikou nového motoru (etalonovou charakteristikou).

Obrázek 6.1 – Schéma měření výkonu na motorové brzdě

Tato metoda se používá pro zkoušení motorů nákladních vozidel, autobusů a stavebních strojů. Jedná se o motory, které mají relativně vysokou hodnotu krouticího momentu. U válcové zkušebny by mohla nastat potíž s přenosem výkonu z kol vozidla na válce diagnostického zařízení. Postup realizace zkoušky:  Zahřátí motoru na provozní teplotu.  Připojíme příslušné snímače k motoru, provedeme kalibraci a korekci na skutečný aktuální atmosférický stav – realizováno dle příslušné normy.  Následně realizujeme hrubé orientační měření výkonu.  Vytvoříme otáčkový rastr pro měření, abychom dostali cca. 20 měřících bodů. Z orientačního měření vytipujeme oblast maxima výkonu a točivého momentu a v těchto oblastech rastr, pokud možno, zahustíme.  Provedeme definitivní měření výkonu, které spočívá v plném otevření škrticí klapky u zážehového motoru anebo v maximální dávce paliva u vznětového motoru. Odečteme hodnoty měřených parametrů a opakujeme pro další předem zvolené otáčky. Z točivého momentu a otáček vypočte diagnostické zařízení hodnotu výkonu,


68

Diagnostika a údržba spalovacích motorů 6.1.1.2 Měření výkonu na válcové zkušebně Je realizováno bez demontáže motoru z vozidla. Uspořádání měření výkonu je uvedeno na obrázku 6.2. Pro zjištění výkonu motoru musíme zjišťovat hnací sílu na obvodu hnacích kol.

Obrázek 6.2 – Měření výkonu na válcové zkušebně

Točivý moment na hřídeli hnacího kola je dán vztahem: Mk = F . L kde:

F – síla působící na váhy,

L – délka měřícího ramena

Výkon na hnacím kole spočteme obdobně jako v předchozím případě

(W )

Pk = M k .ω k kde:

ω k – úhlová rychlost otáčení hnacího kola.

Samozřejmě výkon spalovacího motoru, který jsme tímto způsobem získaly je rozdílný oproti předchozí metodě a to v tom, že se nejedná o výkon motoru, ale o výkon přenášený na kola (resp. na vozovku). Efektivní výkon spalovacího motoru stanovíme z rovnice: Pe = Pk + Pz kde:

P z – ztrátový výkon

Ztrátový výkon změříme obdobným způsobem na válcové zkušebně, při roztočení převodového ústrojí na měřené otáčky a následným rozpojením spojky. Postup realizace zkoušky: VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

69

Diagnostika a údržba spalovacích motorů  Před započetím měření výkonu musíme vozidlo pevně připoutat k měřicí stolici.  Do diagnostického zařízení uložíme potřebná data o vozidle a o atmosférických podmínkách.  Zahřejeme motor vozidla jízdou na válcích na provozní teplotu.  Zvolíme převodový stupeň, na který budeme provádět měření. Převodový stupeň volíme jako kompromis mezi maximální dosažitelnou rychlostí na válcové brzdě a velikostí přenášených sil mezi koly a válci.  Měření realizujeme většinou od volnoběžných otáček, kdy dochází k úplnému sešlápnutí plynového pedálu, až do chvíle, kdy se motor vytočí k omezovači na maximální otáčky.  Diagnostické zařízení načte naměřená data a dojde k vykreslení závislostí výkonové a momentové charakteristiky.

Měření výkonu spalovacího motoru na válcové zkušebně je možné realizovat dvěma způsoby:  Statické měření výkonu – spočívá ve sledování akcelerace vozidla. Na ose, kde se vynáší otáčky motoru, vytvoříme rastr z měřících bodů, kde předpokládáme maximální hodnoty krouticího momentu a výkonu spalovacího motoru. Výkonová zkušebna v daných bodech rastru (cca. 20 – 25) na krátký okamžik udrží konstantní otáčky a změří těmto otáčkám konkrétní hodnoty momentu a výkonu. Výsledná charakteristika průběhu je složena z dílčích úseček.  Dynamické měření výkonu – jedná se o obdobný způsob měření jako u měření

výkonu

na

výkonové zkušebně.

Charakteristika se

skládá

z jednotlivých bodů měření (bývá jich od 2000 až do 10000 naměřených bodů), jakou znáte z odborné literatury.

6.1.1.3 Snímání průběhu spalovacího tlaku ve válcích motoru Pomocí této metody jsme schopni přesně stanovit velikost indikovaného výkonu spalovacího motoru (obrázek 6.3). Pro určení požadovaného výkonu musíme současně s tlakem měřit úhel natočení klikového hřídele. Nevýhodou metody je, že je třeba vytvořit do


70

Diagnostika a údržba spalovacích motorů spalovacího prostoru otvor, kterým je možné snímat aktuální tlak. Proto se tyto metody využívají nejčastěji u výzkumné diagnostiky.

HU – horní úvrať, DU – dolní úvrať, p Obr. 6.3 – Indikátorový diagram čtyřdobého motoru

–

tlak

V případě této metody používané jako dílenské diagnostiky je možné použít piezoelektrické snímače integrované přímo v zapalovací svíčce (obrázek 6.4). Výkon určíme při znalosti tlaku, plochy pístu a otáček ze vztahu: Pi =

i ⋅ Vz ⋅ p s ⋅ n 300 ⋅ z

(kW )

kde: i – počet válců (–),

3

Vz – zdvihový objem válce (dm ) -2 -1 ps – střední indikovaný tlak (paN.cm ), n – počet otáček za sekundu (min ), z – konstanta (z = 2 pro dvoudobý motor a z = 4 pro čtyřdobý motor).

Obrázek 6.4 – Umístění snímače tlaku v hlavě motoru


71

Diagnostika a údržba spalovacích motorů 6.1.2 Metody nepřímého měření výkonu 6.1.2.1 Stanovení výkonu metodou vypínání válců Princip metody spočívá v měření otáček, na kterých se ustálí nezatížený motor při odpojeném určitém válci (počtu válců) a současně při plné dodávce paliva. Za výše popsaných podmínek dosáhneme rovnováhy točivého momentu pracujících válců se ztrátovým výkonem motoru. Současně musíme mít na paměti závislost ztrátového výkonu na otáčkách motoru, která se rovná hodnotě indikovaného výkonu pracujících válců. Při zjednodušení můžeme vycházet ze vztahu pro efektivní výkon P e : Pe = Pj − k (n ij − n is )

kde: P j – jmenovitý výkon nového motoru, k – konstanta daného typu motoru, n ij – otáčky nového motoru při práci na i-tý válec, n i s – skutečně naměřené otáčky při práci na i-tý válec. Výsledky jsou značně závislé na přesném dodržení podmínek měření (teplota spalovacího motoru …), proto uvedená metoda není pro provozní využití vhodná.

6.1.2.2 Měření úhlového zrychlení a zpomalení motoru Při

této

diagnostické

metodě

vyhodnocujeme

velikost

úhlového

zrychlení

nezatíženého motoru. Motor se rozbíhá při přesně dané dodávce paliva a to z určitých otáček. Současně je možné vyhodnocovat také úhlové zpomalení, které je měřeno u vznětového motoru při nulové dodávce paliva a u zážehového motoru při vypnutém zapalování. Při měření zrychlení a zpomalení klikového hřídele celého motoru si určíme indikované úhlové zrychlení εi

εi = εa + εd , kde: ε a – užitečné úhlové zrychlení,

ε d – úhlové zpomalení nepracujícího motoru


72

Diagnostika a údržba spalovacích motorů Výkon motoru vypočteme z následujícího vztahu: P = J M (ε a + ε d ).ω , kde: J m – moment setrvačnosti pohyblivých částí motoru redukovaný na klikový hřídel.

Měření úhlového zrychlení nebo zpomalení klikového hřídele můžeme realizovat dvěma způsoby:  využití tachodynama,  bezkontaktním snímáním frekvence impulsů z rotujících částí motoru.

Shrnutí pojmů 6.1. Výkon, Watt, Motorová brzda, Válcová brzda, Zrychlení, Zpomalení, Tachodynamo,

Otázky 6.1. 65. Na jakém principu se přenáší krouticí moment z kol vozidla na válce zkušebny? 66. Jakým způsobem je možné měřit výkon u vozidel s více jak jednou hnací nápravou? 67. Jak zjistíme, že se jedná o zahřátý motor a je možné přistoupit k realizaci diagnostického testu z kategorie měření výkonu spalovacího motoru?

Úlohy k řešení 6.1. 68. Zkuste navrhnout velikost reakčního ramena motorové brzdy. Brzda bude používána na měření výkonů v rozsahu 70 – 150 kW. Uvažujte vznětový motor. Potřebné údaje volte podle konkrétního motoru. 69. Zamyslete se nad přímými a nepřímými metodami měření výkonu motoru? V čem spočívá zásadní rozdíl?


73


Další zdroje LÁNSKÝ, M.: MAZÁNEK, J.: Diagnostika a informační diagnostické systémy I. Pardubice : Univerzita Pardubice, 2001. 106 s. STODOLA, Jiří: Provoz, údržba a opravy vozidel I. Pardubice : Univerzita Pardubice, 2009. FAMFULÍK, Jan; MÍKOVÁ, Jana; KRZYŽÁNEK, Radek. Teorie údržby. Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava [online]. 2007, [cit. 2011-07-31]. Dostupný z WWW: http://homel.vsb.cz/~krz011.


74

PROVOZ, ÚDRŽBA A OPRAVY SILNIČNÍCH VOZIDEL

Recommend Documents