Dynamická diagnostika mobilních strojů

Dynamic diagnostics of mobile machines

Josef Pošta

Present state-of-the-art of measuring techniques makes possible to perform measuring , data processing and feedback of regulation interventions including regulation of superfast action. Results can be obtained in real-time and pertinent method is able to provide information about instantaneous system state and about technical state changing within a time interval. The paper contains survey of dynamic diagnostic methods for suitable and relevant parameter of mobile machines monitoring.

Key words: dynamic diagnostics, technical state, alternator, electrical ignition, starter

Úvod

Stroje a výrobní zařízení se stále rychleji vyvíjejí jak z hlediska konstrukce jednotlivých částí a základních mechanismů, tak z hlediska řídicích a zabezpečovacích systémů. Hnací silou tohoto vývoje je snaha zvyšovat výkonnost, zkracovat manipulační a mezioperační časy a časy nutné pro technickou údržbu a seřizování, zvyšovat spolehlivost, pohotovost, bezpečnost, trvanlivost strojů, omezit nebo vyloučit nesprávnou obsluhu. Tento trend se projevuje obecně, z něj vyplývající opatření se však poněkud odlišují u velkých strojů a zařízení stacionárních a u strojů malých a mobilních. Zatímco velké stroje a rozsáhlá zařízení stacionární bývají v provozu neustále monitorována ve všech svých klíčových prvcích a místech, u strojů malých a mobilních bývá častěji navrhována periodická kontrola na stacionárním servisním pracovišti. Protože však i mobilní stroje jsou vybavovány elektronickými řídicími systémy, nabízí se tím také možnost trvale monitorovat funkci vybraných prvků a tím, za předpokladu že budou známé potřebné závislosti, trvale diagnostikovat technický stav stroje nebo jeho části. Výsledky tohoto sledování mohou být během pracovního nasazení stroje ukládány v paměti elektronické řídicí jednotky, odkud mohou být periodicky přenášeny do počítače příslušného útvaru údržby. Tím budou vytvořeny základní předpoklady pro další využití těchto údajů, které může být velmi rozmanité a může umožnit další zdokonalování jak údržby, tak provozu stroje.

V první etapě prací na využití uvedených možností se přirozeně nabízejí ty části strojů, které generují signál, závislý na funkci a/nebo technickém stavu dané části stroje nebo části bezprostředně související. K nejzřetelnějším z těchto signálů patří

· výstupní napětí alternátoru,

· průběh primárního a sekundárního napětí v zapalovacím okruhu zážehového motoru,

· výstupní napětí senzorů a snímačů řídicího systému motoru, brzd, přenosu hnací síly,

· odebíraný proud spouštěče,

· odebíraný proud okruhů jednotlivých spotřebičů apod.

Pracovní hypotéza

Pracovní hypotéza, kterou autor již delší dobu postupně ověřuje, je formulována následovně: „Aktuální technický stav i jeho vývoj v čase lze zjistit, sledovat a prognózovat podle okamžitého průběhu vhodné charakteristické veličiny“.

Experimentální ověření hypotézy

Prvním příkladem, potvrzujícím uvedenou hypotézu, je změna okamžitého průběhu napětí alternátoru. Byl snímán okamžitý průběh napětí alternátoru při kontrolovaných ustálených vnějších podmínkách (otáčky, zátěž, buzení) a při uměle vytvářených závadách (přerušení a zkrat hlavní nebo pomocné diody usměrňovače). Výsledky jsou uvedeny na obrázcích 1 a 2. Je zřejmé, že průběhy naměřených hodnot velmi dobře souhlasí s teoreticky předpokládanými průběhy a tedy že zvolený diagnostický signál (tj. okamžité napětí na svorkách alternátoru) je dobře použitelný k diagnostice technického stavu alternátoru.

Obr. 1 Okamžitý teoretický a skutečný průběh napětí bezvadného alternátoru při stejných podmínkách

Obr. 2 Okamžitý teoretický a skutečný průběh napětí alternátoru při stejných podmínkách. Závada: přerušená jedna hlavní dioda

Druhým příkladem, potvrzujícím uvedenou hypotézu a ilustrujícím důležitost správné volby „charakteristické veličiny“, je změna špičkové hodnoty zapalovacího napětí na svíčkách zážehového motoru. Bylo snímáno okamžité špičkové napětí na zapalovacím kabelu při konstantních okolních podmínkách a byl posuzován trend změn. Měření bylo provedeno vždy po stejné době provozu zapalovací soustavy se sledovanými kabely, které byly podrobovány životnostní zkoušce. Jako další diagnostický signál byl sledován ohmický odpor kabelů, který byl měřen po stejných intervalech doby provozu kabelů. Výsledky jsou znázorněny na obr. 3. Z obrázků je patrné, že signál „změna okamžitého špičkového napětí“ při jinak stejných podmínkách reaguje na změnu technického stavu kabelu, zatímco ohmický odpor se ukázal jako signál necitlivý a tudíž nevhodný k danému účelu.

Obr. 3 Okamžité špičkové hodnoty zapalovacího napětí a statické hodnoty ohmického odporu kabelů

Třetím příkladem, potvrzujícím uvedenou hypotézu a ilustrujícím význam použité metodiky měření a zejména vyhodnocení naměřených hodnot je měření okamžité hodnoty proudu odebíraného spouštěčem při startování zážehového spalovacího motoru. Záměrem experimentu nebylo tentokrát zjištění technického stavu spouštěče, ale zjištění těsnosti jednotlivých spalovacích prostorů motoru. Předpokládalo se, že při protáčení motoru v poloze kdy je v kompresním zdvihu netěsný (méně těsný) válec bude nižší pasivní odpor motoru, což se projeví poklesem okamžité hodnoty startovacího proudu. Tento předpoklad se ukázal jako správný, což je dokumentováno na obr. 4. Je však nutno vzít v úvahu ještě fakt, že zajistit stálé okolní podmínky měření nebylo v tomto případě zcela spolehlivě možné. Nebyl například kontrolován možný vliv ozubení pastorku a věnce nebo možný vliv vůle v uložení rotoru spouštěče na měřené hodnoty. Lze se domnívat, že například vliv vůle v uložení rotoru nebo vliv stavu kartáčů a komutátoru by se na měřené veličině mohl projevit a mohl by být identifikován, pokud by se zvýšila (řádově) vzorkovací frekvence. Tento předpoklad v náznacích potvrzují i zřetelná zvlnění grafů sestrojených z naměřených hodnot při použité frekvenci vzorkování (200 Hz).

Obr. 4 Okamžité skutečné hodnoty proudu spouštěče u bezvadného čtyřválcového zážehového motoru a u motoru s netěsným spalovacím prostorem jednoho válce

Diskuse

Jednotlivé uvedené příklady byly voleny tak, aby ilustrovaly možnosti dynamické diagnostiky zejména v aplikaci na mobilní stroje, aby ukázaly přednosti tohoto přístupu oproti statickým způsobům měření a aby ukázaly dosud neobjasněná místa v úvahách o využití dynamických způsobů diagnostiky.

Přestože nelze pouze na základě výše uvedeného prohlásit pracovní hypotézu za potvrzenou a obecně platnou, lze se již důvodně domnívat, že je pravděpodobně správná. K definitivnímu potvrzení hypotézy bude však ještě nutno vykonat mnoho experimentální i teoretické práce. Bude třeba zejména zkoumat otázku

· vhodné charakteristické veličiny pro jednotlivé konkrétní případy,

· vhodných snímačů a jejich vlastností,

· vhodné vzorkovací frekvence,

· metodiky měření, vyhodnocení a interpretace výsledků.

Závěry

Probíhající výzkum, zaměřený na možnosti a způsoby dynamické diagnostiky strojů a výrobních zařízení která nejsou tak rozsáhlá či nákladná aby mohla být permanentně monitorována, se jeví jako nadějný a perspektivní. Zejména v tom, že dynamická diagnostika je téměř dokonale bezdemontážní, nevyžaduje nákladná stacionární zkušební zařízení, může být prováděna i během pracovního nasazení stroje a proto nevyvolává prostoje a nutnost transportu strojů na diagnostické pracoviště, podmínky zkoušení odpovídají skutečným provozním podmínkám.

Rozvoj elektroniky a výpočetní techniky umožňuje snímání charakteristických veličin, jejich zpracování, vyhodnocení a využití pro řízení práce mechanismů v reálném čase. Tím také vytváří předpoklady pro uplatnění dynamických způsobů diagnostiky. Práce na těchto způsobech se tedy jeví jako perspektivní a žádoucí.

Literatura

BALOG, J. - ČIČO, P.: Laboratórne stanovenie závislosti medzi diagnostickými parametrami a vôlou kĺzných ložísk motora Z-8602. Acta technologica agriculturae, XXXIV, 1994, VŠP Nitra, ISSN 1335-2555

BALOG, J.: Počítačová podpora diagnostiky vznětového motora. /Habilitační práce/. SPU, Nitra, 1999,198 s.

HORKA, M.: Dynamická indikácia opotrebenia piestovej skupiny naftového motora. In: Sborník příspěvků mezinárodního symposia "Quality and reliability of Machines", DT ZSVTS Bratislava, 1996, s. 215 – 219, ISBN 80-233-0361-9

JURČA, V.: Počítačová podpora logistického řízení údržby. /Habilitační práce/. ČZU, Praha, 1997, 93 s.

KROČKO, V.: Částicová analýza motorových olejov. Acta technologica agriculturae, XXXV, VŠP Nitra, 1995, s. 171-177, ISSN 1335-2555

POŠTA, J. - NEVYHOŠTĚNÝ, L. - KADLEČEK, B.: Multipurpose Optoelectronic Sensor for Combustion Engines Diagnostics. In: Sborník referátů z mezinárodní vědecké konference "AGROTECH NITRA '99", Nitra, 1999, 2.díl, s. 109 - 113, ISBN 80-7137-613-2

POŠTA, J. - PAVLÍČEK, R.: Diagnostics of technical condition alternators and analysis of temporary process. In: Trends in Agricultural Engineering, sborník referátů z mezinárodní vědecké konference, ČZU, Praha, 1999, s. 595 - 599, ISBN 80-213-0517-7

POŠTA, J. - PAVLÍČEK, R.: Diagnostika rychlých dějů. In: Sborník "Spolehlivost a diagnostika v dopravní technice ´98", DFJP, Univerzita Pardubice, 1998, s. 39 - 41, ISBN 80-7194-163-8

Kontaktní údaje autora

Doc. ing. Josef Pošta, CSc., katedra jakosti a spolehlivosti strojů, technická fakulta, ČZU v Praze, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6 – Suchdol, E-mail: posta@tf.czu.cz

---