podrozdział pracy dyplomowej

Przyjmuje się wg pracy [24], że nominalny mo­del niezawodnościowy jest to układ przedstawiony za pomocą opisu słownego i zwykle także graficznego, odwzorowujący w sposób uproszczony te stany i procesy charakterystyczne dla obiektu rzeczywistego oraz jego otoczenia, które są istotne z punktu widzenia niezawodności.

Budowa tej postaci modelu może się odbywać w czterech krokach, w których dokonuje się wyboru czynników charakteryzujących eksploatację obiektu; zjawisk fizycznych, które mogą prowadzić do niesprawności; punktów kontrolnych i struktury niezawodnościowej obiektu. Zasady tych działań są przedstawione poniżej.

Pierwszy krok, od którego rozpoczyna się w ogólnym przypadku budowy takiego modelu, to wybór i opis (głównie słowny) czynników Za(t), Ot (t) i U(t)  charakteryzu­jących proces eksploatacji modelowanego obiektu. Celem czego działania jest ułatwienie rozpoznania i wyboru zjawisk fizycz­nych (w drugim kroku tworzenia modelu nominalnego) przebiega­jących w obiekcie w czasie eksploatacji i pogarszających jego stan techniczny. Grupy czynników Za(t), Ot(t) i U(t)  zostały już przedstawiony w rozdz. 3. Tu dodajmy kilka wyjaśnień, któ­re mogą ułatwić wybór innych czynników.

Elementy określające zadanie Za(t)  są charakterystyczne dla modelowanego obiektu. Ich rodzaje zależą od celu, dla któ­rego obiekt jest konstruowany. Dla różnych maszyn są więc one różne.

W ogólnym przypadku elementami stanu otoczenia obiektu Ot(t)  są określone cechy warunków klimatycznych, warunków me­teorologicznych, warunków lokalnych (np. agresywność chemiczna środowiska, zapylenie i zapiaszczenie powietrza, ukształtowa­nie terenu) itd. Wybór tych cech zależy jednak od rodzaju obiektu. Dla jednego obiektu istotnym elementem stanu otocze­nia może być np. temperatura powietrza, a dla innego – pręd­kość wiatru.

Do pewnego stopnia opis czynników zaliczanych do sposobu eksploatacji  U(t) może być niezależny od rodzaju modelowanego obiektu. W ogólnym przypadku czynniki te dzielą się na dwie grupy czynników charakteryzujących:

• użytkowanie
• obsługiwanie.

Elementy określające sposób użytkowania można podzielić na grupę elementów związanych z przebiegiem procesu użytkowa­nia i na grupę elementów związanych z jakością użytkowania (np. sterowania). Te pierwsze to kolejność, liczby i czasy trwania różnych stanów użytkowania. Na przykład w przypadku żurawia samojezdnego sekwencję różnych stanów użytkowania mo­gą tworzyć następujące stany: dojazd do miejsca pracy, przygo­towanie żurawia do wykonywania zadania, stany naprowadzania haka nad ładunek (sekwencja kilku następujących po sobie ruchów wysięgnika i haka lub ich skojarzeń, stany naprowadzania ładunku nad miejsce posadowienia wysięgnika i haka lub  ich skojarzeń), po­sadowienie ładunku, stany naprowadzania haka nad nowy ładu­nek, … itd. Elementy związane z jakością użytkowania to: błędy użytkowania, płynność ruchów itd. W przypadku żurawia. samojezdnego takimi błędami użytkowania są m.in.: skośne ciągnięcie ładunku, podrywanie ładunku, niedostateczne wypoziomowanie żurawia, uderzenia o przeszkody itd. Jakość użytkowania zależy od: stopnia dopasowania zespołu cech psychofizycznych użytkownika (np. operatora) do obiektu, stopnia fachowości użytkownika itd. Czym niższa jakość użytkowania, tym jest większe prawdopodobieństwo pojawienia się stanów  użytkowania niezgodnych z instrukcją użytkowania  zabronionych, nie­umiejętnego sterowania. Niska jakość użytkowania może więc być przyczyną pojawienia się szczególnie silnych oddziaływań zewnętrznych lub długiego trwania tych od­działywań.

Elementy sposobu obsługiwania również można podzielić na grupę elementów związanych z przebiegiem procesu obsługiwania i na grupę elementów związanych z jakością obsługiwania. Pierwsze z nich to okresy między różnymi stanami obsługiwania i czasy trwania tych stanów. Wszystkie stany obsługiwania moż­na podzielić na trzy zbiory stanów: diagnozowania technicznego (przeglądów), odnawiania profilaktycznego i odnawiania poawaryjnego (wymian, napraw, regulacji, smarowań). Również na ja­kość obsługiwania składają się: jakość przeglądów, jakość od­nawiania profilaktycznego i jakość odnawiania poawaryjnego. Elementy związane z jakością obsługiwania to głównie wykrywal­ność nieodpowiedniego stanu technicznego podczas przeglądu oraz stopień poprawy stanu technicznego w wyniku odnowy. Czym niższa jest jakość przeglądów, tym mniejsza jest szansa wykry­cia nieodpowiedniego stanu technicznego obiektu, a czym niższa jakość odnawiania, tym większa jest możliwość niepoprawienia tego stanu (bo na przykład odnowy nie przeprowadzono wcale), a nawet jego pogorszenia wskutek na przykład złego smarowania, złej regulacji, zastosowania niewłaściwego naciągu wstępnego itd.

W wielu publikacjach, podkreśla się, że jedną z głównych przyczyn niesprawności obiektów tech­nicznych jest zła eksploatacja, głównie niezgodna z instruk­cjami użytkowania i obsługiwania. Wskazuje to, jak ważny jest przy tworzeniu modelu niezawodnościowego umiejętny opis ele­mentów sposobu eksploatacji U(t),  głównie jakości użytkowa­nia i jakości obsługiwania.

W pewnym stopniu wybór i opis cech charakteryzujących pro­ces eksploatacji, dokonany w pierwszym kroku tworzenia modelu nominalnego, może być wykorzystany w etapie tworzenia nieza­wodnościowego modelu matematycznego głównie do matematycznego opisu procesu eksploatacji oraz zewnętrznych oddziaływań na obiekt.

Należy zaznaczyć, że w niektórych przypadkach ten pierwszy krok w tworzeniu modelu nominalnego może być pominięty całko­wicie lub częściowo. Zachodzi to na przykład wtedy, gdy znane są rodzaje i poziomy oddziaływań zewnętrznych (np. w postaci histogramów obciążeń uzyskanych w wyniku eksploatacyjnych ba­dań obiektów podobnych). Wówczas te właśnie znane oddziaływa­nia stanowią podstawę wspomnianej identyfikacji i wyboru zja­wisk fizycznych.

Drugim krokiem w procesie tworzenia modelu nominalnego jest wybór decydujących zjawisk fizycznych,  pod wpływem których ulegają zmianom w czasie eksploatacji (zwykle niekorzystnym) różne własności obiektu, m.in. własności geome­tryczne i materiałowe decydujące o jego prawidłowym funkcjono­waniu, czyli jego stan techniczny (p. rozdz. 3). Przyczyną po­jawienia się tych zjawisk są oddziaływania zewnętrzne występu­jące w czasie eksploatacji obiektu. W przypadku obiektu mechanicznego tymi zjawiskami fizycznymi są przede wszystkim: zmęczenie objętościowe i powierzchniowo elementów, rozwarstwienie doraźne materiału, zużycie cierne, pełzanie, korozja, plastyczne odkształcenie, zespół zjawisk typu rozregulowania, starzenie materiałów itd. Zjawiska te mogą zachodzić nie tyl­ko w elementach mechanicznych, lecz również w elementach ukła­dów elektrycznych lub elektronicznych i prowadzić do nieko­rzystnych zmian charakterystyk elementów lub całych układów, a nawet przerwania obwodów elektrycznych. W rezultacie degra­dacji stanu technicznego pod wpływem tych zjawisk mogą w cza­sie eksploatacji obiektu pojawiać się jego niesprawności. Cha­rakter tych zjawisk fizycznych jest bardzo złożony. Na ogół istnieją tylko hipotetyczne wyjaśnienia istoty tych zjawisk. Badaniem ich zajmuje się tzw. fizyka uszkodzeń.

Ze zbioru tych zjawisk należy przy budowie modelu wybrać głównie te, które przebiegają w obiekcie w sposób najbardziej intensywny i które mogą prowadzić do niesprawności powodują­cych duże straty (ekonomiczne i inne). W celu ułatwienia wybo­ru tych najbardziej istotnych zjawisk fizycznych, zachodzących w elementach mechanicznych, należy m.in.: przeprowadzić sza­cunkową analizę poziomów naprężeń mechanicznych w elementach obiektu, przeprowadzić analizę charakteru tych naprężeń (sta­łe, zmienne), określić czas ich występowania, poznać własności materiałów elementów, poznać czynniki otoczenia i intensywno­ści ich oddziaływania Itd. Wyboru zjawisk fizycznych decydują­cych o niesprawnościach elementów układów elektrycznych i elektronicznych, które czasami są Integralną częścią obiektów mechanicznych, należy dokonywać według nieco innych zasad. Wynikają one z metod obliczeń, przeprowadzanych przez kon­struktorów takich układów i zawarte są w odpowiednim piśmien­nictwie, np. w [10].

Duży wpływ na trafność tego wyboru może mieć również ana­liza przyczyn niesprawności w eksploatowanych już podobnych obiektach mechanicznych, pracujących w podobnych warunkach oraz analiza przyczyn niesprawności, które wystąpiły podczas eksperymentalnych badań prototypów i serii informacyjnej.

Jednocześnie z wyborem decydujących zjawisk fizycznych dokonuje się jednego z podstawowych założeń upraszczających, polegającego na pominięciu innych zjawisk, które mają mały wpływ na proces powstawania niesprawności obiektu.

Trzeci krok to wybór fragmentów obiektu naj­bardziej narażonych na niesprawności, czyli wybór PK (p. rozdz. 4.1).  Przyjmuje się  przy tym następne bardzo ważne założenie upraszczające, według którego prawdopodobieństwo po­wstania uszkodzenia w innych miejscach jest równe zeru. Ciąg­łe modele niezawodnościowe obiektów mechanicznych stosowane są bardzo rzadko, gdyż są zbyt skomplikowane i zbyt trud­ne do badania.

Wyznaczanie PK może się odbywać różnymi sposobami w zależ­ności od stopnia skomplikowania obiektu, od ważności spełnia­nych przez niego funkcji, od zasobu informacji o konstruowanym obiekcie i o eksploatowanych obiektach podobnych, od rodzajów metod obliczeń przeprowadzanych przez konstruktora itd. Są one następujące.

– Arbitralne wskazanie PK na podstawie wiedzy, doświadcze­nia i intuicji osoby tworzącej model obiektu. Jest to sposób najprostszy, lecz zwykle najmniej dokładny.

– Wskazanie PK na podstawie rezultatów obliczeń (m.in. naprężeń) przeprowadzonych przez konstruktora w etapach tworzenia projektu wstępnego i projektu technicznego oraz na pod­stawie rozważań przeprowadzonych w drugim kroku tworzenia nie­zawodnościowego modelu nominalnego.

– Wskazanie PK na podstawie informacji o niesprawnościach podobnych obiektów mechanicznych eksploatowanych w warunkach podobnych do tych, które są przewidziane dla obiektu rozpatry­wanego.

– Wskazanie PK na podstawie rezultatów doświadczalnych ba­dań elementów lub podzespołów konstruowanego obiektu, przepro­wadzanych w etapach tworzenia projektu wstępnego i projektu technicznego oraz podczas badań prototypów (wizualne efekty badań elastooptycznych, akustyczne efekty dekohezji itd.).

– Wyznaczanie PK na podstawie rezultatów obliczeń metodą elementów skończonych, przeprowadzonych przez konstruktora w etapach tworzenia projektu wstępnego i projektu technicznego. W tym przypadku wyznaczanie PK może być zautomatyzowane dzięki dołączeniu do programu MES odpowiedniej procedury, służącej do wskazywania tych fragmentów obiektu, w których występują największe wytężenia (mechaniczne, cieplne i inne).

Niektóre z tych sposobów mogą być również wykorzystywane do wyznaczania takich PK, które zastępują pod wybranym wzglę­dem grupy elementów obiektu ( p. rozdz. 4.1). Dotyczy to również tych przypadków, gdy w modelowanym obiekcie występuje duża grupa elementów o dużej niezawodności. Wówczas jednym ze sposobów postępowania może być przypisanie takiej grupie ele­mentów jednej lub kilku wspólnych cech zdatności i traktowanie jej jako jednego PK.

Jeśli liczba PK,  wyznaczonych tymi sposobami, jest duża, to można próbować ją ograniczyć przez eliminację niektórych z nich. Aby taka eliminacja była racjonalna, należy uprzednio dokonać hierarchizacji wszystkich PK. Do tego konieczne jest ustalenie kryterium, na podstawie którego można tę hierarchi­zację przeprowadzić. Wydaje się, że jedną z bardziej odpowiednich wielkości, która może w tym przypadku spełniać rolę wiel­kości kryterialnej, są straty wywoływane ewentualnymi niesprawnościami poszczególnych PK (straty ekonomiczne i inne). Wielkość ta jest zdefiniowana i opisana w opracowaniu [25]. Eliminacja powinna dotyczyć tych z wyznaczonych uprzednio PK, dla których wspomniane stra­ty są według szacunkowej oceny najmniejsze.

Czwartym   krokiem  wyróżnionym w procesie budowy modelu nominalnego jest określenie zasad organizacji zbioru wybranych PK, czyli – wybór tzw. struktury nie zawodno­ściowej obiektu. W tym celu należy przede wszystkim podać de­finicje opisowe (słowne) niesprawności poszczególnych PK i ca­łego obiektu, czyli określić ich graniczne stany techniczne, oddzielające odpowiednie stany zdatności i niezdatności,

Niesprawności PK obiektów mechanicznych przenoszących na­pęd charakteryzują się zwykle granicznym naruszeniem makro- lub mikrogeometrii elementów. Naruszenie makrogeometrii pole­ga na: odkształceniach trwałych (wskutek: utraty stateczności, pełzania, przekroczenia przez obciążenia nośności granicznej itd.), ubytkach materiału (wskutek: zużycia ciernego, korozji itd.), pęknięciach (wskutek: przekroczenia przez obciążenie nośności granicznej, kumulacji uszkodzeń zmęczeniowych przy zmiennych obciążeniach itd.), przemieszczeniach w stosunku do sąsiednich elementów (wskutek utraty sprzężenia ciernego) itd. Naruszenie mikrogeometrii to zwykle: wgniecenia, wżery, wykru­szenia i inne na powierzchni elementu (wskutek: adhezji, koro­zji, pittingu itd.).

Ogólnie opisowa definicja niesprawności PK może brzmieć na przykład w sposób następujący: niesprawność PK jest to ta­kie zdarzenie (polegające zwykle na naruszeniu makro- lub mi­krogeometrii elementu w tym PK), które uniemożliwia dalsze spełnianie przez ten PK wymaganych funkcji w obiekcie w spo­sób fizyczny lub umowny.

W każdym konkretnym przypadku PK należy taką definicję uściślić, zwłaszcza gdy ewentualna niesprawność jest umowna, przez ustalenie objawów granicznego stopnia naruszenia geome­trii elementu. Jak wynika z ogólnej definicji niesprawności podanej powyżej o położeniu tej granicy mogą decydować różne kryteria, nie tylko techniczne.

Następnie należy ustalić definicję opisową niesprawności całego obiektu. Ogólnie może być ona sformułowana podobnie jak dla PK:

Def. [24] Niesprawność obiektu jest to każde zdarzenie, polegają­ce na takiej zmianie stanu-technicznego tego obiektu, że uniemożliwia to fizycznie lub umownie spełnianie’ przewidzianych dla niego funkcji.

I tu także uściślenie tej definicji w odniesieniu do kon­kretnego obiektu powinno polegać na ustaleniu kryteriów niesprawności, czyli objawów granicznego pogorszenia stanu tech­nicznego.

Zgodnie z zaproponowanymi definicjami obiekt i jego PK mogą ulegać niesprawnościom fizycznym lub umownym. Niespraw­nościami fizycznymi nazwane zostały te, które natychmiast po ich zajściu uniemożliwiają w ogóle jakiekolwiek funkcjonowanie obiektu lub PK Są to głównie niesprawności występujące nagle, np.: pęknięcia i trwałe odkształcenia elementów mechanicznych lub większych fragmentów maszyny, pęknięcia przewodów dopro­wadzających olej do instalacji hydraulicznych, przerwanie istotnych obwodów elektrycznych itd.

Niesprawnościami umownymi nazywa się takie zmiany stanu technicznego obiektu (lub PK), zachodzące na ogół stopniowo, a czasami nagle, które nie przerywają natychmiast jego funk­cjonowania, a jedynie wywołują:

– niedopuszczalny wzrost ryzyka powstawania poważnego uszko­dzenia, powodującego duże straty (np. niesprawność układu za­bezpieczenia w obiekcie, pojawienie się dużych drgań wskutek wzrostu luzu w łożyskach itd.);

– niedopuszczalne pogorszenie poprawności funkcjonowania obiektu, np. spadek wydajności, spadek sprawności mechanicz­nej, wzrost poziomu hałasu itd.

Ustalenie kryteriów niesprawności (fizycznych i umownych) zależy: od rodzaju funkcji przewidzianych do wykonania przez obiekt (lub przez maszynę zawierającą ten obiekt), od sposobu eksploatacji, a przede wszystkim od możliwości powstania du­żych strat ekonomicznych lub możliwości zagrożenia dla życia ludzkiego w przypadku powstania niesprawności fizycznej obiek­tu. Czym te skutki ewentualnej niesprawności fizycznej są większe, tym kryterium niesprawności umownej ustala się na ogół na niższym poziomie.

Przyjęcie opisowych definicji niesprawności obiektu i po­szczególnych jego PK jest podstawą do zorganizowania zbioru wybranych PK, czyli ustalenia struktury niezawodnościowej obiektu. Struktura niezawodnościowa obiektu określa zależność jego stanu niezawodnościowego (stan zdatności, stan niezdatności) od stanów niezawodnościowych poszczególnych jego PK.

Wśród struktur niezawodnościowych wyróżnia się, jak wiado­mo, dwie podstawowe grupy struktur: struktury szeregowe i struktury równoległe. Obiekty mechaniczne przenoszące napęd mają zwykle strukturę szeregową w sensie niezawodności, cza­sami – strukturę mieszaną lub inną.

Trzeba jednak pamiętać, że struktura niezawodnościowa obiektu jest względna. Ten sam obiekt może mieć w pewnych przypadkach strukturę równoległą, a w innych – sze­regową lub mieszaną. Zależy to głównie od definicji niespraw­ności obiektu. Na przykład inną strukturę niezawodnościową mo­że mieć obiekt przy definicji niesprawności podanej powyżej, uwzględniającej fizyczny i umowny brak możliwości wykonania zadania, a inną – przy definicji uwzględniającej tylko fizycz­ny brak możliwości wykonania zadania. Przedstawmy prosty przy­kład zależności tej struktury od kryterium niesprawności.