Функции состояния

До сих пор мы интересовались структурой механизма и для описания ее изменений ввели понятие "состояние механизма". Но механизм характеризуется также показателями его работы. Мы можем забыть о том, что механизм состоит из деталей и сосредоточить свое внимание на процессах, которые связаны с его функционированием. Мы можем следить за изменением скорости вращения колес трактора, за прозрачностью и цветом выпускных газов, за мощностью издаваемого им шума, за температурой в различных его точках. Это так называемый функциональный подход к механизму.

Протекание каждого процесса, связанного с работой механизма, можно оценить количественно с помощью того или иного показателя. Вращение вала характеризуется скоростью, выпуск отработавших газов - степенью прозрачности, шум - частотой и мощностью звука, нагрев подшипника - его температурой и т. д.

Параметры, характеризующие протекание процессов, связанных с работой механизма, мы будем в дальнейшем обозначать s₁, s₂, ..., s_m. Значение каждого такого параметра зависит от трех факторов: от заданного механизму режима работы, состояния окружающей среды и состояния самого механизма. Поскольку целью диагностики является определение состояния механизма, то при диагностировании стремятся исключить влияние на показатели его работы всех остальных факторов. Поэтому мы будем считать, что режим работы механизма и условия окружающей среды во время постановки диагноза заданы и не изменяются. Таким образом, показатели рабочих процессов механизма во время диагностирования зависят только от его состояния. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, мы их будем называть функциями состояния.

Различают три вида функций состояния. Первую группу функций состояния составляют технико-экономические показатели механизма, например мощность и удельный расход топлива двигателя, коэффициент полезного действия трансмиссии, точность движения резца металлообрабатывающего станка и т. д. Их называют критериями эффективности. Роль этих критериев в диагностике двояка. С одной стороны, задача диагностики может состоять в определении критериев эффективности механизма, например мощности двигателя. С другой стороны, когда значение критериев эффективности известно, они могут выступать как симптомы неисправностей. Например, установив, что двигатель перерасходует топливо, мы можем уже более целеустремленно искать в нем неполадки.

Говоря о надежности, мы много внимания уделили поломкам тракторов, комбайнов и других машин. Они действительно представляют большое бедствие для сельскохозяйственного производства. Но однажды ученые, занимающиеся проблемой поломок, заинтересовались исправными тракторами. А что собой представляют машины, которые не стоят беспомощно в борозде, а напряженно работают и в исправности которых у механизаторов нет сомнений? Оборудовали передвижную диагностическую лабораторию и поехали по колхозам и совхозам Новосибирской области.

Участники экспедиции, проезжая мимо сломавшихся тракторов, ожидающих ремонта, были непреклонны, когда трактористы просили их определить при помощи электронных приборов, что нужно "закапризничавшей" машине или почему из выпускной трубы валит такой черный дым, будто это работает паровоз. Ученых интересовали только абсолютно исправные тракторы. Найдя такую машину, они уже не жалели ни времени, ни сил, чтобы досконально обследовать все ее элементы, зарегистрировать каждый показатель. Чувствительные электронные приборы измеряли ее мощность, угол опережения подачи и давление топлива в форсунке, прослушивали стуки и скрежеты, термопары с точностью до долей градуса регистрировали температуру во всех важнейших точках машины. Так были обследованы многие десятки абсолютно здоровых тракторов. Когда же подвели итоги, то они озадачили и самих исследователей и всех тех, кому пришлось ознакомиться с результатами. Оказалось, что исправные тракторы на 17% в среднем слабосильнее и на 27% прожорливее, чем им положено быть по техническим условиям. Если результаты исследований распространить на весь тракторный парк страны, а это с известным приближением можно сделать, то окажется, что неизвестно куда исчезли миллионы лошадиных сил и сотни тысяч тонн топлива. Только для Новосибирской области такое снижение мощности тракторов равноценно потере 4000 машин.

Немалый ущерб связан и с бесполезным сжиганием одной четверти дизельного топлива, отпускаемого сельскому хозяйству. "Кто не заметил, что он обокраден, тот ничего не потерял",- сказал когда-то остроумный мудрец. Многие и с неисправными тракторами не горюют, так как снижение мощности трактора на 17% нельзя обнаружить на ощупь, а увеличение расхода топлива двигателем на 27% не уловишь на глаз. Но потери здесь реальны, и они происходят потому, что у механизаторов пока нет средств контролировать мощность машины и расход топлива. Создание диагностических приборов для этой цели безусловно одна из важнейших научно-технических задач.

Вторую группу функций состояния машины составляют показатели ее надежности, например моторесурс, т. е. время, которое машина может проработать до очередной поломки. Этот показатель зависит от состояния машины, поэтому мы его и относим к функциям состояния.

Надежность, моторесурс машины безусловно являются ее важнейшими технико-экономическими показателями, но тем не менее их целесообразно отличать от других критериев эффективности. Дело в том, что мощность, расход топлива, к. п. д., точность движения резца и другие аналогичные показатели могут быть хотя бы в принципе измерены непосредственно на работающей машине. Приборы для таких измерений существуют и постоянно совершенствуются. Иное дело - надежность машины, в частности ее моторесурс. Их определение связано с прогнозированием, с предсказанием будущих поломок, а для этого необходимо прежде всего научиться определять состояние каждого элемента машины в текущий момент. Ведь виновницей аварии может быть любая ее деталь. Поэтому, чтобы определить время, которое машина сможет проработать до очередной поломки, нужно знать состояние каждой ее детали, надежность машины всегда выступает, как искомое диагностической задачи, причем необходимость ее определения влечет основные трудности диагностики и сложность диагностического оборудования.

К третьей группе функций состояния относятся параметры рабочих процессов, которые сами по себе не имеют большого значения, но зато служат признаками или, как говорят медики, симптомами происшедших отклонений в структуре механизма. Так, цвет выпускных газов для нас безразличен (это не мощность двигателя!), но его изменение позволяет нам судить о протекании процесса сгорания, а значит, и о состоянии двигателя, связанном с мощностью.

Механизаторам хорошо известно, что черный цвет выпускного дыма у дизеля свидетельствует о большой подаче топлива или о позднем его впрыске в цилиндр. Если выпускной дым синего цвета, то пора менять поршневые кольца. Значит, в камеру сгорания поступает через неплотности в поршневой группе масло из картера, которое и окрашивает дым в синий цвет. При белом цвете выпускного дыма следует обратить внимание на опережение впрыска топлива, скорее всего впрыск топлива в цилиндр происходит раньше, чем следует.

Нас особенно не интересовал бы и характер шума машины (конечно, если бы он лежал в пределах санитарных норм), но он несет информацию о динамических процессах, протекающих в кинематических парах, и служит для обнаружения неполадок.

Подобные признаки мы будем называть параметрами диагностического сигнала, а полную их совокупность - диагностическим сигналом. Таким образом, диагностический сигнал - это система параметров s₁, s₂, ..., s_m, характеризующих протекание процессов, связанных с работающим механизмом, которые могут быть непосредственно измерены и которые используются для определения неизвестного состояния механизма.

Вместо того чтобы измерять недоступные внутренние параметры машины (зазоры в кинематических парах, погрешности шестерен, разрегулировку клапанов и т. д.), в диагностике Измеряют параметры внешнего процесса, порождаемого машиной, например интенсивность ее шума, температуру, прозрачность выпускных газов, что не вызывает затруднений, а затем, используя зависимость этих параметров от состояния элементов машины, выносят заключение о том, когда можно ожидать поломку той или иной ее детали, 6 потребности в ремонте и обслуживании. Таким образом, в диагностике речь идет о замене трудно осуществимых или вообще неосуществимых прямых измерений размеров, форм или взаимного расположения деталей более доступными измерениями параметров, характеризующих работу механизма.