Файл: Павлов, Б. В. Диагностика болезней машин. (Как инженеры овладевают языком машин).pdf

только откалибровать шкалу шумомера в единицах износа

и погрешностей изготовления машины пока никому не уда­

лось. И дело здесь не в отсутствии желающих и не в их

пассивности, а в том, что намерение использовать шумо-

мер для диагностики находится в противоречии с закона­ ми теории информации. З^есь наблюдается полная анало­

гия с вечным двигателем, который противоречит физиче­

ским законам, а поэтому и не может быть изобретен

несмотря на бесчисленные попытки.

Количество информации, содержащейся в сигнале,

предназначенном для устранения неопределенности си­

туации, не должно быть меньше, чем величина снимаемой

неопределенности. Таков закон. В диагностике неопреде­ ленность связана с тем, что неизвестно состояние машины, которое, в свою очередь, определяется состоянием элемен­

тов, а их в ней довольно много. Показание же шумомера дает в наше распоряжение всего одно число — уровень шу­ ма, т. е. неопределенность состояния машины и количество

информации, доставляемой перемещением стрелки шумо­

мера, не соизмеримы. Причиной увеличения шума машины

может быть увеличение зазора в подшипнике, разрушение

зубьев шестерен, нарушение регулировки клапанов, ран­ ний впрыск топлива, если речь идет о дизеле, и многие другие дефекты деталей. Как узнать причину того, что ма­ шина стала шуметь громче? Стрелка шумомера может от­

клоняться на одинаковую величину и при небольшом из­

носе многих деталей и при одном, но достаточно крупном дефекте.

Анализ показывает, что неудачи, часто постигающие

изобретателей новых диагностических приборов, как и в случае с шумомером, объясняются пренебрежением к зако­

нам информации. Поэтому естественно возникает вопрос,

при каких условиях разрешима задача диагноза? Этот же

вопрос можно задать несколько иначе: каким условиям

должен удовлетворять диагностический сигнал, чтобы, по­

лучив его, можно было однозначно оценить состояние ме­

81

ханизма? Исчерпывающий ответ

на вопрос об условиях разреши­

мости диагностической задачи тре­

бует привлечения математическо­

го аппарата, знакомство с которым

не предполагается у читателя этой книги. Поэтому ограничимся рас­

смотрением лишь одного условия и сформулируем его так:

е с л и с о с т о я н и е м а ш и н ы о п р е д е л я е т с я п

п а р а м е т р а м и , т о ее д и а г н о с т и р о в а н и е в о з ­

м о ж н о л и ш ь в т ом с л у ч а е , е с л и ч и с л о т н е ­

з а в и с и м ы х п а р а м е т р о в в д и а г н о с т и ч е с к о м

с и г н а л е н е м е н ь ш е п.

В большинстве случаев п равно числу кинематических

пар механизма, так как знание их состояния позволяет

принять обоснованное решение о необходимости ремонта, регулировок и других операций по обслуживанию меха­ низма. Так, для диагностики тракторной коробки передач

нужно определить значение около 30 параметров состояния

ее элементов, а для тракторного дизеля и того больше. По­

этому шумомер, обеспечивающий измерение только одного параметра сигнала, не может помочь при диагностирова­

нии таких сложных устройств. Где же взять нужное число параметров диагностического сигнала? Об одной воз­ можности мы уже упоминали, когда рассказывали об аме­ риканской системе диагностики танкового двигателя,— это установка на машину нужного числа датчиков. Каждый датчик, как и шумомер, доставляет всего одно число, ха­ рактеризующее состояние машины. Но поскольку датчиков много, то снятые с них показания позволяют составить до­

вольно полное представление о состоянии машины. Но это не единственный путь.

Представьте многолюдную площадь и микрофон, улав­ ливающий голоса людей. Микрофон «слышит» все голоса, и если мы его подключим к магнитофону, то на ленте бу­ дет запечатлена вся информация, которую сообщают люди,

82

находящиеся на площади. Правда,

при проигрывании ленты мы не

поймем, о чем они говорили, пото­

му что голоса смешаны. Но это

уже другая проблема. Существен­ но то, что один датчик (микро­

фон) уловил и доставил нам голос

каждого человека и всю информацию, которую сообщали

люди на площади, и поэтому, хотя бы в принципе, она мо­

жет быть расшифрована. Для этого нужно разложить об­

щий шум толпы на голоса отдельных людей.

Машину мы можем представить как шумную толпу на­

рода — это ее кинематические пары. Микрофон или датчик,

установленный на корпусе работающей машины, улавлива­

ет все звуки, а значит, и всю информацию о взаимодейст­

вии деталей и их состоянии. Шумомер действует грубо. И без того смешанные «голоса» он перемешивает еще боль­

ше и в результате выдает всего один показатель — уровень шума толпы. А действовать нужно наоборот: воспринятую датчиком смесь звуков следует разложить на «голоса» от­ дельных кинематических пар, тогда каждый «голос» прине­ сет нам информацию о состоянии породившей его кинема­

тической пары. В этом корень проблемы акустической диаг­

ностики. Изложению ее принципов посвящена остальная

часть данной книги.

83

ка (слушателя) в виде волн. Поэтому акустика — это уче­

ние о волнах.

Волновые процессы часто встречаются в природе — свет, радиосигналы, землетрясения и т. д. Любой волновой

процесс связан с колебаниями. При появлении волн щепка,

плавающая в воде, начинает колебаться — она периодиче­

ски поднимается и опускается. Такие же колебания совер­ шает корабль в океане. Колеблется и датчик, установлен­ ный на корпусе механизма, при возникновении в механиз­ ме волнового процесса. В такт колебаниям он вырабатывает

электрический сигнал. Поэтому акустика тесно связана

с наукой о колебаниях. Ее можно назвать учением о коле­ баниях упругой среды.

Чтобы в среде возник волновой процесс, требуется вы­ вести из состояния покоя одну или несколько ее точек — создать возмущение. Но не всякое движение вызывает

волновой процесс. Если мы быстро сблизим ладони, то

услышим хлопок, что свидетельствует о возбуждении волн

в воздухе. Но если сведем ладони медленно, то хлопка не услышим — волны не появились. Падение камня в воду вызывает волны, а медленное его опускание — нет. Удар молотка по рельсу заставляет последний колебаться, но ес­ ли мы просто надавим молотком на рельс, хотя и очень сильно, колебаний не будет. Данный пример имеет прямое отношение к диагностике. Используемые там сигналы сво­

им рождением обязаны соударению деталей. Информация,

которую они приносят, — это сведения об ударах деталей одна о другую.

Итак, мы наметили ряд вопросов, которые рассмот­

рим в этой главе. Речь пойдет о волнах, распространяю­

щихся в материале машины. Они возбуждаются удара­

ми деталей, соединенных в кинематические пары, и служат

сигналами, переносящими информацию из недр меха­ низма к диагностической аппаратуре, находящейся сна­ ружи. Приемником волн служит датчик колебаний, уста­ навливаемый обычно на корпусе машины. Когда волны

85

Рис. 22. Механизм — многоканальная система связи.

рождается силовыми взаимодействиями деталей. Но ско­

рость их износа и разрушения также определяется этими взаимодействиями. Таким образом, акустический сигнал машины и ее разрушение — два параллельно протекающих процесса, вызванные одной и той же причиной. А заботясь о диагностике, мы прежде всего стремимся овладеть спо­ собом оценки скорости износа и разрушения деталей, что­ бы иметь возможность предсказывать аварии и назначать машине тот ремонт и обслуживание, в которых она нуж­

дается в данный момент. Следовательно, поняв, о чем шу­

мит машина, мы получим сведения о ее состоянии из «пер­ вых рук». Такую информацию о состоянии деталей, кото­ рая содержится в акустическом сигнале, нельзя получить даже, если разобрать машину на части и измерить каждую деталь. Свойства деталей наиболее полно проявляются в

процессе их взаимодействия, а о детали, вынутой из меха­ низма, не всегда можно сказать с полной определенностью, насколько она хороша или плоха. Машиностроителям и

87

ремонтникам, например, давно известно, что работоспособ­

ность одной шестерни существенно зависит от успешного

подбора другой шестерни.

Малое число используемых датчиков — второе преиму­

щество акустической диагностики. Акустический сигнал

отличается большой информационной емкостью, поэтому он один способен доставить информацию о состоянии всех кинематических пар механизма.

И, наконец, третье преимущество акустической диагно­ стики — быстродействие приборов.

В основе теории акустической диагностики лежит поч­

ти тривиальная идея о представлении механизма в виде

многоканальной системы связи. На ее входе кинематиче­

ские пары генерируют сигналы, несущие сведения о их со­

стоянии. Сигналы поступают в материал механизма и в форме упругих волн приходят к датчику колебаний, кото­ рый превращает их в электрический сигнал и направляет его в диагностическую аппаратуру. Задача последней за­ ключается* в том, чтобы сначала разделить поступивший сигнал на составляющие, каждая из которых принадлежит только одной кинематической паре, а затем расшифровать

их. Мы уже говорили, что первая задача значительно слож­ нее второй, поэтому основной нашей заботой будет выявле­

ние различий в сигналах, генерируемых разными кинема­ тическими парами. Для этого рассмотрим, как передается информация о состоянии кинематической пары изнутри механизма к датчику, установленному на его корпусе.

«Паразитные» степени свободы механизма

Износ и разрушение деталей всегда уменьшают упоря­

доченность, заложенную в механизм конструктором. Поми­ мо запроектированных движений, детали начинают со­

вершать большое число непредусмотренных. Вал, закрепленный в подшипниках с зазором, помимо собственного

88