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 ,
• <CD-ROM s doplňkovými 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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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).
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
13
Úvod do předmětu – základní pojmy
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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 <t ; t´>. 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 ; t´´´>.
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 <t ; t´´>.
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
18
Úvod do předmětu – základní pojmy
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 .
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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,
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
22
Úvod do předmětu – základní pojmy
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
24
Degradace strojních celků
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
Degradace strojních celků
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
28
Degradace strojních celků
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
30
Degradace strojních celků
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:
<http://homel.vsb.cz/~krz011/4kapitola.pdf>.
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
35
podstata diagnostiky při údržbě
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
37
podstata diagnostiky při údržbě
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
podstata diagnostiky při údržbě
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
39
podstata diagnostiky při údržbě
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
41
podstata diagnostiky při údržbě
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: <http://homel.vsb.cz/~krz011/>.
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
44
Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
47
Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
48
Rozpoznávání v diagnostice na základě diagnostického signálu
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
53
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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:
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
55
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
57
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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).
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
58
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
59
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
63
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
64
Technická diagnostika a její fyzikální podstata
GRAJA, M.; ZIKMUND, T. Měření hluku [online]. 2010 [cit. 2010-10-12]. Hluk. Dostupné
z WWW: <http://stag.upce.cz>.
HELEBRANT, F., ZIEGLER, J.: Technická diagnostika a spolehlivost II.: Vibrodiagnostika.
Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2005.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
Diagnostika a údržba spalovacích motorů
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 )
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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,
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
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?
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
73
Diagnostika a údržba spalovacích motorů
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.
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
74
Download

Provoz, údržba a opravy silničních vozidel I. část - autor