Содержание 

Введение

1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И АНАЛИЗИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ОБЪЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Выводы

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН

 

Введение

В последние годы все отчетливее проявляются основные различия между системами управления и контроля сложного энергетического оборудования, с одной стороны, и системами их диагностики, с другой стороны. Системы контроля, являющиеся прообразом и составной частью современных систем мониторинга, используют, как правило, простейшие способы измерения основных физических величин. Диагностические системы строятся с учетом необходимости получения наибольшего объема информации, содержащейся, прежде всего в сигналах вибрации и шума. Именно поэтому для систем диагностики широко используются новые информационные технологии, часто основанные на более сложных методах измерения и анализа сигналов. Ниже приводится краткий анализ особенностей построения современных стационарных и переносных систем диагностики, возможностей используемых в них информационных технологий, методов диагностирования разных видов машин и узлов.

1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Методы и средства оценки технического состояния машин и энергетического оборудования развивались поэтапно. Сначала использовались средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и, на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию.

Так, контроль дает информацию о величинах параметров и зонах их допустимого отклонения. При мониторинге появляется дополнительная информация о тенденциях изменения параметров во времени, которая может использоваться и для прогноза. Еще больший объем информации дает диагностирование, а именно, идентификацию места, вида и величины дефекта. Наиболее сложна задача прогноза развития дефекта, а не изменений контролируемых параметров, решение которой позволяет определить остаточный ресурс или прогнозируемый интервал безаварийной работы.

В настоящее время под термином мониторинг часто понимается решение всего комплекса процедур оценки состояния, но существующие системы, называемые системами мониторинга, далеко не всегда решают вопросы идентификации дефектов и прогноза их развития. Поэтому в дальнейшем под термином мониторинг следует понимать контроль основных параметров, выявление тенденций их изменений и прогноз развития контролируемых параметров, а под термином диагностика - идентификацию дефектов и прогноз их развития.

Современные системы мониторинга и диагностики машин и энергетического оборудования (рис.1) строятся на базе неразрушающих методов контроля и диагностирования.

 

 

 

Рис.1.Стационарная и переносная системы вибрационного мониторинга и диагностики машин и оборудования.

 

Используемые в них методы диагностирования можно разделить на две основные группы. К первой относятся методы тестовой диагностики, требующие формирования искусственных возмущений, воздействующих на объект диагностики. По степени искажения возмущений судят о состоянии объекта. Возмущения имеют известные характеристики, и предметом изучения являются только те искажения, которые возникают при их передаче через объект. Подобные методы строятся на базе достаточно простых информационных технологий и широко используются для диагностирования различных узлов на этапе их изготовления, а также машин и оборудования в неработающем состоянии.

Вторая группа включает в себя методы функциональной (рабочей) диагностики, используемые, в первую очередь, для машин, являющихся источником естественных возмущений в процессе их работы. Эти методы ориентированы прежде всего на анализ процессов формирования возмущений, а не их искажений во время распространения. Более того, искажения обычно усложняют анализ измеряемых сигналов и, как следствие, используемую информационную технологию. Лишь для ограниченного круга задач функциональной диагностики используется информация, получаемая в результате анализа искажений естественных возмущений при прохождении их через диагностируемый объект. 

Ниже рассматриваются информационные технологии именно для функциональной диагностики. Число их невелико, а многообразие диагностических систем определяется лишь сочетанием используемых технологий.

Простейшей из основных является энергетическая технология, основанная на измерении мощности или амплитуды контролируемого сигнала. В качестве диагностического сигнала может использоваться температура (перепад температур), давление, шум, вибрация и многие другие физические параметры. Технология строится на измерении величин сигналов в контрольных точках и сравнении их с пороговыми значениями.

Развитием энергетической технологии является информационная частотная технология, предполагающая выделение из измеряемого сигнала составляющих в определенных частотных диапазонах и дальнейший энергетический анализ выделенных составляющих. Технология частотного анализа используется не только для контроля и диагностики машин, но и для их аварийной защиты. Примером может быть частотно-дуговая защита электрических машин по высокочастотным составляющим тока, защита машин по вибрации с частотой ее вращения и многие другие. Частотный анализ далеко не всегда использует для разделения составляющих электронные фильтры. Это могут быть, например, резонансные датчики тока, вибрации, шума, светового потока или других величин. Один из таких датчиков-стетоскоп для преобразования низкочастотной вибрации контролируемых узлов машин в шум, воспринимаемый органами слуха человека.

Еще одна, информационная фазо-временная технология, основана на сравнении формы сигналов, измеренных через фиксированные интервалы времени. Эта технология успешно используется для контроля состояния машин возвратно-поступательного действия с несколькими одинаковыми узлами (цилиндрами и поршнями), нагружаемыми последовательно через одинаковые интервалы времени. В качестве примера на рис.2 приведен сигнал вибрации двигателя автомобиля, по форме которого можно определить качество работы каждого из цилиндров. 

 

 

Рис.2.Сигнал вибрации двигателя автомобиля, измеренный в точке между 2 и 3 цилиндрами.

 

Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной, можно осуществлять с помощью еще одной, информационной спектральной технологии, основанной на узкополосном спектральном анализе сигналов. При использовании такого вида анализа сигналов диагностическая информация содержится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной составляющей и каждой из кратных ей по частоте составляющих. Такая технология применяется для анализа сигналов с датчиков давления, вибрации, шума, а также датчиков тока и напряжения в электрических машинах и аппаратах. В качестве примера на рис.3а приведены формы сигналов вибрации трансформатора без дефектов и на рис. 3б формы сигналов вибрации трансформатора с магнитным насыщением активного сердечника.

 

 

 

Рис. 3а. Формы и спектры вибрации сердечника трансформатора, работающего в нормальном режиме(а,в). fc-частота питающего напряжения.

 

 

 

 

Рис. 3б. Формы и спектры вибрации сердечника трансформатора, при перегрузке, сопровождающейся магнитным насыщением сердечника (б,г).

fc-частота питающего напряжения.

Там же приведены и спектры сигнала вибрации. Их анализ показывает, что появление магнитного насыщения активного сердечника сопровождается искажением формы и ростом составляющих вибрации на гармониках питающего напряжения.

Перечисленные выше информационные технологии применялись еще в прошлом столетии для контроля работоспособности паровых машин. Лишь последняя, спектральная технология, начала широко использоваться в середине этого века после создания относительно простых анализаторов спектра сигналов различной природы. И в настоящее время эти технологии широко применяются в системах контроля и управления машин и оборудования.

Все они, однако, имеют общий недостаток при использовании в задачах диагностики, когда требуется обнаружить зарождающиеся дефекты различных узлов. Он связан с тем, что разброс величин измеряемых параметров даже в группе одинаковых бездефектных машин, как правило, превышает изменения, характерные для появления зарождающихся дефектов. В качестве примера можно привести результаты статистических исследований вибрации многих видов бездефектных машин, выполненных в ряде стран. Эти исследования показали, что типовой разброс величин многих составляющих лежит в пределах 20 дБ, т.е. 10 раз, а для некоторых составляющих оказывается еще выше. В то же время дефекты в начальной стадии развития могут оказывать значительно меньшее влияние, изменяя характерные для этих дефектов величины параметров вибрации всего в 2-3 раза.

Развитие средств измерений и вычислительной техники в последние годы позволило частично решить проблемы контроля и диагностики путем создания систем мониторинга машин и оборудования на базе рассмотренных информационных технологий. Такие системы, ориентированные на непрерывный контроль диагностических параметров конкретной машины или оборудования, имеют специальные режимы адаптации на начальном этапе эксплуатации, когда дефекты чаще всего отсутствуют. На этом же этапе выявляются и учитываются особенности влияния режимов работы машины и изменения внешних условий, таких как температура, качество электрического питания или топлива и т.п., на диагностические параметры. Это снижает вероятность ложного срабатывания системы мониторинга при смене режимов или внешних условий.

Параллельно развитию систем мониторинга на базе уже существующих информационных технологий во многих странах шел поиск новых методов анализа сигналов для решения диагностических задач. Так, в 1968 году специалистами Швеции был запатентован метод, давший понятие информационной технологии ударных импульсов, которая дала начало многим поколениям систем диагностики подшипников качения. Принцип действия метода ударных импульсов иллюстрируется сигналом, приведенным на рис.4.

 

 

 

 

Рис.4.Вибрация, возбуждаемая ударными импульсами.

 

 

Как видно из рисунка, вибрация, возбуждаемая короткими импульсами, значительно изменяет мгновенную (пиковую) амплитуду сигнала, практически не изменяя ее среднеквадратичное значение (мощность). Отношение пикового значения (пик) к среднеквадратичному (СКЗ), называемое пикфактором, является тем параметром, который реагирует на появление отдельных коротких импульсов. Так, у случайного сигнала без ударных импульсов типовое значение пикфактора лежит в пределах от 3 до 4, а при появлении редких, но сильных импульсов может превышать значения порядка 20-30. Именно в подшипниках качения при плохой смазке или появлении раковин на поверхностях качения возникают такие импульсы. Поскольку импульсы короткие, они наиболее сильно возбуждают высокочастотную вибрацию. Сигнал, приведенный на рис.4, включает в себя составляющие высокочастотной вибрации, возбуждаемой как силами трения (стабильные во времени составляющие), так и ударами, число которых в единицу времени не должно быть большим, так как в последнем случае растет среднеквадратичное значение вибрации и падает величина пикфактора измеряемого сигнала.

Рассмотренная информационная технология позволяет использовать для решения диагностических задач простейшие средства измерения. Этот факт и определил широкое распространение технологии ударных импульсов, особенно на территории стран СНГ, однако необходимость решения более сложных диагностических задач и существенно ограниченные возможности данной технологии явились основной причиной поиска новых, более совершенных диагностических технологий. В частности, необходимо было расширить номенклатуру обнаруживаемых дефектов, в том числе тех, при которых в диагностируемых узлах не возникают ударные импульсы. Не менее важно было минимизировать вероятность пропуска аварийноопасных ситуаций при выполнении периодических измерений со значительными перерывами между ними. Метод ударных импульсов не позволяет увеличивать эти интервалы выше 5-10 дней, так как именно на такой минимальный срок в начале развития дефектов возрастает величина пикфактора. С дальнейшим ростом дефекта из-за увеличения числа ударных импульсов в единицу времени величина пикфактора падает, в то время как уровень вибрации продолжает расти, но весьма медленно.

В 1978 году специалисты АО Виброакустические системы и технологии предложили метод и информационную технологию для диагностирования многих видов узлов роторных машин, известную как технология огибающей. Эта технология в настоящее время широко распространена во многих странах и используется даже в медицинской диагностике. Суть заключается в анализе колебаний мощности измеряемого сигнала. Такая технология может применяться для высокочастотного сигнала, мощность которого изменяется значительно медленнее его периода. Поскольку мощность сигнала определяется значением его огибающей, эта информационная технология основана именно на анализе огибающей высокочастотного сигнала. На рис.5 приведена форма высокочастотного сигнала, а также спектр огибающей, в котором отчетливо видна гармоническая составляющая, отвечающая за периодическое изменение мощности первичного сигнала.

Наибольшие успехи метода огибающей, также как и метода ударных импульсов, достигнуты при решении задач диагностики подшипников качения. В настоящее время метод огибающей, обладающий более широкими возможностями, постепенно заменяет метод ударных импульсов. С его помощью решаются задачи диагностики тех узлов роторных машин, которые являются источниками сил трения и динамических нагрузок. Это подшипники качения, скольжения, рабочие колеса насосов и турбин, зубчатые колеса механических передач и многие другие.

Метод огибающей и метод ударных импульсов являются широко используемыми методами анализа сигналов для решения диагностических задач и практически не используются в системах автоматического управления, контроля и защиты машин и оборудования. Они обладают значительными преимуществами при обнаружении дефектов на ранней стадии их развития, уступая ряду других методов в задачах обнаружения развитых дефектов в предаварийных ситуациях. Главные их преимущества определяются тем, что используемые этими методами свойства сигналов появляются только с момента зарождения дефектов и для их обнаружения нет необходимости предварительной адаптации, т.е. не требуется выполнять несколько периодически повторяющихся измерений диагностических сигналов. Эти свойства сигналов обнаруживаются по первому же измерению, причем не абсолютной, а относительной величины, что не требует особой точности при выполнении измерений. Точность измерения величины диагностического параметра определяется, в основном, параметрами технических средств для анализа сигналов.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5. Сигнал высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами трения, и спектр его огибающей для бездефектного подшипника (а,б) и для подшипника с износом поверхности качения (в,г). Fm - частота модуляции сил трения. 

Приведенный краткий анализ основных методов обработки сигналов позволяет производить оценку практически всех информационных технологий, используемых в современных системах мониторинга и функциональной диагностики машин и оборудования. Особо следует выделить еще одну перспективную технологию получения диагностической информации - технологию статистического распознавания состояний (образов). Она разрабатывается уже несколько десятилетий и на первых этапах не получила особого практического применения из-за требуемых от аппаратуры вычислительных возможностей. В настоящее время интенсивно развиваются самообучающиеся информационные технологии для решения задач распознавания состояний, описываемых множеством параметров, получившие название “нейронные сети”. Это позволяет надеяться, что в ближайшие годы можно будет решать и задачи идентификации динамических процессов со значительными случайными компонентами. Естественно, что подобная технология из-за своей сложности сможет на первых этапах использоваться только в стационарных системах мониторинга, снижая вероятность принятия ошибочных решений о появлении дефектов прежде всего при смене режима работы объектов диагностирования.

Следует обратить внимание, что среди рассмотренных информационных технологий сознательно не упоминались те, в которых производятся многоканальные измерения вибрации или шума. Это объясняется тем, что такие виды измерений как корреляционные, когерентные и т.п. используются для анализа искажений при распространении вибрации или шума и позволяют эффективно решать задачи тестовой диагностики машин и оборудования. В функциональной диагностике, когда вместо простого тестового сигнала с известными параметрами используется сложный сигнал, формирующийся в узлах машины, эффективность этих методов может снижаться. Их можно применять в частных случаях при отсутствии источников возбуждения тестового сигнала вибрации или шума. Необходимость использования этих методов вместо тестовых может быть вызвана также массогабаритными ограничениями, когда оптимальные точки доступны для установки только небольших датчиков и недоступны для установки излучателей тестового сигнала с размерами, в несколько раз превышающими размеры датчиков.

 

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И АНАЛИЗИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

Составной частью информационной технологии на базе любого из методов обработки сигналов являются соответствующие средства измерения, анализа и передачи информации. В развитии технических средств для диагностических информационных технологий можно выделить три основных этапа.

Первый относится к начальным шагам в диагностике и, прежде всего виброакустической, когда средствами оценки технического состояния машин по их шуму или вибрации были органы чувств человека. Органы слуха способны воспринимать и анализировать акустические сигналы в звуковой области частот. Вибрация механизмов в этой области частот всегда является источником звука, а на низких частотах человек воспринимает ее контактным путем. Избирательность анализа вибрации можно обеспечить существующими сотни лет стетоскопами (слухачами). Все эти возможности человека всегда определяли преимущественное развитие диагностики по сигналам вибрации и шума до последних нескольких десятилетий.

Следующий этап определяется моментом создания виброакустических приборов для измерения вибрации и шума выше звукового диапазона частот и спектрального анализа виброакустических сигналов. Именно с появлением этих приборов в сороковые-пятидесятые годы нашего столетия начались интенсивные исследования по поиску методов анализа сигналов, специализированных для решения диагностических задач. Качественный шаг в диагностике машин, сделанный в шестидесятые-семидесятые годы, заключался не только в разработке метода ударных импульсов и метода огибающей, позволивших решать ряд диагностических задач по однократным измерениям вибрации или шума, но и в развитии методов диагностирования на основе узкополосного спектрального анализа сигналов. В эти же годы были проведены многочисленные исследования по изучению влияния различных видов дефектов на функционирование машин и на диагностические сигналы. Результаты этих исследований показали, что наибольшей диагностической информацией обладает сигнал вибрации, а многие другие виды сигналов практически дублируют ту или иную информацию, содержащуюся в сигнале вибрации. Кроме того, стало очевидным, что дефекты начинают развиваться задолго до возникновения аварийных ситуаций, а во многих типах узлов еще в первой половине их жизненного цикла. И практически сразу же дефекты начинают влиять на возбуждаемые этими узлами вибрацию и шум. Основной проблемой при обнаружении вызываемых ими изменений в сигнале вибрации является разделение их с теми изменениями, которые происходят из-за флуктуаций нагрузки, частоты вращения, температуры узлов и других параметров машины и внешних условий. Эта проблема становится одной из первостепенных при решении задач диагностирования машин и оборудования.

Третий этап в создании технических средств диагностики стал следствием бурного развития компьютерных техники и технологий. Именно в это время появились цифровые анализаторы спектра, позволяющие вести параллельно фильтрацию нескольких сотен частотных составляющих сигнала. И именно тогда появилась возможность замены специалиста по диагностированию различных видов машин сначала экспертными программами, а позднее и программами автоматического диагностирования и прогнозирования технического состояния машин и их отдельных узлов. Появление мощных персональных компьютеров дало также импульс для разработки новых информационных технологий на базе статистических методов распознавания образов, которые частично уже используются в задачах виброакустической диагностики машин.

В основе всех средств измерения и анализа сигналов вибрации и шума лежат три типа устройств, выполняющих разные операции. Первый - датчик вибрации или микрофон, преобразующий колебания в электрический сигнал. Второй - фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий - детектор, служащий для оценки амплитуды (мощности) выделенных компонент. Далеко не всегда фильтр подключается к выходу датчика и выполняется в виде электронного устройства. Он может быть акустическим, как, например, резонатор или механическим, как, например, упругая прокладка, и устанавливаться перед датчиком. Различные приборы содержат разные комбинации этих трех типов устройств, в зависимости от того, с какой информационной технологией они используются. Так, ниже показаны структуры основных видов приборов для контроля и диагностики машин и оборудования по вибрации или шуму.

 

 

 

Рис. 6а. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

 

 

Рис. 6б. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

 

 

 

Рис. 6в. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

 

 

 

 

Рис. 6г. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

 

 

Рис. 6д. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

 

Простейшими являются измеритель общего уровня вибрации (шума) и прибор для измерения пикфактора сигнала вибрации, т.е. регистратор ударных импульсов. Структура этих приборов показана на рис.6а и рис.6б соответственно. В измерителе общего уровня фильтр может отсутствовать, если нет специальных требований к полосе частот измеряемого сигнала. В измерителе пикфактора для простоты реализации обычно используется механический резонатор в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц. Столь высокая частота резонанса, с одной стороны, снижает габариты резонатора, а с другой стороны, позволяет получить более высокую величину пикфактора за счет того, что на высоких частотах стабильная во времени вибрация, являющаяся помехой и возбуждаемая силами трения в контролируемых узлах машины, минимальна.

Рассмотренные простейшие приборы были доступны по цене на всех этапах развития средств измерения, поэтому долгое время именно на них ориентировалась практическая диагностика. В настоящее время быстрое развитие вычислительной техники и снижение на нее цен позволяет в полной мере использовать на практике все, даже наиболее сложные, информационные технологии. Цифровые анализаторы сигналов в настоящее время по стоимости сравниваются с простейшими аналоговыми приборами, вытесняя их при решении диагностических задач.

Из наиболее часто используемых средств измерений, реализуемых на базе вычислительной техники, можно выделить анализаторы формы, спектральные анализаторы и анализаторы спектра огибающей, структура которых также приведена на рис.6. Функции анализатора формы (рис.6в) заключаются в измерении амплитуд и фаз отдельных составляющих сигнала и в сравнительном анализе формы отдельных участков сигнала, начало и конец которых определяется углом поворота вала. Подобные анализаторы широко используются для диагностики машин возвратно-поступательного типа и роторов в процессе их балансировки. Анализатор спектра (рис 6г) обычно применяется при мониторизации всех типов машин и оборудования. Анализатор спектра огибающей (рис 6д) предназначен для исследования случайных процессов, мощность которых периодически изменяется во времени.

Наиболее доступным средством измерения и анализа сигналов в настоящее время можно считать персональный компьютер с устройствами преобразования сигналов вибрации и шума в цифровую форму и ввода их в оперативную память компьютера.

 

 

 

Рис.7.Сруктура входного устройства. AЦП - аналого - цифровой преобразователь.

 

Такое средство измерения позволяет использовать любую из рассмотренных информационных технологий или их комбинации. В качестве перечисленных устройств с небольшой доработкой можно применять профессиональные звуковые платы. Могут быть использованы также выпускаемые рядом фирм специальные входные устройства, структура которых приведена на рис.7, и соответствующее программное обеспечение к ним.

Подобные средства измерения и анализа сигналов не отличаются малыми габаритами и могут использоваться в лабораторных или стендовых условиях. Для измерения вибрации в полевых условиях можно воспользоваться средствами измерения и анализа, построенными по тем же правилам, но уже на базе переносных компьютеров типа Portable, Notebook или Penbook. В первые устанавливаются те же платы, что и в обычные компьютеры. Ряд модификаций второго и третьего типа компьютеров имеет дополнительные входы по стандарту РС-Сard. В этом же стандарте выпускаются звуковые карты или карты с устройствами ввода аналоговых сигналов. Тогда для их измерения и анализа достаточно иметь эту карту и входное устройство, включающее датчик вибрации (шума), источник для его питания и устройство согласования датчика с входной картой. Такие устройства также выпускаются рядом зарубежных фирм

Переносные устройства на базе персональных компьютеров типа Notebook и Penbook не находят широкого применения, так как для полевых условий обычно требуется компьютер промышленного исполнения, по цене сравнимый со специализированными цифровыми анализаторами сигналов. Именно такие анализаторы выпускаются многими фирмами и наиболее широко используются в практической диагностике.

Цифровые анализаторы производятся под определенную группу близких по принципу обработки сигналов технологий, и лишь немногие из них рассчитаны на использование всех известных технологий. Как правило, во всех видах анализаторов предусмотрен узкополосный спектральный анализ сигналов и очень редко - спектральный анализ огибающей полосового сигнала, необходимый для использования информационной технологии по методу огибающей. Причина состоит в том, что для такого вида анализа при ограниченных объемах памяти в анализаторе приходится вместо одного процессора, как это имеет место в персональном компьютере, иметь два параллельно работающих процессора. Один из них, сигнальный, служит для предварительной обработки высокочастотных сигналов в реальном времени. Подобный анализатор достаточно сложен и выпускается лишь некоторыми приборостроительными фирмами, в том числе тремя предприятиями России. Один из подобных анализаторов, выпускаемых А/О “Виброакустические системы и технологии”, показан на рис.1.

Анализ основных тенденций развития средств вычислительной техники показывает, что в ближайшие годы можно ожидать широкого распространения малогабаритных приборов различного назначения, в корпус которых встраивается один микрокомпьютер с большими вычислительными возможностями и стандартной операционной системой. Очевидно, что в этом направлении будет развиваться и техника для измерения и анализа виброакустических сигналов. А это, в свою очередь, приведет к ее дальнейшему удешевлению. Еще одна перспектива - использование общих информационных технологий в технической и медицинской диагностике, что может привести к росту выпуска и дальнейшему снижению цен на анализирующие приборы.

Увеличение мощности микрокомпьютеров стимулирует развитие еще одного направления в создании технических средств для диагностики машин и оборудования. Это объединение в одном приборе возможностей функциональной и тестовой диагностики.

Для этого необходимо обеспечить возможности многоканального анализа сигналов, в том числе корреляционного, взаимоспектрального и других, а также ввести в программное обеспечение прибора функции формирования тестовых сигналов и управления внешними источниками этих сигналов.

Технические средства измерения и анализа сигналов в стационарных системах мониторинга и диагностики машин функционально не отличаются от средств, используемых в рассмотренных переносных системах. Различия лишь в технической реализации, что связано с необходимостью повторять измерения в одних и тех же контрольных точках со столь малым временным интервалом, который обеспечивал бы своевременное отключение машины даже при появлении лавинообразно развивающихся дефектов. Типовая структура стационарной системы приведена на рис.8.

 

 

 

Рис.8. Структура стационарной системы мониторинга и диагностики.

 

Количество блоков измерения и анализа сигналов в стационарных системах обычно определяется числом точек контроля и предельно допустимым интервалом между измерениями. Количество датчиков на один блок, может составлять от одного до нескольких десятков. В функции блока измерений входит и анализ вибрации или шума, а также других физических величин по программе, задаваемой диагностическим центром. Алгоритмы программы автоматически изменяются в зависимости от результатов диагностирования, т.е. от состояния объекта контроля. Иногда в функции блока измерений входит и сравнение результатов измерения и анализа с порогами, задающими границы допустимого изменения диагностических параметров. Если же допустимое время между периодическими измерениями достаточно велико, в системе может использоваться один блок, к которому датчики подключаются через электронные устройства коммутации сигналов. Блок измерений при этом может конструктивно объединяться в один корпус с диагностическим центром. Диагностический центр представляет собой либо один компьютер, объединенный в одну сеть с блоками измерений, либо группу компьютеров, работающих параллельно или с разделением функций.

Перспектива развития стационарных систем мониторинга связана также с развитием возможностей микрокомпьютеров. Результатом этого развития может стать разделение функций между блоками измерений и диагностическим центром. Блок измерений может взять на себя функции мониторинга, обращаясь к диагностическому центру только при появлении дефектов с целью их идентификации. Очевидно, что в таком случае одна система диагностики может работать с большим числом блоков измерений, контролируя состояние оборудования всего предприятия.

 

 

3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

 

На протяжении многих лет методы контроля и диагностирования машин и оборудования по любым видам диагностических сигналов основывались на сравнении величины сигнала или его составляющих с пороговыми значениями, разделяющими множества бездефектных и дефектных состояний. Системы контроля и диагностики, создаваемые на базе этих методов, обеспечивали выделение информативных составляющих из измеряемого сигнала и регистрацию моментов превышения ими пороговых значений. Любое превышение порогов регистрировалось как дефект, вид которого определялся по совокупности составляющих, превысивших заданные для каждой из них пороги. Современные системы мониторинга состояния, являющиеся логическим развитием систем контроля, и сейчас строятся по этим принципам. Однако некоторые системы мониторинга позволяют уже не только контролировать величины параметров, сравнивая их с пороговыми значениями, и выявлять тенденции их изменения во времени, но и прогнозировать время, когда они достигнут пороговых значений.

Проблемы пользователя систем мониторинга, как уже отмечалось, связаны с необходимостью интерпретировать обнаруживаемые и прогнозируемые изменения состояния. Естественной границей, разделяющей системы мониторинга и диагностики, мог бы быть этап деления обнаруженных изменений на две группы, а именно, обратимые (изменение условий работы машины) и необратимые (дефекты). К сожалению, ни одна из систем мониторинга не решает полностью задачу такого деления. Поэтому системы диагностики должны вступать в действие до того, как обнаруженные системой мониторинга изменения будут разделены на группы обратимых и необратимых. В связи с этим, одной из основных характеристик систем диагностики следует считать глубину ее интеграции в систему мониторинга.

Другой важнейшей характеристикой систем диагностики является необходимая степень подготовки оператора. По объему требуемой от оператора диагностической подготовки системы могут быть разделены на три группы.

Первая группа - профессиональные системы диагностики, в которых оператор самостоятельно выбирает информационную технологию и средства измерения. Знания и опыт оператора-эксперта при использовании подобной системы полностью определяют глубину и достоверность диагноза и прогноза.

Вторая группа - экспертные системы диагностики, включающие в себя экспертные программы, содержащие ответы на типовые запросы оператора, т.е. помогающие оператору принимать решение в определенных ситуациях. Экспертные системы могут применяться операторами, имеющими специальную подготовку, но не обладающими знаниями и опытом экспертов.

Третья группа - системы автоматического диагностирования. Они строятся по методам, позволяющим автоматизировать постановку диагноза, формируя для оператора программу измерений, и не требуют от пользователя специальной подготовки. Время обучения оператора работе с такими диагностическими системами не превышает двух-трех дней. Впервые подобные методы и системы автоматического диагностирования, разработанные специалистами-экспертами с более, чем 30-ти летним опытом работы в военно-морском флоте и авиации, появились в начале девяностых годов в России в А/О “Виброакустические системы и технологии” . В настоящее время системы автоматического диагностирования получают широкое распространение, непрерывно расширяя номенклатуру диагностируемых машин и оборудования.

Итак, методы диагностирования машин и их узлов по вибрации и шуму следует классифицировать с учетом требований к глубине их интегрирования в методы мониторизации и с учетом задач, стоящих перед пользователем системы диагностики. Но не менее важными являются требования к проведению диагностических измерений и к глубине получаемого по этим измерениям диагноза.

Учет перечисленных требований позволяет разделить существующие методы диагностирования на следующие группы:

Методы диагностирования качества сборки машин. Они применяются в процессе и непосредственно после завершения регламентного обслуживания машин и, в частности, при выполнении работ по балансировке машин на месте их установки. Эти методы не требуют получения никакой информации от систем мониторизации и рассчитаны на использование либо в переносных системах диагностики, либо на стендах выходного контроля продукции. Особенностью этой группы методов является и возможность частичного применения тестовых методов диагностирования. Тестовым воздействием может являеться действие дополнительных центробежных сил на частоте вращения ротора после установки пробных и балансировочных масс в соответствующие плоскости балансировки. Тестовым воздействием можно считать и появление динамических сил переменной частоты, возникающих в машине во время выбега.

Из информационных технологий, используемых в рассматриваемых методах диагностирования, следует прежде всего выделить фазово-временную. Как правило, она дополняется спектральной и технологией огибающей. Задачей систем диагностики, использующих данную технологию, прежде всего является обнаружение различного вида несоосностей валов при стыковке машин друг с другом и определение причин, ограничивающих эффективность балансировки машин. Например, при наличии различного вида дефектов в машинах могут появляться до десяти разных источников вибрации на частоте вращения ротора, что препятствует его балансировке. Но кроме этого необходимо обнаруживать и другие дефекты, появляющиеся в результате нарушений технологий изготовления и сборки различных узлов и деталей.

Задачи создания систем автоматического диагностирования качества сборки машин перед разработчиками обычно не ставятся. Персонал, занимающийся, например, балансировкой машин, как правило, имеет высокую профессиональную подготовку и способен самостоятельно диагностировать машины по методикам, предназначенным для экспертов.

Методы диагностирования по результатам мониторинга состояния машин и оборудования.

Эти методы строятся на базе информационных технологий, используемых для мониторинга виброакустического состояния по ограниченному числу точек контроля. Как правило, они ориентированы на построение либо профессиональных, либо экспертных систем диагностики. Глубина диагноза, обеспечиваемая такими методами, обычно невелика, и используются они чаще всего для разработки программы дальнейших исследований по идентификации обнаруженных изменений вибрационного состояния.

Методы совместного мониторинга и диагностирования машин и оборудования.

Эти методы широко используются в стационарных системах мониторинга и диагностики, обеспечивая более высокую достоверность диагноза, чем предыдущие группы методов. Положительный результат достигается прежде всего за счет увеличения числа точек контроля вибрации (шума).

Наиболее часто используются методы с полным разделением функций мониторинга и диагностики. Чаще всего и системы, построенные по этим методам, состоят из двух разных частей. Первая, включающая в себя стационарно установленные на машине датчики вибрации и шума, решает задачи мониторинга. Это обнаружение изменений виброакустического состояния, выделение тех изменений, которые связаны с необратимыми изменениями технического состояния машины и, при необходимости, прогнозирование их развития. После обнаружения таких изменений, если принято решение о продолжении эксплуатации машины, вступает в действие вторая часть системы мониторинга и диагностики. Она решает задачи идентификации обнаруженных необратимых изменений и, если это возможно, прогноза развития собственно дефектов. Вторая часть системы чаще всего реализуется в виде переносной. Это обусловлено тем, что в некоторых случаях при идентификации дефектов необходимо выполнять дополнительные измерения вибрации (шума) в точках, где ожидаемый вид дефекта дает наиболее сильную реакцию.

Современные системы мониторинга все чаще используют методы диагностирования не только для идентификации дефектов, но и для идентификации причин тех изменений виброакустического состояния машины, которые определяются не дефектами, а условиями работы. Такое объединение задач мониторинга и диагностики часто приводит к повышению качества диагноза, так как смена режима работы машины очень часто изменяет многие диагностические признаки дефектов. Одновременно усложняется процесс диагностирования, требуя все более высокой квалификации эксперта или все более сложных систем автоматического диагностирования машин. Именно по этому пути идут создатели автоматических систем мониторинга и диагностики ведущих фирм мира.

Усложнение методов мониторинга и диагностики машин и оборудования всегда приводит к росту числа точек измерения и, как следствие, к увеличению стоимости систем мониторинга. Оптимальной с экономической точки зрения стационарной системой мониторинга и диагностики будет система с частичным объединением функций мониторинга и диагностики. Так, для мониторинга и диагностики может быть выбрано ограниченное число точек контроля в узлах, не являющихся наиболее сильными источниками вибрации (шума) в машине, но в значительной степени определяющих ее ресурс. Чаще всего это точки на корпусах подшипниковых узлов. Для тех высокооборотных машин, в которых подшипники являются основными источниками вибрации, дополнительно могут быть использованы две-три точки контроля на корпусе, вдали от подшипниковых узлов.

Задачей мониторинга остается обнаружение изменений виброакустического состояния машины или ее узлов по измерениям, проводимым с минимально возможными временными интервалами. После обнаружения изменений, даже незначительных, вступает в действие система диагностики, осуществляющая полный цикл диагностических измерений с помощью стационарно установленных датчиков. И лишь в крайнем случае, когда данных мониторинга и диагностирования недостаточно для идентификации причин появления обнаруженных изменений, принимается решение провести дополнительные измерения с помощью переносных средств, входящих в состав объединенной системы мониторинга и диагностики.

Методы диагностирования и прогнозирования по периодическим измерениям вибрации (шума).

Большинство развивающихся в узлах машин дефектов начинают оказывать влияние на вибрацию и шум за много месяцев до наступления предаварийной ситуации. Исключение составляют лишь некоторые из дефектов изготовления и дефектов, появляющихся в результате нарушения правил эксплуатации машины. Они могут проявиться на любом этапе жизненного цикла машины и за короткий срок развиться до аварийноопасных значений. Если предположить, что такие дефекты отсутствуют, отпадает необходимость мониторинга машин и оборудования с короткими интервалами между измерениями, а следовательно, появляется возможность построения переносных систем диагностики машин с интервалами между измерениями в несколько недель или даже месяцев.

Методы диагностирования и прогнозирования по периодическим измерениям вибрации (шума) также строятся на различных сочетаниях рассмотренных ранее информационных технологий и обычно рассчитаны на использование квалифицированными экспертами. Наибольших результатов можно достичь с помощью методов, построенных на базе совокупности информационных спектральной технологии и технологии огибающей.

Рассматриваемая группа методов диагностирования требует глубокого знания процессов развития дефектов и влияния их на параметры вибрации и шума во всех видах диагностируемых машин. Поскольку данные методы строятся на основе сравнительного анализа результатов измерений вибрации и шума, выполненных в разное время, они предъявляют очень высокие требования к качеству виброакустических измерений. Выполнить подобные измерения может только специалист с большим опытом, что и ограничивает возможность и эффективность диагностирования. Особую сложность обычно представляет обеспечение идентичности режимов работы диагностируемых машин, без которой невозможно эффективно обнаруживать изменения их состояния.

Разработка методов диагностирования по периодическим измерениям вибрации и шума, позволяющих автоматизировать постановку диагноза и прогноза, наталкивается на те же трудности, что и разработка методов, требующих принятия решений оператором. Наиболее сложно решаются вопросы выбора результатов тех измерений, достоверность которых не подвергается сомнению, особенно если они отличаются от результатов предыдущих измерений. Сложность такого выбора усугубляется тем, что причиной отличий может быть не только появление дефектов или смена режимов работы машины, но и часто встречающиеся ошибки оператора в выборе места установки датчика или качества его крепления. Кроме того, практически невозможным оказывается поддержание одного и того же режима работы по нагрузке, частоте вращения и температуре окружающей среды во время измерений, проводимых через большие интервалы времени порядка нескольких недель или месяцев.

Несмотря на указанные трудности, работа по созданию методов автоматического диагностирования машин по периодическим измерениям вибрации проводится во многих странах и уже существует ряд систем диагностики, в которых они используются достаточно эффективно. Наибольшей глубиной автоматического диагноза и высокой достоверностью прогноза обладают методы, разработанные А/О “Виброакустические системы и технологии” для ряда приборостроительных фирм России и других стран.

Наиболее популярными и наиболее сложными являются методы диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации (шума). Строятся они на основе различного сочетания рассмотренных информационных технологий, и в большинстве своем могут использоваться только квалифицированными экспертами. Отличительной особенностью этих методов является диагностирование машины по узлам или даже по отдельным элементам, если последние являются источниками колебаний. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если эксперты максимально используют возможности спектральной информационной технологии и технологии огибающей.

Любой метод диагностирования по однократным измерениям предполагает глубокое знание экспертом особенностей развития дефектов и их влияния на вибрацию (шум) объекта диагностирования. Необходимо для каждого типа машин с учетом их конструктивных особенностей заранее знать все эффективные диагностические признаки и пороги. Решать такие задачи под силу только либо узкоспециализированным по конкретным видам машин экспертам, либо с помощью методов, специализированных для диагностирования определенного вида узла.

В последние годы особое внимание привлекают специализированные методы, которые могут быть использованы для автоматического диагностирования машин или их узлов. Это прежде всего методы диагностирования подшипников качения по спектру огибающей вибрации, возбуждаемой силами трения в диагностируемом узле. Первая и наиболее полная система автоматического диагностирования подшипников качения по этим методам была разработана в 1991 году специалистами предприятия “Виброакустические системы и технологии”.

В настоящее время в стадии разработки находятся системы автоматического диагностирования зубчатых передач, в частности, редукторов, по однократным измерениям вибрации. Имеются предпосылки для создания подобных систем диагностики рабочих колес насосов и турбин. Все они базируются на информационной технологии огибающей и дополняются информационной спектральной технологией. В ближайшем будущем ожидается создание систем диагностики электрических машин переменного тока по однократным измерениям вибрации.

Методы глубокого диагностирования по однократным измерениям вибрации (шума) пока не позволяют решить задачи диагностирования и долгосрочного прогнозирования всех видов узлов, а, следовательно, и машин в целом. Исключение составляют самые аварийноопасные узлы, прежде всего подшипники качения, для которых, как уже отмечалось, разработаны и эффективно используются системы оценки их состояния, построенные на методах глубокого диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации. Объектами применения этих методов могут также стать системы мониторинга, в которых на их основе может строится система идентификации обнаруженных изменений. Эти системы идентификации позволят определить многие из обратимых изменений и снизить, тем самым, частоту ложных срабатываний систем мониторинга.

 

ОБЪЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

 

Основные методы виброакустической диагностики рассчитаны на обнаружение зарождающихся дефектов в элементах и узлах машин и оборудования. Обнаруживаемые дефекты по характеру влияния на вибрацию и шум объекта диагностирования могут быть разделены на три основные группы. 

К первой относятся дефекты, появление которых изменяет характеристики колебательных сил, являющихся причиной возникновения вибрации и шума.

Во вторую группу объединяются дефекты, которые не меняют характеристики колебательных сил, а изменяют механические свойства узлов, в которых они действуют.

К третьей группе относятся дефекты, приводящие к изменению механических свойств узлов и конструкции, по которым распространяется вибрация.

Методы функциональной диагностики позволяют эффективно обнаруживать дефекты первой группы. Методы тестовой диагностики эффективнее всего работают при поиске дефектов третьей группы. Дефекты второй группы могут обнаруживаться методами как функциональной, так и тестовой диагностики. Если же дефекты имеют свойства первой и второй групп, то для их обнаружения, как правило, следует использовать методы функциональной диагностики. И, наконец, дефекты всех трех групп на последних этапах своего развития оказывают существенное влияние на сигналы вибрации и (или) шума и поэтому могут быть обнаружены до момента возникновения аварийной ситуации системами мониторинга виброакустического состояния машин и оборудования.

Ниже представлена краткая информация об особенностях диагностирования наиболее ответственных узлов различных видов машин с помощью методов функциональной диагностики.

Так, на начальном этапе развития виброакустической диагностики ее наибольшие успехи были связаны с диагностикой цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Во время работы через определенные интервалы времени в двигателе формируются ударные импульсы, обусловленные особенностями сгорания топлива, работой поршней и распределительных клапанов. Сравнение возбуждаемой ударами вибрации разных цилиндров по времени начала, форме и амплитуде дает возможность выявить дефекты цилиндро-поршневой группы, системы распределения и системы зажигания. Это можно сделать с помощью простейшей аппаратуры, а именно, датчика вибрации и осциллографа. Пример осциллограммы вибрации двигателя автомобиля, снятой с датчика, установленного между вторым и третьим цилиндром, приведен на рис.2. Сравнение параметров ударных импульсов по форме между собой дает возможность достаточно просто диагностировать узлы, являющиеся их источником. Но одновременно эти импульсы крайне затрудняют анализ вибрации, возбуждаемой другими узлами, например, подшипниками коленчатого вала. Поэтому при диагностировании двигателей внутреннего сгорания обычно не ограничиваются использованием только виброакустических технологий.

Следующим успешным этапом развития виброакустической диагностики можно считать разработку методов и средств диагностики подшипников качения по ударным импульсам. Следует отметить, что эти импульсы в подшипнике возникают только при появлении дефектов поверхностей качения и смазки.

В дальнейшем диагностика стала развиваться по пути анализа вибрации, возбуждаемой силами трения. Силы трения, и соответственно, возбуждаемая ими высокочастотная вибрация, в исправных подшипниках представляют собой случайные процессы с постоянной за время измерения мощностью. При возникновении дефектов поверхностей качения появляется периодическое изменение мощности этих процессов, т.е. появляется амплитудная модуляция сил трения и высокочастотной вибрации.

Частота модуляции определяет вид дефекта, глубина модуляции - степень развития дефекта. По составляющим спектра огибающей вибрации, определяющим изменение мощности сигнала во времени, в настоящее время идентифицируется вид и величина более десяти различных видов дефектов. На рис.9а и рис.9б приведены спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов и с износом наружного кольца, которые иллюстрируют возможности диагностирования подшипников.

Дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития, за несколько месяцев до появления аварийноопасного состояния. Современные системы автоматического диагностирования производства предприятия “Виброакустические системы и технологии” позволяют по измерениям, проводимым достаточно редко, определить дефектный подшипник, вид дефекта, степень его развития и выдают рекомендации по необходимому обслуживанию или замене подшипника, а также дату следующего измерения, если подшипник не подлежит замене. Это позволяет перейти от обслуживания по регламенту и плановых ремонтов к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. При этом количество измерений составляет порядка десяти-пятнадцати за весь жизненный цикл подшипника, причем каждый интервал времени до следующего измерения задается системой в зависимости от результата диагноза, т.е. от реального состояния подшипника.

 

 

Рис. 9а. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов.

 

 

 

Рис. 9б. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла с износом наружного кольца. BPFO - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу.

В настоящее время остро стоят вопросы диагностики зубчатых передач. Многие годы их пытались диагностировать по появлению ударов при входе дефектных зубьев в зацепление. Однако, удары далеко не всегда возникают при дефектах зубьев, в частности, при трещине или сломанном зубе. Кроме того, при распространении вибрации, возбуждаемой ударами в зацеплениях, через шестерни, вал и подшипниковые узлы, ее потери могут быть случайными и значительными. Это и является причиной очень больших погрешностей при определении глубины дефекта по измеряемой вибрации. Но по мере развития систем диагностики подшипников оказалось, что при появлении динамической нагрузки на них, также как и при появлении дефектов поверхностей трения, возникает модуляция сил трения и высокочастотной вибрации. В то же время дефекты зубьев и зубчатых зацеплений приводят именно к появлению динамической (ударной) нагрузки на подшипники шестерен, величина которой определяется глубиной дефекта. Именно эти исследования последних лет позволили перейти на диагностику шестерен не по вибрации, возбуждаемой ударами зубьев друг о друга, а по ударным нагрузкам на подшипники, обнаруженным по спектру огибающей вибрации подшипниковых узлов. По совокупности составляющих спектра огибающей высокочастотной вибрации подшипника можно идентифицировать бой шестерни, износ (трещины, сколы) зубьев и дефекты зацепления для каждой из шестерен зубчатой передачи.

В качестве примера на рис.10а и рис.10б приведены спектры огибающей вибрации подшипников дефектного редуктора. В спектрах каждой пары подшипников на обоих осях видны диагностические признаки появившихся ударных нагрузок, что однозначно свидетельствует о возникновении дефекта зубьев шестерни первой ступени.

 

 

Рис. 10а. Спектры огибающей вибрации подшипников первой ступени редуктора с дефектами зубьев шестерни.

fвр1 - частота вращения, первой ступени редуктора

 

 

 

Рис. 10б. Спектры огибающей вибрации подшипников второй ступени редуктора с раковиной на внутреннем кольце подшипника.

 

fвр1 и fвр2 - частоты вращения, соответственно, первой и второй ступени,

fв - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу.

Не менее важной является задача диагностирования рабочих колес различного вида машин. Наибольшие успехи в ее решении получены с помощью анализа характеристик пульсаций жидкости или газа, обтекающих лопасти рабочего колеса. Проблемы диагностирования прежде всего связаны со сложностью измерения пульсаций давления перекачиваемой среды в непосредственной близости к рабочему колесу. В насосах и гидротурбинах еще можно найти достаточно простое решение, заключающееся в измерении вибрации корпуса, возбуждаемой пульсациями давления несжимаемой жидкости.

В вентиляторах, компрессорах, газовых (паровых) турбинах измерение вибрации корпуса не всегда дает желаемые результаты, и приходится встраивать в их корпус датчики давления (микрофоны). При диагностировании рабочих колес по пульсациям давления среды удается обнаруживать такие дефекты, как бой колеса, износ лопастей, кавитация. На рис.11а и рис.11б в качестве примера приведены спектры огибающей вибрации корпуса насоса в нормальном режиме работы и при износе (трещине) в одной из лопастей.

 

 

Рис.11а. Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при отсутствии дефектов (а).

 

 

 

 

Рис.11б. Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при износе лопасти рабочего колеса (б).

 

fвр - частота вращения рабочего колеса,

fл - лопастная частота.

 

В диагностике электромагнитных систем электрических машин качественный скачок произошел в 1982 году, когда специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” предложили диагностировать их по пульсирующим электромагнитным моментам, возникающим при дефектах обмоток или нарушениях симметрии воздушных зазоров. При одних видах дефектов (беличьей клетки асинхронного двигателя) возникают пульсирующие моменты на инфранизких частотах, что приводит к пульсации скорости вращения ротора. Такие пульсации скорости легко обнаружить по узкополосному спектру низкочастотной вибрации. Другие дефекты (обмотки статора машин переменного тока) создают пульсирующие моменты на низких частотах, что приводит к росту вибрации машины, измеренной по касательной к корпусу в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Для обнаружения такого роста сравнивается вибрация в одной точке в радиальном к оси направлении и по касательной. Ряд дефектов (нарушение симметрии зазоров) сопровождается появлением пульсирующих моментов на более высоких частотах, на которых разделить вибрацию, возбуждаемую радиальными силами и пульсирующими моментами, оказывается практически невозможно. В таких случаях положительный результат дает анализ пульсаций электромагнитного поля, являющихся одной из составляющих, возбуждающих пульсирующие моменты. Эти составляющие поля возбуждают вибрацию машины на зубцовой частоте. Зубцовая вибрация при дефектах оказывается модулирована по амплитуде, что обнаруживается при узкополосном спектральном анализе вибрации. В качестве примера на рис.12а и рис.12б представлены спектры вибрации электрических машин переменного тока с различными дефектами электромагнитной системы.

 

 

 

Рис. 12а. Спектры вибрации бездефектного асинхронного двигателя. В выделенном участке спектра показано изменение при обрыве стержня беличьей клетки.

 fск - частота скольжения в асинхронном двигателе;

 

 

 

 

Рис.12б. Спектры вибрации бездефектной синхронной машины. В выделенном участке спектра показано изменение при появлении короткозамкнутого витка.

 

fc - частота питающего напряжения;

fz - зубцовая частота.

 

В настоящее время методы диагностирования электрических машин по вибрации, предложенные и разработанные специалистами предприятия “Виброакустические системы и технологии”, широко используются как в России, так и за рубежом, заменяя более трудоемкие методы диагностирования по параметрам напряжения, тока и электромагнитного поля. По вибрации обнаруживаются практически все дефекты электрических машин, кроме дефектов электрической изоляции. Последние могут быть обнаружены лишь после того момента, когда через поврежденное место потечет ток.

В изложенном выше кратком обзоре невозможно даже перечислить все виды диагностируемых узлов и идентифицируемых дефектов с помощью функциональных методов виброакустической диагностики. Следует, однако, отметить, что на ранних этапах развития обнаруживается абсолютное большинство возможных дефектов в узлах машин роторного типа, но при некоторых ограничениях. Эти ограничения сводятся к двум требованиям. Первое - отсутствие сильных ударных нагрузок на диагностируемые узлы в штатных режимах работы бездефектных машин. Второе - отсутствие или значительное ослабление высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударами в других бездефектных узлах или машинах, при распространении ее до диагностируемого узла.

Создание систем глубокого диагностирования и прогнозирования состояния узлов широко распространенных видов машин в настоящее время является одним из перспективных направлений технической диагностики. В России наибольшего успеха в этом направлении добились специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии”. Основное внимание они уделяют созданию стационарных и переносных систем автоматического диагностирования и прогнозирования таких узлов роторных машин как:

• роторы и другие вращающиеся узлы;

• подшипники качения и скольжения;

• механические передачи, в том числе, зубчатые;

• рабочие колеса насосов, вентиляторов, компрессоров и турбин;

• электромагнитные системы электрических машин.

Разработанные для переносных и стационарных систем пакеты программ для глубокой диагностики и прогноза технического состояния таких узлов могут использоваться совместно с техническими средствами измерения и анализа вибрации, выпускаемыми многими фирмами.

В настоящее время предприятие “Виброакустические системы и технологии” поставляет системы с пакетами программ для

•  диагностирования и прогнозирования состояния узлов по однократным измерениям вибрации;

• диагностирования и прогнозирования состояния узлов по периодическим измерениям вибрации и шума;

• диагностирования роторных машин в процессе их балансировки.

Для наиболее полного использования возможностей глубокого диагностирования предприятие “Виброакустические системы и технологии” разрабатывает и производит различные виды технических средств измерений и анализа, в том числе, и для стационарных систем мониторинга и диагностики роторных машин. В сотрудничестве с разработчиками средств диагностики ряда ведущих фирм мира специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” отрабатывают технические решения для модернизации существующих и создания новых систем глубокой диагностики машин и оборудования по сигналам вибрации и шума.

В настоящее время диагностические системы и пакеты диагностических программ производства предприятия “Виброакустические системы и технологии” эффективно используются на многих предприятиях различных отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе, атомная, нефтеперерабатывающая, целлюлозо-бумажная, металлургия, авиация, судостроение, железнодорожный транспорт и другие.

 

 

Выводы

• Потенциальные возможности диагностических систем определяются выбором диагностического сигнала и информационной технологии. Сигнал вибрации содержит достаточную диагностическую информацию для того, чтобы с помощью современных информационных технологий обнаружить дефектный узел машины, определить вид и глубину дефекта и дать долгосрочный прогноз его развития.

• Наиболее эффективные технические средства диагностики, как стационарные, так и переносные, строятся на базе компьютерной техники и технологии. Именно эти средства позволяют использовать все возможности таких перспективных методов получения информации, как спектральный анализ, анализ огибающей и статистическое распознавание состояний.

• К перспективным методам диагностирования, в первую очередь, следует отнести быстро развивающиеся методы диагностирования и прогнозирования технического состояния узлов машин по одноразовым измерениям вибрации или шума. Они могут эффективно использоваться не только переносными диагностическими системами, но и системами мониторинга с ограниченным числом стационарно установленных датчиков вибрации и шума.

• Значительное расширение областей применения систем мониторинга и диагностики машин по сигналам вибрации и шума возможно при условии выпуска недорогих систем автоматического диагностирования, не требующих от пользователя диагностической подготовки. Опыт эксплуатации первых образцов таких систем в России подтвердил их высокую эффективность.

• Объектами глубокого диагностирования по виброакустическим сигналам могут быть все виды машин, являющихся источниками вибрации и шума. В машинах без узлов возвратно-поступательного типа из сигналов вибрации и шума можно получить полную информацию практически обо всех аварийноопасных дефектах даже на начальном этапе их развития. В машинах с узлами возвратно-поступательного типа должна быть дополнительно использована информация, содержащаяся в других видах диагностических сигналов.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Барков А.В. "Диагностирование и прогнозирование состояния подшипников качения по сигналу вибрации." Журнал Судостроение №3, 1985г. стр 21-23.

2.Баркова Н.А. "Виброакустические методы диагностики СЭУ." Учебное пособие. Изд.Ленинградского кораблестроительного института. 1986г.

3.Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. "Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования." Изд.Судостроение", Ленинград,1986г.

4.Mitchel John S. "An Introduction to Machinary Analisis and Monitoring."  Tulsa: Penn Well Books, 1993.

5.Barkov A.V., Barkova N.A., Mitchel J.S. "Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings, Sound amp Vibration."  1995, June pp.10-17, September,pp.27-31.

6.A. Azovtsev, A. Barkov. "Automatic computer system for roller bearings diagnostics,Computers in Railways V, Proceedings of the COMPRAIL-96 conference."  21-23 August 1996, Berlin, Germany, volume 2, pp. 543-550

7.A.V. Barkov, S.N. Rogov, I.A. Ioudin, R. Archmbault "Algorithms for Automated Roling Element Bearings Diagnostics,Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 69-73

8.A.V. Barkov " Optimization of Monitoring and Diagnostics Methods for the Rotating Machines by Vibration and Noise Measurements, Proceedings of the 4th International Congress on Sound and Vibration."  St. Petersburg, Russia, June 24-27,1996, Volume 3, pp. 1573-1578

9.A.V. Barkov, N.A. Barkova "Diagnostics of Gearings and Geared Couplings Using Envelope Spectrum Methods,Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 75-83

10.Azovtsev A.Yu., Barkov A.V., Carter D.L. " Improving the accuracy of Rolling Element Bearing Condition Assessment, Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 27-30.

11."Пакет прикладных программ для диагностирования и прогнозирования состояния подшипников качения." Инструкция по эксплуатации.Части 3,4. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1992г.

12."Пакет прикладных программ для балансировки роторов в собственных опорах."

Инструкция по эксплуатации. Часть 3. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1993г.

13."Пакет прикладных программ для мониторизации состояния машин и оборудования." Инструкция по эксплуатации. Часть 3. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1994г.

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ АГРАРНОГО РЫНКА

Доклад на тему:

« СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН»

Студент группы ТО432…………………… Юсупов Р. Ш.

Самара 2011