Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

Научно-производственный центр

«Диагностика, надежность машин и комплексная автоматизация»

НПЦ «Динамика»

В.Н. Костюков, А.П. Науменко,

С.Н. Бойченко, Е.В. Тарасов

ОСНОВЫ

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

МАШИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Учебное пособие

Омск

2007

УДК 534.2:621.37/39 (075)

ББК 30.82+34.41я73

К72

Основы виброакустической диагностики машинного оборудования:

Учебное пособие / В.Н. Костюков, А.П. Науменко, С.Н. Бойченко, Е.В. Тарасов. -

Омск: НПЦ «ДИНАМИКА», 2007. - 286 с.

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дис-

циплин «Автоматизированные системы контроля качества и диагностики», «Ме-

тоды технической диагностики» направления инженерной подготовки 200102

«Приборы и метода контроля качества и диагностики», а также «Типовой про-

грамме подготовки персонала неразрушающего контроля по вибродиагностиче-

скому методу» Система экспертизы промышленной безопасности Ростехнадзора

РФ.

Рассмотрены теоретические и практические основы виброакустической ди-

агностики неисправностей машин и механизмов, методы анализа виброакустиче-

ских сигналов. Главное внимание уделено анализу параметров виброакустическо-

го сигнала.

Предназначено для студентов четвертого и пятого курсов, изучающих дис-

циплину «Автоматизированные системы контроля качества и диагностики», «Ме-

тоды технической диагностики» в рамках инженерной подготовки. Может быть,

полезно аспирантам и специалистам неразрушающего контроля, использующим

вибродиагностический метод для диагностики состояния машинного оборудова-

ния, а также разрабатывающим системы мониторинга и диагностики.

Табл. 15. Ил. 180. Библиогр.: 111 назв.

Учебное пособие

Костюков Владимир Николаевич, Науменко Александр Петрович,

Бойченко Сергей Николаевич, Тарасов Евгений Владимирович

ISBN 5-8149-0138-1

ã НПЦ «ДИНАМИКА», 2007

ã Костюков В.Н., Науменко А.П., 2007

КОМПАКСâ – является зарегистрированным товарным

знаком НПЦ «ДИНАМИКА» в СНГ и других странах.

Все упомянутые товарные знаки других фирм являются

собственностью их уважаемых обладателей.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

Предисловие

Эксплуатация машинного оборудования неразрывно связана с контро-

лем его технического состояния. Процесс определения технического состоя-

ния – это техническое диагностирование. Наблюдение за изменениями тех-

нического состояния называют мониторингом состояния. Другими словами

мониторинг состояния оборудования – это процесс наблюдения за техниче-

ским состоянием функционирующего машинного оборудования (агрегата,

механизма, узла) с целью предсказания момента времени перехода его или

любой его части в предельное состояние. Составной частью мониторинга яв-

ляется диагностика состояния оборудования. Диагностирование проводится с

помощью методов неразрушающего контроля, т.е. на основе измерения и

анализа параметров процессов, сопровождающих работу оборудования и

доступных для измерения, делаются выводы о техническом состоянии дета-

лей, узлов, механизмов и оборудования в целом. Диагностика состояния обо-

рудования с помощью измерения и анализа параметров виброакустических

сигналов является одним из методов неразрушающего контроля.

Итак, мониторинг технического состояния агрегата (мониторинг

агрегата) - это наблюдение за техническим состоянием агрегата (конструк-

ции, машины, узла, механизма) для определения и предсказания момента пе-

рехода в предельное состояние. Результат мониторинга агрегата представля-

ет собой совокупность диагнозов составляющих его субъектов (конструкций,

машин, узлов, механизмов), получаемых на неразрывно примыкающих друг

к другу интервалах времени, в течение которых состояние агрегата сущест-

венно не изменяется. Принципиальным отличием мониторинга состояния от

мониторинга параметров является наличие интерпретатора измеренных па-

раметров в терминах технического состояния (экспертной системы поддерж-

ки принятия решения о состоянии объекта и дальнейшем управлении).

Мониторинг параметров - это наблюдение за какими-либо парамет-

рами (вибрацией, температурой и т.д.). Результат мониторинга параметров

представляет собой совокупность измеренных значений параметров, полу-

чаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в те-

чение которых значения параметров существенно не изменяются.

Техническое диагностирование (диагностирование) агрегата - это

акт получения технического диагноза (по ГОСТ 20911), включающий диаг-

нозы наиболее важных субъектов, составляющих агрегат (объект диагности-

рования) и определяющих полноту диагностирования агрегата.

Технический диагноз (диагноз) – это результат диагностирования

(по ГОСТ 20911), привязанный к определенному моменту времени.

В данном пособии изложены основы физических процессов формиро-

вания виброакустических сигналов, основные принципы анализа параметров

этих сигналов, способы формирования и анализа диагностических признаков

с целью более глубокого понимания принципов функционирования систем

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

КОМПАКС – систем Компьютерного Мониторинга, Предупреждения Ава-

рий и Контроля Состояния – и повышения квалификации специалистов и

пользователей стационарных, переносных и стендовых систем КОМПАКС.

Изложенный материал основывается на источниках, приведенных в

списке рекомендуемой литературы, материалах, полученных на выставках,

конференциях, симпозиумах, в Интернете, а также на основе собственного

опыта разработки и эксплуатации систем мониторинга технического состоя-

ния оборудования в различных отраслях народного хозяйства.

Отдельные части книги написали: гл.1, 2, 3, разд. 4.1, гл. 10 – проф.,

доктор технических. наук В.Н. Костюков; разд. 4.2., гл. 5, 6, 7, 8, 9 – доцент,

кандидат технических наук А.П. Науменко; разд.3.22 – кандидат технических

наук С.Н. Бойченко; разд. 6.2.5, разд. 6.2.8.5, 6.2.9 – Е.В. Тарасов

Общее научное редактирование книги выполнил Лауреат премии

Правительства Российской Федерации, доктор технических наук,

профессор Костюков В.Н.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

1. Основные понятия

Объектом диагностики может быть техническое устройство или его

элемент. Простейшим объектом диагностики является кинематическая пара.

В качестве объекта диагностики может выступать агрегат любой сложности.

Объект диагностики можно рассматривать в двух аспектах:

- с точки зрения структуры;

- с точки зрения способа функционирования.

Каждый из аспектов имеет свои особенности, описываемые своей сис-

темой понятий. Структура объекта определяется предписываемыми ему

функциями. При структурном подходе имеют дело с размерами и формой де-

талей, с зазорами в кинематических парах и др. свойствами элементов объек-

та, обеспечивающими его нормальную работу. Основным понятием диагно-

стики, связанным со структурным аспектом, будет состояние объекта.

Свойства структуры объекта в некоторый момент времени

могут

быть охарактеризованы совокупностью параметров

,,...,

xxx

. Параметры

- величины переменные. При изготовлении объекта они зависят от различ-

ных технологических факторов, а в период эксплуатации - от степени износа

и разрушения деталей. Чтобы задать начало отсчета параметра

, вводится

понятие идеального объекта. Под идеальным объектом подразумевается

воображаемая система, структура которой с абсолютной точностью соответ-

ствует проекту. В идеальном объекте отсутствуют какие бы то ни было на-

рушения и дефекты. Все реальные объекты в той или иной степени отлича-

ются от идеального. Обозначим

значение параметра состояния идеального

объекта. Тогда разность

iii

xxx

будет характеризовать отклонение

-го параметра диагностируемого объекта

от параметра идеального прототипа (от номинала).

Очевидно, что свойства структуры объекта могут быть охарактеризо-

ваны различными наборами параметров. Так, свойства подшипника можно

задать диаметром вала

, диаметром втулки

и зазором между ними

Таким образом, между некоторыми параметрами структуры объекта возмож-

ны зависимости вида

(,,...,)

xfxxx

= .

Таким образом, техническое состояние машин и механизмов характе-

ризуется структурными параметрами, изменение которых является причиной

изменения технического состояния. Структурными параметрами являются

параметры деталей, их взаимное расположение - размеры, зазоры, перекосы,

нарушение геометрии, расходные характеристики и т.д. Таким образом, тех-

ническое состояние объекта определяется совокупностью технических пара-

метров, характеризующих возможное отклонение функционирования объекта

от нормального, приводящее к отказу.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

В общем случае, на совокупность параметров структуры x

накладыва-

ется условие минимальности. Совокупность параметров

xxx ,...,,

будет

минимальной, если ни одна из этих величин не может функционально выра-

жаться через значения других параметров, входящих в совокупность.

Помимо минимальности, совокупность параметров, описывающих

структуру механизма, должна удовлетворять условию полноты. Совокуп-

ность параметров x

будет полной, если знание их величины позволяет при-

нимать однозначные решения о необходимости ремонта и обслуживания ме-

ханизма.

Состоянием объекта называют полную минимальную совокупность па-

раметров структуры

xxx ,...,,

, характеризующих отклонение структуры

объекта от структуры идеального прототипа.

При функциональном подходе объект рассматривается как единая сис-

тема, порождающая различные процессы. Любой работающий объект поро-

ждает много различных по физической природе процессов: отдает механиче-

скую энергию, излучает тепло и акустические колебания и т.д. Все эти про-

цессы можно охарактеризовать количественно совокупностью параметров

,,...,

sss

. Величина этих параметров зависит от состояния объект и от ре-

жима его работы (скорости, нагрузки и т.д.). Если режим работы объект во

время диагностики строго регламентируется, то любое изменение величины

указанных параметров должно быть предписано изменению формы, размеров

и т.д., т.е. изменению состояния объекта. На основании этого параметры вы-

ходных процессов объекта рассматривают как функции состояния:

(,,...,)

ssxxx

Для каждого вида объектов можно определить бесконечное число

функций состояния, поскольку любая функция от функции состояния также

является функцией состояния.

Группа функций состояния, основанная на критериях эффективности

объекта, представляет собой числовые характеристики способности объекта

выполнять заданную работу, т.е. характеристики характеризующие работу

объекта. Наиболее часто применяются такие показатели, как к.п.д., произво-

дительность и т.д.

Другая группа функций состояния включает в себя числовые характе-

ристики различных процессов, т.е. параметры диагностического сигнала, со-

путствующие работе объекта (сопровождающие работу объекта) и доступные

для непосредственного измерения. Сами по себе процессы, образующие ди-

агностический сигнал, как правило, не имеют существенного значения с точ-

ки зрения работоспособности объекта и поэтому в машиноведении, за ис-

ключением диагностики, обычно не изучаются. Но в диагностики их роль

существенна: они служат источником информации о состоянии объекта.

В процессе поиска неисправностей осуществляется разделение состав-

ляющих объекта на классы не различающихся между собой неисправностей.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

Число классов (следовательно, число входящих в них неисправных состоя-

ний) определяет достигаемую при поиске неисправностей детализацию мест

неисправностей. Эту степень детализации в технической диагностике приня-

то называть глубиной поиска или глубиной диагностирования.

Характеристики диагностического сигнала, содержащие информацию о

параметрах технического состояния объекта, называют диагностическими

признаками состояния.

Размерности совокупности структурных параметров и совокупности

диагностических признаков в принципе неограниченны, что и обуславливает

развитие технической диагностики.

Практическое же решение прикладных задач диагностики состоит в

том, чтобы отыскать такие диагностические признаки, которые однозначно

связаны с соответствующими структурными параметрами, определяющими

основные причины деградации технического состояния объекта. Эти диагно-

стические признаки должны быть практически взаимно статистически неза-

висимы между собой и должны соответствовать взаимно статистически неза-

висимым между собой классам неисправностей и дефектов объекта. Слово

“практически” отражает наличие взаимосвязей между всеми дефектами и ди-

агностическими признаками как объективного свойства природы.

Процессы, сопровождающие работу объекта и несущие диагностиче-

скую информацию, можно представить как функции времени. Такими функ-

циями времени могут быть температура охлаждающей жидкости, расход

энергии, уровень шума и многие другие процессы.

Диагностирование можно построить на следующем принципе. Исполь-

зуя датчики, с высокой инерционностью или интегрируя сигнал с датчика в

специальном устройстве, можно охарактеризовать процесс одной постоянной

величиной – средним значением изменяющегося параметра. Если среднее

значение заведомо равно нулю, то в качестве характеристики протекания

процесса можно взять его дисперсию. В некоторых случаях процесс может

быть охарактеризован максимальным значением изменяющегося параметра,

например, процесс в цилиндре двигателя – максимальным индикаторным

давлением.

Поскольку состояние объекта обычно описывается не одним, а целой

совокупностью параметров, то при указанной выше обработке сигналов для

однозначного диагностирования объекта требуется использовать большое

число разнообразных процессов.

Но диагностирование может быть построено и на другом принципе.

Вместо того чтобы регистрировать и усреднять большое число различных

процессов, регистрируется только один из них, но для его анализа использу-

ется такой способ обработки сигнала, из которого извлекается вся диагности-

ческая информация.

Системы диагностики, построенные на первом принципе, можно на-

звать статическими, поскольку они имеют дело с постоянными значениями

сигнала. Системы, построенные на втором принципе, называют динамиче-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

скими, так как они оперируют с переменными сигналами, главным образом

имеющими колебательный характер. Такие сигналы обладают сложной вре-

менной и спектральной структурой, поэтому способны переносить большие

объемы информации.

Использование всего одного процесса вместо множества разнородных

по физической природе процессов следует считать достоинством динамиче-

ской системы диагностики по сравнению со статической.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

2. Общие сведения о виброакустической диагностике

Существует несколько причин, вызывающих колебания объекта. Одна

из них связана с неуравновешенностью движущихся деталей. Она вынуждает

механизм колебаться как единое целое относительно положения равновесия.

Эти колебания (вибрации) характеризуются низкими частотами (десятки, ре-

же сотни Гц), сравнительно большими амплитудами перемещения и малыми

ускорениями. Основная частота вибраций объекта равна числу оборотов ва-

ла, на котором имеется несбалансированная масса, в секунду. Могут наблю-

даться также гармоники, кратные основной частоте. Зависимость частоты

вибраций от скоростного режима объекта является характерной чертой этого

вида колебаний, позволяющей их легко обнаружить и выделить. Амплитуда

вибраций пропорциональна квадрату угловой скорости вращения вала; она

зависит также от массы объекта и от жесткости крепления его к фундаменту.

Этот вид колебаний называют вибрацией.

Таким образом, вибрация - это механические колебания тела. Самый

простой вид вибрации - это колебание или повторяющееся движение объекта

около положения равновесия. Этот тип вибрации называется общей вибраци-

ей, потому что тело перемещается как единое целое и все его части имеют

одинаковую по величине и направлению скорость. Положением равновесия

называют такое положение, в котором тело находится в состоянии покоя или

которое оно займет, если сумма действующих на него сил равна нулю.

Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано

в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в

трех взаимно перпендикулярных направлениях (

xyz

в декартовых коорди-

натах) и вращательного относительно трех этих осей (

OxOyOz

). Любое

сложное перемещение тела можно разложить на эти шесть составляющих.

Поэтому о таких телах говорят, что они имеют шесть степеней свободы.

Представим себе некий объект, перемещения которого ограничены од-

ним направлением, например, маятник настенных часов. Такая система назы-

вается системой с одной степенью свободы, т.к. положение маятника в лю-

бой момент времени может быть определено одним параметром - углом в

точке закрепления. Другим примером системы с одной степенью свободы яв-

ляется лифт, который может перемещаться только вверх и вниз вдоль ствола

шахты.

Вибрация тела всегда вызывается какими-то силами возбуждения. Эти

силы могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри него са-

мого. Вибрация конкретного объекта полностью определяется силой возбуж-

дения, ее направлением и частотой. Именно по этой причине вибрационный

анализ позволяет выявить силы возбуждения при работе объекта. Эти силы

зависят от состояния объекта, и знание их характеристик и законов взаимо-

действия позволяет диагностировать дефекты последнего.

В настоящее время техническую диагностику, основанную на анализе

вибрации объекта диагностирования, приято называть вибрационной диаг-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

ностикой. С другой стороны неразрушающий контроль, основанный на из-

мерении упругих колебаний, возбуждаемых или возникающих в объекте кон-

троля, называют вибрационным неразрушающим контролем.

Вторым источником колебаний объекта служат соударения его дета-

лей. Они отличаются высокими частотами (тысячи Гц), малыми амплитудами

смещения (доли мкм) и значительными ускорениями (сотни см/сек

). Часто-

ты этого вида колебаний определяются размерами, формой и упругими кон-

стантами материала деталей. Их амплитуда пропорциональна скорости

столкновения деталей.

Колебания объекта, возбуждаемые соударением деталей, называют

акустическими колебаниями или структурным шумом. В первом назва-

нии подчеркивается их физическая природа, в частности, тот факт, что эти

колебания аналогичны другим акустическим явлениям, связанным с распро-

странением упругих волн в газах, жидкостях и твердых телах. Колебания на-

зывают шумом независимо от их физической природы, если они имеют ши-

рокий спектр с непрерывным распределением составляющих по оси частот.

Для анализа шумов используются статистические методы.

Выбор терминологии диктуется аспектом, под которым рассматривает-

ся изучаемое явление. Основное внимание необходимо уделять физическим

свойствам колебаний объекта, процессам их возбуждения и распространения.

В связи с этим колебания объекта, порожденные соударением его деталей,

обычно называют акустическими. С акустикой обычно связывают представ-

ления о волнах, распространяющихся в воздухе, реже - в жидкости. В по-

следнем случае ее называют гидроакустикой. Колебания, которые служат

сигналом в акустической диагностике, регистрируются датчиком, установ-

ленным непосредственно на объекте, а диагностику, основанную на их ана-

лизе, акустической диагностикой. В акустической диагностике вся необхо-

димая информация о состоянии объекта извлекается из упругого колебания,

которое распространяется по его корпусу во время работы объекта. Парамет-

рами диагностического сигнала служат параметры акустического колебания,

возбуждаемого в материале объекта.

С точки зрения методов технической диагностики и неразрушающего

контроля сегодня метод пассивного акустического неразрушающего контро-

ля, основанный на анализе параметров (иногда говорят, спектра) вибрации,

возникающей при работе объекта контроля, называют вибрационно-

диагностическим методом.

Вибрация объекта в акустической диагностике является помехой, и её

стремятся подавить.

Поэтому при комплексной диагностике измеряют колебаний обоих ви-

дов, а сигнал называют виброакустическим. Таким образом, обобщенно,

виброакустическим сигналом называют физические величины, характери-

зующие механические колебания (вибрационные, акустические, гидроаку-

стические), сопровождающие функционирование объекта, а диагностику –

виброакустической.