Костюков В.Н., Науменко А.П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

кривой отдельных колебаний.

Частота биений – это частота колебаний значений размаха при бие-

ниях, равная разности частот суммируемых колебаний.

Центростремительная сила это радиальная сила, направленная к

центру, возникает при поддержании вращении объекта массой m. При ее

отсутствии объект уйдет с орбиты и полетит в тангенциальном направле-

нии в соответствии с законами Ньютона. В ответ на центростремительную

силу возникает сила реакции, которая называется центробежной силой.

Центробежная сила направлена по радиусу от центра и равна по величине

центростремительной силе. Именно центробежная сила вызывает заметную

вибрацию машины на частоте f

в случае дисбаланса ротора.

Крутильные колебания – это колебания по угловой координате во-

круг центральной оси. Вызываются осциллирующей крутящей силой. На-

пример двигатель, который соединен с валом ведущей шестерни зубчатой

передачи испытывает изменения крутящего момента всякий раз, когда ее

зуб встречается с зубом другой шестерни. Это приводит к появлению кру-

тильных колебаний вала Важно убедиться, что эти силы не возбуждают ко-

лебания с частотами, близкими к торсионному резонансу: иначе уровни

вибрации могут Быть очень высокими.

Торсионный резонанс – это резонанс крутильных колебаний вала, в

котором в качестве элемента упругости выступает скручивающийся вал, а в

качестве инерционного элемента (массы) – соединенные с ним детали (муф-

та, ротор). Торсионный резонанс возникает, когда собственная частота кру-

тильных колебаний совпадает с частотой крутящего момента (возбужде-

ния).

Мода (форма) колебаний – это характеристическое колебание меха-

нической системы на собственной частоте. Большинство систем обладает

многими модами вибрации, и именно в определении их формы состоит за-

дача модального анализ. Вибрация реальной конструкции всегда является

комбинацией всех ее мод, однако, они не обязательно возбуждаются в оди-

наковой степени. Например, при тихом звоне колокола мы слышим, глав-

ным образом, фундаментальную моду, однако если колокол ударить силь-

нее возбудятся и другие моды, и мы услышим высшие составляющие (гар-

моники от основной моды).

Модальный анализ - создание компьютерной модели механической

системы на основе измерений ее частотной, характеристики. Модель можно

изобразить на экране компьютера и изучить формы колебаний. Ее можно

модифицировать, добавляя или убирая массы и ребра жесткости, чтобы

оценить последствия таких изменений в реальной системе. Модальный

анализ является экспериментальной методикой, которую часто применяют

для контроля точности метода конечных, элементов.

Модуляция – это изменение какого-то параметра одного сигнала под

влиянием другого сигнала. Модуляция - это нелинейный процесс, который

может произойти только при взаимодействии двух или более сигналов. Один

из широко встречающихся типов модуляции - амплитудная модуляция, при

которой амплитуда одного сигнала (носителя) меняется под влиянием моду-

лирующего сигнала. В роторных машинах часто происходит амплитудная и

частотная модуляции различных спектральных компонент вибрации, в резуль-

тате чего в вибрационном спектре появляются боковые полосы.

Измерение вибрации

Известны два принципа измерения вибраций - кинематический и

динамический.

Кинематический принцип измерения вибрации заключается в изме-

рении параметров вибрации исследуемого объекта относительно какого-

либо другого объекта, принятого за неподвижный.

Динамический принцип измерения вибрации заключается в создании в

датчике, воспринимающем вибрацию, искусственной неподвижной точки, от-

носительно которой измеряются параметры вибрации исследуемого объекта.

Динамический принцип измерения реализуется в вибродатчиках

инерционного действия, в которых инерционная масса и упругий элемент,

соединяющий массу с основанием датчика, крепятся на объекте контроля,

причем в силу инерционности масса отстает от колебаний объекта и, начи-

ная с некоторой частоты, остается неподвижном в пространстве, позволяя

измерять абсолютную вибрацию объекта.

Уравнение движения вибродатчика инерционного действия имеет

вид (М - масса инерционного элемента, h - коэффициент демпфирования, k

- коэффициент упругости, у - относительное перемещение массы, S(t) - виб-

роперемещение объекта контроля):

Му”+hу’+kу= -МS”(t).

В зависимости от расположения области рабочих частот датчика от-

носительно резонансной различают три режима его работы: режимы изме-

рения виброскорости, виброперемещения и виброускорения.

В режиме измерения виброперемещения датчик работает в области

частот, лежащих выше собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброскорости датчик работает в области частот,

лежащих в области задемпфированной собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброускорения датчик работает в области час-

тот, лежащих ниже собственной частоты датчика.

Характеристики виброизмерительной аппаратуры (при НУ) должны

отвечать следующим требования, необходимым для правильного измерения

вибрации в рабочих частотах: плоская (параллельная оси частот) АЧХ, про-

порциональная частоте или нулевая ФЧХ, линейная амплитудная характе-

ристика – АХ.

В рабочем диапазоне АЧХ должна быть плоской с допускаемой по ТУ

погрешностью, АХ должна быть линейной с заданной в паспорте погреш-

ностью в рабочем динамическом диапазоне.

В рабочем диапазоне частот ФЧХ виброизмерительной аппаратуры

должна быть пропорциональной частоте или нулевой.

При измерении среднего квадратического значения параметра и ам-

плитудного спектра нелинейность ФЧХ не вносит искажений в результат

измерений.

Основные источники погрешности виброизмерительной аппаратуры:

неправильно установленный коэффициент преобразования, неравномер-

ность АЧХ, нелинейность АХ, непропорциональность ФЧХ, поперечная

чувствительность датчика.

Поперечная чувствительность вибродатчика - это относительная

величина, равная отношению максимальной величины сигнала на входе

датчика от вибрации, действующей в направлении, перпендикулярном ра-

бочей оси, к сигналу от вибрации того же уровня, действующего вдоль ра-

бочей оси. Данные о поперечной чувствительности датчика представляют-

ся в виде диаграммы направленности, либо указанием максимального

значения поперечной чувствительности, определенного по диаграмме на-

правленности. Поперечную чувствительность датчика рекомендуется опре-

делять на базовой частоте или одной из частот, лежащей в рабочем диапа-

зоне частот датчика, с учетом характеристик вибростенда.

Частота установочного резонанса высокочастотных датчиков

определяется на вибростенде на различных частотах путем сличения сигна-

лов испытуемого и образцового датчиков и с использованием стального ку-

ба со стороной 25,4 мм и массой 180 г, возбуждаемого датчиком-

возбудителем.

Деформационная чувствительность акселерометра возникает из-

за изгибных деформаций объекта в месте крепления акселерометра, что вы-

зывает деформацию пьезопластин и возникновение на выходе датчика па-

разитного сигнала.

Способ крепления датчика к вибрирующему объекту определяет

частоту установочного резонанса, а, следовательно, и верхнюю границу ра-

бочего диапазона частот датчика.

На выходной сигнал пьезоэлектрического датчика оказывают влия-

ние температура и ее резкие изменения, магнитные и электрические поля,

радиация, акустический шум, влажность.

При проверке исправности пьезоакселерометра контролируются

соответствие емкости и сопротивления на выходе паспортным данным.

Погрешность измерения, выполненного с помощью технического

измерительного прибора принимается равной погрешности, указанной в

паспорте прибора, никаких поправок в результат измерения не вносится,

прибор используют только в указанных в паспорте пределах изменения па-

раметров контролируемых процессов и значений влияющих величин. По-

грешность измерения складывается из основной погрешности (погрешно-

сти калибровки при НУ) и дополнительных погрешностей от внешних

влияющих факторов.

Суммарная погрешность измерения технического измерительного

прибора в области НУ рассчитывается как арифметическая или квадра-

тическая сумма всех видов погрешностей, нормируемых в области НУ.

При арифметическом способе суммирования суммарная погрешность полу-

чается завышенной.

Условия поверки и нормальные условия при калибровке виброизмери-

тельной аппаратуры и датчиков определяются МИ 1873-88.

Область нормальных условий эксплуатации (НУ) измерительного

прибора определяется совокупностью значений влияющих величин, в кото-

рых дополнительные погрешности не выходят за допустимые пределы.

Основной погрешностью виброизмерительного прибора является по-

грешность определения коэффициента преобразования вибродатчика и ап-

паратуры при их калибровке на вибростенде.

Погрешность измерения параметров вибрации не может быть

меньше, чем погрешность калибровки виброизмерительной аппаратуры.

Анализ вибраций от различных дефектов

и общие принципы их распознавания

Основная причина колебаний деталей агрегатов - динамические на-

грузки.

Распознавание состояний оборудования заключается в отнесении

предъявленного к опознаванию виброакустического образа к одному из воз-

можных классов (диагнозов) с помощью специально построенного решаю-

щего правила.

Задачу диагностирования допустимо рассматривать как двойст-

венную задачу: задачу построения характеристики класса состояний, кото-

рому принадлежит совокупный виброакустический образ, и задачу приня-

тия решения о принадлежности к одному из классов состояний испытуемо-

го виброакустического образа. Увеличение числа зависимых диагностиче-

ских признаков не способствует более полному описанию объекта диагно-

стирования и надежному распознаванию.

Полигармоническая модель возбуждения колебаний позволяет скон-

центрировать внимание лишь на определенных частотах кf

, кратных ос-

новной частоте возбуждения колебаний f

диагностируемого узла, посколь-

ку процесс локализации источников повышенной виброактивности агрегата

состоит в выявлении источников возбуждения, вызывающих колебания на

данной частоте.

Квазиполигармоническая модель процесса возбуждения колебаний

основана на представлении колебаний в виде суперпозиции узкополосных

случайных процессов с кратными средними частотами. Квазиполигармони-

ческая модель более адекватно описывает процесс возбуждения колебаний,

чем полигармоническая.

Допустимо широкое использование (при формировании диагностиче-

ских признаков состояния агрегата) соотношения энергии периодического

и шумового компонентов в качестве информативного параметра вибросиг-

нала

Импульсная модель виброакустического сигнала основана на пред-

ставлении процессов возбуждения колебаний в роторных агрегатах в виде

перио-дической последовательности импульсов определенной формы. При

формировании диагностических признаков импульсной модели виброаку-

стического сигнала используют представление колебания в виде модуляции

высокочастотного гармонического сигнала суммой гармонических же низ-

кочастотных колебаний. Если физика воздействия неисправности на коле-

бания механизма связана с появлением амплитудной или фазовой модуля-

ции рационально исследовать свойства огибающей сигнала вибрации.

ШПС-модель вибрации в виде смеси шумовых и периодических со-

ставляющих (ШПС) объединяет все вышеперечисленные модели и позволя-

ет формализовать синтез инвариантных ортогональных диагностических

признаков, предложить методику синтеза спектральной матрицы вибрации

и ее огибающей и реализовать рекуррентный алгоритм диагностирования

любых машин, содержащих источники периодической вибрации.

Метод синхронного накопления используется для выделения перио-

дического сигнала на фоне помехи.

Кепстральный анализ, сжимающий информацию об изменениях в

сигнале до обозримого количества гармоник, амплитуды которых легко

оценить количественно, рационально использовать при появлении или уси-

лении полигармонических колебаний.

Существует необходимость использования различных контрольных

точек и направлений измерения вибрации для диагностирования механиче-

ской и электромагнитной систем электрических машин.

Эксплуатационные нормы вибрации оборудования предназначены

для контроля технического состояния оборудования в процессе эксплуата-

ции. Оценка состояния по уровню вибрации в частотных полосах дает бо-

лее достоверные результаты, чем оценка состояния по общему уровню виб-

роскорости. Наиболее распространенным в практике мониторинга состоя-

ния является разбиение всей полосы вибрации на три – низкочастотную,

среднечастотную и высокочастотную – путем измерения стандартных па-

раметров вибрации – виброперемещения, виброскорости и виброускорения

с соответствующим нормированием критических границ, разделяющих со-

стояния «Удовлетворительно», «Требует принятия мер» и «Недопустимо»

широкого класса машинных агрегатов. В большинстве случаев применение

индивидуального набора критериев и предельных значений для оценки со-

стояния каждого конкретного агрегата или узла на каждой конкретной кон-

трольной точке не целесообразно и требует продолжительных и трудоем-

ких подготовительных работ (годы).

Абразивный износ возникает вследствие истирания трущихся по-

верхностей и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся

поверхности и пути скольжения.

Заедание возникает вследствие контакта поверхностей в условиях

разрушения масляной пленки.

Усталостный износ возникает вследствие усталости поверхностного

слоя при относительном скольжении поверхностей и вследствие микро-

шероховатостей.

Для процесса приработки увеличение скорости износа обычно не ха-

рактерно.

Существует взаимосвязь между этапами износа и уровнем вибрации.

В период нормального износа обычно наблюдается линейная связь

между значением износа и временем.

На этапе приработки обычно характерно снижение уровня вибрации.

На этапе нормальной работы характерно колебание уровня вибрации.

На этапе интенсивного износа обычно характерен рост уровня вибрации.

У роторных агрегатов периодическое возбуждение в наиболее про-

стом виде проявляется как сумма гармонических составляющих, кратных

основной частоте возмущения. Одна из основных частот возбуждения виб-

рации роторных агрегатов - частота вращения ротора.

Информативные параметры полигармонической и квазиполигармо-

ни-ческой модели колебаний - значения амплитуд дискретных составляю-

щих спектра на частоте вращения ротора и ее гармониках и скорость их

изменения при увеличении наработки механизма.

Информативные параметры ШПС-модели вибрации дополнительно

включают шум между известными гармониками.

Чаще всего амплитуды колебаний на роторных частотах определяют-

ся величиной дисбаланса, несоосностью валов, кинематическими погреш-

ностями и отношением критической частоты вращения ротора к рабочей.

Модель полигармонического возбуждения колебаний в роторных аг-

регатах учитывает частотные составляющие, кратные числу элементов

взаимодействия на окружности ротора.

Возникновение дисбаланса и/или несоосности валов сопровождается

ростом вибрации на частоте вращения ротора и ее гармониках. Влияние на

характер вибрации погрешностей изготовления и монтажа деталей, темпе-

ратурных изменений геометрических параметров деталей и зазоров в со-

членениях, изменений вязкости смазки, искажения формы и качества

поверхностей взаимодействующих деталей с наработкой выражаетстя в

появлении флуктуаций амплитуд, размытии дискретных линий

спектра полигармонических колебаний, росте шумовых компонент

спектра.

Влияние на характер вибрации истирания (абразивного изнашивания)

контактирующих поверхностей выражается в росте шумовой компоненты

Влияние на характер вибрации выкрашивания (локального изнашива-

ния) контактирующих поверхностей выражается в появлении периодиче-

ских всплесков вибросигнала, модулирующих основной процесс возбужде-

ния колебаний.

Влияние на характер вибрации периодического попадания раковин в

зону контакта при вращательном движении элементов агрегата выражается

в появлением в спектре сигнала комбинационных частот (mf

±kf

) в окрест-

ности основных частот возбуждения, вызванных амплитудной модуляцией.

По своему проявлению развитие трещины в теле детали вращения

сходно с развитием выкрашивания.

Влияние развивающегося задира на сигнал вибрации выражается в

том, что сигнал вибрации становится существенно нестационарным из-за

нерегулярности выбросов, а в спектре сигнала наблюдается падение ампли-

туд основных частот возбуждения mf

при одновременном росте амплитуд

комбинационных частот (mf

±kf

)

Наиболее приемлемое правило размещения вибродатчиков на под-

шипниках - максимально возможное их приближение к диагностируемому

узлу и установка только на жесткие элементы конструкции с подготовлен-

ной поверхностью в направлении вектора максимальных суммарных сил и

минимальной жесткости конструкции.

Для некоторых типов агрегатов допускается измерение составляю-

щих вибрации путем установки на верхнюю часть крышки подшипника

трехкомпонентного вибродатчика для измерений вибрации.

Изменение вязкости масла в подшипниках не всегда приводит к зна-

чительному увеличению вибрации на частоте ротора.

Изменение вязкости масла в подшипниках всегда приводит к измене-

нию температуры подшипника.

Увеличение статической силы всегда приводит к увеличению темпе-

ратуры в подшипнике.

Проведение балансировки без использования фазового датчика воз-

можно, но нерационально.

Частота совпадения зубьев, (ЧСЗ) - частота, с которой определен-

ный зуб одного зубчатого колеса встречается с определенным зубом друго-

го колеса. Если отношение количеств зубьев на колесах есть целое число

(то есть 2:1, 3:1 и т.д.), то ЧСЗ будет равна частоте вращения большего ко-

леса. В противном случае совпадение конкретных зубьев будет происхо-

дить значительно реже, то есть ЧСЗ будет очень низкой Пары зубчатых ко-

лес с низкой ЧСЗ изнашиваются более равномерно и служат дольше, чем

пары с относительно высокой ЧСЗ.

Частота совпадения зубьев пары колес равна частоте зацепления (ЧЗ),

умноженной на наибольший общий множитель чисел зубьев и деленной на

произведение самих этих чисел. Например, рассмотрим два колеса с 54 и 14

зубьями.

54=3х3х3х2, 14=2х7;

2 есть наибольший общий множитель 54 и 14, поэтому частота совпадения

зубьев будет равна 43 х 2/54 х 14 = 43 / 1512. Это очень низкое значение,

что характерно для хорошо сконструированных зубчатых передач.

Цикл скольжения – это отношение синхронной скорости асинхрон-

ного двигателя к скольжению. Например, для двигателя, работающего на

скорости 1440 об/мин, синхронная скорость равна 1500 об/мин, а проскаль-

зывание - 60 об/мин. Отсюда .цикл проскальзывания равен 1500/60=25. Это

означает, что каждую 1/25 оборота ротор будет находиться в одном и том

же соотношении с вращающим магнитным полем внутри статора. Иными

словами, каждую 1/25 оборота ротор полностью пересекает все линии маг-

нитного поля. Если в роторе имеется разрыв, например, сломанный стер-

жень, то он дважды пройдет через максимум магнитного поля в течение

цикла проскальзывания: один раз через северный полюс, а другой -через

южный.

Кавитация - это физическое явление, которое возникает, когда дав-

ление в жидкости опускается ниже определенного порога, из-за чего проис-

ходит образование пузырьков, нарушается сплошность течения и

возникают ударные процессы. Это явление часто имеет место в насосах,

водяных турбинах и других аналогичных машинах вблизи поверхности

ротора. Кавитационные удары, возникающие при схлопыванин пузырьков,

могут привести к изъязвлению поверхности ротора. Кавитация обычно

имеет место в тех случаях, когда давление при впуске слишком мало.

Кавитация сопровождается появлением в спектре машины

высокочастотного случайного шума.

Датчик зазора - датчик смещения - состоит из небольшой прово-

лочной катушки, которая соединена со специальным предусилителем На-

пряжение на выходе этого предусилителя пропорционально расстоянию

(смещению) между концом датчика и проводящей поверхностью. Частот-

ная характеристика такой системы простирается от 0 Гц до 10000 Гц. То

есть измеряется как статическое смещение, так и динамическое Датчики за-

зора активно применяются на подшипниках скольжения, где они измеряют

толщину масляной пленки и могут детектировать масляные вихри и другие

дефекты подшипника Датчик зазора иногда также называют токовихревым

датчиком.

Пик-фактором временной реализации называют отношение пиково-

го значения амплитуды к среднему квадратическому значению. Пик-фактор

синусоидального колебания равен √2=1,414. Типичный вибрационный сиг-

нал машины с большим дисбалансом имеет близкий к этому пик-фактор,

однако по мере износа подшипников и возникновения соударений пик фак-

тор значительно увеличивается. Пик-фактор является одним из существен-

ных показателей состояния машины.

Срыв масляного клина - вибрация вала с подшипником скольжения,

вызванная закруткой масляной пленки внутри подшипника, которая увле-

кает за собой цапфу Происходит на частоте, равной 40-48% оборотной час-

тоты, то есть несинхронна со скоростью вращения вала Может вызываться

избыточными зазорами внутри подшипников и/или недостаточной ради-

альной нагрузкой подшипника Срыв масляного клина нежелателен сам по

себе, а когда оно к тому же вызывает масляное биение, то становится еще

более опасными.

Тангенциальный - направленный по касательной. При трехкоорди-

натных измерениях вибрации одна из чувствительных осей датчика

направлена тангенциально к вращающемуся валу, то есть перпендикулярно

к радиальному (к- или от оси вала) и осевому ( вдоль оси вала) направлени-

ям.

Эксцентриситет - отклонение тела вращения, например, ротора или

вала, от круговой формы. В электродвигателях эксцентриситет ротора вы-

зывает нежелательную вибрацию, обусловленную несимметричными маг-

нитными эффектами Эксцентриситет статора также ведет к магнитным яв-

лениям, которые увеличивают уровень вибрации.