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

Подождите немного. Документ загружается.

ние количественных значений диагностических признаков возможных де-

фектов и разработка алгоритмов диагностирования позволяют создать базу

для работ в области автоматизации процессов диагностирования состояния

машин по параметрам вибрации, что составляет основу непрерывного мо-

ниторинга за техническим состоянием оборудования.

Непрерывный мониторинг оборудования, путем анализа диагностиче-

ских признаков состояния и автоматизированного определения причин

(именно причин) неисправностей агрегатов со своевременным речевым и

визуальным предупреждением обслуживающего персонала о возникнове-

нии неисправностей, составляет основу технологии, предложенной Костю-

ковым В.Н. с учениками [8], безопасной эксплуатации оборудования, кото-

рая направлена на устранение непредсказуемых отказов агрегатов, приво-

дящих к авариям с тяжелыми последствиями [9, 10]. Выявление зарождаю-

щихся дефектов на ранней стадии позволяет не только предотвратить ава-

рии, но и дает возможность организовать управляемый процесс техниче-

ской эксплуатации с элементами адаптации под изменяющиеся внешние

условия и состояние оборудования. Упреждая развитие дефектов за счет

более тщательного и целенаправленного обслуживания именно тех узлов, в

которых эти дефекты начинают формироваться, можно в разы увеличить

межремонтный срок и в десятки раз межаварийный ресурс оборудования

непрерывных производств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Артоболевский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в

акустическую динамику машин. - М.: Наука, 1979. - 296 с.

2. Биргер И.А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроение,

1978. –

238 с.

3. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. - М.: Машиностроение,

Т.1.-1978.-352 с.; Т.2.-1979.-351 с.; Т.3.-1980.-544 с.; Т.4.-1981.-509 с.;

Т.5.-1981.- 496 с.; Т.6.-1981.- 456 с.

4. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика ма-

шин и механизмов. - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

5. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. - М.: Машино-

строение, 1971. - 224 с.

6. Рагульскис К.М., Юркаускас А.Ю., Аступенас В.В. Вибрации под-

шипников. - Вильнюс: Минтис, 1974. - 390 с.

7. Явленский А.К., Явленский К.Н. Вибродиагностика и прогнозиро-

вание качества механических систем. - Л.: Машиностроение, 1983. - 239 с.

8. Костюков В.Н., Бойченко С.Н., Костюков А.В. Автоматизирован-

ные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатацией

оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств

(АСУ БЭР - КОМПАКС

) /Под ред. В.Н. Костюкова. - М.: Машинострое-

ние, 1999. – 163 с.

9. Опыт широкомасштабного внедрения стационарных систем вибро-

диагностики КОМПАКС

/ Е.А. Малов, И.Б. Бронфин, В.Н. Костюков и др.

// Химия и технология топлив и масел. – 1997. - № 1. - С. 10-13.

10. Безаварийность производства – путь к повышению рентабельно-

сти. Внедрение систем непрерывного мониторинга КОМПАКС

/ А.А. Ша-

талов, Ф.И. Сердюк, В.Н. Костюков и др.// Химия и технология топлив и

масел. - 2000. - № 3. - С. 9-13.

11. Pat. 3677072 USA, 73-77 (G01l 29/00). Damage detection method

and apparatus for machine elements utiliging vibration therefrom / B.

Weichbrodt,

D. Berchard [General Electric Co]. 1967.- 12 p.

12. Пат. 1280961 РФ, МКИ F04B51/00, G01M13/02. Способ виброа-

кустической диагностики машин периодического действия и устройство

для его осуществления / В.Н. Костюков //Открытия. Изобретения. - 1986.-

№ 48.

13. Пат. 2068553 РФ, МКИ G01M15/00, F04B51/00. Способ оценки

технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации

корпуса / В.Н. Костюков, С.Н. Бойченко, А.В. Костюков и др. // Изобрете-

ния. - 1996.- № 30.

14. Пат. 2103668 РФ, МКИ G01M15/00. Способ диагностики и про-

гнозирования технического состояния машин по вибрации корпуса

/В.Н. Костюков, С.Н. Бойченко, А.В. Костюков//Изобретения.- 1998.- № 3.

15. Пат. 2149374 РФ, МКИ G01M13/04. Способ установки вибро-

преобразователя / В.Н. Костюков // Изобретения. Полезные модели.- 2000.-

№ 14.-3 c.

16. ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения. – Введен с

01.01.81. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1984. - 31 с.

17. ГОСТ 24347-80. Вибрация. Обозначения и единицы величин. –

Введен с 01.01.81. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1986. - 5 с.

18. ГОСТ 27164-86. Аппаратура специального назначения для экс-

плуатационного контроля вибрации подшипников крупных стационарных

агрегатов. Технические требования. – Введен с 01.01.88. - М.: ИПК Изд-во

стандартов, 1987. - 5 с.

19. ГОСТ 30296-95. Аппаратура общего назначения для определе-

ния основных параметров вибрационных процессов. Общие технические

требования. – Введен с 01.01.1997. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. - 15

с.

20. ГОСТ 25364-97. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы

вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений.

- Введен с 01.07.99 – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. - 5 с.

21. ГОСТ ИСО 2954-97. Вибрация машин с возвратно-

поступательным и вращательным движением. Требования к средствам из-

мерений. – Введен с 01.07.97. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. - 6 с.

22. ГОСТ Р ИСО 10816-3-99. Вибрация. Оценка состояния машин по

результатам измерений вибрации на не вращающихся частях. Ч.3. - Введен

с 01.07.00. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 10 с.

23. ГОСТ Р ИСО 5348-99. Вибрация и удар. Механическое крепле-

ние акселерометров. – Введен с 01.07.00. - М.: ИПК Изд-во стандартов,

2000. -10 с.

24. ГОСТ Р ИСО 7919-3-99. Вибрация. Оценка состояния машин по

результатам измерений вибрации на вращающихся валах.– Введен с

01.07.00. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. Ч.3. - 10 с.

25. ГОСТ Р ИСО 8579-2-99. Вибрация. Контроль вибрационного со-

стояния зубчатых механизмов при приемке. – Введен с 01.07.00. - М.: ИПК

Изд-во стандартов, 2000. - 10 с.

26. РТМ 38.001-94. Указания по расчету на прочность и вибрацию

технологических стальных трубопроводов. –М.: ВНИПИнефть, 1994. –

109с.

27. Руководящий документ. Методические рекомендации по прове-

дению диагностических виброизмерений центробежных компрессорных

машин и центробежных насосов агрегатов предприятий МХНП СССР.– М.:

Миннефтехимпром СССР, 1991. - 5 с.

28. Руководящий документ. Центробежные электроприводные на-

сосные и компрессорные агрегаты, оснащенные системами компьютерного

мониторинга для предупреждения аварий и контроля технического состоя-

ния КОМПАКС: Эксплуатационные нормы вибрации / В.Н. Костюков, С.Н.

Бойченко, Е.В. Тарасов – М., Госгортехнадзор РФ, Минтопэнерго РФ,

1994.- 7 с.

29. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Тер-

мины и определения. – Введен в действие 01.07.90. – М.: Госкомитет СССР

по управлению качеством продукции и стандартами, 1990. – 37 с.

30. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определе-

ния. – Введен в действие 01.01.91. – М.: Госкомитет СССР по управлению

качеством продукции и стандартами, 1990. – 13 с.

31. ГОСТ 27674-88.Трение, изнашивание и смазка. Термины и опре-

деления. – Введен в действие 01.01.89. – М.: Госкомитет СССР по стандар-

там, 1988. – 13 с.

32. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных /

Пер. с англ. В.Е. Привольского, А.И. Кочубинского; Под ред. И.Н. Кова-

ленко. - М.: Мир, 1989. - 540 с.

Приложение А

Основные понятия и определения

виброакустической диагностики

Алгоритм диагностирования - совокупность предписаний, опреде-

ляющих последовательность действий при проведении диагностирования

(контроля) и включает: формирование системы информативных диагности-

ческих признаков, построение эталонных изображений для каждого класса

технических состояний и разработку правил принятия принадлежности к

тому или иному классу состояний.

Балансировка. Настройка распределения масс на вращающемся эле-

менте таким образом, чтобы снизить до минимума центробежные силы,

действующие на подшипники. Ротор является отбалансированным, если его

центр масс совпадает с центром вращения. Балансировка сокращает энер-

гопотребление машины, снижает уровни вибрации и увеличивает ресурс

подшипников, причем иногда весьма существенно.

Биение – колебания, размах которых – периодически колеблющаяся

величина и которые являются результатом сложения двух гармонических

колебаний с близкими частотами. Биение ротора – это радиальное движе-

ние поверхности вращающегося ротора или вала. Может быть вызвано не-

правильной формой какой-то детали или смещением центра вращения ка-

кой-то детали относительно ее геометрического центра.

Вибрация – движение точки или механической системы, при котором

происходят колебания характеризующих его скалярных величин. Вибрация не

всегда является вредной. Полезные свойства вибрации используются в уст-

ройствах различного технологического назначения. В роторных машинах

воздействие вибрации приводит к преждевременному износу и поломке.

Вынужденные колебания (вибрация) – колебания (вибрация) систе-

мы, вызванные и поддерживаемые силовым и (или) кинематическим воз-

буждением. Если система линейна, то она будет вибрировать на частоте

возбуждающей силы. Однако, если система нелинейна, то в спектре

вибрации появятся новые частоты, в частности, гармоники возбуждающей

частоты. Вибрация машин - это типичная вынужденная вибрация.

Возбуждающие силы в машине возникают вследствие дисбалансов,

несоосностей, неисправностей подшипников и т.д.

Вибрационная диагностика - это техническая диагностика, основан-

ная на анализе вибрации объекта диагностирования.

Вибрационно-диагностический метод —это метод виброакустиче-

ского неразрушающего контроля, основанный на анализе параметров виб-

рации, возникающей при работе объекта контроля.

Вибрационный неразрушающий контроль — это неразрушающий

контроль, основанный на измерении упругих колебаний, возбуждаемых или

возникающих в объекте контроля.

Демпфирование вибрации – уменьшение вибрации вследствие рас-

сеяния (диссипации) механической энергии. Линейное демпфирование –

демпфирование вибрации при линейной характеристике диссипативаной

силы. Вязкое демпфирование - это тип механического демпфирования, при

котором демпфирующая сила пропорциональна скорости.

Диагностическая модель — это формализованное описание объекта,

необходимое для решения задач диагностирования. Описание может быть в

аналитической, табличной, векторной, графической и других формах, учиты-

вающее возможные изменения в его исправном и неисправном состоянии.

Диагностический тест — это совокупность проверок, достаточная для

определения состояния агрегата вплоть до выявления характера неисправно-

стей. Всегда допустимо разбиение агрегата на узлы и точки для упрощения

процедуры поиска возможных неисправностей, приводящих к отказу.

Запас работоспособности характеризует приближение состояния

агрегата к предельно допустимому состоянию.

Критически узлы — это элементы и сопряжения (узлы), отказ кото-

рых наиболее вероятен.

Наибольшее практическое значение при эксплуатации промышленно-

го оборудования имеют механические колебания.

Критическая скорость ротора – это режим работы, при котором ско-

рость вращения, равна одной из его собственных частот, соответствующих

реэонансам изгиба или кручения. Если ротор работает на скорости, равной

или близкой к критической, то он будет испытывать сильную вибрацию, и

может быть поврежден. Многие роторные машины работают на скоростях,

превышающих минимальную критическую скорость. Это означает, что их

следует разгонять достаточно быстро, чтобы быстрее пройти критический

режим.

Метод вибрационного контроля оборудования приносит наиболь-

ший эффект при эксплуатации.

Мониторинг состояния (или просто мониторинг оборудования)– это

процесс наблюдения за техническим состоянием функционирующего машин-

ного оборудования (агрегата, механизма, узла) с целью предсказания момента

времени перехода его или любой его части в предельное состояние.

Определение работоспособности – это установление принадлежно-

сти агрегата по состоянию к одному из подмножеств: работоспособное со-

стояние или неработоспособное.

Определение неисправности - это определение, в каком из предель-

ных состояний находится агрегат.

Предельное (аварийное) состояние - это состояние объекта, при ко-

тором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, ли-

бо восстановление его работоспособного состояния невозможно или неце-

лесообразно.

Состояние исправности - это состояние объекта, при котором он со-

ответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструк-

торской (проектной) документации.

Состояние работоспособности - это состояние объекта, при кото-

ром значения всех параметров, характеризующих способность выполнять

заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической

документации и (или) конструкторской (проектной) документации, т. е.

могут присутствовать неисправности, не препятствующие применению его

по назначению. Проверка работоспособности исследуемого агрегата может

быть менее полной, чем проверка исправности, т. е. может оставлять не об-

наруженные неисправности, не препятствующие применению его по назна-

чению

Состояние правильности функционирования - это состояние иссле-

дуемого агрегата, при котором он выполняет в текущий момент времени

предписанные ему алгоритмы функционирования. Проверка правильности

функционирования менее полна, чем проверка работоспособности, так как

она позволяет убедиться лишь в том, что исследуемый агрегат правильно

функционирует в данном режиме работы в данный момент времени.

Основы теории колебаний

Различают два вида колебаний – свободные и вынужденные

Свободные колебания – это колебания (вибрация) системы (физиче-

ского тела в пространстве), происходящие без переменного внешнего воз-

действия и поступления энергии извне.. Колебания бывают линейным (по-

ступательное движение) и угловыми (вращение, крутильные колебания).

Свободное тело в пространстве (свободно подвешенное) обладает шестью

степенями свободы. Механическая система имеет столько частот свобод-

ных (собственных) колебаний, сколько существует степеней свободы. Ме-

ханическая система с распределенной массой имеет бесконечный спектр

частот свободных колебаний.

Вынужденными колебаниями называют колебания (вибрацию) сис-

темы, вызванные и поддерживаемые силовым и (или) кинематическим воз-

буждением, т.е. при воздействии внешних сил.

Крутильные колебания - это знакопеременное вращение физического

тела вокруг выбранной оси.

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) – это за-

висимость комплексной амплитуды вынужденных колебаний (вибрации) от

частоты гармонического возбуждения с постоянной амплитудой.

Автоколебания - это колебания системы, возникающие в результате

самовозбуждения, т.е. поддерживаемые внутренними силами.

Периодической называется такая вибрация, при которой каждое зна-

чение колеблющейся величины повторяется через равные промежутки вре-

мени. Известны следующие виды периодической вибрации – гармониче-

ская и полигармоническая.

Гармонические колебания (вибрация) – это колебания (вибрация),

при которых значения колеблющейся величины (характеризующей вибра-

цию) изменяются во времени по закону:

)

sin(

где t – время;

- постоянные параметры;

A – амплитуда;

t +

- фаза

- начальная фаза;

- угловая частота.

Амплитуда гармонических колебаний (вибрации) – максимальное

значение величины (характеризующей вибрацию) при гармонических коле-

баниях (вибрации).

Фаза гармонических колебаний (вибрации) – аргумент синуса, ко-

торому пропорционально значение колеблющейся величины (характери-

зующей вибрацию) при гармонических колебаниях (вибрации).

Начальная фаза гармонических колебаний (вибрации) – фаза гар-

монических колебаний (вибрации) в начальный момент времени.

Угловая частота гармонических колебаний (вибрации) – произ-

водная по времени от фазы гармонических колебаний (вибрации), равная

частоте, умноженной на 2p . Угловую частоту гармонических колебаний w

принято измерять в радианах/с. Частоту гармонических колебаний f изме-

ряют в Герцах (Гц·= с

–1

). Частота равна отношению единицы к периоду ко-

лебания в секундах.

Комплексная амплитуда гармонических колебаний (вибрации) –

комплексная величина, модуль которой равен амплитуде, а аргумент – на-

чальной фазе гармонических колебаний Ae

Случайные колебания (вибрация) – это колебания (вибрация), пред-

ставляющие собой случайный процесс. Можно сказать, что это вибрация,

протекание которой во времени не известно.

Форма колебаний (вибрации) системы – это конфигурация совокуп-

ности характерных точек системы, совершающей периодические колебания

(вибрацию), в момент времени, когда не все отклонения этих точек от их

средних положений равны нулю. Более просто – это графическое изобра-

жение мгновенных значений амплитуды колебательной величины на дан-

ном промежутке времени. Примечание. Для сплошных ограниченных тел

форма колебаний соответствует конфигурации стоячей волны.

Виброперемещение – это составляющая перемещения, описывающая

вибрацию. Описывается формулой )tsin(SS

и измеряется в мкм.

Виброскорость – производная виброперемещения по времени, описы-

вается формулой )tcos(SV j+ww=

, измеряется в мм·с

-1

Виброускорение – производная виброскорости по времени, описыва-

ется формулой )tsin(SA

yww

, измеряется в м·с

-2

Резкость – скорость изменения виброускорения – может быть полу-

чена путем дифференцирования сигнала виброускорения.

Резонансные колебания (вибрация) - резонанс – это вынужденные

колебания (вибрация) системы, соответствующие одному из максимумов

амплитудно-частотной характеристики. Можно сказать, что резонанс – это

совпадение частоты возмущающей ( вынуждающей ) силы и резонансной

частоты (частоты свободных колебаний) системы или ее части.

Интенсивность колебаний принято оценивать следующими пара-

метрами: виброперемещение - размахом или средним квадратическим

значением; виброскорость и виброускорение – максимальным пиковым

значением или средним квадратическим значением.

Параметры гармонической вибрации: виброперемещение, вибро-

скорость и виброускорение (А, V, S — соответственно амплитудные

значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения, f —

частота гармонической вибрации) связаны между собой соотношениями

V=A / 2pf ; S= A / (2pf)

Амплитудное(X), среднее )X( и среднеквадратическое )X(

значения

параметров гармонической вибрации находятся между собой в следующем

соотношении:

.X1,41XX;0,707XX; 0,637X

===

Сдвиг фаз синхронных гармонических колебаний (вибрации) – это

разность фаз двух синхронных гармонических колебаний (вибрации) в лю-

бой момент времени. Можно сказать, что это разница в моментах начала

отсчета между двумя и более синхронными колебательными процессами.

Синфазные гармонические колебания (вибрация) – это синхрон-

ные гармонические колебания (вибрация) с равными в любой момент вре-

мени фазами.

Антифазные (противофазные) гармонические колебания (вибра-

ция) – это два синхронных гармонических колебания (вибрации), у кото-

рых сдвиг фаз в любой момент времени равен p (180°).

Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют зависимость

фазы колебаний от частоты вынуждающей силы.

Спектр колебаний (вибрации) - это совокупность соответствующих

гармоническим составляющим значений величины, характеризующей ко-

лебания (вибрацию), в которой указанные значения располагаются в

порядке возрастания частот гармонических составляющих. Примечание.

Периодическим или почти периодическим колебаниям соответствует

дискретный спектр, непериодическим – непрерывный спектр.

Гармонический анализ колебаний (вибрации) – это представление

анализируемых колебаний (вибрации) в виде суммы гармонических коле-

баний. Обычно под гармоническим анализом подразумевают практическое

разложение в ряд Фурье на гармоники относительно основной частоты.

Примечания:

Слагаемые гармонические колебания называют гармоническими со-

ставляющими.

Периодические колебания представляют в виде ряда Фурье, почти пе-

риодические – в виде суммы гармонических колебаний с несоизмеримыми

частотами, а непериодические колебания – в виде интеграла Фурье, опреде-

ляющего спектральную плотность.

Гармоника – это гармоническая составляющая колебаний. Примеча-

ние. Частоты гармоник кратны частоте анализируемых периодических ко-

лебаний.

Сложения колебаний производится путем сложения мгновенных зна-

чений колебательных величин с учетом фаз.

Биения - это колебания, размах которых – периодически колеблю-

щаяся величина и которые являются результатом сложения двух гармони-

ческих колебаний с близкими частотами.

Огибающей биений называется кривая, касающаяся вершин и впадин