Учебное Пособие - Мониторинг и диагностика механических объектов

Подождите немного. Документ загружается.

Ультразвуковой метод заключается в регистрации отраженных

от границ раздела двух сред направленных ультразвуковых колеба-

ний. Метод позволяет обнаруживать внутренние дефекты в крупнога-

баритных объектах с возможностью определения места и размеров

дефектов.

Метод ударных импульсов заключается в измерении и регистра-

ции механических ударных волн, возникающих при соударении твер-

дых тел. Используется чаще всего для определения состояния под-

шипников качения и смазки. Метод позволяет определить места уте-

чек газа через неплотности в сосудах или трубопроводах высокого

давления.

Тепловой метод заключается в измерении температуры непод-

вижных и движущихся диагностируемых объектов. В качестве при-

бора используется термоиндикатор с широким диапазоном темпера-

тур, не требующий применения специальной измерительной аппара-

туры.

Магнитный метод заключается в регистрации магнитных полей

рассеивания, возникающих над дефектом, и в определении магнит-

ных свойств диагностируемых объектов. Магнитный метод использу-

ется для измерения толщины, для контроля структуры, механических

свойств деталей и в зависимости от способа регистрации магнитных

полей рассеивания или определения магнитных свойств объекта раз-

деляется на магнитопорошковый, магнитографический, феррозондо-

вый, магниторезисторный, индукционный.

Вихретоковый метод заключается в измерении магнитных со-

противлений, изменений магнитного потока и магнитной проницае-

мости. Различают четыре области применения метода: определение

вида и размеров дефектов сплошности, контроль и определение фи-

зико-механических свойств и марок конструкционных материалов,

измерение размеров деталей и покрытий, измерение параметров виб-

раций и перемещения деталей.

Визуально-оптический метод используется с помощью оптиче-

ских приборов (эндоскоп, лупа и др.) для обнаружения поверхност-

ных дефектов.

Спектрографический метод используется для количественного

определения продуктов изнашивания в масле.

Радиационный метод заключается в регистрации изменения ин-

тенсивности излучения объекта диагностирования. В качестве источ-

ника излучения применяют рентгеновские аппараты, ускорители за-

ряженных частиц, радиоактивные изотопы. Метод разделяется на

рентгенографический и рентгеноскопический. Используется для про-

верки сварных швов, отливок, качества металла деталей после дли-

тельной эксплуатации.

Фотоэлектрический метод заключается в измерении освещен-

ности. Используется для измерения линейных и угловых люфтов и

зазоров в сопряжениях, загрязненности масел.

Химический метод используется для определения качества мас-

ла. Заключается в измерении содержания в нем воды, кислот, щело-

чей.

Метод контроля проникающими веществами по различным

признакам разделяется:

– на молекулярный – по характеру взаимодействия веществ с

объектами диагностирования;

– на жидкостной или газовый – по первичному информацион-

ному признаку;

– на люминесцентный, химический, галогенный, пузырьковый –

по способу получения первичной информации.

При выборе того или иного метода измерения диагностического

параметра следует исходить, прежде всего, из его вида, возможного

диапазона его измерения, условий работы или остановки объекта при

измерении, доступности, технологии измерения и необходимой аппа-

ратуры. При этом диапазон измерений диагностических средств дол-

жен обеспечивать регистрацию минимальных и максимальных (пре-

дельных) значений диагностических параметров.

В таблице 1 приведены средства измерения (диагностирования),

примерные области применения, измеряемые параметры.

В промышленных условиях наибольшее распространение полу-

чили вибрационный, электрический (по току приводного электродви-

гателя), тепловой (тепловизионный), по составу смазки, акустоэмис-

сионный, визуальный и механический методы мониторизации и ди-

агностики оборудования. Остальные методы неразрушающего кон-

троля используются при необходимости, в частности, при ремонтах с

разборкой оборудования, при различных испытаниях.

Таблица 1 – Технические средства и области диагностирования

Измеряемый

параметр

Средства измерения Диагностический

Параметр

Область примене-

ния метода

Механический метод

Размер деталей,

зазор в сопряже-

ниях, другие ли-

нейные размеры

Линейки, штангенцир-

кули, нутромеры, зу-

бомеры, шаблоны, ин-

дикаторы, слепки,

люфтомеры, щупы

Износы деталей.

Интенсивность

износов, зазоры,

люфты

Валы, оси, шестер-

ни, катки, подшип-

ники, детали тор-

мозов

Усилие Динамометрические

ключи, ключи пре-

дельного момента, ди-

намометры

Усилие затягива-

ния резьбовых со-

единений, вес

поднимаемого

груза

Контроль усилий

при измерении за-

зоров и люфтов,

болтовые соедине-

ния

Скорость Механические тахо-

метры

Номинальные

скорости работы

приводов

Электроприводы,

электрические дви-

гатели, электриче-

ские тормоза, валы

Давление Манометры, компрес-

сометры, вакуумметры

Давление жидко-

стей и воздуха

Гидро- и пневмо-

приводы

Электрический метод

Токи, напряже-

ния, мощность,

сопротивление

Стрелочные ампер-

вольтметры, измери-

тельные мосты, элек-

тронные осциллографы

Режимы работы

электрических

схем. Измерения и

силы токов в элек-

трических цепях

Схемы управления

приводами и уст-

ройства автомати-

ки

Сопротивление,

индуктивность,

емкость

Потенциометрические,

тензометрические, ин-

дуктивные, емкостные

датчики перемещений,

усилий, крутящих мо-

ментов и давлений

Угловые и линей-

ные зазоры. Сила,

крутящие момен-

ты, давления

Шарнирные соеди-

нения, узлы транс-

миссии, электро-

приводы, органы

управления

Напряжение,

частота

Тахогенераторы, им-

пульсные датчики уг-

ловых перемещений

Номинальные

скорости, ускоре-

ния

Фрикционные

муфты, зубчатые

передачи, тормоза

Температура Термопары, термомет-

ры сопротивления

Температура Различные узлы и

детали

Продолжение таблицы 1

Измеряемый

параметр

Средства измерения Диагностический

Параметр

Область примене-

ния метода

Вибрационный метод

Вибрация Виброметры общего

уровня, виброметры

анализаторы, виброди-

агностические систе-

мы

Виброскорость,

виброускорение,

виброперемеще-

ние, размах коле-

баний, ударная

вибрация

Редукторы, под-

шипники качения,

трубопроводы, дви-

гатели, зубчатые

передачи, вращаю-

щиеся механизмы

Акустический метод

Уровень шума

Частотный

спектр шума

Шумомеры, вибрато-

ры, стетоскопы, ос-

циллографы

Спектрометр звуковых

частот

Износ, измерение

зазоров, наличие

неисправностей

Определение из-

ношенного или

неисправного уз-

ла

Закрытые зубчатые

передачи, подшип-

ники

Ультразвуковой метод

Путь ультразву-

кового импульса

до границы раз-

дела сред

Ультразвуковые де-

фектоскопы

Трещины и внут-

ренние дефекты

Сварные соедине-

ния, узлы металло-

конструкций, узлы

механизмов

Метод ударных импульсов

Износ, трещины,

выкрашивания

Прибор для измерения

ударных импульсов

Ударный импульс Подшипники каче-

ния

Тепловой метод

Температура Термометры сопро-

тивления, термоинди-

каторные краски, тер-

моиндикаторы плав-

ления, контактные

термометры, бескон-

тактные инфракрасные

термометры

Абсолютная тем-

пература нагрева,

неравномерность

нагрева

Металлоконструк-

ции, тормоза, муф-

ты сцепления, валы

Магнитный метод

Магнитное со-

противление

Индуктивные датчики Износ канатов,

толщина немаг-

нитных и анти-

фрикционных

покрытий

Стальные канаты,

антикоррозийные и

антифрикционные

покрытия

Измерения маг-

нитного потока,

магнитная про-

ницаемость

Индукционные датчи-

ки, индукциометры,

датчики магнитной

анизатропии

Измерения сече-

ния канатов, на-

пряженное со-

стояние и устало-

стная долговеч-

ность

Стальные канаты,

металлоконструк-

ции, узлы транс-

миссии

Окончание таблицы 1

Измеряемый

параметр

Средства измерения Диагностический

Параметр

Область примене-

ния метода

Оптический метод

Трещины, корро-

зионные повреж-

дения

Эндоскопы, лупы,

микроскопы, зритель-

ные трубы

Трещины, по-

верхностные ус-

талостные вы-

крашивания, кор-

розионные изъя-

ны

Галтели, посадоч-

ные места валов,

осей, металлокон-

струкций кранов,

корпусов печей

Спектрографический метод

Содержание раз-

личных металлов

в смазочных ма-

териалах

Спектрометры Количественное

соотношение

продуктов изна-

шивания в сма-

зочных материа-

лах

Трансмиссии меха-

низмов, гидросис-

темы

Радиационный метод

Плотность мате-

риала

Содержание ра-

диоактивных ве-

ществ, уровень

радиации

Интенсивность

наведенной ра-

диации

Гамма – и рентгенов-

ские дефектоскопы

Газоразрядные и сцин-

тилляционные радио-

метры

Система радиометри-

ческой аппаратуры

Скрытые внут-

ренние дефекты

Интенсивность

изнашивания

Износ элементов

подшипников или

вставок (свидете-

лей)

Ответственные уз-

лы, детали ГПМ,

металлоконструк-

ции

Зубчатые передачи,

шарниры, узлы хо-

дового оборудова-

ния

Подшипники каче-

ния и скольжения

Фотоэлектрический метод

Освещенность Фотоэлектрические

датчики

Зазоры, люфты,

загрязненные

масла продукта-

ми износа

Трансмиссии, шар-

нирные соединения,

гидросистемы, гид-

роприводы, редук-

торы

Химический метод

Содержание ки-

слот и щелочей в

жидкостях и мас-

лах

Вискозиметр, индика-

тор воды в масле

Изменение рабо-

чих свойств рабо-

чих жидкостей и

масел

Гидросистемы,

смазочные системы

Метод проникающих веществ

Трещины, рако-

вины, поры

Ртутно-кварцевые лам-

пы, светильники ульт-

рафиолетового цвета,

проникающие жидко-

сти

Закалочные, ус-

талостные тре-

щины, дефекты

термообработки,

сварки

Валы, оси, зубчатые

колеса, металло-

конструкции, свар-

ные швы

Все вопросы, связанные с процессами мониторинга и диагно-

стики отражены в стандартах ИСО:

– ИСО 17359-2003. Контроль состояния и диагностика машин.

Общее руководство.

– ИСО 13372-2004. Контроль состояния и диагностика машин.

Словарь основных терминов.

– ИСО 13371-2004. Контроль состояния и диагностика машин.

Прогнозирование развития неисправностей. Общее руководство.

– ИСО 13379-2003. Контроль состояния и диагностика машин.

Интерпретация данных и методы контроля состояния машин.

– ИСО 18434-2004. Контроль состояния и диагностика машин.

Требования к обучению и сертификации персонала.

– ИСО 13373-2005. Контроль состояния и диагностика машин.

Вибрационный контроль состояния машин.

– ИСО 20958. Контроль состояния и диагностика машин. Ана-

лиз электрических параметров.

– ИСО 27045. Контроль состояния и диагностика машин. Термо-

графические изображения.

– ИСО 22096. Контроль состояния и диагностика машин. Аку-

стическая эмиссия.

– ИСО 13374. Контроль состояния и диагностика машин. Мето-

ды обработки, передачи и представления данных, ч.1. Общее руково-

дство, ч.2. Общие методы обработки и анализа – 2006, ч.3. Требова-

ния к обработке данных.

Диагностика оборудования по возбуждаемой в нем вибрации

относится к наиболее эффективным способам предупреждения серь-

езных инцидентов, так как более, чем в 80 % случаев появления не-

обратимых изменений состояния отдельных узлов изменяются раз-

личные параметры вибрации машины. Даже при скачкообразном из-

менении состояния отдельных узлов периодический контроль вибра-

ции позволяет выявить необратимые изменения состояния до того,

как возникает отказ данной машины или оборудования. Для подтвер-

ждения этого вывода рассмотрим более подробно, используемые в

настоящее время, основные методы диагностики (без разборки меха-

низма) технического состояния подшипников качения:

– непосредственного измерения величины радиального зазора в

подшипнике;

– анализа состава смазки подшипника и примесей в ней;

– анализа температуры подшипникового узла;

– анализа вибрации механизма.

Метод непосредственного измерения величины радиального за-

зора подшипника заключается в определении величины перемещения

вала механизма относительно корпуса в вертикальном направлении.

Он не обеспечивает возможности достоверного прогноза техническо-

го состояния подшипника, так как не позволяет определить степень

износа сепаратора и наличие раковин на всех поверхностях качения.

Метод анализа состава и примесей в смазке подшипника в на-

стоящее время наиболее эффективно используется для прогнозирова-

ния технического состояния подшипников, так как позволяет доста-

точно точно определить скорость износа поверхностей трения. Точ-

ные методы анализа (например, рентгеновский) позволяют опреде-

лить скорости износа различных деталей подшипника, так как мате-

риалы, из которых они изготовлены, несколько различаются.

Этот метод имеет два основных недостатка: первый – сложность

анализа и необходимость набора достаточно большого объема изме-

рений по каждому из диагностируемых подшипников; второй недос-

таток определяется тем, что можно обнаруживать только дефекты из-

носа, а на скорость износа и ресурс подшипников качения сущест-

венно влияют дефекты изготовления и сборки подшипникового узла,

которые данным методом не обнаруживаются.

Метод анализа температуры подшипникового узла является

наиболее распространенным. Этим методом обнаруживается откло-

нение от номинальной величины силы трения в подшипнике.

Силы трения могут изменяться в результате изменения сил нор-

мального давления на поверхности качения.

Измерение температуры корпуса подшипника позволяет кон-

тролировать состояние подшипника, однако при отклонении его со-

стояния от номинального вид дефекта и степень его опасности в слу-

чае продолжения эксплуатации подшипника определить практически

невозможно.

Наибольшими возможностями и перспективами обладают виб-

рационные методы диагностики подшипников качения, так как виб-

рация механизма по-разному зависит от различных дефектов под-

шипниковых узлов.

При мониторизации состояния машин и оборудования по их

вибрации решаются две задачи. Первая – это непрерывный или пе-

риодический контроль за вибрационным состоянием машины, обна-

ружение необратимых изменений этого состояния и их интерпрета-

ция. Вторая – это наблюдение за развитием этих изменений вплоть до

достижения опасных ситуаций с прогнозом вибрационного состояния

машины по результатам периодических измерений вибрации.

После обнаружения необратимых изменений параметров вибра-

ции решаются проблемы диагностики, заключающиеся в определе-

нии их вида и глубины, прогнозе технического состояния отдельных

узлов машины при наличии развивающихся дефектов. В конечном

итоге назначение диагностики сводится к выявлению и предупрежде-

нию отказов и неисправностей, поддержанию эксплуатационных по-

казателей в установленных пределах, прогнозированию состояния в

целях полного использования доремонтного и межремонтного ресур-

сов.

Исходя из вышеприведенного, дальнейшее изложение материа-

ла сводится к рассмотрению основ метода вибрационной диагности-

ки.

3 Основы частотного анализа

3.1 Природа механических колебаний

Идеальная машина не создавала бы вообще механических коле-

баний, так как в ней вся энергия превращалась бы в полезную работу.

На практике механические колебания возникают как побочное явле-

ние нормальной передачи динамических сил через механическую

систему. Элементы машины взаимодействуют друг с другом, и через

конструкцию происходит рассеивание энергии в виде механических

колебаний. Источниками колебаний могут служить соударения эле-

ментов оборудования в результате: ослабления резьбовых соедине-

ний, перекатывания тел качения по поврежденным беговым дорож-

кам колец подшипников, нарушения режима смазки в узлах трения и

т.д.

Характерными признаками нормально работающего оборудова-

ния являются ровный характер шума и минимальный уровень вибра-

ции. Однако, по мере износа машины, оседания фундамента и дефор-

мации деталей в динамических свойствах машины начинают проис-

ходить неуловимые изменения. Нарушается центровка валов, детали

начинают изнашиваться, нарушается баланс роторов, увеличиваются

зазоры. Все эти факторы приводят к увеличению энергии механиче-

ских колебаний, которая при рассеивании в машине приводит к воз-

буждению резонансов и увеличению динамической нагрузки на под-

шипники. Причины и следствия усиливают друг друга, в результате

чего приближается полный выход машины из строя.

Элементы машины, сдерживающие механические колебания,

например, корпуса подшипников, обычно доступны с внешней сто-

роны машины, так что имеется возможность замерить в соответст-

вующих точках эти колебания.

Тело считают вибрирующим, если оно совершает колебательное

движение относительно опорного положения равновесия. Число пол-

ных циклов движения тела за единицу времени, т.е. за секунду, назы-

вается частотой и выражается в герцах (Гц). Вибрация, в зависимости

от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминиро-

ванной (чаще периодической), либо случайной. Одним из простей-

ших примеров детерминированного сигнала является гармоническое

колебание камертона (рисунок 2, а), характеризующееся одной часто-

той.

Случайный сигнал в определенном диапазоне может принимать

любое значение и характеризоваться одновременно несколькими час-

тотами (рисунок 2, б).

Встречающиеся на практике вибрации обычно являются слож-

ными механическими колебаниями со многими составляющими на

разных частотах (рисунок 2, в). В таких процессах на основе лишь

амплитудно-временной диаграммы нельзя определить ни число, ни

частоты их отдельных составляющих. Отдельные составляющие

сложных механических колебаний можно обнаружить и определить

путем исследования зависимости их амплитуд от частоты. Разложе-

ние механических колебаний в индивидуальные частотные состав-

ляющие называется частотным анализом, а графическая зависимость

амплитуды или уровня механических колебаний от частоты называ-

ется частотным спектром (частотной спектрограммой). Частотный

анализ является основным методом диагностики, позволяя обнаружи-

вать отдельные источники механических колебаний.

До тех пор, пока возбуждающие силы остаются постоянными

(или изменяются в определенных пределах), уровень механических

колебаний остается постоянным (или изменяется в таких же преде-

лах). Кроме того, для большинства машин механические колебания

Рисунок 2 – К частотному анализу механических колебаний

имеют типичные уровни, а их частотный спектр имеет характерную

форму, когда машина находится в хорошем рабочем состоянии. Ко-

гда начинается развитие неисправности, в машине происходит изме-

нение динамических процессов, а также происходит изменение неко-

торых сил, воздействующих на детали машины. В результате изменя-

ется как уровень механических колебаний, так и форма их спектра.