Учебное Пособие - Мониторинг и диагностика механических объектов

Подождите немного. Документ загружается.

ются свойства случайной вибрации, приобретающей из-за дефектов в

узлах трения амплитудную модуляцию.

В бездефектных узлах трения силы трения и уровень возбуж-

даемой ими случайной вибрации стабилен во времени. Гармониче-

ские составляющие в спектре огибающей вибрации таких узлов от-

сутствуют. Если же силы трения и вибрации приобретают амплитуд-

ную модуляцию из-за дефекта, то частота модуляции определяет вид,

а глубина модуляции – величину дефекта. В спектре огибающей они

однозначно определяются частотами и амплитудами появившихся

гармонических составляющих. Метод диагностирования узлов трения

по спектру огибающей случайной вибрации предложен специалиста-

ми Санкт-Петербурга в 1978 году и с тех пор широко используется в

различных диагностических системах производства ведущих фирм.

Типичный спектр огибающей случайной вибрации подшипника

качения приведен на рисунке 10.

Рисунок 10 – Спектр огибающей вибрации подшипника с раковиной

на наружном кольце

При отсутствии дефектов спектр огибающей имеет фоновые

(случайные) составляющие с близкими по величине уровнями. Де-

фект поверхности трения приводит к модуляции вибрации опреде-

ленной частоты

и в спектре появляется ряд гармонических состав-

ляющих на частотах

kf , причем

может иметь как одно значение,

например

, так и группу 3,2,1

,… Вид дефекта определяется

частотой модуляции

f и числом

обнаруженных гармонических со-

ставляющих. Величина дефекта определяется разностью уровней

∆

максимальной из гармоник

kfi

L и фона

L .

4 Источники вибрации в машинах роторного типа

В каждой машине действуют динамические силы. Эти силы –

источник не только шума и вибрации, но и дефектов, которые изме-

няют свойства сил и, соответственно, характеристики шума и вибра-

ции. Можно сказать, что диагностика сводится к изучению динамиче-

ских сил, а не собственно вибрации или шума. Последние просто со-

держат в себе информацию о динамических силах, но в процессе пре-

образования сил в вибрацию или шум часть информации теряется.

Еще больше информации теряется при преобразовании сил и совер-

шаемой ими работы в тепловую энергию. Именно поэтому из двух

видов сигналов (температура и вибрация) в диагностике предпочте-

ние отдается вибрации.

Основные динамические силы, действующие в машинах ротор-

ного типа, возбуждая их вибрацию или шум, могут иметь механиче-

скую, электромагнитную или гидро(аэро)динамическую природу.

Из сил механической природы следует выделить:

– центробежные силы, определяемые неуравновешенностью

вращающихся узлов;

– кинематические силы, определяемые неровностью взаимодей-

ствующих поверхностей и, прежде всего, поверхностей трения в под-

шипниках;

– параметрические силы, определяемые прежде всего перемен-

ной составляющей жесткости вращающихся узлов или опор враще-

ния;

– силы трения, которые являются результатом суммарного дей-

ствия множества микроударов с упругой деформацией контактирую-

щих микронеровностей на поверхностях трения;

– силы ударного вида, возникающие при взаимодействии от-

дельных элементов трения, сопровождающиеся их упругой деформа-

цией.

Типовой спектр (рисунок 10) характеризуется, как правило,

большим количеством гармонических составляющих в области низ-

ких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляю-

щих становится меньше, и они практически отсутствуют в области

высоких частот. Для диагностики оборудования при выборе частот-

ной области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной

частоты.

Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждать-

ся даже не самой контролируемой машиной, а, например, работаю-

щими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на срав-

нительно большом расстоянии транспортом.

Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что

она слабо затухает в пространстве, следовательно, в точку установки

датчика доходит вибрация от всех узлов других машин и от соседнего

оборудования. Поэтому при анализе вибрации на низких частотах

возникает проблема локализации дефектного узла и проблема поме-

хоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5-ой гар-

моники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, по-

этому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать

всю машину.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуж-

дается, в основном, колебательными силами, действующими в бли-

жайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается

большое количество гармонических составляющих разной частоты,

но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих со-

ставляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуж-

дающих их колебательных сил. Как следствие – искажение информа-

ции о дефектах – источниках этих колебательных сил.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер,

в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но дос-

таточно малых сил для возбуждения вибраций.

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном,

микроударами, но распространяется только по однородной среде (ме-

талл без плоскостей разъема).

5 Системы вибрационной диагностики

В настоящее время используются три основных вида систем мо-

ниторинга и диагностики машин по вибрации:

Переносные системы.

Стендовые системы.

3. Стационарные системы.

Система мониторинга в любом ее исполнении должна иметь че-

тыре основных подсистемы:

Измерительные датчики и средства связи;

Средства анализа сигналов;

Средства хранения данных и их отображения;

Пакет программ для мониторинга (подсистема обращения к

базам данных, отображения результатов анализа, сравнения с по-

рогами, построение трендов).

Основной отличительной характеристикой переносной системы

мониторинга и диагностики можно считать работу диагноста по под-

ключению первичных датчиков вибрации к переносным устройствам

ее измерения и анализа. Эта работа выполняется вручную и перед

каждым измерением.

Как правило, использование переносных систем связано с уста-

новкой датчиков на объекте на время измерения. Но в недоступных

местах датчики могут устанавливаться стационарно, а линии связи

выводятся в доступные диагносту место. Преимущество переносной

системы диагностики заключается в возможности увеличивать коли-

чество точек контроля вибрации до необходимого (на каждом узле),

за счет увеличения интервалов между измерениями. Эти интервалы

определяются длительностью долгосрочного прогноза и, как правило,

составляют несколько дней или недель.

Если переносные системы выполняют только функции монито-

ринга, то такие системы оказываются малоэффективными и их следу-

ет заменять на стационарные, с возможностью измерять вибрацию

практически постоянно.

Отличительная особенность стендовой системы мониторинга и

диагностики – группа датчиков, устанавливаемая во все необходимые

точки контроля машины на время измерения и последовательное (па-

раллельное) измерение и анализ диагностических сигналов по выби-

раемым диагностом алгоритмам.

Как правило, стендовые системы используются либо на время

испытаний машины, например, для ее выходного контроля, либо для

периодического обследования машин, устанавливаемых на специаль-

ный стенд. В последнем случае система мониторинга и диагностики

является составной частью стенда, а диагностика производится с по-

строением эталона по группе одинаковых машин.

Особенностью стационарной системы является то, что работа

системы происходит автоматически, в том числе планирование изме-

рений и их проведение, анализ сигналов и все дальнейшие операции

мониторинга. В стационарной системе из-за нехватки датчиков может

не быть подсистемы гибкой диагностики. Для осуществления по-

следней операции дополнительно необходим переносной прибор.

6 Организация периодического мониторинга технического

состояния оборудования

Обычно первый шаг при построении системы вибромониторин-

га оборудования состоит в создании компьютерной базы данных по

обслуживаемому оборудованию, содержащей детальное описание

всех обслуживаемых агрегатов, их измерительных точек, измеряемые

параметры для каждой точки и предварительные предельно допусти-

мые уровни измеряемых параметров (в дальнейшем записи базы дан-

ных могут быть расширены, удалены или модифицированы). Затем

создаются маршруты обходов оборудования (установок, агрегатов,

измерительных точек), по которым будет следовать диагност и про-

изводить сбор данных по каждой измерительной точке маршрута.

Маршрут определяет последовательность сбора данных.

Периодически диагност проводит измерение вибрации, оцени-

вая состояние оборудования, для чего маршрут обхода оборудования

предварительно загружается в сборщик данных. В процессе проведе-

ния измерений на экране сборщика данных индицируются штатные

измерительные точки агрегата, на которых необходимо установить

датчик для проведения измерений.

Сам процесс измерения ограничивается следующими условия-

ми:

От замера к замеру частота вращения элемента машины не

должна отличаться более чем ±10 % от среднего значения;

Нагрузка на машину может изменяться в пределах ±20 % от

среднего значения;

Частота вращения в момент измерения может колебаться не

более одного процента от средней величины.

Перед проведением измерения необходимо убедиться, что на-

грузка на подшипнике качения при работе машины является безудар-

ной. Если в процессе работы в машине возникают ударные нагрузки,

то подшипник качения необходимо по возможности диагностировать

на холостом ходу.

Далее, после всех запланированных измерений на маршруте, со-

бранные в сборщике данные “разгружаются” в компьютер для анали-

за. Используя программное обеспечение компьютера, диагност про-

водит анализ собранных данных с целью определения состояния об-

следованных агрегатов. Типичный цикл мониторинга представлен на

рисунке 11.

Рисунок 11 – Типичный цикл мониторинга

Анализирующее программное обеспечение в автоматическом

режиме сравнивает текущие уровни вибрации с предельными. В слу-

чае достижения текущим уровнем контролируемого параметра пре-

дельного уровня предупреждает о возникновении опасной ситуации.

Программное обеспечение может строить тренды (истории развития)

параметров и прогнозировать состояние агрегата, автоматически пре-

дупреждая о том, на каком оборудовании имеются тенденции к опас-

ному постоянному возрастанию вибрации. В случае необходимости

диагност может самостоятельно провести анализ возникшей ситуации

с использованием программного обеспечения. Хотя даже первое из-

мерение обычно позволяет провести оценку состояния агрегата, для

построения трендов и прогнозирования изменений параметров требу-

ется несколько замеров. По мере накопления данных уточняются

предельные значения параметров вибрации и повышается вероят-

ность достоверного прогнозирования изменений вибрации агрегата.

По полученным результатам планируются сроки проведения техни-

ческого обслуживания и ремонтов оборудования.

Опыт показывает, что приемлемый уровень начальных вложе-

ний для типичного предприятия в средства измерений для периоди-

ческого мониторинга не должен превышать одного процента стоимо-

сти оборудования, предназначенного к мониторингу. В этом случае,

как правило, отношение затрат к прибыли при хорошо организован-

ном обслуживании по фактическому техническому состоянию дости-

гает ориентировочно один к пяти, то есть рентабельность составляет

пятьсот процентов.

7 Программное и приборное обеспечение

В настоящее время ряд зарубежных и отечественных фирм

(Брюль и Къер, CSI, ООО «Диамех», ИФ «Инкотес», ЗАО «ВАСТ» и

др.) выпускает пакеты программ для сбора, накопления и обработки

данных по вибрации. Пакеты прикладных программ различных фирм

достаточно сходны по идеологии взаимодействия со сборщиком дан-

ных, но могут существенно различаться по составу программ, уровню

сервиса и количеству выполняемых функций.

Шведские специалисты (фирма «SPM Instrument») предложили

метод оценки состояния подшипников, чувствительный к появлению

микроударов при контакте элементов трения в подшипниках качения.

Он получил название «метод ударных импульсов». На поверхности

беговых дорожек подшипников всегда имеются неровности. При ра-

боте подшипника происходят механические удары и возникают удар-

ные импульсы. Значение ударных импульсов зависит от состояния

поверхностей качения и окружной скорости. Ударные импульсы, ге-

нерируемые подшипником качения, увеличиваются в тысячи раз, на-

чиная от начала эксплуатации и заканчивая моментом, предшест-

вующим замене. Испытания показали, что даже новый и смазанный

подшипник генерирует ударные импульсы. На основе этого метода

фирма выпускает ряд приборов для контроля состояния подшипни-

ков. Из последних разработок можно назвать тестер состояния маши-

ны Т30 и анализатор состояния машины А30.

На этом же принципе российская фирма ООО «Диамех» разра-

батывает и производит гамму виброизмерительной аппаратуры (ана-

лизаторы «Кварц», «Топаз» и др.). Такие анализаторы вибрации ре-

комендуется применять для оценки состояния однотипного по конст-

рукции, частоте вращения, массе, габаритам и условиям эксплуата-

ции оборудования длительного режима работы.

Метод ударных импульсов позволяет контролировать состояние

подшипников качения, но не диагностировать их. К недостаткам это-

го метода можно отнести и недостаточную эффективность прогноза

развития дефектов, а также резкое снижение достоверности при

оценке низкооборотных машин (менее 100 об/мин).

Универсальный виброизмеритель «Агат» представляет собой

двухканальный малогабаритный прибор, основные функции которого

сводятся к измерению и анализу вибрации, вибрационному монито-

рингу, диагностике подшипников качения, динамической баланси-

ровке в собственно опорах.

Бесконтактные лазерные системы измерения вибрации фирмы

Politec позволяют бесконтактно измерять вибрацию любой поверхно-

сти в плоскости, перпендикулярной направлению луча в очень широ-

ком диапазоне частот и амплитуд.

Приборы и системы вибродиагностики фирмы PRUFTECHNIK

предназначены для определения общего уровня вибрации, состояния

подшипников качения, кавитации насосов, частоты вращения вала и

температуры, в том числе жидкости.

Современный подход к диагностике заключается в использова-

нии так называемой многофункциональной технологической плат-

формы, то есть совместного использования методов вибродиагности-

ки, результатов анализа смазочного масла, параметров рабочего про-

цесса, инфракрасной термографии, оптической интроскопии и др.

Фирма Брюль и Къер (Дания) предлагает пакет программ по мо-

ниторизации и диагностированию роторного оборудования на базе

сборщика данных типа 2526. Комплекс обеспечивает автоматическое

диагностирование и прогнозирование технического состояния меха-

низмов, накопление и хранение информации. Мониторизация машин

и оборудования с помощью этого комплекса может осуществляться

по сигналам вибрации, шума, температуры, тока (напряжения) и др.

Пакет программ Master Trend (фирмы CSI, США) является осно-

вой системы «надежность на базе технического обслуживания». Дан-

ная система включает анализ механических вибраций, термографию,

анализ смазочных масел, балансировку и центровку, анализ электри-

ческих цепей, управление техническим обслуживанием и ремонтами.

Вибрационный анализ осуществляется на базе анализатора типа 2115.

Новым шагом систем обслуживания машин по состоянию явля-

ется интегрированная среда Voyager ("Вояджер") (США), которая

включает вибродиагностику, анализ частиц износа, анализ масла, па-

раметры процессов, термографию, экономические расчеты, компью-

терную систему управления обслуживанием оборудования. Эта среда,

в которой ключевые технологии обслуживания по состоянию взаимо-

действуют и обмениваются информацией о состоянии согласованно

друг с другом, а решения принимаются комплексно. В данной систе-

ме используется портативный многоканальный виброанализатор мо-

дели DC-7B фирмы PREDICT/DLI (США). Этот прибор позволяет

проанализировать состояние машин на месте или собрать данные для

их обработки в лаборатории пакетом программного обеспечения EX-

PERT ALERT автоматизированной экспертной системы вибродиагно-

стики и обслуживания машин по состоянию фирмы DLI. Установле-

но, что для данной системы точность диагноза составляет около 90 %

в типично новых программах мониторинга и превышает 96 % после

начальной адаптации и накопления достаточной статистики для кон-

кретного оборудования.

Виброанализатор DLI автоматически распознает номер поса-

дочного блока (точки замера), на котором ведется запись данных, так

что диагност может не беспокоиться о порядке обхода маршрута при

обследовании оборудования.

Одним из первых разработчиков автоматической диагностики

является ЗАО «ВАСТ» (Виброакустические системы и технологии),

г.Санкт-Петербург. Составной частью системы мониторинга и диаг-

ностики оборудования по вибрации, разработанной этой фирмой, яв-

ляется пакет программ DREAM for Windows. Система включает в се-

бя три составные части:

– прибор измерения и анализа вибрации (анализатор-сборщик

данных CD-12М, CD-21);

– персональный компьютер;

– пакет программ DREAM для мониторинга и диагностики.

Система предусматривает возможность автоматического мони-

торинга машин и оборудования в целом или по узлам и глубокой ав-

томатической диагностики узлов роторных машин.

В программу автоматической диагностики включены диагно-

стические модули следующих узлов:

– подшипники качения и подшипники скольжения;

– ротор в подшипниках качения;

– ротор в подшипниках скольжения;

– редуктор с подшипниками качения;

– редуктор с подшипниками скольжения;

– планетарный редуктор с подшипниками качения;

– планетарный редуктор с подшипниками скольжения;

– насосы с рабочими колесами;

– вентиляторы, компрессоры, турбины с рабочими колесами;

– электромагнитная часть асинхронного двигателя;

– электромагнитная часть синхронной электрической машины;

– электромагнитная часть машины постоянного тока.

Основным назначением системы является мониторинг, диагно-

стика и прогноз состояния машин в процессе их эксплуатации, но она

может использоваться также для решения следующих задач:

– выходной контроль технического состояния машин (узлов)

после изготовления или ремонта;

– входной контроль машин (узлов) на ремонтных предприятиях

с уточнением объема необходимых ремонтных работ;

– вибрационный контроль машин, оборудования и рабочих

мест;

– контроль качества работ по монтажу на месте эксплуатации

машин и оборудования;

– накопление баз данных по вибрации машин и оборудования.

К переносной виброаппаратуре относятся виброметры, предна-

значенные для текущих контрольных измерений виброускорения,

виброскорости и виброперемещения в выбранных ответственных