Назначение и возможности систем вибрационного мониторинга и диагностики роторного оборудования

Для обоснования выбора диагностических параметров в каждом конкретном случае необходимы экспериментальные исследования агрегатов в рабочем и неисправном состояниях. При этом следует учитывать, что дефекты обычно характеризуются комплексом диагностических параметров.

Вибрация агрегатов, рассматриваемая при диагностических исследованиях в широком диапазоне частот и амплитуд, является комплексным диагностическим сигналом, представляющим собой совокупность аддитивных и мультипликативных комбинаций сложных слабых и сильных "элементарных" диагностических сигналов, возбуждаемых различными источниками колебаний. При этом частотный состав большинства "элементарных" сигналов может значительно изменяться даже на установившихся режимах работы агрегата.

Разнообразие дефектов, обнаруживаемых методами вибрационной диагностики, и сложность сигналов, порождаемых неисправностями и колебаниями деталей агрегатов, заставляет при выявлении и измерении диагностических параметров проводить разнообразную обработку сигналов:

разделение вибрационного сигнала в частотно -- фазовой и временной областях на "элементарные" сигналы, т. е. на компоненты, обусловленные различными факторами, каждый из которых является самостоятельным источником, вызывающим колебания;

пространственное разделение вибрационных сигналов;

восстановление форм выделенных "элементарных" сигналов;

линейные и нелинейные преобразования сигналов (фильтрацию, нормализацию, интегрирование, дифференцирование и т. д.);

измерение отдельных параметров и статистических характеристик сигналов;

измерение характеристик взаимосвязи сигналов.

Выбор способа обработки сигнала и соответствующей структурной схемы измерительного канала определяется постановкой диагностической задачи, особенностями исследуемого и выделяемого сигналов, особенностями конструкции обследуемого оборудования и прочими факторами.

Успех решения задач вибродиагностики при эксплуатации парка оборудования во многом зависит от контролепригодности конкретных агрегатов.[3]

2.3 Разбиение агрегата, как объекта диагностирования, на элементарные блоки

Любой сложный агрегат состоит из ряда деталей (элементов, узлов), соединенных между собой, поэтому отказ любого из элементов может вызвать нарушение работоспособности всего агрегата. Сложные функциональные зависимости при взаимодействии элементов агрегата и большое число структурных параметров затрудняют описание его поведения. Методы и приемы, облегчающие процесс диагностирования сложных систем, сводятся к следующим операциям: агрегат разбивается на подсистемы, которые в свою очередь разбиваются на точки, связанные между собой иерархической структурой. Разбиение агрегата на узлы способствует упрощению процедуры поиска возможных неисправностей, приводящих к отказу. Во многих случаях, если пренебречь некоторыми связями, диагностирование узлов возможно независимо друг от друга. Для получения достоверной информации о состоянии оборудования используются различные виды диагностических обследований, например общее по основным параметрам работоспособности объекта и поэлементное, сопровождающееся последовательным распознаванием неисправностей механизма.

Состояние элементов выявляется некоторой последовательностью проверок (измерений) называемых работами по исследованию вибрации. Совокупность проверок, достаточную для определения состояния агрегата вплоть до выявления характера неисправностей, называют диагностическим тестом. Такая проверка может быть поэлементной, когда проверяется исправность каждого элемента (узла) в отдельности; по модулям, когда производятся измерения в отдельных блоках, состоящих из ряда элементов, и по группам элементов, составляющим функциональное звено системы -- отдельный механизм агрегата.

Первоочередными объектами диагностирования являются те элементы и сопряжения (узлы), отказ которых наиболее вероятен. Такие узлы называют критическими.

Критичность узлов оценивают коэффициентом повторяемости неисправностей, их средней частотой, процентным отношением числа появлений неисправностей данного элемента, а также стоимостными и трудовыми затратами на устранение пропущенных отказов и проведение диагностирования.

Статистический анализ показателей надежности и затрат на восстановление узлов позволяет получить характеристику и адрес наиболее слабого звена. Кроме указанных выше затрат, объект диагностирования характеризуется непрерывными затратами на поддержание его работоспособности.[3]

2.4 Виды отказов и дефектов и их связь с вибропроцессами

Достоверность оценки состояния агрегата при техническом обслуживании, включающем в качестве необходимой составной части техническое диагностирование, зависит от понимания сущности рабочих процессов, выступающих в качестве носителей диагностической информации, и от знания законов возникновения и развития неисправностей.

Отказы и дефекты связаны с вибрационными процессами в оборудовании различным образом, они могут быть вызываемыми вибропроцессами, вызывающими вибропроцессы или изменяющими их. При разработке методик диагностирования полезно выделять характерные стадии развития дефекта (отказа), поскольку каждая из них может характеризоваться своим комплексом диагностических параметров. Обычно различают следующие стадии:

появление причин, вызывающих дефект или отказ;

инкубационный период (накопление повреждаемости, зарождение дефекта и ранняя стадия развития, вызывающая изменение свойств, иногда трудно обнаруживаемого используемыми методами диагностики);

развитый дефект, т. е. дефект, обнаруживаемый методами диагностики, но не вызывающий вторичных повреждений;

развитие дефекта, вызывающее вторичные повреждения или изменения в оборудовании, характеризующиеся своими диагностическими параметрами;

внезапное или мгновенное разрушение (имеет место не для всех дефектов), которое может вызывать или не вызывать вторичных разрушений.

Первые две стадии в большинстве случаев диагностируют по параметрам, характеризующим причины дефекта, длительность и степень их воздействия. Развитый дефект обнаруживают по параметрам, характеризующим степень его развития. Развитие дефекта, вызывающее вторичные повреждения дополнительно обнаруживается по диагностическим параметрам этих повреждений. В задаче диагностики внезапного или мгновенного разрушения, которое необходимо предотвратить при контроле оборудования, следует использовать параметры, характеризующие первые две стадии его развития.

В вибродиагностике следует учитывать тот факт, что дефекты на разных стадиях развития могут быть связаны с вибрационными процессами в оборудовании (колебаниями его деталей или динамическими процессами, их взывающими) различным образом, а переход от одной стадии развития к другой может быть постепенным или скачкообразным.

Дефекты обычно классифицируют по следующим аспектам, учитываемым при разработке и использовании методов и средств диагностики:

по виду разрушения (усталость, износ, ползучесть, коррозия, термодеформации и т. д.);

по моментам проявления (в процессе работы, при осмотрах и техническом обслуживании, при разборке);

по временному характеру проявления (внезапные, постепенные, сбои, перемежающиеся отказы);

по причинам возникновения (конструктивные, технологические, производственные, эксплуатационные, дефекты материала);

по степени опасности;

по последствиям (отказ, устраняемый при эксплуатации; отказ, ведущий к досрочному выводу оборудования из эксплуатации; отказ, ведущий к происшествию; отказ, ведущий к аварии);

по способам устранения (заменой детали, регулировкой, мелким ремонтом, заменой узлов в эксплуатации, доработкой в заводских условиях и т.д.);

* по связи дефектов и отказов между собой (независимые и зависимые).

Рассмотрим основные факторы и процессы, вызывающие прочностные отказы и дефекты оборудования, их связь с вибрационными процессами.[3]

2.4.1 Загруженность деталей оборудования

Нагрузки бывают нескольких видов: статические, динамические (переменные и ударные), циклические.

Статические нагрузки могут оказывать влияние на вибрации в оборудовании, главным образом в тех случаях, когда они вызывают изменение геометрической формы деталей, например кинематических пар. Кроме того, под действием статических нагрузок могут изменяться частоты собственных колебаний деталей, вследствие увеличения жесткости, например, действие центробежных сил на диски и лопатки турбомашин. При действии достаточно высоких статических нагрузок в течение длительного времени, явления ползучести материала могут привести к изменению геометрической формы деталей и появлению трещин.

Циклические нагрузки не вызывают вибраций оборудования, но приводят к явлениям усталости металла, что в свою очередь может оказать влияние на вибрацию.

Динамические нагрузки -- основная причина колебания деталей агрегатов и их динамической напряженности, приводящей к усталостным поломкам.[3]

2.4.2 Усталость

Существуют несколько видов усталостных разрушений деталей: типичная усталость под действием переменных напряжений происходит из-за развития трещины, распространяющейся в материале по экспоненциальному закону; контактно -- усталостные разрушения (питтинг, шелушение, усталостное выкрашивание контактных пар), начинающиеся с зарождения язвины или отдельного очага усталостного разрушения и, затем, с увеличением числа язвин относительно быстрого разрушения; коррозионно-усталостные разрушения деталей начинаются с очага коррозии (например, подверженных воздействиям агрессивных газов), служащего началом трещин, после заполнения, которых продуктами коррозии происходит коррозионное растрескивание и разрушение деталей; термическая усталость на начальной стадии сопровождается слабым изменением геометрической формы тела вследствие образования сетки мелких трещин, затем магистральных трещин, приводящих к разрушению под действием динамических напряжений.

Под действием переменной нагрузки усталостная долговечность имеет обратно -- степенную зависимость от ее значения с показателем степени порядка восьми и более в зависимости от материала.[3]

2.4.3 Связь усталости и вибрации

Вибрация вызывает усталостные разрушения деталей, действуя, как переменная нагрузка. При появлении усталостных трещин изменяются собственные частоты колебаний деталей вследствие изменения их жесткости и могут изменяться демпфирование и характер колебаний (например, начинают проявляться эффекты нелинейности), что может вызвать изменение характера вибрации данной детали.

Характер изменений при усталостных процессах таков, что существует инкубационный, обычно длительный, период медленного накопления повреждений с постоянной скоростью, после которого происходит резкое увеличение скорости накопления повреждений. Такому закону, очевидно, должно следовать и изменение интенсивности вибрации, связанной с явлениями усталости. Однако при этом следует учитывать возможное изменение частот и форм колебаний вибрирующих деталей -- возможны резкие изменения интенсивности колебаний деталей, вошедших в резонанс. Для нормально работающих деталей (исправное состояние) в инкубационном периоде развития усталостных дефектов изменение вибрации происходит с постоянной скоростью (при этом возможно случайное медленное флуктуирующее изменение интенсивности). На стадии быстрого разрушения увеличивается частота случайных флуктуации и их размах (дисперсия), т.к. увеличивается скорость случайных изменений.[3]

2.4.4 Закономерности ползучести

В процессе ползучести выделяют три периода: сначала постепенное уменьшение скорости пластической деформации, затем процесс протекает с минимальной постоянной скоростью, причем с ростом напряжения и температуры скорость пластической деформации растет, и при этом продолжительность данного периода с точки зрения эксплуатации агрегата уменьшается, и, наконец, скорость деформации нарастает, пока не наступит разрушение.[3]

2.4.5 Остаточная деформация

Нагрузки, вызывающие напряжения, которые превышают предел упругости, могут привести к остаточной деформации и появлению трещин. Остаточные деформации изменяют геометрическую форму и размеры деталей, что влияет на вибрационные процессы, генерируемые взаимодействием деталей (кинематических пар).[3]

2.4.6 Износ

Возможны несколько видов износа, которые появляются в связи с одним или несколькими следующими процессами: микросрезанием, пластической или упругой деформацией, возникающей вследствие высоких местных напряжений, поверхностной усталостью при повторяющихся упругих деформациях поверхности, местным перегревом, окислением, забиванием микротрещин смазкой, что является причиной возрастания давления, которое приводит к повреждению поверхностного слоя. Эти процессы могут происходить одновременно и приводить к ниже перечисленным видам износа.

Абразивный износ. Возникает вследствие истирания трущихся поверхностей и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся поверхности и пути скольжения. Пример -- износ подшипников. Истирание трущихся поверхностей, разделенных смазкой, вызывает струйный износ, а контактирующих (например, при задеваниях) фрикционный.

Заедание. Возникает вследствие контакта поверхностей в условиях разрушения масляной пленки. Различают следующие стадии этого процесса: увеличение коэффициента трения из-за нарушения режима смазки, резкий нагрев, разрушение поверхностного слоя, сопровождающееся свариванием металла двух поверхностей. Наиболее часто встречается в зубчатых муфтах и зацеплениях, а также поршневых агрегатах.

Усталостный износ (питтинг). Возникает вследствие усталости поверхностного слоя и при относительном скольжении поверхностей и вследствие микрошероховатостей. Наиболее часто встречается в зубчатых парах и подшипниках качения.

Коррозионный износ. Возникает вследствие взаимодействия деталей агрегата с агрессивной средой.

Кавитационная эрозия. Возникает вследствие локальных гидравлических ударов жидкости в зоне кавитации.

В процессе износа выделяют три стадии:

приработка, когда изменяется микро -- и макроструктура поверхностей и имеет место уменьшение скорости износа;

нормальный износ, когда можно принять линейную связь между значением износа и временем;

прогрессивный износ, когда имеет место возрастание скорости износа.

Основными факторами, влияющими на значение нормального износа, являются удельное давление и относительная скорость движения трущихся деталей.

Износ деталей кинематических пар приводит к увеличению зазоров в парах, что усиливает проявление динамических сил взаимодействия деталей, приобретающего в некоторых случаях ударный характер, и обогащение вибросигнала шумовыми и импульсными составляющими. Износ может также изменить жесткостные характеристики системы, что влияет на частоты и формы колебаний.

Отказы из--за несовершенства изготовления и сборки оборудования.

Причинами отказов могут быть как эксплуатационные факторы, так и несовершенство изготовления и сборки оборудования. Эти причины весьма многообразны.

Причины отказов, закладываемые при проектировании машины, могут быть следующими: неудачный выбор формы деталей, например, с концентраторами напряжений и резким изменением сечений; неудачный выбор материалов и их сочетаний; недооценка нагрузок и действующих сил; неучет их возможных изменений в процессе эксплуатации машины и т. д.

Причинами отказов, закладываемыми при изготовлении машины, могут быть, например, неудачные допуски, использование бракованных деталей и материалов, нарушения технологии изготовления, неполнота контроля.

Нарушение технологии в процессе сборки -- частая причина отказов, например, из-за неправильно установленных зазоров, пятна контакта, нарушения посадок, ослабления затяжки и др.

Другая частая причина -- изменения конструкции или технологии, влияние которых на надежность машины трудно определяется при разработке и внедрении и проявляется в ходе эксплуатации машины.

В машинах протекают различные, связанные с их функционированием, динамические процессы, происходящие в различных средах: газовых, жидкостных, воздушных и т. д. Большинство этих процессов оказывают динамическое воздействие на элементы конструкции и вызывают их колебания. Некоторые динамические процессы (вибрационное горение, кавитация и др.) вызывают разрушение деталей машин. В диагностическом плане динамические процессы могут быть связаны с колебаниями элементов конструкции и как возбуждающие вибрацию, и как изменяющие ее.

Итак, I в процессе эксплуатации структурные параметры оборудования изменяются, упорядоченность системы в целом и ее функциональные качества ухудшаются, деградируют. Для того чтобы измерить степень этой деградации в данный момент и прогнозировать ее на ближайшее время, необходимо знать закономерность изменений структурных параметров под воздействием типичных эксплуатационных факторов. Такими изменениями структурных параметров механизмов являются изменения, приводящие к постепенному или внезапному отказу механизма.

Неисправности элементов конструкции механизма, развитие которых в процессе эксплуатации до критического уровня, т. е. до наступления отказа, не может быть зарегистрировано и проконтролировано средствами диагностирования, условно называются неисправностями, вызывающими внезапный отказ. Как говорилось ранее, такого рода отказы возникают, например, при статическом разрушении от действия мгновенно возникшей нагрузки, превышающей прочность элемента, при усталостном разрушении, возникающем в результате производственных дефектов (трещина, не снятые напряжения). Внезапный характер возникновения таких изменений затрудняет их индивидуальное прогнозирование. Неисправности элементов конструкции механизма, возникновение и развитие которых может быть зарегистрировано на ранней стадии возникновения и проконтролировано до критического уровня, называются неисправностями, вызывающими постепенный отказ. Такого рода отказы являются следствием естественного износа, в результате чего происходит постепенное, монотонное изменение структурных параметров. При этом износ может быть прогрессирующим, ускоряющимся, в случае жесткого сопряжения элементов, либо замедляющимся в случае упругих сопряжений.



Рис. 2.1. Схема характерных процессов изнашивания узлов механизма в зависимости от наработки. 1 -- износ упругого сопряжения; 2 -- износ жесткого сопряжения; 3 -- классическая кривая Лоренца; 4 -- усталостный или кавитационный износ; 5 -- коррозионный износ.

Для выкрашивания, кавитации, коррозионного и некоторых других видов износа характерно наличие инкубационного периода tИ. Анализируя графики, приведенные на рис. 2.1., можно заметить некоторую общность кривых и возможность с достаточной точностью их описания функцией вида:

x = v tб ,

где х -- значение параметра; v -- скорость изменения параметра при t = l, уменьшенная в а раз; б -- показатель степени; t -- наработка.

В настоящее время показатель, б экспериментально определен для многих характерных объектов диагностирования. Например, для изменения теплового зазора клапана двигателя б = 1,1; для износа зубьев шестерен б = 1.5 и т. д.

В реальных условиях имеет место одновременное существование всех перечисленных типов деградации узлов механизма. Для того чтобы разработать метод и технологию диагностирования какого--либо объекта, необходимо знать закономерности изменения виброакустических характеристик со временем наработки.



Рис. 2.2. График изменения уровня вибрации с наработкой при локальном износе контактирующих поверхностей.

Как правило, эти закономерности не совпадают с изображенными на рис. 6, например, локальный износ контактирующих поверхностей вызывает сначала падение уровня вибрации (этап приработки), затем этот уровень практически остается неизменным на достаточно большом интервале времени (нормальная работа), и только на третьем этапе (интенсивный износ) наработки уровень начинает расти по экспоненте до момента отказа (рис. 2.2.).[3]

2.5 Требования к диагностическим признакам

Вибродиагностика оборудования есть не что иное, как распознавание классов технических состояний агрегата по совокупности его вибрационных характеристик. Эта проблема может быть решена как методами статистической теории распознавания при наличии большого объема информации, так и детерминистскими методами, более кратко описывающими наиболее существенные стороны явления.

Распознавание состояний оборудования -- это отнесение предъявленного к опознанию виброакустического образа к одному из возможных классов (диагнозов) с помощью специально построенного решающего правила. Для успешного решения этой задачи должна быть набрана статистика соответствия диагностических признаков классам технических состояний. Исходя из изложенного выше, задачу диагностирования можно рассматривать как двойственную задачу: с одной стороны, задачу построения характеристики класса состояний, которому принадлежит совокупный виброакустический образ, и, с другой стороны, задачу принятия решения о принадлежности к одному из классов состояний испытуемого виброакустического образа. Решение такой задачи обеспечивается правильным выбором ряда структурных параметров (диагностических признаков), в частности параметров вибрации.

Рациональный выбор диагностических признаков, т. е. соответствующим образом представленных характеристик колебательных процессов, чувствительных к изменению технического состояния машин и механизмов, в значительной мере определяет успех диагностирования. Казалось бы, чем больше число признаков, тем полнее они характеризуют объект диагностирования и тем надежнее распознавание. Но это справедливо лишь в том случае, когда признаки независимы. Очевидно, что наиболее полезными признаками являются те, которые инвариантны (нечувствительны) к изменению внутри класса и резко меняются при переходе от одного класса к другому. Каждый из признаков, характеризующих состояние механизма, при измерении может получать случайные значения, как в результате погрешностей измерения, так и в результате разброса параметров состояний, принадлежащих одному классу. Наиболее информативными являются такие характеристики виброакустического сигнала, которые мало меняются от эксперимента к эксперименту при задании одних и тех же параметров технического состояния, т. е. имеют наименьшую дисперсию при условии, что средние значения этих признаков для разных дефектных состояний достаточно отличаются друг от друга, иначе говоря, дисперсия по всей совокупности состояний велика.

При выборе диагностических признаков необходимо учитывать ряд требований, вытекающих из задачи оптимизации диагностической системы. Прежде всего, признаки должны быть связаны с состоянием объекта, бразовывать достаточную систему для обеспечения достоверного диагноза. Предпочтительны признаки, которые позволяют обнаружить дефекты на возможно более ранних стадиях их развития. Признаки должны обеспечивать требуемую глубину диагноза, не усложняя процедуры и не увеличивая стоимости средств диагностирования.

В виброакустической диагностике часто прибегают к выбору таких признаков состояний, каждый из которых характеризует свой образ (характерные признаки), а минимизация описания объекта производится исходя из физических соображений.

Выбор информативных диагностических признаков тесно связан со структурой виброакустического сигнала агрегата. Именно поэтому в вибродиагностике важнейшая роль отводится модели формирования и изменения виброакустического сигнала при появлении и развитии дефектов.

Больше других разработаны детерминированные модели, в которых колебательные процессы представляются периодическими функциями, связанными с вращением или периодическим соударением элементов узлов механизма. Информативными диагностическими признаками здесь являются амплитуда, продолжительность и момент появления импульса, а также частота, амплитуда и фаза гармонического сигнала. Модели с детерминированными сигналами оправдали себя и дают хорошие практические результаты для сравнительно низкооборотных (1500...15000 об/мин) агрегатов с малым количеством источников возбуждения колебаний.

Наиболее употребительной характеристикой виброакустического - сигнала является энергетический спектр -- поставщик информации об амплитудно-частотных изменениях в сигнале при появлении неисправности. В ряде случаев, например, при разработке системы диагностирования работоспособности агрегата, достаточно ограничиться данными спектрального анализа.

Намного сложнее обнаружить зарождающийся дефект высокооборотного (более 15000 об/мин) агрегата с большим числом взаимосвязанных источников возбуждения. Виброакустические сигналы в таких объектах, как правило, являются случайными процессами, а информативными признаками служат довольно сложные характеристики сигналов (корреляционные функции, кепстры, биспектры, функции распределения вероятностей, моментные характеристики и др.), получение которых доступно иногда только при использовании многоканальных виброанализаторов.

Перечень характеристик виброакустических процессов, наиболее часто используемых в диагностических целях при проведении мониторинга оборудования с помощью одноканальных сборщиков данных, приведен в приложениях.

Для выявления характерных диагностических признаков виброакустический процесс подвергается предварительной спектральной обработке, позволяющей выявить зоны и характер наибольших изменений сигнала в частотной области. На основании спектрального анализа выбирается способ извлечения из сигнала информативного компонента путем подавления помехи за счет фильтрации, интегрирования, детектирования, усреднения и т. п. Затем составляется перечень (словарь) диагностических признаков, чувствительных к определенному дефекту.[3]

2.6 Свойства вибросигнала роторных агрегатов

Представление вибросигнала полигармонической и квазиполигармонической моделями.

В оборудовании, рассматриваемом в настоящей книге, характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращательным движением. К такого рода агрегатам относятся роторные, где периодическое возбуждение в наиболее простом виде проявляется как сумма гармонических составляющих, кратных основной частоте возмущения, т.е. в виде полигармонической вибрации.

x(t) = У ak·cos (k·щr·t + цk)

В роторных агрегатах одной из основных частот возбуждения вибрации является оборотная (роторная) частота, называемая в дальнейшем частотой вращения ротора:

fr = щr / 2р ,

где щr -- угловая частота вращения ротора.

На установившихся режимах спектр колебаний -- дискретный со спектральными составляющими на частоте вращения ротор и ее гармониках (kfr).

Таким образом, информативными параметрами в такой модели колебаний являются значения амплитуд дискретных составляющих спектра на частоте вращения ротора и ее гармониках и скорость их изменения при увеличении наработки механизма. Амплитуды колебаний на роторных частотах определяются чаще всего величиной дисбаланса, несоосностью валов, кинематическими погрешностями и отношением критической частоты вращения ротора к рабочей.

Помимо упомянутой выше вибрации, кратной частоте вращения ротора, в спектре вибросигнала роторного агрегата могут присутствовать такие характерные частотные составляющие, как

fz = k (frz) , к = 1, 2, 3…n,

где z -- число элементов взаимодействия на окружности ротора. Для зубчатого зацепления z равно числу зубьев шестерни; для турбины, насоса и вентилятора -- числу лопаток на рабочего колеса и т. п.

Модель полигармонического возбуждения колебаний в роторных агрегатах является удобной формой представления спектра колебательного процесса, позволяющего сконцентрировать внимание лишь на определенных частотах kfB, кратных основной частоте возбуждения колебаний fB диагностируемого узла агрегата. Первичный процесс локализации источников повышенной виброактивности конструкции агрегата состоит как раз в выявлении потенциальных источников возбуждения, вызывающих колебания на данной частоте.

Практика вибродиагностики роторных агрегатов показала, что полигармоническая модель вибросигнала является лишь нулевым приближением в описании сложного колебательного процесса реального агрегата, хотя может с успехом использоваться в задачах локализации источников и в задачах диагностирования грубых дефектов типа разрушения лопаток турбины, деталей подшипников, поломки зубьев и т. п., вызывающих существенное увеличение уровня колебаний на определенных частотах. В работе реального агрегата абсолютное повторение с течением времени условий взаимодействия его деталей между собой и с внешней средой практически невозможно.

Погрешности изготовления и монтажа деталей, температурные изменения геометрических параметров деталей и зазоров в сочленениях, изменение вязкости смазки, искажение формы и качества поверхностей взаимодействующих деталей с наработкой, наконец, нестабильность оборотов вала двигателя, вызванная, например, нестабильностью частоты сетевого напряжения, и множество других случайных факторов приводят к флуктуациям амплитуд и размытию дискретных линий спектра полигармонических колебаний.

Более адекватной моделью процесса возбуждения колебаний является суперпозиция узкополосных случайных процессов с кратными средними частотами:

x(t) = УAk(t)·cos·[k·щr·t - цk(t)] + ш(t); [1.1]

где kщr -- средняя частота узкополосного процесса, Ak(t) -- случайная, медленно меняющаяся огибающая узкополосного процесса, цk(t) -- случайная, медленно меняющаяся фаза, ш(t) -- уровень шумового возбуждения.

Рис. 2.3. Спектры полигармонического и квазиполигармонического процесса.

Энергетический спектр такого процесса (см. рис. 2.3.) сосредоточен в узких полосах частот в окрестности kfr.

При моделировании возбуждения колебаний в роторных агрегатах изменение состояния агрегата можно оценивать по изменению не только величин амплитуд спектральных составляющих, но и уровня шумового возбуждения ш(t) с равномерным спектром Sш (щ) в рассматриваемом диапазоне частот. Такая форма представления вибросигнала достаточно хорошо моделирует износ контактирующих поверхностей зубьев колес в редукторе, в подшипниках качения и т. п.

Соотношение энергии периодического и шумового компонентов является информативным параметром вибросигнала, широко используемым при формировании диагностических признаков состояния агрегата.

Импульсная модель акустического сигнала.

Квазиполигармоническая модель колебательного процесса [1.1] мало что говорит о соотношении амплитуд спектра на частотах kfr. Эту информацию может дать модель, базирующаяся на представлении процессов возбуждения колебаний в роторных агрегатах в виде периодической последовательности импульсов определенной формы. Такая модель достаточно универсальна, так как она позволяет математически описать процессы возбуждения колебаний как в роторных механизмах типа зубчатого зацепления, подшипников качения и скольжения, турбинах, вентиляторах, циркуляционных и центробежных насосах, так и в поршневых машинах с механизмами циклического ударного действия.

Обозначая функцию, определяющую отдельный импульс, через f(t), можно представить периодическую последовательность импульсов в виде

о(t) = Уf·(t - tk); [1.2]

где tk = kT + t0 , a k -- целое число.

Функция о(t) может быть как детерминированной, так и случайной, отражающей случайность одиночного импульса, которая заключается в том, что его амплитуда, длительность и момент появления могут быть, вообще говоря, случайными величинами.

В ряде практических моделей вибросигнала функционирующих механизмов имеет место периодическая последовательность импульсов, модулированных по амплитуде, при неизменной форме, длительности и частоты следования импульсов. Такой вид модуляции, называемой амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), наиболее часто используется для математического представления акустического сигнала.

Если импульсы, сохраняя свою форму и величину, смещаются во времени на величину At, то имеет место временная импульсная модуляция (ВИМ). При этом различают фазово-импульсную модуляцию (ФИМ), когда импульсы имеют постоянную амплитуду и длительность, а меняется их положение на оси времени от периода к периоду, частотно -- импульсную модуляцию (ЧИМ), когда импульсы сохраняют амплитуду и положение на оси времени, но меняется их длительность. Все виды модуляции в той или иной мере применимы к задачам моделирования акустического сигнала.

В работающем агрегате в зависимости от характера физического процесса, протекающего в нем, возможны различные отклонения в последовательности импульсов, которые можно охарактеризовать модуляцией амплитуды, длительности или моментов появления импульсов, однако при функционировании оборудования с заданной функцией взаимодействия деталей, определяющейся кинематикой агрегата, наиболее часто встречается амплитудная модуляция, обусловленная разбросом величины силы взаимодействия его элементов в каких-то пределах (неоднородность структуры контактирующих поверхностей зубьев, приводящая к вариации пятна контакта колес зубчатого зацепления; неравномерность воздушного потока в зазоре, отклонение геометрических размеров лопаток турбины вследствие обгара, эрозии и др.). В то же время погрешность окружного шага или явление заедания в зубчатом зацеплении, изгибная деформация, приводящая к неравномерному размещению лопаток в диске или на рабочем колесе турбины, являются причиной возбуждения модулированных по фазе импульсных колебаний.

На рис. 2.4. приведен случай периодической последовательности импульсов, следующих с тактовым интервалом Т, равным, например, периоду пересопряжения зубьев в зубчатом зацеплении, модулированных по амплитуде квазидетерминированным процессом. То -- период низкочастотного процесса, например оборотов вала шестерни. В нижней части рисунка изображен спектр такого колебательного процесса. В окрестности основных частот 2р/Тz следования импульсов в спектре присутствуют комбинационные частоты, отстоящие от основных на q(2р/To), где q -- целое число. Амплитуды комбинационных составляющих равны 2у2q/T, где у2q - дисперсия компоненты с номером q, у2 -- суммарная дисперсия модулирующей функции.



Рис. 2.4. Последовательность равноотстоящих прямоугольных импульсов, имеющих одинаковую длительность и случайную амплитуду (верхний график) и спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, модулированных по амплитуде низкочастотным полигармоническим процессом.

Для формирования диагностического признака используют обычно представление сигнала в достаточно узком диапазоне частот, например, в зоне одной из гармоник основной частоты возбуждения механизма (зубцовой, винтовой, лопаточной и др.).

Рис. 2.5. Узкополосный случайный процесс (сплошная линия), его огибающая (пунктир) и спектр огибающей.

При этом представляют колебания в виде модуляции высокочастотного гармонического сигнала суммой гармонических же низкочастотных колебаний.

На рис. 2.5 приведен узкополосный случайный процесс (амплитудная модуляция), описываемый математическим выражением вида:

y (t) = A [1+m·E (t)] ·cos (щ0t + ц0);

где щ0 -- несущая частота, например, частота пересопряжения зубьев, А -- амплитуда, m -- глубина модуляции (меняется от 0 до 1). E(t) -- в общем виде сумма гармонических низкочастотных колебаний кратных основной частоте возбуждения Щ0, например, частоте вращения шестерни:

E(t)= УBkcos(kЩ0t + цk).

Выделение огибающей производится с помощью амплитудного детектора.[3]

2.7 Методика диагностирования зарождающихся дефектов

Дефекты контактирующих поверхностей и характер их проявления в виброакустическом сигнале.

Вибродиагностика базируется на анализе изменений свойств вибропроцессов, предполагая, что вибросигнал работающего агрегата содержит всю информацию о взаимодействии его деталей. Задача заключена в разработке алгоритмов извлечения из него информации о состоянии определенного узла и локализации возникающих неисправностей. Большой уровень помех и сравнительно малые изменения полезного сигнала определяют специфику поиска информативных диагностических признаков, чувствительных к развивающемуся дефекту и инвариантных к мешающим факторам. Лишь в исключительных случаях увеличение общего уровня вибросигнала свидетельствует о зарождении определенного дефекта. Как правило, существенное увеличение общего уровня вибрации или отдельных спектральных компонентов говорит лишь о грубых изменениях состояния диагностируемого агрегата, приводящих к потере его работоспособности. Локализация же развивающейся неисправности, еще не приведшей к развитому дефекту, определение степени развития зарождающегося дефекта и прогнозирование возможны лишь на основе исследований тонкой структуры виброакустического сигнала и связи его с кинематикой и динамикой агрегата.

Изучение свойств вибропроцессов роторных агрегатов, показало, что при появлении неисправности меняется структура сигнала, т. е. меняется соотношение между его компонентами или появляются новые. Это подтверждается моделированием колебаний кинематических звеньев механизмов, представляемых в виде суперпозиции квазиполигармонических и шумовых процессов.

Периодическая последовательность импульсов, следующих с частотой пересопряжения зубьев в зубчатых передачах, модулированных по фазе и амплитуде низкочастотным полигармоническим процессом, и шумовой компонент имеют спектр мощности, вида:

S(t) = Уakд(f - kfr) + Уamд(f - mfz) + У аkmд[f - (mfz ± kfr)] + SN(f) [1.3]

содержащий:

спектр низкочастотного и среднечастотного процесса с частотами, кратными оборотной частоте fr;

спектр высокочастотного процесса с частотами, кратными зубцовой частоте fz;

спектр комбинационных частот mfz ±kfr;

спектр шумовой компоненты SN(f).

Аналогичная картина наблюдается при возбуждении колебаний в других механизмах с вращающимися деталями и их узлов, содержащих пару трения, например, турбин, насосов, подшипников качения и скольжения. При появлении неисправностей механизма меняется характер взаимодействия элементов кинематической пары, что приводит к изменению энергетического баланса выражения [1.3].

Характер изменения вибрационных процессов, вызванных изменением состояния контактирующих поверхностей, имеет ряд общих черт, несмотря на различие конструкций и назначение кинематических узлов. Это позволяет сформулировать некоторые правила диагностирования дефектов контактирующих поверхностей типа абразивного износа, выкрашивания и задира, общие для пары зубчатых колес, подшипников скольжения и качения, сопряжения втулка цилиндра-поршень и других узлов, содержащих пару трения.

Истирание (абразивное изнашивание) контактирующих поверхностей сопровождается появлением микронеровностей в зоне контакта, нарушением микро- и макрогеометрии деталей, следствием чего является рост шумовой компоненты SN(f), увеличение амплитуд гармонического ряда mfz основной частоты возбуждения кинематического узла и перераспределение амплитуд между гармониками этого ряда.

Выкрашивание (локальное изнашивание) контактирующих поверхностей, проявляющееся в развитии раковин в зоне контакта, вызывает появление периодических всплесков вибросигнала, модулирующих основной процесс возбуждения колебаний.

Периодическое попадание раковин в зону контакта при вращательном движении элементов агрегата (зубчатых колес, тел вращения, сепаратора или обоймы подшипников качения) приводит к появлению в спектре сигнала комбинационных частот mfz±kfr в окрестности основных частот возбуждения, вызванных амплитудной модуляцией. Рост числа выбросов при увеличении их амплитуд, вызванных развитием данного дефекта, приводит к увеличению глубины амплитудной модуляции, росту числа комбинационных частот и перераспределению энергии между ними при неизменности амплитуд основных частот возбуждения.

Развитие трещины в теле детали вращения, приводящее к поломке (зубьев колеса редуктора, сепаратора или обоймы подшипника качения), очень сходно по своему проявлению в спектре сигнала с развитием выкрашивания, но скорость развития данного дефекта значительно выше.

Задир контактирующих поверхностей, являющийся следствием увеличения коэффициента демпфирования механической системы, сопровождается мгновенным разогреванием локальных участков, "схватыванием" поверхностей в зоне контакта и последующим наволакиванием металла. Как правило, задир (заедание) развивается при неправильных условиях эксплуатации механизмов: при нарушении условий смазки, при увеличении нагрузки сверх допустимых пределов, при попадании посторонних предметов в зону контакта. Явление задира приводит к нарушению периодичности движения деталей агрегата, к флуктуациям скорости вращения, к появлению выбросов в вибросигнале, к явлению фазовой модуляции на основных частотах возбуждения. С развитием задира вибросигнал становится существенно нестационарным из-за нерегулярности выбросов. В спектре сигнала наблюдается падение амплитуд основных частот возбуждения mfz при одновременном росте амплитуд комбинационных частот (mfz±kfr).

Известно, что отклик механической системы на воздействие кратковременного одиночного импульса, имеющего широкополосный спектр, можно наблюдать на собственных частотах системы, но энергия отклика на каждой из этих частот мала даже при воздействии на систему последовательности импульсов, поэтому данные спектрального анализа колебаний при зарождении и развитии дефектов типа выкрашивания, появления трещин и задира не позволяют с достаточной достоверностью определить вид дефекта. Спектр мощности, являясь усредненной энергетической характеристикой сигнала, годен лишь для распознавания предаварийных ситуаций, находящихся на грани катастрофических изменений в механизме.

Для выявления дефектов на ранней стадии необходимо привлекать более информативные характеристики, такие, например, как число выбросов сигнала в единицу времени, превышающих некоторое пороговое значение, глубина амплитудной и фазовой модуляции, спектр огибающей, кепстр.

Большинство методов диагностирования зарождающихся дефектов механизмов имеет в своей основе одну и ту же отправную диагностическую модель: развитие дефекта вызывает рост амплитуд и числа кратковременных импульсов в вибросигнале. Задача состоит в применении оптимального способа обработки сигнала, который сводит к минимуму влияние помех и позволяет однозначно соотнести полученную характеристику сигнала с видом дефекта.[3]

2.8 Способы выделения информативных компонентов

Характер изменения структуры вибросигнала при выявлении неисправности определяет способ его обработки для выделения информативного компонента, характеризующего изменение технического состояния объекта диагностирования. В зависимости от типа агрегата и вида возникшего в нем дефекта используются различные способы увеличения отношения сигнал/помеха.

Если физика воздействия неисправности на колебания механизма связана с появлением амплитудной или фазовой модуляции, то исследуются свойства огибающей вибросигнала.

Появление в сигнале или усиление периодического компонента заставляют искать эффективный способ выделения периодического сигнала на фоне помехи, например, к методу синхронного накопления.

Появление или усиление полигармонических колебаний можно уловить с помощью кепстрального анализа, сжимающего информацию об изменениях в сигнале до обозримого количества гармоник, амплитуды которых легко оценить количественно.

Возникновение и развитие дефектов в механизмах приводят к появлению нелинейных эффектов, использование которых для формирования диагностических признаков позволяет получить более ценную диагностическую информацию, чем на основе рассмотрения линейных динамических моделей. Для этой цели используют величины амплитуд комбинационных частот, глубину амплитудной модуляции или частотной девиации.

Перечисленные выше методы анализа виброакустических процессов позволяют сформировать характерные диагностические признаки зарождающихся дефектов даже в тех случаях, когда спектр мощности сигнала практически не меняется. При наличии инвариантности диагностических признаков гарантируется достоверность диагностирования даже на ранней стадии развития дефекта.[3]

2.9 Методика проведения диагностических виброизмерений роторных агрегатов

Последовательность действий при измерении вибрации и оценке состояния оборудования и выводе оборудования в ремонт должна детально определяться требованиями заводов изготовителей, отраслевыми Руководящими Документами, стандартами России и Регламентом, утвержденным руководителем предприятия, при этом отступления недопустимы. При разработке Регламента предприятия в качестве дополнительной информации следует учитывать приведенные в этой главе сведения. Авторы не несут ответственности за внеплановые отказы оборудования и финансовые издержки, связанные с неправильным применением описанной методологии, поскольку виды, периодичность, необходимая точность измерений для вибрационного диагностирования, решение задач контроля, оценки технического состояния агрегатов, выявления дефектов и причин их образования, а также назначения оптимальных сроков эксплуатации до ремонта определяются в первую очередь спецификой оборудования, уровнем технологии ТО, квалификацией обслуживающего персонала и многими другими факторами, которые должны учитываться в каждом конкретном случае при формировании комплекса работ по вибромониторингу оборудования. В настоящей главе излагается только общий подход, которому, по мнению авторов, рекомендуется следовать при решении данного вопроса.

Организация работ по исследованию вибрации.

Категории оборудования и мониторинг.

В силу того, что организация технического обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию (ОФС) требует значительных исходных вложений трудовых и финансовых ресурсов, целесообразно при его организации рассматривать различные компромиссные варианты, которые могут быть приняты для максимизации экономического эффекта. Поскольку во многих случаях нерационально затрачивать время и прикладывать значительные усилия, производя оценку состояния всего парка оборудования предприятия с использованием детального спектрального, кепстрального виброанализа, анализа огибающих и др., оптимально разработать для каждой конкретной группы агрегатов и ситуации индивидуальный подход распознавания состояния с использованием минимума необходимой для этого информации, а затем подвергать более детальному виброанализу только ту часть оборудования, состояние которой изменяется достаточно быстро.

Для решения этой задачи необходимо оборудование разделить на категории в зависимости от потенциальной возможности и значимости внеплановых отказов, а также сложности обслуживания. Как правило, большая часть роторных агрегатов может быть отнесена к одной из следующих пяти категорий:

1-я категория -- критические основные агрегаты большой единичной мощности, где внеплановый отказ или авария сопровождаются значительными потерями продукции, серьезными экологическими последствиями и др.; в эту категорию включают, как правило, непрерывно эксплуатируемые безрезервные турбоагрегаты, компрессора и насосы единичной мощностью свыше 1 МВт;

2-я категория -- критические основные агрегаты средней единичной мощности, где внеплановый отказ или авария сопровождаются значительными потерями продукции, серьезными экологическими последствиями и др.; в эту категорию включают, как правило, непрерывно эксплуатируемые безрезервные турбоагрегаты, компрессора и насосы единичной мощностью 0,2...1 МВт;

3-я категория -- критические или, возможно, склонные к внеплановым отказам и авариям основные агрегаты со сложным ТО, где внеплановый отказ или авария подвергнет опасности остановки, но не прервет основное производство; в эту категорию включают, как правило, резервированные турбоагрегаты, компрессора и насосы единичной мощностью свыше 200 кВт;

4-я категория -- критическое вспомогательное оборудование, требующее необременительного обслуживания; в эту категорию включают, как правило, компрессора и насосы единичной мощностью менее 200 кВт;

5-я категория -- некритическое вспомогательное оборудование, технологические обвязки (трубопроводы, аппараты, арматура).

Оборудование 1 категории и наиболее ответственные позиции оборудования 2 и 3 категорий целесообразно оснащать стационарной аппаратурой контроля рабочих параметров, т.е. применять непрерывный контроль, позволяющий быстро распознать состояние и продиагностировать агрегат. Поскольку этот способ является дорогостоящим, в промышленной практике существует ограниченный ряд агрегатов, где непрерывный контроль может окупить вложенные средства. К ним относятся:

критические агрегаты и агрегаты, определяющие качество продукции: например, если внеплановый отказ приведет к дорогостоящему ремонту или к значительному снижению выпуска продукции, или если в производственных процессах повышенная вибрация оборудования может ухудшить качество продукции, то для таких агрегатов непрерывный контроль позволит быстро предупредить об изменении контролируемого параметра (уровня вибрации и др.), т.е. изменении состояния, что обеспечит персоналу предприятия возможность предвидеть развитие проблемы и принять Необходимые меры до того, как будет нанесен экономический ущерб;

пожаро-- и взрывоопасные производства, и агрегаты в которых могут скоротечно развиваться катастрофические поломки, разрушающие сам агрегат или соседнее оборудование;

агрегаты, находящиеся в труднодоступных местах;

агрегаты с периодически возникающими отказами;

агрегаты, на которых в прошлом имели место внезапные отказы, или непонятные процессы вызывают выход агрегата из строя;

требования производственного процесса.

Периодический вибромониторинг агрегатов второй и третьей категории, если на них не установлена стационарная система контроля рабочих параметров, следует проводить обязательно.

Масштаб охвата периодическим мониторингом (распознаванием состояния) агрегатов четвертой и пятой категорий зависит от многих факторов, индивидуальных для каждого предприятия, немаловажное место среди которых занимают наличие специалистов и виброизмерительного оборудования, а также результаты функционально -- стоимостного анализа.[3]

2.10 Виброконтролепригодность оборудования

Виброконтролепригодность -- это пригодность агрегата для вибродиагностики. Она должна обеспечиваться при проектировании агрегата, в ходе его доводки, монтажа или эксплуатации конструктивными решениями, выбором диагностических средств и проведением специальных испытаний для отработки диагностических методов и средств.

Пригодность эксплуатируемого агрегата для вибродиагностики определяется возможностями использования штатных и дополнительных средств. При конструировании, доводке, монтаже и эксплуатации агрегатов наибольшие затруднения обычно вызывает определение мест установки вибродатчиков, которые требуется ставить с учетом местонахождения устраняемой неисправности.