Назначение и возможности систем вибрационного мониторинга и диагностики роторного оборудования

Тихоходное колесо (частота вращения примерно 50,0 Гц (fr1)) имеет 41 зуб, быстроходное (частота вращения примерно 73,2 Гц (fr2)) -- 28. Зубцовая частота (fZ) составляет примерно 2050 Гц.

Кривая сигнала вибрации (рис. 2.50.) имеет характерные признаки модуляции и выбросы, величина некоторых из них превышает 10 q. Коэффициент пика достигает 4,4.

Спектр вибрации имеет признаки эксплуатационного износа зубьев: комбинационные частотные составляющие fz ± nfr вокруг зубцовой частоты fz, "промежуточные" частотные составляющие также с боковыми частотами и заметный уровень шумов. Наклонными стрелками помечены некоторые боковые частоты вокруг fz, величина и количество которых говорят о возможной частотной модуляции.

Однако на основе анализа формы и спектра сигнала вибрации затруднительно выявить конкретный вид дефекта -- заедание.

Рис. 2.50. Форма и спектр сигнала вибрации и спектры частотной модуляции первой гармоники зубцовой частоты для нормального (преддефектного) и дефектного состояний при заедании зубчатых колес.

Как говорилось выше, для диагностирования этого повреждения колес эффективно исследовать частотную модуляцию на одной из частот возбуждения зубчатых колес с применением преобразования Гилберта. Нижние спектры -- спектры частотной модуляции первой гармоники зубцовой частоты fz=2050 Гц измерены непосредственно в начале развития процесса заедания (спектр от 02.04.95) и в процессе развития дефекта (спектр от 09.04.95). По мере развития заедания в приведенном случае произошел значительный рост уровней спектральных составляющих на частотах вращения роторов и их гармониках как тихоходного, так и быстроходного колес.

Таким образом, применяя этот метод можно диагностировать заедание на ранней стадии развития.[3]

2.22 Некоторые выводы

В изложенном выше кратком обзоре невозможно даже перечислить все виды диагностируемых узлов и идентифицируемых дефектов с помощью функциональных методов виброакустической диагностики. Следует, однако, отметить, что на ранних этапах развития обнаруживается абсолютное большинство возможных дефектов в узлах машин роторного типа, но при некоторых ограничениях. Эти ограничения сводятся к двум требованиям. Первое - отсутствие сильных ударных нагрузок на диагностируемые узлы в штатных режимах работы бездефектных машин. Второе - отсутствие или значительное ослабление высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударами в других бездефектных узлах или машинах, при распространении ее до диагностируемого узла.

Потенциальные возможности диагностических систем определяются выбором диагностического сигнала и информационной технологии. Сигнал вибрации содержит достаточную диагностическую информацию для того, чтобы с помощью современных информационных технологий обнаружить дефектный узел машины, определить вид и глубину дефекта и дать долгосрочный прогноз его развития.

Наиболее эффективные технические средства диагностики, как стационарные, так и переносные, строятся на базе компьютерной техники и технологии. Именно эти средства позволяют использовать все возможности таких перспективных методов получения информации, как спектральный анализ, анализ огибающей и статистическое распознавание состояний.

Значительное расширение областей применения систем мониторинга и диагностики машин по сигналам вибрации и шума возможно при условии выпуска недорогих систем автоматического диагностирования, не требующих от пользователя диагностической подготовки. Опыт эксплуатации первых образцов таких систем в России подтвердил их высокую эффективность.

Объектами глубокого диагностирования по виброакустическим сигналам могут быть все виды машин, являющихся источниками вибрации и шума. В машинах без узлов возвратно-поступательного типа из сигналов вибрации и шума можно получить полную информацию практически обо всех аварийноопасных дефектах даже на начальном этапе их развития. В машинах с узлами возвратно-поступательного типа должна быть дополнительно использована информация, содержащаяся в других видах диагностических сигналов.

3. Экспериментальная часть

Система мониторинга и диагностики "Dream for Windows" (ВЕКТОР - 2000) в полной мере использует основные возможности превентивной диагностики узлов роторного оборудования. При разработке данной системы были объединены усилия не только российских специалистов (ООО "Вибротехника", г. Санкт-Петербург), входящих в ассоциацию предприятий по разработке виброакустических систем и технологий (Ассоциация ВАСТ), но и специалистов США в области вибрационного мониторинга (Vibrotek Inc, штат Колорадо). Совместными усилиями в систему включены все основные алгоритмы современного вибрационного мониторинга, позволяющие задолго до возникновения аварийной ситуации обнаружить изменения состояния даже тех узлов оборудования, которые не охвачены превентивной диагностикой.

Система "Dream for Windows" ориентирована прежде всего на массовое диагностическое обслуживание роторного оборудования, обеспечивающее практический переход на ремонт оборудования по фактическому состоянию. Необходимая для этого автоматизация процессов постановки диагноза и прогноза является основной отличительной особенностью системы, позволяющей снизить затраты на мониторинг и диагностику за весь жизненный цикл оборудования до 1 -2% от его стоимости.[4]

3.1 Структура системы

Диагностическая система "Dream for Windows" строится по модульному принципу, с возможностью ее расширения от простейшей переносной системы мониторинга до многоканальной стационарной системы мониторинга и диагностики с несколькими сотнями датчиков различных величин, установленных на контролируемом оборудовании.

Основными элементами системы являются:

датчики измерения различных величин с согласующими устройствами (предусилителями и коммутаторами).

сборщики данных - анализаторы электрических сигналов СД-11, СД-12 и другие.

персональный компьютер.

пакет программ Dream-32 в разной комплектации.

В простейшем одноканальном варианте (рис. 3.1) на аналоговый вход сборщика данных устанавливается один из сменных предварительных усилителей с датчиком, например предусилитель заряда с пьезоакселерометром. На отдельный вход сборщика при этом может устанавливаться тахометр, а для связи сборщика с компьютером на время передачи данных может использоваться либо стандартный интерфейс RS-232, либо модем (рис 3.2.)

Пакет программ Dream-32 для простейшей переносной системы мониторинга также имеет модульную структуру и может наращиваться от базовой программы мониторинга Dream-О до расширенного пакета программ мониторинга с отдельными диагностическими модулями Dream-A, Dream-В или полным комплектом этих модулей Dream-E.[4]

3.2 Диагностируемые узлы и обнаруживаемые дефекты

Диагностическая часть системы "Dream for Windows" рассчитана прежде всего на обнаружение и идентификацию дефектов, возникающих в роторных машинах на этапах сборки, монтажа и эксплуатации. Скрытые дефекты изготовления отдельных элементов, если они пропущены при пооперационном контроле во время изготовления, обнаруживаются системой "Dream for Windows" косвенным путем, т.е. либо как отказ машины по вибрации при выходном контроле на обкаточных стендах, либо, из-за ускоренного износа, как эксплуатационные дефекты в начальной стадии эксплуатации машины.

Как любая система функциональной (рабочей) диагностики, используемая без смены режимов работы диагностируемой машины, система "Dream for Windows" с наибольшей достоверностью обнаруживает дефекты тех узлов роторных машин, которые являются источниками колебательных сил и в наибольшей степени подвержены износу и старению. К таким узлам роторных машин относятся валы (роторы), подшипники качения и скольжения, соединительные муфты, шестерни, цепи и ремни, рабочие колеса и, наконец, обмотки и коллекторы электрических машин.

С несколько меньшей достоверностью, но также успешно обнаруживаются дефекты тех узлов, которые влияют на параметры колебательных сил в узлах- источниках. К таким узлам относятся направляющие аппараты, узлы крепления опор вращения или машины в целом, внутренние обтекаемые поверхности потокосоздающих машин, магнитные цепи (активные сердечники и зазоры) электрических машин.

Большинство отказов эксплуатируемых роторных машин связано с дефектами их подшипников. В подшипниках качения с учетом возможностей их вибрационной диагностики дефекты подшипника целесообразно разделить на следующие группы:

износ поверхностей качения (наружных и внутренних колец, тел качения);

износ поверхностей скольжения (сепаратора, защитных колец);

раковины, сколы, трещины на поверхностях качения;

дефекты сборки, увеличивающие нагрузку на поверхности качения (увеличенный радиальный и осевой натяг, перекос колец или сепаратора);

проскальзывание колец;

ухудшение свойств смазки;

Практически все из указанных групп дефектов обнаруживаются системой "Dream for Windows" на начальной стадии развития по следующим основным диагностическим признакам:

• изменение свойств сил трения и возбуждаемой ими высокочастотной случайной вибрации в виде роста уровня вибрации или появления ее амплитудной модуляции;

• появление ударных импульсов при контакте дефектных участков поверхностей качения и возбуждаемой ими высокочастотной вибрации ударного вида;

• рост колебаний ротора в подшипниках на частотах, определяемых параметрами подшипника;

В подшипниках скольжения с жидкой смазкой число групп дефектов, отличающихся разными диагностическими признаками, меньше, чем в подшипниках качения. Эти группы выглядят следующим образом:

износ поверхностей скольжения;

выкрашивание поверхностей скольжения;

дефекты сборки и монтажа, увеличивающие нагрузки на поверхности скольжения и снижающие толщину масляного слоя;

появление ударов (сухих и гидравлических);

ухудшение свойств смазки.

К дефектам (группам дефектов) ротора, значительно изменяющим ресурс роторных машин, следует отнести:

неуравновешенность ротора;

несимметричная жесткость вала;

задевание вращающейся частью ротора за неподвижные узлы

дефекты узлов, закрепленных на роторе (рабочие колеса, электрические обмотки и т.п.);

статическая несоосность соединяемых валов (излом линии вала);

динамическая несоосность соединяемых валов, искривление вала и т.п. ( бой вала).

Дефекты механических передач, в частности зубчатых колес и зацеплений, можно разделить на следующие основные группы:

дефекты отдельных зубьев шестерни (сколы, трещины, отсутствие зуба);

дефекты зацепления зубьев (увеличение или уменьшение зазора, бой шестерен, осевой сдвиг и т.п.);

дефекты вала (бой вала с шестерней, радиальный сдвиг вала в опорах вращения и т.п.).

Дефекты машин постоянного тока можно разделить на следующие группы:

дефекты обмоток и сердечника якоря;

дефекты полюсов и обмоток возбуждения, в том числе компенсационных;

искажение формы зазора между якорем и полюсами;

дефекты в щеточно-коллекторном узле;

искажение напряжения питания.

[4]

3.3 Выбор точек контроля и режимов работы блока

Важнейшим условием получения достоверного диагноза является правильный выбор точек и направлений контроля вибрации. При этом следует соблюдать следующие основные правила:

· точка контроля вибрации подшипников должна быть как можно ближе к месту действия статической нагрузки на подшипник;

· между точкой контроля и местом формирования высокочастотных колебательных сил должен быть минимум контактных поверхностей и не должно быть резких изменений сечения тех элементов подшипникового узла, по которым распространяется высокочастотная вибрация;

· вибрация на средних и низких частотах измеряется преимущественно в направлении действия статической нагрузки;

· место установки датчика должно быть ровным, зачищенным от краски и грязи, и покрыто консистентной смазкой.

На рис. 3.3 приведена типовая схема колесно-моторного блока локомотива, на котором указаны точки контроля вибрации и направления ее измерений.

Рисунок 3.3. Типовая схема колесно-моторного блока, с указанием точек контроля вибрации.

В колесно-моторных блоках есть три типа узлов, точки контроля, вибрации которых выбираются с учетом конструктивных особенностей узла и направлений действия нагрузки.

Первым типом таких узлов являются подшипники качения букс. В буксах разной конструкции могут быть использованы как двухрядный, так и два однорядных несущих роликовых подшипника. Дополнительно к роликовым могут устанавливаться и упорные шариковые подшипники. Оперативная диагностика подшипников каждой буксы может осуществляться по измерениям вибрации в одной контрольной точке, которая выбирается в точке на корпусе буксы между двумя роликовыми подшипниками, как можно ближе к месту действия нагрузки на подшипники (т. А на рис 3.3 и чертеж 2). Направление измерения вибрации - радиальное к оси вращения, совпадающее с направлением действия нагрузки. Допускается отклонение направления измерения вибрации от направления действия нагрузки на угол до 30°.

В качестве примера можно привести точку и направление измерения вибрации буксы КМБ, установленного на домкратах чертеж 1. Точка выбирается в нижней части буксы, на которую действует сила тяжести колесной пары, а направление измерения вибрации выбирается близким к вертикальному, в котором и действует эта сила тяжести. Установка датчика на верхнюю точку буксы может привести к ошибкам изменения уровня высокочастотной вибрации, значение которого зависит от внешних факторов, например от того, где находится домкрат, каков угол наклона тележки к горизонту и т.п.

Одним из основных требований к любой точке контроля вибрации является идентичность места установки датчика вибрации, направления измерений и способа крепления датчика в одних и тех же узлах колесно-редукторных блоков одной конструкции. Только в этом случае автоматически создаваемый вибрационный эталон бездефектного узла по группе одинаковых колесно-редукторных блоков будет обеспечивать достоверное разделение диагностируемых узлов на бездефектные и дефектные.

При оперативной диагностике подшипников качения букс по измерениям вибрации в одной контрольной точке может возникнуть ряд сложностей, требующих при необходимости проведения дополнительных измерений.

Первая из них определяется особенностями диагностики многорядных и спаренных подшипников и связана с тем, что при сильном износе одного из рядов нагрузка перераспределяется на другие ряды подшипника. В результате ранее диагностируемый сильный дефект подшипника может на определенное время до износа других рядов подшипника проявится как средний или даже слабый дефект. Диагностику такого подшипника следует проводить чаще, чем бездефектного, и при определении даты следующей диагностики необходимо учитывать результаты не только последней, но и ранее выполненных процедур диагностики. Кроме того, необходимо одновременно с диагностическими измерениями выполнять и мониторинговые измерения среднечастотной вибрации, рост которой при наличии сильных дефектов продолжается и после перераспределения нагрузки с дефектного на бездефектный ряд тел качения.

К сказанному следует также добавить, что перераспределение нагрузки между рядами подшипника качения, а также между разными подшипниками является одной из основных причин возможного различия между результатами диагностики, выполненной в разное время.

Вторая сложность появляется при диагностике опорных подшипников букс на очень низких частотах вращения колесной пары, когда центробежной силы, действующей на тела качения, не хватает для преодоления силы тяжести и силы сопротивления сепаратора, чтобы непрерывно катиться по наружной поверхности качения подшипника. Поэтому на определенном угле поворота сепаратора нагрузка каждого тела качения скачком переходит с внутреннего кольца на наружное и, если в подшипнике есть зазор, этот переход происходит с ударом о наружное кольцо. Такие удары в обычной ситуации являются признаком появления раковины на наружном кольце, поэтому и регистрируется появление дефекта в виде раковины, а не износа подшипника. Чем больше зазор а, следовательно, и износ подшипника, тем сильнее удары о наружное кольцо и тем большая раковина регистрируется системой диагностики. При разборке подшипника раковина не обнаруживается, а величина дефекта в виде износа не контролируется, поэтому складывается впечатление об отсутствии дефекта, т. е. о ложном срабатывании системы диагностики. И это несмотря на то, что система диагностики дефект обнаружила, лишь неправильно отнеся его к классу раковин, а не к классу износов. Чтобы избежать подобных ошибок, следует повысить скорость вращения диагностируемой колесной пары, что дополнительно сократит время диагностических измерений. Практика показывает, что указанные признаки отсутствующих раковин на наружном кольце (при наличии износа подшипника) пропадают в большинстве КРБ на частотах вращения колесной пары выше 250 об/мин.

Третья сложность в диагностике буксовых подшипников связана с возможностью влияния на результаты диагноза особенностей работы зубчатой пары редуктора. Условия изготовления и ремонта КРБ таковы, что высоких требований к изготовлению шестерен и подгонке зацеплений каждой пары техническая документация не предъявляет, поэтому во многих парах действуют ударные нагрузки, которые передаются на подшипники и изменяют состав спектров среднечастотной вибрации букс и, что более важно, спектров огибающей их высокочастотной вибрации. Появление в спектре огибающей вибрации новых составляющих, определяемых, например, конструктивными особенностями зуборезного станка, расценивается системой диагностики как неидентифицированные изменения вибрации из-за возможного появления сложной по составу совокупности дефектов. Поэтому оператор самостоятельно должен убедиться, что появление новых составляющих не связано с дефектами подшипников, а их источником является зубчатая пара. Признаками появления таких составляющих можно считать их одновременное присутствие в спектрах огибающей вибрации обеих букс, а во многих случаях и строгая пропорциональность их частоты частоте вращения колесной пары или частоте вращения тягового двигателя.

Вторым типом узлов, имеющих свои специфические особенности в выборе точек контроля и режимов работы при проведении диагностических измерений, является редуктор. Особенностей в выборе точек контроля нет лишь в КМБ, использующих подвеску тягового двигателя на подшипниках скольжения с установкой малых шестерен на внешние части вала двигателя. В таких КМБ для диагностики подшипников качения и шестерен используются только точки контроля вибрации на подшипниковых щитах двигателя, точки Б и В . (см. рис. 3.3 и чертеж 3).

При оперативной диагностике шестерен и зубчатых зацеплений в редукторе по их вибрации в указанных контрольных точках может возникнуть ряд сложностей, требующих при необходимости проведения дополнительных измерений.

Первая из таких сложностей связана с особенностями эксплуатации редуктора, работающего под нагрузкой при обоих направлениях вращения, износ и дефекты зубьев шестерен которого развиваются и проявляются на каждой из сторон зубьев независимо. Поэтому диагностику шестерен лучше всего проводить дважды, при обоих направлениях вращения редуктора. А для того чтобы не увеличивать время диагностирования, можно шестерни редуктора диагностировать с периодичностью в два раза большей, т.е. первый раз диагностировать КМБ при вращении в одну сторону, а в следующий раз менять направление вращения. При этом в комментариях к измерениям следует указывать направление вращения редуктора. Такая возможность определяется более низкими скоростями развития дефектов шестерен по сравнению с дефектами подшипников. Более того, эта возможность позволяет с высокой надежностью разделить дефекты подшипника и шестерен, так как дефекты подшипника проявят себя похожим образом при любом направлении вращения, а дефекты зубьев по-разному, в зависимости от направления вращения.

Вторая сложность - общая в диагностике низкооборотных редукторов в подшипниках качения, особенно с большим числом зубцов на одной из шестерен. При наличии дефектов на обеих шестернях в спектре огибающей вибрации часто появляются гармонические составляющие с частотой в одну треть частоты вращения большой шестерни, которая соответствует частоте взаимодействия друг с другом дефектных зубцов на разных шестернях. Для того чтобы разделить эту составляющую с подшипниковой составляющей с частотой вращения сепаратора (при износе сепаратора), необходимо высокое разрешение в спектре огибающей. Но для одновременной диагностики зацепления редуктора необходимо измерять спектр огибающей вибрации на достаточно высоких зубцовых частотах, что невозможно сделать с таким же высоким разрешением из-за ограниченной стабильности частоты вращения редуктора. Поэтому программа диагностики предлагает проводить два измерения прямых спектров и два измерения спектров огибающей вибрации с разным разрешением по частоте, значительно увеличивая время измерений. Но поскольку время на диагностирование КМБ выделяется ограниченное, программа предусматривает сокращенный вариант диагностики в ущерб качеству идентификации дефекта

Третьим типом узлов, имеющих свои специфические особенности в выборе точек контроля и режимов работы при проведении диагностических измерений, является тяговый электродвигатель. В нем могут диагностироваться подшипники качения, электромагнитная система, а также в некоторых видах КМБ подшипники скольжения, на которых тяговый двигатель подвешивается к колесной паре.

Для диагностики подшипников качения тягового двигателя используются точки контроля вибрации на подшипниковых узлах тягового двигателя точки Б и В рис. 3.3. Направление измерения вибрации в этих точках - вертикальное, точки контроля лучше всего выбирать в нижней части подшипниковых узлов, как можно ближе к месту приложения статической нагрузки (силы тяжести якоря), к наружному кольцу подшипника.

Для диагностики подшипников скольжения в тех КМБ, где они есть, точка контроля выбирается на корпусе подшипника как можно ближе к той части поверхности скольжения, на которую приходится статическая нагрузка (сила тяжести двигателя), точки установки датчика указаны на чертеже 1. Направление измерений вибрации - радиальное к оси вращения колесной пары и, желательно, как можно ближе к направлению действия силы тяжести двигателя.

При диагностике узлов тягового двигателя по вибрации, измеряемой в выбранных точках контроля, может возникнуть ряд сложностей, в первую очередь из-за режимов работы КМБ во время проведения измерений.

Первая сложность определяется наличием в спектре вибрации электродвигателя интенсивных гармонических составляющих электромагнитной природы на средних, а в некоторых случаях и на высоких частотах. Если эти составляющие попадают в полосу частот третьоктавного фильтра, используемого при формировании сигнала огибающей вибрации и его последующем спектральном анализе, в результирующем спектре снижаются уровни тех составляющих, которые определяют вид и величину дефекта. В результате занижается реальная величина обнаруживаемого дефекта, что сказывается на достоверности прогноза состояния подшипников двигателя. В качестве примера на рис. 3.4 приведены спектры вибрации подшипникового щита двигателя, измеренные в полосе частот 0-25 кГц, причем в двух точках контроля, а именно, в удаленной от места посадки подшипника и в непосредственной близости к подшипнику. Третьоктавные фильтры, используемые для анализа спектра огибающей вибрации, имеют средние частоты 4 и 10 кГц. В третьоктавную полосу со средней частотой 4 кГц попадают интенсивные составляющие вибрации, особенно в удаленной от подшипника точке контроля.

Рис. 3.4. Спектры вибрации тягового двигателя, измеренные на торце подшипникового щита (а) и на крышке подшипникового узла (б)

Соответственно на рис. 3.5 приведены четыре спектра огибающей вибрации, в которых наблюдается дефект подшипника в виде раковины на наружном кольце.

Но из-за гармонической составляющей в полосе частот первого из третьоктавных фильтров величина дефекта, измеренная по соответствующему спектру огибающей вибрации, занижена. Так, в удаленной от подшипника точке дефект регистрируется как слабый, в близкой точке - как средний. В то же время правильная оценка величины дефекта дается лишь по спектру огибающей вибрации на частоте 10 кГц (сильный), измеренному в контрольной точке непосредственно возле посадочного места подшипника.

Рис. 3.5. Спектры огибающей вибрации подшипникового узла двигателя в третьоктавных полосах частот 6 и 10 кГц, измеренные на торцах подшипникового щита (соответственно а и б) и на крышке подшипникового узла (соответственно в и г)

Еще больше проблем возникает при диагностике подшипников скольжения, на которых крепится корпус тягового двигателя к колесной паре в некоторых типах КМБ. Эти проблемы определяются низкой частотой вращения колесной пары, при которой практически невозможно обеспечить неразрывность смазочного слоя в подшипнике. А именно на обнаружении периодических разрывов слоя смазки и автоколебаний ротора в подшипниках скольжения строится существующая диагностика высокооборотных машин с такими подшипниками.

Поскольку в низкооборотных подшипниках скольжения разрывы смазки бывают непериодическими, диагностика таких подшипников по спектру огибающей часто не дает желаемых результатов и приходится контролировать общий уровень высокочастотной вибрации, который сильно зависит от состояния зубчатого зацепления. В связи с недостаточной для практической работы достоверностью диагностики подшипников скольжения низкооборотных машин по вибрации в настоящее время ведется доработка этих методов. По ее завершении будут выпущены дополнительные методические материалы и программы глубокой диагностики низкооборотных подшипников скольжения.

Учитывая ранее изложенные особенности диагностики КМБ, к режимам их работы во время проведения диагностических измерений можно предъявить следующие требования и ограничения:

стабильность частоты вращения колесной пары (во время измерения любого из спектров вибрации и ее огибающей) должна быть не хуже 1%, во избежание расширения линий в спектрах;

частота вращения двигателя не должна быть близкой к частотам 10; 17,6 и 25 Гц с точностью до 5 - 10%, во избежание совпадений по частоте составляющих вибрации, используемых для диагностики, с гармониками частоты переменного напряжения, питающего выпрямитель;

перед началом измерений необходимо проводить прокрутку колесной пары до момента минимального прогрева смазки, во избежание ложного обнаружения ее дефектов. Критерием достаточного прогрева может считаться стабилизация частоты вращения КРБ до необходимого 1% в течение 1 минуты при стабильном напряжении питания на выходе выпрямителя;

частоту вращения колесной пары желательно поддерживать на уровне 250 об/мин и выше, во избежание ложных диагнозов - раковин на наружном кольце подшипников буксы.

Следует отметить, что для питания тягового двигателя рекомендуется использовать стабилизатор напряжения, поддерживающий постоянную величину напряжения с точностью не хуже 0,3 - 0,5%. В этом случае частота вращения КМБ должна укладываться в требования по ее стабильности. Если стабильность частоты вращения недостаточна, это указывает на недостаточную приработку (прогрев) смазки, а низкая по сравнению с другими КМБ частота вращения колесной пары является следствием наличия дефектов либо в механической системе (большое сопротивление в подшипниках или в зацеплении), либо в тяговом двигателе. Не рекомендуется использовать для питания тягового двигателя стабилизаторы частоты вращения, так как с их помощью крайне сложно выдерживать стабильность скорости вращения на уровне 0,2 - 0,3%, которая оптимальна для диагностики КМБ по вибрации. Схеме подключения тягового электродвигателя КМБ к источнику питания показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6 Схема подключения тяговых электродвигателей тепловоза.

3.4 Структура пакета программ «DREAM for Windows»

Пакет программ является 32-разрядным приложением для Windows -95, Windows -98, Windows NT c SQL совместимой базой данных.

Программное обеспечение включает в себя несколько функционально самостоятельных блоков программ, которые могут заменяться в зависимости от используемых в системе мониторинга и диагностики технических средств.

Рис. 3.7. Структура пакета программ Dream-32, дополненного пакетом "Стационарная система". Пунктиром выделены те элементы объединенного пакета программ, которые относятся только к стационарному режиму работы системы.

Основными составляющими работы оператора с системой "Dream for Windows" и работы системы в автоматическом режиме являются:

• конфигурирование объектов мониторинга и диагностики с введением в программу необходимых для работы технических характеристик контролируемых машин и их узлов;

• конфигурирование системы "Dream for Windows" с привязкой каждого измерительного канала к конкретному узлу и решаемым задачам (для многоканальной системы);

• проведение измерений (с разными функциями оператора и системы в переносном и стационарном режимах работы);

• обработка измерений с автоматическим решением задач мониторинга, диагностики, прогноза состояния и планирования дальнейших измерений;

• отображение текущей информации о результатах мониторинга, диагностики и прогноза состояния машин и их узлов, о состоянии самой системы диагностики;

• анализ, в том числе и графический, основных результатов мониторинга, диагностики и прогноза, включая результаты первичных измерений, отчетных материалов, в том числе и в режиме обучения оператора. [4]

3.5 Конфигурирование диагностируемых узлов

Для работы системы "Dream for Windows" в ее базу данных вносятся необходимые данные о контролируемом оборудовании и об измерительной системе. Эти данные нужны для формирования заданий на проведение измерений.

Сведения об оборудовании содержатся в базе в виде дерева оборудования, которое оператор должен составить до проведения первых мониторинговых и диагностических измерений. Сведения об измерительной системе либо заранее заносятся в базу данных в виде конкретного типа измерительного прибора с одним датчиком вибрации.

При работе с одноканальным переносным прибором для задач мониторинга оператор сам выбирает вид измерений, устанавливает их периодичность для бездефектного оборудования и, после проведения первых измерений, устанавливает выбранные им пороговые значения для оборудования, находящегося в одном из возможных состояний, а именно в хорошем, допустимом или аварийно-опасном.

Для задач диагностики оператор должен внести в базу данных ряд технических характеристик контролируемых узлов роторных машин. Так, для всех типов узлов вносятся данные о частоте вращения, в том числе о возможных диапазонах ее изменения и о погрешности определения частоты вращения при каждом измерении.

Для подшипников качения вносятся данные о геометрических размерах его элементов, необходимые для расчета частот подшипниковых составляющих вибрации, для зубчатых передач - число зубцов каждой шестерни, для рабочих колес - число лопастей (лопаток), для электрических машин - число зубцов (пазов), число пластин коллектора и т.п.

Кроме того, оператор вносит величину желаемого временного интервала между измерениями вибрации для бездефектных узлов, которая не должна превышать минимальное значение из 200 дней или 20% от среднего ресурса узла, а также пороговые значения для каждого вида дефекта и для двух видов спектров (спектра вибрации и спектра огибающей).

Перечисленных данных достаточно для формирования заданий на измерения одноканальным переносным измерительным прибором. Задания автоматически формируются в виде маршрутной карты, которая по последовательному интерфейсу RS-232 передается в прибор, после чего оператор готов выполнять мониторинговые и диагностические измерения.[4]

3.6 Измерение и передача данных в компьютер

Большинство измерений диагностических сигналов и параметров проводится по маршрутным картам, предварительно сформированным системой "Dream for Windows" и переданным в сборщик данных СД-12.

Маршрутная карта формируется автоматически для каждой группы машин или отдельной машины, входящих в одну базу данных, выбранную оператором для работы из неограниченного числа баз данных, которые можно создать в системе "Dream for Windows".

Существует несколько вариантов автоматического формирования маршрутных карт. Карта может включать в себя все машины, все точки измерения и все виды измерений. Возможно включение только просроченных на выбранную оператором дату измерений. Кроме этого оператор может проводить измерения и вне маршрута, с любыми характеристиками, обеспечиваемыми используемым прибором.

При проведении внемаршрутных измерений их результаты, а также, при необходимости, введенные в прибор краткие комментарии по команде оператора сохраняются в памяти прибора. Затем они могут быть перенесены в память программы, а далее, по желанию пользователя, связаны с теми или иными точками контроля.

Измерения по маршрутной карте производятся в любой последовательности, полностью или частично. Если для измерений используются приборы с датчиками, устанавливаемыми в точку контроля только на время измерения, то задачей оператора является только установка датчика, и выбор соответствующей этой точке строки маршрута. Все настройки прибора выполняются автоматически, а после окончания измерений выдается звуковой сигнал. Следующее действие оператора - сохранение данных измерений либо после их просмотра, либо без просмотра. Маршрутная карта позволяет произвести и повторное измерение, при этом старые данные стираются из памяти прибора. Чтобы сохранить старые данные, повторные измерения лучше проводить вне маршрута.

В сборщике данных предусмотрен дополнительный канал измерения частоты вращения ротора, который производит ее измерения параллельно измерениям других сигналов.

Соответствие точки контроля выбранному измерительному каналу устанавливается в маршрутной карте, а частота вращения ротора в момент измерения также указывается в маршрутной карте, но в дальнейшем корректируется, либо автоматически, поданным ее измерения, сохраняемым в памяти прибора, либо оператором, на основании дополнительной информации. Корректировка выполняется при вводе результатов измерений в базу данных системы "Dream for Windows".

При проведении измерений по маршрутной карте оператор за 6-8 часов работы может произвести, например, измерения вибрации в 100-200 точках контроля, автоматически сбросить данные в компьютер и поставить по всем этим узлам диагноз и прогноз состояния.

Сброс результатов измерений в базу данных системы "Dream for Windows" также производится либо по интерфейсу RS-232, либо по модему. Все результаты измерений по маршруту автоматически попадают в ячейки памяти соответствующих точек контроля.

Внемаршрутные измерения передаются в программу и могут быть просмотрены в отдельном окне "Внемаршрутные измерения", откуда оператор может переместить (или скопировать) их в выбранную им точку контроля и в дальнейшем использовать их для мониторинга, а в некоторых случаях и для автоматической диагностики.

Информация о появлении новых данных измерений в соответствующих точках контроля отражается на дереве оборудования в графическом виде - как черные метки (галочки).

Автоматическая диагностика по результатам новых измерений производится по команде оператора, который должен подтвердить правильность данных о частоте вращения в момент проведения этих измерений, если во время их проведения тем же прибором параллельно не измерялась и частота вращения ротора. [4]

3.7 Детальный анализ результатов диагностики

В системе "Dream for Windows" предусмотрена возможность детального анализа как окончательных, так и промежуточных результатов вибрационной диагностики узлов роторных машин.

В режиме детальной диагностики оператор может вывести на экран компьютера, а, при желании, на печать используемые для постановки диагноза и прогноза спектры вибрации диагностируемого узла и спектра огибающей ее высокочастотных компонент вместе со списком обнаруженных составляющих и указаниями на возможную принадлежность идентифицированных составляющих к определенному признаку дефекта.

При анализе спектров последнего из группы накопленных измерений в таблице обнаруженных составляющих указывается либо рост их амплитуд за время наблюдений, либо рост их амплитуд над средним значением, автоматически вычисляемым по группе измерений вибрации идентичных узлов нескольких одинаковых машин, если этот рост превышает заданное пороговое значение. При выводе на экран результатов предшествующих измерений приводится только список составляющих и промежуточный диагноз.

Рис. 3.9 Окно детального анализа со спектром вибрации, списком составляющих и списком обнаруженных дефектов.

Имеется также возможность определить, по каким признакам поставлен конкретный вид дефекта, для чего последний необходимо выделить либо в окончательном списке дефектов, либо в промежуточном списке вероятных дефектов, определяемых по данным каждого отдельного измерения. После того, как дефект выделен, в списке составляющих и на спектрах указываются те составляющие, по которым идентифицирован данный тип дефекта.

Оператор также может для выбранного им типа дефекта или отдельной составляющей спектра вибрации и ее огибающей построить тренд, характеризующий развитие этого дефекта (составляющей) во времени, как это показано на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Тренды изменений составляющих вибрации на частоте вращения машины.

При отсутствии истории измерений вместо тренда можно ввести распределение амплитуд выбранных составляющих по группе измерений идентичных узлов, использованных для построения эталона. [4]

3.8 Выходные данные

Система "Dream for Windows" позволяет вывести на экран монитора, на печать или на другие внешние устройства не только данные о состоянии контролируемого оборудования, но и большой объем другой информации.

Наибольший интерес представляет информация:

• о конфигурации диагностируемого оборудования;

• о структуре и состоянии диагностической системы;

• о первичных данных измерений и промежуточных результатах мониторинга диагностики и прогноза;

• о возможных ошибках оператора;

а также другие справочные данные.

Большинство выходных данных компонуется в виде различных отчетов, формируемых системой. Эти отчеты делятся на два подмножества. Одно из них включает стандартные формы отчетности, хранящиеся в базе данных системы и в любой момент передаваемые по стандартным линиям связи. Это отчет о конструктивных характеристиках узлов диагностируемого оборудования и режимах его работы, отчет о состоянии выделяемых оператором группы узлов, отчет об изменениях состояния конкретного узла за все время наблюдений и, наконец, отчеты со списком узлов, подлежащих измерению и о список требований к проводимым измерениям.

Второе подмножество расширенных отчетов формируется в редакторе MS Word и допускает внесение оператором различных измерений, в том числе включение в них различных рисунков, графиков и любых других промежуточных материалов, выдаваемых системой "Dream for Windows".[4]

3.9 Технические средства

3.9.1 Основные функции виброанализатора

Виброанализатор СД-12М (рис. 3.11.) является цифровым анализатором сигналов и одновременно легким переносным сборщиком данных с питанием от аккумуляторной батареи. Он разработан для оценки и прогноза состояния вращающегося оборудования по вибрации, а также для измерения и анализа других видов сигналов, преобразованных в электрические.

В его основные функции входят:

• проведение измерений по маршрутным картам и вне маршрута;

• спектральный анализ сигналов;

• спектральный анализ огибающей случайной высокочастотной с составляющей вибрации;

• отображение и запоминание временных сигналов (режим осциллографа);

• определение общего уровня сигнала в заданной полосе частот;

• измерение скорости вращения машины;

• измерение амплитуд и фаз вибрации на частотах, кратных оборотной.

Прибор может передавать и принимать информацию как непосредственно от компьютера, так и при помощи телефонной сети (через модем).

Кроме того, в дополнительный комплект поставки может входить:

• датчик оборотов ФД с магнитным штативом для измерения фазы, разгона-выбега, скорости вращения машины, балансировки, скорости вращения машины при измерении спектров и временных сигналов;

• программа для балансировки вращающегося оборудования (до 3 плоскостей установки масс и до 8 точек измерения вибрации);

• программа для измерения разгона-выбега машины для 16 точек измерения одновременно;

• программа для определения резонансных характеристик машины при помощи ударного воздействия;

• наушники для слухового контроля сигнала вибрации;

• коммутаторы на 8 или 16 каналов для работы с несколькими датчиками вибрации одновременно.

Программы, не входящие в основной комплект поставки, размещаются в разделе Основного меню прибора Прикладные программы.

СД-12М отвечает всем требованиям программ диагностики, разработанных ВАСТ для перехода на обслуживание и ремонт оборудования по фактическому состоянию. Прибор совместим со всем программным обеспечением, разрабатываемым ВАСТ. Возможности прибора в дальнейшем могут быть расширены за счет дополнения и обновления его внутренних программ.[4]

3.9.2 Ограничения на условия окружающей среды

Виброанализатор СД-12М рассчитан на безотказную работу:

• при температуре от -20С до +50С,

• относительной влажности до 90% при температуре 25С, без конденсации,

• атмосферном давлении (630-800) мм.рт.ст.[4]

3.9.3 Питание

Прибор может работать как от внутреннего блока питания, так и от внешнего источника питания. Время работы с заряженной батареей не менее 8 часов при отключенной подсветке экрана во время измерения и не менее 6 часов при включенной подсветке. Время полного заряда блока - не более 2.5 часов. Батареи аккумуляторов типа Никель-Металл-Гидрид не имеют так называемого "эффекта памяти" и могут подзаряжаться на любом этапе их разряда. Батарея подзаряжается также во время работы прибора от внешнего источника питания (через сетевой адаптер).

Если ресурс аккумуляторов меньше 1 часа, в правом верхнем углу экрана появляется мигающая надпись "Batt:38", на которой указывается приблизительный оставшийся ресурс батарей.

Память виброанализатора не зависит от основного блока питания прибора и сохраняет данные не менее 2 лет независимо от состояния внутреннего блока питания.

Внутренние часы и календарь работают от внутренней литиевой батареи, которая не требует замены в течение двух лет, не менее.

Прибор имеет внутреннюю схему бесперебойного питания, и Вы можете в любой момент подключать или отключать внешний источник питания. Тем не менее:

НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ!

Использовать внешнее питание во время обмена данными между виброанализатором и компьютером (или модемом).

При температуре окружающей среды выше 20С проводить зарядку батарей не снимая кожуха прибора (возможен перегрев и неполная зарядка).

ЗАПРЕЩАЕТСЯ!

Осуществлять коммутацию внешнего источника питания во время обмена данными между виброанализатором и компьютером.

Вскрывать виброанализатор и отключать аккумуляторные батареи прибора.[4]

3.9.4 Основные технические характеристики

Общие технические характеристики.

Входы	линейный вход, вход датчика оборотов, вход интерфейса RS-232, вход сетевого адаптера.
Типы датчиков	вибропреобразователи (с выходом по электрическому заряду или ICP), датчик оборотов.
Подключение датчиков к линейному входу	через согласующие адаптеры или многоканальные коммутаторы.
Цифровые линии для управления внешними коммутаторами	подключаются к линейному входу.
Подключение внешних коммутаторов	к линейному входу, на 4, 8, 16 каналов, АВПб-16icp.
Встроенные источники питания внешних адаптеров и датчиков	+9 В при токе не более 40 мА, +5 В при токе не более 20 мА, +22...30 В при токе 2...20 мА (токовое питание).
Встроенный источник питания датчика оборотов	+5 В при токе не более 20 мА.
Аккумуляторная батарея	Никель-Металл-Гидрид (без эффекта памяти).
Время работы от аккумуляторной батареи, часов	не менее 8
Время заряда аккумуляторной батареи, часов	не более 2,5
Габаритные размеры, мм	150x225x45
Масса прибора, кг	не более 2
Степень защиты корпуса по ГОСТ 14254-96	IP 51.

Линейный вход

Входное сопротивление, кОм	не менее 100.
Входная емкость, пФ	не более 50.
Диапазон изменения напряжения на линейном входе, В	от -3,0 до +3,0.
Диапазон рабочих частот, Гц	0,5...25600.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики по линейному входу в диапазоне частот	от 0,5 до 25600 Гц, дБ ± 0,5.

Виброметрические характеристики

Соответствует требованиям	ГОСТ 30296-95, ГОСТ ИСО 2954-97, ГОСТ ИСО 10816-1-97, ГОСТ Р ИСО 10816-3-99, ГОСТ Р ИСО 10816-4-99.
Диапазон частот при измерении параметров вибрации, перекрываемый фильтрами	2...1000, 10...1000, 10...2000 2...2000.
Полосы частот при измерении виброускорения, виброскорости, виброперемещения, Гц	2... 1000, 10...1000, 10...2000.
Частотные характеристики полосовых фильтров при измерениях параметров вибрации по	ГОСТ ИСО 2954-97.
Диапазоны измерения параметров вибрации (пиковые значения)
виброускорение, м/с2	от 0,02 до 1000,
виброскорость, мм/с	от 0,01 до 1000,
виброперемещение, мкм	от 0,1 до 10000.
Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении виброускорения, виброскорости, виброперемещения, %	-20...+10.
Уровень собственных шумов прибора с ICP вибропреобразователем в полосах частот 2...1000, 10...1000, 10...2000, м/с2	не более 0,005.

Спектры.

Диапазон быстрого преобразования Фурье входных сигналов, Гц	от 0 до 25600.
Верхние граничные частоты поддиапазонов вычисления спектров, Гц	25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400, 12800, 25600.
Разрешающая способность спектрального анализа, линий	400, 800, 1600.
Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении среднего квадратического значения спектральных составляющих, %	± 10.
Динамический диапазон, свободный от паразитных спектральных составляющих, дБ	70.
Весовая функция	Ханинг.
Спектральные усреднения	Линейное (1...256).
Количество измеренных спектров, сохраняемых в энергонезависимой памяти
спектры на 400 линий	1000
спектры на 800 линий	500
спектры на 1600 линий	250
Время хранения данных в памяти прибора, лет	2
Верхние граничные частоты поддиапазонов быстрого преобразования Фурье огибающей сигнала, Гц	25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400.
Средние частоты полосовых фильтров при выделении огибающей, Гц	800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3200, 4000, 5000, 6400, 8000, 10000, 12800, 16000, 20000, (1/3 октавные фильтры), 50, 100, 200, 400, 800, 1600, 1200, 6400, 12800, 8000, 16000 (1/1 октавные фильтры).
Единицы измерения спектральных составляющих	g, м/с2, мм/с, мкм, inc/s, mils, В.
Представление спектра	линейное, логарифмическое (дБ).

Временной сигнал

Частоты дискретизации, Гц	64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384, 32768, 65536.
Количество отсчетов	200, 400, 1000, 2000, 4000.
Единицы измерения мгновенных значений сигнала	g, м/с2, В.
Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении мгновенных значений сигнала, %	± 5.
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения временных интервалов, период дискретизации	± 2 То, где To=l/Fo То - период дискретизации, Fo - частота дискретизации.

Общий сигнал.

Полосы измерения, Гц	2-200, 3-300, 5-500, 2-1000, 10-1000, 10-2000, 10-5000, 500 -2500, 625 - 1250, 1200 - 2500, 2500 - 5000, 5000-10000, 10000-25000, 17000 - 25000.
Количество измерений Значение сигнала	1...200. СКЗ, Пик, Размах (Пик-Пик), Коэффициент амплитуды (Пикфактор).
Представление результатов	линейное, логарифмическое (дБ).
Единицы измерения	g, м/с2, мм/с, мкм, inc/s, mils, B.

Скорость вращения машины.

Единицы измерения:	Об/мин, Гц.
Пределы допускаемой погрешности измерения скорости вращения в диапазоне 120...18000 об/мин, %	± 1.

Разгон - выбег.

Диапазон скоростей вращения, об/мин	6 - 102000
Количество каналов	ДО 16
Количество частотных поддиапазонов	50, 100, 200
Погрешность определения фазы, градусов	не более ±15
Погрешность определения амплитуды, дБ	не более ± 2
Представление амплитуды:	линейное, логарифмическое (в дБ)
Автоматический контроль	параметров сигнала с датчика оборотов
Единицы измерения амплитуды	g, м/с2, мм/с, мкм, inc/s, mils, Вольт.
Значение сигнала	СКЗ, Пик, Пик-Пик
Значение сигнала	СКЗ, Пик, Пик-Пик

Измерение амплитуды и фазы.

Диапазон частот вращения, об/мин	6 - 102000
Пределы допускаемой погрешности измерения скорости вращения в диапазоне 120...1800 об/мин, %	не более ± 1
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения фазы сигнала синхронного с частотой вращения в диапазоне 0...360°, градусов	± 5.
Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения амплитуды, %	± 10.
Автоматический контроль	параметров сигнала с датчика оборотов, достоверности измерений
Единицы измерения амплитуды	g, м/с2, мм/с, мкм, inc/s, mils, Вольт.
Значение сигнала	СКЗ, ПИК, ПИК-ПИК
Питание для датчика оборотов	встроенное, 5В постоянного тока, 18 мА

Параметры обмена с компьютером.

Виды обмена	интерфейс RS-232, внешний модем
Скорости обмена	1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 бит/сек

Выбор датчика вибрации.

При работе с прибором СД-12М предусмотрена возможность использования одного из следующих двух типов датчиков вибрации:

• Пьезоэлектрический акселерометр без встроенного усилителя, выходной сигнал которого имеет вид электрического заряда, а коэффициент преобразования измеряется в пK/g, и для акселерометра типа АР-40, поставляемого в комплекте виброанализатора СД-12М, находится в диапазоне от 15 пK/g до 25 пK/g.

• ICP акселерометр, в качестве которого может использоваться любой вибродатчик, удовлетворяющий требованиям ICP стандарта, например АР-28. Коэффициент преобразования датчиков данного типа, используемых в мировой практике охватывает диапазон от 10 мВ/g до 10 В/g в зависимости от частотного диапазона и величины измеряемого колебательного ускорения.

Выбор конкретного типа датчика определяется уровнем измеряемой вибрации, наличием электрических и магнитных наводок в измерительном канале, условиями окружающей среды, температурой объекта измерения, стоимостью датчика.

Так для измерения вибрации в условиях воздействия сильных помех на измерительный канал целесообразно использовать вибродатчики ICP.

Для измерения вибрации на объекте с повышенной температурой поверхности следует использовать датчики с зарядовым выходом, т. к. они допускают установку на поверхности с температурой до 250°С, что значительно превышает возможности датчика вибрации со встроенным усилителем.

Подключение датчика вибрации ко входу сборщика СД-12М осуществляется через согласующее устройство индивидуальное для каждого из 3-х указанных типов датчиков. Коэффициент передачи согласующих устройств равен 1, что позволяет при расчете реальных уровней вибрации пользоваться непосредственно значением коэффициента преобразования датчика.