ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Анализ вибрации

Учебное пособие

Барков А.В., Баркова Н.А.

Ассоциация ВАСТ,
Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140


Copyright (с) 2004 Барков А.В., Баркова Н.А., все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

УДК 629.12.05: 594.647

БАРКОВ А.В., БАРКОВА Н.А. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ вибрации: Учебное пособие. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2004, 152с.

Рассматриваются основные вопросы и направления развития вибрационного анализа, используемого при решении диагностических задач. Дается описание основных методов анализа сигналов вибрации во временной и частотной областях, в пространстве и по множеству однотипных объектов диагностики. Приводятся основные области применения рассматриваемых методов ана-лиза сигналов для решения задач диагностики вращающегося оборудования и его узлов.

Основные положения и выводы иллюстрируются практическими примерами. Основное внимание уделяется цифровым методам анализа сигналов, используемых в современных диагностических приборах и системах.

Публикация предназначена для специалистов в области неразрушающего контроля и специалистов по обслуживанию и ремонту механического и электромеханического вращающегося оборудования. Она может быть полезной студентам и аспирантам высших учебных заведений, изучающим вопросы технической диагностики.

Авторы признательны сотрудникам Ассоциации ВАСТ, предоставившим практические материалы для данной публикации.

Ил. 67. Библиогр.: 31 назв.

Рецензенты: А.Г.Шаблинский, В.В.Малахов

ISBN 5-88303-319-9


Введение

Диагностика машин и оборудования по вибрации включает в себя несколько разных направлений, развивающихся разными темпами. Часть из этих направлений использует результаты анализа вибрации оборудования или его узлов в неработающем состоянии. Для возбуждения вибрации в этих случаях используются специальные источники колебательных сил с полностью известными характеристиками, а предметом изучения и источником диагностической информации являются свойства колебательной системы. Одним из таких направлений является акустическая дефектоскопия, использующая источники колебательных сил ультразвукового диапазона частот и анализирующая особенности распространения и поглощения вибрационных волн в металлических конструкциях простейшей формы. Вторым направлением является модальный анализ колебаний оборудования и конструкций на разных, преимущественно резонансных, частотах, позволяющий определить форму и скорость затухания колебаний.

Большинство современных методов вибрационной диагностики базируется на анализе вибрации работающих машин и оборудования. Эти методы составляют основу функциональной (рабочей) диагностики, несмотря на то, что режимы работы оборудования могут быть самыми разными - от установившихся (номинальных или специальных) до переходных, в том числе пусковых, импульсных и т.п. В функциональной диагностике машин и оборудования по вибрации используется информация, содержащаяся в характеристиках колебательных сил и свойствах колебательной системы. И поскольку до начала анализа вибрации работающего оборудования, как правило, нет достаточно точной информации ни о колебательных силах, ни о колебательной системе, в функциональной диагностике максимальный результат дают самые сложные методы анализа вибрации, являющейся функцией параметров колебательных сил и свойств колебательной системы.

Многолетние исследования вибрации машин и оборудования различного назначения показывают, что наиболее сложную структуру имеют колебательные силы, при описании которых, в отличие от колебательной системы, нельзя ограничиваться только линейными моделями. Более того, анализ нелинейных процессов формирования колебательных сил дает максимальную диагностическую информацию о состоянии узлов - источников таких сил. Именно по этой причине часто приходится разрабатывать и применять узко специализированные методы и алгоритмы анализа сигналов вибрации работающего оборудования, которые позволяют оптимизировать задачу поиска конкретных видов дефектов в конкретных типах оборудования.

Вибрация, измеряемая в контрольных точках работающего оборудования, является результатом действия колебательных сил в разных узлах оборудования на механическую колебательную систему с разными передаточными характеристиками от каждого из источников колебательных сил до каждой точки контроля вибрации. В наиболее общем виде колебательные силы описываются суммой периодических, случайных и ударных составляющих, а передаточные характеристики - амплитудно-частотными и фазочастотными компонентами. Естественно, что максимальный объем диагностической информации, содержащейся в структуре колебательных сил, можно получить, лишь разделив сигнал на составляющие (периодические, случайные и ударные) и анализируя каждую из них отдельно, с учетом передаточных характеристик колебательной системы. Практическое решение подобной задачи настолько сложно, что приходится рассматривать лишь ее частные случаи.

Именно с частных случаев начались практические успехи разных направлений функциональной вибрационной диагностики машин и оборудования. Так, в машинах роторного типа среди колебательных сил на низких частотах практически отсутствуют ударные составляющие, весьма малый вклад дают случайные составляющие, а передаточные характеристики имеют лишь небольшое число резонансов. Поэтому по низкочастотной вибрации (обычно до частот порядка 1000 Гц) машин роторного типа можно достаточно точно определить характеристики и колебательных сил и колебательной системы, а основным способом получения диагностической информации становится спектральный анализ вибрации, измеряемой в разных точках и направлениях. Спектральный анализ низкочастотной вибрации машин и оборудования является одним из основных направлений функциональной диагностики, позволяющих обнаруживать до половины возможных дефектов машин роторного типа задолго до возникновения аварийной ситуации. Однако в машинах возвратно-поступательного действия, например двигателях внутреннего сгорания, из-за присутствия сил ударного происхождения объем получаемой из спектра низкочастотной вибрации машины значительно меньше, поэтому для таких машин необходимо использовать дополнительные методы диагностики, и не только вибрационные.

Другие направления функциональной вибрационной диагностики связаны с анализом высокочастотной вибрации узлов - источников колебательных сил в разных видах оборудования. Начало этим методам дали шведские специалисты, предложив способ анализа ультразвуковой вибрации подшипников качения, возбуждаемой микроударами при разрывах масляной пленки, получивший название метода ударных импульсов (SPM-метод) [1]. Именно в этом диапазоне частот вибрация дефектных подшипников возбуждается только ударными импульсами, а колебательную систему с практически достаточной точностью можно рассматривать как сплошную среду с ограниченным коэффициентом потерь. Аналогичные представления используются и в методе акустической эмиссии, когда источниками ударных импульсов становятся процессы формирования микротрещин в статически нагруженных конструкциях. SPM-метод широко используется для контроля состояния подшипников качения и систем импульсной подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания, а метод акустической эмиссии - для диагностики сосудов под давлением.

Новая ступень развития методов вибрационной диагностики узлов оборудования по высокочастотной вибрации началась с работ российских специалистов, использовавших спектральные методы для анализа колебаний мощности выделенных из сигнала вибрации случайных компонент [2]. Как оказалось, большой объем диагностической информации содержится в процессах, модулирующих мощность случайной вибрации, возбуждаемой силами механического, гидродинамического и аэродинамического трения.

Случайные составляющие вибрации в этом методе, технически реализованном таким же образом, как и известный метод "огибающей", выделялись с помощью широкополосных фильтров, в полосу частот которых не должны были попадать периодические составляющие. В машинах с большим количеством периодических составляющих вибрации часто не удается выбрать достаточно широкую полосу частот, в которую не попадает ни одной гармонической составляющей вибрации. Именно по этой причине метод не использовался для диагностики таких машин до тех пор, пока не был решен вопрос разделения сигнала на периодические и случайные компоненты без потерь диагностической информации. Решение предложили специалисты США, использовавшие для этого адаптивные фильтры, вырезающие из сигнала гармонические составляющие [3]. После внедрения достаточно мощных средств цифровой фильтрации сигналов объем диагностической информации, получаемой из высокочастотной вибрации отдельных узлов машин и оборудования, резко вырос.

Параллельно развивались и методы анализа колебательных сил и вибрации оборудования на низких частотах, где основной вклад в силы и вибрацию вносят периодические компоненты. Рост объема получаемой диагностической информации обеспечивался прежде всего за счет усложнения модели анализируемых периодических колебательных сил, которые при появлении дефектов во многих случаях оказываются модулированными по амплитуде и (или) по частоте. Для анализа модулированных сигналов все шире используются цифровые алгоритмы и средства демодуляции сигналов на основе преобразования Гильберта.

К началу XXI века возможности вибрационной диагностики вращающегося оборудования выросли настолько, что она легла в основу мероприятий по переходу на обслуживание и ремонт многих типов оборудования по фактическому состоянию. На такой вид обслуживания и ремонта стало переводиться наиболее распространенное и, прежде всего, вентиляционное и насосное оборудование. В то же время для некоторых типов вращающегося оборудования номенклатура обнаруживаемых по вибрации дефектов и достоверность их идентификации еще недостаточны для принятия столь ответственных решений.

Наибольшее количество нерешенных диагностических задач определяется сложностью анализа свойств колебательных сил по среднечастотной вибрации, где сравнимый по величине вклад дают периодические, случайные и ударные силы, а колебательная система имеет большое количество резонансов достаточно высокой добротности. Особенно это относится к поршневым машинам, в которых силы ударного происхождения максимальны. Трудности анализа среднечастотной вибрации ограничивают и возможности диагностики компактных машин большой удельной мощности, например авиационных двигателей, в которых из-за недоступности многих узлов и, прежде всего, подшипников, для прямого измерения высокочастотной вибрации, невозможно получить диагностическую информацию о начале развития многих видов дефектов.

Сказанное не является существенным препятствием для развития вибрационной диагностики таких машин. Но для увеличения объема получаемой из сигнала вибрации диагностической информации необходимо осваивать более сложные методы анализа сигналов. Подтверждением правильности такого пути развития является то, что для качественного анализа сложных сигналов в звуковом диапазоне частот уже многие десятилетия опытные диагносты используют органы слуха, которые, в частности, позволяют обнаружить даже слабые составляющие вибрации (шума) ударного происхождения на фоне интенсивных стационарных составляющих в том же диапазоне частот.

Большие перспективы в решении задач количественного анализа сложных сигналов вибрации, содержащих импульсные компоненты, может дать развитие методов вейвлет-анализа сигналов. Не менее важным направлением развития методов вибрационной диагностики можно считать автоматизацию обработки результатов традиционных видов анализа, например спектров вибрации, измеряемых в широкой полосе частот с высоким разрешением по частоте.

И, наконец, прогресс вибрационной диагностики в существенной степени зависит от выбора всей совокупности методов и средств анализа сигналов, используемых для постановки диагноза у каждого вида машин и оборудования. В связи с этим в настоящей публикации приводится краткое описание каждого из применяемых в вибрационной диагностике методов анализа сигналов и областей их использования.


О Г Л А В Л Е Н И Е

    ВВЕДЕНИЕ
      1. Основные виды анализа и области их применения
      2. Анализ вибрации во временной области
        2.1. Анализ формы сигнала
        2.2. Статистический анализ
        2.3. Корреляционный анализ
        2.4. Анализ собственных колебаний
      3. Анализ вибрации в частотной области 4. Многопараметрический анализ вибрации
        4.1. Многомерный анализ
        4.2. Биспектральный анализ
        4.3. Вейвлет-анализ
      5. Технические средства анализа вибрации
        5.1. Общие требования
        5.2. Простейшие средства измерения и анализа вибрации
        5.3. Стационарные системы мониторинга и диагностики
        5.4. Портативные системы мониторинга и диагностики
        5.5. Исследовательские приборы и системы
    Литература


Copyright (с) 2004 Барков А.В., Баркова Н.А., все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения автора.

Полную версию (156 cтраниц) настоящего учебного пособия вы можете заказать по адресу:
Ассоциация ВАСТ,
Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140

e-mail: vibro@vast.spb.su
тел. в России: +7 (812) 327-5563

Вернуться на Статьи,публикации, описания