ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА В БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ

 

А.В. Барков, В.В. Тулугуров

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


Copyright (с) 1998-2002 Барков, Тулугуров, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения авторов.

ВВЕДЕНИЕ

Контроль технического состояния машин и оборудования является естественным путем повышения качества продукции и снижения эксплуатационных расходов. Главной задачей такого контроля можно считать переход на обслуживание и ремонт техники по фактическому состоянию. Для ее решения следует использовать новые эффективные технологии диагностики, которые существуют и непрерывно совершенствуются, но еще недостаточно широко внедряются в бумажной промышленности России.

Среди подобных технологий по эффективности резко выделяется отечественная конверсионная технология диагностики вращающегося оборудования, в частности, подшипников и зубчатых передач, по высокочастотной вибрации. Ее разработка началась в 80-х годах для кораблей Военно-морского флота, а с начала 90-х годов она стала использоваться и на ряде бумажных комбинатов. В настоящее время специалистами России и США на базе этой и других современных технологий создано новое поколение систем диагностики, наиболее полно отвечающее требованиям промышленности, в том числе и бумажной. Краткий анализ этих технологий, воплощенных в переносные и стационарные системы диагностики, приводится в настоящей публикации.

МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ПО ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ВИБРАЦИИ

Виброакустическая диагностика машин как естественное направление технической диагностики существовала задолго до появления приборов, измеряющих вибрацию и шум. Но многие годы основной акцент делался на измерение и анализ низкочастотной вибрации, для чего достаточно было иметь простейшие измерительные приборы. Даже при диагностике машин “на слух”, с помощью стетоскопа, фактически анализировалась низкочастотная и среднечастотная вибрация, для возбуждения которой нужны значительные колебательные силы, так как это вибрация машины в целом или, по крайней мере, ее значительной части. Естественно, что и дефекты обнаруживались на той стадии развития, когда их величина становилась достаточной для формирования необходимых колебательных сил.

Очевидно, что для обнаружения зарождающихся дефектов следовало перейти на измерение и анализ высокочастотной вибрации, несмотря на то, что она имеет достаточную для измерения величину только в непосредственной близости от дефекта. К сожалению, многие годы диагностика машин и их узлов по высокочастотной вибрации не развивалась из-за отсутствия эффективных методов ее анализа. Но в 1964 году шведские специалисты предложили свой метод анализа высокочастотной вибрации, чувствительный к появлению микроударов при контакте элементов трения в подшипниках качения. В последствии он получил название “Метод ударных импульсов”. Для выполнения такого вида анализа высокочастотной вибрации были созданы специализированные измерительные приборы, которые из-за их небольшой стоимости и в настоящее время являются самыми распространенными средствами контроля состояния подшипников качения в бумажной промышленности.

Для иллюстрации этого метода на рис.1 приведены сигналы высокочастотной вибрации подшипников качения без дефектов, с износом поверхностей трения и с раковиной на поверхности трения. Ударные импульсы возникают в третьем случае, при вращении подшипника с раковиной на любой из поверхностей трения качения. Они обнаруживаются по величине отношения максимального значения сигнала к его среднеквадратичному значению. Это отношение называется пикфактором и при появлении редких ударных импульсов может превышать величину порядка десяти. При отсутствии ударных импульсов оно, как правило, оказывается ниже пяти.

а)
б)
в)

Рис. 1. Высокочастотная вибрация подшипников качения.
а) без дефектов
б) с износом поверхности трения
в) с раковиной на поверхности трения

Метод ударных импульсов и использующие его приборы, в основном производства фирмы SPM, применяются для обнаружения многих видов зарождающихся дефектов, и прежде всего в подшипниках качения. Но из-за недостаточной эффективности прогноза развития дефектов и резкого снижения достоверности диагностики в тех случаях, когда частота вращения подшипника оказывается ниже значений порядка 50-100 оборотов в минуту, для более широкого применения в промышленности необходимо было искать более эффективные методы обнаружения зарождающихся дефектов и прогноза их развития.

В 1978 году специалистами г. Санкт-Петербурга был предложен метод диагностики, который по аналогии с уже существующими методами получил название “Метод огибающей”. Этот метод, в котором анализируется не сама высокочастотная вибрация, а низкочастотные колебания ее мощности, позволил снять практически все ограничения, характерные для метода ударных импульсов, резко расширил область использования методов диагностики машин по высокочастотной вибрации, повысил достоверность результатов диагностики и, что особенно важно, качество долгосрочного прогноза состояния диагностируемого оборудования. Метод иллюстрируется приведенными на рис.2 спектрами огибающей тех сигналов высокочастотной вибрации, которые показаны на рис.1. В спектре огибающей случайной вибрации бездефектного подшипника отсутствуют гармонические составляющие. В спектре огибающей вибрации подшипника с износом видна одна сильная гармоническая составляющая, указывающая на плавное и периодическое изменение мощности сигнала вибрации. В подшипнике с ударными импульсами мощность высокочастотной вибрации изменяется скачками и в спектре ее огибающей присутствует уже ряд кратных по частоте гармонических составляющих.

а)
б)
в)

Рис. 2. Cпектры огибающих сигналов высокочастотной вибрации,
приведенных на рисунке 1.
а) подшипник без дефектов
б) подшипник с износом поверхности трения
в) подшипник с раковиной на поверхности трения

Значительное повышение качества получаемых результатов диагностики определяется не только использованием нового метода анализа вибрации, но и повышением объема накапливаемой информации. В частности, метод ударных импульсов требует измерения вибрации за время порядка 2-3 оборотов диагностируемого узла, а для использования метода огибающей необходимо проводить измерения в течение 50-100 оборотов, т.е. время измерения вибрации в низкооборотных машинах может составлять несколько минут.

Быстрому внедрению средств диагностики на основе метода огибающей несколько лет мешало отсутствие относительно недорогих приборов, но уже в 1991 году появились первые отечественные приборы, способные производить спектральный анализ огибающей случайных составляющих вибрации машин, а в последние годы не только в России, но и в других странах стали выпускаться стандартные измерительные и анализирующие приборы, имеющие в составе типовых функций опцию для спектрального анализа огибающей случайной вибрации с предварительным выделением случайных компонент из измеряемого сигнала. Естественно, что стоимость такого рода типовых приборов стала значительно ниже стоимости оригинальных разработок, лишь незначительно превышая цену на простейшие приборы, реализующие метод ударных импульсов. В то же время приборы с широкими возможностями могут быть использованы и для решения других актуальных задач, в частности, для контроля вибрации в помещениях, балансировки машин и ряда других.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИКИ

Вибрационная диагностика машин, как и любая другая диагностика, включает в себя не только операции измерения и анализа сигналов, но и обработку полученных результатов с постановкой диагноза и прогноза состояния машины (узла). Многие годы последнюю функцию выполняли эксперты, имеющие специальную подготовку. Их задачей являлась идентификация обнаруживаемых изменений свойств контролируемого сигнала, определение вида и величины дефекта, прогноз его развития и оценка остаточного ресурса машины (узла). Сложность и длительность подготовки таких специалистов вынудили многие фирмы - производители приборов создавать экспертные программы, помогающие операторам с недостаточной подготовкой ориентироваться в анализе полученной информации и направлено проводить дополнительные измерения.

В последние годы стали создаваться и программы автоматической диагностики, заменяющие эксперта при решении типовых диагностических задач. Системы автоматической диагностики на основе таких программ развиваются по двум основным направлениям. Первое - создание самообучающихся систем, использующих те признаки дефектов и правила их обнаружения, которые вносятся в систему пользователем в процессе ее адаптации к конкретному оборудованию. Особенностью таких систем с одной стороны является гибкость, а с другой - низкая достоверность результатов, получаемых, по крайней мере, в первые годы ее эксплуатации. Причинами последнего являются возможная противоречивость вносимых в программу правил и недостаточность имеющихся у пользователя статистических данных. Повышать достоверность результатов можно лишь в случае, когда адаптацию подобной системы выполняют эксперты высокой квалификации, если пользователь имеет возможность привлечь их к проведению этих работ.

Второе направление автоматизации диагностики - создание программ диагностики основных узлов машин без вмешательства в нее пользователя, на основе имеющейся информации у разработчиков системы. Такие программы имеют самую высокую достоверность результатов, часто превышающую 90%. Но создаваемые таким образом программы распространяются на такие типовые узлы, как подшипники качения и скольжения, механические передачи на основе муфт, шестерен, цепей и ремней, рабочие колеса турбин, компрессоров, вентиляторов и насосов, электромагнитные системы электрических машин переменного и постоянного тока. И практически не существует эффективных программ такого типа для цилиндро - поршневой группы, кулачковых приводов и узлов ударного действия.

Для Российских предприятий бумажной промышленности, как правило, не имеющих высококлассных экспертов по диагностике машин и оборудования, автоматические системы диагностики второго направления могут дать наибольший эффект, который во много раз превысит эффект от использования как приборов или систем простейшего контроля состояния подшипников качения методом ударных импульсов, так и мощных и дорогих систем автоматического мониторинга, применяемых на ряде зарубежных предприятий бумажной промышленности. Лидерами в создании подобных автоматических диагностических систем являются специалисты России (АО ВАСТ) и США (VibroTek, Inc, ранее Inteltech Enterprises Inc.), объединившие усилия в разработке нового поколения систем мониторинга и глубокой диагностики машин по их вибрации и шуму.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ

Контроль, диагностика и прогноз состояния машин и оборудования в процессе их работы в международной практике объединяются под одним термином - мониторинг состояния оборудования, поэтому ниже дается более широкая информация о технических средствах вибрационного мониторинга, используемых в различных отраслях промышленности многих стран.

Технические средства мониторинга объединяются в системы мониторинга состояния машин и оборудования, в которых вибрация обычно является основным видом измеряемых сигналов, лишь в отдельных случаях дополняемых средствами измерения температуры, давления, тока, мощности или других параметров основных и вторичных процессов, протекающих в объектах мониторинга.

По целевому назначению системы мониторинга делятся на два класса - системы предупредительного и защитного мониторинга. Вторые, как правило, не несут диагностических функций, а, как это принято в системах аварийной защиты, отключают оборудование, когда контролируемые параметры выходят за рамки установленных допусков. Чтобы предупредить развитие аварий, в таких системах измерение параметров производится практически непрерывно, или, по крайней мере, несколько раз в секунду. Ниже приводится анализ технических средств в системах предупредительного мониторинга, задачей которых является обнаружение изменений состояния оборудования задолго до наступления аварийной ситуации и своевременная выдача предупреждения обслуживающему персоналу. Если такая система способна обнаружить все опасные изменения по крайней мере за несколько дней до аварии, она может быть выполнена в переносном (портативном) виде. Если она рассчитана на обнаружение нескольких видов дефектов, но при условии, что хотя бы один из них появляется за несколько часов до аварии в результате развития любой последовательной цепочки дефектов, то подобная система мониторинга выполняется преимущественно в виде стационарной системы. В последние годы появилась тенденция использовать комбинированные системы, т.е. стационарные, включающие в себя и переносную часть для получения дополнительной информации по желанию пользователя.

Качество любой системы мониторинга определяется тремя основными показателями- минимальным временем предупреждения аварийной ситуации, вероятностью пропуска аварийной ситуации и вероятностью ложного срабатывания за единицу времени, например, за сутки. Существует три основных способа улучшения этих показателей. Первый - выбор правильного их соотношения, второй - расширение номенклатуры измеряемых физических процессов и увеличение количества датчиков в системе мониторинга, третий - повышение интеллектуальных показателей системы, в первую очередь, за счет расширения ее диагностических возможностей. В том случае, когда принято решение об использовании интеллектуальной системы, должны приобретаться те технические средства, в которые заложены соответствующие возможности. И лишь при наличии таких возможностей встает вопрос, как их реализовать, с помощью эксперта высокой квалификации или диагностического программного обеспечения, заменяющего такого эксперта.

Основными техническими средствами систем мониторинга являются средства измерения и анализа сигналов. В интеллектуальных системах вибрационного мониторинга вращающегося оборудования - это датчики вибрации и узкополосные анализаторы спектра вибрации и огибающей ее высокочастотных составляющих. Последние выполняются либо в виде отдельного прибора, см. рис.3, либо в виде плат для персонального компьютера. При необходимости, которую определяет сам пользователь, система мониторинга может быть дополнена датчиками других физических величин.

Рис. 3. Переносная система вибрационного мониторинга и диагностики производства АО ВАСТ.

В современную систему мониторинга обязательно входит и персональный компьютер. В него сбрасываются результаты измерений для хранения и сравнения с пороговыми значениями. В зависимости от используемых пакетов программ для мониторинга и для диагностики выходной информацией такой системы мониторинга могут быть:

- результаты сравнения измеряемых параметров с пороговыми значениями,

- результаты обнаружения изменений величин измеряемых параметров и прогноз их развития,

- возможные причины обнаруженных изменений,

- идентификация обнаруженных по этим изменениям дефектов,

- прогноз развития дефектов и определение остаточного ресурса,

- оценка работоспособности объекта контроля.

 

Кроме указанных технических средств в систему мониторинга входят и линии связи датчиков со средствами анализа сигналов, приборов с компьютерами, компьютеров с компьютерными сетями. Эти линии связи могут быть временными в переносных или постоянными в стационарных системах мониторинга. Возможен и комбинированный вариант, при котором датчики установлены стационарно, линии связи выведены в доступные места, а для приема и анализа сигналов в этих местах используется переносной прибор.

Таким образом, переносная система мониторинга вибрационного состояния машин и оборудования, показанная на рис.3, включает в себя датчик вибрации, прибор для измерения и анализа вибрации, персональный компьютер с пакетом программ для мониторинга, и дополнительно пакет программ для диагностики и прогноза состояния оборудования, если эти задачи не поручено решать эксперту, работающему с системой мониторинга. Структура стационарной системы несколько сложнее, в первую очередь, за счет линий связи. Она приведена на рис.4.

Рис. 4. Структурная схема стационарной системы вибрационного мониторинга и диагностики
(а - датчики вибрации; б - устройства коммутации и усиления; в - компьтерная часть).

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ В РОССИИ

К необходимости решать задачу обнаружения зарождающихся дефектов в эксплуатируемом оборудовании специалисты бумажной промышленности пришли достаточно давно, и уже в начале семидесятых годов стали использовать приборы для обнаружения дефектов подшипников качения по высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударными импульсами. Но поскольку этот метод обнаружения наиболее эффективен именно на этапе зарождения таких дефектов, как раковины, сколы, трещины на поверхностях качения и по мере их развития снижает свою эффективность, после обнаружения дефектов в подшипнике последний ставился на особый контроль механика, осуществляющего диагностику “на слух”. Окончательное решение о замене подшипника в дальнейшем принимал уже механик, ориентируясь либо на свой опыт и слух, либо на результаты дальнейших измерений низкочастотной вибрации, периодически проводимых другими приборами.

Первичное обнаружение дефектов по ударным импульсам оказалось настолько эффективным способом предварительного отбора подшипников для более подробного контроля состояния, что в настоящее время обслуживающий персонал большинства предприятий бумажной промышленности стал оснащаться, по крайней мере, простейшими приборами для обнаружения ударных импульсов в подшипниках качения. И это несмотря на то, что качество диагноза и прогноза состояния подшипников после обнаружения ударных импульсов практически полностью определяется опытом механика, наблюдающего за дальнейшим развитием дефектов.

Далеко не все предприятия имеют достаточно дорогую аппаратуру для измерения и анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, с помощью которой можно определять время достижения дефектами опасных величин, когда вибрация машины начинает, по крайней мере, влиять на качество выпускаемой продукции. Эта же аппаратура используется и для обнаружения дефектов других узлов различных машин, а также может использоваться для балансировки роторов непосредственно на месте эксплуатации, контроля вибрации в помещениях и для решения других задач.

Но в последние годы в развитии приборостроения, в том числе и в создании приборов для измерения и анализа вибрации, произошел качественный скачок. В приборах нового поколения встроены микрокомпьютеры, их возможности и число в каждом приборе постоянно растет, а габариты и стоимость приборов постоянно снижаются. Так, стоимость универсальных приборов для измерения и анализа вибрации, в том числе с возможностью обнаружения и анализа высокочастотных составляющих, возбуждаемых ударными импульсами, за последние десять лет снизилась в 3-5 раз, и в настоящее время сравнима со стоимостью давно выпускаемых приборов для обнаружения ударных импульсов. В связи с этим на повестке дня встает вопрос о наиболее эффективном расширении парка приборов на предприятиях бумажной промышленности с целью повышения эффективности диагноза и прогноза состояния машин и их узлов. И его не следует решать без учета возможностей программного обеспечения для персональных компьютеров, позволяющего не только работать с базами данных, но и резко повышать производительность и эффективность приборов, заменяя эксперта при решении типовых задач, число которых превышает 90% от всех возникающих в процессе эксплуатации диагностических задач.

В начале девяностых годов на ряде бумажных комбинатов было установлено несколько стационарных систем мониторинга состояния машин по вибрации, но из-за высокой стоимости, отсутствия экспертов для обслуживания таких систем, а также из-за постоянных обрывов линий связи, широкого распространения эти системы не получили. Кроме того в то время приобретались системы, рассчитанные на контроль вибрации подшипников, а в подобных системах достаточно часто происходят ложные срабатывания при изменении вибрации других узлов, даже если эти изменения не представляют опасности при дальнейшей эксплуатации оборудования.

Всеми перечисленными недостатками в полной мере обладали и отечественные стационарные системы мониторинга машин по вибрации, в том числе и первая стационарная система, поставленная АО ВАСТ на Котласский ЦБК. Потребовалось около трех лет для того, чтобы создать новое поколение стационарных систем для картонно-бумажного производства с низкими частотами вращения валов, которое обеспечивает обнаружение и контроль за развитием дефектов не только подшипников, но и зубчатых передач, собственно валов и приводных электрических машин. Практически только с 1998 года такие системы стали поставляться заказчикам, как правило, с комплектованием их и переносными системами. При этом число точек контроля в стационарной системе по экономическим соображением ограничивается на уровне 50 - 100, и ее основной задачей становится обнаружение быстро развивающихся дефектов не отдельных узлов, а целых систем, например, системы принудительной смазки машины.

Накопленный опыт использования систем мониторинга и диагностики машин по вибрации показывает, что при любых средствах ее измерения и анализа качество получаемых диагнозов определяется подготовкой специалиста, производящего измерения и ставящего окончательный диагноз. От имеющихся технических средств и программного обеспечения зависит только производительность этого специалиста, и именно она определяет величину затрат на мониторинг и диагностику, а, в конечном счете, экономическую эффективность внедрения систем мониторинга и диагностики на предприятии.

С появлением систем диагностики, обнаруживающих дефекты на ранней стадии развития, преимущества стационарных систем по сравнению с переносными свелись к минимуму, т.е. к удобству работы обслуживающего персонала и к возможности продублировать систему аварийной защиты. Переносные же системы раннего обнаружения дефектов, особенно системы с автоматической обработкой данных и автоматической постановкой диагноза в типовых случаях, обладают таким преимуществом, как низкая стоимость и возможность отслеживать состояние большого количества машин и оборудования.

Сказанное поясняет тот факт, что наибольшего эффекта от использования систем вибрационной диагностики добиваются предприятия, организовавшие диагностическую группу, оснастившие ее взаимозаменяемой аппаратурой и подготовившие одного-двух специалистов по диагностике. Анализ их деятельности показывает, что наиболее эффективно такими группами используются переносные средства измерения и анализа вибрации, совместимые с персональными компьютерами со специальными диагностическими и обучающими программами, в первую очередь, программами автоматической диагностики и прогноза, выпускаемыми в России. Последнее особенно важно, так как именно в России диагносты могут получать оперативные консультации специалистов-разработчиков, а также оперативно производить, если это необходимо, адаптацию программного обеспечения к особенностям диагностируемого оборудования.

Наиболее полно требованиям к таким системам удовлетворяют технические средства и программное обеспечение АО ВАСТ, которые обеспечивают автоматическое получение не только диагноза и прогноза диагностируемого узла, но и всех ссылок на причины постановки каждого диагноза. По результатам мониторинга и диагностики формируется заключение, форма которого приведена на рис. 5.

 

Рис.5. Заключение по результатам автоматического диагностирования редуктора с подшипниками качения.

Кроме заключения формируется и графическое представление результатов мониторинга и диагностики. Результаты мониторинга представляются в виде спектров вибрации и ее огибающей с отображенными на них пороговыми значениями (рис.6)

Рис. 6. Графическое представление результатов вибрационного мониторинга - сравнение уровней составляющих спектра вибрации с допустимыми пределами.

Результаты диагностики представляются в виде идентифицированных составляющих спектров, обнаруженных дефектов и ссылок на те составляющие, по которым поставлен каждый из дефектов (рис.7).

Рис. 7. Графическое представление результатов диагностики состояния подшипника качения -
все линии в спектре идентифицированы и показано, какие линии являются признаками наличия того или иного дефекта.

Как показывает опыт эксплуатации переносных систем мониторинга и диагностики производства АО ВАСТ, один оператор может вести контроль за состоянием до пяти тысяч диагностируемых узлов, например, подшипников качения, не допуская их непрогнозируемых отказов. При соблюдении всех рекомендаций этого специалиста предприятие может сократить расход запасных частей на 20-30%, не производя преждевременной их замены, и на такую же величину снизить объем ремонтных работ.

ВЫВОДЫ

  1. Использование систем вибрационного мониторинга и диагностики в бумажной промышленности позволяет решить более 90% диагностических задач.
  2. Раннее обнаружение дефектов во вращающемся оборудовании производится прежде всего по параметрам высокочастотной вибрации диагностируемых узлов.
  3. Опыт эксплуатации систем вибрационного мониторинга и диагностики показывает, что наиболее высокие технические показатели достигаются при использовании методов и приборов, обеспечивающих спектральный анализ как вибрации, так и огибающей ее высокочастотных составляющих.
  4. Наибольший экономический эффект на начальном этапе внедрения систем вибрационного мониторинга и диагностики дают переносные системы с программным обеспечением для автоматической диагностики типовых узлов роторных машин, таких как подшипники, шестерни, рабочие колеса и другие.

Литература

  1. А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев “Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации” Изд. АО ВАСТ, Санкт-Петербург 1997г.
  2. А.В. Барков “Возможности нового поколения систем мониторинга и диагностики”, журнал Металлург, №11,12, 1998г.

Copyright (с) 1998-2002 Барков, Тулугуров, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения авторов.