ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ МАШИН ПО ВИБРАЦИИ

А.В. Барков, Н.А. Баркова

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

(Статья опубликована в выпуске трудов Петербургского энергетического института повышения квалификации Минтопэнерго Российской Федерации и Института вибрации США (Vibration Institute, USA), Выпуск 9, Санкт-Петербург, 1999 г.)


Copyright (с) 1999-2002 Барков, Баркова, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения авторов.

В вибрационной диагностике вращающегося оборудования одним из лидеров является Ассоциация предприятий "Виброакустические Системы и Технологии" (ВАСТ) г.Санкт-Петербург. ВАСТ ведет разработки методов и средств мониторинга и диагностики совместно с зарубежными коллегами и фирмами, которые представляют их интересы на всех континентах. Основная продукция фирмы ВАСТ - системы диагностики с искусственным интеллектом, которые поставляются во многие страны мира.
Настоящая статья посвящена основным проблемам вибрационной диагностики машин и возможностям ВАСТ в этом направлении.

1. Введение

В последние годы при отказе от обслуживания и ремонта техники по регламенту её вывод в ремонт на практике осуществляется тремя основными способами: Но значительный экономический эффект дает только третий способ. Успешное его использование позволяет: Для последнего способа необходима полная диагностика объекта, причем желательно обнаруживать все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа, чтобы подготовиться к ремонту. В механике и электромеханике, как показала практика, эффективная диагностика машин возможна, в основном, по вибрации, так как : Такие общепризнанные методы как контроль температуры, анализ смазки и другие при правильном подходе практически не требуются - их заменяет анализ вибрации.

2. История вибрационной диагностики машин.

В любой области техники от идеи до ее реализации проходит 20-30 лет. Те же сроки потребовались для развития эффективной вибрационной диагностики машин. Так, основные методы диагностики появились в 60-80-тых годах, когда впервые появилась техника анализа вибрации, превышающая возможности слуха человека. Но для практической реализации этих методов потребовалось еще 2-3 десятилетия, и только в последние годы она стала широко внедряться практически во всех отраслях промышленности.

В России почти половина из эффективных методов диагностики машин родилась в лаборатории судостроительной промышленности, в которой руководители ВАСТ работали с конца 60-х годов. Подтверждение тому, что они являются одними из основоположников вибрационной диагностики машин, можно найти во многих Российских и западных публикациях и журналах. Ведь практически вся диагностика появилась в среде военных моряков России, США, Великобритании, т.е. там, где эта задача была наиболее актуальна, где не было проблем с финансированием на исследования, где работали лучшие ученые и инженеры.

Но средства измерения не стали в то время столь распространенными, чтобы вибрационная диагностика стала настолько популярной, как сейчас. Реально эти средства появились в начале 90-х годов, когда приборы стали строиться на базе микрокомпьютеров. Лишь тогда сложные виды анализа сигналов стали доступны широкому классу потребителей. Сейчас новое поколение компьютеров появляется каждые 2 - 3 года, и каждые два - три года обновляется измерительная и анализирующая техника. Можно говорить о том, что современный прибор - это датчик плюс микрокомпьютер. Широкое распространение получили виртуальные приборы, когда прибор - это датчик плюс персональный компьютер. Один из их производителей, с которым сотрудничает ВАСТ - фирма Data Physics, США.

Естественно, что с опозданием лет на пять в России появились и производители приборов. Сейчас таких фирм уже около десятка. Фирма ВАСТ является производителем СД-11, и, кроме России, его выпуск начат в Канаде.

Но глубокая диагностика машин и оборудования по вибрации - это не только методы диагностики и аппаратура для измерения и анализа процессов. Есть еще две обязательные составные части:

В первом вопросе лидерами всегда были фирмы США, создававшие на протяжении многих лет эффективные компьютерные системы мониторинга, т.е. наблюдения за протекающими процессами, в том числе и за вибрацией машин и оборудования. В состав программного обеспечения входила база данных с характеристиками контролируемого оборудования и результатами измерений, удобный пользовательский интерфейс с различными порогами, возможностью графического анализа с построением трендов, и другими средствами представления данных специалисту - диагносту.

Второй вопрос в большинстве систем диагностики решался одним способом - привлечением эксперта по диагностике конкретного вида оборудования. Во многих странах, и прежде всего в США, существует система подготовки и переподготовки таких экспертов. В ряде стран, и в том числе в странах СНГ, такая подготовка отсутствует.

Но есть еще два направления решения второго вопроса - разработка искусственного интеллекта. Одно направление - обучаемый искусственный интеллект, где обучение проводит сначала разработчик системы, затем пользователь дополняет систему нужными ему правилами. Второе направление - самообучаемая (адаптивная) система с жесткими алгоритмами обучения, заданными разработчиками.

По первому направлению идут почти все фирмы, разрабатывающие системы диагностики. По второму - фирма ВАСТ. И лишь в последние годы появились ее последователи. Это самое сложное направление, но зато такие системы дают реальный диагноз и прогноз сразу после их приобретения.

Искусственный интеллект, созданный ВАСТом, использует в настоящее время ряд мировых производителей систем мониторинга и диагностики. Это ведущие производители Европы "Брюль и Къер" (сейчас эта фирма объединилась с фирмой "Шенк") (Дания - Германия), "Диагностик Инструментс" (Великобритания), а также производители США и Канады - DPL (Канада), VibroTek, Inc. (бывшее название Inteltech Enterprises, Inc.), США. Для того, чтобы появилась такая возможность, фирмой ВАСТ были проведены с каждой из этих фирм серьезные совместные разработки.

Основная причина, почему широко используются разработки фирмы ВАСТ, состоит в том, что они реально заменяют экспертов, а производительность систем диагностики на их основе растет во много раз.

3. Вибрация, ее измерение и анализ

Вибрация и шум - естественные процессы, протекающие в машинах и оборудовании, и возбуждаются они теми же динамическими силами, которые являются причинами износа и разных видов дефектов.

Естественно, что вибрация и шум трансформируются друг в друга на границах газовой и твердых сред, а человек непосредственно воспринимает звук, и лишь в ограниченном низкочастотном диапазоне - вибрацию.

За переход вибрации в шум отвечает колебательная скорость, которая прямо пропорциональна звуковому давлению в воздухе около вибрирующей поверхности. Поэтому и нормы на вибрацию, как правило, ограничивают колебательную скорость машин и оборудования.

Но вибрационный контроль и вибрационная диагностика - разные практические задачи. В диагностике дефект определяется колебательной силой, действующей в зоне дефекта, а сила связана линейно с колебательным ускорением, а не со скоростью. Поэтому в диагностике часто пользуются измерениями виброускорения, а для вибрационного контроля машин дополнительно измеряют и виброскорость, причем лишь в ограниченном низкочастотном диапазоне.

Для измерения вибрации, как правило, используются датчики виброускорения, работающие на пьезоэффекте. В таких датчиках электрический заряд на выходе пропорционален действующей на датчик силе. Лишь в ряде стационарных систем контроля вибрации крупных машин с подшипниками скольжения используются датчики колебательного смещения, встраиваемые в подшипник (по два датчика на подшипник). Эти датчики позволяют измерять траекторию движения центра вала в подшипниках (его орбиту) и, тем самым, непосредственно определять величину износа вкладышей.

Для измерения шума используются микрофоны с различными способами преобразования звукового давления в электрический сигнал. Для диагностики машин иногда используются направленные микрофоны, позволяющие определять направление на точку излучения шума. Практически микрофоном можно дистанционно измерять вибрацию объекта, а конкретно величину виброскорости.

Фирма ВАСТ крайне редко пользуется для диагностики измерениями шума, так как в воздушной среде смешивается практически без потерь шум от многих источников, и детально анализировать шум конкретного источника крайне сложно в присутствии других источников шума. Кроме того, задачу выделения конкретных составляющих шума, обусловленных появлением дефекта, усложняют при распространении возможные его преломления, многократные отражения и т.п.

Есть еще одна причина, по которой не рекомендуется активно использовать шум для диагностики машин. Эта причина - необходимость учета формы колебаний объекта в непосредственной близости от места возникновения дефекта. Здесь значительный вклад как в вибрацию, так и в шум вносят псевдосоставляющие сложных форм, т.е. те, которые по мере удаления от источника трансформируются в простую (волновую) форму. При измерении шума на расстоянии информация, имеющаяся в псевдошуме или псевдовибрации, пропадает.

После преобразования сигнала вибрации (шума) в электрический сигнал, последний необходимо тщательно анализировать, получая, а не теряя диагностическую информацию. К анализирующим приборам в диагностике предъявляются самые жесткие требования. К типовым операциям, которые должны выполнять приборы, анализирующие вибрацию, следует отнести:

  1. Определение уровня (общего) вибрации в полосе частот, требуемой стандартами вибрационного контроля и в требуемых стандартами единицах измерения.
  2. Спектральный анализ вибрации, т.е. разделение вибрации на составляющие разной частоты, определяемые природой колебательных сил.
  3. Анализ колебаний мощности отдельных составляющих вибрации, предварительно выделенных из сигнала вибрации. Это, как правило, анализ спектра огибающей случайного высокочастотного сигнала вибрации.
  4. Анализ формы сигнала вибрации, т.е. анализ временной развертки сигнала (работа в режиме осциллографа).
Следует отметить, что далеко не все из выпускаемых относительно простых анализирующих приборов могут выполнять все указанные виды анализа, по крайней мере, с необходимым для диагностики качеством.

4. Качество и единицы измерения вибрации

Диагностика - это, в основном, поиск слабых компонент сигнала на фоне сильных. Различаются слабые и сильные компоненты обычно и по частоте. По мощности эти компоненты могут различаться в 106 раз, поэтому измеряют не их мощность, а амплитуду, и различие между слабыми и сильными компонентами снижается до величин, порядка 103 раз. Но слабую компоненту необходимо не только обнаружить, но и определить ее свойства. Поэтому анализатор сигнала должен без каких-либо переключений обеспечивать динамический диапазон анализа порядка 104 раз. Добавим еще и то, что машины могут иметь, например, из-за разной частоты вращения, разную максимальную амплитуду вибрации, отличающуюся до 100 раз. Тогда очевидно, что хороший прибор без смены датчика должен иметь динамический диапазон измерений порядка 106 раз.

Чтобы было удобно сравнивать составляющие вибрации, так сильно отличающиеся друг от друга, в акустике принято отображать их величины в логарифмическом масштабе.

Две составляющие, отличающиеся по мощности в 10 раз, принято считать в логарифмическом масштабе отличающимися на 10 децибел. Если посмотреть различие амплитуд этих составляющих - то оно другое. В акустике различие амплитуд составляющих в 10 раз в логарифмическом масштабе соответствует 20 дБ. Осталось увязать точки отсчета конкретных единиц виброускорения, виброскорости, вибросмещения, звукового давления и децибелов. В соответствии со стандартами МЭК:

Вибросмещение, виброскорость и виброускорение, измеренные в одной точке и выраженные в децибелах, совпадают только на одной частоте - 1000 рад/с или 159 Гц.

5. Требования к приборам

Одно из требований, предъявляемых к приборам - высокая линейность. Она необходима для того, чтобы нелинейные искажения от сильных составляющих сигнала не мешали анализировать слабые составляющие. Естественно, что пределом является линейность, определяемая динамическим диапазоном 80 дБ, т.е. не хуже 0,01%. На практике, как правило, удается достичь в лучшем случае величины 0,03 %, т.е. искажения появляются на уровне -70 дБ, и это вполне достаточно для диагностических измерений.

Следующее требование предъявляется к величине частотного диапазона. Типовые требования - от 2 Гц до 20 кГц, но иногда требуется увеличение диапазона частот. В ряде случаев необходимо увеличение диапазона сверху до 40 кГц, в некоторых отраслях промышленности требуется расширение диапазона частот снизу до 0,3 Гц или даже до нуля. Критериев здесь не существует, и ВАСТ всю диагностику проводит в стандартном диапазоне частот от 2 гц до 25 кГц.

И, наконец, последнее требование - по разрешающей способности приборов в частотном диапазоне, т.е. по числу полос в спектре сигнала. Типовые требования - от 100 до 800, но в некоторых приборах встречается и большее количество полос - до 6400 и выше. ВАСТ ограничивается реальными задачами, в которых достаточно иметь не более 1600 полос.

Приборы для анализа спектра вибрации и спектра ее огибающей, наиболее широко используемые ВАСТом в настоящее время, приведены на рис.1.

Рис.1. Некоторые из приборов, с которыми работают программы, разработанные ВАСТом совместно с VibroTek, Inc. (слева-направо и сверху-вниз):

Следует отметить, что приведенный список необходимых для диагностики видов анализа и требований к приборам в настоящее время из переносных приборов полностью реализован только в приборах ВАСТа и приборах фирмы DPL. В ближайшем будущем ВАСТ надеется совместными усилиями доработать приборы фирмы "Диагностик Инструментс".

6. Источники вибрации в машинах роторного типа

В каждой машине действуют динамические силы. Эти силы - источник не только шума и вибрации, но и дефектов, которые изменяют свойства сил и, соответственно, характеристики шума и вибрации. Можно сказать, что функциональная диагностика машин без смены режима их работы - это изучение динамических сил, а не собственно вибрации или шума. Последние просто содержат в себе информацию о динамических силах, но в процессе преобразования сил в вибрацию или шум часть информации теряется. Еще больше информации теряется при преобразовании сил и совершаемой ими работы в тепловую энергию. Именно поэтому из двух видов сигналов (температура и вибрация) в диагностике предпочтение следует отдать вибрации.

Основные динамические силы, действующие в машинах роторного типа, возбуждая их вибрацию или шум, приведены в таблице 1.

Table 1.
Типы колебательных сил, действующих в машинах роторного типа

СИЛАИСТОЧНИК
1. Механической природы
ЦентробежнаяНеуравновешенность ротора
КинематическаяНеровность поверхности
ПараметрическаяФлуктуации жесткости вала, подшипников и т.д.
Силы тренияУзлы трения качения и скольжения
УдарыДефектные поверхности трения
2. Электромагнитной природы
МагнитныеФлуктуации объема воздушного зазора в магнитопроводе
ЭлектродинамическиеПеременные составляющие тока и потока
МагнитострикционныеЭффект магнитострикции в магнитопроводе
3. Гидро(аэро)динамической природы
Подъемные (обтекания)Движение лопасти в неоднороном потоке или группы неодинаковых лопастей в однородном потоке
Силы тренияГраница потока и неподвижных частей
Пульсации давленияТурбулентность потока, срыв вихрей, кавитация

Из сил механической природы следует выделить:

Из сил электромагнитного происхождения в электрических машинах следует выделить: Из cил аэродинамического происхождения следует выделить:

Силы гидродинамического происхождения, в основном, имеют ту же природу, что и в газовой среде, но к ним добавляются еще и пульсации давления из-за кавитации, которая при определенных условиях может возникать в потоке жидкости.

Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум - вибрацию корпуса.

Вибрация, в зависимости от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминированной (чаще периодической), либо случайной.

Один из простейших примеров детерминированного сигнала вибрации - гармоническое колебание (см. рис.2).

Рис.2. Простейшее гармоническое колебание

Оно характеризуется амплитудой (пиковое значение Хпик, среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хср продетектированного сигнала), частотой f=1/T и начальной фазой.

Случайный сигнал (см.рис.3) может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его характеризуют не амплитудой, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.

Рис.3. Случайный сигнал вибрации

Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал)(см. рис.4а или рис.4б), или много кратных (см.рис.5)

Рис.4. Временные сигналы вибрации и их спектры

Если сигнал представляет собой комбинацию (рис.4в) двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид (рис.4в, справа), где явно видно наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.

Временная развертка сигнала вибрацииСпектр
Рис.5. Сложный периодический сигнал вибрации и его спектр

Поскольку периодические составляющие отображают спектром, случайные тоже следует так же отображать, но спектр - сплошной (см.рис.6).

Рис.6. Спектр случайных составляющих вибрации

Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.

Типовой спектр (см. рис.7) характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше и они практически отсутствуют в области высоких частот.

Рис.7. Спектр сигнала вибрации

Для диагностики машин и оборудования при выборе частотной области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной частоты.

Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом.

Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что она слабо затухает в пространстве, а следовательно, в точку установки датчика доходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, от сопряженных с ней других машин и от соседнего оборудования. Поэтому при анализе вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать всю машину.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, в основном, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил. Как следствие - искажения информации о дефектах - источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но для возбуждения вибрации достаточно даже малых сил .

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварных швов). До оптимальной точки ее измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.

7. Силы, возбуждающие вибрацию, в узлах роторных машин

7.1. Роторы и муфты.

Главная сила, действующая на ротор, - центробежная. Она имеет частоту, равную частоте вращения, и форму - круговую. Если есть дефекты, особенно несоосность валов, форма отличается от круга - в спектре вибрации появляются супергармоники (кратные гармоники) .

Вторая сила - параметрическая. Она появляется при наличии шпоночных канавок или таких дефектов, как трещина, т.е. тогда, когда жесткость вала зависит от угла поворота и меняется два раза за оборот. В этом случае в спектре вибрации появляются четные гармоники частоты вращения 2kfвр.

Третья сила - ударная, если есть дефекты в муфте. Муфта соскакивает со стабильного места несколько раз за оборот и вал ударяет по подшипникам. В результате появляются скачки мощности высокочастотной вибрации подшипников несколько раз за оборот (kfвр в спектре огибающей).

Каждая из компонент этих сил может совпасть с резонансом отдельных узлов машин, что может привести к резкому росту величины вибрации на этой частоте.

7.2. Подшипники качения.

В подшипниках и качения, и скольжения действуют две главные силы - кинематические и силы трения. В дефектных подшипниках качения иногда появляется и третий вид сил - ударного типа. Вибрация, создаваемая подшипником качения, кроме частоты вращения характеризуется следующими основными частотами:

В вибрации проявляются обычно четные гармоники этой частоты.

Это были рассмотрены силы кинематического происхождения. Если подшипник новый, и все поверхности качения "круглые", то можно ожидать только вибрацию на частотах кfн (неровная "дорога"). Если есть дефекты, и достаточно большие, то вал будет "подпрыгивать" с частотами, связанными со всеми имеющимися дефектами. Если это "подпрыгивание" сильное, то он может продавить смазку, и возникнут "сухие" удары, которые возбуждают высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется".

В подшипнике действуют еще и силы трения. Они возбуждают высокочастотную вибрацию, и при дефектах, сопровождающих даже частичное "продавливание" смазки, величина сил трения и мощность вибрации будет меняться. Для обнаружения дефектов по этому признаку необходимо измерять спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника.

7.3. Подшипники скольжения.

Кроме сил кинематического происхождения и сил трения в подшипниках скольжения действуют силы, являющиеся результатом нелинейного взаимодействия статической нагрузки с силами трения, т.е. силы, сопровождающие автоколебания ротора в подшипниках.

Автоколебания ротора в подшипниках скольжения очень похожи на маятниковые колебания вала относительно положения равновесия в нижней точке подшипника. Вал выводят из положения равновесия силы трения, а возвращает сила тяжести. Причина неустойчивого равновесия - в нелинейной зависимости сил трения от толщины масляного слоя, которая растет по мере смещения вала от положения равновесия. Частота автоколебаний тем меньше, чем больше зазор в подшипнике, т.е., чем больше его износ.

Как правило, частота автоколебаний изменяется скачками с частоты на 1/2, а в некоторых случаях, по мере износа, на 1/3. Но причиной автоколебаний может быть не только износ подшипника скольжения, но и снижение качества его смазки или нарушение ее подачи в подшипник. Автоколебания могут возникать и в подшипниках качения, но крайне редко и при большом его износе. Частота автоколебаний ротора в подшипниках качения, как правило, совпадает с двойной частотой вращения сепаратора.

Ударные силы, действующие в подшипниках скольжения, бывают двух типов. "Сухой" удар с разрывом масляной пленки очень опасен, но появляется крайне редко и сопровождается значительным ростом высокочастотной вибрации. "Гидравлический" удар не разрывает масляный слой, а из-за неоднородного износа подшипника в зоне нагрузки, где толщина и скорость движения смазки имеют скачки, происходит турбулентный "срыв" потока. Момент "срыва" потока смазки воспринимается системами измерения вибрации как удар, сопровождающийся импульсным ростом высокочастотной вибрации. Такой "удар" не приводит к быстрому разрушению подшипника, но вызывает его ускоренный неоднородный износ.

Силы трения в подшипниках скольжения несколько выше, чем в подшипниках качения, но, поскольку высокочастотную вибрацию подшипника при отсутствии турбулентности потока смазки вызывает только приграничное трение, случайная вибрация подшипника скольжения значительно ниже, чем подшипника качения.

7.4. Зубчатая пара

Колебательные силы в зубчатой паре формируются в зоне зацепления и могут иметь кинематическое, параметрическое, а также ударное происхождение. В отличие от подшипников ротора, статическая нагрузка на зацепление определяется не силой тяжести шестерни, а передаваемым моментом, который часто имеет динамическую составляющую из-за дефектов шестерен, не входящих в контролируемое зацепление. В бездефектном зацеплении имеют место небольшие колебательные силы (кинематические, параметрические и, достаточно часто, ударные) при входе каждого зуба в зацепление. Частота колебательных сил определяется числом зубцов и частотой вращения шестерни.

,

где - соответственно, частота вращения входного и выходного вала и число зубцов ведущей и ведомой шестерни.

Вибрация шестерен на других частотах не связана с конструктивными особенностями, а определяется технологическими отклонениями при их изготовлении или дефектами.

В первую очередь, это дефекты отдельного зуба. Тогда один раз за оборот дефектной шестерни возникают силы, которые могут иметь разную природу, в том числе кинематическую (плавная неровность нагружаемой части поверхности зуба), параметрическую (изменение жесткости зацепления в зоне дефекта) и ударную (резкое изменение формы нагружаемой поверхности). При таких дефектах растет и низкочастотная, и высокочастотная вибрация шестерен, но последняя не доходит до точек контроля вибрации на корпусе редуктора.

Еще одна особенность формирования колебательных сил в зацеплении - появление низкочастотных сил при наличии дефектов на обеих шестернях. Это колебательные силы с частотой , являющейся субгармоникой частот вращения обеих шестерен. И на этой частоте возникают колебательные силы кинематического, параметрического или ударного происхождения, но до корпуса редуктора также доходят только низкочастотные компоненты вибрации, возбуждаемые этими силами.

,

где k1 и k2 - целые числа.

7.5. Электромагнитная система электрических машин

Свои особенности формирования имеют электромагнитные и электродинамические силы в электрических машинах.

7.5.1. Асинхронные электродвигатели

Действующие в машинах переменного тока (асинхронных двигателях и синхронных машинах) электромагнитные силы имеют свою особенность - их частота в два раза выше частоты магнитного поля, так как они пропорциональны величине магнитного поля без учета его направления. Поэтому основные электромагнитные силы в машине переменного тока имеют частоту 2fп, где fп - частота питающего напряжения (частота сети).

Вторая по величине электромагнитная колебательная сила действует на зубцовой частоте. Вибрацию на зубцовой частоте традиционно иногда называют магнитным шумом, но она не всегда явно выделяется на фоне других составляющих, близких по частоте. Существует своя особенность формирования колебательных сил, определяемых зубчатостью ротора и статора. Она заключается в том, что зубцы ротора входят в поле статора с частотой fz=zfвр, но само поле - пульсирующее и раскладывается на две вращающихся в две разные стороны с частотой сети fп компоненты. Полюсов, под которыми находятся зубцы и одновременно максимум магнитного поля - два, поэтому силы действуют на трех зубцовых частотах:

,

Но форма колебаний статора имеет более простую форму, чем форма поля и, соответственно, амплитуда колебаний имеет большую величину только на одной или двух частотах. Все определяется конструкцией машины, т.е. количеством полюсов и зубцов.

Несколько слов об электродинамических силах.

При строго симметричной обмотке ротора (беличьей клетке) электродинамические силы не имеют переменных составляющих, а формируют только постоянный (рабочий) момент. Если обмотка, т.е. наведенные в ней токи несимметричны, то появляется низкочастотный пульсирующий момент с двойной частотой скольжения:

,

где S - скольжение ротора, равное S=(fп-fврp)/fп . Здесь p - число пар полюсов статора.

Если поле статора несимметрично, т.е. кроме поля, вращающегося в основную сторону с частотой fп , присутствует плохо скомпенсированное поле, вращающееся в обратную сторону, то появляется переменная электродинамическая сила и, соответственно, момент сил с частотой 2fп . Это происходит либо при несимметрии обмоток статора, либо несимметрии питающей сети.

Но это тоже не все. Если форма напряжения в сети искажена, и если в машине присутствуют высшие гармоники тока в обмотках, то появляются дополнительные составляющие вращающегося электромагнитного поля в зазоре с частотами f=3kfп и электродинамические силы, и моменты с частотами f=6kfп .

Следует отметить еще и дополнительные электромагнитные силы, которые возникают при таких дефектах как изменение объема отдельных участков воздушного зазора.

Появление статического эксцентриситета воздушного зазора приводит к росту вибрации (радиальной) на частоте 2fп и увеличению количества зубцовых гармоник вибрации с частотами .

При динамическом эксцентриситете зазора растет вибрация (радиальная) на частоте вращения ротора .

Магнитное насыщение активного железа в зубцовой зоне ротора характеризуется ростом радиальной вибрации машины на частотах kfп, иногда 6kfп.

При сдвиге ротора в осевом направлении растет вибрация с частотой 2fп в этом (осевом) направлении.

В магнитопроводах электрических машин переменного тока действуют магнитострикционные силы, которые имеют частоту 2fп, и наиболее сильно проявляются на торцах активного железа сердечника статора. При распушении железа кроме магнитострикционных сил появляются удары листов магнитопровода друг о друга с той же частотой, и растет вибрация и шум на частотах 2kfп.

7.5.2. Синхронные машины

Основные отличия вибрации синхронных машин от асинхронных двигателей следующие:

  1. Отсутствие вибрации на частотах, кратных частоте скольжения, так как нет скольжения.
  2. Дефекты обмоток возбуждения проявляют себя также, как в асинхронных двигателях проявляет себя динамический эксцентриситет зазора.
  3. Зубцовые гармоники вибрации (магнитный шум) определяются зубцами на статоре, а не на роторе.
  4. В явнополюсных машинах появляется радиальная вибрация на частотах kpfвр, где р - число пар полюсов.
7.5.3. Машины постоянного тока.

Отличительной особенностью машин постоянного тока является отсутствие в них вращающегося электромагнитного поля, поэтому нет и соответствующих составляющих колебательных сил на двойной частоте сети. По той же причине магнитный шум - это одна составляющая вибрации на зубцовой частоте.

Электромагнитное поле в зазоре машины постоянного тока имеет гораздо более сложную форму, чем в зазоре машины переменного тока с распределенными обмотками ротора и статора. Это поле формируется основными полюсами, а при нагрузке большой вклад в поле вносят и добавочные полюса. Основная составляющая вибрации, т.е. зубцовая гармоника вибрации, определяется флуктуациями объемов отдельных участков зазора при вращении зубчатого якоря. Она формируется, в основном, на краях основных и добавочных полюсов и значительно изменяется при любых изменениях формы каждого из зазоров, т.е. при появлении любых дефектов магнитной системы. Поскольку зубцовая вибрация имеет достаточно высокую частоту и возрастает в первую очередь у того полюса, где произошли изменения зазора, появляется возможность локализовать дефектный полюс в крупных машинах постоянного тока.

Электродинамические колебательные силы в бездефектных машинах постоянного тока отсутствуют, и возникают при появлении дефектов, прежде всего плохих контактов в щеточно-коллекторном узле. Наибольшие по величине силы возникают при обрыве одной из пластин коллектора, тогда частота пульсирующих электродинамических сил определяется числом разрывов цепи якоря за оборот, т.е. числом рядов щеток и равна 2kрfвр. Вторая по величине сила возникает при нарушениях условий коммутации тока в щеточно-коллекторном узле и определяется числом пластин коллектора, которое в некоторых машинах может отличаться от количества зубцов якоря. В этом случае гармоники коллекторной вибрации имеют частоту kzkfвр. Если машина постоянного тока питается от выпрямителя, то в цепи возбуждения или в цепи якоря могут появиться кроме постоянного тока и переменные составляющие тока с частотами . Чаще всего . Тогда в машине появляются электродинамические силы и вибрация на этих частотах, которая может быть достаточно сильной. Особенно заметна такая вибрация при питании машины от статических регулируемых выпрямителей, на выходе которых возникает большое количество переменных составляющих напряжения разной частоты.

7.6. Рабочие колеса

В насосных агрегатах, гидротурбинах, газовых и паровых турбинах, компрессорах, нагнетателях, вентиляторах и т.п. рабочие колеса, являющиеся источником шума и вибрации, в значительной степени определяют их ресурс.

Других сил механического происхождения, возбуждаемых рабочим колесом, кроме центробежных сил, определяемых его неуравновешенностью, не существует. Все основные колебательные силы определяются взаимодействием потока с лопастями рабочих колес и с внутренней поверхностью корпуса. В насосах и гидротурбинах эти силы имеют гидродинамическую природу, в газовых и паровых турбинах, компрессорах, нагнетателях, вентиляторах и т.п. - это силы аэродинамического происхождения.

Основная сила, действующая на каждую лопасть рабочего колеса - подъемная сила взаимодействия потока с лопастью, расположенной под углом к потоку. Сумма подъемных сил, действующих в однородном потоке на рабочее колесо без дефектов, направлена вдоль оси его вращения и не имеет переменной составляющей. При отклонении от среднего значения величины или направления подъемной силы одной из лопастей, на рабочее колесо начинает действовать, во - первых, радиальная к оси вращения колеса сила с частотой его вращения, а, во - вторых, момент сил той же частоты, вектор которого также направлен перпендикулярно к оси вращения.

При неоднородности потока в зоне рабочего колеса на последнее действует и радиальная сила, и момент сил той же природы, но частота этих сил определяется числом лопастей в рабочем колесе, равна fл=Zлfвр и называется лопастной частотой (для насосных агрегатов и гидротурбин) или лопаточной частотой (для паровых и газовых турбин, для компрессоров, нагнетателей, вентиляторов).

Рассмотренные силы и моменты с частотами kfвр и kfл, с одной стороны, передаются через опоры вращения от рабочего колеса на корпус машины, а, с другой стороны, пульсации давления потока воздействуют на тот же корпус через газовую или жидкую среду. Но на корпус предаются пульсации давления в потоке не только на этих частотах. Во-первых, это пульсации давления на границе сред (аэро и гидродинамическое трение), во-вторых - это пульсации давления, вызванные турбулентностью потока, срывами потока на задних кромках лопастей и, наконец, вызванные кавитацией жидкости в тех насосах, где кавитация присутствует.

Вибрация корпуса, возбуждаемая переменными пульсациями давления в потоке, имеет случайный характер, а следовательно, не имеет строго фиксированной частоты.

8. Основные методы вибродиагностики

В мировой практике встречается два основных понятия, связанные с оценкой состояния машин по их вибрации.

  1. Вибрационный мониторинг, под которым понимается наблюдение за изменениями вибрационного состояния машины и анализ причин этих изменений.
  2. Вибрационная диагностика, когда обнаруживаются и идентифицируются (определяется вид и величина) дефекты в диагностируемом объекте.

Основное отличие мониторинга и диагностики связано с тем, что мониторинг не ставит своей целью обнаружение дефектов на ранней стадии развития. В его функции входит своевременное обнаружение сильных дефектов в предположении, что по крайней мере незадолго до отказа любой дефект является звеном цепочки дефектов, и хотя бы один дефект из этой цепочки оказывает существенное воздействие на вибрацию машины, которое обнаруживается достаточно простыми методами анализа сигналов вибрации, измеряемой в одной или нескольких контрольных точках машины.

Исходя из этой цели вибрационный мониторинг требует измерений с небольшими интервалами между ними, чтобы не пропустить быстро развивающиеся дефекты. Этим обусловлено естественное желание иметь стационарные системы мониторинга с интервалами между измерениями - доли секунды или несколько секунд.

Второе естественное желание пользователя - сократить число измерительных каналов, которые определяют стоимость системы. Соответственно, отсутствие датчиков вибрации на многих узлах не позволяет осуществлять обнаружение дефектов этих узлов в начальной стадии развития.

Задача диагностики - обнаруживать дефекты на ранней стадии развития, наблюдать и прогнозировать их развитие, планировать ремонт машины. А если ставится задача перехода на обслуживание и ремонт машин по фактическому состоянию, то задача диагностики становится весьма сложной - необходимо обнаруживать все дефекты на ранней стадии развития. А то, что нет дефектов, развивающихся внезапно (кроме скрытых дефектов изготовления и монтажа)- это уже доказано, по крайней мере, для роторных машин.

Отсюда главные особенности вибрационной диагностики:

Чтобы наглядно представить существующие методы диагностики различных узлов вращающихся машин, необходимо выполнить основное правило количественной диагностики - состояние объекта следует определять по отклонению диагностических параметров от их эталонных значений.

Из этого правила вытекают две главные взаимосвязанные проблемы диагностики - как найти оптимальные диагностические параметры и как построить эталон для каждого параметра. Начнем со второй проблемы, общей для всех направлений технической диагностики.

Эталон бездефектной машины можно построить тремя способами:

  1. измерив каждый диагностический параметр у группы бездефектных машин, определив его среднее значение и границы допустимых отклонений (эталон по группе);
  2. проследив за изменениями диагностического параметра на начальной стадии эксплуатации конкретного объекта, определив тренд для этого параметра и допустимые отклонения, использовать эти значения в качестве эталона этого параметра данного объекта на время дальнейшей эксплуатации (эталон по истории);
  3. проделав ту же работу в начальной стадии конкретного измерения диагностического параметра, использовать эталон на вторую часть одного измерения (мгновенный эталон).

Лучшими для диагностики машин являются те диагностические параметры, которые позволяют строить мгновенные эталоны. Но, к сожалению, таких параметров, реально отражающих состояние машин и их узлов, в вибрационной диагностике весьма мало. В частности, такие эталоны могут использоваться для модулированных сигналов. Например, для составляющих вибрации, мощность которых постоянна в бездефектных машинах и пульсирует - в дефектных. Или для тех колебательных сил, частота которых постоянна в бездефектных узлах и флуктуирует - в дефектных.

Примером использования мгновенных эталонов на практике может служить диагностика узлов трения по колебаниям сил трения и, как следствие, по колебаниям мощности возбуждаемой ими высокочастотной случайной вибрации. Или диагностика ротора асинхронного двигателя по пульсирующим моментам и, как следствие, по флуктуациям частоты вращения. Эти методы впервые предложены специалистами ВАСТ в конце 70-х годов.

8.1. Особенности диагностики подшипников качения.

Многие годы диагностика машин и их узлов по высокочастотной вибрации не развивалась из-за отсутствия эффективных методов ее анализа. Но в 1968 году шведские специалисты предложили свой метод анализа высокочастотной вибрации, чувствительный к появлению микроударов при контакте элементов трения в подшипниках качения. Впоследствии 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.

Суть метода ударных импульсов состоит в том, что наличие даже зарождающихся дефектов в подшипнике приводит к появлению высокочастотных импульсов и, следовательно, к увеличению пиковых уровней в высокочастотном сигнале вибрации, при этом его среднеквадратичные уровни, в общем случае, могут даже оставаться неизменными. Таким образом, отношение пикового и среднеквадратичного значения, которое называется пик-фактором, является диагностическим признаком. В случае отсутствия ударных импульсов величина пик-фактора высокочастотной вибрации подшипника качения меньше пяти, а при наличии ударных импульсов этот показатель может быть выше десяти. Принцип действия метода ударных импульсов можно проиллюстрировать на примере высокочастотных временных сигналов вибрации (рис.8) исправного подшипника качения а) и подшипника с раковиной на поверхности качения б).

Рис.8. Временные сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения
а) исправный подшипник, б) подшипник с раковиной на поверхности качения

Метод ударных импульсов и реализующие его достаточно простые приборы, измеряющие пик-фактор (или некоторые его модификации, например, крест фактор и т.п.) вибрации в диапазоне частот выше 25 Кгц, широко используются для контроля состояния подшипников качения. Этот метод является чувствительным к даже зарождающимся дефектам, однако не все дефекты в подшипниках качения сопровождаются появлением ударных импульсов. Так, дефекты, которые не приводят к продавливанию слоя смазки, например, дефекты монтажа, не могут быть обнаружены методом ударных импульсов. Но хорошо известно, что эти дефекты в значительной степени влияют на ресурс подшипников качения. В виду того, что ударные импульсы могут появляться при различных видах дефектов, а также и при изменении качества смазки, этот метод не дает возможности идентифицировать вид дефекта. Кроме того, метод ударных импульсов не позволяет осуществлять долгосрочный прогноз в виду невозможности определять вид дефекта, а, как известно, различные дефекты имеют разные скорости развития. И еще одна существенная особенность метода ударных импульсов - это наличие ударных импульсов в высокочастотной вибрации исправных низкооборотных подшипников с частотой вращения ниже 50-100 оборотов в минуту, что принципиально затрудняет использование этого метода и снижает его достоверность.

Следовательно, метод ударных импульсов позволяет контролировать состояние подшипников качения, но не диагностировать его.

Недостаточная эффективность прогноза развития дефектов методом ударных импульсов и резкое снижения достоверности диагностики для низкооборотных машин явилось причиной поиска более эффективных методов 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, значительно расширил область использования методов диагностики машин по высокочастотной вибрации, повысил достоверность результатов диагностики и, что особенно важно, качество долгосрочного прогноза состояния диагностируемого оборудования.

Суть метода огибающей состоит в следующем. Силы трения, возбуждающие высокочастотную случайную вибрацию, стационарны только при отсутствии дефектов. В бездефектных узлах трения стационарна и случайная высокочастотная вибрация. Ее мощность постоянна во времени. При появлении дефектов (см. рис.9), приводящих даже к частичному "продавливанию" смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, возбуждающие высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется".

Рис.9. Высокочастотный случайный амплитудно-модулированный сигнал

Таким образом, при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяется во времени, т.е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации (рис.9).

Глубину модуляции m случайного амплитудно-модулированного сигнала вибрации x(t) можно определить в процентах, используя среднее значение огибающей ,

,

где , - максимальное и минимальное значение огибающей сигнала, соответственно.

При изменении вида дефекта частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Следовательно, частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина модуляции - степень его развития. В качестве примера на рис.10 (слева) приведены временные сигналы вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в). Таким образом, наиболее полная информация содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Спектры огибающей вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в) представлены на правой стороне рисунка 10.

Временные сигналы высокочастотной вибрации Спектры огибающей высокочастотной вибрации
Рис.10. Временные сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения и спектры ее огибающей
а) исправный подшипник, б) подшипник с износом поверхности трения, в) подшипник с раковиной на поверхности качения

Как видно из рисунка, 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.

В спектре огибающей высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном. Таким образом, появляется возможность определения парциальных глубин модуляции, т.е. глубин модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид. Следовательно, имеется возможность прогнозировать состояние диагностируемого узла, т.к. каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Глубина модуляции m связана с разностью уровней гармонической и случайной составляющей спектра огибающей (см. рис.9) выражением:

,

где: fA - ширина полосы спектра огибающей;
fф - ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастотную вибрацию

Одной из основных задач специалистов ВАСТ на протяжении 30 лет был анализ высокочастотной вибрации, поиск и выделение из нее диагностической информации. В этой области эксперты ВАСТ имеют основные патенты, и именно в области использования высокочастотной вибрации для диагностики машин и оборудования роторного типа ВАСТ - один из мировых лидеров.

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.

На результаты диагностики подшипников качения по спектру огибающей вибрации сильное влияние оказывает качество смазки. Так, например, из-за плохой смазки могут происходить разрывы масляной пленки, которые по своим признакам похожи на признаки раковин на дорожках или телах качения. Поэтому в тех случаях, когда диагностика подшипников производится по однократному измерению, целесообразно контролировать и спектр вибрации подшипникового узла с использованием эталона по группе одинаковых машин. В этом случае по совокупности результатов измерений спектра вибрации и спектра огибающей удается простыми методами исключить возможные ошибки в идентификации дефектов при однократных измерениях вибрации любого подшипника качения на любом этапе его жизненного цикла.

8.2. Особенности диагностики подшипников скольжения.

Подшипники скольжения диагностируются практически всегда по совместным измерениям спектра низкочастотной вибрации и спектра огибающей высокочастотной вибрации подшипника, возбуждаемой силами трения.

Дефекты подшипников скольжения обнаруживаются по трем основным признакам.

1. По флуктуациям толщины и места расположения масляного клина, которые модулируют случайную вибрацию низкочастотным случайным процессом. В результате в спектре огибающей появляется подъем на низких частотах.

Рис.11. Спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника скольжения с износом
(обнаружение по нестабильности масляного клина)

2. По появлению автоколебаний вала в подшипниках, что является источником вибрации на субгармониках частоты вращения. Это 1/2 или 1/3 частоты вращения.

Рис.12. Спектр огибающей вибрации подшипника скольжения с автоколебаниями вала

3. По появлению ударов (сухих и гидродинамических). В этом случае в спектре огибающей высокочастотной вибрации подшипника появляется ряд слабо затухающих составляющих, кратных частоте вращения вала.

Рис.13. Спектр огибающей вибрации подшипника скольжения
без дефектов (а), и при наличии в нем ударов (б).

8.3. Особенности диагностики шестерен и зацеплений.

Диагностика шестерен и зацеплений также производится по спектрам огибающей высокочастотной вибрации, измеряемой на подшипниках этих шестерен, и по спектрам низкочастотной и среднечастотной вибрации, в которых анализируются свойства зубцовой вибрации. Основной диагностический признак дефектов - появление динамических нагрузок на подшипники. Этот признак работает во много раз эффективнее, чем используемый многими специалистами признак - появления ударов в зацеплении. Дело в том, что при дефектах зубьев очень часто этот удар бывает "отрицательным" т.е. нагрузка в зацеплении не растет, а падает. В этих случаях метод обнаружения ударов в зацеплении не работает.

В спектре огибающей вибрации подшипника редуктора (см. рис.14) при дефектах шестерни, например, при неоднородном износе зубъев, появляются, с одной стороны, гармонические составляющие на частотах, кратных частоте вращения, а, с другой стороны, зубцовые гармоники с боковыми составляющими, отличающимися на частоту вращения.

Рис.14. Спектры вибрации подшипника редуктора и ее огибающей при износе зуба.

8.4. Особенности диагностики электромагнитных систем электрических машин

В основе диагностики машин переменного тока лежат методы обнаружения составляющих вибрации электромагнитного и электродинамического происхождения, рассмотренные ранее. Спектры огибающей вибрации для диагностики электромагнитной системы не используются.

При обнаружении одной части дефектов, сопровождающихся появлением переменных электродинамических сил и пульсирующих моментов, анализируется вибрация корпуса в двух направлениях - радиальном и тангенциальном (по касательной к корпусу) (см. рис.15).

При обнаружении другой части дефектов, сопровождающихся изменением радиальных электромагнитных сил, исследуется радиальная вибрация корпуса.

Рис.15. Пример выбора точек контроля вибрации электрических машин

Многие дефекты ротора в электрических машинах приводят к модуляции вибрации и легко обнаруживаются по однократным измерениям вибрации. Это - дефекты беличьей клетки и динамический эксцентриситет воздушного зазора в асинхронных двигателях.

Так, для контроля состояния беличьей клетки в асинхронном двигателе по пульсирующим моментам необходимо измерять спектр низкочастотной вибрации с высоким разрешением по частоте (см. рис.16), при этом длительность такого измерения может быть весьма большой, так как у ряда асинхронных двигателей частота скольжения sfп, где fп - частота напряжения питания, может составлять менее 1% от частоты вращения, особенно при его работе с малой нагрузкой.

Рис.16. Спектры вибрации асинхронного двигателя
без дефектов а) и с обрывом стержня беличьей клетки б)

Диагностическим признаком такого дефекта является появление пульсирующих моментов с двойной частотой скольжения 2sfп и, как следствие, появление в спектре вибрации на частотах kfвр боковых составляющих, отличающихся на 2k1sfп.

Диагностическим признаком динамического эксцентриситета воздушного зазора в асинхронных двигателях является наличие вращающегося вместе с ротором несимметричного магнитного поля и, как следствие, появление амплитудной модуляции зубцовых гармоник вибрации частотами K1fвр, т.е. появление боковых составляющих у зубцовых гармоник вибрации машины с частотами . Этот признак является одинаковым для обнаружения динамического эксцентриситета воздушного зазора в асинхронных двигателях, дефектов системы возбуждения в синхронных машинах и дефектов обмоток якоря в машинах постоянного тока.

На рис.17 приведены спектры вибрации синхронной машины без дефектов и с дефектом обмотки возбуждения в виде короткозамкнутой секции одной из обмоток. Расширение линий обусловлено наличием боковых составляющих на .

Рис.17. Спектры вибрации синхронной машины
без дефектов а) и с дефектом обмотки возбуждения б).

Диагностическим признаком статического эксцентриситета воздушного зазора в машине переменного тока является рост составляющих вибрации на частотах, отличающихся от зубцовых на частоты , а также рост радиальной составляющей вибрации на двойной частоте питающей сети. Основной акцент делается на рост составляющих с частотами , так как рост вибрации на частоте обычно оказывается меньше, и, кроме того, может быть вызван и другими причинами.

Пример спектра радиальной вибрации асинхронного двигателя без дефектов и со статическим эксцентриситетом зазора приведен на рис.18.

Рис.18. Спектры радиальной вибрации асинхронного двигателя без дефектов и со статическим эксцентриситетом зазора.

Некоторые дефекты обмоток статора приводят к появлению пульсирующих моментов в машине. Они обнаруживаются по соотношению тангенциальной и радиальной вибрации на низких частотах (2fп) в асинхронных двигателях и синхронных машинах.

На более высоких частотах различия между радиальной и тангенциальной вибрацией уменьшаются, и тогда дефекты обнаруживаются по росту соответствующих составляющих вибрации.

Аналогичным образом обнаруживаются и изменения вибрационного состояния машин переменного тока при несимметрии питающего напряжения или искажении его формы. Разделить несимметрию питания и дефекты обмоток статора достаточно сложно, необходимо сравнивать показатели нескольких машин, и если у всех есть пульсирующие с частотой 2fп моменты, то причина - сеть.

И последнее. К сожалению, часть дефектов электрических машин обнаруживается только по росту соответствующих составляющих вибрации, и потому требуется большое количество измерений для построения эталона бездефектной машины либо по группе, либо по истории. К таким дефектам частично относятся статический эксцентриситет зазора в машинах переменного тока, а также механическая неуравновешенность ротора и ряд других.

Возможности диагностики машин постоянного тока несколько ниже, чем у машин переменного тока, так как число составляющих вибрации электромагнитного происхождения в них меньше.

По пульсирующим моментам в машине постоянного тока можно обнаруживать обрывы в цепи коллектора, при этом появляются новые составляющие вибрации на частоте 2kpfвр.

Кроме того, если в напряжении питания есть переменные составляющие с частотой fп, то пульсирующие моменты образуются с этой частотой и кратными частотами kfп.

Дефект обмоток якоря и динамический эксцентриситет зазора обнаруживаются по модуляции зубцовой составляющей вибрации.

Нарушение условий коммутации приводит к появлению или росту вибрации на коллекторных частотах и их гармониках.

Самое сложное - обнаружить дефекты системы возбуждения, которые приводят к росту зубцовой вибрации машины постоянного тока. Для этого надо иметь эталон зубцовой вибрации, который надо строить по группе машин, работающих при одной нагрузке, так как во многих машинах даже без дефектов существует индивидуальная зависимость зубцовой вибрации от величины нагрузки.

8.5. Особенности диагностики роторов и муфт.

Все особенности диагностики роторов связаны с необходимостью создавать эталон составляющих спектра вибрации машины на частотах, кратных частоте вращения ротора. Наличие эталона дает возможность обнаруживать три основных дефекта ротора и вала. К ним относятся:

Неуравновешенность ротора обнаруживается по преимущественному росту вибрации машин на частоте вращения ротора, несимметрия жесткости - по преимущественному росту вибрации на второй гармонике, бой вала - по росту вибрации на нескольких кратных частоте вращения гармониках, с кратностью до пяти-семи. Последний дефект обнаруживается и по спектру огибающей вибрации подшипников, так как признаком дефектов муфт является скачкообразное изменение положения оси вращения и сопутствующие ударные нагрузки на подшипник.

8.6. Особенности диагностики рабочих колес.

К узлам, требующим детальной диагностики в машинах роторного типа, относятся и рабочие колеса насосов, турбин, компрессоров и вентиляторов. Как уже отмечалось, их диагностика связана с анализом пульсации давления в жидкости (газе) или возбуждаемой ими вибрации корпуса машины.

Поскольку основным методом анализа высокочастотных случайных шума и вибрации является анализ спектра огибающей, то на него делается и ставка при диагностике рабочих колес. В результате такого анализа обнаруживается бой рабочего колеса, дефекты отдельных лопастей (лопаток), повышенная турбулентность потока и кавитация в жидкости. Но для этого необходимо измерять спектр огибающей вибрации корпуса в непосредственной близости от лопастей (лопаток) диагностируемого рабочего колеса. Эти задачи просто решаются в насосах и компрессорах, но в турбинах их решать гораздо сложнее, так как корпус турбины обычно имеет теплоизоляционный кожух, который крайне сложно снимать. Поэтому места для установки датчика следует готовить во время крупного ремонта со снятием кожуха.

Достоверность диагноза рабочего колеса резко увеличивается, если кроме спектра огибающей рабочего колеса измерять и спектр низкочастотной вибрации корпуса машины или подшипникового узла. В этом случае по данным анализа лопастных (лопаточных) составляющих вибрации и вибрации на частотах, кратных частоте вращения, можно значительно точнее определять величину дефекта.

Диагностическим признаком дефектов лопастей являются рост НЧ вибрации на гармониках кfвр (т.е. один из признаков боя рабочего колеса), дополненный ростом гармоник с теми же частотами в спектре огибающей, причем уровни этих гармоник могут превышать уровни лопастных гармоник. Возможно появление и боковых составляющих у лопастных гармоник в спектрах вибрации и ее огибающей. Основным отличием признаков дефектов лопастей от боя рабочего колеса считается преимущественный рост гармоник кfвр в спектре огибающей вибрации корпуса, а, если машина имеет несколько рабочих колес, преимущественный рост гармоник кfвр в спектре огибающей вибрации корпуса возле дефектного колеса, а не всех колес, насаженных на один вал. В качестве иллюстрации возможностей обнаружения и разделения боя рабочего колеса и дефекта лопастей, на рис.19 приведены спектры вибрации корпуса двух многоступенчатых компрессоров, в одном из которых имеет место бой рабочего колеса, а во втором - дефекты лопастей одного из рабочих колес. В обоих спектрах обнаруживаются признаки боя и дефектов лопастей, а именно, появление боковых составляющих вибрации у лопастных гармоник (составляющие с частотами ). Но при бое вала с рабочими колесами боковые составляющие обнаруживаются сразу у двух лопастных составляющих, а при дефектах лопастей - только у одной.

Рис.19. Спектры вибрации многоступенчатого компрессора
с боем рабочего колеса (а) и дефектом лопасти (б).

Если же бой имеет только одно из рабочих колес, задача идентификации вида дефекта усложняется. В этом случае необходимо принимать решение по данным измерения спектра огибающей ВЧ вибрации. На рис.20 приведены спектры огибающей вибрации тех же ступеней двух компрессоров, спектры вибрации которых приведены на рис.19. В спектрах огибающей вибрации при дефектах лопастей число составляющих с частотами кfвр и их уровень значительно выше, чем при бое рабочего колеса.

Рис.20. Спектры огибающей вибрации многоступенчатого компрессора
с боем рабочего колеса (а) и дефектом лопасти (б).

9. Системы вибрационной диагностики

В настоящее время в мировой практике используется три основных вида систем мониторинга и диагностики машин по вибрации:

Система мониторинга в любом ее исполнении должна иметь четыре основных подсистемы: Если система мониторинга должна выполнять диагностические функции, она должна включать в себя подсистему принятия диагностических решений. Это может быть: Основной отличительной характеристикой переносной системы мониторинга и диагностики можно считать работу оператора по подключению первичных датчиков вибрации к переносным устройствам ее измерения и анализа. Эта работа выполняется вручную и перед каждым измерением.

Как правило, использование переносных систем связано с установкой датчиков на объекте на время измерения. Но в недоступных местах датчики могут устанавливаться стационарно, а линии связи - выводиться в доступное оператору место. Преимущество переносной системы диагностики заключается в возможности увеличивать количество точек контроля вибрации до необходимого (на каждом узле), за счет увеличения интервалов между измерениями. Эти интервалы определяются длительностью долгосрочного прогноза и, как правило, составляют несколько дней или недель.

Типовая переносная система мониторинга и диагностики приведена в левой части рисунка 21.

Рис.21. Переносная система мониторинга и диагностики на основе цифрового прибора для измерения и анализа вибрации с возможностью ее расширения до стендовой или простейшей стационарной системы.

Если переносные системы выполняют только функции мониторинга, то такие системы оказываются малоэффективными, и их следует заменять на стационарные, с возможностью измерять вибрацию практически постоянно.

Отличительная особенность стендовой системы мониторинга и диагностики - группа датчиков, устанавливаемая во все необходимые точки контроля машины на время измерения и последовательное (параллельное) измерение и анализ диагностических сигналов по выбираемым оператором алгоритмам и соответствующим командам оператора.

Как правило, стендовые системы используются либо на время испытаний машины, например, для ее выходного контроля, либо для периодического обследования машин, устанавливаемых на специальный стенд. В последнем случае система мониторинга и диагностики является составной частью стенда, а диагностика производится с построением эталона по группе одинаковых машин.

Типовая стендовая система мониторинга и диагностики, которая может строиться на базе переносной системы, приведена в правой части рисунка 21. По составу технических средств она не отличается от стационарной системы мониторинга и диагностики.

В чем же особенность стационарных систем мониторинга? (См. рис. 22)

Рис.22. Структура стационарной системы мониторинга и диагностики, состоящей из центральной диагностической станции - компьютера со встроенными платами для преобразования сигнала в цифровую форму и пакетами программ для управления, анализа сигналов, мониторинга и диагностики, отображения состояния оборудования, а также внешними блоками усиления и коммутации, датчиками вибрации и частоты вращения ротора.

Первая состоит в том, что вся работа системы происходит автоматически, в том числе и планирование измерений и их проведение, и анализ сигналов, и все дальнейшие операции мониторинга.

Вторая особенность - в системе может не хватать количества датчиков для того, чтобы измерить вибрацию каждого узла, и поэтому в стационарной системе может не быть подсистемы глубокой диагностики.

Третья особенность - в состав стационарной системы может входить и переносной прибор для проведения дополнительных (к обязательным мониторинговым измерениям вибрации) измерений других сигналов. В этом случае система может обеспечивать и глубокую диагностику машины.

С чего же начинать внедрение систем диагностики на предприятии? Эту работу лучше всего разделить на три-четыре этапа.

На первом этапе следует добиваться максимального экономического эффекта при минимальных затратах. Для этого необходимо приобрести переносную систему автоматической диагностики высокой производительности (два-три десятка машин в сутки), и начать диагностику со вспомогательного оборудования. В течение одного-двух месяцев такая система позволяет перевести на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию две-три сотни машин, реально сократив число отказов в десятки раз, полностью окупить все расходы и дает возможность приобрести опыт операторам.

На втором этапе необходимо решать два основных вопроса - подготовка специалистов и установка датчиков вибрации в недоступных оператору узлах диагностируемых машин.

На следующем этапе можно увеличить число переносных систем до оптимального количества (одна система на 100-400 машин с числом точек контроля вибрации 2000-5000), и лишь после этого начинать внедрение стационарных систем мониторинга и диагностики. Последнее объясняется тем, что если стоимость переносных систем не превышает 1-2% от стоимости диагностируемых машин, и такая же сумма уходит на приобретение и установку датчиков вибрации в недоступных местах, то стоимость стационарных систем мониторинга может доходить до 10-20% от стоимости машины. Именно по этой причине стационарные системы мониторинга чаще всего ставятся на наиболее ответственное оборудование.

10. Заключение

Для нормальной работы пользователя с системами мониторинга и диагностики он должен быть соответствующим образом подготовлен и должен иметь возможность в любой момент обратиться в группу поддержки пользователей предприятия-разработчика системы. Как эта работа организована на фирме ВАСТ?
  1. При приобретении системы пользователь проходит первичное обучение 2 -3 дня и получает полный комплект эксплуатационной документации, включая методические указания по мониторингу и диагностике. Кроме того в состав поставляемого программного обеспечения входят обучающие подпрограммы, выдающие оператору все необходимые данные по использованным для постановки каждого конкретного диагноза признакам и параметрам.
  2. После непродолжительной работы с системой у себя на предприятии, пользователь может участвовать в организуемых ВАСТ совместно с различными учебными заведениями 2-3 раза в год семинарах по обмену опытом. При этих семинарах есть и курсы недельного обучения, в конце которых пользователь может получить сертификат. На этих курсах выдается специально выпускаемая методическая и учебная литература.
  3. Поставляемые системы мониторинга и диагностики оснащаются (по требованию пользователя) средствами для электронной связи с группой поддержки, которая может помочь пользователю в сложных ситуациях уточнить автоматически выдаваемый диагноз и прогноз.
  4. И, наконец, в Internet организован клуб поддержки пользователей, куда любой пользователь может задать вопрос и получить исчерпывающий ответ.
  5. И технические средства, и программное обеспечение систем мониторинга непрерывно совершенствуются. В течение авторского надзора (2 года для программного обеспечения) пользователь получает бесплатно модифицированные версии приобретаемого программного обеспечения по электронным линиям связи. Для модификации технических средств в течение авторского надзора (1 год) пользователь должен доставить эти средства в центр поддержки фирмы ВАСТ.
  6. После истечения гарантийного срока имеется возможность получать необходимые средства и программы для расширения возможностей имеющихся систем со значительными скидками.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования./ Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А.,/ Л., Издательство Судостроение, 1986.
  2. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Рекомендации для пользователей систем диагностики. Издательство СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2000.

Copyright (с) 1999-2002 Барков, Баркова, все права защищены.
Копирование, перепечатка и распространение допускается только с разрешения авторов.

Вернуться на Статьи, публикации, описания

Вернуться на старничку ВАСТ и VibroTek, Inc.