ДИАГНОСТИКА И ПРОГНОЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РЫНОЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Ю.А. Азовцев , к.т.н.,
консультант Аccoциации ВАСТ,
Н.А. Баркова ,
директор по науке, Ассоциации ВАСТ,
доцент СПб Государственного Морского технического университета,
член Нью Йоркской Академии наук,
В.А. Доронин , профессор,
зав. кафедрой АСУ ТП,
СПб Государственного Технического Университета Растительных Полимеров

(Статья опубликована в журнале "Бумага, картон, целлюлоза" за май 1999 г.)

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


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

Одной из важнейших проблем создания нового, а также модернизации и эксплуатации существующего оборудования лесоперерабатывающей и бумажной промышленности является обеспечение его средствами технической диагностики. В современных системах диагностики механического и электромеханического вращающегося оборудования абсолютное большинство диагностических задач решается методами вибрационного мониторинга и диагностики, и именно они составляют основу любой системы технической диагностики. При создании нового ответственного оборудования многие производители уже на протяжении ряда лет комплектуют его системами мониторинга и диагностики, достаточно часто объединяя их функционально с системами автоматического управления. Но на эксплуатируемом оборудовании в России до сих пор работа по внедрению систем диагностики, даже без функционального объединения их с системами автоматики, ведется крайне слабо. И это несмотря на то, что использование нового поколения систем вибрационной диагностики не требует серьезных капитальных вложений и окупается в два-три месяца.

Ниже рассматриваются основные направления развития вибрационной диагностики, анализируются их особенности с точки зрения возможностей оптимизации затрат на системы диагностики и получения значительного экономического эффекта от их использования.

Введение

В настоящее время методы обслуживания машин и механизмов принято подразделять в общем случае на три вида:

1. Первый вид - обслуживание оборудования после выхода его из строя.

В этом случае машины и оборудование эксплуатируются до выхода их из строя (Рис. 1) [1]. В основном это касается дешевого вспомогательного оборудования при наличии его резервирования, когда замена оборудования дешевле, чем затраты на его ремонт и обслуживание. В отсутствии резервирования на время ремонта производственный процесс приходиться останавливать. Часто при эксплуатации оборудования до выхода его из строя проводятся дополнительно еще и периодические измерения вибрационного состояния машины, что позволяет снижать время ремонта (см. нижний график рисунка 1) за счет возможности определить в первом приближении время, когда машина может выйти из строя, и своевременно обеспечить обслуживающий персонал запасными частями, имея возможность оценить, какие запасные части могут в этом случае понадобиться.

Рис.1. Эксплуатация оборудования до выхода его из строя

2. Второй вид обслуживания - обслуживание оборудования по регламенту.

В этом случае обслуживание производится в соответствии с рекомендациями завода изготовителя через определенные промежутки времени, например, еженедельно или раз в месяц, независимо от технического состояния оборудования. Такой вид обслуживания обычно называется планово-профилактическим. Если периодичность обслуживания определяется методами статистического анализа, то в соответствии с регламентирующими документами период между обслуживаниями обычно составляет время, в течение которого не менее 98% оборудования работает без отказов.

Рис.2. Обслуживание оборудования по регламенту

При обслуживании по регламенту, казалось бы, не теряется, по крайней мере, возможность воспользоваться гарантией завода изготовителя. Но оказывается, что не менее 50% из числа всех технических обслуживаний по регламенту выполняются без фактической их необходимости (P/PM Technology magazine, 98). Кроме того, для многих машин обслуживание и ремонт по регламенту не снижает частоту выхода их из строя (см. рис.2)[1].

Более того, надежность работы машин и оборудования после технического обслуживания, если обслуживание предусматривает разборку механизма или замену деталей, часто снижается, иногда временно, до момента их приработки, а иногда это снижение надежности обусловлено появлением отсутствовавших до обслуживания дефектов монтажа. Исследования показали, что порядка 70% дефектов вызвано обслуживанием машин и оборудования (P/PM Technology magazine, Apr 98).

3. Третий вид обслуживания - обслуживание по фактическому техническому состоянию. [1]

При этом виде обслуживания состояние машин и механизмов контролируется или периодически (при отсутствии дефектов), или в зависимости от результатов диагноза и прогноза технического состояния (см. рис.3).

Рис.3. Обслуживание оборудования по техническому состоянию

Проведение технического обслуживания в этом случае производится только тогда, когда это необходимо в связи с наступлением высокой вероятности отказа оборудования. Тем самым не нарушается работа исправного механизма из-за вмешательства человека.

Cравнительный анализ различных методов обслуживания оборудования роторного типа, по данным Ассоциации Открытых Систем Управления Информацией о Состоянии Машин "MIMOSA", показал, что удельные затраты на техобслуживание в энергетическом секторе США составили в 1998г.

Экономический эффект от перехода с обслуживания и ремонта по регламенту на ремонт и обслуживание по фактическому состоянию по данным фирмы "Bruel and Kjaer" (Дания) представлен в таблице 1 [1].

Таблица 1.
Годовой экономический эффект от перехода с обслуживания и ремонта по регламенту
на ремонт и обслуживание по фактическому состоянию

Химический комбинат (машины с вращающимися элементами)Снижение числа проводимых тех. обслуживаний с 274 до 14
Нефтеперерабатывающий комбинат (электродвигатели)Снижение затрат на обслуживание на 75 %
БУМАЖНАЯ ФАБРИКА$ 250,000, что в 10 раз перекрыло расходы на закупку средств для мониторинга механических колебаний
Атомная электростанция $ 3,000,000 за счет снижения затрат на тех. обслуживание $ 19,000,000 дополнительное увеличение доходов

Аналогичные результаты получены и в России, например, при переходе на техническое обслуживание по фактическому состоянию в одном только депо Московка Западно-Сибирской железной дороги получен экономический эффект в 1.5 млрд. неденоминированных руб. (Табл. 2)

Таблица 2.
Расчет экономического эффекта от внедрения "Вибродиагностического комплекса для определения технического состояния подшипников качения и зубчатых передач "Прогноз-1" в локомотивном депо Московка Западно-Сибирской ж.д. в 1997 г.

№ п/пНаименование показателей Количество
1Количество локомотивов, прошедших диагностику 216
2 Количество выявленных случаев дефектов подшипников колесно-моторных блоков 17
3Расходы локомотивного депо за счет заклинивания колесной пары в пути следования, руб. 61,850,000
4Затраты на выкатку и подкатку колесно-моторного блока 89,689
5Стоимость разборки и сборки колесно-моторного блока 86,223
6Количество случаев заклинивания КМБ не прошедших вибродиагностику 8
7Количество случаев заклинивания КМБ прошедших вибродиагностику 0
8Единовременные затраты на внедрение комплекса "Прогноз-1", руб. 105,000,000
9Срок службы комплекса, лет 10
10Годовая экономия средств за счет сокращения расходов, связанных с заклиниванием КМБ, руб. 1,550,647,800
11Фактический годовой экономический эффект, руб. 1,529,437,800

Хотелось бы обратить внимание на то, насколько близки результаты в России и за рубежом как с точки зрения коэффициента окупаемости - в 10 раз ($25.000 к $250.000, и 105 млн. руб. к 1,5 млрд. руб.), так и с точки зрения сбережения трудовых ресурсов (снижение количества необходимых обслуживаний с 274 до 14 в Европе и с 216 до 17 в России). При этом происходит качественное снижение количества аварийных ситуаций. Опять же хочется подчеркнуть, что эти данные получены не разработчиками (АО ВАСТ) и поставщиками систем, а пользователями систем диагностики.

Для перехода с обслуживания и ремонта по регламенту на ремонт и обслуживание по фактическому состоянию необходима тщательная диагностика машин и оборудования, причем желательно обнаруживать все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа, чтобы подготовиться к ремонту.

Основное и вспомогательное механическое и электромеханическое оборудование в бумажной промышленности, как показала практика, наиболее эффективно диагностируется, в основном, по вибрации, так как:

Такие общепризнанные методы как контроль температуры, анализ смазки и другие при правильном подходе просто не требуются - их заменяет анализ вибрации.

1. 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. Так, основные методы диагностики появились в 60 - 80-тых годах, когда впервые появилась техника анализа вибрации, превышающая возможности слуха человека.

В России почти половина этих методов родилась в лаборатории судостроительной промышленности, в которой основной состав специалистов АО "Виброакустические системы и технологии" (ВАСТ) работал 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. В действительности практически вся вибрационная диагностика машин и оборудования появилась в среде военных моряков России, США, Великобритании, т.е. там, где эта задача была наиболее актуальна, где не было проблем с финансированием исследований, где работали лучшие ученые и инженеры.

Но средства измерения вибрации не стали в то время столь распространенными, чтобы вибрационная диагностика стала столь популярной как сейчас. Реально эти средства появились в начале 90-х годов, когда приборы стали строиться на базе микрокомпьютеров. Лишь тогда сложные виды анализа стали доступны широкому классу потребителей.

Сейчас новое поколение компьютеров появляется каждые два-три 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 - фирма National Instruments (США).

Естественно, что с опозданием лет на пять в России появились и производители приборов. Сейчас таких фирм уже около десятка. И фирма АО ВАСТ также является производителем таких приборов, один из которых - сборщик данных СД-11 в своем классе приборов признан в 1997 году лучшим в мире, и его выпуск начат в Канаде, так как в США на такие приборы есть патент, препятствующий серийному выпуску аналогов.

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 данными 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 - АО ВАСТ. И лишь в последние годы появились последователи. Это самое сложное направление, но зато такие системы дают реальный диагноз и прогноз сразу после их приобретения.

Искусственный интеллект, реализуемый АО ВАСТ, использует в настоящее время треть мировых производителей систем мониторинга и диагностики. Это ведущие производители Европы "Bruel & Kjaer" (сейчас эта фирма объединилась с фирмой "Schenk") (Дания - Германия), "Diagnostic Instruments" (Великобритания), а также крупные производители США и Канады - DPL-Group (Канада), VibroTek, Inc. (прежнее название - Inteltech Enterprises, Inc.), (США). Для того чтобы появилась такая возможность, специалистами АО ВАСТ были проведены с каждой из этих фирм серьезные совместные разработки.

Основная причина, почему так широко используют разработки АО ВАСТ, состоит в том, что они реально заменяют экспертов, а производительность систем диагностики растет во много раз.

Соответственно, и систему с искусственным интеллектом можно купить в любой из этих фирм, но поддержку осуществляет только АО ВАСТ. И еще одно обстоятельство - новые разработки в АО ВАСТ выпускаются уже с начала 98 года, а в других фирмах поставки начались только с 99 года.

Таким образом, широкое внедрение предприятием АО ВАСТ высоких конверсионных технологий на многих предприятиях различных отраслей промышленности России и за рубежом, их новые разработки и постоянное совершенствование методов и средств диагностики, постоянное участие в отечественных и зарубежных крупных выставках, профессиональное обучение и поддержка пользователей своей продукции, многочисленные публикации в России и в ведущих западных странах - все это позволило АО ВАСТ занять одно из лидирующих положений в области вибрационной диагностики машин.

2. Природа вибрации, ее измерение и анализ

Вибрация машины или любой другой механической системы представляет собой весьма сложный колебательный процесс. Временная развертка сигнала вибрации представлена на (рис.4), где Х - либо колебательное смещение, либо колебательная скорость, либо колебательное ускорение, t - время..

Рис.4. Временная развертка сигнала вибрации

Анализировать колебания в такой форме весьма сложно, поэтому чаще всего в машинах периодического действия его предварительно раскладывают на компоненты разной частоты, т.е. проводят спектральный анализ. Спектр такого вида колебаний представлен на рис.5, где А - колебательное смещение, скорость или ускорение, f -частота. На рис.5 ось А - логарифмическая.

Рис.5. Спектр сигнала вибрации

Для того, чтобы возбудить колебания механической системы нужны колебательные силы. Возбуждаемые этими силами колебания зависят не только от свойств колебательных сил, но и от таких свойств механической системы, как масса (электрический аналог - индуктивность), жесткость (электрический аналог - емкость) и коэффициент потерь ( электрический аналог - активное сопротивление).

Механические системы имеют, как правило, сложную структуру и большое число резонансов. На частотах этих резонансов могут возбуждаться собственные затухающие колебания или вынужденные колебания, обусловленные действием в машине определенных колебательных сил, появление которых может быть вызвано наличием различных дефектов. При совпадении частот наиболее значимых составляющих вынужденных колебаний с частотами резонансов машины вибрация на этих частотах может резко возрастать.

В виброакустической диагностике могут исследоваться как свойства колебательных (вынуждающих) сил, так и свойства механической системы. Анализ колебательных сил в машине осуществляется методами рабочей (функциональной) диагностики. Анализ свойств механической системы осуществляется методами тестовой диагностикой, основной отличительной особенностью которой является использование управляемого источника колебательных сил, например, генератора ударов (вибромолотка) или генератора синусоидальных колебаний.

Наибольшие успехи вибрационной диагностики машин в процессе их эксплуатации связаны с функциональной (рабочей) диагностикой, изучающей свойства колебательных сил по возбуждаемым ими в процессе работы машин вынужденным колебаниям. В такого рода диагностике собственные колебания механической системы на резонансных частотах , возникающие в переходных (нестабильных) режимах работы машин, резко затрудняют анализ свойств колебательных сил и усложняют функциональную диагностику машин и оборудования.

Колебательные силы, действующие в узлах машин, могут иметь самую разную природу, и самые разные частотные составляющие.

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.

При выборе частотной области вибрации, используемой для диагностики машин и оборудования, следует учитывать разные свойства вибрации разной частоты. Так, в области инфранизких частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и даже проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом. Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что она слабо затухает, 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 использовании вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На низких частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоник частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и развитые 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 средних частотах вибрация возбуждается, в основном, от конкретного узла, спектр в этой области частот характеризуется также большим количеством гармонических составляющих. Очевидно, что здесь большой объем информации, но следует иметь в виду, что и много искажений при распространении и измерениях из-за наличия большого числа резонансов, и кроме того нет повторяемости. На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но достаточно малых сил для возбуждения измеряемой вибрации. Ультразвуковые частоты возбуждаются, в основном микроударами, но вибрация распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварочных швов). До точки измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.

Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум - вибрацию корпуса. Вибрация, в зависимости от того, какова природа силы, может быть либо детерминированной, (чаще периодической), либо случайной.

Простейший сигнал вибрации - гармоническое колебание, представленное на рис.6, характеризуется амплитудой (пиковое значение Хпик, среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хср продетектированного сигнала), частотой f=1/T и начальной фазой.

Рис.6. Простейшее гармоническое колебание

Случайный сигнал, вид которого представлен на рис.7, 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 размахом (величиной пик-пик).

Рис.7. Случайный сигнал вибрации

Типовой спектр вибрации характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше, они практически отсутствуют в области высоких частот, где, в основном, определяющими являются случайные составляющие вибрации (см. рис.5)

Рассмотрим основные методы диагностики простейшего узла, в котором действуют механические силы, - подшипника качения, который именно в бумажной промышленности в значительной степени определяет техническое состояние основных машин. Подшипник качения является источником двух главных сил - кинематических и сил трения. В части дефектных подшипников качения иногда появляется и третий вид сил - ударного типа. Вибрация, создаваемая подшипником качения, характеризуется следующими основными частотами:

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.

3. Методы диагностики машин вращающегося типа

Методы диагностики машин роторного типа в значительной степени зависят от области частот анализируемой вибрации.

В зависимости от вида дефекта, в низкочастотной части спектра будет наблюдаться рост вибрации на частотах, характерных для бездефектного подшипника, или будут появляться новые составляющие на частотах, рассмотренных выше, и/или на их кратных гармониках, или на их субгармониках, и/или на частотах, представляющих собой сочетание известных составляющих вибрации подшипника.

Появление в низкочастотной области спектра гармонических составляющих, характеризующих наличие различных видов дефектов подшипника, позволяет идентифицировать вид дефектов, а наблюдение за ростом уровней этих составляющих дает возможность в ряде случаев оценить степень их развития. Таким образом, каждый вид дефекта характеризуется определенным набором составляющих с повышенным уровнем вибрации, что и является диагностическим признаком конкретного вида дефекта. Этим обусловлен первоначальный большой интерес к анализу низкочастотной вибрации для диагностики подшипников. Однако следует отметить и ряд недостатков, присущих диагностике по составляющим низкочастотного спектра вибрации:

  1. Сложность выделения составляющих вибрации, характеризующих наличие дефектов, что определяется слабым затуханием при распространении низкочастотной вибрации, и поэтому вибрация к точке измерения приходит от всех узлов механизма, от соседних машин и даже от проходящего вблизи транспорта. Обычно низкочастотная часть спектра вибрации сильно "затемнена" наличием большого числа составляющих как от контролируемой машины, так и от другого оборудования и машин. При этом часть составляющих, не принадлежащих диагностируемому узлу машины, может совпадать по частоте с его составляющими, что в значительной степени затрудняет обнаружение и идентификацию дефектов.
  2. Сложность обнаружения зарождающихся дефектов. Это обусловлено тем, что на низких частотах механизм колеблется как единое целое, и поэтому для того, чтобы его раскачать нужны относительно большие силы, что характерно для развитых дефектов, а дефекты в начальной стадии их развития практически не проявляются в низкочастотной области спектра.
  3. Невозможность диагностики по однократным измерениям. При анализе низкочастотных составляющих решение о наличии дефектов принимается по величинам разностей низкочастотных составляющих с их эталонными значениями, полученными для исправных объектов. Однако такой прием может эффективно использоваться при постоянном мониторинге уровня вибрации контролируемой машины или оборудования, но не позволяет оценить техническое состояние объекта диагностики по однократным измерениям. Это обусловлено тем, что абсолютные значения уровней низкочастотных составляющих даже для однотипных машин одного выпуска могут отличаться во много раз. Поэтому эталонные уровни низкочастотных составляющих вибрации для каждой машины свои.
  4. Наличие возможных резонансов диагностируемой машины. Каждая из компонент сил, возникающих в машине при появлении того или иного вида дефекта, может совпасть с часто имеющимися в низкочастотной области резонансами отдельных узлов машин, что приводит к резкому росту величины вибрации на этой частоте. Это обстоятельство также может существенно исказить результаты диагноза или даже привести к ложным заключениям.
На средних частотах машина, в отличие от низких частот, колеблется уже не как единое целое. В этом случае ее можно представить в виде системы с распределенными параметрами. Отличительной особенностью вибрации на средних частотах является наличие большого числа собственных форм колебаний не только целой машины или оборудования, но и отдельных их узлов, что затрудняет определение амплитуд вынуждающих сил по результатам измерения амплитуды колебаний на определенной частоте. Это усложняет выделение диагностической информации, заложенной в пространственных характеристиках вибрации. Поэтому параметры вибрации в области средних частот редко используются в качестве диагностических. Исключением является случай, когда у исправного объекта одна из составляющих вибрации в области средних частот отсутствует и появляется лишь при наличии определенного вида дефекта.

Затруднения при выделении диагностической информации из низкочастотной и среднечастотной вибрации, возможные ее искажения и сложности локализации дефекта - все это определило повышенный интерес к высокочастотной вибрации. В этой области вибрация приобретает волновой характер. Одним из определяющих преимуществ этой области частот является быстрое затухание высокочастотной вибрации при ее распространении, что позволяет "увидеть" только диагностируемый узел. Природа сил, действующих в области высоких частот, - силы трения и микроудары в подшипнике качения, возбуждающие не гармонические колебания, а случайные. На первый взгляд, в высокочастотной области спектра практически отсутствует диагностическая информация, в отличие от низкочастотной области, богатой большим количеством гармонических составляющих, непосредственно связанных с конструктивными параметрами диагностируемых узлов и наличием определенных видов дефектов. Но оказывается, что 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, приводящих даже к частичному "продавливание" 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". Таким образом, при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяется во времени, т.е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации (рис.8).

Рис.8. Случайный амплитудно-модулированный сигнал

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

,

где , - максимальное и минимальное значения 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 9 (слева) приведены временные сигналы вибрации подшипника исправного, с износом и с раковиной на поверхности трения. Таким образом, наиболее полная информация содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Спектры огибающей вибрации подшипника исправного, с износом и с раковиной на поверхности трения представлены на правой стороне рисунка 9.

Временные сигналы высокочастотной вибрации Спектры огибающей высокочастотной вибрации
Рис.9. 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

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

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

В таблице 3 приведены диагностические признаки дефектов подшипников качения, т.е. частоты составляющих спектра огибающей высокочастотной вибрации.

Одиннадцать видов перечисленных в таблице 3 дефектов определяются методом огибающей, и только недостаток или избыток смазки, а также ухудшение ее свойств обнаруживаются по изменению общего уровня высокочастотной вибрации.

Таблица 3.
Частоты составляющих спектра огибающей вибрации, используемых для обнаружения и идентификации дефектов подшипников качения по однократным измерениям вибрации.

№ п/пВид дефектаЧастоты основных признаков Частоты дополнительных признаков
1Обкатывание наружного (неподвижного) кольцаfвр Нет роста ВЧ
2Неоднородный радиальный натяг2kfвр Нет роста ВЧ
3Перекос наружного (неподвижного) кольца2fн -
4Износ наружного кольцаfн Рост ВЧ
5Раковины, трещины на наружном кольцеkfн Рост ВЧ
6Износ внутреннего кольцаkfвр Рост ВЧ
7Раковины, трещины на внутреннем кольцеkfв kfвр, k1±k2fвр
Рост ВЧ
8Износ тел качения и сепаратораkfс k(fвр-fc,
Рост ВЧ
9Раковины сколы на телах качения2kfтк 2k1fтк±k2fс
Рост ВЧ
10Сложный (составной) дефектили kfн+k1fc, или kfн+k1fвр
или kfн+k1fв или kfн+fвр/k2
Рост ВЧ
11Проскальзывание кольцаkfвр, k>10,
Рост ВЧ
Нет других составляющих
12Дефект смазкиРост ВЧ Нет сильных дефектов поверхностей качения
13Неидентифицированный дефектРост других гармонических составляющих

где:

  • fвр -частота вращения вала;
  • fв -частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу;
  • fн -частота перекатывания тел качения по наружному кольцу;
  • fтк -частота вращения тел качения;
  • fс -частота вращения сепаратора;
  • ВЧ -высокочастотная область спектра вибрации;
  • k=1,2,3,4,... ; k1=1,2,3,4,...; k2=1,2,3,4,...
  • К достоинствам метода анализа параметров модуляции высокочастотной случайной вибрации, т.е. спектрального метода огибающей следует отнести следующие:

    1. Возможность локализовать дефект. Она определяется свойством высокочастотной вибрации быстро затухать при распространении, что позволяет оценивать техническое состояние именно того узла, вблизи которого установлен датчик вибрации. По этой же причине спектр огибающей высокочастотной вибрации не "затемнен" составляющими от других узлов контролируемой машины или оборудования, что повышает достоверность диагноза.
    2. Высокая чувствительность. В отличие от спектрального анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, где требуется относительно большие силы для возбуждения вибрации, а, следовательно, и достоверно обнаружить можно только развитые дефекты, в высокочастотной вибрации для изменения ее параметров требуется гораздо меньшие силы. Поэтому наличие даже зарождающихся дефектов приводит к появлению модуляции высокочастотной вибрации контролируемого узла, а следовательно, к появлению гармонических составляющих в спектре огибающей этой вибрации.
    3. Высокая достоверность определения вида и величины каждого из дефектов. Если сравнивать метод огибающей со спектральными методами анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, то высокая достоверность определяется использованием не абсолютных значений составляющих вибрации, как при спектральном анализе, а относительных значений, а именно, парциальных глубин модуляции. При изменении уровня вибрации, например, из-за изменения коэффициента усиления или изменения чувствительности датчика, глубина модуляции, обусловленная появлением дефекта, остается неизменной. В отличие от известного метода анализа высокочастотной вибрации, названного методом резонансной демодуляции, где анализируются собственные колебания контролируемого узла, при использовании метода огибающей анализируются вынужденные колебания, которые полностью передают характеристики колебательных сил, и, тем самым, свойства и отличительные признаки дефектов, что также повышает достоверность идентификации вида дефекта и степени его развития.
    4. Возможность постановки диагноза и прогноза по однократным измерениям вибрации. Она определяется использованием относительных измерений, т.е. измерений глубин модуляции высокочастотной вибрации, и отсутствием каких бы то ни было гармонических составляющих в спектре огибающей бездефектного подшипника. Знание предельных глубин модуляции, характеризующих каждый из возможных сильных дефектов, и скоростей развития каждого вида дефекта позволяет не только определять вид и степень развития каждого дефекта, но и прогнозировать время безаварийной работы контролируемого узла без предварительного построения эталонов. Исключение составляет только дефект смазки, для определения которого создается эталон или по нескольким первым измерениям (обычно по трем), или по группе однотипных машин (обычно не менее пяти).
    Таким образом, метод огибающей высокочастотной вибрации позволяет обнаружить, идентифицировать и прогнозировать состояние подшипников качения с дефектами, сопровождающимися появлением модуляции высокочастотной вибрации из-за изменения сил трения и появлением высокочастотных импульсов из-за возникновения микроударов. Метод анализа высокочастотной вибрации, обусловленной только наличием микроударов, получивший название "метод ударных импульсов", широко известен еще с 1968 года. Основной вклад в развитие этого метода принадлежит фирме SPM. Оказывается, 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 (см. рис.9) исправного подшипника качения а) и подшипника с раковиной на поверхности качения в).

    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 дефекты сборки 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, которая имеет особое значение в машинах и оборудовании ЦБП - это наличие ударных импульсов в высокочастотной вибрации исправных низкооборотных подшипников с частотой вращения ниже 1-2 Гц, что принципиально затрудняет использование этого метода и снижает его достоверность.

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

    Из всех приведенных методов наиболее эффективным и чувствительным методом диагностики подшипников качения является метод анализа спектра огибающей его высокочастотной вибрации. Однако, в том случае, когда подшипник находится в стадии деградации, и в нем имеется целый ряд развитых дефектов, модуляция его высокочастотной вибрации приобретает случайный характер в результате суперпозиции многих модуляционных процессов. В этом случае высокочастотная вибрация вновь становится стационарным процессом с постоянной во времени мощностью. Поэтому для того, чтобы по одиночным измерениям обнаружить и предаварийные состояния подшипников, наиболее целесообразно, кроме метода огибающей, использовать и спектральный анализ их низкочастотной и среднечастотной вибрации. В этом случае окончательный диагноз ставится по результатам совместного спектрального анализа вибрации (при этом эталон может быть построен по группе однотипных машин, обычно пять машин) и спектрального анализа огибающей ее высокочастотных составляющих.

    Следует отметить, что диагностические признаки, характеризующие вид дефекта подшипника или определенное сочетание дефектов, могут определенным образом изменяться в зависимости от вида нагрузки, действующей на подшипник.

    Можно выделить 4 основных вида нагрузки:
    Радиальная статическая нагрузка на одну точку поверхности качения (на одно тело качения).
    В качестве примера можно привести подшипник качения в машине горизонтального исполнения.
    Радиальная статическая нагрузка на две противоположные точки поверхности качения.
    В качестве примера можно привести подшипник с перекосом наружного кольца.
    Радиальная статическая нагрузка на все тела качения.
    Пример: машина вертикального исполнения или машина с осевым поджатием подшипника.
    Вращающаяся нагрузка, действующая на одно тело качения.
    Пример: Подшипник качения в машине с неуравновешенным ротором или боем вала.

    Кроме возможного изменения нагрузки на вращающийся узел, существует еще целый ряд особенностей, которые следует учесть при постановке диагноза и прогноза.

    1. Часть диагностических признаков, используемых для идентификации одного, вида дефекта, может совпадать с диагностическими признаки другого вида дефекта, что требует дополнительно оценивать вероятность правильного определения вида каждого дефекта.
    2. Возможность изменения частоты вращения подшипника, которая определяет значения всех без исключения частот подшипниковой вибрации (и кратных им частот).
    3. Возможность ошибок при определении конструктивных характеристик диагностируемого узла, например, числа тел качения или диаметров поверхностей качения в определенном типе подшипника, что искажает расчетные значения ряда подшипниковых частот, а следовательно, и диагностических признаков.
    4. Влияние характеристик сопрягаемых узлов, например, их дефектов, на нагрузки, передаваемые на диагностируемый подшипник, что может, в свою очередь, изменить свойства процессов, модулирующих вибрацию подшипника.
    Учет всех перечисленных особенностей приводит к тому, что для постановки только одного диагноза следует проанализировать более пятисот различных признаков и параметров, а это возможно при использовании систем диагностики с искусственным интеллектом.

    Такие системы диагностики и прогноза роторного оборудования, разработанные АО ВАСТом совместно с VibroTek, Inc. и широко используемые в ЦБП, позволяют оценивать техническое состояние не только подшипников качения, основные методы диагностики которых были рассмотрены выше, но и такие узлы как подшипники скольжения, роторы, механические передачи, в том числе зубчатые и ременные, машины постоянного тока, синхронные машины, асинхронные двигатели, насосные агрегаты, компрессоры, турбины и.п.

    4. Автоматические системы мониторинга и диагностики машин по вибрации

    Система мониторинга и диагностики машин роторного типа может быть создана на базе только одного вида датчиков, а именно, датчиков вибрации (виброускорения).

    В состав такой системы входят:

    В переносных системах, если измерение вибрации проводится в доступных для оператора точках контроля, используется один акселерометр, который устанавливается последовательно в каждую из точек контроля. Если частота вращения машины во время измерения с точностью не хуже ±10% неизвестна, к прибору подключается дополнительный датчик оборотов. При этом, естественно, трудоемкость измерений растет. Если точки контроля оператору во время работы машины недоступны, он может использовать коммутатор на входе прибора на несколько (до 16) датчиков, предварительно установив датчики на выключенной машине.

    Прибор для анализа сигнала вибрации обычно является цифровым и, кроме технических средств, включает в себя достаточно мощное программное обеспечение для первичного анализа сигналов. На рис.10 приведены фотографии четырех приборов, каждый из которых может быть использован в рассмотренной системе мониторинга и диагностики. Вместо приборов могут использоваться и специальные платы для персональных компьютеров (виртуальные приборы).

    Рис.10. Некоторые из приборов, с которыми работает программа DREAM® for Windows
    (слева-направо и сверху-вниз):
    DI-1100 Сборщик данных (Data Collector) - Diagnostic Instruments, Inc., ВеликобританияСД-11 Сборщик данных (анализатор сигнала) - АО ВАСТ, Россия
    DC-11 Сборщик данных (анализатор сигнала) - DPL Group, КанадаСборщик данных 2526 - Bruel and Kjaer, Дания

    Наиболее полное программное обеспечение для мониторинга и диагностики роторных машин разработано АО ВАСТом совместно с VibroTek, Inc.. Оно выполнено в среде Windows и носит название DREAM® (Diagnostic Rolling Element Analysis Module - диагностический модуль анализа вращающихся элементов).

    Работает этот пакет программ на персональном компьютере не слабее Pentium-166 c 32 Mбт оперативной памятью. Он содержит две независимые программы мониторинга и автоматической диагностики. Все виды измерений и анализа для программы мониторинга выбирает пользователь, все виды измерений для диагностики жестко заданы разработчиками системы, что и дает возможность автоматизировать постановку диагноза и прогноза состояния узлов роторных машин.

    На рис.11 приведен вид главного окна программы DREAM. В нем два изображения - иерархического дерева диагностируемых машин и внешнего вида выбранной для диагностики машины (фотографии или чертежа). Результаты мониторинга приведены на дереве в виде треугольников зеленого, желтого и красного цвета, результаты диагностики - в виде кружков зеленого, желтого и красного цвета. Традиционно зеленый цвет означает, что машина или узел исправны, желтый - предупреждение о появлении дефектов, красный - предупреждение о появлении сильных дефектов, при которых вероятность отказа машины или узла может дойти до 10% в течение одного месяца непрерывной работы. Знаком отмечается тот из диагностируемых узлов, для которого истек прогнозируемый срок бездефектной работы и для него следует провести новое измерение.

    Рис. 11. Интерфейс программы DREAM® for Windows.
    Главное окно с фотографией диагностируемого оборудования.

    Выбрав на дереве конкретный узел, можно на месте его фотографии или чертежа получить автоматически формируемое заключение о состоянии этого узла, прогноз в виде даты следующего измерения или рекомендации по обслуживанию (ремонту) (см. рис.12).

    Рис.12. Пример диалогового окна с заключением о состоянии асинхронного электродвигателя.

    Кроме этого имеется также возможность получить всю исчерпывающую информацию о любой машине или узле, в том числе тренды развития дефектов, сводную информацию о состоянии узлов любой выбранной оператором группе машин и т.д.

    Работа с системой мониторинга и диагностики включает в себя три основные группы операций. Первая группа отвечает за подготовку оборудования (машин) для измерения вибрации и автоматической диагностики. Операции этой группы выполняются всего один раз, до начала работ по диагностике, и включают в себя выбор и подготовку мест измерения вибрации на узлах машины, внесение в базу данных программы диагностики основных конструктивных характеристик узлов каждой машины (конфигурирование оборудования) и, по желанию пользователя, выбор номенклатуры измерений для вибрационного мониторинга машины (узлов).

    Вторая группа - это периодически выполняемые операции измерения вибрации машины, сброса данных в компьютер и установки (корректировки) порогов.

    Третья группа операций - это вывод и анализ результатов мониторинга и автоматической диагностики, а также вывод большого количества диагностической информации, содержащейся в базе данных программы мониторинга и диагностики, в том числе предназначенных для обучения операторов.

    В стационарных системах есть еще одна, четвертая группа разовых операций, по конфигурированию диагностической системы, т.е. операций привязки каждого датчика системы к своему узлу машины и отладки последовательности проведения автоматических измерений вибрации.

    Вторую группу операций (измерения) можно описать более подробно. Так, все основные измерения вибрации производятся по автоматически формируемым программой DREAM® заданиям (маршрутным картам). Кроме того, пользователь может вставить в маршрутные карты любые диагностические измерения из числа тех, которые позволяет проводить прибор. Маршрутная карта автоматически загружается в прибор во время сеанса обмена данными между компьютером и прибором, а все данные ранее сделанных измерений в тот же сеанс автоматически разгружаются в компьютер. По разгруженным данным автоматически формируется диагноз и прогноз состояния тех узлов, на корпусе которых проведены измерения вибрации. Весьма важной отличительной особенностью системы мониторинга и диагностики с пакетом программ DREAM® можно считать возможность самообучения пользователя. Для этого в программе имеется возможность получить ссылку на каждый из признаков поставленного диагноза в каждом виде измерений, как это показано на рис.13 (спектр вибрации) и рис.14 (спектр огибающей вибрации).

    Рис.13. Пример диалогового окна с прямым спектром и результатом диагностики.
    Отмечен дефект обрыва "беличьей клетки" асинхронного двигателя.
    Программа показывает те гармонические составляющие, которые отвечают за этот дефект.

    Рис.14. Пример диалогового окна со спектром огибающей и результатом диагностики.
    Отмечен дефект в виде износа подшипника скольжения.
    Программа показывает те гармонические составляющие, которые отвечают за этот дефект.

    Кроме того в каждом заключении приводятся ссылки на диагностические признаки (линии в спектрах), по которым поставлен диагноз.

    Все описанные выше свойства системы мониторинга и диагностики производства АО ВАСТ и VibroTek, Inc. позволяют ей иметь производительность в несколько раз выше всех известных зарубежных аналогов. Одна такая система позволяет обеспечить переход на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию нескольких сотен машин с общим числом диагностируемых узлов до 4-5 тысяч.

    Заключение

    Современные системы мониторинга и диагностики реально обеспечивают переход на обслуживание и ремонт машин по фактическому состоянию. В настоящее время ни одно крупное западное оборудование не поставляется без стационарных систем, и экономический эффект от ее использования учитывается при планировании эксплуатационных затрат.

    Российская лесоперерабатывающая и бумажная промышленность отличается от западной тем, что большинство машин и оборудования давно выработали ресурс и требуют капитального ремонта или замены. Учитывая этот факт, системы мониторинга и диагностики российского производства стали приспосабливаться к работе с таким оборудованием, и основное внимание уделяют глубокой диагностике наиболее аварийноопасных узлов. Этот факт, а также относительно невысокая стоимость переносных систем (в 2-3 раза ниже стоимости систем ведущих западных производителей) и повышенная ремонтопригодность собственно стационарных систем диагностики, позволяющая быстро восстанавливать их после повреждений при проведении ремонтов диагностируемых машин, позволяют выигрывать конкурентную борьбу у западных производителей. Этому способствует и деятельность отечественных фирм по обучению и поддержке пользователей диагностических систем.

    Как правило, многие российские предприятия начинают внедрение систем мониторинга и диагностики с переносных систем, не требующих длительной подготовки специалистов. Такие системы окупаются в 2-3 месяца, особенно на крупных производствах. И лишь на втором этапе, в процессе модернизации машин и оборудования, начинают монтироваться и вводиться в действие небольшие стационарные системы мониторинга и диагностики, рассчитанные на 50-100 точек контроля.

    Для обслуживания предприятия при этом обычно создается диагностическая группа (лаборатория) со штатом 5-10 человек при общей численности сотрудников предприятия в 2-3 тысячи человек. АО ВАСТ имеет большой опыт в подготовке специалистов и поставке оборудования для подобных групп. Более подробную информацию об особенностях виброакустической диагностики машин и подготовке специалистов можно прочесть на сайте АО ВАСТ в Интернете по адресу (http://www.vibrotek.com.)

    Литература

    1. Брюль и Къер, Мониторизация состояния машинного оборудования. DK BR 0660-11
    2. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А.. Л., Судостроение, 1986.
    3. Barkov, N. A. Barkova, J.S. Mitchell, "Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings", Sound and Vibration, Part 1, June, 1995, p.p. 10-17, Part 2, September, 1995, p.p. 27-31.
    4. Барков А.В., Тулугуров В.В. Вибрационная диагностика в бумажной промышленности. "Бумага, картон, целлюлоза", №4,5, 1999 г.

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

    Вернуться на Статьи, публикации, описания

    Вернуться на старничку ВАСТ и VibroTek, Inc.