Современное состояние виброакустической диагностики машин

 

 

Рис. 9б. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла с износом наружного кольца. BPFO - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу.

  В настоящее время остро стоят  вопросы диагностики зубчатых передач. Многие годы их пытались диагностировать  по появлению ударов при входе  дефектных зубьев в зацепление. Однако, удары далеко не всегда возникают при дефектах зубьев, в частности, при трещине или сломанном зубе. Кроме того, при распространении вибрации, возбуждаемой ударами в зацеплениях, через шестерни, вал и подшипниковые узлы, ее потери могут быть случайными и значительными. Это и является причиной очень больших погрешностей при определении глубины дефекта по измеряемой вибрации. Но по мере развития систем диагностики подшипников оказалось, что при появлении динамической нагрузки на них, также как и при появлении дефектов поверхностей трения, возникает модуляция сил трения и высокочастотной вибрации. В то же время дефекты зубьев и зубчатых зацеплений приводят именно к появлению динамической (ударной) нагрузки на подшипники шестерен, величина которой определяется глубиной дефекта. Именно эти исследования последних лет позволили перейти на диагностику шестерен не по вибрации, возбуждаемой ударами зубьев друг о друга, а по ударным нагрузкам на подшипники, обнаруженным по спектру огибающей вибрации подшипниковых узлов. По совокупности составляющих спектра огибающей высокочастотной вибрации подшипника можно идентифицировать бой шестерни, износ (трещины, сколы) зубьев и дефекты зацепления для каждой из шестерен зубчатой передачи.

  В качестве примера на рис.10а и рис.10б  приведены спектры огибающей  вибрации подшипников дефектного редуктора. В спектрах каждой пары подшипников  на обоих осях видны диагностические признаки появившихся ударных нагрузок, что однозначно свидетельствует о возникновении дефекта зубьев шестерни первой ступени.   
 

Рис. 10а. Спектры огибающей вибрации подшипников первой ступени редуктора с дефектами зубьев шестерни.

fвр1 - частота вращения, первой ступени  редуктора   
 

 

 

Рис. 10б. Спектры огибающей вибрации подшипников второй ступени редуктора с раковиной на внутреннем кольце подшипника.  

fвр1 и fвр2 - частоты  вращения, соответственно, первой и второй  ступени,

fв - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу.

  Не  менее важной является задача диагностирования рабочих колес различного вида машин. Наибольшие успехи в ее решении получены с помощью анализа характеристик  пульсаций жидкости или газа, обтекающих лопасти рабочего колеса. Проблемы диагностирования прежде всего связаны со сложностью измерения пульсаций давления перекачиваемой среды в непосредственной близости к рабочему колесу. В насосах и гидротурбинах еще можно найти достаточно простое решение, заключающееся в измерении вибрации корпуса, возбуждаемой пульсациями давления несжимаемой жидкости.

  В вентиляторах, компрессорах, газовых (паровых) турбинах измерение вибрации корпуса  не всегда дает желаемые результаты, и  приходится встраивать в их корпус датчики давления (микрофоны). При  диагностировании рабочих колес  по пульсациям давления среды удается  обнаруживать такие дефекты, как  бой колеса, износ лопастей, кавитация. На рис.11а и рис.11б в качестве примера приведены спектры огибающей  вибрации корпуса насоса в нормальном режиме работы и при износе (трещине) в одной из лопастей.   
 

Рис.11а. Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при отсутствии дефектов (а).    
 
 

 

 

Рис.11б. Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при износе лопасти рабочего колеса (б).  

fвр - частота вращения рабочего колеса,

fл - лопастная частота.  

  В диагностике электромагнитных систем электрических машин качественный скачок произошел в 1982 году, когда  специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” предложили диагностировать их по пульсирующим электромагнитным моментам, возникающим при дефектах обмоток или нарушениях симметрии воздушных зазоров. При одних видах дефектов (беличьей клетки асинхронного двигателя) возникают пульсирующие моменты на инфранизких частотах, что приводит к пульсации скорости вращения ротора. Такие пульсации скорости легко обнаружить по узкополосному спектру низкочастотной вибрации. Другие дефекты (обмотки статора машин переменного тока) создают пульсирующие моменты на низких частотах, что приводит к росту вибрации машины, измеренной по касательной к корпусу в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Для обнаружения такого роста сравнивается вибрация в одной точке в радиальном к оси направлении и по касательной. Ряд дефектов (нарушение симметрии зазоров) сопровождается появлением пульсирующих моментов на более высоких частотах, на которых разделить вибрацию, возбуждаемую радиальными силами и пульсирующими моментами, оказывается практически невозможно. В таких случаях положительный результат дает анализ пульсаций электромагнитного поля, являющихся одной из составляющих, возбуждающих пульсирующие моменты. Эти составляющие поля возбуждают вибрацию машины на зубцовой частоте. Зубцовая вибрация при дефектах оказывается модулирована по амплитуде, что обнаруживается при узкополосном спектральном анализе вибрации. В качестве примера на рис.12а и рис.12б представлены спектры вибрации электрических машин переменного тока с различными дефектами электромагнитной системы.   
 

 

 

Рис. 12а. Спектры вибрации бездефектного асинхронного двигателя. В выделенном участке спектра показано изменение при обрыве стержня беличьей клетки. 

fск - частота скольжения в асинхронном двигателе;    
 
 

 

 

Рис.12б. Спектры вибрации бездефектной синхронной машины. В выделенном участке спектра показано изменение при появлении короткозамкнутого витка.  

fc - частота питающего напряжения;

fz - зубцовая частота.  

  В настоящее время методы диагностирования электрических машин по вибрации, предложенные и разработанные специалистами  предприятия “Виброакустические системы и технологии”, широко используются как в России, так и за рубежом, заменяя более трудоемкие методы диагностирования по параметрам напряжения, тока и электромагнитного поля. По вибрации обнаруживаются практически все дефекты электрических машин, кроме дефектов электрической изоляции. Последние могут быть обнаружены лишь после того момента, когда через поврежденное место потечет ток.

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

  Создание  систем глубокого диагностирования и прогнозирования состояния  узлов широко распространенных видов  машин в настоящее время является одним из перспективных направлений  технической диагностики. В России наибольшего успеха в этом направлении  добились специалисты предприятия  “Виброакустические системы и технологии”. Основное внимание они уделяют созданию стационарных и переносных систем автоматического диагностирования и прогнозирования таких узлов роторных машин как:

• роторы и другие вращающиеся узлы;
• подшипники качения и скольжения;
• механические передачи, в том числе, зубчатые;
• рабочие колеса насосов, вентиляторов, компрессоров и турбин;
• электромагнитные системы электрических машин.

  Разработанные для переносных и стационарных систем пакеты программ для глубокой диагностики  и прогноза технического состояния  таких узлов могут использоваться совместно с техническими средствами измерения и анализа вибрации, выпускаемыми многими фирмами.

В настоящее время  предприятие “Виброакустические системы и технологии” поставляет системы с пакетами программ для 

• диагностирования и прогнозирования состояния узлов по однократным измерениям вибрации;
• диагностирования и прогнозирования состояния узлов по периодическим измерениям вибрации и шума;
• диагностирования роторных машин в процессе их балансировки.

  Для наиболее полного использования  возможностей глубокого диагностирования предприятие “Виброакустические системы и технологии” разрабатывает и производит различные виды технических средств измерений и анализа, в том числе, и для стационарных систем мониторинга и диагностики роторных машин. В сотрудничестве с разработчиками средств диагностики ряда ведущих фирм мира специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” отрабатывают технические решения для модернизации существующих и создания новых систем глубокой диагностики машин и оборудования по сигналам вибрации и шума.

  В настоящее время диагностические  системы и пакеты диагностических  программ производства предприятия  “Виброакустические системы и технологии” эффективно используются на многих предприятиях различных отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе, атомная, нефтеперерабатывающая, целлюлозо-бумажная, металлургия, авиация, судостроение, железнодорожный транспорт и другие.   
 
 
 
 
 
 

Выводы

• Потенциальные возможности диагностических систем определяются выбором диагностического сигнала и информационной технологии. Сигнал вибрации содержит достаточную диагностическую информацию для того, чтобы с помощью современных информационных технологий обнаружить дефектный узел машины, определить вид и глубину дефекта и дать долгосрочный прогноз его развития.
• Наиболее эффективные технические средства диагностики, как стационарные, так и переносные, строятся на базе компьютерной техники и технологии. Именно эти средства позволяют использовать все возможности таких перспективных методов получения информации, как спектральный анализ, анализ огибающей и статистическое распознавание состояний.
• К перспективным методам диагностирования, в первую очередь, следует отнести быстро развивающиеся методы диагностирования и прогнозирования технического состояния узлов машин по одноразовым измерениям вибрации или шума. Они могут эффективно использоваться не только переносными диагностическими системами, но и системами мониторинга с ограниченным числом стационарно установленных датчиков вибрации и шума.
• Значительное расширение областей применения систем мониторинга и диагностики машин по сигналам вибрации и шума возможно при условии выпуска недорогих систем автоматического диагностирования, не требующих от пользователя диагностической подготовки. Опыт эксплуатации первых образцов таких систем в России подтвердил их высокую эффективность.
• Объектами глубокого диагностирования по виброакустическим сигналам могут быть все виды машин, являющихся источниками вибрации и шума. В машинах без узлов возвратно-поступательного типа из сигналов вибрации и шума можно получить полную информацию практически обо всех аварийноопасных дефектах даже на начальном этапе их развития. В машинах с узлами возвратно-поступательного типа должна быть дополнительно использована информация, содержащаяся в других видах диагностических сигналов.

 

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Барков А.В. "Диагностирование и прогнозирование  состояния подшипников качения  по сигналу вибрации." Журнал  Судостроение №3, 1985г. стр 21-23.

2.Баркова Н.А. "Виброакустические методы диагностики СЭУ." Учебное пособие. Изд.Ленинградского кораблестроительного института. 1986г.

3.Александров  А.А., Барков А.В., Баркова Н.А., Шафранский В.А. "Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования." Изд.Судостроение", Ленинград,1986г.

4.Mitchel John S. "An Introduction to Machinary Analisis and Monitoring."  Tulsa: Penn Well Books, 1993.

5.Barkov A.V., Barkova N.A., Mitchel J.S. "Condition Assessment and Life Prediction of Rolling Element Bearings, Sound amp Vibration."  1995, June pp.10-17, September,pp.27-31.

6.A. Azovtsev, A. Barkov. "Automatic computer system for roller bearings diagnostics,Computers in Railways V, Proceedings of the COMPRAIL-96 conference."  21-23 August 1996, Berlin, Germany, volume 2, pp. 543-550

7.A.V. Barkov, S.N. Rogov, I.A. Ioudin, R. Archmbault "Algorithms for Automated Roling Element Bearings Diagnostics,Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 69-73

8.A.V. Barkov " Optimization of Monitoring and Diagnostics Methods for the Rotating Machines by Vibration and Noise Measurements, Proceedings of the 4th International Congress on Sound and Vibration."  St. Petersburg, Russia, June 24-27,1996, Volume 3, pp. 1573-1578

9.A.V. Barkov, N.A. Barkova "Diagnostics of Gearings and Geared Couplings Using Envelope Spectrum Methods,Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 75-83

10.Azovtsev A.Yu., Barkov A.V., Carter D.L. " Improving the accuracy of Rolling Element Bearing Condition Assessment, Proceedings of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute."  Saint Louis, Missouri, USA, 1996, pp. 27-30.

11."Пакет прикладных  программ для диагностирования  и прогнозирования состояния  подшипников качения." Инструкция  по эксплуатации.Части 3,4. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1992г.

12."Пакет прикладных  программ для балансировки роторов  в собственных опорах."

Инструкция по эксплуатации. Часть 3. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1993г.

13."Пакет прикладных  программ для мониторизации состояния машин и оборудования." Инструкция по эксплуатации. Часть 3. Изд. А/О ВАСТ, г. Санкт-Петербург, 1994г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  ИНСТИТУТ  УПРАВЛЕНЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ АГРАРНОГО  РЫНКА