Рзаработка методов и средств диагностирования оборудования по вибрации

Однако, поскольку ударные импульсы появляются при различных видах дефектов и при изменении качества смазки, этот метод не позволяет идентифицировать вид дефекта, а следовательно может быть использован только для контроля состояния узла, но не для его диагностирования. Невозможность определить вид дефекта методом ударных импульсов не позволяет осуществлять долгосрочный прогноз состояния узла, так как различные дефекты имеют разные скорости развития. Кроме того, дефекты сборки, которые не приводят к продавливанию слоя смазки, не вызывают появление микроударов, а следовательно не могут быть обнаружены. Еще одно обстоятельство ограничивает применение метода  ударных импульсов: рост пикфактора прекращается при развитых дефектах и даже происходит его уменьшение по мере увеличения степени развития дефекта. Это определяется тем, что среднеквадратическое значение высокочастотной вибрации в этом случае начинает расти быстрее, чем его пиковое значение.      

На практике стандартный виброметр может совмещать функ­ции прибора, измеряющего общий уровень, и прибора для измере­ния пикфактора. При измерениии пикфактора высокочастотной вибрации часто используется механический резонатор-камертон в виде металличе­ского стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц.

Метод ударных импульсов и реализующие его достаточно про­стые приборы  широко используются для обнаружения некоторых видов зарождающихся дефектов, в основном, подшипников качения.

Есть ультразвуковая вибрация которая возникает при импульсном  разрушении   молекулярной  структуры  поверхностных  слоев   элементов трения. Эта импульсная вибрация возникает под нагрузкой при старении материалов в виде  поверхностной   волны  и   носит  название  акустической  эмиссии.   Обычно  под акустической эмиссией понимаются колебательные импульсы нелинейной природы, а на практике   принято   исследовать   и   использовать   в   диагностических   целях   эмиссию статически нагруженных; материалов и эмиссию при утечках жидкости или газа в сосудах и трубопроводах под давлением. Что касается методов диагностики элементов трения на основе анализа акустической эмиссии трения, то практическая невозможность разделить в подшипниках ударные составляющие вибрации линейного происхождения с максимумом спектральной плотности на частотах до ста килогерц, и нелинейного происхождения с максимальной спектральной плотности выше ста килогерц, ограничивает их возможности.

Общий уровень (SOLV)

              Простейший из виброакустических методов - метод измерения общего уровня вибрации. В этом случае в широких час­тотных диапазонах измеряются или среднеквадратичные значения, или пиковые значения виброускорения, виброскорости или виброперемещения механических колебаний. При измерении общего уровня колебаний максимальный вклад могут давать несколько основных составляющих или даже одна доминирующая составляющая, например, составляющая на частоте вращения. Эта составляющая имеет, безусловно, большое зна­чение, однако развивающиеся дефекты могут привести к росту других составляющих, уровень которых может быть значительно ниже уровня доминирующей составляющей. Таким образом, изме­рение общего уровня является слишком грубой оценкой с точки зрения определения технического состояния машины или обору­дования и может быть использовано, скорее, для его контроля, чем для мониторинга. Однако следует отметить, что практически все системы мониторинга и диагностики дают информацию об общем уровне вибрации. Она исполь­зуется, в частности, для сравнения с установленными стандартами пороговыми значениями и для построения трендов, т.е. зависимо­стей общего уровня от времени, что дает возможность оценить в первом приближении скорость изменения состояния машины или оборудования.

Данный метод применяется для диагностики низкооборотных машин (n<600 об/мин). Основан на определении общего уровня вибрации в полосе частот от 2 Гц до 1 кГц. Суть метода заключается в следующем: из автоспектра вибрации, в диапазоне 2÷1000 Гц выбираются все составляющие, после этого находится среднее квадратичное значение (СКЗ) вибрации. Данные действия выполняются для виброскорости, которая имеет размерность мм/с, поэтому если автоспектр измерен для виброускорения, и значения составляющих получены в дБ или м/с2 – их нужно привести к необходимым единицам. В результате данного метода получаем общий уровень вибрации машины, по которому можем определить в какой зоне она работает. Существуют 4 зоны состояния:

- A – уровни вибрации характерны для машин, вводимых в эксплуатацию;

- B – уровни вибрации машин, пригодные для эксплуатации без ограничения срока;

- C – уровни вибрации машин, непригодные для длительной непрерывной эксплуатации;

- D – уровни, характерные для машин, вибрация которых может вызвать их повреждение.

Каждая зона имеет свои границы, по уровню вибрации машины мы можем определить в какой зоне она находится, и сделать общие выводы о её дальнейшей эксплуатации.

Спектральный анализ средне- и низкочастотной вибрации (AS)

Спектральный анализ – это математический аппарат для исследования периодических процессов и выявление в них отдельных компонент, имеющих характерные частоты. Диагностическая информация содержится в параметрах сигнала, таких как: частота основной гармоники, уровень основной гармоники и соотношение уровней основной и кратных гармоник.

              Данный метод основан на анализе низкочастотной и среденечастотной вибрации, которые имеют свои особенности. Основной особенностью низкочастотной вибрации является то, что под действием вынуждающей силы машина или ее элемен­ты колеблются как единое целое. При математическом описании таких колебаний объект диагностирования может быть представ­лен конечным числом жестких тел с упругими связями между ни­ми, т.е. системой с сосредоточенными параметрами. В зависимо­сти от размеров и сложности формы машин или оборудования низкочастотные колебания имеют частоты ниже 100...300 Гц. Од­нако эта граница может несколько меняться в зависимости от час­тот колебательных сил, действующих в машине.

              Низкочастотная вибрация механизмов, машин и оборудования содержит преимущественно гармонические составляющие, созда­ваемые вынуждающими силами, часть которых зависит от техни­ческого состояния объектов. Диагностическими параметрами низ­кочастотных составляющих вибрации чаще всего являются амплитуды колебаний на определенных частотах, пропорциональ­ные величине соответствующих вынуждающих сил. Иногда в ка­честве диагностического параметра используется величина собст­венной частоты колебаний ω0,  характеризующая, в первую очередь, свойства упругих элементов.

              Основные трудности диагностирования машин и оборудования по низкочастотной вибрации связаны, во-первых, с тем, что не все элементы имеют упругие связи, т.е. не все установлены на виброи­золяторах, что значительно усложняет описание колебательной системы. Во-вторых, собственные частоты элементов машин или оборудования точно неизвестны, а от их величин в значительной степени зависит амплитуда колебаний, являющаяся, как правило, основным диагностическим параметром.

              Характерная особенность среднечастотной вибрации меха­низмов и конструкций - невозможность представить объект в виде системы с сосредоточенными параметрами, т. е. выделить в ней элементы, имеющие только инерционные и только упругие свой­ства. Это определяется тем, что каждый элемент на средних часто­тах обладает и теми и другими свойствами. Вынужденные колеба­ния    в    этом    случае    еще    нельзя    представить    в    виде распространяющейся волны, однако, в пространстве они уже приобретают собственные формы, отражающие свойства колебательной системы.

              Большое число собственных форм колебаний не только целой машины или оборудования, но и отдельных их узлов, затрудняет определение амплитуд вынуждающих сил по результатам измерения амплитуды колебаний на определенной частоте. Особенно, если собственные частоты отдельных узлов находятся в области средних частот, а именно, в диапазоне, от 100-300 Гц до 1-3 кГц. 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 отсут­ствует и появляется лишь  при наличии определенного вида дефекта.

При измерении вибрации рекомендуется использовать датчики виброускорения, так как разрушающее действие на узлы машины оказывают в основном силы, которые (по второму закону Ньютона) действуя на массу, вызывают ускорение. Данное условие существенно упрощает анализ.

Виброакустический сигнал представляет собой совокупность многих составляющих акустического шума или вибрации, связанных с техническим состоянием машины или оборудования. Как уже было сказано, реальный сигнал шума или вибрации содержит, как правило, сумму гармонических составляющих и случайных составляющих.

Спектральное представление периодических сигналов, а именно такими является множество сигналов акустического шума и вибрации в установившихся режимах работы вращающихся машин и оборудования, можно получить, используя разложение в ряд Фурье:

   среднее значение сигнала Х(t), как правило равное нулю;

ак и bк - коэффициенты ряда Фурье, связанные с временной функцией сигнала Х(t)  следующими выражениями:

Амплитуды к-й гармоники:

Начальная фаза к-й гармоники:

За время от 0 до t вычисляется мгновенный спектр.

Оцифровываем входной сигнал

N=1024; N=2048; N=4096

N- колличество отсчетов на периоде от 0 до t

Быстрое преобразование Фурье (FFT) дает уменьшение кол-ва вычислений в раз.

Количество частотных линий (n) и в спектре и в аппаратуре не равно количеству отсчетов за время измерения мгновенного спектра (за время t) Причиной является наличие эффекта алайзинга.

Для стационарных случайных сигналов также можно использовать спектральное преобразование. Только в этом случае используется не разложение в ряд Фурье, как для периодических сигналов, а интегральное преобразование Фурье:

где S(ω) -   спектральная плотность, характеризующая распределение энергии по частоте, на периоде от 0 до t.

Основная опасность при оцифровке сигнала – это появление ложных частот, отсутствующих в исходном сигнале (оцифровку проводят с постоянной частотой- частотой дискретизации).

- т. Котельникова-Найквиста.

В этом случае гарантируется, что оцифрованный сигнал правильно передает аналоговую форму волны.

С эффектом алайзинга борятся антиалайзинговые фильтры. Теоретический идеальный антиалайзинговый фильтр должен быть. прямоугольным, т.е. - это фильтр низких частот.

Требование к крутизне фронта очень жесткие настолько, что фильтр получил название кирпичная стена.

Сверх требование к крутизне фронта АФ приводит к тому, что при любой цифровой фильтрации АФ всегда аналоговые.

N=1024; n=400

N=2048; n=800

N=4096; n=1600

n-число частотных линий

N- число отсчетов

За период от 0 до t получили мгновенный спектр. Окончательно спектр можно получить после усреднения нескольких мгновенных спектров

fN=N/t

Усреднения для компенсации случайных составляющих.

- спектральная плотность.

На рисунке в левом верхнем углу приведен гармонический сигнал, на его реализацию накладывается ограничение по времени. Спектр этого сигнала вместо одной составляющей, получается сложный вид. Это происходит из-за того, что исходный сигнал ограничен во времени. Чтобы уменьшить исключения, связанные с конечной длинной части временного сигнала (от 0 до t), используется так называемое окно Ханнинга.

Wi- окно Ханнинга

W=cos(x),

Wi=

Спектральный анализ огибающей случайного высокочастотного сигнала (ES)

Данный метод применяется для анализа медленных изменений мощности относительно быстрых процессов, то есть это могут быть силы трения и ударные импульсы. Метод имеет преимущества в отличие от спектрального анализа, так как технология огибающей основана на анализе высокочастотной вибрации, которая локализована в пространстве около источника вибрации. Таким образом, при измерении спектра огибающей вибрации диагностируемого узла, мы с большой вероятностью видим сигнал именно с этого узла. У бездефектного узла в спектре огибающей не будет гармонических составляющих, и появление в нём хотя бы одной линии говорит о наличии дефекта. По спектру огибающей можно определить глубину модуляции, а это даёт возможность говорить о величине дефекта по однократному измерению вибрации.

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, возбуждающие не гармонические колебания, а случайные. На пер­вый взгляд в высокочастотной области спектра практически отсут­ствует диагностическая информация, в отличие от низкочастотной области, богатой гармоническими составляющими, непосредст­венно связанными 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, например, в подшипнике качения, при­водящих даже к частичному "продавливанию" смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, воз­буждающие высокочастотную вибрацию. Также удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется". Таким образом при наличии дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяются во времени, т.е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации.

Глубину    модуляции  случайного     амплитудно-модулированного сигнала вибрации  Х(t)  можно определить в процентах: