Лекция 16

1. Основы вибродиагностики

Диагностирование состояния машин и оценка сте­пени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации - один из наиболее эффективных методов по­вышения надежности оборудования.

Вибрационное диагностирование объектов прово­дится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие ре­шения.

На этапе поиска информативных признаков ограни­чивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характери­зующих вибрационный процесс, выделяют только те, ко­торые прямо или косвенно характеризуют состояние объ­екта. По этим параметрам формируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.

Основные параметры различных вибрационных процессов, измеряемые для определения состояния ма­шин методами вибродиагностики, приведены в табл. 1.

Выбор измеряемых параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частот­ного диапазонов измеряемых колебаний.

В низкочастотном диапазоне (в т.ч. для роторных машин с частотой вращения ротора менее 600 об/мин) чаще измеряют параметры виброперемещения, в средне­частотном - виброскорости, а в высокочастотном - виб­роускорения. Однако такое деление является условным и часто возникает необходимость измерять вибропереме­щение в высокочастотном диапазоне, а виброускорение - в низкочастотном. В зависимости от спектрального со­става, распределения уровней вибрации во всем диапа­зоне частот и во времени, а также от нормирования до­пустимого уровня измеряют пиковые, размах или сред­неквадратические значения.

Виброперемещение и размах колебаний представ­ляют интерес в тех случаях, когда необходимо знать от­носительное смещение объекта (например, ротора отно­сительно статора при критичности зазоров) или дефор­мацию (при критичности механических напряжений).

Если исследуют работоспособность роторных машин с частотой вращения ротора более 600 об/мин, эффектив­ность вибрационных машин, а также воздействие вибра­ции на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кине­тическую энергию (т.е. разрушающую способность коле­баний). В этом случае, обычно, измеряют среднеквадра­тическое значение. Основным преимуществом измерения среднеквадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными состав­ляющими спектров измеряемой вибрации. При этом учи­тывается временное развитие колебаний.

При оценке вибронадежности объектов и исследо­вании дефектов, связанных с механическими ударами, основным измеряемым параметром является виброуско­рение. При этом измеряют пиковое значение, отражаю­щее наибольшее значение измеряемых колебаний.

В зависимости от спектрального состава, распреде­ления уровней вибрации во всем диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или квадратические значения. Основным преимуществом измерения средних квадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляю­щими спектров измеряемой вибрации.

1. МЕТОДЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ

В ыбор метода вибродиагностики зависит от струк­турного, функционального и вибрационного состояния объекта. Классификация объектов контроля и методов вибродиагностики приведена в табл.2.

Наиболее широко вибродиагностика используется для машин с вращающимся ротором. Выделяют следующие основные неисправности и характеристики вибросигналов, используемые в диагностических целях:

• дефекты роторов - амплитуды и фазы спектра вибрации, орбиты, полные спектры, биспектры, корреляционные зависимости;

• дефекты подшипников качения - спектры АМ- огибающих узкополосных высокочастотных компонент вибросигналов, амплитудное распределение, моментные характеристики (дисперсия, эксцесс), корреляционные и регрессионные зависимости, амплитудные дискриминанты, пикфактор;

• дефекты подшипников скольжения - орбиты и положение центра вала, амплитудные спектры АМ- огибающих вибросигналов, амплитудное распределение, моментные характеристики;

• дефекты механических передач - спектры вибрации, спектры синхронно накопленных компонент, спектры AM- и ЧМ огибающих узкополосных вибросигналов, амплитудное распределение, моментные характеристики (дисперсия, асимметрия, эксцесс), кепстры, корреляционные и регрессионные зависимости, амплитудные дискриминанты.

• дефекты рабочих колес вентиляторов, турбин и компрессоров, насосов - амплитудные спектры, спектры АМ-огибающих вибросигналов, кепстры, амплитудные дискриминанты;

• дефекты электромагнитных систем электрических машин - амплитудные спектры, спектры АМ-огибающих узкополосных компонент вибросигналов, кепстры и лифтрация.

Техническое состояние машин роторного и циклического типа действия описывается, в основном, периодическими колебательными процессами. Одним из методов, адекватных физической природе таких процессов, является метод следящего спектрального анализа. По порядку гармоник вибрации можно идентифицировать ее источники: амплитуды этих гармоник характеризуют распределение энергии, связанное с состоянием объекта. При развитии дефекта энергия колебаний увеличивается. Для контроля механических ослаблений и люфтов в поршневых машинах регистрируют количество появляющихся дополнительных импульсов, превышающих некоторое пороговое значение за несколько оборотов ротора.

Вибрационное состояние определяется совокупностью вибрационных характеристик объекта и является следствием технического и функционального состояний динамических свойств объекта. Даже при нормальном техническом и функциональном состояниях вибрационное состояние может быть неудовлетворительным из-за резонансных эффектов и паразитных колебаний.

Перспективными являются методы, основанные на признаках динамических изменений в объекте, к простейшим из которых относят изменение знака, скорости и характера процессов. Эти признаки отражают развитие дефекта во времени, что позволяет делать прогноз на будущее состояние объекта и его работоспособности.

Алгоритм анализа корреляционно-спектральных характеристик вибросигнала включает в себя: дискретизацию непрерывного вибросигнала, цифровую фильтрацию, вычисление информативных параметров и определение технического состояния объекта. Программа, моделирующая объект, позволяет имитировать сигналы как исправного, так и неисправного механизмов. Моделирование процесса измерения параметров вибрации также состоит из организующей программы и двух подпрограмм. Организующая программа осуществляет ввод заданного числа элементов анализируемого случайного процесса и центрирует его. Первая подпрограмма формирует массив экстремумов, вторая - осуществляет разложение процесса по отдельным расфильтровкам и вычисляет спектральные коэффициенты.

Для контроля приработки трущихся поверхностей поршневых машин, например, в двигателе внутреннего сгорания, эффективным является метод сличения спектров вибрации. Суть этого метода состоит в том, что регистрируют виброакустические характеристики в области контролируемых трущихся поверхностей, регистрируют временную реализацию вибрации, спектр амплитуд, распределение по частоте и разброс амплитуд, а в качестве параметров характеристик определяют сужение спектра, уменьшение амплитуды и момент стабилизации спектра и разброса.

Появление во временных реализациях и спектрах дополнительных составляющих указывает на неисправность объекта, появление трещин, задиров и других дефектов. Мониторинг изменений амплитудных дискриминантов и частотный анализ позволяют определять характер возникающего дефекта объекта в процессе эксплуатации.

Весьма эффективным методом исследований вибрационных процессов, а также качества функционирования систем является моделирование механической конструкции объекта. При построении моделей определяют основные связи между элементами объекта и присущие ему закономерности. Общими по степени формализации и удобными для исследования являются математические и электромеханические модели.

Если спектр виброакустического сигнала модулирован одной или несколькими частотами, что характерно для объектов, содержащих подшипники качения, зубчатые кинематические пары, элементы, расположенные вдоль поверхности ротора (лопатки, стержни, пазы и др.), то эффективным приемом определения качества таких объектов являются:

1. Преобразование Гильберта, позволяющее получать и проводить анализ спектров AM- и ЧМ-огибающих вибросигналов случайной и гармонической вибрации, исследуя модуляционные параметры.

2. Сжатие информации путем логарифмирования и осуществления преобразования Фурье от логарифмического спектра мощности, называемое кепстром. Такой метод позволяет разделить информацию о сигнале, полученную в результате многократных отражений при нелинейных преобразованиях и модуляции. При этом вся энергия виброакустического сигнала, рассеянная по множеству гармоник в спектральном методе, локализуется в одной составляющей при кепстральном методе анализа сигнала. Кепстральный метод используют для формирования диагностических признаков только в тех случаях, когда колебательный процесс имеет периодически модулированный спектр. Это наблюдается при явлениях нелинейного взаимодействия узлов и деталей механизмов, при наличии амплитудной и частотной модуляции, при преобразованиях типа свертки нескольких временных процессов, а также при изменении физических параметров механизма, износе, изменении жесткости, ударных взаимодействиях. Наибольшее распространение кепстральный метод получил при диагностике зубчатых колес редукторных механизмов, имеющих разный износ поверхностей.

В качестве характеристик одномерных законов распределения вероятностей мгновенных значений амплитуд сигнала используют его моменты до четвертого включительно:

• математическое ожидание (соответствующее постоянной составляющей сигнала);

• дисперсию (характеризирующую разброс значений сигнала относительно среднего) или, чаще, среднеквадратическое значение;

• коэффициент асимметрии (характеризирующий несимметричность сигнала относительно среднего значения);

• эксцесс (характеризирующий наличие выбросов сигнала).

Среди характеристик двумерных законов распределения наиболее употребительны в диагностике функции регрессии: - условные математические ожидания.

Лекция 17