2064

классифицируемых ситуаций, иных соотношениях весов в матрице цен за ошибочные решения. К такому же выводу можно прийти при обосновании планов выборочного контроля, когда из партии произведенной продукции выбирают часть объектов и по результатам их испытаний принимают решения: забраковать или принять партию, либо продолжить испытания.

Рассмотрим пример по обнаружению разладки из практики работы перекачивающего оборудования.

При работе насосных агрегатов на станциях по перекачке продуктов главным требованием является недопустимость их внезапной остановки из-за механического саморазрушения (аварии). Также недопустима эксплуатация насосов в неудовлетворительном техническом состоянии, поскольку это сопровождается резким снижением КПД.

Предвестником перехода агрегата в предаварийный режим является появление следующих видов дефектов.

Усталостные разрушения поверхности возникают при использовании неподходящей смазки и её низкой вязкости, разрывах смазочной пленки. В начальной стадии развития дефекта изображение поверхности имеет вид, показанный на рис. 5.3. При дальнейшем развитии дефекта поверхность дорожки начинает отслаиваться и растрескиваться, подшипник начинает «шуметь» и нагреваться.

Внешняя обойма

Шарик подшипника

Поверхность растрескивается и отслаивается

Внутренняя обойма

Рис. 5.3. Усталость дорожки качения

Выкрашивание поверхности схоже с усталостным разрушением поверхности, отличается от него более сильной степенью

81

повреждения подшипника и является индикатором исчерпания его ресурса (рис. 5.4). Преждевременное выкрашивание часто вызывается плохой посадкой вала, искривлениями корпуса и неправильной установкой, т.е. условиями, вызывающими слишком высокие циклические напряжения.

Внешняя обойма

Шарик подшипника

Глубокие трещины и расслаивание

Внутренняя обойма

Рис. 5.4. Выкрашивание поверхности

Абразивное истирание металла (рис. 5.5) разрушает поверхности элементов подшипника. В зависимости от типа абразивного износа поверхность приобретает или тусклый серый металлический цвет, или же зеркально полируется. Мелкая абразивная пыль является обычной причиной внезапного выхода подшипника из строя. Эта пыль может попасть в подшипник при установке, через плохие уплотнения или с грязной смазкой.

Рис. 5.5. Абразивный износ

82

Атмосферная коррозия вызывается влагой, которая попадает в подшипник из атмосферы (рис. 5.6) и, конденсируясь, разрывает смазочную пленку в местах контакта тел и дорожек качения.

Внешняя обойма

Шарик подшипника

Коррозия

Внутренняя обойма

Рис. 5.6. Атмосферная коррозия

Бриннелирование (на поверхности колец появляются регулярно следующие друг за другом выемки) является следствием пластических деформаций металла в местах выемок, которые возникают из-за перенапряжения металла (рис. 5.7) в результате высоких статических или ударных нагрузок, неправильной технологии установки подшипника и сильных механических ударов.

Внешняя обойма

Регулярные выемки на дорожках качения

Рис. 5.7. Бриннелирование дорожек качения

Встречаются и другие виды повреждений.

83

Одиночный дефект на внутреннем или внешнем кольцах подшипника генерирует вибрацию на частоте перекатывания тела качения. В процессе развития неисправности размер области повреждения растет, внося свой вклад в развитие новых дефектов.

При этом наблюдается увеличение числа выделяющихся частотных составляющих и ширины спектра. Эти частоты оказываются модулированными силами дисбаланса на частоте вращения вала. В результате в спектре будет проявляться большое число суммарно-разностных частот.

Вибрации подшипниковых опор перекачивающих агрегатов измеряются в основном акселерометрами виброускорения (для абсолютной вибрации) и вихретоковыми датчиками смещения (для относительной вибрации), принятыми в отраслевых руководящих документах к обязательному применению. Частотный диапазон датчиков составляет от 5 до 10000 Гц, неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 0,5 дБ.

Если установить акселерометр (датчик вибрации) вблизи наружной обоймы исправного, хорошо смазанного подшипника, выходной сигнал будет представлять собой стационарный шумовой процесс (рис. 5.8, а).

Споявлением дефектов на кинематических узлах подшипника

ввибросигнале начнут появляться выбросы амплитуды (рис. 5.8, б). В процессе развития дефекта амплитуды выбросов постепенно увеличиваются, их частота возрастает (рис. 5.8, в).

Параметры вибрации в полной мере отражают информацию о техническом состоянии агрегата, а тенденции изменения этих параметров во времени позволяют решать задачи прогнозирования его состояния.

84

Рис. 5.8. Пример временного сигнала вибрации для подшипников с различным износом

Один из методов вибродиагностики агрегатов основан на анализе спектральной характеристики процесса. Оценка спектральных параметров проводится в узком диапазоне частот в полосе от 5 до 5000 Гц. Для повышения разрешающей способности спектра в некоторой полосе частот, а также для ускорения вычислений применяют процедуру БПФ (быстрое преобразование Фурье). После такого преобразования сигнал выглядит так, как показано на рис. 5.9.

Оборотная

частота

Частоты дефектов подшипника качения

Амплитуда, дБ

Частота, Гц

Рис. 5.9. Изображение амплитудного спектра вибросигнала

Амплитудные всплески в вибросигнале следуют не хаотично, а с вполне определённой периодичностью или частотой. Причём отдельному дефекту на каждом из элементов подшипника (шарике, дорожке, сепараторе) соответствуют свои частоты, которые однозначно просчитываются в зависимости от кинематики подшипника и скорости его вращения. Так, например, овальность и гранность шариков в подшипнике качения можно идентифицировать наличием в спектре виброускорения характерного всплеска на частоте, рассчитанной по формуле

85

частоту разноразмерности шариков – по формуле

зазоры в гнёздах сепараторов и неуравновешенность сепаратора – по формуле

динамические импульсы от волнистости дорожки – по формуле

mF0 1 dø ;

локальные дефекты, местный износ – по формуле

где f – характерная частота дефекта в спектре; F0– частота вращения ротора, Гц; r1, r2 – радиусы дорожек качения внутреннего и наружного колец; dш – диаметр шарика подшипника; D0 – диаметр центров тел качения; Z – число шариков; К2 – число дефектов на дорожках качения.

Выделение характеристик сигнала, свидетельствующих о наличии неисправностей, может во многих случаях быть ограничено низкими амплитудами спектральных составляющих. Поэтому для уверенного обнаружения конкретного дефекта по амплитудному спектру вводят «частотные маски». Они представляют собой массивы значений для спектральных составляющих, превышение которых является признаком достижения дефектов определённого уровня развития («допустимо», «недопустимо»). То есть вводится некоторый порог для набора гармоник, идентифицирующих конкретный дефект агрегата.

Для прогнозирования времени выхода отдельных машин на аварийный режим используют анализ динамики трендов виброскорости. На некоторых предприятиях в системах вибромониторинга введены нормы на скорость роста вибропараметров.

86

Наиболее эффективным решением для предотвращения аварийных ситуаций на перекачивающих станциях является внедрение полномасштабных систем технического мониторинга, объединяющих в себе весь парк машин и механизмов. При этом контролируются не только параметры вибрации, но и температура подшипников, химический состав масла и др. Процесс контроля технического состояния агрегатов происходит непрерывно и автоматически. Человек необходим лишь для того, чтобы настроить и запустить систему в работу.

Идеология построения системы подразумевает объединение в единую контрольно-измерительную сеть любого количества насосных агрегатов или другого вращающегося оборудования. Основой системы является устройство, предназначенное для измерения вибрации в полосе 5…16000 Гц, температуры, давления и других физических параметров.

Вся информация, собираемая комплексом с работающих агрегатов, по каналам связи передаётся в диспетчерский центр в вычислительную машину, централизованно обрабатывается и хранится в специальных архивах. Такое техническое решение позволяет в любой момент просмотреть накопленную историю по выбранному узлу для любого момента времени. Передача информации может осуществляться как по промышленным каналам и линиям связи, так и через глобальную (региональную) сеть по интерфейсу Ethernet. При поступлении от приборов очередной порции информации о текущем состоянии агрегатов специальная программа производит её обработку и определяет наличие неисправностей перекачивающего оборудования.

Непрерывный мониторинг данной системы и масштабность его внедрения на станции (когда контролю подвергаются все агрегаты) позволяют оценить риск возникновения аварийных ситуаций по анализу трендов вибропараметров. На рис. 5.10 представлен пример изменения вибрации одного из подшипников насоса в течение нескольких дней.

Наблюдаются рост и спад уровня вибраций подшипника, вызванные включением и выключением соседнего агрегата. Вибрация от включаемого агрегата передавалась на первый агрегат как через фундамент, так и через общую гребёнку трубопроводной системы станции. Это подтвердилось анализом акустических колебаний оболочек отводящих водоводов и стало возможным

87

только после внедрения на станции интегрированной стационарной системы.

В процессе выяснения причин повышенной вибрации на некоторых агрегатах, связанных с влиянием на них соседних машин и механизмов, обнаружилось влияние технологических параметров станции на характеристики акустического шума в оболочках трубопроводов. На расстоянии 100 м от одного из агрегатов на трубопроводе был установлен пьезокерамический зонд. Регистрируемые им акустические колебания в трубе непрерывно анализировались. На одном из перекачивающих агрегатов произошло повреждение упорного подшипника. В результате резко повысился расход масла, появилась дополнительная вибрация, что отразилось на шумовых характеристиках трубопровода.

Рис. 5.10. Тренд изменения вибрации на одном из подшипников насосного агрегата

На автокорреляционной функции появились характерные пики (рис. 5.11), увеличение числа которых во времени позволило спрогнозировать начало аварии в системе.

88

Рис. 5.11. Акустическое «обнаружение» дефекта подшипника

Приведенный пример призван проиллюстрировать необходимость и эффективность использования технологий обнаружения разладки технологического процесса. Сигнал разладки «тонет» в сопутствующих шумах. Способы его выделения базируются на статистической теории обнаружения. Но есть особенности дешифрирования получаемых регистограмм, обусловленные спецификой рассматриваемой задачи. Эта специфика сказалась на теоретических исследованиях по данному вопросу, в основу которых по-прежнему положен алгоритм кумулятивных сумм Пейджа, представляющий собой многократно применяемый алгоритм последовательного анализа А. Вальда.

6.ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОМЕТРИЯ: АНАЛИЗ ПОДСОЗНАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ ОРГАНОВ ЧЕЛОВЕКА

Под тремором понимают непроизвольные колебательные движения различных частей тела в результате поочередного сокращения мышц агонистов и мышц антагонистов. Традиционно тремор изучается для оценки функционального состояния организма человека и не контролируется его сознанием.

Спектр колебаний этого вида динамического процесса занимает полосу частот от нуля до 20 Гц. Низкочастотная составляющая

89

тремора включает колебания с частотами от 1 до 4 Гц. Ее назначение – содействие кровообращению в мышечных массах. Кратковременное сжатие и расслабление мышцы с указанными частотами создает условия для прохождения крови по мелким сосудам.

Колебания с частотами 5-20 Гц выполняют задачи координации

– поддержания необходимых поз человека. Информация о положении отдельных частей тела поступает в центральную нервную систему с опозданием и не отражает действительного их нахождения в трехмерном пространстве. При вертикальном сидении на стуле поочередно включаются мышцы, наклоняющие корпус человека вперед или назад. При смещении «назад» из центральной нервной системы поступает команда другой группе мышц: наклонить корпус вперед. По достижению телом вертикального положения в органе управления формируется команда о прекращении этого процесса, но она запаздывает во времени, и корпус переходит нейтральную точку. Поэтому следующей командой будет возврат его в обратном направлении и т.д. Таким образом формируется колебательное микроперемещение корпуса. Аналогичный процесс наблюдается и в остальных органах.

Поскольку координация тела в пространстве осуществляется центральной нервной системой, ее состояние может быть оценено по параметрам регистрируемого тремора. Это обстоятельство позволило использовать описанный эффект для обнаружения в ответах испытуемого ложной информации (детекция лжи) [14] и идентификации подписантов.

Впоследнее десятилетие появились работы по изучению нетрадиционных непроизвольных движений человека при выполнении определенных видов работ. Цель этих работ – подтвердить справедливость гипотезы об индивидуальном характере таких движений и, следовательно, возможность создания системы нового поколения для дистанционной идентификации субъектов.

Воснову указанной гипотезы положены выводы теории управления техническими системами. Один из них: на одномерных машинах фон Неймана легко решаются одномерные задачи, двумерные же задачи с большими трудностями. Трехмерные задачи

вреальном времени на одномерных машинах решить не возможно.

90