Виброакустическая диагностика технических объектов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Ф. Сальников

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2011

1

УДК 621.833: 534.2:621.37/39 (075)

ББК 34.41+30.82 С16

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. Б.А. Калашников (Омский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. Р.В. Бульбович (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Сальников, А. Ф.

С16 Виброакустическая диагностика технических объектов: учеб. пособие. – Пермь: Изд-воПерм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2011. – 247 с.

ISBN 978-5-398-00681-0

Рассмотрены теоретические и практические основы виброакустической диагностики неисправностей машин и агрегатов. Обоснован принцип построения исследований колебаний в объекте для решения вопросов проведения его технической диагностики. Рассмотрены физическая, математическая и имитационная модели виброакустической диагностики и некоторые приемы выделения информации в вибрационном сигнале для диагностики технического состояния объектов, машинного оборудования, а также направления для разрабатываемой системы их мониторинга.

Предназначено для студентов направлений: 140500 «Энергомашиностроение»; 130600 «Ракетостроение»; 130400 «Ракетные двигатели и аспирантов».

УДК 621.833: 534.2:621.37/39 (075) ББК 34.41+30.82

2

4

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время проблема повышения надежности технических объектов, агрегатов, машин стала одной из первостепенных. Попытки ее решения предпринимаются по многим направлениям, и усовершенствование методов и средств технической диагностики – одно из них. Эффективный контроль готовой продукции закроет доступ к потребителям недоброкачественных изделий, а внедрение в эксплуатационную практику средств, позволяющих определять достаточно быстро и точно техническое состояние создаваемых и работающих изделий, даст возможность принимать правильные решения о допуске их в эксплуатацию, определении сроков и содержания профилактических операций и ремонта для восстановления их работоспособности.

С точки зрения построения технического регламента виброакустической диагностики необходимо на стадии создания изделия, в процессе его отработки решить ряд задач, направленных на формирование технических признаков и величин их диапазонов, соответствующих требованиям технических условий или безопасной эксплуатации. Для формирования диапазонов пригодности для вибродиагностики одной из важнейших задач является определение собственных и вынужденных частот колебаний изделий.

Собственная частота элемента является индивидуальной характеристикой, как геометрический размер, но в отличие от однозначности любого параметра собственная частота несет дополнительную информацию, связанную

сизменением не только геометрических размеров, но и качества изготовления (наличие дефектов) и пр. Поэтому изменение собственных частот конкретного изделия может служить основой проведения технической диагностики объекта, как в процессе его эксплуатации, так и в процессе хранения, и других технологических процедур (транспортировка, сборка и т.п.).

Вынужденная частота, как правило, связана с определенным циклом (периодом) в функционировании агрегата. Вращение ротора, возвратно-поступа- тельные движения поршней, открытие-закрытие клапанов, срыв вихря в газовом потоке и т.д. формируют структуру вынужденных сил с частотой, связанной

спериодом этого цикла и амплитудой, которая зависит от массожесткостных характеристик объекта и связей между его элементами. Особое место в анализе колебательных процессов, особенно в оценке допустимого значения параметров вибрации занимают резонансные взаимодействия конструктивных элементов в объекте, вынуждающей силыиего собственных колебаний.

5

Основной задачей в проведении технической диагностики любого объекта, изделия или агрегата является выделение и разделение признаков (частот) на составляющие, которые можно идентифицировать с определенным его состоянием: вынужденные колебания в объекте – с причиной их порождающей, собственные колебания – с характером внешнего воздействия. Анализ технического состояния любого объекта невозможен без накопления априорной информации, которая должна формировать амплитудночастотный диапазон технического объекта. И при его построении мониторинг объекта должен сформировать такой диапазон, который должен соответствовать определению «Изделие годно». Набор информации по годности изделия должен вестись на всех стадиях не только технологического процесса изготовления агрегата (детали, узда), но и в условиях его хранения и эксплуатации.

Наряду с определением собственных частотных характеристик деталей, узлов, элементов и изделия в целом, важнейшей задачей является построение передаточных функций прохождения акустических и вибрационных волн по «волнопроводам» (которыми являются детали, узлы объекта), позволяющим определить источник возбуждения колебаний в точках измерения виброакустического поля, на доступной поверхности объекта для установки виброакустического датчика.

Источник возмущения при работе изделия, как правило, находится во внутренних структурах работающих механизмов или элементах (например, газовый поток в трубопроводе). Измерение вибрационного поля источника проводится с помощью виброакустических сигналов, замеренных на наружных поверхностях изделия, что вносит существенное изменение в амплитудно-частотные характеристики источника вибраций внутри объекта. Это связано с наложением на собственные частотные характеристики передающего элемента (связи) вынужденных колебаний от окружающих данный элемент деталей (объектов, масс, связей и т.п.). Передаточное звено преобразует амплитудно-частотную характеристику волнового процесса.

Характеристической оценкой изменения вибрационного возмущения через любую структуру (связь, волнопровод) является передаточная функция. Кроме того, передаточная функция является достаточно информативной структурой в оценке работоспособности изделия, как волнопровода, поскольку позволяет выделить условия сборки, величины зазоров, износа, натяга и прочие характеристики, связывающие условия обеспечения работоспособности изделия.

6

Для построения диагностических технологий по оценке технического состояния изделия необходимо оперировать не только определением диапазона разбросов по амплитудно-частотным характеристикам конкретного изделия, но и влиянием на него эксплуатационно-технологических параметров объекта. Разброс амплитудно-частотных характеристик объекта одного типоразмера связан не только с технологическими допусками на изготовление его деталей, сборку узлов, но и с изменением величины нагрузки, действующей

впроцессе его эксплуатации, что приводит к изменению собственной частоты элемента конструкций.

Существенное влияние на изменение частотного диапазона оказывают колебания температуры в материале изделия и внутренних сил (напряжений)

вэлементе, по которому передается вибрационная и акустическая волна. Поэтому определение амплитудно-частотного диапазона изделия при различных условиях эксплуатации объекта, который соответствует его работоспособности, является задачей формирования оценочной пригодности изделия. Такая диагностическая технология позволит существенно повысить достоверность

работоспособности изделий как внутри партии, так и конкретного образца. С другой стороны, выход за границы данного (полученного) диапазона будет являться основанием для прекращения работы объекта и для построения диагностического анализа причин, приведших к возможному его отказу.

Диагностика состояния оборудования с помощью измерения и анализа параметров виброакустических сигналов является одним из методов неразрушающего контроля. Это позволяет проводить мониторинг технического состояния объекта (мониторинг агрегата), т.е. наблюдение за техническим состоянием объекта (конструкции, машины, узла, механизма) для определения момента перехода в предельное состояние. Результат мониторинга объекта представляет собой совокупность диагнозов составляющих его субъектов (конструкций, машин, узлов, механизмов), получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых состояние агрегата существенно не изменяется.

Обязательным условием построения технического мониторинга является мониторинг параметров – это наблюдение за какими-либо параметрами (давление, температурой, вибрацией и т.д.). Принципиальным отличием мониторинга состояния от мониторинга параметров является наличие интерпретатора измеренных параметров в терминах технического состояния (экспертной системы поддержки принятия решения о состоянии объекта и дальнейшем управлении). Кроме того, мониторинг параметров может осуществляться независимо от технического мониторинга состояния объекта.

7

Согласно ГОСТ 20911–93, техническое диагностирование (далее – диагностирование) объекта – это акт получения технического диагноза, включающего в себя диагнозы наиболее важных субъектов, составляющих объект диагностирования, и определяющего полноту его диагностирования. Согласно данной процедуре определяется технический диагноз объекта, как результат диагностирования, привязанный к определенному моменту времени.

В данном пособии изложены основы физических процессов формирования и прохождения виброакустических сигналов в объекте (определение вектора интенсивности виброакустического поля объекта), основные принципы анализа параметров этих сигналов, способы формирования и анализа диагностических признаков с целью более глубокого понимания принципов распознавания при построении алгоритма технической диагностики. Кроме того, сформированы принципы проведения работ по определению собственных (модальных, парциальных) частотных характеристик объекта на примере модельного ракетного двигателя (построение передаточных функций корпус – топливо, топливо – корпус).

Изложенный материал основывается на источниках, приведенных в списке литературы, материалах, полученных на выставках, конференциях, симпозиумах, в Интернете, а также на собственном опыте разработки и эксплуатации систем мониторинга технического состояния оборудования в различных отраслях народного хозяйства.

8

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Техническая диагностика – научно-техническая дисциплина, изучающая и устанавливающая признаки дефектов технических объектов, а также методы и средства обнаружения и поиска (указания местоположения) дефектов. Основной предмет технической диагностики – организация эффективной проверки работоспособности, правильности функционирования технических объектов (деталей, элементов, узлов, блоков, заготовок, устройств, изделий, агрегатов, систем, а также процессов передачи, обработки и хранения материи, энергии и информации), т.е. организация процессов диагностирования технического состояния объектов при их изготовлении и эксплуатации, в том числе во время, до и после применения по назначению, при профилактике, ремонте и хранении. Диагностирование – одна из важных мер обеспечения и поддержания надежности технических объектов [3].

Каждый из этих аспектов имеет свои особенности, описываемые своей системой понятий. Структура и объем объекта определяется технологическими и функциональными функциями. При структурном подходе имеют дело с геометрией (размер) и формой деталей, с их связями и другими свойствами элементов объекта, обеспечивающими его нормальную работу. Основным понятием диагностики, связанным со структурным состоянием, будет оценка соответствия диапазона разбросов покаждому определяющему параметру.

Состояние объекта в некоторый момент времени t при структурном и функциональном анализе может быть охарактеризовано совокупностью признаков конкретных параметров объекта, объединенных в класс признаков W( x'1, x'2 , ..., xn ) . Параметры x'i – величины переменные, зависящие не толь-

ко от способа изготовления и эксплуатации объекта (технологический процесс, допуски на размер, технологические параметры и т.д.), но и от времени эксплуатации (износ, коррозия и т.п.). Чтобы задать начало отсчета параметра x'i , вводится понятие идеального объекта. Под идеальным объектом подра-

зумевается воображаемая система, структура которой с абсолютной точностью соответствует проекту. В идеальном объекте отсутствуют какие бы то ни было отклонения от проектных параметров, нарушения и дефекты. Все реальные объекты в той или иной степени отличаются от идеального. Величина отклонения параметра от идеального, при котором выполняются функциональные (технологические) свойства объекта, называется полем допуска диагностируемого параметра. Разность xi = x'i – xi0 будет характеризовать от-

клонение i-го параметра диагностируемого объекта от параметра идеального прототипа, которую можно использовать в построении структурной или функциональной диагностики объекта.

9

Необходимо отметить, что между некоторыми параметрами процессов в объекте и его элементами (деталями) возможны взаимовлияния, т.е. возможны зависимости, которые можно описать с использованием коэффициентов корреляции xi = f ( x'1, x'2 , ..., xn ), что существенно затрудняет построение

алгоритма распознавания структурной или функциональной диагностики объекта.

Таким образом, без учета корреляционной зависимости между параметрами (только линейная зависимость) техническое состояние машин и механизмов можно характеризовать структурными параметрами, изменение которых является причиной изменения технического состояния. Структурными параметрами являются параметры деталей, их взаимное расположение: размеры, зазоры, перекосы, нарушение геометрии, расходные характеристики и т.д. Таким образом, техническое состояние объекта определяется совокупностью технических параметров, возможное отклонение которых от предельно допустимых для нормальногофункционирования объекта приводит кего отказу.

Основная задача в построении диагностирования – определение совокупности (объема) параметров структуры xi. Оптимальным решением является условие их минимальности. Совокупность параметров x1, x2,..., xn будет минимальной, если ни одна из этих величин не может функционально выражаться через значения других параметров, входящих в совокупность.

Помимо минимальности, совокупность параметров, описывающих структуру механизма, должна удовлетворять условию полноты. Совокупность параметров xi будет полной, если знание их величины позволяет принимать однозначные решения о необходимости ремонта и обслуживания механизма.

Состоянием объекта называют полную минимальную совокупность параметров структуры классов признаков W(x1, x2,..., xn), характеризующих отклонение структуры объекта от структуры идеального прототипа.

При построении функциональной диагностики объект рассматривается как единая система, с определенными функциональными параметрами (давление, расход, теплотворная способность, мощность, производительность и т.п.). Кроме того, объект порождает много различных по физической природе процессов. Все эти процессы можно охарактеризовать количественно совокупностью параметров s1, s2,..., sm, с определенным диапазоном в физическом измерении. Режим работы объекта во время диагностики строго регламентируется данным диапазоном каждого параметра, любое изменение величины указанных параметров должно быть предписано как изменение этого параметра выходных процессов объекта и должно рассматриваться как функция состояния:

10