Вибродиагностика машин и механизмов. Учебное пособие

Принцип действия этих датчиков основан на регистрации изменения электромагнитного поля в зависимости от зазора между возбуждающей вихревые токи катушкой и электропроводящей поверхностью изделия, совершающей механические колебания.

Этот метод имеет ряд преимуществ перед прочими бесконтактными методами (емкостными, индуктивными) – он практически безынерционен в звуковом диапазоне частот, пределы измерения амплитуды вибрации составляют от микрометра до миллиметра, а частотный диапазон – от единиц до сотен килогерц.

Бесконтактные датчики просты и надежны по конструкции, не чувствительны к поперечным вибрациям.

Конструктивно этот датчик выполнен в виде накладной катушки индуктивности, намотанной на торцевую часть цилиндрического каркаса из нетокопроводящего материала. Катушки могут быть различного диаметра и высоты. Число витков определяется выбранной частотой. Вводя ферритовый сердечник, повышают чувствительность датчика.

Требования к поверхности, где установлен датчик: она должна быть гладкой, однородной по составу, недопустим остаточный магнетизм. Вблизи датчиков не должно быть больших масс металла. В противном случае датчик надо экранировать.

Отечественные и зарубежные фирмы выпускают множество типоразмеров датчиков. Отечественные фирмы: «Виконт», «Элексир», НПО «ЭРГ». Зарубежные: «Schenk» (ФРГ), «Vibrometer» (Швеция).

61

5.ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ

5.1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Общая схема измерений включает в себя первичные датчики, согласующие устройства, линии связи, средства анализа, базу данных и средства (программы) обработки информации (СОИ).

УС

Рис. 5.1

На рис. 5.1 АН – анализатор, БД – база данных, СОИ – средства обработки информации.

В зависимости от задачи, решаемой такой системой, к ней предъявляется ряд специфических требований.

Существующие в настоящее время приборы подразделяются на ряд классов:

средства допускового контроля и аварийной защиты; индикаторы состояния объектов контроля;

62

средства вибромониторинга; средства вибродиагностики;

исследовательские приборы и системы.

Все эти приборы чаще всего используются с пьезоэлектрическими датчиками, оптическими (лазерными), токовихревыми датчиками. Часто для синхронизации измерений применяют оптические и токовихревые датчики.

Для связи вибродатчиков со средствами анализа используются линии беспроводной или проводной связи и согласующие устройства. Например, вибродатчики применяют с усилителями напряжений, заряда, тока. Для помехозащиты эти предусилители помещают в одном корпусе с датчиком.

Часто требования предъявляются не к отдельным элементам, а к приборам в целом. Эти технические требования включают:

основные виды анализа; динамический и частотный диапазон; линейность;

скорость выполнения операции анализа; количество параллельных каналов; помехоустойчивость; ресурс.

5.2.ПРОСТЕЙШИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

ИАНАЛИЗА ВИБРАЦИИ

Простейшими средствами измерения и анализа вибрации являются приборы допускового контроля и аварийной защиты. Их обязатель-

ной функцией является измерение виброскорости в полосах 2…1000 Гц или 10…1000 Гц. Их задача – обеспечить быструю реакцию на скачок вибрации. К этим системам предъявляют в основном требования по помехоустойчивости и надежности. Это приборы аварийной защиты. Разрабатывают такие приборы – фирмы «Викинг», «ВАСТ».

К сожалению, многие виброметры разработаны на основе аналоговой техники и имеют низкую стабильность амплитудночастотных характеристик.

63

Стандарты безопасности труда предусматривают проведение частотного анализа в октавных и третьоктавных частотных полосах. Например, для ручного инструмента в полосе 0,8…80 Гц, 8…1000 Гц.

Встречаются приборы, которые используют несколько вибропреобразователей.

Есть приборы, выполняющие роль индикаторов. Например, индикаторы состояния подшипников. Эти индикаторы измеряют ультразвуковую вибрацию в полосах до 100 кГц.

Эти индикаторы дают одинаковую информацию как несложного одиночного дефекта, так и быстро развивающихся дефектов.

5.3. СТАЦИОНАРНЫЕ СИСТЕМЫ

Более сложные виды анализа применяются в оборудовании для мониторинга. Основное назначение средств мониторинга – это обнаружение необратимых изменений вибрации оборудования и прогнозирование скорости их развития. Дополнительная задача мониторинга – выявление причин возникновения дефектов. Эти задачи решаются экспертом, который анализирует результаты мониторинга.

Средства мониторинга объединяются в системы защитного или прогнозирующего мониторинга. Для этих целей используют отдельные каналы. Иногда кроме измерения величины вибрации применяют частотный анализ в полосе до 1…2 кГц.

Основу системы «прогнозирующего» вибромониоринга вращающегося оборудования составляют каналы измерения и анализа вибрации.

К таким средствам спектрального анализа предъявляются высокие требования. Верхняя граница анализа 1000…2000 Гц, иногда до 20 кГц. С учетом этого выбираются и вибродатчики. Динамический диапазон вибродатчиков должен быть не менее 106. Линейность не хуже 0,1 %. Жесткие требования предъявляются и к помехоустойчивости.

Спектральный анализ вибрации вращающегося оборудования позволяет выявлять более половины из возможных дефектов. И на основе этого не пропустить ни одной цепочки дефектов.

Поэтому эти системы являются эффективными средством предупреждения аварии, а использование в их составе экспертной

64

диагностической программы позволяет выявить причины необходимой остановки оборудования.

Однако не все дефекты могут быть обнаружены задолго до отказа. Поэтому устанавливаемые на оборудовании системы регулярно проводят анализ через 5…10 дней.

В связи с этим стационарное использование таких систем меняет требования к средствам анализа. Здесь уже можно применять виртуальные анализаторы на базе ЭВМ.

Использование синхронных и многомерных видов анализа позволяет повысить эффективность систем вибродиагностики. Единственным ограничением является количество точек анализа.

Для расширения диагностических возможностей стационарные системы дополнительно комплектуются переносными средствами измерения вибрации. Для этого существуют простейшие сборщики данных.

Получив дополнительную информацию, можно прогнозировать работу оборудования на более длительный срок – до 2…3 месяцев.

Как показывает практика, стационарная система мониторинга нужна в первую очередь там, где оборудование обслуживается персоналом. Чаще всего ошибки персонала приводят к различного рода дефектам.

Иначе строится система мониторинга однорежимного оборудования, недоступного для работы с переносными системами диагностики. Например, турбин. Здесь делается акцент на глубокую диагностику, которая не требует измерений через короткие промежутки времени.

Анализатор вибрации, входящий в состав любой стационарной системы, должен выполнять основные виды анализа. К таким видам анализа относятся:

измерение уровня вибраций в стандартных полосах; широкополосный (третьоктавный) анализ; узкополосной анализ; статический анализ;

контроль формы колебаний вала в подшипниках. При глубокой диагностике:

узкополосный анализ в расширенных диапазонах частот; узкополосный анализ огибающей; статистический анализ.

К дополнительным видам анализа относятся:

синхронный спектральный анализ в переходных режимах;

65

взаимный спектральный анализ; анализ собственных колебаний;

анализ формы колебаний корпуса с определением амплитуд. Конструктивно такой виртуальный анализатор состоит из компью-

тера и двух последовательных устройств на входе. Первое обеспечивает поддержку измерительных датчиков на входе. Второе – преобразует аналоговый сигнал в цифровой.

Часто вместе с вибрадатчиками используют и датчики оборотов.

5.4. ПОРТАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Вместе со стационарными системами широко применяют системы портативные. В состав переносной портативной системы входят: портативный прибор, обеспечивающий измерение и анализ в тяжелых промышленных условиях, компьютер с программным обеспечением. Сюда входят база данных, автоматизированная программа диагностики.

Важным показателем является граница разделения функций анализа. Есть приборы, которые только собирают данные, но не выполняют анализ.

Чаще используются сборщики данных – анализаторы, которые на месте проводят частотный анализ, а статистический анализ – отдельно.

Есть приборы, которые на месте производят анализ и дают предварительные данные. Но, как правило, достоверность этих результатов низка. Более точный анализ проводится на компьютере.

Так как объемы и скорость обработки информации в таких портативных устройствах низая, многие современные приборы работают с ПК, т.е. перекладывают на компьютер наиболее сложные виды анализа.

Часть сборщиков имеет возможность подключать на вход несколько датчиков вибрации и оборотов.

С помощью ряда таких переносных приборов можно достичь высокой скорости диагностического контроля. Измерения обычно одновременно проводят ряд операторов, а обработку ведут на одном компьютере.

Существует минимум операций анализа, которые должен выполнять портативный прибор. Следует сказать, что практически все

66

основные виды анализа для мониторинга могут быть выполнены расчетным путем по результатам измерения узкополосных спектров в диапазоне от 0,5 Гц до 25…30 кГц.

Что касается анализа огибающей, то такой вид анализа производят лишь некоторые из приборов.

Существует ряд операций, таких как статистический анализ, которые могут быть выполнены только после передачи данных в компьютер, поскольку они не используется для контроля в момент измерений.

Ряд фирм выпускают портативные анализаторы, которые объединены с ноутбуками. Наряду с достоинствами таких анализаторов, у них есть недостатки: ограниченная длительность работы без подзарядки. Кроме того, быстрое развитие ПК определяет быстрое моральное старение таких систем.

Важным показателем портативных анализаторов является стабильность показаний по времени, которая предусмотрена международными стандартами. Это относится к измерениям виброскорости, виброперемещений.

5.5. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

Среди задач, стоящих перед вибродиагностикой, встречаются и такие, которые требуют специальных исследований, но для них не хватает типовых приборов. Поэтому ряд фирм выпускают приборы для проведения расширенного анализа. Эти приборы обладают следующими возможностями:

запоминанием больших массивов; многоканальностью с возможностью параллельной записи;

проведением большинства существующих видов анализа. Многие из этих систем строятся на основе виртуальных приборов,

т.е. компьютеров со специальными входными устройствами. Число параллельных каналов у них составляет от двух до нескольких десятков.

Верхняя граница частотного диапазона таких систем определяется частотным диапазоном датчиков, ограничениями по питанию и стоимостью. Если частотный диапазон системы лежит в пределах от 05 Гц до 30 кГц, то число каналов измерения 4–8.

67

Основная погрешность измерительного прибора определяется по формуле

оп = 2a + 2f

где δa– погрешность амплитуды; δf – погрешность частот.

Паспортные характеристики приборов. В паспорте любого прибора приводятся:

динамический диапазон с указанием допустимой нелинейности АЧХ;

рабочий диапазон частот с указанием нелинейности АЧХ; диапазон измерений; коэффициент преобразования (датчика); поперечная чувствительность;

чувствительность датчика к деформациям, температуре; допустимые пределы внешних факторов; электрические параметры датчика; тип и длина соединительных кабелей; размеры и масса.

68

6. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЗАРОЖДАЮЩИХСЯ И РАЗВИТЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ

Вибродиагностика зарождающихся дефектов – это относительно новое направление в диагностике машин. Она позволяет не только предотвратить отказы, но и перейти к эксплуатации и техническому обслуживанию по так называемому техническому состоянию.

Специфика диагностики зарождающихся дефектов заключается в том, что сигнал, несущий информацию о состоянии узла, весьма слаб по сравнению с энергией колебаний нормально работающей машины.

Большой уровень помех и сравнительно малые изменения полезного сигнала определяют сложность поиска информационных признаков.

В исключительных случаях, когда датчик контактирует с диагностируемой деталью, возрастание вибросигнала свидетельствует о появлении дефекта. Но здесь, как правило, увеличение сигнала указывает уже на значительные дефекты.

Локализация зарождающихся дефектов, определение степени развития разрушения и прогноз на будущее возможны лишь на основе более тонкого анализа. Неисправности в узлах роторных машин изменяют структуру виброакустического процесса и соотношения между компонентами сигнала, вызывают появление новых компонентов сигнала.

Применительно к роторным машинам, в которых характер взаимодействия элементов подчинен периодическому закону, связанному с вращением ротора, вибросигнал имеет спектр мощности, который может быть представлен моделью, учитывающей низкочастотные составляющие, кратные частоте вращения ротора fk, среднечастотные составляющие с частотами, кратными частоте пересечения зубьев f z = z fk.

69

Аналогично вычисляются лопаточные частоты в турбинах fл. Эта модель учитывает также комбинационные частоты, связанные с модуляцией сигнала.

При появлении неисправностей меняется характер взаимодействия элементов кинематической пары: может меняться соотношение между отдельными частотами, резко возрастают дискретные составляющие.

Характер изменения вибрационных процессов, вызванных изменением состояния контактирующих поверхностей, несмотря на различие в конструкции, имеет ряд общих черт. Это позволяет сформулировать некоторые правила диагностирования дефектов контактирующих поверхностей: это абразивный износ, выкрашивание, задиры.

Истирание контактирующих поверхностей приводит к нарушению геометрии поверхностей, нарастанию шума, увеличению амплитуд гармонического ряда.

Выкрашивание вызывает появление периодических всплесков вибросигнала. Периодическое попадание раковин в зону контакта приводит к появлению в спектре сигнала так называемых комбинационных частот. Рост числа выбросов при увеличении амплитуд, вызванных развитием дефекта, приводит к увеличению глубины амплитудной модуляции при неизменности амплитуд основных частот возбуждения.

Задир контактирующих поверхностей развивается, как правило, при неправильных условиях эксплуатации механизма, нарушении условий смазки, увеличении нагрузки сверх допустимой нормы. Явление задира приводит к нарушению периодичности движения механизма, изменению скорости вращения. С развитием задира вибросигнал становится существенно нестационарным. В спектре может наблюдаться падение амплитуд основного сигнала.

Для выявления дефектов на ранней стадии необходимо привлекать более информативные вероятностные характеристики, такие как: форма одномерного закона распределения, коэффициент эксцесса, число выбросов сигнала в единицу времени, глубина фазовой и амплитудной модуляции, спектр амплитудной и частотной огибающих.

Большинство методов диагностирования зарождающихся дефектов имеет одну и ту же модель: развитие дефекта вызывает в виброакустическом сигнале рост числа и амплитуды кратковременных выбросов типа ударных импульсов. Задача состоит в том, чтобы найти опти-

70