ЭОТб-11-2 / 2.2. Вибрационные методы / 2.2.Артеева

Вибродиагностика.

За время эксплуатации, конструкции здания подвергаются воздействию вибрации как естественной природы (связанной с такими явлениями, как ветер или землетрясение), так и техногенной (вызванной деятельностью человека, например строительными работами, движением транспорта). Из опытов обследований очевидно, что вибрация может стать одной из причин повреждения конструкции здания, снижения его эксплуатационной надежности: уменьшая устойчивость, ухудшая несущую способность конструкций. Вибрацию сооружения следует контролировать, для определения, насколько действующие вибрационные нагрузки опасны как для конструкции в целом, так и для ее частей.

Вибрационный (динамический) мониторинг является инструментом оперативной корректировки хода производства работ и выполняется как для обеспечения сохранности конструкций строящегося или реконструируемого здания (сооружения), так и соседней застройки. Основной задачей динамического мониторинга является своевременная фиксация превышений критериев безопасного ведения работ.

Вибрационная (динамическая) диагностика — метод диагностирования строительных конструкций зданий и сооружений, основанный на анализе параметров вибрации, возникающей за счёт естественных или техногенных факторов.

Цели вибрационного диагностирования:

Диагностика сооружений проводится с целью обнаружения аномалий и дефектов, появившихся в результате конструктивных, технологических или эксплуатационных ошибок. Сооружение подвергается динамическому воздействию и определяются параметры отклика. Они анализируются и далее, используя конечноэлементное моделирование, определяется реальное напряженно-деформированное состояние конструкции.

Виды вибрационной диагностики:

1) Пассивная диагностика сводится к измерению колебаний сооружения от случайного воздействия. Для сооружений любого типа этим воздействием является фоновый шум - микросейсмы, ветер и техногенные вибрации. Для мостов, эстакад и путепроводов к ним добавляется временная статическая и динамическая нагрузка от проходящего по ним транспорта.

2 ) Активная диагностика, более точная, опирается на нагружение конструкции вынужденным запрограммированным и точно измеряемым динамическим воздействием. Этот способ имеет достаточно много разновидностей исполнения, но условно, все строительные конструкции нагружаются собственной массой и внешней силой. При нагружении собственной массой вибрации на сооружение передаются через грунтовый массив и этот способ подходит для любых строительных сооружений, он превосходит по простоте реализации, но уступает по точности второму способу - нагружению внешней силой. Вторым способом обычно нагружаются мосты, путепроводы и эстакады, на которых непосредственно может располагаться вибратор. Остальные строительные сооружения, такие как здания, дымовые трубы и градирни обычно нагружаются через грунтовый массив. В обоих случаях силовое воздействие выбирается достаточно большим, чтобы превысить естественный шумовой фон, но достаточно слабым, чтобы вызвать какие-либо повреждения в конструкции.

Методика испытаний. Анализ и моделирование.

В общем случае динамическая диагностика конструкций осуществляется в три этапа:

1) Расчет по конечноэлементной программе эталонной модели сооружения.

2) Определение собственных частот и нормированной реакции на вынужденное воздействие в частотной области.

3) Составление плана динамических испытаний.

Собственно испытания также делятся на три этапа. На первом этапе

подтверждаются или уточняются с необходимой гарантией теоретические результаты предыдущего этапа и назначаются режимы испытаний. На втором этапе проводятся непосредственно подробные испытания. На третьем этапе все результаты испытаний объединяются и просматриваются в виде анимации измеренных колебаний конструкции. Уточняются собственные частоты и формы. Если необходимо, делаются дополнительные измерения. Формируется база данных. Дополнительно делаются обмеры, описание и

фотографирование дефектов, нивелировка, выборка проб, образцов и другие

вспомогательные работы. После этого производится оценка состояния конструкций, обобщение экспериментальных данных, сравнение с эталонными (расчетными или осредненными) данными, статистическая обработка, расчет по уточненной модели, в том числе на нагрузки по СНИП и завершается написанием отчета.

Диагностические параметры:

При вибрационной диагностике анализируются виброскорость, виброперемещение, виброускорение.

1) Виброскорость позволяет учитывать наличие высокочастотных

составляющих в спектре вибрации и, кроме того, является исходным параметром для определения вибрационной мощности. Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к переходу нормирования по виброскорости. Виброскорость принято оценивать по эффективному значению, которое позволяет легко сравнивать гармонические и сложные колебания по их энергии.

2) Виброперемещение наиболее целесообразно характеризовать размахом

колебания, так как при наличии четных гармоник наибольшие значения положительного и отрицательного отклонений могут быть различными. Поэтому только размах, т.е. сумма абсолютных значений наибольших положительного и отрицательного отклонений, может быть принята за меру виброперемещения.

3) Виброускорение - в свою очередь, производная по времени от виброскорости. Характеризует инерционную силу, которая воздействует на объект при вибрации.

Применение метода:

Наибольшее развитие метод получил при диагностировании подшипников

качения. Также вибрационный метод успешно применяется при обследовании строительных конструкций зданий и сооружений.

Преимущества:

• метод позволяет находить скрытые дефекты;

• метод, как правило, не требует вскрытия конструкции;

• малое время диагностирования;

• возможность обнаружения дефектов на этапе их зарождения.

Недостатки:

• особые требования к способу крепления датчика вибрации;

• зависимость параметров вибрации от большого количества факторов и сложность выделения вибрационного сигнала, обусловленного наличием неисправности;

• низкая точность диагностирования.

Основные приборы измерения вибрации (виброметры):

Измерители параметров вибрации - Вибран-2.2

Назначение :

• Мониторинг и вибродиагностика конструкций, оснований, сооружений, мостов, машин, механизмов, вибрационного оборудования, компрессорных станций

• Обнаружение и оценка влияния случайных импульсных и краткопериодических воздействий на объект обследования

• Исследование виброустойчивости объектов

Преимущества:

• Широкие возможности прибора при весьма малых габаритах

• Возможность продолжительного непрерывного мониторинга при высоком разрешении

• Широкий динамический и частотный диапазоны, высокая чувствительность

• Вибродатчики с встроенной электроникой

Основные функции:

• Работа в режиме вибросборщика в течение длительного времени

• Режим виброанализатора с выбираемыми частотными диапазонами и типом спектра

• Режим непрерывного спектрального анализа по 100...800 линиям спектра

• Режим виброметра с вычислением СКЗ виброскорости

Виброметр низкочастотный ВИСТ-3

Назначение и применение:

• Низкочастотный контроль вибрационного оборудования, машин, механизмов, фундаментов, трубопроводов, компрессорных станций и т.п.

• Технологический контроль виброустановок, применяемых для уплотнения бетона в производстве железобетонных изделий

Преимущества:

• Имеет функции анализатора и с визуализацией вибросигнала

• Оцифровка, визуализация и запись выборок сигналов виброколебаний

• Широкий динамический диапазон - до 80 дБ

Основные функции:

• Измерения СКЗ виброскорости / виброускорения

• Измерение амплитуды виброперемещений

• Вычисление спектра сигнала виброколебаний

• Запись и оцифровка выборки сигналов виброколебаний

• Регистрация 1 тыс. протоколов измерений в реальном времени, всех параметров объекта и результатов

Методы диагностики дефектов подшипников

Для оценки технического состояния и диагностики дефектов подшипников качения разными фирмами разработано достаточно много различных методов. Естественно, что все эти, различные по сезоим теоретическим предпосылкам, методы имеют разную трудоемкость, достоверность, требуют различного приборного обеспечения и могут применяться для различных целей. 

Попытаемся хотя бы очень обзорно и поверхностно рассмотреть и сравнить основные из этих методов, чаще всего применяемых в практике. Будем, по возможности, оценивать их практическую эффективность. При этом будем систематизировать эти методы исходя только из основных, базовых, теоретических предпосылок и возможности применения их на различных этапах развития дефектов подшипников.

В самом общем случае оценка технического состояния и поиск дефектов подшипников качения может производиться:

По СКЗ виброскорости. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых последних стадиях их развития, начиная, примерно, с середины третьего этапа развития дефекта, когда общий уровень вибрации значительно вырастет. Требует минимальных технических затрат и не требует специального обучения персонала.

По спектру вибросигнала. Данный метод применяется на практике достаточно часто, т. к. позволяет выявлять, наряду с диагностикой подшипников, большое количество других дефектов оборудования. Этот метод позволяет начинать диагностику дефектов подшипников примерно с середины второго этапа развития дефектов, когда энергия резонансных колебаний вырастет настолько, что будет заметна в общей картине частотного распределения всей мощности вибросигнала. Для реализации данного метода необходим хороший спектроанализатор и подготовленный персонал.

По соотношению пик / фон вибросигнала. Этот метод разрабатывался несколькими фирмами и имеет много различных, примерно одинаковых по эффективности, практических модификаций, таких как:

• HFD ( High Freguency Detection - метод обнаружения высокочастотного сигнала),

• SPM ( Shock Pulse Measurement - метод измерения ударных импульсов),

• SE { Spike Energy - метод измерения энергии импульса). 

Лучшие разновидности данного метода позволяет выявлять дефекты подшипников качения на достаточно ранних стадиях, начиная примерно с конца первого этапа развития. Приборы, реализующие данный метод диагностики достаточно просты и дешевы.

По спектру огибающей сигнала. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых ранних стадиях, начиная примерно с первой трети первого этапа. Теоретически данный метод диагностики дефектов подшипников качения может базироваться и на анализе акустических сигналов, и на анализе вибросигналов:

• SEE ( Spectral Energy Emitted - анализ излучаемой спектральной энергии ) - использует специальный датчик акустической эмиссии. Далее отфильтрованный сигнал подается на анализатор спектра.

• Диагностика по спектру огибающей вибросигнала. Этот метод, большой вклад е развитие которого внеели российские диагносты, в настоящее время считается уже классическим методом для анализа вибросигналов с подшипников качения.

Все выше перечисленные методы различаются не только теоретическими предпосылками, положенными в их основу. Они различаются типом используемого оборудования, его стоимостью, необходимой подготовкой персонала и конечно своей эффективностью. Чем на более ранней стадии и более достоверно необходимо обнаруживать дефекты подшипников, тем обычно дороже это стоит.

Самым эффективным методом обнаружения дефектов на ранних стадиях являются методы диагностики по спектрам огибающих. Поэтому наиболее предпочтительным является использование в практике этого метода диагностики дефектов подшипника, т. к. он менее остальных подвержен различным помехам и в результате имеет большую достоверность.

Кроме того всегда следует помнить и учитывать, что диагностика состояния подшипников является только частью общего диагноз» по оборудованию. Полный анализ состояния оборудования обычно проводится по спектрам вибросигналов, поэтому при выборе метода диагностики подшипников качения предпочтение следует отдавать диагностике по спектрам огибающей, что делает этот метод практически универсальным. При таком подходе полный набор технических средств для диагностики состояния оборудования будет минимальным по объему и стоимости.

В случае, если стандартная спектральная диагностика данного типа оборудования постоянно не проводится, то для ранней диагностики состояния подшипников качения весьма эффективно применение методов, основанных на сравнении уровней фона и пика вибросигнала. Эти методы обладают достаточной для стандартной практики работы вибродиагностов достоверностью. Очень большим достоинством этих методов является то, что для своей реализации они не требуют дорогих и специализированных виброметров.