ОТД_Краткий курс лекций_2010

Вибрация – это вид механического колебания, совершаемого конроли-

руемой точкой агрегата с достаточно высокой частотой относительно некоторо-

го нейтрального положения.

Элементы машины динамически взаимодействуют друг с другом, и через конструкцию происходит рассеивание энергии в виде механических колебаний.

Эти колебания возникают как побочный результат при нормальной передаче энергии через механизмы агрегата. По мере износа оборудования, в результате оседания фундамента, деформации деталей и пр., в конструкции машины про-

исходят какие-либо изменения, которые заключаются в нарушении центровки валов, изнашивании деталей, нарушении баланса роторов, увеличении зазоров.

При этом возрастает рассеивание энергии в виде увеличения механических ко-

лебаний. По мере развития неисправностей, в машине происходит изменение динамических процессов в виде количественного и качественного изменения сил, действующих на отдельные детали. В результате изменяется и уровень, и

вид вибрации.

Вибрация, таким образом, происходит под действием сил возбуждения,

имеющих различную природу. В роторных машинах силы возбуждения связа-

ны, в первую очередь, с процессом вращения вала.

По сути, вибрация или колебание отдельной точки машины во времени представляет собой физический сигнал, периодически изменяющийся по вели-

чине и направлению.

Исходный вибросигнал при помощи стандартных математических опера-

ций может быть преобразован в различные взаимосвязанные представления – в

вид виброперемещения, виброскорости и виброускорения.

Наиболее часто на практике используют понятия виброперемещения и виброскорости.

Виброперемещение S показывает максимальные границы перемещения контролируемой точки и характеризуется обычно двойной амплитудой и пока-

зывает перемещение от одного крайнего положения к другому. Измеряется в мкм.

41

Виброскорость показывает максимальную скорость перемещения кон-

тролируемой точки. Измеряется в мкм/с.

В практике обычно пользуются не максимальным значением виброскоро-

сти, а ее среднеквадратичным значением (СКЗ). Физическая суть СКЗ состоит в равенстве воздействия на опоры машины реального переменного вибросигнала и фиктивного, постоянного, численно равного СКЗ виброскорости.

Использование виброскорости является более предпочтительным по сравнению с виброперемещением, т.к. этот параметр сразу учитывает и вибро-

перемещение контролируемой точки объекта и энергетическое воздействие на опоры от сил, вызывающих вибрацию.

Виброускорение характеризует силовое воздействие в агрегате, которое вызвало данную вибрацию. Измеряется в мм/с2. Преимуществом использования виброускорения является то, что его не надо спеуиально преобразовывать. Не-

достаток заключается в том, что пока не существует практических разработок по нормам и пороговым уровням, нет общепринятых физических и спектраль-

ных толкований основных особенностей проявления виброускорения.

Вибрационные сигналы являются содержательным источником информа-

ции, на основе их обработки получают разнообразные параметры вибрации, ко-

торые непосредственно используются как основные диагностические парамет-

ры в вибродиагностике.

Датчик вибрации генерирует электрический сигнал, пропорциональный мгновенным значениям виброускорения, виброскорости либо виброперемеще-

ния в соответствующей точке объекта контроля вибрации. Этот сигнал непо-

средственно либо после предварительной обработки аналоговыми средствами поступает в измерительный блок, где производится его специальная обработка и определяются необходимые параметры вибрации. Измерительный блок обычно имеет нормированный линейный электрический выход, соответствую-

щий измеряемому параметру вибрации, используемый для последующей циф-

ровой обработки.

42

Более детальная обработка вибрационных сигналов производится цифро-

вым способом в универсальных ЭВМ либо в специальных процессорных моду-

лях [16] . Предварительно сигнал дискретизируется и отцифровывается посред-

ством специальных устройств, при этом вместо электрических сигналов полу-

чают набор чисел, соответствующих мгновенным значениям измеряемого па-

раметра вибрации. Совокупность этих чисел называют выборкой. При доста-

точной частоте опроса, или частоте квантования, и достаточной точности (раз-

рядности) ряда этих чисел выборка адекватно отражает исследуемый процесс, а

ее обработка позволяет определить все параметры вибрации.

В измерительном блоке обычно определяют и индицируют значения ин-

тенсивности вибрации для заданного интервала частот (например, от 10 до 1000

Гц): среднеквадратическое значение виброскорости, размах виброперемещения,

пиковое значение виброускорения и другие. Во избежание ошибок при интер-

претации показаний прибора пользователь должен знать, какой параметр ин-

тенсивности вибрации, в каком диапазоне частот и в каких единицах измеряет прибор. Ошибки пользователей обычно возникают при использовании аппара-

туры из других отраслей техники с другими традициями и другой технической культурой. Например, вместо размаха виброперемещения прибор может инди-

цировать его среднеквадратическое значение, их числовые значения отличают-

ся примерно в три раза. Могут многократно отличаться параметры интенсивно-

сти для разных диапазонов частот, возможны и другие отличия, которые неред-

ко ускользают от внимания пользователя. Это чревато не только недоразуме-

ниями, но и опасностью из-за неправильной оценки состояния машины.

Диапазон частот при виброизмерениях всегда ограничен. Ограничения эти двоякого смысла: либо они регламентированы стандартами, либо техниче-

скими возможностями аппаратуры. В связи с этим важными элементами вибро-

аппаратуры являются фильтры - специальные устройства, подавляющие не-

нужные гармонические составляющие и помехи за пределами исследуемого диапазона частот.

43

Вследствие несовершенства фильтров в фильтрованном сигнале могут появиться несуществующие гармоники, это замечание относится, прежде всего,

к цифровым фильтрам из-за некоторых достаточно тонких трудностей число-

вой обработки.

Кривая зависимости вибрационного сигнала от времени после его соот-

ветствующей фильтрации сама по себе во многих случаях является важным ис-

точником информации для экспертной оценки состояния машины.

Наиболее важным для вибродиагностики является гармонический анализ вибрационного сигнала: разложение в ряд Фурье [16].

В общем виде ряд Фурье можно представить следующим образом:

Ф = А0 + А1∙sin(ωt+φ1)+ А2∙sin(ωt+φ2)+…+ Аn∙sin(ωt+φn), (2.1)

где А0 – амплитуда постоянной составляющей вибросигнала;

Аi – амплитуда i-й гармоники;

ω – угловая частота изменения независимого параметра сигнала; t – время, независимый параметр вибросигнала;

φi – начальная фаза гармоники вибросигнала.

Для выполнения преобразования вибросигналов и осуществления пере-

хода от временного описания к частотному представлению вибросигнала в на-

стоящее время обычно применяются специальные математические процедуры расчета коэффициентов ряда Фурье.

Современным инструментом гармонического анализа является быстрое преобразование Фурье (БПФ). Результатом БПФ является спектр вибрации, ко-

торый характеризуется набором значений амплитуд, фаз и частот гармониче-

ских составляющих. Представлять результаты БПФ принято в виде графика за-

висимости амплитуды от частоты. При этом используют как линейный, так и логарифмический масштабы для обеих осей координат.

Алгоритмы БПФ – это достаточно простые методы оптимального и быст-

рого расчета значений коэффициентов ряда Фурье. Особенно удобно то, что ал-

горитмы БПФ прекрасно работают в двоичной системе чисел на современных ЭВМ. Правда это накладывает ограничение на количество обрабатываемых то-

44

чек - их число должно быть кратным двум. Все точки, номера которых больше ближайшего меньшею значения параметра "два в степени n" (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192, 16384 и т.д.), из рассмотрения автоматиче-

ски исключаются.

При переводе сигнала, показанного на рисунке 2.16 из временной области и частотную, выполненном при помощи процедуры БПФ. в итоге получается распределение мощности вибросигнала по частоте, обычно называемое спек-

гром. Спектр вибросигнала, показанного на рисунке 2.16, будет иметь вид, по-

казанный на рисунке 2.17 [16].

Очевидно, что перевод сигнала из временной области в частотную позво-

ляет существенно упростить как математическое его описание, так и сущест-

венно расширить возможности физического понимания процессов, приводящих к появлению вибрации.

При проведении преобразования практических вибросигналов. с целью повышения точности их частотного описания следует увеличивать общее коли-

чество гармоник в ряду Фурье. В практических расчетах для этого приходится уменьшать шаг спектра по частоте, увеличивать число спектральных линий. На практике это обозначает уменьшение в спектре частотного расстояния от одной гармоники до другой. При этом происходит увеличение частотного разрешения спектра.

Рис. 2.16 Разложение вибросигнала на четыре гармоники

45

Рис. 2.17 Спектр сигнала, имеющего 4 гармоники

Выборка для БПФ содержит определенное, равное степени 2, количество чисел N: 512, 1024, 2048 и т. д. Количество гармоник, получаемых в результате БПФ, равно половине количества чисел в выборке (N/2). Разрешение БПФ, или шаг по частоте, равен отношению частоты квантования Q к количеству чисел выборки (Q/N); максимальная частота спектра БПФ равна половине частоты квантования (Q/2). Таким образом, все частоты спектра БПФ определены двумя числами N и Q, при этом очевидно, что частоты реального спектра могут отли-

чаться от частот спектра БПФ на величину, равную половине шага по частоте.

Из сказанного, в частности, ясно, что для повышения разрешения спектра сле-

дует увеличивать количество чисел в выборке, а для расширения диапазона частот в высокочастотную область следует повышать частоту квантования; как нетрудно заметить, эти две цели находятся в противоречии.

Вследствие численных трудностей в результатах БПФ могут появиться несуществующие гармоники, искажаются имеющиеся. Это связано с одним из следующих обстоятельств:

- выборка ограничена, на ее краях возникает возмущение; для компенса-

ции этого используют нормирование элементов выборки с помощью специаль-

ных окон прозрачности, однако некоторые искажения спектра при этом все же остаются;

- неблагоприятное соотношение частот квантования и исследуемых час-

тот; для компенсации этого используют предварительную фильтрацию вибра-

ционного сигнала, иногда также отбрасывают верхнюю (по частотам) половину спектра после БПФ;

46

- "рассыпание" по всему спектру гармоник, частота которых попадает между полосами вычисленного спектра (отметим, что таких частот нет в спек-

тре гармоник, кратных оборотной, если квантование сигнала синхронизировано с вращением ротора); для компенсации этого существует специальный алго-

ритм обработки результатов БПФ, однако в большинстве случаев он не приме-

няется.

Один из методов обработки состоит в определении спектра модуляции амплитуды вибрации на некоторой высокой частоте (узком диапазоне частот),

которая обычно намного выше частот рассматриваемых информативных гар-

моник и сама по себе не связана с каким-либо детерминированным возбужде-

нием, обычно это собственная частота пьезоакселерометра. После детектирова-

ния высокочастотного сигнала определяют огибающую кривую (кривую моду-

ляции) и ее подвергают БПФ. В этом случае говорят о модуляционном спектре или спектре огибающей. Этот спектр, как правило, содержит наиболее важные гармоники, которые имеются и в обычном спектре вибрационного сигнала, од-

нако некоторые гармоники в модуляционном спектре отсутствуют.

Особенно продуктивно использование модуляционных спектров в вибро-

диагностике подшипников качения и зубчатых редукторов: возбуждение на вы-

сокой частоте происходит вследствие ударов в местах дефектов на поверхно-

стях контакта, при этом высокочастотный сигнал модулируется с частотой сле-

дования этих ударов.

В роторных машинах очень часто можно наблюдать обилие гармониче-

ских составляющих, каждая из которых имеет отношение к некоторому важно-

му возбуждению (дефекту). Среди них трудно выделить одну или несколько, на которых можно было бы построить диагностический алгоритм. Для сжатия ин-

формации, содержащейся в спектре, в этих случаях иногда используют кепстр –

преобразование Фурье от логарифмического спектра мощности

где G(ω) - спектр мощности, t - время.

47

На рис. 2.18 приведено изображение спектра и кепстра одного процесса,

которое иллюстрирует смысл данного преобразования. Вместо частоты в гер-

цах для полос кепстра используется период τ в секундах.

Для формирования диагностического признака используют параметры

С(t) и t для наиболее характерных полос кепстра.

Рис. 2.18 Спектр и кепстр вибрационного сигнала

В зависимости от привлекаемых средств, конкретных целей и принятой технологии вибродиагностики формируется ее методика. Наиболее простой и дешевой технологией вибродиагностики является периодический контроль ин-

тенсивности вибрации статорных элементов (подшипников) простейшими пе-

реносными виброметрами. При этом диагностическими признаками дефектов служит уровень интенсивности вибрации, соотношение между его значениями в разных точках и изменение во времени (тренд).

Трудность диагностирования при этом состоит в том, что не существует надежных специфичных признаков для идентификации конкретных дефектов,

кроме того, в ряде случаев при существенном возрастании некоторой диагно-

стически информативной гармоники вибрации общий уровень интенсивности вибрации может меняться несущественно. В то же время по уровню вибрации и росту ее во времени в большинстве случаев можно достаточно надежно квали-

фицировать состояние агрегата как исправное или неисправное. У некоторых дефектов есть признаки, позволяющие в определенной ситуации установить дефект как наиболее вероятный. Назовем некоторые из них.

48

Если ротор опирается на подшипники качения и интенсивность вибрации (СКЗ виброскорости) преобладает на одном подшипнике и растет во времени, то скорее всего дефект состоит в повреждении (износе поверхностей качения) это-

го подшипника. Однако такой же характер вибрации может быть связан с де-

градацией опорных (фундаментных) элементов под рассматриваемым подшип-

ником либо с появлением дисбаланса с одной стороны ротора; в то же время повреждения могут возникнуть одновременно на обоих подшипниках ротора, в

этом случае упомянутый признак оказывается несостоятельным.

Если наблюдаются относительно высокие вибрации в осевом направле-

нии при повышенных вибрациях в других направлениях на подшипниках одно-

го ротора, то это может быть связано с остаточным прогибом этого ротора. В то же время при несоосности венцов муфты (коленчатость) на машине, состоящей из приводного электродвигателя и механизма, такая же вибрация наблюдается на роторе электродвигателя, подшипники которого встроены в корпус; такой же характер вибрации может быть и при определенном расположении дисба-

лансов на некотором роторе машины.

Если резко нарушается соотношение между вертикальными и попереч-

ными составляющими вибрации, это может быть вызвано повреждением фун-

дамента либо отрывом фундаментной плиты. Однако при некоторых динамиче-

ских свойствах агрегата это может быть связано с определенной формой не-

уравновешенности, появлением низкочастотной вибрации и другими причина-

ми.

В некоторых случаях задачей вибродиагностики является диагностирование конкретного дефекта, признаком которого является резкое повышение вибра-

ции. Например, на некоторых типах нагнетателей наблюдаются периодические поломки лопастей вследствие вибрационного износа, развитие такой аварии и разрушение агрегата можно предотвратить, если остановить агрегат непосред-

ственно после появления неисправности. Задача решается установкой одного датчика вибрации. В этом и аналогичных случаях защита агрегата от развития возникающего дефекта осуществляется по признаку превышения измеряемым

49

параметром интенсивности вибрации заданной предельной уставки. Техниче-

ские средства, осуществляющие в этих случаях автоматическое отключение аг-

регата либо аварийную сигнализацию, называются "вибростопами".

Наиболее распространена технология диагностирования, предусматри-

вающая определение неисправного состояния агрегата по данным штатных контрольных измерений вибрации с последующим определением характера не-

исправности по данным специальных виброизмерений и диагностического тес-

тирования (вибрационных исследований). При специальных виброизмерениях производится гармонический анализ вибрационных сигналов, определяются амплитуды и фазы оборотной и двойной оборотной вибрации. Вибрационные измерения производятся на разных, целесообразным образом осуществляемых режимах агрегата при выбеге и развороте агрегата.

Определение технического состояния агрегата по вибрационным пара-

метрам производится как по содержанию соответствующей информации в те-

кущий момент времени, так и на основе анализа изменений ее во времени.

В качестве диагностических параметров используются разнообразные па-

раметры вибрации (в том числе и спектры вибрации), параметры случайного процесса изменения вибрации, специальные функции параметров вибрации

(например, полусумма и полуразность комплексных значений оборотной виб-

рации в двух выбранных точках, отношение некоторых параметров вибрации в разных направлениях). В ряде случаев необходимо измерять и учитывать не-

вибрационные параметры, влияющие на вибрацию.

Количественные и качественные характеристики значений диагностиче-

ских параметров и их изменений, характерные для некоторого дефекта, являют-

ся признаками этого дефекта. У дефекта может быть несколько признаков, а

некоторый признак может быть общим для группы разных по природе дефек-

тов. Например, наличие в спектре вибрации некоторых низкочастотных гармо-

ник может быть признаком и задеваний ротора за статорные элементы, и суб-

гармонических колебаний под действием дисбаланса, и несовершенства формы расточки подшипника скольжения. В совокупности признаков дефекта может

50