17.2. Виброакустические методы предполагают:

- из­мерение перемещения, скорости или ускорения машины

- спектрально-акустический анализ

В первом случае осуществляют­ся контроль и прогнозирование состояния, так как ускорение является производной от скорости и таким образом характеризует тенденцию из­менения состояния машины или механизма.

Во втором случае определением изменения амплитуды вибрации в широком диапазоне частот и решается задача поиска дефекта.

Дизель во время работы создает шум и вибрацию, уровни которых изменяются в зависимости от режима работы и технического состояния деталей в кинематических парах (зазоры в узлах трения).

Установив вибродатчики в зонах дефектации, можно определить общие уровни вибрации в области проверяемого сопряжения. Затем, сравнивая их с эталонными значениями уровней вибрации, замеренными на новом или отремонтированном дизеле (или при предельном техническом состоянии деталей), производится оценка технического состояния сопрягаемых деталей или узлов дизеля. Использование метода анализа виброакустических характеристик дизеля требует специальной аппаратуры, проведения большого количества испытаний для получения эталонных характеристик, большого опыта в расшифровке и анализе виброакустических сигналов. До настоящего времени он находил ограниченное применение в диагностике судовых энергетических установок в основном из-за сложности выделения диагностических сигналов на фоне вибраций большого количества работающих механизмов.

Рис.4.Виброакустический метод

Рис.5. Виброграммы акустических спектров

На основании спектрального анализа виброграмм достаточно четко определяются дефекты вида: дина­мическая разбалансировка, нарушение соосности, изнашивание подшип­ников, перекос линии вала, изнашивание редукторов и т.п.

Акустический сигнал представляет собой последователь­ность импульсов, каждый из которых порождается соударением дета­лей в одной из кинематических пар механизма. Высокочастотное за­полнение импульсов соответствует колебаниям механизма на его соб­ственной резонансной частоте. Амплитуда акустического импульса пропорциональна скорости соударения деталей, которая зависит от размеров зазора в кинематической паре.

На результаты измерения вибрации влияют изменение режимов работы машин и механизмов, переключе­ние отдельных потребителей, набросы и сбросы нагрузки, естественные колебания температуры и давления воды и масла в обслуживающих механизмы системах. Кроме того, необходимо учитывать место уста­новки датчиков, аппаратурные погрешности, акустические и электро­магнитные помехи и т. д.

Сложность виброакустичсских процессов, генерируемых машинами и механизмами, различие физических моделей и методов их математиче­ского описания на различных участках частотного диапазона определили его разделение на поддиапазоны:

- низких (до 300 Гц),

- средних (0,3...2 кГц), высоких (2...20 кГц)

- сверхвысоких (20...200 кГц) частот.

Сложный вибрационный процесс содержит набор гармоник коле­баний разных частот, кратных основной частоте, в качестве которой принимают частоту вращения источника вибрации.

Широко распространенным дефектом машин и механизмов явля­ется изнашивание подшипников, что применительно к подшипникам качения связано с образованием зазоров, натиров, выбоин и рисок на телах качения и рабочих поверхностях внутренних и наружных колец. При появлении дефектов поверхности колец меня­ются длительность и интенсивность соударения тел качения с кольцом и увели­чиваются уровни вибрации в диапазоне собственных частот отдельных элемен­тов подшипника (6...40 Гц). В спектре огибающей на­блюдаются интенсивные составляющие на частотах, соответствующих видам дефекта.

Изнашивание подшипников скольжения сопровождается изменением размеров и формы зазора между валом и вкладышем подшипника, а также изменением вязкости смазки. В зависимости от типа конструктивной схемы (верти­кальной или горизонтальной) ротора механизма увеличение зазора в под­шипнике может привести к существенному возрастанию уровня вибра­ции.

В процессе эксплуатации изменение состояния механизмов можно фиксировать по статистическим параметрам вибрации. Так, функцию корреляции целесообразно использовать, когда изменение состояния узла приводит к резкому переходу от шумового процесса к дискретному или наоборот. Для механизмов с подшипниками скольжения отмечают­ся случаи модуляции с периодом порядка долей герца. При модулиро­ванном вибрационном процессе значительную информацию о состоя­нии механизма несет изменение амплитуды колебаний (огибающей), которую используют в качестве диагностического признака.

По мере развития дефекта возрастают амплитуды импульсов.

Для оценивания состояния рабочих узлов целесообразно измерять уровни вибрации как можно ближе к местам расположения источников вибрации, например, на корпусах подшипников вала роторных меха­низмов или на цилиндрах поршневых машин. Для контроля структур­ного шума, распространяющегося от работающего механизма в окру­жающую среду через опоры и места присоединения к трубопроводам и другим связям, необходимо проводить измерения в точках опорной поверхности и на фланцах присоединяемых трубопроводов.

3. Методы диагностирования по результатам анализа масла:

- калориметрический

- спектральный

• индукционный

• радиационный

Методы обнаружения продуктов износа и загрязнений в смазочном масле позволяют судить как об износе деталей, так и о состоянии самого масла. Наиболее простой метод - это осаждение капли масла на фильтрующей бумаге. При этом масло на бумаге распространяется таким образом, что более крупные частицы загрязнения остаются внутри круга маленького радиуса, а дальше к периферии круга образуются кольцевые зоны, соответствующие меньшим размерам твердых частиц примесей. При этом окраска пятна меняется от центра к периферии (в центре более темная), а о качестве масла и скорости изнашивания судят по величине пятна более темного цвета.

Для обнаружения крупных металлических частиц в масле устанавливают магнитные пробки, которые притягивают частицы и позволяют просто и эффективно оценивать состояние механизма. Магнитные пробки можно монтировать в различных точках масляной системы или в местах, недоступных для обычных наблюдений.

При этом с ростом частоты вращения доля частиц износа, уносимых с газами, возрастает и при частоте вращения, близкой к номинальной, составляет до двух третей общего износа.

Ана­лиз проб картерного масла в системе смазки широко используют для оценивания изнашивания элементов двигателя и работоспособности масло- и воздухоочистителей.

Частицы продуктов изнашивания принято подразделять на две группы: размером 2,5 • 10 ⁶ мм, что соответствует нормальным услови­ям трения, и размером, превышающим указанный, при поверхностном разрушении материала деталей.

При диагностировании учитывается интенсивность поступления продуктов изнашивания в масло, интен­сивность их задержки фильтрующими элементами и интенсивность их убывания из-за угара масла. При диагностировании для каждого типа двигателей целесообраз­но иметь зависимость изменения относительной концентра­ции после замены масла в двигателях от числа часов, отработанных ими после изготовления или капитального ремонта.

После начала эксплуатации двигателя, в процессе приработки его деталей, концентрация продуктов изнашивания в масле достаточно высока, но, по мере приработки, снижается и стабилизируется.

Рис.6. Содержание продуктов износа в масле:

1 – новый двигатель 4 - после 600 часов наработки

2 – после 100 часов наработки 5 - после 1000 часов наработки

3 – после 300 часов наработки

Появление дефектов характеризуется повышенным износом и приводит к резкому увеличению в масле концентрации продуктов изнашивания.

Калориметрический метод осно­ван на анализе осажденных продуктов изнашивания путем длительного вы­стаивания пробы. Калориметрический метод требует предварительного отстоя пробы в течение 1,5...2 ч.

Спектральный анализ проб маслаявляется более информативным и позволяет определять химический состав примесей и их концентрацию. Спектральный анализ обладает высокой чувствительностью и дозволяет определять в масле наличие всех металлов, используемых при строительстве дизелей. Зная характерный для данной детали легирующий элемент и определив содержание этого элемента в масле, можно проследить износ этой детали.

Так, например, присутствие в масле алюминия характеризует износ алюминиевых поршней, наличие хрома указывает на износ поршневых колец. Различные комбинации содержания меди, свинца, олова, сурьмы, мышьяка, цинка образуются в масле вследствие износа антифрикционных сплавов подшипников скольжения. Концентрация железа возрастает вследствие износа цилиндровых втулок, поршней, поршневых колец и т. д. Применяя этот метод, необходимо учитывать состав присадок к смазочному маслу.

Этот метод требует особого внимания при отборе проб масла, а для проведения анализа их используется специальная аппаратура. Анализ проводит высококвалифицированный персонал, специально обученный для обслуживания аппаратуры. Проведение анализов возможно практически только в береговых условиях.

Пробу картерного масла сжигают в высокотемпературном пламенивольтовой дуги и регистрируют спектр при помощи спектрографов или квантометров. Пары продуктов изна­шивания дают линейчатый спектр, который подвергают качественному или количественному анализу. Качественный анализ состоит в обнару­жении спектральных линий при наличии в масле металлов изнашива­емых деталей, а количественный - в определении интенсивности по­чернения спектральных линий. Присутствие в масле железа свидетель­ствует об изнашивании цилиндров, алюминия - поршней, хрома - колец, свинца - подшипников коленчатого вала.

Метод спектрального анализа масла обладает высокой информа­тивностью и обеспечивает с большой достоверностью обнаружение дефектов до их внешнего проявления. Точность количественной оцен­ки изнашивания двигателя методом спектрального анализа невелика. Чтобы повысить точность и достоверность спектрального анализа, не­обходимо оценивать продукты изнашивания не только в масле, но и в отложениях фильтра очистки масла. В настоящее время является ос­новным методом.

Фотометрический метод используется для определения общей загрязненности масла и основан на определении оптической плотности пленки масла с помощью фотометра.

Индукционный метод базируется на изменении индуктивности при наличии продуктов изнашивания в масле. Индукционный метод менее трудоемок, но имеет невысокую чувствительность к малым концентрациям и целесообразен при анализе проб отложений в маслоочистителях (фильтрах).

Вид продуктов изнашивания и их концентрация указывают на режимы работы двигателя и его систем. Например, присутствие кварца и абразивных частиц свидетельст­вует о плохой работе системы очистки воздуха, а высокая концентрация железа в отложениях - о повышенной нагрузке двигателя в рабочем режиме.

Метод радиоактивных изотопов отличается исключительно высокой чувствительностью и возможностью непрерывной регистрации измерений непосредственно при работе дизеля. С помощью радиоактивных изотопов можно определять износ конкретных деталей или даже участков их, кроме того, его можно использовать для оценки приработки деталей при пусках, в процессе обкатки, подвижности поршневых колец, характера износа (коррозионный, механический и т. д.), влияния режима работы дизеля, режима смазки, сорта топлива на износ деталей и др.

Сущность метода заключается в следующем: на дизель устанавливается активированная деталь, износ которой необходимо определить. Зачастую бывает проще установить на исследуемую деталь радиоактивные вставки. В процессе работы радиоактивные частицы вместе с остальными продуктами износа попадают в масло. Измеряя специальной аппаратурой радиоактивность масла, судят об износе детали.

Применение метода радиоактивных изотопов ограничивается тем, что требуется специальная подготовка дизеля, необходима биологическая защита обслуживающего персонала. Кроме того, одновременное раздельное определение износа нескольких деталей весьма сложно.