3.4.5 Опрацювання вібраційного сигналу

Початковою передумовою пошуку несправностей машин по параметрах вібрації є те, що вібросигнал працюючої машини містить велику кількість інформації про її стан. Для ефективного використання віброконтролю в програмі технічного обслуговування необхідно, щоб ця інформація належним чином була виділеною з отриманих вібросигналів.

На виході датчика перетворені механічні коливання мають вид аналогового розгорнутого в часі сигналу. Його можна побачити, подавши сигнал з датчика на осцилограф або інший пристрій відображення даних в часовій області. Але внаслідок складності форми часового сигналу, його інтерпретація значно ускладнена, тому поряд з цим прийнято аналізувати спектр сигналу, який є представленням (відображенням) часового сигналу в частотній області.

Іноді ігнорується представлення сигналу в часовій області. В той же час інформацію, яку може дати таке відображення, важко аналізувати, розглядаючи тільки спектр вібрації. Наприклад, випадковий процес (безперервний шум) і перехідний процес, пов'язаний з якимись нерегулярними подіями, мають схожі спектри, які, проте, відповідають сигналам суттєво різної природи, що виразно видно по їх часових реалізаціях. У часовій області легко розрізнити стукіт деталей, що призводить до асиметрії форми сигналу, який може бути наслідком ослаблення механічних з'єднань.

На рисунку 3.3 показаний сигнал віброприскорення зубчатої передачі і відповідний спектр в діапазоні від 0 до 20 Гц. У спектрі видно низькочастотна область зосередженої енергії, яка виглядає як наслідок випадкового шуму електронного ланцюга (так званого фліккер-шума). Часовий сигнал, проте, говорить про інше, імпульси, що слідують з інтервалом в 2 с, синхронізовані з частотою обертання великої шестерні на виході коробки передач і викликані локальним дефектом цієї шестерні, таким як тріщина або поломка зуба.

Рисунок 3.3 - Вібраційний сигнал (віброприскорення)

зубчатої передачі і його спектр.

Подання даних. Сигнал, отриманий після акселерометра, може бути легко і з великою точністю перетворений в сигнал віброшвидкості за допомогою інтегрування. Ця процедура здійснюється перед проведенням частотного аналізу для того, щоб отримати спектр віброшвидкості. В результаті інтегрування знижується рівень вищих частотних складових - в два рази при кожному подвоєнні частоти (6 дБ на октаву). Тому інформація, що міститься в сигналі віброприскорення, візуально наочніша, ніж в сигналі віброшвидкості, якраз унаслідок підкреслення високочастотних складових. Людина візуально здатна розрізняти сигнали що відрізняються один від одного по амплітуді більш ніж в 100 разів (40 дБ), що багато менше, ніж динамічний діапазон аналізатора спектру.

Аналіз траєкторій. Під траєкторією розуміють переміщення осі валу, що обертається в підшипнику. Її графік аналогічний представленню сигналу на осцилографі в координатах X-Y, де X і Y - відповідно переміщення в горизонтальному і вертикальному напрямах.

Для аналізу траєкторій використовується параметр вібропереміщення, а не віброприскорення. При цьому значення має тільки складова на частоті обертання, яка дає найбільш ясну картину про обертання валу. Для отримання графіка траєкторії руху валу зазвичай використовуються не акселерометры, а безконтактні датчики (які знімають сигнал пропорційний зміні зазору між поверхнею валу і корпусом підшипника) - і дозволяють безпосередньо вимірювати величину переміщення.

Аналіз в частотній області. Характеристика в частотній області, або спектр, прекрасний інструмент для виявлення периодичностей в сигналі. Великою її перевагою є те, що на одному графіку відображаються амплітуди коливань, що значно розрізняються за значенням. Діапазон амплітуд, що відрізняються в 10000 разів (80дБ) не є рідкістю для сучасних аналізаторів спектру.

Зазвичай при аналізі спектру розрізняють 3 групи складових вібрації: гармоніки, несинхронні складові і субгармоніки. Гармоніками є піки на частотах, кратних частоті циклу дії (частоті обертання) машини; за ними роблять висновки про дисбаланс, неспіввісність або ослаблення з'єднань. Несинхронні складові спостерігаються на частотах, некратних частоті обертання; аналіз цієї групи складових дозволяє виявляти пошкодження, наприклад, елементів підшипників кочення і ременів. Субгармоники- складові, які лежать нижче за частоту обертання. Вони можуть бути зумовлені такими явищами як вихори в масляному клині підшипника, дефекти ремінної передачі, надмірне ослаблення з'єднань або стукіт в машині.

Гармоніки. При пошуку перерахованих дефектів важливо враховувати перші вісім гармонік частоти обертання. Частота обертання помножена на число лопаток або лопатей дає гармоніку лопатки. Гармоніки вище восьмої зазвичай відповідають частоті зубчатих зачеплень, яка рівна частоті обертання валу, помножена на число зубів шестерні, або полюсній частоті електродвигуна, рівній добутку частоти обертання на число пазів в роторі.

Субгармоніки. Субгармоніки мають частоти, які виходять множенням частоти обертання на 1/2, 1/3 або 1/4. Якщо вони мають місце, причиною може бути підвищене тертя, ослаблення і стукіт в з'єднаннях.

Несинхронні складові. Несинхронні коливання можуть бути пов'язані з характерними частотами підшипників кочення, які можна обчислити, якщо відома геометрія підшипника. Дуже рідко характерні підшипникові частоти співпадають з гармоніками частоти обертання. Вібрація електричного походження зазвичай спостерігається на частоті 100 Гц (2-а гармоніка мережі) і її гармоніках; для устаткування, що працює на частоті обертання 3000 об/мин (50 Гц). Іноді буває важко відрізнити її від 2-ої гармоніки частоти обертання механічного походження, для цього доводиться збільшувати частотну роздільну здатність.

Лінійна і логарифмічна шкали амплітуд. Спектр в лінійному масштабі, амплітуди має динамічний діапазон 40дБ, тобто можна спостерігати складові, які відрізняються по рівню в 100 разів, тоді як при використанні логарифмічного масштабу можна в одному спектрі спостерігати складові з різницею амплітуд в 10000 разів або 80 дБ.

Рівень вібрації, зміряної в певній точці машини, залежить від шляху розповсюдження коливань від точки додатку вібраційних сил до датчика. Шлях розповсюдження вібрації від точки прикладання сил до вібродатчика, зазвичай досить складний, його механічний імпеданс частотно залежний. Це означає, що деякі важливі частотні складові, наприклад, підшипникові складові, можуть мати дуже низький рівень. Для того, щоб побачити їх в спектрі вібрації, необхідно використовувати логарифмічну шкалу, яка зазвичай градуюється в децибелах (дБ).

Для забезпечення максимального динамічного діапазону вимірювань необхідно використовувати той параметр вібрації (переміщення, швидкість або прискорення), який забезпечує найбільшу рівномірність спектру. Зазвичай таким параметром є віброшвидкість, але це залежить від типу машини.

Пік-фактор - один з параметрів вібрації, який не можна отримати шляхом аналізу спектру, проте він є хорошим індикатором ступеня зносу підшипників. Величина пік-фактора визначається як відношення пікового значення вібрації до її середнього квадратичного значення. Її замірюють за допомогою віброметрів, що мають даний режим. Використання пік-фактора для оцінки стану підшипників полягає в періодичному вимірюванні його величини і у відстежуванні її змін в часі (отримання тренда) (Рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Зміни значення пік-фактора.