 |
Ассоциация ВАСТ,
Россия, 198207, C-Петербург, пр. Стачек, д. 140
(Статья опубликована в журнале «Металлург», № 11, 1998 г.)
Возможности вибрационной диагностики не следует отождествлять с возможностями аварийной защиты оборудования по вибрации или вибрационного контроля. Средства аварийной защиты - простейшие измерители мощности вибрации, обнаруживающие предаварийное состояние объекта и отключающие его до или на начальном этапе аварии. Средства вибрационного контроля (мониторинга) - это измерители мощности составляющих вибрации, обнаруживающие ее изменения в процессе эксплуатации оборудования. Эти средства не предназначены для обнаружения зарождающихся дефектов и поэтому в ряде случаев регистрируют изменение состояния лишь после появления цепочки развитых дефектов, последний из которых наиболее сильно влияет на вибрацию. Такие цепочки дефектов появляются незадолго до аварии, поэтому высокую эффективность имеют только системы мониторинга, измеряющие вибрацию практически непрерывно.
В последнее десятилетие были разработаны несколько эффективных методов обнаружения основных дефектов машин и оборудования по вибрации на этапе их зарождения. Естественно, что они основаны, в основном, на анализе высокочастотной вибрации, для возбуждения которой не нужны большие колебательные силы, но и проявляется она только в месте их действия, быстро затухая при распространении. Такие методы стали использоваться диагностами многих стран для перехода от вибрационного мониторинга к глубокой диагностике. Параллельно развивались методы автоматизации алгоритмов диагностики, что позволило ряду производителей диагностических систем заменить программным обеспечением высококлассных экспертов при решении типовых диагностических задач. Доля таких задач очень высока и превышает девяносто процентов от всех задач, решаемых путем анализа сигналов вибрации. Первые автоматические системы вибрационной диагностики были разработаны в 1991-1992 годах и постоянно совершенствовались.
В 1998 году появилось новое поколение систем автоматической диагностики машин по вибрации, разработанное совместно специалистами России и США, и объединившее лучшие из свойств как систем мониторинга, так и систем диагностики. Краткий анализ возможностей таких систем и особенностей их построения приводится ниже.
Мониторинг машин и оборудования является лишь одной из ряда технических задач, в которых для диагностики используются измерения и анализ вибрации машины и оборудования. Такого рода задачи можно разделить на семь основных групп, в том числе:
Вибрационный мониторинг. Его объектами являются прежде всего машины и оборудование - источники вибрации. Отличительной особенностью таких объектов можно считать наличие в них колебательных сил, возникающих, например, при движении отдельных узлов или потоков жидкости (газа), при действии переменных электромагнитных полей. Только в редких случаях объектами мониторинга может быть оборудование, не являющееся источником колебательных сил и вибрации, но по которому распространяется вибрация от другого источника.
Назначением вибрационного мониторинга является обнаружение изменений вибрационного состояния контролируемого объекта в процессе эксплуатации, причинами которых во многих случаях являются дефекты.
Мониторинг машин и оборудования проводится прежде всего по низкочастотной и среднечастотной вибрации, которая хорошо распространяется от места формирования до точек ее контроля. Число таких точек может быть сведено к минимуму, до одной-двух на каждый объект мониторинга, имеющий общий корпус, а измерения вибрации могут проводиться без изменения режима работы объекта. В системе мониторинга, если она не включена в систему быстродействующей аварийной защиты, может использоваться аппаратура с одним каналом измерения вибрации, к которому последовательно подключаются все используемые датчики вибрации. Эти меры позволяют существенно снизить стоимость системы мониторинга без снижения достоверности получаемых результатов.
Вибрационная диагностика. Ее объектами являются те же машины и оборудование, которые охватываются системами вибрационного мониторинга. Вибрационная диагностика чаще всего используется или для выходного контроля качества изготовления (ремонта) и сборки машин, или для их предремонтной дефектации, или для обнаружения дефектов и слежения за их развитием в процессе эксплуатации. Для каждого из перечисленных случаев могут использоваться разные методы диагностики. В последнем случае диагностические измерения могут проводиться без смены режима работы объекта диагностики.
В отличие от мониторинга назначением вибрационной диагностики в процессе эксплуатации оборудования является обнаружение изменений и прогноз развития не вибрационного, а технического состояния, причем каждого из его элементов, для которого существует реальная вероятность отказа в период между ремонтами. Для этого измеряется не только низкочастотная и среднечастотная, но и высокочастотная вибрация, а также используются более сложные, чем при мониторинге, методы анализа вибрации, позволяющие получать полный объем диагностической информации. Вибрация измеряется на каждом диагностируемом узле или, по крайней мере, в точках перехода высокочастотной вибрации от диагностируемого к другим узлам объекта, доступным для измерения вибрации. Используемая аппаратура также может иметь только один канал измерения и анализа вибрации.
Балансировка роторов. В процессе эксплуатации машин их вибрация на частоте вращения ротора может расти и для ее снижения приходится балансировать ротор непосредственно на месте эксплуатации каждой машины. Объектами балансировки на месте эксплуатации, как правило, являются машины, в которых есть доступ к плоскостям балансировки, т.е. к местам, в которых на вращающихся частях можно закреплять балансировочные массы.
Основным назначением балансировки является уравновешивание ротора и, тем самым, снижение низкочастотной вибрации машины. Но вибрация на частоте вращения ротора далеко не всегда определяется центробежными силами, поэтому добиться значительных и стабильных результатов в большинстве случаев удается лишь с помощью средств, определяющих причины роста вибрации в каждом случае, т.е. решающих и диагностические задачи. Балансировка на месте эксплуатации машины проводится по вибрации и с помощью тех же приборов, что и вибрационная диагностика.
Средства измерения вибрации для балансировки ротора должны иметь, как минимум два канала измерения, один из которых определяет амплитуду вибрации на частоте вращения, а другой (канал с датчиком оборотов) - ее фазу относительно выбранной метки на роторе. При поиске дефектов, ограничивающих возможности балансировки, дополнительно к низкочастотной может измеряться и высокочастотная вибрация опор ротора или корпуса машины. Вибрация измеряется в типовых режимах работы машины, на которых необходимо производить балансировку.
Обнаружение источников вибрации (шума). Подобная задача на производствах возникает прежде всего при поиске утечек, особенно в протяженных трубопроводах, недоступных для визуального осмотра. Решается она, как правило, во время проведения различного рода испытаний с повышением давления в трубопроводах или после обнаружения изменения состояния объекта контроля средствами мониторинга.
В том случае, когда необходимо найти источник повышенной вибрации среди большого количества объектов, недоступных для установки датчиков вибрации, обнаружение проводится по шуму, излучаемому этим источником. Для выполнения такой работы, назначением которой является и обнаружение координат источника, используется измерительная аппаратура, по крайней мере с двумя каналами измерения либо шума в газообразной или жидкой среде, либо высокочастотной вибрации, например, на стенках трубопроводов.
Обнаружение источников акустической эмиссии. Обнаружение утечек в сосудах высокого давления и трубопроводах происходит тогда, когда дефект уже настолько значителен, что требует срочного вмешательства. На ранней стадии развития дефекты, приводящие к утечкам, обнаруживаются по акустической эмиссии дефектных участков нагруженных оболочек и конструкций, в результате которой во время формирования микротрещин возникает ультразвуковая вибрация. Она хорошо распространяется по однородному материалу, не имеющему сварных и других видов соединений, и регистрируется высокочастотными датчиками вибрации даже на значительном расстоянии от источника эмиссии.
По акустической эмиссии обнаруживаются зарождающиеся дефекты не только сосудов, находящихся под давлением, но и различных металлических строительных конструкций, мостов, кранов и т. д. Для повышения чувствительности средств обнаружения и для определения места возникновения дефектов используются многоканальные средства одновременного измерения высокочастотной вибрации, отличающиеся повышенной сложностью. Методы обнаружения акустической эмиссии эффективны тогда, когда в объекте контроля отсутствует высокочастотная вибрация, возбуждаемая другими источниками, например, потоками газа или жидкости, как это имеет место в трубопроводах под давлением. В последних случаях приходится принимать специальные меры для разделения источников вибрации, которые далеко не всегда оказываются достаточными.
Вибрационный модальный анализ. Его объектами являются не только машины, оборудование и их узлы, но и составные части различных конструкций, сооружений и т. д. Используется этот вид анализа для определения таких механических свойств объектов, как частоты резонансов, формы колебаний и других.
Назначением модального анализа может быть как отработка новых конструкций машин и оборудования, так и выходной контроль серийно выпускаемых изделий, и прежде всего по значениям резонансных частот либо объекта в целом, либо отдельных его узлов. Для решения диагностических задач в процессе эксплуатации машин и оборудования системы модального анализа используются нечасто, и в первую очередь из-за сложности собственно систем и их обслуживания. Составными частями таких систем являются источник вибрации и несколько (не менее двух) каналов для ее измерения и анализа. В качестве источника вибрации непрерывного действия используются специальные машины - вибраторы, в качестве источников импульсной вибрации - молотки с встроенными устройствами измерения ударных импульсов.
Ультразвуковая дефектоскопия. Объектами дефектоскопии являются отдельные элементы машин, оборудования, конструкций и сооружений, как правило, находящихся в стадии изготовления или восстановления. Средства дефектоскопии, использующие внешние источники ультразвуковой вибрации, по своей структуре и назначению похожи на средства модального анализа “в миниатюре”, но в них есть и другие отличительные черты, кроме области частот измеряемой вибрации.
Так, дефектоскопия использует волновые свойства вибрации, в частности ее отражение от различных неоднородностей и потери при распространении. Это позволяет обнаружить и локализовать дефектные участки внутри деталей или их заготовок, что и является основным назначением средств ультразвуковой дефектоскопии. Подобные средства, как и средства модального анализа, весьма редко используются для диагностики машин в процессе эксплуатации. Одной из причин этого является высокая эффективность методов и средств дефектоскопии, использующих другие виды излучений, например электромагнитное, рентгеновское и т. д.
Диагностические задачи, входящие в перечисленные группы, решаются многими методами, часто дублирующими друг друга. Ниже рассматриваются наиболее эффективные из них при минимуме затрат на аппаратуру и на подготовку операторов для проведения измерений и постановки диагноза.
Естественно, что такой подход требует определенных ограничений на номенклатуру объектов диагностики. Из всех типов машин и оборудования в настоящее время наиболее полно диагностические задачи решаются для вращающихся машин, методы мониторинга и диагностики которых анализируются ниже.
Основной метод вибрационного мониторинга - наблюдение за изменением энергетических параметров вибрации машины и, прежде всего, мощности (уровня) отдельных компонент вибрации. Особенности любого подхода к решению задач мониторинга определяются тремя главными факторами. Первый - выбор точек измерения вибрации, второй - количества разделяемых компонент и третий - интервалов между измерениями.
В настоящее время активно развиваются два основных направления вибрационного мониторинга машин и оборудования. В рамках одного из них решаются задачи минимизации числа точек контроля вибрации и интервалов между измерениями в первую очередь за счет использования стационарных систем мониторинга непрерывного действия. В рамках другого максимизируются интервалы между измерениями за счет контроля вибрации во многих точках, в том числе на каждом узле оборудования, являющемся источником вибрации. В результате роста этих интервалов появляется возможность использования переносной аппаратуры для измерения и анализа вибрации.
И в том и в другом случае эффективность мониторинга зависит от количества компонент вибрации, доступных для измерения. Чтобы увеличить их число в машинах с вращающимися узлами производится узкополосный спектральный анализ вибрации, наиболее эффективный для анализа периодических компонент сигнала. В качестве примера на рис. 1 приведены спектры вибрации машины (редуктора) без дефектов и после появления дефектов шестерен, сопровождающихся ростом уровня (мощности) многих составляющих спектра вибрации.
|
Мониторинг вибрационного состояния машины в этом случае заключается в сравнении уровня отдельных составляющих с указанными на рисунке 2 порогами и анализ изменений уровня отдельных составляющих за время эксплуатации.
 |
В практической диагностике машин по вибрации существует два основных подхода к решению диагностических задач. В первом случае диагностика выполняется только после обнаружения изменений вибрационного состояния машины средствами мониторинга и ее задачей является интерпретация этих изменений. Однако мониторинг проводится, как правило, по низкочастотной и среднечастотной вибрации, реагирующей на появление, в основном, только развитых дефектов. Именно они приводят к заметным изменениям энергетических параметров вибрации, превышающим их естественные флюктуации при смене режимов работы машины.
Второй подход заключается в использовании тех методов и средств диагностики, которые обнаруживают основные виды дефектов на этапе их зарождения еще до того, как произойдут существенные энергетические изменения в сигнале вибрации машины в целом. Обнаружение дефектов на этапе зарождения дает возможность наблюдать за их развитием и своевременно планировать работы по ремонту и обслуживанию машины. Такой подход достаточно часто называют мониторингом дефектов, и он может осуществляться в течение нескольких лет, пока совокупность имеющихся дефектов как по глубине, так и по количеству, не приведет к ситуации, близкой к аварийноопасной. Естественно, что такой подход возможен лишь в том случае, когда все потенциально опасные дефекты могут быть обнаружены и идентифицированы на ранней стадии их развития. Многие годы такой возможности просто не существовало. Однако в результате интенсивного развития методов и технических средств диагностики, и прежде всего по сигналу вибрации, в настоящее время системы мониторинга дефектов становятся реальностью и получают все более широкое распространение.
Для обнаружения зарождающихся дефектов во вращающихся узлах используются естественные диагностические признаки, определяемые путем спектрального анализа самого сигнала вибрации или колебаний мощности его компонент (спектральный анализ огибающей).
Так, основным признаком дефектов в подшипниках является изменение свойств сил трения и возбуждаемой ими высокочастотной вибрации. Эти изменения, заключающиеся либо в появлении микроударов, либо в периодическом изменении коэффициента трения при контакте дефектных участков поверхностей трения, легко обнаруживаются при спектральном анализе огибающей высокочастотных составляющих вибрации корпуса подшипникового узла, возбуждаемых силами трения, см. рис. 3.
 |
При обнаружении дефектов в узлах механических передач, в частности, зубчатых, ременных, с упругими муфтами и других, основное внимание уделяется таким признакам дефектов, как появление динамических нагрузок на элементы передачи, в частности, подшипники. Эти нагрузки приводят, во-первых, к росту определенных компонент вибрации, а, во-вторых, к флуктуациям сил трения в подшипниках, и, как следствие, к колебаниям мощности высокочастотной вибрации. Таким образом, по совокупности результатов измерения спектров вибрации и ее огибающей можно успешно обнаруживать и идентифицировать зарождающиеся дефекты механических передач.
Основные диагностические признаки дефектов потокосоздающих узлов роторного типа, в частности, рабочих колес центробежных насосов и компрессоров, а также рабочих колес турбин, похожи на признаки дефектов механических передач и их подшипников. Они связаны с изменением свойств турбулентного потока в зоне направляющих аппаратов и рабочих колес, пульсации давления в котором возбуждают высокочастотную вибрацию корпуса, с одной стороны, и создают динамические нагрузки на подшипники, с другой. Поэтому обнаруживаются дефекты потокосоздающих узлов при совместном анализе спектров вибрации машины и огибающей высокочастотной вибрации корпуса и подшипниковых узлов.
Силы трения в подшипниках и пульсации давления в потоках жидкости или газа существенным образом изменяют свои свойства при появлении многих, но не всех дефектов в узлах роторных машин. Так ряд дефектов в электрических машинах изменяет параметры электромагнитного поля в зазоре и на ротор машины начинают действовать дополнительные электромагнитные силы и пульсирующие моменты. Поскольку в бездефектных машинах пульсирующих моментов нет, именно они и возбуждаемая ими вибрация наиболее эффективно используются для обнаружения зарождающихся дефектов.
Спектральный анализ вибрации электрических машин на низких и средних частотах, измеряемой в разных направлениях, дает возможность идентифицировать практически все дефекты электромагнитной системы электрических машин, кроме старения изоляции, так как до момента пробоя изоляции электромагнитное поле и вибрация машины не изменяются.
Еще одно свойство вибрации используется для обнаружения дефектов роторов, особенно высокооборотных машин, которое связано с изменением величины и структуры центробежных сил. В зависимости от вида дефекта растет низкочастотная вибрация и определенным образом изменяется ее спектральный состав, что и используется для его идентификации.
Таким образом, по сигналу вибрации могут быть обнаружены практически все виды зарождающихся дефектов во вращающемся оборудовании без привлечения для диагностики других видов физических процессов. А это означает, что для перехода на обслуживание и ремонт этого оборудования по фактическому состоянию могут использоваться переносные системы вибрационной диагностики, не требующие встраивания измерительных датчиков в оборудование и его узлы.
Новое поколение систем мониторинга и диагностики вращающегося оборудования отличается от существующих тремя основными свойствами.
Первое - использование для глубокой диагностики только сигнала вибрации без привлечения таких параметров машин и их узлов, как температура, давление, спектральный состав смазки и других. Это обусловлено тем, что при больших затратах на измерение и анализ этих параметров результаты, в основном, дублируют информацию, получаемую при анализе вибрации.
Второе - обязательные для глубокой диагностики измерение и анализ высокочастотной вибрации основных узлов машин, которая в наибольшей степени изменяет свои свойства при наличии дефектов в стадии зарождения.
Третье - автоматическая постановка диагноза после каждого измерения вибрации c идентификацией всех дефектов, без чего невозможен переход от вибрационного мониторинга к мониторингу дефектов.
Таким образом, основные изменения в новых системах относятся только к глубокой диагностике машин, что определяет преемственность в развитии систем мониторинга и диагностики. Существующие системы мониторинга состояния вращающегося оборудования с использованием датчиков вибрации и других физических величин могут просто дополняться новыми средствами глубокой диагностики машин и их узлов.
Структура простейшей переносной системы глубокой диагностики вращающегося оборудования имеет вид, показанный на рис.4. В нее входит датчик вибрации, устройство для анализа сигнала вибрации, компьютер и программное обеспечение для диагностики узлов этого оборудования. Для машин, частота вращения которых в момент измерения вибрации точно неизвестна, кроме датчика вибрации используется еще и датчик оборотов ротора.
 |
Основным требованием, предъявляемым к датчику вибрации, является возможность измерения как высокочастотных, так и низкочастотных составляющих виброускорения. Устройство для анализа вибрации должно обеспечивать узкополосный спектральный анализ как самого сигнала вибрации, так и огибающей его высокочастотных составляющих, предварительно выделенных из сигнала полосовым фильтром. Устройство может быть выполнено либо в виде отдельного прибора, как это показано на рисунке, либо в виде плат для персонального компьютера.
Системы глубокой диагностики машин по вибрации могут выпускаться для предремонтной дефектации машин, для их выходного контроля после изготовления или ремонта, для наблюдения за состоянием машин или их узлов в процессе эксплуатации. Отличаются они лишь особенностями программного обеспечения. Так, машины после ремонта и монтажа на месте эксплуатации не имеют достаточной приработки, поэтому для их диагностики в большей степени используется низкочастотная и среднечастотная вибрация, а эталон бездефектной машины (узла) автоматически строится по множеству одинаковых машин. При предремонтной дефектации в полной мере используются и диагностические признаки дефектов, содержащиеся в высокочастотной вибрации, а эталон также строится по множеству машин. В процессе эксплуатации, в отличие от предремонтной дефектации, эталоны строятся по первым трем измерениям, а после последующих измерений автоматически адаптируются.
Простейшая система глубокой диагностики вращающегося оборудования при отсутствии системы мониторинга легко может взять на себя ее функции. Необходимо только дополнительно использовать программное обеспечение для мониторинга, назначением которого является планирование измерений, хранение результатов измерений в базе данных, сравнение их с пороговыми значениями, устанавливаемыми автоматически или вручную пользователем, и наблюдение за развитием изменений, происходящих в сигнале вибрации или в его отдельных спектральных составляющих.
Эта же простейшая система может быть использована для балансировки машин на месте их эксплуатации. Необходимо лишь дополнить ее программой балансировки, производящей расчет балансировочных масс, а также обнаруживающей ошибки оператора и дефекты, ограничивающие эффективность балансировки.
Рассматриваемая система глубокой диагностики может быть расширена и до стационарной системы мониторинга и диагностики. Для этого, кроме отмеченной ранее программы мониторинга, необходимо дополнить систему группой датчиков вибрации и электронным управляемым коммутатором (между датчиками и устройством анализа сигнала вибрации), программой автоматического управления системой, обеспечивающей планирование и автоматическое управление измерениями, и выходным устройством сигнализации (рис.5).
 |
В такой системе число датчиков вибрации, стационарно установленных на машине (группе машин) может быть минимальным, но после срабатывания устройства сигнализации оператор должен будет провести с помощью переносной части системы дополнительные измерения вибрации в тех точках, где необходимо анализировать сигнал вибрации для глубокой диагностики узлов машины.
Вторая проблема также связана с диагностикой подшипников качения, когда для получения достоверных результатов необходимо измерять вибрацию в течение нескольких десятков оборотов при постоянных нагрузке и частоте вращения. На прокатных станах нагрузка и частота вращения, например, валков клетей постоянна лишь в течение нескольких оборотов, которых для достоверной диагностики подшипников явно не хватает. Для решения этой проблемы в системах диагностики используются несколько накапливаемых временных отрезков вибрации, измерение которой производится одновременно с измерением частоты вращения и нагрузки.
Еще одна проблема возникает при диагностике подшипников и шестерен низкооборотных ступеней многоступенчатых редукторов, в которых частота вращения входной и выходной ступени могут отличаться более, чем на порядок. В этом случае на корпусе практически всех подшипниковых узлов вибрация, в основном, определяется силами, действующими в самой высокооборотной ступени. Для диагностики низкооборотных ступеней приходится принимать такие меры, как переход на измерение только локальной высокочастотной вибрации, в диапазоне частот выше 10 кГц, которая по амплитуде в тысячи раз слабее низкочастотной. А для этого приходится использовать анализирующую аппаратуру с высокими линейностью и динамическим диапазоном, превышающими 70-80 дБ. Такого рода аппаратура выпускается лишь немногими производителями.
Наконец в металлургическом производстве часто используется мощный, регулируемый по частоте электропривод с машинами постоянного тока, в котором регулирование производится статическими преобразователями напряжения. Это напряжение содержит большое количество переменных составляющих, создающих пульсирующие моменты, которые возбуждают значительную вибрацию машины постоянного тока. Чтобы обнаружить на ее фоне вибрацию, вызванную дефектами в электромагнитной системе машины, необходимо иметь информацию о спектральном составе напряжения в момент диагностирования и автоматически вычесть из спектра вибрации те составляющие, которые вызваны пульсациями питающего напряжения.
Методы и средства вибрационной диагностики машин с учетом специфики металлургического производства отрабатывались специалистами России и США при создании систем мониторинга и диагностики нового поколения в течение пяти лет. В частности, в России такая работа проводилась на Западносибирском металлургическом комбинате, где успешно работают с 1994 года около двадцати переносных и несколько стационарных диагностических комплексов. Первые переносные системы диагностики нового поколения, учитывающие эту специфику, внедрялись уже в 1997-1998 годах, в частности на Череповецком объединении Северсталь. По информации диагностической службы объединения каждый из комплексов за год обеспечивает экономический эффект более ста тысяч долларов США, что в несколько раз превышает его стоимость.
Новое поколение систем мониторинга и глубокой диагностики вращающегося оборудования по вибрации дает возможность в кратчайшее время перейти на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию как основного, так и вспомогательного оборудования металлургического производства.
Для этого не требуется на все виды оборудования устанавливать дорогостоящие стационарные системы непрерывного мониторинга. Достаточно использовать переносные системы мониторинга и глубокой диагностики, позволяющие обнаруживать практически все виды дефектов на стадии зарождения, за много месяцев до аварии, и своевременно планировать сроки и объемы ремонта.
Начать работу по внедрению систем нового поколения можно на любом этапе эксплуатации оборудования, а обслуживать такие системы, автоматически ставящие диагноз и долгосрочный прогноз технического состояния объектов контроля, может персонал без специальной диагностической подготовки, после ознакомления с работой системы в течение нескольких дней.