АВТОРЕФЕРАТ

по магистерской работе по теме:

"Исследование и обоснование структуры и параметров микропроцессорного устройства контроля вибрации шахтных насосных установок".

  ГОРЕЛКИН АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

E-mail:pub@gala.net

Факультет КИТА

Кафедра ЭТ

Специальность "Электронные системы"

      Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент кафедры ЭТ КОСАРЕВ НИКОЛАЙ ПАВЛОВИЧ

            В настоящее время в мировой практики создания машинных агрегатов актуальной остается проблема обеспечения надежности их работы и проблема безразборного контроля и прогнозирования технического состояния. Дальнейшее увеличение ресурса и повышение надежности машин и механизмов во многих отраслях техники предполагают переход на эксплуатацию технических объектов по фактическому состоянию, а это возможно только при наличии эффективных средств и методов диагностики.

           Назначение диагностики – не только выявление, но и предупреждение отказов и неисправностей, поддержание нормальных регулировок эксплутационных показателей в нормальных пределах, прогнозирование состояния в целях полного использования доремонтного и межремонтного ресурса.

          Теория и практика диагностики должны развиваться на основе принципов безразборности, при использовании универсальных методов и средств диагностики. В этом направлении большие возможности открывают методы виброакустической диагностики, базирующиеся на широком использовании информации, заложенной  в колебательных процессах, сопровождающих функционирование машин и механизмов.

          Основной особенностью акустической диагностики является  использование в качестве источника информации не статических параметров характеризующих состояние механизма (температуры, давления и т.д.), а динамических, вызывающих появление и распространение акустических волн, как в самом механизме, так и окружающей среде.

Обзор исследований по теме:

• определить причины произошедших изменений вибрационного состояния, среди которых лишь часть является следствием необратимых изменений технического состояния
• не пропустить опасных изменений технического состояния, слабо влияющих на результаты традиционных измерений вибрации до момента появления аварийной ситуации

Не менее важна задача своевременного обнаружения всех основных видов дефектов. В предлагаемых системах для этого используются оригинальные методы анализа вибрации . Они позволяют обнаруживать дефекты узлов роторных машин за несколько месяцев до аварийной ситуации и планировать объём и сроки технического обслуживания. Подобные системы стали широко использоваться вместо стационарных систем мониторинга, значительно снижая суммарные затраты на эксплуатацию машин и оборудования.

Система мониторинга и диагностики, включающая в себя средства измерения, а именно - сборщик данных , персональный компьютер и пакет программ , предназначена для мониторинга вращающегося оборудования и глубокой диагностики подшипников качения и скольжения, зубчатых передач, рабочих колес насосов, компрессоров и турбин, а также электромагнитных систем электрических машин. Такая система может использоваться в следующих основных случаях:

• Мониторинг состояния оборудования по вибрации.
• Диагностика и прогноз состояния узлов по однократным измерениям без построения эталонов.
• Диагностика и прогноз состояния узлов по однократным измерениям с автоматическим построением эталонов по группе одинаковых узлов.
• Диагностика и прогноз состояния узлов по периодическим измерениям с автоматическим построением эталонов по истории.

Назначение системы:

• Мониторинг состояния машин и оборудования в процессе эксплуатации по их вибрации.
• Диагностика и прогноз технического состояния узлов вращающегося оборудования.
• Обнаружение и наблюдение за развитием дефектов с прогнозированием остаточного ресурса таких узлов как подшипники, шестерни, рабочие колеса насосов и турбин, электромагнитные системы электрических машин и другие.
• Накопление и хранение информации о вибрационном и техническом состоянии отдельных узлов и машин в целом.

Особенности современных диагностических систем:

• Возможность работы с системой пользователю без специальной подготовки в области диагностики.
• Автоматическое формирование заданий на измерение вибрации (маршрутных карт).
• Простота выполнения измерений вибрации в контрольных точках на корпусе отдельных узлов.
• Автоматическая обработка данных измерений вибрации с выводом результатов на экран компьютера.
• Автоматический поиск ошибок оператора при проведении измерений вибрации.
• Независимые друг от друга мониторинг и диагностика с параллельным выводом результатов.
• Автоматическое сравнение измеряемых параметров сигнала вибрации с пороговыми значениями, установленными пользователем в системе мониторинга, и построение трендов, характеризующих их развитие.
• Автоматическое построение эталонов бездефектных узлов по истории (по данным периодических измерений вибрации одного узла) или по множеству (по данным однократных измерений вибрации группы идентичных узлов).
• Автоматическое обнаружение и идентификация зарождающихся дефектов в диагностируемом узле с возможностью наблюдения за их развитием.
• Автоматическая постановка диагноза и долгосрочного прогноза технического состояния узла, выдача рекомендаций по техническому обслуживанию.
• Возможность прогнозирования остаточного ресурса узла после обнаружения в нём развитых дефектов.
• Возможность конфигурирования "дерева" оборудования с любым количеством "ветвей" (до пяти уровней) в том числе "Завод - цех - машина - точка измерения - вид измерений" или "машина - точка измерения - вид измерений".
• Неограниченное количество диагностируемых машин, простота формирования и корректировки баз данных с их характеристиками и результатами измерений.
• Возможность независимого задания пороговых значений для мониторинга и диагностики, возможность корректировки пороговых значений для каждой составляющей вибрации при мониторинге и каждого дефекта при диагностике.
• Возможность подробного анализа спектров вибрации и ее огибающей в графическом режиме, а также построения и анализа трехмерных спектров.
• Эффективные средства поиска и вывода информации, контекстно зависимая помощь оператору.
• Возможность вывода на экран компьютера или печатающее устройство отчетных материалов и другой необходимой документации.
• Возможность работы с несколькими базами данных.

Используемые параметры:

Для мониторинга машин и оборудования по характеристикам, определяемым пользователем, могут быть использованы любые параметры сигнала, измеряемые сборщиком данных. Виды типичного спектра вибросигналов представлены на рисунке 1  и рисунке 2.

 Рисунок 1 - Спектр огибающей вибрации подшипника с раковиной на наружном кольце.

 Рисунок 2 - Спектра вибрации рабочего колеса насоса.

Для автоматического обнаружения и идентификации дефектов используются результаты узкополосного спектрального анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации диагностируемых узлов машин, а также огибающей их высокочастотных составляющих. Спектральный анализ обеспечивает получение исчерпывающей диагностической информации из периодических сигналов, а появление дефектов в роторных машинах сопровождается действием именно периодических колебательных сил, в том числе в виде периодических ударных импульсов и периодически изменяющихся сил трения, возбуждающих случайную вибрацию с периодически изменяющейся мощностью.

Поскольку для диагностики используются не только параметры низкочастотной и среднечастотной вибрации, а ещё и высокочастотной, программа автоматической диагностики основана на анализе виброускорения, а не виброскорости или вибросмещения, во многих практических случаях не содержащих высокочастотных составляющих.

Стратегия диагностики

Современные системы мониторинга и диагностики позволяют проводить три разных вида мониторинга. Первым является вибрационный мониторинг машин (оборудования) в целом. Это традиционный вид мониторинга с измерением преимущественно низкочастотной и среднечастотной (до одного-двух кГц) вибрации в точках машин, выбранных пользователем в соответствии с действующими на предприятии нормами на вибрацию оборудования и с учетом собственного опыта. Второй вид мониторинга - это вибрационный мониторинг аварийноопасных узлов. В нем значительное внимание уделяется анализу высокочастотной вибрации, для возбуждения которой не требуется значительных колебательных сил, и которая изменяется еще на ранней стадии развития дефектов. Третий вид мониторинга - это технический мониторинг, представляющий собой наблюдение за развитием имеющихся дефектов, определяющих состояние узлов оборудования, и прогноз остаточного ресурса .

Вибрационный мониторинг машин или их узлов основан на сравнении данных измерений вибрации исследуемой машины (узла) с результатами периодических измерений вибрации той же машины (узла) или совокупности измерений вибрации группы однотипных машин (узлов), и предназначен для обнаружения изменений вибрационного состояния.

Составной частью вибрационного мониторинга является сравнение результатов измерений спектров вибрации с пороговыми значениями, устанавливаемыми либо пользователем, либо автоматически, по данным предшествующих или групповых измерений, с возможностью последующей корректировки.

Мониторинг технического состояния по результатам диагностики выполняется программой   для таких узлов роторных машин, как ротор, подшипники качения или скольжения, зубчатые передачи, рабочие колеса насосов и турбин, электромагнитные системы электрических машин.

Периодичность диагностических измерений при мониторинге технического состояния выбирается такой, чтобы не пропустить аварийноопасной ситуации. Чтобы уменьшить период мониторинга используется диагностика дефекта по нескольким независимым друг от друга показателям.

Так, например, в системе мониторинга и диагностики совместного производства АО ВАСТ (Россия) и Inteltech Enterprises Inc. (ITE, Inc. США)  для обнаружения дефектов износа в подшипниках качения задействовано три главных признака, которые могут появляться как независимо друг от друга, так и совместно. Это появление ударных импульсов, рост мощности высокочастотной вибрации и периодическое изменение мощности высокочастотной вибрации. Для однозначного обнаружения этих признаков достаточно измерять только спектр огибающей высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения в подшипниках качения. Но для контроля качества сборки машины и возможности обнаружения основных дефектов изготовления подшипника дополнительно анализируется и узкополосный спектр низкочастотной и среднечастотной вибрации подшипникового узла. Для обнаружения дефектов износа в шестернях задействовано два основных признака, оба из которых связаны с появлением ударных нагрузок в точке зацепления шестерён. Первый - появление "положительной" ударной нагрузки, когда контакт дефектных узлов сохраняется, но точка контакта смещается, а второй - появление "отрицательной" ударной нагрузки, когда контакт уменьшается или пропадает, если, например, зуб отсутствует или в нём появляется трещина. Для однозначного обнаружения этих признаков также достаточно измерять только спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла, на который передаётся "положительная" или "отрицательная" нагрузка. Но для более надёжной идентификации вида дефекта, а также для надёжного разделения дефектов шестерён и собственно подшипника, дополнительно анализируются и узкополосные спектры вибрации подшипникового узла. Для обнаружения дефектов в электромагнитных системах электрических машин используют один главный признак - появление пульсирующих моментов, действующих на ротор и статор, которые у бездефектных машин отсутствуют. Частоты возникающих пульсирующих моментов определяются видом дефекта, причем число используемых методов обнаружения этих моментов по сигналу вибрации достаточно велико и зависит от частоты пульсирующего момента. Величина дефекта определяется амплитудой пульсирующего момента и измеряется по параметрам узкополосного спектра вибрации. Спектр огибающей вибрации в диагностике электрических машин не используется. Для обнаружения дефектов рабочих колес насосов или вентиляторов (турбин) используется один основной признак - наличие зоны повышенной турбулентности потока в непосредственной близости к лопасти, имеющей дефект, нарушающий структуру обтекающего конкретную лопасть потока. Обнаруживается этот признак по возбуждаемой турбулентным потоком высокочастотной вибрации корпуса и (или) трубопровода.

Программное обеспечение системы строится в рамках выбранной стратегии мониторинга и диагностики, т.е. обеспечивает автоматическое обнаружение, идентификацию дефектов и долгосрочный прогноз состояния диагностируемого узла. 

Обнаруживаемые дефекты

Наиболее полный список дефектов вала с подшипниками качения включает в себя:

1. Бой вала в подшипнике.
2. Неоднородный радиальный натяг подшипника.
3. Перекос неподвижного (наружного) кольца.
4. Износ наружного кольца.
5. Раковины, сколы, трещины на наружном кольце.
6. Износ внутреннего кольца.
7. Раковины, сколы, трещины на внутреннем кольце.
8. Износ тел качения и сепаратора.
9. Раковины, сколы, трещины на телах качения.
10. Неуравновешенность вала (ротора).
11. Дефекты узлов крепления.
12. Дефекты смазки.
13. Дефекты муфты (если она установлена на валу).

1. Неуравновешенность вала (ротора).
2. Бой вала.
3. Дефекты узлов крепления.
4. Автоколебания вала.
5. Перекос подшипника.
6. Износ подшипника.
7. Удары в подшипнике.
8. Дефекты смазки.
9. Дефекты муфты (если она установлена на валу).

1. Дефекты малой шестерни.
2. Дефекты большой шестерни.
3. Дефекты зацепления малой шестерни.
4. Дефекты зацепления большой шестерни.
5. Дефекты шестерён на других осях.
6. Дефекты зацеплений на других осях.

1. Бой вала (муфты).
2. Дефекты малой шестерни.
3. Дефекты большой шестерни.
4. Дефекты зацепления малой шестерни.
5. Дефекты зацепления большой шестерни.
6. Дефекты на другой оси.
7. Износ наружного кольца.
8. Раковины, сколы, трещины на наружном кольце.
9. Износ внутреннего кольца.
10. Раковины, сколы, трещины на внутреннем кольце.
11. Дефекты тел качения и сепаратора.
12. Дефекты смазки в подшипнике.

Список  дефектов в зубчатых передачах с подшипниками скольжения содержит девять групп, а именно:

1. Бой вала (муфты).
2. Дефекты малой шестерни.
3. Дефекты большой шестерни.
4. Дефекты зацепления малой шестерни.
5. Дефекты зацепления большой шестерни.
6. Дефекты на другой оси.
7. Износ подшипника.
8. Удары в подшипнике.
9. Дефекты смазки подшипника.

1. Бой ведущей шестерни (шкива).
2. Бой ведомой шестерни (шкива).
3. Дефекты ведущей шестерни (шкива).
4. Дефекты ведомой шестерни (шкива).
5. Дефекты цепи (ремня).
6. Дефекты зацепления (сцепления).
7. Дефекты подшипников качения и скольжения, описанные выше.

1. Неуравновешенность ротора (рабочего колеса).
2. Бой рабочего колеса.
3. Автоколебания вала с рабочим колесом.
4. Дефекты отдельных лопастей.
5. Неоднородность потока.
6. Кавитация.

         Разрабатываемый комплекс средств предназначен для непрерывного контроля технического состояния узлов  насосных установок и их приводных электродвигателей и должен выполнять следующие основные функции:

Выводы:

В ходе работы были рассмотрены основные тенденции в развитии диагностирования шахтного оборудования на основе анализа виброакустического сигнала. Были приведены основные дефекты обнаруживаемые в оборудовании. Изложены основные принципы построения современных систем диагностики.

Перспективы:

         С бурным развитием математики появляются новые методы исследования сигналов. Одним из наиболее перспективным из них является вейвлет-преобразование, которое повсеместно вытесняет традиционное преобразование Фурье. Анализ на основе вейвлет-преобразования позволяет увидеть более тонкие подробности в структуре сигнала, а значит и наиболее полно выявить те или иные дефекты в оборудовании. Однако не стоит сбрасывать со счетов и Фурье анализ, перспективным является использования Фурье анализа 2-го порядка, Фурье анализа с использованием корреляционных функций и т.д.

Список литературы:

1. Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г. "Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов".        М.: Наука, 1984г.

2. Биргер И.А. "Техническая диагностика". М.: Машиностроение, 1975г.

3. "Виброакустические процессы в машинах и присоединительных конструкциях". М.: Наука 1974г.