| Автобиография | Выпускная работа магистра | Ссылки по теме | Отчет | Индивидуальное задание |
Основные методы виброакустической диагностики рассчитаны на обнаружение зарождающихся дефектов в элементах и узлах машин и оборудования. Обнаруживаемые дефекты по характеру влияния на вибрацию и шум объекта диагностирования могут быть разделены на три основные группы.
К первой относятся дефекты, появление которых изменяет характеристики колебательных сил, являющихся причиной возникновения вибрации и шума.
Во вторую группу объединяются дефекты, которые не меняют характеристики колебательных сил, а изменяют механические свойства узлов, в которых они действуют.
К третьей группе относятся дефекты, приводящие к изменению механических свойств узлов и конструкции, по которым распространяется вибрация
Методы функциональной диагностики позволяют эффективно обнаруживать дефекты первой группы. Методы тестовой диагностики эффективнее всего работают при поиске дефектов третьей группы. Дефекты второй группы могут обнаруживаться методами как функциональной, так и тестовой диагностики. Если же дефекты имеют свойства первой и второй групп, то для их обнаружения, как правило, следует использовать методы функциональной диагностики. И, наконец, дефекты всех трех групп на последних этапах своего развития оказывают существенное влияние на сигналы вибрации и (или) шума и поэтому могут быть обнаружены до момента возникновения аварийной ситуации системами мониторинга виброакустического состояния машин и оборудования.
Ниже представлена краткая информация об особенностях диагностирования наиболее ответственных узлов различных видов машин с помощью методов функциональной диагностики.
Так, на начальном этапе развития виброакустической диагностики ее наибольшие успехи были связаны с диагностикой цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Во время работы через определенные интервалы времени в двигателе формируются ударные импульсы, обусловленные особенностями сгорания топлива, работой поршней и распределительных клапанов. Сравнение возбуждаемой ударами вибрации разных цилиндров по времени начала, форме и амплитуде дает возможность выявить дефекты цилиндро-поршневой группы, системы распределения и системы зажигания. Это можно сделать с помощью простейшей аппаратуры, а именно, датчика вибрации и осциллографа. Пример осциллограммы вибрации двигателя автомобиля, снятой с датчика, установленного между вторым и третьим цилиндром, приведен на рис.2. Сравнение параметров ударных импульсов по форме между собой дает возможность достаточно просто диагностировать узлы, являющиеся их источником. Но одновременно эти импульсы крайне затрудняют анализ вибрации, возбуждаемой другими узлами, например, подшипниками коленчатого вала. Поэтому при диагностировании двигателей внутреннего сгорания обычно не ограничиваются использованием только виброакустических технологий.
Следующим успешным этапом развития виброакустической диагностики можно считать разработку методов и средств диагностики подшипников качения по ударным импульсам. Следует отметить, что эти импульсы в подшипнике возникают только при появлении дефектов поверхностей качения и смазки.
В дальнейшем диагностика стала развиваться по пути анализа вибрации, возбуждаемой силами трения. Силы трения, и соответственно, возбуждаемая ими высокочастотная вибрация, в исправных подшипниках представляют собой случайные процессы с постоянной за время измерения мощностью. При возникновении дефектов поверхностей качения появляется периодическое изменение мощности этих процессов, т.е. появляется амплитудная модуляция сил трения и высокочастотной вибрации.
Частота модуляции определяет вид дефекта, глубина модуляции - степень развития дефекта. По составляющим спектра огибающей вибрации, определяющим изменение мощности сигнала во времени, в настоящее время идентифицируется вид и величина более десяти различных видов дефектов. На рис.1 и рис.2 приведены спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов и с износом наружного кольца, которые иллюстрируют возможности диагностирования подшипников.
Дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития, за несколько месяцев до появления аварийноопасного состояния. Современные системы автоматического диагностирования производства предприятия “Виброакустические системы и технологии” позволяют по измерениям, проводимым достаточно редко, определить дефектный подшипник, вид дефекта, степень его развития и выдают рекомендации по необходимому обслуживанию или замене подшипника, а также дату следующего измерения, если подшипник не подлежит замене. Это позволяет перейти от обслуживания по регламенту и плановых ремонтов к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. При этом количество измерений составляет порядка десяти-пятнадцати за весь жизненный цикл подшипника, причем каждый интервал времени до следующего измерения задается системой в зависимости от результата диагноза, т.е. от реального состояния подшипника.
Рис. 1 Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов.
Рис. 2 Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла с износом наружного кольца. BPFO - частота перекатывания тел качения по наружному кольцу.
В настоящее время остро стоят вопросы диагностики зубчатых передач. Многие годы их пытались диагностировать по появлению ударов при входе дефектных зубьев в зацепление. Однако, удары далеко не всегда возникают при дефектах зубьев, в частности, при трещине или сломанном зубе. Кроме того, при распространении вибрации, возбуждаемой ударами в зацеплениях, через шестерни, вал и подшипниковые узлы, ее потери могут быть случайными и значительными. Это и является причиной очень больших погрешностей при определении глубины дефекта по измеряемой вибрации. Но по мере развития систем диагностики подшипников оказалось, что при появлении динамической нагрузки на них, также как и при появлении дефектов поверхностей трения, возникает модуляция сил трения и высокочастотной вибрации. В то же время дефекты зубьев и зубчатых зацеплений приводят именно к появлению динамической (ударной) нагрузки на подшипники шестерен, величина которой определяется глубиной дефекта. Именно эти исследования последних лет позволили перейти на диагностику шестерен не по вибрации, возбуждаемой ударами зубьев друг о друга, а по ударным нагрузкам на подшипники, обнаруженным по спектру огибающей вибрации подшипниковых узлов. По совокупности составляющих спектра огибающей высокочастотной вибрации подшипника можно идентифицировать бой шестерни, износ (трещины, сколы) зубьев и дефекты зацепления для каждой из шестерен зубчатой передачи.
В качестве примера на рис.3 и рис.4 приведены спектры огибающей вибрации подшипников дефектного редуктора. В спектрах каждой пары подшипников на обоих осях видны диагностические признаки появившихся ударных нагрузок, что однозначно свидетельствует о возникновении дефекта зубьев шестерни первой ступени.
Рис. 3 Спектры огибающей вибрации подшипников первой ступени редуктора с дефектами зубьев шестерни. fвр1 - частота вращения, первой ступени редуктора
Рис. 4 Спектры огибающей вибрации подшипников второй ступени редуктора с раковиной на внутреннем кольце подшипника. fвр1 и fвр2 - частоты вращения, соответственно, первой и второй ступени, fв - частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу.
Не менее важной является задача диагностирования рабочих колес различного вида машин. Наибольшие успехи в ее решении получены с помощью анализа характеристик пульсаций жидкости или газа, обтекающих лопасти рабочего колеса. Проблемы диагностирования прежде всего связаны со сложностью измерения пульсаций давления перекачиваемой среды в непосредственной близости к рабочему колесу. В насосах и гидротурбинах еще можно найти достаточно простое решение, заключающееся в измерении вибрации корпуса, возбуждаемой пульсациями давления несжимаемой жидкости.
В вентиляторах, компрессорах, газовых (паровых) турбинах измерение вибрации корпуса не всегда дает желаемые результаты, и приходится встраивать в их корпус датчики давления (микрофоны). При диагностировании рабочих колес по пульсациям давления среды удается обнаруживать такие дефекты, как бой колеса, износ лопастей, кавитация. На рис.5и рис.6 в качестве примера приведены спектры огибающей вибрации корпуса насоса в нормальном режиме работы и при износе (трещине) в одной из лопастей.
Рис.5 Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при отсутствии дефектов .
Рис.6 Спектры огибающей вибрации корпуса насоса при износе лопасти рабочего колеса . fвр - частота вращения рабочего колеса, fл - лопастная частота.
В диагностике электромагнитных систем электрических машин качественный скачок произошел в 1982 году, когда специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” предложили диагностировать их по пульсирующим электромагнитным моментам, возникающим при дефектах обмоток или нарушениях симметрии воздушных зазоров. При одних видах дефектов (беличьей клетки асинхронного двигателя) возникают пульсирующие моменты на инфранизких частотах, что приводит к пульсации скорости вращения ротора. Такие пульсации скорости легко обнаружить по узкополосному спектру низкочастотной вибрации. Другие дефекты (обмотки статора машин переменного тока) создают пульсирующие моменты на низких частотах, что приводит к росту вибрации машины, измеренной по касательной к корпусу в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Для обнаружения такого роста сравнивается вибрация в одной точке в радиальном к оси направлении и по касательной. Ряд дефектов (нарушение симметрии зазоров) сопровождается появлением пульсирующих моментов на более высоких частотах, на которых разделить вибрацию, возбуждаемую радиальными силами и пульсирующими моментами, оказывается практически невозможно. В таких случаях положительный результат дает анализ пульсаций электромагнитного поля, являющихся одной из составляющих, возбуждающих пульсирующие моменты. Эти составляющие поля возбуждают вибрацию машины на зубцовой частоте. Зубцовая вибрация при дефектах оказывается модулирована по амплитуде, что обнаруживается при узкополосном спектральном анализе вибрации.В качестве примера на рис.7 и рис.8 представлены спектры вибрации электрических машин переменного тока с различными дефектами электромагнитной системы.
Рис. 7 Спектры вибрации бездефектного асинхронного двигателя. В выделенном участке спектра показано изменение при обрыве стержня беличьей клетки. fск - частота скольжения в асинхронном двигателе;
Рис.8 Спектры вибрации бездефектной синхронной машины. В выделенном участке спектра показано изменение при появлении короткозамкнутого витка. fc - частота питающего напряжения; fz - зубцовая частота.
В настоящее время методы диагностирования электрических машин по вибрации, предложенные и разработанные специалистами предприятия “Виброакустические системы и технологии”, широко используются как в России, так и за рубежом, заменяя более трудоемкие методы диагностирования по параметрам напряжения, тока и электромагнитного поля. По вибрации обнаруживаются практически все дефекты электрических машин, кроме дефектов электрической изоляции. Последние могут быть обнаружены лишь после того момента, когда через поврежденное место потечет ток.
В изложенном выше кратком обзоре невозможно даже перечислить все виды диагностируемых узлов и идентифицируемых дефектов с помощью функциональных методов виброакустической диагностики. Следует, однако, отметить, что на ранних этапах развития обнаруживается абсолютное большинство возможных дефектов в узлах машин роторного типа, но при некоторых ограничениях. Эти ограничения сводятся к двум требованиям. Первое - отсутствие сильных ударных нагрузок на диагностируемые узлы в штатных режимах работы бездефектных машин. Второе - отсутствие или значительное ослабление высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударами в других бездефектных узлах или машинах, при распространении ее до диагностируемого узла.
Создание систем глубокого диагностирования и прогнозирования состояния узлов широко распространенных видов машин в настоящее время является одним из перспективных направлений технической диагностики. В России наибольшего успеха в этом направлении добились специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии”. Основное внимание они уделяют созданию стационарных и переносных систем автоматического диагностирования и прогнозирования таких узлов роторных машин как:
-роторы и другие вращающиеся узлы;
-подшипники качения и скольжения;
-механические передачи, в том числе, зубчатые;
- рабочие колеса насосов, вентиляторов, компрессоров и турбин;
-электромагнитные системы электрических машин.
Разработанные для переносных и стационарных систем пакеты программ для глубокой диагностики и прогноза технического состояния таких узлов могут использоваться совместно с техническими средствами измерения и анализа вибрации, выпускаемыми многими фирмами.
В настоящее время предприятие “Виброакустические системы и технологии” поставляет системы с пакетами программ для:
-диагностирования и прогнозирования состояния узлов по однократным измерениям вибрации;
-диагностирования и прогнозирования состояния узлов по периодическим измерениям вибрации и шума;
-диагностирования роторных машин в процессе их балансировки.
Для наиболее полного использования возможностей глубокого диагностирования предприятие “Виброакустические системы и технологии” разрабатывает и производит различные виды технических средств измерений и анализа, в том числе, и для стационарных систем мониторинга и диагностики роторных машин. В сотрудничестве с разработчиками средств диагностики ряда ведущих фирм мира специалисты предприятия “Виброакустические системы и технологии” отрабатывают технические решения для модернизации существующих и создания новых систем глубокой диагностики машин и оборудования по сигналам вибрации и шума.
В настоящее время диагностические системы и пакеты диагностических программ производства предприятия “Виброакустические системы и технологии” эффективно используются на многих предприятиях различных отраслей промышленности, таких как энергетика, в том числе, атомная, нефтеперерабатывающая, целлюлозо-бумажная, металлургия, авиация, судостроение, железнодорожный транспорт и другие.
| Автобиография | Выпускная работа магистра | Ссылки по теме | Отчет | Индивидуальное задание |