ОСНОВЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ И ПОИСКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

By Glenn D. White, DLI Engineering Corporation
Пер. с англ.- И.Р.Шейняк под ред. В.А.Смирнова, к.т.н.

Исходной предпосылкой поиска неисправностей машин по параметрам вибрации является то, что вибросигнал работающей машины содержит большое количество информации о ее состоянии. Для эффективного использования виброконтроля в программе технического обслуживания необходимо, чтобы эта информация была должным образом извлечена из полученных вибросигналов.
Возможно, наиболее ответственным элементом системы сбора вибрационных данных является вибродатчик, служащий для преобразования механических колебаний в электрический сигнал. В течение многих лет с разной степенью успеха использовались датчики самых разных типов. Мы полагаем, что самым надежным датчиком, обеспечивающим к тому же наибольшую точность преобразований, на сегодняшний день является акселерометр. Наиболее распространенным типом акселерометров является акселерометр со встроенным усилителем заряда, питание на который поступает от сборщика данных (или анализатора) по тому же проводу, что и измеряемый сигнал.

Область анализа: частотная или временная?

На выходе датчика преобразованные механические колебания имеют вид аналогового временного сигнала. Его можно увидеть, подав сигнал с датчика на осциллограф или другое устройство отображения данных во временной области. Но вследствие сложности формы временного сигнала, его интерпретация сильно затруднена, поэтому наряду с этим принято анализировать спектр сигнала, который является представлением временного сигнала в частотной области.
Мы настолько привыкли использовать в нашей исследовательской работе спектральный анализ, что иногда склонны вообще игнорировать представление сигнала во временной области. В то же время информацию, которую может дать такое представление, трудно извлечь, рассматривая только спектр вибрации.
Например, случайный процесс (непрерывный шум) и переходный процесс, связанный с какими-то нерегулярными событиями, имеют схожие спектры, которые, тем не менее, соответствуют сигналам совершенной разной природы, что отчетливо видно по их временным реализациям. Во временной области легко различим стук деталей, приводящий к асимметрии формы сигнала, который может быть следствием ослабления механических соединений.
На рис.1 показан сигнал виброускорения низкоскоростной коробки передач и соответствующий ему спектр в диапазоне от 0 до 20 Гц. В спектре видна низкочастотная область сосредоточенной энергии, которая выглядит так, как будто бы является следствием случайного шума электронной цепи (так называемого фликкер-шума). Временной сигнал, однако, говорит совершенно о другом. Импульсы высокого уровня, следующие с интервалом в 15 с, синхронизированы с частотой вращения большой шестерни на выходе коробки передач и вызваны локальным дефектом этой шестерни, таким как трещина или поломка зуба.

Рис. 1. Сигнал виброускорения низкоскоростной зубчатой передачи и его спектр.

Представление данных

Сигнал, полученный после акселерометра, может быть легко и с большой точностью преобразован в сигнал виброскорости с помощью интегрирования. Эта процедура осуществляется перед проведением частотного анализа для того, чтобы получить спектр виброскорости. В результате интегрирования понижается уровень более высоких частотных составляющих- в два раза при каждом удвоении частоты (6 дБ на октаву- примечание редактора). Поэтому информация, содержащаяся в сигнале виброускорения, визуально более наглядна, чем в сигнале виброскорости, как раз вследствие подчеркивания высокочастотных составляющих. Человек визуально способен различать сигналы отличающиеся друг от друга по амплитуде более чем в 100 раз (40 дБ- примечание редактора), что много меньше, чем динамический диапазон анализатора спектра.

Анализ траекторий

Под траекторией понимается перемещение оси вала, вращающегося в подшипнике. Ее график аналогичен представлению сигнала на осциллографе в координатах X-Y, где X и Y - соответственно перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Для анализа траекторий используется параметр виброперемещения, а не виброускорение. При этом значение имеет только составляющая на частоте вращения, которая дает наиболее ясную картину о вращении вала. Для получения графика траектории движения вала обычно используются не акселерометры, а бесконтактные датчики, которые снимают сигнал пропорциональный изменению зазора между поверхностью вала и корпусом подшипника- прим. редактора, - и позволяют непосредственно измерять величину перемещения.

Анализ в частотной области

Характеристика в частотной области, или спектр, прекрасный инструмент для выявления периодичностей в сигнале. Большим ее преимуществом является то, что на одном графике отображаются амплитуды колебаний, сильно различающихся по значению. Диапазон амплитуд, отличающихся в 10000 раз (80дБ- прим. редактора) не является редкостью для современных анализаторов спектра.
Обычно при анализе спектра различают 3 группы составляющих вибрации: гармоники, несинхронные составляющие и субгармоники. Гармоники представляют собой пики на частотах, кратных частоте цикла действия (частоте вращения) машины; по ним можно делать выводы о дисбалансе, несоосности или ослаблении соединений. Несинхронные составляющие наблюдаются на частотах, некратных частоте вращения; анализ этой группы составляющих позволяет обнаруживать дефекты, например, элементов подшипников качения и ремней. Субгармоники- составляющие, которые лежат ниже частоты вращения. Они могут быть обусловлены такими явлениями как вихри в масляном клине подшипника, дефекты ременной передачи, чрезмерное ослабление соединений или стук в машине.

Гармоники

При поиске перечисленных дефектов важно учитывать первые восемь гармоник частоты вращения. Частота вращения умноженная на число лопаток или лопастей дает лопаточную гармонику. Гармоники выше восьмой обычно соответствуют частоте зубчатых зацеплений, которая равна частоте вращения вала, умноженной на число зубьев шестерни, или полюсной частоте электродвигателя, равной произведению частоты вращения на число пазов в роторе.

Субгармоники

Субгармоники имеют частоты, которые получаются умножением частоты вращения на 1/2, 1/3 или 1/4. Если они имеют место, причиной может быть повышенное трение, ослабление и стук в соединениях.

Несинхронные составляющие

Несинхронные колебания могут быть связаны с характерными частотами подшипников качения, которые можно вычислить, если известна геометрия подшипника. Очень редко характерные подшипниковые частоты совпадают с гармониками частоты вращения. Вибрация электрического происхождения обычно наблюдается на частоте 120 Гц (2-я гармоника сети- прим. редактора) и ее гармониках; для оборудования, работающего на частоте вращения 3600 об/мин (60 Гц). Иногда бывает трудно отличить ее от 2-й гармоники частоты вращения механического происхождения, для этого приходится увеличивать частотное разрешение.

Линейная или логарифмическая шкала амплитуд

Спектр в линейном масштабе, амплитуды имеет динамический диапазон 40дБ, т.е. можно наблюдать составляющие, которые отличаются по уровню в 100 раз, в то время как при использовании логарифмического масштаба можно в одном спектре наблюдать составляющие с разностью амплитуд в 10000 раз или 80 дБ.
   Уровень вибрации, измеренной в определенной точке машины, зависит от пути распространения колебаний от точки приложения вибрационных сил до датчика. Путь распространения вибрации от точки приложения сил до вибродатчика, обычно очень сложен, его механический импеданс частотно зависим. Это означает, что некоторые важные частотные составляющие, например, подшипниковые составляющие, могут иметь очень низкий уровень. Для того, чтобы увидеть их в спектре вибрации, необходимо использовать логарифмическую шкалу, которая обычно градуируется в децибелах (дБ).

Для обеспечения максимального динамического диапазона измерений необходимо использовать тот параметр вибрации (перемещение, скорость или ускорение), который обеспечивает наибольшую равномерность спектра. Обычно таким параметром является виброскорость, но, вообще говоря, это зависит от типа машины.

Пик-фактор- один из параметров вибрации, который нельзя получить путем анализа спектра, однако он служит хорошим индикатором степени износа подшипников. Величина пик-фактора определяется как отношение пикового значения вибрации к ее среднему квадратическому значению (СКЗ). Ее легко можно измерить с помощью виброметров, имеющих данный режим. Использование пик-фактора для оценки состояния подшипников заключается в периодическом измерении его величины и в отслеживании ее изменений во времени (получение тренда- прим. редактора) (рис.2).

Рис. 2. Изменения значения пик-фактора

Частоты вынуждающих сил

Механическая вибрация определяется процессами, которые приводят к появлению сил, действующих на определенных частотах. В результате вибрация проявляется на тех же частотах, что и действующие силы, но во многих случаях в спектре присутствуют и колебания на других частотах. Появление этих других частот, которые обычно являются гармониками частоты действия вынуждающей силы или ее боковыми полосами, связано с нелинейностью конструкции машины. Появление гармоник и боковых полос - первый признак ухудшения состояния машины (рис. 3).

Порядковый анализ

При сравнении спектров, полученных на разных частотах вращения машины градуировка оси частот осуществляется в единицах порядка гармоник, где первая гармоника соответствует частоте вращения машины. В этом случае сравниваются значения гармоник кратных частоте вращения. Что же касается несинхронных составляющих вибрации, то для идентификации, например, подшипниковых гармоник лучше использовать шкалу, отградуированную в Гц или об/мин (рис.4).
На рис.5 показан типичный спектр вибрации машины, имеющей дисбаланс и/или расцентровку. Часто предполагается, что именно эти две причины являются основными в появлении проблем, связанных с вибрацией. Они определяются по наличию в спектре нескольких первых гармоник частоты вращения. Для того, чтобы отличить дисбаланс от несоосности, иногда прибегают к измерениям фазы.
Многочисленные высшие гармоники, кратные частоте вращения, являются признаками ослаблений в соединениях, а при сильном развитии этого дефекта в спектре наблюдаются и субгармоники (рис. 6).
В центробежных насосах всегда отчетливо видна лопаточная составляющая, и она возрастает в случае появления дефектов лопастей, таких как деформации, трещины или поломки. На рис.7 показан такой спектр, где PV- обозначает лопаточную частоту, т.е. частоту вращения, умноженную на число лопаток колеса насоса.
Кавитация представляет собой сугубо случайный процесс, который в спектре вибрации проявляется не в виде дискретных частотных составляющих, а в виде непрерывного шума. Колебания шестеренчатых насосов часто содержат значительные составляющие зубцовой частоты, уровень которых сильно зависит от нагрузки.

Масляные вихри в слое смазки сопровождаются появлением составляющей, лежащей несколько ниже половины частоты вращения и несинхронной с ней. Обычно она присутствует в слабонагруженных подшипниках скольжения с увеличенным зазором. Другой режим нестабильности смазки возникает, когда вследствие завихрений возбуждается собственная (критическая) частота механических колебаний. Это очень опасный, разрушительный тип вибрации, который наблюдается во время разгона машины. Он всегда в той или иной степени присутствует в спектре, даже когда частота вращения много выше собственной частоты.
Силы, связанные с дисбалансом, вызывают вибрацию, максимальную в направлении наименьшей жесткости конструкции. Это можно использовать при выявлении ослабления крепления машины, трещины в опоре и т.д. как для горизонтально, так и для вертикально расположенных машин.

Коробки передач

Боковые полосы частоты зацепления располагаются вокруг нее с шагом, равным частоте вращения шестерни. Это является следствием модуляции зубцовой частоты, вызванной различными нерегулярностями шестерни, изгибом вала, эксцентриситетом и т.д. Каждая шестерня имеет свой собственный набор боковых полос, связанных с частотами их вращения ( см. рис. 7, 8).
Основная частота вращения ремня всегда лежит ниже частоты вращения машины, но в двух шкивной системе, как правило, более интенсивной является 2-я гармоника этой частоты. Ременный привод часто служит причиной появления вибрации на рабочей частоте машины вследствие биения шкива, и эту вибрацию часто ошибочно принимают за признак дисбаланса. Максимальный уровень этой вибрации будет максимальным в направлении движения ремней.

Электродвигатели

Работа электродвигателей часто сопровождается биениями, которые, кроме того, что могут быть зафиксированы в вибрационном сигнале, хорошо воспринимаются на слух. Эти биения соответствуют частоте скольжения ротора или разности частоты вращения ротора и частоты возбуждения двигателя. Частота биений очень низка, иногда ниже 0,1 Гц. Биения могут также возникать, когда машины, близко расположенные друг к другу, работают на слегка различающихся частотах вращения. Наблюдать биения лучше во временной области, поскольку для вычисления спектральных составляющих на столь низких частотах требуется очень большое время и высокое разрешение.

Изгиб ротора часто бывает обусловлен локальным нагревом ротора вследствие неоднородности сопротивления пластин ротора. Проблемы с пластинами ротора появляются, когда высокий пусковой ток в сочетании с частыми пусками и остановками вызывает повторяющееся расширение и сжатие пластин, что сопровождается появлением трещин в сварных соединениях. Указанные проблемы могут быть обнаружены посредством анализа тока двигателя: уровни боковых полос будут пропорциональны глубине модуляции крутящего момента с удвоенной частотой скольжения ротора.

Рис. 3. Характерные частоты центробежного воздушного компрессора

Рис. 4. Порядковый анализ.

Рис. 5. Дисбаланс.

Рис. 6. Ослабление механических соединений

Рис. 7. Лопастные частоты в спектре сигнала центробежного насоса

Рис. 8. Зубцовые частоты и боковые полосы