2
СОДЕРЖАНИЕ
Введен не___________________________________________________________ 5
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНЫХ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ,] I
1.1 Обоснование выбора объекта исследования__________________________11
1.2 Обшнс положения виброакустнческой диагностики роторных машин 13
1.2.1 Цели и задачи виброакустнческой диагностики____________________13
1.2.1.1 Диаг ностика состояния технического объекта__________________15
1.2.1.2 Оценка запаса устойчивости, износа, надежности роторов_______15
1.2.1.3 Задачи классификации состояний роторных машин________________17
1.2.1.4 Разделение источников вибраций и шумов_______________________19
1.2.1.5 Определение динамических характеристик роторных систем_______20
1.2.2 Диагностические модели роторов_________________________________21
13 Анализ существующих методов виброакустнческой диагностики
роторов_____________________________________________________________26
1.4 Условия проведения диагностики роторных машин____________________28
1.4.1 Словарь диагностических признаков неисправностей роторных машин_29
1.4.2 Выбор места установки вибропреобразователя_____________________35
1.4.3 Выбор полосы частот предварительной обрабоз к и сигнала________36
1.4.4 Выбор режима работы роторной машины при диагностике____________37
1.5 Цель и задачи диссертации________________________________________38
2 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРА ,39
2.1 Лабораторная установка___________________________________________39
2.1.1 Конструкция лабораторной установки____________________________ 39
2.1.2 Подшипники качения_____________________________________________40
2.2 Измерение вибраций роторной системы па подшипниках качения 41
2.2.1 Измерительная система__________________________________________41
2.2.1.1 Датчик ускорения 4370________________________________________42
2.2.1.2 Датчик измеряющий частоту оборотов ММ 0024 __________________43
2.2.1.3 Перестраиваемый полосовой фильтр 1621________________________43
2.2.1.4 Двухканальный анализатор сигналов 2034_______________________44
2.2.1.5 Портативны и виброметр 2511__________________________________46
2.2.1.6 Фазометр 2971________________________________________________47
2.2.1.7 Магнитофон 7005______________________________________________48
з
2.2.1.8 Частотомер СЧ-24_______________________________________________49
2.2.1.9 Генератор сигналов_____________________________________________49
2.2.1.10 Аналого-цифровой преобразователь______________________________49
2.2.1.11ЭВМ____________________________________________________________50
2.2 Методика и результаты измерении вибраций___________________________51
2.3 Методика частотного анализа вибросигнала___________________________53
2.3.1 Исходная вибродиагностнческая информация_________________________53
2.3.2 Основные возможности частотного анализа__________________________54
2.3.3 Частотный анализ вибраций лабораторной установки_________________56
2.4 Экспериментальный модальный анализ_________________________________60
2.4.1 Основные положения экспериментального модального анализа_________60
2.4.1.1 Предположения модального описания______________________________61
2.4.1.2 Модель с .модальными параметрами ______________________________62
2.4.1.3 Модальные параметры__________________________________________ 63
2.4.1.4 Модальное пространство_________________________________________66
2.4.2 Экспериментальное определение модальных параметров лабораторной
установки______________________________________________________________68
2.5 Методика статистическою анализа внбросигнала_______________________73
3. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРА _____________________________75
3.1 Математическая модель ротора_______________________________________75
3.1.1 Конечно-элементная модель________________________________________76
3.1.2 Этапы расчета конечно-элементной модели_____________________ __ 78
3.1.3 Статический анализ_______________________________________________78
3.2 Аналитический анализ мод колебаний_________________________________79
3.2.1 Основные положения модального анализа____________________________79
3.2.2 Последовательность метода сложения форм колебаний_______________ 82
3.2.3 Динамический анализ______________________________________________86
3.3 Параметры усталостных трещин_______________________________________89
3.3.1 Закономерности развития усталостных трещин_______________________89
3.3.2 Основные параметры усталостных трещин в испытываемых образцах 90
3.3.2.1 Получение усталостных трещин резонансными методами ___________.90
3.3.2.2 Определение скорост и роста трещины____________________________94
3.4 Расчет напряжений в образцах_______________________________________96
3.4.1 Применение модального анализа для вычисления напряжений 96
4
3.4.2 Определение погрешности подсчета напряжений___________________101
3.5 Расчет коэффициентов жесткости лабораторной установки___________104
3.5.1 Кинематические соотношения подшипников качения________________104
3.5.2 Жесткости опор установки - подшипников качения________________105
3.5.3 Жесткости корпусов опор_______________________________________108
3.6 Расчетное исследование влияния технологических погрешностей роторной системы____________________________________________________110
3.6.1 Дифференциальные уравнения движения системы___________________110
3.6.1.1 Дифференциальные уравнения, описывающие колебания неуравновешенного ротора____________________________________________111
3.6.1.2 Дифференциальные уравнения движения системы относительно неподвижной системы координат_______________________________________114
3.6.2 Дифференциальные уравнения, описывающие колебания при несоосностн в роторной системе__________________________________________________115
3.6.3 Решение дифференциальных уравнений с различными неисправностями в
роторной системе 120
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ТРЕЩИНЫ В РОТОРЕ______________________________________________________________124
4.1 Диагностическая модель роторной системы_________________________124
4.1.1 Выбор диагностических признаков_______________________________124
4.1.2 Эмпирическая диагностическая модель 125
4.2 Диагностика усталостной трещины на основе разработанной диагностической модели______________________________________________128
4.2.1 Процедура диагностики роторной системы________________________128
4.2.2 Определение глубины трещины___________________________________130
4.2.3 Определение местоположения трещины____________________________134
4.2.4 Диагностика лабораторной установки с помощью предложенной диагностической модели______________________________________________136
ЗАКЛЮЧЕНИИ___________________________________________________________139
ЛИТЕРАТУРА___________________________________________________________141
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Словарь диагностических неисправностей в роторной
системе______________________________________________________________151
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Чертежи лабораторной установки__________________________155
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Тестирование пакета прикладных программ STARDYNE 165 ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Собственные формы роторной системы______________________176
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В современной промышленности наблюдается тенденция к увеличению сложности и производительности машинного оборудования, вследствие чего увеличиваются эксплуатационные затраты на его приобретение, ремонт и техническое обслуживание. В различных отраслях промышленности эти затраты составляют от 6 до 18% стоимости конечной продукции и их величина бывает сравнима с прибылью предприятия. Это привело к повышению интереса к таким схемам техническою обслуживания, которые обеспечивают максимальное время бесперебойной эксплуатации, безопасность персонала и сохранность оборудования. Например, по данным фирмы Вгие1 & К]аег [72, 95, 96. 113], убытки при выходе из строя бумагоделательной машины могут составить до $3000 в час, оборудования ядерной электростанции - до 51000000 в день.
Кроме того при, применении реактивного или реагирующего технического обслуживания, заключающегося в эксплуатации машины до отказа, затраты на замену узлов оборудования, вышедшего из строя в результате аварии в среднем в 10 раз превышают стоимость ремонта или технического обслуживания тех же узлов при вовремя обнаруженном дефекте. Поэтому метод эксплуатации до отказа был практически повсеместно заменен на метод планово профилактическою технического обслуживания с проведением через определенные интервалы времени запланированных остановок машин и оборудования для замены определенной части узлов и деталей. Успешная программа такою обслуживания может обеспечить более чем 30%-ное снижение эксплуатационных затрат относительно расходов при эксплуатации до отказа. Недостатком данного метода обслуживания является то, что нормативы периодичности устанавливаются по средним групповым показателям, обеспечивая вероятность аварии порядка 2...5%. Реальный опыт эксплуатации показывает, что от 2 до 10% новых деталей имеют дефекты изготовления, которые могут привести к быстрому выходу замененной детали из строя, а также вызвать повреждения других нормально функционирующих деталей. Например, среднемесячное время простоя бумагоделательной машины из-за поломок при применении данною метода составляет около 1200 минут [96]. Кроме того, если такое обслуживание проводится для всего парка оборудования предприятия, то выполняется большой объем работ по
6
обслуживанию бездефектного оборудования, состояние которого нс требует проведения ремонта, в результате чего заменяются еще работоспособные узлы и детали. Кроме того, регулярные остановы и разборки машин нарушают приработку деталей, сокращая срок их службы.
В целях обеспечения стабильной работы оборудования необходимо перестраивать тактику технического обслуживания и переходить к методу обслуживания по техническому состоянию, при котором безразборный контроль параметров состояния машинного оборудования обеспечивает проведение ремонта только в случае его необходимости.
Описание технического состояния машинного оборудования может осуществляться путем измерения, анализа и контроля характеристик вибрации, возникающих в процессе работы любых машин, поскольку большинство распознаваемых дефектов, которые могут возникать в агрегате, имеют определенные диагностические признаки и параметры, предупреждающие о том, что дефекты присутствуют, развиваются и могут привести к отказу. Исходной информацией для анализа является вибросигнал, снимаемый с датчика, установленного на корпус машины. После обнаружения неисправности по увеличенному уровню вибраций путем дальнейшего анализа вибросигнала устанавливается вид этой неисправности, оценивается степень се развития и может быть спрогнозировано время достижения критического состояния. Внедрение метода обслуживания по техническому состоянию на основе вибродиагностики увеличивает эффективность производства на 2-10% для различных отраслей промышленности, внеплановый объем работ, вызванный чрезвычайными ситуациями сокращается до 5% и менее, а время простоя оборудования составляет не более 3% от времени затраченного на техническое обслуживание, и снизило среднее время простоя бумагоделательной машины из-за поломок на 81%, повысило надежности карьерных экскаваторов с 45% до 65%, увеличило срок службы роторных машин обогатительного оборудования железорудного карьера в 2...5 раз, снизило затраты энергии на 1..15%. По данным Scientific Atlanta и ежегодно публикуемым сведениям министерства энергетики США при внедрении обслуживания оборудования по техническому состоянию происходило снижение удельных затрат примерно на 10% в энергетике, в нефтехимической промышленности на 25-30%. на военно-морском флоте на 35-40%.
7
Значительная часть машинною оборудования, включенного в программы обслуживания по техническому состоянию, содержит ротора и в 7-9% случаев в судовых энергетических установках происходит отказ из-за усталостною разрушения турбин и ее деталей, 5-10% отказов в дизельных двигателях связано с возникновением усталостных трещин и родственных с ними эффектов, 48% отказов авиационных двигателей связано с накоплением усталостных повреждений, 1-5% случаев происходит отказ из-за усталостного разрушения его деталей, такие аварии приводят к катастрофическим последствиям, как для оборудования, так и для персонала обслуживающего эти агрегаты. Поэтому разработка новых простых и эффективных методов вибродиагностики зарождающихся усталостных трещин в роторах является актуальной проблемой.
Цель диссертации состоит в разработке более эффективного по сравнению с существующими метода вибродиагностики усталостных трещин в роторах на ранней стадии их развития в режиме эксплуатации с учетом их изгибной податливое ги при наличии других дефектов (геометрические дефекты типа дисбаланса, несоосности дефекты подшипников качения, электродвигателя), а также внедрения результатов теоретического и экспериментального исследования в практику расчета и проектирования роторных машин. Метод основан на применении диагностической модели, базирующейся на вероятностных методах и модальном анализе, позволяющей определить параметры технического состояния ротора по экспериментальным параметрам вибраций, определить глубину и местоположение трещины.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Впервые применен метод вибродиагностики ротора для диаг ностики зарождающихся усталостных трещин на фоне развития других дефектов в режиме эксплуатации, в котором, в отличие от существующих, предложены функциональные зависимости от измеренных значений виброускорений подшипниковых узлов.
2. На основании теоретически-экспериментального подхода разработана диагностическая модель усталостной трещины, которая позволяет по результатам измерения вибраций и проведения модального анализа получить закономерности изменения модальных вкладов ротора, определяющих частотный диапазон проявления усталостной трешнны на ранних стадиях
8
развития, что повышает вероятность выявления усталостных трещин вибрационными методами.
3. Для определения коэффициентов податливости в динамической системе была использована конечно-элементная модель, позволяющая с предельной точностью моделировать зарождение трещины в роторе, параметры модели были получены и скорректированы на основе экспериментальных исследований, проведенных с использованием современной аппаратуры.
4. На основе предложенною метода с помощью диагностической модели выявлены новые более чувствительные, но сравнению с традиционными, информативные характеристики усталостных трещин позволяющих идентифицировать, локализовать и определять степень ее развития.
5. На основе теоретическою и экспериментального модального анализа, а также измеренных характеристик вибросигнала посчитаны СК'О напряжений в месте зарождения усталостной трещины, по которым можно определить скорость роста трещины и посчитать остаточный ресурс конструкции.
6. Впервые выведена экспоненциальная зависимость между глубиной трещины и расстоянием между боковыми полосами в виброскорости, вызванная нелинейным изменением жесткости и демпфирования системы.
7. Детально исследованы информативные характеристики вибросигналов, и на основе этого предложена новая, определяющая степень развития зарождающейся усталостной трещины: пролифтрованный кепстр виброскорости, полученный но двухстороннему комплексному спектру.
Достоверность полученных результатов оценивается путем сопоставления результатов корректного применения методов расчета при исследовании динамики роторов и результатов эксперимента, выполненного на лабораторной установке с использованием современной аппаратуры. Глубина трещин уточняется после разрыва образцов.
Практическая значимость работы. Применение предложенного метода виброднагностики позволяет существенно упростить и автоматизировать процедуру индикации и идентификации зарождающихся усталостных трещин or других неисправностей. Результаты, полученные в ходе исследования, могут использоваться при прочностных расчетах роторов, разработанная диагностическая модель может быть применена для других задач диагностики.
9
Разработанные на основе данного метода средства диагностики -предназначены для использования в автоматических, основанных на применении ЭВМ, системах контроля технического состояния машинного оборудования, а также для лабораторных исследований вибрации различных механизмов в целях поиска новых симптомов неисправностей. В более простых системах контроля технического состояния, базирующихся на аппаратных средствах, для индикации зарождающихся усталостных трещин на фоне других неисправностей роторной системы могут применяться симптомы, выявленные в процессе исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: Asia-Pacific Vibration Conference'97 (Korea, Kyongju, 1997); III Научно-техническая конференция «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1997); International Conference on Vibration Engineering (Dalian, China, 1998); Integrating Dynamics Condition Monitoring and Control for the 21st Century (Manchester, United Kingdom, 1999); IV международная Научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" (Курск, Россия, 1999); Межгосударственный научно-технический семинар "Виброакустические процессы в технологиях, оборудовании и сооружениях отраслей лесопромышленного комплекса" (Екатеринбург, УГЛТА, РАПП, 1999); Asia-Pacific Vibration Conference’99 (Singapore, 1999); 2rJ Asia-Pacific Conference on System Integrity and Maintenance & Exhibition (Nanghin, China. 2000); Международная межвузовская школа-семинар "Методы и средства технической диагностики" (г. Йошкар-Ола, Россия, 2000); и научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 1997-2000).
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Иванов Д.Ю., Малышева Т.В. Диагностическая модель подшипников скольжения движущегося автомобиля // Сборник докладов и материалов III международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". Курский ГТУ, 1997. -сгр. 42-45.
2. Malysheva T.V., Sudarchikov V.A., Ivanov D.U. Crankshaft Diagnostical model of engine of Transport Vehicle (TV). U Proceedings of Asia-Pacific Vibration Confercncc’97. - Kyongju, Korea, 1997. - P. 646-649.
10
3. Zakhczin A.M., Malysheva T.V., Ivanov D.U. The evaluation of the influence of elastic-viscous properties of a crane-runway on the transport-technological vehicle (174') random fluctuations. // Proceedings of International Conference on Vibration Engineering, Dalian, China. 1998. P. 342-346.
4. Zakhezin A.M., Malysheva T.V., Rabinovich Y.M. The prediction of the vibration level of the transport technological vehicle (TTV) at various design stages. // Proceedings of Integrating Dynamics Condition Monitoring and Control for the 21st Century, Manchester, United Kingdom. 1999. P 459-463.
5. Захезин A.M., Малышева T.B., Колосова O.l I. Определение глубины и местоположения трещины в системе ротор-вал на подшипниках скольжения с помошыо модального анализа. // Сборник докладов и материалов IV международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". Курский ГТУ, 1999. -стр. 186-189.
6. Захезин Л.М., Малышева Т.В. Применение модального анализа для диагностики трещины в роторных системах на подшипниках скольжения // Сборник докладов Межгосударственного научно-технического семинара "Виброакустнческие процессы в технологиях, оборудовании и сооружениях отраслей лесопромышленного комплекса". Екатеринбург: УГ'ЛТА, РАЕН, 1999. - стр. 23-28.
7. Zakhezin A.M., Malysheva T.V., Ivanov D.U. The Vibrodiagnostics of a ctackcd rotor supported by the journal bearings II Proceedings of Asia-Pacitic Vibration Conference’ 99, Singapore, 1999. - P. 456-460.
8. Zakhezin A.M., Malysheva T.V. Modal analysis of cracked rotor supported by the journal bearings // Proceedings of ACSIM'2000 Nanghin, China, 2000. P. 789-794.
9. Захезин A.M., Малышева Т.В. Вибрационные методы диагностики надземных трубопроводов обвязки технологического оборудования компрессорной станции. П Сборник докладов Международной межвузовской школы-семинара "Методы и средства технической диагностики" г. Йошкар-Ола, Россия, 2000. Стр. 45-50.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований; изложена на 151 страницах машинописного текста; содержит 64 рисунков. 13 таблиц, 4 приложений; оформлена в соответствии с ГОСТ 7.32-82.
11
1 . СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНЫХ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Обоснование выбора объекта исследования
В настоящее время в промышленности и на транспорте находят широкое применение высокооборотные тяжелонагруженныс роторные машины. Малый удельный вес, высокая удельная мощность, возможность применения различных видов топлива, сравнительно низкие затраты на изготовление и эксплуатацию ведут к расширению областей применения роторных машин. Газовые турбины, ротационные компрессоры, различные электрические машины широко применяются в авиации, металлургии, судостроении, химической, газовой, нефтехимической, криогенной, автомобилестроении и во многих других отраслях промышленности. Центрифуги, веретена, гироскопические приборы, нагнетатели, шлифовальные станки, турбогенераторы, турбокомпрессоры, электродвигатели и сепараторы - вот далеко не полный перечень роторных машин, составляющих основу современной промышленности.
Появление трещины в роторе приводит к катастрофическим поломкам, остановке всей машины и требует больших затрат на восстановление и запуск всей машины. Как показали исследования около 5% всех отказов в судовых системах были вызваны появлением трещины у вращающихся деталей [38], 7-9% случаев в судовых энергетических установках происходит отказ из-за усталостного разрушения турбин и ее деталей, 5-10% отказов в дизельных двигателях связано с возникновением усталостных трешин и родственных с ними эффектов, 48% отказов авиационных двигателей связано с накоплением усталостных повреждений [10]. Разрушение элементов конструкций при переменных нагрузках происходит обычно постепенно вследствие накопления микроповреждений, переходящее постепенно в развивающиеся усталостные трещины. Поэтому очень важно диагностировать трещину на ранних стадиях ее появления. Традиционное статическое определение трещины обеспечивает медленное распознавание процесса и не может применяться в процессе работы или недостаточно нагруженном режиме. С другой стороны, в процессе
эксплуатации определение трещины методами ультразвукового контроля, инфракрасного излучения или электрическими методами не может обеспечить эффективный контроль из-за различных шумовых помех в работающей машине. С помощью методов вибродиагностики можно объективно оценить техническое состояние объекта в любой момент периода cio эксплуатации с минимальными затратами времени. Опыт эксплуатации показывает, что за счет применения вибродиагностики производительность машинно-тракторного парка увеличивается на 15-20%, расход топлива и запасных частей снижается до 20% (23]. Погрешности деталей и монтажа проявляются при функционировании собранной машины через характеристики вибраций корпуса подшипниковых узлов и связанных с ним деталей. Вибрации отражают динамические процессы, протекающие внутри агрегата и вызываемые изменением взаимного положения его деталей и их соударениями в процессе эксплуатации.
Вследствие этого возникает задача диагностирования системы, состоящей из вала, дисков, поддерживаемых подшипниками. Сложность диагностирования такой системы состоит в том, что практически все виды дефектов, определяющих ресурс механизмов, изменяют параметры сигнала вибрации. Причем дефекты подшипниковых узлов, неуравновешенность ротора, погрешности сборки и монтажа машины проявляются на одних и тех же частотах, что и растущая трещина. Для построения достаточно полной диагностической модели закон системы с максимальным использованием вибродиапюстических параметров необходима систематизация результатов исследований вибрации при наличии распространенных дефектов. Многочисленные экспериментальные наблюдения показали, что заметные изменения в вибросигнале начинаются при достижении трещины глубины примерно 30% от площади, то есть она практически достигает критической длины, и данный элемент конструкции переходит в критическое состояние разрушения. Эго объясняется тем, что зарождающаяся трещина обладает малой по сравнению с другими неисправностями виброактнвностью, поэтому приходится иметь дело с незначительными вибросигналами которые тонут на фоне помех. Поэтому для эффективного диагностирования зарождающейся трещины необходимо первичные внбропреобразователи максимально приблизить к источнику колебаний и иметь специальное обеспечение, что не всегда осуществимо. Другой причиной является то, что вибросигнал снимается
13
с корпуса подшипников, поэтому в нем неизбежно будут присутствовать компоненты вызванные колебательным процессом подшипниковых узлов, которые происходят на тех же частотах что и зарождающаяся трещина. Частотный состав виброакустического поля подшипниковых узлов будет определяться спектральными компонентами, которые обусловлены наличием дисбаланса и ударного взаимодействия тел подшипниковых узлов, а также качеством смазки. Вследствие этого, возникает задача исследования виброактивности подшипников с целью установления связи между типом и степенью развития дефекта с одной стороны и характером изменения вибросигнала с другой стороны.
Таким образом, с точки зрения повышения надежности и безопасности работы конструкций, содержащих в себе ротора поддерживаемые подшипниками, необходимо оценивать техническое состояние такой системы, и своевременно принимать меры, обеспечивающие его долговременное функционирование. Поэтому выбор в качестве объекта исследования вала с дисками, поддерживаемых подшипниками, обусловлен повышением долговечности конструкции и снижением затрат, вследствие уменьшения объема произведенной работы из-за отказов и поиска их причин, повышением эксплуатационного КПД из-за своевременного поддержания и восстановления технического состояния, и снижением трудовых затрат на ремонт и обслуживание машины.
1.2 Общие положения виброакустической диагностики
роторных машин. 1 2.1 Цели и задачи виброакустической диагностики
Виброакустическаи диагностика раздел технической диагностики [1,2, 4, 18, 681, включающим теорию и методы организации процессов
распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.
Виброаукстнческин сигнал - сигнал пироперемешения, виброскорстн или виброускорення, снимаемый с датчика, установленного, как правило, на корпус подшипника в целях приближения датчика к источнику колебаний и повышения информативности вибросигнала. Ориентация датчика может быть как радиальной, так и осевой.
14
Основной целыо технической диагностики различных объектов является определение их состояние без разборки, прогнозирование состояния на заданный период эксплуатации или, при наличии отказа, выявление его причины [1, 4, 18, 42]. Целью вибрационной диагностики является также определение н прогнозирование вибрационного состояния объекта, а при наличии акустического отказа выявления его причин (I, 18, 47, 68].
Техническое состояние объекта - это полная минимальная совокупность параметров состояния, характеризующая структурные и функциональные свойства объекта при диагностике в пространстве состояний или полная минимальная совокупность диагностических параметров при диагностике в пространстве признаков.
Система диагностирования в самом общем случае состоит их грех элементов: объекта диагностирования, технических средств диагностирования и человека оператора. Объектом виброакустического диагностирования могут быть любые технические объекты, функционирование которых сопровождается возбуждением колебаний. Технические средства диагностирования представляют совокупность средств, с помощью которых оценивают состояние объекта [9, 23,42,61].
В процессе диагностирования решают следующие задачи:
• определяют, может ли технический объект по своему состоянию выполнять возложенные на него функции:
• определяют характер дефекта, возникшего в объекте;
• предсказывают момент времени, когда диагностические показатели достигнут определенного значения или когда объект потеряет работоспособность [42].
К основным задачам акустической динамики машин можно отнести:
• возникновение звука;
• акустическая диагностика;
• распространение звуковой энергии по машинным конструкциям и их излучение в воздух;
• снижение уровней акустических сигналов машин 111.
Гак как современная виброакустическая диагностика базируется на достижениях в области акустической динамики машин, и в то же время
15
является разделом машинной технической диагностики, поэтому задачами виброакустической диагностики являются:
• диагностика состояния технического обьекта;
• оценка запаса устойчивости, износа, надежности;
• задачи классификации состояний;
• разделение источников вибраций и шумов;
• определение динамических харакгеристик механических систем [ 1,68].
1.2.1.1 Диагностика состояния технического объекта
Оценить состояние технического объекта можно, наблюдая за выполнением возложенных на него функций (функциональное диагностирование) или подавая на объект внешние воздействия и наблюдая за его реакцией (тестовое диагностирование).
Функциональное диагностирование заключается в обработке информации, характеризующей качество функционирования объекта. При функциональном диагностировании, воздействия, поступающие на основные входы объекта, заданы его рабочим алгоритмом функционирования, поэтому они не могут выбираться, исходя из условий эффективности организации процесса диагностирования.
При тестовом диагностировании на вход объекта диагностирования подаются специальные тестовые воздействия, и по реакции объекта на эти воздействия оценивается его техническое состояние. Выполнение тестового диагностирования требует специальных генераторов, которые вырабатывают тестовые воздействия, подаваемые в объект диагностирования и стимулирующие его реакцию. Тестовые воздействия могут подаваться на основные входы объекта диагностирования - входы, используемые при применении объекта по назначению, и дополнительные входы, организованные специально для диагностирования (42, 61].
Спецификой виброакустической диагностики роторных машин и механизмов в рабочих условиях является недоступность точек приложения сил для непосредственного измерения рабочих воздействий, что практически исключает возможность использования тестовых методов. Вследствие этого основные приемы виброакустической диагностики роторных машин и механизмов базируются на функциональном подходе.
16
1.2.1.2 Опенка запаса устойчивости, износа, надежное!и ротороп.
Одной из важнейших проблем вибродиагностики роторных машин является прогнозирование состояния, заключающееся либо в предсказании состояния объекта в прогнозируемый момент времени, либо временного интервала, в течение которого объект не изменит своего состояния. В работе [4] даны описания методов прогнозирования роторов на основе экстраполяции ретроспективных данных, методы экспертных оценок и методы моделирования. Задача прогнозирования технического состояния объекта аналитическими методами состоит в получении массива ретроспективных значений прогнозируемого параметра, его анализа и определении тренда в виде аппроксимирующей функции.
В работе [23] рассмотрены методы прогнозирования остаточного ресурса автотракторных двигателей при помощи вероятностных кривых безотказной работы различных деталей двигателей. Приведена сравнительная оценка надежности двигателей в эксплуатационных условиях с применением диагностики в системе технического обслуживания.
Для оценки параметрической надежности модели роторной системы используют спектральный или корреляционный анализ выходного сигната. Параметрическую устойчивость измеряют с помощью функции распределения вероятности. Степень износа деталей определяют с помощью обобщенной погрешности, являющейся зависимостью от функции автокорреляции сигнала
[I]
В работе [68] говорится о прогнозировании виброреологических процессов в судовых двигателях, изменения параметров с помощью адаптивных методов линейной фильтрации, о прогнозировании процессов с детерминированными основами, а также о прогнозировании процессов с помощью фильтров Калмана.
Диагностирование текущего состояния и количественная оценка надежности методов обнаружения трещин и трещи неподобных дефектов дастся в работе [10]. Оценка запаса устойчивости, износа и надежности может быть дана с использованием трех видов информации: данные текущего поиска дефектов в процессе эксплуатации; данные о нагрузках и других условиях взаимодействия с окружающей средой; весь объем априорных данных о материалах, элементах, узлах и нагрузках. Обнаружения трещины в конструкции дается с помощью вероятностных оценок. Прогнозирование
- Київ+380960830922