Вибродиагностика роторной системы на подшипниках качения

РЕФЕРАТ
2
В диссертации изложены результаты расчетных и экспериментальных исследований виброактивности роторной системы на подшипниках качения, на основе которых разработан метод вибродиагностики роторной системы, заключающийся в применении вибродиагностической модели для получения параметров технического состояния объекта.
Для изучения вибраций роторной системы на подшипниках качения была разработана и изготовлена лабораторная установка, составлена ее расчетная схема, рассчитаны инерционные и жесткостные параметры. Экспериментальные исследования виброактивности роторной системы на подшипниках качения включили построение системы измерения вибраций, создание программного комплекса частотного и статистического анализа сигналов, проверку на стационарность и эргодичность, анализ частотного содержания результатов измерения.
Расчетными методами исследована динамика роторной системы на подшипниках качения при различных значениях параметров технического состояния. Разработана и программно реализована диагностическая модель для диагностики двух наиболее распространенных и принципиально различных групп дефектов роторной системы: повреждения контактирующих поверхностей подшипника и дефектов изготовления и монтажа типа дисбаланса ротора, несоосносги валов. Модель представляет собой систему алгебраических уравнений, связывающих измеренные вибросигналы с параметрами технического состояния. Анализ экспериментальных данных, проведенный с помощью предложенной модели, подтверждает се эффективность для диагностики рассматриваемых дефектов.
Разработаннный программный комплекс частотного и статистического анализа сигналов может использоваться как для всесторонней обработки результатов измерения вибраций изучаемых объектов в лабораторных условиях, так и для работы в составе автоматической системы контроля состояния машинного оборудования в условиях эксплуатации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 130 наименований; изложена на 150 страницах машинописного текста; содержит 65 рисунков, 27 таблиц, 6 приложений; оформлена в соответствии с ГОСТ 7.32-82.
СОДЕРЖАНИЕ
З
ВВЕДЕНИЕ ............................................................. 7
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ __________________________________12
1.1. Развитие систем контроля технического состояния машнн 12
1.2. Словарь симптомов неисправностей машин _____________________________ 13
1.3. Принципы контроля технического состояния машин______________________14
1.3.1. Эмпирический подход к проблеме контроля состояния машин _______15
1.3.2. Феноменологический подход______________________________________17
1.4. Особенности контроля технического состояния роторных систем на подшипниках качения______________________________________________________19
1.4.1. Особенности вибросигнала корпуса подшипника ; 20
1.4.2. Простейшие методики диагностики подшипников качения ___________20
1.4.3. Эмпирический подход____________________________________________21
1.4.4. Преимущества и перспективность разработки феноменологического подхода________________________________________________________________23
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ___________________________________________24
2.1. Лабораторная установка______________________________________________24
2.1.1. Конструкция лабораторной установки_____________________________24
2.1.2. Подшипники качения_____________________________________________25
2.2. Измерение вибраций роторной системы на подшипниках качения__________27
2.2.1. Измерительная система__________________________________________27
2.2.1.1. Датчик ускорения___________________________________________28
2.2.1.2. Усилитель сигналов_________________________________________28
2.2.1.3. Осциллограф________________________________________________29
2.2.1.4. Магнитограф________________________________________________29
2.2.1.5. Генератор сигналов_________________________________________30
2.2.1.6. Аналого-цифровой преобразователь___________________________30
2.2.1.7. ЭВМ________________________________________________________32
2.2.2. Калибровка измерительной системы_______________________________33
2.2.3. Методика и результаты измерения вибраций______________________ 38
4
2.3. Методика частотного анализа вибросигнала 40
2.3.1. Исходная вибродиагностичсская информация __________________________40
2.3.2. Основные возможности частотного анализа_____________________________41
2.3.3. Быстрое преобразование Фурье (БПФ)__________________________________42
2.3.4. Взвешивание сигнала во временной области.___________________________45
2.3.4.1. Выбор окна взвешивания 46
2.3.4.2. Окна на основе тригонометрического ряда 48
2.3.5. Спектр мощности_____________________________________________________50
2.3.6. Частотные характеристики широкополосных сигналов____________________53
2.3.6.1. Функция автокорреляции__________________________________________53
2.3.6.2. Кепстр мощности________________________________________________ 53
2.3.6.3. Комплексный кепстр 54
2.3.7. Анализ узкополосных сигналов________________________________________55
2.3.7.1. Преобразование Гильберта________________________________________55
2.3.7.2. Амплитудная огибающая сигнала___________________________________56
2.3.7.3. Частотная модуляция сигнала_____________________________________56
2.4. Методика статистического анализа вибросигнала____________________________57
2.4.1. Проверка стационарности и эргодичности 57
2.4.1.1. Критерий серий ._______________________________________________58
2.4.1.2. Критерий инверсий ____________________________________________58
2.4.1.3. Критерий Уилкоксона____________________________________________59
2.4.2. Закон распределения вероятностей____________________________________59
2.4.3. Безразмерные амплитудные дискриминанты______________________________60
2.5. Обработка результатов измерения вибраций роторной системы на подшипниках качения_____________________________________________________62
2.5.1. Программный комплекс обработки вибродиагностической информации_________________________________________________________________62
2.5.1.1. Назначение, основные возможности и характеристики_______________62
2.5.1.2. Тестирование программного комплекса ; 63
2.5.2. Статистический анализ результатов измерения вибраций________________64
2.5.2.1. Проверка стационарности________________________________________64
2.5.2.2. Проверка эргодичности__________________________________________65
2.5.3. Частотный анализ результатов измерения вибраций_____________________67
2.5.3.1. Экспериментальное определение собственных частот роторной системы.________________________________________________________________67
2.5.3.2. Идентификация спектральных компонент____________________________68
5
3. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ 72
3.1. Методика расчет роторных систем на подшипниках качения_____________72
3.2. Расчетная схема лабораторной установки-----------------------------76
3.2.1. Параметры подшипников качения лабораторной установки___________78
3.2.2. Инерционные и жесткостные параметры расчетной схемы лабораторной установки_____________________________________________________________81
3.2.2.1. Инерционные параметры_____________________________________.81
3.2.2.2. Изгибные податливости вала .81
3.2.2.3. Жесткости опор установки - подшипников качения_____________82
3.2.2.4. Жесткости корпусов опор : 84
33. Исследование свободных колебаний механической системы ротор-опоры-
корпус 85
3.3.1. Свободные колебания роторной системы с учетом упругих свойств ротора, подшипников качения и корпуса_________________________________85
3.3.2. Резонансные частоты роторной системы при кинематическом возбуждении на левой опоре __________________________________________92
3.4. Источники возбуждения вибраций роторной системы на подшипниках качения _____________________________________________________________ 94
3.4.1. Силовое возбуждение 94
3.4.2. Кинематическое возбуждение____________________________________ 96
3.4.3. Параметрическое возбуждение___________________________________101
3.5. Разработка модели роторной системы на подшипниках качения_________102
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ ПА ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ________________________________105
4.1. Применение статистических характеристик вибросигнала в диагностических целях 105
4.1.1. Симптомы локальных дефектов поверхностей подшипника качения 105
4.1.2. Методы повышения информативности статистических характеристик 107
4.1.3. Методика индикации локальных дефектов поверхностей подшипника качения на ранней стадии развитии____________________________________112
4.2. Диагностика роторной системы на основе линейной диагностической модели______________________________________________________________________________ 113
4.2.1. Линейная модель возбуждения вибраций роторной системы___________113
4.2.2. Методика диагностики на основе спектрального анализа результатов измерения вибраций ___________________________________________________ 117
4.2.3. Методика диагностики на основе частотного анализа структуры вибросигнала ______ 122
4.3. Разработка диагностической модели роторной системы с учетом особенностей подшипника качения 126
4.3.1. Особенности возбуждения вибраций роторной системы на подшипниках качения________________________________________________________________126
4.3.2. Диагностическая модель с двумя входными и двумя выходными процессами ___________________________________________________________129
4.3.3. Диагностика лабораторной установки с применением __________________
диагностической модели___________________________________________131
4.4. Основные выводы и рекомендации по диагностике роторных систем на подшипниках качения_______________________________________________________139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ__________________________________________________________________141
ЛИТЕРАТУРА__________________________________________________________________143
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Словарь симптомов неисправностей машин
и механизмов________________________________________151
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Лабораторная установка для изучения вибраций роторной
системы на подшипниках качения______________________163
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Применение окон взвешивания в спектральном анализе
сигналов методом дискретного преобразования Фурье_ 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Тестирование программного комплекса частотного и
статистического анализа сигналов____________________180
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Инерционные характеристики лабораторной
установки___________________________________________198
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Тестирование программного модуля диагностической
модели______________________________________________205
ВВЕДЕНИЕ
7
Актуальность работы. В современной промышленности наблюдается тенденция к увеличению размеров, сложности и производительности машинного оборудования, вследствие чего возрастают капитальные затраты на его приобретение, ремонт и техническое обслуживание. Это привело к повышению интереса к таким схемам технического обслуживания, которые обеспечивают максимальное время
бесперебойной эксплуатации, поскольку простой оборудования приводит к значительным убыткам из-за потерь продукции. Например, по данным фирмы 13гис1 & К^аег [101, ИЗ, 114, 123], убытки при выходе из строя 15-кубового карьерного экскаватора могут составить до $500 в час, бумажной машины - до $3000 в час, оборудования ядерной электростанции - до $ 1000000 в день.
Кроме того, при применении традиционного подхода к проведению технического обслуживания, заключающегося в эксплуатации машины до отказа, затраты на замену узлов оборудования, вышедшего из строя в результате аварии, значительно превышают стоимость ремонта или технического обслуживания тех же узлов. Так замена мотора-генератора экскаватора обходится в $250000, а его ремонт составляет не более $100000.
Поэтому метод эксплуатации до отказа был практически повсеместно заменен на метод периодического профилактического технического обслуживания (так называемого технического обслуживания по календарному графику), с проведением через определенные интервалы времени запланированных остановок машин и оборудования для замены определенной части узлов и деталей. Нормативы периодичности устанавливаются по средним групповым показателям, обеспечивая вероятность аварии порядка 2...5%. Следовательно, данный метод изначально предусматривает определенное число аварий, поскольку процесс деградации каждого отдельного механизма зависит от индивидуальных условий работы. Таким образом, для одного механизма из совокупности однотипных техническое обслуживание может оказаться преждевременным, а другой за этот же срок может выйти из строя. Например, среднемесячное время простоя бумажной машины из-за поломок при применении данного метода технического обслуживания составляет = 1200 минут. В то же время, находящиеся в надежном состоянии машины могут быть необоснованно остановлены для проведения технического обслуживания, в результате чего заменяются еще работоспособные узлы и детали. Например, срок службы таких распространенных узлов, как подшипники качения, может отличаться
8
в 30 раз в пределах одной партии. Кроме того, регулярные остановы и разборки машин нарушают приработку деталей, сокращая срок их службы.
Единственным действенным решением проблемы увеличения времени бесперебойной эксплуатации является внедрение современного метода 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 вибраций, возникающих в процессе работы любых машин, поскольку ухудшение их состояния (при разбалансировке вала, возникновении неисправности подшипника или зубчатой передачи и так далее) сопровождается увеличением уровня вибраций. Исходной информацией для анализа является вибросигнал - сигнал виброускорения (реже виброскорости), снимаемый с датчика, установленного на корпус машины в окрестности подшипникового узла.
После обнаружения неисправности по увеличенному уровню вибраций путем дальнейшего анализа вибросигнала устанавливается вид этой неисправности, оценивается степень ее развития и может быть спрогнозировано время достижения критического состояния. Это позволяет руководителям производства и специалистам по техническому обслуживанию заранее запланировать останов машины и подготовить необходимые запасные части.
Внедрение метода обслуживания по техническому состоянию на основе вибродиагностики обеспечило рост производительности оборудования на 1...3% для различных отраслей промышленности, полностью исключило серьезные аварии и снизило среднее время простоя бумажной машины из-за поломок на 81%, повысило надежность карьерных экскаваторов с 45% до 65%, увеличило срок службы роторных машин обогатительного оборудования железорудного карьера в 2...5 раз.
Значительная часть машинного оборудования, включенного в программы обслуживания по техническому состоянию, содержит роторные системы на подшипниках качения, причем в 40...80% случаев именно их техническое состояние является решающим фактором обеспечения безаварийной эксплуатации. Поэтому разработка новых простых и эффективных методов вибродиагностики роторных систем на подшипниках качения является актуальной проблемой.
Цель диссертации состоит в разработке более эффективного по сравнению с существующими метода вибродиагностики роторной системы на подшипниках качения в режиме эксплуатации применительно к наиболее распросграненным видам
9
дефектов (геометрические дефекты типа дисбаланса, несоосности и локальные повреждения дорожек подшипника). Метод основан на применении диагностической модели, позволяющей определить параметры технического состояния роторной системы на подшипниках качения по экспериментальным характеристикам вибраций.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Разработан метод вибродиагностики роторной системы на подшипниках качения в режиме эксплуатации, который в отличие от существующих предназначен не только для анализа влияния дефектов на характеристики вибраций, но и для решения обратной задачи: оценки параметров технического состояния по результатам измерения вибраций и разделения влияния разных дефектов на вибросигналы.
2. Разработанная нелинейная диагностическая модель роторной системы на подшипниках качения позволяет по результатам измерения вибраций получить зависимость силового возбуждения, вызванного геометрическими дефектами, и кинематического возбуждения от технологических погрешностей и эксплуатационных повреждений дорожек подшипника качения, что разделяет данные дефекты и существенно упрощает их диагностику.
3. На основе предложенного метода с помощью разработанной модели выявлены новые более чувствительные по сравнению с традиционными симптомы локальных дефектов поверхностей дорожек подшипника качения.
4. Предложен ряд усовершенствований в области обработки вибродиагностической информации (применительно к роторной системе на подшипниках качения) методами частотного и статистического анализа:
- составлена схема алгоритма быстрого преобразования Фурье с двоично-инвертированным входом;
- выбран тип окна взвешивания, наиболее эффективного для спектрального анализа;
- внесены изменения в алгоритм кепсарального анализа, исключающие обнаружение ложных периодичностей в спектре;
- применен сигнал частотной модуляции для более точного определения частоты спектральных компонент;
- предложен анализ виброрезкости, как альтернатива фильтрации в высокочастотной области;
10
- применены непараметрические критерии оценки стационарности и
эргодичности сигнала.
Достоверность полученных результатов оценивается путем сопоставления результатов расчета и эксперимента, выполненного на лабораторной установке. Разработанные программные средства - комплекс частотного и статистического анализа и реализация диагностической модели - проверены на тестовых сигналах.
Практическая значимость работы. Применение предложенного метода вибродиагностики позволяет существенно упростить и автоматизировать процедуру индикации и идентификации основных неисправностей роторных систем на подшипниках качения (геометрических дефектов типа дисбаланса, несоосности и дефектов дорожек подшипника - технологических погрешностей и локальных эксплуатационных повреждений).
Разработанные на основе данного метода средства диагностики - программная реализация диагностической модели роторной системы на подшипниках качения и программный комплекс частотного и статистического анализа сигналов -предназначены для использования в автоматических, основанных на применении ЭВМ. системах контроля технического состояния машинного оборудования, а также для лабораторных исследований вибраций различных машин и механизмов в целях поиска новых симптомов неисправностей. В болсс простых системах контроля технического состояния, базирующихся на аппаратных средствах, для индикации неисправностей роторной системы на подшипниках качения могут применяться симптомы, выявленные в процессе исследований.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: Прьвата национална конференция "Тъория на механизмите и машините" (Болгария, Варна. 1992); Asia-Pasific Vibration Conference’93 (Japan, Kitakyushu, 1993); Asia-Pasific Vibration Conference’95 (Malaysia, Kuala Lumpur, 1995); Asia-Pasific Vibration Conference’97 (Korea, Seoul, 1997); III Всесоюзная конференция "Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации" (Нижний Новгород, 1991); X Межвузовская школа-семинар "Методы и средства технической диагностики" (Йошкар-Ола, 1992); X международная школа- семинар "Надежность больших систем" (Екатеринбург, 1995); II Научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" (Курск. 1995); III Научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1997); и научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 1991-1999).
11
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Захезин Л.М., Юшина О.П., Афанасьев Ю.А. Вычислительный комплекс частотного анализа и мониторизации технического состояния механизма поворота экскаватора ЭКГ-20 // Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации". - Нижний Новгород, 1991. - С.49-51.
2. Захезин А.М., Юшина О.П. Диагностирование виброакустичсским методом и мониторизация параметров технического состояния механизма поворота экскаватора ЭКГ-20 // Тезисы докладов X Межвузовской школы- семинара "Мегоды и средства технической диагностики". - Йошкар-Ола, 1992. - С. 17.
3. Захезин А.М., Юшина О.П. Идентификация дефектов с использованием системы MATLAB// Сборник докладов Пръвата национална коференция "Тъория на механизмитеи машините". - Варна (Болгария), 1992.-С. 102.
4. Yushina О. Fault Diagnostics of Rolling Element Bearings // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'93. - Kitakyushu, Japan, 1993. - P. 1786-1789.
5. Юшина О.П. Феноменологический подход к проблеме контроля технического состояния подшипников качения // Сборник докладов и материалов II научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". - Курск: КГТУ, 1995. - С.65-70.
6. Юшина О.П., Маскаев А.В. Изучение вибраций подшипника качения в целях выявления симптомов неисправностей // Сборник докладов и материалов II научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". -Курск: КГТУ, 1995. - С.70-73.
7. Yushina О. Computer Programme for Frequency and Statistical Analysis of Signals //Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kuala Lumpur, Malaysia, 1995. - P.623-628.
8. Yushina O., Zakhezin A.M. The Phenomenological Approach to Rolling Element Bearings Diagnostics// Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kuala Lumpur, Malaysia, 1995. - P.769-774
9. Kolossova O. Non-linear Diagnostical Model of a Rotor System on Rolling Element Bearings // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kyongju, Korea, 1997. - P.650-653.
10. Колосова О.П. Диагностическая модель роторной системы на подшипниках качения // Сборник докладов и материалов III научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". - Курск: КГТУ, 1997. - С.70-73.
12
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. РАЗВИТИЕ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН
Использование данных по механическим колебаниям машинного оборудования для определения его технического состояния имеет долгую историю. С тех пор, как появились достаточно сложные механизмы, появилась и необходимость следить за их состоянием, выявлять и устранять неисправности. Опытные механики научились ставить диагноз на слух. Таким образом, первой системой виброакустического диагностирования стал человек, вооруженный опытом работы с машиной и знанием проявления ее неисправностей в виде вибрации и шума, обладающий также измерительной и анализирующей системами, каковыми являются его ухо и мозг.
С появлением измерительной аппаратуры, регистрирующей механические колебания машин, начала разрабатываться идея создания автоматической системы контроля технического состояния машин и оборудования.
Первоначально такая система базировалась на оценке уровней колебательной энергии в отдельных полосах частот [14, 33, 34, 60, 98]. Затем, с появлением частотных анализаторов, определяющих спектры механических колебаний объекта диагностирования методом быстрого преобразования Фурье (БПФ), системы безразборного контроля состояния машин стали ориентироваться на анализ спектров сигналов [4, 16, 20, 24, 31, 36, 42, 47, 66, 68, 92, 95, 100, 103, 115, 118]. Оба эти варианта имеют существенные недостатки, так как позволяют выявлять только несложные дефекты типа дисбаланса, несоосности, недостатка смазки и тому подобные или, устанавливая факт наличия неисправности, не позволяют установить ее характер, локализовать се или оценить степень ее развития. Например, эксплуатационные дефекты зубчатых передач и подшипников на ранней стадии развития невозможно диагностировать ни по уровням колебательной энергии, ни по спектрам. В данном случае необходимо использование более сложных методов анализа вибросигналов.
Одной из наиболее развитых является система контроля технического состояния машин, разработанная датской фирмой Вше! & К|аег [58, 101, 113, 114]. Данная
13
система состоит из портативного частотного анализатора, персональной ЭВМ и работает следующим образом. Осуществляется сбор информации с точек измерения, определяются спектры сигналов, которые затем сравниваются с установленными для каждой измерительной точки опорными и предельными профилями, построенными по увеличенному на соответственно 8 и 20дБ спектру сигнала в этой точке, снятому в исправном состоянии. В случае превышения текущим спектром предельного профиля выдастся сообщение об аварийном состоянии и необходимости немедленного прекращения эксплуатации машины. В случае превышения текущим спектром опорного профиля выдается сообщение о появлении неисправности. Затем в целях установления вида и места появления неисправности проводится тщательный анализ сигнала с использованием различных процедур предварительной и последующей обработки информации, таких, как узкополосный спектральный анализ, кепстральный анализ для диагностики зубчатых зацеплений, анализ огибающей для диагностики подшипниковых узлов и так далее. После установления вида дефекта проводится определение времени перерастания дефекта в поломку с тем, чтобы запланировать ремонт или техобслуживание еще до выхода оборудования из строя. Для этого аппроксимацией данных по всем предыдущим измерениям определяется время достижения предельного уровня.
1.2. СЛОВАРЬ СИМПТОМОВ НЕИСПРАВНОСТЕЙ МАШИН
После изучения литературы по вибродиагностике машинного оборудования был составлен словарь симптомов неисправностей, приведенный в приложении I.
Симптомом является определенное изменение некоторой характеристики вибросигнала при появлении и развитии неисправности. Симптом выявляется по наиболее информативному для данной неисправности представлению вибросигнала, например, по спектру, кепстру или функции распределения вероятностей. В качестве симптома могут быть выбраны увеличение амплитуды некоторых компонент спектра, кепстра или моментных характеристик функции распределения вероятностей, появление в спектрах амплитудной или частотной модуляции гармонических рядов информативных частот.
Цель проведенной работы состоит в определении связи между характеристиками вибросигнала и техническим состоянием диагностируемого механизма. Данные рекомендации по выбору наиболее информативных представлений вибросигнала и симптомов неисправностей основаны на опыте
14
эксплуатации машин и могут служить ориентирами при постановке, задач разработки новых методов вибродиагностики.
В словаре приводятся симптомы неисправностей:
• зубчатых механизмов, рассмотренные в работах [4, 6, 21, 22, 31, 33, 36, 37, 38, 47, 48, 57, 58, 66, 95, 100, 102, 120, 125];
• подшипниковых узлов [3, 6, 22, 47, 48, 57, 58, 66, 67, 68, 71, 89, 91, 92, 95, 97, 109, 112, 114, 116, 117, 121, 122, 127, 128];
• газотурбинных агрегатов [15, 23, 42, 109];
• насосных агрегатов [15, 34, 101, 110];
• двигателей внутреннего сгорания [22, 28, 103];
• электрических машин [4, 16, 20, 24, 40, 63, 67, 88, 111];
• а также общие неисправности роторных машин [4, 22, 30, 31, 33, 37, 38, 47, 48, 57,
58, 60,66,91,94, 95,98, 109, 113, 114, 115, 118, 124, 130].
Определения и методы расчета всех упоминающихся представлений и
характеристик вибросигнала подробно рассмотрены в главе 2. Там же описан программный комплекс частотного и статистического анализа сигналов, позволяющий рассчитать эти характеристики.
1.3. ПРИНЦИПЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН
Существующие в настоящее время системы безразборного контроля технического состояния на основе вибродиагностики выносят суждение о
присутствии неисправности но наличию и степени проявления ее симптома, т.е. изменению информативной характеристики измеренного вибросигнала, допустимые и предельные значения которой назначаются согласно опыту эксплуатации машины. Таким образом, можно говорить об эмпирическом подходе к контролю технического состояния.
Данный подход имеет свои достоинства и недостатки и продолжает развиваться. Тем не менее, закономерно возникает параллельное направление исследований по созданию диагностических моделей объекта диагностирования и переходу от анализа симптомов неисправностей к анализу параметров технического состояния машины. Такой подход может быть назван феноменологическим.
В качестве примера реализации этих двух подходов можно рассмотреть диагностику такой распространенной неисправности машин с вращающимися узлами, как дисбаланс вала. Ее симптомом является увеличение в спектре
15
вибросигнала амплитуды компоненты на частоте вращения вала. Система контроля, основанная на эмпирическом подходе, в процессе эксплуатации отслеживает амплитуду этой компоненты спектра и сравнивает ее с допустимым (+8дБ) и предельным (+20дБ) значением. Феноменологическая система с помощью диагностической модели машины по значению симптома определит величину параметра состояния - амплитуды вынуждающей силы или эксцентриситета вала и уже их будет сравнивать с предельными значениями, определенными на стадии моделирования машины. Более подробно эти подходы рассматриваются ниже.
1.3.1. Эмпирический подход к проблеме контроля состояния машин
Схема функционирования системы контроля технического состояния машины, построенной в соответствии с эмпирическим подходом, представлена на рис. 1.1.
Данный подход заключается в контроле симптомов неисправностей во времени по мере развития дефектов и деградации узла отдельно для каждой машины, начиная с гарантированно исправного состояния (после ремонта или технического обслуживания). В настоящее время лучшие образцы автоматических-систем контроля технического состояния основаны именно на эмпирическом подходе.
Система работает следующим образом:
• Настройка системы: для каждой машины или класса однотипных машин в исправном состоянии снимается некоторое информативное представление вибросигнала (спектр, кепстр и др.), которое называется опорной характеристикой; по опорной характеристике строятся допустимый и предельный профили (для спектра, кепстра путем поднятия уровня опорного спектра на 8 и 20дБ соответственно (стандарт 130 2372)); также определяются опорные, допустимые и предельные значения симптомов различных неисправностей (те же 8 и 20дБ для компонент спектров, кепстров).
Индикация неисправности: через определённые промежутки времени (например, раз в месяц) проводятся контрольные измерения; информативное представление измеренного вибросигнала сравнивается с допустимым и предельным профилями; по результатам сравнения делаются выводы о состоянии машины:
- непревышение допустимого профиля - исправное состояние;
- превышение предельного профиля - аварийное состояние и необходимость немедленного прекращения эксплуатации для проведения технического обслуживания;
16
Система контроля технического состояния (эмпирический подход)
сигнал с машины
1в исправном
Г
состоянии
ресурс ресурс
значительно исчерпан исчерпан
необходимо немедленное I , прекращение | эксплуатации
обнаружен дефект,
появляющийся
внезапно
уменьшение времени между измерениями
превышение допустимого профиля
I
ТРЕВОГА!
сигнал с машины |в процессе ^эксплуатации
превышение предельного профиля
]
~ АВАРИЯМ!-
нет превышений допустимого профиля
I
обнаружен эксплуатационный дефект, характеризующийся .постепенным развитием
ИСПРАВНОЕ
СОСТОЯНИЕ
л
рис. 1.1
17
- превышение допустимого профиля - дефектное состояние машины и необходимость проведения подробного анализа для постановки диагноза и прогнозирования оставшегося времени безотказной работы машины.
• Идентификация неисправности: по наличию и величине симптомов неисправностей устанавливается вид неисправности.
• Прогнозирование ресурса: в том случае, если обнаружен постепенно развивающийся дефект, проводится анализ его развития: методом аппроксимации зависимости значений симптома от времени определяется предполагаемое время достижения предельного значения, которое отождествляется с оставшимся временем безаварийной работы машины; после этого, в случае необходимости, устанавливается новое значение промежутка времени между измерениями.
Из вышеизложенного следует, что для внедрения эмпирической вибродиагностической системы контроля не нужно проводить никаких расчетных исследований объекта диагностирования. С другой стороны, необходимо хранение большого объема информации по каждой измерительной точке.
1.3.2. Феноменологический подход
Сущность феноменологического подхода состоит в том, что по результатам исследования динамики рассматриваемого объекта строится его диагностическая модель, связывающая текущий измеренный вибросигнал с параметрами технического состояния машины с [22, 30, 32, 39, 89, 93, 127, 128, 129, 130]. Таким образом, система безразборного контроля работает с параметрами состояния, отслеживая процесс их изменения в процессе эксплуатации.
В соответствии с феноменологическим подходом решение задачи контроля технического состояния объекта диагностирования ведётся следующим образом (см.рис. 1.2):
• Построение системы: проводится анализ динамики объекта и разрабатывается вибродиагностаческая модель неисправностей, а именно:
- выявляются параметры состояния машины и симптомы неисправностей,
- устанавливается связь между вибросигналом и параметрами состояния,
- рассчитываются области значений параметров, соответствующие исправному и дефектному состоянию машины;
• Индикация и идентификация неисправности: по текущему измеренному
вибросигналу с помощью диагностической модели определяется значение параметра состояния, по которому можно вынести решение:
18
Система контроля технического состояния (феноменологический подход)
принадлежит области дефектного состояния
сигнал с машины в процессе эксплуатации
ИСПРАВНОЕ ТРЕВОГА!
СОСТОЯНИЕ 1
обнаружен эксплуатационный ■ і обнаружен дефект,
дефект, характеризующийся появляющийся —
постепенным развитием внезапно
АВАРИЯ!!
необходимо
немедленное
прекращение
эксплуатации
значительный
ресурс
ресурс ресурс
значительно исчерпан исчерпан
г------------------
конструкция и
режимы эксплуатации машины
принадлежит области исправного состояния
превышает предельное значение
параметры технического состояния машины
] уменьшение времени между измерениями
рис. 1.2