Назначение и возможности систем вибрационного мониторинга и диагностики роторного оборудования

Реферат

Вибрационная диагностика — это функциональная диагностика определяющая техническое состояние работающего оборудования по анализу вибрации данного оборудования.

Цель работы — показать возможность контроля технического состояния оборудования по вибрации этого оборудования, а также рассмотреть назначение и возможности систем вибрационного мониторинга и диагностики роторного оборудования.

Назначением вибрационного мониторинга является обнаружение изменений вибрационного состояния контролируемого объекта в процессе эксплуатации, причинами которых во многих случаях являются дефекты.

Назначением вибрационной диагностики в процессе эксплуатации оборудования является обнаружение изменений и прогноз развития не вибрационного, а технического состояния, причем каждого из его элементов, для которого существует реальная вероятность отказа в период между ремонтами. Для этого измеряется не только низкочастотная и среднечастотная, но и высокочастотная вибрация, а также используются более сложные, чем при мониторинге, методы анализа вибрации, позволяющие получать полный объем диагностической информации.

Вибрационная диагностика может проводиться как на стационарном оборудовании, так и на мобильном. Различия диагностирования заключаются только в местах крепления и видах крепления датчиков. На современном этапе развития вибрационной диагностики, диагностирование оборудования, как стационарного, так и мобильного производится без изменений рабочего режима оборудования. При этом применяемые системы диагностики могут быть как стационарными так и переносными.

Так как на данном этапе развития систем вибрационного контроля основой комплексов являются компьютеры, методика проведения мониторинга и диагностики на различных комплексах и различном оборудовании примерно одинакова:

Первое — конфигурирование объекта диагностики в программном обеспечении комплекса.

Второе — выбор параметров диагностирования объекта.

Третье — определение точек контроля вибрации на данном объекте.

Четвертое — определение вида крепления датчиков и подготовка мест крепления датчиков.

Пятое — снятие показаний вибрации объекта.

Шестое — обработка и анализ снятых показаний.

Седьмое — выдача информации о техническом состоянии объекта.

Выбор диагностических параметров используемых для глубокой диагностики узлов объекта производится исходя из возможности контроля высокочастотной вибрации, для обнаружения дефекта, а по параметрам низкочастотной и среднечастотной вибрации уточняется величина развитых дефектов. Для каждого объекта диагностические параметры индивидуальны и корректируются по мере накопления диагностической информации об объекте.

Определение точек контроля вибрации осуществляется исходя из конструкции объекта и местонахождения узлов подлежащих диагностированию. Значение имеет не только правильный выбор точки, но и направление измерения вибрации. При этом следует соблюдать следующие основные правила:

— точка контроля вибрации должна быть как можно ближе к месту действия статической нагрузки.

— между точкой контроля и местом формирования высокочастотных колебательных сил должен быть минимум контактных поверхностей и не должно быть резких изменений сечения тех элементов по которым распространяется высокочастотная вибрация;

— вибрация на средних и низких частотах измеряется преимущественно в направлении действия статической нагрузки.

— место установки датчика должно быть ровным, зачищенным от краски и грязи, и покрыто консистентной смазкой.

На данном этапе развития систем вибродиагностики обработка и анализ данных производится в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Вся собранная информация группируется в базе данных программного обеспечения диагностического комплекса. По мере накопления диагностической информации создаются вибрационные эталоны диагностируемых узлов, производится корректировка уже имеющихся эталонов и корректируются параметры снятия с узла вибродиагностической информации. Также производится корректировка параметров проведения анализа при обработке информации.

Результатом обработки и анализа диагностической информации является информация о текущем техническом состоянии объекта и прогноз изменения технического состояния объекта на период работы объекта до проведения следующей диагностики.

В данной работе назначение и возможности систем вибрационного контроля рассмотрены на примере переносного диагностического комплекса ВЕКТОР — 2000, разработанного ассоциацией «ВАСТ» г. Санкт Петербург.

В экспериментальной части данной работы рассмотрена технология проведения вибрационной диагностики с использованием диагностического комплекса ВЕКТОР — 2000, обоснован выбор точек контроля вибрации оборудования, рассмотрены диагностируемые узлы и обнаруживаемые дефекты. Так же приведены возможности виброанализатора СД — 12 М и примеры результатов измерений.

Основное преимущество вибродиагностики перед другими средствами неразрушающего контроля это возможность глубокой диагностики (определение достоверного технического состояния оборудования) без остановки данного оборудования, т. е. в рабочем режиме. Что дает возможность эксплуатации оборудования до наступления критического состояния, а также определение состояния оборудования в межремонтный период и возможность корректировки размеров данного периода.

Введение

Вибрационная диагностика появилась на железнодорожном транспорте в 1996 году. И фактически сразу заняла ведущее место среди средств неразрушающего контроля состояния машин и механизмов.

Вибрационная диагностика объединила задачи определения и прогноза технического состояния машин и оборудования по их вибрационному состоянию. Вибрационная диагностика проводится на работающих машинах и механизмах, как при эксплуатации, так и при установке на стенде.

На железнодорожном транспорте России используется диагностическое программное обеспечение Ассоциации ВАСТ в составе переносных вибродиагностических комплексов «Вектор — 2000» и «Прогноз — 1». Их основное назначение — диагностика и долгосрочный прогноз состояния узлов вращения, таких как подшипники качения и скольжения, роторы, соединительные муфты, шестерни, ремни, рабочие колеса потокосоздающих агрегатов, электромагнитные системы электрических машин. Но чаще всего они применяются для контроля и прогноза состояния колесно-моторных (КМБ) и колесно-редукторных блоков (КРБ) с тяговыми двигателями постоянного тока.

Оба комплекса включают в себя прибор, обеспечивающий измерение и анализ вибрации, а также программное обеспечение для персонального компьютера, предназначенное для автоматической постановки диагноза и прогноза состояния диагностируемых узлов. В «Векторе — 2000» используется автономный прибор — сборщик данных анализатор СД — 12. В «Прогнозе — 1» используется виртуальный прибор на базе компьютера, в который устанавливается и диагностическое программное обеспечение. Обязательным условием использования обоих комплексов является измерение вибрации в контрольных точках колесно-моторого блока в установившемся режиме его работы. Питание КМБ осуществляется от автономного стабилизатора напряжения как при диагностике КМБ на стенде, так и в составе локомотива, установленного на домкратах. Требования по нагрузке к КМБ, как правило, не предъявляются, но частота вращения колесной пары должна быть выше 250 об/мин. В этом случае время диагностических измерений вибрации минимально, а достоверность получаемых результатов приближается к предельно достижимой.

Многие пользователи систем мониторинга хотят решать такую сложную задачу как переход на обслуживание и ремонт оборудования по фактическому состоянию. Но для этого необходимо обнаруживать и идентифицировать все потенциально аварийно-опасные дефекты на ранней стадии развития, за несколько месяцев до того, как необратимое изменение состояния будет зафиксировано системой мониторинга. Такую задачу могут решать средства превентивной диагностики, которые для каждого вида дефекта используют свои диагностические признаки, позволяющие своевременно его обнаружить, однако в современных системах мониторинга такие средства используются далеко не всегда.

Система мониторинга и диагностики «Dream for Windows» в полной мере использует основные возможности превентивной диагностики узлов роторного оборудования. Ее разработчики являются одними из основателей превентивной вибрационной диагностики, и первыми в начале 90-х годов создали систему автоматической диагностики подшипников качения, вложив в нее искусственный интеллект, заменяющий эксперта высокой квалификации.

Система «Dream for Windows» ориентирована, прежде всего, на массовое диагностическое обслуживание роторного оборудования, обеспечивающее практический переход на ремонт оборудования по фактическому состоянию. Необходимая для этого автоматизация процессов постановки диагноза и прогноза является основной отличительной особенностью системы, позволяющей снизить затраты на мониторинг и диагностику за весь жизненный цикл оборудования до 1 -2% от его стоимости.

1. Техническая диагностика

Техническая диагностика — молодая наука, возникшая в последние четыре десятилетия в связи с потребностями современной техники. Все возрастающее значение сложных и дорогостоящих технических систем, особенно в машиностроении и радиоэлектронике, требования безопасности, безотказности и долговечности делают весьма важной оценку состояния системы, ее надежности. Техническая диагностика — наука о распознавании состояния технической системы, включающая широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации в процессе эксплуатации системы.

Изучение общих методов распознавания и математической теории диагностики дает возможность более обоснованного выбора конкретных способов диагностики и соответствующих им правил решения. При изложении теории диагностики особых требований к математической подготовке инженеров не предъявляется, хотя некоторые моменты могут показаться трудными при первоначальном ознакомлении. Математизация инженерных знаний является неизбежным процессом, связанным с развитием техники, однако следует всегда помнить, что цель расчета не число, а понимание.

Термин «диагностика» происходит от греческого слова «диагнозис», что означает распознавание, определение.

В процессе диагностики устанавливается диагноз, т. е. определяется состояние больного (медицинская диагностика) или состояние технической системы (техническая диагностика).

Технической диагностикой называется наука о распознавании состояния технической системы. 2 стр. 3 — 5]

1.1 Цели технической диагностики

Цели технической диагностики. Рассмотрим кратко основное содержание технической диагностики. Техническая диагностика изучает методы получения и оценки диагностической информации, диагностические модели и алгоритмы принятия решений. Целью технической диагностики является повышение надежности и ресурса технических систем.

Как известно, наиболее важным показателем надежности является отсутствие отказов во время функционирования (работы) технической системы. Отказ авиационного двигателя в полетных условиях, судовых механизмов во время плавания корабля, энергетических установок в работе под нагрузкой может привести к тяжелым последствиям.

Техническая диагностика благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей позволяет устранить подобные отказы в процессе технического обслуживания, что повышает надежность и эффективность эксплуатации, а также дает возможность эксплуатации технических систем ответственного назначения по состоянию.

В практике ресурс таких систем определяется по наиболее «слабым» экземплярам изделий. При эксплуатации по состоянию каждый экземпляр эксплуатируется до предельного состояния в соответствии с рекомендациями системы технической диагностики. Эксплуатация по техническому состоянию может принести выгоду, эквивалентную стоимости 30% общего парка машин. 2 стр. 5 — 6]

1.2 Задачи технической диагностики

Основные задачи технической диагностики. Техническая диагностика решает обширный круг задач, многие из которых являются смежными с задачами других научных дисциплин. (Основной задачей технической диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях ограниченной информации.)

—Техническую диагностику иногда называют безразборной диагностикой, т. е. диагностикой, осуществляемой без разборки изделия. Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено. Часто не представляется возможным по имеющейся информации сделать однозначное заключение и приходится использовать статистические методы.

Теоретическим фундаментом для решения основной задачи технической диагностики следует считать общую теорию распознавания образцов. Эта теория, составляющая важный раздел технической кибернетики, занимается распознаванием образов любой природы (геометрических, звуковых и т. п.), машинным распознаванием речи, печатного и рукописного текстов и т. д. Техническая диагностика изучает алгоритмы распознавания применительно к задачам диагностики, которые обычно могут рассматриваться как задачи классификации.

Алгоритмы распознавания в технической диагностике частично основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между состояниями технической системы и их отображениями в пространстве диагностических сигналов. Важной частью проблемы распознавания являются правила принятия решений (решающие правила).

Решение диагностической задачи (отнесение изделия к исправным или неисправным) всегда связано с риском ложной тревоги или пропуска цели. Для принятия обоснованного решения целесообразно привлекать методы теории статистических решений, разработанные впервые в радиолокации.

Решение задач технической диагностики всегда связано с прогнозированием надежности на ближайший период эксплуатации (до следующего технического осмотра). Здесь решения должны основываться на моделях отказов, изучаемых в теории надежности.

Вторым важным направлением технической диагностики является теория контролеспособности. Контролеспособностью называется свойство изделия обеспечивать достоверную оценку его технического состояния и раннее обнаружение — неисправностей и отказов. Контролеспособность создается конструкцией изделия и принятой системой технической диагностики.

Крупной задачей теории контролеспособности является изучение средств и методов получения диагностической информации. В сложных технических системах используется автоматизированный контроль состояния, которым предусматривается обработка диагностической информации и формирование управляющих сигналов. Методы проектирования автоматизированных систем контроля составляют одно из направлений теории контролеспособности. Наконец, очень важные задачи теории контролеспособности связаны с разработкой алгоритмов поиска неисправностей, разработкой диагностических тестов, минимизацией процесса установления диагноза. 2 стр. 6 — 7]

1.3 Структура технической диагностики

На рис. 1.1. показана структура технической диагностики. Она характеризуется двумя взаимопроникающими и взаимосвязанными направлениями: теорией распознавания и теорией контролеспособности. Теория распознавания содержит разделы, связанные с построением алгоритмов распознавания, решающих правил и диагностических моделей. Теория контролеспособности включает разработку средств и методов получения диагностической информации, автоматизированный контроль и поиск неисправностей. Техническую диагностику следует рассматривать как раздел общей теории надежности. [2 стр. 7]

Рис. 1.1. Структура технической диагностики

1.4 Постановка задач технической диагностики

Пусть требуется определить состояние шлицевого соединения валов редуктора в эксплуатационных условиях. При большом износе шлицев появляются перекосы и усталостные разрушения. Непосредственный осмотр шлицев невозможен, так как требует разборки редуктора, т. е. прекращения эксплуатации. Неисправность шлицевого соединения может повлиять на спектр колебаний корпуса редуктора, акустические колебания, содержание железа в масле и другие параметры.

Задача технической диагностики состоит в определении степени износа шлицев (глубины разрушенного поверхностного слоя) по данным измерений ряда косвенных параметров. Как указывалось, одной из важных особенностей технической диагностики является распознавание в условиях ограниченной информации, когда требуется руководствоваться определенными приемами и правилами для принятия обоснованного решения.

Состояние системы описывается совокупностью (множеством) определяющих ее параметров (признаков). Разумеется, что множество определяющих параметров (признаков) может быть различным, в первую очередь, в связи с самой задачей распознавания. Например, для распознавания состояния шлицевого соединения двигателя достаточна некоторая группа параметров, но она должна быть дополнена, если проводится диагностика и других деталей.

Распознавание состояния системы — отнесение состояния системы к одному из возможных классов (диагнозов). Число диагнозов (классов, типичных состояний, эталонов) зависит от особенностей задачи и целей исследования.

Часто требуется провести выбор одного из двух диагнозов, например, «исправное состояние» и «неисправное состояние». В других случаях необходимо более подробно охарактеризовать неисправное состояние, например повышенный износ шлицев, возрастание вибраций лопаток и т. п. В большинстве задач технической диагностики диагнозы (классы) устанавливаются заранее, и в этих условиях задачу распознавания часто называют задачей классификации.

Так как техническая диагностика связана с обработкой большого объема информации, то принятие решений (распознавание) часто осуществляется с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Совокупность последовательных действий в процессе распознавания называется алгоритмом распознавания. Существенной частью процесса распознавания является выбор параметров, описывающих состояние системы. Они должны быть достаточно информативны, чтобы при выбранном числе диагнозов процесс разделения (распознавания) мог быть осуществлен.

Существуют два основных подхода к задаче распознавания: вероятностный и детерминистский. Постановка задачи при вероятностных методах распознавания такова. Имеется система, которая находится в одном из п случайных состояний Di. Известна совокупность признаков (параметров), каждый из которых с определенной вероятностью характеризует состояние системы. Требуется построить решающее правило, с помощью которого предъявленная (диaгнocтиpyeмaя) совокупность признаков была бы отнесена к одному из возможных состояний (диагнозов). Желательно также оценить достоверность принятого решения и степень риска ошибочного решения.

При детерминистских методах распознавания удобно формулировать задачу на геометрическом языке. Если система характеризуется н — мерным вектором X, то любое состояние системы представляет собой точку в н — мерном пространстве параметров (признаков). Предполагается, что диагноз Di соответствует некоторой области рассматриваемого пространства признаков. Требуется найти решающее правило, в соответствии с которым предъявленный вектор X* (диагностируемый объект) будет отнесен к определенной области диагноза. Таким образом, задача сводится к разделению пространства признаков на области диагнозов.

При детерминистском подходе области диагнозов обычно считаются «непересекающимися», т. е. вероятность одного диагноза (в область которого попадает точка) равна единице, вероятность других равна нулю. Подобным образом предполагается, что и каждый признак либо встречается при данном диагнозе, либо отсутствует.

Вероятностный и детерминистский подходы не имеют принципиальных различий. Более общими являются вероятностные методы, но они часто требуют и значительно большего объема предварительной информации. Детерминистские подходы более кратко описывают существенные стороны процесса распознавания, меньше зависят от избыточной, малоценной информации, больше соответствуют логике мышления человека. 2 стр. 8 — 10]

1.5 Прикладные вопросы технической диагностики

В механических системах (двигатели, насосы и т. п.) основное назначение технической диагностики — повышение надежности и ресурса изделий с помощью раннего обнаружения дефектов и оптимизации процессов технического обслуживания. Техническая диагностика сложных систем представляет собой систему, которая должна иметь информационное, техническое и математическое обеспечение.

Информационное обеспечение включает способы получения диагностической информации, ее хранение и систематизацию. Информационное обеспечение содержит необходимый массив восполняемых технических сведений (обучающие последовательности и др.).

Техническое обеспечение представляет собой совокупность устройств получения и обработки информации (диагностические приборы, датчики, сигнализаторы и т. п.). Важную часть технического обеспечения современных систем диагностики составляют ЭВМ, устройства типа «аналог — код» и др.

Математическое обеспечение содержит алгоритмы и программы распознавания.

Техническая диагностика как система включает также и коллектив специалистов, ответственных за принятие решений.

В настоящее время системный подход к задачам технической диагностики находится в начальной стадии развития. Большинство опубликованных результатов относится только к отдельным элементам системы. [2 стр. 185]

1.6 Контролеспособность и получение диагностической информации

Контролеспособностью называется свойство изделия, заключающееся в его приспособленности к раннему обнаружению и предупреждению отказов и неисправностей. Под ранним обнаружением понимается выявление дефекта или неисправности в начальной стадии, при которой еще не проявляются отрицательные последствия для надежности или работоспособности изделия.

Контролеспособность в первую очередь зависит от качества и объема диагностической информации, которая может быть получена при эксплуатации изделия и его техническом обслуживании, а также при специальных диагностических испытаниях (диагностических тестах). 2 стр. 185]

1.6.1 Основные виды диагностической информации

Большая часть информации о поведении системы имеет диагностическую ценность, так как она отражает состояние системы. Состав и состояние сред, взаимодействующих с изделием (воздух, вода, масло, топливо, продукты сгорания и др.), рабочие параметры процесса (частота вращения, температура, давление и т. п.), вибрация, акустическое и тепловое излучения и т. д, содержат диагностическую информацию. Во многих случаях весьма полезным оказывается непосредственное визуальное наблюдение состояния элементов машины с помощью оптических трубок (бороскопов), позволяющее обнаружить наличие трещин, перегрева, коробления и т. п.

К основным видам диагностической информации относятся: спектр вибрации элементов конструкции; спектр акустических колебаний; значение параметров, характеризующих функционирование системы; состояние соприкасающихся сред; визуальные наблюдения; данные дефектоскопии.

Диагностическое значение имеют не только величины параметров в данный момент времени, но и их изменение во времени (кинетика информативных параметров). [2 стр. 186]

1.6.2 Измерение постоянных и переменных деформаций и усилий

Диагностическую ценность имеют измерения постоянных и переменных деформаций в элементах конструкций в рабочих условиях. Для измерений используются тензорезисторы в виде петлевого участка тонкой проволоки с диаметром 0,025—0,050 мм (проволочные тензометры). При растяжении уменьшается поперечное сечение проволоки и возрастает омическое сопротивление, что и регистрируется с помощью потенциометрической схемы. Сопротивление тензорезисторов обычно составляет —100 Ом.

Тензорезисторы наклеивают на деталь и закрепляют с помощью бумажной ленты, фольги или цемента. При измерении постоянных деформаций тензорезисторы используют до 400 °C, так как при более высокой температуре весьма трудно компенсировать температурные погрешности.

При измерении переменных напряжений тензорезисторы могут работать при температуре до 900° С. Точность измерения деформаций составляет 1—5%, величина наибольшей деформации зависит от механических свойств проволоки (при постоянной деформации она составляет несколько процентов, при переменной деформации —0,1%). [2 стр. 186]

1.6.3 Измерения параметров процесса

Эти измерения относятся к давлению, температуре, частоте вращения и другим параметрам.

Давление в различных полостях машин замеряется с помощью манометров с манометрическими трубками, сильфонами и т. д. Для регистрации быстро изменяющихся процессов применяются датчики давления, использующие пьезоэлектрические, индуктивные и тензорезисторные элементы.

Температура в области от —200 до 700° С измеряется термометрами сопротивления. Их действие основано на зависимости омического сопротивления от температуры. Для измерения температуры до 1600° С используются термоэлектрические пирометры, датчиками которых являются термопары. Регистрация показания температур осуществляется с помощью устройств типа милливольтметров с записью на самописец или в цифровом виде. Для диагностических целей используются также оптические и другие пирометры, регистрирующие излучение нагретых элементов конструкции, в том числе быстровращающихся.

Частота вращения замеряется индукционными и фотоэлектрическими тахометрами. Наибольшее распространение получили индукционные тахометры, обладающие высокой точностью измерений и надежностью при длительной эксплуатации. В качестве датчика в индукционном тахометре используется вращающийся ротор миниатюрного генератора переменного тока, запись сигнала производится специальными вольтметрами или электронными частотомерами.

Регистрация состояния соприкасающихся сред. Весьма важную диагностическую информацию несет масло, которое используется для смазывания и охлаждения трущихся поверхностей (подшипников, шестерен и т. д.). Диагностический контроль осуществляется по наличию стружки и содержанию железа в масле. Используются специальные приборы — сигнализаторы стружки, которые выдают сигнал при наличии в масле металлических частиц. Металлические частицы в выхлопных газах могут быть замечены с помощью датчиков, воспринимающих ионизацию среды. Диагностическое значение имеет анализ химического состава выхлопных газов и других продуктов выхлопа.

Визуальные наблюдения осуществляются с помощью оптических трубок (бороскопов). Для возможности визуального наблюдения конструкция должна иметь соответствующие полости (лючки и т. п.), позволяющие проводить осмотр. Применяются оптические трубки, дающие увеличение в два-три и более крат, с диаметром поля зрения 3—20 мм. Используются оптические трубки с внутренними зеркалами, позволяющие передать изображение по криволинейному каналу. В последние годы для этой цели используются световоды, выполненные на основе волоконной оптики. Принципиальная схема бороскопа показана на рис. 1.2.

С помощью визуального наблюдения обнаруживают повреждения и разрушения поверхности, коробление, трещины, перегрев, износ и т. п. [2 стр. 188 — 190]

Рис. 1.2. Схема бороскопа: /—рабочие лопатки, подлежащие осмотру; 2 — трубка бороскопа; 3 — окуляр; 4 — глаз наблюдателя; 5 — стекловолоконный кабель; 6 — источник света; 7 — корпус компрессора.

1.6.4 Данные дефектоскопии

В последние годы методы дефектоскопии (обнаружения дефектов) получили широкое применение в процессе производства и ремонта. Использование методов дефектоскопии в эксплуатационных условиях чрезвычайно затруднено, так как в большинстве случаев требует частичной или полной разработки изделия. Однако некоторые методы дефектоскопии могут быть использованы в эксплуатационных условиях.

Для обнаружения трещин используется токовихревой метод, основанный на возбуждении и измерении вторичных электромагнитных полей вихревых токов. С помощью специального датчика обнаруживаются поверхностные трещины и другие дефекты (рис. 1.3.). Широко применяется ультразвуковой метод, при котором специальным излучателем вводятся ультразвуковые колебания, после отражения улавливаемые приемным устройством.

Рис. 1.3. Схема токовихревого датчика: 1 — рукоятка; 2 — феррит; 3 — катушка; 4 — лопатка; 5—дефект; 6 — генератор высокой частоты; 7 — усилитель; 8 — детектор; 9 — измерительный прибор; 10 — след дефекта; 11 — осциллограф.

Трещины, раковины рассеивают колебания и уменьшают интенсивность отраженного сигнала.

Находят применение методы рентгенографии с помощью изотопного источника излучения. Такой источник вводится во внутренние полости, и на фотопленке, расположенной за просвечиваемой деталью, получается рентгеновское изображение. По снимку можно обнаружить наличие трещин, обрывов, сколов и т. п. Они в меньшей степени поглощают излучение и потому проявляются на пленке в виде затемненных зон.

В некоторых случаях могут быть использованы методы цветной или люминесцентной дефектоскопии. При цветной дефектоскопии детали покрывают краской, проникающей в трещины и поры. Далее слой основной краски смывается, и деталь покрывается другой адсорбирующей краской, на которой в виде штрихов и пятен выступает хорошо заметная основная краска, оставшаяся в трещинах. При люминесцентном методе основная краска обладает свойством флюоресценции при облучении ультрафиолетовыми лучами ртутно-кварцевых ламп. После удаления основной краски (вещества) некоторые частицы остаются в трещинах и при ультрафиолетовом свете дают четкое свечение на темном фоне поверхности детали. Указанные методы позволяют выявить трещины глубиной порядка 0,01—0,10 мм. [2 стр. 190 — 191]

1.6.5 Измерение вибраций

В процессе работы элементы машины получают перемещения, изменяющиеся во времени (вибрационные перемещения). Причинами возникновения вибрационных перемещений могут быть циклические процессы при работе машины (вращение роторов, периодические нагрузки и т. п.), собственные колебания элементов конструкции и др.

В общем случае каждая точка конструкции имеет пространственное смещение, которое представляет собой геометрическую сумму трех компонентов смещений и (t), v (t), w (t). В каждый момент времени вибросмещения могут быть представлены в виде наложения элементарных гармонических колебаний с различной частотой и амплитудой. Обычно в задачах технической диагностики измеряется частота до 30 000 Гц (чаще до 10 000 Гц), виброускорения до 1000 м/с2.

Рис. 1.4. Структурная схема измерений:

Д — датчик; П — преобразователь; У — усилитель; Р — регистратор Достаточно общая структурная схема измерений показана на рис. 1.4. Она применяется, в частности, для измерений вибраций.

Датчик Д преобразует неэлектрические величины (механические перемещения, давления и т. п.) в электрический сигнал. Преобразователь П осуществляет первичные преобразования сигнала (фильтрацию и т. п.). Усилитель У и регистратор Р усиливают и регистрируют сигнал на магнитную или бумажную ленты. Цепь измерения может заканчиваться регистратором, но в современных системах сигнал поступает дальше для обработки и анализа в ЭВМ.

В качестве датчиков вибраций используются индукционные и пьезометрические. Последние являются более эффективными, так как имеют небольшие размеры и массу, обладают высокой вибропрочностью и термостойкостью (до 500° С). Вибродатчики закрепляют на детали с помощью фланца или ввертывают в резьбовое отверстие.

Конструктивная схема пьезометрического датчика показана на рис. 1.5. Корпус датчика 1 содержит два пьезоэлемента 6, разделенных токосъемной пластиной 3. Пьезоэлемент обладает тем свойством, что под влиянием механического напряжения в нем вырабатывается разность потенциалов.

Давление на поверхности пьезоэлемента создается инерционной массой 2, которая поджимается упругим элементом 7. Датчик закрепляется с помощью резьбового хвостовика 5, сигнал поступает к проводнику 4.

Для устранения динамических погрешностей первая собственная частота датчика должна превышать измеряемую частоту в 4—6 раз.

Измерение акустических колебаний. Вибрация элементов машин, происходящая в результате рабочего процесса, собственных колебаний, соударений и т. п., вызывает колебания окружающей среды (воздуха), т. е. служит источником акустических колебаний. В некоторых машинах, например в авиационных двигателях, мощным источником акустических колебаний (шума) является струя выходящих газов из реактивного сопла, акустическое излучение лопаток компрессора и др.

Акустические колебания характеризуются широким непрерывным спектром с отдельными дискретными составляющими. Акустические колебания представляют стохастический процесс, амплитуды и частоты которого носят случайный характер.

Рис. 1.5. Схема пьезометрического датчика

Состав спектра, его амплитудно-частотная характеристика (в вероятностном или детерминистском аспекте) имеет большое диагностическое значение для состояния машин. Известно, что опытные механики часто могут «на слух» определить характер неисправности двигателя, турбины и т. п.

Естественно, что измерение акустических колебаний, их спектральный анализ повышает ценность акустической диагностики. Для измерения используются микрофоны, основанные на электрических или пьезоэлектрических эффектах с диапазоном частот измерения от 5 до 100 кГц (частота «слышимого» звука 20 кГц).

Основной трудностью при использовании виброакустических методов является выделение полезного сигнала на фоне помех. Для обнаружения сигналов, несущих диагностическую информацию, используются фильтры.

В последние время установлено, что при появлении трещины образуется интенсивное акустическое излучение с частотой порядка от 50 до 500 кГц. Это явление может быть использовано для обнаружения трещин. 2 стр. 186 — 188]

Виброакустическая диагностика будет подробно рассмотрена в данной работе.

1.7 Примеры технической диагностики

Ниже приводятся некоторые примеры технической диагностики в различных областях машиностроения. Широкое практическое внедрение методов технической диагностики началось 10 — 15 лет назад, однако результаты свидетельствуют о возможностях существенного повышения надежности и ресурса машин с помощью диагностики.

Техническая диагностика авиационных двигателей. В процессе эксплуатации современных пассажирских двигателей контролируется 20—40 параметров, причем показания приборов имеют три уровня информации: индикация в кабине летчика; регистрация на борту самолета; наземные проверки.

В кабину летчика выводятся показания важнейших параметров (например, уровня вибрации двигателей), сведения о которых необходимы для правильного пилотирования самолета. Во всех случаях, когда значения параметров достигают предельно допустимых, используется дополнительная сигнализация (световая или звуковая). Значительное количество информации регистрируется на борту самолета с помощью специальных записывающих устройств с последующим хранением информации на магнитных лентах.

Ряд диагностических признаков выявляется при наземной проверке (визуальные осмотры, проверка фильтров и т. п.). На американском двигателе CF-6 контролируются приблизительно 40 параметров, среди которых: температура газа за турбиной; температура за компрессором; частоты вращения компрессора и вентилятора; давление за вентилятором и компрессором; вибрация в зонах вентилятора, компрессора и на корпусах подшипников.

Регистрируются количество и температура масла, показания детекторов стружки в откачивающей магистрали, перепад давления на маслофильтре, сигнализатор минимального давления масла. Контролируются параметры топливной системы, системы запуска, отбора воздуха и других систем.

Большинство параметров записываются 1—2 раза за полет (давление, уровень вибрации, частота вращения) и далее направляются в диагностический центр для анализа. В результате анализа и сопоставления с предыдущими показаниями принимается решение о продолжении нормальной эксплуатации, либо о дополнительном осмотре, замене детали, узла или снятии двигателя с эксплуатации. В диагностическом центре решение принимается группой специалистов, анализирующих поступающую информацию. Для выработки решений могут использоваться ЭВМ, что способствует принятию более обоснованных решений.

Применение счетчиков ресурса. Эквивалентные испытания авиационных двигателей показали, что наибольшие повреждения, особенно деталей горячей части, происходят при работе на наиболее тяжелом (взлетном) режиме. При эксплуатации процент использования тяжелых режимов в двигателях гражданской авиации различен, он зависит от продолжительности полета и других условий. В некоторых американских авиакомпаниях на двигателях устанавливается счетчик ресурса, учитывающий суммарную длительность наработки на тяжелых режимах и число полетных циклов.

Техническая диагностика поршневых двигателей. Поршневые двигатели (автомобильные, тракторные, стационарные и транспортные дизели) имеют широкое применение. Эксплуатация автомобильных и тракторных двигателей носит массовый характер. Определение технического состояния двигателя без разборки позволяет повысить его надежность и улучшить техническое обслуживание. Следует учесть, что трудоемкость ремонта двигателей массового производства превосходит трудоемкость изготовления в 5—10 раз. Проведение профилактических работ и ремонта «по состоянию» дает значительный экономический эффект. Диагностика осуществляется с помощью передвижных станций, оснащенных виброакустической аппаратурой. Вопросы вибрационной и акустической диагностики поршневых двигателей рассматриваются в работах [8, 9]. В работе описывается диагностический прибор, основанный на использовании логических методов диагноза. Этот прибор, построенный по схеме диодной матрицы, позволяет различать 33 неисправности двигателя по 53 признакам. В качестве признаков используются, например, «белый дым», «низкая компрессия», «повышенный расход масла», «стук в момент пуска» и т. п. Диагностика поршневых двигателей с помощью построения топологических моделей рассматривается в работе.

Техническая диагностика судовых механизмов. В Канаде на 100 типах механизмов и электромашин кораблей систематически используется анализатор вибраций. Обнаруживаются повреждения, вызванные неуравновешенностью, расцентровкой и изгибом валов, неисправности шестерен и подшипников. Состояние определяется с помощью ЭВМ, которая сопоставляет уровень вибраций с прежними значениями и нормами.

На основании статистических сведений получены данные, показывающие зависимость среднего срока службы механизма от уровня вибрации, позволяющие своевременно производить профилактические работы и замены.

Указывается, что диагностическая система дает 2 млн. долларов экономии; число неисправностей, обнаруживаемых в процессе непосредственной эксплуатации, снизилось на 45%. Подробный анализ технического состояния судовых механизмов и применение диагностических методов содержится в книге. В числе судовых механизмов рассматриваются паровые и газовые турбины, дизели, насосы, компрессоры и др. Основное внимание уделяется вопросам акустической диагностики. [2 стр. 191 — 193]

2. Виброакустическая диагностика

2.1 Назначение виброакустической диагностики

Вибродиагностика, являясь разделом технической диагностики, есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.

Основным физическим носителем информации о состоянии элементов работающего оборудования в вибродиагностике является виброакустический сигнал — собирательное понятие, включающее информацию о колебательных процессах (вибрационных, гидро— или газодинамических и пр.) и акустическом шуме механизма в окружающей среде. Следовательно, вибродиагностированию может подвергаться любое оборудование, функционирование которого сопровождается возбуждением колебательных процессов. В данной работе будут рассмотрены в основном проблемы диагностирования дефектов узлов роторных машин и механизмов (в дальнейшем агрегатов). Всякое отклонение параметров функционирования оборудования от нормы приводит к изменению характера взаимодействия его элементов и к изменению сопровождающих взаимодействия виброакустических процессов. 3]

Назначением систем вибрационного мониторинга стали контроль и прогноз вибрационного состояния оборудования в процессе эксплуатации. Назначением индикаторов состояния оборудования, и, прежде всего подшипников качения по сигналу вибрации, стало обнаружение определенного вида дефектов этого оборудования в процессе эксплуатации. При этом делается допущение, что эти дефекты неизбежно появятся в оборудовании до того, как произойдет его аварийный отказ.

Наиболее сложными являются системы диагностики вращающегося оборудования. Их назначением стало обнаружение всех основных дефектов на этапе зарождения, наблюдение за развитием обнаруженных дефектов и долгосрочный прогноз технического состояния узлов этого оборудования.

Особенность методов диагностирования дефектов, особенно на ранней стадии развития, заключается в использовании разнообразных приемов повышения чувствительности компонентов вибросигнала к изменению технического состояния механизма, поскольку на стадии зарождения дефектов во многих случаях помеха значительно превышает уровень полезного сигнала, содержащего информацию об изменении технического состояния.

Далеко не всегда удается найти оптимальную совокупность необходимого количества просто измеряемых диагностических параметров на все виды зарождающихся дефектов. Тогда приходится отказываться от обнаружения конкретного вида зарождающихся дефектов и ждать момента появления цепочки развитых дефектов, один из которых легко обнаруживается выбранной совокупностью параметров. Естественно, что в этом случае страдает качество долгосрочного прогноза состояния диагностируемого узла (машины).

Основная особенность систем вибрационного мониторинга и диагностики, определяемая их назначением: дефекты, обнаруживаемые этими системами, не имеют количественных характеристик, аналогичных тем, которые есть у структурных параметров объекта, и контролируются при изготовлении, ремонте или дефектации его узлов и элементов. В частности при вибрационной диагностике не определяются геометрические размеры элементов, величины зазоров и т. п. Количественными характеристиками обнаруживаемых дефектов может считаться вероятностная оценка опасности возникновения аварии при дальнейшей эксплуатации оборудования (узла). Поэтому и название обнаруживаемых дефектов часто не соответствует названиям тех отклонений состояния элемента от нормального, которые контролируются при дефектации узлов оборудования.

Первыми техническими средствами, которые стали использоваться в вибрационной диагностике, являлись виброметры, измеряющие величину низкочастотной вибрации (до 1000 Гц). Они использовались как контрольные приборы при допуске машин в эксплуатацию, позволяя уйти от субъективных ощущений операторов, но не давали информации о наличии многих развитых дефектов, так как не обеспечивали возможности разделения вибрации на составляющие разной частоты. Именно поэтому такие средства не смогли заменить опытных операторов, определяющих состояние машин «на слух».

Второй этап в развитии виброакустической диагностики связан с появлением приборов, измеряющих ультразвуковую вибрацию, которая не попадает в диапазон звуковых частот, воспринимаемых органами слуха человека. Такие приборы рассчитаны в первую очередь на обнаружение зарождающихся дефектов в подшипниках качения. В связи с этим приборы, измеряющие вибрацию вращающихся узлов на частотах выше 15 — 25 кГц, с целью обнаружения зарождающихся дефектов, стали называться индикаторами состояния диагностируемых узлов (подшипников качения). Но и эти приборы не позволяли определять реальную опасность обнаруживаемых дефектов, а также достаточно часто не реагировали на появление сильных дефектов, пропуская предаварийные ситуации. Поэтому в состав индикаторов стали включать дополнительно виброметры для измерения уровня низкочастотной вибрации, а также «звуковые каналы», преобразующие вибрацию в звуковом диапазоне частот в воздушный шум, прослушиваемый оператором с помощью наушников.

Третий этап развития средств виброакустической диагностики связан с появлением вычислительной техники для спектрального анализа сигналов. Разделение сигнала вибрации на большое число (400 и более) частотных составляющих позволило создать приборы с возможностями, превышающими характеристики органов слуха человека. Последующее появление доступных для многих пользователей средств измерения и спектрального анализа вибрации привело к созданию эффективных систем вибрационного мониторинга и диагностики вращающегося оборудования.

Именно на этом этапе окончательно определилось назначение различных систем, использующих результаты измерения вибрации машин и оборудования. Так, средства вибрационного контроля, в частности виброметры, стали использоваться как составные части систем выходного контроля машин после изготовления и ремонта на соответствие различным нормам и требованиям. Кроме того, в стационарном исполнении эти средства стали входить в системы аварийной защиты различного оборудования.

Назначением систем вибрационного мониторинга (и вибрационных каналов в системах общего мониторинга) стали контроль и прогноз вибрационного состояния оборудования в процессе эксплуатации. В эти же системы иногда стали включаться и подсистемы диагностики, назначением которых стало выявление причин изменений вибрационного состояния оборудования. Назначением индикаторов состояния оборудования и, прежде всего подшипников качения по сигналу вибрации, стало обнаружение определенного вида дефектов этого оборудования в процессе эксплуатации. При этом делается допущение, что эти дефекты рано или поздно, но неизбежно появятся в оборудовании до того, как произойдет его аварийный отказ.

Наиболее сложными являются системы профилактической (глубокой) диагностики вращающегося оборудования. Их назначением стало обнаружение всех основных дефектов на этапе зарождения, наблюдение за развитием обнаруженных дефектов и долгосрочный прогноз технического состояния узлов этого оборудования. Такие системы стали, как правило, использоваться совместно с системами мониторинга оборудования по вибрации. 1]

2.2 Задачи вибродиагностики

Вибродиагностическими методами решаются две основные задачи диагностики эксплуатируемых агрегатов: распознавание состояния эксплуатируемого агрегата и выявление причин и условий, вызывающих неисправности, которые следует устранить.

В теоретическом плане задача вибродиагностики при мониторинге парка агрегатов и выявлений изделий с потенциально ненадежными деталями может рассматриваться применительно к эксплуатации сложных систем по фактическому техническому состоянию как часть задачи управления случайным процессом повреждаемости на основе косвенной информации о процессе. При этом управление процессом или наблюдение за ним во многих случаях начинается не с начала эксплуатации агрегата, а по событию — проявлению неисправности, и проводится зачастую в условиях неполноты и неопределенности информации.

Косвенность информации заключается в том, что для определения состояния деталей используют вибрационные сигналы, прошедшие через динамическую систему и преображенные ею. Неполнота информации обусловлена технической невозможностью получить все необходимые сведения, неопределенность — неточностями постановки задачи и описания диагностируемых состояний, влиянием помех.

Основной подход к решению поставленных задач состоит в следующем:

Используя упрощенные математические модели колебаний в динамических системах, ранее накопленный опыт и широкие, достаточно тонкие экспериментальные исследования единичных объектов, получают информацию о диагностических признаках, например опасных колебаниях. На этой основе оценивают состояние всего парка эксплуатируемых машин. В дальнейшем используют статистику парка машин и результаты их диагностирования, проводя коррекцию критериев оценки состояний исследуемой системы, параметров ее состояний и их диагностических признаков, т. е. реализуют обратную связь на основе диагностирования парка машин.

Решение указанной общей задачи складывается из поэтапного решения нескольких задач более низкого уровня.

Признаками состояний диагностируемых элементов агрегатов служат характеристики переменных напряжений в деталях, характеристики колебаний деталей, геометрические погрешности изготовления деталей и сборки узлов, параметры рабочих процессов, протекающих в агрегатах, и т. п. Признаки состояния могут количественными или качественными, ранговыми или качественными классификационными (не связанными с естественным упорядочением). Характер признаков распознаваемых состояний в значительной степени определяет особенности методов выявления диагностических параметров и методов принятия решений при диагностировании.

С точки зрения вибрационной прочности в агрегатах наиболее опасны колебания периодического характера, имеющие спектры с явно выраженными дискретными составляющими. Подобные опасные колебания в основном являются сильными диагностическими сигналами (т. е. хорошо выделяется на фоне помех).

При возникновении и развитии дефектов с малой виброактивностью, возбуждаются колебания, которые, как правило, являются слабыми диагностическими сигналами. Неисправности порождают узкополосные и широкополосные сигналы стационарного и нестационарного характера.

Ввиду сложности определения неисправностей и дефектов в машинах и необходимости анализа слабых сигналов в качестве диагностических параметров используют большое число количественных характеристик сигналов и их комбинаций. К ним относятся все общеизвестные количественные характеристики детерминированных и случайных процессов, спектральная плотность, кепстр (спектр логарифмированного спектра), выделение огибающей и т. д. Кроме того, в качестве диагностических параметров используют различные комбинации количественных характеристик процессов, например, уровни отдельных составляющих в спектрах детерминированных и случайных сигналов, а также характеристики изменения перечисленных выше параметров.