Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В. Основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

121

шариков относительно обоймы отсутствует. Гироскопические силы не учиты-

ваются.

Так как насосы работают при больших частотах вращения приводных ва-

лов, при прецессии приводного вала могут возникнуть переменные гироскопи-

ческие моменты, нагружающие его опоры.

Гироскопический момент нагружает опоры нормально относительно ли-

нии действия силы F с частотой, примерно равной частоте импульсов, вызван-

ных прецессией вала [см. выражение 6.6].

6.2.7.2. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении

шариков по волнистым беговым дорожкам.

Предполагая отсутствие проскальзывания шариков относительно кольца

и равномерное расположение волн кольца, частота ударных импульсов

ТГ

ВБД

fzz

æö

××

=×±

ç÷

èø

(6.7)

где z

- число волн (граней) дорожки;

q - общий наибольший делитель между z

и z

В формуле 6.7 знаки "плюс" и "минус" относятся к случаю качения шари-

ков соответственно по внешней и внутренней дорожке.

6.2.7.3. Вибрация, вызванная ударными импульсами при качении

овальных (гранных) шариков (роликов) по беговым дорожкам.

Частота этих импульсов

Гш

ГТК

fzzdd

qdd

æö

××

=×±

ç÷

èø

(6.8)

где z

- число гранных (овальных) тел качения.

Вынужденные колебания, вызываемые ударными импульсами с частотой,

определяемой по формулам 6.7 или 6.8, при наличии множества волн (выкра-

шивании) беговых дорожек и гранностей шаров, как правило, вызывают

сплошной спектр вибрации в характерных для подшипниковых гармоник диа-

пазонах частот.

6.2.7.4. Резонансная частота тел качения (RW):

0.848

××

, (6.9)

где Е – модуль упругости;

– удельная плотность тел качения.

6.2.8. Обзор методов диагностирования подшипников качения

Виброакустическое диагностирование подшипников качения является

одной из наиболее важных практических функций систем диагностики и мони-

торинга состояния. По этой причине правильный выбор методов и оборудова-

ния для этой цели во многом определяет эффективность и значимость диагно-

стирования оборудования. В данном обзоре рассмотрены достоинства и недос-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

122

татки различных методов контроля подшипников качения, что позволяет более

осознанно выбирать необходимые методы и технические средства диагности-

рования подшипников качения, соответствующие существующим практиче-

ским задачам.

6.2.8.1. Диагностирование по спектру огибающей вибросигнала

Этот метод основан на анализе параметров огибающей вибросигнала, ко-

торую выделяют амплитудным детектированием, как и указано в работах по

диагностике Б.В. Павлова [86, 85], предлагалось B. Weichbrodt, D. Berchard [6],

так и преобразованием Гильберта узкополосного сигнала [8, 9, 47].

Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых ран-

них стадиях появления их неисправностей и дефектов и может базироваться как

на анализе акустических сигналов, так и на анализе виброакустических сигна-

лов:

· SEE (Spectral Energy Emitted) - анализ излучаемой спектральной энергии.

· диагностика по спектру огибающей виброускорения.

Метод SEE (торговое название метода обнаружения дефектов в подшип-

никах, который был разработан компанией SKF) основан на обнаружении вы-

сокочастотного акустического сигнала в диапазоне частот от 250 кГц до

350 кГц. Высокочастотный акустический сигнал (преобразованный датчиком

SEE (Рисунок 6-18, поз. 1)), который фактически является широкополосным

пьезоэлектрическим датчиком акустической эмиссии, усиливается и фильтру-

ется (Рисунок 6-18, поз. 2) в указанном выше диапазоне (иногда в диапазоне

100-200 кГц). Как правило, эти функции выполняет предварительный усили-

тель, расположенный рядом с датчиком. Затем сигнал по кабельной линии

(Рисунок 6-18, поз. 3) поступает на полосовой усилитель (Рисунок 6-18, поз. 4),

с которого проходит на усилитель-формирователь прямоугольных импульсов

(Рисунок 6-18, поз. 5) и перемножитель (смеситель) сигналов (Рисунок

6-18, поз. 6). На второй вход перемножителя (Рисунок 6-18, поз. 6) поступает

исходный сигнал. Фильтр нижних частот (Рисунок 6-18, поз. 7) удаляет более

высокочастотные компоненты, и сигнал поступает на анализатор (Рисунок

6-18, поз. 8). Благодаря такой обработке сигнала, в низкочастотном сигнале ос-

таются только компоненты низкочастотных составляющих, модулирующих вы-

сокочастотную несущую.

В зависимости от функций анализатора (Рисунок 6-18, поз. 8) такой метод

приема и обработки сигналов известен как гетеродинный прием радиосигналов,

прямое преобразование сигналов или синхронное детектирование [81, 80, 79],

которые известны примерно с середины 30-х годов прошлого века из работ

Е.Г.Момота.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

123

Рисунок 6-18 – Структурная схема устройства, реализующего метод SEE

Огибающая ускорения (ENV Acc) – метод используется для выделения

характеристик сигнала, характеризующих его в высокочастотной области. Этот

метод, в настоящее время считается уже классическим методом для анализа

виброакустических сигналов. Чаще всего его используют при анализе состоя-

ния зубчатых передач или элементов подшипников качения [85, 86] (см. §3.6),

когда в результате соударений периодически или квазипериодически возбуж-

даются колебания на собственных частотах конструктивного узла, т.е. происхо-

дит модуляция высокочастотного процесса (несущей) низкочастотными гармо-

никами частот дефектов. Типичным примером такой ситуации является сколо-

тая поверхность тела качения, воздействующая на дорожку качения подшипни-

ка. В зависимости от того, на каком элементе подшипника качения появился

дефект (внутренняя и внешняя обойма, тела качения, сепаратор), частота следо-

вания ударов в сигнале (периодичность "обкатывания" дефекта), будет соответ-

ствовать частоте дефекта соответствующего элемента. Эта частота однозначно

связана с геометрическими размерами подшипника и частотой вращения рото-

ра. При этом после каждого удара в подшипнике будут возникать свободные

затухающие колебания на резонансных частотах деталей подшипника и корпу-

са, в котором установлен подшипник.

Для выделения низкочастотных компонент, модулирующих несущую,

используют детектирование [85, 86, 47, 99, 27] (см. §§3.6,), т.е. процедуру вы-

деления огибающей несущего колебания (Рисунок 6-19).

На практике, сигнал с пьезоакселерометра (Рисунок 6-20, поз. 1) по линии

связи (Рисунок 6-20, поз. 2) поступает на усилитель (Рисунок 6-20, поз. 3), по-

лосовой фильтр (Рисунок 6-20, поз. 4) выделяет заданный частотный диапазон

сигнала, детектор (Рисунок 6-20, поз. 5) (амплитудного линейного, квадратич-

ного, пикового или любого другого) преобразует двухполярный сигнал в одно-

полярный и затем фильтр нижних частот (Рисунок 6-20, поз. 6) пропускает

только низкочастотную часть спектра детектированного сигнала. После этого

сигнал поступает на анализатор (Рисунок 6-20, поз. 7), выполняющий заданную

обработку сигнала и отображение требуемой информации. Механизм формиро-

вания виброакустического сигнала подшипника качения и алгоритм его обра-

ботки приведены на рис. 6-21.

Если в данной структурной схеме пьезоакселерометр принять за источник

сигнала, то получим классическую схему детектирования [27], известную со

времен изобретения радио.

Анализатор

1 2

7 8

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

124

В конце 70-х годов прошлого века компания «Боинг» (США) предложила

метод [3, 4], который является одной разновидностью метода ENV Acc и в тоже

время весьма напоминает метод SPM. Суть предложенного метода заключается

в том, что анализируется спектр огибающей виброакустического сигнала в уз-

кой полосе частот в окрестности резонансной частоты пьезоакселерометра. При

этом выделяется информация не только об амплитуде ударных импульсов, но и

о частоте их повторения, т.е. создается привязка к дефектному узлу объекта.

Фактор динамического усиления на собственной частоте пьезопреобразователя

(добротность), равный 100, позволяет отстроиться от помех, вызванной работой

механизма, путем смещения резонансной зоны, на величину, достаточную для

удаления от зоны вынужденных и собственных частот механизма. Этот метод

используется для раннего обнаружения эксплуатационных повреждения под-

шипников качения.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

125

Рисунок 6-19 – Обработка сигнала для получения его огибающей

Рисунок 6-20 – Структурная схема устройства, реализующего метод ENV Acc

Анализатор

3 4 5 6

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

126

Рисунок 6-21 - Алгоритм выделения и анализа огибающей

Существует, по крайней мере, три различных подхода к выбору полосы

частот фильтра, выделяющего высокочастотную составляющую вибрации, для

последующего измерения спектра ее огибающей.

Первый использует полосу частот, в которой под действием сил трения

или ударных импульсов возникает сильная резонансная вибрация («резонанс-

ный метод») на собственных (резонансных) частотах колебаний тела качения

или наружного (неподвижного) кольца подшипника [85].

Второй подход заключается в использовании более высокочастотной не-

резонансной вибрации, возбуждаемой этими же силами (Рисунок 6-22).

Рисунок 6-22 – Выбор полосы выделения огибающей

Оба подхода дают близкие результаты, но лишь в том случае, когда в по-

лосу частот фильтра не попадают гармонические составляющие вибрации, по

мощности, превышающие случайную вибрацию. В противном случае колеба-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

127

ния мощности суммы гармонической и случайных составляющих уменьшают-

ся, и спектр огибающей начинает давать искаженную информацию о состоянии

подшипника.

Третий подход, предложенный D. Harting (компания Боинг) [4] и являю-

щийся расширением предложений D. Board [3], заключается в обнаружении за-

рождающихся дефектов по спектру огибающей виброускорения на резонансной

частоте датчика в зоне до 500 кГц. Используя перестраиваемый полосовой

фильтр (возможный диапазон изменения средней частоты 25-500 кГц), получа-

ют узкополосный случайный процесс, детектирование которого с последующей

спектральной обработкой, выявляет, при наличии повреждений, характерные

составляющие на частотах дефектов и их гармониках. Для получения высоко-

частотных сигналов специально разработан акселерометр с собственной часто-

той, позволяющей выбирать среднюю частоту фильтра до 500 кГц включитель-

но. К достоинству этого метода следует отнести обеспечение достаточно высо-

кого отношения «сигнал-шум». Очевидно, что этот метод, по сути, является

комбинацией методов SEE, SPM и приведенного в [3].

В любом случае, нижняя граница полосы фильтрации должна быть более

чем в 10 раз выше, чем частота вращения вала. Более эффективным является

выбор нижней границы, превышающей в несколько десятков раз большей, чем

частота гармоники, которая может проявиться в прямом спектре от любого не-

исправного или дефектного узла или его элемента. Устранив компоненты сиг-

нала с высокой амплитудой от прямых гармоник частоты вращения, можно

улучшить соотношение сигнал - шум. Это позволит обнаружить гармоники с

низкой энергией, преобразовать их путем выделения огибающей в область низ-

ких частот, где и проводить их анализ.

Результирующий диагноз о состоянии подшипника делается на основа-

нии анализа соотношения амплитуд "подшипниковых" гармоник в спектре оги-

бающей сигнала. Важно четко понимать то, что полученный спектр вычисляет-

ся не по всему сигналу, а только по его узкополосной выборке. Поэтому ампли-

туды гармоник приводятся не в "точных" значения виброускорения, а в едини-

цах относительной модуляции сигнала. Это усложняет интерпретацию резуль-

татов диагностирования, однако, практически всегда дает хорошие результаты.

Глубина модуляции определяется по формуле:

maxmin

()()

100%

()()

XtXt

=×

где X

max

(t), X

min

(t) – максимальное и минимальное значения огибающей

соответственно.

По этой формуле достаточно сложно по реальному сигналу оценить глу-

бину модуляции, т.к. модуляции чаще всего подвергается случайный процесс и

явно выраженную модуляцию во временном сигнале выявить непросто, тем бо-

лее что модулировать сигнал могут не только частоты дефектов подшипника.

Оценку серьезности дефекта подшипника можно оценивать по влиянию

амплитуды сигнала от дефекта подшипника в спектре огибающей на глубину

модуляции. Наиболее достоверной оценкой глубины модуляции, которую оп-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

128

ределяет сигнал с частотой дефекта подшипника, по спектру огибающей дает

следующая формула [1, 2]:

()

(1)100%

()

filtr

Sff

=-×

где S(f) – амплитуда спектральной составляющей в спектре огибающей;

(f) – уровень огибающей сигнала;

Δf – разрешение (шаг) по частоте в спектре огибающей;

filtr

– полоса фильтра при выделении огибающей.

Глубина модуляции более 10% говорит о наличии серьезного дефекта,

при значении 20% и более можно говорить о серьезном дефекте, при котором

дальнейшая эксплуатация подшипника недопустима и опасна. Однако практи-

чески для каждого типа оборудования приходится подбирать «опасные» уровни

модуляции.

Оценка глубины модуляции зависит от многих факторов. Во-первых, не-

обходимо выделить такой диапазон частот в сигнале, в котором влияние немо-

дулированных составляющих минимально. Во-вторых, на оценку глубины мо-

дуляции существенно влияет точность оценки уровня огибающей, которую при

узкополосном случайном характере оценить можно только путем аппроксима-

ции математическими методами на основе статистической обработки измерен-

ного сигнала.

Диагностирование подшипника связано с одной сложностью, которая

связана с многостадийностью развития дефекта [71] и которая затрудняет

корректное определение остаточного ресурса подшипника. Так, например, если

дефект возникает на обойме подшипника, а это случается наиболее часто, то на

первом этапе его развития наблюдается пропорциональный рост вибрационных

признаков. На некотором этапе развития дефекта начинается такой процесс, ко-

гда по спектру огибающей сигнала уровни признаков развития дефекта (уро-

вень модуляции сигнала частотами дефектов подшипников и их гармониками)

начинают снижаться. Дефект разрастается, а диагностирование дает улучшение

состояния подшипника. Через некоторое время это "улучшение состояния под-

шипника" прекращается и восстанавливается пропорциональность между сте-

пенью развития дефекта и его признаками в спектре огибающей. Наиболее не-

приятным здесь является то, что эта "аномальная зона диагностирования" мо-

жет занимать до половины общего времени от момента возникновения дефекта

до выхода подшипника из строя. Физическая картина этого явления достаточно

проста. На первом этапе развития дефекта обоймы вся энергия удара возникает

в зоне контакта одного тела качения с зоной дефекта. По мере разрастания зоны

возникает такая ситуация, что тело качения проходит зону дефекта, но сила

удара уменьшается за счет того, что в это время ротор опирается на два других

тела качения, расположенные с двух сторон зоны дефекта. Поскольку они обка-

тывают обойму вне зоны дефекта, сила удара уменьшается и может снизиться в

два - три раза и система диагностирования даст пропорциональное улучшение

состояния подшипника качения.

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

129

Методическими вопросами практического применения метода диагно-

стирования подшипников качения по спектру огибающей занимаются не все

отечественные фирмы. Активно внедрением этого метода занимается НПЦ

"ДИНАМИКА".

6.2.8.2. Диагностирование по спектру виброскорости

В этом методе предполагается использовать для диагностирования де-

фектов подшипников "обычные" спектры виброскорости. Выполнено достаточ-

но много практических исследований, которые вполне убедительно (внешне)

показали возможность применения такого подхода. При внимательном рас-

смотрении представленных результатов достаточно хорошо видно, что досто-

верное диагностирование этим методом получается в том случае, когда дефект

достаточно сильно развит. В основном это происходит тогда, когда остаточный

ресурс подшипника составляет 20 - 40 %, а оставшийся срок службы редко пре-

вышает несколько недель или месяцев.

Практическое применение данного метода является еще более сложным,

чем использование метода диагностирования по спектру огибающей. Проблема

заключается в том, что в "классическом" спектре вибрации дефектного под-

шипника очень трудно определить амплитуду "подшипниковых гармоник",

обычно в спектре виброскорости их просто нет. Именно процедуры полосовой

фильтрации, детектирования и получения спектра огибающей предназначены

для выявления в сигнале подшипниковых гармоник. В "классическом" спектре

виброскорости появление и развитие дефектов подшипников приводит к появ-

лению некоторых достаточно высокочастотных зон (одной или нескольких), в

которых спектр "приподнимается". В этих зонах есть хаотически расположен-

ные пики, частотам которых не удается придать осознанный физический смысл.

Расположение этих "зон поднятия спектра" не поддается точному описанию,

подшипники одной марки дают поднятия в разных зонах, особенно хорошо это

видно в оборудовании различной конструкции, или даже одной конструкции,

но в разных условиях настройки и даже разных режимах работы. Поиск и иден-

тификация этих зон - абсолютно творческий процесс, который не всегда удает-

ся формализовать.

Причина такого проявления дефектов подшипников в спектре становится

понятной, если определиться с тем, какие гармоники в нем отображается. Ос-

новной вес в спектре имеют те частоты, на которых возбуждаются элементы

конструкции оборудования после ударов в подшипнике - резонансные часто-

ты. Очень важно понимать, что в "обычном" спектре виброскорости видны не

частоты следования ударов в подшипнике, а свободные затухающие колебания

на резонансных частотах конструкции после этих ударов. Не нужно дополни-

тельно пояснять, что эти частоты зависят от очень большого количества пара-

метров, в перечне которых если и можно поместить дефекты подшипников ка-

чения, то только в самом окончании, и то только как просто возбуждающие ко-

лебания удары.

Для диагностирования дефектов подшипников по "классическому" спек-

тру виброскорости может быть применен любой анализатор сигналов, рабо-

В.Н. Костюков, А.П. Науменко Основы виброакустической диагностики машинного оборудования – 2007 _

130

тающий в диапазоне до 3000 герц. Это связано с тем, что зоны поднятия спек-

тра могут находиться в диапазоне часто от 500 до 3000 герц. Других требова-

ний к анализатору виброскорости не предъявляется. Теоретическими и методи-

ческими вопросами этого метода серьезно никто не занимается.

6.2.8.3. Сравнение мощности сигнала в частотных диапазонах

Идея данного метода достаточно проста и понятна – выбрав необходимые

диапазоны частот нужно просто сравнить мощности сигнала, полученные с по-

мощью пьезоакселерометра при текущем измерении с заданным уровнем мощ-

ности для заведомо исправного подшипника.

Реализация данного метода нашла отражение в Методике измерений и

Технических условиях (ТУ) на подшипники, разработанные Научно производ-

ственным объединением подшипниковой промышленности (НПО ВНИПП) [90,

91].

В зависимости от конкретного назначения и условий применения, по ука-

занным выше ТУ, подшипникам присвоены следующие категории качества:

- подшипники с регламентированным уровнем вибрации;

- подшипники с регламентированными значениями волнистости и от-

клонения округлости поверхностей качения (подшипники с регламентирован-

ной точностью формы поверхностей качения);

- подшипники с регламентированным значением момента трения (под-

шипники с регламентированным моментом трения);

- подшипники с повышенными требованиями по осевому биению;

- подшипники с повышенными требованиями по радиальному биению;

- подшипники с повышенными требованиями по осевому и радиальному

биениям;

- подшипники с регламентированным значением угла контакта (под-

шипники с регламентированным углом контакта);

- подшипники с регламентированными значениями момента трения и

угла контакта (подшипники с регламентированным моментом трения и углом

контакта);

- подшипники с повышенными требованиями по высоте, монтажной

высоте и ширине колец.

Для оценки качества подшипников для устранения влияния мешающих

факторов от других элементов оборудования измерения проводят на специаль-

ных приспособлениях, называемых стендами. Для контроля виброактивности

подшипников с помощью пьезоакселерометра проводят измерения значений

уровней виброакустического сигнала по виброскорости и виброускорению в

трех полосах частот (50-300 Гц, 300-1800 Гц, 1800-10000 Гц) и значений общего

уровня вибрации (ОУВ) в полосе 22-11200 Гц. Все измеренные значения долж-

ны соответствовать приведенным в ТУ нормам. В некоторых случаях при опре-

деленных требованиях к качеству подшипников возможны комбинации полос

измерений.

По этим нормам производится выходной контроль качества подшипников

на заводах-изготовителях и, сегодня, на многих предприятиях потребителях