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 _

231

Из условия резонанса

для данной системы можно определить ско-

рость вращения вала, при которой наступает резонансные колебания:

130

()

=+ .

Случай 2. В сечениях

труба закрыта, т.е.

. Этот случай со-

ответствует участку трубопровода, у которого на конце l имеет место резкий по-

ворот трубы; объемом цилиндра, присоединяемого к трубопроводу, как и в первом

случае, можно пренебречь. Тогда

, или

(1)

=+ ,

частота свободных колебаний

(1)

=+ .

Скорость вращения вала, при которой в данной системе происходят резо-

нансные колебания, также определяется из условия

и равна

(1)

=+ .

На рисунке 9.17 показаны колебания основного, первого и второго высших

тонов для обеих рассмотренных систем.

Отметим, что при работе двух цилиндров в общий трубопровод с углом

смещения кривошипов 1800 частота возмущающего импульса будет в два раза

больше скорости вращения из трубы, в начале которой присоединен объем

V ,а

на другом конце трубы открыта (Рисунок 9-13). Эта схема соответствует участку

нагнетания (или всасывания), с одной стороны которого расположен цилиндр ком-

прессора, а с другой – буферная емкость достаточных размеров, чтобы считать

конец открытым.

Для этой системы безразмерный импеданс объема

V в начале трубы [55]

iZaF

FaFaV

rrw

=-=-× ,

где

V - объем цилиндра, присоединяемого к трубопроводу,

- сечение трубопро-

вода, импеданс буферной емкости 0

Y .

Тогда выражение (9.1) примет вид

tgY

Уравнение для нахождения частот свободных колебаний для рассматривае-

мой системы будет

=- .

Частоту свободных колебаний любой сложной системы можно определить

по выражению (9.1).

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

232

Микропульсации давления в рабочих полостях поршневых машин, являю-

щиеся результатом вихреобразования в потоке, а также газовой и паровой кавита-

ции, в значительной степени носят случайный характер. Они; возбуждают силы,

действующие на гидроблок и другие элементы, вызывая их вибрацию в диапазоне

средних и высоких частот.

а) б)

Рисунок 9-13 – Колебания газа в трубе; а) в сечении

труба имеет открытый

конец, в сечении

– закрытый; б) оба конца трубы закрыты:1 – основная фор-

ма колебаний (

); первая форма (

); вторая форма колебаний (

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

233

10. Анализ трендов вибропараметров

Анализ неисправностей более чем 2500 машин, контролируемых в течение

многих лет автоматической системой диагностики и мониторинга состояния

КОМПАКС

, показывает, что в зависимости от вида неисправности скорость раз-

вития дефектов различна. Так, на 40-суточном тренде можно наблюдать увеличе-

ние зазора в коренном подшипнике поршневого компрессора, процессы расцен-

тровки, ослабления крепления и некоторые другие дефекты. Процесс же разруше-

ния подшипников качения более скоротечен и может колебаться от нескольких

суток до нескольких часов. Зафиксированы случаи, когда при дефекте подшипни-

ка его разрушение и переход диагностических признаков из зоны ТПМ в зону

НДП происходил за 15 – 20 минут. Поэтому актуальной стала задача предупреж-

дения персонала о высокой скорости роста уровней диагностических признаков.

Аналогичное требование предъявляется к системе при диагностировании гидро-

ударов в поршневых компрессорах.

Впервые в мировой практике решение задачи вибродиагностики путем со-

вместного использования вибропараметра и скорости его роста предложено Кос-

тюковым В.Н. с сотрудниками в середине 90-х годов прошлого века [8, 9].

Анализ 4-суточного тренда (Рисунок 10-1) диагностического признака виб-

росигнала с датчика, установленного на переднем подшипнике двигателя насоса

5НГ-5х2, показывает, что его скорость изменения составляет около 4 мм/с в сутки.

Система предупредила персонал о расцентровке. Ремонт подтвердил диагноз. Для

расцентровки такая скорость изменения диагностического признака является дос-

таточно высокой, однако в общем, случае по сравнению с другими дефектами та-

кой тренд можно назвать «медленным». За время перехода диагностического при-

знака из состояния ТПМ в НДП персонал успевает подготовить к запуску резерв-

ный агрегат.

Дефекты подшипников имеют более быстрые тренды. Тренд

(Рисунок 10-2) диагностического признака вибросигнала с датчика, установленно-

го на заднем подшипнике двигателя насоса 8НГД-9х3, до момента достижения

уровня НДП имеет скорость роста около 1 м/с

в час. Это - «средний» тренд. По-

сле достижения уровня НДП за 1,6 часа до остановки агрегата скорость составила

6 м/с

в час. Это уже «быстрый» тренд. По показаниям системы о неисправности

подшипника агрегат был остановлен и авария предупреждена. Неисправность

подшипника подтверждена в результате ремонта.

Тренд диагностического признака вибросигнала с переднего подшипника

насоса НК-65/35-420 (Рисунок 10-3) показывает, что за 4 часа уровень диагности-

ческого признака перешел из зоны ТПМ в зону НДП. Система сообщила о дефекте

подшипника. В течение 8 часов скорость роста составила около 1 м/с

в час. В

следующие 8 часов скорость увеличилась до 5 м/с

в час. Затем до остановки агре-

гата скорость снизалась. Агрегат был остановлен через 18 часов после предупреж-

дения системы. Ремонт выявил разрушение подшипника.

Из приведенных примеров видно, насколько важно следить за скоростью

роста трендов диагностических признаков. Однако текущий анализ скорости роста

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

234

величины диагностического признака затруднен достаточно большой дисперсией

абсолютного значения величины признака. Тем не менее, статистический анализ

4-суточных и 12-часовых трендов позволил разработать алгоритмы, расчета сред-

ней скорости роста величины диагностических признаков, подробное обсуждение

которых выходит за рамки настоящего пособия.

При неисправности подшипников скорость роста тренда виброускорения

§ высокая (единицы м/с

/час);

При возникновении расцентровки скорость роста тренда вибропараметров

§ средняя (единицы мм/с/сут);

При ослаблении крепления агрегата скорость роста тренда вибропараметров

§ низкая (единицы мкм/нед).

Таким образом, анализ скорости изменения трендов диагностических при-

знаков на различных интервалах времени и оценка дисперсии трендов, при ис-

ключении случайных выбросов трендов, субъективно связанных с работой обору-

дования, позволили разработать новые правила функционирования экспертной

системы. По совокупности результатов анализа экспертная система выдает сооб-

щение "допустимо", "недопустимо" или "требует принятия мер" в зависимости не

только от абсолютного значения диагностического признака, но и от скорости его

роста, а также выводит сообщения о наиболее опасных неисправностях.

Порог

НДП

Порог

ТПМ

Рисунок 10-1 - Тренд виброскорости корпуса

переднего подшипника электродвигателя

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

235

Порог

ТПМ

Порог

НДП

Рисунок 10-2 - Тренд виброускорения корпуса

переднего подшипника электродвигателя

Порог

НДП

Порог

ТПМ

Рисунок 10-3- Тренд виброускорения корпуса переднего подшипника

насоса

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

236

Рисунок 10-4 – Тренд виброускорения корпуса заднего подшипника двигателя

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

237

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Основные понятия вибродиагностики

Алгоритмы диагностирования

Включают: формирование системы информативных диагностических при-

знаков, построение эталонных изображений для каждого класса технических со-

стояний и разработку правил принятия принадлежности к тому или иному классу

состояний.

Балансировка.

Настройка распределения масс на вращающемся элементе таким образом,

чтобы снизить до минимума центробежные силы, действующие на подшипники.

Ротор является отбалансированным, если его центр масс совпадает с центром

вращения. Балансировка сокращает энергопотребление машины, снижает уровни

вибрации и увеличивает жизнь подшипников, причем иногда весьма существенно.

Биение ротора.

Радиальное движение поверхности вращающегося ротора или вала. Может

быть вызвано неправильной формой какой-то детали или смещением центра вра-

щения какой-то детали относительно ее геометрического центра.

Вибрация

Это относительно малые отклонения твердого тела или его точек при меха-

нических колебаниях. Вибрация не всегда является вредной. Полезные свойства

вибрации используются в устройствах различного технологического назначения.

В роторных машинах воздействие вибрации приводит к преждевременному изно-

су и поломке. Вибрацию характеризуют следующие физические параметры - рез-

кость, виброускорение, виброскорость, виброперемещение. При эксплуатации

промышленного оборудования вибрация или механические колебания имеют наи-

большее практическое значение.

Вынужденная вибрация

Вибрация конструкции или системы, вызванная приложенной силой. Если

система линейна, то она будет вибрировать на частоте возбуждающей силы. Одна-

ко, если система нелинейная, то в спектре вибрации появятся новые частоты, в ча-

стности, гармоники возбуждающей частоты. Вибрация машин - это типичная вы-

нужденная вибрация. Возбуждающие силы в машине возникают вследствие дис-

балансов, несоосностей, неисправностей подшипников и т.д.

Вибрационная диагностика

Это техническая диагностика, основанная на анализе вибрации объекта ди-

агностирования. Применение вибрационной диагностики может вызывать отрица-

тельный экономический эффект. Метод вибрационного контроля оборудования

приносит наибольший эффект при эксплуатации.

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

238

Вибрационно-диагностический метод

Это метод акустического неразрушающего контроля, основанный на анализе

параметров вибрации, возникающей при работе объекта контроля.

Вибрационный неразрушающий контроль

Это неразрушающий контроль, основанный на измерении упругих колеба-

ний, возбуждаемых или возникающих в объекте контроля.

Вязкое демпфирование.

Тип механического демпфирования, при котором демпфирующая сила про-

порциональна скорости Противоположно демпфированию трением скольжения,

где демпфирующая сила постоянна. Хорошим примером вязкого демпфирования

являются амортизаторы в автомобиле. В большинстве механических систем при-

сутствуют оба типа демпфирования.

Диагностическая модель

Это формальное описание изделия, подвергаемого диагностированию, необ-

ходимое для решения задач диагностирования (в аналитической, табличной, век-

торной, графической и др. форме), учитывающее возможные изменения в его ис-

правном и неисправном состоянии

Диагностический тест

Это совокупность проверок, достаточная для определения состояния агрега-

та вплоть до выявления характера неисправностей. Всегда допустимо разбиение

агрегата на узлы и точки для упрощения процедуры поиска возможных неисправ-

ностей, приводящих к отказу

Запас работоспособности

Характеризует приближение состояния агрегата к предельно допустимому

состоянию

Критически узлы

Это элементы и сопряжения (узлы), отказ которых наиболее вероятен/

Критическая скорость ротора

Это режим работы, при котором скорость вращения, равна одной из его соб-

ственных частот, соответствующих резонансам изгиба или кручения. Если ротор

работает на скорости, равной или близкой к критической, то он будет испытывать

сильную вибрацию, и может быть поврежден. Многие роторные машины работа-

ют на скоростях, превышающих минимальную критическую скорость. Это означа-

ет, что их следует разгонять достаточно быстро, чтобы быстрее пройти критиче-

ский режим.

Мониторинг состояния

Мониторинг состояния (или просто мониторинг оборудования) – это про-

цесс наблюдения за техническим состоянием функционирующего машинного

оборудования (агрегата, механизма, узла) с целью предсказания момента времени

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

239

перехода его или любой его части в предельное состояние.

Определение работоспособности

Это установление принадлежности агрегата по состоянию к одному из под-

множеств: работоспособное состояние или предельное

Обнаружение неисправности

Это определение, в каком из предельных состояний находится агрегат

Предельное (аварийное) состояние

Это состояние исследуемого агрегата, при котором его дальнейшая эксплуа-

тация невозможна вследствие ухода его параметров за недопустимые пределы.

Допустимо разделение возможных состояний оборудования (не учитывая то, что

множество возможных состояний оборудования вследствие их изменения во вре-

мени бесконечно) только на два подмножества: работоспособные и предельные.

Состояние исправности

Это состояние, при котором исследуемый агрегат соответствует всем требо-

ваниям.

Состояние работоспособности

Это состояние, при котором исследуемый агрегат способен выполнять за-

данные функции в пределах, установленных нормативно-технической документа-

цией, т. е. могут присутствовать необнаруженные неисправности, не препятст-

вующие применению его по назначению. Проверка работоспособности исследуе-

мого агрегата может быть менее полной, чем проверка исправности, т. е. может

оставлять не обнаруженные неисправности, не препятствующие применению его

по назначению

Состояние правильности функционирования

Это состояние исследуемого агрегата, при котором он выполняет в текущий

момент времени предписанные ему алгоритмы функционирования. Проверка пра-

вильности функционирования менее полна, чем проверка работоспособности, так

как она позволяет убедиться лишь в том, что исследуемый агрегат правильно

функционирует в данном режиме работы в данный момент времени.

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

240

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Основы теории колебаний

Свободные колебания

Свободными называют колебания физического тела в пространстве. Коле-

бания бывают линейным (поступательное движение) и угловыми (вращение, кру-

тильные колебания). Свободное тело в пространстве (свободно подвешенное) об-

ладает шестью степенями свободы. Механическая система имеет столько частот

свободных (собственных) колебаний, сколько степеней свободы. Механическая

система с распределенной массой имеет бесконечный спектр частот свободных

колебаний. Различают два вида колебаний – свободные и вынужденные

Вынужденные колебания

Колебания системы при воздействии на нее внешних сил называют вынуж-

денными колебаниями

Крутильные колебания

Знакопеременное вращение физического тела вокруг выбранной оси назы-

вают крутильными колебаниями.

Автоколебания

Колебания, поддерживаемые внутренними силами, называют автоколеба-

ниями.

Периодическая вибрация

Периодической называется такая вибрация, при которой каждое значение

колеблющейся величины повторяется через равные промежутки времени. Извест-

ны следующие виды периодической вибрации – гармоническая и полигармониче-

ская.

Случайная вибрация

Вибрация, протекание которой во времени неизвестно и не может быть вы-

ражено математически, называют случайной вибрацией.

Форма колебаний

Графическое изображение мгновенных значений колебательной величины

на данном промежутке времени называют формой колебаний.

Параметры колебаний

Перемещение - виброперемещение (вибросмещение) гармонической вибра-

ции описывается формулой )sin(

tSS и принято измерять в

мкм

Скорость - виброскорость гармонической вибрации описывается формулой

)cos(

tSV принято измерять в

ммс

Ускорение - виброускорение гармонической вибрации описывается форму-