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 _

241

лой )sin(

jww

+×××-= tSA и принято измерять в

мс

Резкость

Это скорость изменения виброускорения – может быть получена путем

дифференцирования сигнала виброускорения.

Частоту гармонических колебаний (

)принято измерять в

. Частота

равна отношению единицы к периоду колебании.

Интенсивность колебаний принято оценивать следующими параметрами:

виброперемещения - размахом (или скз); виброскорости – среднеквадратичным

значением; виброускорения – максимальным пиковым значением (или скз).

Параметры гармонической вибрации: виброперемещение, виброскорость и

виброускорение (

AVS

— соответственно амплитудные значения вибропереме-

щения, виброскорости и виброускорения,

— частота гармонической вибрации)

связаны между собой соотношениями

222

(/)24

A мс fVfS

=×=×

(/)2

V ммс fS

==×

()

Sмкм

××

Амплитудное, среднее и среднеквадратическое значения параметров гармо-

нической вибрации находятся между собой в следующем соотношении:

0,637;0,707;1,41

cpaскз aa скз

XXXXXX

=×=×=×

Резонанс

Совпадение частоты возмущающей (вынуждающей) силы и резонансной

частоты (частоты свободных колебаний) системы или ее части называют резонан-

сом.

Амплитудно-частотная характеристика

Зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы называ-

ют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

Фазовый сдвиг

Фаза есть мера относительного сдвига во времени двух синусоидальных ко-

лебаний. Фазовый сдвиг – это разница в моментах начала отсчета между двумя и

более колебательными процессами. Синфазными называют колебания, у которых

сдвиг фаз равен 0°, 360°. Противофазными называют колебания, у которых сдвиг

фаз равен 180°.

Фазочастотная характеристика

Фазочастотной характеристикой (ФЧХ) называют зависимость фазы колеба-

ний от частоты, вынуждающей силы.

Линейный спектр колебаний

Линейный спектр колебаний - это совокупность амплитуд гармонических

составляющих колебаний.

Гармонический анализ

Практическое разложение в ряд Фурье на гармоники относительно основной

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

242

частоты называют гармоническим анализом.

Сложения колебаний

Сложения колебаний производится путем сложения мгновенных значений

колебательных величин с учетом фаз.

Биение

Биение - это результат сложения двух колебаний с близкими частотами.

Огибающей биений называется кривая, касающаяся вершин и впадин кривой от-

дельных колебаний. Частота огибающей суммы двух колебаний с близкими часто-

тами равна частоте биений.

Центростремительная сила

Центростремительная сила это радиальная сила, направленная к центру,

возникает при поддержании вращении объекта массой

. При ее отсутствии объ-

ект уйдет с орбиты и полетит в тангенциальном направлении в соответствии с за-

конами Ньютона. В ответ на центростремительную силу возникает сила реакции,

которая называется центробежной силой. Центробежная сила направлена по ра-

диусу от центра и равна по величине центростремительной силе. Именно центро-

бежная сила вызывает заметную вибрацию машины на частоте

в случае дисба-

ланса ротора.

Крутильные колебания

Колебания по угловой координате вокруг центральной оси называют Кру-

тильными колебаниями. Вызываются осциллирующей крутящей силой. Например,

двигатель, который соединен с валом ведущей шестерни зубчатой передачи, ис-

пытывает изменения крутящего момента всякий раз, когда ее зуб встречается с зу-

бом другой шестерни. Это приводит к появлению крутильных колебаний вала

Важно убедиться, что эти силы не возбуждают колебания с частотами, близкими к

торсионному резонансу: иначе уровни вибрации могут быть очень высокими.

Торсионный резонанс

Резонанс крутильных колебаний вала, в котором в качестве элемента упру-

гости выступает скручивающийся вал, а в качестве инерционного элемента (мас-

сы) – соединенные с ним детали (муфта, ротор), называют торсионным резонан-

сом. Торсионный резонанс возникает, когда собственная частота крутильных ко-

лебаний совпадает с частотой крутящего момента (возбуждения).

Мода (форма) колебаний

Мода (форма) колебаний – это характеристическое колебание механической

системы на собственной частоте. Большинство систем обладает многими модами

вибрации, и именно в определении их формы состоит задача модального анализ.

Вибрация реальной конструкции всегда является комбинацией всех ее мод, одна-

ко, они не обязательно возбуждаются в одинаковой степени. Например, при тихом

звоне колокола мы слышим, главным образом, фундаментальную моду, однако ес-

ли колокол ударить сильнее возбудятся и другие моды, и мы услышим высшие со-

ставляющие (гармоники от основной моды).

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

243

Модальный анализ

Модальный анализ - создание компьютерной модели механической системы

на основе измерений ее частотной, характеристики. Модель можно изобразить на

экране компьютера и изучить формы колебаний. Ее можно модифицировать, до-

бавляя или убирая массы и ребра жесткости, чтобы оценить последствия таких

изменений в реальной системе. Модальный анализ является экспериментальной

методикой, которую часто применяют для контроля точности метода конечных,

элементов.

Модуляция

Изменение какого-то параметра одного сигнала под влиянием другого сиг-

нала называют модуляцией. Модуляция - это нелинейный процесс, который может

произойти только при взаимодействии двух или более сигналов. Один из широко

встречающихся типов модуляции - амплитудная модуляция, при которой ампли-

туда одного сигнала (носителя) меняется под влиянием модулирующего сигнала.

В роторных машинах часто происходит амплитудная и частотная модуляции раз-

личных спектральных компонент вибрации, в результате чего в вибрационном

спектре появляются боковые полосы.

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

244

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Измерение вибрации

Кинематический принцип

Кинематический принцип измерения вибрации заключается в измерении па-

раметров вибрации исследуемого объекта относительно какого-либо другого объ-

екта, принятого за неподвижный.

Динамический принцип

Динамический принцип измерения вибрации заключается в создании в дат-

чике, воспринимающем вибрацию, искусственной неподвижной точки, относи-

тельно которой измеряются параметры вибрации исследуемого объекта.

Динамический принцип измерения реализуется в вибродатчиках инерцион-

ного действия, в которых инерционная масса и упругий элемент, соединяющий

массу с основанием датчика, крепятся на объекте контроля, причем в силу инер-

ционности масса отстает от колебаний объекта и, начиная с некоторой частоты,

остается неподвижном в пространстве, позволяя измерять абсолютную вибрацию

объекта.

Характеристики вибродатчика

Уравнение движения вибродатчика инерционного действия имеет вид (

масса инерционного элемента,

- коэффициент демпфирования,

- коэффициент

упругости,

- относительное перемещение массы,

()

- виброперемещение объ-

екта контроля):

()

MxhxkxMSt

×+×+×=-×

&&&

В зависимости от расположения области рабочих частот датчика относи-

тельно резонансной различают три режима его работы: режимы измерения вибро-

скорости, виброперемещения и виброускорения.

В режиме измерения виброперемещения датчик работает в области частот,

лежащих выше собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброскорости датчик работает в области частот, ле-

жащих в области задемпфированной собственной частоты датчика.

В режиме измерения виброускорения датчик работает в области частот, ле-

жащих ниже собственной частоты датчика.

На выходной сигнал пьезоэлектрического датчика оказывают влияние тем-

пература и ее резкие изменения, магнитные и электрические поля, радиация, аку-

стический шум, влажность.

При проверке исправности пьезоакселерометра контролируются соответст-

вие емкости и сопротивления на выходе паспортным данным.

Характеристики виброизмерительной аппаратуры

Фазочастотной характеристикой измерительной аппаратуры называют зави-

симость фазы выходного сигнала от частоты выходного сигнала.

Зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты выходного сигнала

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

245

называют амплитудно-частотной характеристикой.

Зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала

называют амплитудной характеристикой (АХ).

Характеристики виброизмерительной аппаратуры (при нормальный услови-

ях - Н.У) должны отвечать следующим требования, необходимым для правильно-

го измерения вибрации в рабочих частотах: плоская (параллельная оси частот)

АЧХ, пропорциональная частоте или нулевая ФЧХ, линейная амплитудная харак-

теристика – АХ.

В рабочем диапазоне АЧХ должна быть плоской с допускаемой по ТУ по-

грешностью, АХ должна быть линейной с заданной в паспорте погрешностью в

рабочем динамическом диапазоне.

В рабочем диапазоне частот ФЧХ виброизмерительной аппаратуры должна

быть пропорциональной частоте или нулевой.

При измерении СКЗ параметра и амплитудного спектра непропорциональ-

ность частоте ФЧХ не вносит искажений в результат измерений.

Основные источники погрешности виброизмерительной аппаратуры: непра-

вильно установленный коэффициент преобразования, неравномерность АЧХ, не-

линейность АХ, непропорциональность ФЧХ, поперечная чувствительность дат-

чика.

Погрешность измерения, выполненного с помощью технического измери-

тельного прибора, принимается равной указанной в паспорте прибора погрешно-

сти, никаких поправок в результат измерения не вносится, прибор используют

только в указанных в паспорте пределах изменения параметров контролируемых

процессов и значений влияющих величин. Погрешность измерения складывается

из основной погрешности (погрешности калибровки при НУ) и дополнительных

погрешностей от внешних влияющих факторов.

Суммарная погрешность измерения технического измерительного прибора в

области НУ рассчитывается как арифметическая или квадратическая сумма всех

видов погрешностей, нормируемых в области НУ. При арифметическом способе

суммирования суммарная погрешность получается завышенной.

Нормальные условия при калибровке виброизмерительной аппаратуры и

датчиков определяются МИ 1873-88.

Условия поверки виброизмерительных приборов определяются МИ 1873-88.

Область нормальных условий эксплуатации (НУ) измерительного прибора

определяется совокупностью значений влияющих величин, в которых дополни-

тельные погрешности не выходят за допустимые пределы.

Основной погрешностью виброизмерительного прибора является погреш-

ность определения коэффициента преобразования вибродатчика и аппаратуры,

при их калибровке на вибростенде.

Погрешность измерения параметров вибрации не может быть меньше, чем

погрешность калибровки виброизмерительной аппаратуры.

Поперечная чувствительность вибродатчика

Поперечная чувствительность вибродатчика - это относительная величина,

равная отношению максимальной величины сигнала на входе датчика от вибра-

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

246

ции, действующей в направлении, перпендикулярном рабочей оси, к сигналу от

вибрации того же уровня, действующего вдоль рабочей оси. Данные о поперечной

чувствительности датчика представляются в виде диаграммы направленности, ли-

бо указанием максимального значения поперечной чувствительности, определен-

ного по диаграмме направленности. Поперечную чувствительность датчика реко-

мендуется определять на базовой частоте или одной из частот, лежащей в рабочем

диапазоне частот датчика, с учетом характеристик вибростенда.

Частота установочного резонанса

Способ крепления датчика к вибрирующему объекту определяет частоту ус-

тановочного резонанса, а, следовательно, и верхнюю границу рабочего диапазона

частот датчика.

Частота установочного резонанса высокочастотных датчиков определяется

на вибростенде на различных частотах путем сличения сигналов испытуемого и

образцового датчиков и с использованием стального куба со стороной 25,4 мм и

массой 180 г, возбуждаемого датчиком-возбудителем.

Деформационная чувствительность акселерометра

Деформационная чувствительность акселерометра возникает из-за изгибных

деформаций объекта в месте крепления акселерометра, что вызывает деформацию

пьезопластин и возникновение на выходе датчика паразитного сигнала.

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

247

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Анализ вибраций и общие принципы распознавания дефек-

тов

Основная причина колебаний деталей агрегатов - динамические нагрузки.

Распознавание состояний оборудования

Отнесение предъявленного к опознаванию виброакустического образа к од-

ному из возможных классов (диагнозов) с помощью специально построенного ре-

шающего правила.

Задача диагностирования

Двойственная задача: с одной стороны это задача построения характеристи-

ки класса состояний, которому принадлежит совокупный виброакустический об-

раз, с другой стороны – это задача принятия решения о принадлежности к одному

из классов состояний испытуемого виброакустического образа. Увеличение числа

зависимых диагностических признаков не способствует более полному описанию

объекта диагностирования и надежному распознаванию.

Информативные параметры

Информативные параметры полигармонической и квазиполигармонической

модели колебаний - значения амплитуд дискретных составляющих спектра на час-

тоте вращения ротора и ее гармониках и скорость их изменения при увеличении

наработки механизма.

Полигармоническая модель

Преимущества полигармонической модели возбуждения колебаний в том,

что она позволяет сконцентрировать внимание лишь на определенных частотах

, кратных основной частоте возбуждения колебаний

диагностируемого уз-

ла, поскольку процесс локализации источников повышенной виброактивности аг-

регата состоит в выявлении источников возбуждения, вызывающих колебания на

данной частоте. Модель полигармонического возбуждения колебаний в роторных

агрегатах учитывает частотные составляющие, кратные числу элементов взаимо-

действия на окружности ротора. Чаще всего амплитуды колебаний на роторных

частотах определяются величиной дисбаланса, несоосностью валов, кинематиче-

скими погрешностями и отношением критической частоты вращения ротора к ра-

бочей. Возникновение дисбаланса и/или несоосности валов сопровождается рос-

том вибрации на частоте вращения ротора и ее гармониках. Влияние на характер

вибрации погрешностей изготовления и монтажа деталей, температурных измене-

ний геометрических параметров деталей и зазоров в сочленениях, изменений вяз-

кости смазки, искажения формы и качества поверхностей взаимодействующих де-

талей с наработкой выражается в появлении флуктуаций амплитуд, размытии дис-

кретных линий спектра полигармонических колебаний, росте шумового компо-

нента.

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

248

Квазиполигармоническая модель

Квазиполигармоническая модель процесса возбуждения колебаний основана

на представлении колебаний в виде суперпозиции узкополосных случайных про-

цессов с кратными средними частотами. Квазиполигармоническая модель более

адекватно описывает процесс возбуждения колебаний, чем полигармоническая.

Размытие линий спектра квазиполигармонической модели колебаний по отноше-

нию к дискретным полигармонической модели не является недостатком.

Шумовая и периодическая составляющие

Допустимо широкое использование (при формировании диагностических

признаков состояния агрегата) соотношения энергии периодического и шумового

компонентов в качестве информативного параметра вибросигнала

Импульсная модель

Импульсная модель виброакустического сигнала основана на представлении

процессов возбуждения колебаний в роторных агрегатах в виде периодической

последовательности импульсов определенной формы. При формировании диагно-

стических признаков импульсной модели виброакустического сигнала используют

представление колебания в виде модуляции высокочастотного гармонического

сигнала суммой гармонических же низкочастотных колебаний. Если физика воз-

действия неисправности на колебания механизма связана с появлением амплитуд-

ной или фазовой модуляции рационально исследовать свойства огибающей сигна-

ла вибрации.

Метод синхронного накопления

Метод синхронного накопления используется для выделения периодическо-

го сигнала на фоне помехи.

Кепстральный анализ

Кепстральный анализ, сжимающий информацию об изменениях в сигнале до

обозримого количества рагмоник, амплитуды которых легко оценить количест-

венно, рационально использовать при появлении или усилении полигармониче-

ских колебаний.

Контрольные точки

Существует необходимость использования различных контрольных точек и

направления измерения вибрации для диагностирования моделей механической и

электромагнитной систем электрических машин.

Эксплуатационные нормы

Эксплуатационные нормы вибрации оборудования предназначены для кон-

троля технического состояния оборудования в процессе эксплуатации, т. е. для

решения диагностической задачи: создание таких условий эксплуатации, при ко-

торых была бы создана возможность своевременного обнаружения любых, даже

незначительных повреждений или ненормальностей. При оценке состояния агре-

гатов (кроме гидротурбин) с вращающимся ротором по общему уровню вибрации

в большинстве случаев устанавливается в качестве нормируемого параметра сред-

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

249

неквадратическое значение виброскорости. Наиболее существенным недостатком

при оценке состояния оборудования по общему уровню вибрации является нечув-

ствительность к изменениям сравнительно низкоуровневых частотных состав-

ляющих (составляющих с малыми энергиями в колебательном процессе) вибро-

сигнала, характерных для ряда зарождающихся дефектов. Оценка состояния по

уровню вибрации в частотных полосах дает более достоверные результаты, чем

оценка состояния по общему уровню вибрации. При оценке состояния по уровню

вибрации в частотных полосах требования к ширине полос, их количеству и до-

пустимым значениям зависят от конструктивных особенностей агрегата. В боль-

шинстве случаев применение индивидуального набора критериев и предельных

значений для оценки состояния каждого конкретного агрегата на каждой конкрет-

ной контрольной точке не целесообразно.

Периодический вибромониторинг

Периодический вибромониторинг предназначен для оценки состояния обо-

рудования с целью оптимизации межремонтного интервала и уменьшения вероят-

ности возникновения аварий и разрушения оборудования.

Абразивный износ

Абразивный износ возникает вследствие истирания трущихся поверхностей

и прямо пропорционален удельному давлению на трущиеся поверхности и пути

скольжения.

Заедание

Заедание возникает вследствие контакта поверхностей в условиях разруше-

ния масляной пленки.

Усталостный износ

Усталостный износ возникает вследствие усталости поверхностного слоя

при относительном скольжении поверхностей и вследствие микро-

шероховатостей.

Износ и уровень вибрации

Для процесса приработки увеличение скорости износа обычно не характер-

но. Существует взаимосвязь между этапами износа и уровнем вибрации. В период

нормального износа обычно наблюдается линейная связь между значением износа

и временем. Для прогрессивного износа обычно не характерно уменьшение скоро-

сти износа. На этапе приработки обычно не характерно постоянное увеличение

уровня вибрации. На этапе нормальной работы обычно не характерно постоянное

увеличение уровня вибрации. На этапе интенсивного износа обычно характерен

рост уровня вибрации.

Периодическое возбуждение колебаний

У роторных агрегатов периодическое возбуждение в наиболее простом виде

проявляется как сумма гармонических составляющих, кратных основной частоте

возмущения. Одна из основных частот возбуждения вибрации роторных агрегатов

- частота вращения ротора.

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

250

Абразивное изнашивание

Влияние на характер вибрации истирания (абразивного изнашивания) кон-

тактирующих поверхностей выражается в уменьшении шумового компонента и

увеличении амплитуд гармонического ряда зубцовых частот возбуждения кинема-

тического узла.

Локальное изнашивание

Влияние на характер вибрации выкрашивания (локального изнашивания)

контактирующих поверхностей выражается в появлении периодических всплесков

вибросигнала, модулирующих основной процесс возбуждения колебаний.

Влияние раковин

Влияние на характер вибрации периодического попадания раковин в зону

контакта при вращательном движении элементов агрегата выражается в появлени-

ем в спектре сигнала комбинационных частот (

mfkf

×±×

) в окрестности основ-

ных частот возбуждения, вызванных амплитудной модуляцией.

Трещины

По своему проявлению развитие трещины в теле детали вращения сходно с

развитием выкрашивания, но скорость развития данного дефекта значительно вы-

ше.

Развивающийся задир

Влияние развивающегося задира на сигнал вибрации выражается в том, что

сигнал вибрации становится существенно нестационарным из-за нерегулярности

выбросов, а в спектре сигнала наблюдается падение амплитуд основных частот

возбуждения

при одновременном росте амплитуд комбинационных частот

(

mfkf

×±×

Измерение вибрации

Наиболее приемлемое правило размещения вибродатчиков на подшипниках

- максимально возможное их приближение к диагностируемому узлу и установка

только на жесткие элементы конструкции с подготовленной поверхностью.

Для некоторых типов агрегатов допускается измерение составляющих виб-

рации путем установки на верхнюю часть крышки подшипника трехкомпонентно-

го вибродатчика для измерений вибрации.

Если при периодическом контроле насосов и нагнетателей невозможно про-

ведение измерений по трем главным направлениям в зоне одного подшипника или

требуется минимизация количества замеров, то допускается измерение вибрации

по двум направлениям и предпочтение отдается осевому и поперечному направле-

нию, как правило, соответствующему направлению минимальной жесткости сис-

темы.

Допускается осевую вибрацию привода и нагнетателя измерять при перио-

дическом контроле только у подшипника свободного конца вала.