Современное состояние виброакустической диагностики машин

  Наиболее  доступным средством измерения  и анализа сигналов в настоящее  время можно считать персональный компьютер с устройствами преобразования сигналов вибрации и шума в цифровую форму и ввода их в оперативную память компьютера.    
 

Рис.7.Сруктура входного устройства. AЦП - аналого - цифровой преобразователь.  

  Такое средство измерения позволяет использовать любую из рассмотренных информационных технологий или их комбинации. В  качестве перечисленных устройств  с небольшой доработкой можно  применять профессиональные звуковые платы. Могут быть использованы также  выпускаемые рядом фирм специальные  входные устройства, структура которых  приведена на рис.7, и соответствующее  программное обеспечение к ним.

  Подобные  средства измерения и анализа  сигналов не отличаются малыми габаритами и могут использоваться в лабораторных или стендовых условиях. Для измерения  вибрации в полевых условиях можно  воспользоваться средствами измерения  и анализа, построенными по тем же правилам, но уже на базе переносных компьютеров типа Portable, Notebook или Penbook. В первые устанавливаются те же платы, что и в обычные компьютеры. Ряд модификаций второго и третьего типа компьютеров имеет дополнительные входы по стандарту РС-Сard. В этом же стандарте выпускаются звуковые карты или карты с устройствами ввода аналоговых сигналов. Тогда для их измерения и анализа достаточно иметь эту карту и входное устройство, включающее датчик вибрации (шума), источник для его питания и устройство согласования датчика с входной картой. Такие устройства также выпускаются рядом зарубежных фирм

  Переносные  устройства на базе персональных компьютеров  типа Notebook и Penbook не находят широкого применения, так как для полевых условий обычно требуется компьютер промышленного исполнения, по цене сравнимый со специализированными цифровыми анализаторами сигналов. Именно такие анализаторы выпускаются многими фирмами и наиболее широко используются в практической диагностике.

  Цифровые  анализаторы производятся под определенную группу близких по принципу обработки  сигналов технологий, и лишь немногие из них рассчитаны на использование  всех известных технологий. Как правило, во всех видах анализаторов предусмотрен узкополосный спектральный анализ сигналов и очень редко - спектральный анализ огибающей полосового сигнала, необходимый для использования информационной технологии по методу огибающей. Причина состоит в том, что для такого вида анализа при ограниченных объемах памяти в анализаторе приходится вместо одного процессора, как это имеет место в персональном компьютере, иметь два параллельно работающих процессора. Один из них, сигнальный, служит для предварительной обработки высокочастотных сигналов в реальном времени. Подобный анализатор достаточно сложен и выпускается лишь некоторыми приборостроительными фирмами, в том числе тремя предприятиями России. Один из подобных анализаторов, выпускаемых А/О “Виброакустические системы и технологии”, показан на рис.1.

  Анализ  основных тенденций развития средств  вычислительной техники показывает, что в ближайшие годы можно  ожидать широкого распространения  малогабаритных приборов различного назначения, в корпус которых встраивается один микрокомпьютер с большими вычислительными  возможностями и стандартной  операционной системой. Очевидно, что  в этом направлении будет развиваться  и техника для измерения и  анализа виброакустических сигналов. А это, в свою очередь, приведет к ее дальнейшему удешевлению. Еще одна перспектива - использование общих информационных технологий в технической и медицинской диагностике, что может привести к росту выпуска и дальнейшему снижению цен на анализирующие приборы.

  Увеличение  мощности микрокомпьютеров стимулирует  развитие еще одного направления  в создании технических средств для диагностики машин и оборудования. Это объединение в одном приборе возможностей функциональной и тестовой диагностики.

  Для этого необходимо обеспечить возможности  многоканального анализа сигналов, в том числе корреляционного, взаимоспектрального и других, а также ввести в программное обеспечение прибора функции формирования тестовых сигналов и управления внешними источниками этих сигналов.

  Технические средства измерения и анализа  сигналов в стационарных системах мониторинга  и диагностики машин функционально  не отличаются от средств, используемых в рассмотренных переносных системах. Различия лишь в технической реализации, что связано с необходимостью повторять измерения в одних  и тех же контрольных точках со столь малым временным интервалом, который обеспечивал бы своевременное  отключение машины даже при появлении  лавинообразно развивающихся дефектов. Типовая структура стационарной системы приведена на рис.8.   
 

Рис.8. Структура стационарной системы мониторинга и диагностики.   

  Количество  блоков измерения и анализа сигналов в стационарных системах обычно определяется числом точек контроля и предельно  допустимым интервалом между измерениями. Количество датчиков на один блок, может  составлять от одного до нескольких десятков. В функции блока измерений  входит и анализ вибрации или шума, а также других физических величин  по программе, задаваемой диагностическим  центром. Алгоритмы программы автоматически  изменяются в зависимости от результатов  диагностирования, т.е. от состояния  объекта контроля. Иногда в функции  блока измерений входит и сравнение  результатов измерения и анализа  с порогами, задающими границы  допустимого изменения диагностических  параметров. Если же допустимое время  между периодическими измерениями  достаточно велико, в системе может  использоваться один блок, к которому датчики подключаются через электронные  устройства коммутации сигналов. Блок измерений при этом может конструктивно  объединяться в один корпус с диагностическим  центром. Диагностический центр  представляет собой либо один компьютер, объединенный в одну сеть с блоками  измерений, либо группу компьютеров, работающих параллельно или с разделением  функций.

  Перспектива развития стационарных систем мониторинга  связана также с развитием  возможностей микрокомпьютеров. Результатом  этого развития может стать разделение функций между блоками измерений  и диагностическим центром. Блок измерений может взять на себя функции мониторинга, обращаясь  к диагностическому центру только при  появлении дефектов с целью их идентификации. Очевидно, что в таком  случае одна система диагностики  может работать с большим числом блоков измерений, контролируя состояние  оборудования всего предприятия.   
 

3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  

  На  протяжении многих лет методы контроля и диагностирования машин и оборудования по любым видам диагностических  сигналов основывались на сравнении  величины сигнала или его составляющих с пороговыми значениями, разделяющими множества бездефектных и дефектных  состояний. Системы контроля и диагностики, создаваемые на базе этих методов, обеспечивали выделение информативных составляющих из измеряемого сигнала и регистрацию  моментов превышения ими пороговых  значений. Любое превышение порогов  регистрировалось как дефект, вид  которого определялся по совокупности составляющих, превысивших заданные для каждой из них пороги. Современные  системы мониторинга состояния, являющиеся логическим развитием систем контроля, и сейчас строятся по этим принципам. Однако некоторые системы  мониторинга позволяют уже не только контролировать величины параметров, сравнивая их с пороговыми значениями, и выявлять тенденции их изменения  во времени, но и прогнозировать время, когда они достигнут пороговых  значений.

  Проблемы  пользователя систем мониторинга, как  уже отмечалось, связаны с необходимостью интерпретировать обнаруживаемые и  прогнозируемые изменения состояния. Естественной границей, разделяющей  системы мониторинга и диагностики, мог бы быть этап деления обнаруженных изменений на две группы, а именно, обратимые (изменение условий работы машины) и необратимые (дефекты). К  сожалению, ни одна из систем мониторинга  не решает полностью задачу такого деления. Поэтому системы диагностики  должны вступать в действие до того, как обнаруженные системой мониторинга  изменения будут разделены на группы обратимых и необратимых. В связи с этим, одной из основных характеристик систем диагностики следует считать глубину ее интеграции в систему мониторинга.

  Другой  важнейшей характеристикой систем диагностики является необходимая  степень подготовки оператора. По объему требуемой от оператора диагностической  подготовки системы могут быть разделены  на три группы.

  Первая  группа - профессиональные системы диагностики, в которых оператор самостоятельно выбирает информационную технологию и средства измерения. Знания и опыт оператора-эксперта при использовании подобной системы полностью определяют глубину и достоверность диагноза и прогноза.

  Вторая  группа - экспертные системы диагностики, включающие в себя экспертные программы, содержащие ответы на типовые запросы оператора, т.е. помогающие оператору принимать решение в определенных ситуациях. Экспертные системы могут применяться операторами, имеющими специальную подготовку, но не обладающими знаниями и опытом экспертов.

  Третья  группа - системы автоматического диагностирования. Они строятся по методам, позволяющим автоматизировать постановку диагноза, формируя для оператора программу измерений, и не требуют от пользователя специальной подготовки. Время обучения оператора работе с такими диагностическими системами не превышает двух-трех дней. Впервые подобные методы и системы автоматического диагностирования, разработанные специалистами-экспертами с более, чем 30-ти летним опытом работы в военно-морском флоте и авиации, появились в начале девяностых годов в России в А/О “Виброакустические системы и технологии” . В настоящее время системы автоматического диагностирования получают широкое распространение, непрерывно расширяя номенклатуру диагностируемых машин и оборудования.

  Итак, методы диагностирования машин и  их узлов по вибрации и шуму следует  классифицировать с учетом требований к глубине их интегрирования в  методы мониторизации и с учетом задач, стоящих перед пользователем системы диагностики. Но не менее важными являются требования к проведению диагностических измерений и к глубине получаемого по этим измерениям диагноза.

  Учет  перечисленных требований позволяет  разделить существующие методы диагностирования на следующие группы:

  Методы  диагностирования качества сборки машин. Они применяются в процессе и непосредственно после завершения регламентного обслуживания машин и, в частности, при выполнении работ по балансировке машин на месте их установки. Эти методы не требуют получения никакой информации от систем мониторизации и рассчитаны на использование либо в переносных системах диагностики, либо на стендах выходного контроля продукции. Особенностью этой группы методов является и возможность частичного применения тестовых методов диагностирования. Тестовым воздействием может являеться действие дополнительных центробежных сил на частоте вращения ротора после установки пробных и балансировочных масс в соответствующие плоскости балансировки. Тестовым воздействием можно считать и появление динамических сил переменной частоты, возникающих в машине во время выбега.

  Из  информационных технологий, используемых в рассматриваемых методах диагностирования, следует прежде всего выделить фазово-временную. Как правило, она дополняется спектральной и технологией огибающей. Задачей систем диагностики, использующих данную технологию, прежде всего является обнаружение различного вида несоосностей валов при стыковке машин друг с другом и определение причин, ограничивающих эффективность балансировки машин. Например, при наличии различного вида дефектов в машинах могут появляться до десяти разных источников вибрации на частоте вращения ротора, что препятствует его балансировке. Но кроме этого необходимо обнаруживать и другие дефекты, появляющиеся в результате нарушений технологий изготовления и сборки различных узлов и деталей.

  Задачи  создания систем автоматического диагностирования качества сборки машин перед разработчиками обычно не ставятся. Персонал, занимающийся, например, балансировкой машин, как правило, имеет высокую профессиональную подготовку и способен самостоятельно диагностировать машины по методикам, предназначенным для экспертов.

  Методы  диагностирования по результатам мониторинга  состояния машин  и оборудования.

  Эти методы строятся на базе информационных технологий, используемых для мониторинга  виброакустического состояния по ограниченному числу точек контроля. Как правило, они ориентированы на построение либо профессиональных, либо экспертных систем диагностики. Глубина диагноза, обеспечиваемая такими методами, обычно невелика, и используются они чаще всего для разработки программы дальнейших исследований по идентификации обнаруженных изменений вибрационного состояния.

  Методы  совместного мониторинга  и диагностирования машин и оборудования.

  Эти методы широко используются в стационарных системах мониторинга и диагностики, обеспечивая более высокую достоверность  диагноза, чем предыдущие группы методов. Положительный результат достигается прежде всего за счет увеличения числа точек контроля вибрации (шума).

  Наиболее  часто используются методы с полным разделением функций мониторинга  и диагностики. Чаще всего и системы, построенные по этим методам, состоят  из двух разных частей. Первая, включающая в себя стационарно установленные  на машине датчики вибрации и шума, решает задачи мониторинга. Это обнаружение  изменений виброакустического состояния, выделение тех изменений, которые связаны с необратимыми изменениями технического состояния машины и, при необходимости, прогнозирование их развития. После обнаружения таких изменений, если принято решение о продолжении эксплуатации машины, вступает в действие вторая часть системы мониторинга и диагностики. Она решает задачи идентификации обнаруженных необратимых изменений и, если это возможно, прогноза развития собственно дефектов. Вторая часть системы чаще всего реализуется в виде переносной. Это обусловлено тем, что в некоторых случаях при идентификации дефектов необходимо выполнять дополнительные измерения вибрации (шума) в точках, где ожидаемый вид дефекта дает наиболее сильную реакцию.