Современное состояние виброакустической диагностики машин

  Современные системы мониторинга все чаще используют методы диагностирования не только для идентификации дефектов, но и для идентификации причин тех изменений виброакустического состояния машины, которые определяются не дефектами, а условиями работы. Такое объединение задач мониторинга и диагностики часто приводит к повышению качества диагноза, так как смена режима работы машины очень часто изменяет многие диагностические признаки дефектов. Одновременно усложняется процесс диагностирования, требуя все более высокой квалификации эксперта или все более сложных систем автоматического диагностирования машин. Именно по этому пути идут создатели автоматических систем мониторинга и диагностики ведущих фирм мира.

  Усложнение  методов мониторинга и диагностики  машин и оборудования всегда приводит к росту числа точек измерения  и, как следствие, к увеличению стоимости  систем мониторинга. Оптимальной с  экономической точки зрения стационарной системой мониторинга и диагностики  будет система с частичным  объединением функций мониторинга  и диагностики. Так, для мониторинга  и диагностики может быть выбрано  ограниченное число точек контроля в узлах, не являющихся наиболее сильными источниками вибрации (шума) в машине, но в значительной степени определяющих ее ресурс. Чаще всего это точки  на корпусах подшипниковых узлов. Для  тех высокооборотных машин, в  которых подшипники являются основными  источниками вибрации, дополнительно  могут быть использованы две-три  точки контроля на корпусе, вдали  от подшипниковых узлов.

  Задачей мониторинга остается обнаружение  изменений виброакустического состояния машины или ее узлов по измерениям, проводимым с минимально возможными временными интервалами. После обнаружения изменений, даже незначительных, вступает в действие система диагностики, осуществляющая полный цикл диагностических измерений с помощью стационарно установленных датчиков. И лишь в крайнем случае, когда данных мониторинга и диагностирования недостаточно для идентификации причин появления обнаруженных изменений, принимается решение провести дополнительные измерения с помощью переносных средств, входящих в состав объединенной системы мониторинга и диагностики.

Методы  диагностирования и  прогнозирования  по периодическим  измерениям вибрации (шума).

  Большинство развивающихся в узлах машин  дефектов начинают оказывать влияние  на вибрацию и шум за много месяцев  до наступления предаварийной ситуации. Исключение составляют лишь некоторые  из дефектов изготовления и дефектов, появляющихся в результате нарушения  правил эксплуатации машины. Они могут  проявиться на любом этапе жизненного цикла машины и за короткий срок развиться до аварийноопасных значений. Если предположить, что такие дефекты отсутствуют, отпадает необходимость мониторинга машин и оборудования с короткими интервалами между измерениями, а следовательно, появляется возможность построения переносных систем диагностики машин с интервалами между измерениями в несколько недель или даже месяцев.

  Методы  диагностирования и  прогнозирования  по периодическим  измерениям вибрации (шума) также строятся на различных сочетаниях рассмотренных ранее информационных технологий и обычно рассчитаны на использование квалифицированными экспертами. Наибольших результатов можно достичь с помощью методов, построенных на базе совокупности информационных спектральной технологии и технологии огибающей.

  Рассматриваемая группа методов диагностирования требует  глубокого знания процессов развития дефектов и влияния их на параметры  вибрации и шума во всех видах диагностируемых  машин. Поскольку данные методы строятся на основе сравнительного анализа результатов  измерений вибрации и шума, выполненных  в разное время, они предъявляют  очень высокие требования к качеству виброакустических измерений. Выполнить подобные измерения может только специалист с большим опытом, что и ограничивает возможность и эффективность диагностирования. Особую сложность обычно представляет обеспечение идентичности режимов работы диагностируемых машин, без которой невозможно эффективно обнаруживать изменения их состояния.

  Разработка  методов диагностирования по периодическим  измерениям вибрации и шума, позволяющих  автоматизировать постановку диагноза и прогноза, наталкивается на те же трудности, что и разработка методов, требующих принятия решений оператором. Наиболее сложно решаются вопросы выбора результатов тех измерений, достоверность которых не подвергается сомнению, особенно если они отличаются от результатов предыдущих измерений. Сложность такого выбора усугубляется тем, что причиной отличий может быть не только появление дефектов или смена режимов работы машины, но и часто встречающиеся ошибки оператора в выборе места установки датчика или качества его крепления. Кроме того, практически невозможным оказывается поддержание одного и того же режима работы по нагрузке, частоте вращения и температуре окружающей среды во время измерений, проводимых через большие интервалы времени порядка нескольких недель или месяцев.

  Несмотря  на указанные трудности, работа по созданию методов автоматического диагностирования машин по периодическим измерениям вибрации проводится во многих странах  и уже существует ряд систем диагностики, в которых они используются достаточно эффективно. Наибольшей глубиной автоматического  диагноза и высокой достоверностью прогноза обладают методы, разработанные А/О “Виброакустические системы и технологии” для ряда приборостроительных фирм России и других стран.

  Наиболее  популярными и наиболее сложными являются методы диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации (шума). Строятся они на основе различного сочетания рассмотренных информационных технологий, и в большинстве своем могут использоваться только квалифицированными экспертами. Отличительной особенностью этих методов является диагностирование машины по узлам или даже по отдельным элементам, если последние являются источниками колебаний. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если эксперты максимально используют возможности спектральной информационной технологии и технологии огибающей.

  Любой метод диагностирования по однократным  измерениям предполагает глубокое знание экспертом особенностей развития дефектов и их влияния на вибрацию (шум) объекта  диагностирования. Необходимо для каждого  типа машин с учетом их конструктивных особенностей заранее знать все  эффективные диагностические признаки и пороги. Решать такие задачи под  силу только либо узкоспециализированным по конкретным видам машин экспертам, либо с помощью методов, специализированных для диагностирования определенного  вида узла.

  В последние годы особое внимание привлекают специализированные методы, которые  могут быть использованы для автоматического  диагностирования машин или их узлов. Это прежде всего методы диагностирования подшипников качения по спектру огибающей вибрации, возбуждаемой силами трения в диагностируемом узле. Первая и наиболее полная система автоматического диагностирования подшипников качения по этим методам была разработана в 1991 году специалистами предприятия “Виброакустические системы и технологии”.

  В настоящее время в стадии разработки находятся системы автоматического  диагностирования зубчатых передач, в  частности, редукторов, по однократным  измерениям вибрации. Имеются предпосылки  для создания подобных систем диагностики  рабочих колес насосов и турбин. Все они базируются на информационной технологии огибающей и дополняются  информационной спектральной технологией. В ближайшем будущем ожидается  создание систем диагностики электрических  машин переменного тока по однократным  измерениям вибрации.

  Методы  глубокого диагностирования по однократным  измерениям вибрации (шума) пока не позволяют  решить задачи диагностирования и долгосрочного  прогнозирования всех видов узлов, а, следовательно, и машин в целом. Исключение составляют самые аварийноопасные узлы, прежде всего подшипники качения, для которых, как уже отмечалось, разработаны и эффективно используются системы оценки их состояния, построенные на методах глубокого диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации. Объектами применения этих методов могут также стать системы мониторинга, в которых на их основе может строится система идентификации обнаруженных изменений. Эти системы идентификации позволят определить многие из обратимых изменений и снизить, тем самым, частоту ложных срабатываний систем мониторинга.   
 
 
 

ОБЪЕКТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ  

  Основные  методы виброакустической диагностики рассчитаны на обнаружение зарождающихся дефектов в элементах и узлах машин и оборудования. Обнаруживаемые дефекты по характеру влияния на вибрацию и шум объекта диагностирования могут быть разделены на три основные группы. 

  К первой относятся дефекты, появление  которых изменяет характеристики колебательных сил, являющихся причиной возникновения вибрации и шума.

  Во  вторую группу объединяются дефекты, которые  не меняют характеристики колебательных сил, а изменяют механические свойства узлов, в которых они действуют.

  К третьей группе относятся дефекты, приводящие к изменению механических свойств узлов и конструкции, по которым распространяется вибрация.

  Методы  функциональной диагностики позволяют  эффективно обнаруживать дефекты первой группы. Методы тестовой диагностики  эффективнее всего работают при  поиске дефектов третьей группы. Дефекты  второй группы могут обнаруживаться методами как функциональной, так  и тестовой диагностики. Если же дефекты  имеют свойства первой и второй групп, то для их обнаружения, как правило, следует использовать методы функциональной диагностики. И, наконец, дефекты всех трех групп на последних этапах своего развития оказывают существенное влияние  на сигналы вибрации и (или) шума и  поэтому могут быть обнаружены до момента возникновения аварийной ситуации системами мониторинга виброакустического состояния машин и оборудования.

  Ниже  представлена краткая информация об особенностях диагностирования наиболее ответственных узлов различных  видов машин с помощью методов  функциональной диагностики.

  Так, на начальном этапе развития виброакустической диагностики ее наибольшие успехи были связаны с диагностикой цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Во время работы через определенные интервалы времени в двигателе формируются ударные импульсы, обусловленные особенностями сгорания топлива, работой поршней и распределительных клапанов. Сравнение возбуждаемой ударами вибрации разных цилиндров по времени начала, форме и амплитуде дает возможность выявить дефекты цилиндро-поршневой группы, системы распределения и системы зажигания. Это можно сделать с помощью простейшей аппаратуры, а именно, датчика вибрации и осциллографа. Пример осциллограммы вибрации двигателя автомобиля, снятой с датчика, установленного между вторым и третьим цилиндром, приведен на рис.2. Сравнение параметров ударных импульсов по форме между собой дает возможность достаточно просто диагностировать узлы, являющиеся их источником. Но одновременно эти импульсы крайне затрудняют анализ вибрации, возбуждаемой другими узлами, например, подшипниками коленчатого вала. Поэтому при диагностировании двигателей внутреннего сгорания обычно не ограничиваются использованием только виброакустических технологий.

  Следующим успешным этапом развития виброакустической диагностики можно считать разработку методов и средств диагностики подшипников качения по ударным импульсам. Следует отметить, что эти импульсы в подшипнике возникают только при появлении дефектов поверхностей качения и смазки.

  В дальнейшем диагностика стала развиваться  по пути анализа вибрации, возбуждаемой силами трения. Силы трения, и соответственно, возбуждаемая ими высокочастотная  вибрация, в исправных подшипниках  представляют собой случайные процессы с постоянной за время измерения  мощностью. При возникновении дефектов поверхностей качения появляется периодическое  изменение мощности этих процессов, т.е. появляется амплитудная модуляция  сил трения и высокочастотной  вибрации.

  Частота модуляции определяет вид дефекта, глубина модуляции - степень развития дефекта. По составляющим спектра огибающей  вибрации, определяющим изменение мощности сигнала во времени, в настоящее  время идентифицируется вид и  величина более десяти различных  видов дефектов. На рис.9а и рис.9б  приведены спектры огибающей  высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов и с износом  наружного кольца, которые иллюстрируют возможности диагностирования подшипников.

  Дефекты обнаруживаются на ранней стадии развития, за несколько месяцев до появления  аварийноопасного состояния. Современные системы автоматического диагностирования производства предприятия “Виброакустические системы и технологии” позволяют по измерениям, проводимым достаточно редко, определить дефектный подшипник, вид дефекта, степень его развития и выдают рекомендации по необходимому обслуживанию или замене подшипника, а также дату следующего измерения, если подшипник не подлежит замене. Это позволяет перейти от обслуживания по регламенту и плановых ремонтов к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. При этом количество измерений составляет порядка десяти-пятнадцати за весь жизненный цикл подшипника, причем каждый интервал времени до следующего измерения задается системой в зависимости от результата диагноза, т.е. от реального состояния подшипника.  

Рис. 9а. Спектры огибающей высокочастотной вибрации подшипникового узла без дефектов.