Рзаработка методов и средств диагностирования оборудования по вибрации

где Xmax, Xmin   - максимальное и минимальное значения огибающей сигнала соответственно.

При изменении вида дефекта частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Таким образом, вся информация о техническом состоянии содержится в огибающей высокочастотного сиг­нала. Частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина моду­ляции - степень его развития.

В спектре огибающей высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по  величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном. Таким образом появляется возмож­ность определения парциальных глубин модуляции, т. е. глубин   модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид. Следовательно, имеется возможность прогнозировать со­стояние диагностируемого узла, так как каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Глубина модуляции т связана с разностью ΔL уровней гар­монической и случайной составляющих спектра огибающей выражением:

где Δfф - ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастот­ную вибрацию; Δfа - разрешающая способность при анализе спек­тра огибающей высокочастотной вибрации, (ширина полосы про­пускания частот полосового фильтра одного канала анализатора спектра огибающей).

Структурная схема анализатора спектра огибающей высокочастотной вибрации отличается от обычного анализатора спектра наличием полосового фильтра детектора оги­бающей (с полосой пропускания частот Δfф), выделяющего из сигнала вибрации ее высокочастотную составляющую, и детектора огибающей. Далее структурная схема аналогична обычному ана­лизатору спектра, только теперь уже анализируется не весь сигнал вибрации, а только ее огибающая.

Другой путь формирования спектра огибающей - использова­ние преобразования Гильберта для получения огибающей с дальнейшим преобразованием Фурье для получения спектра огибающей.

К достоинствам метода анализа параметров модуляции высо­кочастотной случайной вибрации, т.е. спектрального анализа оги­бающей, можно отнести следующее:

1. Возможность локализации дефекта. Она определяется свойством высокочастотной вибрации быстро затухать при рас­пространении, что позволяет оценивать техническое состояние именно того узла, вблизи которого установлен датчик вибрации. По этой же причине спектр огибающей высокочастотной вибрации не «затемнен» составляющими от других узлов контролируемой машины или оборудования, что повышает достоверность диагноза.

2. Высокая чувствительность. В отличие от спектрального анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, где требу­ются относительно большие силы для ее возбуждения, а следова­тельно, достоверно обнаружить можно только развитые дефекты, для изменения параметров высокочастотной вибрации требуется гораздо меньшие силы. Поэтому наличие даже зарождающихся дефектов приводит к появлению модуляции высокочастотной виб­рации контролируемого узла, а значит и к появлению гармонических составляющих в спектре огибающей этой вибрации.

3. Высокая достоверность определения вида и величины каждого из дефектов. Если сравнивать метод огибающей со спектральными методами анализа низкочастотной и среднечастотной вибрации, то высокая достоверность определяется использованием не абсолютных значений составляющих вибрации, как при спектральном анализе, а относительных значений - парциальных глубин модуляции. При изменении уровня вибрации, например, из-за изменения коэффициента усиления или изменения чувствительности датчика, глубина модуляции, обусловленная появлением дефекта, остается неизменной. В отличие от известного метода ана­лиза высокочастотной вибрации, названного методом резонансной демодуляции, когда анализируются собственные колебания кон­тролируемого узла, методом огибающей анализируются вынуж­денные колебания, которые полностью передают характеристики колебательных сил. Как следствие, резкое уменьшение погрешно­сти определения свойств и отличительных признаков дефектов, что также повышает достоверность идентификации вида дефекта и степени его развития

4. Возможность постановки диагноза и прогноза по одно кратным измерениям вибрации. Она определяется использованием относительных измерений, т.е. измерений глубин модуляции высокочастотной вибрации, и отсутствием каких бы то ни было гармонических составляющих в спектре огибающей бездефектно­го подшипника. Знание предельных глубин модуляции всех воз­можных сильных дефектов и скоростей развития каждого вида де­фекта позволяет не только определять вид и степень развития любого дефекта, но и прогнозировать время безаварийной работы контролируемого узла без предварительного построения эталонов. Исключение составляет только дефект смазки, для определения которого создается эталон или по нескольким первым измерениям (обычно по трем), или по группе однотипных машин (обычно не менее пяти).

Таким образом, метод огибающей высокочастотной вибрации позволяет обнаружить, идентифицировать и прогнозировать со­стояние подшипников качения с дефектами, сопровождающимися появлением модуляции высокочастотной вибрации из-за изменения сил трения и появлением высокочастотных импульсов из-за возникновения микроударов.

Из всех рассмотренных методов наиболее эффективным и чув­ствительным для диагностики многих видов узлов машин и оборудования является метод, основанный на анализе спектра огибаю­щей их высокочастотной вибрации. Однако в том случае, когда

узел находится в стадии деградации, в нем имеется целый ряд развитых дефектов, модуляция его высокочастотной вибрации приобретает случайный характер.

Поэтому чтобы по одиночным измерениям обнаружить предаварийные состояния машины, наиболее целесообразнее, кроме метода огибающей использовать и спектральный анализ их низкочастотной и среднечастотной вибрации. В таком случае окончательный диагноз ставится  по результатам совместного спектрального анализа вибрации ( при этом эталон может быть построен по группе однотипных машин, обычно пяти) и спектрального анализа огибающей ее высокочастотной вибрации.

5.       ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ УЗЛОВ

Для диагностики асинхронного двигателя выбираем спектральный анализ средне- и низко- частотной вибрации. Это связано с тем, что дефекты электромагнитной системы электрических машин влияют, прежде всего, на уровни отдельных составляющих низкочастотной и среднечастотной вибрации ротора и статора. Их влияние на высокочастотную вибрацию значительно слабее, так как высокочастотные составляющие тока в обмотках и электромагнитного поля быстро затухают из-за потерь в активной стали и не возбуждают значительной вибрации сердечника.

Для диагностики подшипниковых узлов с подшипниками качения в современных диагностических программах используются два основных подхода. Первый подход реализуется в задачах раннего обнаружения дефектов по однократным измерениям вибрации и использует только результаты спектрального анализа огибающей высокочастотной случайной вибрации. Этот же подход используется и для долгосрочного прогноза состояния подшипников качения. Второй подход используется для наблюдения за развитием дефектов и для краткосрочного прогноза состояния подшипниковых узлов. Он основан на анализе не только спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации подшипникового узла, но и на анализе спектров низкочастотной и среднечастотной вибрации. Именно при втором подходе к диагностике подшипников одновременно обеспечивается и диагностика ротора машины. В данном случае выбираем диагностику по спектру огибающей, так как данный сигнал несёт в себе информацию о виде дефекта, степени его развития и месте его нахождения.

Для диагностики редуктора будем использовать такой же метод, как и при диагностике узлов с подшипниками качения, так как вибрация, возникающая в механической передаче, передаётся на корпус через подшипники ведущего и ведомого валов.

6.       ВЫБОР ВИБРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ТОЧЕК ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ

Для диагностики оборудования по вибрации в данной работе будем использовать вибропреобразователь ускорения (пьезо-акселерометр). Поскольку выходной электрический сигнал такого датчика, пропорциональный ускорению механических колебаний, эффективно измеряет высокочастотную вибрацию, а при необходимости выходной сигнал виброускорения с помощью интеграторов может быть преобразован в сигнал скорости и перемещения. Принцип действия данного преобразователя основан на пьезо-электрическом эффекте, который заключается в том, что пьезокерамика под действием инерционных сил деформируется, и на её обкладках возникает ЭДС. Данный датчик является генераторным, т. е. для его работы не нужен дополнительный источник ЭДС. Данные преобразователи имеют два недостатка: появление паразитного заряда при изменении температуры и большая погрешность при установке под углом. Данные недостатки компенсируются в датчиках, в которых пьезокерамика работает не на сжатие и растяжения, а на срез.

Вибрацию подшипников нужно измерять в радиальном направлении, и датчик нужно устанавливать на корпус подшипникового узла. При диагностике механических передач, вибропреобразователь, так же как и при диагностике подшипников, нужно устанавливать на подшипниковых узлах. Это связано с тем, что динамические силы, возникающие в механических передачах при наличии дефектов, передаются на корпус в основном через подшипники ведущего и ведомого вала. Установка датчиков производится в радиальном направлении, в плоскости, проходящей через оси. Точки измерения вибрации при диагностике электромагнитной системы электрической машины рекомендуется выбирать на корпусе статора в плоскостях торцевых поверхностей ротора. Вибрацию в данном случае лучше измерять в радиальном и тангенциальном направлениях.

В результате для диагностики редуктора и подшипников качения выбираем следующие точки измерения вибрации:

- точка 1 – щит подшипника SU 322, датчик устанавливается в радиальном и тангенциальном направлении;

- точка 2 – щит подшипника SU 2322, датчик устанавливается в радиальном  и тангенциальном направлении;

- точка 3 – корпус асинхронного двигателя, датчик устанавливается в радиальном и тангенциальном направлении;

- точка 4 – щит подшипника SU 42624, датчик устанавливается в радиальном направлении к оси вращения двигателя, в плоскости, проходящей через первую и вторую оси;

- точка 10 – щит подшипника SU 156, условия установки такие же, как у точки 4.

В точках 1 и 2 будем измерять спектры огибающей высокочастотной вибрации для диагностики подшипников. В точке 3 будем измерять автоспектр низкочастотной и среднечастотной вибрации для диагностики электромагнитной системы асинхронного двигателя.

В точках 4,10 будем измерять спектры огибающей высокочастотной вибрации для диагностики подшипников и редуктора.

БЛОК-СХЕМЫ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ ВЫБРАННЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ УЗЛОВ

Блок схема измерения спектра огибающей изображена на рисунке 2

Рисунок 2 – Блок схема измерения спектра огибающей

Блок схема измерения автоспектра изображена на рисунке 3

Рисунок 3 – Блок схема измерения автоспектра

На схемах предварительный усилитель необходим для усиления сигнала. В первой схеме после предварительного усилителя установлен демодулятор, он необходим для выбора только высокочастотного диапазона частот из всего диапазона. Данные схемы реализуют параллельный спектральный анализ. Полосовые фильтры служат для выбора необходимых полос частот, их количество равно количеству частотных полос.

7.       РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ УСТАНОВОК АНАЛИЗАТОРА

Установки анализатора для диагностирования подшипника SU 42624 и редуктора по спектру огибающей высокочастотной вибрации:

Граничные частоты

fгр1=2fв+2fвр=2*96,07+2*12,42=216,98 Гц

fгр2=3fн+2fвр=3*65,4+2*12,42=221,04 Гц

С учётом совместной диагностики редуктора

fгр3=1,5fz1=1,5*298,08=447,12 Гц

Выбираем большую – 447,12, поэтому верхнюю граничную частоту для спектра огибающей выбираем ближайшей из ряда используемых в анализаторе в сторону увеличения, т. е. fгр=800 Гц.

Для выбора количества частотных полос в спектре огибающей, необходимо, чтобы первая гармоника находилась в 8-ой частотной полосе, следовательно, ширина одной полосы

Δf=fвр/8=12,42/8=1,55 Гц

Количество частотных полос для спектра огибающей

n=fгр/ Δf=800/1,55=517

Ближайшее в сторону увеличения количество используемых в анализаторе частотных полос n=800.

Окончательно уточняем значение частотного разрешения в спектре огибающей высокочастотной вибрации: