Роторное оборудование является одним из самых распространенных видов оборудования в различных отраслях промышленности и транспорта. Надежность его работы в большей мере определяет надежность работы того или иного производства или процесса в целом, чем какого-либо другого вида оборудования.
В свою очередь, надежность работы роторного оборудования определяется состоянием входящих в его состав подшипников, в большинстве своем – подшипников качения. Обнаружение в них зарождающихся дефектов и неисправностей, мониторинг их развития и долгосрочный прогноз с целью планирования и оперативного проведения операций ТОиР залог безаварийной работы машин и оборудования и так же является основной задачей глубокой диагностики. [2]
Для оценки технического состояния и диагностики дефектов разными авторами и компаниями разработано достаточно много различных методов. Естественно, что все эти методы, различные по своим теоретическим предпосылкам, имеют разную трудоемкость, требуют различного приборного обеспечения и могут применяться для различных целей. Конечно, итоговая информация, полученная в результате использования этих методов, имеет различную информативность и достоверность. Кроме того, всегда следует помнить и учитывать, что диагностика состояния подшипников является только частью общего диагноза по оборудованию.
В самом общем случае оценка технического состояния и поиск дефектов подшипников качения может производиться следующими наиболее распространенными методами, по следующим диагностическим параметрам:
— Диагностика дефектов подшипников качения по величине СКЗ виброскорости. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на последних стадиях, начиная, примерно, с середины третьего этапа развития дефекта, когда общий уровень вибрации значительно вырастает. Данный метод диагностики прост, имеет нормативную базу, требует минимальных технических затрат и не требует специального обучения персонала, применяется при диагностике «массового» и сравнительно недорогого вращающегося оборудования. [1]
— Диагностика дефектов подшипников качения по спектрам вибрационных сигналов. Данный метод применяется на практике достаточно часто, хотя и не обладает высокой чувствительностью, но он позволяет выявлять, наряду с диагностикой подшипников, большое количество других дефектов вращающегося оборудования. Этот метод позволяет начинать диагностику дефектов подшипников примерно с середины второго этапа, когда энергия резонансных колебаний вырастет настолько, что будет заметна в общей картине частотного распределения всей мощности вибросигнала. Для реализации данного метода необходим хороший измерительный прибор достаточно высокого уровня, и специально подготовленный персонал. [1]
— Диагностика дефектов подшипников качения по соотношению пик / фон вибросигнала. Этот метод разрабатывался несколькими компаниями и имеет много различных, примерно одинаковых по эффективности, практических модификаций. Это метод HFD (High Frequency Detection — метод обнаружения высокочастотного сигнала), метод SPM (Shock Pulse Measurement — метод измерения ударных импульсов), метод SE (Spike Energy — метод измерения энергии импульса), а также еще несколько других, но менее известных методов. Лучшие разновидности данного метода позволяют выявлять дефекты подшипников качения на достаточно ранних стадиях, начиная примерно с конца первого этапа развития. Приборы, реализующие данный метод диагностики дефектов достаточно просты и дешевы. [1]
-Диагностика дефектов подшипников качения по спектру огибающей вибрационного сигнала. Более высокими возможностями обладает метод контроля состояния подшипников качения по спектру огибающей высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами трения в масляной пленке подшипника, а также ударными импульсами при ее разрывах. Развитием данного метода много занимались российские специалисты, и в настоящее время считается уже классическим методом для анализа вибросигналов при диагностике подшипников качения. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых ранних стадиях, начиная примерно с середины первого этапа. Ниже остановимся более подробно о данном методе.
Метод диагностики состояния вращающегося оборудования при помощи спектров огибающей вибрационного сигнала получил максимальное прикладное развитие благодаря его применению именно для ранней диагностики технического состояния подшипников качения.
Спектр огибающей дает информацию о периодических изменениях мощности
высокочастотной вибрации в той полосе частот, которая предварительно выделяется из сигнала вибрации полосовым, например, треть октавным фильтром.
На рисунке 1 приведен спектр вибрации подшипникового узла в частотном диапазоне до 25 кГц, где показана полоса частот фильтра, использованного для выделения огибающей. На рисунке 2 приведены формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников, соответственно: не имеющего дефектов, с дефектом сепаратора, с раковиной на наружном кольце.
Рисунок 1. Спектр вибрации подшипникового узла электрической машины с выделенной полосой частот, используемой для формирования огибающей высокочастотной вибрации
Рисунок 2. Формы высокочастотной вибрации и спектры ее огибающей для трех одинаковых подшипников: а — бездефектный подшипник, б — дефект сепаратора, в — раковина на наружном кольце
Следует отметить, что существует два различных подхода к выбору полосы частот фильтра, выделяющего высокочастотную случайную вибрацию для последующего измерения спектра ее огибающей. Первый использует полосу частот, в которой под действием сил трения или ударных импульсов возникает сильная резонансная вибрация с собственными частотами колебаний тела качения или наружного (неподвижного) кольца подшипника. Второй подход заключается в использовании более высокочастотной нерезонансной вибрации, возбуждаемой этими же силами. Этот, второй подход, применяемый для исследования колебаний мощности случайных составляющих, стал одним из основных в вибрационной диагностике вращающегося оборудования.
Оба подхода дают близкие результаты, но лишь в том случае, когда в полосу частот фильтра не попадают гармонические составляющие вибрации, по мощности, превышающие случайную вибрацию. В противном случае колебания мощности суммы гармонической и случайных составляющих уменьшаются, и спектр огибающей начинает давать искаженную информацию о состоянии подшипника.
Процедура проведения регистрации огибающей вибрационного сигнала достаточно сложна. Она должна учитывать несколько специфических особенностей, позволяющих повысить чувствительность метода.
Во-первых, регистрация производится не во всем частотном диапазоне, в котором может работать измерительный прибор, а только в узкой его полосе. Поскольку первые применения данного метода чаще всего проходили с использованием аппаратуры компании «Брюль & Къер», которая наряду с созданием приборов вибрационного контроля занималась акустическими измерениями, для определения параметров полос частот использовались октавные определения.
В настоящее время стандартом для расчета огибающей сигнала считается использование треть-октавных фильтров, или близких к ним.
|
Во-вторых, достаточно сложным является выбор необходимой полосы частот, перестройка которой осуществляется при помощи управляемых фильтров высокого порядка. С одной стороны, в этой полосе частот должны быть максимальны высокочастотные колебания, которые возникают после динамических ударов в зоне дефекта подшипника. С другой стороны, в выбранной полосе частот должны быть минимальны колебания, связанные с другими причинами, приводящими к увеличенным вибрациям в зоне опорных подшипников. Практически для каждого контролируемого подшипника этот вопрос приходится решать отдельно и от правильного его решения во многом зависит точность и достоверность проводимой диагностики дефектов подшипников качения. |
Для примера, на рисунке 3 приведен спектр вибрации подшипникового узла электрической машины, на котором указаны полосы трех фильтров, использованных для построения спектра огибающей, и три спектра огибающей сигналов вибрации, выделенных этими фильтрами. В первую полосу частот попадает резонанс подшипникового узла, возбуждаемый ударными взаимодействиями тел с наружным кольцом подшипника, во вторую — резонанс тел качения, а в третьей полосе отсутствуют как резонансы подшипникового узла, так и гармонические составляющие вибрации различного происхождения.
Рисунок 3. Спектр вибрации подшипникового узла электрической машины -а), и б), в), и г) спектры огибающей высокочастотной вибрации, выделенной тремя фильтрами с различными центральными частотами
В подшипнике имеет место наиболее просто обнаруживаемый дефект — глубокая раковина на наружном кольце. Однако в первом спектре огибающей признаки этого дефекта почти не видны, так как из-за наличия одной сильной электромагнитной составляющей мощность вибрации в выделенной полосе частот определяется этой составляющей и практически постоянна во времени. Во втором случае в выделенной полосе частот присутствуют кроме случайных составляющих две электромагнитные составляющие зубцовой природы и частота колебания мощности вибрации, в основном, определяется частотой биений этих составляющих, равной 100 Гц. И лишь в третьей полосе частот, где несмотря на более низкий уровень случайных составляющих вибрации подшипника, отсутствуют сильные гармонические составляющие вибрации, в спектре огибающей вибрации присутствуют признаки глубокой раковины на наружном кольце.
Следует отметить, что далеко не всегда в спектре вибрации подшипникового узла можно выделить полосу частот, в которой отсутствует гармонические составляющие. Тогда перед формированием огибающей приходится разделять сигнал на случайные и периодические компоненты с применением достаточно сложных алгоритмов цифровой обработки сигнала. Несмотря на определенную сложность измерения спектра огибающей высокочастотной случайной вибрации по сравнению с измерениями, выполняемыми по методу «ударных импульсов», реализация всех возможностей метода огибающей позволяет решать много важных задач диагностики подшипников качения и других узлов роторных машин.
Во-первых, метод огибающей использует результаты измерения вибрации в более низкой области частот, чем метод ударных импульсов и, как следствие, точка контроля вибрации может быть несколько удалена от неподвижного кольца подшипника и выбирается, например, на корпусе подшипникового узла.
Во-вторых, спектральный анализ огибающей позволяет обнаруживать в подшипнике качения зарождающиеся дефекты не только поверхностей качения, но и скольжения, в частности сепаратора. Обнаружение и идентификация (определение вида) всех дефектов является основой долгосрочного прогноза состояния подшипника и перехода с интервалов между измерениями порядка нескольких дней на интервалы до нескольких (3 -6) месяцев.
В-третьих, появляется возможность диагностировать низкооборотные подшипники, в которых даже при нормальной работе возникают ударные импульсы. Диагностика в этом случае возможна потому, что в дефектных подшипниках периодически изменяется плотность ударных импульсов, а, следовательно, и мощность высокочастотной вибрации.
В-четвертых, те дефекты, которые приводят к разрыву масляной пленки и появлению ударных импульсов, могут обнаруживаться еще до того, как величина дефекта будет достаточна для разрыва масляной пленки и возникновения ударных импульсов.
Рассмотренные выше методы контроля состояния подшипников качения реализованы во многих системах диагностики подшипников качения.
Так, первым производителем систем контроля подшипников качения стала фирма SPM с методом ударных импульсов, которая выпускает их с начала семидесятых годов.
Первым производителем, с 1990 года, систем диагностики подшипников качения методом огибающей стали предприятия, входящие в настоящее время в Ассоциацию «ВАСТ».
В последние годы список производителей диагностических систем, применяющих эти методы на практике, быстро расширяется. Основные характеристики данных систем в части спектрального и других видов анализа если и разнятся чем то, то это не сильно критично. Однако не у всех производителей анализаторов и систем диагностики, даже именитых, можно встретить треть‑октавную фильтрацию вибрационного сигнала. А как было рассмотрено в предыдущих пунктах, это оказывается существенным моментом в получении корректных результатов при анализе оборудования с помощью метода огибающей высокочастотного сигнала.
Вывод в этом случае можно сделать один – ключевым моментом при выборе аппаратуры для реализации спектрального анализа методом огибающей является наличие достаточного числа треть-октавных фильтров для ее выделения.
Список литературы:
- Русов В.А. Спектральная вибродиагностика. Пермь, 1996 – 120 с.
- Чуднов И.В. Реферат «Выбор аппаратуры для реализации спектрального анализа». Москва, 2010 – 10 с.[schema type=»book» name=»КЛЮЧЕВОЙ МОМЕНТ В ВЫБОРЕ АППАРАТУРЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ОГИБАЮЩЕЙ ВИБРАЦИОННОГО СИГНАЛА» description=»Выбор аппаратуры для реализации метода диагностики подшипников качения по спектрам огибающей вибрационного сигнала. » author=»Брюханов Сергей Алексеевич, Крисанов Артем Евгеньевич, Жариков Василий Васильевич, Филянкин Сергей Владимирович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-04″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]