Как определить состояние оборудования по данным вибродиагностики?

Зачем нужно отслеживать состояние оборудования?

Обеспечение надежной и эффективной эксплуатации оборудования зависит от многих факторов, к которым относят как конструктивные особенности агрегатов, соблюдение технологии их изготовления, монтажа и ремонта, так и специфику их эксплуатации.

Непрерывный контроль состояния оборудования позволяет своевременно обнаруживать появление различных дефектов и организовывать вывод оборудования в ремонт или на техническое обслуживание с минимальными последствиями для предприятия. Так предотвращаются различные аварийные ситуации и снижается стоимость эксплуатации оборудования.

Методы вибродиагностики

Одним из наиболее распространенных способов контроля состояния оборудования является вибрационная диагностика — это распознавание технического состояния машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале. Она помогает обнаружить дефекты роторов, опорной системы, узлов статора, подшипников скольжения и подшипников качения, зубчатых и ременных передач, других вращающихся частей, испытывающих или генерирующих динамические нагрузки.

Методы обработки вибрационного сигнала можно разделить на две группы.

1. Методы, использующие характеристики присущие сигналу целиком — например, среднеквадратическое значение (СКЗ) виброускорения, виброперемещения или виброскорости.
2. Методы, выделяющие в сигнале вибрации отдельные составляющие и анализирущие их характеристики — например, амплитуды гармоник, соответствующих некоторым характерным частотам исследуемого оборудования.

Рассмотрим эти группы подробнее. Приведенные далее формулы учитывают то, что в настоящее время обработка вибрационных сигналов ведется в оцифрованном виде, то есть сигнал представляется в виде отдельных отсчетов (дискрет), равномерно распределенных по оси времени.

Методы первой группы

В расчетах используют такие параметры сигнала, как:

• общее СКЗ сигнала, рассчитываемое по формуле:

где:

• R — значение СКЗ;
• a_i — i-тый отсчет сигнала
• N — общее количество отсчетов.
• пиковое значение сигнала

где:

P — пиковое значение сигнала;

• пик-фактор, который является отношением пикового значения сигнала к его среднеквадратическому значению и вычисляется по формуле:

Обычно перечисленные выше параметры рассчитываются во временном домене сигнала и могут быть использованы для обнаружения дефектов оборудования, прослеживания развития дефектов, определения момента времени, когда нужно выводить те или иные механизмы в ремонт или на обслуживание.

Однако, временные характеристики вибрации ограничены — они не позволяют определить конкретный вид дефекта или же конкретный узел. Например, одно и то же СКЗ виброускорения может соответствовать одной гармонике с большой амплитудой или же двум или более гармоникам с меньшей амплитудой. Поэтому в настоящее время при проведении вибрационных обследований оперируют, в основном, параметрами второй группы методов, которые как правило рассчитываются в частотной области.

Методы второй группы

Основным средством виброанализа в частотной области является график спектра. На рисунке ниже видно, что частотные составляющие сигнала отделены друг от друга и явно выражены в спектре, а их уровни легко идентифицировать, в то время как из временной реализации сигнала эту информацию выделить практически невозможно.

Вибрация во временной и частотной областях

Для получения графика спектра часть сигнала вибрации оцифровывается, затем на полученные отсчеты накладывается оконная функция и над результатом выполняется быстрое преобразование Фурье.

Значения частот, гармоники которых анализируются, определяются строением оборудования, а также типом проверяемого дефекта. Например, в случае диагоностики подшипников качения рассчитывается ряд частот:

• f₁ — оборотная частота вращения в Гц;
• f_sep — частота варащения сепаратора;
• f_rb — частота вращения тел качения;
• f_out, f_inner — частоты мелькания тел качения по внешнему и внутреннему кольцам.

При этом появление в спектре вибрации определенного набора частот свидетельствует об определенном дефекте. В таблице ниже приведены примеры соответствия частот и дефектов.

Примеры соответствия частот спектра проявляющимся дефектам

Описание дефекта	Частоты
Неуравновешенность, разностенность, перекос вращающегося кольца относительно неподвижного (внутреннего или наружного), несоосность вала и вращающегося кольца, неравномерный износ вращающегося кольца	f1
Овальность, перекос, неравномерный износ вращающегося кольца	2 f1
Расцентровка обоймы подшипника	fsep; 2 f1
Гранность, некруглость дорожек качения, износ , раковины, трещины вращающегося кольца	n f1;n=3,4,5...

Современное вибродиагностическое оборудование позволяет рассчитывать как параметры, присущие всему сигналу, так и параметры, опирающиеся на значения отдельных гармоник спектра.

Как работает оборудование для вибродиагностики?

В настоящее время вибродиагностические приборы представляют собой устройства, состоящие из аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который используется для оцифровки сигналов от датчиков вибрации, центрального процессора, используемого для расчета диагностических параметров, а также средств сигнализации и настройки.

В зависимости от метода использования приборы могут быть либо стационарными, либо портативными.

• Стационарный прибор крепится рядом с исследуемым энергетическим оборудованием и мониторинг ведется непрерывно в течении длительного промежутка времени.
• Портативный прибор обычно используется для измерения параметров вибрации более чем одной единицы оборудования, при этом измерения проводятся через одинаковые промежутки времени.

Примеры современных вибродиагностических приборов: ВС-357 (стационарный, на фото слева) и ВС-311 (портативный, на фото справа).

Современное оборудования для вибродиагностических исследований

Система стационарного вибромониторинга ВС-357 осуществляет накопление и анализ данных о состоянии промышленного оборудования; сообщает о дефектах, контролирует и предотвращает аварийные ситуации, оповещает о необходимости ремонта. Прибор монтируется на DIN-рейку.

ВС-357 позволяет контролировать:

• СКЗ виброускорения, виброскорости, виброперемещения в заданном диапазоне частот;
• Пиковые значения виброускорения за промежуток времени;
• Значения СКЗ или амплитуды виброускорения, виброскорости, виброперемещения на оборотной частоте и ее гармониках;
• Значение СКЗ или амплитуды на произвольном наборе гармоник.

Портативный универсальный комплекс ВС-311 позволяет решать множество задач, связанных с диагностикой и исследованием технического состояния механизмов и агрегатов, в том числе задачи записи и анализа любых вибрационных и акустических сигналов. В состав комплекса входит портативный регистратор-анализатор и комплект датчиков для решения широкого круга задач.

За счет мобильности (вес — 2.2 кг, работа от АКБ — до 8 часов) и защищенного исполнения (металлический корпус, степень защиты IP65) комплекс ВС-311 может применяться как в лабораторных, так и в полевых условиях при температуре окружающей среды от −30 до +60 °С.

ВС-311 позволяет контролировать те же параметры, что и ВС-357, но также позволяет проводить фильтрацию входного сигнала с помощью фильтров с конечной и бесконечной импульсными характеристиками (КИХ и БИХ фильтров), что помогает избавиться от паразитных шумов и несколько увеличить точность анализа.

Универсальное оборудование для вибродиагностики

Таким образом, в настоящее время существуют математические методы и аппаратное обеспечение, позволяющее эффективно проводить вибродиагностику оборудования в различных отраслях промышленности (энергетической, машиностроении, станкостроении, металлообработке и других). 

Приведенные в примерах выше приборы — ВС-311 и ВС-357 — в совокупности предоставляют универсальную метрологическую базу в области вибродиагностики и вибромониторинга.

Использование ВС-311 и ВС-357 позволит перейти на обслуживание оборудования по техническому состоянию, а при соответствующей организации работы — к предиктивному обслуживанию. Комплекс из этих систем позволяет проводить оценку текущего технического состояния, диагностировать зарождающиеся неисправности на ранних стадиях и предотвращать развитие дефектов.

Автор — Илья Николаевич Соколов, предприятие «Висом».

Литература

1. Абрамов И.Л.. Вибродиагностика энергетического оборудования : учебное пособие по дисциплине «Диагностика в теплоэнергетике». Кемерово: КузГТУ, 2011.
2. ГОСТ ИСО 1940-1-2007 Вибрация. Требования к качеству балансировки жестких роторов. Часть 1. Определение допустимого дисбаланса.
3. Колобов, А.Б. Вибромониторинг промышленных машин: учебное пособие. Москва;Вологда: Инфра-инженерия, 2021. 256 pp.
4. Лайонс, Р. Цифровая обработка сигналов. 2nd ed. М.: Бином-Пресс, 2006. 656 pp.
5. Левин В.И., Патрикеев Л.Н. Вибродиагностика машин и механизмов: учебн. пособие. Новосибиркс: Издательство НГТУ, 2010. 106 pp.