Области применения методов анализа вибрации

В жизненном цикле машины или оборудования при разделении на группы по используемым методам и средствам вибрационной диагностики можно выделить три основных этапа:

1. проектирование и исследование опытных образцов;
2. изготовление или ремонт серийной продукции, ее монтаж и наладка на месте эксплуатации;
3. контроль состояния в процессе эксплуатации между ремонтами.

Основной задачей, решаемой с применением средств измерения и анализа вибрации на первом этапе, является борьба с вибрацией машин и оборудования путем снижения величин колебательных сил в источнике и оптимизации механических свойств отдельных узлов и элементов. Кроме этого могут решаться задачи оптимизации вибростойкости объекта, т.е. обеспечения надежности машин и оборудования при работе в условиях повышенной вибрации как возбуждаемой самим объектом исследования, так и действующей на объект извне. Наконец, может решаться и еще одна задача — обеспечение контролепригодности машин и оборудования, т.е. подготовки точек контроля вибрации, обеспечивающих получение необходимой диагностической информации на последующих жизненных этапах объекта контроля.

На этом этапе используются в основном методы модального анализа вибрации, позволяющие выявить наиболее опасные формы колебаний объектов, в первую очередь на резонансных частотах и частотах действия основных колебательных сил, например, на частоте вращения агрегатов.

На втором этапе, т.е. при изготовлении (ремонте), монтаже и наладке серийного оборудования с помощью вибрационного анализа решается большой круг задач, к основным из которых можно отнести:

• пооперационный контроль изготовления деталей и узлов;
• входной контроль комплектующих деталей и узлов;
• балансировку роторов на месте монтажа и наладки;
• выходной вибрационный контроль;
• анализ и устранение причин повышенной вибрации.

Задача пооперационного контроля изготовления деталей и узлов машины и оборудования решается с применением разнообразных методов контроля, из которых к вибрационным можно отнести ультразвуковую дефектоскопию, основанную на анализе отражений и потерь при распространении вибрационных вол, воздаваемых внешним источником. Она является самостоятельной областью неразрушающего контроля.

Входной контроль комплектующих узлов с использованием методов и средств анализа вибрации, возбуджаемой этими узлами, возможен лишь при наличии испытательных стендов, обеспечивающих работу этих узлов в номинальных или специальных режимах. Как правило, применяемые при таком контроле методы анализа вибрации определяются качеством проектирования и изготовления испытательных стендов, которые не должны давать вибрационных помех. Для входного контроля большинства узлов, и в первую очередь подшипников качения, используются спектральные методы анализа их вибрации и достаточно часто спектральные методы анализа огибающей ее высокочастотных компонент.

Для балансировки роторов используются синхронные методы анализа вибрации, и в первую очередь вибрации на частоте вращения балансируемого ротора или другого вращающегося узла. Измерению в каждой из точек контроля подлежат амплитуда вибрации на частоте вращения ротора и ее фаза относительно опорного сигнала с датчика углового положения вала. Рекомендуемая точность измерений амплитуды порядка 5%, фазы — порядка 2% (5-7°). Основные проблемы балансировки связаны с возможностью появления на частоте вращения ротора значительных сил различной природы, которые частично или полностью не могут быть снижены за счет центробежных сил, создаваемых балансировочными массами. Обнаружение и идентификация этих сил требуют применения всего арсенала методов анализа вибрации, используемых диагностами.

Самая сложная по номенкулатуре методов анализа вибрации — это задача выявления и устранения причин повышенной вибрации оборудования после его изготовления (ремонта) или монтажа на месте эксплуатации. Решением этой задачи занимаются специалисты по виброналадке оборудования, и качество ее решения во многом определяется глубиной подготовки этих специалистов, а также опытом работы по виброналадке конкретных типов машин и оборудования.

Основной особенностью проведения работ по виброналадке является то, что при необходимости приходится исследовать вибрацию машин и оборудования в разных режимах функционирования, в том числе ис их частичной разборкой. В процессе виброналадки могут использоваться все виды анализа формы вибрации или ее спектрального анализа, включая синхронный и взаимный спектральный анализ, а также анализ спектров огибающей предварительно выделенных компонент вибрации разной природы.

На третьем этапе, во время эксплуатации машин и оборудования между ремонтами, анализ их вибрации может проводиться для решения следующих задач:

• аварийная защита ответственного оборудования;
• контроль и прогноз вибрационного состояния (вибрационный мониторинг);
• контроль и прогноз технического состояния машин и оборудования (вибрационная диагностика);
• планирование сроков и объемов работ по обслуживанию;
• проведение работ по обслуживанию и контроль качества их выполнения;
• предремонтная дефектация машин и оборудования.

Системы аварийной защиты ответственных машин и оборудования, как правило, имеют несколько параллельных измерительных каналов, и вибрационные каналы входят в нее как составняе части. Необходимая скорость принятия решений в таких системах весьма велика (доли секунды), поэтому глубокого анализа вибрации по этим каналам не требуется, а лишь непрерывное измерение уровня низкочастотной вибрации в широкой полосе частот. Нижняя граничная частота этой полосы обычно не превышает половины частоты вращения машины, а верхняя чаще всегосоставляет величину порядка 1000 Гц. Минимальное время реакции на скачкообразный рост вибрации в таком измерительном канале обычно составляет 2-3 оборота ротора.

Достаточно часто в вибрационных каналах аварийной защиты машин с подшипниками скольжения используются проксиметры (измерительные преобразователи относительного перемещения вала), которые параллельно с защитой обеспечивают решение задач вибрационного мониторинга на основе анализа орбит движения вала в подшипнике.

При отсутствии подшипников скольжения в каналах аварийной защиты, как правило, используются пьезоакселерометры, присем одновременно с фильрацией сигнала вибрации выполняется и его интегрирование с целью измерения нормируемого параметра вибрации, а именно, среднеквадратичного значения виброскорости или вибросмещения.

Сигнал вибрации как с измерительных преобразователей аварийной зациты, так и с дополнительных преобразователей, может одновременно использоваться для решения задач вибрационного мониторинга. Для этого он параллельно анализируется техническими средствами систем мониторинга и, если это неоходимо, средствами диагностики.

Системы вибрационного мониторинга ответственных машин и оборудования в соответствии с рекоментациями действующих стандартов по мониторингу используют, в основном, спектральные методы анализа низкочастотной вибрации. В некоторых системах используются также методы анализа формы низкочастотных колебаний (орбиты движения вала в подшипниках скольжения) или синхронного частотного и спектрального анализа вибрации в режимах пуска и выбега машины.

Поскольку многие из спектральных составляющих низкочастотной вибрации машин растут при появлении некоторых дефектов задолго до возникновения аварийной ситуации, по данным вибрационного мониторинга иногда удается обнаружить предаварийное состояние машины, а в некоторых случаях при построении трендов изменения ее вибрационного состояния во времени прогнозировать время наступления аварийной ситуации.

В рамках вибрационной диагностики машин и оборудования могут решаться две разные задачи. Первая — идентификация причин изменения вибрационного состояния, обнаруженного средствами мониторинга. Для ее решения обычно не требуется дополнительных средств измерения и анализа вибрации. Другая задача — контроль и прогноз технического состояния объекта контроля, которые невозможны без обнаружения всех основных видов дефектов на ранней стадии развития. Поскольку средствами измерения и анализа вибрации, используемыми для мониторинга, можно обнаружить лишь некоторые из развитых дефектов, вопросами контроля и прогноза технического состояния машин и оборудования занимается специальный раздел превентивной вибрационной диагностики.

Задачей такой диагностики являются обнаружение и идентификация всех основных видов дефектов на стадии зарождения, наблюдение за их развитием и прогноз на этой основе технического состояния объектов контроля. По сигналу вибрации абсолютное большинство дефектов на стадии зарождения обнаруживается лишь в машинах роторного типа, без узлов возвратно-поступательного вида. Зарождающийся дефект из-за малой величины колебательных сил модет возбуждать заметную вибрацию преимущественно на высоких частотах и только в зоне, ближайшей к месту возникновения дефекта. Поэтому методы анализа низкочастотной вибрации, используемые в задачах вибрационного мониторинга, не обеспечивают обнаружения большинства возможных дефектов на стадии зарождения.

В задачах превентивной диагностики приходится использовать всю гамму видов анализа высокочастотной вибрации, измеряемой не в стандартных точках контроля, а как можно ближе к точкам возникновения высокочастотных колебательных сил и местам их передачи на неподвижные узлы диагностируемых машин.

Наибольшее распространение в превентивной диагностике получили методы анализа формы высокочастотной вибрации, возбуждаемой ударными импульсами в подшипниках, и методы спектрального анализа огибающей высокочастотной вибрации, возбуждаемой силами трения не только в подшипниках, но и в других узлах, например рабочих колесах насосов, турбин и других типов машин. Естественно, что одновременно с высокочастотной вибрацией измеряется и анализируется вибрация машин на средних и низких частотах. Для ее исследования также используются практически все виды анализа сигналов вибрации, возбуждаемой в типовых режимах работы машин. Анализ вибрации на средних и низких частотах позволяет более точно контролировать развитие обнаруженных по высокочастотной вибрации дефектов после того, как они начнут реально влиять на состояние объекта контроля.

Планирование сроков и объемов работ как по обслуживанию, так и по ремонту машин и оборудования, требует полного знания их технического состояния. Методы превентивной диагностики, использующие для обнаружения каждого из зарождающихся дефектов свои алгоритмы анализа диагностических сигналов, лежат в основе такого планирования. Однако кроме обнаружения дефекта необходимо еще оценить его величину и степень опасности, для чего требуется определить пороговые значения для каждого из диагностических параметров. Эта задача решается с помощью статистического анализа результатов независимых диагностических измерений либо по группе одинаковых объектов контроля, либо по данным ретроспективных измерений одного (диагностируемого) объекта контроля.

Самостоятельной по используемым методам и алгоритмам анализа вибрации является задача выполнения работ по техническому обслуживанию машин и оборудования. Основными операциями обслуживания вращающегося оборудования можно считать его центровку, балансировку и замену смазки в подшипниках. Кроме этого в объем работ по обслуживанию может входить и замена дефектных узлов, например подшипников. Наиболее полно существующие методы анализа вибрации используются на этапе диагностики машины перед планированием работ по обслуживанию. Однако анализ вибрации проводится и на этапе балансировки оборудования, и при контроле качества выполнения всех видов работ по обслуживанию.

Так, на этапе балансировки машин используются методы синхронного частотного анализа для измерения во всех точках контроля амплитуд и фаз колебаний машины на частоте вращения ее вращения, а при контроле результатов балансировки применяются простейшие методы измерения уровня вибрации, регламентируемые существующими стандартами.

Качество центровки роторов проверяется с применением методов взаимного спектрального анализа вибрации, позволяющего измерять формы колебаний линии вала на частоте вращения ротора и кратных ей гармониках с последующией оценкой остаточной статической и особенно динамической расцентровки. Качество смазки в подшипниках после ее замены оценивается с помощью методов анализа формы преимущественно высокочастотной вибрации вала в подшипниках скольжения.