Диагностика базик

впоследствии момент – колебания с низкой частотой меньше затухают во времени по сравнению с высокочастотными колебаниями. Связано это, пре- жде всего, с большей энергией колебательного процесса низкой частоты.

Графически энергию колебательного процесса можно оценить площадью временной реализации в пределах одного периода. Очевидно, что при рав- ных амплитудах колебаниям низкой частоты соответствует большая пло- щадь из-за увеличения периода.

Справедливо и обратное – для того, чтобы вызвать низкочастотные ко- лебания, требуются большие затраты энергии.

Указанные различия колебательных процессов сказываются и на осо- бенностях распространения колебаний в среде: высокочастотные колеба- ния затухают ближе к источнику, низкочастотные – на большем удалении от источника. Эту особенность необходимо учитывать при измерении виб- роакустических сигналов.

3.2. Оборудование для измерения виброакустических сигналов

Структурно большинство измерительных устройств, основанных на пре- образовании неэлектрической величины в электрический сигнал, состоит из следующих основных блоков (рис. 3.10): первичные преобразователи (дат- чики); измерительные цепи; преобразующие цепи; блок индикации.

Рис. 3.10. Структурная схема устройств измерения

Как в качестве первичных преобразователей звука (акустоэлектриче- ских преобразователей – микрофонов), так и преобразователей вибрации (вибропреобразователей) применяются конденсаторные, магнитострикци- онные, пьезокерамические, электромагнитные и другие преобразователи.

Ввиду широкого распространения конденсаторных и пьезоэлектрических преобразователей рассмотрим их принципиальную конструкцию.

31

уменьшается расстояние между обкладками конденсатора δ , а следова- тельно, и его емкость Cx . Выходной сигнал – напряжение Uвых для показан- ной схемы включения определяется еще напряжением питания U0 и значе-

мость определяется уравнением: Uвых (t)= αu × x¢¢(t), где αu – чувствитель-

ность датчика по напряжению. Помимо свойств кристалла эта характери- стика зависит и от минимального сопротивления элементов измеритель- ной цепи (датчик, кабель или усилитель заряда). Это сопротивление должно быть как можно больше, чтобы слабый заряд на обкладках кри- сталла не гасился в виде теплоты на этом сопротивлении. Реально, при входном сопротивлении усилителя 109 Ом, типичные преобразователи обеспечивают αu = 3 мВ/м·с–2.

Практически все типы виброакустических преобразователей, требуют

усиления своего сигнала для передачи его на расстояния и последующего анализа (отображения). Влияние одной из важных характеристик усилите- лей – его входного сопротивления на результаты измерений только что рассматривалось. Добавим, что именно по этой причине не удается с по- мощью пьезоэффекта достоверно измерить перемещение элемента коле- бательной системы. Теоретически, деформируя кристалл в результате приложения извне некоторого усилия, мы вправе ожидать пропорциональ-

ного этому усилию заряда и напряжения Uвых столь долго, сколь долго бу- дет приложено это усилие. В действительности, через некоторое время мы увидим, что Uвых = 0 вследствие описанного выше рассеяния сигнала в виде

теплоты. Другой серьезной проблемой, вызванной характеристиками уси- лителей заряда является их нелинейность. Идеальный (линейный) усили-

32

тель обеспечил бы связь между входной и выходной величиной в соответ- ствие с линейным законом: Uвых (t)= k ×Uвх (t), где k = const . У реальных уси- лителей k ¹ const , а может меняться в некоторых пределах в зависимости и от окружающих условий, и, что особенно плохо, от величины Uвх . Покажем,

к чему приводит на практике нелинейность измерений. На рис. 3.13 изобра- жен сигнал, искаженный в нелинейном усилителе. Как видно, это искажение приводит к смещению сигнала относительно оси t . В результате на спектре сигнала обнаруживаются не только действительная частота (в примере 50 Гц), но и кратные ей частоты 100, 150 Гц и т. д.

Рис. 3.13. Нелинейное искажение сигнала

Аналогичные искажения сигнала вибрации могут быть внесены в про- цессе распространения колебаний через среды, имеющие различные аку- стические характеристики. Отмеченную особенность следует учитывать при анализе реальных сигналов, так как нелинейные искажения присутст- вуют практически во всех случаях реальных измерений.

Усиленный сигнал может быть преобразован измерительным прибором должным образом в соответствии с назначением прибора. Наибольший интерес для целей вибродиагностики представляют приборы, предназна- ченные для анализа спектра – анализаторы спектра. Наряду с появивши- мися в последнее время цифровыми анализаторами преобразование вре- менной зависимости в спектр возможно и с применением аналоговых при- боров. Структурная схема такого устройства представлена на рис. 3.14.

Рис. 3.14. Структурная схема аналогового анализатора спектра: ПФ – по- лосовой фильтр; Д – детектор; Σ – интегратор; И – индикатор

33

Входной сигнал предварительно подвергают фильтрации – выделению в нем определенной (исследуемой) частоты, после чего детектируют – оп- ределяют мгновенные значение амплитуды сигнала, которые накаплива- ются в интеграторе. Результат отображают с помощью устройств индика- ции. Большинство аналоговых анализаторов характеризуются последова- тельным подключением фильтров, в результате чего время анализа уве- личивается. Применение параллельных фильтров значительно удорожает прибор. Этих недостатков лишены цифровые анализаторы (рис. 3.15).

УП

Рис. 3.15. Структурная схема цифрового анализатора спектра: АЦП – аналого-цифровой преобразователь; СП – сигнальный процес- сор; УП – управляющий процессор; И – индикатор

Входной сигнал в цифровом анализаторе тоже может быть отфильтро- ван. Однако делают это не столько с целью последующего спектрального анализа, сколько для выделения наиболее информативного участка спек- тра и для устранения помех. Фильтрация осуществляется расчетами (цифровой фильтр), выполняемыми программой сигнального процессора. Здесь же происходит и вычисление спектра (как правило, по быстрым ал- горитмам дискретного преобразования Фурье). Управляющий процессор отвечает за управление режимами работы устройства, отображением дан- ных на дисплее (индикаторе) и т. д. Физически роль сигнального и управ- ляющего процессоров может выполнять один микропроцессор.

3.3. Вибродиагностика анализом временных характеристик

При диагностике технических систем анализом временных характери- стик можно выделить два направления: оценку энергии колебаний и оцен- ку фазовых характеристик вибросигнала.

3.3.1. Количественные методы оценки временных характеристик

Работа многих машин и механизмов сопровождается вибрацией. В по- давляющем большинстве случаев наблюдается взаимосвязь между уров- нем вибрации и техническим состоянием объекта. Действительно, по мере

34

износа механизмов увеличиваются зазоры в сопряженных парах, а следо- вательно увеличивается кинетическая энергия ударных воздействий. К та- кому же результату приводят и появление трещин, раковин на поверхно- стях трения. Нарушение балансировки роторных машин также сказывается на уровне вибрации. В двигателях внутреннего сгорания повышенная виб- рация установки может быть вызвана отклонениями в протекании внутри- цилиндровых процессов. В этом случае можно говорить о связи вибрации с термодинамическими процессами. При работе лопаточных машин (тур- бины, компрессоры) оценкой их вибрации можно определить нарушения в газодинамике этих агрегатов, вызванные отрывными течениями газа, на- пример, помпажный режим работы компрессора. Сравнительная простота

оборудования и техники измерения вибрации наряду с универсальностью применения делает привлекательными такие методы диагностики. Для ко- личественной оценки интенсивности колебательного процесса (вибрации) применяются следующие характеристики:

– пик-фактор (коэффициент амплитуды), т. е. отношение максимально-

го значения сигнала к его среднеквадратичному значению

– коэффициент формы

35

С точки зрения теории диагностики каждый из приведенных парамет- ров может выполнять роль критерия диагностики.

В уравнениях (3.4)–(3.7) Х – колебательная величина (виброперемеще- ние, виброскорость или виброускорение); T – продолжительность времени (период), в течение которого оценивается вибрация; t – время.

Диагностика строится на сравнении принятого в каждом конкретном случае диагностического параметра с его пороговыми значениями. Это направление отличается простотой измерений и анализа. Но вместе с тем и малой информативностью. Как правило, подобные методы позволяют оценить исправность объекта в целом. Наблюдая за тенденциями измене-

ния энергетических характеристик вибросигнала можно прогнозировать сроки отказа оборудования. При этом локализовать неисправность можно не всегда.

Наибольшее практическое распространение имеет среднеквадратич- ное значение виброскорости и виброускорения. Так ГОСТ ИСО 10816-1-97 устанавливает пороговые значения для широкого класса механизмов. Например, для мощных первичных двигателей и других машин с вращаю- щимися массами, жестко установленными на массивном фундаменте, ГОСТ регламентирует уровни виброскорости для 4 категорий (классов) машин (табл. 3.1).

3.3.2. Оценка фазовых характеристик и формы сигнала вибрации

Второе направление анализа временной реализации сигнала вибра- ции – анализ фазовых характеристик вибросигнала применяется для оп- ределения времени возникновения событий, сопровождающихся удар- ными воздействиями в механизмах. Например, при работе дизеля удара- ми сопровождается работа клапанов газораспределительного механизма, поршневой группы, форсунки и т. д.

36

рами топливной аппаратуры дизеля. Величина амплитуды сигнала в зонах 1 и 2 (рис. 3.16), а также форма сигнала содержат диагностическую ин- формацию.

Диагностика техническо-

го состояния форсунки по параметрам вибрации мо- жет быть выполнена срав- нением эталонной вибро- граммы с реальной. В неко- торых случаях это сравне- ние легко выполнить визу- ально без применения рас- четных статистических ме- тодов. Так, на рис. 3.17

представлены результаты виброметрии форсунок с заведомо известными де- фектами. Видно, что в слу-

чае с поломанной пружиной второй импульс вибрации, возникающий в момент по- садки иглы, характеризует- ся увеличенной продолжи-

тельностью колебательного процесса с заметно боль- шими, чем у эталонной

форсунки амплитудами. Это объясняется многократными ударными дви- жениями иглы, вызванными колебаниями остаточного давления в топливо- проводе, собственной инерцией иглы свободно движущейся между «сед- лом» и обломками пружины. При зависании иглы распылителя практиче-

37

ски отсутствует первый виброимпульс. В этом случае, постоянно открытый распылитель не позволяет получить нужные давления в полостях форсун- ки, вследствие чего скорость движения иглы, а значит и ее кинетическая энергия, оказываются недостаточными для удара иглы об ограничитель.

Другой пример диагностического анализа вибрации с учетом фазовых характеристик является метод оценки износа поршневой группы двигателя внутреннего сгорания. На рис. 3.18 приведены виброграммы, полученные с датчика, жестко установленного на цилиндровой втулке. Для определе- ния положения ВМТ использовался индуктивный преобразователь. Срав- нивались двигатели с новой поршневой группой и с изношенной до пре- дельно допустимого в эксплуатации уровня. Виброграммы определялись на рабочем такте. Наблюдаемые колебания вызваны периодически повто- ряющимися ударами юбки поршня, качающегося на поршневом пальце, о стенки цилиндра.

Диагностическим па-

раметром в этом случае может быть максималь-

ная амплитуда вибрации X max, которая будет тем больше, чем больше

зазоры между юбкой поршня и стенкой цилин- дра. С этой точки зрения данный метод следова-

ло бы отнести к первой группе – количественно- му анализу вибрации. Однако следует учиты- вать, что оценка ампли- туды вибрации выполня-

ется не в произвольном месте выборки, а в стро- го определенной вре- менной (фазовой) зоне – после ВМТ.

Наряду с очевидны- ми достоинствами, рас- смотренные методы об- ладают и недостатка- ми. Так, например, при- ходится учитывать, что

увеличение X max, может быть вызвано не только износом, но и детона- ционным сгоранием в цилиндре двигателя, а также другими отклонениями в протекании рабочего процесса двигателя. Это затрудняет применение данного метода в условиях рядовой эксплуатации.

38

Дополнительная сложность вносится необходимостью привязки фазы вибрации к некоторому опорному временному событию: в рассмотренных примерах – к ВМТ.

Другим недостатком рассмотренных выше методов диагностики явля- ется существенное искажение полезного сигнала вибрации «шумами», со- провождающими работу сложного механизма. Отфильтровать последние зачастую невозможно, так как частоты исследуемых сигналов и «шумов» оказываются близкими. По этой причине рассмотренный выше метод виб- родиагностики форсунок дизелей получил ограниченное применение. Наиболее достоверные результаты можно получить в ходе стендовых ис- пытаний топливной аппаратуры, требующих частичной разборки двигате- ля.

3.4. Методы спектрального анализа в вибродиагностике

Основная идея всех методов диагностики спектральным анализа виб- рации заключается в обнаружении периодически повторяющихся, как правило, ударных процессов в работе машины и сопоставлении им воз- можных дефектов. Очевидно, что последние должны проявляться на тех же частотах.

При наличии дефектов, оказывающих влияние на параметры вибрации, при работе неисправного механизма возникают новые периодические ко- лебания, вызванные чаще всего ударами (микроударами). Причем, в большинстве случаев, анализируя периодичность этих ударов, можно ус- тановить и неисправный элемент. Действительно, если в одном подшип- нике качения имеет место выбоина на наружном кольце, а в другом на внутреннем, то в обоих случаях анализ вибрации выявит удары тел каче- ния при перекатывании по этим выбоинам. Но, во втором случае при про- чих равных условиях, эти удары будут происходить чаще, чем в первом,

так как частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу больше чем по наружному.

Техника диагностики во многом напоминает работу химика или метал- ловеда, когда они по результатам спектра излучения материала неизвест- ного состава подбирают наиболее близкие, из имеющихся в наборе эта- лонных, спектры излучения известных материалов. В случае с вибродиаг- ностикой также необходимо иметь (знать) набор спектров вибрации, вы- званных характерными неисправностями машины или механизма.

Наибольшее распространение методы спектрального анализа получи- ли применительно к роторным машинам. При ближайшем рассмотрении эти методы можно разделить на две группы: анализ прямого спектра и анализ спектра огибающей.

3.4.1. Метод прямого спектра

В случае применения прямого спектра гармоническому анализу под- вергают непосредственно полученную в ходе измерения временную зави- симость вибрации. До недавнего времени это был единственно применяе- мый в практике метод, и названия «прямой» не имел. Необходимо отме- тить, что поскольку периодичность ударных воздействий, вызванных де-

39

фектами механизма сравнительно велика (частота их мала), то и измерять сигнал следует избирательно: на низких и средних частотах. Высокочас- тотная вибрация порождена, как правило, силами трения в узлах машины и диагностической ценности не имеет. Отмеченной особенностью обу- словлен существенный недостаток метода, заключающийся в невозмож- ности локализовать место возникновения дефекта. Ведь низкочастотные колебания хорошо распространяются как по металлу, так и через воздуш- ные зазоры, а значит, вибрация, измеренная датчиком, могла возникнуть не только вблизи места его установки, но и на значительном удалении от него. Этого недостатка лишен метод спектра огибающей.

3.4.2. Особенности метода «спектр огибающей»

Как известно, высокочастотным колебаниям свойственно быстрое зату- хание. Это помогает при диагностике локализовать неисправный элемент системы. Удары, в том числе и низкочастотные, возникающие при работе неисправного элемента, сопровождаются появлением и высокочастотных сигналов. Поэтому, если при диагностике некого объекта «прослушивать» высокочастотную вибрацию в разных местах, то можно найти место, в ко- тором уровень этих колебаний особенно высок. Справедливо предполо- жить, что неисправным элементом будет ближайший к месту установки датчика вибрации. Но как при этом идентифицировать неисправность? Спектральный анализ самого высокочастотного сигнала не имеет смысла. Природа этой вибрации объясняется проявлением сил трения при контак- те подвижных элементов системы и чаще всего если и содержит периоди- ческие составляющие, то во многом случайные, без присущих низкочас- тотным колебаниям закономерностей.

40