Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Вибродиагностика: теория и практика

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 721293.01.99
Рассмотрены теоретические основы и практические аспекты вибродиагностики как развивающихся, так и развитых эксплуатационных дефектов, а также принципы оценки технического состояния промышленных роторных машин. Для студентов, изучающих основы технической диагностики машин, аспирантов и слушателей аттестационных учебных центров и курсов повышения квалификации и переподготовки, а также для специалистов, занимающихся разработкой алгоритмов и программ вибродиагностики эксплуатационных дефектов промышленных машин. Содержание пособия отвечает типовой программе подготовки персонала неразрушающего контроля по вибродиагностическому методу в системе экспертизы промышленной безопасности.
Колобов, А.Б. Вибродиагностика: теория и практика : учеб. пособие / А.Б. Колобов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 252 с. - ISBN 978-5-9729-0272-9. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1049134 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

А. Б. Колобов





                ВИБРОДИАГНОСТИКА:




ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ












Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2019

УДК 534.2:621.37/39 (075)
ББК 34.4
К61

ФЗ № 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11

Рецензент:
канд. техн. наук Ф. Б. Огурцов (ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина»)




     Колобов А. Б.
К61 Вибродиагностика: теория и практика: учебное пособие / А. Б. Колобов. - М.: Инфра-Инженерия, 2019. - 252 с.

ISBN 978-5-9729-0272-9




     Рассмотрены теоретические основы и практические аспекты вибродиагностики как развивающихся, так и развитых эксплуатационных дефектов, а также принципы оценки технического состояния промышленных роторных машин.
     Для студентов, изучающих основы технической диагностики машин, аспирантов и слушателей аттестационных учебных центров и курсов повышения квалификации и переподготовки, а также для специалистов, занимающихся разработкой алгоритмов и программ вибродиагностики эксплуатационных дефектов промышленных машин.
     Содержание пособия отвечает типовой программе подготовки персонала неразрушающего контроля по вибродиагностическому методу в системе экспертизы промышленной безопасности.









© Колобов А.Б., автор, 2019
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2019


ISBN 978-5-9729-0272-9

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ......................................................5

ГЛАВА 1.
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВИБРО ДИАГНОСТИКИ...............................6
§1.1 . Основные понятия и определения. Специфика вибродиагностики.................................6
§1.2 . Задачи вибродиагностики и ее структура...............15
§1.3 . «Обучение» системы вибродиагностики..................19
     1.3.1. Формирование эталона.............................20
     1.3.2. Выбор информативных диагностических признаков....23
     1.3.3. Выбор оптимальных точек контроля.................27
§   1.4. Постановка диагноза метрическими методами распознавания.............................................28
     1.4.1. Распознавание по расстоянию до эталона класса....29
     1.4.2. Распознавание по расстоянию до векторов класса...32
     1.4.3. Распознавание в неоднородном пространстве признаков............................................34
§   1.5. Вероятностные методыраспознавания...................35
     1.5.1. Методы статистических решений....................35
     1.5.2. Классификатор Байеса.............................49
Вопросы для самопроверки.....................................58

ГЛАВА 2.
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ..................................60
§ 2.1. Методы диагностики дефектов на ранней стадии развития.61
§ 2.2. Спектральный анализ огибающей вибрации................63
§2.3.  Методы анализаударных импульсов.......................72
§2.4.  Кепстральный анализ...................................80
Вопросы для самопроверки.....................................90

ГЛАВА 3.
ДИАГНОСТИКА ОСНОВНЫХ ДЕФЕКТОВ................................91
§ 3.1. Дисбаланс роторов.....................................91
§ 3.2. Расцентровка валов и дефекты муфт....................102
     3.2.1. Расцентровка валов..............................102
     3.2.2. Дефекты соединительных муфт.....................108
§ 3.3. Ослабление жесткости опорной системы.................111
§3.4.  Подшипники скольжения................................121
     3.4.1. Основные конструкции подшипников скольжения.....121


3

     3.4.2. Дефекты подшипников скольжения.................125
§ 3.5. Подшипники качения..................................132
     3.5.1. Классификация подшипников качения..............132
     3.5.2. Причины и виды дефектов подшипников............135
     3.5.3. Осмотр подшипников и причины виброактивности...141
     3.5.4. Вибродиагностика подшипников...................144
§ 3.6. Дефекты механических передач........................162
     3.6.1. Зубчатые передачи..............................162
     3.6.2. Ременные и цепные передачи.....................177
§ 3.7. Дефекты электрических машин.........................183
     3.7.1. Принцип работы и особенности конструкции.......183
     3.7.2. Природа вибрации электрических машин...........186
     3.7.3. Диагностика асинхронных двигателей.............190
     3.7.4. Диагностика синхронных машин...................204
     3.7.5. Диагностика машин постоянного тока.............212
§3.8.  Диагностика насосов, вентиляторов и компрессоров....218
     3.8.1. Основные конструкции вентиляторов и насосов....218
     3.8.2. Источники газо- и гидродинамической вибрации...223
     3.8.3. Диагностика основных дефектов центробежных агрегатов................................232
§3.9.  Пример процедуры оценки технического состояния агрегата.........................................240
Вопросы для самопроверки...................................246

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................248

4

    ВВЕДЕНИЕ


     Подготовка специалистов в одной из самых интеллектуальных областей неразрушающего контроля и технической диагностики — вибрационной диагностике — требует доступной для понимания научно-технической литературы.
     Цель учебного пособия — раскрыть связи диагностических признаков вибрационной природы с параметрами технического состояния, показать теоретические аспекты процедуры постановки «диагноза» на основе теории распознавания, описать основные методы вибродиагностики и представить практический материал по диагностике распространенных дефектов. Практическая часть пособия не оторвана от теории, поскольку приведенные простые решающие правила являются результатом применения методов распознавания.
     Поскольку пособие предназначено для студентов и магистрантов, не имеющих практического опыта и достаточных знаний об устройстве и конструкции промышленных машин, то в ряде случаев приведено краткое описание принципов их работы, анализ конструкций и исполнений типовых узлов и отдельных видов машин и механизмов. Пособие будет интересно для инженеров-практиков, как начинающих свой путь в области вибродиагностики, так и занимающихся вопросами разработки методик, алгоритмов и программ диагностирования дефектов роторных машин при их эксплуатации.
     Учебное пособие посвящено, прежде всего, методическим вопросам вибродиагностики, в которых диагностические признаки представлены спектральными компонентами. Технические средства измерения, структура выполнения стационарных и мобильных систем вибромониторинга, а также принципы выполнения спектрального анализа и технология нормирования вибрации в данном пособии не рассматриваются — для знакомства с ними существует достаточное количество литературы [1, 2, 11, 18, 22, 23,27,31,37,39, 45].
     Пособие представляет собой компиляцию теоретического материала и повседневной практики вибродиагностики.
     В основу пособия положен прекрасный иллюстративный и практический материал, представленный в монографиях, справочниках, учебных пособиях и статьях уважаемых коллег автора: А. В. Баркова, Н. А. Барковой, А. Р. Ширмана, А. Г. Соколовой, Ф. Я. Балицкого, Г. В. Зусмана, В. А. Русова, В. Н. Костюкова и других, за что им особая признательность. Автор надеется, что данное пособие как краткое руководство по вибродиагностике наряду с работами его коллег поможет молодому поколению приобрести профессиональные знания, навыки и умения.

5

    ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ


§1.1 . Основные понятия и определения.
     Специфика вибродиагностики

     В соответствии с ГОСТ 20911-89 [14], техническая диагностика — отрасль знаний, включающая теорию, методы и средства для исследования фактического технического состояния объектов и разрабатывающая методы определения классов их технического состояния, а также принципы построения и организации использования системы диагностирования.
     Техническое диагностирование — процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью. Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причины дефекта (дефектов).
     Техническое состояние (ТС) объекта — состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект.
     Параметры объекта, значения которых характеризуют ТС, называются диагностическими признаками, представляющими собой параметр или характеристику (рис.1.1).


Рис. 1.1. Виды диагностических признаков

      Виброакустическая диагностика (вибродиагностика) — раздел технической диагностики, который включает теорию и методы распознавания ТС объекта по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.


6

      Виброакустический сигнал (вибросигнал) — физические величины, характеризующие механические колебания (вибрационные, акустические, гидроакустические), сопровождающие функционирование технического объекта. Под объектом в дальнейшем понимается энергомеханическая машина или система связанных машин.
      Специфика вибродиагностики, делающая ее одним из наиболее интеллектуальных видов неразрушающего контроля, состоит в том, что в вибродиагностике диагностическими признаками (ДП) являются не сами параметры ТС объекта, а характеристики вибросигнала, которые содержат информацию о параметрах ТС [10], часть из которых является ДП. К параметрам ТС объекта можно отнести:
      • параметры деталей (геометрические и физические) и их взаимного расположения;
      • параметры, характеризующие внутреннюю динамику объекта (качество контактирующих поверхностей, зазоры, угол перекоса осей, величина дисбаланса ротора, степень износа поршневых колец, отклонение геометрических размеров и форм деталей от исходных, изменение структуры и прочности материала, качество смесеобразования, расходные характеристики ит.п.).
      Совокупность i = 1,..., k параметров
Z - (z^z'"...z« z() = {z't} (                (1.1)
определяет ТС объекта в момент времени t.
      В общем случае множество S возможных ТС объекта бесконечно велико вследствие непрерывности их изменения в пространстве параметров Z и времени. Однако в множестве S можно выделить два непересе-кающихся подмножества:
S = Sp U Sн ,                      (1.2)
где Sₚ — подмножество работоспособных ТС, n
Sp = и Spj,                        (1.3)
                                  j=1
включающее в себя классы состояний Spj (j=1,...,n), в которых объект будет выполнять заданные функции, но отличаться своим запасом работоспособности, т. е. степенью приближения к предельно допустимому состоянию;
     SH — подмножество ТС с различными дефектами,
m
SH = U SHq ,                       ⁽¹.4⁾
q=1
включающее в себя классы состояний sHq (q = 1,..., m), характеризуемые возникновением в объекте дефектов, приводящих к полному или частичному

7

отказу, т. е. утрате работоспособности или значительному ограничению работоспособности.
     Дефект — это недопустимое изменение параметра (параметров) ТС, являющееся причиной потери работоспособности или существенного снижения запаса работоспособности объекта.
     Разбиение подмножеств Sₚ и SH на классы ТС должно удовлетворять условию о том, чтобы классы являлись изолированными (не пересекались в пространстве параметров Z). Например, для подмножества Sₚ

Sₚₖ n Sₚⱼ = 0 для всех k * j.                         (1.5)

Это означает, что одно и то же состояние объекта |z(t}k 1 не может одновременно находиться в разных классах, т. е. не может быть поставлено двух и более «диагнозов». Поскольку переход объекта в ТС случаен, то каждому классу ТС должна соответствовать вероятность Pₖ принадлежно
сти к k -му классу. Поэтому условие (1.5) можно записать иначе: n
                  Е Ppj = 1 или Ppkj = Одлявсехк * j,          (1.6)
                  j=1
где Pₚₖj — вероятность отнесения объекта одновременно к классам Sₚₖ "S/p.
     В такой постановке задачей диагностики является отнесение объекта, представленного в данный момент времени совокупностью значений параметров {z(}k 1, к одному из классов ТС. Диагноз может быть поставлен непосредственно в пространстве параметров ТС путем сравнения параметров состояния |z(t |k 1 с заданными (в технической документации) значениями параметров, соответствующими тому или иному ТС, т. е. выполняется отображение
Л : {zi⁽t⁾} =1 ^ S j для! е T,              (1.7)

где Л — некоторый оператор, формализующий процедуру сравнения. Например, измерение овальности шеек вала, зазоров в цилиндропоршневой группе и зубчатой передаче и сравнение с величинами, заданными в технической документации. Такое отображение в пространстве параметров осуществимо на практике только при разборном контроле объекта, когда последний выводится из рабочего процесса, поэтому неприемлемо при вибродиагностике.
     Специфика вибродиагностики заключается в том, что определение класса ТС осуществляется не в пространстве параметров состояния, а в пространстве диагностических признаков, т. е. величин и характеристик вибросигнала.

8

      Функционирующий объект можно представить как некий преобразователь U параметров его технического состояния Z в параметры вибросигнала:
A = UZ или U: T х Z ^ A,                        (1.8)
поэтому в каждый момент времени t е T состояние объекта из пространства параметров состояния отображается в пространство ДП, поскольку описывается ДП a® (j = 1,...,n), составляющими вектор ДП:
A = (ai⁽l>,a₂<‘>,...,aj<l>,...,an"⁾ )={а<‘> £=1.      (1.9)

     В вибродиагностике чаще всего вектором ДП (1.9) является частотный спектр [2], а также модуляционные, вероятностные характеристики вибросигнала или их взаимосвязи и др. [2]. Упрощенно с точки зрения физики совокупность {z⁽t | k₌₁ параметров состояния вызывает возмущающие силы на определенных частотах, что приводит к отображению объекта в пространство ДП (рис. 1.2).


Рис. 1.2. Принцип отображения реального объекта в пространство вибрационных ДП

     Следует отметить, что ДП aft(j = 1,...,n) являются косвенными признаками, для которых, в отличие от прямых признаков (содержание железа в масле, давление, отклонение размеров, форм деталей и зазоров в сопряжениях деталей от заданных и т. п.), технической документацией не устанавливается соответствие тому или иному ТС. Косвенный характер вибрационных ДП и сложная многофакторная зависимость их от параметров состояния приводит к тому, что каждый ДП или вектор ДП не соответствует

9

однозначно тому или иному ТС, а лишь с определенной вероятностью характеризует состояние, что требует применения в вибродиагностике методов теории распознавания образов [10, 13, 41, 42].
     Постановка диагноза — это решение задачи распознавания (задачи классификации), т. е. отнесение отображения объекта в пространстве вибрационных ДП к его ТС в пространстве S состояний:

Z = U ¹A или иначе q: A ^ S,

(1.10)

где U¹— преобразователь, обратный U;
     q — оператор, формализующий процедуру отнесения объекта, представленного вектором ДП на момент измерения и анализа, к классу ТС из множества S. Под оператором q понимается любая формализованная (как математически, так и логически или в форме базы данных) процедура. Человек со своим набором знаний и опыта является одной из реализаций оператора q.
     Отображение (1.10) означает, что в любой момент времени t каждому состоянию Z, определяемому набором параметров {z⁽} и отображаемому в пространство ДП A, должен быть поставлен в соответствие единственный класс ТС, т. е. выполнено условие (1.5).
     На практике изменение большинства параметров состояния z, приводит к незначительному изменению вектора ДП, скрывается и искажается за внешними помехами (погрешности измерения и анализа, влияние режимов нагрузки объекта и т. п.). С другой стороны, конкретное ТС определяется совокупностью значений параметров |z⁽t | k₌₁, для которых технической документацией установлены допуски их предельных значений zₘᵢₙ и zₘₐₓ. Изменение параметра в пределах допусков чаще всего отображается на многих ДП:
z.  <z. <z.   ^fa/ttln
zi min — zi —m max ~ | aj j j= >


однако все это происходит в рамках одного реального ТС объекта.
     Во многих случаях, особенно при диагностике в условиях эксплуатации, задачи вибродиагностики требуют уменьшения числа классов ТС по критерию большей устойчивости отображения в вибрационном сигнале и в конечном счете векторе ДП. В этом случае приходится объединять те или иные классы состояний с общими свойствами, проявляемыми в векторе ДП и получать агрегированные (объединенные) состояния — виды ТС, имеющие свои устойчивые отображения в пространстве вибрационных ДП [16]. При этом число видов ТС будет меньше ранее выделенного числа классовподмножеств Sₚ иSH (1.3), (1.4).
     Примером агрегирования состояния, т. е. формирования вида ТС, приемлемого для вибродиагностики роторных машин, является такой 10

вид ТС, как неисправность подшипникового узла. В общем случае этот вид может агрегировать около десяти классов ТС, например:
     •  дефект сепаратора;
     •  дефект тел качения;
     •  износ шейки вала;
     •  загрязнение смазки;
     •  дефект беговых дорожек и т. п.
     Все эти классы ТС довольно трудно различимы между собой в пространстве вибрационных ДП, и для их распознавания требуются более сложные приборы, анализ и методики, но всех их объединяет одно или несколько общих свойств, проявляемых в векторе ДП.
     В условиях, когда задачей диагностики является обеспечение безаварийной эксплуатации объекта, общий диагноз о неисправности подшипникового узла является достаточным для проведения ремонта, в ходе которого устанавливается необходимость замены подшипника, шлифовки вала или замены смазки. Наоборот, при проведении контроля качества изготовленных на заводе подшипников перед диагностикой ставится задача детальной классификации дефектов, и в этом случае агрегирование неприемлемо.
     С учетом агрегирования, что может также являться вынужденной мерой на начальном этапе диагностики ввиду недостаточности информации для описания классов ТС, задача постановки «диагноза» в пространстве ДП, в отличие от (1.10), представляется
X:A ^ A/S = S,                      (1.11)
где х — оператор, формализующий процедуру отнесения объекта, представленного вектором ДП на момент измерения и анализа, к агрегированному состоянию AIS (виду ТС) [16].
     Отметим, что множество агрегированных состояний, т. е. видов ТС, взаимно отображается во множестве классов ТС, а само агрегирование определяется либо задачами диагностики, либо статистической недостаточностью информации для описания класса ТС в пространстве ДП. При достаточной полноте описания классов ТС процедура агрегирования, заключающаяся в поиске устойчивых отображений ТС в пространстве вибрационных ДП, может быть исключена.
     Технологические этапы вибродиагностики представлены обобщенной диаграммой (рис. 1.3), подтверждающей, что специфика вибродиагностики заключается в постановке диагноза не в пространстве параметров состояния, а в пространстве вибрационных ДП, которые по природе происхождения лишь с определенной вероятностью характеризуют тС.

11

Рис. 1.3. Технологические этапы вибродиагностики

      На достоверность решения задачи классификации (постановки диагноза) по (1.10) или (1.11) влияет следующее [10]:
      • синтез (формирование) вектора ДП;
      • неполная наблюдаемость объекта.
      При формировании вектора ДП A использование мгновенных значений вибросигнала неэффективно, т. к. отсутствует детерминированная связь между параметрами состояния и значениями измеряемых параметров вибрации, нерегулярно меняющихся во времени. Поэтому выделяют такие характеристики вибросигнала, которые обладают максимальной чувствительностью к определенным ТС и инвариантны (нечувствительны) к другим ТС.
      Как отмечалось, вектор ДП A может представляться: частотой и амплитудой спектра, модуляционными характеристиками, корреляционной функцией и т. д. Однако нужно помнить, что любой ДП лишь с определенной вероятностью характеризует то или иное ТС, поскольку в объектах сложной конструкции изменение одного параметра состояния может отображаться в изменении многих ДП.
      Формально, если объект наблюдаем, т. е. соблюдаются условия (1.5) или (1.6), то происходит отображение изменения параметров состояния в вибрационный образ (портрет) и множество ТС равно множеству состояний в вибрационном пространстве. Связь между параметрами двух пространств в простейшем случае может быть представлена функциональными зависимостями [10]
zⱼ=Fⱼ(a₁,a2,..., aₙ), i = 1,.,.,k;          (1.12)
aⱼ=Gⱼ(z₁,Z2,..., Zk), j = 1,...,n.          (1.13)

12