Современное состояние виброакустической диагностики машин (стр. 2 из 8)

Параллельно развитию систем мониторинга на базе уже существующих информационных технологий во многих странах шел поиск новых методов анализа сигналов для решения диагностических задач. Так, в 1968 году специалистами Швеции был запатентован метод, давший понятие информационной технологии ударных импульсов, которая дала начало многим поколениям систем диагностики подшипников качения. Принцип действия метода ударных импульсов иллюстрируется сигналом, приведенным на рис.4.

Рис.4.Вибрация, возбуждаемая ударными импульсами.

Как видно из рисунка, вибрация, возбуждаемая короткими импульсами, значительно изменяет мгновенную (пиковую) амплитуду сигнала, практически не изменяя ее среднеквадратичное значение (мощность). Отношение пикового значения (пик) к среднеквадратичному (СКЗ), называемое пикфактором, является тем параметром, который реагирует на появление отдельных коротких импульсов. Так, у случайного сигнала без ударных импульсов типовое значение пикфактора лежит в пределах от 3 до 4, а при появлении редких, но сильных импульсов может превышать значения порядка 20-30. Именно в подшипниках качения при плохой смазке или появлении раковин на поверхностях качения возникают такие импульсы. Поскольку импульсы короткие, они наиболее сильно возбуждают высокочастотную вибрацию. Сигнал, приведенный на рис.4, включает в себя составляющие высокочастотной вибрации, возбуждаемой как силами трения (стабильные во времени составляющие), так и ударами, число которых в единицу времени не должно быть большим, так как в последнем случае растет среднеквадратичное значение вибрации и падает величина пикфактора измеряемого сигнала.

Рассмотренная информационная технология позволяет использовать для решения диагностических задач простейшие средства измерения. Этот факт и определил широкое распространение технологии ударных импульсов, особенно на территории стран СНГ, однако необходимость решения более сложных диагностических задач и существенно ограниченные возможности данной технологии явились основной причиной поиска новых, более совершенных диагностических технологий. В частности, необходимо было расширить номенклатуру обнаруживаемых дефектов, в том числе тех, при которых в диагностируемых узлах не возникают ударные импульсы. Не менее важно было минимизировать вероятность пропуска аварийноопасных ситуаций при выполнении периодических измерений со значительными перерывами между ними. Метод ударных импульсов не позволяет увеличивать эти интервалы выше 5-10 дней, так как именно на такой минимальный срок в начале развития дефектов возрастает величина пикфактора. С дальнейшим ростом дефекта из-за увеличения числа ударных импульсов в единицу времени величина пикфактора падает, в то время как уровень вибрации продолжает расти, но весьма медленно.

В 1978 году специалисты АО Виброакустические системы и технологии предложили метод и информационную технологию для диагностирования многих видов узлов роторных машин, известную как технология огибающей. Эта технология в настоящее время широко распространена во многих странах и используется даже в медицинской диагностике. Суть заключается в анализе колебаний мощности измеряемого сигнала. Такая технология может применяться для высокочастотного сигнала, мощность которого изменяется значительно медленнее его периода. Поскольку мощность сигнала определяется значением его огибающей, эта информационная технология основана именно на анализе огибающей высокочастотного сигнала. На рис.5 приведена форма высокочастотного сигнала, а также спектр огибающей, в котором отчетливо видна гармоническая составляющая, отвечающая за периодическое изменение мощности первичного сигнала.

Наибольшие успехи метода огибающей, также как и метода ударных импульсов, достигнуты при решении задач диагностики подшипников качения. В настоящее время метод огибающей, обладающий более широкими возможностями, постепенно заменяет метод ударных импульсов. С его помощью решаются задачи диагностики тех узлов роторных машин, которые являются источниками сил трения и динамических нагрузок. Это подшипники качения, скольжения, рабочие колеса насосов и турбин, зубчатые колеса механических передач и многие другие.

Метод огибающей и метод ударных импульсов являются широко используемыми методами анализа сигналов для решения диагностических задач и практически не используются в системах автоматического управления, контроля и защиты машин и оборудования. Они обладают значительными преимуществами при обнаружении дефектов на ранней стадии их развития, уступая ряду других методов в задачах обнаружения развитых дефектов в предаварийных ситуациях. Главные их преимущества определяются тем, что используемые этими методами свойства сигналов появляются только с момента зарождения дефектов и для их обнаружения нет необходимости предварительной адаптации, т.е. не требуется выполнять несколько периодически повторяющихся измерений диагностических сигналов. Эти свойства сигналов обнаруживаются по первому же измерению, причем не абсолютной, а относительной величины, что не требует особой точности при выполнении измерений. Точность измерения величины диагностического параметра определяется, в основном, параметрами технических средств для анализа сигналов.

Рис.5. Сигнал высокочастотной случайной вибрации, возбуждаемой силами трения, и спектр его огибающей для бездефектного подшипника (а,б) и для подшипника с износом поверхности качения (в,г). Fm - частота модуляции сил трения.

Приведенный краткий анализ основных методов обработки сигналов позволяет производить оценку практически всех информационных технологий, используемых в современных системах мониторинга и функциональной диагностики машин и оборудования. Особо следует выделить еще одну перспективную технологию получения диагностической информации - технологию статистического распознавания состояний (образов). Она разрабатывается уже несколько десятилетий и на первых этапах не получила особого практического применения из-за требуемых от аппаратуры вычислительных возможностей. В настоящее время интенсивно развиваются самообучающиеся информационные технологии для решения задач распознавания состояний, описываемых множеством параметров, получившие название “нейронные сети”. Это позволяет надеяться, что в ближайшие годы можно будет решать и задачи идентификации динамических процессов со значительными случайными компонентами. Естественно, что подобная технология из-за своей сложности сможет на первых этапах использоваться только в стационарных системах мониторинга, снижая вероятность принятия ошибочных решений о появлении дефектов прежде всего при смене режима работы объектов диагностирования.

Следует обратить внимание, что среди рассмотренных информационных технологий сознательно не упоминались те, в которых производятся многоканальные измерения вибрации или шума. Это объясняется тем, что такие виды измерений как корреляционные, когерентные и т.п. используются для анализа искажений при распространении вибрации или шума и позволяют эффективно решать задачи тестовой диагностики машин и оборудования. В функциональной диагностике, когда вместо простого тестового сигнала с известными параметрами используется сложный сигнал, формирующийся в узлах машины, эффективность этих методов может снижаться. Их можно применять в частных случаях при отсутствии источников возбуждения тестового сигнала вибрации или шума. Необходимость использования этих методов вместо тестовых может быть вызвана также массогабаритными ограничениями, когда оптимальные точки доступны для установки только небольших датчиков и недоступны для установки излучателей тестового сигнала с размерами, в несколько раз превышающими размеры датчиков.

2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И АНАЛИЗИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

Составной частью информационной технологии на базе любого из методов обработки сигналов являются соответствующие средства измерения, анализа и передачи информации. В развитии технических средств для диагностических информационных технологий можно выделить три основных этапа.

Первый относится к начальным шагам в диагностике и, прежде всего виброакустической, когда средствами оценки технического состояния машин по их шуму или вибрации были органы чувств человека. Органы слуха способны воспринимать и анализировать акустические сигналы в звуковой области частот. Вибрация механизмов в этой области частот всегда является источником звука, а на низких частотах человек воспринимает ее контактным путем. Избирательность анализа вибрации можно обеспечить существующими сотни лет стетоскопами (слухачами). Все эти возможности человека всегда определяли преимущественное развитие диагностики по сигналам вибрации и шума до последних нескольких десятилетий.