Современное состояние виброакустической диагностики машин (стр. 3 из 8)

Следующий этап определяется моментом создания виброакустических приборов для измерения вибрации и шума выше звукового диапазона частот и спектрального анализа виброакустических сигналов. Именно с появлением этих приборов в сороковые-пятидесятые годы нашего столетия начались интенсивные исследования по поиску методов анализа сигналов, специализированных для решения диагностических задач. Качественный шаг в диагностике машин, сделанный в шестидесятые-семидесятые годы, заключался не только в разработке метода ударных импульсов и метода огибающей, позволивших решать ряд диагностических задач по однократным измерениям вибрации или шума, но и в развитии методов диагностирования на основе узкополосного спектрального анализа сигналов. В эти же годы были проведены многочисленные исследования по изучению влияния различных видов дефектов на функционирование машин и на диагностические сигналы. Результаты этих исследований показали, что наибольшей диагностической информацией обладает сигнал вибрации, а многие другие виды сигналов практически дублируют ту или иную информацию, содержащуюся в сигнале вибрации. Кроме того, стало очевидным, что дефекты начинают развиваться задолго до возникновения аварийных ситуаций, а во многих типах узлов еще в первой половине их жизненного цикла. И практически сразу же дефекты начинают влиять на возбуждаемые этими узлами вибрацию и шум. Основной проблемой при обнаружении вызываемых ими изменений в сигнале вибрации является разделение их с теми изменениями, которые происходят из-за флуктуаций нагрузки, частоты вращения, температуры узлов и других параметров машины и внешних условий. Эта проблема становится одной из первостепенных при решении задач диагностирования машин и оборудования.

Третий этап в создании технических средств диагностики стал следствием бурного развития компьютерных техники и технологий. Именно в это время появились цифровые анализаторы спектра, позволяющие вести параллельно фильтрацию нескольких сотен частотных составляющих сигнала. И именно тогда появилась возможность замены специалиста по диагностированию различных видов машин сначала экспертными программами, а позднее и программами автоматического диагностирования и прогнозирования технического состояния машин и их отдельных узлов. Появление мощных персональных компьютеров дало также импульс для разработки новых информационных технологий на базе статистических методов распознавания образов, которые частично уже используются в задачах виброакустической диагностики машин.

В основе всех средств измерения и анализа сигналов вибрации и шума лежат три типа устройств, выполняющих разные операции. Первый - датчик вибрации или микрофон, преобразующий колебания в электрический сигнал. Второй - фильтр, выделяющий компоненты сигнала в необходимой области частот. Третий - детектор, служащий для оценки амплитуды (мощности) выделенных компонент. Далеко не всегда фильтр подключается к выходу датчика и выполняется в виде электронного устройства. Он может быть акустическим, как, например, резонатор или механическим, как, например, упругая прокладка, и устанавливаться перед датчиком. Различные приборы содержат разные комбинации этих трех типов устройств, в зависимости от того, с какой информационной технологией они используются. Так, ниже показаны структуры основных видов приборов для контроля и диагностики машин и оборудования по вибрации или шуму.

Рис. 6а. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6б. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6в. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение.

Рис. 6г. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

Рис. 6д. Структура основных видов приборов для измерения и анализа сигналов вибрации и шума. СКЗ - среднеквадратичное значение

Простейшими являются измеритель общего уровня вибрации (шума) и прибор для измерения пикфактора сигнала вибрации, т.е. регистратор ударных импульсов. Структура этих приборов показана на рис.6а и рис.6б соответственно. В измерителе общего уровня фильтр может отсутствовать, если нет специальных требований к полосе частот измеряемого сигнала. В измерителе пикфактора для простоты реализации обычно используется механический резонатор в виде металлического стержня с резонансом на частотах выше 25 кГц. Столь высокая частота резонанса, с одной стороны, снижает габариты резонатора, а с другой стороны, позволяет получить более высокую величину пикфактора за счет того, что на высоких частотах стабильная во времени вибрация, являющаяся помехой и возбуждаемая силами трения в контролируемых узлах машины, минимальна.

Рассмотренные простейшие приборы были доступны по цене на всех этапах развития средств измерения, поэтому долгое время именно на них ориентировалась практическая диагностика. В настоящее время быстрое развитие вычислительной техники и снижение на нее цен позволяет в полной мере использовать на практике все, даже наиболее сложные, информационные технологии. Цифровые анализаторы сигналов в настоящее время по стоимости сравниваются с простейшими аналоговыми приборами, вытесняя их при решении диагностических задач.

Из наиболее часто используемых средств измерений, реализуемых на базе вычислительной техники, можно выделить анализаторы формы, спектральные анализаторы и анализаторы спектра огибающей, структура которых также приведена на рис.6. Функции анализатора формы (рис.6в) заключаются в измерении амплитуд и фаз отдельных составляющих сигнала и в сравнительном анализе формы отдельных участков сигнала, начало и конец которых определяется углом поворота вала. Подобные анализаторы широко используются для диагностики машин возвратно-поступательного типа и роторов в процессе их балансировки. Анализатор спектра (рис 6г) обычно применяется при мониторизации всех типов машин и оборудования. Анализатор спектра огибающей (рис 6д) предназначен для исследования случайных процессов, мощность которых периодически изменяется во времени.

Наиболее доступным средством измерения и анализа сигналов в настоящее время можно считать персональный компьютер с устройствами преобразования сигналов вибрации и шума в цифровую форму и ввода их в оперативную память компьютера.

Рис.7.Сруктура входного устройства. AЦП - аналого - цифровой преобразователь.

Такое средство измерения позволяет использовать любую из рассмотренных информационных технологий или их комбинации. В качестве перечисленных устройств с небольшой доработкой можно применять профессиональные звуковые платы. Могут быть использованы также выпускаемые рядом фирм специальные входные устройства, структура которых приведена на рис.7, и соответствующее программное обеспечение к ним.

Подобные средства измерения и анализа сигналов не отличаются малыми габаритами и могут использоваться в лабораторных или стендовых условиях. Для измерения вибрации в полевых условиях можно воспользоваться средствами измерения и анализа, построенными по тем же правилам, но уже на базе переносных компьютеров типа Portable, Notebook или Penbook. В первые устанавливаются те же платы, что и в обычные компьютеры. Ряд модификаций второго и третьего типа компьютеров имеет дополнительные входы по стандарту РС-Сard. В этом же стандарте выпускаются звуковые карты или карты с устройствами ввода аналоговых сигналов. Тогда для их измерения и анализа достаточно иметь эту карту и входное устройство, включающее датчик вибрации (шума), источник для его питания и устройство согласования датчика с входной картой. Такие устройства также выпускаются рядом зарубежных фирм

Переносные устройства на базе персональных компьютеров типа Notebook и Penbook не находят широкого применения, так как для полевых условий обычно требуется компьютер промышленного исполнения, по цене сравнимый со специализированными цифровыми анализаторами сигналов. Именно такие анализаторы выпускаются многими фирмами и наиболее широко используются в практической диагностике.

Цифровые анализаторы производятся под определенную группу близких по принципу обработки сигналов технологий, и лишь немногие из них рассчитаны на использование всех известных технологий. Как правило, во всех видах анализаторов предусмотрен узкополосный спектральный анализ сигналов и очень редко - спектральный анализ огибающей полосового сигнала, необходимый для использования информационной технологии по методу огибающей. Причина состоит в том, что для такого вида анализа при ограниченных объемах памяти в анализаторе приходится вместо одного процессора, как это имеет место в персональном компьютере, иметь два параллельно работающих процессора. Один из них, сигнальный, служит для предварительной обработки высокочастотных сигналов в реальном времени. Подобный анализатор достаточно сложен и выпускается лишь некоторыми приборостроительными фирмами, в том числе тремя предприятиями России. Один из подобных анализаторов, выпускаемых А/О “Виброакустические системы и технологии”, показан на рис.1.