Техническа диагностика

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2010

Техническа диагностикаТехническа диагностикаТехническа диагностика

Част II. Вибродиагностиката - мощно оръжие за анализ на състоянието на машини

   В  априлския брой на сп. Инженеринг ревю от тази година бяха разгледани основните задачи на техническата диагностика на машините. В настоящия брой на списанието продължаваме темата с описание на един от най-разпространените и достъпни методи на техническа диагностика - вибродиагностиката. Чрез нея се определя състоянието на техническите системи, като се изследват и анализират вибрациите на техните елементи.
През последните десетилетия са разработени и апробирани редица съвременни методи за обработка и анализ на данните, за организация на контрола и мониторинга на техническото състояние на енергомеханичните системи, за представяне и предаване на информацията и т.н. Те са основа на стандартизацията в тази област. От Технически комитет ISO/ТС 108 “Механична вибрация и удар” са разработени редица международни стандарти, отнасящи се до методиката, технологията на измерване и контрола на състоянието на ротационните машини.

За стандарта ISO 17359:2003
Както бе изяснено, диагностиката на машините се извършва чрез регистрация и анализ на комплекс параметри, които най-пълно отразяват техническото състояние на конкретния тип машина. В най-общия случай това са температура, налягане и степен на сгъстяване, съпротивление, мощност, скорост, шум и вибрации, сила и напрежение на тока и др. Тъй  като повечето от тези параметри са взаимосвързани, необходимо е техният анализ също да се извършва съвместно. Общите изисквания за наблюдение и анализ на събраните данни, методите за контрол, критериите и границите на зоните на състоянието на системите и други важни фактори са описани в стандарта ISO 17359:2003 “Мониторинг на състоянието и диагностика на машините”. За девет от основните типове машини - електродвигатели, електрогенератори, парни, авиационни и промишлени газови турбини, помпи, компресори, вентилатори и двигатели с вътрешно горене, в ISO 13380:2002 “Мониторинг на състоянието и диагностика на машините” са отбелязани най-често срещаните типични повреди и техните симптоми. В таблица 1 е показана препоръчителна диагностична матрица за компресор. От нея се вижда, че 8 от 10 типови дефекти на компресора могат да бъдат открити чрез измерване на равнището на вибрациите.
Интегрален критерий на вибрациите
Практическият опит е показал, че за целта на техническата диагностика вибрационният метод осигурява сравнително най-голяма информация. Основен и същевременно относително елементарен начин за оценка на състоянието на машината представлява сравнението на нейното вибрационно поведение с нормите за интегралния критерий на вибрациите. Той се основава на допускането, че подобни по мощност, честота на въртене, начин и условия на монтаж и експлоатация агрегати, ще имат примерно еднакви допустими параметри на механичните трептения при достигане на пределно състояние.
Трептенията, които се генерират от машините и механизмите, условно могат да се разделят по диапазони: ниски честоти (от 1 до 200 - 300 Hz); средни честоти (от 200 - 300 до 1000 - 2000 Hz) и високи честоти - над 2000 Hz. Установено е, че умората на материалите се дължи главно на трептенията с ниски честоти. Освен това, те пренасят и най-голямата част от енергията и се разпространяват на големи разстояния поради слабото им поглъщане (демпфиране). Ето защо, тези трептения са най-опасни. Като вероятни причини за възникването им могат да се посочат: неуравновесените инерционни сили на маси с въртеливо движение; несъосността на предавките (заедно със съединителите) на отделните възли и агрегати; нарушаването на геометрията на лагерните възли; периодичните сили, дължащи се на работния процес, например при буталните машини (ДВГ, компресори).

Равнището на вибрациите се нормира
В националните и международните стандарти равнището на вибрациите се нормира както за неподвижните (невъртящите се) части, така и за въртящите се елементи (валове, ротори) на стационарните парни турбини и генератори, газотурбинните установки и различните промишлени машини. В тези документи, освен оценка на състоянието на машините според абсолютното значение на вибрациите (чрез характеризиращи зони на състоянието A, B, C, D - виж например таблица 2), се въвежда и допълнителен критерий, отчитащ и закона на тяхното изменение. Този критерий се основава на сравняване изменението на широкоспектърната вибрация с еталонно (опорно) значение за всеки възел на агрегата в установен режим на работа (базова линия), което се определя от опита при експлоатацията на конкретната машина. В повечето случаи се счита, че изменението на равнището на трептенията с повече или по-малко от 25% от горната граница на зона В, трябва да се счита за съществено (опасно), даже и когато още не е достигната границата на зона С по първия критерий. При това се провежда диагностично обследване с цел да се открият причините за такова изменение и да се предотврати възникването на опасни ситуации. При такъв подход, независимо от началното (изходното) равнище на вибрациите, настъпилите изменения ще бъдат отчетени и използвани за диагностициране на възникнали дефекти.

Вибрации при машини с ротационно движение
Машините с ротационно движение имат тела (ротори), които се въртят. Това са центробежни и осови компресори, парни, газови и водни турбини, вентилатори, центрофуги, електродвигатели, електрогенератори, вретена на металорежещи машини и др. Динамичните явления и вибрационното състояние при тези машини се моделират и изучават комплексно за системата "ротор-лагерни възли-корпус".
Възникването на трептения в описаната система се дължи на редица конструктивни, технологични, производствени и експлоатационни причини. Последните се дължат преди всичко на износване и повреди на лагерите, пукнатини в роторите, счупвания на лопатки, лошо центроване на валовете. В тези случаи най-често срещаните възбудители на трептенията са: неуравновесени инерционни сили, грешки в лагерните възли, неравномерна коравина на ротора, несъосност на валовете на машинни агрегати, вътрешно триене.
За буталните машини е характерно, че преобразуването на енергията се осъществява импулсно, а не на равномерен поток. Когато в агрегата едната машина е бутална, характерът на въртене на вала се определя изцяло от действащите сили, които се изменят неравномерно, а това предизвиква и неравномерност на въртенето. В този случай вибрационното диагностициране се прилага както за изследване на работния процес, така и по отношение на общата вибрация на усукващите трептения, както и на хлабините в кинематичните връзки (цилиндър-бутало, мотовилкови и основни лагери).

Нормиране на вибрации на бутални машини
Основните положения за нормиране на вибрациите на буталните машини са разгледани в ISO 7919. Оценката се прави на базата на средно квадратичното значение (СКЗ) на вибропреместването, виброскоростта и виброускорението в диапазона на честотите от 2 до 1000 Hz. При това се регламентира разположението на контролните точки за машини с вертикално, опозитно и V-образно разположение на цилиндрите.
В качеството на критерий се използва интензивността на вибрациите, която се определя от максималната стойност на измереното СКЗ на преместването, скоростта и ускорението.
В таблица 2 са показани границите на зоните на вибрационното състояние на машината:
А - Вибрация на нововъведена в експлоатация машина;
B - Машините с вибрации в тази зона се считат годни за продължителна непрекъсната експлоатация;
C - Машините с вибрации в тази зона обикновено се считат негодни за продължителна непрекъсната експлоатация и могат да работят в продължение на ограничен период;
D - Обикновено се счита, че значението на вибрациите в тази зона е достатъчно интензивно, за да предизвика повреда на машината.
Трябва да се отбележи, че най-пълни обобщени статистически данни има за промишлените и съдови дизелови установки, които се класифицират с номера 5, 6 и 7. За останалите типове машини, включително и за газовите бутални компресори, данните все още са недостатъчни.

Стандартизационната рамка в областта
С цел систематизиране на разработените и въведените стандарти по вибродиагностика, в документа ISO 10816-6:1995 Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 6: Reciprocating machines with power ratings above 100 kW са изложени общите изисквания за вибродиагностика на машинното оборудване. Обобщени са основните положения за избор на апаратурата, включително средствата за измерване (on- или off-line), усилвателите на сигналите, видовете преобразуватели (датчици), а също и изискванията за местата и начина на съединяването на датчиците с елементите на машината. В стандартите ISO 10816 Mechanical vibration. Evolution of machine vibration by measurements on non- rotating parts. Part 1-5 и ISO 7919  Mechanical vibration of non-reciprocating machines. Measurements on rotating shafts and evolution criteria. Part 1-5 са дадени основните препоръки за провеждане на измерванията на абсолютните и относително широкоспектърните вибрации. Като полезна допълнителна информация, изложена в стандарта  ISO 13373-1:2002 Condition monitoring and diagnostics of machines. Vibration condition monitoring. Part 1: General procedures, трябва да се отбележи описанието на особеностите на устройството и приложението, както и типовите работни характеристики на три основни типа преобразуватели: за ускорение (акселерометри), за скорост и за преместване. В графична форма са представени препоръки за техния избор в зависимост от параметрите на измерваните вибрации.
За измерване на вибрационни процеси в механични системи с честота по-голяма от 1rad/s, е целесъобразно да се измерва виброускорението, тъй като неговата амплитуда е най-голяма в сравнение с останалите кинематични параметри - скорост и преместване. Последните могат да се получат чрез интегриране на получените сигнали.

Провеждане на спектрално разложение
В съвременните стандарти по вибродиагностика се отбелязва, че методите за определяне на вибрациите в широк диапазон на честотите в редица случаи не са достатъчни за оценка на техническото състояние на машините. В тези документи е показана необходимостта от анализ на честотните компоненти на вибрациите, техните амплитудно-честотен и фазо-честотен спектри и използването на други методи за преобразуване и анализ на детерминирани и случайни вибросигнали, които са намерили широко приложение. Основните положения за провеждане на спектрално разложение (представянето на сигналите като съвкупност от синусоидални компоненти) и анализ са дадени в ISO 13373-1, където са систематизирани основните дефекти на машините и номера на хармониците на полихармоничната вибрация (1х, 2х и т. н.), при които те се проявяват. Характерни неизправности на машините и съответните честотни компоненти са показани в таблица 3. Степента на развитие на тези и други дефекти се определя чрез сравнение на текущите спектри с еталонни (опорни), измерени при нововъведена в експлоатация машина или след основен ремонт.
Методите за анализ на вибрациите за диагностика на машините са описани по-подробно в други нормативни документи: ISO 13373-2. (Condition monitoring and diagnostics of machines. Vibration condition monitoring. Part 1: Processing, presentation and analysis of vibration data) и ISO 15242-1 (Rolling bearings. Measuring methods for vibration. Part 1: Fundamentals).
Ефективност на систе-мата за диагностика
При използване на методите за вибродиагностика, особено внимание следва да се отдели на осигуряване на необходимото равнище на достоверност на резултатите от контрола и прогнозирането на изменението на състоянието на машината. В стандарта ISO 13379:2003 са описани различни фактори, отразяващи възможността за откриване на неизправностите, точността на диагностицирането и прогнозирането, правилността на използвания метод за контрол на състоянието и риска от повреда на машината от въздействието на дадената неизправност. Описаните основни положения за определяне на количествените характеристики на тези параметри с приложение на съвременната изчислителна техника позволяват да се определи и ефективността на системата за диагностика.
В заключение трябва да се отбележи, че изискванията, определени от съвременните международни стандарти, отчитат индивидуалните особености на машините по отношение на техните динамични и виброакустични свойства. С това се осигурява по-гъвкава система за техническа диагностика и обслужване с цел повишаване на безопасността при експлоатация и на ефективността на производството.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top