Применения вибрационного анализа

Применения вибрационного анализа

Вибрационный анализ не ограничивается контролем. Это технология с успехом применяется для диагностики. Вибрационный мониторинг и анализ является, прежде всего, инструментами диагностики большинства механических систем, производящих то или иное действие. При эффективном использовании данные по вибрации позволяют поддерживать оптимальные условия работы и эффективность оборудования. Вибрационный анализ может служить для оценки потоков жидкости в трубах и сосудах, чтобы выявить протечки и чтобы выполнять различные функции неразрушающего контроля, который позволяет улучшить надежность и качество различных систем.

Применения вибрационного анализа 43 / 929

Некоторые из применений, которые обсуждаются кратко в разделе, это эксплуатационный контроль, входной контроль, контроль качества, выявление чужеродных включений, контроль шума, выявление утечек, анализ авиационных двигателей, расчет машин и инженерное дело. В табл. 43.1 перечисляются устройства, содержащие вращающиеся элементы (типа центрифуг) и не содержащие этих элементов, рычажные машины и технологические линии, доступные для контроля с помощью вибрационного анализа.

Представление данных по вибрации

Ключом к анализу формы вибрационных колебаний для эксплуатационного контроля, диагностики и других применений является возможность разделить допустимую и недопустимую вибрацию. Многие вибрации являются правильными или нормальными для вращающихся и движущихся элементов механизмов например, нормальные вращения валов и роторов в подшипниках, в зубчатых передачах другие. Однако с механизмами, генерирующими ненормальные вибрации, возникают особые проблемы. Это могут быть слабо закручены г болты, прогнувшиеся валы, изношенные подшипники, утечки и зарождающаяся усталость металла.

Эксплуатационный контроль на основе анализа формы вибрации базируется на следующих принципах, из которых формируют методики для установления основных причин вида неполадок:

1.Все общие проблемы механизмов и разновидности неполадок могут быть отнесет» к четким частотным вибрационным компонентам, которые могут быть выделены идентифицированы;

2.Частотное представление вибрационных колебаний есть основа анализа данных, так как оно заключает в себе дискретные максимумы, каждый из которых представляет определенный источник вибрации;

3.Каждая частотная компонента в вибрационном портрете машины является отражением сил, действующих в системе;

4.Когда вибрационные портреты механизма сравниваются время от времени, они одинаковы, пока какое-то событие их не изменит (то есть амплитуда каждой четкой вибрационной компоненты остается постоянной до тех пор, пока не наступят изменения в рабочей динамике механизма).

Хотя изменение амплитуды может свидетельствовать о неполадках в машине, это не всегда так. Штатные изменения нагрузки и тому подобные следствия процесса эксплуатации отражаются на величине амплитуды одной или нескольких частотных компонент вибрационной картины. Заметим, однако, что снижение амплитуды вовсе не означает улучшение состояния механизма. Важно поэтому находить источник всех амплитудных изменений.

Представления о вибрационном анализе

Теория вибрации и анализ формы вибрационных колебаний являются слишком сложными предметами и представлены во многих учебниках. Цель этого раздела - вооружится достаточной теорией, позволяющей понять, что такое форма вибрационных колебаний и их анализ, перед тем как начать более* глубокие обсуждения в следующих разделах этой главы.

Теоретические формы вибрационных кривых

Вибрация является периодическим движением, или движением, которое повторяет себя через определенный временной интервал. Этот временной интервал носит название период колебаний Т. На рис. 43.1 показан пример вибрационной кривой с периодом Т и максимальным отклонением, или амплитудой Хд. Обратная величина периода 1/Т называется частотой •' вибрации, которая может быть выражена в единицах циклов в секунду или герц (Гц). Гармоническая функция является простейшей формой периодического движения. Ее примером, оказанным на рис. 43.2 являются колебания обычного маятника. Они могут быть выражены ••равнением:

X = X0sincot,

где Х-вибрационное смещение; I Х0 - максимальное смещение или амплитуда;

а - круговая частота (радианы в секунду);

I - время (секунды).

Форма колебаний при вибрации временным представлением. Простые примеры показаны на рис. 43.1 и 43.2. Пример сложного колебания для фрагмента производственного процесса в том же представлении показан на рис. 43.3.

Временное представление, как правило, адекватно при линейных и возвратнопоступательных движениях механизмов. Его обычно достаточно для анализа рычажных механизмов, чтобы понять изменения в их состоянии. Однако данные во временном представлении затруднительно использовать, поскольку все данные в таком представлении являются результатом сложения вкладов нескольких источников в общее смещение в каждый момент времени и трудно увидеть вклад каждого из них.

Французский физик и математик Жан Фурье определил, что данные в виде негармонических функций, таких как вибрации во временном представлении, являются математической суммой простых гармонических функций. Штриховые кривые на рис. 43.4 как раз и представляют гармонические компоненты общей, или суммарной, кривой, представленной сплошной линией.

Представление данных во временной области, которое традиционно считается эксплуатационным показателем для машин, просто сравнивают с прошлыми данными, снятыми при точно такой же скорости и нагрузке. Однако это непрактично из-за того, что производственный процесс все время меняется, в том числе меняется и скорость, что заметно влияет на форму вибраций и делает такое сравнение невозможным.

Частотное представление

С практической точки зрения вибрация в виде простых гармонических функций связана с круговыми частотами вращающихся и движущихся элементов механизмов. Частоты кратны основной скорости вращения или периодических перемещений элементов и выражаются в оборотах в минуту или циклах в минуту.

Частотное представление данных получают из их временного представления с помощью так называемого быстрого преобразования Фурье (БПФ). БПФ позволяет представлять каждую вибрационную компоненту в общем спектре колебаний механизма как отдельный частотный максимум. Значение амплитуд максимумов из-меряются в единицах скорости смещения и откладываются на оси Y для определенных частот по оси X, в отличии от временного представления как суммы скоростей всех частотных составляющих по оси Y в зависимости от времени по оси X. Пример частотного представления вибрации представлен на рис. 43.5.

Данные в частотном представлении необходимы для оборудования с вращающимися элементами и с более чем одной скоростью вращения. Если по оси X спектра откладывать частоту, нормализованную к скорости вращения, то изменение скорости не будет влиять на положение вибрационной компоненты, хотя ее амплитуда может быть разной.

Негармоническое движение

Во многих механизмах имеется несколько источников вибраций, поэтому в большинстве своем форма вибрационного колебания не являются гармонической (представлена сплошной линией на рис. 43.10). В то время как все гармонические движения периодические, не каждое периодическое движение является гармоническим. На рис. 43.10 штриховыми линиями представлены гармонические движения.

На рис. 43.10 совместно представлены две синусоидальные волны с разными частотами. Эти кривые описываются уравнениями:

Xl = a smfmfi,

X2 = bsm(co2t).

Общая вибрация, представленная сплошной линией, является суммой штриховых линий. Она описывается уравнением:

Х=Х1+Х=а sin (cofi+b sin (w2t).

Любая периодическая функция может быть представлена в виде суммы функций, имеющих частоты со, 2со, 3со и т.д.

fit) =Ag+A] sin(co/ + ф])+^8т(2юг + ф2) +

+Л58ш(3<йГ + ф3) +...

Это уравнение известно как ряд Фурье для функции от времени f(t). Амплитуды (A r А} и т.д.) различных дискретных вибраций и их 

Пример более сложной по форме вибрационной кривой представлен на рис. 43.8 вместе с гармоническими компонентами, из которых состоит кривая.

Для вращающихся устройств частота может быть выражена в циклах за минуту.

По определению скорость - первая производная по времени от смещения. Поскольку для периодического движения смещение выражается уравнением X = Х0 sinatf, первая производная дает нам уравнение для скорости:

v = 4^ =Х= (йХпcos со/. at

Это соотношение показывает, что если смещение является гармонической функцией, то скорость - тоже гармоническая функция, и ее максимальное значение, или амплитуда равна

По определению ускорение является второй производной от смещения (или первой производной от скорости) от времени:

а = =х= -cousin со/. д? 0

Эта функция также является гармонической с амплитудой ш2Х0.

Рассмотрим две функции, выраженные уравнениями Xt = A s'm(cot) и Х2 = В sinffuf+ф,), которые показаны на рис. 43.9, где по оси X откладывается cot. Величина ф в уравнении для X, - фазовый угол между двумя вибрациями. Из-за ф две вибрации не достигают своих максимальных значений в одно и то же время. Одна отстает от другой на ф/со секунд. Заметим, что эти два движения имеют одинаковую частоту со. Фазовый угол имеет смысл только тогда, когда два движения имеют одинаковую частоту.

Негармоническое движение

Во многих механизмах имеется несколько источников вибраций, поэтому в большинстве своем форма вибрационного колебания не являются гармонической (представлена сплошной линией на рис. 43.10). В то время как все гармонические движения периодические, не каждое периодическое движение является гармоническим. На рис. 43.10 штриховыми линиями представлены гармонические движения.

На рис. 43.10 совместно представлены две синусоидальные волны с разными частотами. Эти кривые описываются уравнениями:

Xl = a smfmfi,

X2 = bsm(co2t).

Общая вибрация, представленная сплошной линией, является суммой штриховых линий. Она описывается уравнением:

Х=Х1+Х=а sin (cofi+b sin (w2t).

Любая периодическая функция может быть представлена в виде суммы функций, имеющих частоты со, 2со, 3со и т.д.

fit) =Ag+A] sin(co/ + ф])+^8т(2юг + ф2) +

+Л58ш(3<йГ + ф3) +...

Рис. 43.9. Два гармонических движений с фазовым углом между ними

Это уравнение известно как ряд Фурье для функции от времени f(t). Амплитуды (A r А} и т.д.) различных дискретных вибраций и их 

Разновидности измерений

В вибрационном анализе используются, по крайней мере, три разновидности измерений амплитуд: в широкой, узкой полосе частот и на отдельных частотах.

Широкополосные измерения

При амплитудных измерениях полная энергия всех частотных компонент, генерируемых машиной, отражается в широкой или всей 

Эксплуатационный контроль

Тот факт, что колебания имеют место во всех устройствах с элементами вращения, позволяют использовать технологию, основанную на анализе вибраций, для эксплуатационного контроля. Вибрационный анализ является одной из нескольких технологий эксплуатационного контроля, наблюдения и анализа наиболее важных машин, оборудования и систем на производстве. Однако, как уже было замечено, именно техно-логия вибрационного анализа для наблюдения устройств, содержащих вращающиеся элементы, является наиболее важной при выявлении проблем в зародыше и предотвращения аварий, по сравнению с иными программами эксплуатационного управления.

Входной контроль

Вибрационный анализ является испытательным средством проверки достоверности характеристик, заложенных в параметры новых устройств, процессов и производственного оборудования. Предварительные испытания, выполненные на заводе сразу после монтажа, могут стать гарантией того, что новое оборудование достаточно эффективно и затраты на него оправданы. Конструктивные недочеты, также как и возможные повреждения при погрузке или монтаже, могут быть исправлены до того, как произойдет значительная авария с неожиданными расходами.

Контроль качества

Лин™ Вдбрщшййй проверки продукции является эффективным методом обеспечения ее качества, зависящего от обрабатывающих инструментов. Например в результате такой проверки можно получить опережающее предупреждение, что чистота обработки поверхности близка к отклонению от нормы. На линиях непрерывных процессов, таких как производство бумаги, линии чистовой обработки стали или прокатные станы, вибрационный анализ может выявить ненормальные колебания компонентов, что в результате может привести к потере качества продукции.

Выявления посторонних включений

43 / 930 Основы вибрационного анализа

Вибрационный анализ полезен как диагностический инструмент для обнаружения чужеродных включений на технологических линиях или в рабочая средах. Он применяется, и с большим успехом, в атомной энергетике и в других отраслях промышленности.

Контроль шума

Федеральные, государственные и местные нормы обращают серьезное внимание на уровни шума внутри производственных помещений. Вибрационный анализ может помочь при изоляции источника шума, исходящего от промышленного оборудования, также как и источников фоновых шумов, таких как флуоресцентные лампы и другие, менее заметные источники. Эффективность изоляции того или иного источника шума зависит от стоимости работ.

Выявление утечек

Течи в сосудах и устройствах, таких как клапаны, являются серьезной проблемой в большинстве производств. Определенные разновидности вибрационного контроля и анализа помогут в выявлении утечек и их ликвидации. В системе определения течи снаружи к рабочей трубе прикрепляется акселерометр, который позволяет определять параметры вибрации для того, чтобы выявить ту особую частоту, которую генерирует поток или утечка.

Источники вибрации

Все механизмы с движущимися частями в процессе нормальной работы порождают силы. Когда состояние механизмов меняется вследствие износа, изменения условий эксплуатации, нагрузки и т.д., то же происходит и с силами. Понимание динамики механизма и того, какие силы вызывают соответствующие частотные компоненты колебаний, является ключом к пониманию источников вибрации.

Вибрации происходят совсем не случайно, имеются физические причины, так называемые вынуждающие воздействия, и каждая компонента вибрационного портрета вызывается только ей присущим вынуждающим воздействием. Компоненты, которые создают портрет, представляют собой дискретные максимумы в БПФ, или кривой частотного представления.

Форма вибрационных колебаний является результатом разбалансировки сил. Уточним, что баланс в движущийся системе имеет место, когда, несмотря на все силы, генерируемые ею и воздействующие на нее, система находится в состоянии равновесия. В реальных условиях, однако, всегда имеется некоторый уровень раз-балансировки, и все машины вибрируют в не-которой степени. В этом разделе обсуждаются распространенные источники вибраций вращающихся механизмов, а также механизмов, совершающих возвратно-поступательные и/или линейные движения.

Вращающиеся механизмы

Вращающиеся механизмы имеют один или более элементов, которые вращаются на валу, такие как подшипники качения, крыльчатки и другие роторы. В отлично сбалансированной машине все роторы вращаются точно вокруг осевой линии и все силы уравновешены. Однако в промышленных механизмах обычно имеет место разбалансировка. В дополнение к ней, вибрация может быть вызвана нестабильностью среды, протекающей через вращающийся механизм.

Разбалансировка ротора

Механическая разбалансировка - не единственная форма потери равновесия сил, которые воздействуют на вращающиеся элементы колебания, или колебания, повторяющиеся через определенный интервал времени, называемый периодом Т. Рис. 43.6 иллюстрирует форму кривой периодического движения во времени опоры подшипника паровой турбины. Величина смещения откладывается по вертикали, или оси Y, а время - по горизонтали, или оси Х. Кривая, показанная на рис. 43.6, является суммой всех вибрационных компонент, генерируемых вращающимся элементом и структурой опоры подшипника турбин.

Гармоническое движение

Простейший вид периодического движекг* или вибрации, показанной на рис. 43.7, назьаа- ется гармоническим. Гармонические движения повторяются каждый раз, когда вращающийся элемент совершает один полный цикл.

Зависимость между смещением и времена* для гармонического движения может быть выражена как:

X = X0sm cot.

 

 

2к

 

Рис. 43.6. Типичное периодическое движение

 

 

43.8. Пример вибрационной кривой

 

Максимальная величина смещения Хд называгаа амплитудой. Период Т обычно измеряется ■ sr>njax, а его обратная величина - частота ■л -пин/, измеряется в циклах за секунду, или

Другое представление частоты - круговая частота со, измеряемая в радианах в секунду: со=2nf.

Из рис. 43.6 видно, что полный цикл вибраций завершается за 360°, или 2л радиан (то есть за один полный оборот). От этой точки функция начинает новый цикл.

Применения вибрационного анализа

Вибрационный анализ не ограничивается контролем. Это технология с успехом применяется для диагностики. Вибрационный мониторинг и анализ является, прежде всего, инструментами диагностики большинства механических систем, производящих то или иное действие. При эффективном использовании данные по вибрации позволяют поддерживать оптимальные условия работы и эффективность оборудования. Вибрационный анализ может служить для оценки потоков жидкости в трубах и сосудах, чтобы выявить протечки и чтобы выполнять различные функции неразрушающего контроля, который позволяет улучшить надежность и качество различных систем.