Диагностика колесно-моторного блока локомотивов КР

 

Рис.2.2. Случайный сигнал вибрации

 

Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал) 
( рис.2.3.а или рис.2.3. б), или многократных (рис 2.5)

 

 

Рис.2.3. Временные сигналы вибрации и их спектры

Если сигнал представляет собой комбинацию (рис.4в) двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид (рис.2.3. в, справа), где явно видно наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.

 

Временная развертка  сигнала вибрации	Спектр

Рис.2.4. Сложный периодический сигнал вибрации и его спектр

 

Поскольку периодические  составляющие отображают спектром, случайные тоже следует так же отображать, но спектр - сплошной (рис.2.5).

 

 

Рис.2.5. Спектр случайных  составляющих вибрации

 

Спектр удобен тем, что  он делит вибрацию на компоненты с  разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.

Типовой спектр (см. рис.2.6) характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше и они практически отсутствуют в области высоких частот.

 

 

Рис.2.6. Типовой спектр сигнала вибрации

 

Для диагностики машин  и оборудования при выборе частотной  области вибрации следует учитывать свойства вибрации разной частоты.

Так, в области инфранизких  частот вибрация может возбуждаться даже не самой контролируемой машиной, а, например, работающими рядом другими машинами и, в том числе, проходящим на сравнительно большом расстоянии транспортом.

Особенность вибрации на низких частотах состоит в том, что  она слабо затухает в пространстве, а следовательно, в точку установки датчика доходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, от сопряженных с ней других машин и от соседнего оборудования. Поэтому при анализе вибрации на низких частотах возникает проблема локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как единое целое, поэтому нужны большие силы и большие дефекты, чтобы раскачать всю машину.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, в основном, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил. Как следствие - искажения информации о дефектах - источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но для возбуждения вибрации достаточно даже малых сил .

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только по однородной среде (металл без болтов, сварных швов). До оптимальной точки ее измерения, если это не сосуд или трубопровод, часто трудно или невозможно добраться.

В подшипниках и качения, и скольжения действуют две главные  силы - кинематические и силы трения. В дефектных подшипниках качения иногда появляется и третий вид сил - ударного типа. Вибрация, создаваемая подшипником качения, кроме частоты вращения характеризуется следующими основными частотами:

частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу (наличие этой составляющей вибрации определяется тем, что тела качения - это не лучшая дорога, по которой катится вал ротора, т.е. вал "подпрыгивает" на каждом теле качения (2.1):

.  

где - частота вращения ротора, - диаметр сепаратора, т.е. диаметр окружности, проходящей через центры тел качения; здесь - наружный диаметр подшипника; - внутренний диаметр подшипника; - диаметр тела качения; - угол контакта тел качения с дорожками качения; - число тел качения.

частотой перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (эта составляющая вибрации появляется, если вал, внутреннее кольцо подшипника) не идеально круглый, а, например, имеет локальный износ. Тогда вал "проваливается" на каждом теле качения, когда последнее попадает в зону износа:

 

всегда  .

частотой вращения сепаратора (эта составляющая вибрации появляется, если одно из тел качения имеет меньший или больший) диаметр. Тогда вал "проваливается" или "подпрыгивает", когда это тело

оказывается под ним)

 

 

 

 Если тело качения не круглое, а имеет гранность, то с частотой его вращения вал либо "подпрыгивает", либо "проваливается".

 

               

В вибрации проявляются  обычно четные гармоники этой частоты.

Если подшипник новый, и все поверхности качения "круглые", то можно ожидать только вибрацию на частотах кf_н (неровная "дорога"). Если есть дефекты, и достаточно большие, то вал будет "подпрыгивать" с частотами, связанными со всеми имеющимися дефектами. Если это "подпрыгивание" сильное, то он может продавить смазку, и возникнут "сухие" удары, которые возбуждают высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется".

В подшипнике действуют  еще и силы трения. Они возбуждают высокочастотную вибрацию, и при дефектах, сопровождающих даже частичное "продавливание" смазки, величина сил трения и мощность вибрации будет меняться. Для обнаружения дефектов по этому признаку необходимо измерять спектр огибающей высокочастотной вибрации подшипника.

Суть метода огибающей  состоит в следующем. Силы трения, возбуждающие высокочастотную случайную вибрацию, стационарны только при отсутствии дефектов. В бездефектных узлах трения стационарна и случайная высокочастотная вибрация. Ее мощность постоянна во времени. При появлении дефектов, приводящих даже к частичному "продавливанию" смазки, изменяются периодически во времени силы трения или возникают удары, возбуждающие высокочастотную вибрацию. Так же удары могут появиться, если смазка не очень хорошая и ее слой легко "рвется".

 

 

Рис.2.7. Высокочастотный случайный  амплитудно-модулированный сигнал

 

Таким образом, при наличии  дефектов величина сил трения и мощность вибрации изменяется во времени, т.е. появляется модуляция мощности высокочастотной вибрации (рис 2.7.).

Глубину модуляции m случайного амплитудно-модулированного сигнала вибрации x(t) можно определить в процентах, используя среднее значение огибающей ,

 

 

,               

где , - максимальное и минимальное значение огибающей сигнала, соответственно.

При изменении вида дефекта  частота модуляции изменяется. Чем больше степень развития дефекта, тем больше становится глубина модуляции. Следовательно, частота модуляции определяет вид дефекта, а глубина модуляции - степень его развития. В качестве примера на рис.2.8. (слева) приведены временные сигналы вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в). Таким образом, наиболее полная информация содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Спектры огибающей вибрации подшипника исправного а), с износом б) и с раковиной на поверхности трения в) представлены на правой стороне рисунка 2.8.

 

Временные сигналы  высокочастотной вибрации	Спектры огибающей  высокочастотной вибрации

Рис.2.8. Временные сигналы высокочастотной вибрации подшипника качения и спектры ее огибающей  
а) исправный подшипник, б) подшипник с износом поверхности трения,  
в) подшипник с раковиной на поверхности качения

 

Как видно из рисунка, в спектре огибающей случайной  вибрации бездефектного подшипника отсутствуют гармонические составляющие. В спектре огибающей вибрации подшипника с износом видна одна сильная гармоническая составляющая, указывающая на плавное и периодическое изменение мощности сигнала вибрации. В подшипнике с ударными импульсами мощность высокочастотной вибрации изменяется скачками и в спектре ее огибающей присутствует уже ряд кратных по частоте гармонических составляющих.

В спектре огибающей  высокочастотной вибрации можно наблюдать за развитием одновременно всех имеющихся дефектов по величинам превышения гармонических составляющих на определенных частотах над фоном. Таким образом, появляется возможность определения парциальных глубин модуляции, т.е. глубин модуляции для каждого из имеющихся дефектов. Это позволяет определять степень развития всех дефектов и идентифицировать их вид. Следовательно, имеется возможность прогнозировать состояние диагностируемого узла, т.к. каждый вид дефекта имеет свою скорость развития.

Глубина модуляции m связана с разностью уровней гармонической и случайной составляющей спектра огибающей выражением:

 

 

,            (2.6.)

 

где: f_A - ширина полосы спектра огибающей;  
f_ф - ширина полосы фильтра, выделяющего высокочастотную вибрацию.

На результаты диагностики подшипников качения по спектру огибающей вибрации сильное влияние оказывает качество смазки. Так, например, из-за плохой смазки могут происходить разрывы масляной пленки, которые по своим признакам похожи на признаки раковин на дорожках или телах качения. Поэтому в тех случаях, когда диагностика подшипников производится по однократному измерению, целесообразно контролировать и спектр вибрации подшипникового узла с использованием эталона по группе одинаковых машин. В этом случае по совокупности результатов измерений спектра вибрации и спектра огибающей удается простыми методами исключить возможные ошибки в идентификации дефектов при однократных измерениях вибрации любого подшипника качения на любом этапе его жизненного цикла.

2.1.2.  Стратегия мониторинга и вибродиагностики.

 

     Технические  средства и программное обеспечения  для мониторинга и диагностики, разработанные  АО ВАСТ, рассчитаны на решение  основных задач мониторинга, глубокой диагностики и прогноза состояния узлов вращающегося оборудования.

Рассматриваемая система мониторинга  и диагностики позволяет проводить  три разных вида мониторинга. Первым является вибрационный мониторинг машин (оборудования) в целом. Это традиционный вид мониторинга с измерением преимущественно низкочастотной и среднечастотной (до 1-2 кГц) вибрации в точках машин, выбранных пользователем в соответствии  с действующими  на предприятии нормами  на вибрацию оборудования и с учетом собственного оборудования.  Второй вид мониторинга – это вибрационный мониторинг аварийно опасных узлов, выполняемых по правилам, отработанным создателями настоящей системы. В нем значительное внимание уделяется анализу высокочастотной вибрации, для возбуждения которой не требуется значительных колебательных сил, и которая изменяется на ранней стадии развития дефектов. Третий вид мониторинга – это технический мониторинг, представляющий собой наблюдение за развитием имеющихся дефектов, состоянием узлов оборудования и прогноз их остаточного ресурса.

Вибрационный мониторинг машин или их узлов основан на сравнении данных измерений вибрации исследуемой машины (узла) с результатами периодических измерений вибрации той же машины (узла) или совокупности измерений вибрации группы однотипных машин (узлов), и предназначен для обнаружения изменений вибрационного состояния.

Составной частью вибрационного  мониторинга является сравнение результатов измерений спектров вибрации с пороговыми значениями, устанавливаемые либо пользователем, либо автоматически, по данным предшествующих или групповых измерений, с возможностью последующей корректировки.

Мониторинг технического состояния по результатам диагностики выполняется программой DREAM DOS для таких узлов роторных машин, как ротор с подшипниками качения или скольжения, зубчатые передачи и так далее.

Периодичность измерений при вибрационном мониторинге и диагностике задается пользователем, который вводит в программу величину временного интервала между измерениями для бездефектной машины или оборудования. При обнаружении отклонений параметров вибрации от эталонных значений интервал между значениями для дефектной машины или оборудования. При обнаружении отклонений параметров вибрации от эталонных значений интервал между измерениями автоматически сокращается. Эталонные значения параметров вибрации автоматически определяются либо по первым трем измерениям вибрации в каждой точке, либо  по пяти измерениям вибрации идентичных узлов, а после каждого из последующих измерений автоматически адаптируются.