Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации — один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования.

Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие решения.

На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формулируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.

Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазона измеряемых колебаний.

В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры виброперемещения, в среднечастотном — виброскорости, а в высокочастотном — виброускорения.

Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или деформацию. Если исследуют эффективность вибрационных машин, а также воздействие вибраций на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кинетическую энергию. При оценке надежности объектов основным измеряемым параметром является виброускорение.

В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации в диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или средние квадратические значения. Основным преимуществом измерения, средних квадратических значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации.

При измерении параметров вибрации используют два метода измерения: кинематический и динамический.

Кинематический метод заключается в том, что измеряют координаты точек объекта относительно выбранной неподвижной системы координат. Измерительные преобразователи, основанные на этом методе измерения, называют преобразователями относительной вибрации.

Динамический метод основан на том, что параметры вибрации измеряют относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента, связанного с объектом через упругий подвес. Такие приборы называют преобразователями абсолютной вибрации, чаще сейсмическими системами.

Измерительные преобразователи вибрации основаны на различных физических принципах преобразования механических колебаний в электрический сигнал.

В бесконтактных измерителях реализуют кинематический метод измерения параметров относительной вибрации на основе использования оптических радиоволновых и др. электромагнитных полей. Наибольшее применение в бесконтактной вибродиагностике нашли оптические методы и средства измерения параметров вибрации, которые по способу выделения информации об измеряемом параметре делят на амплитудные и частотные. К амплитудным методам измерений относят фотоэлектронные, дифракционные и интерференционные методы измерения, а также методы с использованием пространственной модуляции светового потока.

Измерение параметров вибрации, основанное на измерении частоты излучения оптического квантового генератора, отраженного от объекта, проводят измерительными устройствами, действие которых основано на использовании эффекта Допплера.

Преобразователи значений вибрации в электрический сигнал делят на два класса: генераторные, преобразующие энергию механических колебаний в электрическую; параметрические, преобразующие механические колебания в изменение параметров электрических цепей, например, индуктивности, емкости, активного сопротивления, частоты или сдвига фаз и т.д.

Для вибродиагностики машин и механизмов используют в основном пьезоэлектрические и электродинамические преобразователи, относящиеся к генераторным, а также индуктивные, вихретоковые и емкостные, относящиеся к параметрическим.

Пьезоэлектрические преобразователи применяют для измерения параметров абсолютных колебаний невращающихся частей механизмов. Пьезоэлектрические преобразователи обладают высокими метрологическими свойствами, широким амплитудным и частотным диапазоном, высокой надежностью и сравнительно низкой стоимостью. Основными их недостатками являются высокое выходное сопротивление и низкая помехозащищенность. В меньшей степени эти недостатки свойственны пьезорезистивным преобразователям, относящимся к классу параметрических преобразователей.

Простейший пьезоэлектрический преобразователь можно представить в виде пластины, изготовленной из кварца или искусственной пьезокерамики. Для изготовления пьезокерамики применяют цирконат титанат свинца (ЦТС), титанат висмута (ТВ) и др. Пластину прикрепляют к воспринимающему внешние колебания основанию, на другой стороне пластины располагают груз массой m. Собственная частота сейсмической системы такого преобразователя


где с₁ — коэффициент упругости пьезоэлемента в направлении приложения силы инерции груза массой m.

В частотном диапазоне f_i « f₀ на выходе преобразователя образуется заряд q (t), пропорциональный воспринимаемому виброускорению а (t):


где d₁₁ и k — пьезомодуль и коэффициент преобразования соответственно.

Величина заряда q (t) преобразуется в электрическое напряжение или ток.

При выборе пьезоэлектрических преобразователей для конкретных испытаний необходимо учитывать их температурный, амплитудный и частотный диапазоны, коэффициенты преобразования, частоту установочного резонанса и т.д.

Электродинамические преобразователи применяют для измерения параметров вибрации в частотном диапазоне 1 Гц — 2 кГц.

Электродинамический преобразователь содержит магнитную систему, в зазоре которой расположена катушка с проводом. Обычно магнитная система закреплена на основании, а катушка жестко соединена с сейсмической массой.

При воздействии внешней вибрации e (t) и относительных колебаниях x (t) в катушке наводится ЭДС


где В, W, l_ср — магнитная индукция в зазоре, число витков и средний диаметр витка подвижной катушки соответственно.

Электродинамические преобразователи работают на частотах, значительно превышающих собственную частоту сейсмической системы, т.е. при у » 1.

ЭДС на выходе катушки пропорциональна виброскорости гармонических колебаний:

При работе электродинамических преобразователей в первом частотном диапазоне и у « 1 ЭДС на его выходе будет пропорциональна резкости, т.е.

К преимуществам электродинамических вибродатчиков следует отнести широкий амплитудный диапазон, низкое выходное сопротивление и возможность передачи сигналов по длинной линии связи.

Действие большинства параметрических преобразователей основано на изменении комплексных сопротивлений или проводимости электрических цепей.

Наибольшее распространение получили преобразователи индуктивные, трансформаторные, вихретоковые, магнитоупругие, механотронные и емкостные.

Выбор метода вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояний объекта.

Структурное состояние характеризуется свойствами конструкции — геометрией элементов и взаимосвязями между ними. Это состояние объекта характеризуется в основном периодическими колебательными процессами; в этом случае адекватным методом является метод следящего спектрального анализа.

По порядку гармоник вибрации можно идентифицировать ее источники; амплитуды этих гармоник характеризуют распределение энергии, связанное с состоянием объекта. При развитии дефекта энергия колебаний увеличивается.

В роторных и зубчатых механизмах структурное состояние характеризуется ударными процессами. В этом случае адекватным является метод конкретного накопления, при котором выделяют ударные импульсы от каждого зуба диагностируемой шестерни. Частота следования импульсов определяет источник (шестерню), различие уровней — причину (неисправный зуб), а абсолютное значение уровней импульсов — степень неисправности.

Вибрационное состояние определяется совокупностью вибрационных характеристик объекта и является следствием структурного и функционального состояний и динамических свойств объекта. Даже при нормальном структурном и функциональном состояниях вибрационное состояние может быть неудовлетворительным из-за резонансных эффектов и паразитных колебаний.

Перспективными являются методы, использующие динамические изменения в объекте, простейшие из которых — изменение знака, скорости и характера процессов. Эти признаки отражают развитие дефекта во времени, что позволяет делать прогноз будущего состояния и работоспособности объекта.

Алгоритм анализа корреляционно-спектральных характеристик вибросигнала включает в себя: дискретизацию вибросигнала, цифровую фильтрацию, вычисление информативных параметров и определение технического состояния объекта. Программа, моделирующая объект, позволяет имитировать сигналы как исправного, так и неисправного механизма.

Одним из эффективных инструментов исследований вибрационных процессов, является моделирование механической конструкции объекта. При построении моделей определяют основные связи между элементами объекта и присущие ему закономерности. Удобными для исследования являются математические и электромеханические модели.

Если спектр виброакустического сигнала модулирован одной или несколькими частотами, что характерно для объектов, содержащих зубчатые кинематические пары, то эффективно сжатие информации путем логарифмирования и осуществление преобразования Фурье от логарифмического спектра мощности, называемого кепстром. Такой метод позволяет выделить информацию о сигнале, из результата многократных отражений при нелинейных преобразованиях и модуляции. При этом вся энергия виброакустического сигнала, рассеяная по множеству гармоник в спектральном методе, локализуется в одной составляющей при кепстральном методе анализа сигнала.

Кепстральный метод используют для формирования диагностических признаков только в тех случаях, когда колебательный процесс имеет периодически модулированный спектр, что наблюдается при явлениях нелинейного взаимодействия узлов и деталей механизмов, при наличии амплитудной и частотной модуляции, при преобразованиях типа свертки нескольких временных процессов, а также при изменении физических параметров механизма, износе, изменении жесткости, ударных взаимодействиях.

Наибольшее распространение кепстральный метод получил при диагностике зубчатых колес редукторных механизмов, имеющих разный износ поверхностей.

Комплекс стационарных лабораторных приборов предназначен для исследования и отработки различных объектов и их элементов при воздействии на них механических нагрузок.

Комплекс переносных приборов предназначен для последовательного или параллельного контроля уровней вибрации и шума в одной или несколько точках объема, технической диагностики и балансировки вращающихся частей машин и механизмов и включает в себя контрольно-сигнальную, балансировочную и вибродиагностическую аппаратуру.

Комплекс приборов для испытательной техники предназначен для испытания продукции на воздействие вибрационных, ударных нагрузок и акустических шумов и включает приборы и средства задания, воспроизведения механических нагрузок, аппаратуру управления, контроля и измерительную аппаратуру. Эти приборы должны обеспечивать достоверность проведения испытаний и соответствовать требованиям технических условий на объект и условиям их эксплуатации.

Многоканальная виброизмерительная аппаратура, широко применяемая в системах вибродиагностики, классифицируется по основным принципам измерения:

последовательное измерение параметра вибрации в отдельных точках объекта;

параллельное измерение параметра вибрации одновременно во всех контролируемых точках объекта;

комбинированные приборы с параллельной записью параметров вибрации во всех исследуемых точках и с последовательным измерением этого параметра в каждой точке.

При использовании аппаратуры последовательного измерения параметра вибрации на объекте в контрольных точках закрепляют вибродатчики, подключаемые через согласующие предусилители к электромеханическому или электронному коммутатору, с помощью которого они поочередно подключаются к измерительному прибору.

Аппаратура для параллельного измерения параметра вибрации имеет столько канальных усилителей и измерителей, сколько датчиков установлено на объекте. Такая аппаратура представляет собой набор одноканальных виброизмерительных приборов.

Комбинированные приборы являются более перспективными, поскольку они позволяют контролировать параметры вибрации в каждой точке объекта, оперативно оценивать их экстремальное значение, проводить коммпарирование с допустимыми уровнями вибрации, исключая тем самым отдельные, но характерные для объекта точки контроля. Такая аппаратура широко используется для вибродиагностики объектов со сложной механической конструкцией.

Основной тенденцией развития контрольных устройств для вибродиагностики является создание многоканальных систем с параллельной селекцией сигналов.

Комбинированные селекторы позволяют управлять режимом испытаний по максимальному, минимальному и среднему уровням вибрации.

При выборе аппаратуры в первую очередь необходимо установить местоположение точек контроля, необходимое и достаточное число контролируемых точек, число измеряемых компонентов в каждой точке измерения, контролируемый параметр вибрации, диапазон частот, в котором возникновение характерного и опасного дефекта приводит к изменению амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра или общего уровня вибрации.

Статистическая обработка материалов вибрационных исследований машин позволяет составлять карты распознавания дефектов. По этим данным можно судить о признаках дефектов и выбрать частотный диапазон аппаратуры, необходимый для обнаружения характерных неисправностей машины. Во всех случаях верхняя граница частотного диапазона не должна быть ниже удвоенной рабочей частоты вращения ротора.

Для измерения и анализа вибрации аналоговыми способами, обработки результатов цифровыми способами и получения на выходе гистограмм распределения уровней вибрации, фазовых диаграмм, частотной и временной зависимости уровня или фазы вибрации используют многофункциональные системы.

Автоматизированные системы подразделяют на три основные группы.

В первой группе ЭВМ используют для оперативной обработки сигналов.

Во второй группе ЭВМ обрабатывает сигналы и выдает сигнал корреляции при изменении режима испытаний.

К третьей группе относят полностью автоматизированные системы, в которых ЭВМ включена в цепь обработки, анализа и управления всем режимом работы по программе исследований. Простейшие автоматизированные системы оперативно измеряют и анализируют характерные вибрации и сличают их с эталонными.

Случайная вибрация. Реальные вибрации являются случайными, поэтому для анализа объектов диагностирования необходимо измерять параметры широкополосной случайной вибрации.

Особенностью аппаратуры для измерения параметров случайной вибрации является наличие в ней частотно-избирательных цепей.

При образовании дефекта происходит изменение уровня вибрации в полосе частот Δω.

Для повышения информативности параметров вибрации в виброизмерительных приборах применяются фильтры, которые пропускают только составляющие спектра с частотами, лежащими в пределах Δω₀ . В этом случае сигнал на выходе фильтра состоит из суммы гармонического сигнала с амплитудой А₀ и шумом Р (t).

Существует много типов фильтров, применяемых в вибродиагностической аппаратуре: активные аналоговые фильтры, множительные избирательные устройства, цифровые фильтры, механические и т.д.

Анализ случайной вибрации диагностируемого объекта целесообразно проводить с помощью двухканальных анализаторов в реальном времени. В каждом канале анализатора устанавливают процессор для быстрого преобразования Фурье и оперативной обработки информации. Наличие двух каналов обеспечивает возможность оценки состояния объекта по спектрально-корреляционным функциям, а также по кепстру. Результаты анализа выводятся на дисплей.