Оцінка стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію

Оцінка стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію   Сидоров Ст. А., к. т. н., доцент, Сидоров А. В. (Донецький національний технічний університет) Серебров Л. М., Серебров Б. Л. (ІНТРОН-СЕТ Лтд, р. Донецьк)   В даний час для оцінки технічного стану промислового обладнання все більшого поширення набувають методи спектрального аналізу вібрації. Спектральний аналіз вібрації використовується для ідентифікації несправностей шляхом виявлення підвищених амплітуд вібрації на частотах, що збігаються з власними частотами елементів конструкції машини (або їх гармонік), або на частотах протікання процесів, зокрема процесів, пов'язаних з дефектами [1]. Популярність спектрального аналізу вібрації пояснюється можливістю виявлення пошкоджень на ранній стадії їх розвитку, що в рамках активної стратегії ремонтів станом дозволяє вживати попереджувальні ремонтні впливу з метою підвищення терміну служби елементів устаткування і зниження ймовірності відмови. Важливий фактор - створення і поширення таких апаратних засобів технічної діагностики, як збирачі даних, спектроанализаторы, переносні і стаціонарні діагностичні комплекси. Використання методів спектрального аналізу на практиці, пов'язане з рядом істотних труднощів, серед яких: необхідність сепарації і обробки великих обсягів діагностичної інформації; відсутність нормативної бази і загальноприйнятих рекомендацій щодо процесу аналізу даних і постановки діагнозу; метод практично не піддається автоматизації на основі чіткої логіки, вимагаючи використання елементів штучного інтелекту (нейронних мереж, експертних систем). Метод спектрального аналізу вібрації залишається прерогативою фахівців високого рівня, брак яких гостро відчувається більшістю підприємств. Сформулюємо два питання: 1. Завжди необхідно використання методу спектрального аналізу вібрації? 2. Чи існує альтернатива даним методом оцінки технічного стану? Відповідаючи на перше питання, слід зазначити, що використання методу спектрального аналізу вібрації в більшості випадків не є необхідністю. Це пов'язано з тим, що на початковому етапі обстеження доцільніше отримати загальну оцінку технічного стану наявних машин, на основі якої розділити парк обладнання на три-чотири групи з різним ступенем ризику відмови. Приклад такого поділу наведено в таблиці (групи ризику відмови співвіднесені з зонами технічних станів згідно [2]). На підставі результатів попереднього обстеження може бути зроблений висновок про доцільність проведення подальшого аналізу із застосуванням методів спектрального аналізу вібрації.   Таблиця – Виділення груп ступенів ризику відмови Ризик відмови Зона технічного стану Додаткове обстеження
Низький Зона A (добре) Недоцільно - дефекти носять характер непроявлений
Помірний Зона B (задовільно) Доцільно, для прийняття превентивних заходів
Підвищений Зона C (погано) Доцільно, для зниження швидкості розвитку дефектів
Високий Зона D (аварійно) Недоцільно - необхідна зупинка з подальшою розбиранням машини
Як видно з таблиці, використання методу спектрального аналізу є доцільним лише в тому випадку, коли є один або кілька виражених дефектів, на розвиток яких можна впливати. Зміна динаміки розвитку дефектів служить мірилом ефективності застосовуваних ремонтних впливів, а значить і достовірності спектрального дослідження, першочерговим завданням якого є встановлення не стільки факту наявності дефекту, скільки причин, що викликали появу і впливають на розвиток ушкодження. У зв'язку з цим друге запитання, поставлене вище, має сенс перефразувати наступним чином: існує відносно простий метод, позбавлений недоліків спектрального аналізу вібрації, який дозволить отримати загальну оцінку технічного стану? Співмірним відповіддю в даній ситуації може бути використання методу оцінки технічного стану механічного обладнання за загальним рівнем вібрації. Згідно [2] оцінка технічного стану машин за загальним рівнем вібрації передбачає визначення деякого параметра вібрації (як правило, середнього квадратичного значення віброшвидкості). Максимальне значення, отримане в результаті виміру на кожній опорі в трьох взаємно перпендикулярних напрямках, порівнюють з кордонами чотирьох зон, встановлених виходячи з досвіду експлуатації або нормативних документів. Оскільки вібрація конкретної машини залежить від розмірів, динамічних характеристик вібруючих деталей, способи монтажу та призначення, при виборі меж зон необхідно враховувати умови, які впливають на вібраційний стан [3]. З цією метою при оцінці технічного стану машин за загальним рівнем вібрації вводиться поняття «клас машини». У разі, якщо для конкретної машини не знайдено однозначна відповідність того або іншого класу, шляхом експертної оцінки її відносять до класу, найбільш близького за характеристиками. Метод оцінки технічного стану механічного обладнання за загальним рівнем вібрації стандартизований, простий, має ряд програмно-апаратних рішень, що забезпечило його широке поширення. Однак слід зазначити і ряд припущень, які дозволяють оскаржити отримані результати. Наприклад, не завжди можна однозначно віднести конкретну машину до того чи іншого класу, хоча в базовому стандарті [2] вказано на безпосередній зв'язок кордонів технічних станів з класом машини. Крім того, в [3] стверджується, що при нормальній роботі машини горизонтальна складова параметрів вібрації, як правило, має максимальне значення, а осьова – мінімальне, що пов'язано з відзнакою жорсткості машини і проникності для проходження вібраційного сигналу в різних напрямках. Таким чином, можна говорити про необхідність урахування напрямку вимірювання вібрації при порівнянні з межами зон технічних станів. Пропонований метод оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію дозволяє відмовитися від процедури визначення класу машини і виробити єдину систему знаходження меж зон технічних станів. Покладена в основу методу гіпотеза полягає в тому, що призначення класу в першу чергу пов'язано з потужністю машини, а клас визначає значення меж зон технічних станів, то правомірно припустити про наявність безпосереднього зв'язку між потужністю машини, вібрацією і зонами технічних станів. Іншими словами, технічний стан може бути визначена в залежності від того, яка частина потужності машини витрачається на вібрацію. Для оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію необхідно наявність спектрів віброшвидкості (мм/с) у частотному діапазоні від fН до fВ, де fН, fВ – нижня і верхня частотні границі вимірювання вібрації відповідно, Гц. Вимірювання виконуються з роздільною здатністю N ліній в діапазоні. Вимоги щодо вибору точок виміру, а також до умов проведення вимірювань в іншому відповідають рекомендаціям, наведеним у [2]. На момент початку аналізу мається на увазі наявність тривимірного масиву даних X, елементами xijk якого є значення амплітуди віброшвидкості на частоті fk (, ) за напрямом j (), де V відповідає вертикальному напрямку, H – горизонтальному, A - осьовому) в точці i, належить обстежуваній елементу машини. Під елементом машини мається на увазі сукупність вузлів і деталей, пов'язаних з обертовим валом у власних опорах. Для кожного напряму j кожної точки i розраховується питома потужність вібрації, Вт/кг: . Для кожної точки i розраховується потужність, що витрачається на вібрацію, Вт: , де mi – маса елемента машини, що припадає на опору в точці i; Kj – коефіцієнт, що характеризує ступінь ослаблення вібраційного сигналу в напрямку j (). Визначається відносна величина втрат потужності на вібрацію: , де Рп – потужність, що отримується елементом машини. Далі знайдене значення відносної величини втрат потужності на вібрацію ε співвідноситься з межами зон технічних станів, на підставі чого робиться висновок про технічний стан елемента машини. До переваг методу оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію слід віднести: зв'язок експлуатаційних характеристик з процесами розвитку дефектів, які мають місце при роботі обладнання, і, в кінцевому підсумку, з вібрацією як параметром технічного стану;
виняток сумнівної процедури віднесення обстежуваної машини до того чи іншого класу, невірне визначення якого критично впливає на достовірність одержуваних діагнозів;
облік анізотропії поширення вібрації в різних напрямках вимірювання, а також ослаблення при проходженні вібраційного сигналу від джерела до датчика;
наявність єдиного параметра, на підставі якого ставиться загальний діагноз по елементу машини, що дозволяє ширше диференціювати зони технічних станів, а також щільніше пов'язати останні з необхідними впливами;
простота реалізації з використанням як програмних, так і виключно апаратних засобів, що свідчить про можливості безпосереднього застосування в стаціонарних діагностичних системах.
Слід зазначити питання, які потребують подальшого дослідження в рамках методу оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію: обґрунтування вибору частотних меж вимірювання вібрації fН і fВ, а також дозволу, кількості ліній N в діапазоні вимірювання; визначення коефіцієнтів Kj, що характеризують ступінь ослаблення вібраційного сигналу в напрямках вимірювання вібрації; нормування меж зон технічних станів по параметру ε, відносною величиною втрат потужності на вібрацію. Метод оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію повинен стати необхідною ланкою в процесі аналізу технічного стану машин, що дозволить підвищити ефективність методу спектрального аналізу вібрації, і встановити взаємозв'язок процесів розвитку дефектів з їх проявом на етапі експлуатації у вигляді вібрації.   Висновки 1. Визначено проблеми використання спектрального аналізу вібрації як методу оцінки технічного стану механічного обладнання. Із-за складності та відсутності нормативно-методологічної бази метод спектрального аналізу вібрації продовжує залишатися надбанням фахівців високого рівня, що стримує темпи впровадження. 2. Розглянуто підходи, що дозволяють оптимізувати застосування спектрального аналізу. Для цього рекомендується проведення попередньої оцінки технічного стану парку машин з метою виділення груп, для яких проведення подальшого спектрального аналізу вібрації найбільш доцільно. 3. Наведено короткий опис та обмеження до застосування методу оцінки технічного стану за загальним рівнем вібрації у вигляді ряду припущень, що знижують достовірність оцінки. Серед них: неоднозначність співвіднесення конкретної машини з класом; відсутність урахування анізотропії вібраційного сигналу для різних напрямків вимірювання. 4. Запропоновано метод оцінки технічного стану механічного обладнання за втрат потужності на вібрацію. Наведено вимоги до вихідних даних, математичне опис, гідності та напрями подальшого вдосконалення методу.   Перелік літератури 1. Голуб Е. С., Мадорский Е. З., Розенберг Р. Ш. Діагностування суднових технічних засобів: Довідник. – М: Транспорт, 1993. – 150 с. 2. ГОСТ ИСО 10816-1-97. Контроль стану машин за результатами вимірювань вібрації на необертових частинах. Частина 1: Загальні вимоги. – Введ. 01.07.99. – М.: ІПК Изд-во стандартів. – 18 с. 3. Технічна діагностика механічного обладнання / Сидоров Ст. А., Кравченко В. М., Седуш В. Я. та ін – Донецьк: Новий світ, 2003. – 125 с