Контрольные вопросы
Физические основы акустико-эмиссионного контроля.
Область применения акустического метода контроля.
Приборы, основанные на акустических методах контроля.
11. Вибрационный метод контроля
Вибрационный метод контроля технического состояния машин (вибродиагностика) является одним из информативных и доступных методов диагностики. Применительно к оборудованию НПС вибродиагностика позволяет контролировать техническое состояние магистральных и подпорных насосных агрегатов в режиме постоянного слежения за уровнем вибрации, а также оценивать работоспособность вентиляторов, насосов систем охлаждения, маслоснабжения, отопления, откачки утечек и прочего оборудования путем периодического измерения и анализа параметров вибрации. На рис. 43 приведена типичная стационарная система контроля в реальном масштабе времени.
Рис. 43. Типичная стационарная система контроля в реальном масштабе времени:
1 - механизм привода; 2 - датчик перемещений вала; 3 - отметка фазы; 4 - датчик на опоре;
5 - приводной механизм; 6 - радиальное направление измерений; 7 - осевое направление измерений; 8 - принтер; 9 - компьютер с устройством хранения данных;
10 - устройство формирования сигнала
Большинство дефектов механической, гидродинамической и электромагнитной систем приводит к изменению вибрации насосных агрегатов. Таким образом, все дефекты насосного агрегата приводят к изменению параметров вибрации, измерив которые можно получить информацию о техническом состоянии, причинах его изменения и оценить остаточный ресурс.
При эксплуатации насосных агрегатов имеют место два принципиально различных метода измерения вибраций (колебаний) при помощи датчиков измерения абсолютных колебаний и относительных колебаний. Колебания насосных агрегатов создаются преимущественно их вращающимися частями и пульсациями давления в насосе и подводящих трубопроводах. При этом главным возбудителем колебаний является неуравновешенность роторов насоса и электродвигателя.
Различают колебания трех видов:
относительные колебания валов. Это быстрые движения вала ротора по отношению к вкладышу подшипника;
абсолютные колебания опор подшипников. Под этим подразумеваются быстрые движения вкладыша подшипника и корпуса подшипника по отношению к жесткой опорной точке в пространстве;
абсолютные колебания валов. Это быстрые движения вала ротора по отношению к жестко установленной опорной точке в пространстве.
В области механических колебаний приняты три измеряемые величины:
вибросмещение (амплитуда колебаний) - отклонение точки измерения от положения покоя;
виброскорость - скорость движения точки измерения вокруг своего положения покоя;
виброускорение - ускорение движения точки измерения вокруг своего по-ложения покоя.
Применительно к оборудованию НПС используют только характеристики вибросмещения (амплитуду колебания) и виброскорость. При измерении вибрации предпочтение отдается тому виду колебаний, который имеет самую большую информативность.
Для насосов и электродвигателей НПС оценка вибрации проводится на основе измерения абсолютных колебаний корпусов подшипников и реже относительных колебаний валов.
Чтобы выяснить причины, вызывающие вибрации насосного агрегата, необходимо провести диагностические работы с частотным анализом вибраций насосного агрегата. При частотном анализе с помощью виброизмерительной аппаратуры определяются все частотные составляющие вибраций, которые вызывают колебание машины.
Частотный анализ вибраций с помощью виброизмерительной аппаратуры можно осуществлять, в основном, тремя способами: гармоническим анализом вибраций, полосовым выделением частотных составляющих и использованием перестраиваемых фильтров.
При гармоническом анализе вибрации виброизмерительная аппаратура сама определяет частоту вращения ротора машины, настраивает встроенный фильтр на эту частоту и фильтр пропускает только ту часть сигнала возмущения, которая соответствует частоте вращения ротора.
Данный способ выделения гармонических составляющих вибрации является наиболее точным, но требует применения (кроме датчика вибрации) датчика, определяющего частоту вращения вала машины (например, фотоэлектрического или лазерного).
Более простым способом выделения частотных составляющих вибрации является применение полосовых фильтров. Встроенные полосовые фильтры настраиваются на определенную частоту, которая зависит от положения переключателя прибора. При этом фильтр пропускает полосу частот, соответствующую его характеристикам. Поэтому, изменяя положение переключателя, мы можем определить, какие частотные составляющие присутствуют в общем уровне вибрации.
В ряде виброизмерительных приборов имеется перестраиваемый фильтр. Если это автоматически перестраиваемый фильтр, то прибор сам последовательно изменяет частоту пропускания фильтра, и по изменениям показаний индикатора можно определить, какие частотные составляющие и с какой величиной присутствуют в общем уровне вибрации. Однако визуально это сделать сложно. Поэтому для такого частотного анализа обычно используют самописцы, подключаемые к выходу прибора, и записывают амплитудно-частотную диаграмму, по которой впоследствии определяют отдельные частотные составляющие вибрации.
Для диагностических работ можно использовать любой из этих способов частотного анализа вибрации.
Конструктивно насос и электродвигатель имеют выносные подшипники, корпуса которых используются для установки датчиков вибрации и датчика измерения частоты вращения ротора.
При эксплуатации насосных агрегатов необходимо проводить периодический контроль и оценку интенсивности вибрации агрегата в соответствии с нормами вибрации на них.
В качестве нормируемого параметра вибрации устанавливается среднее квадратическое значение виброскорости.
Диагностическая аппаратура предназначается для специальной обработки вибрационного сигнала и измерения параметров вибрации: дискретизации и аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигнала, снятия амплитудно-фазочастотных характеристик (АФЧХ) вибрации, определения гармонического спектра вибрации в линейном и логарифмическом масштабах, амплитуд и фаз гармоник, а также для запоминания исходных данных и результатов их обработки.
Вибрация преобразовывается в электрический сигнал посредством датчика, связанного с объектом измерения.
Для измерения абсолютной вибрации подшипников и других невращающихся элементов машины в качестве датчиков в настоящее время используются пьезоэлектрические датчики. Источником электрического сигнала таких датчиков является пьезочувствительный элемент. На рис. 44 показан датчик абсолютной вибрации.
Рис. 44. Датчик абсолютной вибрации
Пьезочувствительный элемент обычно изготавливают из специального керамического материала, он же обычно играет роль упругого элемента, на котором закреплена сейсмическая масса. Величины массы и жесткости упругого элемента, как известно, определяют собственную частоту датчика. Эта частота должна быть значительно (обычно вдвое) выше максимальной частоты измеряемой вибрации. Конфигурация элементов датчика различна. Она выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую собственную частоту датчика, его чувствительность к вибрации и нечувствительность к поперечным составляющим вибрации. На выходе предусилителя формируется переменный электрический сигнал, пропорциональный действующему виброускорению в направлении измерения.
Пьезочувствительный элемент формирует слабый электрический сигнал, что требует установки в непосредственной близости от датчика предварительного усилителя. Для соединения датчика с предусилителем используется специальный антивибрационный кабель, поскольку в обычных кабелях может генерироваться помеха вследствие их вибрации. Длина соединительного кабеля обычно не превышает 10 м. В ряде случаев предусилитель располагается непосредственно в корпусе датчика. В этом случае говорят о вибродатчике со встроенной электроникой.
Диапазон измеряемой вибрации определяется чувствительностью датчика и динамическим диапазоном предусилителя или предельным значением усиливаемого сигнала.
Таким образом, основными характеристиками рассматриваемого датчика являются его чувствительность, собственная частота, диапазон виброускорений объекта, рабочий диапазон температур, помехозащищенность и нечувствительность к поперечным составляющим вибрации.
Периодический мониторинг вибрационного состояния является эффективным средством предупреждения аварийных ситуаций. Однако при оценке состояния ответственного оборудования этого бывает недостаточно.
Для исключения аварийных выходов из строя состояние быстроходных агрегатов должно контролироваться практически ежесекундно, а состояние тихоходных машин достаточно контролировать один раз в несколько дней.
В зависимости от типа оборудования в значительной мере отличается и набор контролируемых величин. Так, на быстроходных агрегатах на подшипниках скольжения помимо контроля абсолютной вибрации подшипниковых узлов в обязательном порядке должен производиться контроль относительной вибрации и осевого сдвига. Стационарные системы, установленные на турбоагрегатах, могут быть дополнительно укомплектованы датчиками линейных и угловых перемещений, а также тепловых абсолютных и относительных расширений. На быстроходном оборудовании на подшипниках качения (вентиляторы, насосы и т.д.) наиболее информативным параметром является абсолютная вибрация подшипников. Кроме этого, на агрегатах могут устанавливаться дополнительные датчики вибрации, например на корпус насоса, контролироваться температура подшипников, рабочие параметры электродвигателя, насоса и т.д. При диагностике тихоходного оборудования высочайшие требования предъявляются к частотному диапазону датчиков, измеряющих абсолютную вибрацию подшипников.
Стационарная система контроля ГПА приведена на рис. 45.
|
Рис. 45. Стационарная система контроля ГПА |
Основная цель любой стационарной системы контроля вибрации - своевременное предотвращение развития аварии с серьезными разрушениями контролируемого оборудования. Для этого должен выполняться своевременный и достоверный сбор и анализ всех контролируемых параметров. На быстроходном оборудовании для обеспечения необходимой надежности работы интервал между измерениями не должен превышать нескольких секунд. В этом случае использование блоков преобразования, обработки, анализа и накопления данных полностью оправдано. При контроле состояния тихоходного оборудования такой необходимости нет. Время развития дефекта на подобном оборудовании составляет недели и даже месяцы. Поэтому сбор вибрационных данных может быть выполнен при помощи переносной виброизмерительной аппаратуры. Однако такой подход не всегда оправдан. Во-первых, нередко доступ к точкам измерения на работающем оборудовании существенно затруднен, а иногда и невозможен, в том числе и по соображениям безопасности. Во-вторых, целый ряд причин (отсутствие повторяемости мест и условий установки датчика от измерения к измерению, трудоемкость сбора данных, человеческий фактор) существенно снижает достоверность диагностики.
При внедрении стационарных систем контроля вибрации особое внимание следует уделять корректности их методического применения. Если для стандартного использования возможно типовое исполнение системы, то для сложного, дорогого, нестандартного оборудования, а также при повышенных требованиях к его безопасности рекомендуется проводить предварительное исследование вибрационного состояния. В процессе этого исследования уточняются необходимые для контроля параметры, модифицируются алгоритмы виброзащиты, формируются диагностические критерии и правила. По окончании работы корректируются настройки и конфигурация системы и вносятся все необходимые изменения. Подобный подход позволяет максимально адаптировать систему к условиям работы и особенностям контролируемого оборудования, что существенно расширяет ее возможности.