Мониторинг подшипников качения в условиях их многостадийных отказов на основе анализа трендов виброускорения Тарасов Евгений Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Проблемы оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов в условиях эксплуатации современных производств 16

1.1 Деградация деталей и узлов центробежного насосного агрегата при его эксплуатации 16

1.2 Оценка неисправностей центробежных насосных агрегатов в эксплуатации 26

1.3 Проблемы мониторинга и диагностики технического состояния центробежных насосных агрегатов .29

1.4 Нормирование вибрации для контроля состояния центробежного насосного агрегата в эксплуатации 39

1.5 Цель работы и задачи исследования 44

2. Теоретические исследования 45

2.1 Постановка задач .45

2.2 Механизм деградации деталей и узлов 45

2.3 Распределение радиальных нагрузок на тела качения в подшипниках качения при работе центробежного насосного агрегата 47

2.3.1 Традиционный метод расчета. 47

2.3.2 Новый метод решения задачи определения радиальных нагрузок на тела качения шарикоподшипника 51

2.4 Стадии деградации узлов и деталей 60

2.5 Разработка математической модели процесса появления выбросов вибрации при работе центробежного насосного агрегата 68

2.6 Методика выделения выбросов вибрации при работе центробежного насосного агрегата 78

2.7 Методика контроля стадийного накопления повреждений деталей по амплитудам выбросов вибрации 81

2.8 Методика контроля стадийного накопления повреждений деталей по интервалам между выбросами вибрации 84

2.9 Методика прогнозирования времени работы центробежного насосного агрегата по выбросам вибрации. Определение показателя экспоненты на интервале между выбросами вибропараметров .87

2.10 Выводы .91

3. Экспериментальные исследования 93

3.1 Постановка задач .93

3.2 Система сбора экспериментальных данных .93

3.3 Выделение выбросов вибрации при работе центробежного насосного агрегата 97

3.4 Стадии деградации центробежного насосного агрегата в процессе эксплуатации.. 100

3.5 Контроль стадийного накопления повреждений деталей по амплитудам выбросов вибрации 103

3.6 Контроль стадийного накопления повреждений деталей по интервалам между выбросами вибрации 110

3.7 Определение времени наработки центробежного насосного агрегата по выбросам вибрации .117

3.8 Выводы .124

4. Промышленная реализация результатов исследований 125

4.1 Постановка задач .125

4.2 Система мониторинга технического состояния и автоматической диагностики 125

4.3 Промышленное применение алгоритмов контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата .134

4.4 Экономический эффект применения систем мониторинга технического состояния и автоматической диагностики центробежных насосных агрегатов на нефтеперерабатывающих предприятиях 144

4.5 Выводы 145

Основные результаты и выводы 147

Литература .150

Приложение .170

• Проблемы мониторинга и диагностики технического состояния центробежных насосных агрегатов
• Новый метод решения задачи определения радиальных нагрузок на тела качения шарикоподшипника
• Контроль стадийного накопления повреждений деталей по амплитудам выбросов вибрации
• Промышленное применение алгоритмов контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата

Введение к работе

Актуальность темы. Центробежные насосные агрегаты (ЦНА), оснащенные подшипниками качения, составляют более 70% от общего числа единиц динамического оборудования, находящегося под контролем систем мониторинга и диагностики на нефтеперерабатывающих предприятиях. Несмотря на то, что заложенный при изготовлении эксплуатационный ресурс подшипников качения позволяет им длительное время работать, практически не подвергаясь значительным износам, в деталях подшипника качения накапливаются усталостные повреждения, которые в конечном итоге приводят к усталостным разрушениям.

В настоящее время, в подавляющем большинстве случаев, контроль состояния осуществляется без учета возможного нестационарного характера развития неисправностей, что создает проблему обеспечения контроля состояния ЦНА в процессе эксплуатации с целью предотвращения внезапных отказов агрегатов. Поэтому разработка новых и развитие существующих методик контроля состояния, диагностирования и мониторинга ЦНА с учетом выявления, контроля и прогнозирования процессов накопления повреждений в деталях и многостадийного отказа подшипников качения является актуальной задачей.

Отказ центробежного насосного агрегата при усталостном разрушении подшипника качения происходит не внезапно и не мгновенно. Сначала появляются некоторые признаки приближения этого процесса, изменяется характер виброактивности агрегата. На фоне устойчивого уровня вибрации появляются некоторые выбросы трендов вибрации. Характеристики последовательности и интенсивности этих выбросов является важной информацией не только о приближении момента разрушения деталей подшипника качения, но и о времени работы, которое еще имеется у обслуживающего персонала для принятия мер по исключению аварийной ситуации и полного катастрофического разрушения.

Данная работа посвящена исследованию процессов многостадийного отказа деталей подшипника качения ЦНА, т.е. многократно возникающих самоустраняющийся отказов одного и того же характера – перемежающихся отказов, установлению зависимостей изменения вибрации в процессе деградации, развитию методов контроля и разработке способов выявления и прогнозирования процессов стадийного отказа.

Основная идея работы заключается в исследовании процесса изменения вибрации центробежных насосных агрегатов в эксплуатации, выявлении закономерностей процессов многостадийного отказа деталей подшипника качения по выбросам трендов вибрации, использовании закономерностей выбросов трендов вибрации, начиная с первой стадии появления деградации, и после-

дующем отслеживании процесса развития дефектов для своевременной оценки технического состояния агрегата.

Цель работы – обеспечить выявление, контроль и прогнозирование многостадийного отказа подшипника качения путем мониторинга трендов вибрации центробежного насосного агрегата в процессе эксплуатации.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследовать и уточнить распределение радиальных нагрузок на тела качения в подшипниках качения при работе агрегата.

2. Разработать модель стадийной деградации подшипников качения центробежного насосного агрегата.

3. Разработать способы и алгоритмы для выявления выбросов трендов вибрации при многостадийном отказе подшипников качения в процессе эксплуатации в реальном времени.

4. Разработать методику прогнозирования времени появления выбросов трендов вибрации и наработки центробежного насосного агрегата до перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» и «Недопустимо».

5. Произвести выбор диагностических признаков для определения процесса стадийного разрушения деталей подшипников качения.

6. Провести экспериментальные исследования с целью верификации разработанных способов и алгоритмов диагностики многостадийного отказа, исследования диагностических признаков процесса стадийного разрушения деталей подшипников качения центробежного насосного агрегата, определить пороговые значения диагностических признаков.

7. Осуществить внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.

Объект исследования – центробежный насосный агрегат с подшипниками качения, применяемый на нефтеперерабатывающих производствах.

Предмет исследования. Техническое состояние и вибрация центробежного насосного агрегата в процессе эксплуатации в реальных условиях с учетом процесса многостадийного отказа деталей подшипника качения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что процесс отказа деталей подшипника качения идет многостадийно, что отражается в появлении выбросов трендов вибрации при работе центробежного насосного агрегата. Стадии приработка, износ, частичный отказ подшипника могут проходить неоднократно при эксплуатации до тех пор, пока усталостные напряжения в деталях подшипника не превысят предел прочности материала.

2. Разработана математическая модель процесса появления выбросов трендов вибрации при работе центробежного насосного агрегата на основе распределения Пуассона, которая подтверждает наличие вероятностного характера многостадийного отказа деталей подшипника качения.

3. Предложена новая математическая модель расчета распределения радиальных сил в подшипнике качения, которая учитывает перераспределение нагрузки между телами качения, на основе которой:

– обосновано постоянное перераспределение радиальных нагрузок по рабочим телам качения, расположенным в нижней половине подшипника, с учетом присутствия, либо отсутствия тела качения в нижней точке траектории движения тел качения подшипника;

– впервые доказано, что при работе подшипника качения с периодичностью равной половине углового шага тел качения (0,5), происходит постоянное чередование двух расчетных состояний – четного и нечетного, что приводит к изменению жесткости подшипника качения и наличию явления проседания вала агрегата;

– впервые установлено, что геометрическая характеристика подшипника (k) меняется с периодичностью равной половине углового шага тел качения (0,5).

4. Введено новое понятие коэффициента нарастания параметра вибрации, применение которого позволило прогнозировать время появления выбросов вибрации, а также время наработки центробежного насосного агрегата до перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» или «Недопустимо» при многостадийном отказе деталей подшипника качения.

5. Выявленные закономерности процесса стадийного накопления повреждений подшипника качения позволили реализовать мониторинг и оперативную диагностику на всем периоде эксплуатации центробежного насосного агрегата, путем выделения выбросов трендов вибрации из потока измеряемых параметров вибрации и контроля процесса стадийного накопления повреждений деталей подшипника качения по амплитудам выбросов трендов вибрации и по длительности интервалов между выбросами вибрации.

6. Предложен новый подход к определению технического состояния агрегата при многостадийном отказе деталей подшипника качения при работе.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что: 1. Впервые получены справочные таблицы для расчета геометрических характеристик и радиальных сил в телах качения для шарикоподшипников при четном и нечетном рабочем состоянии для типового ряда подшипников, которые следует применять для обоснования выбора подшипника, особенно при ма-5

лом количестве (менее 10) тел качения, и позволяют производить расчеты на долговечность по уточненным данным нагрузки.

2. Разработаны способы диагностики многостадийного отказа деталей подшипника качения центробежных насосных агрегатов по росту амплитуд выбросов (патент РФ № 2540195) и уменьшению интервалов между выбросами трендов вибрации (патент РФ № 2606164), что позволило уточнить реальное техническое состояние агрегата в эксплуатации, сделать наблюдаемым процесс деградации деталей и увеличить время принятия корректирующих мер, по обеспечению безаварийной эксплуатации работающего агрегата

3. Разработана система мониторинга технического состояния центробежных насосных агрегатов в эксплуатации на базе предложенных способов и методик контроля многостадийного отказа деталей подшипника качения.

4. На практике проведена верификация предложенных способов и методик контроля многостадийного отказа деталей подшипника качения центробежного насосного агрегата, подтверждена их работоспособность и возможность применения в условиях нефтеперерабатывающего производства.

5. Уточнены правила оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов в эксплуатации: при обнаружении трендов выбросов вибрации необходимо исключить оценку «Хорошо» и применять только три градации «Допустимо», «Требует принятия мер», «Недопустимо».

6. Предложенные способы и методики могут быть адаптированы для применения на других типах динамического оборудования.

Реализация работы.

Системы автоматической диагностики и мониторинга технического состояния КОМПАКС, базируются на использовании разработанных способов и внедрены на ряде нефтеперерабатывающих предприятий ПАО «Газпром нефть» и ПАО «НК «Роснефть». Промышленное использование систем мониторинга технического состояния и автоматической диагностики дало экономический эффект в среднем 1,2 млн. рублей в год на один ЦНА.

Методы исследования основываются на теоретических исследованиях вопросов усталостной деградации деталей подшипников качения, анализе изменения технического состояния ЦНА при наличии выбросов вибрации в процессе эксплуатации на нефтеперерабатывающем производстве, режимов работы подшипника качения, прогнозировании времени работы агрегата. Обработка результатов проводилась на ЭВМ с помощью общего и специального программного обеспечения. Эксперименты проводились с помощь разработанных, сертифицированных и внедренных на предприятиях нефтепереработки ПАО «Газпром нефть» и ПАО «НК «Роснефть» систем мониторинга технического

состояния и автоматической диагностики КОМПАКС контролирующих работу более 5 000 центробежных насосных агрегатов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация удовлетворяет паспорту специальности «05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»:

п.1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

п.3. Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами.

п.6. Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Зависимости, представленные математической моделью расчета распределения радиальных сил в подшипнике качения, когда в нижней точке траектории движения тел качения подшипника отсутствует тело качения и нагрузка на подшипник воспринимается четным числом рабочих тел качения.

2. Вероятностные закономерности многостадийного отказа, описываемые математической моделью процесса появления выбросов трендов вибрации при работе центробежных насосных агрегатов на основе распределения Пуассона.

3. Взаимосвязь между величинами амплитуд трендов вибрации и длительностями интервалов между выбросами трендов вибрации, состоянием (степенью поврежденности) деталей и их остаточным ресурсом.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских, международных конференциях и симпозиумах: «Три-ботех 2003» (Москва, 2003 г.), «Двигатель» (Москва, 2005 г., 2017 г.), «Образование через науку» (Москва, 2005 г.), "Техническое регулирование и стандартизация, Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг» (Москва, 2007 г.), «International conference on condition monitoring and machinery failure prevention technologies (CM/MFPT)» (Ireland, Dublin, 2009 г., UK, Oxford, 2015), «The International Congress on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM)» (Stavanger, Norway, 2011; UK, Huddersfield, 2012; Finland, Helsinki, 2013), «NDT days 2012/Дни на безраз-рушителния контрол» (Bolgaria, Sozopol, 2012), «Ориентированные фундамен-

тальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России» (Омск, 2012 г.), «Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций» (Москва, 2013), «Оценка и управление индустриальными рисками в промышленной безопасности. Мониторинг рисков сложных и уникальных объектов» (Москва, 2013 г.), «Динамика систем, механизмов, машин» (Омск, 2014 г., 2016 г.), «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (Омск, 2015 г., 2016 г.), «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2016 г.).

Личный вклад автора заключается в исследовании изменения технического состояния ЦНА в эксплуатации по уровню вибрации и личном выявлении явления стадийного накопления повреждений деталей подшипника качения. Автором проведен аналитический обзор состояния вопроса, теоретические и экспериментальные исследования, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, апробация результатов, подготовка научных публикаций по работе. Автору принадлежит формулировка закономерностей и выводов, описанных в диссертации.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 руководящий документ и работа, удостоенная премии Правительства РФ в области науки и техники, 2 отчета НИР и 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы.

Проблемы мониторинга и диагностики технического состояния центробежных насосных агрегатов

В 80-е годы прошлого столетия началось интенсивное развитие и внедрение в нефтеперерабатывающее производство стационарных и мобильных (переносных) средств контроля технического состояния реализованных на основе методов технической диагностики с целью обеспечения безопасной эксплуатации центробежных насосных агрегатов. Периодические методы ручного контроля при помощи переносных технических средств уступили место постоянному мониторингу процесса изменения технического состояния центробежных насосных агрегатов на предприятиях нефтепереработки с помощью стационарно смонтированных систем контроля и диагностики [11, 33, 34, 41, 42, 57, 58, 59, 64, 65, 71].

Основы безопасной эксплуатации машинных агрегатов заложили Российские и зарубежные ученые: А.А. Артоболевский [4], М.Д. Генкин [24, 25, 26], А.И. Биргер [8, 9], В.Н. Костюков [65, 70, 71], В.В. Клюев [50, 51, 104] и другие. Развитие теории и практики методов автоматической диагностического мониторинга технического состояния в данной работе базируется на трудах В.Н. Костюкова [57 - 90], Ал.В. Костюкова [54, 55, 65], А.П. Науменко [82, 101], С.Н. Бойченко [13, 65], Ф.Я. Балицкого [5, 104], В.В. Гриба, Г.В. Зусмана, В.А. Карасева, Б.В. Павлова [107], М.К. Сидоренко, А.Г. Соколовой [5, 27], К.В. Фролова, К.Н. Явленского и других ученых.

Отказ центробежного насосного агрегата при усталостном разрушении происходит не внезапно и не мгновенно. Сначала появляются некоторые признаки приближения этого процесса, изменяется характер колебательного процесса агрегата – растет вибрация. На фоне устойчивого процесса колебаний появляются некоторые признаки разрушения – выбросы вибрации. Наблюдение, контроль и оценка последовательности и интенсивности этих признаков является важной информацией не только о приближении процесса разрушения насосного агрегата, но и дает информацию о времени работы, которое еще имеется у агрегата и у обслуживающего персонала для принятия мер по исключению аварийного выхода из строя агрегата и его полного, катастрофического разрушения [55, 116, 117, 118, 119, 141, 142, 146, 148].

На предприятиях нефтепереработки важной проблемой является мониторинг технического состояния центробежных насосных агрегатов. В данной диссертации используется общая теория проблемы мониторинга технического состояния агрегатов независимо от их структуры сформулированная в работах В.Н. Костюкова [57 – 90].

Мониторинг технического состояния обеспечивает непрерывное наблюдение за объектом контроля, с целью обнаружения начала появления неисправности на основе изменения характера колебательного процесса объекта контроля и предупреждения обслуживающего персонала о возникновении неисправности. К настоящему времени решены общие проблемы теории и практической реализации мониторинга объектов системами автоматического контроля и мониторинга.

Вместе с этим из общего массива технических объектов можно выделить отдельные группы машин, которые обладают общими структурными особенностями и имеют специфические подобные неисправности. Такой группой машин являются центробежные насосные агрегаты. Проблема совершенствования методов контроля и мониторинга технического состояния центробежных насосных агрегатов имеет общемировое значение, так как большое число единиц таких агрегатов используются в технологических процессах на предприятиях нефтепереработки. Конкретные группы машин имеют свои технологические особенности, а именно центробежные насосные агрегаты обеспечивают технологический процесс подачи жидкостей при разных давлениях, расходах, температурах и других условиях. Поэтому для дальнейшего совершенствования процесса мониторинга и контроля технического состояния центробежных насосных агрегатов необходимы углубленные исследования процессов появления неисправностей, причин появления дефектов, изучения характера изменения этих дефектов в процессе эксплуатации.

Особое значение в этой ситуации приобретает проблема прогноза, предвидение развития неисправностей [99].

В работах НПЦ «Динамика» установлено, что динамика трендов вибропараметров характеризует динамику старения центробежных насосных агрегатов на интервале жизни, при этом динамика скорости изменения тренда вибропараметра совпадает с динамикой скорости износа (старения) на интервале жизни [11, 54, 55, 61, 62, 69 – 79, 85, 86, 116 – 146].

В работах В.Н. Костюкова [65, 70, 71] установлено, что наблюдаемость технического состояния объектов обеспечивается измерением уровня диагностических сигналов вибрации объектов и их последующим анализом. В качестве основного диагностического узла на агрегате, определяющем его техническое состояние для центробежного насосного агрегата, целесообразно использовать подшипниковые узлы, как воспринимающие все рабочие нагрузки и имеющие минимальный эксплуатационный ресурс по сравнению с другими узлами агрегата. Быстродействие системы диагностики и мониторинга (СДМ) оценивается обеспечением контроля роста диагностического сигнала при максимальной скорости развития неисправности. [70, 71].

Старение агрегатов проявляется в накоплении повреждений внутри деталей, что приводит к изменению их жесткости и искажению формы рабочих поверхностей, как следствие внешних воздействий [8, 9, 23, 45]. Повреждение поверхностей деталей вследствие внешних воздействий приводит к изменению жесткости механической системы.

Динамическая модель изменения вибрации при изменении технического состояния объекта на интервале жизни, которая устанавливает экспоненциальную зависимость между диагностическим признаком и ресурсом, позволяет полностью использовать ресурс, заложенный в оборудовании при обеспечении безопасности и ремонтопригодности насосного агрегата [65, 70, 71].

Установлено, [13, 38, 55, 60, 62, 70, 71, 101] что совместное использование параметров виброускорения (А) отражает проблемы механизмов в высокочастотной области спектра; виброскорость (V) отражает проблемы (неисправности) в среднечастотной области спектра; виброперемещение (S) отражает проблемы, проявляющиеся в низкочастотной области спектра с достоверностью прогноза 95 98%. Разработана методика и проведено нормирование значений виброускорения наряду с виброскоростью и виброперемещением, а так же скорости роста всех трех вибропараметров на интервале жизненного цикла центробежного насосного агрегата, что является необходимым условием обеспечения его безопасной эксплуатации.

При неверно установленных пороговых уровнях возможно проявление ошибок первого и второго рода. Ошибка первого рода, проявляется при занижении порогового уровня параметров вибрации, при этом возможны ложные тревоги системы мониторинга, что в свою очередь увеличивает объем ненужных ремонтов и снижает доверие к системам мониторинга. Ошибка второго рода, когда при необоснованно завышенном уровне порога вибропараметра могут быть пропущены неисправности и поэтому могут произойти непредвиденные отказы агрегатов соответственно аварии, инциденты и незапланированные ремонты.

Таким образом, нормы вибрации соответствующие порогу «Недопустимо» будут различны для разных агрегатов и требуют научно-практического обоснования.

Для обеспечения безаварийной эксплуатации насосных агрегатов необходимо в системах диагностики и мониторинга в режиме реального времени (realime) обеспечить постановку диагноза в темпе измерения диагностических сигналов и выдачу персоналу рекомендаций по дальнейшим действиям на основе выводов автоматической экспертной системы поддержки принятия решения о техническом состоянии и возможности дальнейшей эксплуатации агрегата [70, 101].

Мониторинг технического состояния осуществляется для определения и прогнозирования момента перехода объекта в предельное состояние [99].

Качество эксплуатации и обслуживания центробежных насосных агрегатов заключается в максимальном использовании их ресурса, обеспечении безопасности производства, исключении аварий и выполнении своевременных остановок агрегатов с заданным остаточным ресурсом, которые обеспечивают минимальный уровень потерь при ремонте и восстановлении агрегатов [38, 41, 42].

В структуре затрат нефтеперерабатывающих предприятий на эксплуатацию центробежных насосных агрегатов в части затрат на ремонт и обслуживание идет более 15% [56]. Существующая система планово-предупредительных ремонтов (ППР) обеспечивает обслуживание, и ремонт техники в определенные интервалы времени, которые не учитывают реальное техническое состояние агрегатов в эксплуатации, реальные эксплуатационные нагрузки, то есть ремонт по ППР носит во многом случай характер относительно реальной необходимости. Система ППР для центробежных насосных агрегатов позволяет уменьшить число отказов, только в идеальном случае, когда скорость деградации деталей в агрегате и условия его эксплуатации полностью соответствуют расчетным параметрам для графика ППР, что конечно не выполняется в реальных условиях нефтеперерабатывающих производств. Поэтому система эксплуатации центробежных насосных агрегатов по ППР является несовершенной и более эффективной является эксплуатация современных производств по фактическому техническому состоянию на основе мониторинга технического состояния и автоматической диагностики.

Новый метод решения задачи определения радиальных нагрузок на тела качения шарикоподшипника

В данной работе предложена новая расчетная схема для решения задачи определения радиальных нагрузок на тела качения [143, 144, 145].

На рисунке 2.3 представлена схема распределения тел качения в рабочей зоне подшипника, в котором отсутствует тело в нижней точке подшипника с нагрузкой Р0. Тела качения с нагрузками Р[ расположены симметрично с углом 0,5у относительно оси симметрии OZ. В предложенной схеме расчета рассматривается четное число рабочих тел качения. Традиционная и предложенная схемы нагружения тел качения подшипника в рабочей зоне при работе подшипника постоянно повторяются, сменяя друг друга, с периодом кратным половине шага 0,5у, расположения тел качения подшипника. В рабочей зоне шарикоподшипника находятся 18 тел качения (Рисунок 2.3, 2.4), т.е. половина всех тел качения при z=36. Это является принципиальной особенностью предложенного способа расчета, в отличие от традиционного подхода, где в работе фактически участвуют 17 тел качения, т.е. меньше половины общего количества тел качения.

Условие равновесия системы сходящихся сил в этом случае примет следующий вид

Полученные выражения и исходные расчетные схемы позволяют определять радиальные силы реакции Pt, воспринимающие вертикальную нагрузку Q в статике с большей точностью по сравнению с существующими методами, благодаря точному определению числа тел качения щ, воспринимающих нагрузку.

Проведенное сравнение, постоянной геометрической характеристики подшипника, по старой (2.9) и новой (2.16) формулам (Таблица 2.1) показало, что с уменьшением количества тел качения в подшипнике хорошо видна разница в применении подходов.

Рассмотренные две схемы расчета радиальных нагрузок на тела качения являются единым общим методом расчета радиальных нагрузок для разных углов расположения тел качения. Методы традиционный и предложенный не нуждаются в сравнении и противопоставлении, так как характеризуют каждый подшипник в разных расчетных состояниях. В таблице 2.1 впервые представлены значения коэффициентов к и К вычисленные по формулам (2.9), (2.16) для шарикоподшипников. В таблице 2.2 приведены выражения для вычисления радиальных сил Р0 и Р[ в функции вертикальной силы Q для традиционной и предложенной схемы. Таблицы 2.1, 2.2 удобны для выполнения исследования и расчетов.

На рисунке 2.5 показаны расчетные схемы для определения радиальных сил на тела качения подшипника 417 с числом тел качения z = 7. Для традиционной схемы расчета, рисунок 2.5 а, показаны радиальные силы реакций со стороны обоймы подшипника из таблицы 2.2 Р0 = 0,62 Q . Сила Рг =P0cos3/2y = 0,62 cos3/251,43 = 0,305 Q, где Q - вертикальная нагрузка на подшипник.

На рисунке 2.5 б для предложенной схемы показана сила Р[ = 0,539 из таблицы 2.1. Сила Р г вычисляется по формуле (2.17) , _ p,cos (1 5)У= 0 539(9 CS ,77Д4 = 0,066(9.

На рисунке 2.5 на наружном кольце подшипника построены функции распределения нагрузок Pj = f(j). Полученные кривые отражают качественную зависимость радиальных сил от угла расположения тела качения. Поэтому на рисунке 2.6 для подшипника качения номер 417 показана зависимость радиальных сил от угла поворота у в прямоугольной системе координат полученная при расчете с использованием обоих расчетных схем. Полученная диаграмма изменения радиальных сил подшипника качения имеет следующий физический смысл. В точке Л7 , рисунок 2.5 тело качения входит в рабочую зону и воспринимает на себя радиальную нагрузку, которая при угле 1,5у от вертикальной оси вала в точке А2 приобретает значение Р , рисунок 2.5 б. В точке As радиальная сила приобретает значение Р\ и далее в точке А4 - Р[ и в точке А5 радиальная сила достигает максимального значения Р0.

Из графика на рисунке 2.6 видно, что радиальная сила Pi изменяется по закону близкому к линейному закону. Это качество является достоинством подшипника качения. После достижения максимального значения радиальная сила уменьшается аналогичным образом. Получены новые знания о физических процессах изменения радиальных сил в подшипниках качения. Максимальное значение радиальной силы определяется по схеме Штрибека, когда вертикальная сила Q воспринимается нечетным числом рабочих тел качения 3. Предложенная расчетная схема характеризует рабочее состояние подшипника при четном числе рабочих тел качения 4. Таким образом, при работе подшипника качения с периодичностью по углу поворота =0,5 происходит постоянное чередование двух расчетных состояний четного и нечетного. Для рассмотренного ранее подшипника качения с числом тел качения z = 36 (Рисунки 2.2-2.4) число рабочих тел качения по нечетной схеме 17, для четной 18.

В реальных условиях работы машин, т.е. в динамике нагрузки на тела качения являются нестационарными. При работе подшипника качения происходит постоянное перераспределение нагрузок по телам качения расположенным в нижней половине подшипника качения с учетом присутствия в нижней точке подшипника тела качения либо его отсутствия [143, 144, 145]. Вал проседает с внутренним кольцом с высокой частотой. При перекатывании тел качения в подшипнике происходит изменение нагрузок действующих на эти тела. Это механическое явление является главной причиной накопления усталости в материалах тел качения и колец подшипника качения. При этом даже в идеально изготовленном подшипнике качения данное явление всегда присутствует, и постоянное изменение нагрузок в подшипнике качения за счет движения тел качения в течение длительного времени работы центробежного насосного агрегата приведет к усталостному зарождению и развитию дефектов в подшипнике качения и в конечном итоге к его полной деградации и остановке центробежного насосного агрегата для проведения ремонтных работ.

Контроль стадийного накопления повреждений деталей по амплитудам выбросов вибрации

Проводимая эксплуатация центробежных насосных агрегатов под контролем системы сбора экспериментальных данных по изменению уровня вибрации позволила сделать выводы о характере процесса деградации узлов и деталей в режиме реального времени [71, 82, 101]. Как было рассмотрено в параграфе 3.3, система сбора экспериментальных данных проводит измерение вибропараметров, выполняет сравнение их с пороговыми значениями для градации технического состояния, осуществляет поиск выбросов вибрации, их запись и далее по обнаруженным выбросам выполняется построение тренда выбросов и отслеживается весь процесс повреждения деталей до момента вывода агрегата из эксплуатации.

Эксплуатация центробежных насосных агрегатов под контролем системы согласно методики контроля за стадийной деградацией деталей по росту амплитуд выбросов вибрации позволила экспериментально подтвердить теоретические результаты, рассмотренные в пункте 2.5.

Рассмотрим применение разработанной методики на примере деградации заднего (полевого) подшипникового узла электродвигателя ВАО2-450LB-2 (Рисунок 3.2). На представленном 4-х суточном тренде, более суток уровень вибрации оставался практически неизменным, уровень виброускорения находился в районе 2,3 м/с2 и в 25:50:00 экспериментальная установка зафиксировала увеличение виброускорения до 3,9 м/с2. В автоматическом режиме проведено сравнение вновь измеренного значения вибрации с пороговым значением определения выброса (Рисунок 3.2, тренд III) установленного в системе на превышение 20% от текущего плавного значения тренда вибрации, при этом превышение самого порога составило 19% и соответственно данное увеличение вибрации зафиксировано экспериментальной установкой как первый выброс (Рисунок 3.2, выброс 1). Далее в 26:50:00 экспериментальной установкой зафиксирован второй выброс вибрации (Рисунок 3.2, выброс 2) и в соответствии с методикой, выдано экспертное предупреждение о наличии в приводном электродвигателе центробежного насосного агрегата процесса стадийной деградации узлов и деталей и необходимости усиления контроля за техническим состоянием агрегата. Начиная со второго выброса вибрации в соответствии с методикой выполняются расчеты диагностических признаков относительной амплитуды выбросов вибрации Вn по формуле 2.25 и относительных приращений амплитуд выбросов вибрации Cn по формуле 2.26. Проводим построение трендов по расчетным значениям точек Вn , Cn . (Рисунок 3.5, 3.6). При пятом зафиксированном выбросе вибрации (Рисунок 3.2, выброс 5) в 31:10:00 диагностические параметры В5 и C5. (Рисунок 3.5, 3.6, позиция 5) выходят в зону «Требует принятия мер» установленную на уровне 25% превышения от базового уровня. Достижение порога «Требует принятия мер» говорит о необходимости планирования ремонтных работ. Дальнейший анализ полученных экспериментальных результатов показал, что достижение порога «Требует принятия мер» диагностическими параметрами относительной амплитуды выбросов вибрации Вn и относительных приращений амплитуд выбросов вибрации Cn произошло с опережением практически на 52 часа (51 час 40 минут), момента времени, когда основной диагностический параметр - виброускорение при 39 выбросе (Рисунок 3.2, тренд I, выброс 39) превысил порог «Требует принятия мер», установленный в соответствие с действующими нормативными документами [38, 60].

При седьмом зафиксированном выбросе (Рисунок 3.2, тренд I, выброс 7) отношение амплитуд выбросов вибрации В7 и относительные приращения амплитуд выбросов вибрации C7 (Рисунок 3.5, 3.6, позиция 7) превысили порог «Недопустимо» установленный на 50% выше базового уровня. В соответствии с методикой эксперимента достижение порога «Недопустимо» соответствует техническому состоянию, при котором необходимо прекратить эксплуатацию центробежного насосного агрегата. Дальнейший анализ показал, что предлагаемые диагностические признаки рассчитанные при появлении седьмого выброса (В7, C7) на 51 час раньше предупредили персонал о необходимости прекращения эксплуатации центробежного насосного агрегата, что и было сделано при 46 выбросе (Рисунок 3.2, тренд I, выброс 46), при котором виброускорение превысило порог «Недопустимо», установленный в соответствие с действующими нормативными документами [38, 60]. При проведении ремонтных работ по электродвигателю был установлен факт разрушения заднего подшипника типа «317».

В представленном эксперименте в течение 62 часов наблюдался процесс стадийной деградации деталей подшипника качения типа «32317» приводного электродвигателя центробежного насосного агрегата. Система сбора экспериментальных данных зафиксировала 46 выбросов вибрации в соответствии с методикой определения выброса. При проведении этого эксперимента уровень вибрации при 39 - 43 выбросах превысили порог «Требует принятия мер» установленный согласно действующим нормам [38, 60]. При использовании стандартного подхода к определению технического состояния центробежных насосных агрегатов необходимость принятия мер, планирование ремонтных работ, стало возможно только за 5 часов до остановки насоса, что и было сделано при 46 выбросе вибрации, так как был превышен порог «Недопустимо» (Рисунок 3.2, тренд I, выброс 46), согласно действующим нормам.

Методика контроля технического состояния центробежного насосного агрегата основанная на выделении выбросов вибрации и последующего расчета диагностических признаков относительной амплитуды выбросов вибрации (Вn) и относительного приращения амплитуд выбросов вибрации (Cn) позволяет отслеживать зарождение, развитие и прирост дефектов в деталях подшипника качения центробежного насосного агрегата на протяжении всего периода его эксплуатации [141].

Диагностический признак относительной амплитуды выбросов вибрации (Bn) позволяет следить за процессом изменения состояния деталей и узлов на каждой стадии деградации относительно начального уровня, установленного по амплитуде первого выброса и учитывать эти данные на протяжении всего периода эксплуатации, то есть проводить упреждающую долговременную диагностику [141].

Диагностический признак относительного приращения амплитуды выбросов вибрации (Cn) позволяет следить за процессом изменения состояния деталей на каждой стадии деградации относительно изменения на предыдущей стадии и учитывать эти данные для оперативного принятия решения и обеспечения безопасной эксплуатации центробежного насосного агрегата, проводить оперативную диагностику [141].

Разработанная методика контроля за изменением технического состояния центробежного насосного агрегата основанная на контроле за стадийной деградацией деталей по росту амплитуд выбросов вибрации позволила своевременно установить наличие процесса стадийного усталостного разрушения в деталях и узлах центробежного насосного агрегата при появлении второго выброса вибрации (Рисунок 3.2, тренд I, позиция 2). Рассматриваемый эксперимент позволил выполнить упреждающий диагноз, более чем за 60 часов до остановки центробежного насосного агрегата, зафиксировать процесс стадийного повреждения деталей и узлов. Используя данную методику, путем отслеживания приближения процесса усталостного разрушения к критической отметке соответственно, имеется возможность принятия мер к обеспечению безаварийной эксплуатации центробежного насосного агрегата: вести мониторинг технического состояния, обеспечивать своевременное планирование ремонта и плановый вывод из эксплуатации для выполнения ремонтных работ [141].

Методика контроля стадийного накопления повреждений деталей по росту амплитуд выбросов вибрации в отличие от традиционного подхода к контролю уровня вибрации позволяет:

- фиксировать выбросы вибрации, записывать их как стадии повреждения деталей и узлов центробежного насосного агрегата в течение всего периода его эксплуатации от ремонта до ремонта;

- устанавливать начальный (стартовый) уровень повреждений деталей и узлов центробежного насосного агрегата по амплитуде первого выброса вибрации (А1) и относительно первого выброса учитывать степень повреждения деталей и узлов, в течение всего жизненного цикла насосного агрегата;

- определить степень повреждения деталей и узлов центробежного насосного агрегата относительно начального уровня, используя отношения амплитуд последующих выбросов вибрации (Аn) к амплитуде первого выброса вибрации (А1), согласно формулы (2.24), обеспечивать долговременную диагностику во время всего периода эксплуатации

Промышленное применение алгоритмов контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата

Разработанные методики внедрены при участии автора в системы мониторинга технического состояния и автоматической диагностики. Рассмотрим несколько примеров работы системы мониторинга технического состояния и автоматической диагностики на основе алгоритмов контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата.

Пример № 1. На тренде вибрации, представленном на рисунке 4.10, показана деградация подшипника качения (46318) в течение 3 суток. Первый выброс вибрации произошёл в 33:22 с амплитудой 6,4 м/с2, с последующим снижением вибрации до первоначальных значений. Выброс вибрации показал, что в переднем подшипнике насоса идет развитие дефекта, согласно методики определения технического состояния, п.3.4, классифицируем техническое состояние насоса как «Допустимо» и при последующих выбросах 2 – 20 (Рисунок 4.10, 4.11).

Выбросы вибрации 21 – 26 соответствуют техническому состоянию «Требует принятия мер» и выбросы 27, 28 состоянию «Недопустимо». При 28 выбросе в 72:08 эксплуатация агрегата была прекращена (Рисунок 4.10, 4.11).

Уже при третьем выбросе вибрации в 38:47, диагностические признаки обнаружения и контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата, по росту амплитуд выбросов вибрации и изменению длительности интервалов между выбросами вибрации показали, что техническое состояние насоса «Недопустимо» и необходимо принимать меры к прекращению его эксплуатации (Рисунок 4.12, 4.13, 4.14, 4.15). Таким образом, по всем четырем диагностическим признакам стадийной деградации, за 33 часа до остановки насосного агрегата, система предупредила персонал о необходимости прекращения его эксплуатации.

Результаты упреждающего прогноза согласно методики прогнозирования времени появления выбросов вибрации и перехода технического состояния центробежного насосного агрегата в «Требует принятия мер» и «Недопустимо» по выбросам вибрации показаны в таблицах 4.1, 4.2, 4.3.

При долгосрочном прогнозе (Таблица 4.1, 4.3) средняя погрешность времени появления выбросов составила 1,7% (1:02:38) и 2,7% (1:35:12) для перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» и «Недопустимо». По данным 28 выбросов при долгосрочном прогнозе было выполнено 15 точных прогнозов выбросов вибрации. Методика прогноза позволяет рассчитывать последующие выбросы после появления второго выброса. По 18 выбросам прогнозируемые выбросы находятся за периодом эксплуатации насосного агрегата (Таблица 4.1, 4.3).

При оперативном прогнозе (Таблица 4.2, 4.3) средняя погрешность времени появления выбросов составила 1,1% (0:35:22) и 1,2% (0:44:49) для перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» и «Недопустимо». По данным 28 выбросов при оперативном прогнозе было выполнено 32 точных прогноза выбросов вибрации, по 1 выбросу прогноз выходит за пределы периода эксплуатации насосного агрегата и у 4 выбросов не выполняется условие Аi Аi-1 (Таблица 4.2, 4.3).

Методика прогнозирования времени появления выбросов вибрации и перехода технического состояния центробежного насосного агрегата в состояния «Требует принятия мер» и «Недопустимо» по выбросам вибрации позволила рассчитать 22 выброса вибрации со средней погрешностью вычисления наработки до появления выброса 59:30 минут (1,7%).

Пример №2. Системой мониторинга зафиксирована стадийная деградация приводного электродвигателя ВАО-500L-2 центробежного насосного агрегата (Рисунок 4.16). Контроль состояния электродвигателя проводился в автоматическом режиме по предложенным методикам [141, 142]. Рассмотрим основные результаты работы системы.

Более чем за 12 дней до вывода агрегата из эксплуатации в ремонт, при 2-ом выбросе вибрации, система предупредила персонал о наличии в контролируемом оборудовании процесса стадийной деградации и необходимости прекращения работы, так как диагностические признаки по росту амплитуд выбросов вибрации (Bn, Cn) при этом превысили порог «Недопустимо» для эксплуатации.

В данном примере появление выбросов вибрации было редким событием, и диагностические признаки обнаружения и контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата по изменению длительности интервалов между выбросами вибрации не сработали. Минимальный интервал при этом составил чуть меньше 4-х часов.

Всего системой зафиксирован 21 выброс вибрации, из них 16 соответствуют техническому состоянию «Недопустимо», 3 техническому состоянию «Требует принятия мер» по параметру относительной амплитуды выбросов вибрации (Bn) и 3 «Недопустимо», 3 «Требует принятия мер» по параметру относительного приращения амплитуд (Cn) выбросов вибрации.

Данный пример иллюстрирует универсальность предложенной методики. Применение различных диагностических признаков с разными физическими свойствами позволили своевременно зафиксировать процесс стадийной усталостной деградации и контролировать его дальнейшее развитие.

В данном примере при долгосрочном прогнозе 14 расчетов предсказали появление выбросов вибрации со средней погрешностью 1%, чуть более 7 часов. При оперативном прогнозе 15 расчетов дали положительный результат со средней погрешностью 1,5%, что составляет 10 часов 45минут.

Представленные примеры показали результаты промышленного применения разработанных методик обнаружения и контроля процесса стадийного накопления повреждений и деградации деталей центробежного насосного агрегата, по росту амплитуд выбросов вибрации и изменению длительности интервалов между выбросами вибрации, прогнозирования времени появления выбросов вибрации и перехода технического состояния центробежного насосного агрегата в «Требует принятия мер» и «Недопустимо».

Научная новизна разработанных методик подтверждена патентами РФ на изобретения:

- Патент РФ № 2540195 от 10.02.15 г. «Способ диагностики повреждения деталей машин» [141];

- Патент РФ № 2606164 от 10.01.17 г. «Способ диагностики повреждения деталей машин» [142].