Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи автоматизированной вибродиагностики машинного оборудования 12
1.1. Системы технического обслуживания машинного оборудования 12
1.2. Методы диагностики технического состояния машинного оборудования по вибрации 17
1.2.1. Свойства вибрационного сигнала роторного машинного оборудования 19
1.2.2. Нормирование вибрации для распознавания технического состояния машинного оборудования 19
1.2.3. Определение технического состояния с помощью вибродиагностики 20
1.3. Современное состояние технических и программных средств диагностики машинного оборудования по вибрации 21
1.3.1. Технические средства диагностики машинного оборудования по вибрации.. 22
1.3.2. Программные средства диагностики машинного оборудования по вибрации 23
1.4. Формулировка основных задач работы 31
2. Математическое, алгоритмическое и информационное обеспечение вибродиагностики машинного оборудования 35
2.1. Математическое описание вибросигнала 35
2.1.1. Спектр периодической аналоговой функции 36
2.1.2. Дискретное задание функции 37
2.1.3. Дискретное и быстрое преобразование Фурье 38
2.1.4. Важные частотно-временные соотношения вибросигнала 39
2.1.5. Вычисление СКЗ.. 40
2.2. Алгоритм автоматизированного поиска дефекта по распределению мощности в спектре вибросигнала 41
2.2.1. Поиск дефектного узла 44
2.2.2. Поиск дефекта с использованием маски 47
2.3. Информационное обеспечение автоматизированной вибродиагностики машинного оборудования 50
2.3.1. Информационное обеспечение и база данных измерений 52
2.3.2. Разработка базы данных узлов машинных агрегатов 56
2.3.3. Разработка базы данных дефектов 57
2.4. Выводы по главе 2 61
3. Программное обеспечение вибродиагностики машинного оборудования 64
3.1. Назначение и структура программного комплекса «Вибродефект» 64
3.2. Компоненты и функции программного комплекса «Вибродефект» 67
3.2.1. Блок автоматизированной диагностики 67
3.2.2. Ведение базы данных измерений 68
3.2.3. Создание маршрута и обмен информацией со сборщиком данных 72
3.2.4. Работа с вибросигналом 74
3.2.5. Работа со спектром 77
3.2.6. Работа с графическим представлением орбиты вибросигнала 83
3.3. Выводы по главе 3 85
4. Разработка и апробация методики автоматизированной вибродиагностики 86
4.1. Методика проведения вибродиагностики 86
4.2. Диагностика центробежного компрессора К250-61-5 (ИркАЗ) 87
4.2.1. Конструкция компрессора и расположение точек измерения 87
4.2.2. Проведение анализа виброизмерений 88
4.3. Диагностика электродвигателя АЭ92-402 (ВСЖД). 95
4.3.1. Кинематическая схема электродвигателя и расположение точек измерения 96
4.3.2. Конструктивные параметры электродвигателя 96
4.3.3. Анализ результатов виброизмерений 97
4.4. Диагностика электродвигателя АО 102-4 (ИркАЗ) 102
4.4.1. Кинематическая схема электродвигателя и расположение точек измерения 102
4.4.2. Конструктивные параметры электродвигателя 102
4.4.3. Анализ результатов виброизмерений 103
4.5. Выводы по главе 4 107
Заключение. 109
Список используемой литературы 112
Приложение 1 122
Приложение 2 124
Приложение 3 134
Приложение 4 135
- Системы технического обслуживания машинного оборудования
- Информационное обеспечение и база данных измерений
- Работа со спектром
- Анализ результатов виброизмерений
Системы технического обслуживания машинного оборудования
Одной из важнейших составляющих современных методов обслуживания машинного оборудования является техническая диагностика, включающая вибродиагностику, поэтому в 70-х - 90-х годах это направление интенсивно развивалось как за рубежом, так и в нашей стране [3,6,12, 13, 14].
Особо можно отметить газовую, нефтеперерабатывающую, нефтехимическую промышленность и энергетику. В 90-е годы именно эта отрасль, благодаря таким организациям как Центрхиммаш, ВНИИПИнефть, Интер-техдиагностика, НИИхиммаш г. Москва и НИИхиммаш г. Иркутск, «Диа-мех», ИТЦ «Оргтехдиагностика», ОАО «ВАСТ», продолжает интенсивно разрабатывать и внедрять современные методы обслуживания оборудования, включая обслуживание по фактическому состоянию [24, 32, 39, 55].
В настоящее время на предприятиях применяются три метода технического обслуживания (ТО) оборудования.
Реактивное техническое обслуживание - метод обслуживания, при котором ремонт или замена оборудования производится в случае, когда оно выходит из строя (рис. 1).
В основном это касается дешевого вспомогательного машинного оборудования при наличии его резервирования, когда замена оборудования дешевле, чем затраты на его ремонт и обслуживание. В отсутствии резервирования на время ремонта производственный процесс приходиться останавливать.
В этом случае максимально используются эксплуатационные возможности машинного оборудования до перехода в предельное состояние. Однако так как определение текущего технического состояния не ведется, то это приводит к следующим проблемам:
внеплановые простои из-за внезапных отказов и возможно продолжительный ремонт из-за серьезных дефектов;
при одновременном отказе нескольких агрегатов на различном машинном оборудовании необходимость в ремонтных работах может превысить возможности ремонтной службы.
Планово-профилактическое обслуживание и ремонт - метод обслуживания, основой которого является плановое периодическое проведение профилактических работ различного объема на оборудовании. При таком подходе в заранее определенные сроки, в зависимости от наработки или по графику, машинное оборудование выводится из эксплуатации и производится его обслуживание, а при необходимости ремонт с заменой отдельных узлов и деталей. В этом случае не используются полностью эксплуатационные возможности машинного оборудования находящегося в работоспособном состоянии. При планировании нормативными документами закладывается одинаковое время нахождения в исправном состоянии для однотипного оборудования.
Такой метод не учитывает различия в изготовлении, техническом обслуживании и условиях эксплуатации оборудования, что приводит, с одной стороны к его простою, излишним затратам на ремонт и замену исправных узлов, а с другой стороны, не исключает внезапные отказы и связанные с ними расходы. Не менее 50% из числа всех технических обслуживании при этом методе выполняются без фактической их необходимости (Р/РМ Technology magazine, 98). Кроме того, для многих машин техническое обслуживание и ремонт (ТОиР) не снижает частоту выхода их из строя (рис. 2).
Более того, надежность работы машинного оборудования после технического обслуживания, если оно предусматривает разборку механизма или замену деталей, часто снижается, иногда временно, до момента их приработки, а иногда это снижение надежности обусловлено появлением отсутствовавших до обслуживания дефектов монтажа. Исследования показали, что порядка 70% дефектов вызвано обслуживанием машинного оборудования (Р/РМ Technology magazine, Apr 98).
Техническое обслуживание по фактическому состоянию - метод обслуживания, при котором ТОиР проводится в случае, когда это необходимо в связи с наступлением высокой вероятности отказа оборудования. Состояние машин и механизмов контролируется с постоянным периодом (при отсутствии диагностических признаков дефектов), или с изменяющимся периодом, в зависимости от результатов диагноза и прогноза технического состояния (Рис. 3).
Это позволяет добиться максимального времени нахождения машинного оборудования в работоспособном состоянии и своевременного определения зарождающихся дефектов. Достоинством такого обслуживания является возможность минимизации ремонтных работ и увеличения на 25 - 40% [99] межремонтного ресурса по сравнению с планово-профилактическим методом обслуживания.
Сравнительный анализ различных методов обслуживания машинного оборудования роторного типа, по данным Ассоциации Открытых Систем Управления Информацией о Состоянии Машин "MIMOSA", показал, что удельные затраты на техническое обслуживание в энергетическом секторе США составили в 1998г. [1]:
$18 на л.с. - при работе машинного оборудования до выхода из строя;
$13 на л.с- при планово-профилактическом обслуживании;
$ 9 на л.с. - при обслуживании по фактическому состоянию.
Однако основным методом обслуживания на предприятиях в настоящее время является планово-профилактическое ТоиР.
Для предприятий химической и нефтеперерабатывающей промышленности в настоящее время в зависимости от уровня развития диагностических средств и служб, наработанного опыта эксплуатации и вида машинного оборудования, используются два варианта технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию:
планово-диагностический ремонт с планированием сроков ремонта (ПДР-І). Этот метод предполагает использование для технического обслуживания и ремонта календарные графики планово-профилактического ТОиР. Освидетельствование технического состояния машинного оборудования проводится, как правило, без его остановки, специально назначенной комиссией. По результатам проверки в течение срока, не превышающего время его предполагаемого остановочного ремонта, дается заключение о возможности дальнейшей эксплуатации данного оборудования или о выводе его в ремонт;
планово-диагностический ремонт с планированием сроков диагностических проверок (ПДР-ІІ). Этот метод предполагает отказ от календарного планирования сроков ремонта для каждой единицы машинного оборудования, сохраняя календарное планирование для диагностических проверок. Сроки и объемы ремонтных работ планируются на основании информации о техническом состоянии агрегатов, полученные методами технической диагностики.
Информационное обеспечение и база данных измерений
Разрабатываемая информационная система диагностики машинного оборудования предприятия должна решать следующие функциональные задачи:
сбор, предварительная обработка, накопление и хранение данных виброизмерений;
диагностика состояния машинного оборудования в процессе эксплуатации по вибрации.
представление пользователю информации (отчеты, диаграммы, числовые значения и т.д.) о вибрационном и техническом состоянии отдельных узлов агрегатов и агрегатов в целом. Выдача должностным лицам различного уровня рекомендаций для принятия решений о сроках и периодичности проведения технического обслуживания и ремонта машинного оборудования.
Схема функционирования информационной системы диагностики приведена на рис. 7. Для решения вышеперечисленных задач необходимо обеспечение системы всей требуемой информацией. Поэтому для определения информационных потребностей системы:
1. Были определены границы предметной области. В нашем случае областью применения системы является любое предприятие, имеющее машинное оборудование с вращательным движением силовых узлов.
2. Выделены объекты и явления, связанные с проведением диагностики и работой реального предприятия, их характеристики и взаимосвязи.
3. Проанализированы возможные информационные потребности потенциальных пользователей, в частности экспертов по диагностике Иркутского алюминиевого завода.
4. Учтена возможность расширения системы для осуществления в дальнейшем процедур мониторинга и прогноза состояния машинного оборудования. Помимо подсистемы «Диагностика» на рис. 7 представлены подсистемы «Мониторинг» и «Прогнозирование», которые используют единую базу данных.
После предварительного отбора вся совокупность необходимых данных была условно разделена на группы:
1. Сведения, описывающие группировку машинного оборудования по предприятию (цеха, участки, рабочие места и т.д.), а также информация о машинном оборудовании, в составе которого находятся агрегаты, подлежащие контролю;
2. Данные по агрегатам и их составу, вплоть до точек, на которых планируется проведение измерений. Всю совокупность этих сведений можно представить в виде нескольких иерархически взаимосвязанных между собой уровней;
1-й уровень: данные об агрегате (например: магистральный насос), за техническим состоянием которого ведется контроль;
2-й уровень: сведения об узлах агрегата (например: электродвигатель, муфта, редуктор и т.д.);
3-й уровень: сведения об элементах узла агрегата (например: подшипники качения или скольжения и т.д.);
4-й уровень: контрольные точки на элементах узла агрегата, в которых осуществляется замер данных вибрации в определенном направлении (вертикальное, горизонтально - поперечное, осевое).
3. Диагностические данные, которые представляют собой численные результаты измерений вибрации в контрольных точках в определенном направлении и хранящиеся в виде выборок отсчетов вибросигнала для каждой точки измерения;
4. Данные о сборщике данных СК-1100 (СК-2300).
5. Данные по маршрутам измерений точек агрегатов.
6. Вспомогательные сведения, обеспечивающие математическое обеспечение диагностики.
Работа со спектром
Для проведения ручной диагностики большое значение имеет работа со спектром вибросигнала. В связи с этим в состав ПКВ включено окно «Спектр». Это окно отображает спектр вибросигнала и позволяет выполнять следующие действия:
просматривать спектр с различным масштабом;
исследовать спектр с помощью двух курсоров;
отображать на спектре заданное количество пиков;
отображать на спектре гармоники, субгармоники и дробные гармоники любой полосы спектра;
просматривать, изменять и уточнять расположение оборотной частоты (частоты вращения вала в исследуемой точке);
просматривать расположение основных частот узлов;
просматривать расположение боковых частот узлов;
выполнять распечатку спектра на принтере;
сравнивать исследуемый спектр с опорным.
Спектр вибросигнала может быть получен из вибросигнала, находящегося в окне «Волна». Поскольку для отображения спектра в программном комплексе используется отдельное окно, то для получения спектра вибросигнал передается в окно спектра. В случае выбора пользователем режима «каскад спектров», вибросигнал делится на несколько отрезков равной длины, число которых указывает пользователь. Кроме вибросигнала, в окно спектра передается информация о шаге дискретизации вибросигнала, оборотной частоте, количестве спектров в каскаде.
Спектр вибросигнала получается из вибросигнала с помощью быстрого преобразования Фурье, при количестве отсчетов равном 2П, где п - целое положительное число (2.1.3). В большинстве случаев количество отсчетов вибросигнала равно 2П, однако при получении каскада спектров возможно появление отрезков вибросигнала, число отсчетов в которых не равно 2П. В этом случае, получение спектра выполняется с помощью дискретного преобразования Фурье.
По способу просмотра спектра, нанесению линий координатной сетки, изменению масштаба просмотра окно «Спектр» аналогично окну «Волна». В правой части окна отображается значение СКЗ спектра, полученное по формуле (2.5). В том случае, если просматривается только часть спектра, то отображается и значение СКЗ просматриваемой области.
Основные функции окна
Частоту и амплитуду какого-либо пика спектра можно определить с помощью курсора. Использование двух курсоров позволяет определить расстояние между двумя пиками спектра. При этом на окне, отображается расстояние между курсорами, как по амплитуде, так и по частоте (рис. 16). Фиксация первого курсора выполняется щелчком левой кнопки мышки, а второго - клавишей «Ctrl». В окне «Спектр» имеется режим работы с двумя курсорами, при котором перемещение одного курсора в горизонтальном направлении вызывает сдвиг второго курсора на такое же расстояние в горизонтальном направлении. Такой способ управления курсорами удобно использовать для поиска боковых частот.
Окно «Спектр» позволяет отображать на графике спектра частоты, имеющие максимальную амплитуду (пики). При вызове этой функции, помимо отображения пиков на графике, строится таблица, со списком амплитуд и частот, найденных пиков (рис. 17). Количество отображаемых пиков задается пользователем. Имеется возможность отображать на графике гармоники и субгармоники той частоты, на которой установлен курсор.
При исследовании спектра вибросигнала важно то, насколько правильно задана оборотная частота. При получении спектра из волны или загрузки его из БД измерений, используется значение оборотной частоты, рассчитанное для данной точки при создании кинематических связей машины. Однако реальное значение оборотной частоты может отличаться от расчетного, поэтому в окне «Спектр» предусмотрена возможность изменения значения оборотной частоты (двойной щелчок в любой точке графика).
При проведении диагностики в неавтоматизированном режиме, большую роль играет работа с основными частотами узлов. В связи с этим в окно «Спектр» включен инструмент для отображения основных частот различных узлов. С его помощью, пользователь может вызвать отображение на графике основных частот того или иного узла (рис. 18). При этом в окне «Спектр» отображается значение «мощности узла» (2.2.1) полученное по формуле (2.16). Каждая отображаемая частота имеет маркер.
В окне «Спектр» предусмотрена функция сравнения текущего спектра с опорным спектром. Ее удобно применять для выявления отклонений текущего спектра от спектра, полученного в этой же точке измерения на исправном машинном оборудовании. На рис. 19 приведен результат сравнения спектра вибросигнала, полученного на неисправном редукторе компрессора со спектром вибросигнала, полученным ранее, в той же точке измерения, при полностью исправном редукторе.
При диагностике машинного оборудования в момент пуска или останова, например для поиска резонансов при переходных процессах (разгон, выбег машинного агрегата), важно наглядно представить изменение спектра во времени. Для этого окно «Спектр» оснащено режимом отображения каскада спектров.
При получении каскада спектров, исходный вибросигнал делится на несколько временных отрезков равной длины. Количество отрезков предварительно указывается пользователем. Затем выполняется расчет спектра для каждого отрезка вибросигнала, и полученные спектры отображаются в окне «Спектр» (рис. 20) Все операции, выполняемые окном над единичным спектром, выполняются и над каскадом спектров.
Анализ результатов виброизмерений
После проведения виброизмерений и сохранения информации в «БД измерений» сравниваем СКЗ вибросигналов в точках 1 и 2 для различных направлений.
Наибольшее СКЗ имеет вибросигнал, снятый в вертикальном направлении, в точке №1. Поэтому проведение анализа начинаем с получения спектра для этого измерения (рис. 34).
Уровень вибрации на частотах выше 1500 Гц очень мал, поэтому, изменив границы просмотра с помощью инструмента «лупа» приступаем к определению дефекта в неавтоматизированном режиме. Источником повышенной вибрации может служить статор, ротор электродвигателя, либо подшипник №70-2315КМШ. Подшипник №315 не может быть источником повышенной вибрации в точке №1 т.к. СКЗ вибросигнала в точке №2 значительно ниже. Используя информацию о конструктивных параметрах электродвигателя и подшипников качения, получим их основные частоты.
С помощью разработанных инструментов отображаем на спектре вибросигнала маркеры основных частот электродвигателя и подшипника качения №70-2315КМШ (рис. 35). На рисунке видно, что высокое значение имеет амплитуда вибрации на частоте вращения вала двигателя (квадратный маркер). Кроме того, имеются пики на некоторых основных частотах подшипника. Пиков на основных частотах электродвигателя не наблюдается. Это дает повод предположить, что источником вибрации служит механическая часть двигателя. Значительный пик на частоте вращения вала говорит о дисбалансе, неуравновешенности вращающейся детали, в данном случае ротора, а возможно о его изгибе. Однако присутствие на спектре пиков на некоторых основных частотах подшипника качения позволяет сделать вывод о том, что появление высокого пика на частоте вращения вала является следствием износа подшипника.
Для уточнения состояния подшипника используем инструмент «частоты подшипников», отображающий на спектре основные частоты подшипников, их гармоники, а так же боковые частоты (рис. 36). На рисунке видно, что спектр имеет пики на частотах FTF, BPFo, BPFo - Fl, BPFo + Fl. Такому набору частот по «классификатору» соответствуют дефекты: а) дефект сепаратора; б) дефект наружного кольца.
При проведении автоматизированной диагностики, выполняется расчет МД для различных дефектов. После расчета, МД сортируются в порядке убывания, и отображается список возможных дефектов (рис. 37). Из рисунка видно, что наибольшей мощностью обладают дефекты, приводящие к появлению пика на частоте вращения вала, такие как, дисбаланс, несоосность и т.п.
Таким образом, в результате проведения автоматизированной и неавтоматизированной диагностики появилось предположение о неуравновешенности или перекосе вращающихся частей двигателя. Кроме того, проведение неавтоматизированной диагностики позволило предположить, что повышенная вибрация на частоте вращения вала является следствием неисправности подшипника.
После разборки электродвигателя был обнаружен повышенный люфт подшипника №70-2315КМШ, и после его замены уровень вибрации электродвигателя в обеих точках уменьшился в 2 раза (рис. 38).
