Разработка и внедрение технических средств вибрационного контроля и диагностики энергомеханического оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, доктор технических наук в форме науч. докл. Зусман, Георгий Владимирович

• Зусман, Георгий Владимирович
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Зусман, Георгий Владимирович

Актуальность работы. Основным методом повышения технико-экономических показателей работы промышленного оборудования в настоящее время является переход от обслуживания по фиксированному ресурсу к обслуживанию по фактическому состоянию (диагностический подход). Такой переход обеспечивает более полное использование индивидуальных возможностей конкретного агрегата и снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт в среднем на 30%. Получение объективной информации о текущем состоянии оборудования и прогнозирование ресурса его работы достигается методами технической диагностики. Вибрационная диагностика (вибродиагностика) одно из направлений технической диагностики, использующее в качестве диагностических сигналов параметры механических колебаний механизмов. Механические колебания, или вибрации, практически мгновенно отражают изменения состояния объекта. Вибрация является важным показателем состояния оборудования и позволяет выявить значительную часть дефектов механической системы агрегатов. Вибродиагностические методы незаменимы для обнаружения дефектов, связанных с качеством ремонтных работ, например, при выявлении неуравновешенности, расцентровок, задеваний, износов.

Вибродиагностические системы, разрабатываемые и используемые в различных отраслях промышленности, можно разделить на следующие основные группы: • Системы периодического контроля, анализа и диагностирования, в состав которых входят универсальные переносные средства измерения вибрации и программные продукты, ориентированные на работу специалистов по вибродиагностике. Такие системы широко распространены в промышленности и производятся многими предприятиями: "CSI", "DLI" (США), "Shenk", "Pruftechnik" (Германия), НТЦ "ВиКонт", "Диамех" (Россия) и другими.

Контрольно-сигнальные стационарные системы с использованием средств измерения вибрации, входящих в структуру защиты оборудования. Стационарные системы производятся акими известными фирмами, как "Bently Nevada" (США),

Brul&Kaer" (Дания), "Shenk", "Pruftechnik" (Германия). В России стационарные системы выпускают НТЦ "ВиКонт", АО "Ростовэнергоремонт", НПЦ "Динамика" и другие. • Автоматические диагностические системы.

Последние не нашли применения из-за высокой стоимости и длительных сроков адаптации к конкретному оборудованию. Исключение составляют системы, работающие на нескольких десятках крупных турбоагрегатов, разработанные Уральским политехническим институтом, Всероссийским теплотехническим институтом и фирмой "ABB".

Несмотря на обилие аппаратных и программных средств измерения и анализа вибрации на практике часто не удается выявить наличие дефекта и предсказать его развитие. До настоящего времени в промышленности не было сертифицированных и эффективно работающих технических средств вибрационной диагностики.

Анализ показывает, что ошибки диагностики часто связаны с погрешностями измерения и неправильной интерпретацией вибросигнала, вызванными недостаточной температурной стабильностью вибропреобразователей, высокими уровнями шумов, пренебрежением особенностями вибрации машин в высокочастотной и низкочастотной областях, погрешностями определения дискретных составляющих вибрации при спектральном анализе, а также по причине недостаточного учета в диагностических системах специфики стохастических колебаний энергомеханического оборудования.

В целом, технические средства вибродиагностики должны обладать дополнительными функциональными возможностями, улучшенными точностными и частотными характеристиками по сравнению с контрольно-сигнальной или анализирующей аппаратурой.

Характеристики вибродиагностической аппаратуры должны определяться динамическими и конструктивными особенностями объекта диагностирования и влиянием на вибрацию возможных дефектов.

В настоящее время существующие возможности технических средств не позволяют использовать вибродиагностические методы при эксплуатации промышленного оборудования.

В связи с этим возникает крупная научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение: разработка теоретических основ проектирования и практическая реализация нового поколения технических средств вибродиагностики, позволяющих эксплуатировать промышленное оборудование по показателям технического состояния.

Решение указанной проблемы требует в свою очередь решения ряда научных, технических и организационных задач.

Первая группа задач связана с созданием новых моделей работы вибропреобразователей и разработкой методов синтеза технических средств, наиболее полно и точно учитывающих вибрационные процессы в промышленном оборудовании.

Вторая группа задач касается методической и аппаратурной реализаций, технических средств вибродиагностики для промышленных предприятий с учетом включения разработанных технических средств в структуру эксплуатации и ремонта, в частности, в определении оптимального сочетания переносных и стационарных средств и рекомендуемых характеристик аппаратуры для принятия решения о дальнейшей эксплуатации энергомеханического оборудования.

До недавнего времени указанные вопросы оставались недостаточно изученными, что создавало трудности при разработке систем достоверной вибродиагностики для различных классов промышленных агрегатов, особенно для машин средней мощности (менее 40 МВт).

Исходной базой для исследований и разработок явились труды ученых и специалистов: Бараша В.Я., Больших A.C., Васильевой Р.В., Гольдина A.C., Дедученко Ф.М., Дунаевского B.C., Зарицкого С.П., Застрогина Ю.Ф., Засецкого В.Г., Иори-ша Ю.И., Кораблева С.С., Петровича В.В., Рогачева В.М., Руно-ва Б.Т., Субботина М.И., Цеханского K.P. и многих других.

Цель и основные залами исследований и разработок. Целью работы является разработка и внедрение технических средств контроля и вибродиагностики, обеспечивающих переход к эксплуатации энергомеханического оборудования по техническому состоянию. Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи:

• выявить диагностические параметры для оценки технического состояния роторных машин по характеристикам случайных составляющих вибрации;

• создать математическую модель и методы расчета пьезоэлектрического виброизмерительного канала с учетом взаимодействия чувствительного пьезоэлемента и электронных схем;

• предложить методику проектирования виброканалов с характеристиками, позволяющими производить надежный виброконтроль и достоверную вибродиагностику оборудования и разработать виброканалы с повышенной температурной стабильностью, с малым уровнем шума, с возможностью измерения резкости, с расширенным динамическим диапазоном и малым временем восстановления после перегрузок;

• проанализировать влияние объекта (агрегата) на работу виброканала и разработать методы построения виброканалов, обеспечивающих достоверное измерение вибрации в области низких частот; повысить точность определения частоты, амплитуды и фазы дискретных спектральных составляющих, получаемых в результате преобразования Фурье по временной выборке ограниченного объема;

• разработать методику передачи сигналов с повышенной надежностью и помехоустойчивостью от виброканала до вторичных устройств;

• исследовать методы повышения точности вибропреобразователей (вихретоковых, пьезоэлектрических, ультразвуковых и оптических) в условиях внешних жестких воздействий;

• разработать и внедрить комплекс переносных и стационарных технических средств вибродиагностики энергомеханического оборудования, обеспечивающий надежный контроль и возможность перехода на техническое обслуживание по состоянию. Наладить серийный выпуск комплекса и его метрологическое обеспечение.

Методы исследований. Исследования и разработки выполнялись с использованием комплекса экспериментальных и теоретических методов анализа вибраций агрегатов и физики работы датчиков вибрации, а также на основе современных представлений о колебаниях в конструкциях. Экспериментальные исследования проводились как на реальных промышленных объектах, так и на вибростендах с моделированием реальных колебательных процессов.

Научную новизну работы составляют следующие полученные результаты:

1. Установлена зависимость технического состояния роторных агрегатов от параметров случайной составляющей вибрации при отсутствии случайных возмущений.

2. Предложена новая математическая модель пьезоэлектрического вибропреобразователя, из которой следует, что пьезоэлектрический элемент является генератором тока, пропорционального производной по времени от виброускорения (резкости).

3. На основе новой математической модели пьезоэлектрического вибропреобразователя разработаны методология синтеза и обобщенный метод расчета виброканалов с новыми свойствами.

4. Установлено, что причина появления в сигнале пьезоэлектрического вибропреобразователя низкочастотных составляющих, не отражающих колебательные процессы в агрегате, связано с интенсивностью высокочастотных составляющих вибрации, и предложена методология построения устройств, измеряющих реальную вибрацию машин.

5. Предложен метод повышения точности определения частоты, амплитуды и фазы дискретных спектральных составляющих вибрации после преобразования Фурье, основанный на учете боковых спектральных составляющих.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Получены критерии "тревожной" стохастичности вибрации роторных машин в отсутствии случайных внешних возмущений - 0,1 от модуля вектора виброскорости оборотной частоты, и значение эксцесса амплитуды виброскорости -более 3,2 и менее 2,7.

2. Разработаны новые методы проектирования и расчета виброканалов, позволяющие повысить температурную стабильность в ~5 раз, понизить в 2-3 раза уровень шума, повысить в -10 раз перегрузочную способность по высоким частотам, увеличить ~2 раза точность и расширить ~2 раза динамический диапазон, уменьшить на порядок время восстановления после перегрузок.

3. Разработаны вибродиагностические каналы измерения резкости без фазовых искажений, значительно повышающие достоверность диагностики подшипников качения и зубчатых зацеплений за счет повышения точности измерения высокочастотных составляющих вибрации.

4. Предложена методология проектирования и расчета погрешности помехоустойчивых устройств передачи на расстояние до 1000 м сигналов по кабелю питания вибропреобразователя на основе токовой двухпроводной линии.

5. Предложены динамические тестовые методы повышения (в ~2 раза) точности измерений вибрационных сигналов в условиях внешних жестких воздействий оптическими, пьезоэлектрическими, вихретоковыми и ультразвуковыми преобразователями, основанные на структурной избыточности.

6. На основе выполненных исследований разработан комплекс технических средств для контроля и вибродиагностики энергомеханического оборудования, лицензирован и налажен серийный выпуск новой аппаратуры, в том числе специализированных микросхем. В комплекс входят переносные приборы: миниатюрные виброметры типа "ВК", виброизмерительные коллекторы типа "ВИК", стационарная аппаратура "КАСКАД", программное обеспечение и система метрологического обеспечения (вибростенды и лазерный интерферометр). Элементы комплекса прошли государственные приемочные испытания и внедрены на многих предприятиях: электростанциях, нефтеперекачивающих станциях, газокомпрессорных станциях и других. Поставляются в качестве штатных систем контроля вибрации на заводы-изготовители турбин: Калужский турбинный завод, Невский завод, АО "Люлька-Сатурн". Совместно с российскими турбинами элементы комплекса эксплуатируются в СНГ и в разных странах мира (Италия, Чехия, Аргентина, Китай, Иран, Индия). Подтвержденный экономический эффект от внедрения комплекса технических средств на основе виброизмерительного коллектора ВИК (15 приборов) и аппаратуры КАСКАД (2 комплекта) совместно с программным пакетом АНТЕС (ВНИИГАЗ) только на предприятии "Севергазпром" составил 395 млн. рублей в 1995 году и 1700 млн. рублей в 1996 году.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

• критерии "тревожной" стохастичности вибрации роторных машин в отсутствии случайных внешних возмущений;

• новая математическая модель пьезоэлектрического вибропреобразователя, представляющая пьезоэлемент как генератор сигнала тока, пропорционального резкости;

• расчет пьезоэлектрического вибропреобразователя, учитывающий связь "пьезоэлемент-электронная схема";

• методология построения вибропреобразователей с повышенными температурной стабильностью, точностью, перегрузочной способностью, помехоустойчивостью, с низким уровнем шумов и малым временем восстановления после перегрузок и позволяющих измерять резкость без фазовых искажений;

• высокочастотная модель появления в сигнале пьезоэлектрического вибропреобразователя низкочастотных составляющих, реально не существующих в вибрации машин;

• метод передачи вибросигналов по кабелю питания вибропреобразователя, обеспечивающий помехоустойчивость и взрывозащиту вибродиагностических приборов;

• развитие и реализация динамических тестовых методов, основанных на структурной избыточности, для оптических, пьезоэлектрических, вихретоковых и ультразвуковых вибропреобразователей, работающих в условиях внешних жестких воздействий;

• метод и алгоритм уточнения амплитуды, фазы и частоты дискретных спектральных составляющих вибрации после преобразования Фурье, основанный на учете боковых составляющих;

• структура комплекса технических средств виброконтроля и диагностики, обеспечивающего переход на обслуживание энергомеханического оборудования по техническому состоянию.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на конференциях и симпозиумах в г. Минск (1989), г. Баку (1989), г. Комсомольск-на-Амуре (1991), г. Одесса (1996, 1997), г. Москва (1989-1996). На научных семинарах НИИ Интроскопии (1988-1992), ИМАШ РАН (1993),

ВНИИГАЗ (1995), "РгиПесЬшк" (Германия, 1992-1995), "СБГ (США, 1993), МДНТП (1987-1993), МГТУ им Н.Э. Баумана (1995-1997). Аппаратура демонстрировалась на многих международных выставках ("Нефть. Газ", г. Уфа, 1993, 1994, "Энергетика", г. С.-Петербург, 1994, "Метрология", г. Москва, 1993, "Мера", г. Москва, 1991, 1994, 1997 и других).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 48 печатных работ, в том числе 11 авторских свидетельств. Результаты отражены также в технических описаниях и технических условиях на элементы комплекса.

Автор выражает большую признательность ученым и специалистам ведущих организаций в области вибродиагностики: НИИ Интроскопии, ВНИИГАЗ, ЦКБэнерго, АО Мосэнерго, ИМАШ РАН, ЦНИИТМАШ и другим, творческие дискуссии и сотрудничество с которыми позволили автору правильно ориентироваться в сложном мире вибродиагностики.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Оценка технического состояния роторных машин по характеристикам случайных составляющих вибрации.

Мощным источником неопределенной изменчивости вибраций машин являются рабочие процессы, обусловленные выполнением технологических функций. Стохастичность вибрационных процессов характерна для объектов, в которых перемещается турбулентный поток, или связана с процессами регулирования технологических параметров. В общем случае вибрационные сигналы являются случайными и немарковскими, особенно для нестационарных режимов, при которых растут значения параметров изменчивости.

Для стационарных режимов работы энергомеханического оборудования также характерна стохастичность. В качестве примера на рис. 1 приведен двухчасовой тренд среднего квад-ратического значения (СКЗ) виброскорости турбоагрегата Т-100 в стационарном режиме при постоянных технологических параметрах. Как видно, СКЗ виброскорости имеет случайную составляющую.

Анализ вибрационных трендов различных агрегатов на стационарных режимах показал, что одним из признаков появления неисправности в машине является изменение параметров случайной составляющей вибрации. Для оценки технического состояния роторных машин по характеристикам случайной составляющей вибрации необходимо сформировать диагностические критерии.

Обычно случайные составляющие вибрации связываются со случайными внешними воздействиями рабочей среды и путем усреднения устраняются из диагностического анализа.

Однако в последние годы ряд исследователей обнаружили нерегулярные колебания в детерминированных динамических, в частности, механических, системах. Причем в сравнительно простых системах без случайных источников колебаний, возможно появление случайных колебаний. Это означает, что возможно появление случайных составляющих вибрации в общем спектре вибрации роторных машин.

Появление случайных составляющих вибрации, присущих самому механизму, следует из уравнения неавтономного осциллятора: х + 25(х,х,()± + 0(х,Ъ = 0 (1)

Частными случаями уравнения (1) являются известные уравнения Дуффинга, Хилла и Матье, которые применяются для описания колебаний роторных машин.

Для роторного механизма, представленного как двуопор-ный вал с диском, уравнение типа (1) может быть записано следующим образом: х + гу + 2^Лх + X2 х + / = ^ соб г

2) где

1д + т12' сорд+т12 х, у - координаты смещения вала по осям абсцисс и ординат; /п1> 1п2" нелинейные силы; /•" - вынуждающая сила; 1д - тангенциальный момент масс диска; /„ - полярный момент масс диска; £ - коэффициент демпфирования; т - масса диска; X - частотное отношение для вала; г - нормированное время; Ь - расстояние между подшипниками; / - расстояние от левого подшипника до диска; со - частота вращения вала; сокр - критическая частота вала.

Результаты численных решений уравнения (1) и экспериментальные результаты для модели приведены на рис. 2 для различных значений со/о)кр. Как видно, случайная составляющая существенна для вибрации реальных механизмов. Причем, в случае чисто периодического движения спектр вибрации состоит из частот со, 2со, За,. При появлении случайных колебаний, при бифуркации удвоения периода, например, на масляном клине, в спектре вибрации появляются дополнительные составляющие на частотах кратных са/2 и размытость амплитуд вибраций на других частотах.

В настоящее время ведутся работы по выявлению связей между статистическими характеристиками случайных составляющих вибрации и техническим состоянием механизма и формированию достоверных диагностических признаков. Установлено, что наличие и уровень стохастических составляющих в вибрации энергомеханического оборудования является важным диагностическим признаком. Часто появление стохас-тичности в сигнале вибрации раньше, чем отклонение уровня вибрации, отражает изменения технического состояния механизма, что может объясняться тем, что ширина стохастического слоя пропорциональна возмущению.

Анализ нескольких тысяч временных выборок вибрационных сигналов, полученных с помощью приборов "ВИК" и аппаратуры "КАСКАД" на газовых и энергетических турбинах, показывает, что уровень "тревожной" стохастичности зависит от массы ротора, режимных параметров, мощности и типа машины, однако, в среднем может быть определен как 0.1 от модуля вектора оборотной вибрации. Именно поэтому ряд исследователей рекомендуют нормировать не только уровень вибрационного сигнала, но и отклонение от него.

Экспериментально установлено, что стохастичность вибрации имеет, как правило, нормальное распределение, а ранним предвестником проявления основных дефектов (например, расцентровок и перекосов элементов конструкций относительно вала) может служить эксцесс распределения амплитуды виброскорости {центральный момент четвертого порядка сигнала виброскорости - ЬЛА). Критерием для проведения тщательного обследования агрегата можно считать выполнение для значений эксцесса следующих условий: М4 >3.2 и М4<2.7.

Использование приведенных выше критериев предъявляет к диагностической аппаратуре важное техническое требование: отклонения коэффициентов преобразования виброканалов должны быть существенно ниже, чем реальные отклонения случайного вибрационного процесса.

Кроме того, необходимость проведения анализа стохастичности вибросигналов наравне с традиционными методами анализа вибрации, такими как спектральный и кепстральный анализ, приводит к необходимости запоминания временных выборок вибрационных сигналов, а не усредненных спектров. Такой подход реализуется под руководством автора в НТЦ "ВиКонт" с 1989 года в вибрационных коллекторах серии "ВИК" и в стационарной аппаратуре "КАСКАД". Для учета стохастичности сигналов требуется больше памяти, предъявляются более жесткие требования к уровню собственных шумов, помехоустойчивости и точности используемой аппаратуры. Например, объемы памяти виброколлекторов для учета стохастичности при исследовании вибрации энергомеханических агрегатов должны быть от 4 до 40 Мб, а погрешность измерения вибрации - не хуже 2-5%.

Результаты настоящего раздела отражены в работе автора

Математическая модель пьезоэлектрического вибропреобразователя.

Пьезоэлектрические вибропреобразователи наиболее распространены для измерения и анализа вибрации в связи с отсутствием в их конструкциях подвижных частей и высокой надежностью в эксплуатации.

Принято считать, что на пьезоэлектрическом элементе при воздействии силы Р(Ь) образуется заряд ОСО пропорциональный Р силе. Эквивалентную схему пьезоэлемента представляют как источник заряда с параллельной емкостью. При работе пьезоэлемента на усилитель напряжения или заряда, выходное напряжение усилителей и(Ь) пропорционально <^(Ь)/С и Р(Ь), где С - емкость пьезоэлемента. Считается, что проблемы, возникающие при измерении вибрации в области низких (менее 1 Гц) частот пьезоэлектрическими вибропреобразователями, связаны с недостатками усилителей.

Однако, из анализа пьезоэффекта следует, что в пьезо-электрике при изменении механического напряжения кристалла пропорционально изменяется напряженность электрического поля.

Действительно, модель прямого пьезоэффекта (модель В.В. Лавриненко) дает: где ¿Е - приращение внутреннего электрического поля при изменении механического напряжения кристалла на ёТ; У - коэффициент упругости материала пьезоэлектрика, е - диэлектрическая проницаемость, N - количество элементарных зарядовых цепочек модели с единичным зарядом <7 в сечении площади 5, А - коэффициент ацентричности вещества пьезоэлектрика.

Поскольку в любом пьезоэлектрическом датчике пьезоэле-мент снабжен металлическими электродами, то изменение электрического поля автоматически приводит к появлению тока свободных зарядов, компенсирующего изменение поля. При малом изменении силы Р и, соответственно, электрического поля Е, можно записать следующую зависимость: с1Р ~с1Е ~ ¿О или ¿Р/сЧ ~ ёЕ/сИ ~ <Ю/сН = Ц1), т.е.

F (О ~ I(t).

Следовательно, при механическом воздействии через пье-зоэлемент протекает ток I(t), пропорциональный производной силы, т.е. пропорциональный резкости (третьей производной по времени от виброперемещения). Таким образом, предлагается новая модель пьезоэлемента вибропреобразователя, которая представляет собой источник тока I(t) = dQ/dt и параллельную емкость. Если пьезоэлемент нагружен на высокое входное сопротивление Rgx усилителя напряжения, то ток I(t) интегрируется на собственной емкости пьезоэлемента и емкости Сдх усилителя напряжения. В итоге выходное напряжение усилителя напряжения будет: i/(f) = kjl(t)dt

Последнее выражение справедливо для пьезоэлемента нагруженного на усилитель заряда, который с учетом новой модели представляет собой интегратор тока пьезоэлемента I(t). Для классических усилителей тока и напряжения разница по выходным сигналам при разных представлениях пьезоэлемен-тов не проявляется. Однако, если пьезоэлемент вибропреобразователя включить в классический преобразователь ток - напряжение, то, исходя из новой модели пьезоэлемента, получим:

U(t) = RJ(t)~F(t)i (3) где Roc - сопротивление в цепи обратной связи преобразователя ток-напряжение.

Зависимость (3) полностью подтверждается экспериментом и приведена на рис. 3 (кривая "резкость"), где для сравнения приведена также классическая характеристика (кривая "ускорение").

Предложенная модель при внешней простоте имеет ряд важных приложений и позволяет синтезировать пьезоэлектрические вибропреобразователи и рассчитывать их технические параметры методами цепей.

Результаты настоящего раздела опубликованы в следующих работах автора [23, 27, 28, 29].

Обобщенный метол расчета пьезоэлектрического виброизмерительного канала. Вибродиагностические системы оперируют следующими параметрами колебаний агрегатов: перемещение, скорость, ускорение, резкость.

Далее, приводя обобщенный метод расчета характеристик виброизмерительного канала с пьезодатчиками, покажем, как на основе этого метода синтезировать устройства для измерения виброскорости и других параметров вибрации.

Рассмотрим обобщенную схему включения пьезоэлемента с операционным усилителем, полученную на основе разработанной модели пьезоэлемента.

Передаточная характеристика обобщенной эквивалентной схемы имеет следующий вид: шг = + %вх) у у где к - коэффициент усиления операционного усилителя,

2 - комплексные сопротивления эквивалентной схемы.

Анализ выражения (5) показывает пути синтеза ряда пьезоэлектрических вибропреобразователей, полезных для практики и имеющих новые свойства.

Приведем несколько наиболее важных примеров.

1. При 1п = 1/]ох:п 1/]сосн гп+г„ с,+с получаем устройство измерения виброускорения с повышенной температурной стабильностью при условии: сн~спо( ас/сп' 1 )• Более подробно температурно стабильные вибропреобразователи будут рассмотрены в следующем разделе. 2. При 2„ = 1/]охп и 1Н = й 1*1/1 | вых | | п

Из последней формулы видно, что происходит двойное интегрирование тока пьезоэлемента с постоянными В.вх свх, и Ян-сп, таким образом, получаем метод измерения виброскорости непосредственно с усилителя заряда.

Виброскорость зависит от податливости конструкции агрегата и динамических сил и является интегральным признаком для широкого класса диагностических задач, а среднее квадратическое значение виброскорости - наиболее распространенным параметром по защите агрегатов.

Описанный метод построения вибропреобразователя обеспечивает весьма важное для вибродиагностики свойство: повышенную перегрузочную способность. Повышенная перегрузочная способность достигается интегрированием сигнала на пассивных цепях и на собственной емкости пьезоэлемента.

3. При 2п — 1/]<жп и 20С — Яос получаем метод для измерения резкости. Причем, новый измеритель резкости обладает расширенным частотным и динамическим диапазоном, а фазовые искажения сигналов в нем отсутствуют. Последнее свойство значительно повышает достоверность вибродиагностики подшипников качения и зубчатых зацеплений методом ударных импульсов и методом огибающей.

Рассмотренные выше устройства реализованы в виде специализированных микросхем серии "ВД", которые используются в виброизмерительных каналах ВК-310 для системы "КАСКАД" и виброколлекторах серии "ВИК".

Предложенный обобщенный метод построения и расчета пьезоэлектрического виброизмерительного канала позволяет синтезировать устройства с новыми свойствами и обеспечивает более высокий уровень проведения работ по вибродиагностике роторных машин.

Результаты настоящего раздела приведены в работах автора [28, 29, 30, 37, 46].

Методика построения пьезоэлектрических виброканалов повышенной температурной стабильности.

Температурные характеристики пьезоэлектрических вибропреобразователей определяются зависимостями от температуры пьезомодуля и собственной емкости пьезоэлемента.

Температурная нестабильность пьезомодуля и емкости пьезоэлектриков приводит к дополнительным погрешностям пьезоэлектрических датчиков вибрации. Например, в газовых турбинах температура крышек и корпусов подшипников поднимается до 250-300°С, а погрешность традиционных пье-зоэлементов при таких температурах может достигать 40%. Основой достоверной вибродиагностики является точное измерение составляющих вибрации, что особенно важно для переносных систем, в которых компенсация температурных изменений пьезоэлемента затруднена.

Российскими стандартами допускается дополнительная погрешность для вибродатчиков систем контроля до 0,1%/1°С. Однако, для систем вибродиагностики максимальной допустимой величиной следует считать погрешность 0,05%/ 1°С, что связано с необходимостью диагностики остаточного ресурса агрегата по трендам. Повышение достоверности вибродиагностики напрямую связано с температурной стабильностью пье-зодатчиков вибрации.

Как правило, собственная емкость пьезоэлемента и пьезо-модуль растут с увеличением температуры. Поэтому пьезоэле-мент, подключенный к усилителю заряда, показывает рост коэффициента передачи, а при подключении пьезоэлемента к усилителю напряжения коэффициент передачи уменьшается. Предложенная модель пьезоэлектрического элемента позволяет разработать температурно самостабилизированный вибропреобразователь. Для этого пьезоэлемент включается между входами усилителей напряжения и заряда, а выходные сигналы усилителей суммируются.

При этом условие термостабильности для вибропреобразователя в линейном приближении принимает вид: ал Д„, ас.

К (с„+ где а^ и ас - тепловые коэффициенты пьезомодуля и емкости пьезоэлемента соответственно, Яос и с0С - элементы усилителя заряда, Ядх и свх - элементы усилителя напряжения, сп - собственная емкость пьезоэлемента.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при соблюдении условия (4) термостабильность датчиков вибрации на керамике ЦТС-19 равна 0,01% на 1°С.

Вибропреобразователь с подобной температурной компенсацией может быть упрощен и построен на одном операционном усилителе при выполнении условия: с„+02' что достигается соответствующим выбором с0С и свх. Подобный вибропреобразователь обладает термостабильностью 0,05% на 1°С в диапазоне 5-250°С на керамике ЦТС-26 и высокой помехозащищенностью за счет дифференциального входа.

Условие (4) справедливо для диапазона положительных температур, в котором изменение пьезомодуля и собственной емкости можно аппроксимировать линейно.

Для диапазона от -30 до 250°С зависимость пьезомодуля сI и собственной емкости пьезоэлемента сп от температуры Ь могут быть представлены эмпирическими формулами: = <*в(1 + а/в) сп=сп0(1 + а/) Вибропреобразователи, построенные по методу совмещения усилителя заряда и усилителя напряжения, позволяют и в этом случае обеспечить значительную температурную компенсацию. Температурная зависимость для коэффициента передачи К(Ь) может быть записана в виде:

Щ) = {1 + апГ)

1 I ОС п

1 + а/ +у гАе У = свх/сп

Зависимость температурной погрешности коэффициента передачи при разных значениях параметра 7 приведена на рис. 4. Пунктирной линией на рис. 4 обозначена типичная температурная погрешность для усилителя напряжения (она обычно меньше, чем у усилителя заряда). Как видно, предлагаемый метод построения пьезоэлектрических вибропреобразователей позволяет в 5 раз уменьшить температурные погрешности при преобразовании вибрации в электрический сигнал. Описанная методика построения вибропреобразователей используется во всех моделях виброканалов, выпускаемых НТЦ "ВиКонт". ^ / ^ N \ N Ч \ у=0,И к > \ ч -V. 0,

V \ \ \ \ 1, • с

Температурные испытания виброизмерительных каналов ВК-312 и ВК-315 системы "КАСКАД" и вибропреобразователей к виброколлектору ВИК-2, разработанных с учетом приведенных выше методов температурной стабилизации, проводились независимыми организациями ВНИИМС, РОСТЕСТ и ВНИИГАЗ и подтвердили высокую температурную стабильность этих виброизмерительных каналов.

Основные результаты настоящего раздела опубликованы в следующих работах автора: [5, 6, 24, 30].

Методика синтеза пьезоэлектрических виброканалов с пониженным уровнем шума.

Расширение динамического диапазона пьезоэлектрических виброканалов путем уменьшения нижнего уровня измеряемой вибрации весьма важно для повышения достоверности диагностики ряда дефектов, например, дефектов в подшипниках скольжения, а также для диагностики по случайным составляющим вибрации.

Уменьшение нижнего уровня измеряемой вибрации достигается снижением уровня собственного шума пьезоэлектрических вибропреобразователей. Последнее весьма важно для измерения вибрации при специальных динамических испытаниях, когда определяется АФЧХ конструкций машин с помощью динамических коэффициентов влияния (ДКВ).

ДКВ определяются как комплексное отношение виброскорости (или другого параметра вибрации) к возмущающей силы и используется для оценки качества конструкций и построения математической модели влияния разнообразных дефектов на вибрацию агрегата. Некоторые испытания проводятся на фоне весьма существенной наведенной вибрации. В этих случаях ДКВ определяется как разность двух измерений при различной силе возмущений. Точность определения ДКВ пропорциональна точности виброизмерений, а вследствие линейности конструкции, тем выше, чем больше возмущающая сила вибратора. Последнее обстоятельство приводит к сильному удорожанию как вибраторов, так и самих исследований АФЧХ. Поэтому такие исследования проводятся не во всех необходимых случаях. Уменьшить возмущающую силу, а вместе с ней мощность вибратора и стоимость динамических испытаний, можно за счет увеличения точности измерения вибрации путем уменьшения собственных шумов вибропреобразователей. В настоящее время максимальная достигнутая чувствительность вибропреобразователей для диапазона частот 1-1000 Гц находится на уровне 10"5 м/с2-. Дальнейшее повышение чувствительности ограничивается собственными шумами.

Предложенная модель пьезоэлектрического вибропреобразователя дает возможность создавать преобразователи с пониженным значением шумов путем подключения пьезоэлемен-та к усилителю так, чтобы собственные шумы не усиливались при усилении полезного сигнала. Для увеличения соотношения сигнал/шум электроды пьезодатчика предлагается включать между входами операционного усилителя, работающего в режиме повторителя напряжения, а ЫС-цепь подключать между неинвертирующим входом операционного усилителя и общим выводом.

Напряжение шумов традиционного усилителя заряда может быть записано в виде: С Ш*С I Су где 11шп - шумовое напряжение пьезодатчика, С/шКс - шумовое напряжение КС-цепи, ишоу - шумовое напряжение операционного усилителя, сп - собственная емкость пьезоэлемен-та, с - емкость усилителя заряда.

Напряжение шумов С/ш предлагаемого вибропреобразователя может быть представлено в виде: и =л1и2 +и\ +и ш ^ ш шДс I

Из приведенных выражений следует, что 11шз>иш даже при сп=с, хотя на практике для увеличения коэффициента усиления стремятся к с<сп.

Предлагаемая методика построения пьезоэлектрических вибропреобразователей обеспечивает снижение шума виброизмерительного канала в 2-3 раза. Для иллюстрации этого факта ниже приведены осциллограммы шума традиционного виброизмерительного преобразователя (рис. 5 а) и вибропреобразователя, построенного из тех же компонентов по предлагаемой методике (рис. 5 б). ¡¡я ■ I и»И»1]!УШ::

•'г::::;:." Ь; :•::!::•:;'•!, тп! п: ."-¡ к^ш; I

Применение специальных операционных усилителей с собственным междупиковым значением шума 0,1-0,2 мкВ позволяет достигнуть значений чувствительности пьезоэлектрических датчиков с усилителями в указанном частотном диапазоне до 10"6м/с2.

С уменьшением уровня шума виброизмерительных каналов возможен переход к диагностике зарождающихся дефектов оборудования, что позволит заблаговременно обнаружить дефект и прогнозировать его развитие.

Уменьшение собственного шума вибропреобразователей повышает разрешающую способность виброаппаратуры, что позволяет измерять слабые вибрации от небольшого источника возмущений на фоне мощных вибрационных воздействий.

На основе предложенного метода выпускается специализированная микросхема ПУ-2 для вибропреобразователя с пониженным собственным шумом и высокочувствительные вибропреобразователи ВК-312 А.

Материалы настоящего раздела приведены в работах автора [22, 27, 30].

Методика синтеза пьезоэлектрических виброканалов для измерения резкости.

Развитие дефектов в объектах с подшипниками качения и зубчатыми передачами связано с состоянием контактирующих поверхностей и сопровождается ростом высокочастотных вибраций, причем, по мере совершенствования способов диагностирования таких объектов, область исследуемых частот расширяется и в настоящее время достигает 20-40 кГц. Распространенные методы диагностики подшипников качения, такие как метод "огибающей" и метод "ударных импульсов", работают на частотах до 20 кГц, и дальнейший рост частоты ограничивается чувствительностью по ускорению высокорезонансных пьезоэлектрических вибропреобразователей. Необходимость увеличения рабочей частоты для ранней диагностики дефектов объясняется появлением коротких и слабых ударов от микротрещин на контактной поверхности пар качения.

Резкость с ростом частоты увеличивается относительно ускорения и поэтому предлагается в качестве параметра для диагностирования. Отметим, что резкость может достигать существенных значений от дефектов на самой ранней стадии их развития. Для иллюстрации этого утверждения ниже приведен рис. 6, на котором показан экспериментальный спектр вибрации по ускорению и резкости заднего подшипника магистрального насоса НМ 10000-210 с приводом СТД 630. Как видно, в области частот более 2500 Гц сигнал резкости по сравнению с сигналом ускорения более информативен и позволяет выделить диагностические высокочастотные спектральные составляющие. Предложенная модель пьезоэлектрического вибропреобразователя позволяет обеспечить измерение резкости непосредственно вибропреобразователем без дополнительного дифференцирования и фазовых сдвигов. Такая возможность следует из выражений (3) и (5) при гп= 1 /]<осп и 2ос~&ос и реализуется включением пьезоэлемента вибропреобразователя в классический преобразователь ток-напряжение. Отсутствие фазовых сдвигов связано с отсутствием реактивных элементов в преобразователе ток-напряжение.

1.3 2.6. 1.4.

1,г 1.

0.3 . 0.

АПРЛ - МАШИНА ШЕ ТРАКТА 1НЕ ТРКТА -1Н ДАННЫЕ ИЗМЕРИТ. ТОМКИ ЕНЕ ТРАКТА резкость

2 1,0 ^ г.; ¡о

А-ЛлаА/Я-Ь'

СПЕКТР ЯИСПЛЕ М-ИлН-90 13: :

СКВ

НАГР = 1019.1? О М з .^Й йй. 0-0= -йй

ЧАСТОТА В

Экспериментально установлено, что качество подшипника качения К (К<20 дБ - хороший, 20<К<40 - удовлетворительный, К>40 - требует замены) определяется следующим соотношением:

К = 20\% где / - резкость ударных импульсов на корпусе подшипника в м/с3, Э - средний диаметр подшипника в мм, а п - скорость вращения в об/мин.

Опыт определения качества подшипников железнодорожных букс показал, что соотношение (6) обеспечивает более эффективную отбраковку, чем классическое определение коэффициента качества.

Измерение резкости пьезоэлектрическими вибропреобразователями и формула определения качества подшипников (6) реализованы в приборе ВИК-П.

Предложенная модель вибропреобразователя позволяет построить устройства одновременного измерения резкости и ускорения непосредственно с одного пьезоэлемента. Для этого пьезоэлемент включается между входами усилителя заряда и преобразователя ток-напряжение. Сигнал пропорциональный резкости может быть получен на выходе преобразователя ток-напряжение, сигнал пропорциональный ускорению - на выходе усилителя заряда. Отсутствие дополнительных сдвигов фазы между результирующими сигналами позволяет рекомендовать подобные устройства при построении двухкоординатных диагностических кривых. Последнее утверждение проиллюстрировано рис. 7, где приведены фазовые траектории в координатах ускорение-резкость для процессов вида (7) с одинаковыми АЧХ:

Авт(кй} + <рк) (7) где <Рк —0 (пунктирная линия) и <р1 = 0, ср2 =0,52; и <р3 =-0,26 (сплошная линия). Двухкоординатные диагностические кривые особенно удобны при неизменном спектре сигнала вибрации.

Такой метод построения устройства обеспечивает повышенную точность из-за отсутствия дополнительных дифференциаторов. Сигнал, пропорциональный резкости, образуется на выходе преобразователя ток-напряжение, а сигнал ускорения - на выходе усилителя заряда.

Отсутствие сдвигов фазы между сигналами резкости и ускорения позволяет использовать подобные устройства в вибростендах с синусоидальным сигналом для фазовой калибровки балансировочных приборов.

Устройство, позволяющее одновременного измерять резкость и ускорение, входит в состав выпускаемых серийно виброкалибровочных стендов типа ВСВ-131.

Х,мм/с х,мм/ с2 Рис.

Материалы настоящего раздела отражены в работах автора [13, 25, 28, 29].

Помимо параметров пьезоэлектрических вибропреобразователей существенную роль при оценке эффективности вибродиагностики играют параметры входных аналоговых цепей и цепей передачи сигналов. Ниже рассмотрены методы проектирования входных цепей и цепей передачи сигналов повышенной точности и помехозащищенности.

Методика построения вибропреобразователя с повышенными точностью и динамическим диапазоном и малым временем восстановления.

Некоторые поломки в машинах, связанные со скачками вибрации, остались неизученными, поскольку параметры установленной виброаппаратуры не обеспечили достоверность данных. При этом не удается найти диагностические признаки таких поломок из-за значительного времени восстановления вибропреобразователей после скачка вибрации, а также недостаточной точности и динамического диапазона последних. Например, в литературе описан случай, когда поломка лопатки последней ступени турбоагрегата мощностью 300 МВт привела к разрушению валопровода на 6 частей. Агрегат был полностью уничтожен, а никаких сведений о вибрационных процессах в момент разрушения получить не удалось. Позднее В.А. Костюком аналитически было установлено, что в момент отрыва лопатки возникает ударная нагрузка на вал, приводящая к переходному процессу, длящемуся примерно 10 оборотов ротора. При переходном процессе динамические нагрузки / —- ) л — ✓ 1 \ / — — "VI у 1 ) ; на вал в несколько раз превышают статические от центробежной силы и приводят к хрупкому разрушению вала. A.C. Голь-дин, М.И. Львов, Е.В. Урьев выяснили, что вслед за относительно быстрыми переходными процессами следует медленный (около 10 минут) процесс изменения теплового состояния шеек эксцентриситетов на роторе и вибрации. Поломки лопаток турбин с более благоприятными исходами, а также мелкие поломки элементов облопачивания, происходят довольно часто. Характер переходного процесса при этом сохраняется и может служить достоверным признаком для диагностирования таких поломок. Приведенный пример, а также необходимость изучения переходных режимов агрегата, показывают, что вибрационная аппаратура должна точно воспроизводить переходные процессы, в том числе и при повышенной вибрации и обладать малым временем восстановления после перегрузок. Кроме того, поломка лопатки может приводить к быстрому развитию аварии и обычно требует экстренной остановки агрегата, а при некоторых других, не столь опасных, дефектах (задевания, поломка опорного элемента) также может наблюдаться скачкообразное изменение вибрации.

Измерение виброскорости и вибросмещения механических колебательных процессов пьезоэлектрическими преобразователями с классическими усилителем заряда или напряжения и интегратором сопряжено с рядом трудностей особенно на переходных режимах. Например, для получения погрешности не более 1% на нижней частоте рабочего диапазона wH требуется постоянная входной цепи пьезоэлемента RexCgx = 1 /а>ср > 10/й)н. С другой стороны для увеличения чувствительности требуется уменьшение емкости Свх, а увеличение входной постоянной за счет сопротивления Rgx ограничено ростом шумового напряжения. Таким образом, увеличение чувствительности и расширение частного диапазона снизу связано с увеличением уровня шума и времени восстановления. Аналогичное рассуждение справедливо для вибропреобразователя с псевдоинтегратором: для уменьшения погрешности преобразования в области нижних частот требуется увеличение резистора в цепи ОС интегратора, что приводит к увеличению коэффициента усиления интегратора в области нижних частот и, соответственно, к росту шумов и уменьшению динамического диапазона и увеличению времени переходных процессов при ударных воздействиях.

Для устранения перечисленных выше проблем предлагается следующий метод синтеза преобразователей.

Пьезоэлемент и усилитель преобразуют механические колебания а(а>) в электрический сигнал пропорциональный ускорению. Этот сигнал подает на полосовой фильтр второго порядка с центральной частотой еор. Модуль напряжения полезного сигнала на выходе полосового фильтра определяется следующим выражением: где кд - коэффициент передачи усилителя заряда, кфр - коэффициент передачи полосового фильтра на центральной частоте, р - добротность полосового фильтра.

Анализ показывает, что при соср^а>р и обеспечивается высокоточное интегрирование входного сигнала для частот <о>о)н=2а)р. Графики зависимости погрешности интегрирования 6 (т.е. отличия от идеального интегратора Кп/со) представлены на рис. 8. Как видно погрешность преобразователя резко уменьшается с ростом частоты, а разброс параметров соср и (3 в пределах 20% приводит к максимальной погрешности менее 6%. Однако, обычно значения погрешности для частот со>2сор составляют менее 0,5%. Это иллюстрируется графиком зависимости добротности полосового фильтра от нормированной частоты среза пьезоэлектрического преобразователя (рис. 9). Минимальная погрешность преобразователя, построенного по предлагаемому методу, составляет менее 0,25% для а>ср=сор и

Преобразователи, построенные по предлагаемому методу, решают задачу резкого уменьшения коэффициента передачи для частот со<сон. Например, на частоте ау=а>р—(он/2 коэффициент передачи уменьшается в 1,4 раза. Одновременно существенно уменьшается и постоянная времени входной цепи. Например, для сон/2 —10 Гц и Сдх = 4 нФ достаточно обеспечить Явх = 5 МОм вместо обычно используемых 50 Мом и низкочастотные шумы снижаются в несколько раз, повышается col (О со / со

Q=l,027. точность измерения виброскорости или вибросмещения, и на порядок уменьшается время восстановления после перегрузок. Экспериментально преобразователи работают с указанными преимуществами до частот /"„ « I Гц.

1,0 0,

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,

О 6<0,5 % /

Повышение точности измерения виброускорения в низкочастотной области достигается дополнительным суммированием сигналов ускорения и скорости с весовыми коэффициентами И и к2 соответственно.

Модуль сигнала виброускорения на выходе сумматора:

С/явИ = а(©)М

1 + л2 1 + Л где Х = <о/(йр.

Анализ этого выражения показывает, что при со => 2а>р погрешность от неравномерности амплитудно-частотной характеристики сигнала виброускорения составляет менее 2% при

0,3 ¿кфр-кэ/к^ОА (8)

Это иллюстрируется графиками зависимости погрешности от частоты (рис. 10) и максимальной погрешности измерения ускорения (рис. 11).

Как видно погрешность измерения ускорения при выполнении условия (8) составляет 0,35% вместо 10,5% у традиционного преобразователя при со ~ 2сор.

0,5 0,

0,3 0,2 0,

0 -0,1 -0,2 -0,

-0,4 -0, а =к№к,/к,

3 3,5 4 Рис.

Описанная методика применяется при построении блоков ВК-320, ВК-321 стационарной аппаратуры "КАСКАД" и переносных приборов виброметра ВК-5 и виброколлектора ВИК-2, выпускаемых серийно НТЦ "ВиКонт".

Приведенные в настоящем разделе методики описаны в работах автора [8, 9, 12, 14, 31].

Низкочастотные шумы вибрационного сигнала при измерении вибрации в энергомеханическом оборудовании

Спектр вибрационного сигнала, измеренного пьезоэлектрическим вибропреобразователем, достаточно часто на практике имеет заметную низкочастотную область, начиная с долей Гц. На рис. 12 показан экспериментальный спектр питательного насоса, имеющий значительную низкочастотную составляющую. Низкочастотная составляющая вибрации не всегда имеет физическое объяснение.

Для выявления причин появления низкочастотных составляющих были проведены обширные исследования на вибростендах и промышленном оборудовании с вибропреобразователями различных фирм ("Endevco", "PCB", "В&К" и нескольких российских производителей). Установлено, что низкочастотные составляющие спектра возникают вследствие высокочастотного (обычно в области резонанса) возбуждения пьезо-элемента. Высокочастотные колебания пьезоэлемента перегружают входные электронные цепи преобразователя и, поэтому, нелинейно трансформируются через частотнозависи-мые элементы преобразователя в низкочастотную область. Как было выяснено в результате исследования, высокочастотные колебания пьезоэлемента не могут быть устранены последующей фильтрацией, поскольку перегрузка происходит по входным цепям первых каскадов преобразователя.

Предложенная модель пьезоэлемента позволяет решить проблему появления в сигнале вибропреобразователя низкочастотных составляющих, реально не существующих в машинах. Для этого предлагается обеспечить такое подключение пьезоэлемента к входным цепям вибропреобразователя, чтобы обеспечить Z„ = l/jcocn и ZH = RH в выражении (5).

• «а 1Ш мм

При этом первичное интегрирование тока пьезоэлемента происходит на собственной емкости пьезоэлемента, а его выходной ток ограничивается Ян и не перегружает входные цепи вибропреобразователей.

Разработанные по описанной методике вибропреобразователи для контроля вибрации полностью решают проблему ложных низкочастотных составляющих вибросигнала для машин повышенной виброактивности, таких как, авиационные и судовые двигатели и трубные обвязки. Следует отметить, что проблема ложных низкочастотных "шумов" сдерживала до недавнего времени повсеместную замену индукционных датчиков вибрации (например, в авиации) на пьезоэлектрические.

На рис. 12 и 13 приведены спектры одного и того же сигнала вибрации, измеренного'с помощью одного и того же пьезоэлемента, но в спектре на рис. 13 возбуждение устранено по описанной методике. и I I 7 I 1 4 I 1 1 I

Умм/с

ЛЬ > , УЧшАчп,/ м 1М ша

Как видно на рис. 13, низкочастотная составляющая вибрации, связанная с высокочастотным возбуждением, отсутствует.

Решение проблемы низкочастотных "шумов" при измерении вибрации впервые дало возможность применить методы вибродиагностики для целого ряда механизмов: газового агрегата ГПА-10, высокооборотных компрессоров, газового агрегата модели 29 и других достаточно популярных машин, в частности, агрегаты Кубань-0.5, выпускаемые КТЗ, и изделия производства АО "Люлька-Сатурн" штатно оснащаются вибропреобразователями ВК-315-340-ЗМ (НТЦ "ВиКонт"), выполненными по описанной выше методике.

Результаты настоящего раздела отражены в работах автора [35, 38, 39].

Метол уточнения частоты, амплитуды и фазы дискретных спектральных составляющих вибрации после преобразования Фурье.

Вибрационные диагностические признаки формируются на основе измерения уровней спектральных составляющих на различных частотах с учетом технологических параметров агрегатов.

Спектральное разложение вибрационного сигнала осуществляется, как правило, преобразованием Фурье (БПФ). Как известно, эффект "окна" вносит неопределенность в значение амплитуды, частоты и фазы спектральных составляющих. Например, для прямоугольного "окна" искажения по амплитуде могут достигать 30%, по фазе - ±45°, по частоте -до половины от ширины единичного фильтра Фурье.

Синхронное детектирование снимает проблему неопределенности для частот кратных частоте вращения. Однако, проблема актуальна для некратных частот, а также для кратных частот, если по технологическим причинам невозможно произвести синхронное детектирование. Кроме того, изменения амплитуд составляющих спектра на частотах собственных колебаний отдельных элементов машин являются наиболее надежным показателем возникновения дефектов.

Для повышения точности измерения дискретных спектральных составляющих предлагается метод уточнения, который состоит в следующем: функция фильтра Фурье представляется в виде:

У, =Р(а)к,Аа),0, где сок - центральная частота И -го фильтра Фурье, в котором имеется локально максимальная спектральная составляющая относительно фильтров с номерами &+г, г # 0; А<а - дискретность фильтров Фурье; г = -2,-1,0,1,2.

Составляется и решается система уравнений

Ф(У1) = й)0 + Асо(к + 0, (9) где Ф - функция, обратная Р, а щ - искомая частота дискретной спектральной составляющей.

Для простых видов "окон", например, для прямоугольного "окна", система (9) имеет аналитическое решение.

Действительно, для прямоугольного "окна" функция фильтра Фурье имеет вид:

5т[я-(й\ I Асо + /)] тр л(а>к / Асо + г) и предлагаемый метод уточнения иллюстрируется рис. 14.

Решение системы (9) для прямоугольного "окна" записывается в виде: о)0 = АФ(К+%) Ао = где щ и А0 - истинные значения частоты и амплитуды дискретной спектральной составляющей; 2, = уо+у^) при у1>у.1\ % = у.1/(уо+у.1) при у1<у.,.

Функции фильтра Фурье для "окон" типа Хеннинга, Хем-минга и Блекмана могут быть выражены через функцию Фурье прямоугольного "окна" следующим соотношением: где Д, - масштабные коэффициенты, зависящие от вида "окна".

7Л Л / / \ / \ 0,

7 V' \ о\ ®0 \ СО л/ / 1 СО — яДю

1 | 1 У, = 0, у., =0,15 1 л

Л / \ А

Дю(А:-1) Д<лк со0 Дсо(А: + 1)

Система уравнений (9) для "окон" указанного вида имеет аналитическое решение. Для более сложных "окон" система (9) на практике решается численно.

Одновременно с оптимизацией вида "окна" метод позволяет уменьшить погрешность определения амплитуд спектральных составляющих до 1-3%, фазы - до ±3° и частоты - до 0,05 от ширины единичного фильтра Фурье. Такая достоверность достаточна при диагностике промышленных агрегатов. Метод реализован в вибродиагностических коллекторах серии "ВИК".

Результаты настоящего раздела отражены в работах автора [9, 35].

Методы повышения помехоустойчивости линий передачи вибросигналов. При проведении вибродиагностических обследований внешние электрические помехи в линиях связи между вибропреобразователем и. анализирующей аппаратурой часто затрудняют выявление дефектов оборудования, особенно на ранней стадии развития.

Для снижения уровня электрических помех предлагается использовать токовую линию связи, на которую с одной стороны подается питание, а с другой стороны происходит модуляция тока пропорционально полезному сигналу.

В настоящее время этот метод, предложенный автором в 1987 году, стал общепризнанным и используется всеми ведущими фирмами мира.

Метод реализуется введением модулятора тока в вибропреобразователь, а сигнал вибрации преобразуется в сигнал пропорциональный току. Ток подается на двухпроводную линию. На другой стороне токовой линии устанавливается операционный усилитель со смещенным неинвертирующим входом. Напряжение на входах операционного усилителя поддерживается постоянным с помощью источника опорного напряжения. Ток, протекающий по соединительной линии, компенсируется током преобразователя напряжение-ток. Переменная составляющая этих токов пропорциональна полезному сигналу. Цепь обратной связи выполняется в виде пропорционально интегрирующего или резонансного фильтра, что увеличивает динамический диапазон и соотношение сигнал/шум. Исследования и практика показали чрезвычайно высокие эксплуатационные Характеристики двухпроводных линий связи. Например, только двухпроводные токовые линии могут обеспечить надежный съем вибросигналов с мощных электрических генераторов (напряженность поля до 800 А/м в зоне установки вибропреобразователя) и передачу сигнала на расстояния до 1000 м.

Проблемой при передаче сигналов по традиционным линиям являются также затухания и отражения, приводящие к искажениям сигнала вибрации. Погрешность передачи токовой двухпроводной линии может быть выражена следующей формулой:

S = 1f \ 1 + Ь

V Z,J ch(yl0)+ ^ + ^ sh(jd0) где у - коэффициент распространения; 2С - волновое сопротивление линии; 1д - длина линии, со - частота передаваемого сигнала вибрации, г,„ - комплексные импедансы нагрузки и источника тока соответственно.

Установлено, что для практических расчетов погрешности из-за затухания в токовой линии формула (10) может быть упрощена:

§~ [4 к>2с1 0 ' 2 ' где Нд, С0, - погонные сопротивление и емкость, соответственно. На частотах до 5 кГц при типовых значениях параметров линий 10 = 1000 м, = 0,1 ом/м, С0 ~ 50 пф/м погрешность 5 не превышает 1%.

Особенно важно, что двухпроводная токовая линия обеспечивает взрывозащищенность аппаратуры для измерения вибрации.

Описанный метод повышения помехоустойчивости передачи вибросигналов используется во всех виброизмерительных каналах, выпускаемых на предприятии НТЦ "ВиКонт".

Материалы раздела изложены в работах автора [ 1, 32, 44].

Динамические тестовые методы повышения точности виброизмерительных преобразователей и достоверности измерения вибрации.

Контроль и вибродиагностика энергомеханического оборудования высокотемпературных объектов, например, сопел газовых турбин (700-900°С) или объектов, находящихся под высоким напряжением, например, контактных колец генераторов (100-240 В), шин высоковольтных (десятки кВ) трансформаторов требуют создания аппаратуры, достоверно измеряющей вибрацию на расстоянии от поверхности объекта. Особые требования также предъявляются к вихретоковым и пьезоэлектрическим вибропреобразователям, работающим в условиях повышенных температур и радиационных воздействий. Для случаев внешних жестких воздействий предлагается динамический тестовый метод повышения точности вихрето-ковых, пьезоэлектрических, ультразвуковых и оптических виброизмерительных преобразователей.

Тестовые методы повышения точности измерений исследовались в работах Бромберга Э.М., Куликовского К.А., Бычкова Е.Л. и других. Сущность этих методов состоит во введении избыточности в структуру преобразователя для устранения влияния неконтролируемого параметра на результат измерений.

Распространение тестовых методов на вибропреобразователи ставит две задачи. Первая задача - выделение неконтролируемого параметра и разработка способа построения структурной избыточности чувствительного элемента инвариантного к неконтролируемому параметру. Вторая задача - построение общей структуры вибропреобразователей.

Неконтролируемым параметром вихретоковых вибропреобразователей является изменение годографа чувствительного элемента. Неконтролируемым параметром для оптических и ультразвуковых вибропреобразователей является свойство среды и вибрирующей поверхности. Неконтролируемым параметром для пьезоэлектрических вибропреобразователей являются характеристики керамики пьезоэлемента.

Сущность предлагаемого динамического тестового метода повышения точности вибропреобразователей в условиях внешних жестких воздействий иллюстрируется структурной схемой рис. 15.

На рис. 15 элементы структурной схемы имеют следующие обозначения: 1 - чувствительный элемент вибропреобразователя с выходами 2 и 3, 4 - нормирующий усилитель, 5, 6, 7, 8 - коммутирующие элементы, 9 - парафазный генератор, 10 - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, 11, 12 - фиксирующие звенья, 13 - устройство вычитания, 14 -операционный усилитель, 15 - источник опорного напряжения, х - измеряемая вибрация, 5 - параметр преобразователя, инвариантный к внешним воздействиям. Выходы 2 и 3 преобразователя 1 поочередно с высокой относительно полезного сигнала частотой 1/т подключаются к фиксирующим звеньям 11 и 12. Выходной сигнал устройства вычитания может быть записан в виде AU — k[U(x+S)- U(x)], где k - коэффициент передачи усилителя 10 с регулируемым усилением. За счет обратной связи через операционный усилитель обеспечивается постоянство первой производной характеристики преобразования по измеряемому параметру:

AU - kU' S-U = const.

Таким образом, функция преобразования может быть представлена в виде линейной функции ах, где а - постоянный коэффициент, зависящий только от стабильных величин Uon и 8. Другими словами, функция преобразования в пределах рабочего диапазона мало зависит от свойств материала объекта и среды.

Установлено, что погрешность г|, связанная с конечностью частоты 1/т переключения выходов х и х+8 может быть представлена в виде: где F(t) - временная функция полезного сигнала.

Величина погрешности т/ компенсируется дополнительным электронным блоком, который вычисляет rj по формуле (11) и вычитает из полезного сигнала.

Предложено для оптических вибропреобразователей формировать параметр 8 дискретизацией светового потока обтюратором; для вихретоковых вибропреобразователей - использованием двух одинаковых катушек с различным расстоянием от поверхности объекта; для пьезоэлектрических - электромагнитным изменением действующей на пьезоэлемент силы; для ультразвуковых - использованием двух приемников с различным расстоянием от поверхности объекта. Для всех вибропреобразователей параметр 8 определяется конструктивными характеристиками и мало зависит от свойств среды и объекта.

В качестве иллюстрации на рис. 16 пунктиром приведены экспериментальные зависимости U(x) и U(x+8) для вихрето-кового преобразователя с двумя одинаковыми катушками, при этом разность расстояний от катушек до поверхности объекта равна 5 = 250 мкм. Сплошной линией показана зависимость и(х) при использовании предлагаемого метода.

Применение описанного метода для построения вибропреобразователей в 1,5-2 раза снижает погрешность измерения вибросмещения и расширяет динамический диапазон оптических, вихретоковых и ультразвуковых вибропреобразователей, а также позволяет использовать пьезоэлектрические вибропреобразователи в условиях внешних жестких воздействий.

Вихретоковые преобразователи, построенные по описанному методу, доведены до серийного выпуска и используются в аппаратуре измерения колебаний вала ВК-361, выпускаемой НТЦ "ВиКонт". / / / / - Щх) ! / и(х +5) х, мм

Описанный метод нашел отражение в работах автора [2,3,4,5, 20].

Комплекс технических срелств для вибрационного контроля и диагностики энергомеханического оборудования

В состав комплекса технических средств входят: • переносные приборы для экспресс-диагностики вибрационного состояния промышленных агрегатов - виброметры серии "ВК",

• переносные виброизмерительные коллекторы серии "ВИК" для съема, хранения и обработки вибрационных сигналов с целью контроля технического состояния групп машин,

• многоканальный коллектор-анализатор "ВИК-А", предназначенный для параллельного съема и обработки в реальном времени вибрационных сигналов по 8 каналам, хранения и детального анализа характеристик разгона-выбега агрегата с учетом технологических параметров и многоплоскостной балансировки роторов в собственных подшипниках,

• стационарная контрольно-сигнальная аппаратура "КАСКАД" с программным комплексом "ВИБРОМОНИТОР", для автоматического контроля вибрации, сбора и обработки сигналов, выявления дефектов непрерывно работающего промышленного оборудования,

• аппаратура метрологического обеспечения серии "ВСВ", включающая вибростенды и лазерные интерферометры повышенной точности.

На рис. 17 приведен внешний вид вторичных блоков ВК-321 и ВК-331, а на рис. 18 а) и б) - внешний вид пьезоэлектрических вибропреобразователей ВК-310 и ВК-312.

Комплекс технических средств построен по агрегатному принципу и имеет гибкую структуру, что позволяет выбирать оптимальную конфигурацию для конкретных видов оборудования с учетом необходимого соотношения переносных и стационарных технических средств, строить общие системы вибромониторинга и диагностики для цеха или завода и использовать элементы комплекса в системах АСУ.

Разработана серия специализированных микросхем для вибропреобразователей с улучшенными техническими характеристиками (рис. 19).

Комплекс обеспечил построение комбинированной системы вибродиагностики в газовой промышленности на основе виброизмерительного коллектора ВИК-2 с временной выборкой переменной частоты дискретизации на предприятиях Вол-готрансгаз, Севергазпром, Сосногорский ГПЗ.

Приборы комплекса выпускаются серийно с соответствующим государственным лицензированием (лицензии 12.0158-95, 12.0085-95), прошли государственную аттестацию на взрывозащиту (заключения №417-БЭ от 03.11.1992, №664-БЭ от 21.11.1996, №659-БЭ от 19.12.1996) и зарегистрированы в Государственном Реестре средств измерения (№14745-95 и №1607597), также включены в РТМ 38.001-94. Комплекс позволяет производить оценку вибрационного состояния роторных машин и широко используется в различных отраслях: энергетике, нефтяной и газовой промышленности, на химических и металлургических производствах, на транспорте и в пищевой промышленности. Стационарная аппаратура "КАСКАД" штат-но поставляется на новые турбины производства Калужского турбинного завода, Невского завода, АО "Люлька-Сатурн", Казанского компрессорного завода. Всего за 1992-1997 г.г. внедрено более трех тысяч элементов комплекса.

Основные преимущества разработанных приборов комплекса связаны с достоверностью, получаемой вибрационной и диагностической информации, агрегатным принципом построения системы "КАСКАД" и возможностью использования в промышленных условиях.

Комплекс технических средств совместно с диагностическим программным пакетом "АНТЕС" (ВНИИГАЗ) внедрен на Предприятии "Севергазпром" и впервые в России обеспечил действующую систему вибродиагностики с возможностью ремонта по техническому состоянию агрегатов ГТК-10-4, ГТ-6-750, ГТН-6, ГПУ-10 ("Волна"), СТД-4000, СТМ-4000, СТД-12500.

В 1995-96 г.г. сотрудниками предприятия "Севергазпром" было проведено 1050 обследований вибрации и в 141 случае выявлена необходимость принятия мер по улучшению технического состояния агрегатов. К настоящему моменту не зарегистрировано пропусков дефектов диагностическим комплексом. С 1996 г. эксплутационными службами начато использование комплекса для оценки качества ремонтных работ и при приемке оборудования в эксплуатацию. Решением ведомственной комиссии комплекс рекомендован для применения в РАО Газпром на газокомпрессорных агрегатах и в системах АСУ.

Письмом №26-301 от 13.02.1997 г. аппаратура "КАСКАД" рекомендована АО Мосэнерго для применения в системах автоматизированного контроля вибрации и диагностики турбоагрегатов и вспомогательного энергетического оборудования.

Многоканальные виброколлекторы-анализаторы типа ВИК-А (рис. 20), целиком построенные на основе технологии цифровой обработки сигналов (ЦОС), с вибропреобразователями ВК-310 с 1995 года используется в АО Мосэнерго для снятия характеристик разгона-выбега и вибродиагностики основного и вспомогательного оборудования.

Приборы и системы комплекса подробно описаны в работах автора [8, 9, 10, 11, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 26, 33, 34, 36, 38, 39, 41, 42, 43, 47].