При обсуждении вопросов диагностики насосов с регулируемым асинхронным приводом меня спросили (Сергей), как диагностировать подшипники качения, если преобразователь добавил много высокочастотной вибрации в те точки контроля, в которых анализируются огибающая высокочастотной подшипниковой вибрации.
Это довольно сложный вопрос из области анализа вибрации различного происхождения, который можно решать в лоб, как это сделано в приборах фирмы SKF, а можно посложнее (и поточнее)
Для обсуждения вопросов анализа вибрации как в простых, так и в сложных задачах вибрационной диагностики предлагаю поднять еще одну тему для дискуссий особенности анализа сигналов вибрации (и тока).

Так что же используют специалисты SKF для диагностики подшипников по вибрации, создаваемой ударными импульсами. Они измеряют спектр огибающей вибрации в очень широкой полосе частот, в области либо низких, либо средних, либо высоких частот, например от 10 кГц до частоты собственного резонанса датчика. И если пиковое значение вибрации от удара, например, на одном из резонансов машины, попавшем в один из указанных частотных диапазонов, сравнимо со среднеквадратичным значением, эти удары видны в спектре огибающей сигнала вибрации. Количественная оценка ударов возможна, если пиковая вибрация от этих ударов многократно превышает СКЗ других составляющих.
Весьма логичный и простой способ выявления таких ударов, если они есть. А если есть только случайная вибрация, создаваемая силами трения сепаратора, на удары не хватает энергии дефект сепаратора уже не увидеть.
Для такого случая необходимо убрать все гармонические составляющие из сигнала вибрации и оставить только модулированные силы трения. Для этого можно также фильтром выделить не очень широкую полосу частот, где нет гармонических составляющих, и в спектре огибающей контролировать гармоники на частоте вращения сепаратора и ее двойной частоте. Именно эти два решения мы и используем для количественных оценок дефектов не только сепаратора, но и поверхностей качения.
А ударные импульсы вполне можно контролировать большим количеством способов, выделяя их, например, с помощью кепстрального анализа или вейвлет - анализа.

Мне понятно Ваше описание физики формирования вибрации ударными импульсами и возможности их анализа с помощью спектра огибающей. А вот с модуляцией сигналов - не очень, ведь опасная модуляция может быть небольшой, и модулированный сигнал не будет выделяться на фоне других составляющих вибрации. А если модулирована самая большая составляющая вибрации на частоте вращения, то в спектре сигнала (а не огибающей) будут боковые гармоники и по ним можно определить глубину модуляции. Так зачем же пользоваться измерениями спектра огибающей, если только не для выделения ударных импульсов из высокочастотной вибрации?

При вибрационной диагностике, как Вы отметили, можно учитывать модуляцию сильной гармонической составляющей низкочастотным периодическим процессом, обнаруживая ее по боковым составляющим вибрации у этой сильной составляющей и определяя глубину модуляции по отношению амплитуд основной и боковых составляющих. Но это, к сожалению, редкий частный случай, и используется он чаще не в вибрационной, а в токовой диагностике. Модуляцию, например, низкочастотным случайным процессом по спектру сигнала вибрации без различного рода ухищрений не обнаружить. Поэтому и анализируют отфильтрованный и затем детектированный сигнал, предварительно пропустив его через низкочастотный фильтр. А это (с нужной для практики точностью) и есть огибающая сигнала, выделенного широкополосным фильтром, и именно об этом я упоминал ранее. Ну а спектральный анализ огибающий – это способ разделить сложный модулирующий процесс на отдельные составляющие, отражающие разные свойства этого процесса, а не самого сигнала

Ваши специалисты на занятиях упоминали, что используют не менее пяти видов узкополосных спектров вибрации в разных задачах диагностики. Что это за спектры и при решении каких диагностических задач их можно использовать?

Уважаемый Руслан,

Да, действительно, мы используем несколько разных видов спектров, основанных на преобразовании Фурье для анализа собственно сигнала вибрации, измеряемого одним датчиком вибрации или одновременно двумя, а также для анализа выделенных из сигнала составляющих одной природы. Их, действительно, больше пяти, и к основным из них относятся:
- Автоспектр сигнала в целом или его низкочастотной (выделенной фильтром низких частот) части. Используется для определения в сигнале мощности (точнее – среднеквадратичного значения – СКЗ) гармонических и стационарных случайных компонент
- Порядковый спектр (строится по двум сигналам – собственно вибрации и опорному сигналу, например, с датчика оборотов) – используется для выделения синхронных с опорным сигналом периодических компонент вибрации и определения СКЗ их составляющих
- Синхронный спектр (строится также по сигналу вибрации и опорному сигналу, но только с последующим накоплением в комплексной форме нескольких спектров) – используется для снижения вклада в спектр несинхронных и случайных компонент вибрации
- Взаимный спектр (строится по двум одновременно измеряемым сигналам вибрации) – используется для измерения СКЗ и разности фаз между синхронными компонентами двух сигналов вибрации

Кроме этого используются следующие основные виды спектров выделенных из сигнала и предварительно преобразованных компонент:
- Спектр огибающей выделенных компонент одной природы (компонента выделяется широкополосным фильтром и далее строится огибающая, отражающая колебания мощности этой компоненты во времени) используется для обнаружения периодических колебаний, т.е. модуляции мощности выделенной компоненты и количественной оценки глубины модуляции каждой из модулирующих частот,
- Спектр огибающей случайной вибрации одной природы (отличается от предыдущего дополнительной операцией удаления из выделенной компоненты сигнала всех гармонических составляющих до того, как строится ее огибающая) – используется для анализа модуляции сил трения и турбулентности потока в механизмах с большим количеством механических передач и турбинах с большим количеством рабочих колес
- Спектр от модуля, т.е. вещественной части спектра (кепстр), используется для обнаружения периодических импульсных сигналов (периодических ударов) и импульсных, модулирующих периодические компоненты вибрации, процессов

Далеко не все эти виды спектров реализуются в создаваемых приборах, их применение и, особенно, трактовка результатов, требует определенной подготовки специалиста, проводящего измерения