3. Термины и определения.
Содержание
Термины и определения, используемые для описания функционирования вращающихся машин и механизмов с целью оценки их состояния средствами мониторинга вторичных процессов, частично различаются в разных областях техники. Приводимые ниже термины и определения могут не полностью соответствовать общепринятым, при их составлении наиболее полно учтены лишь основные положения ГОСТ Р ИСО 2041 «Вибрация, удар и контроль технического состояния. Термины и определения» (проект). Для удобства использования приведенные термины и определения разделены на несколько разделов.
3.1.Объекты мониторинга.
Механизм (машина) с узлами вращения – агрегат, состоящий из собственно механизма, выполняющего полезную работу, и приводного двигателя, передающего на механизм крутящий момент. Крутящий момент может передаваться от двигателя к механизму напрямую или через передачу (обычно механическую), изменяющую частоту и/или направление вращения механизма.
Двигатель – часть агрегата, преобразующая электрическую энергию (электродвигатель), энергию сгорания топлива (двигатель внутреннего сгорания) или энергию предварительно сформированного потока (паровая турбина, газовая турбина или гидротурбина) в крутящий момент.
Многорежимный механизм (машина) – имеющий более одного режима работы с отличающимися частотами вращения.
Многоступенчатый (многовальный) механизм - имеющий более одного вала с разными частотами или направлениями вращения и механические (электромагнитные, гидравлические) передачи крутящего момента от одного вала другому.
Синхронное вращение – вращение валов (роторов) с полностью совпадающей частотой вращения и в одном направлении.
Линия вала – несколько синхронно вращающихся валов (роторов) в собственных опорах вращения, соединенных в одну линию посредством фланцев или соединительных муфт.
Механизм (машина) роторного типа – имеющий ротор (роторы), выстроенные в одну линию вала.
Механизм (машина) с узлами возвратно- поступательного действия - преобразующий вращательное движение в поступательное или поступательное во вращательное.
Механизм (машина) кратковременного действия – с длительностью работы, недостаточной для оценки состояния всех узлов по одному пуску.
Виброизолированный механизм (агрегат) – закрепленный на фундаменте через упругие элементы (виброизоляторы), не пропускающие вибрацию на фундамент, и, при необходимости, использующий амортизаторы (параллельно виброизоляторам), ограничивающие колебания механизма на резонансе, возникающем при установке виброизоляторов.
Установившийся режим работы машины – стабильная частота вращения, стабильная нагрузка и установившаяся температура доступных для ее измерения поверхностей (тепловое равновесие, обычно устанавливающееся через 2-4 часа работы в одном режиме).
Номинальный режим работы механизма – часто используемый режим работы, на котором происходит преимущественное зарождение и развитие дефектов (обычно из числа возможных режимов с большой нагрузкой и/или частотой вращения).
Холостой ход – работа на номинальной частоте вращения без подачи нагрузки на механизм (холостой ход двигателя – с отсоединенным механизмом).
Переходный режим работы – работа механизма в интервале от момента начала изменения режима (в том числе пуска, отключения, скачка нагрузки и т.п.) до момента либо стабилизации нагрузки и частоты вращения, либо останова.
Приработка механизма – ускоренный износ неровностей поверхностей трения с их естественным упрочнением на начальной стадии эксплуатации после изготовления, ремонта, обслуживания или кратковременного выхода на опасный режим работы. По завершению процесса приработки может иметь место частичное улучшение состояния механизма.
Критическая скорость вращения – частота вращения машины, преимущественно, в режиме разгона (выбега), соответствующая резонансной частоте ее колебаний.
Опасный режим работы – не предусмотренный техническими условиями на эксплуатацию и оказывающий негативное влияние на состояние и остаточный ресурс механизма
3.2. Вторичные процессы
Вторичные процессы – процессы, протекающие в двигателе и механизме параллельно рабочим, определяющие непроизводительные потери энергии и несущие информацию о причинах их роста вследствие естественного старения, а также развития неисправностей и дефектов. Наиболее информативными вторичными процессами в механизмах с узлами вращения являются:
-
виброакустические (вибрация и, в меньшей степени, воздушный шум),
-
тепловые (утечки рабочего тепла, работа систем охлаждения, нагрев смазки, поверхностей трения и электрических цепей),
-
электромагнитные (переменные поля нерабочей частоты в электрических машинах и наводимые ими токи в силовых электрических цепях),
-
изменение характеристик смазки узлов трения (ухудшение смазочных свойств и рост примесей в смазке из-за износа элементов трения).
В данной методике рассматриваются вопросы контроля состояния механизмов только по вибрации и температуре.
Вибрация (вынужденная) – колебания механизма (узла, элемента) относительно положения равновесия под действием переменных колебательных сил, характеризуемые значениями перемещения (виброперемещение), скорости (виброскорости) или ускорения (виброускорения).
Составляющие (компоненты) вибрации разной формы:
-
периодические, характеризуются а) периодом или частотой б) среднеквадратической величиной (СКЗ), или амплитудой, или мощностью, и в) спектральным составом,
-
случайные, характеризуются а) СКЗ или мощностью и б) диапазоном частот или интервалом корреляции,
-
импульсные одиночные, характеризуются длительностью и пиковым значением (Пик)
-
импульсные периодические, характеризуются а) периодом (частотой), б) СКЗ или мощностью и в) пиковым значением или пикфактором ПФ (отношением Пик/СКЗ), или другими функциями от СКЗ и Пик.
Составляющие (компоненты) вибрации разной частоты:
-
низкочастотная вибрация, опасная для человека и снижающая ресурс механизмов (типовой частотный диапазон до 300-500Гц), нормируется СКЗ виброперемещения или виброскорости до частоты 1000Гц (передается от источника колебательных сил к любому узлу механизма),
-
среднечастотная вибрация (типовой частотный диапазон от 300-500Гц до 3-5кГц), распространяется от источника колебательных сил до точек ее контроля с растущими с частотой потерями и является источником опасного для человека воздушного шума механизма (шум механизма нормируется до 10кГц.),
-
высокочастотная вибрация (типовой частотный диапазон от 3-5кГц до 15-20кГц), быстро затухающая на контактных поверхностях между узлами механизма, обычно содержит подробную информацию о силах трения в контролируемом узле или пульсациях давления в потоке жидкости (газа), передаваемых на корпус механизма.
-
ультразвуковая вибрация (выше 15-20кГц), возбуждаемая при механическом контакте поверхностей трения с разрывом масляного слоя, характеризует качество его функционирования, при распространении значительная часть ультразвуковой вибрации отражается от контактных поверхностей между узлами механизма.
Гармоническая вибрация – периодическая вибрация синусоидальной формы с заданным периодом (частотой) и амплитудой.
Стационарная вибрация – мощность (СКЗ) которой не меняется во времени.
Нестационарная вибрация – мощность (СКЗ) которой изменяется во времени.
Огибающая вибрации – зависимость от времени максимальных значений вибрации (определенных на отрезках сигнала, по времени превышающих максимальный период его составляющих). Огибающая гармонического сигнала – параллельная оси времени прямая, величиной, равной амплитуде сигнала.
Гармоника вибрации – гармоническая составляющая периодической вибрации, частота которой кратна основной частоте.
Резонансные колебания – опасный рост вибрации при совпадении частоты одной из гармонических составляющих колебательных сил в механизме с одной из резонансных частот механизма в целом или его узлов.
Автоколебания механизма – колебания ротора в опорах вращения с частотой ниже половины частоты вращения из-за нарушений процесса формирования в подшипнике масляного клина. Возможна синхронизация частоты автоколебаний с одной второй частоты действия центробежной силы.
Вибрация оборотной частоты – колебания механизма на частоте вращения вала (ротора), определяемые действием, как правило, центробежной силы неуравновешенного ротора в механизмах с одной линией вала, или несоосной посадкой шестерен (шкивов, колес) в многовальных машинах с механическими передачами.
Зубцовая вибрация – на гармониках частоты входа зубьев шестерни в зацепление зубчатой передачи и на гармониках частоты прохождения зубцов ротора (якоря) через максимумы электромагнитного поля в зазоре электрической машины (в последнем случае могут быть и комбинационные зубцовые гармоники вибрации).
Лопастная (лопаточная) вибрация насосов (турбин) – на гармониках частоты прохождения лопастей (лопаток) рабочего колеса мимо неподвижной точки на корпусе.
Подшипниковая вибрация – вибрация подшипников качения (подшипниковых узлов и механизма в целом), вызываемая взаимодействием разных поверхностей качения и содержащая составляющие с подшипниковыми частотами, определяемыми различными комбинациями трех частот – частоты вращения одного из колец подшипника, частоты вращения сепаратора и частоты вращения тел качения. Часть подшипниковых частот пропорциональна числу тел качения в одном ряду подшипника.
3.3. Измерения и анализ вибрации.
Часто используемые виды и характеристики вибрации механизмов:
-
виброперемещение - измеряется СКЗ в мкм, может измеряться и размах, но при измерениях по устаревшим стандартам он может определяться через СКЗ, путем его умножения на 2,82 (в предположении, что основная составляющая виброперемещения – гармоническая),
-
виброскорость – измеряется СКЗ в мм/cek, может измеряться и Пик, но при измерениях по устаревшим стандартам он может определяться умножением СКЗ на 1,41,
-
виброускорение – измеряется СКЗ, в м/с2 или в g (ускорение свободного падения), может дополнительно измеряться Пик, либо собственно сигнала или его части, выделенной широкополосным фильтром, либо огибающей сигнала или его части.
При контроле состояния и диагностике механизмов, как правило, измеряется виброускорение (сигнал растет с ростом частоты вращения и позволяет использовать информацию, имеющуюся в высокочастотной вибрации). Для удобства сравнения вибрации на разных частотах обычно используются логарифмические единицы измерения величины виброускорения – децибелы (дБ).
Акселерометр (датчик виброускорения) – измерительный преобразователь виброускорения в электрический сигнал.
Точка контроля вибрации – место установки датчика на неподвижную поверхность механизма с учетом выбранного направления измерения вибрации.
Направление измерения вибрации – направление оси устанавливаемого датчика, вдоль которой коэффициент преобразования вибрации датчика максимален и определен в процессе калибровки.
Частотный диапазон датчика вибрации – нижняя и верхняя граничные частоты, в которых допускается проводить измерения вибрации (в соответствии с паспортными данными и выбранным способом крепления датчика).
Динамический диапазон датчика вибрации – отношение амплитуды максимального сигнала вибрации, измеряемого без искажений, к СКЗ собственных шумов, измеряемых при отсутствии вибрации на входе датчика.
Виброизмерительный канал – устройство, состоящее из последовательно включенного датчика вибрации и преобразователя, преобразовывающего электрический сигнал в удобную для дальнейшей передачи форму (чаще всего в цифровой код).
Виброметр – измерительное устройство, определяющее величину (уровень) вибрации (виброскорости и/или виброперемещения) в одной из стандартизованных полос частот (обычно в полосе частот 10-1000Гц),
Анализатор сигналов – устройство, разделяющее входной сигнал на составные части (компоненты) и определяющее их параметры. Характеризуется частотным диапазоном, динамическим диапазоном, количеством параллельно работающих измерительных каналов и видами выполняемого анализа.
СКЗ (среднее квадратичное значение) – величина, определяющая мощностные характеристики контролируемого параметра (у контролируемых вторичных процессов – корень квадратный из мощности выделенных для контроля компонент измеряемых сигналов).
СКО (среднеквадратичное отклонение) – величина, характеризующая разброс контролируемого параметра относительно его среднего значения.
Пиковое значение (Пик) – максимальная величина контролируемого сигнала (его составной части или отдельного параметра) за время измерений. При измерениях виброскорости или виброускорения может контролироваться либо Пик выделенных фильтром компонент, либо Пик огибающей выделенных фильтром компонент.
Размах – расстояние между точками максимального смещения колеблющегося объекта в разные стороны от положения равновесия, определяемое в выбранном направлении за все время измерений.
Спектр сигнала – представление выбранного отрезка сигнала в частотной области (преобразование Фурье) с разделением его на частотные составляющие в ряд частотных полос с определением СКЗ (в спектре СКЗ) или мощности (в спектре мощности) составляющих сигнала в каждой полосе.
Узкополосный спектр вибрации – спектр с большим количеством частотных полос одинаковой ширины. Средняя частота каждой полосы задается в Герцах (Гц). Ширина спектральной полосы также задается в Герцах и определяет частотное разрешение спектра. Узкополосный спектр используется для анализа спектрального состава вибрации механизмов при стабильной частоте их вращения (см. рис. 4.1 б,в).
Широкополосный спектр вибрации – спектр с ограниченным количеством частотных полос, ширина каждой из которых может изменяться с ростом ее средней частоты. Используется, в частности, для мониторинга состояния механизмов при нестабильной частоте вращения. Из всех видов широкополосных спектров чаще всего для мониторинга состояния механизмов с неконтролируемой частотой вращения используется третьоктавный спектр вибрации, в котором ширина каждой полосы пропорциональна ее средней частоте и составляет около 23% (см. рис 4.1 а). Средние частоты (точнее среднегеометрические частоты) всех полос такого спектра стандартизованы.
Синхронный спектр вибрации – спектр вибрации механизма, работающего с изменяющейся во время измерения частотой вращения, полученный после предварительного преобразования сигнала вибрации. В результате предварительного преобразования определяются мгновенные значения сигнала не через равные моменты времени, а через равные углы поворота ротора. Для этого параллельно сигналу вибрации измеряется текущий угол поворота ротора с помощью измерительного канала, например, с датчиком оборотов ротора. При целом числе отсчетов преобразованного сигнала (перед использованием преобразования Фурье) за один оборот ротора измеряемый синхронный спектр вибрации определяется как порядковый спектр.
Фазовый (временной) сдвиг сигналов вибрации – задержка во времени между двумя сигналами, из которых хотя бы один – сигнал вибрации, формируемыми в разных узлах механизма, определяемая в секундах или в величинах соответствующего этой задержке угла поворота ротора. Используется для контроля состояния механизмов с узлами возвратно-поступательного действия, для балансировки машин, и т.п.
Тренд контролируемого параметра – сглаженная по результатам периодических измерений зависимость значения контролируемого параметра от времени. По тренду параметра может осуществляться краткосрочный прогноз изменения его величины. В задачах мониторинга состояния машин по вибрации анализируются тренды изменения СКЗ составляющих сигнала вибрации в заданных точках контроля и полосах частот. При измерениях СКЗ составляющих виброускорения в дБ используются только линейные тренды (см рис 4.2)
3.4. Контроль и распознавание состояний.
Вибрационный контроль работающих механизмов – измерение уровня вибрации (виброскорости или виброперемещения) в стандартной полосе частот во всех контрольных точках механизма, сравнение полученных значений с установленными руководящим документами порогами и принятие решение о соответствии (несоответствии) вибрации действующим нормам.
Контроль состояния механизма по вибрации – контроль группы параметров вибрации, изменяющихся при развитии типовых дефектов (параметров состояния), в оптимальных для конкретного типа механизма точках, сравнение полученных значений с адаптированными для конкретного механизма порогами и принятие решения о продолжении эксплуатации (или остановке) механизма.
Мониторинг состояния механизма – непрерывный или периодический контроль параметров состояния с обнаружением их быстрых (скачки) и монотонных (тренды) изменений, оценка текущего состояния механизма по результатам сравнения совокупности полученных значений с порогами и краткосрочный прогноз времени достижения опасного состояния (при обнаружении трендов опасного развития любого из параметров состояния).
Идентификация состояния механизма – определение наиболее вероятного из классифицируемых бездефектных состояний и состояний с дефектами по данным, получаемым и накапливаемым конкретными средствами измерений в конкретных точках контроля при конкретных режимах работы механизма. Количество классифицируемых состояний определяется возможностями средств измерения и обработки полученной информации, а также подготовкой оператора.
Диагностика механизма - определение причин обнаруживаемых изменений состояния по совокупности параметров, превысивших установленные пороговые значения, с выдачей рекомендаций по дальнейшей эксплуатации и/или ремонту, а при отсутствии доступных для обнаружения по контролируемым параметрам изменений состояния - прогноз минимального времени безотказной работы механизма.
Диагностика механизма по эталону, по истории или по группе – диагностика с использованием одного из трех способов определения пороговых значений для контролируемых параметров состояния. Первый – абсолютные пороги задаются руководящими документами, второй – относительные пороги устанавливаются относительно базовой линии, определяемой по результатам периодических измерений каждого параметра состояния контролируемого механизма, третий – пороги устанавливаются относительно базового значения (среднего), определяемого по результатам измерений параметра у группы одинаковых механизмов.
Базовая линия – аппроксимирующая результаты периодических измерений параметра состояния линия, от которой отсчитываются пороги для определения состояния механизма по данному параметру.
Базовое значение – средняя по группе одинаковых механизмов, не имеющих дефектов, величина контролируемого параметра состояния.
Статистическая значимый параметр – параметр, величина которого больше статистической погрешности его определения,
Система мониторинга - совокупность технических средств и программного обеспечения, позволяющая оператору обнаруживать представляющие опасность для продолжения эксплуатации изменения состояния механизма, отслеживать их развитие и осуществлять краткосрочный прогноз его работоспособности в конкретном режиме функционирования
Система мониторинга и диагностики – система мониторинга, обеспечивающая выполнение всех или части дополнительных диагностических функций – определения причины изменения состояния (идентификация дефектов) контроль и прогноз их развития, прогноз состояния и выдача рекомендаций по обслуживанию (ремонту) механизма
Автоматическая система мониторинга (диагностики) – в которой, по крайней мере, операции обработки данных измерений с оценкой состояния, диагностикой и прогнозом работоспособности механизма выполняются без участия оператора.
Диагностический (контролируемый) параметр - параметр объекта, используемый при его диагностировании (контроле).
Алгоритм диагностики - совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля).
Диагностический признак – свойство или характеристика контролируемого процесса, (параметра) изменяющееся при появлении и развитии в объекте неисправности (дефекта) определенного типа (нескольких типов из конкретной группы).
Основной диагностический признак, – признак, достаточный для выявления неисправности (дефекта) в объекте контроля,
Дополнительный диагностический признак – признак, используемый совместно с основным и повышающий достоверность определения вида или величины неисправности (дефекта),
Достоверность оценки состояния - вероятность совпадения диагноза с фактическим состоянием объекта,
Вероятность ошибочного диагноза – сумма вероятности необнаруженного отказа (неисправности) и вероятности ложного отказа (неисправности) по результатам диагностики,
Адаптация системы мониторинга состояния к объекту (механизму) – определение (корректировка) точек контроля, периодичности измерений и пороговых значений для каждого из контролируемых параметров по результатам группы периодических измерений параметров одного объекта или одноразовых измерений параметров группы идентичных объектов.
Адаптация системы мониторинга и диагностики к объекту (механизму) – дополнительный к работам по адаптации системы мониторинга выбор диагностических признаков и параметров (из числа доступных для используемой системы).
Содержание
