Четвертый великий этап развития

Внедрение анализаторов спектра в реальном времени Измерения перемещения вала и вибрации корпуса дают хорошее представление об общих проблемах, однако, оба этих измерения имеют ограничения по частотному диапазону. Измерения перемещения вала имели ограничения по силам, необходимым для возбуждения перемещений, а силы желательно измерять и на высоких частотах (некоторые узлы могли выйти из строя еще до этого). Измерения скорости ограничивались тем, что амплитудная характеристика спадала после 1.500 Гц для большинства преобразователей скорости. К концу 1960 гг. пришло осознание, что на более высоких частотах содержится большое количество информации, обеспечивающей раннюю идентификацию неисправностей, которые могли бы привести к отказу.

Рис.18. Сигнал вибрации машины, записанный от акселерометра

Акселерометры предоставили эти очень ценные характеристики, однако, большинство доступных в то время методов анализа не могли выделить ритм и причины из столь сложных сигналов. Сигналы выглядели как ряд как бы повторяющихся штрихов во временной области (Рис. 18), и при этом ни у кого не было терпения (или продолжительности жизни) для поиска высокочастотных составляющих с фильтром, настраиваемым вручную. Ранние попытки механизировать процесс следящего фильтра привели к решениям с теперешней точки зрения анекдотическим, например, механизированному генератору сигналов и анализатору, соединенных велосипедной цепью. Появляются анализаторы в реальном времени. Первые анализаторы в реальном времени, большой черный ящик слева от центра на рис. 13 были первоначально основаны на сжатии времени и методе следящего фильтра (см. статью Джо Дири (Joe Deery) в журнале Sound and Vibration,40^th Anniversary Issue, January 2007, pp 54-61). Они были в состоянии трансформировать сложный сигнал вибрации в спектр - зависимость амплитуды от частоты в принципиально реальном времени. Впервые сложный сигнал вибрации от акселерометра мог быть легко разложен на конкретные составляющие, «по формам волны» (‘signatures’) в частотной области для количественного сравнения, идентификации механических дефектов и их интерпретации в реальном времени. Открылось совершенно новое окно в анализе вибрации  машин для детальной оценки состояния.

Обеспечив колоссальную новую возможность проникновения в структуру высокочастотного вибрационного сигнала, анализаторы в реальном времени впервые позволили контролировать и динамику его изменения, что и по сей день является основой оценки состояния подшипников качения, зубчатых зацеплений и электромеханического оборудования. Они внесли существенный вклад в понимание динамических проблем и на низких частотах, позволяя увидеть сигнал в реальном времени в переходных процессах, таких как при разгоне и выбеге, как это показано на рис. 10.

Некоторые ранние работы по частотному анализу в реальном времени были выполнены Дейвом Меллоном (Dave Mellon) и Лари Митчеллом (Larry Mitchell), работавшими тогда в Дю Понт (Du Pont). Доктор Митчелл позже работал в Политехническом институте Вирджинии. (Virginia Polytechnic Institute). Корпорация Спектрал Дайнемикс (Spectral Dynamics Corporation) опубликовала несколько статей по описанию случаев анализа вибрации в реальном времени для разного оборудования, преимущественно с зубчатыми зацеплениями. В конце 1960, начале 1970-х годов в натурных условиях этой технологией анализа пользовался Ричард Бурчилл (Richard Burchill). Одним из первых докладов, описывающих спектральный анализ в приложении к мониторингу состояния оборудования, предназначенной для аудитории пользователей, был доклад на первой ежегодной конференции в Техасском университете A&M «Применение спектрального анализа для мониторинга состояния и неисправностей оборудования в процессе его эксплуатации». (The Texas A&M First Annual Turbomachinery Conference in 1972; “Applications of Spectrum Analysis To Onstream Condition Monitoring and Malfunction Diagnosis of Process Machinery”).

Первые анализаторы в реальном времени были большими и тяжелыми. Узлы сжатия времени, выпущенные фирмой Federal Scientific (владелец патента на метод), Spectral Dynamics, показанный на рис. 13, и Saicor (позднее выкупленный фирмой Honeywell), весили около 23 килограмм, еле проходя предел максимально разрешенного веса при полете на самолете, будучи упакованными в защитный футляр. Дисплей, построение гармонических рядов и даже усреднения производились в большинстве случаев дополнительными устройствами. Автор с любовью вспоминает трудоемкость работы в полевых условиях в 1970 х годах, когда для этого требовалось набить порядка 450 килограммов приборов, занимавших полноразмерный микроавтобус до самой крыши. Это было необходимо для обеспечения достаточной информации для идентификации и выдачи рекомендаций для решения сложной проблемы, которая потенциально могла ограничить работу оборудования, до отъезда с места исследований. Сегодня, за исключением возможности одновременной многоканальной записи сигналов, гораздо более широкие возможности имеет аппаратура, которую можно разместить в большом дипломате, который помещается под сиденьем перед вами.

С этой новой технологией многие компании инициировали интенсивные программы анализа временного и частотного сигналов для критического оборудования. В связи с тем, что мониторинг критических машин в большинстве случаев осуществлялся системами непрерывно, с помощью аппаратуры, которая, кроме бесконтактных датчиков перемещения вала, располагалась в диспетчерской, и мониторами, имеющими буфер на выходе, то доступ к данным по перемещению вала оказывался относительно простым. Большинство компаний, установивших программы детального периодического анализа, дополняли измерения, полученные от стационарно установленных датчиков, результатами измерений с помощью датчиков вибрации корпусов, установленных временно. Это привело к глубокому пониманию изменчивых характеристик измеренных сигналов относительных перемещений вала и абсолютных вибраций корпусов и предвестников отказов в сигналах с корпусов, которые были или трудноразличимы или не видны совсем в характеристиках сигнала вибрации вала. Бывали случаи, когда машины продолжали работать, несмотря на существенно увеличенный уровень шума или очевидную опасную внешнюю вибрацию (треснутый цемент и масляные трубопроводы, неисправные датчики давления), потому что вибрация вала увеличилась лишь на немного. В некоторых случаях сломанный зуб или даже трещины на валу вызывали громадные разрушения. Были и обратные случаи. Опасная вибрация вала, появлявшаяся на стационарной системе мониторинга вибрации, интерпретировалась ошибочно, как проблемы с приборной частью, и машине позволялось работать и дальше, так как никто не мог почувствовать чрезмерную внешнюю вибрацию (калиброванный стрелочный указатель отказал), а измерения вибрации корпуса были неубедительными.

Ведущие компании, такие как Exxon, Shell, Amoco (теперь часть фирмы ISP) и Chevron, быстро распространили детальный анализ вибрационного состояния на оборудование общего назначения. Как правило, обеспечивали такой анализ два человека с аппаратурой в фургоне, или трейлере, похожих на те, которые показаны на рис. 19 и 20, спроектированные Юри Сола (Uri Sola) на фирме Exxon. Фургон обычно оснащался датчиками, длинным многожильным кабелем-удлинителем (обычно намотанным на катушку, как показано на рис. 19), усилителями (фирмы Encore Electronics, показанными в центре на рис. 20), одним или двумя ленточными магнитофонами, анализатором в реальном времени и плоттером. Для проведения анализа технического состояния фургон или трейлер припарковывался вдоль производственного оборудования. Один из специалистов устанавливал датчики на оборудование в соответствии со стандартным маршрутом или последовательностью. Во многих случаях кабель, соединяющий датчики и фургон, включал в себя оборудование для двухсторонней связи, так что человек, находившийся около оборудования, имел возможность сообщать аналитику, находившемуся в кондиционированном пространстве внутри фургона, о номере оборудования и месте установки датчика. Человек в фургоне записывал сигнал, проводил предварительный анализ, и распечатывал результаты на плоттере в виде спектра. Последовательные графики вибрации для данной точки машины обычно накладывались друг на друга на одном листе с целью их сравнения во времени.

Рис. 19. Внешний вид фургона для анализа вибрации – видна катушка с кабелем для подсоединения к удаленным датчикам.

Рис. 20. Интерьер фургона для анализа вибрации –  видны приборы, в частности,  анализатор спектра в реальном времени и графопостроитель, аналогичные тем, что показаны на рис. 13.

В одном из случаев, спектры, нанесенные один на другой, оказывались в основном прямой линией без видимых деталей кроме маленького всплеска на частоте скорости вращения. При необходимости анализа операторы выразили желание получить полные показания за год на одном листе бумаги с координатной сеткой размером 8,5 на 11 дюймов (21.59 на 27,94 мм). Это требовало шкалы амплитуд в 1 дюйм (2,54 мм), что было равно скорости 0,5 дюйм/с (1,27 мм/с)!

Наилучшие средства передвижения, представленные Uri Sela’s и показанные на рис. 19 и 20, на самом деле были средствами измерений, которые нашли применение намного шире, чем мониторинг и оценка технического состояния оборудования. Например, одним из примеров может быть процесс отслеживания изменений в техническом состоянии. И хотя технически эти программы были успешными, они, в конечном счете, провалились из-за высоких требований к ресурсам и стоимости операций. Однако, была создана база для внедрения портативных сборщиков данных.

Примерно в этот период времени, середина и конец 1970х годов, появился термин предупредительное техническое обслуживание (Predictive Maintenance). Предупредительное обслуживание описывает новый метод обслуживания, основанный на фактическом состоянии объекта, определенном по внешним характеристикам, доступным для измерения без влияния на работу оборудования. Сначала это были характеристики, получаемые путем анализа вибрации и смазки. Джим Бадерс (Jim Badders), работавший в то время на фирме Dow Industrial Service, кажется и был тем специалистом, который придумал этот термин в период своей работы в Южной Африке. И кто бы ни был автором, но этот термин устоялся и применяется по сей день.

Последующее развитие: анализаторы на базе быстрого преобразования Фурье.  К концу 1970х годов анализаторы со сжатием времени были заменены на анализаторы с быстрым преобразованием Фурье (БПФ). Эти приборы базировались на методе, описанном в статье Tukey и Cooley в 1965 году. Эти приборы были существенно меньше по размерам и весу, чем анализаторы в реальном времени со сжатием времени, и в то же время проводили преобразование временного сигнала в сигнал в частотном представлении цифровым способом с помощью внутреннего программного обеспечения. БПФ анализаторы включали в себя полноценный дисплей, систему усреднений и анализ гармонических рядов и все в одном приборе.

Миникомпьютеры: Первый шаг к автоматизированной системе диагностического мониторинга.  В период с середины до конца 1970-х годов несколько крупных турбомашин, оснащенных системами постоянного мониторинга перемещения вала, потерпели внезапные катастрофические отказы с дорогостоящими последствиями. В каждом случае системы мониторинга реагировали, но слишком поздно, чтобы можно было предотвратить отказ и последовавшие серьезные разрушения. Анализ отказов показал, что есть возможность использовать признаки, предшествовавшие отказам, такие как изменения шума и представлений вибрации, хотя и не достаточных для срабатывания сигналов тревоги по уставкам системы мониторинга, для получения дополнительной тревожной сигнализации, достаточной чтобы предотвратить большинство аварий.

Одним из логичных шагов было автоматизировать детальный диагностический мониторинг, доказавший свою успешность для периодической оценки состояния, и, таким образом, сделать возможным осуществление автоматического анализа за существенно более короткие интервалы по времени. Это привело к разработке управляемой миникомпьютером многоканальной мультиплексной системы мониторинга на базе БПФ анализатора. Система автоматически опрашивала установленные датчики (в основном датчики перемещения) в определенном порядке, проводила детальный диагностический анализ и сравнение спектров в каждой точке.