Основные понятия технической диагностики

Сальников А. Ф.

Виброакустическая диагностика технических объектов:

Учеб. пособие– Пермь: Изд-во: Перм. гос. техн. ун-та. 2011.- 250 с.

 

 

Предназначено для студентов направлений:   140500 Энергомашиностроение; 130600 – Ракетостроение; 130400 – Ракетные двигатели и аспирантов

 

Рассмотрены теоретические и практические основы виброакустической ди­агностики неисправностей машин и агрегатов.

Обоснован принцип построения исследований колебаний в объекте для решения вопросов проведения его технической диагностики. Рассмотрены: физическая, математическая и имитационная модели виброакустической диагностики и некоторые приемы выделения информации в вибрационном сигнале для диагностики технического состояния объектов, машинного оборудова­ния, а также направления для разрабатываем системы их мониторинга.

 

 

 

ISBN…..

 

Оглавление

 

Наименование разделов			Стр.
Введение			5
1.	Основные понятия технической диагностики			8
1.1.		Структурная схема распознавания в технической диагностике			11
1.2.		Основные методы технической диагностики			16
2.	Основные понятия виброакустической диагностики.			222
2.1.		Объект, как колебательная система			22
2.2.		Механические колебательные системы			24
2.2.1.		Простейшее гармоническое колебание			24
2.2.2.		Определение собственных частот колебаний системы			29
2.2.3		Определение передаточной функции			39
2.2.4.		Структура импульсного воздействия			42
3.	Структура вибрационного сигнала			46
3.1.		Датчики для измерения виброакустических колебаний объекта			46
3.1.1.		Математическая модель вибродатчика			46
3.1.2.		Акселерометр			47
3.1.3.		Датчик скорости			50
3.1.4.		Датчик относительной вибрации			51
3.1.5.		Способы установки датчиков			51
3.2.		Модель виброакустического сигнала			52
3.2.1.		Составляющие виброакустического сигнала			54
3.2.2.		Периодические колебания			55
3.2.3.		Непериодические колебания			57
3.2.4.		Случайные колебания			57
3.2.4.1.		Классификация случайных процессов			58
3.2.4.2.		Стационарные случайные процессы			59
3.2.4.3.		Эргодические случайные процессы			60
3.2.4.4.		Нестационарные случайные процессы			62
4.	Обработка вибросигнала			63
4.1.		Фильтрация			63
4.1.1.		Фильтры			66
4.1.2.		Характеристики и параметры практических фильтров			69
4.1.3.		Время отклика фильтра			71
4.2.		Детекторы			73
4.2.1.		Возведение в квадрат			74
4.2.2.		Усреднение сигнала			76
4.2.3.		Извлечение квадратного корня			83
4.2.4.		Логарифмическое преобразование			84
4.2.5.		Временная характеристика детектора			84
4.3.		Модуляция колебаний			86
4.4.		Спектральный анализ			97
4.5.		Кепстральный анализ			100
4.5.1.		Дефиниция и методы определения кепстров			103
4.5.2.		Свойства кепстров			105
4.5.3.		Области применения кепстров мощности			111
4.5.3.1		Обнаружение и устранение эха			111
4.5.3.2.		Определение характеристик отражающих поверхностей			112
4.5.3.3		Практическое использование кепстров мощности			115
4.5.3.4.		Комплексные спектры			121
4.5.3.5		Область применение комплексных кепстров			124
5.	Практическая вибродиагностика			130
5.1.		Критерии оценки вибрационного состояния агрегата			130
5.2.		Содержание контроля			133
5.3.		Некоторые приемы выделения диагностической информации			139
5.3.1.		Небаланс масс ротора			140
5.3.2.		Расцентровка			148
5.3.3.		Механические ослабления			157
5.3.4.		Заедание			167
5.3.5.		Проблемы подшипников качения			170
5.3.6.		Общие вопросы диагностики подшипников скольжения			190
5.3.7.		Электромагнитные дефекты			198
5.3.7.1		Замечания по диагностике  статора			202
3.7.2		Основные проблемы  диагностики ротора
5.4.		Методика диагностирования трубопроводов на динамические нагрузки			207
5.5.		Методика диагностирования выхлопных трактов ГПА на динамические нагрузки			224
5.6.		Контроль сварных соединений			229

 

 

 

 

 

Введение

 

 

В последнее время проблема повышения надежности технических объектов, агрегатов, машин стала одной из первостепенных задач. Попытки ее решения предпринимаются по многим направлениям, и усовершенствование методов и средств технической диагностики  – одно из них. Эффективный контроль готовой продукции закроет доступ к потребителям недоброкачественных изделий, а внедрение в эксплуатационную практику средств, позволяющих определять достаточно быстро и точно техническое состояние создаваемых и работающих изделий, даст возможность принимать правильные решения о допуске их в эксплуатацию, определении сроков и содержания профилактических операций и ремонта для восстановления их работоспособности.

С точки зрения построения технического регламента виброакустической диагностики необходимо на стадии создания изделия, в процессе его отработки решить ряд задач, направленных на формирование технических признаков и величин их диапазонов, соответствующих требованиям технических условий или безопасной эксплуатации [22]. Для формирования диапазонов пригодности для вибродиагностики одной из важнейшей задачи является определение собственных и вынужденных частот колебаний изделий.

Собственная частота элемента является индивидуальной характеристикой, как геометрический размер, но в отличие от однозначности любого параметра собственная частота несет дополнительную информацию, связанную с изменением не только геометрических размеров, но и качества изготовления (наличие дефектов) и пр. Поэтому изменение собственных частот конкретного изделия может служить основой проведения технической диагностики объекта, как в процессе его эксплуатации, так и в процессе хранения и других технологических процедур (транспортировка, сборка и т.п.).

Вынужденная частота, как правило, связана с определенным циклом (периодом) в функционировании агрегата. Вращение ротора, возвратно-поступательные движения поршней, открытие - закрытие клапанов, срыв вихря в газовом потоке и т.д. формируют структуру вынужденных сил с частотой, связанной с периодом этого цикла и амплитудой, которая зависит от массожесткостных характеристик объекта и связей между его элементами. Особое место в анализе колебательных процессов, особенно в оценке допустимого значения параметров вибрации занимают резонансные взаимодействия конструктивных элементов в объекте, вынуждающей силы и его собственных колебаний. 

Основной задачей в проведении технической диагностики любого объекта, изделия или агрегата является выделение и разделение признаков (частот) на составляющие, которые можно идентифицировать с определенным его состоянием: вынужденные колебания в объекте – с причиной их порождающей, собственные - с характером внешнего воздействия. Анализ технического состояния любого объекта невозможен без накопления априорной информации, которая должна формировать амплитудно-частотный диапазон технического объекта. И при его построении мониторинг объекта должен сформировать такой диапазон, который  должен  соответствовать определению «Изделие годно». Набор информации по годности изделия должен вестись на всех стадиях не только технологического процесса изготовления агрегата (детали, узда), но и условиях его хранения и эксплуатации.

Наряду с определением собственных частотных характеристик деталей, узлов, элементов и изделия в целом, важнейшей задачей является построение передаточных функций прохождения акустических и вибрационных волн по «волнопроводам», которыми являются детали, узлы объекта, позволяющим определить источник возбуждения колебаний в точках измерения выброакустического поля, на доступной поверхности объекта для  установки виброакустического датчика. Источник возмущения при работе изделия, как правило, находится во внутренних структурах работающих механизмов или элементах (например, газовый поток в трубопроводе). Измерение вибрационного поля источника проводится с помощью виброакустических сигналов, замеренных на наружных поверхностях изделия, что вносит существенное изменение в амплитудно-частотные характеристики источника вибраций внутри объекта. Это связано с наложением на собственные частотные характеристики передающего элемента (связи) вынужденных колебаний от окружающих данный элемент деталей (объектов, масс, связей и т.п.). Передаточное звено преобразует амплитудно-частотную характеристику волнового процесса. Характеристической оценкой изменения вибрационного возмущения через любую структуру (связь, волнопровод) является передаточная функция. Кроме того, передаточная функция является достаточно информативной структурой в оценке работоспособности изделия, как волнопровода, поскольку позволяет выделить условия сборки, величины зазоров, износа, натяга и прочие. характеристики, связывающие условия обеспечения работоспособности изделия.

Для построения диагностических технологий по оценке технического состояния изделия необходимо оперировать не только определением диапазона разбросов по амплитудно-частотным характеристикам конкретного изделия, но и влиянием на него эксплуатационно-технологических параметров объекта. Разброс амплитудно-частотных характеристик объектов одного типоразмера связан не только с технологическими допусками на его  изготовление деталей, сборку узлов, но и с изменением величины нагрузки, действующей в процессе его эксплуатации, что приводит к изменению собственные частоты элемента конструкций.  Существенное влияние на изменение частотного диапазона оказывает  колебания температуры в материале изделия и внутренних сил (напряжений) в элементе, по которому передается вибрационная и акустическая волна. Поэтому определение амплитудно-частотного диапазона изделия при различных условиях эксплуатации объекта, который соответствует его работоспособности, является задачей по формированию оценочной пригодности изделия. Такая диагностическая технология позволит существенно повысить достоверность работоспособности изделий  как внутри партии,  так и конкретного образца. С другой стороны, выход за границы данного (полученного диапазона) будет являться основанием для прекращения работы объекта и для построения диагностического анализа причин, приведших к возможному отказу в его работоспособности. Диагностика состояния обо­рудования с помощью измерения и анализа параметров виброакустических сигналов является одним из методов неразрушающего контроля. Это позволяет проводитьмониторинг технического состояния объекта (мониторинг агрегата),т.е. наблюдение за техническим состоянием объекта (конструк­ции, машины, узла, механизма) для определения и предсказания момента пе­рехода в предельное состояние. Результат мониторинга объекта представля­ет собой совокупность диагнозов составляющих его субъектов (конструкций, машин, узлов, механизмов), получаемых на неразрывно примыкающих друг к другу интервалах времени, в течение которых состояние агрегата сущест­венно не изменяется. Обязательным условием построения технического мониторинга является мониторинг параметров - это наблюдение за какими-либо парамет­рами (давление, температурой, вибрацией и т.д.). Принципиальным отличием мониторинга состояния от мониторинга параметров является наличие интерпретатора измеренных па­раметров в терминах технического состояния (экспертной системы поддерж­ки принятия решения о состоянии объекта и дальнейшем управлении). Кроме того, мониторинг параметров может осуществляться независимо от технического мониторинга состояния объекта.

Согласно ГОСТ 20911техническое диагностирование (диагностирование) объекта – это акт получения технического диагноза, включающий диаг­нозы наиболее важных субъектов, составляющих объект диагности­рования и определяющих полноту его диагностирования. Согласно данной процедуре определяется технический диагноз объекта, как результат диагностирования, привязанный к определенному моменту времени.

В данном пособии изложены основы физических процессов формиро­вания и прохождения виброакустических сигналов в объекте (определение вектора интенсивности виброакустического поля объекта), основные принципы анализа параметров этих сигналов, способы формирования и анализа диагностических признаков с целью более глубокого понимания принципов распознавания при построении алгоритма технической диагностики. Кроме того, сформированы принципы проведения работ по определению собственных, (модальных, парциальных) частотных характеристик объекта на примере модельного ракетного двигателя (построение передаточных функций корпус – топливо, топливо – корпус).

Изложенный материал основывается на источниках, приведенных в списке рекомендуемой литературы, материалах, полученных на выставках, конференциях, симпозиумах, в Интернете, а также на основе собственного опыта разработки и эксплуатации систем мониторинга технического состоя­ния оборудования в различных отраслях народного хозяйства.

 

Основные понятия технической диагностики

Техническая диагностика – научно-техническая дисциплина, изучающая и устанавливающая признаки дефектов технических объектов, а также методы и средства обнаружения и поиска (указания местоположения) дефектов. Основной предмет технической диагностики – организация эффективной проверки исправности, работоспособности, правильности функционирования технических объектов (деталей, элементов, узлов, блоков, заготовок, устройств, изделий, агрегатов, систем, а также процессов передачи, обработки и хранения материи, энергии и информации), т.е.  организация процессов диагностирования технического состояния объектов при их изготовлении и эксплуатации, в том числе во время, до и после применения по назначению, при профилактике, ремонте и хранении. Диагностирование – одна из важных мер обеспечения и поддержания надёжности технических объектов [13].

Каждый из этих аспектов имеет свои особенности, описываемые своей сис­темой понятий. Структура и объем объекта определяется технологическими и функциональными функциями. При структурном подходе имеют дело с геометрией (размер) и формой де­талей, с их связями и другими свойствами элементов объек­та, обеспечивающими его нормальную работу. Основным понятием диагно­стики, связанным со структурным состоянием, будет оценка соответствия диапазона разбросов по каждому определяющему параметру.

Состояние объекта в некоторый момент времени t при структурном и функциональном анализеможет быть охарактеризовано совокупностью признаков конкретных параметров объекта, объединенных в класс признаков W (x ₁^', x ₂^',..., x_n.) Параметры x_i ^' - величины переменные, зависящие не только от способа изготовления и эксплуатации объекта (технологический процесс, допуски на размер, технологические параметры и т.д.), но и от времени эксплуатации (износ, коррозия и т.п.). Чтобы задать начало отсчета параметра x_i ^', вводится понятие идеального объекта. Под идеальным объектомподразумевается воображаемая система, структура которой с абсолютной точностью соответ­ствует проекту. В идеальном объекте отсутствуют какие бы то ни было отклонения от проектных параметров, на­рушения и дефекты. Все реальные объекты в той или иной степени отлича­ются от идеального. Величина отклонения параметра от идеального, при котором выполняются функциональные (технологические) свойства объекта называется полем допуска диагностируемого параметра. Разность x_i = x_i ^' - x_i ⁰ будет характеризовать отклонение i -го параметра диагностируемого объекта от параметра идеального прототипа, которую можно использовать в построении структурной или функциональной диагностики объекта.

Необходимо отметить, что между некоторыми параметрами процессов в объекте и его элементами (деталями) возмож­ны взаимовлияния, т.е. возможны зависимости, которые можно описать с использованием коэффициентов корреляции в зависимости x_i = f (x ₁^', x ₂^',..., x_n), что существенно затрудняет построение алгоритма распознавания структурной или функциональной диагностики объекта.

Таким образом, без учета корреляционной зависимости между параметрами (только линейная зависимость) техническое состояние машин и механизмов можно характе­ризовать структурными параметрами, изменение которых является причиной изменения технического состояния. Структурными параметрами являются параметры деталей, их взаимное расположение: размеры, зазоры, перекосы, нарушение геометрии, расходные характеристики и т.д. Таким образом, тех­ническое состояние объекта определяется совокупностью технических пара­метров, которые характеризуются их диапазоном нормального состояния. А возможное отклонение их за диапазон нормального функционирования объекта приводящее к его отказу.

Основная задача в построении диагностирования - определение совокупности (объема) параметров структуры x_{i. .} Оптимальным решением является  условие их минимальности. Совокупность параметров x ₁, x ₂,..., x_n будет минимальной, если ни одна из этих величин не может функционально выра­жаться через значения других параметров, входящих в совокупность.

Помимо минимальности, совокупность параметров, описывающих структуру механизма, должна удовлетворять условию полноты. Совокуп­ность параметров x_i будет полной, если знание их величины позволяет при­нимать однозначные решения о необходимости ремонта и обслуживания ме­ханизма.

Состоянием объекта называют полную минимальную совокупность па­раметров структуры классов признаков W(x ₁, x ₂,..., x_n), характеризующих отклонение структуры объекта от структуры идеального прототипа.

При построении функциональной диагностики объект рассматривается как единая сис­тема, с определенными функциональными параметрами (давление, расход, теплотворная способность, мощность, производительность и т.п.). Кроме того, объект поро­ждает много различных по физической природе процессов. Все эти про­цессы можно охарактеризовать количественно совокупностью параметров s ₁, s ₂,..., s_m, с определенным диапазоном в физическом измерении. Режим работы объект во время диагностики строго регламентируется данным диапазоном каждого параметра, то любое изменение величины указанных параметров должно быть предписано как изменение этого параметра вы­ходных процессов объекта и рассматривают как функции состояния:

 

s_j = s_j (x ₁, x ₂,..., x_n).                                                                 (1.1)     

 

В рамках границ разброса параметров для объекта можно определить бесконечное число функций состояния. Эта группа функций состояния, основанная на критериях эффективности объекта, представляет собой числовые характеристики способности объекта выполнять заданную работу (предназначение), т.е. характеристики, соответствующие его техническому заданию.

При диагностировании характе­ристики различных процессов (трение, диффузия, утечки и т.п.) в объектах параметры диагностического сигнала, со­путствующие работе объекта, не всегда доступны для непосредственного измерения. Сами по себе процессы, образующие ди­агностический сигнал, как правило, не имеют существенного значения с точ­ки зрения работоспособности объекта и поэтому в машиноведении, за ис­ключением диагностики, обычно не изучаются. Но в диагностике их роль существенна: они служат источником информации о состоянии объекта.

В практике поиска неисправностей, разделенных на классы и не различающихся между собой для разных объектов (например: износ, коррозия, и т.п.) осуществляется их выделением в классы различающихся между собой по  элементам различных объектах. Число классов (следовательно, число входящих в них неисправных состоя­ний) определяет достигаемую при поиске неисправностей детализацию мест неисправностей. Эту степень детализации в технической диагностике приня­то называть глубиной поиска или глубиной диагностирования.

Характеристики диагностического сигнала, содержащие информацию о параметрах технического состояния объекта, называют диагностическими признаками состояния, которые могут быть объединены в сигнале в классы признаков по элементам объекта, а классы признаков объедены в алфавиты классов признаков, форматирующие информацию состояния технического объекта.

Размерности классов и алфавитов классов признаков параметров диагностических признаков в принципе не ограничены, что и обусловливает развитие технической диагностики.

На практике для решения прикладных задач диагностики отыскивают такое минимальное количество диагностических признаков, которое однозначно связано с соответствующими структурными параметрами объекта, определяющими условия нахождения в границах их допуска или выхода за границы, что соответствует отказу в его работе. Эти диагно­стические признаки должны быть взаимно статистически неза­висимы друг с другом в одном классе признаков и должны соответствовать между собой классам неисправностей и дефектов объекта для других алфавитов классов признаков. Это практически недостижимо, поскольку взаимосвязь между всеми дефектами и ди­агностическими признаками является объективными свойствами природы любых процессов при функционировании объекта.

Диагностирование можно построить различным способом. Наиболее распространенным способом является оценка по среднеквадратичному значению изменения диагностического признака в определенном классе признаков во времени (статический способ). Как правило, данная процедура по одному параметру не решает вопроса построения причин отказа в работе объекта. Он только показывает интервал остаточного ресурса работы объекта. Если для диагностической цели  состояние объекта обычно описывается не одним, а целой совокупностью параметров, то при указанной выше обработке сигналов для однозначного диагностирования объекта требуется использовать большое число разнообразных процессов, описываемых дополнительной совокупностью классов признаков или отдельным алфавитом класса признаков.

Динамический способ построен на другом принципе. Вместо того чтобы регистрировать и усреднять большое число различных процессов, регистрируется только один из них, но для его анализа использу­ется такой способ обработки сигнала, из которого извлекается вся диагности­ческая информация. Он оперируют с переменными сигналами, главным образом имеющими колебательный характер. Такие сигналы обладают сложной вре­менной и спектральной структурой, поэтому способны переносить большие объемы информации.

Использование всего одного процесса вместо множества разнородных по физической природе процессов следует считать достоинством динамиче­ской системы диагностики по сравнению со статической.