Методы вибродиагностики

Выбор метода вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояний объекта.

Структурное состояние характеризуется свойствами конструкции — геометрией элементов и взаимосвязями между ними. Это состояние объекта характеризуется в основном периодическими колебательными процессами; в этом случае адекватным методом является метод следящего спектрального анализа.

По порядку гармоник вибрации можно идентифицировать ее источники; амплитуды этих гармоник характеризуют распределение энергии, связанное с состоянием объекта. При развитии дефекта энергия колебаний увеличивается.

В роторных и зубчатых механизмах структурное состояние характеризуется ударными процессами. В этом случае адекватным является метод конкретного накопления, при котором выделяют ударные импульсы от каждого зуба диагностируемой шестерни. Частота следования импульсов определяет источник (шестерню), различие уровней — причину (неисправный зуб), а абсолютное значение уровней импульсов — степень неисправности.

Вибрационное состояние определяется совокупностью вибрационных характеристик объекта и является следствием структурного и функционального состояний и динамических свойств объекта. Даже при нормальном структурном и функциональном состояниях вибрационное состояние может быть неудовлетворительным из-за резонансных эффектов и паразитных колебаний.

Перспективными являются методы, использующие динамические изменения в объекте, простейшие из которых — изменение знака, скорости и характера процессов. Эти признаки отражают развитие дефекта во времени, что позволяет делать прогноз будущего состояния и работоспособности объекта.

Алгоритм анализа корреляционно-спектральных характеристик вибросигнала включает в себя: дискретизацию вибросигнала, цифровую фильтрацию, вычисление информативных параметров и определение технического состояния объекта. Программа, моделирующая объект, позволяет имитировать сигналы как исправного, так и неисправного механизма.

Одним из эффективных инструментов исследований вибрационных процессов, является моделирование механической конструкции объекта. При построении моделей определяют основные связи между элементами объекта и присущие ему закономерности. Удобными для исследования являются математические и электромеханические модели.

Если спектр виброакустического сигнала модулирован одной или несколькими частотами, что характерно для объектов, содержащих зубчатые кинематические пары, то эффективно сжатие информации путем логарифмирования и осуществление преобразования Фурье от логарифмического спектра мощности, называемого кепстром. Такой метод позволяет выделить информацию о сигнале, из результата многократных отражений при нелинейных преобразованиях и модуляции. При этом вся энергия виброакустического сигнала, рассеяная по множеству гармоник в спектральном методе, локализуется в одной составляющей при кепстральном методе анализа сигнала.

Кепстральный метод используют для формирования диагностических признаков только в тех случаях, когда колебательный процесс имеет периодически модулированный спектр, что наблюдается при явлениях нелинейного взаимодействия узлов и деталей механизмов, при наличии амплитудной и частотной модуляции, при преобразованиях типа свертки нескольких временных процессов, а также при изменении физических параметров механизма, износе, изменении жесткости, ударных взаимодействиях.

Наибольшее распространение кепстральный метод получил при диагностике зубчатых колес редукторных механизмов, имеющих разный износ поверхностей.

Виброизмерительная аппаратура содержит:

1. Комплекс стационарных лабораторных приборов:

многоканальные приборы:

· последовательного действия;

· параллельного действия

многофункциональные приборы:

· анализаторы вибрации;

· микропроцессоры.

Комплекс переносных лабораторных и промышленных приборов.

Комплекс приборов для испытательной техники:

· приборы с управлением вибрационным процессом;

· многокомпонентные приборы;

· приборы для формирования и измерения широкополосной случайной вибрации.

Комплекс стационарных лабораторных приборов предназначен для исследования и отработки различных объектов и их элементов при воздействии на них механических нагрузок.

Комплекс переносных приборов предназначен для последовательного или параллельного контроля уровней вибрации и шума в одной или несколько точках объема, технической диагностики и балансировки вращающихся частей машин и механизмов и включает в себя контрольно-сигнальную, балансировочную и вибродиагностическую аппаратуру.

Комплекс приборов для испытательной техники предназначен для испытания продукции на воздействие вибрационных, ударных нагрузок и акустических шумов и включает приборы и средства задания, воспроизведения механических нагрузок, аппаратуру управления, контроля и измерительную аппаратуру. Эти приборы должны обеспечивать достоверность проведения испытаний и соответствовать требованиям технических условий на объект и условиям их эксплуатации.

Многоканальная виброизмерительная аппаратура, широко применяемая в системах вибродиагностики, классифицируется по основным принципам измерения:

последовательное измерение параметра вибрации в отдельных точках объекта;

параллельное измерение параметра вибрации одновременно во всех контролируемых точках объекта;

комбинированные приборы с параллельной записью параметров вибрации во всех исследуемых точках и с последовательным измерением этого параметра в каждой точке.

При использовании аппаратуры последовательного измерения параметра вибрации на объекте в контрольных точках закрепляют вибродатчики, подключаемые через согласующие предусилители к электромеханическому или электронному коммутатору, с помощью которого они поочередно подключаются к измерительному прибору.

Аппаратура для параллельного измерения параметра вибрации имеет столько канальных усилителей и измерителей, сколько датчиков установлено на объекте. Такая аппаратура представляет собой набор одноканальных виброизмерительных приборов.

Комбинированные приборы являются более перспективными, поскольку они позволяют контролировать параметры вибрации в каждой точке объекта, оперативно оценивать их экстремальное значение, проводить коммпарирование с допустимыми уровнями вибрации, исключая тем самым отдельные, но характерные для объекта точки контроля. Такая аппаратура широко используется для вибродиагностики объектов со сложной механической конструкцией.

Основной тенденцией развития контрольных устройств для вибродиагностики является создание многоканальных систем с параллельной селекцией сигналов.

Комбинированные селекторы позволяют управлять режимом испытаний по максимальному, минимальному и среднему уровням вибрации.

При выборе аппаратуры в первую очередь необходимо установить местоположение точек контроля, необходимое и достаточное число контролируемых точек, число измеряемых компонентов в каждой точке измерения, контролируемый параметр вибрации, диапазон частот, в котором возникновение характерного и опасного дефекта приводит к изменению амплитуд отдельных гармонических составляющих спектра или общего уровня вибрации.

Статистическая обработка материалов вибрационных исследований машин позволяет составлять карты распознавания дефектов. По этим данным можно судить о признаках дефектов и выбрать частотный диапазон аппаратуры, необходимый для обнаружения характерных неисправностей машины. Во всех случаях верхняя граница частотного диапазона не должна быть ниже удвоенной рабочей частоты вращения ротора.

Для измерения и анализа вибрации аналоговыми способами, обработки результатов цифровыми способами и получения на выходе гистограмм распределения уровней вибрации, фазовых диаграмм, частотной и временной зависимости уровня или фазы вибрации используют многофункциональные системы.

Автоматизированные системы подразделяют на три основные группы.

В первой группе ЭВМ используют для оперативной обработки сигналов.

Во второй группе ЭВМ обрабатывает сигналы и выдает сигнал корреляции при изменении режима испытаний.

К третьей группе относят полностью автоматизированные системы, в которых ЭВМ включена в цепь обработки, анализа и управления всем режимом работы по программе исследований. Простейшие автоматизированные системы оперативно измеряют и анализируют характерные вибрации и сличают их с эталонными.

Случайная вибрация. Реальные вибрации являются случайными, поэтому для анализа объектов диагностирования необходимо измерять параметры широкополосной случайной вибрации.

Особенностью аппаратуры для измерения параметров случайной вибрации является наличие в ней частотно-избирательных цепей.

При образовании дефекта происходит изменение уровня вибрации в полосе частот Δω.

Для повышения информативности параметров вибрации в виброизмерительных приборах применяются фильтры, которые пропускают только составляющие спектра с частотами, лежащими в пределах Δω₀. В этом случае сигнал на выходе фильтра состоит из суммы гармонического сигнала с амплитудой А ₀ и шумом Р (t).

Существует много типов фильтров, применяемых в вибродиагностической аппаратуре: активные аналоговые фильтры, множительные избирательные устройства, цифровые фильтры, механические и т.д.

Анализ случайной вибрации диагностируемого объекта целесообразно проводить с помощью двухканальных анализаторов в реальном времени. В каждом канале анализатора устанавливают процессор для быстрого преобразования Фурье и оперативной обработки информации. Наличие двух каналов обеспечивает возможность оценки состояния объекта по спектрально-корреляционным функциям, а также по кепстру. Результаты анализа выводятся на дисплей.

16 СЕЙСМОРАЗВЕДКА — геофиз. метод разведки, основанный на изучении распространения в земной коре упругих волн, вызванных взрывом или ударом; упругие волны распространяются во все стороны от источника и проникают в толщу земной коры. Здесь они претерпевают отражение и преломление и частично возвращаются к поверхности земли, где регистрируются сейсморазведочной станцией. Измеряя время распространения волн и изучая характер колебаний, можно определить глубину залегания и форму тех геол. границ, на которых произошло преломление или отражение волны, а также судить о составе г. п., через которые волна прошла на своем пути. Сейсмические методы находят широкое применение при решении структурных и региональных геол. задач и занимают ведущее место среди геофиз. методов, применяемых при поисках м-ний нефти и природного газа, применяются также при поисках м-ний железных руд, угля и др. полезных ископаемых, а также в инженерной геологии. В С. различают 2 основных метода: метод отраженных волн (MOB) и преломленных волн (МПВ и КМПВ). МПВ основан на изучении упругих волн, преломившихся в пласте, в котором скорость больше, чем в вышележащих слоях. При падении на такой пласт под критическим углом падающая волна образует в нем скользящую волну, распространяющуюся вдоль его верхней границы. Движение скользящей волны вызывает вторичную, т. н. преломленную (головную) волну, которая возвращается к поверхности земли, где и может быть зарегистрирована. Определяв время пробега преломленной волны до нескольких точек наблюдения, можно вычислить глубину и наклон поверхности пласта с повышенной скоростью и величину этой скорости. Последняя во многих случаях позволяет судить о литологическом составе пород, слагающих пласты. Методом корреляционным преломленных волн (КМПВ), кроме времени пробега волны от источника возбуждения к месту наблюдения, изучается форма колебаний, что значительно увеличивает эффективность С. в сложных геол. условиях. Эффективность С., особенно в нарушенных обл., повышается применением метода регулируемого направленного приема (МРНП). В связи со все возрастающим кругом задач, решаемых.с помощью С., происходит ее специализация: широкое применение находит морская сейсморазведка как методом отраженных, так и преломленных волн; развитиесейсморазведки высокочастотной (ВЧС) позволяло расширить возможности изучения малых и средних глубин; низкочастотный метод зондирования сейсмического глубинного(ГСЗ) позволил проникнуть в толщу земной коры на многие десятки км.

17 ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА— геофиз. метод разведки, основанный на изучении естественных и искусственно созданных в недрах электрических (электромагнитных) полей постоянного и переменного тока. Основой для успешного применения Э. является дифференциация г. п. я полезных ископаемых по электрическим свойствам (электрическому сопротивлению, диэлектрической проницаемости и др.). Существует несколько методов Э., отличающихся друг от друга по роду используемого электрического тока и техникой проведения полевых работ. Основными из них являются: 1) методы постоянного тока — естественного электрического поля, заряда, изолиний, сопротивления (электропрофилирование,электрозондирование) и др.; 2) низкочастотные методы переменного тока — теллурических токов, интенсивности, частотного электромагнитного зондирования и др.; 3) среднечастотные методы переменного тока — индукции, аэроэлектроразведки и др.; 4) высокочастотные методы переменного тока — радиоволнового просвечивания, радиокип и др.; 5) методы, использующие нестационарные поля — вызванной поляризации, переходных процессов, становления поля и др. Большая роль в развитии методов электроразведки принадлежит советским ученым Дахнову, Заборовскому, Нестерову, Петровскому, Семенову и др. Методы Э. применяются для решения широкого круга задач геол. картирования и структурной геологии, поисков и разведки ряда полезных ископаемых, гидрогеол. и инженерно-геол. изысканий и др. Выбор методов зависит от характера задач, а также от геолого-геофиз., гидрогеол., климатических и др. условий проведения работ. В каждом конкретном случае выбор метода работ обосновывается принципиальными возможностями его применения и уточняется на основании опытных исследований на известных геол. объектах. Общими условиями, необходимыми для успешного применения методов Э., являются: 1) заметная дифференциация г. п. и полезных ископаемых по электрическим свойствам, 2) благоприятная морфология и достаточные размеры изучаемого объекта по сравнению с глубиной залегания, 3) относительно малое экранирующее влияние перекрывающих п. Методы Э. применяются на разных стадиях геол. изучения земной коры. Электроразведочные работы в масштабах 1: 1 000 000—1: 200 000 проводятся при региональном изучении рельефа кристаллического ложа и тект. строения осад. толщ, при изучении участков региональных гравитационных и магнитных аномалий. Работы проводятся методами электрозондирования, теллурических токов, магнитотеллурического профилирования и зондирования. Электроразведочные работы в масштабах 1: 200 000—1:25 000 проводятся при геол. съемках соответствующих масштабов, при поисках и разведке структур, перспективных на нефть и газ, а также рудоконтролирующих структур, при изучении угленосных толщ и т. д. Работы выполняются методами электрозондирования, электропрофилирования, теллурических токов, реже методом естественного электрического поля.

В более крупных масштабах электроразведочные работы ведутся при детальном геол. картировании, поисках и разведке м-ний полезных ископаемых, исследовании оснований под гидросооружения и т. д. На этом этапе работ широко используются метод естественного электрического поля, некоторые модиф. электропрофилирования, методы электроразведки на переменном токе и др. Э. применяют обычно в комплексе с др. геофиз. методами, при изучении рудных м-ний наиболее часто с магниторазведкой, при поисках нефтегазоносных структур с сейсморазведкой и грави-разведкой. М. Г. Илаев.