Вибродиагностика роторной системы на подшипниках качения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Развитие систем контроля технического состояния машин

1.2. Словарь симптомов неисправностей машин

1.3. Принципы контроля технического состояния машин

1.3.1. Эмпирический подход к проблеме контроля состояния машин

1.3.2. Феноменологический подход;

1.4. Особенности контроля технического состояния роторных систем на подшипниках качения

1.4.1. Особенности вибросигнала корпуса подшипника:

1.4.2. Простейшие методики диагностики подшипников качения

1.4.3. Эмпирический подход

1.4.4. Преимущества и перспективность разработки феноменологического подхода

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

2.1. Лабораторная установка

2.1.1. Конструкция лабораторной установки

2.1.2. Подшипники качения

2.2. Измерение вибраций роторной системы на подшипниках качения

2.2.1. Измерительная система

2.2.1.1. Датчик ускорения;

2.2.1.2. Усилитель сигналов

2.2.1.3. Осциллограф

2.2.1.4. Магнитограф

2.2.1.5. Генератор сигналов ■

2.2.1.6. Аналого-цифровой преобразователь;

2.2.1.7. ЭВМ

2.2.2. Калибровка измерительной системы

2.2.3. Методика и результаты измерения вибраций

2.3. Методика частотного анализа вибросигнала

2.3.1. Исходная вибродиагностическая информация

2.3.2. Основные возможности частотного анализа^;

2.3.3. Быстрое преобразование Фурье (БПФ)

2.3.4. Взвешивание сигнала во временной области

2.3.4.1. Выбор окна взвешивания

2.3.4.2. Окна на основе тригонометрического ряда:

2.3.5. Спектр мощности ^;

2.3.6. Частотные характеристики широкополосных сигналов

2.3.6.1. Функция автокорреляции

2.3.6.2. Кепстр мощности

2.3.6.3. Комплексный кепстр

2.3.7. Анализ узкополосных сигналов:

2.3.7.1. Преобразование Гильберта:

2.3.7.2. Амплитудная огибающая сигнала

2.3.7.3. Частотная модуляция сигнала;

2.4. Методика статистического анализа вибросигнала

2.4.1. Проверка стационарности и эргодичности'

2.4.1.1. Критерий серий:,

2.4.1.2. Критерий инверсий

2.4.1.3. Критерий Уилкоксона

2.4.2. Закон распределения вероятностей

2.4.3. Безразмерные амплитудные дискриминанты

2.5. Обработка результатов измерения вибраций роторной системы на подшипниках качения

2.5.1. Программный комплекс обработки вибродиагностической информации

2.5.1.1. Назначение, основные возможности и характеристики

2.5.1.2. Тестирование программного комплекса

2.5.2. Статистический анализ результатов измерения вибраций

2.5.2.1. Проверка стационарности

2.5.2.2. Проверка эргодичности

2.5.3. Частотный анализ результатов измерения вибраций

2.5.3.1. Экспериментальное определение собственных частот роторной системы;

2.5.3.2. Идентификация спектральных компонент

3. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИЙ РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ НА

ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

3.1. Методика расчета роторных систем на подшипниках качения

3.2. Расчетная схема лабораторной установки

3.2.1. Параметры подшипников качения лабораторной установки

3.2.2. Инерционные и жесткостные параметры расчетной схемы лабораторной установки

3.2.2.1. Инерционные параметры;

3.2.2.2. Изгибные податливости вала

3.2.2.3. Жесткости опор установки - подшипников качения

3.2.2.4. Жесткости корпусов опор:

3.3. Исследование свободных колебаний механической системы ротор-опоры-корпус:

3.3.1. Свободные колебания роторной системы с учетом упругих свойств ротора, подшипников качения и корпуса

3.3.2. Резонансные частоты роторной системы при кинематическом возбуждении на левой опоре

3.4. Источники возбуждения вибраций роторной системы на подшипниках качения

3.4.1. Силовое возбуждение

3.4.2. Кинематическое возбуждение

3.4.3. Параметрическое возбуждение:

3.5. Разработка модели роторной системы на подшипниках качения

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ

РОТОРНОЙ СИСТЕМЫ НА ПОДШИПНИКАХ КАЧЕНИЯ

4.1. Применение статистических характеристик вибросигнала в диагностических целях

4.1.1. Симптомы локальных дефектов поверхностей подшипника качения

4.1.2. Методы повышения информативности статистических характеристик

4.1.3. Методика индикации локальных дефектов поверхностей подшипника качения на ранней стадии развитии

4.2. Диагностика роторной системы на основе линейной диагностической модели

4.2.1. Линейная модель возбуждения вибраций роторной системы

4.2.2. Методика диагностики на основе спектрального анализа результатов измерения вибраций

4.2.3. Методика диагностики на основе частотного анализа структуры вибросигнала;

4.3. Разработка диагностической модели роторной системы с учетом особенностей подшипника качения

4.3.1. Особенности возбуждения вибраций роторной системы на подшипниках качения.

4.3.2. Диагностическая модель с двумя входными и двумя выходными процессами,

4.3.3. Диагностика лабораторной установки с применением диагностической модели

Актуальность работы. В современной промышленности наблюдается тенденция к увеличению размеров, сложности и производительности машинного оборудования, вследствие чего возрастают капитальные затраты на его приобретение, ремонт и техническое обслуживание. Это привело к повышению интереса к таким схемам технического обслуживания, которые обеспечивают максимальное время бесперебойной эксплуатации, поскольку простой оборудования приводит к значительным убыткам из-за потерь продукции. Например, по данным фирмы Вгие1 & Кдаег [101, 113, 114, 123], убытки при выходе из строя 15-кубового карьерного экскаватора могут составить до $500 в час, бумажной машины - до $3000 в час, оборудования ядерной электростанции - до $1000000 в день.

Кроме того, при применении традиционного подхода к проведению технического обслуживания, заключающегося в эксплуатации машины до отказа, затраты на замену узлов оборудования, вышедшего из строя в результате аварии, значительно превышают стоимость ремонта или технического обслуживания тех же узлов. Так замена мотора-генератора экскаватора обходится в $250000, а его ремонт составляет не более $ 100000.

Поэтому метод эксплуатации до отказа был практически повсеместно заменен на метод периодического профилактического технического обслуживания (так называемого технического обслуживания по календарному графику), с проведением через определенные интервалы времени запланированных остановок машин и оборудования для замены определенной части узлов и деталей. Нормативы периодичности устанавливаются по средним групповым показателям, обеспечивая вероятность аварии порядка 2.5%. Следовательно, данный метод изначально предусматривает определенное число аварий, поскольку процесс деградации каждого отдельного механизма зависит от индивидуальных условий работы. Таким образом, для одного механизма из совокупности однотипных техническое обслуживание может оказаться преждевременным, а другой за этот же срок может выйти из строя. Например, среднемесячное время простоя бумажной машины из-за поломок при применении данного метода технического обслуживания составляет 21200 минут. В то же время, находящиеся в надежном состоянии машины могут быть необоснованно остановлены для проведения технического обслуживания, в результате чего заменяются еще работоспособные узлы и детали. Например, срок службы таких распространенных узлов, как подшипники качения, может отличаться в 30 раз в пределах одной партии. Кроме того, регулярные остановы и разборки машин нарушают приработку деталей, сокращая срок их службы.

Единственным действенным решением проблемы увеличения времени бесперебойной эксплуатации является внедрение современного метода обслуживания по техническому состоянию, при котором безразборный контроль параметров состояния машинного оборудования обеспечивает проведение ремонта только в случае его необходимости.

Описание технического состояния машинного оборудования может осуществляться путем измерения, анализа и контроля характеристик вибраций, возникающих в процессе работы любых машин, поскольку ухудшение их состояния (при разбалансировке вала, возникновении неисправности подшипника или зубчатой передачи и так далее) сопровождается увеличением уровня вибраций. Исходной информацией для анализа является вибросигнал - сигнал виброускорения (реже виброскорости), снимаемый с датчика, установленного на корпус машины в окрестности подшипникового узла.

После обнаружения неисправности по увеличенному уровню вибраций путем дальнейшего анализа вибросигнала устанавливается вид этой неисправности, оценивается степень ее развития и может быть спрогнозировано время достижения критического состояния. Это позволяет руководителям производства и специалистам по техническому обслуживанию заранее запланировать останов машины и подготовить необходимые запасные части.

Внедрение метода обслуживания по техническому состоянию на основе вибродиагностики обеспечило рост производительности оборудования на 1.3% для различных отраслей промышленности, полностью исключило серьезные аварии и снизило среднее время простоя бумажной машины из-за поломок на 81%, повысило надежность карьерных экскаваторов с 45% до 65%, увеличило срок службы роторных машин обогатительного оборудования железорудного карьера в 2.5 раз.

Значительная часть машинного оборудования, включенного в программы обслуживания по техническому состоянию, содержит роторные системы на подшипниках качения, причем в 40.80% случаев именно их техническое состояние является решающим фактором обеспечения безаварийной эксплуатации. Поэтому разработка новых простых и эффективных методов вибродиагностики роторных систем на подшипниках качения является актуальной проблемой.

Цель диссертации состоит в разработке более эффективного по сравнению с существующими метода вибродиагностики роторной системы на подшипниках качения в режиме эксплуатации применительно к наиболее распространенным видам дефектов (геометрические дефекты типа дисбаланса, несоосности и локальные повреждения дорожек подшипника). Метод основан на применении диагностической модели, позволяющей определить параметры технического состояния роторной системы на подшипниках качения по экспериментальным характеристикам вибраций.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработан метод вибродиагностики роторной системы на подшипниках качения в режиме эксплуатации, который в отличие от существующих предназначен не только для анализа влияния дефектов на характеристики вибраций, но и для решения обратной задачи: оценки параметров технического состояния по результатам измерения вибраций и разделения влияния разных дефектов на вибросигналы.

2. Разработанная нелинейная диагностическая модель роторной системы на подшипниках качения позволяет по результатам измерения вибраций получить зависимость силового возбуждения, вызванного геометрическими дефектами, и кинематического возбуждения от технологических погрешностей и эксплуатационных повреждений дорожек подшипника качения, что разделяет данные дефекты и существенно упрощает их диагностику.

3. На основе предложенного метода с помощью разработанной модели выявлены новые более чувствительные по сравнению с традиционными симптомы локальных дефектов поверхностей дорожек подшипника качения.

4. Предложен ряд усовершенствований в области обработки вибродиагностической информации (применительно к роторной системе на подшипниках качения) методами частотного и статистического анализа:

- составлена схема алгоритма быстрого преобразования Фурье с двоично-инвертированным входом;

- выбран тип окна взвешивания, наиболее эффективного для спектрального анализа;

- внесены изменения в алгоритм кепстрального анализа, исключающие обнаружение ложных периодичностей в спектре;

- применен сигнал частотной модуляции для более точного определения частоты спектральных компонент;

- предложен анализ виброрезкости, как альтернатива фильтрации в высокочастотной области;

- применены непараметрические критерии оценки стационарности и эргодичности сигнала.

Достоверность полученных результатов оценивается путем сопоставления результатов расчета и эксперимента, выполненного на лабораторной установке. Разработанные программные средства - комплекс частотного и статистического анализа и реализация диагностической модели - проверены на тестовых сигналах.

Практическая значимость работы. Применение предложенного метода вибродиагностики позволяет существенно упростить и автоматизировать процедуру индикации и идентификации основных неисправностей роторных систем на подшипниках качения (геометрических дефектов типа дисбаланса, несоосности и дефектов дорожек подшипника - технологических погрешностей и локальных эксплуатационных повреждений).

Разработанные на основе данного метода средства диагностики - программная реализация диагностической модели роторной системы на подшипниках качения и программный комплекс частотного и статистического анализа сигналов -предназначены для использования в автоматических, основанных на применении ЭВМ, системах контроля технического состояния машинного оборудования, а также для лабораторных исследований вибраций различных машин и механизмов в целях поиска новых симптомов неисправностей. В более простых системах контроля технического состояния, базирующихся на аппаратных средствах, для индикации неисправностей роторной системы на подшипниках качения могут применяться симптомы, выявленные в процессе исследований.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: Пръвата национална конференция "Тъория на механизмите и машините" (Болгария, Варна, 1992); Asia-Pasific Vibration Conference'93 (Japan, Kitakyushu, 1993); Asia-Pasific Vibration Conference'95 (Malaysia, Kuala Lumpur, 1995); Asia-Pasific Vibration Conference'97 (Korea, Seoul, 1997); III Всесоюзная конференция "Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации" (Нижний Новгород, 1991); X Межвузовская школа-семинар "Методы и средства технической диагностики" (Йошкар-Ола, 1992); X международная школа- семинар "Надежность больших систем" (Екатеринбург, 1995); II Научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1995); III Научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" (Курск, 1997); и научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 1991-1999).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Захезин A.M., Юшина О.П., Афанасьев Ю.А. Вычислительный комплекс частотного анализа и мониторизации технического состояния механизма поворота экскаватора ЭКГ-20 // Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации". - Нижний Новгород, 1991. - G.49-51.

2. Захезин A.M., Юшина О.П. Диагностирование виброакустическим методом и мониторизация параметров технического состояния механизма поворота экскаватора ЭКГ-20 // Тезисы докладов X Межвузовской школы- семинара "Методы и средства технической диагностики". - Йошкар-Ола, 1992. - С.17.

3. Захезин A.M., Юшина О.П. Идентификация дефектов с использованием системы MATLAB// Сборник докладов Пръвата национална коференция "Тъория на механизмите и машините". - Варна (Болгария), 1992. - С. 102.

4. Yushina О. Fault Diagnostics of Rolling Element Bearings // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'93. - Kitakyushu, Japan, 1993. - P. 1786-1789.

5. Юшина О.П. Феноменологический подход к проблеме контроля технического состояния подшипников качения // Сборник докладов и материалов II научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". - Курск: КГТУ, 1995.-С.65-70.

6. Юшина О.П., Маскаев А.В. Изучение вибраций подшипника качения в целях выявления симптомов неисправностей // Сборник докладов и материалов II научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". -Курск: КГТУ, 1995. - С.70-73.

7. Yushina О. Computer Programme for Frequency and Statistical Analysis of Signals // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kuala Lumpur, Malaysia, 1995.-P.623-628.

8. Yushina O., Zalchezin A.M. The Phenomenological Approach to Rolling Element Bearings Diagnostics // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kuala Lumpur, Malaysia, 1995. - P.769-774

9. Kolossova O. Non-linear Diagnostical Model of a Rotor System on Rolling Element Bearings // Proceedings of Asia-Pacific Vibration Conference'95. - Kyongju, Korea, 1997.-P.650-653.

10. Колосова О.П. Диагностическая модель роторной системы на подшипниках качения // Сборник докладов и материалов III научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". - Курск: КГТУ, 1997. - С.70-73.