Системы и методы диагностирования
На протяжении многих лет методы контроля и диагностирования машин и оборудования по любым видам диагностических сигналов основывались на сравнении величины сигнала или его составляющих с пороговыми значениями, разделяющими множества бездефектных и дефектных состояний. Системы контроля и диагностики, создаваемые на базе этих методов, обеспечивали выделение информативных составляющих из измеряемого сигнала и регистрацию моментов превышения ими пороговых значений. Любое превышение порогов регистрировалось как дефект, вид которого определялся по совокупности составляющих, превысивших заданные для каждой из них пороги. Современные системы мониторинга состояния, являющиеся логическим развитием систем контроля, и сейчас строятся по этим принципам. Однако некоторые системы мониторинга позволяют уже не только контролировать величины параметров, сравнивая их с пороговыми значениями, и выявлять тенденции их изменения во времени, но и прогнозировать время, когда они достигнут пороговых значений.
Проблемы пользователя систем мониторинга, как уже отмечалось, связаны с необходимостью интерпретировать обнаруживаемые и прогнозируемые изменения состояния. Естественной границей, разделяющей системы мониторинга и диагностики, мог бы быть этап деления обнаруженных изменений на две группы, а именно, обратимые (изменение условий работы машины) и необратимые (дефекты). К сожалению, ни одна из систем мониторинга не решает полностью задачу такого деления. Поэтому системы диагностики должны вступать в действие до того, как обнаруженные системой мониторинга изменения будут разделены на группы обратимых и необратимых. В связи с этим, одной из основных характеристик систем диагностики следует считать глубину ее интеграции в систему мониторинга.
Другой важнейшей характеристикой систем диагностики является необходимая степень подготовки оператора. По объему требуемой от оператора диагностической подготовки системы могут быть разделены на три группы.
Первая группа - профессиональные системы диагностики, в которых оператор самостоятельно выбирает информационную технологию и средства измерения. Знания и опыт оператора-эксперта при использовании подобной системы полностью определяют глубину и достоверность диагноза и прогноза
Вторая группа - экспертные системы диагностики, включающие в себя экспертные программы, содержащие ответы на типовые запросы оператора, т.е. помогающие оператору принимать решение в определенных ситуациях. Экспертные системы могут применяться операторами, имеющими специальную подготовку, но не обладающими знаниями и опытом экспертов.
Третья группа - системы автоматического диагностирования. Они строятся по методам, позволяющим автоматизировать постановку диагноза, формируя для оператора программу измерений, и не требуют от пользователя специальной подготовки. Время обучения оператора работе с такими диагностическими системами не превышает двух-трех дней. Впервые подобные методы и системы автоматического диагностирования, разработанные специалистами-экспертами с более, чем 30-ти летним опытом работы в военно-морском флоте и авиации, появились в начале девяностых годов в России в А/О “Виброакустические системы и технологии”. В настоящее время системы автоматического диагностирования получают широкое распространение, непрерывно расширяя номенклатуру диагностируемых машин и оборудования
Итак, методы диагностирования машин и их узлов по вибрации и шуму следует классифицировать с учетом требований к глубине их интегрирования в методы мониторизации и с учетом задач, стоящих перед пользователем системы диагностики. Но не менее важными являются требования к проведению диагностических измерений и к глубине получаемого по этим измерениям диагноза
Учет перечисленных требований позволяет разделить существующие методы диагностирования на следующие группы:
Методы диагностирования качества сборки машин. Они применяются в процессе и непосредственно после завершения регламентного обслуживания машин и, в частности, при выполнении работ по балансировке машин на месте их установки. Эти методы не требуют получения никакой информации от систем мониторизации и рассчитаны на использование либо в переносных системах диагностики, либо на стендах выходного контроля продукции. Особенностью этой группы методов является и возможность частичного применения тестовых методов диагностирования. Тестовым воздействием может является действие дополнительных центробежных сил на частоте вращения ротора после установки пробных и балансировочных масс в соответствующие плоскости балансировки. Тестовым воздействием можно считать и появление динамических сил переменной частоты, возникающих в машине во время выбега.
Из информационных технологий, используемых в рассматриваемых методах диагностирования, следует прежде всего выделить фазово-временную. Как правило, она дополняется спектральной и технологией огибающей. Задачей систем диагностики, использующих данную технологию, прежде всего является обнаружение различного вида несоосностей валов при стыковке машин друг с другом и определение причин, ограничивающих эффективность балансировки машин. Например, при наличии различного вида дефектов в машинах могут появляться до десяти разных источников вибрации на частоте вращения ротора, что препятствует его балансировке. Но кроме этого необходимо обнаруживать и другие дефекты, появляющиеся в результате нарушений технологий изготовления и сборки различных узлов и деталей.
Задачи создания систем автоматического диагностирования качества сборки машин перед разработчиками обычно не ставятся. Персонал, занимающийся, например, балансировкой машин, как правило, имеет высокую профессиональную подготовку и способен самостоятельно диагностировать машины по методикам, предназначенным для экспертов.
Методы диагностирования по результатам мониторинга состояния машин и оборудования.
Эти методы строятся на базе информационных технологий, используемых для мониторинга виброакустического состояния по ограниченному числу точек контроля. Как правило, они ориентированы на построение либо профессиональных, либо экспертных систем диагностики. Глубина диагноза, обеспечиваемая такими методами, обычно невелика, и используются они чаще всего для разработки программы дальнейших исследований по идентификации обнаруженных изменений вибрационного состояния.
Методы совместного мониторинга и диагностирования машин и оборудования.
Эти методы широко используются в стационарных системах мониторинга и диагностики, обеспечивая более высокую достоверность диагноза, чем предыдущие группы методов. Положительный результат достигается прежде всего за счет увеличения числа точек контроля вибрации (шума).
Наиболее часто используются методы с полным разделением функций мониторинга и диагностики. Чаще всего и системы, построенные по этим методам, состоят из двух разных частей. Первая, включающая в себя стационарно установленные на машине датчики вибрации и шума, решает задачи мониторинга. Это обнаружение изменений виброакустического состояния, выделение тех изменений, которые связаны с необратимыми изменениями технического состояния машины и, при необходимости, прогнозирование их развития. После обнаружения таких изменений, если принято решение о продолжении эксплуатации машины, вступает в действие вторая часть системы мониторинга и диагностики. Она решает задачи идентификации обнаруженных необратимых изменений и, если это возможно, прогноза развития собственно дефектов. Вторая часть системы чаще всего реализуется в виде переносной. Это обусловлено тем, что в некоторых случаях при идентификации дефектов необходимо выполнять дополнительные измерения вибрации (шума) в точках, где ожидаемый вид дефекта дает наиболее сильную реакцию.
Современные системы мониторинга все чаще используют методы диагностирования не только для идентификации дефектов, но и для идентификации причин тех изменений виброакустического состояния машины, которые определяются не дефектами, а условиями работы. Такое объединение задач мониторинга и диагностики часто приводит к повышению качества диагноза, так как смена режима работы машины очень часто изменяет многие диагностические признаки дефектов. Одновременно усложняется процесс диагностирования, требуя все более высокой квалификации эксперта или все более сложных систем автоматического диагностирования машин. Именно по этому пути идут создатели автоматических систем мониторинга и диагностики ведущих фирм мира.
Усложнение методов мониторинга и диагностики машин и оборудования всегда приводит к росту числа точек измерения и, как следствие, к увеличению стоимости систем мониторинга. Оптимальной с экономической точки зрения стационарной системой мониторинга и диагностики будет система с частичным объединением функций мониторинга и диагностики. Так, для мониторинга и диагностики может быть выбрано ограниченное число точек контроля в узлах, не являющихся наиболее сильными источниками вибрации (шума) в машине, но в значительной степени определяющих ее ресурс. Чаще всего это точки на корпусах подшипниковых узлов. Для тех высокооборотных машин, в которых подшипники являются основными источниками вибрации, дополнительно могут быть использованы две-три точки контроля на корпусе, вдали от подшипниковых узлов.
Задачей мониторинга остается обнаружение изменений виброакустического состояния машины или ее узлов по измерениям, проводимым с минимально возможными временными интервалами. После обнаружения изменений, даже незначительных, вступает в действие система диагностики, осуществляющая полный цикл диагностических измерений с помощью стационарно установленных датчиков. И лишь в крайнем случае, когда данных мониторинга и диагностирования недостаточно для идентификации причин появления обнаруженных изменений, принимается решение провести дополнительные измерения с помощью переносных средств, входящих в состав объединенной системы мониторинга и диагностики.
Методы диагностирования и прогнозирования по периодическим измерениям вибрации (шума).
Большинство развивающихся в узлах машин дефектов начинают оказывать влияние на вибрацию и шум за много месяцев до наступления предаварийной ситуации. Исключение составляют лишь некоторые из дефектов изготовления и дефектов, появляющихся в результате нарушения правил эксплуатации машины. Они могут проявиться на любом этапе жизненного цикла машины и за короткий срок развиться до аварийноопасных значений. Если предположить, что такие дефекты отсутствуют, отпадает необходимость мониторинга машин и оборудования с короткими интервалами между измерениями, а следовательно, появляется возможность построения переносных систем диагностики машин с интервалами между измерениями в несколько недель или даже месяцев.
Методы диагностирования и прогнозирования по периодическим измерениям вибрации (шума) также строятся на различных сочетаниях рассмотренных ранее информационных технологий и обычно рассчитаны на использование квалифицированными экспертами. Наибольших результатов можно достичь с помощью методов, построенных на базе совокупности информационных спектральной технологии и технологии огибающей.
Рассматриваемая группа методов диагностирования требует глубокого знания процессов развития дефектов и влияния их на параметры вибрации и шума во всех видах диагностируемых машин. Поскольку данные методы строятся на основе сравнительного анализа результатов измерений вибрации и шума, выполненных в разное время, они предъявляют очень высокие требования к качеству виброакустических измерений. Выполнить подобные измерения может только специалист с большим опытом, что и ограничивает возможность и эффективность диагностирования. Особую сложность обычно представляет обеспечение идентичности режимов работы диагностируемых машин, без которой невозможно эффективно обнаруживать изменения их состояния.
Разработка методов диагностирования по периодическим измерениям вибрации и шума, позволяющих автоматизировать постановку диагноза и прогноза, наталкивается на те же трудности, что и разработка методов, требующих принятия решений оператором. Наиболее сложно решаются вопросы выбора результатов тех измерений, достоверность которых не подвергается сомнению, особенно если они отличаются от результатов предыдущих измерений. Сложность такого выбора усугубляется тем, что причиной отличий может быть не только появление дефектов или смена режимов работы машины, но и часто встречающиеся ошибки оператора в выборе места установки датчика или качества его крепления. Кроме того, практически невозможным оказывается поддержание одного и того же режима работы по нагрузке, частоте вращения и температуре окружающей среды во время измерений, проводимых через большие интервалы времени порядка нескольких недель или месяцев.
Несмотря на указанные трудности, работа по созданию методов автоматического диагностирования машин по периодическим измерениям вибрации проводится во многих странах и уже существует ряд систем диагностики, в которых они используются достаточно эффективно. Наибольшей глубиной автоматического диагноза и высокой достоверностью прогноза обладают методы, разработанные А/О “Виброакустические системы и технологии” для ряда приборостроительных фирм России и других стран.
Наиболее популярными и наиболее сложными являются методы диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации (шума). Строятся они на основе различного сочетания рассмотренных информационных технологий, и в большинстве своем могут использоваться только квалифицированными экспертами. Отличительной особенностью этих методов является диагностирование машины по узлам или даже по отдельным элементам, если последние являются источниками колебаний. Наибольшая эффективность достигается в том случае, если эксперты максимально используют возможности спектральной информационной технологии и технологии огибающей.
Любой метод диагностирования по однократным измерениям предполагает глубокое знание экспертом особенностей развития дефектов и их влияния на вибрацию (шум) объекта диагностирования. Необходимо для каждого типа машин с учетом их конструктивных особенностей заранее знать все эффективные диагностические признаки и пороги. Решать такие задачи под силу только либо узкоспециализированным по конкретным видам машин экспертам, либо с помощью методов, специализированных для диагностирования определенного вида узла.
В последние годы особое внимание привлекают специализированные методы, которые могут быть использованы для автоматического диагностирования машин или их узлов. Это прежде всего методы диагностирования подшипников качения по спектру огибающей вибрации, возбуждаемой силами трения в диагностируемом узле. Первая и наиболее полная система автоматического диагностирования подшипников качения по этим методам была разработана в 1991 году специалистами предприятия “Виброакустические системы и технологии”.
В разработке находятся системы автоматического диагностирования зубчатых передач, в частности, редукторов, по однократным измерениям вибрации. Имеются предпосылки для создания подобных систем диагностики рабочих колес насосов и турбин. Все они базируются на информационной технологии огибающей и дополняются информационной спектральной технологией. В ближайшем будущем ожидается создание систем диагностики электрических машин переменного тока по однократным измерениям вибрации.
Методы глубокого диагностирования по однократным измерениям вибрации (шума) пока не позволяют решить задачи диагностирования и долгосрочного прогнозирования всех видов узлов, а, следовательно, и машин в целом. Исключение составляют самые аварийноопасные узлы, прежде всего подшипники качения, для которых, как уже отмечалось, разработаны и эффективно используются системы оценки их состояния, построенные на методах глубокого диагностирования и прогнозирования по одноразовым измерениям вибрации. Объектами применения этих методов могут также стать системы мониторинга, в которых на их основе может строится система идентификации обнаруженных изменений. Эти системы идентификации позволят определить многие из обратимых изменений и снизить, тем самым, частоту ложных срабатываний систем мониторинга.
Список используемой литературы
1.Биргер И.А. Техническая диагностика. - М.: Машиностроения, 1978. - 240 с.
2.Ширман А.Р., Соловьёв А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования.- М, 1996г.,276с.
3.Вавилов В.П. Тепловые методы неразрушающего контроля. М.: Машиностроение, 1991.
4.Вакуумная техника: Справочник / Под ред. В.С. Фролова, В.Е. Минайчева. М.: Машиностроение, 1992.