СПОСОБ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ РОТОРНЫХ СИСТЕМ
METHOD OF ROTOR SYSTEM VIBRATION DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к исследованию оборудования и может быть использовано для диагностирования технического состояния роторных систем, в частности к выявлению усталостных трещин в оборудовании общего машиностроения или строительных конструкциях, и относится к методам и средствам вибрационной диагностики технического состояния таких систем.
Большинство методов диагностирования зарождающихся дефектов механизмов имеет в своей основе одну и ту же диагностическую модель: развитие дефекта вызывает рост амплитуд и изменение формы вибросигнала.
Задача состоит в применении оптимального способа обработки сигнала, который сводит к минимуму влияние помех и позволяет однозначно соотнести полученную характеристику сигнала с видом дефекта. Для того чтобы решить задачу диагностирования по совокупности вибрационных характеристик системы, необходимо выбрать наиболее чувствительные к изменению технического состояния машин диагностические признаки. Так как вибрация вызывает усталостные разрушения деталей, то при появлении усталостных трещин начинает изменяться характер колебаний, жесткость и демпфирование деталей, приводящее к значительным нелинейным эффектам в системе. Внезапный характер возникновения и роста усталостной трещины затрудняет их диагностирование на ранней стадии возникновения. В большинстве работ, посвященных этой, проблеме информативные диагностические признаки связаны с энергетическим спектром сигнала: амплитудой, продолжительностью и моментом появления импульса, частотой и фазой гармонического сигнала [Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. Под общей ред. М.Д.Генкина. - М.: Наука, 1984; Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1988].
Недостатками этих диагностических признаков является их связь сразу с несколькими различными дефектами агрегата, и проявление их на достаточно поздних стадиях развития дефекта.
Известен способ диагностики целостности металлической колонны, основанный на выявлении трещин, включающий определение и измерение спектра шумов по времени до начала работы, при работе колонны штанг [патент №2295639, Е21В 47/00, опубл. 20.03.2007, БИ №8]. Недостатком этого способа является невозможность разделения в спектре шумов неисправностей колонны и воздействия внешней среды.
Известен способ стендовых испытаний натуральных образцов штанг и моделей штанг на усталостную прочность при подаче одновременно постоянной и/или переменной нагрузок, направление которых совпадает с осью штанги. Диагностику проводят для выявления и развития усталостных трещин [патент №32284494, G01M 15/00, опубл. 27.09.2006, БИ №27]. Недостатком этого способа является невозможность контролирования состояния вибронагруженности в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Известен способ диагностики двигателя на определении локализации дефекта, основанный на измерении вибрации работающего двигателя, спектрального анализа вибрации и сравнении получаемых данных с данными в исходном состоянии. Локализацию дефекта осуществляют в широком диапазоне частот [заяв. №2005113946/06, G01M 15/00, опубл. 20.11.2006, БИ №32]. Недостаток способа в том, что обнаружение дефекта не всегда возможно на ранних стадиях его появления и развития.
Так как время между появлением усталостной трещины и внезапным отказом механизма зависит от места зарождения трещины и от общего уровня вибрации и очень часто наблюдается лавинообразный рост трещины за сравнительно небольшой промежуток времени, необходимо однозначно связать информативную характеристику с появлением усталостной трещины. Необходимо также, чтобы совокупность признаков позволяла обнаружить дефект на возможно более ранних стадиях развития.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении точности диагностики, расширении функциональных возможностей способа оценки параметров технического состояния и раннего выявления других дефектов в роторных системах.
Указанная задача решается тем, что в способе диагностики роторных систем, основанном на измерении параметров вибрационного процесса работающего агрегата, сравнении получаемых параметров с этими же величинами, замеренными в первоначальном состоянии, согласно изобретению характеристики регистрируют в двух направлениях: вертикальном и горизонтальном по отношению к оси вращения ротора, полученные данные сохраняют в компьютере в оцифрованном виде и проводят кепстральный анализ вибрационного процесса, заключающегося в получении кепстра виброскорости в окрестностях частоты вращения ротора, а затем его лифтрации в вертикальном направлении, и по количеству пиков в кепстре судят о появлении усталостной трещины и ее глубине.
При помощи кепстров можно выделять семейства гармоник от одного источника вибрации, а при логарифмировании исходного комплексного спектра виброскорости усиливаются слабые гармоники и ослабляются пики сильных гармоник, таким образом, применяется оптимальный способ обработки сигнала, который сводит к минимуму влияние помех и позволяет однозначно соотнести полученную характеристику сигнала с видом дефекта. С физической точки зрения выравнивается спектр по амплитудам гармоник и в кепстре виброскорости слабые импульсы от зарождающейся трещины усиливаются и отделяются от импульсов, вызванных другими неисправностями в роторной системе: дисбалансом, несоосностью, дефектами подшипниковых узлов, которые проявляются на частотах, кратных частоте вращения роторной системы. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 показано изменение кепстра виброскорости в окрестностях частоты вращения ротора с ростом глубины трещины (% от площади поперечного сечения вала), на фиг.2 показана блок-схема для диагностики роторной системы.
На фиг.1 показано изменение кепстра виброскорости сигнала в окрестностях частоты вращения ротора с ростом глубины трещины. Для образцов с трещиной до 5% в кепстре вибросигнала всего два пика, с ростом глубины трещины количество пиков увеличивается и растет гамнитуда кепстра. Лифтрация (анаграмма слова фильтрация) кепстра в окрестностях частоты вращения и ее удвоенной составляющей усиливает проявление импульсов от разных источников возбуждения: технологические неисправности роторной системы собираются в одну рагмонику (анаграмма слова гармоника),
Впервые найдена принципиально новая характеристика, которая позволяет диагностировать появление усталостной трещины глубиной 5-7% от площади поперечного сечения вала. С помощью этой информативной характеристики можно выявить усталостную трещину: по количеству рагмоник в кепстре (чем больше рагмоник, тем больше источников возбуждения, а следовательно, и импульсов от трещины); по расстоянию между рагмониками (чем ближе они расположены друг к другу, тем ближе по времени проявления этих импульсов, таким образом, чем меньше трещина -тем ее схлопывание будет ближе по времени с частотой вращения - первой рагмоникой); по высоте рагмоник (чем выше рагмоника, тем сильнее источник возбуждения, то есть при увеличении глубины трещины увеличивается энергия механизмов «схлопывания» внутри трещины).
Сущность изобретения заключается в том, что способ вибрационной диагностики роторных систем, при котором параметры вибрационного процесса снимаются с корпусов подшипниковых узлов как можно ближе концентраторам напряжений детали, из которых может возникнуть усталостная трещина, при этом характеристики вибрации регистрируют при помощи вибродатчиков в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вертикального и горизонтально по отношению к оси вращения ротора; характеристики сохраняют в компьютере в виде амплитудно-временной зависимости в оцифрованном виде и обрабатывают с помощью быстрого преобразования Фурье для получения кепстра виброскорости в окрестностях частоты вращения ротора, а затем его лифтрации в вертикальном направлении. Один из возможных способов реализации способа вибрационной диагностики поясняется чертежом, где на фиг.2 обозначены корпуса 1 подшипниковых узлов, вибрационные датчики 2, соединенные с виброизмерительным комплексом 3, которые передают измеренный вибросигнал через АЦП 4 в компьютер 5.
Данное изобретение направлено на расширение технических возможностей вибродиагностики роторных систем в режимах эксплуатации, и 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 различных дефектов на вибросигналы. Этот способ можно использовать также и для выявления других дефектов в роторных системах, которые проявляются на других частотах возбуждения, а также степени их развития.