Особливості вібродіагностики деталей у процесі їх виготовлення

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Аналіз сфер застосування і можливостей вібродіагностики

На підприємствах різних галузей у переважній більшості використовуються електроприводи на базі асинхронних двигунів (АД). На сьогоднішній день однією з актуальних проблем є підвищення надійності експлуатації електромеханічного обладнання на базі АД. Більшість підприємств не має можливості своєчасного оновлення устаткування, та, відповідно, актуальним стає питання про підвищення ефективності експлуатації вже наявного. Тому на зміну планово-попереджувальних ремонтів приходить діагностика по фактичному технічному стану об'єкта.

Функціональне діагностування здійснюється під час роботи об'єкта і характеризується тим, що на об'єкт надходять тільки робочі впливи. Вони дають можливість виявити пошкодження та порушення правильності функціонування окремих вузлів, а також негайно реагувати на них шляхом переходу на інший режим, зупинкою або підключення резерву.

Найбільш поширений метод діагностики - за параметрами вібрації.

Вібрація - явище, звичайне для обладнання, що містить рухомі частини. Вона виникає через деякі властивості, які є природним наслідком виготовлення елементів устаткування і характеристик матеріалів. При збільшенні вібрації ці властивості можуть розвинутися в серйозні дефекти. У свою чергу розвиток дефекту в обладнанні призводить до зміни характеристик вібрації. Збільшення вібрації вище певного рівня може призвести до руйнування елементів обладнання або характеризувати руйнування. Таким чином, вібрація є причиною розвитку дефектів, так і їх індикатором.

В якості діагностичних параметрів використовуються різноманітні параметри вібрації, параметри випадкового процесу зміни вібрації, спеціальні функції параметрів.

Кількісні та якісні характеристики значень діагностичних параметрів та їх змін, характерні для певного дефекту, є ознаками цього дефекту. У дефекту може бути кілька ознак, а деякі ознаки можуть бути загальним для групи різних за природою дефектів.

Переваги діагностики за параметрами вібрації:

- метод дозволяє знаходити приховані дефекти;

- метод, як правило, не вимагає збирання-розбирання обладнання;

- малий час діагностування;

- можливість виявлення несправностей на етапі їх зародження.

Методи вібродіагностики спрямовані на виявлення і ідентифікацію таких несправностей агрегату, що впливають на його вібрацію: дефектів роторів, опорної системи і вузлів статора, що випробовують або генерують динамічні навантаження.

Метою вібродіагностики є: попередження розвитку дефектів агрегату і скорочення витрат на його відновлення.

Основними завданнями вібродіагностики є:

- розділення безлічі можливих технічних станів агрегату на дві підмножини: справних і несправних;

- постановка діагнозу, що полягає у визначенні характеру і локалізації одного або групи дефектів, що відповідають вібраційному стану агрегату;

- можливе виявлення дефекту на ранній стадії і прогнозування його розвитку в часі.

Вібраційне діагностування об'єктів проводиться в три етапи: первинний опис вібраційного стану об'єкту, виділення ознак і ухвалення рішення.

На етапі пошуку інформативних ознак обмежують число вимірюваних параметрів вібрації, шуму і ударів. При цьому з безлічі параметрів, що характеризують вібраційний процес, виділяють тільки ті, які прямо або опосередковано характеризують стан об'єкту. За цими параметрами формулюють інформативну систему ознак, використовуваних при діагностуванні.

Вибір діагностичних параметрів вібрації залежить від типів досліджуваних механізмів, амплітудного і частотного діапазону вимірюваних коливань.

Основними параметрами вібрації є:

- вібропереміщення - Xm, м;

- швидкість (віброшвидкості) - Vm, м/с;

- прискорення (віброприскорення) - am, м/с2.

Вібропереміщення представляє інтерес в тих випадках, коли необхідно знати відносне зміщення об'єкту або деформацію. Якщо досліджують ефективність вібраційних машин то вивчають швидкість вібрації, оскільки саме вона визначає імпульс сили і кінетичну енергію. При оцінці надійності об'єктів основним вимірюваним параметром є віброприскорення.

Залежно від спектрального складу, розподіляють рівні вібрації в діапазоні частот і в часі, а також від нормування допустимого рівня вимірюють амплітудні, середні або середньоквадратичні значення. Основною перевагою виміру, середньоквадратичних значень являється незалежність цих значень від зрушень фаз між окремими складовими спектрів вимірюваної вібрації.

Для обґрунтування вибору діагностичних параметрів у кожному конкретному випадку необхідні експериментальні дослідження агрегатів у робочому та несправному станах. При цьому слід враховувати, що дефекти зазвичай характеризуються комплексом діагностичних параметрів.

На підставі діагнозу визначається оптимальний режим експлуатації агрегату в умовах виниклої несправності і технологія усунення дефекту і відновлення працездатності агрегату.

Точно поставлений діагноз, зменшує витрати, пов'язані з відновленням агрегату.

2. Нормування вібрації

З метою обмеження вібрації в різних областях техніки існують вимоги і норми по її регламентації. Різноманітність підходів до обмеження вібрації, обумовлених різними вимогами, сильно ускладнює розробку єдиних норм. У більшості випадків норми встановлюються з урахуванням усіх найбільш важливих умов і, оскільки вони не можуть в рівній мірі задовольнити усім вимогам, то є результатом компромісного рішення. Оскільки зниження вібрації нижче певної межі впливає на інші показники, у тому числі на вартість і терміни виготовлення, масогабаритні і економічні характеристики, рівні вібрації кожної конкретної машини повинні знаходитися в оптимальному поєднанні з іншими її параметрами, а їх нормування повинне здійснюватися на науковій основі.

Під нормами зазвичай розуміються встановлені за допомогою статистичних методів реально досяжні мінімальні рівні вібрації, виконання яких є обов'язковим. До вимог відносяться більшість діючих санітарно-гігієнічних нормативів по обмеженню вібрацій, а також ряд спеціальних відомчих технічних вимог, обумовлених призначенням машин.

Існуючі норми по обмеженню вібрації машин можна підрозділити на наступні основні категорії:

- норми, що регламентують віброактивність конструкцій і якість виготовлення машин;

- експлуатаційні норми допустимої вібрації машин;

- санітарно - гігієнічні норми;

- норми на вібростійкість машин при дії зовнішньої вібрації.

Норми, що регламентують віброактивність конструкцій машин і якість їх виготовлення, є критерієм оцінки рівнів вібрації машин, що серійно виготовляються, і механізмів.

Експлуатаційні норми допустимої вібрації - встановлюються головним чином з метою контролю за вібраційними параметрами технічного стану машин в процесі роботи.

Внаслідок безпосереднього зв'язку між технічним станом машини, параметрами процесів, що відбуваються в ній, і вібрацією кожному стану машини відповідає цілком визначена за характером і інтенсивністю вібрація. Виміряна за допомогою відповідної апаратури, вона може служити прямим або непрямим показником якості роботи і технічного стану машини. Тому першим ступенем діагностики технічного стану машини є контроль її вібрації в процесі роботи і зіставлення зі встановленими нормами. Вихід за межі експлуатаційних норм свідчить або про порушення робочого процесу машини, або про її несправність. Такі норми встановлюються на основі досвіду експлуатації і включаються у правила обслуговування машин і установок.

Критерії оцінки для машин конкретних типів мають бути встановлені у відповідних окремих стандартах. У таб. 1. приведені тільки тимчасові, зразкові критерії, якими можна користуватися за відсутності відповідних нормативних документів. По ній можна визначити верхні межі зон А до С, виражені в середніх квадратичних значеннях віброшвидкості Vm мм/с, для машин різних класів:

Клас 1 -- Окремі частини двигунів і машин, сполучені з агрегатом і працюючі в звичайному для них режимі(серійні електричні мотори потужністю до 15 кВт є типовими машинами цієї категорії).

Клас 2 -- Машини середньої величини(типові електромотори потужністю від 15 до 875 кВт) без спеціальних фундаментів, жорстко встановлені двигуни або машини(до 300 кВт) на спеціальних фундаментах.

Клас 3 -- Потужні первинні двигуни і інші потужні машини з масами, що обертаються, встановлені на масивних фундаментах, відносно жорстких у напрямі виміру вібрації.

Клас 4 -- Потужні первинні двигуни і інші потужні машини з масами, що обертаються, встановлені на фундаменти, відносно податливі у напрямі виміру вібрації(наприклад, турбогенератори і газові турбіни з вихідною потужністю більше 10 МВт).

Зони вібраційного стану:

Зона А -- В цю зону потрапляють, як правило, нові машини, тільки що введені в експлуатацію.

Зона В -- Машини, що потрапляють в цю зону, зазвичай вважають придатними для подальшої експлуатації без обмеження термінів.

Зона С -- Машини, що потрапляють в цю зону, зазвичай розглядають як непридатні для тривалої безперервної експлуатації. Зазвичай ці машини можуть функціонувати обмежений період часу, поки не з'явиться відповідна можливість для проведення ремонтних робіт.

Зона D -- Рівні вібрації в цій зоні зазвичай розглядають як досить серйозні, для того, щоб викликати ушкодження машини.

Таблиця 1 - Приблизні межі зон для машин різних класів

vr.m.s,мм/с	Клас 1	Клас 2	Клас 3	Клас 4
0,28	A	A	A	A
0,45
0,71
1,12	B
1,8		B
2.8	C		B
4,5		C		B
7,1	D		C
11,2		D		C
18			D
28				D
45

3. Аналіз вібродіагностичних методів виявлення пошкоджень та дефектів

Достовірність оцінки стану агрегату при технічному обслуговуванні, що включає в якості необхідної складової частини технічне діагностування, залежить від розуміння сутності робочих процесів, які виступають в якості носіїв діагностичної інформації, і від знання законів виникнення і розвитку несправностей.

При розробці методик діагностування корисно виділяти характерні стадії розвитку дефекту (відмови), оскільки кожна з них може характеризуватися своїм комплексом діагностичних параметрів. Зазвичай розрізняють наступні стадії:

- поява причин, що викликають дефект або відмову;

- інкубаційний період (накопичення пошкоджуваності, зародження дефекту і рання стадія розвитку, що викликає зміну властивостей, іноді важко виявляються використовуваними методами діагностики);

- розвинений дефект, тобто дефект, що виявляється методами діагностики, але не викликає вторинних ушкоджень;

- розвиток дефекту, що викликає вторинні пошкодження або зміни в обладнанні, що характеризуються своїми діагностичними параметрами;

- раптове або миттєве руйнування (має місце не для всіх дефектів), яке може викликати або не викликати вторинних руйнувань.

Перші дві стадії у більшості випадків діагностують за параметрами, які характеризують причини дефекту, тривалість і ступінь їхнього впливу. Розвинений дефект виявляють за параметрами, які характеризують ступінь його розвитку. Розвиток дефекту, що викликає вторинні ушкодження додатково виявляється з діагностичними параметрами цих ушкоджень. Серед задач діагностики раптового або миттєвого руйнування, яке необхідно запобігти при контролі устаткування, слід використовувати параметри, що характеризують перші дві стадії його розвитку.

У вібродіагностиці слід враховувати той факт, що дефекти на різних стадіях розвитку можуть бути пов'язані з вібраційними процесами в обладнанні (коливаннями його деталей або динамічними процесами, їх волають) різним чином, а перехід від однієї стадії розвитку до іншої може бути поступовим або стрибкоподібним.

Дефекти класифікують за наступними аспектами, що враховуються при розробці та використанні методів і засобів діагностики:

- за видом руйнування (втома, знос, повзучість, корозія, термодеформаціі і т.д.);

- за моментом прояву (в процесі роботи, при оглядах і технічному обслуговуванні, при розбиранні);

- за часом характеру проявлення (раптові, поступові, збої, що перемежовуються відмови);

- за причинами виникнення (конструктивні, технологічні, виробничі, експлуатаційні, дефекти матеріалу);

- за ступенем небезпеки;

- за наслідками (відмова, що усувається при експлуатації; відмова, що веде до дострокового виведення обладнання з експлуатації; відмову, ведучий до події; відмова, що веде до аварії);

- за способами усунення (заміною деталі, регулюванням, дрібним ремонтом, заміною вузлів в експлуатації, доробкою в заводських умовах і т.д.);

- за зв'язком дефектів і відмов між собою (незалежні і залежні).

Таблиця 2 - Дефекти механізмів, що виявляються вібродіагностичними методами контролю

Дисбаланс	Ротора, робочого колеса, системи «ротор електродвигуна - муфта - робоче колесо» і т.д.
Неспіввісність валів	Злам і зміщення валів. Вигнутий вал.
Не жорстке кріплення	Тріщини в рамі або корпусі. Ослаблення затягування фундаментних або кріпильних болтів. «М'яка лапа».
Дефекти електродвигунів	Нерівномірний повітряний зазор між статором і ротором. Пошкодження обмоток статора або ізоляції. Ексцентриситет ротора. Обрив або ослаблення кріплення стрижнів білячої клітки. Ослаблення кріплення обмоток статора. Перекіс напруги на фазах і т.д.
Дефекти приводних муфт	Ослаблення посадки на вал. Нерівномірна передача крутильного моменту елементами зачеплення.
Дефекти компресора, насоса, вентилятора	Кавітація. Помпаж. Зрив потоку. Поломка лопаток і т.д.
Дефекти зубчастих передач	Знос зуба. Поломка зуба. Ударне зачеплення. Неспіввісність валів.
Дефекти ремінних передач	Знос ременя. Ослаблення натягу. Неспіввісність шківів. Ексцентриситет шківа. Резонанс ременя і т.д.
Дефекти підшипників ковзання	Знос. Еліпсність шийки вала. Продавлювання масляної плівки, автоколивання і т.д.
Дефекти підшипників кочення	Дефекти тіл кочення, сепаратора, внутрішнього і зовнішнього кільця. Всі дефекти виготовлення, монтажу та зносу. Якість мастила.

Причини типових несправностей елементів АД, що потребують доопрацювання та діагностуються методами вібраційної діагностики:

- причини відмов, які закладаються при проектуванні машини: невдалий вибір форми деталей, наприклад, з концентраторами напружень і різкою зміною перетинів; невдалий вибір матеріалів і їх поєднань; недооцінка навантажень та діючих сил; неправильний облік їх можливих змін в процесі експлуатації машини і т.д.;

- причинами відмов, що закладаються при виготовленні машини, можуть бути неправильні значення допусків; використання бракованих деталей; порушення технології виготовлення; неповнота контролю;

- порушення технології в процесі збирання: неправильно установлене положення точки контакту конічних зубчастих коліс (концентрація навантажень, що призводить до руйнування); неправильний монтаж підшипників кочення в редукторі (вигин та руйнування валу); недостатня затягування гайок в болтових з'єднаннях (вихід з ладу підшипників).

Вибір методу вібродіагностики залежить від структурного, функціонального і вібраційного станів об'єкта.

Класифікація методів вібраційної діагностики представлена на рис. 1.1.

Нижче наведено опис найбільш поширених методів вібродіагностики АД.

1) Діагностика АД за середньоквадратичному значенням (СКЗ) вібросигнал. Вже протягом багатьох років і по теперішній час вібраційне стан машин широкого класу успішно оцінюють шляхом вимірювання СКЗ віброшвидкості (рідше - віброприскорення) [7].

.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1 - Класифікація методів вібродіагностики

СКЗ періодичної вібрації не залежить від значень змін фазових кутів гармонік, що містяться в вібраційному процесі, в той час як зміна початкових фазових кутів гармонік полігармонічної вібрації, що приводить до зміни його форми, супроводжується зміною пікового значення розмаху й середнього значення вібрації.

СКЗ має застосовуватися у всіх розрахунках, які стосуються потужності та енергії коливання.

Перевагою цього методу є простота реалізації і низька вартість за рахунок використання елементарної портативної вібрвимірювальної апаратури.

Серед недоліків варто виділити неможливість точного визначення природи дефекту.

2) Вібродіагностика АД за допомогою фазових портретів (траєкторій коливань).

Для оцінки технічного стану АД може бути застосований метод, заснований на аналізі реконструйованих фазових портретів вібросигналів з використанням теорії детермінованого хаосу для достовірного визначення таких дефектів, як дисбаланс, неспіввісність валів, втрата твердості опор. На фазовому портреті відображається відразу дві характеристики руху, що дає можливість одержати більше інформації про поведінку системи, ніж при спектральному аналізі, де використовується тільки одна складова руху.

3) Спектральний аналіз. Спектральний аналіз - це метод обробки сигналів, що дозволяє виявити частотний склад сигналу. Виявлення підвищених амплітуд вібрації на частотах, що збігаються з частотами можливих пошкоджень елементів, резонансних частотах деталей, на частотах протікання робочого процесу допомагає виявити та ідентифікувати несправність на різних стадіях його розвитку.

Існує два способи опису сигналу вібрації - в часовій області і частотній області. Вимірювання на певній частоті дає інформацію про несправність раніше, ніж вимір загального рівня вібрації. При спектральному аналізі використовуються ряд послідовних фільтрів або переміщуваний смуговий фільтр. Аналіз проводиться в частотних областях: з постійною відносною шириною частотної смуги - з однаковою шириною за логарифмічною шкалою частот (ширина смуги в октаву, половину або третину октави); з постійною абсолютної шириною частотної смуги (застосовуються ширини смуг : 0,25; 0,75; 1,0; 2,5; 5,0; 7,5 і 25,0 Гц).

Рішення задач спектрального аналізу можливо при використанні швидкого перетворення Фур'є дозволяє визначити внесок окремих складових спектра вібрації в загальну картину вібрації.

Переваги:

- Досить висока перешкодозахищеність;

- Висока інформативність методу, існує можливість отримати диференційовану оцінку стану АД окремо по кожному його кінематичному вузлу, оскільки вони генерують різні частотні ряди в спектрі.

Основні недоліки, властиві діагностиці за складовими спектра вібрації:

- Складність в апаратній реалізації: потрібен дорогий спектроаналізатор, що має якісне програмне забезпечення;

- Метод малочутливий до слабких дефектів та дефектів що зароджуються;

- Некоректність результатів при обробці нестаціонарних сигналів.

4) Спектральний аналіз огинаючої. Метод, в якому аналізується не сама високочастотна вібрація, а низькочастотні коливання її потужності.

Глибину модуляції випадкового амплітудно-модульованого сигналу вібрації можна визначити у відсотках, використовуючи середнє значення огинаючої. При зміні виду дефекту частота модуляції змінюється. Чим більше ступінь розвитку дефекту, тим більше стає глибина модуляції. Отже, частота модуляції визначає вид дефекту, а глибина модуляції - ступінь його розвитку.

Високочастотна випадкова вібрація вимірюється п'єзоелектричним датчиком віброприскорення в логарифмічних одиницях. Відповідно і спектри обвідної вібрації часто вимірюються в децибелах, а глибина модуляції випадкової вібрації визначається по різниці рівнів гармонійної складової спектра обвідної та середнього рівня випадкової складової у відповідності з виразом:

.

У ряді літературних джерел зазначені його переваги. До них відносяться:

- можливість локалізувати дефект;

- висока чутливість, висока вірогідність визначення виду і величини кожного з дефектів.

Основний недолік - висока вартість апаратури і складність реалізації. Як правило, алгоритм обробки й аналізу реалізується з використанням комп'ютерної техніки.

5) Кепстральний аналіз. У роторних машинах дуже часто можна спостерігати безліч гармонійних складових, кожна з яких має відношення до деякого важливого збурення (дефекту). Серед них важко виділити одну або декілька, на яких можна було б побудувати діагностичний алгоритм. Це зауваження стосується насамперед машин з зубчастими редукторами або підшипниками кочення. В випадках для стиснення інформації, що міститься в спектрі використовують кепстр - перетворення Фур'є від логарифмічного спектра потужності.

Переваги: кепстральний аналіз значною мірою нечутливий до змін фази досліджуваних сигналів і до особливостей шляхів поширення механічних, отже, має високу перешкодозахищеність

Недолік: складність інтерпретації результатів.

6) Ультразвукова дефектоскопія і акустична діагностика. Об'єктами дефектоскопії є окремі елементи машин, обладнання, конструкцій та споруд, як правило, знаходяться в стадії виготовлення або відновлення. Засоби дефектоскопії, що використовують зовнішні джерела ультразвукової вібрації, за своєю структурою і призначенням схожі на засоби модального аналізу "в мініатюрі", але в них є й інші відмінності, крім області частот вимірюваної вібрації. Так, дефектоскопія використовує хвильові властивості вібрації, зокрема, її відображення від різних неоднорідностей і втрати при розповсюдженні. Це дозволяє виявити і локалізувати дефектні ділянки всередині деталей або їх заготовок, що і є основним призначенням ультразвукової дефектоскопії. Подібні засоби, як і засоби модального аналізу, дуже рідко використовуються для діагностики машин в процесі експлуатації. Однією з причин цього є висока ефективність методів і засобів дефектоскопії, що використовують інші види випромінювань, наприклад електромагнітне, рентгенівське і т.д.

Сучасні дефектоскопи приймають форму хвилі в цифровому вигляді і застосовують різні виміри та аналітичні функції для його обробки. Годинники або таймер використовується для синхронізації імпульсів генератора і точного визначення дистанції. Обробка сигналів може бути представлена у двох варіантах. У першому випадку, вона буде містити в собі просте відображення на градуйованій шкалі відношення амплітуди сигналу за часом. У другому випадку, обробка сигналів - комплекс складних алгоритмів обробки цифрових сигналів, що включають функцію корекції відстані від амплітуди і тригонометричне обчислення кутів. Строби сигналізації часто використовуються для перегляду сигнальних рівнів у заданих точках серії хвиль.

Перевага: висока інформативність.

Недолік: складність апаратної реалізації і, відповідно, висока вартість апаратури і застосування, як правило, тільки для визначення цілісності металевих вузлів.

7) Спеціальні діагностичні параметри. Дуже часто в різних джерелах окремо виділяються методи вібродагностікі для підшипників кочення, т.к. це один з найбільш часто зустрічаються дефектів АД. Як критерії при діагностуванні стану підшипників кочення ефективне застосування значень особливих параметрів, які найкращим чином враховують частку високочастотних складових. Такими параметрами є пік-фактор, різкість, відносна глибина модуляції високочастотного сигналу віброприскорення (рідше - віброшвидкості), відносна величина ударних імпульсів.

Відношення ПІК/СКЗ через тимчасове зрушення між ними має явно виражений максимум на часовій осі. На цьому й ґрунтується метод ПІК -фактора.

Рисунок 2 - Метод ПІК-фактора

Ударні імпульси - це ударні хвилі малої енергії, що генеруються підшипниками кочення внаслідок зіткнень і змін тиску в зоні кочення цих підшипників протягом всього терміну служби підшипників і розповсюджуються в матеріалах деталей підшипника, підшипникового вузла і прилеглих до них деталей.

Перевага: простота реалізації.

Недолік: низька перешкодозахищеність і відсутність чітких меж для значень цих параметрів.

8) Вейвлет-аналіз. Як окремий метод обробки вібраційних сигналів виділяють вейвлет-перетворення. Розрізняють дискретний і безперервний вейвлет-аналіз, апарат яких можна застосовувати як для безперервних, так і для дискретних сигналів. Сигнал аналізується шляхом розкладання по базисних функцій, отриманим з деякого прототипу шляхом стиснень, розтягувань і зсувів. Функція-прототип називається аналізуючим (материнським) вейвлетом. Теорія вейвлетів дає зручний і ефективний інструмент для вирішення багатьох практичних завдань. На відміну від перетворень Фур'є, вейвлет-перетворення одновимірних сигналів забезпечує двовимірне розгортання, при цьому частота і координата розглядаються як незалежні змінні, що дає можливість аналізувати сигнал відразу в двох просторах.

Метод відкриває нові можливості акустичної діагностики машин і конструкцій, що базуються на його основних перевагах, до яких відноситься висока інформативність методу.

Основними недоліками вейвлет-аналізу є:

- Трудомісткість;

- Складність в інтерпретації результатів.

Наступні дві групи методів відносяться до методів прийняття рішення.

9) Статистичні методи обробки сигналів вібрації. Необхідність використання статистичних методів в діагностиці електричних машин обґрунтована мінливістю, що спостерігається в процесі роботи та впливає на результати виробничої діяльності навіть за умови уявній стабільності. Така мінливість може виявлятися у вимірі характеристик процесів на різних етапах життєвого циклу двигунів.

Статистичні методи допомагають виміряти, описати, проаналізувати і змоделювати подібну мінливість і за наявності обмеженого обсягу даних. Статистичний аналіз даних може допомогти при формуванні кращого розуміння приводи, термінів і причин мінливості, а надалі - при вирішенні і навіть попередження проблем, пов'язаних з такого роду мінливістю.

Таким чином, статистичні методи дозволяють найкращим чином використовувати наявні в розпорядженні дані при прийнятті рішень на стадіях проектування, розробки, виробництва, постачання і технічного обслуговування.

Перевага: досить висока інформативність.

Недолік: великий обсяг вхідної інформації і великі часові витрати.

10) Діагностика на основі нейронних мереж. Методи аналізу прямого спектра і спектра обвідної можуть бути реалізовані із застосуванням теорії штучних нейронних мереж. Застосування математичного апарату нейронних мереж забезпечує підвищення точності процесу діагностики шляхом застосування наявних знань про роботу аналогічних агрегатів. Крім того, результати вимірювання вібрації, як і будь-які інші фізичні вимірювання, схильні деякої випадковості. А апарат нейронних мереж відноситься до статистичних математичним методам, що дозволяє ставити діагноз при значних випадкових складових оброблюваного сигналу.

Нейроні мережі дають можливість ефективно визначати причину і види пошкодження асинхронних електродвигунів, працювати з зашумленими даними, позбавляючи від необхідності застосування проміжних електронних фільтрів від перешкод або фільтрації математичними методами, а також адаптуватися до конкретного типу електродвигуна. Крім цього, штучні нейроні мережі широко використовуються в задачах прогнозування.

Перевагами застосування даної технології є висока точність визначення дефекту, а також високий рівень автоматизації процесу.

До недоліків можна віднести складність реалізації та навчання нейромережі, крім того, варто виділити низький ступінь уніфікації (для кожного нового сайту необхідно створювати нову мережу та її навчати).

Різноманітність дефектів, що виявляються методами вібраційної діагностики, і складність сигналів, що породжуються несправностями і коливаннями деталей агрегатів, змушує при виявленні і вимірюванні діагностичних параметрів проводити різноманітну обробку сигналів:

- поділ вібраційного сигналу в частотно-фазової та тимчасової областях на "елементарні" сигнали, тобто на компоненти, зумовлені різними чинниками, кожен з яких є самостійним джерелом, що викликає коливання;

- просторове розділення вібраційних сигналів;

- відновлення форм виділених "елементарних" сигналів;

- лінійні і нелінійні перетворення сигналів (фільтрація, нормалізація, інтегрування, диференціювання і т. д.);

- вимірювання окремих параметрів і статистичних характеристик сигналів;

- вимір характеристик взаємозв'язку сигналів.

Всі перераховані вище методи оцінювалися по п'ятибальній системі відповідно до критеріїв, що визначають ефективність застосування методів.

4. Характеристика вібраційних процесів в АД

Надійність і міжремонтний ресурс всіх типів електричних машин в значній мірі визначається надійністю і ресурсом підшипників. Тому одним з найважливіших завдань контролю стану установок з електричними машинами є діагностика підшипників та механічних передач, що зв'язують ротор електричної машини з обертовими частинами механізмів і перевантажують підшипники при виникненні дефектів.

Таблиця 2 - Порівняльна оцінка методів вібродіагностики

Метод / критерій	Крит. 1	Крит. 2	Крит. 3	Крит. 4	Сумарна оцінка
Група 1	4	2	4	4	14
Група 2	3	5	3	2	13
Група 3	3	4	4	4	15
Група 4	3	5	3	4	15
Група 5	3	3	3	3	12
Група 6	3	4	2	3	12
Група 7	4	3	4	3	14
Група 8	3	4	3	4	14
Група 9	2	5	3	2	12
Група 10	2	4	4	2	12

Надійність електромагнітної системи асинхронних електродвигунів залежить насамперед від симетрії магнітного поля, яка визначається електричною симетрією обмоток й симетрією повітряних проміжків між ротором і статором, а також від стану елементів кріплення та ізоляції електричних обмоток.

Несиметрія повітряних проміжків в асинхронному двигуні, по-перше, призводить до появи значних електромагнітних сил між ротором і статором в зоні зниженого проміжку, що перевантажують підшипники і знижують їх ресурс. По-друге, в цій же зоні може відбуватися магнітне насичення зубців магнітопровода, за якими магнітний потік обходить витки обмоток електродвигуна. У цьому випадку електродинамічні сили починають діяти безпосередньо на обмотки, приводячи до прискореного зносу ізоляції та елементів кріплення обмоток у пазах активного осердя.

При проектуванні сучасних асинхронних електродвигунів з метою зниження їх габаритів сердечники розраховують на режими роботи, дуже близькі до магнітного насичення, тому несиметрія зазору більше 10% призводить до небезпечного насичення зубцевої зони осердя. Така несиметрія часто виникає при помилках у кріпленні електродвигуна до фундаменту, при несиметричному охолодженні корпусу, зносі підшипників, у помилках відновлення посадокових місць під підшипники при ремонтах, і в багатьох інших випадках.

У зв'язку з викладеним, основними завданнями діагностики електромагнітної системи асинхронного електродвигуна є:

- виявлення магнітної несиметрії магнітопровода, в першу чергу, із-за несиметрії повітряного проміжку, в якій є дві складові - статична і динамічна;

- виявлення ефекту магнітного насичення частини зубцеву зони осердя;

- виявлення електричної несиметрії короткозамкненої обмотки ротора (білячої клітки);

- виявлення електричної несиметрії обмоток статора і, перш за все, виявлення короткозамкнених витків, електричних замикань обмоток між собою і на корпус.

Діагностика електромагнітних систем електричних машин може вестися по цілому ряду електричних, магнітних, теплових, шумових і вібраційних параметрів, однак параметри магнітного поля і збуджуючого машиною повітряного шуму використовуються для діагностики вкрай рідко. Магнітне поле машини екрановано корпусом, і для достовірної діагностики необхідно вбудовувати датчики поля всередину корпусу, що не завжди економічно виправдано. Повітряний шум контрольованої машини складно виділити на фоні відбитих шумів і шумів інших машин і устаткування, що працюють у тих же приміщеннях.

У зв'язку з викладеним діагностика електромагнітної системи електричної машини в процесі експлуатації, як і її механічних вузлів, частіше за все здійснюється за результатами контролю вібрації машини, а при необхідності, використовуються і результати контролю температури, електричного опору обмоток та ізоляції, а також струму в силових обмотках і обмотках збудження.

Вібрація електромагнітного походження в електричних машинах може мати кілька складових різної природи. Основна увага при її описі приділяється електродинамічним, електромагнітним і магнітострикційним коливальним силам.

В електричних машинах як магнітне поле в зазорі, так і струм у силових обмотках, має одну або кілька гармонійних складових різної частоти. Так, якщо в зазорі машини магнітне поле змінюється з частотою , а струм в силовий обмотці (провіднику) має частоту , то електромагнітна сила (без урахування змінного магнітного поля, створюваного провідником), крім постійної складової, має гармонійну складову з частотою , а електродинамічна сила - дві складові з комбінаційними частотами і .

Подвоєння частоти при переході від змінного магнітного поля до коливальних сил є основною властивістю електромагнітних сил.

Величина складових вібрації електричної машини залежить від величини як коливальних сил, так і жорсткості (піддатливості) коливальної системи, тобто частин магнітопровода та обмоток, між якими діють коливальні сили. Найбільшими є електромагнітні коливальні сили, але вони діють між ротором і статором в радіальному напрямку, тобто гнуть корпус машини відповідно до складної просторової форми магнітного поля. Форма магнітного поля і деформації статора (корпусу) має кутову симетрію і характеризується порядком коливань, що дорівнює кількості просторових хвиль, що вкладаються на довжині окружності статора машини, див рис. 3

Рисунок 3 - Форма деформації статора електричної машини низьких порядків

вібродіагностика дефект деформація статор

Електромагнітні сили в бездефектних машинах із-за подвоєння їх частоти щодо частоти магнітного поля створюють хвилі деформації парних порядків.

Жорсткість корпусу на вигин складної форми (високих просторових порядків) дуже велика, та й додатково збільшується з-за спеціальних ребер жорсткості на корпусі. Тому вібрація магнітного походження в бездефектної електричної, особливо багатополюсної машині, не дуже велика. При дефектах електромагнітної системи виникає несиметрія магнітного поля в повітряному проміжку, тобто між ротором і статором починають діяти магнітні сили простої форми (першого порядку), які не гнуть статор машини, а зміщують його як ціле щодо ротора. У цьому випадку жорсткість коливальної системи в багато разів менше і визначається жорсткістю валу ротора на вигин і жорсткістю підшипників. Тому, незважаючи на те, що кількісні зміни магнітного поля при дефектах магнітної системи електричної машини незначні, її вібрація може сильно змінюватися.

Магнітострикційні сили в магнітопроводі електричної машини за величиною порівнянні з електромагнітними, але вони не створюють значної вібрації, так як «розтягують» осердя уздовж ліній магнітного поля. Жорсткість осердя на розтяг у багато разів більше жорсткості на вигин, тому в бездефектних осердях електричних машин складно виділити вібрацію магнітострикційного походження на фоні інших складових вібрації. При дефектах шихтованого магнітопровода у вигляді розпушеного пакету в утворившихся проміжках починають діяти електромагнітні сили, що стискають листи електротехнічної сталі. Стиснення листів супроводжується їх ударами один об одне, які і є джерелом підвищеної вібрації і шуму в розпушених пакетах активного осердя електричної машини.

Електродинамічні сили, що діють на окремі частини витків електричної обмотки машини, на два порядки менше електромагнітних і магнітострикційних сил, що діють на активні осердя ротора і статора. Однак саме векторне складання електродинамічних сил по всіх витках силової обмотки дає результуючий постійний крутний момент машини. У бездефектної машини, що живиться від ідеальної електричної мережі, змінних крутних (пульсуючих) моментів немає, але вони виникають при появі різних дефектів в електромагнітній або механічній системі електроагрегата з електричною машиною. Оскільки жорсткість ротора відносно статора машини для крутильних коливань близька до нуля, а механічний опір визначається тільки моментом інерції ротора і статора, поява навіть незначних електродинамічних моментів у машині може істотно збільшити її вібрацію. Особливо помітна ця вібрація в електроагрегатах, встановлених на м'які опори, в яких у момент інерції нерухомих частин агрегату фундамент не дає помітного вкладу. До сказаного варто додати, що електродинамічні сили в електричній машині можна назвати електродинамічні лише умовно, так як обмотки знаходяться в пазах, і магнітне поле не перетинає провідники зі струмом. Фактично обмотки статора і ротора створюють свої електромагнітні поля в зазорі машини, що обертаються з одною швидкістю і зсунуті по колу один відносно одного на певний кут розузгодження . Ці поля, прагнучи компенсувати один одного, і створюють робочий момент машини. Природно, що в бездефектній машині механічні сили діють не на провідники, а на зубці ротора (статора). Але у випадку магнітного насичення зубцевої зони коливальні сили починають діяти безпосередньо на обмотки, різко знижуючи їх надійність і ресурс.

У бездефектної електричної машині, що живиться від ідеального за формою напруги, додаткові змінні складові магнітного поля та струму з'являються через:

- дискретність розподілених по декількох пазах обмоток, що призводить до негладкої форми створюваної обмотками магнітного поля;

- нерівномірності повітряного проміжку із-за наявності в осерді зубців або явних полюсів;

- магнітного насичення активного осердя при перевантаженні машини.

У разі живлення бездефектної машини від мережі з несиметрією напруги по фазах або з перекручуванням форми змінної або постійної напруги додаткові складові магнітного поля та струму з'являються з-за наявності додаткових гармонійних складових у живлячої напруги.

Велика кількість різних за частотою і формою складових магнітного поля і струму в електричних машинах, особливо при живленні машини від мережі з нелінійними спотвореннями напруги, і створюваних ними складових вібрації, істотно ускладнює вібраційну діагностику електричних машин. У таких випадках може використовуватися додаткова інформація про спектральний склад споживаного машиною струму. У спектрі струму асинхронних двигунів, вимірюваного, наприклад, за допомогою струмових кліщів, що охоплюють трифазний кабель живлення, з'являються нові складові. Так, при нелінійних спотворення магнітного поля з-за часткового магнітного насичення осердя з'являються складові з частотами, кратними частоті обертання ротора. При несиметрії струмів за фазами зростає складова з частотою напруги живлення і вона ж модулюється подвійною частотою ковзання при електричній несиметрії ротора. Природно, що спектри струму електричних машин, як і їх вібрація, різко ускладнюються при живленні напругою спотвореної форми, проте порівняння спектрів струму і вібрації дозволяє виділити ті їх складових, які визначаються спотвореннями напруги.

Крім аналізу спектральних складових вібрації та струму в задачах контролю стану електричних машин в процесі експлуатації вимірюється і аналізується опір ізоляції їх обмоток, в тому числі і під напругою, а також температури механічних вузлів, зокрема, підшипників та електричних вузлів з контактними поверхнями.

Проаналізувавши викладений матеріал можна зробити висновок, що діагностика електромагнітних систем є найбільш складною для практичної оцінки. Це пов'язано, в першу чергу, з нелінійністю перетворення складових електромагнітного поля в коливальні сили і складністю просторового аналізу коливальних сил з виділенням з них електромагнітних та електродинамічних компонент.

Размещено на Allbest.ru

...