Возможности применения виброизмерительного комплекса для диагностики состояния машин и оборудования

В настоящее время количество эксплуатируемых машин и оборудования в любой стране существенно превышает возможности их обслуживания и ремонта в соответствии с рекомендациями производителей. Выходом из сложившейся ситуации становится, во-первых, увеличение доли необслуживаемого оборудования, а, во-вторых, переход на ремонт машин и оборудования по фактическому состоянию. Но это возможно лишь при использовании методов и средств глубокой диагностики и долгосрочного прогноза состояния оборудования в процессе его эксплуатации, которые лишь в последние годы стали развиваться быстрыми темпами.

Кроме того, важную роль при эксплуатации машин и оборудования по переработке макулатуры играет диагностирование технического состояния на основе измерения и анализа вибрационных характеристик.

Глава 1. Современные возможности вибродиагностики машин и оборудования

Информация о состоянии работающего оборудования с вращающимися узлами содержится, прежде всего, в сигнале вибрации. Поэтому анализ вибрации, а также температуры отдельных узлов, тока приводного двигателя и, в некоторых случаях, состава смазки стал основой нового направления технической диагностики, получившего название контроля состояния и диагностики машин. Именно это направление расширило возможности существующих методов неразрушающего контроля, позволило решать практические задачи долгосрочного прогноза состояния вращающегося оборудования и, как следствие, переходить на обслуживание и ремонт вращающегося оборудования по фактическому состоянию.

1. Основные направления вибрационного контроля и диагностики

Многие годы вибрационный контроль и диагностика машин включали в себя два основных направления, а именно вибрационный контроль, постепенно развившийся до вибрационного мониторинга, и поиск источников (причин) повышенной вибрации.

В рамках вибрационного контроля обычно решаются три основные задачи:

· допуск оборудования в эксплуатацию при заданных требованиях к надежности и влиянию на обслуживающий персонал;

· аварийная защита оборудования;

· оценка состояния оборудования.

В рамках поиска источников (причин) повышенной вибрации также решаются три основных задачи:

· обеспечение заданных виброакустических характеристик (ВАХ) нового оборудования, его виброналадка после изготовления (ремонта);

· обеспечение стабильности ВАХ в процессе эксплуатации оборудования;

· поиск опасных дефектов.

Из первой группы задач, необходимо выделить аварийную защиту оборудования, которая требует создания встроенных в оборудование систем защиты. Наибольший вклад в решение этих задач внесли предприятия авиационной и космической промышленности, где последствия аварий наиболее опасны. Для этого стали разрабатываться и выпускаться не только собственно системы аварийного отключения оборудования, но и системы записи информации (т.н. «черный ящик»), в том числе и вибрационного сигнала, позволяющие в рамках расследования аварийных ситуаций выявлять и на будущее устранять их причины.

По мере развития системы аварийной защиты ответственного оборудования в некоторых отраслях промышленности стали трансформироваться в системы защитного мониторинга, позволяющие хранить в базе данных результаты измерений, анализировать их и прогнозировать вибрационное состояние оборудования. Кроме вибрации системы мониторинга стали измерять и другие сигналы, прежде всего температуру, а в дальнейшем стали объединяться вместе с элементами управления в единую систему защиты, мониторинга и управления оборудованием. В последнее время ведущие западные производители оборудования идут в этом направлении, часто включая в подобные системы и функции контроля состояния оборудования, и функции автоматического поддержания оптимальных по надежности и запасу работоспособности режимов его работы.

В то же время получают большое распространение и системы защитного мониторинга, обеспечивающие режим защиты оборудования от действий неквалифицированного обслуживающего персонала. Эти системы представляют собой симбиоз системы аварийной сигнализации и «черного ящика» для последующего анализа ошибок персонала. Такие системы часто строятся только на основе ограниченного количества датчиков вибрации, а иногда дополняются простейшими диагностическими функциями. Возможность установки этой системы пользователем без участия разработчиков как оборудования, так и системы мониторинга, а также возможность её подключения к АСУ предприятия определяют высокую популярность подобных систем.

Следует также отметить, что решение задач вибрационного контроля и мониторинга машин и оборудования стандартизировано с учетом влияния вибрации, как на надежность оборудования, так и на здоровье обслуживающего персонала. Международные стандарты по контролю вибрации не распространяются лишь на специальное оборудование, требования и способы контроля ВАХ которого могут быть существенно более жесткими.

Из второй группы задач следует выделить обеспечение стабильности ВАХ оборудования в процессе его эксплуатации. Эти задачи имеют разную постановку в разных отраслях промышленности.

Одними из первых работы по стабилизации вибрации, как одного из факторов, определяющих надежность и ресурс высокооборотных машин в процессе эксплуатации, стали проводить предприятия энергетики. Особое внимание уделялось анализу низкочастотной вибрации крупных энергетических установок с паровыми и газовыми турбинами, работающих на частотах вращения выше первой критической. Вибрация анализировалась как в установившихся, так и в переходных режимах работы установок, в частности на разгоне и выбеге, на которых чаще всего и возникают аварийные ситуации. Анализ форм колебаний установок на частотах действия основных колебательных сил позволял обнаруживать опасные дефекты колебательной системы и её резонансные частоты.

Сложность измерения вибрации крупногабаритных машин, особенно в переходных режимах работы, стала причиной создания и широкого использования встроенных систем вибрационного мониторинга, в том числе и с экспертными программами выявления причин повышенной вибрации. В последние годы подобные системы существенно усложняются, непрерывно измеряя и анализируя многие процессы, протекающие в контролируемом оборудовании. Но, несмотря на постоянное совершенствование и развитие, подобные системы вибрационного мониторинга, контролирующие низкочастотную, как правило до 1000 Гц, вибрацию оборудования, не смогли стать основой для его перевода на обслуживание и ремонт по состоянию.

Основой для решения задач третьего направления, а именно, глубокой диагностики и долгосрочного прогноза состояния машин, получившей название превентивной (профилактической) диагностики, стали результаты исследований ВАХ корабельных машин и оборудования. На протяжении многих лет эти исследования проводились в странах, имеющих развитый военно-морской флот и решающих задачи снижения и стабилизации гидроакустического шума кораблей и подводных лодок. Использование накопленного опыта позволило морским инженерам и в том числе специалистам Ассоциации ВАСТ в короткие сроки создать конверсионные технологии вибрационной диагностики оборудования, по мере развития которых расширялась и номенклатура используемых для диагностики процессов, протекающих в машинах и оборудовании. Именно морские инженеры стали основателями многих диагностических фирм США, Англии, России и Франции, начавших свою деятельность в 80-е годы прошлого столетия и занявших в настоящее время ведущие позиции на рынке диагностической продукции и услуг.

Главным отличием является то, что в превентивной диагностике основной акцент переносится с анализа свойств колебательной системы на анализ свойств колебательных сил, действующих в машине. Механизм формирования колебательных сил отличается значительной нелинейностью, а частотный диапазон как сил, так и возбуждаемой ими вибрации начинается с инфранизких, а заканчивается в области ультразвуковых частот. Соответственно частотный и динамический диапазоны измерения вибрации машин и оборудования в превентивной диагностике должны быть существенно шире, а методы анализа сигналов - существенно сложнее, чем в задачах вибрационного мониторинга. Как следствие превентивная диагностика позволяет обнаруживать не около половины из аварийноопасных дефектов, как в системах вибрационного мониторинга с экспертными программами диагностики, а более 90% от всех потенциально опасных дефектов, в том числе и в начальной стадии их развития.

Второе отличие заключается в том, что превентивная диагностика дает возможность прогнозировать развитие дефектов на длительное время, позволяющее перейти от непрерывных измерений вибрации оборудования к периодическим, то есть при необходимости перейти от стационарных систем контроля состояния к переносным системам диагностики и прогноза. Более того, использование превентивной диагностики дает возможность по данным долгосрочного прогноза развития дефектов, влияющих на основные составляющие вибрации, давать более достоверный долгосрочный прогноз вибрации машин, чем по результатам построения трендов этих составляющих вибрации.

Наконец третьим отличием является отказ от подробного анализа форм колебаний оборудования на частотах действия основных колебательных сил, необходимого для детальной диагностики преимущественно крупногабаритных машин, мощностью выше 10-15 мВт. А это означает существенное упрощение средств диагностики, то есть возможность использования одноканальных измерительных и анализирующих приборов. Естественно, что при диагностике мощных крупногабаритных машин нужны и многоканальные измерительные системы для анализа форм колебаний и амплитудно-фазочастотных характеристик машины в режимах разгона-выбега.

Превентивная диагностика имеет ряд наиболее успешных направлений, и прежде всего, в контроле и прогнозе состояния узлов механического и гидроаэродинамического трения, в частности подшипников, зубчатых и ременных передач, рабочих колес насосов, компрессоров и турбин. Этот успех связан с появлением оригинальных методов диагностики узлов трения по их высокочастотной вибрации [1-4].

За последние 15 лет в развитии превентивной диагностики дважды происходили изменения, которые можно назвать революционными. Первое связано с внедрением цифровых приборов со встроенными специализированными сигнальными процессорами, позволившими в малогабаритных приборах в реальном времени выполнять многие виды анализа сигналов, существенно сложнее FFT-преобразования. Второе связано с внедрением методов автоматической идентификации результатов анализа и распознавания состояний, позволивших создать программы автоматической постановки диагноза и прогноза с высокой достоверностью распознавания типовых дефектов, имеющих разную скорость развития.

В настоящее время, как в России, так и во многих развитых странах не только созданы приборы и программы превентивной диагностики машин по вибрации, но и организована подготовка специалистов в соответствии с международным стандартом ИСО 18436 по сертификации специалистов в области контроля состояния и диагностики машин.

Следует отметить, что обнаруживаемые в машинах дефекты по глубине развития делятся на три основных группы - зарождающиеся (слабые), развитые (средние) и аварийноопасные (сильные). Все существующие методы диагностики избирательны и наиболее эффективно обнаруживают лишь дефекты одной группы, например зарождающиеся, резко снижая чувствительность по мере развития дефектов. Поэтому в стационарных системах мониторинга и диагностики обычно используются методы обнаружения и прогнозирования развития сильных дефектов. Существует целый класс систем обнаружения отдельных видов зарождающихся дефектов преимущественно по высокочастотной и ультразвуковой вибрации, не отслеживающий их дальнейшего развития. Это так называемые индикаторы состояния отдельных узлов, например подшипников качения, которые, однако, не дают возможности перехода на ремонт машин по фактическому состоянию, так как часто пропускают аварийноопасные дефекты.

Те средства, которые могут использоваться в превентивной вибродиагностике, рассчитанной на переход к обслуживанию и ремонту машин по состоянию, должны обеспечивать измерение и широкий набор методов анализа вибрации во всех диапазонах частот от инфранизких до ультразвуковых. При этом диагноз и прогноз по данным измерения и анализа должен ставить либо высококвалифицированный эксперт, либо одна из эффективных программ автоматической диагностики, производимых признанными мировыми производителями на основе многолетнего практического опыта. Программы, выпускаемыми мелкими производителями, из-за сложности создания обычно используют результаты измерений вибрации лишь в одной из необходимых для постановки диагноза частотных областях и поэтому формируемые ими диагнозы не имеют достоверности, необходимой для решения большинства практических задач.

2. Особенности развития вибродиагностики в России

В экономически развитых странах вибрационная диагностика машин широко используется и развивается по следующим основным направлениям:

· увеличение номенклатуры услуг, предоставляемых экспертными фирмами, и рост оперативности в их работе;

· совершенствование простейших и универсальных приборов для контроля и анализа как вибрации, так и других процессов;

· совершенствование простейших систем аварийной защиты и сигнализации, придание им отдельных диагностических функций;

· создание и модернизация специализированных для конкретной отрасли систем мониторинга как отдельных типов оборудования, так и технологических линий, цехов или предприятий, часто с объединением средств управления и мониторинга в единую систему, в том числе с использованием экспертных систем оценки состояния оборудования;

· создание систем глубокой диагностики и прогноза состояния машин различного назначения на базе программ автоматической обработки результатов измерений и постановки диагноза;

· подготовка и сертификация специалистов в соответствии с международными стандартами по контролю состояния и диагностике машин.

Внедрение вибрационной диагностики на Российских предприятиях усложняется из-за особенностей функционирования предприятий и таких причин, как:

· недоверие к работе и ограниченное количество экспертных фирм, которые работают недостаточно оперативно и, как правило, специализируются не в диагностике, а в продлении сроков эксплуатации оборудования, выработавшего свой ресурс;

· низкая оснащенность предприятий современной измерительной и анализирующей техникой, отсутствие подготовленных специалистов по диагностике, недостаточно высокая культура обслуживания и ремонта машин и оборудования;

· отсутствие экономических ориентиров и незаинтересованность в использовании высокооплачиваемых специалистов высшей категории;

· отсутствие законодательных актов о страховании промышленных рисков со значительным снижением страховых сумм при условии выполнения требований по диагностике оборудования.

Несмотря на перечисленные особенности в России действуют десятки отечественных и зарубежных фирм, предлагающих разнообразные приборы и системы вибрационного контроля и диагностики машин и оборудования. Недостатком большинства из таких фирм является техническая невозможность поддержки поставляемого оборудования, подготовки специалистов по диагностике, успешно работающих с этим оборудованием, и, наконец, решения тех проблемам, которые появляются у заказчика после практического освоения поставленных приборов и систем.

Предлагаемые фирмами приборы вибрационного анализа (виброанализаторы) делятся на четыре основных группы:

1. Одноканальные или двухканальные приборы для контроля вибрации, анализа формы и спектрального состава сигналов, в том числе и вибрации, в установившихся режимах работы оборудования.

2. Одноканальные или двухканальные приборы для вибрационного контроля, мониторинга и диагностики (вместе с программным обеспечением) машин и оборудования с расширенными по сравнению с приборами п.1 частотным и динамическим диапазонами, а также более широкой номенклатурой алгоритмов анализа сигналов.

3. Многоканальные приборы или приборы с быстродействующими коммутаторами каналов для параллельного измерения и анализа вибрации машин в переходных режимах работы, в частности на разгоне-выбеге.

4. Многоканальные приборы для параллельной непрерывной записи вибрации и других процессов с последующим детальным анализом записанных сигналов.

Среди специалистов, занимающихся периодическим контролем и вибрационным мониторингом оборудования наиболее широко распространены приборы первой группы, причем в газовой и нефтяной отраслях чаще всего используются приборы производства западных стран, несмотря на то, что они в несколько раз дороже отечественных и не обеспечены оперативным сервисом на территории России.

Среди специалистов, занимающихся вибрационной диагностикой машин, наиболее распространены приборы второй группы, обеспечивающие измерение и анализ сигналов вибрации до частот 25-40 кГц, и программы, обеспечивающие постановку диагноза и прогноза состояния машин как по высокочастотной (ультразвуковой), так и по низкочастотной вибрации. Именно к таким приборам следует отнести виброанализатор СД-12М с пакетом программ DREAM производства Ассоциации ВАСТ (рис. 1, а).

а) Портативный комплекс вибродиагностики на базе СД-12М

б) Комплекс аппаратуры на базе СД-12М для измерений в переходных режимах

Среди специалистов, занимающихся виброналадкой машин и оборудования, распространены приборы первой и третьей группы, рекомендованные Ростехнадзором для подведомственных ему предприятий. Так, в энергетике из отечественных приборов часто используются приборы фирмы «Диамех». Следует отметить, что при разработке рекомендаций Ростехнадзором не учитывалась возможность реализации методов превентивной диагностики, но обязательным условием являлось обеспечение анализа вибрации в режимах разгона-выбега крупного оборудования. В настоящее время такая возможность реализована и в виброанализаторе СД-12М (рис. 2, б), который стал единственным российским прибором, позволяющим решать весь комплекс вопросов контроля вибрации машин в установившихся и переходных режимах работы, их виброналадки и превентивной диагностики.

Среди специалистов, занимающихся вибрационными исследованиями машин и оборудования разного назначения, распространены многоканальные приборы четвертой группы, чаще всего реализуемые на базе персонального компьютера, в том числе и в конфигурации типа Notebook. Приборы такого вида готовятся к выпуску и на наших предприятиях.

Работающие системы аварийной защиты оборудования по вибрации, вибрационного мониторинга и вибрационной диагностики, стационарно установленные на эксплуатируемое оборудование, на российских предприятиях встречаются во много раз реже, чем на предприятиях экономически развитых стран. Эти системы можно разделить на пять основных групп:

1. Системы (каналы) вибрационного контроля, используемые в качестве составной части систем аварийной защиты и управления одной или группы машин, работающих в едином технологическом цикле;

2. Автономные системы аварийной виброзащиты и/или аварийной сигнализации, устанавливаемые на ответственное оборудование;

3. Комплексные системы мониторинга состояния ответственного оборудования с каналами вибрационного мониторинга, разрабатываемые с учетом специфики эксплуатации оборудования на предприятиях определённой отрасли промышленности;

4. Комплексные стендовые системы диагностики оборудования, поступающего на обслуживание и ремонт в специализированное предприятие по ремонту конкретного вида оборудования;

5. Системы глубокой диагностики ответственного оборудования на месте его эксплуатации с недоступными для прямого измерения точками контроля вибрации.

Системы аварийной защиты отдельных агрегатов, в том числе и по их вибрации, как правило, поставляет производитель агрегата, причем как его составную часть. Системы защиты многих агрегатов, проработавших на предприятиях более 20 лет, обычно неэффективны, часто дают ложные срабатывания и потому иногда отключаются. Процесс замены старых систем аварийной защиты на новые для агрегатов, не выработавших свой ресурс, идёт на Российских предприятиях крайне медленно. При создании новых агрегатов производители России обычно предусматривают использование каналов защиты, но крайне осторожно применяют виброизмерительные каналы. Также крайне редко и осторожно применяют вибрационные каналы и разработчики АСУ технологических систем, в состав которых входят группы машин различного назначения. В решении диагностических задач каналы вибрационного контроля обычно не участвуют.

Автономные системы аварийной защиты, а чаще сигнализации, используются более широко, но ещё в недостаточных количествах, в первую очередь из-за финансовых трудностей на предприятиях. В то же время объединение в таких системах двух функций - защиты от ошибок персонала и диагностики отдельных узлов, в особенности подшипников, может резко увеличить заинтересованность заказчиков. Именно над этим при одновременном снижении стоимости автономных систем аварийной сигнализации в настоящее время и работает ряд фирм России. В частности Ассоциацией ВАСТ разработана, сертифицирована и с 2004 года серийно выпускается система КВК с такими функциями (рис. 2). Система представляет собой набор параллельно работающих каналов измерения вибрации в соответствии со стандартами по вибрационному контролю машин, а также каналов нестандартного измерения вибрации для оценки состояния подшипникового узла. Каждый из этих каналов может использоваться автономно.

Рис. 2. Комплекс аппаратуры виброконтроля КВК-21

На предприятиях ряда отраслей, в частности, в энергетике и нефтепереработке, эксплуатация крупных агрегатов, например турбогенераторов, невозможна без систем мониторинга их состояния. Структура этих систем защитного мониторинга обычно стандартизирована и в ее состав включаются, в том числе, каналы вибрационного контроля. Пока на Российских предприятиях системами мониторинга оснащено не всё ответственное оборудование, однако подобные системы разрабатываются и производятся многими отечественными и зарубежными фирмами, причём с учетом специфики каждой отрасли. Так, например, на производстве стационарных искробезопасных и взрывобезопасных систем вибрационного защитного мониторинга для нефтеперерабатывающей промышленности специализируется фирма «Динамика».

Как правило, диагностические задачи перед подобными системами мониторинга не ставятся, и для диагностики, в том числе и превентивной, параллельно применяется переносная диагностическая система. Она же используется и для диагностики и перехода на ремонт по состоянию вспомогательного оборудования, не оснащенного стационарными системами мониторинга.

Стендовые и стационарные системы глубокой вибрационной диагностики на предприятиях России используются достаточно редко. Так, стендовые системы производства ВАСТ используются в нескольких локомотивных депо для диагностики колесно-моторных блоков локомотивов, поступающих на периодическое техническое обслуживание. Стационарные системы используются на ряде ответственных машин с переменной скоростью вращения, в частности для диагностики прокатного оборудования на нескольких металлургических предприятиях.

Недостаточное использование стационарных систем превентивной диагностики чаще определяется не техническими или финансовыми, а организационными причинами. Как правило, системы глубокой диагностики монтируются на агрегате после нескольких лет работы, когда отказы оборудования начинают учащаться. Такие системы не являются штатными и их сохранность при проведении ремонтных работ на агрегатах не предусматривается заводской документацией на обслуживание и ремонт агрегата. В результате целостность системы диагностики при существующей культуре обслуживания агрегатов нарушается практически при каждом обслуживании и систему диагностики каждый раз приходится восстанавливать, неся дополнительные затраты. В связи с изложенным гораздо чаще используются переносные системы глубокой диагностики машин и оборудования, и только в недоступные для контроля вибрации и тока точки стационарно устанавливаются датчики вибрации или тока с выводом сигнального кабеля в доступное место.

Важнейшей составной частью систем мониторинга и диагностики является внешнее программное обеспечение. Российские предприятия могут использовать программное обеспечение четырех типов:

· программы поддержки технических средств измерения и анализа сигналов;

· программы мониторинга;

· экспертные программы диагностики;

· программы автоматической диагностики.

К задачам первого вида программ относятся составление маршрутов измерений, приём данных измерений из прибора в базу данных на компьютере, хранение их в базе данных, вывод данных на графический дисплей, простейший графический анализ данных и их сравнение с пороговыми значениями, внесёнными оператором в программу.

Дополнительными задачами программ мониторинга являются расширенный графический анализ результатов, идентификация различных составляющих сигнала с построением трендов и выдачей прогноза развития идентифицированных параметров, автоматическое сравнение данных измерений и анализа с пороговыми значениями, формируемыми пользователем или автоматически.

Дополнительными задачами программы экспертной диагностики являются обеспечение помощи оператору при анализе, например, расчет частот основных составляющих вибрации, помощь в поиске признаков возможных дефектов, выдача рекомендаций по проведению дополнительных измерений, помогающих уточнить диагноз по введённым в программу результатам анализа дополнительных измерений.

Дополнительными задачами программы автоматической диагностики являются автоматическое формирование требований к обязательным и дополнительным измерениям, а также маршрутных карт, автоматическое определение порогов для обнаружения и идентификации дефектов, автоматический анализ результатов измерений с выдачей диагноза, указание наиболее вероятных дефектов и признаков, по которым они обнаружены.

Основные особенности развития российской вибродиагностики в последние 20 лет связаны именно с созданием и использованием программ автоматической диагностики. Эти особенности определяются тем обстоятельством, что из-за спада в экономике не была отлажена система подготовки и повышения квалификации диагностов, а подготовка специалистов по виброналадке в рамках Ростехнадзора оказалась недостаточной для решения задач массовой диагностики машин, выработавших свой ресурс. Российским предприятиям были нужны системы диагностики, с которыми мог бы эффективно работать неопытный оператор. Поэтому специалисты фирмы «Вибротехника», входящей в настоящее время в Ассоциацию ВАСТ, в 1990г. первыми в мире создали программу автоматической диагностики подшипников качения по спектру огибающей его высокочастотной вибрации с помощью приборов фирмы «Брюль и Къер», полностью заменяющую диагноста при формировании задания на измерения и при постановке диагноза. Она оказалась очень эффективной, более чем в 90% случаев правильно обнаруживая и устанавливая вид дефекта по одному измерению. Для эффективного определения величины и скорости нарастания дефектов, а также для расширения номенклатуры диагностируемых машин, Ассоциация ВАСТ первой в середине 90-х годов разработала пакет программ DREAM, автоматически обрабатывающий как спектры вибрации, так и спектры огибающей вибрации различных узлов роторного оборудования с уточнением величин дефектов и прогнозом их развития по группе периодических измерений, т.е. «по истории». Эта программа одновременно стала и обучающей, так как подробно указывала на признаки, по которым определялся вид и величина каждого дефекта. Поэтому через год работы с программой диагносты начинали эффективно использовать для уточнения результатов автоматического диагноза и прогноза состояния узлов типовых машин имеющуюся у них дополнительную информацию, снижая вероятность ошибочного решения до нескольких процентов, с вероятностью пропуска опасного дефекта менее процента. Эффективное использование программного обеспечения DREAM на предприятиях России и других стран вынудило многих производителей российских виброанализаторов создавать свои аналоги этой программы, поэтому программ автоматической диагностики российского производства стало более десятка, но области их применения и достоверность результатов могут отличаться в несколько раз. В конце 90-х годов в программу DREAM введены алгоритмы автоматической коррекции порогов дефектов и диагностика «по группе» узлов одинаковых машин, позволяющие получать конечные результаты после первых же измерений вибрации 4-5 одинаковых машин. В 2004 г. разработаны диагностические модули диагностики агрегатов по току приводной электрической машины и совместной диагностики по вибрации и току. Кроме того, расширена программа мониторинга, являющаяся составной частью программы DREAM, в которой предусмотрена возможность введения, анализа и прогноза величин других параметров машины, измеряемых различными приборами, в частности температуры, состава смазки и других. Все новые диагностические модули также являются оригинальными, пока еще не имеющими аналогов.

Среди разработок ведущих мировых производителей диагностических систем программы, призванные полностью заменить диагноста при постановке диагноза и прогноза, встречаются гораздо реже и в России практически не применяются. Такая ситуация объясняется тем, что эти программы требуют определенной адаптации к несерийному оборудованию, а большинство наиболее ответственных машин относятся именно к несерийным. Лучшие отечественные программы автоматической диагностики по ряду параметров превосходят зарубежные аналоги, что является одной из основных причин их популярности на мировом рынке диагностического программного обеспечения. Другими причинами является низкая по сравнению с западными аналогами стоимость программ для конечного пользователя и возможность поддержки пользователя по Интернету, в том числе при адаптации к новым видам оборудования

Как показывает опыт практической диагностики машин на предприятиях более десяти отраслей промышленности России, основной причиной более низкой скорости распространения систем вибродиагностики, чем в других развитых странах, является субъективность оценок эффективности достигаемых результатов. Это происходит, во-первых, из-за ошибок при использовании не сертифицированных виброанализирующих приборов, неэффективных диагностических программ или из-за недостаточной подготовки диагностов, а, во-вторых, из-за отсутствия в России утвержденных методик оценки экономической эффективности средств диагностики, в том числе и по таким факторам, как упущенная прибыль и учет затрат на ликвидацию возможных аварий. А основной причиной отсутствия таких методик является зачаточное состояние страхового бизнеса в промышленности России.

3. Возможности использования превентивной вибродиагностики на военно-морском флоте

Превентивная вибродиагностика машин с привлечением диагностических сигналов в виде тока приводного двигателя и температуры отдельных узлов машины широко используется для контроля и долгосрочного прогноза состояния многих видов вращающегося оборудования. Поэтому именно с её внедрения многие предприятия начинают переводить технологическое оборудование на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию. Обычно организация таких работ на начальном этапе может иметь одну из трёх основных форм.

Первой является выборочный контроль состояния машин. Для этого в штат предприятия вводится один диагност, подчиняющийся непосредственно техническому руководителю предприятия. Он оснащается переносным диагностическим комплексом (виброанализатором и компьютером с программой автоматической диагностики) и периодически направляется в разные подразделения для проведения выборочной инспекционной диагностики. Такая диагностика стимулирует быстрое повышение качества работ по обслуживанию и ремонту оборудования на местах.

Этот же диагност решает спорные вопросы о причинах и ответственности механиков и электриков за недопустимый рост вибрации электроприводных машин, за электрический двигатель которых отвечают электрики, а за механизм - механики или энергетики. Эти споры возникают достаточно часто, т.к. причиной такого опасного роста вибрации в 7-8 случаях из 10 являются несоосность валов агрегата или дефекты муфты, а поддержание в допустимых пределах качества центровки и состояния муфты в целом, как правило, не входит в сферу ответственности ни механиков, ни электриков. Для успешного разрешения этих споров диагност дополнительно оснащается средствами контроля центровки агрегатов, а для решения задач снижения вибрации - ещё и средствами (программами) балансировки роторов на месте эксплуатации (рис. 3).

Рис. 3. Интерфейс программного обеспечения VAST_BAL для многоплоскостной балансировки роторов в собственных опорах:

а) схема точек измерения и плоскостей балансировки;

б) векторное представление вибрации

Достаточно часто в обязанности такого диагноста является и контроль вибрации ответственных агрегатов в режимах пуска после их ремонта на месте. Для этого дополнительно виброанализатор комплектуется быстродействующим коммутатором с несколькими (обычно 4-16) датчиками вибрации.

Второй формой является создание на предприятии диагностической службы в виде мобильной группы, отслеживающей состояние значительной части вращающегося оборудования с доступными для непосредственного измерения точками контроля вибрации, температуры и тока. Диагностические измерения при хорошем состоянии оборудования планово проводятся раз в 3-6 месяцев. Кроме этого по заявкам обслуживающего персонала проводятся внеочередные диагностические измерения, но для выявления объектов внеочередного диагностирования дежурный персонал должен иметь простейшие средства контроля вибрации в виде виброметра или стетоскопа (слухача). Если при плановом диагностировании агрегата обнаруживаются средние дефекты, периодичность диагностирования изменяется по рекомендациям программы автоматической диагностики, если обнаруживается сильный дефект, планируется ремонт оборудования в ближайшие 2-3 месяца и производится закупка необходимых запасных частей.

Группа диагностики оснащается переносными комплексами вибрационной диагностики, контактными или бесконтактными датчиками температуры, датчиками тока приводных двигателей, например, токовыми клещами, а в программы диагностики включаются модули мониторинга и диагностики машин по току и температуре. Для машин с принудительной смазкой организовывается периодический контроль её состава с определением количества металлических и других примесей. Кроме этого группа диагностики обеспечивается средствами виброналадки, в частности средствами анализа собственных колебаний и амплитудно-частотных характеристик машины, центровки агрегатов и балансировки роторов. Для контроля операций по ремонту машин группа диагностов может оснащаться средствами неразрушающего контроля. По мере роста квалификации специалистов по вибродиагностике группа дополнительно оснащается средствами анализа различных процессов в ответственных машинах с возможностью записи этих процессов в установившихся и переходных режимах работы машины для последующего изучения в лабораторных условиях.

Как правило, каждый диагност контролирует состояние достаточно большой группы вращающегося оборудования (до 500 машин, имеющих суммарное количество доступных для измерения вибрации опор вращения около 2-3 тысяч). На начальном этапе работ объём контролируемого оборудования из-за необходимости более частого контроля вибрации (до 2 раз в месяц) оказывается существенно меньшим, но по мере восстановления требуемого состояния оборудования путём его выборочного ремонта количество диагностируемых одним диагностом машин растет.

Такая организация службы диагностики на предприятии даёт экономический эффект в кратчайшие сроки, обеспечивая многократное снижение количества аварийных отказов вращающегося оборудования ограниченной мощности, увеличение интервалов между ремонтами и снижение объемов ремонта до двух и более раз. Что касается крупного оборудования мощностью выше 10-15 мВт, а также оборудования повышенной опасности, при его эксплуатации необходимо дополнительно использовать стационарные системы защитного мониторинга с рядом диагностических функций. Такие системы мониторинга необходимо периодически восстанавливать, а также анализировать накапливаемые ими данные. Учитывая также тот факт, что на предприятиях с развитой диагностикой от подразделений (цехов) в группу диагностики приходит много заявок на внеочередную диагностику, некоторые предприятия переходят на третью форму построения службы диагностики, основанную на введение в штат подразделений своих (цеховых) диагностов.

Задачей цеховых диагностов становится сбор диагностической информации, диагностика типовых машин и обслуживание стационарных систем мониторинга и диагностики. Цеховой диагност обеспечивается минимальным комплектом переносных средств диагностики, а в сложных случаях вызывает централизованную группу диагностики, обеспеченную более широким ассортиментом диагностической и исследовательской аппаратуры.

Очень важно отметить специфику организации службы диагностики на тех предприятиях, где ответственность за обслуживание и ремонт агрегатов с электроприводом разделена между электриками (двигатель) и механиками или энергетиками (механизм). Достаточно часто на таких предприятиях создается две независимые диагностические службы, но при этом цеховой диагност, если такая должность вводится в штат, работает с обеими службами.

Иногда при выводе ремонтной службы за штат основного предприятия, мобильная группа диагностов вводится в состав этой службы, но цеховые диагносты остаются в штате основного предприятия.

Специфика эксплуатации машин на транспорте, в том числе и на военно-морском флоте существенно влияет как на используемые методы и средства диагностики, так и на структуру службы диагностики. Специфика превентивной вибродиагностики в этом случае определяется следующими причинами:

1. Дефекты наиболее эффективно обнаруживаются и идентифицируется на тех режимах работы машины, на которых они быстрее всего развиваются. Ряд машин, используемых на транспорте, имеют несколько основных режимов работы, в то время как диагностика выполняется лишь на одном, поэтому в алгоритмы диагностики машин на транспорте необходимо вводить поправки.

2. Многие машины приходится диагностировать в специальных режимах работы с пониженной мощностью, скоростью вращения или величинами статических и вращающихся нагрузок. В таких режимах диагностические признаки многих видов дефектов принципиально изменяются.

3. Периодичность диагностирования машин на транспорте определяется условиями их работы, а не рекомендациями диагноста или программы автоматической диагностики, причем контроль нарушений условий эксплуатации машин, как правило, не проводится. В результате встречаются случаи более быстрого развития дефектов, чем в других отраслях промышленности, и в момент диагностирования велика вероятность наличия дефектов в последний стадии развития, когда некоторые из дефектов уже не дают роста вибрации, а могут даже привести к её снижению. Как следствие в системах диагностики машин на транспорте должны использоваться дополнительные алгоритмы обнаружения предаварийного состояния с высокой степенью достоверности.

Именно перечисленные причины привели к тому, что, например, диагностические комплексы Ассоциации ВАСТ адаптировались к задачам диагностики колесно-редукторных блоков локомотивов, используемых на железных дорогах России и стран СНГ, около трёх лет. Однако, поскольку эти комплексы уже учитывают специфику работы основных машин на транспорте, их адаптация к особенностям диагностики машин на кораблях и подводных лодках военно-морского флота не займет много времени. Тем более что сама технология автоматической диагностики роторных машин по вибрации, разработанная специалистами Ассоциации ВАСТ, основывалась в первую очередь на двадцатилетнем опыте диагностики именно корабельного оборудования.

Решение вопросов перехода на ремонт корабельного вращающегося оборудования по состоянию лучше всего начинать с практической диагностики этого оборудования силами подразделений ремонтных предприятий, оснащая их переносными диагностическими комплексами. Диагностику можно проводить на швартовых испытаниях, а также во время запуска машин между выходами в море. Те машины, которые не могут быть запущены при питании корабля от береговой сети, рекомендуется диагностировать во время ходовых испытаний и в момент возвращения корабля на базу.

Поскольку для работы с комплексами автоматической диагностики не требуется длительной подготовки диагноста, его функции может выполнять опытный корабельный механик или электромеханик, прошедший предварительную недельную подготовку. А это означает, что эффективным способом внедрения средств диагностики может считаться передача простейшего комплекса, не являющегося штатным оборудованием корабля, одному из членов экипажа для сбора информации и диагностики оборудования вне времени боевой подготовки.

Опыт внедрения переносных диагностических комплексов на многих предприятиях России, не имеющих подготовленных диагностов, показывает, что первые заметные успехи по обнаружению дефектов во вращающемся оборудовании появляются уже через несколько дней после начала диагностических измерений. Можно ожидать, что качественный сдвиг в поддержании хотя бы самых ответственных корабельных машин в бездефектном состоянии и с высокой степенью готовности произойдет уже через год после начала работ по диагностике.

Что касается использования на кораблях стационарных систем мониторинга и диагностики оборудования, то от этой работы нельзя ждать особо быстрых результатов. Дело в том, что для полной диагностики агрегата, имеющего, например, четыре опоры вращения, необходимо контролировать вибрацию и температуру в нескольких, не менее чем четырех точках, а также контролировать ток приводного двигателя. При числе датчиков более десяти на агрегат недопустимо растет количество кабелей, по которым на датчик подается питание и собирается диагностическая информация. Именно объём дополнительных кабельных трасс и ограничивает использование на судах и кораблях стационарных систем контроля, мониторинга и диагностики.

В то же время использование простейших стационарных систем вибрационного мониторинга с элементами диагностики для контроля вибрации и состояния отдельных машин, имеющих наибольшую наработку, может помочь избежать внезапных отказов во время плавания.

За последние годы многие производители оборудования и диагностических систем анализировали возможности создания датчиков с передачей информации по беспроводным линиям связи и пришли к выводу, что на сегодняшнем уровне развития аккумуляторных источников питания добиться работы датчика, передающего большой объём информации по радиоканалу или преобразующего этот объём информации до передатчика, в течение длительного срока, например, межремонтного периода оборудования, пока невозможно.

Глава 2. Возможности применения виброизмерительного комплекса для диагностики машин и механизмов при переработке бумажной макулатуры

За последнее время на рынке появилось множество виброизмерительных приборов отечественного и иностранного производства. Наиболее универсальными и распространенными являются виброанализаторы. Часто в паре с виброанализатором работает экспертная программа диагностики, которая устанавливается на ПЭВМ. Стоимость таких комплексов достаточно высока (несколько тысяч дол. США) и не дает возможности обработки полученных данных другими специализированными математическими программами из-за закрытости кода данных.

Один из путей снижения стоимости виброизмерительных комплексов и расширения их возможностей -- соединение дешевых аналоговых виброметров, многофункциональных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и ПЭВМ со специализированными математическими программами. В работе приведены результаты апробации такого многофункционального виброизмерительного комплекса (рис. 1), состоящего из датчиков вибрации (пьезоакселерометров), измерителей шума и вибрации ВШВ-003, АЦП Handyscope HS3-5 (производство фирмы «TiePie Engineering», Нидерланды) и ПЭВМ с программой к HS3-5.

Рис. 4. Схема виброизмерительного комплекса

ВШВ-003 -- измеритель шума и вибрации российского производства. По метрологическим параметрам и техническим характеристикам соответствует 10 классу точности согласно ГОСТ 16826-71. ВШВ-003 может снимать временные характеристики как быстротекущих, так и медленнотекущих процессов.

Handyscope HS3-5 -- 2-канальный, 12-разрядный АЦП с частотой оцифровки 5 млн выборок в секунду для каждого канала. Прибор можно использовать как цифровой запоминающий осциллограф, анализатор спектра, вольтметр или самописец. Прибор оцифровывает входной сигнал, обрабатывает, сохраняет и воспроизводит сигнал на экране. Кроме двух каналов ввода, имеется один канал вывода, на котором может формироваться тестовый сигнал с различными характеристиками.

Вибрация, регистрируемая в точках установки пьезоэлектрических датчиков ДН-3, поступает на предусилители ПМ-3. Каждый сигнал поступает по своему экранированному каналу. Предусилители ПМ-3 усиливают сигнал, используя питание основного блока ВШВ-003, который, в свою очередь, фильтрует и масштабирует уровень выходного сигнала. Далее Handyscope HS3-5 принимает аналоговый сигнал с двух каналов и в соответствии с настройками программы управления производит его оцифровку. После цифрового преобразования сигнал передается по высокоскоростному интерфейсу USB 2.0 в ППЭВМ и обрабатывается программными средствами.

Программа и аппаратный драйвер, управляющий АЦП, позволяют быстро настроить систему с помощью хранимых профилей осциллографа, анализатора спектра и самописца. На рис. 2 представлено главное окно программы, из которого легко вызываются все модули.

Рис. 5. Программная панель управления HS3-5

АЦП позволяет записывать временной отрезок до 131 060 выборок при скорости до 5 млн выборок в секунду, что дает возможность варьировать временной интервал в широком диапазоне. Имеется возможность установки единиц измерений и их масштабирования, отсечки/растяжки сигнала, усреднения максимум по 256 измерениям, выбора масштаба осей: линейного, логарифмического, октавного и 1/3 октавного. В некоторых случаях удобно пользоваться функциями однократного запуска измерений, по условию превышения порога. Полезными являются функции сравнения сигналов, сигналы можно как складывать, так и вычитать. Добавление комментариев на рабочем поле дает возможность делать отметки по ходу измерений.

В режиме осциллографа на экране монитора отображается изменяющееся во времени электрическое напряжение, т. е. временная зависимость вибрационного сигнала. Запуск может быть установлен в любой момент времени, что позволяет исследовать сигнал как до, так и после момента запуска.

В режиме цифрового вольтметра измеряется среднеквадратичное значение, среднее, максимальное, минимальное, децибелы, мощность, пульсации, частота и мгновенное значение. Можно производить последующую обработку (сравнение, вычитание, умножение и др.).

В режиме самописца производится измерение медленно изменяющихся сигналов во времени. Самописец измеряет входной сигнал через установленные промежутки времени -- от 0,01 до 500 с. Количество выборок может быть установлено любым из интервала от 1 до 32 768. При этом максимальное время измерения -- 189,6 дней. В данном режиме можно использовать прибор для построения трендов вибрации и контроля технического состояния узлов и технологических режимов.

В режиме анализатора спектра используется метод быстрого преобразования Фурье, с помощью которого вычисляются спектральные компоненты, образующие частотный спектр входного сигнала. В программе поддерживается шесть видов окон-фильтров: прямоугольное (все данные не изменяются), Ханнинга (синусоидальное), Хамминга (синусоидальное), Бартлета (синусоидальное), Блэкмана (треугольное), Парцена (треугольное). Количество линий в спектре может составлять от 32 до 32 768, при этом верхний предел диапазона частот составляет до 5 МГц.

Для стабильной работы комплекса требуется достаточно производительный компьютер. При апробации комплекса использовали переносной компьютер Notebook модели «Brava-4115COMBO» на основе процессора Pentium 4-2800С/800 с установленным программным обеспечением Handyscope 3 версии для операционной системы Windows XP.

Для удобства проведения измерений и мобильности компьютер Notebook и Handyscope 3 были объединены в один жесткий дюралюминиевый корпус в форме дипломата, трансформируемый в переносной стол. В нем также переносили экранированные провода и датчики вибрации. Виброизмерительные приборы ВШВ-003 переносили и использовали в отдельных влагозащитных сумках. Общий вид комплекса приведен на рис. 3.

Рис. 3. Общий вид комплекса в сложенном и развернутом виде

превентивная вибродиагностика виброизмерительный оборудование

Апробацию виброизмерительного комплекса проводили на действующем оборудовании предприятия ОАО «Соликамскбумпром». Вели замеры как спектров виброускорения для выявления частотного состава, так и временной зависимости для статистической обработки сигналов и проверки процесса на стационарность и эргодичность.

Спектры замеряли в частотном диапазоне от 0 до 5 000 Гц. Количество линий в спектре при измерении составляло 2 048, 4096 или 8 192 линии, в зависимости от конкретного измерения. Таким образом, шаг дискретизации составлял 2,44 Гц, 1,22 Гц или 0,61 Гц соответственно, что достаточно для выявления наименьших модулируемых частотных компонент вибрации исследуемого оборудования. Для исключения ложных частот применяли окно Хамминга.

Для определения собственной частоты колебаний оборудования замеряли временную зависимость вибрационного сигнала при возбуждении колебаний ударом специального обрезиненного молотка.

В работе комплекс продемонстрировал надежность, мобильность, достаточную скорость измерения и обработки данных, несмотря на высокую температуру воздуха (50 °С) и влажность производственных помещений.

На наш взгляд, основной недостаток современных виброанализирующих приборов -- закрытость кода обмена данными. Это препятствует возможности дальнейшей обработки полученных результатов другими программными средствами, что в свою очередь сильно сужает возможности всестороннего виброанализа. С помощью предлагаемого виброизмерительного комплекса можно проводить анализ процессов «on-line». Можно заранее подготовить подпрограммы в математическом пакете и дать качественную оценку собранным данным прямо на месте, выявить общий или частный характер исследуемого процесса, изменить параметры и произвести повторные измерения. Кроме высокой разрешающей способности, что ставит данный комплекс в один ряд с самыми современными виброанализирующими комплексами, предусмотрены чтение/запись как в двоичном, так и в формате ASCII, что удобно для последующей обработки собранных данных, например, в пакете Matlab. Заранее подготовленные подпрограммы дают возможность: строить временную зависимость, собственный спектр, спектр огибающей, кепстр, каскадную диаграмму; определять пик-фактор, эксцесс, собственные частоты колебаний; обнаруживать нарушение корреляционных связей; проводить комплексную статистическую диагностику.