огибающая ускорения ge что это
Огибающая: высокая чувствительность к дефектам и их раннее обнаружение
Перепечатка статьи: www.ge-energy.com/orbit (2004)
Nathan Weller
GE Energy
Огибающая может предоставить специалисту по виброанализу подробную информацию о техническом состоянии критического оборудования на предприятии. Метод диагностики состояния оборудования при помощи спектров огибающей вибросигнала используется, главным образом, для ранней диагностики подшипников качения и редукторов. Спектр огибающей является важным параметром, используемым для оценки состояния машины. Имея точные данные и заручившись поддержкой сервисных специалистов от компании Bently Nevada, инженеры на предприятии могут быть уверенными в том, что критическое оборудование правильно эксплуатируется и обслуживается ими. Огибающая помогает выявлять дефекты оборудования на самых ранних стадиях их развития — до того момента, когда они будут выявлены другими методами диагностики. Без ранней диагностики дефектов при помощи спектров огибающей вибросигнала персонал сможет обнаружить увеличение общего уровня вибрации, загрязнение масла и, как следствие, рост температуры подшипника лишь тогда, когда дефект уже будет сильно развит. Все это существенно сокращает «жизненный цикл» неисправных элементов машины и увеличивает степень повреждения оборудования.
Огибающая позволяет выявлять и анализировать низкочастотные, повторяющиеся вибросигналы, выделяя их из общего уровня вибрации машины. Таким образом, она позволяет заблаговременно обнаруживать развивающиеся дефекты элементов или деталей машин при контакте металл—металл. Несмотря на то, что в этой статье приведены примеры использования метода огибающей для диагностики подшипников качения, этот метод используется также и для диагностики редукторов и электродвигателей. Необходимо отметить, что для успешного применения и анализа спектра огибающей вибросигнала необходим опыт. Огибающая – это один из инструментов специалиста по анализу вибрации, и лучше всего использовать его совместно с другими методами диагностики и мониторинга оборудования.
Огибающая позволяет выделять интересующие компоненты вибросигнала
Метод диагностики при помощи спектров огибающей вибросигнала состоит из нескольких этапов; он предполагает выделение интересующих виброимпульсов из общего уровня вибрации (Рисунок 1). Взаимодействие элементов подшипника качения друг с другом и с дефектами приводит к возникновению структурного резонанса в опоре подшипника. Сейсмодатчик измеряет вибрацию, далее этот сигнал отфильтровывается полосовым фильтром, и в результате в вибросигнале остаются только компоненты в диапазоне частот резонанса элементов подшипника. Отфильтрованный сигнал выпрямляется, из него извлекается огибающая, при этом удаляются частоты резонанса элементов подшипника и остаются только частоты ударных импульсов дефектов подшипника. Затем фильтр высоких частот удаляет из сигнала высокочастотные компоненты и вычисляется спектр. Частотные компоненты зависят от физических параметров подшипника, а тренд спектра вибрации показывает развитие дефектов.
Анализ огибающей необходимо начинать с поиска источника вибрации. При взаимодействии элементов подшипника друг с другом и с дефектом возникают ударные импульсы, которые передаются на корпус машины и вызывают вибрацию. Ударные импульсы возбуждают колебания на частотах собственного резонанса структурных элементов подшипника, вызывая так называемый «звон» (Рисунок 2). Амплитуда данного «звона» постепенно затухает до следующего удара, который заново возбуждает резонанс. Таким образом, амплитуда дефекта модулирует отклик собственного резонанса на частоте ударных импульсов. Ударные импульсы дефекта становятся частью общего уровня вибрации.
Поскольку эти ударные импульсы имеют высокую частоту, то для измерения вибросигнала для огибающей обычно используются акселерометры. Поэтому часто огибающую называют еще огибающей по виброускорению или огибающей высокочастотного виброускорения. Высокочастотные вибросигналы, такие как, например, несущая частота сигнала дефекта, плохо передаются через однородный материал корпуса машины; дефекты металла, болтовые и сварные соединения вызывают существенное затухание вибросигнала (Рисунок 3). Поэтому необходимо выбирать кратчайший путь от места замера вибрации до ее источника, для того чтобы этот слабый высокочастотный сигнал дошел до акселерометра без изменений; акселерометр следует смонтировать как можно ближе к подшипнику и рядом с «несущей», нагруженной зоной подшипника, в которой ударные импульсы будут лучше передаваться через корпус машины к датчику.
Выходной сигнал акселерометра, изображенный на рисунке 4, содержит три основные частоты: вибрацию ротора с относительно низкой частотой и высокой амплитудой, модулированную частоту резонанса элементов подшипника, а также другие компоненты высокочастотной вибрации, включая гармоники частот резонанса элементов подшипника. Несмотря на то, что вибросигнал имеет сложную форму, по спектру огибающей можно определить частоту ударных импульсов дефекта, которая, в свою очередь, предоставляет специалисту по виброанализу важную информацию о техническом состоянии машины.
Огибающая ускорения ge что это
Вы можете почитать другие статьи блога, воспользовавшись Картой Сайта.
Хотите получать новые статьи прямо на Ваш почтовый ящик?
Предлагаю Вашему вниманию перевод статьи из журнала ORBIT об огибающей вибросигнала, в которой даются ответы на такие вопросы, как что такое огибающая, зачем и почему ее нужно использовать для диагностики деталей и узлов машины или механизма. С оригиналом статьи можно ознакомиться на сайте http://ge-mcs.com
Огибающая вибросигнала предоставляет специалисту по виброанализу подробную информацию о техническом состоянии критического оборудования на предприятии. Метод диагностики состояния оборудования, с помощью спектра огибающей вибросигнала используется, главным образом, для ранней диагностики подшипников качения и редукторов. Спектр огибающей является важным инструментом, используемым для оценки состояния машины. Имея точные данные о вибросостоянии оборудования инженерно-технический персонал предприятия, может быть уверенным в том, что критическое оборудование эксплуатируется и обслуживается ими правильно. Огибающая вибросигнала помогает выявлять дефекты оборудования на самых ранних стадиях их развития до того момента, когда они будут выявлены другими методами диагностики. Без ранней диагностики дефектов обслуживающий персонал может обнаружить увеличение общего уровня вибрации, загрязнение масла и, как следствие, рост температуры подшипника, а анализ прямого спектра позволяет обнаружить присутствие дефекта, когда он уже будет сильно развит. Поэтому применение огибающей вибросигнала позволяет существенно увеличить «жизненный цикл» неисправных элементов машины и сократить степень повреждения оборудования.
Огибающая вибросигнала позволяет выявлять и анализировать низкочастотные составляющие вибросигнала, выделяя их из общего уровня вибрации машины. То есть она позволяет заблаговременно обнаружить развивающиеся дефекты элементов или деталей машин. Несмотря на то, что в этой статье приведены примеры использования метода огибающей для диагностики подшипников качения, этот метод используется также и для диагностики редукторов и электродвигателей. Нужно отметить, что для успешного применения и анализа спектра огибающей вибросигнала необходим опыт. Огибающая – это один из инструментов специалиста по анализу вибрации, который рекомендуется использовать совместно с другими методами диагностики и мониторинга оборудования.
Огибающая вибросигнала позволяет выделить интересующие компоненты вибросигнала для его анализа
Метод диагностики при помощи спектров огибающей вибросигнала состоит из нескольких этапов; он предполагает выделение ударных импульсов из общего уровня вибрации (рис. 1).
Рис.1 Этапы преобразования вибросигнала в спектр огибающей
Взаимодействие элементов подшипника качения друг с другом и с дефектами приводит к возникновению резонанса его элементов. Акселерометр (вибродатчик) измеряет вибрацию, далее этот сигнал отфильтровывается полосовым фильтром, и в результате в вибросигнале остаются только составляющие вибросигнала в диапазоне частот резонанса элементов подшипника. Отфильтрованный сигнал выпрямляется, и в результате мы получаем огибающую формы вибросигнала, при этом удаляются частоты резонанса элементов подшипника и остаются только частоты дефектов элементов подшипника. Затем фильтр высоких частот удаляет из сигнала высокочастотные составляющие вибросигнала, в результате мы получаем спектр огибающей. Частотные составляющие вибросигнала зависят от геометрических размеров подшипника, а спектр вибрации показывает степень развития дефектов в его элементах.
Анализ огибающей вибросигнала необходимо начинать с поиска источника вибрации. При взаимодействии элементов подшипника друг с другом и с дефектом возникают ударные импульсы, которые передаются на корпус машины и вызывают вибрацию. Ударные импульсы возбуждают колебания на частоте резонанса элементов конструкции подшипника. (Рис. 2). Амплитуда на частоте резонанса совпадает с амплитудой ударного импульса, вызванного дефектом. Таким образом, амплитуда дефекта модулирует отклик собственных частот на частоте ударных импульсов. Ударные импульсы дефекта становятся частью общего уровня вибрации машины.
резонанс внешнего кольца подшипника
Поскольку эти ударные импульсы имеют высокую амплитуду, то для ее измерения используются акселерометры с последующим преобразованием полученного выходного вибросигнала в спектр огибающей. Поэтому часто огибающую называют еще огибающей по виброускорению или огибающей высокочастотного вибросигнала. Высокочастотные вибросигналы, такие как, например, вибросигнал ударного импульса, плохо передаются через однородный материал корпуса машины; дефекты металла, болтовые и сварные соединения, которые вызывают существенное затухание вибросигнала (рис. 3). Поэтому необходимо выбрать кратчайший путь от места замера вибрации до ее источника, для того чтобы высокочастотный сигнал дошел до акселерометра без изменений. Поэтому рекомендуется акселерометр смонтировать как можно ближе к подшипнику и рядом с «несущей», нагруженной зоной подшипника (обычно нижняя точка), в которой ударные импульсы будут сильнее передаваться через корпус машины к датчику
Рис.3 Рассеивание вибросигнала в элементах конструкции машины,
которые изготовлены из разных материалов
Выходной сигнал акселерометра, изображенный на рисунке 4, содержит три основные частоты: вибрацию ротора с относительно низкой частотой и с высокой амплитудой, модулированную частоту резонанса элементов подшипника, а также другие компоненты высокочастотной вибрации, включая гармоники частоты резонанса элементов подшипника.
Рис.4 Временная форма вибросигнала подшипника качения,
содержит ударные импульсы возбуждаемые дефектом
Несмотря на то, что вибросигнал имеет сложную форму, по спектру огибающей можно определить частоту ударных импульсов дефекта, которая, в свою очередь, предоставляет специалисту по виброанализу важную информацию не только о дефекте, но и о техническом состоянии машины.
Фильтрация вибросигнала важный этап преобразования его в спектр огибающей.
Первым этапом обработки сигнала при использовании метода диагностики по спектру огибающей является обработка вибросигнала с помощью полосового фильтра. Правильная настройка фильтра обеспечивает удаление нежелательных частотных составляющих из вибросигнала и предотвращает нежелательное его затухание, что необходимо при анализе спектров огибающей. При выборе диапазона частот необходимо принимать во внимание рабочую скорость вращения машины и резонансные частоты ее конструктивных элементов и деталей. Эти два фактора зависят от конструкции подшипника, машины, а также от места установки агрегата. Поэтому для получения наиболее точных данных диагностики при первом анализе спектра огибающей следует провести несколько замеров вибросигнала в доступном диапазоне частот используемых фильтров.
Сначала рекомендуем выявить в спектре вибросигнала «скопление» амплитудных пиков, относящихся к резонансу элементов подшипника или машины. Нижняя граница фильтра (фильтр пропускания верхних частот) должна быть установлена выше частот зубчатого зацепления, но ниже этого «скопления» пиков, указывающее на резонанс элементов подшипника. Выбор граничной частоты в низкочастотной области осуществляется таким образом, чтобы отфильтровывались составляющие с высокой амплитудой и низкой частотой (вызваны вибрацией машины на ее частоте вращения). Это значительно улучшает соотношение сигнал-шум на частотах, которые нас интересуют. В вибросигнале как правило, преобладают именно эти низкочастотные вибрации,. Верхняя граница фильтра выбирается таким образом, чтобы отфильтровывались составляющие вибросигнала на максимально высоких частотах, вызванные другими вибрациями агрегата и сигналами, усиленными в акселерометре или в результате резонанса датчика из-за неплотного его крепления в точке измерения вибрации. Для машин, оснащенных подшипниками качения, нижняя граница частотного фильтра, как правило, должна быть в 10 раз больше, чем рабочая скорость вращения машины (10Х), для того чтобы удалить гармоники, кратные частоте вращения машины. Однако эти частоты не должны превышать половину величины собственных частот подшипника. Эти собственные частоты выступают в роли «несущих» частот и возникают при появлении ударных импульсов дефекта в подшипнике, поэтому затухание этих вибросигналов затруднит диагностику дефекта при помощи спектра огибающей.
Верхняя граница частотного фильтра, как правило, устанавливается в 60 раз больше, чем частота «перекатывания» тел качения по наружному кольцу подшипника (60X BPFO) или примерно в 200 раз больше, чем рабочая скорость вращения машины (200Х). Это приводит к затуханию высокочастотных помех и компонент вибрации, часть из которых была усилена резонансом акселерометра. Эти правила довольно просты и обязательно должны учитываться специалистом по виброанализу при диагностике подшипников качения. Однако частоты, возникающие в зубчатых зацеплениях редукторов, затрудняют их применение для диагностики редукторов.
Выходной вибросигнал после прохождения через полосовой фильтр (рис.5) будет содержать резонансную частоту конструктивных элементов машины. Она будет самой высокой частотой вибросигнала, модулируемой дефектом. Ударные импульсы, возникающие при появлении в подшипнике дефекта, возбуждают «несущую» частоту, амплитуда которой будет затухать в геометрической прогрессии. В вибросигнале дефектного подшипника могут появиться ударные импульсы с различным временным интервалом, амплитудой и дополнительными частотными составляющими – на это может влиять смазка, количество дефектов, степень их серьезности и нагрузка на подшипник. Тем не менее, метод диагностики при помощи спектров огибающей вибросигнала очень эффективен при наличии сложных форм вибросигнала.
Рис.5 Временная форма сигнала, полученная на выходе из полосового фильтра
содержит амплитудную модуляцию дефекта на частотах резонанса
При демодуляции амплитуды вибросигнала удаляются резонансные частоты
Прежде чем получить огибающую отфильтрованного вибросигнала, сначала нужно произвести его «сглаживание», (Рисунок 6), которое удваивает «несущую» частоту и значительно отделяет частоту ударных импульсов от нее.
Рис.6 Двухполупериодная демодуляция вибросигнала
Следующий этап — это преобразование огибающей формы вибросигнала в спектр огибающей. Демодуляция амплитуды сглаженной формы вибросигнала удаляет амплитуды на фоновой частоте и оставляет периодические ударные импульсы, возникающие при появлении дефектов. Для выполнения демодуляции возможно использование следующих методов: измерение пиковых значений (Рисунок 7), интегрирование и фильтрация высоких частот.
Рис.7 Огибающая вибросигнала после измерения пиковых значений
Как правило, огибающая позволяет получить форму вибросигнала со спектральными компонентами, соответствующими частотам ударных импульсов и, как следствие, гармониками частот дефекта. Частотные компоненты, не имеющие отношения к ударным импульсам, будут, как правило, иметь более высокую частоту, чем интересующие нас составляющие. Некоторые из них могут быть еще раз отфильтрованы при помощи фильтра высоких частот, в результате чего в вибросигнале останутся только ударные импульсы и некоторые гармоники низкого порядка. Анализировать такой «упорядоченный» спектр будет проще, потому что количество частотных составляющих будет меньше.
Перед проведением анализа вибросигнала необходимо получить спектр огибающей. Частота ударных импульсов должна четко отображаться в спектре вместе с другими спектральными составляющими вибросигнала. Гармоники основных частот дефектов, как правило, являются излишними компонентами огибающей и не используются для отслеживания этих неисправностей, за исключением тех случаев, когда присутствует большое число гармоник, которые указывают на развитие дефекта. Пики амплитуды на основных частотах, присутствующие в спектре, могут быть связаны с физическими параметрами машины. Обратите внимание на то, что по мере развития дефекта рядом с амплитудными пиками на частотах дефектов в спектре могут появляться боковые полосы, находящиеся на расстоянии, равном частоте вращения машины от частоты дефекта.
Если на спектре появляются (посторонние) частоты, это может быть вызвано некорректной конфигурацией используемых фильтров или неправильными замерами вибрации при помощи вибродатчиков. Колебания на этих частотах могут быть вызваны и другими элементами, расположенными рядом с машиной или же возникающими в процессе работы агрегата. При неправильном замере вибрации в спектре могут появиться дополнительные частотные составляющие: в диагностируемой машине они должны отсутствовать и, соответственно, не наблюдаться в спектре.
Заключительный этап: анализ полученных данных
Анализ полученных данных после преобразования вибросигнала является очень важным заключительным этапом диагностики при помощи спектра огибающей. Определение величин этих частотных компонентов в течении какого-то временного интервала (день, неделя, месяц) позволяет определять степень развития дефектов в подшипниках. Амплитуда частотных компонентов, не всегда напрямую связана со степенью серьезности дефекта. Например, развивающиеся дефекты, такие как, скажем, наличие сколов в подшипнике, сначала приводят к появлению больших пиков колебаний на частоте возникновения дефекта. По мере увеличения размера скола, ударный импульс дефекта может уменьшиться, т.к. края дефекта закатываются или сглаживаются; в этом случае пики амплитуд на этих частотах уменьшаются. Таким образом, измерения (тренд) вибрации подшипника показывает, как изменяется вибросигнал и дает возможность специалисту по виброанализу спрогнозировать развитие дефекта.
Для того, чтобы эффективно отслеживать изменения колебаний на частоте дефекта подшипника, нужна исходная (иногда говорят «эталонная» ) информация. Ее получают в тот момент времени, когда подшипник находился в исправном состоянии, и используется в дальнейшем для отслеживания развития дефекта путем сравнения ее с текущими замерами. Добиться достоверности данных замеров вибрации можно путем проведения эксперимента, сделав несколько измерений вибросигнала с различными настройками фильтра. Для идентификации отслеживаемых частот дефекта необходимо обладать информацией о конструкции машины и ее подшипниках. Для корректного отслеживания развития дефектов и зависимости полученных данных замеров необходимо проводить многократные измерения, для этого мы рекомендуем вам использовать постоянно закрепленные вибродатчики.
Диагностика при помощи спектров огибающей вибросигнала требует правильного использования виброизмерительной аппаратуры и опыта специалиста.
Огибающая вибросигнала — очень ценный инструмент, если он используется при периодическом мониторинге. Она может предоставить специалисту по виброанализу информацию о состоянии оборудования и указать на зарождающие и развивающие на начальном этапе дефекты.
Подводя итог всему вышесказанному, стоит отметить, что для успешного применения метода диагностики состояния оборудования при помощи спектра огибающей вибросигнала необходимо учитывать целый ряд факторов: опыт персонала, его знания машинного оборудования, корректная конфигурация всей системы измерения. Все эти факторы следует учитывать при выборе виброизмерительного прибора и его дальнейшем применении, так как качественный прибор облегчает применение метода огибающей. При использовании огибающей вибросигнала надо всегда помнить о ее преимуществах и недостатках. Тогда этот метод станет полезным инструментом для любого специалиста по анализу вибрации.
Основы вибромониторинга
Большинство неисправностей машин выражается в повышении вибрации, анализ вибросигнала представляет собой хорошее средство для их диагностики. При этом каждая неисправность или повреждение имеет свой вид в смысле вибрации.
Причины и следствия усиливают друг друга, и если не принять своевременных корректирующих действий, то машина выйдет из строя. При анализе вибрации рассматриваются два компонента вибросигнала – амплитуда и частота.
Для измерения вибрации существует несколько методов:
Наиболее часто и успешно применяются следующие методы.
Общий уровень вибрации – суммарная энергия вибрации (виброскорость, мм/с), измеренная в установленном частотном диапазоне (обычно 10 – 1000 Гц). Измерение общих уровней вибрации машины или её компонентов и сравнение полученных уровней с эталонными позволяет судить о текущем состоянии машины. Уровень вибрации выше нормального означает, что на машине имеются проблемы (дисбаланс, расцентровка, ослабление механических креплений, проблемы с фундаментом и т.д.).
Общий уровень может быть измерен по Пикам, по размаху Пик-Пик, по среднему уровню или по среднеквадратичному значению (СКЗ). Эти факторы могут быть математически связаны друг с другом, если речь идёт о синусоидальной вибрации:
Пик = 1, СКЗ = 0.707х Пик, Пик-Пик = 2 х Пик.
В зависимости от класса машин можно определить общее состояние согласно международным стандартам уровней вибрации.
Среднеквадратичное значение (СКЗ) виброскорости,
мм/с
Допустимые уровни виброскорости
Малые машины
Класс 1
Средние машины
Класс 2
Большие машины
Жесткое основание
Класс 3
Упругое основание
Класс 4
Т.к. каждая машина уникальна в смысле вибрационного поведения, наиболее эффективным методом определения наличия неисправностей машины является сравнение результатов измерений во времени на этой самой машине. Такое сравнение целесообразно производить с помощью построения трендов (тренд – график изменения амплитуды вибрации по времени).
При отсутствии проблем общий уровень вибрации на машине будет оставаться стабильным на протяжении времени. Последующие периодические результаты измерений сравниваются с этим базовым уровнем. Периодичность измерений зависит от типа машины и от критичности её состояния. На графике тренда могут быть установлены предупредительный и аварийный уровни. Предупредительный уровень устанавливает границу, в пределах которой повышение уровня сигнала может иметь случайный характер. Устойчивый рост амплитуды выше предупредительного уровня является сигналом к тому, что периодичность измерений необходимо сделать более частой.
При приближении амплитуды к аварийному уровню целесообразно обратиться к сервисной службе компании Подшипник.ру для проведения продвинутого спектрального анализа и своевременного выявления повреждений машины. При этом мы можем гарантированно определить негативную причину и качественно исключить ее воздействие.
График изменения амплитуды вибрации по времени называется формой волны или вибрацией во временной области. Этот график воспроизводит необработанный вибросигнал в течение небольшой временной выборки. Этот график не так полезен для диагностики машин как другие виды представления информации (спектр), но некоторые виды неисправностей, которые не всегда имеют очевидное отражение в спектре вибрации, могут быть определены по анализу формы волны.
Для анализа вибрационного сигнала используется анализ спектра этого сигнала, полученный с помощью БПФ (Быстрого Преобразования Фурье). В упрощённом виде, не вдаваясь в математические выкладки, это означает, что сигнал раскладывается на частотные составляющие со своими амплитудами. Как если бы была измерена вибрация, например, на фиксированной частоте 10 Гц, затем на 20 Гц и т.д. до тех пор, пока не будет получена амплитуда для каждой частоты в заданном частотном диапазоне. Значения амплитуд затем представляются в виде графика амплитуды по частоте. Полученный график называется спектром БПФ.
Повреждения подшипников и зубчатых передач производят повторяющиеся сигналы намного меньшей амплитуды и на более высоких частотах, чем сигналы от дефектов на частоте вращения и нескольких последующих её гармониках (частотах кратных частоте вращения).
Рекомендуемые предельные уровни огибающей в зависимости от диаметра вала и частоты вращения.
Размах >(Пик-Пик)
огибающей gE
Допустимые уровни виброускорения
Диаметр вала> D(мм) и скорость вращения >n (об/мин)