Глава 5. Техническая диагностика

5.1. Технология диагностирования

Неотъемлемой частью системы поддержания оборудования в работоспособном состоянии является технология диагностирования. Технология диагностирования должна быть связана с программами надежности и технического обслуживания.

Технология диагностирования включает:

- знание технического состояния оборудования на текущий момент (выявление причин отказов и неисправностей);

- прогнозирование будущего технического состояния оборудования.

Технология диагностирования предполагает использование современных диагностических систем с компьютерным обеспечением. Внедрению же систем диагностики должна предшествовать работа по совершенствованию профилактического технического обслуживания и выяснение эффективности диагностирования на предприятии.

Для решения вопроса о применении систем диагностики необходимо знать физику отказов и выяснить:

- частоту и условия возникновения отказов;

- существуют ли средства обнаружения отказов;

- возможно ли избежать отказа;

- какова величина ущерба в случае отказа и какова стоимость контрмер по предотвращению отказа;

- какие существуют методы анализа исследования причин повреждений и неисправностей;

- каково состояние дел по контролю за сбором и накоплением информации о техническом состоянии оборудования и данных, необходимых для диагностирования;

- как организована взаимосвязь между технологическим, эксплутационным и ремонтным персоналом, какая существует система общения.

Технология диагностирования и технические средства диагностики определяют понятие “техническая диагностика”.

Составной частью технической диагностики является разработка методов диагностики, которая включает:

- распознавание неисправности;

- оценку выявленной неисправности;

- принятие решения (воздействие).

Диагностирование можно представить в виде следующей схемы функции:

1 - контроль тенденции износа;

2 - раннее обнаружение отклонений от нормы;

3 - идентификация неисправностей;

4 - контроль тенденций изменения работоспособности;

5 - расчет, анализ и оценка нагруженности;

6 - обнаружение и оценка неисправности;

7 - анализ работоспособности оборудования;

8 - прогнозирование срока службы;

Контролирующие – устройства:

1 - передвижные или переносные;

2 - стационарные:

а – для механического оборудования;

б – для гидравлических систем;

в – для смазочных систем;

3 - диагностическая система для вращающихся деталей;

4 - анализатор характеристик оборудования.

5.2. Методы диагностирования

В качестве методов контроля тенденции износа, раннего обнаружения отклонений и поиска неисправностей могут служить:

- методы, включающие получение, обработку и накопление данных в ЭВМ, характеризующих состояние узлов трения;

- методы преобразования напряжений, вибрации, звуковых и тепловых излучений в электрический сигнал;

- косвенные методы (наличие масляной пленки, изменение давления, измерения расхода смазочного материала и др.). Для контроля изменения работоспособности служит аппаратура, регистрирующая параметры (температуру, скорость, нагрузки и т.д.).

Для точной диагностики наибольшее распространение получают:

- вибродиагностика (подшипники качения, зубчатые зацепления);

- виброакустическая диагностика (подшипники качения, подшипники скольжения, зубчатые зацепления, валы для передачи энергии);

- акустическая эмиссия (металлоконструкции, вращающиеся детали);

- тепловая диагностика (металлоконструкции).

5.2.1. Вибродиагностика

Это методика, основанная на распознавании вибросигналов, являющихся следствием развития неисправностей.

Вибросигнал, улавливаемый вибродатчиками, поступает в виде нерегулярных колебаний и поэтому его невозможно непосредственно использовать для оценки технического состояния объекта.

Поэтому полезный сигнал выделяется с помощью фильтров с некоторой полосой пропускания частот.

Если полезный вибросигнал “y ”, тогда

(5.1)

где А – амплитуда колебаний;

– частота колебаний;

– фаза

В качестве признака технического состояния объекта используют среднюю амплитуду А_о.

Амплитуда вибрации характеризует деформации конструкций и рекомендуется для диагностирования неисправностей, приводящих к изменению линейных и угловых размеров (зазоры, изгибы валов и т.д.)

Диагностическим признаком является и виброскорость , которая связана с уровнем напряжений s в теле детали соотношением:

(5.2)

где a – коэффициент пропорциональности, зависящей от свойств системы.

Виброскорость позволяет оценить напряженность конструкции и характеризует процесс накопления повреждений и долговечность конструкции.

Наиболее чувствительным параметром к изменениям в конструкции объекта является виброускорение а, которое связано с виброскоростью соотношением:

(5.3)

Контроль виброускорения наиболее эффективен для диагностики технического состояния роторов машин и зубчатых зацеплений.

Средняя амплитуда вибросигнала, виброскорость и виброускорение связаны между собой соотношением:

(5.4)

Система вибродиагностики включает экран, на который возможно выводить и регистрировать энергетический спектр, и его целесообразно использовать как для диагностики системы в целом, так и для различных ее частей, в которых возникает вибрация с различными частотами и амплитудами.

5.2.2. Виброакустическая диагностика

Виброакустическая диагностика – это методика распознавания акустических образов, позволяющая выявлять не только уже развившуюся неисправность, но и обнаруживать развивающийся дефект на очень ранней стадии.

Виброакустический сигнал в режиме нормального функционирования механизма определяет уровень помех при диагностировании. Отклонение виброакустического сигнала характеризует отклонения от нормы параметров технического состояния объектов.

Диагностическая система предполагает ее обучение, т.е. для каждого уровня технического состояния формируются эталоны диагностических признаков и их пороговые значения.

На основании сравнения текущих и эталонных диагностических признаков, хранящихся в блоке долговременной памяти ЭВМ, осуществляется принятие решения о принадлежности к тому или иному классу состояний. Таким образом, работа диагностической системы разбивается на 2 этапа - обучение и распознавание акустического образа.

Виброакустический частотный диапазон разбивается на поддиапазоны:

- низких частот 0…200 – 300 Гц;

- средних частот 200 –300…1 –2 кГц;

- высоких частот 1-2 кГц…10 –20 кГц;

- сверх высоких частот 10-20 кГц…100-200 кГц.

Низкочастотная вибрация носит преимущественно гармонический характер, так как ее причиной является неуравновешенность вращающихся масс, отклонение от соосности валов, нарушение геометрии узлов, периодические силы, создаваемые рабочим процессом.

Среднечастотный диапазон обусловлен:

- высшими гармониками сил неуравновешенности ротора как следствие наличия нелинейных элементов в системе;

- нарушением геометрии кинематических пар динамическим взаимодействием элементов машин между собой и окружающей средой.

Диапазон высоких частот характеризует упругие волны колебаний машин, распространяющихся по неоднородным конструкциям.

Система виброакустического диагностирования включает:

- датчики колебаний различного типа (микрофон, акселерометр, тензодатчики и др.);

- согласующие устройства;

- усилители-формирователи;

- нормализаторы с регистрацией полученной первичной информации в оперативном и долговременном запоминающих устройствах;

- ЭВМ, обрабатывающую полученную информацию.

5.2.3. Бесконтактная тепловая диагностика

Это диагностическая система, распознающая повреждения и неисправности по тепловым признакам (тепловым полям).

Для фиксации температуры и тепловых полей служат пирометры, радиометры, тепловизоры. Тепловизоры – это сканирующие пирометры, снабженные системой наблюдения тепловых полей, с выведением их на экран.

Температурные поля условно подразделяют на низко- (до 423 К), средне- (423…1073 К) и высокотемпературные (выше 1073 К). Для контроля высокотемпературных полей применяют телевизионные системы; среднетемпературных полей – акустические сканирующие пирометры с неохлаждающимися преобразователями и телевизионные системы с охлаждающим фотокатодом; низкотемпературных полей – системы параллельного съема информации и оптикомеханические сканирующие параметры с охлаждающими преобразователями (тепловизоры).

Тепловизоры осуществляют поэлементную регистрацию образующихся электрических сигналов в виде тепловых карт и преобразуют инфракрасное излучение нагретых тел в видимое изображение.

Тепловая диагностика позволяет обнаруживать изменение усталостных свойств деталей, определять состояние защитных покрытий и прогнозировать ресурс деталей. Выявление усталостных изменений основано на следующем эффекте.

При монотонном увеличении нагрузки и при напряжениях, не превышающих предела выносливости, единственной причиной рассеивания энергии являются упругие деформации. При появлении пластических деформаций рассеивание энергии резко возрастает. При испытаниях регистрируется зависимость температуры саморазогрева рабочей зоны образца от напряжений в материале в условиях монотонно возрастающей нагрузки. Точка перегиба полученной кривой при соответствующей нагрузке, определяет предел выносливости испытуемого образца.

Термограммы позволяют выявить зоны внутренней концентрации напряжений.