Вибрация. Определение и характеристики
Существует достаточно много определений понятия "вибрация". На наш взгляд, наиболее лаконичное и понятное из большой российской энциклопедии:
Вибрация (от лат. vibratio – метание, бросание) — колебательный процесс, возникающий при периодическом смещении центра тяжести тела от положения равновесия, а также при изменении формы тела, которую оно имело в статическом состоянии.
Вибрация существует везде. Она вокруг нас, просто зачастую мы ее не замечаем. Движение приливов — это пример вынужденной вибрации очень низкой частоты, которую порождает гравитационная сила луны и солнца. Периодические низкочастотные колебания высокой сосны под воздействием порыва ветра — это пример свободной вибрации, возникающей от начального импульса. Непрерывное периодическое движение листвы на деревьях во время ветра — это пример самовозбуждающейся вибрации.
В технике (машинах, механизмах, сооружениях, конструкциях и др.) вибрация может быть полезной и вредной. Полезная вибрация, как источник механических колебаний, возбуждается преднамеренно вибраторами, используемыми в строительных, дорожных и других машинах, для выполнения различных технологических операций, при транспортировке материалов (вибрационный конвейер и др.), в приводах ручных машин и др. Вредная вибрация, возникающая при движении транспортных средств, работе двигателей, турбин и других машин, иногда приводит к нарушению режима работы и даже разрушению устройств.
Две основные характеристики сигнала вибрации, которые мы замеряем — частота и амплитуда. Рассмотрим их визуально и дадим определение.
Частота – это скорость повторения колебаний в единицу времени. Обычно измеряется в герцах (Гц).
Амплитуда – это величина вибрации, выраженная в единицах уровня сигнала (например, милливольты или миллиамперы) или в инженерных единицах (например, микрометры или mils, миллиметры в секунду или дюймы в секунду и т.д.).
Проиллюстрируем частоту и амплитуду на следующем примере: вы без труда можете махать рукой, отводя ее вперед и назад на 30 см (амплитуда), делая один цикл в одну секунду, т.е. с частотой 1 Гц. Вероятно, вы сможете осуществлять движения с такой амплитудой в 5 или 6 раз быстрее, то есть с частотой 5-6 Гц. Однако представьте себе, насколько быстро должна двигаться ваша рука, чтобы проходить туда и обратно то же самое расстояние с частотой 100 Гц или 1000 Гц.
Посмотрим на изображение. Если провести аналогию со стиральной машиной: сверху режим полоскания, в центре режим стирки, снизу - отжим. Любые гармоничные колебания представляются в виде синусоиды: музыка, движение маятника или подвешенного грузика, колебания пружины — вибрационные колебания.
На изображении представлено соотношение движения объекта и сигнала виброперемещения, сигнал в таком случае будет синусоидальным.
Но реальный сигнал от датчика вибрации часто не слишком похож на гармоничные колебания, поскольку в одном сигнале скрыты колебания различных частей агрегата: подшипников, вала и т.д. Вибродиагностика занимается, в том числе разделением этого сигнала на составляющие и анализ каждого из них на своей частоте.
Говоря про измерение вибрации, в основном имеют в виду одну из следующих величин:
- виброперемещение
- виброскорость
- виброускорение
Представьте - вы за рулем автомобиля и едете по дороге. Для снижения скорости трафика на проезжей части иногда устанавливают лежачие полицейские и вы приближаетесь к одному из них. Эта неровность имеет определенную высоту и максимальный подъем колеса автомобиля при переезде через нее можно сравнить с размахом виброперемещения.
Ведь лежачий полицейский можно проехать по разному. Если вы бережете подвеску, то снизите скорость, проедете его аккуратно и ваш автомобиль не получит никакого ущерба. А теперь представьте, что снижать скорость вам по каким-то причинам не хочется и вы пролетаете неровность на скорости в 120 км/ч. Что будет с автомобилем? Как минимум он получит механические повреждения. А ведь можно и вылететь с дороги, попасть в ДТП, создать угрозу другим участникам движения. Однако высота неровности не изменилась. НО! Изменилась скорость её преодоления, нагрузка на подвеску и рессоры автомобиля выросла во много раз. Так можно представить виброскорость.
Значит, для определения состояния машины, нагрузки на ее подшипник и ресурса ее работы нам недостаточно знать размах виброперемещения. Нужен параметр, который кроме максимального отклонения учитывал бы и время этого колебания — виброскорость. Виброскорость учитывает не только перемещение в пространстве машины, но и то, как быстро это перемещение происходит. А значит, учитывает и силу, которая воздействует на подшипник барабана. Измеряется виброскорость обычно в миллиметрах в секунду.
Виброскорость считается основным параметром, характеризующим состояние промышленного роторного оборудования. Для каждого типа промышленной машины определены пороговые значения виброскорости, они прописаны в ГОСТ 20816.
Еще один параметр вибрации - виброускорение. Он показывает скорость изменения виброскорости. Физически представить себе, что это такое, на примере стиральной машины уже достаточно сложно. Данный параметр показывает силу удара в момент колебаний. Параметр виброускорения содержит в себе еще больше полезной информации, чем виброскорость или виброперемещение. Поэтому именно он используется в серьезных системах вибродиагностики для детального анализа сигнала вибрации и для анализа состояния роторных машин.
На графике эти понятия можно представить следующим образом:
Виброперемещение обычно замеряют как Пик-Пик, а скорость и ускорение – как Пик. При вибрации на одной частоте перемещение, скорость и ускорение просто вычисляются одно из другого. Среднеквадратичное значение (СКЗ) часто используется при анализе вибрации агрегата для усреднения показателей и выделения пиковых значений или "выбросов", которые говорят о наличии различных проблем.
Вибродиагностика как наука
Вибродиагностика – метод неразрушающего контроля, основанный на анализе комплекса параметров вибрации для определения технического состояния оборудования. Но с чего началось развитие этого направления и что оно представляет в наши дни?
Вплоть до середины 80-х годов основным методом определения технического состояния механизма (подшипников скольжения, зубчатых передач) без его разборки являлся слуховой метод. Применяемыми техническими средствами являлись, в основном, простейшие виды фонендоскопов (эти методы иногда применяются до сих пор). Качество диагноза при этом напрямую зависело от возможностей слухового аппарата оператора, его опыта и практических навыков.
В начале 70-х годов появились первые измерительные приборы превышающие возможности слухового аппарата человека. Но эти приборы были достаточно дорогими, и по сути, являлись инструментами для исследовательских работ, поэтому не получили широкого распространения.
Вибродиагностика стала развиваться в двух направлениях. Первое - это развитие средств измерений типовых параметров процессов, которые происходят в ходе эксплуатации механизма. Чаще всего это были мощные стационарные системы мониторинга, позволявшие вести наблюдения за поведением измеряемых параметров во времени и сравнении их величин с пороговыми значениями. Второе направление - это собственно диагностика, обеспечивающая интерпретацию результатов измерений, производимых системой мониторинга, идентификацию дефектов и степени их развития, прогноз развития дефекта.
С начала 90-х годов стали резко возрастать возможности средств измерений, что позволило активизировать работы по созданию математического и программного обеспечения, заменяющего эксперта при интерпретации результатов, получаемых системами мониторинга. На разных этапах развития систем диагностики изменялось соотношение ролей человека - оператора и самой системы мониторинга. На первом этапе оператор совмещал в себе функции, как измерителя, так и эксперта. Затем появилась тенденция деления функций диагноста на две группы, выполняемые людьми с разной подготовкой. Одна из них заключалась в проведении диагностических измерений, другая - в трактовке получаемых результатов.
Дальше последовала тенденция автоматизации измерений и автоматизация функций эксперта. Очевидно, что современный этап развития систем диагностики будет характеризоваться созданием единых компьютерных систем мониторинга и диагностики с минимальным участием человека. Однако такие системы должны быть организованы таким образом, чтобы оператор - эксперт в любое время мог взять управление системой на себя. Важнейшей частью подготовки такого эксперта является освоение физических основ диагностики.
Почему же вибродиагностика так важна?
Для чего в принципе она нужна? Чем она полезна для предприятия и почему анализ вибрации в последние десятилетия качественно и количественно вырос? Расскажем об этом на примере изменения подхода к ремонту оборудования.
Всё началось с планово-предупредительных ремонтов. Подход заключается в том, что машину разбирают и ремонтируют согласно плану. Сроки ремонта определены с помощью расчетов и статистики таким образом, чтобы машина не успела выйти из строя до этого срока и при этом достаточно долго проработала. Из этого следует, что ремонту обычно подвергается машина в хорошем состоянии. Вполне работоспособную машину останавливают и разбирают. Снимают подшипники и устанавливают новые, закладывают смазку и т.д. Она могла бы еще работать и приносить деньги собственнику. "Это же неэффективно!" - скажете вы. И будете правы.
Можно действовать иначе. Пусть машина работает до тех пор, пока не начнется процесс ее разрушения. Тогда уж она точно доработает до предела и ее ремонт будет на 100% оправдан, а владелец сможет выжать максимум возможного. Но и тут есть определенные проблемы. Когда наступит момент начала разрушения оборудования? Целесообразно ли будет ремонтировать его после такого? Ну и наконец, если машина выйдет из строя не вовремя, что тогда будет? (вспомните катастрофу на Саяно-Шушенской ГЭС). Что же делать? И это неэффективно и то...
Истина, как всегда, находится где-то посередине. Самым эффективным и целесообразным подходом является техническое обслуживание и ремонт оборудования по фактическому состоянию. Если провести аналогию между промышленным оборудованием и человеком, то можно сказать так: не надо постоянно лечить здорового человека, пичкать его таблетками, проводить различные медицинские манипуляции. В то же время, не стоит халатно относится к здоровью. Самое верное - контролировать состояние здоровья, а в случае необходимости - вмешиваться и начинать лечение на ранней стадии. Как для человека - ЭКГ, анализ крови, флюорография, температура и давление - показатели его здоровья. Так же и для машины - вибрация подшипников, несоосность валов, несбалансированность ротора, неправильная установка и демпфирование - показатели работы и "здоровья" агрегата.
Полную картину состояния оборудования способна предоставить вибродиагностика. В наше время при высокой стоимости агрегатов, насосов, компрессоров и при высокой цене производственной ошибки - вопросы своевременного контроля состояния оборудования стоят как никогда остро. И с годами важность этого контроля только возрастает.
Поэтому актуальность работы нашего предприятия продиктована самим временем и жесткими требованиями к безопасности и эффективности работы производственного оборудования. А для желающих более подробно ознакомиться с деятельностью нашей компании - ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ НА САЙТ.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Спасибо, что дочитали до конца ♡
Подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации.