Активные методы УЗ контроля

Диагностика технического состояния объектов нефтяных и газовых промыслов Лекция № 3 (конспект лекций) Активные методы УЗ контроля. В них применяют бегущие волны и колебания, их делят на подгруппы. В практике используют методы прохождения и методы отражения волн. В комбинированных методах применяют как отражение, так и прохождение. Методы прохождения предполагают наличие при контроле двух преобразователей: излучающего и приемного, расположенных по разные стороны контролируемого объекта. К методам прохождения относят следующие методы: — теневой или амплитудно-теневой — основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны из-за наличия дефекта. Применяют импульсное и непрерывное излучение (см. рис. 9.1, а); — временной теневой — основан на измерении запаздывания импульсов, вызванного огибанием дефектов (см. рис. 9.1, б). Методы отражения используют как один, так и два преобразователя, зачастую применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы: — эхометод — основан на регистрации эхо-сигналов от дефектов (рис. 7.7, а). Здесь на экране электронно-лучевой трубки обычно наблюдают зондирующий (посланный) импульс I, донный импульс III, отраженный от дна контролируемого изделия, и сигнал от дефекта П. Время прохождения импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. На рис. 9.2, а приведена совмещенная схема контроля; Рис. 9.1. Методы прохождения а — теневой, б — временной теневой. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; 6 — измеритель амплитуды; 7 — измеритель времени пробега. — эхозеркальным — анализируют сигналы, испытавшие зеркальное отражение от дна контролируемой детали и дефекта (рис. 9.2, б). Вариант этого метода, используемый для выявления вертикальных дефектов (плоскость EF), называют тандем-методом (ПЭП в точке D) и К-методы (ПЭП в точке С); — реверберационным — анализируют время объемной реверберации — процесса постепенного затухания звука в некотором объеме, т.е. в контролируемой детали (см. рис. 9.2, в). В комбинированных методах применяют как отражение, так и прохождение акустических волн. К этим методам относят: — зеркально-теневой — основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения — это метод отражения, а по своей сущности он близок к теневому, так как в процессе контроля измеряют ослабление сигнала, дважды прошедшего изделие в зоне дефекта (рис. 9.3, а); — эхотеневой — применяют и анализируют прошедшие и отраженные волны (см. рис. 9.3, б); — импедансный — существенно отличен от ранее рассмотренных методов и основан на анализе изменения механического или входного акустического импеданса участка контролируемой поверхности, с которым взаимодействует преобразователь. Чем больше импеданс, тем труднее раскачать контролируемый участок (рис. 9.4). В низкочастотном импедансном методе преобразователем является колеблющийся стержень, прижатый к поверхности детали. Рис. 9.2. Методы отражения. а — эхо; б — зеркальный эхометод; в — ревербационный. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; б — синхронизатор; 7 — генератор развертки. Рис. 9.3. Комбинированные методы. а — зеркально-теневой; б — эхотеневой. . Рис. 9.4. Импедансный метод. 1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — объект контроля; 4 — приемник; 5 — усилитель; б — индикатор. Рис. 9.5. Метод акустической эмиссии. 1 — блок обработки результатов; 2 — усилитель; 3 — объект контроля; 4 — приемник. При наличии подповерхностных дефектов в виде расслоений уменьшается механический импеданс, в участке над дефектом легко возбуждаются изгибные колебания. В результате чего изменяется режим колебаний стержня, в том числе уменьшаются механические напряжения на приемном элементе 4, что и является признаком дефекта. В высокочастотном методе преобразователь излучает продольную волну. Условия этого возбуждения зависят от акустического импеданса поверхности, а акустический импеданс, в свою очередь, зависит от наличия или отсутствия несплошности. Пассивные методы. К ним относят акустико-эмиссионный метод, вибрационнодиагностический и шумодиагностический. Явление акустической эмиссии состоит в излучении упругих волн материалом в результате внутренней динамической локальной перестройки его структуры. Движение дислокаций, зарождение и развитие микротрещин, рост макротрещин, полиморфные превращения и др. сопровождаются акустической эмиссией. Преобразователи, установленные на поверхности контролируемого изделия, принимают упругие колебания и позволяют установить вид источника эмиссии, а при наличии нескольких преобразователей и при обработке полученных от них сигналов можно определить местоположение источника (рис. 9.5). При использовании вибрационно-диагностического метода анализируют параметры вибраций контролируемой детали с помощью приемников контактного типа. В шумодиагностическом методе изучают спектр шумов работающего механизма в целом на слух или с помощью микрофонных и других приемников — анализаторов спектра. По частотам все рассмотренные акустические методы делят на низко- и высокочастотные. К первым относят методы с частотами до 100 кГц, ко вторым — использующие частотный спектр от нескольких сотен килогерц до 50 МГц. Эти методы называют ультразвуковыми. Из всех рассмотренных методов наибольшее применение в практической деятельности нашел эхометод. Около 90 % объектов, проверяемых акустическими методами, контролируют эхометодом. Его применяют при дефектоскопии сварных соединений, поковок, литья, неметаллических материалов. Этот метод используют при измерении геометрических параметров, времени прихода донного сигнала, и по известной скорости ультразвука определяют толщину металла при одностороннем доступе. Эхометод позволяет также определять физико-механические свойства материала. Другие методы используют в основном в качестве дополнительных к эхометоду, для более полного обнаружения и исследования дефектов. 10.1. Радиационные методы Методы незаменимы при контроле крупных литых деталей, толстостенных заготовок и сварных соединений. Одним из главных достоинств метода является наличие реального документа контроля — рентгеновского снимка, где четко показано наличие дефекта либо его отсутствие. Сущность радиационной дефектоскопии заключается в изменении интенсивности проникающего излучения (рентгеновского, гамма-излучений и др.)после прохождения его через изделие (рис. 10.1). Гамма-излучение испускается при самопроизвольном распаде неустойчивых ядер атомов радиоактивных изотопов. В результате ядерных превращений радиоактивные ядра становятся стабильными, их общее число в источнике убывает. Количество таких превращений в единицу времени называют активностью радиоизотопного источника. Активность источника уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Гаммаизлучение характерно для тяжелых элементов, ядра атомов которых имеют избыток нейтронов, приводящий атомы в неустойчивое состояние (U, Ra, Th и др.). Переход их в устойчивое состояние сопровождается излучением нейтронов, альфа- и бета-частиц, а также и гамма-излучением. В ядрах более легких элементов (Со, Cs, Ir и др.) неустойчивое состояние создают искусственно путем облучения их в ядерных реакторах. Рис. 10.1. Схема контроля металла методами радиационной дефектоскопии. а — просвечивание гамма-лучами, б — рентгеновскими лучами. 1 — ампула с изотопом; 2 — гамма-лучи; 3 — сварной шов; 4 — усиливающий экран; 5 — рентгеновская пленка; 6 — рентгеновская трубка; 7 — рентгеновские лучи. Рентгеновское излучение возникает при прохождении потока электронов через вещество и при торможении этого потока на вольфрамовом или молибденовом аноде. Место торможения электронов на аноде, являющееся источником излучения, называют фокусом излучения. Диаметр активной части источника при просвечивании аналогичен фокусу рентгеновской трубки. Из ее фокуса и из активной части источника рентгеновские или гамма-лучи распространяются во все стороны прямолинейно. Основные радиационные характеристики источников — спектральный состав (энергия квантов, излучаемых источником, и их процентное содержание в общем потоке излучения) и активность источника. Проникающая способность лучей с возрастанием частоты электромагнитного колебания (жесткости излучения) возрастает. В зависимости от энергии гамма-квантов выделяются источники с жестким излучением и энергией около 1 МэВ; с излучением средней жесткости с энергией 0,3-0,7 МэВ (Cs-137, Ir-192) и с мягким излучением с энергией ниже 0,3 МэВ (Тm-170). Для просвечивания с помощью проникающих веществ служат гаммадефектоскопы. Они являются автономными и не требуют электропитания от внешних источников, что обеспечивает возможность их применения как в монтажных условиях, так и при ремонтах во время контроля элементов конструкций в труднодоступных местах. Они имеют защитные радиационные головки с источником излучения, органы управления, систему сигнализации о положении источника и транспортного устройства. Органы управления осуществляют перемещение ампулы с радиоактивным изотопом в положение просвечивания и возвращение ее в положение хранения. При просвечивании с помощью дистанционного управления открывают затвор радиационной головки и либо применяют образовавшийся при этом направленный пучок излучения, либо выводят источник за пределы головки, что обеспечивает просвечивание панорамным методом. Рентгеновское излучение. Источником его служит вакуумная камера бетатрона или трубка рентгеновского аппарата. С увеличением анодного напряжения излучение становится более жестким. Увеличение или уменьшение анодного тока приводит к увеличению или уменьшению интенсивности излучения соответственно. Максимальная энергия рентгеновского излучения пропорциональна напряжению на рентгеновской трубке. Для просвечивания рентгеновскими лучами применяют аппараты, которые по режиму работы делятся на две группы: аппараты, работающие в режиме импульсного излучения, и аппараты, работающие в режиме непрерывного излучения. Источники гамма- или рентгеновского излучения выбирают в зависимости от толщины контролируемого материала с учетом условий и доступа к зоне контроля. Радиография. Способ контроля заключается в фиксации на рентгеновской пленке изображения контролируемой зоны с темными (иди светлыми) пятнами в местах расположения дефектов. В радиографии используют свойство рентгеновских пленок чернеть под воздействием излучения после соответствующей фотообработки. Участки снимков с большим потемнением характеризуют большую интенсивность излучения за объектом и свидетельствуют о нарушении сплошности контролируемой зоны, т.е. о наличии определенного дефекта. Способность пленки темнеть после облучения при проявлении характеризует ее фоточувствительность. Зернистость пленки зависит от величины и неравномерности распределения в эмульсии зерен Ag, формирующих рентгеновское изображение. Если требуется выявление очень мелких дефектов, применяют пленку менее чувствительную, но более мелкозернистую. Если решающим фактором является величина экспозиции, то используют более чувствительную пленку. Для получения плотных снимков без увеличения времени экспозиции применяют усиливающие экраны, о чем подробно изложено в соответствующей литературе. Область применения любого источника ограничена задаваемой величиной минимального выявляемого дефекта. В основном гамма-аппараты используют при контроле массивных отливок, сварных швов трубопроводов, сосудов, барабанов котлов для выявления крупных дефектов. Бетатроны применяют в основном для просвечивания толстостенных изделий; особенностью снимков является весьма четкое изображение. Радиографический метод контроля регламентирован ГОСТ-7512. Он предусматривает применение гамма- и тормозного излучения с регистрацией на рентгеновской пленке. Этим методом выявляют в сварных соединениях внутренние дефекты: трещины, поры, непровары, неметаллические включения и т.д., а также недоступные для внешнего осмотра наружные дефекты, такие как утяжины, превышения проплава и др. Радиографический контроль не обеспечивает выявление дефектов, если их протяженность в направлении излучения меньше удвоенной чувствительности контроля (в мм) или изображения дефектов совпадают на снимке с другими: непроваров и трещин с раскрытием менее 0,1 мм для сварных соединений с толщиной до 40 мм, непроваров и трещин с раскрытием менее 0,25 мм для сварных соединений с толщиной более 40 мм, непроваров и трещин, плоскость раскрытия которых не совпадает с направлением излучения и т.д. Для надежного выявления трещин шириной раскрытия до 0,1 мм необходимо, чтобы лучи совпадали с плоскостью нарушения сплошности или составляли с ней угол не более 10-12°. Характер и размер дефектов обычно определяют по эталонным снимкам, полученным экспериментальным путем при контроле деталей с аналогичными характерными дефектами. Глубину залегания дефектов находят по специальным эталонам, путем сравнения потемнения на снимке с потемнением изображения соответствующей канавки пластинчатого эталона. 10.2. Методы диагностирования по результатам анализа масла Анализ проб масла в системе смазки широко используют для оценивания изнашивания элементов редукторов, передач, двигателей внутреннего сгорания и работоспособности масло- и воздухоочистителей. Частицы продуктов изнашивания принято подразделять на две группы: размером 2,5- 10~6мм, что соответствует нормальным условиям трения, и размером, превышающим указанный, при поверхностном разрушении материала деталей. Концентрация Кпи — продуктов изнашивания в картерном масле через 2…4 ч работы двигателя стабилизируется на уровне Кпи = g/(gф + gy), где g, gф, gy — соответственно интенсивность поступления продуктов изнашивания в масло, интенсивность их задержки фильтрующими элементами и интенсивность их убывания из-за угара масла. Концентрация продуктов изнашивания в масле может быть определена также как отношение массы продуктов изнашивания Mпи, находящихся в масле, к общей массе вещества M в системе: Кпи = Mпи/(Mм + Mпи), где Mм — масса масла в системе без продуктов изнашивания в нем. При диагностировании для каждого типа двигателей целесообразно иметь зависимость (рис.10.2) изменения относительной концентрации Кпи после замены масла в двигателях от числа часов, отработанных ими после изготовления или капитального ремонта. Кривая показывает, что в период приработки при отсутствии дефектов интенсивность изнашивания со временем постепенно уменьшается и практически стабилизируется. Рис. 10.2 Изменение концентрации продуктов износа в картерном масле двигателя: 1 – новый двигатель; 2, 3, 4, 5 – после наработки 100, 300, 600 и 1000 часов Появление дефектов приводит к резкому увеличению концентрации продуктов изнашивания. Для получения наиболее достоверных результатов пробы масла следует отбирать на прогретом двигателе не ранее чем через два календарных дня работы автомобиля после смены или долива масла и не позднее чем через 20 мин после остановки двигателя. Для диагностирования могут быть использованы четыре метода анализа масла: калориметрический, спектральный, фотометрический и индукционный. Калориметрический метод основан на анализе осажденных продуктов изнашивания путем длительного выстаивания пробы. Калориметрический метод требует предварительного отстоя пробы в течение 1,5...2 ч и трудоемок. При спектральном методе пробу картерного масла сжигают в высокотемпературном пламени вольтовой дуги и регистрируют спектр при помощи спектрографов или квантометров. Пары продуктов изнашивания дают линейчатый спектр, который подвергают качественному или количественному анализу. Качественный анализ состоит в обнаружении спектральных линий при наличии в масле металлов изнашиваемых деталей, а количественный — в определении интенсивности почернения спектральных линий. Присутствие в масле железа свидетельствует об изнашивании цилиндров, алюминия — поршней, хрома — колец, свинца — подшипников коленчатого вала. Метод спектрального анализа масла обладает высокой информативностью и обеспечивает с большой достоверностью обнаружение дефектов до их внешнего проявления. Точность количественной оценки изнашивания двигателя методом спектрального анализа невелика. Чтобы повысить точность и достоверность спектрального анализа, необходимо оценивать продукты изнашивания не только в масле, но и в отложениях фильтра очистки масла. В настоящее время, этот метод является основным. Фотометрический метод используется для определения общей загрязненности масла и основан на определении оптической плотности пленки масла с помощью фотометра. Индукционный метод базируется на изменении индуктивности при наличии продуктов изнашивания в масле. Индукционный метод менее трудоемок, но имеет невысокую чувствительность к малым концентрациям и целесообразен при анализе проб отложений в маслоочистителях. Вид продуктов изнашивания и их концентрация указывают также на режимы работы двигателя и его систем. Например, если используется этилированный бензин, то наличие свинца в масле говорит о неполном сгорании топлива. Присутствие кварца и абразивных частиц свидетельствует о плохой работе системы очистки воздуха, а высокая концентрация железа в отложениях центрифуги — о повышенной нагрузке двигателя. 11.1 Виброаккустические методы диагностирования Методы основываются на измерении общего уровня вибрации (виброперемещения, виброскорости либо виброускорения) машин или механизмов и на спектральном анализе вибросигналов. В первом случае осуществляются контроль и прогнозирование состояния (исходя из принятого предельного уровня вибрации); во втором случае, позволяющем определить изменение амплитуды вибрации в широком диапазоне частот, решается задача поиска дефекта. На основании спектрального анализа виброграмм достаточно четко определяются дефекты вида: динамическая разбалансировка, нарушение соосности, изнашивание подшипников, перекос линии вала, изнашивание редукторов и т.п. Для неподвижных конструкций – ослабление крепления или затяжки болтов, трещины несущих конструкций и т.п. Качественная конструкция машин и оборудования характеризуется, как правило, относительно низкими уровнями механических колебаний. Однако в процессе эксплуатации происходит естественный износ машин и оборудования, что сопровождается оседанием фундамента, деформацией и износом деталей, нарушением центровки валов, увеличением зазоров и, в конечном итоге, повышением вибрации. Элементы машины взаимодействуют друг другом, и через конструкцию происходит рассеивание энергии в виде механических колебаний. 11.2 Общие понятия об акустическом шуме и вибрации Акустический шум и вибрация представляют собой разновидность колебаний в упругих средах и структурах. Виброакустический сигнал (рис.11.1) представляет собой последовательность импульсов, каждый из которых порождается соударением деталей в одной из кинематических пар механизма. Высокочастотное заполнение импульсов соответствует, колебаниям механизма на его собственной резонансной частоте. Амплитуда акустического импульса пропорциональна скорости соударения деталей, которая зависит от размеров зазора в кинематической паре. Рис.11.1 Виброаккустический сигнал и его элементарная составляющая Акустический сигнал, возникающий в механизме в связи с соударением деталей в кинематической паре, представляется в виде где at — амплитуды составляющих, определяющие интенсивность удара; δ i — коэффициенты затухания, характеризующие скорость рассеяния энергии колебаний; ω i — частоты собственных колебаний механизма. Параметры ω i и δ i являются постоянными для механизма вне зависимости от его состояния. Амплитуды ai зависят от состояния кинематической пары, возбудившей колебание. Элементарной составляющей сигнала является затухающее колебание вида x(t ) = e −δt sin ωt . Колебание sin ωt характеризует заполнение импульса, а ω — частоту заполнения. Функция e −δt описывает огибающую импульса (линия, проведенная по гребням колебаний). Параметры, характеризующие виброакустический сигнал Для количественного определения величин акустического шума или механических колебаний во временной области можно использовать различные значения: Рис 11.2. Простейшее гармоническое колебание Xпик - пиковое значение, которое характеризует максимальное значение колебаний, но не отображает его развитие во времени; Xскз = 1 Т Х Т∫ 2 (t )dt - среднеквадратическое (эффективное) значение, представляющее собой квадратный корень из усредненных во времени возведенных в квадрат мгновенных значений. Это значение имеет особую важность, так как связано с энергией, а следовательно, с разрушающей способностью колебаний (Т - период колебания). Для гармонических колебаний Xскз = Хпик / 2 ; Хсред = 1 T Т ∫0 / Х / dt - среднее абсолютное значение, связанное с развитием механических колебаний во времени; X разм − размах колебаний (двойная амплитуда); К = Хпик / Хскз - пик-фактор (амплитудный коэффициент), числовое значение которого тем больше, чем больше выражен импульсный или случайный характер колебаний. Для синусоидальных колебаний К = 2 . Для простейшего гармонического колебания можно записать X (t ) = X0 cos(ω0 t + ϕ 0 ) = X0 e − j (ωot +ϕ0 ) где X0 - амплитуда; ω 0 - частота; ϕ 0 - начальная фаза; t - время. Амплитуда, частота и начальная фаза сигнала - три независимых параметра, каждый из которых может содержать диагностическую информацию. Составляющие виброакустического сигнала Составляющие виброаккустического сигнала имеющие постоянную частоту, называются гармоническими или гармониками. Во вращающихся механизмах в вибросигнале всегда присутствует гармоника частоты вращения, так как вибрация оборудования очень часто связана с этой частотой. Эту гармонику также называют оборотной гармонкой. Кроме оборотной гармоники и других составляющих в вибросигнале присутствуют как правило гармоники кратные этим составляющим, т.е. частота кратных гармоник в 2, 3,…,n раз больше чем частота первой гармоники какойлибо составляющей вибросигнала. Кроме гармонических составляющих в реальном сигнале акустического шума или вибрации машины либо оборудования присутствуют, как правило, и случайные составляющие. Случайный виброакустический сигнал может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его нельзя характеризовать амплитудой, частотой и фазой. Он характеризуется пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением и значением пик-пик (значением от пика до пика). Реальный сигнал акустического шума или вибрации машины представляет собой совокупность гармонических и случайных составляющих. В реальных условиях всегда присутствует помеха, которая искажает сигнал и нарушает соответствие между его параметрами и состоянием кинематической пары. Акустический сигнал можно представить в виде x(f) — k(t)x(t) + u(f), где х±(£) — полезная часть сигнала; k(t) и u(f) — мультипликативная и аддитивная помехи соответственно. Основными источниками помех являются: нестабильность внешних условий, в которых работает механизм (вызывает как мультипликативную, так и аддитивную помехи); сигналы от других кинематических пар (аддитивная помеха); неполнота описания состояния кинематической пары (аддитивная помеха); аппаратурные помехи. Для выделения полезного сигнала используют фильтрацию. Виброаккустический сигнал удобнее всего для анализа представлять в виде спектра, хотя иногда для диагностики оказывается полезной и временная развертка вибросигнала. Спектр представляет собой зависимость мощности (или амплитуды) составляющих в сигнале от их частоты. По спектру определяются основные гармонические составляющие вибросигнала и их связь с характерными частотами механизма. Такое преобразование сигнала (разложение на простые составляющие) используют для обнаружения дефектов, чье проявления связано с ростом определенных составляющих. Механические колебания (полезная часть) могут быть простыми и содержать только одну составляющую на определенной частоте, например, колебание камертона. Одновременно колебания могут взвиваться на двух разных частотах, например, колебания поршневого насоса или двигателя. Но, как правило, вибрация реальных машин и оборудования представляет собой сложные механические колебания со многими составляющими на разных частотах, например, колебания редуктора. Если сигнал - комбинация двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами (см. рис.11.3 а,б), то его спектр имеет вид, представленный на рис.11.3 в, где явно видно наличие именно двух гармонических составляющих, у которых легко определяются их частоты и амплитуды. Рис 11.3 Временные сигналы и их спектры Виброакустический сигнал представляет собой совокупность многих составляющих акустического шума или вибрации, связанных с техническим состоянием машины или оборудования. Как уже было сказано, реальный сигнал шума или вибрации содержит, как правило, сумму гармонических составляющих и случайных составляющих . Рис 11.4. Временной сигнал вибрации и его спектр 12.1. Вибрация Вибрацией называются механические колебания тела относительно опорного положения равновесия. Тип вибрации называется общей вибрацией, когда тело перемещается как единое целое и все его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Положением равновесия называют такое положение, в котором тело находится в состоянии покоя или положение которое оно займет, если сумма действующих на него сил равна нулю. Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декартовых координатах) и вращательного относительно трех взаимно перпендикулярных осей (Ох, Оу, Оz). (6 степеней свободы). Вибрацию любого объекта можно характеризовать виброперемещением x , ⋅ ⋅⋅ виброскоростью x = dx / dt или виброускорением x = d 2 t / dt 2 Обозначим d = x0 , v = x0ω , a = x0ω 2 , это соответственно, амплитуды виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Относительно вибросмещения виброскорость имеет опережение фазы на 90 , виброускорение - на 180°. Виброскорость гармонических колебаний может быть определена путем деления их виброускорения на 2πf , а вибросмещение делением виброускорения на 4π 2 f 2 : Современные виброизмерительные приборы автоматически осуществляют эти операции электронными или цифровыми интеграторами. Виброперемещение представляет собой линейное перемещение контрольной точки элемента конструкции. Виброскорость характеризует затраченную на вибрацию механическую энергию, и ее максимальное значение равно произведению амплитуды виброперемещения на частоту колебаний. Виброускорение характеризует силу, развиваемую вибрацией, и максимальное ускорение равно произведению амплитуды виброперемещения на квадрат частоты колебаний. Спектры виброперемещения, виброскорости и виброускорения идентичны по пикам колебаний, но имеют различный наклон и кривизну. Между этими кривыми существует простые математические соотношения, и значения могут быть преобразованы из одной величины в другую с помощью преобразователей. Очевидно, что виброускорение целесообразно измерять на высоких частотах, так как его амплитуда пропорциональна квадрату круговой частоты ω 2 , как следует из выражения. Параметром виброускорения зачастую удобнее пользоваться в тех случаях, когда основной интерес представляют высокочастотные составляющие вибрации (например, при диагностике подшипников качения). Используется на высоких частотах 1000 Гц и более. Аналогично, амплитуда скорости механических колебаний пропорциональна круговой частоте ω в первой степени, что свидетельствует о целесообразности измерять виброскорость, если измерительный прибор имеет ограниченный динамический диапазон или если спектр виброскорости машины либо оборудования относительно равномерный по частоте. Спектр виброскорости несет больше полезных данных, его часто используют для анализа колебаний в широком спектре. Как правило, на средних частотах 50-1000 Гц. Виброперемещение наиболее часто используется для измерения низкочастотных механических колебаний. Виброперемещением наиболее удобно пользоваться при анализе колебаний на низких частотах (до 50 Гц). В основном в качестве датчиков вибрации используются акселерометры, которые регистрируют виброускорение, преобразование их в виброперемещение и виброскорость осуществляется автоматически с помощью интеграторов. При диагностировании машин и оборудования следует разделять вибрацию на низкочастотную, среднечастотную, высокочастотную и ультразвуковую. Это обусловлено тем, что в каждой области частот вибрация имеет свои физические особенности, оказывающие значительное влияние на выбор вибродиагностических параметров и методов диагностирования. Единицы измерения шума и вибрации Для шума линейными единицами измерения являются: паскаль (Па) - при измерении звукового давления; ватт на метр квадратный (Вт/м2) - при измерении интенсивности звука. Однако, как правило, шум измеряется в относительных логарифмических единицах - децибелах (дБ), что обусловлено удобством использования этих единиц измерения при изменении значений шума в большом диапазоне. Уровень звукового давления, выраженный в децибелах, определяется формулой: Lp = 20 lg( P / Pпор ) где P − давление, Па; Pпор = 2 ⋅10 −5 Па - порог слышимости человека на частоте 1 кГц. Интенсивность звука J (Вт/м2) связана со звуковым давлением Р выражением: J = P 2 / ρ ⋅ c0 Где ρ ⋅ c0 - волновое сопротивление; ρ − - плотность среды, равная для воздуха приблизительно 1,29 кг/м ; c0 − 330 м/с - скорость звука в воздухе. Пороговые значения давления и интенсивности выбраны такими, чтобы для воздуха в нормальных условиях они удовлетвори соотношению J = P 2 / ρ ⋅ c0 , поэтому интенсивность звука и звуковое давление в воздухе, выраженные в децибелах, совпадают. Для вибрации линейными единицами измерения, согласно ГОСТам ИСО, являются: микрометры (мкм) - для измерения виброперемещения, миллиметры в секунду (мм/с) - для измерения виброскорости, метры в секунду за секунду (м/с2 ), или в единицах ускорения свободного падения g = 9,8 м/с2 (M/c2(g)) - для измерения виброускорения. Так же, как и для шума, вибрация может выражаться в относительных единицах децибелах. Тогда уровни колебаний соответственно виброперемещения, виброскорости и виброускорения (дБ) определяются следующим образом: L X = 20 lg X / X пор ; • • LV = 20 lg X / X пор ; •• •• L A = 20 lg X / X пор • •• где Xпор , Xпор , X пор − пороговые значения, равные до недавнего • •• времени: Xпор ≈ 8 ⋅10 −12 , м; X пор ≈ 5 ⋅10 −8 м/с; X пор ≈ 3 ⋅10 −4 м/с2 В некоторых отраслях промышленности и до сих пор действительны эти пороговые значения. Пороговое значение для виброскорости • X пор определяется из выражения, • связывающего давление в упругой волне P со скоростью колебания частиц X при замене P на пороговое значение давления Pпор ; • Pпор = ρс0 X пор Тогда для воздуха пороговое значение виброскорости равно • X пор = Pпор / ρс0 ≈ 2 ⋅10 −5 / 1,29 ⋅ 330 ≈ 5 ⋅10 −8 м/с • Следует отметить, что это пороговое значение X пор не зависит от частоты. Пороговые значения виброперемещения, виброскорости и виброускорения • •• X пор , X пор , X пор выбраны таким образом, чтобы L X , LV , L A − измеренные в одной точке и выраженные в децибелах, совпадали на частоте f0 = 1000 Гц. С учетом того, что для гармонического колебания амплитуда виброскорости по абсолютной величине равна произведению круговой частоты на амплитуду виброперемещения получим величину порогового значения для виброперемещения. (для частоты f0 = 1000 Гц ω0 = 6,28 ⋅ 10 3 ). Соответственно, величину порогового значения для виброускорения можно получить из выражения, связывающего амплитуду виброускорения с амплитудой виброперемещения. Подставляя в это выражение вместо амплитуды виброперемещения его пороговое значение получим пороговое значение для виброускорения. В настоящее время в соответствии со Стандартом ИСО - 1683 широко используются следующие пороговые значения механических колебаний: • •• Xпор ≈ 10 −12 м, X пор ≈ 10 −9 м/с, X пор ≈ 10 −6 м/с2 приведенные не к частоте f0 =1 кГц, а, для получения более простых значений к круговой частоте ω = 1000 рад/с ( f0 =159 Гц). Это означает, что числовые значения уровней виброускорения, виброскорости и виброперемещения механических колебаний с синусоидальной формой волны и с угловой частотой ω - 1000 рад/с равны друг другу. Таким образом, выражая амплитуды виброперемещения, виброскорости или виброускорения в децибелах, необходимо указывать уровень относительно определенного опорного значения, например, уровень ускорения 78 дБ относительно 10-6 м/с2. При сравнении амплитуд механических колебаний достаточно указать лишь разность соответствующих уровней в децибелах, отнесенных к одному и тому же опорному значению. Например, один уровень выше другого на столько-то децибел, при этом опорное значение не указывается. Для того чтобы в первом приближении оценить в разах уровень колебаний, приведенный в децибелах, достаточно запомнить только несколько значений: 3дБ соответствует увеличению в 1,41 раза, 6 дБ – в 2 раза, 10 дБ – в 3,16 раза, 20 дБ – в 10 раз. Лекция 13 Анализ виброаккустических сигналов 13.1 Анализ общих уровней вибрации Простейший из виброакустических методов - метод измерения общего уровня шума или вибрации. В этом случае в широких частотных диапазонах измеряются или среднеквадратичные значения, или пиковые значения виброускорения, виброскорости или виброперемещения. При измерении общего уровня колебаний максимальный вклад могут давать несколько основных составляющих или даже одна составляющая, например, на частоте вращения (Рис 13.1). Рис.13.1. Общее значение амплитуды или общий уровень колебаний в широкой частотной полосе Эта составляющая имеет, безусловно, большое значение, однако развивающиеся дефекты могут привести к росту других составляющих, уровень которых может быть значительно ниже уровня доминирующей составляющей. Таким образом, измерение общего уровня является слишком грубой оценкой с точки зрения определения технического состояния машины или оборудования и может быть использовано для его контроля, чем для диагностики. Однако следует отметить, что практически все системы мониторинга и диагностики дают информацию об общем уровне шума и/или вибрации. Она используется, в частности, для сравнения с установленными стандартами пороговыми значениями и для построения трендов, т.е. зависимостей общего уровня от времени, что дает возможность оценить в первом приближении скорость изменения состояния машины или оборудования. Многие специалисты в качестве руководства для оценки состояния машинного оборудования используют один из опубликованных стандартов по жесткости механических колебаний (ISO 2372, VDI 2056, BS 4675). В нем указаны предельные значения, которые зависят только от мощности машины и типа фундамента. Большинство общих критериев базируется на СКЗ скорости механических колебаний в частотном диапазоне от 10 до 1000 Гц, хотя многие важные частотные составляющие часто находятся в области более высоких частот. Хотя абсолютные значения, предлагаемые этими критериями, не всегда могут быть использованы, они, тем не менее, являются полезными в смысле индикации различных степеней увеличения уровней механических колебаний. Например, в упомянутом выше стандарте ИСО 2372 указывается, что увеличение амплитуд в 2,5 раза (8 дБ) является значительным, так как такова протяженность одного класса качества. Аналогично, увеличение в 10 раз (20 дБ) является серьезным, так как оно может привести к ухудшению оценки состояния машины с «хорошей» до «недопустимой». 13.2 Спектральный (частотный) анализ Многие виды дефектов приводят к росту составляющих вибрации на самых разных частотах. Поэтому в большинстве практических случаев для разделения на отдельные составляющие широкополосных сигналов используется частотный анализ, позволяющий оценивать уровни вибрации или шума в более узких частотных полосах (рис.13.2) Рис. 13.2. Спектры вибрации, измеренные с различной разрешающей способностью Прибор, позволяющий измерять и анализировать амплитуды или среднеквадратические значения вибрации или шума в отдельных относительно узких полосах частот, называется анализатором спектра. Современные анализаторы спектра (рис. 13.3) осуществляют параллельный анализ, т.е. анализ, происходящий одновременно во всех полосах в пределах рабочего частотного диапазона. Таким образом, обеспечивается мгновенный частотный анализ шума или вибрации, т.е. частотный анализ в реальном времени. Рис 13.3 Структурная схема анализатора, работающего в реальном времени и осуществляющего параллельный спектральный анализ Современные анализаторы спектра, кроме измерения уровней вибрации или шума в относительно узких полосах частот, позволяют выполнять еще ряд функций, в том числе, как правило, измерять общий уровень в широкой полосе частот (используя так называемый "линейный фильтр"), уровни колебаний на низких и/или высоких частотах, а при измерении шума дополнительно его уровень в полосе частот, определяемой кривой А (используя "взвешивающий" фильтр), и т.д. 13.3. Анализ ударных импульсов Во многих случаях изменение технического состояния элементов машин и оборудования, особенно на начальной стадии развития дефектов, не влияет на общий уровень вибрации и шума. Так, в частности для подшипников, появление небольших дефектов на телах качения, а также на наружной или внутренней обоймах практически не изменяет общего уровня вибрации и шума. Однако наличие даже зарождающихся дефектов в подшипнике приводит к появлению высокочастотных ударных импульсов и, следовательно, к увеличению пиковых уровней в высокочастотном сигнале вибрации, при этом его среднеквадратические уровни в общем случае могут даже оставаться неизменными. Поэтому, отношение пикового и среднеквадратического значений, которое называется пикфактором - диагностический признак, а метод, основанный на измерении пикфактора, называется методом ударных импульсов. В случае отсутствия ударных импульсов пикфактор имеет значение меньше пяти, а при их наличии этот показатель может быть выше десяти. Принцип действия метода ударных импульсов можно пояснить рис.20, где представлены временные высокочастотные сигналы вибрации исправного подшипника качения и подшипника с раковиной на поверхности качения. Однако, поскольку ударные импульсы появляются при различных видах дефектов, этот метод не позволяет идентифицировать вид дефекта, а, следовательно, может быть использован только для контроля состояния узла, но не для его диагностирования. Кроме того, дефекты сборки, которые не приводят к продавливанию слоя смазки, не вызывают появление микроударов, а следовательно не могут быть обнаружены. Еще одно обстоятельство ограничивает применение метода ударных импульсов: рост пикфактора прекращается при развитых дефектах и даже происходит его уменьшение по мере увеличения степени развития дефекта. Это определяется тем, что среднеквадратическое значение высокочастотной вибрации в этом случае начинает расти быстрее, чем его пиковое значение. Рис 13.2 Высокочастотная вибрация исправного (а) и дефектного (б) подшипников качения На практике стандартный виброметр может совмещать функции прибора, измеряющего общий уровень, и прибора для измерения пик-фактора. 13.4 Диагностика подшипников качения с помощью детектора огибающей В работоспособном подшипнике сигнал вибрации не имеет ярко выраженных дискретных составляющих. В результате возникновения дефектов в подшипниках качения создаются серии ударов, которые периодически повторяются с частотой, зависящей от геометрических параметров подшипников. В колебаниях появляется модуляция по амплитуде с различными частотами, которые непосредственно связаны с дефектом, вызвавшим эту модуляцию. Различные частоты повторения характеризуют дефекты различных частей подшипников: внешней обоймы, внутренней обоймы, шарика или ролика и сепаратора. Частоты повторения или частоты подшипника определяются по строгим математическим формулам. При модулированном временном сигнале вибрации значительную информацию о дефектах несет огибающая временного сигнала Первым различимым признаком износа подшипника, проявляющимся в спектре механических колебаний, является общее увеличение уровней в районе от 2 до 20 кГц. Это происходит вследствие того, что каждый раз, когда шарик проходит дефект, результирующий удар приводит к возбуждению резонанса, который проявляется в данной части спектра. Для выделения огибающей должна быть определена зона общего увеличения уровня механических колебаний. После этого на среднюю частоту соответствующей полосы настраивается полосовой фильтр детектора огибающей. Детектор сглаживает и выпрямляет временной сигнал и отдает результирующий сигнал на анализатор. Сигнал, обрабатываемый анализатором, содержит составляющую с основной частотой и гармоники всех составляющих, связанных с дефектом подшипника. После анализа может быть осуществлена проверка частотных составляющих с вычислением характеристических частот для определения типа дефекта подшипника. Рис. 13.4 Последовательность действий по диагностированию подшипников качения с помощью детектора огибающей По результатам анализа спектра огибающей случайной вибрации подшипникового узла обнаруживаются и определяются виды одиннадцати из двенадцати возможных дефектов, которые отражают состояние поверхностей трения подшипников качения или качество установки подшипников в посадочные места. Вид дефектов идентифицируется по пяти основным и нескольким дополнительным группам гармоник в спектре огибающей. К основным группам в порядке снижения вероятности их появления в спектре огибающей относятся следующие гармоники с учетом того, что ω = 2πf , где f − линейная частота: • гармоники с частотами, кратными частоте вращения кольца подшипника kf BP ; • гармоники с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по наружному кольцу kf H ; • гармоники с частотами, кратными частоте перекатывания тел качения по внутреннему кольцу kf B , • гармоники с частотами, кратными частоте вращения сепаратора kfC ; • гармоники с частотами, кратными частоте вращения тел качения kfTK . Здесь k - кратность гармоники.