CC BY
225
УДК 681.518.54
О. С. Вахромеев, Р. Т. Каримов*, А. И. Надеев*
Казахская академия транспорта и коммуникаций Актау
Астраханский государственный технический университет
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Эффективность решения задач диагностирования зависит от правильности выбора методов и средств диагностирования.
В широком спектре методов диагностики электромеханических систем можно выделить следующие: анализ электрических токов и напряжений; измерение тепловых полей и магнитных полей рассеяния объекта; капиллярная, оптическая, радиационная, электромагнитная дефектоскопия; вибродиагностика; химический анализ технологических жидкостей (трансформаторного масла и смазки) и отработанных газов и т. д. По информативности и достоверности эти методы неравнозначны между собой, и статистическая применяемость их различна [1].
Для выявления дефектов механических частей электромеханических систем наиболее широко применяется вибродиагностика. Выбор конкретной методики вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояния объекта. Например, при диагностике элементов конструкции объекта в основном используют возбуждение в них затухающих колебаний и анализ изменений собственных частот, декремента затухания или добротности колебаний испытуемого элемента. Если диагностируются корпуса электрических машин, двигателей внутреннего сгорания и т. п., то анализ базируется на сравнении измеренных спектров вибраций с эталонными. Часто используется спектральный анализ акустического шума и превышение им некоторого порогового значения, а также анализ его корреляционных функций. Заслуживает внимания метод, позволяющий определять уровень вибраций с учетом изменения нагрузки машины. Амплитуды вынужденных колебаний сердечника (е, %) под действием нагрузки могут быть найдены из выражения для радиального прогиба [2]:
амплитуда основной гармоники электромагнитного поля; ю1 — частота
(1)
частота собственных колебаний порядка V; Вр
питания; е - относительный эксцентриситет; % - коэффициент несиммет-рии фаз; п - тангенс угла фазового сдвига; 0 - угловая координата точки в момент времени V; Я - радиус ярма; р, V - число пар полюсов основного поля и гармоник МДС обмотки статора; Е - модуль упругости; J - момент инерции поперечного сечения статора; к - порядок гармоники; т - масса, приходящаяся на 1 см2 средней цилиндрической поверхности ярма.
Более эффективной является конверсионная технология диагностики вращающегося оборудования, в частности подшипников и зубчатых передач, по высокочастотной вибрации [3]. Её разработка началась в 80-е гг. XX в. для Военно-Морского флота, и сравнительно недавно она стала применяться на промышленных предприятиях.
Наибольшее распространение среди методов анализа спектра высокочастотной вибрации получил «метод ударных импульсов».
Для иллюстрации этого метода на рисунке приведены сигналы высокочастотной вибрации подшипников качения без дефектов и с раковиной на поверхности трения. Ударные импульсы возникают при вращении подшипника с раковиной на любой из поверхностей трения качения.
Они обнаруживаются по величине отношения максимального значения сигнала к его среднеквадратичному значению. Это отношение называется пикфактором и при появлении редких ударных импульсов может превышать величину порядка десяти. При отсутствии ударных импульсов оно, как правило, оказывается ниже пяти.
Высокочастотная вибрация подшипников качения: а - без дефектов; б - с раковиной на поверхности трения
Метод ударных импульсов и приборы, в которых он используется, применяются для обнаружения многих видов зарождающихся дефектов, и прежде всего в подшипниках качения. Но из-за недостаточной эффективности прогноза развития дефектов и резкого снижения достоверности диаг-
ностики в тех случаях, когда частота вращения подшипника оказывается ниже значений порядка 50-100 об/мин, для более широкого применения в промышленности необходимо искать более эффективные методы обнаружения зарождающихся дефектов и прогноза их развития [3].
Среди многочисленных методов технической диагностики наиболее эффективными являются те из них, которые основаны на использовании информации о параметрах процессов, сопровождающих работу машин и механизмов.
Практическая реализация данных методов требует обработки чрезвычайно больших объемов входных данных. Успешное решение этой задачи не может быть осуществлено без применения алгоритмов цифровой обработки выходных сигналов датчиков физических величин и процессов и современных средств вычислительной и электронной техники. Например, применение для этой цели портативных компьютеров типа «Notebook» и цифровых сигнальных процессоров позволяет создавать многоканальные диагностические приборы и системы с развитым программным обеспечением, универсальные по назначению, с малыми габаритами и массой.
В [4] описана компьютерная система для акустических измерений и диагностики машин, предназначенная для регистрации и экспресс-анализа параметров вибрации и рабочего процесса машинного оборудования различного назначения и проведения акустических измерений.
Получаемые параметры и характеристики позволяют обнаруживать и отслеживать развитие таких неисправностей, как:
- дефекты подшипников качения и скольжения;
- дефекты зубчатых передач и редукторов;
- динамические дефекты роторов (дисбаланс, несоосность, эксцентриситет, трещины и т. д.);
- дефекты ременных передач;
- дефекты энергетического оборудования;
- дефекты насосов и компрессоров.
При использовании специальной программы система позволяет осуществлять динамическую балансировку роторов и проводить прочностные испытания элементов конструкций машин.
В [5, 6] рассмотрен электрический метод выявления развивающихся дефектов в механической части асинхронного двигателя по токам статора и ротора и обоснована возможность создания устройства для реализации метода. Метод основывается на том, что при нарушении центровки валов электромеханического преобразователя момент сопротивления, воздействующий на вал электродвигателя, периодически изменяется пропорционально частоте вращения вала, что вызывает появление в токе статора гармоник с той же частотой. Отделение гармоник тока от составляющих основной частоты и контроль их уровня позволяют обнаружить и оценить данный дефект. При моделировании метода ток статора можно представить следующим выражением:
■ / ч илт80 . . .
Ч = 1 От - у) + 1 0 81П(0.у - ф) +
Я2
г .
+--1—— [С08(ш2^ -ф) - С08(ш3^ -ф)], (2)
2 Я2
где 10т, у - амплитуда и фаза тока намагничивания; и1, о1 - амплитуда и частота напряжения питания; Я2 - активное сопротивление обмотки ротора; % sa - постоянная составляющая скольжения и амплитуда периодически изменяющейся составляющей скольжения соответственно. Величина ф определяется соотношением индуктивных и активных сопротивлений ротора и статора, а величины ю1 и Юз равны соответственно разности и сумме частот питающего напряжения Ю1 и вращения ротора Ю, т. е. Юг = Ю - Ю; Юз = Ю1 + Ю [6].
В [7] излагаются принципы построения тестовой диагностической системы на основе активной идентификации коэффициентов передаточных функций динамического объекта путем воздействия на него определенной последовательности пробных сигналов специальной формы, имеющих строго нормированные характеристики - амплитуду и длительность. Особенностью выбранных пробных сигналов является то, что в конце интервала времени действия каждого пробного сигнала, начиная со второго, ненулевое значение имеет лишь высшая производная каждого сигнала, а сам сигнал и все его производные равны нулю.
По зарегистрированным откликам и соответствующим вычислительным алгоритмам осуществляется идентификация, контроль и диагностика отказов системы управления.
Идентификация представляет собой первый этап процедуры контроля. На этом этапе происходит определение вида передаточной функции, устанавливается перечень контролируемых и диагностируемых величин, а также их текущие значения.
Второй этап - контроль, заключается в сравнении текущих значений контролируемых параметров передаточной функции замкнутой системы с их номинальными значениями и выявлении признаков появления отказов по предельно допустимым значениям их относительных отклонений.
Третий этап - диагностика. Она вступает в действие лишь при наличии признака появления отказа. При этом осуществляются переход от передаточной функции замкнутой системы управления к передаточной функции разомкнутой системы и установление связей между контролируемыми параметрами передаточной функции и диагностируемыми параметрами регулятора и объекта регулирования.
В общем случае контролируемые коэффициенты передаточной функции замкнутой системы управления выражаются через диагностируемые параметры с помощью нелинейных уравнений, что затрудняет их вычисление.
Настоящий подъём переживают сейчас методы тепловизионной диагностики. Широкий спектр их применения и бесконечный перечень объектов и единиц оборудования, подлежащего обследованию, позволяют эффективно использовать тепловизионную систему как в целях энерго-
и ресурсосбережения, так и для повышения надежности и эффективности работы инженерных систем, снижения аварийности, повышения уровня безопасности оборудования, снижения затрат на его эксплуатацию. Наиболее полное развитие методы тепловизионной диагностики получили для прогнозирования состояния высоковольтного оборудования и электрических машин большой мощности. Для основной номенклатуры промышленного оборудования эти методы изучены недостаточно.
Значительное сокращение затрат на эксплуатацию промышленного оборудования дает его перевод на обслуживание и ремонт по фактическому состоянию. Для этого необходимо точно знать состояние оборудования и прогнозировать его на время, необходимое для подготовки к ремонту [8].
Задача диагностики и прогноза состояния для каждого вида оборудования решается по-своему и с разной глубиной. Для вращающегося оборудования (машин) в последние годы наиболее успешно она решается с использованием сигналов вибрации в типовых режимах работы машины. Но из множества предлагаемых на мировом рынке методов и средств вибрационного мониторинга и диагностики только малая часть дает желаемые результаты.
Выводы
1. Известен ряд достаточно разработанных и апробированных методов диагностирования электромеханических, а также методики выбора диагностических элементов и параметров. К наиболее эффективным из них для выявления механических дефектов можно отнести анализ измеренных спектров вибраций и измерение тепловых и акустических полей.
2. Использование тепловых полей в качестве основного или дополнительного диагностического параметра в ряде случаев является не только предпочтительным, но и единственно возможным. Несмотря на очевидные достоинства метода, его практическое применение ограничено из-за недостаточной теоретической базы для диагностирования механических частей электромеханических систем.
3. Для перехода на обслуживание и ремонт промышленного оборудования по фактическому состоянию необходима разработка интеллектуальных систем диагностики по комплексным диагностическим параметрам.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю. Анализ современных методов диагностики электромеханических преобразователей // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: Сб. науч. тр. - Уфа: УГАТУ, 2002. - С. 22-25.
2. Геча В. Я., Позняк Э. Л. Влияние эксцентричного положения ротора и несим-метрии токов фаз на магнитные вибрации статора // Электротехника. - 1981. -№ 4. - С. 24-26.
3. Барков А. В., Тулугуров В. В. Вибрационная диагностика в бумажной промышленности России // http://vibrotek.com/russian/articles/bumprom1-rus/index.htm.
4. Портативная компьютерная система для акустических измерений и диагностики машин / А. Ю. Варфоломеев, А. В. Микулович, В. И. Микулович, В. Т. Шнитко // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Сб. материалов XVI науч.-техн. конф. - М.: МГИЭМ, 2004. - С. 240-242.
5. Гашимов М. А., Гаджиев Г. А., Мирзоева С. М. Диагностирование неисправностей обмотки статора электрических машин // Электрические станции. -1998. - № 11. - С. 30-35.
6. Булычев А. В., Ванин В. К. Метод контроля состояния механической части асинхронного двигателя // Электротехника. - 1997. - № 10. - С. 7-9.
7. Андрианова Л. П., Малько С. Л. Тестовая диагностическая система на основе активной идентификации // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления: Сб. материалов XV науч.-техн. конф. -М.: МГИЭМ, 2003. - С. 250-251.
8. Барков А. В., Баркова Н. А., Азовцев А. Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. - С.-Пб.: Изд-во ВАСТ, 1997.
Получено 29.12.05
MODERN METHODS OF ELECTROMECHANICAL MACHINE DIAGNOSTICS
O. S. Vakhromeyev, R. T. Karimov, A. I. Nadeyev
Modem methods of electromechanical system diagnosis have been reported. There have been given conclusions on advanced investigation lines in this field; they will help to increase selfdescriptiveness and reliability of diagnosing conditions of industrial equipment. The investigation lines of further research have been determined - these are computer intelligent diagnostic systems combining complex diagnostic methods according to vibration principle, acoustic and thermal fields.
