CC BY
36
3. Руководящий документ "Центробежные электроприводные насосные и компрессорные агрегаты, оснащенные системами компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и контроля технического состояния КОМПАКС. Эксплуатационные нормы вибрации". Разработан НПЦ "Динамика". М., Госгортехнадзор РФ, Минтопэнерго РФ, 1994, 7 с.
КОСТЮКОВ Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, генеральный директор НПЦ "Динамика". КОСТЮКОВ Алексей Владимирович, начальник сектора ОДС НПЦ "Динамика".
КОСТЮКОВ Андрей Владимирович, начальник отдела ФЭУ НПЦ "Динамика".
В. Н. КОСТЮКОВ АЛ. В. КОСТЮКОВ
НПЦ «Динамика» УДК 681.518.54
ДИАГНОСТИКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ АГРЕГАТОВ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО ТРЕНДАМ ВИБРОПАРАМЕТРОВ
Насосно-компрессорные и вентиляторные агрегаты различных конструкций составляют более 95 % агрегатов нефтехимических комплексов (НХК). Обобщенную модель состояния агрегата можно представить в векторной форме как функцию времени:
(1)
ау,
(3)
Дифференцируя (2) получим:
у('1 Ш = [с]
ау.
•М.
(5)
Приращение вектора вибропараметров {АУ^ прямо-пропорционально приращению вектора старения объекта (обобщенных погрешностей - структурных параметров) {Ав^ и приращению исходных диагностируемых погрешностей механизмов агрегата (ДХд/.
Таким образом, обобщенная динамическая модель технического состояния агрегата имеет общий вид:
<2> {^(0„,} =
где {З^^м) - вектор технического состояния агрегата размерности т, соответствующей т обобщенным погрешностям {X^ агрегата; ^(Лд.Рд^ - вектор технического состояния эталонного агрегата с параметрами режима работы лд, Рд, в данной модели считается константой;
' вект0Р технического состояния реального агрегата, показывает отклонение от эталона; {Ац^)} = -вектор )-х погрешностей механизмов афегата; /УЭ/с/ду -матрица преобразования размерности [тхк] конкретных погрешностей механизмов Аду=Ху, 1 <у <к, в обобщенные погрешности узлов и афегата в целом Б,-, 1 </ <т:
•{/ЩгЦ |5(/Ц
тЛ <6)
Обобщенная динамическая модель технического состояния в практически важном случае квадратной матрицы преобразования погрешностей диагонального вида определяется уравнением:
од, од,
(7)
Обобщенная динамическая модель виброситала агрегата в общем случае имеет вид:
{ДУ(0.} = [С«.]-МО.}, {¿40.} = Ю^М.}.
(8)
Выражения (2) и (3) показывают, что каждая /-я обобщенная погрешность выражает парциальную функцию старения афегата. Ее изменения во времени (тренд) представляют собой сумму трендов входящих структурных параметров Ху(Х) и, в общем, носят многомодальный характер [1].
В практически важных случаях ортогональных диагностических признаков обобщенная динамическая модель вибросигнала имеет вид:
ДУ(=С„-Д5,(0, 0, (9)
а при квадратной диагональной матрицы преобразования погрешностей:
ДК =Си •— ДА", дд,
■ С, - —А'...
а?,
(10)
.»I ¡»I у=1 <*?>
Скорость изменения диагностических признаков - вибропараметров - однозначно определяется взвешенной суммой скоростей изменения соответствующих пофешностей афегата.
Для приращения вектора вибропараметров справедливо соотношение;
Таким образом, скорости изменений трендов вибропараметров дополняют пространство ортогональных диагностических признаков, что позволяет увеличить достоверность постановки диагноза и снизить ошибку диагностики дд:
?о = П1' ~ ч" . при <7, = =...
Я„=Я
(11)
где - ошибка диагностики по ¡-му диагностическому признаку; п - число диагностических признаков.
На рис. 1 приведены совместные распределения вибропараметров и скоростей их изменения, полученные на
Рис. 1. Совместные распределения виброускорения - А, виброскорости - V, виброперемещения - Б и скоростей их роста Уа, Уу, У3
соответственно, со статистической надежностью 0,999.
60 30
о
-30 -60
10 5
о
-5 -10
60 30
о
-30 -60
■г
'i % •
т R2 = 0.0056
20
40
60 А, М/С2 ВО
*т *
-
* R2 = 0.0025
10
15 V, ы м/с 20
• ' -
т ; .. : *
- -
R2 = 0.018
20
60 S, мкм 60
F(x) to=0.016 а= 0.926 Т=0.963 R=0.9996 S=2.59
1
-30
-6
-50
-15
0 Va 15 м/с2/ч 30
F(x) to=0.021 a=0.8 T=0.501 R-0.9983 S=1.52
1
0 Vv 3 мм/с/ч 6
F(x) to=0.088 a= 0.838 T=2.654 R=0.9987 S=4.59
1
-25
0 Vs 25 мкм/ч 50
выборке 11751 трендов вибропараметров, что эквивалентно статистической надежности 0,999. Коэффициенты RAVa, RWv и RSvs и мера определенности Линдера, равная их квадрату, незначительно отличаются от нуля, то есть вибропараметры и скорости их изменения практически независимы, что подтверждает адекватность модели (1-10). Сгущения точек на рис. 1 соответствуют вибропараметрам агрегатов различных раэмерно-мощностных групп и указывают на объективное существование плотностей распределения вибропараметров для разбиения их на классы по состояниям для каждой размерно-мощностной группы.
Разброс скоростей трендов вибропараметров симметричен для всех сгущений, что является следствием их независимости. Там же приведены параметры эмпирических распределений модулей скоростей роста, которые хорошо аппроксимируются законом Вейбулла-Гнеденко с параметрами и стандартными отклонениями S, указанными на диаграммах. Коэффициенты корреляции, характеризующие качество Вейбулл-аппроксимации, для всех скоростей превышают 0,998. Показатели степени а < 1, что характеризует наличие выбросов и относительно редкое превышение скоростями роста больших значений.
Многочисленные акты разрушения различных механизмов агрегатов, исследованные путем анализа трендов вибропараметров, имеют экспоненциальный характер развития. Виброускорение экспоненциально реагирует на развитие дефектов клапанов поршневых компрессоров и подшипников в полном соответствии с моделью (1-10), которая носит общий характер для диагностических сигналов разной природы. Экспоненциальные тренды развития неисправностей на коротком интервале времени и составляют, в основном, группу внезапных отказов оборудования, приводящих к значительным экономическим и экологическим потерям в нефтехимических комплексах.
Совместный анализ дефектов агрегатов и характера изменения их вибрации показал необходимость установления пороговых значений для нормирования значений скоростей роста вибропараметров, соответствующие диагнозам "Требует принятия мер" (ТПМ) и "Недопустимо" (НДП) для диагностики опасности состояния агрегатов НХК по скоростям роста [2] (см. таблицу):
Таблица
Скорость параметра/Диагноз ТПМ НДП
Виброускорение, Va t 2,5 м/с2/ч > 5 м/с2/ч
Виброскорость, Vv > 1,5 мм/с/ч > 3 мм/с/ч
Виброперемещение, Vs > 4 мкм/ч £ 8 мкм/ч
Температура, Vt > 2,5 °С/ч 2: 5 °С/ч
При периодическом контроле, когда известно среднее время безотказной работы Тср, параметр состояния УСУ изменяется монотонно, дисперсия параметра невелика и постоянна, межконтрольные интервалы велики, а показатели случайных процессов известны, для прогнозирования процессов изнашивания пользуются линейными, редко степенными, зависимостями параметра технического состояния от наработки. При вибродиагностики ни одно из этих условий, как правило, не выполняется, а тренды, согласно математических моделей (1-10) и экспериментальных исследований, описываются экспоненциальной моделью [3].
У(/) = У(/0)-ес,"-",; У(Т) = У0-еаТ-
Уо = У(/0 = 0); / = г0 + 7' = Г. (12)
Обычно отсчеты тренда определяются в дискретные моменты времени с фиксированным шагом т, а значение тренда в момент времени Г - У(() определяется через его значение в предыдущий момент времени (I - п-т) - У(1 - п-т) и конечную разность первого порядка п-го запаздывания
Г(1) = У(1-п-х) + А(,„)У(0- (13)
Логарифмируя (12) и подставляя (13) с учетом предельного значения параметра УндП' соответствующего достижению агрегатом предельного состояния "Недопустимо", для оценки прогноза получим:
(n-l)-t l Y(0
a(0 У(0 ¡¡¡кв
(14)
где Г- интервал прогноза; а - показатель скорости роста; т - интервал запаздывания; У ндп- критическое значение параметра, соответствующее достижению агрегатом состояния "Недопустимо"; А 'УДО - конечная разность 7-го порядка л-го запаздывания - приращение параметра Упри запаздывании п-х.
При определении параметра скорости роста а в (14) и задержках п < 10 второй член под знаком логарифма существенно меньше 1, представляя логарифм рядом Макло-рена и ограничиваясь первым членом ряда получим:
а(/) =
(n-l)-T
Y(t) (и-1)-т
7,(0. ПО'
(15)
тогда для интервала прогноза будет справедлива формула:
Г(0 =
140
In -
rr( 0 У( 0
(16)
Абсолютная ДГи относительная 5 7"погрешности прогноза определяются выражениями, соответственно:
Д7-=ТП-Тндп. 5Г=АТ/(ТНДП-1Н), (17)
где Т/1 - прогнозируемый момент перехода в состояние НДП, Тцдр-реальный момент перехода в состояние НДП, ¡ц- момент времени начала прогноза.
На рис. 2 представлены тренды виброускорения А и его скорости Уд при разрушении подшипника центробежного насоса. Пунктиром по оси абсцисс отмечены точки: первого достижения порога ТПМ по скорости роста Уд - А, второго достижения - В, третьего предупреждения о высокой скорости роста -Т {А в зоне ТПМ), N - значение А достигло зоны НДП.
А, и/с2-, Va, Mfc'/ч 20
А ндп Атпм ЛЫЪь» A(t) _ , . Прогноз •V Tj-J^^ln Nl Fr- LjuJLd
Va ндп
VaTriM_ - ijA -уф
в-Г I-—I 11:52 j 12j30 iV ¡13:07 !U:04 V W V
5:00
7:00
9:00
11:00
13:00
15:00 T, ч 17:00
AT, час
0.6 0
Л
V t Л f
-1 —
0 1 2 М i t 7 а 9 10 11 &етносигшшьй интервал грогноза
6Т,% 100 60 0 -S0 -100
Vr
b
01 234S6789 10 11 &<лноситегыъм жтервал гфогнооа
Рис. 3
редительный порог до момента достижения виброускорением порога Анд/-). Данные линии прогноза были определены с помощью выражения (16) и показывают разброс интервалов прогноза в зависимости от начальной точки прогноза и значения скорости тренда. На рис. 3 показаны зависимости абсолютной и относительной погрешности от относительного интервала прогноза 0.
Относительный интервал прогноза, определяется по формуле:
(18)
Рис. 2
Первое предупреждение о высокой скорости развития неисправности поступило в 11:52, т.е. за 2 часа 8 минут до достижения значения А зоны НДП, когда виброускорение было еще в состоянии "Удовлетворительно". Второе предупреждение поступило в 12:30, через 38 минут, когда скорость роста Уд опять достигла порога ТПМ. Затем в 13:07, когда скорость роста превысила порог НДП, что практически совпало с превышением значения А предупредительного порога ТПМ. Критическое значение А^дп было достигнуто только через 57 минут. Таким образом, введение параметра скорости роста виброускорения Уд позволило предупредить персонал об опасной тенденции за 1 час 15 минут до перехода А в состояние ТПМ и за 2 часа 8 минут достижения им критического значения А^др.
На рис. 2 тонкими линиями показана аппроксимация тренда виброускорения с различных начальных точек на интервале времени, когда значение Уд превысило предуп-
По мере приближения момента начала прогноза tц к моменту Тндп относительная погрешность 57 возрастает обратно пропорционально уменьшению относительного интервала прогноза 0.
Основные выводы и результаты:
1. Закономерности изменения вибродиагностических признаков полностью определяются закономерностями изменения соответствующих обобщенных погрешностей и структурных параметров.
2. Скорости изменения диагностических признаков однозначно определяются скоростями изменения обобщенных погрешностей и структурных параметров.
3; Динамика трендов вибропараметров совпадает с точностью до масштаба с динамикой приращений детерминированной функции старения агрегата на интервале жизни.
4. Динамика скорости изменений трендов вибропараметров совпадает с точностью до масштаба с динамикой скорости износа (старения) детерминированной функции износа агрегата на интервале жизни.
5. Скорости роста вибропараметров и значения вибропараметров являются независимыми диагностическими признаками.
6. Использование скоростей роста совместно со значениями параметров вибрации позволяет обеспечить раннее предупреждение персонала об опасных тенденциях деградации состояния агрегата.
7. Использование скоростей роста вибропараметров в качестве независимого диагностического признака является принципиально новым в диагностике и подтверждено патентами на способы и устройства диагностики и прогнозирования [4, 5], а также вибрационными нормативами безопасной эксплуатации агрегатов НХК [2], которые задолго предвосхитили самые смелые предложения по нормированию вибрации изложенные в ГОСТе [6], введенном в действие с 1 июля 2000 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Костюков В.Н. Синтез инвариантных диагностических признаков и моделей состояния агрегатов для целей диагностики II Омский науч. вестн. -2000. - Вып. 12. - С. 77-81.
2. Руководящий документ. Центробежные электроприводные насосные и компрессорные агрегаты, оснащенные системами компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и контроля технического состояния КОМПАКС: Эксплуатационные нормы вибрации / В Н. Костюков, С.Н. Бойченко, Е В. Тарасов - М.: Госгортехнадзор, Минтопэнерго РФ. 1994. - 7 с.
3. Kostjukov A.V. Оценка работоспособности машин и агрегатов по трендам вибропараметров // DYNAMICS OF
MACHINE AGGREGATES: Proceedings of the 5th International Conference, June 27-29, Gabcikovo, Slovak Republic, 2000 - C. 101-104.
4. Пат. 1519350 РФ, МКИ G01M15/00. Способ диагностики и прогнозирования технического состояния машин / В.Н. Костюков // Открытия. Изобретения. -1989. - №40.
5. Пат. 2068553 РФ, МКИ G01M15/00, F04B51/00. Способ оценки технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса/ВН. Костюков, С.Н. Бойченко, А.В. Костюков и др. // Изобретения. -1996. - №30.
В.Ю.ТЭТТЭР
Центр "Транспорт" МПС России, г. Омск
УДК 629.4
Следовательно, это наиболее массовый узел, поэтому важно обеспечить его оперативный контроль во время технических осмотров и при ремонте. Отметим, что это и один из наиболее ответственных элементов, так как повреждения подшипника во время движения поезда влечет его остановку и может даже привести к авариям и крушениям.
Буксовый подшипник состоит из следующих узлов: внешняя и внутренние обоймы (внешняя, неподвижная, устанавливается в тележку транспортного средства, внутренняя напрессовывается на ось колесной пары), вращающиеся ролики и сепаратор, разделяющий ролики по поверхности качения. Это - один из наиболее нагружаемых узлов подвижного состава: нагрузка на один подшипник в радиальном (рабочем) направлении достигает 5 т для грузового вагона и 8 т для локомотива [2].
Во время движения поезда на подшипник действуют ударные нагрузки, величина которых достигает значений нагрузки в статике, а направление может меняться в зависимости от параметров движения и состояния пути [3]. Особенно негативно влияют осевые ударные нагрузки, так как роликовые подшипники на них не рассчитаны [4]. В результате детали подшипников повреждаются. Наиболее характерны следующие повреждения деталей:
- нарушения геометрии поверхностей качения вследствие износа или резких ударов;
- появление микротрещин на рабочих поверхностях с последующим ихразрастанием;
- сколы торцов роликов при ударах;
- изменение структуры рабочих поверхностей из-за ударов (наклеп) и/или после долгой эксплуатации;
- трещины и разрушение сепараторов;
- увеличение зазоров в подвижных деталях вследствие изнашивания.
Для того чтобы обнаружить один из вышеперечисленных дефектов обычными средствами (например, при ремонте), выкатывают тележку подвижной единицы (поднимают, например, вагон и дополнительными механизмами удаляют из-под него тележку), стележки снимают подшипники, после очистки и сушки разбирают со специальными приспособлениями, проверяют каждую деталь. Полный цикл такой про-
6. ГОСТ РИС010816-3-99 Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на не вращающихся частях. Ч.З. - Введен с 01.07.00. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2000. - 10 с.
КОСТЮКОВ Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, генеральный директор НПЦ "Динамика". КОСТЮКОВ Алексей Владимирович, начальник сектора ОДС НПЦ "Динамика".
верки очень продолжителен (не более 15 подшипников в смену на одного работника), что приводит к непроизводительным затратам времени на ремонт.
С участием автора разработан и успешно используется на практике вибродиагностический комплекс "Прогноз-1" для проверки подшипников качения и зубчатых передач без разборки [4]. Для этого в депо оборудуются так называемые катковые станции: локомотив устанавливается на подвижные ролики и своей тягой приводит их в движение. Колеса локомотива при этом вращаются, а сам он неподвижен. На буксовые узлы локомотива устанавливаются вибродатчики, преобразующие вибрации вращающихся деталей в электрические сигналы. Если буксовый подшипник имеет дефект, сигнал от вибродатчика качественно отличается от бездефектной работы, что и улавливает комплекс [5].
Рис. 1. Структура комплекса "Прогноз-1".
На рис. 1 приведена структурная схема комплекса "Прогноз-1", на которой обозначено: БП - буксовый подшипник; ВД - вибродатчик; ГР - блок гальванической развязки; АБ - блок аналоговой обработки сигналов; П - процессор; МПО - модуль предварительной обработки; ПК- персональный компьютер; И - индикатор; РИ - регистратор информации.
При вращении БП вибродатчик преобразует возникающие при этом шумы в электрический сигнал, который после гальванической развязки подвергается обработке в аналоговой форме (фильтруется в заданной полосе частот, усиливается, нормируется, сравнивается с уставкой).
СТРУКТУРА И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОЙ ВИБРОДИАГНОСТИКИ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ
БУКСОВЫЕ ПОДШИПНИКИ -ОДНА ИЗ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ НАЖЕЛЕЗНО-ДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ. ОНИ УНИФИЦИРОВАНЫ ПО РАЗМЕРУ, ПОЭТОМУ ОДИНАКОВЫЕ ПОДШИПНИКИ УСТАНАВЛИВАЮТСЯ НА ЛОКОМОТИВЫ (ТЕПЛОВОЗЫ И ЭЛЕКТРОВОЗЫ), НА ВАГОНЫ (ГРУЗОВЫЕ И ПАССАЖИРСКИЕ), ЭЛЕКТРОПОЕЗДА И ДРУГУЮ ТЕХНИКУ, ДВИЖУЩУЮСЯ ПО РЕЛЬСАМ.
