CC BY
675
УДК 62-799; 69.059.7 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
ОБЪЕКТА
А.Г. Лепеш1, Г.А. Спроге2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, улица Садовая, 21.
Проведен сравнительный анализ методов вибрационного и теплового технического диагностирования. Рассмотрены практические аспекты применения вибрационного и теплового методов диагностирования для определения техническогое состояния герметичного компрессора бытовой холодильной машины в условиях небольшой ремонтной мастерской с ограниченными ресурсами.
Ключевые слова: узел, агрегат, неразрушающий контроль, диагностика, техническое обслуживание.
THE COMPARATIVE ANALYSIS OF THE METHODS OF TECHNICAL DIAGNOSING
USED IN CASE OF ASSESSMENT TECHNICAL CONDITION OF THE OBJECT
A.G.Lepesh, G. A. Sproge
St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, Sadovayastr., 21
The comparative analysis of methods of vibration and thermal technical diagnosing is carried out. Practical aspects of application of vibration and thermal methods of diagnosing for determination tekhnicheskogy conditions of the hermetic compressor of the household cooling machinery in the conditions of small repair shop with limited resources are considered.
Keywords: node, aggregate, nondestructive control, diagnostics, maintenance.
Введение
Надежная и безопасная работа оборудования в значительной степени связана с постоянным контролем надежности рабочих свойств и параметров машины или её отдельных узлов и агрегатов. При этом контроль должен осуществляться без выведения оборудования из работы и без демонтажа, так называемый неразрушающий контроль [1,2].
Техническое обслуживание на основе показателей фактического состояния оборудования требует точных и надёжных результатов измерений этих показателей [3 - 5].
Целью данного исследования является проведение сравнительного анализа технического диагностирования на примере применения вибрационного и теплового методов. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Провести аналитическое (на основе литературных источников) сравнение методов технического диагностирования, в частности вибрационного и теплового.
2. Провести сравнительный анализ вибрационного и теплового методов технического диагностирования и определить подходы к решению поиска неисправностей.
3. В условиях небольшой ремонтной мастерской с ограниченными ресурсами диагностировать техническое состояние герметичного компрессора бытовой холодильной машины с помощью вибрационного и теплового методов.
Проведенное сравнение актуально с точки зрения теоретического и практического обоснования оптимального выбора метода в конкретных условиях диагностирования.
Методы технического диагностирования на сегодня являются самыми актуальными при техническом обслуживании сложного высокотехнологичного оборудования по его состоянию [3 - 5]. Об этом свидетельствует и обилие нормативной документации, в частности, ГОСТов, которыми регламентируется широкий круг вопросов: от терминологии до классификации методов технического диагностирования.[1,2,6 - 12].
1 Лепеш Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+79217512829,e-mail: alepsh@yandex.ru;
2Спроге Глеб Александрович - магистрант СПбГЭУ тел.: +79522425811, e-mail: gleb\90_893@mail.ru;
Согласно ГОСТ 20911-89 техническая диагностика - это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [2].
Техническая диагностика является составной частью технического обслуживания. Основной задачей технического диагностирования является обеспечение безопасности, функциональной надёжности и эффективности работы технического объекта, а также сокращение затрат на его обслуживание и уменьшение потерь от простоев в результате отказов и преждевременных выводов в ремонт.
Первой задачей технического диагностирования считают контроль технического состояния, т. е. проверку соответствия значений параметров механического узла требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени.
Техническим состоянием механического изделия называется состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией.
Второй задачей технического диагностирования является диагностирование с целью определения мест и, при необходимости, причин и видов дефекта механического узла. Такое диагностирование называют поиском дефектов. Анализ состояния исправного механического узла называется диагностированием зарождающихся дефектов, а неисправного - поиском возникшей неисправности.
Третья задача технического диагностирования - прогнозирование технического состояния механического узла с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени [3].
Общей проблемой технической диагностики является, по мнению большинства авторов [3 - 5, 13 - 15] достижение адекватной оценки распознавания истинного состояния объекта и классификации этого состояния (нормального или аномального).
При проведении технического диагностирования для подтверждения нормального состояния объекта выделяют две основные задачи:
- обеспечение получения достоверной информации;
- обеспечение приемлемой оперативности получения информации [15].
При проведении технического диагностирования для выявления аномалий выделяют две основные проблемы:
- вероятность пропуска неисправности;
- вероятность «ложной тревоги», то есть вероятность ложного сигнала о наличии неисправности [3,15] .
Чем выше вероятность «ложной тревоги», тем меньше вероятность пропуска неисправности, и наоборот. Задача технической диагностики неисправностей состоит в нахождении «золотой середины» между этими двумя проблемами.
В зависимости от технических средств и диагностических параметров, которые используют при проведении диагностирования, существует множество различных методов, в той или иной степени подробно описанных в различных литературных источниках.
Анализ различных точек зрения и
формулировка авторской позиции
В зависимости от физических явлений, положенных в основу неразрушающего контроля, и в соответствии с ГОСТ 18353-79 различают девять методов: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами [1].
Правилами аттестации персонала в области неразрушающего контроля (ПБ 03-440-02) Гос-гортехнадзора введено уже одиннадцать методов: ультразвуковой, акустикоэмиссионный, радиационный, магнитный, вихретоковый, проникающими веществами (капиллярный и течеисканием), визуальный и измерительный, вибродиагностический, электрический, тепловой, оптический [17].
Как следует из перечисленных уже литературных источников - на практике для оценки состояния большинства машин используют механические колебания. При возникновении дефектов или ухудшении состояния машин и механизмов происходит изменение (возрастание) уровня механических колебаний. Поэтому измерение, контроль и анализ механических колебаний агрегатов и узлов машин обеспечивают надёжную оценку их состояния [5].
Для определения механических колебаний применяется различная диагностическая аппаратура - от простейших измерителей параметров физических величин (позволяют определять общее состояние согласно существующим нормативным документам) до современных мультимедийных диагностических комплексов - анализаторов вибрации (оснащены специальным программным обеспечением, предназначенным для выявления неисправных узлов и деталей), многоканальных переносных и уни-
версальных по отношению к объектам исследования.
Вибрационную диагностику применяют чаще всего потому, что на измерение параметров, описывающих вибрацию объектов, меньше влияют внешние помехи.
Кроме того, современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике состояний и свойств разнообразных объектов является, по мнению многих авторов, тепловой контроль. Интерес к этому направлению значительно возрос после принятия Федерального закона № 261, согласно которому тепловой метод является базовым методом контроля состояния промышленных объектов [18].
Методы теплового контроля позволяют осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов. В литературе подробно описан тепловой метод контроля, основанный на таких физических явлениях, как тепловые поля, инфракрасные источники тепла, по которым можно диагностировать наличие внешних или внутренних дефектов. Характер избыточного температурного поля может точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит вовремя принять необходимые меры по предотвращению неисправностей.
В целом, классификация методов технической диагностики не успевает за разработкой новых способов испытаний материалов и изделий, многие из которых используют комбинацию нескольких физических явлений.
Поскольку методов технического диагностирования, как было отмечено, довольно много, авторы считают актуальным провести сравнительный анализ двух наиболее перспективных и востребованных методов - вибрационного и теплового - с целью на практике с помощью этих методов диагностировать техническое состояние герметичного компрессора бытовой холодильной машины в условиях небольшой ремонтной мастерской с ограниченными ресурсами.
Методы и средства вибрационной диагностики
Шумы и вибрации электромеханических машин являются одним из основных проявлений действия сил, необходимых для совершения рабочих процессов в этих машинах. К таким силам относят вынуждающие силы, т. е. силы, активирующие рабочие процессы, силы инерции, упругости, сопротивления и внешних воздействий (возмущений). Колебания электромеханической системы под действием
вынуждающих сил называются вынужденными. Колебания системы, продолжающиеся после снятия вынуждающих сил, называются свободными и происходят под действием внутренних сил упругости, образовавшихся из накопленных системой кинетической и потенциальной энергий.
Характер и масштабы изменения вибрации во времени для каждого случая изменения технического состояния индивидуальны. Конкретный вибрационный процесс содержит большой объем важнейшей информации, использование которой позволяет диагностировать техническое состояние механизмов и машин и рационально устранять многие дефекты.
Вибрация происходит под действием внешних вынуждающих сил, имеющих разные причины. Чаще всего объектами вибрационных измерений и исследований являются корпуса подшипников и валы роторов машин, подвергающиеся интенсивному изнашиванию в процессе их эксплуатации.
Основной задачей вибрационной диагностики является распознавание состояния технической системы в условиях эксплуатации, когда получение информации крайне затруднено. Часто сделать однозначное заключение не представляется возможным и приходится использовать статистические методы [3].
Принцип диагностики состоит в том, что оценка технического состояния и выявление возможных дефектов производится при отнесении объекта диагностирования к фиксированному (известному) набору состояний. Для решения этой задачи формируется перечень параметров и решающих правил, позволяющих получить оценку технического состояния и произвести выявление возможных дефектов.
В качестве исходных данных для решения диагностических задач используются безразмерные диагностические параметры, характеризующие состояние исходного объекта.
Переход к безразмерным значениям производится при нормировании исходных параметров относительно верхнего порога [5]: х % | _ <»
где: Xi - исходный параметр; XI - нормированное значение параметра; [X] - верхнее допустимое значение параметра.
Обобщенный показатель наличия дефекта формируется в виде логико-алгебраических объединяющих выражений методами главного критерия (определяющего параметра) или регрессивного уравнения.
Формирование обобщенного показателя дефекта из нескольких диагностических параметров производится с использованием логических операций типа «И» (на диагноз влияют оба параметра) и «ИЛИ» (для постановки диагноза используется параметр с наибольшим значением или вводятся весовые коэффициенты). При этом формирование самих решающих правил (базы знаний) производится с использованием методик выявления дефектов, накопления и обобщения экспериментальных данных в процессе эксплуатации системы.
Для учета особенностей объекта и с целью повышения достоверности диагноза в выражения для обобщенного показателя наличия дефекта вводятся эвристические (экспертные) коэффициенты влияния.
Обобщенный показатель наличия дефекта Q может быть представлен в виде математического выражения [5] Q = Як (рх Яг X + ...
...+ Р2 X + Рп Яп Хп)/п , (2)
Таблица 1 - Пример диагностической таблицы
Регистрация базовых диагностических параметров производится при мониторинговых измерениях по каждому из направлений измерения вибрации во всех точках установки датчиков и используются для оценки состояния и выявления основных дефектов.
В состав базовых диагностических параметров входят:
- интегральные вибрационные параметры оценки состояния;
где: рI - экспертные (эвристические) коэффициенты влияния; я - коэффициенты логических отношений; Як - экспертный (эвристический) коэффициент.
Обобщенный показатель наличия дефекта Q при данном подходе является безразмерной величиной, изменяющейся в диапазоне (0 ^ 1) при проявлении дефекта и принимающий значение более 1 при явно выраженном дефекте. В этом случае распознавание дефекта сводится к сравнению обобщенного показателя наличия дефекта Q с нормированными уровнями состояния.
Также формализуется и задача прогнозирования развития конкретного дефекта при экстраполяции временных тенденций обобщенного показателя наличия дефекта Q на прогнозируемом интервале времени [5].
База знаний формируется в виде таблиц (примерный вид представлен в таблице 1), которые дополняются и корректируются (экспертные коэффициенты) в процессе эксплуатации системы.
- интегральные вибрационные параметры;
- невибрационные параметры;
- параметры вибрационного процесса в полосе частот;
- кратные оборотной частоте гармонические составляющие.
В таблице 2 приведены примеры параметров вибрационных сигналов, рассчитываемые по каждому из направлений регистрации данных во всех точках установки датчиков.
Номер дефекта Наименование дефекта Як Параметр 1 (эксцесс Ек) Параметр 2 (^2об/^2скз) Параметр 3 (^3об/^3скз)
Рх Логическое отношение Р2 Логическое отношение Рз Логическое отношение
001 Дисбаланс вала 1,0 - - 1,0 И 1,0 И
002 Состояние подшипника 1,0 1,0 И - - - -
Источник данных [19]
Таблица 2 - Интегральные вибрационные параметры оценки состояния
№ Тип сигнала Индекс Комментарий Параметры диапазона частот
К К 1 м к* поег
1 А Ае СКЗ ускорения 1 500 - -
2 V V.. СКЗ скорости 1 500 - -
3 Б Бе СКЗ перемещения 1 500 - -
4 Б АБе Амплитуда перемещения 1 500 - -
5 Б 2Бе Двойная амплитуда пере-мещения 1 500 - -
Источник данных [20]
Здесь обозначено: СКЗ - среднеквадратическое значение; А - ускорение; V - скорость; S - перемещение; Fn - нижняя граница диапазона частот; Fw - верхняя граница диапазона частот; Fs - центральная частота диапазона частот; noct - ширина диапазона частот в долях октав.
Основными методами вибрационной диагностики, которые используются при решении задач мониторинга и функциональной диагностики холодильных машин, являются:
- измерение общего уровня вибрации;
- спектральный анализ
- анализ характеристики разгона/выбега агрегата;
- пик-фактор;
- эксцесс;
- контурная характеристика;
- метод ударных импульсов (SPM-метод Shock Pulse Method);
- анализ траектории движения.
Стоит заметить, что значительная часть
методов вибродиагностики предназначена для конкретных видов диагностики тех или иных узлов и агрегатов машин.
Простейший из этих методов - измерение общего уровня вибрации. В этом случае в широких частотных диапазонах измеряются среднеквадратичные или пиковые значения виброускорения механических колебаний.
Основная идея диагностики более сложным методом - спектральным анализом вибрации заключается в обнаружении периодически повторяющихся, как правило, ударных, процессов в работе машины и сопоставлении им возможных дефектов.
При наличии дефектов, оказывающих влияние на параметры вибрации, при работе неисправного механизма возникают новые периодические колебания, вызванные, чаще всего, микроударами. В большинстве случаев, анализируя периодичность этих ударов, можно установить и неисправный элемент.
Наибольшее распространение методы спектрального анализа получили применительно к роторным машинам. При ближайшем рассмотрении эти методы можно разделить на две группы: анализ прямого спектра и анализ спектра огибающей.
В случае применения прямого спектра гармоническому анализу подвергают непосредственно полученную в ходе измерения временную зависимость вибрации. Поскольку периодичность ударных воздействий, вызванных дефектами механизма, сравнительно велика (час-
тота их мала), то и измерять сигнал следует избирательно: на низких и средних частотах.
Существенный недостаток метода - в невозможности локализовать место возникновения дефекта. Ведь низкочастотные колебания хорошо распространяются как по металлу, так и через воздушные зазоры, а, значит, вибрация, измеренная датчиком, могла возникнуть не только вблизи места его установки, но и на значительном удалении от него.
Этого недостатка лишен метод спектра огибающей. Здесь наблюдаются практически те же закономерности, что и при анализе низкочастотных колебаний. Вызвано это тем, что определяемые измерительной системой высокочастотные колебания являются модулированными колебаниями низкой частоты. Иначе говоря, высокочастотные колебания играют роль «транспорта», доставляющего до датчика колебания низкой частоты. А так как этот «транспорт» не может «передвигаться» на большие расстояния, то этим методом можно не только идентифицировать дефект, но и локализовать его.
Анализ характеристики разгона/выбега агрегата позволяет отследить изменение параметров механических колебаний при разгоне или остановке агрегата. Одним из дефектов, диагностируемых при помощи данного метода, является тепловая неуравновешенность ротора, при которой наблюдается существенный рост вибрации на первой критической частоте при выбеге нагретого ротора по отношению и величине этой компоненты при разгоне холодного ротора или выбеге не успевшего прогреется ротора. Кроме того, анализ разгонной характеристики позволяет диагностировать дефекты оборудования, которые весьма затруднительно выявить в установившемся режиме работы агрегата [20]. С помощью данного метода возможно даже точно выявить связь источника вибрации с электрическими дефектами оборудования.
Недостатками метода являются невозможность проведения диагностики без остановки машины и необходимость непродолжительных запусков машины, что в некоторых случаях недопустимо или вовсе невозможно.
Пик-фактором называется отношение пикового значения амплитуды к среднеквадра-тическому значению параметра виброскорости сигнала. Пик-фактор, один из существенных показателей технического состояния агрегата, нашел своё наиболее актуальное применение в области диагностики подшипников качения.
К достоинствам метода следует отнести простой алгоритм проведения измерений, воз-
можность проведения контроля при помощи простейшего виброметра.
Недостаток метода - невозможность выполнения диагностики по однократному замеру.
Эксцесс применяется преимущественно для экспресс-диагностики подшипников качения. На практике используют коэффициент эксцесса, который показывает отклонение данного распределения от нормального.
В качестве иллюстрации на рисунке 1 показаны этапы развития дефекта подшипника и изменения значения эксцесса в разных частотных полосах, характеризующие развитие дефекта в подшипнике качения.
Новый подшипник
Начальное повреждение
_гГ\г\_
Промежуточное повреждение Обширное повреждение
ммш
Сигнал
f
f
f
f
Эксцесс
Рисунок 1 - Значения эксцесса, характерные для разных стадий развития дефекта подшипника качения: / - частота, Гц; 3,6,9 - коэффициенты эксцесса
Преимущество метода диагностики подшипников по значению эксцесса перед остальными методами анализа выброакустиче-ского сигнала в том, что данный метод не требует знания геометрических параметров подшипника. Кроме того, он не чувствителен к изменениям скорости вращения вала и нагрузки. Для правильной оценки состояния подшипников качения необходимо правильно выбирать частотные диапазоны для расчета значений эксцесса. К недостаткам метода можно отнести невозможность определить тип дефекта.
Снятие и последующий анализ контурной характеристики является еще одним простейшим методом контроля, позволяющим получить оценку технического состояния агрегата. Контурная характеристика снимается посредством измерения параметров вибрации. Через определённый промежуток времени производится снятие новой характеристики, её анализ и сравнение с предыдущей (рисунок 2).
Метод ударных импульсов (SPM-метод Shock Pulse Method) основан на измерении отношения пикового и среднеквадратического значений виброускорения механических колебаний, называемого пик-фактором. Принцип действия метода ударных импульсов показан на рисунке 3, где состояние подшипника определяется по диаграмме.
S,
мм
120
160
200 <р, град
Рисунок 2 - Снятие контурной характеристики: 1
- контурная характеристика в начальный период; 2 -с течением времени
На горизонтальной оси откладывают значения слабых импульсов (НЯ), на вертикальной - разницу между сильными импульсами ^Я) (следующих нерегулярно и ритмично) и НЯ. Зона А соответсвует хорошему состоянию подшипникового узла, зоны В и С - удовлетворительному, требуется усилить контроль за состоянием подшипникового узла, зона Б соответствует недопустимому состоянию диагностируемого узла [20].
Преимущества метода ударных импульсов определяются отсутствием требований к периодичности следования этих импульсов.
Главным недостатком метода является тот факт, что не все зарождающиеся дефекты приводят к появлению ударных импульсов. Часто дефектный узел обнаруживается незадолго до отказа, когда в нем развивается цепочка связанных дефектов, один или несколько из которых становятся источником ударных импульсов. В этом случае частота следования ударных импульсов может быть настолько большой, что не приведет к росту пик-фактора.
К недостаткам относится также отсутствие информации о виде дефекта, поскольку ударные импульсы появляются при различных видах дефектов. Это не позволяет давать долгосрочный прогноз состояния машины, т.к. раз-
личные дефекты имеют разные скорости развития. Таким образом, метод ударных импульсов может быть использован только для контроля состояния узла, но не для его диагностирования.
Рисунок 3 - Определение состояния подшипникового узла методом ударных импульсов
Не менее важным недостатком является сложность применения метода для контроля состояния низкооборотных подшипников. В масляной пленке бездефектных подшипников возможны частые разрывы, которые приводят к образованию ударных импульсов.
Особенностью метода ударных импульсов, усложняющей его применение, является прекращение роста пик-фактора при развитых дефектах. Часто происходит уменьшение пик-фактора по мере увеличения степени развития дефекта.
Анализ траектории движения, например, анализ траектории перемещения оси вала, вращающегося в собственных подшипниках, — очередной метод вибродиагностики. Для снятия характеристик и анализа траектории используется только параметр виброперемещения. Для построения траектории движения ротора синхронно определяются значения перемещений в горизонтальном и вертикальном направлениях (одновременно), затем выполняется оценка составляющих вибрации по частоте вращения.
Траектория движения вала в подшипнике может иметь форму круга, либо форму эллипса. В простейшем случае, форма траектории в виде простого эллипса свидетельствует о сдвиге фаз колебаний вала, характерном для дисбаланса ротора.
При построении траектории движения вала можно рассматривать временные сигналы не только на частоте вращения, но и сумму компонент - первую, вторую и т.д. В результате получаются сложные орбиты движения вала,
несущие дополнительную информацию о д ефектах агрегата (рисунок 4).
Недостатком метода является необходимость использования дорогостоящих двухка-нальных виброанализаторов. Определить частоту собственных колебаний системы можно методом тест-удар. Это метод вибрационной диагностики, позволяющий экспериментально установить собственные частоты колебаний агрегата. Исследование обычно производиться на неработающем оборудовании. На машине устанавливается один или несколько датчиков вибрации, а затем ударяют по ней массивным предметом. Агрегат дает отклик на удар в виде затухающей волны вибрации, которая фиксируется при помощи датчиков и записывается в виброанализатор.
у 80
60 40 20 0 20 40 60
80 60 40 20 0 20 40 60 Sx
Рисунок 4 - Орбита движения вала: 1 - момент начала вращения вала; 2 - завершение второго оборота; 3 - завершение одного оборота и начало следующего; 4 - завершение цикла вращения; 5 - начало последующего цикла вращения
Результирующий спектр будет содержать пики, соответствующие собственным частотам и резонансам машины. Для нормальной работы любого механизма необходимо, чтобы частота возбуждающих вибрацию сил отличалась от собственных частот системы. Иначе неизбежны резонансы, вызывающие увеличение уровней вибрации и зачастую приводящие к разрушению конструкции [20].
В качестве оборудования для вибрационной диагностики может быть успешно использована серия переносных приборов, обеспечивающих решение различных задач вибрационного контроля, оценки технического состояния и выполнения работ по ремонту и виброналадке машин и агрегатов [3, 5]. Наиболее удобными в эксплуатации являются малогабаритные измерители вибрации (рисунок 5), которые используются для оперативного контро-
5
ля вибрационного состояния машин и агрегатов различного назначения.
Такие приборы обеспечивают оперативное измерение среднеквадратического значения виброскорости в диапазоне частот 0,510000 Гц на элементах и узлах работающего оборудования. Результаты измерения отображаются на жидкокристаллическом индикаторе в цифровом или графическом виде. В состав такого прибора входит измерительный блок, пьезоакселерометр с магнитной плашкой, установочная шпилька, аккумуляторы и зарядное устройство. Приборы могут комплектоваться и другими датчикам, например оптическими, необходимыми для регистрации видеосигнала, стробоскопами.
Рисунок 5 - Малогабаритные измерители вибрации: А - сетевой адаптер (зарядное устройство); Б - аккумуляторная батарея; П - прибор;
Д - датчик вибрации; С - стробоскоп; О - оптический датчик; Ш - установочная шпилька с магнитным держателем
Приборы непосредственно производят:
- измерение СКЗ виброскорости/ виброускорения;
- измерение амплитуды виброперемещений;
- вычисление спектра сигнала виброколебаний;
- запись и оцифровку выборки сигналов виброколебаний;
- выбор диапазона рабочих частот;
- выбор вида объекта контроля;
- регистрацию множества протоколов измерений в реальном времени всех параметров объекта и результатов;
- отображение сигнала и его спектра на графическом дисплее с подсветкой (опция).
Основные области их применения -контроль механического состояния различного оборудования при эксплуатации, ремонтах и техническом обслуживании, диагностика под-
шипников, зубчатых передач, турбин, генераторов, вентиляторов, насосов, различных роторов, конструкций в целом и их отдельных элементов, стендовые испытания механических конструкций на воздействие вибраций и ударов.
С помощью прибора возможно провести спектральный анализ параметров вибрации, частоты вращения ротора, напряжений переменного и постоянного тока в процессе эксплуатации, при наладке, ремонтах и техническом обслуживании оборудования.
Применением виброметра-анали-затора обеспечивается решение следующих основных задач вибрационного контроля:
- выбор диапазона рабочих частот;
- выбор вида объекта контроля;
- регистрацию множества протоколов измерений в реальном времени всех параметров объекта и результатов;
- отображение сигнала и его спектра на графическом дисплее с подсветкой (опция).
- формирование и ведение банка данных вибрационных характеристик оборудования;
- регистрация и отображение виброударных процессов, расчёт резонансных характеристик механических систем;
- регистрация скоростных характеристик машин с вращающимися валами при остановах и пусках;
- контроль соответствия уровней вибрации санитарным нормам.
Методы и средства теплового нераз-
рушающего технического контроля
Тепловой контроль - универсальный, точный, оперативный, высокопроизводительный способ неразрушающего контроля, который дает возможность взаимодополняющего сочетания теплового метода с другими видами неразрушающего контроля, а также возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами. Кроме того, тепловые методы сочетаются со стандартными системами обработки информации [1].
Физическая сущность теплового метода неразрушающего контроля состоит в том, что при нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объектов. Температурное поле поверхности объекта, в свою очередь, зависит от внутренних или наружных дефектов. Под дефектом при этом понимаются скрытые раковины, полости,
трещины, непровары, инородные включения и различные отклонения физических свойств объекта от нормы, наличия мест локального перегрева (охлаждения).
Методы теплового контроля основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термодинамическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим индикатором и т.д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор.
Тепловой метод применяется во всех отраслях промышленности, где по неоднородности теплового поля можно судить о техническом состоянии контролируемых объектов. Установлено, что тепловой контроль обязателен для опасных производственных объектов, выполняется лабораториями неразрушающего контроля, располагающими аттестованным в установленном порядке персоналом [17].
Существует несколько классификаций теплового метода неразрушающего контроля. Например, по параметрам теплового поля в объекте различают пассивный и активный тепловой контроль, а по другой классификации выделяют тепловизионный контроль; контроль теплопроводности; контроль температуры; контроль плотности тепловых потоков .
Пассивный тепловой неразрушающий контроль не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия. Активный предполагает нагрев объекта внешними источниками.
Пассивный метод подразумевает, что возникновение теплового поля в объекте контроля происходит при его эксплуатации или изготовлении. Основное преимущество метода - отсутствие необходимости дополнительных манипуляций, связанных с нагревом объекта. Типичные объекты пассивного теплового контроля - это строительные конструкции, работающие электроприборы, контакты под напряжением и другие промышленные объекты.
Активный метод теплового контроля применяется, когда во время эксплуатации объект самостоятельно не выделяет тепловое излучение, достаточное для проведения теплового контроля (изделия радиоэлектроники, энергетическое оборудование, металлургические печи и т. п.). При активном методе теплового контроля, объект нагревают различными внешними источниками. Типичные объекты, контролируемые данным методом, - это многослойные композитные материалы, объекты искусства и другие объекты, требующие внешней тепловой нагрузки.
Существует несколько способов нагрева объекта [21]:
1) Кратковременный локальный нагрев изделия с последующей регистрацией температуры той же (при одностороннем контроле) или противоположной (при двустороннем контроле) области. По истечении некоторого времени (изделие должно остыть) переходят к следующей точке. Так будет пройдена вся поверхность изделия, причем измеренная температура дефектных областей будет существенно отличаться от температуры бездефектных участков.
2) Кратковременный нагрев с использованием сканирующей системы, состоящей из жестко закрепленных друг относительно друга источников нагрева и регистрирующего прибора (например, радиометра), перемещающихся с постоянной скоростью вдоль поверхности образца.
3) Кратковременный одновременный нагрев поверхности образца вдоль некоторой линии (при одновременном контроле) или вдоль аналогичной линии с противоположной поверхности образца (при двустороннем контроле). Одновременный нагрев всей поверхности образца и последующая одновременная регистрация температурного распределения на этой же или на противоположной поверхности. Подобный способ контроля может быть осуществлен при помощи телевизора.
В методе можно выделить три основных направления:
- тепловая дефектоскопия;
- тепловая дефектометрия;
- тепловая томография.
Тепловая дефектоскопия состоит в определении дефекта («есть» или «нет») и его расположения в объекте контроля. В настоящее время это наиболее разработанное направление.
Тепловая дефектометрия представляет методы и средства количественной оценки глубины залегания дефектов, их толщины и поперечных размеров. С математической точки зрения тепловая дефектометрия требует решения обратных теплофизических задач.
Тепловая томография - последующее развитие тепловой дефектометрии; состоит в послойном синтезе внутренней структуры объекта контроля на основе использования методов проективной компьютерной томографии.
В зависимости от способа измерения температуры, приборы теплового контроля разделяют на контактные и бесконтактные.
К бесконтактным приборам теплового контроля относятся тепловизоры, термографы, квантовые счетчики, радиационные пирометры. Приборами для контактного измерения
температуры являются термопары, металлические и полупроводниковые сопротивления, термоиндикаторы, термокарандаши, манометрические и жидкостные термометры.
Самое востребованное устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности - тепловизор. Доля задач теплового контроля, решаемая с помощью тепловизоров, настолько велика, что часто употребляется термин тепловизионный контроль.
Различают наблюдательные и измерительные тепловизоры. Наблюдательные приборы просто выдают инфракрасное изображение наблюдаемого объекта, а измерительные могут присваивать цифровому сигналу каждого пикселя, соответствующую ему температуру, в результате чего получается тепловая карта контролируемой поверхности.
Тепловизор входит в перечень оборудования, необходимого для аттестации лаборатории неразрушающего контролю по тепловому методу.
Пирометры (инфракрасные термометры) также предназначены для бесконтактного измерения температуры тел. Их принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения в инфракрасном и видимом диапазоне света. Пирометры применяются для решения задач, где по разным причинам не возможно использование контактных термометров. Пирометры часто используются для дистанционного теплового контроля раскаленных предметов и в других случаях, когда физический контакт с контролируемым объектом невозможен из за его труднодоступности или слишком высокой температуры.
Логгеры данных, как правило, используются для измерения температуры и влажности. Логгеры данных подходят для долгосрочного измерения и представляют собой компактный прибор с дисплеем, картой памяти, водонепроницаемым корпусом и возможностью программирования периода работы. Некоторые современные модели имеют возможность одновременного подключения нескольких зондов, позволяя проводить замеры сразу в нескольких помещениях. Данные логгеров анализируют с помощью специального программного обеспечения и могут быть использованы для составления отчетов в графической и табличной формах.
Измерители плотности тепловых потоков и температуры используются при строительстве и эксплуатации зданий для определения плотности тепловых потоков, проходящих через ограждающие конструкции. Дан-
ные приборы позволяют измерять температуру воздуха внутри и снаружи помещения, а также определять сопротивление теплопередаче и термическое сопротивление ограждающих конструкций. Полученные данные теплового контроля передаются на ПК, где происходит их автоматическая архивация и обработка.
Помимо перечисленных электронных приборов, широкое распространение получили различные механические средства теплового контроля, такие как самоклеящиеся этикетки, термокарандаши, температурные индикаторы, высокотемпературная краска, теплоотво-дящая паста и другие.
Использование теплового метода допускает его комбинированное применение с другими методами неразрушающего контроля. Дополнение теплового контроля другими методами неразрушающего контроля, как правило, имеет смысл, когда тепловой контроль является методом предваряющим использование более эффективных средств неразрушающего контроля или когда синтез различными методами контроля дает более точные результаты.
Комбинирование первого типа возможно, например, при выявлении воды в авиационных сотовых панелях, а так же ударных повреждений и расслоений в композитных материалах. В данных случаях с помощью теплового контроля локализуются потенциально дефектные зоны, после чего более тщательный контроль может быть выполнен с использованием ультразвукового контроля. Аналогичным образом могут контролироваться заклепочные соединения авиационных панелей, где основной контроль обычно проводится вихретоковым методом.
Комбинирование второго типа, как правило, применяется для контроля сложных объектов, когда результат синтеза данных является не простым суммированием отдельных результатов, а создает их новое качество, так называемый эффект синергии. В данном случае одновременное сочетание теплового контроля с другими методами неразрушающего контроля дает возможность получить результирующее изображение, которое будет обрабатываться, и анализироваться только один раз. Помимо более точных результатов, такое комбинирование позволяет существенно снизить временные и финансовые затраты по сравнению с последовательным применением нескольких методов. В настоящее время концепция слияния данных с помощью различных сенсоров активно развивается и уже нашла свое применение в военной и авиакосмической промышленности .
Третье, принципиально новое, направление основано на применении «одновременно смотрящих», фокально-плоскостных, твердотельных многоэлементных матриц без использования вообще оптико-механических систем развертки изображения. При этом для обеспечения высокой температурной чувствительности матрицы на квантовых приемниках должны иметь криогенное охлаждение.
При использовании пироэлектрических матриц исключаются вакуумная электронная оптика и фокусирующе-отклоняющая система.
Преобразователи с оптико-
механическим сканированием использовались, главным образом, на участке ИК-спектра 13.. .15 мкм для анализа собственного теплового излучения объектов, пока не были созданы эффективные многоэлементные преобразователи
В приборах этого типа сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения либо изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.
В качестве примера сочетания теплового метода с другими видами неразрушающего контроля можно привести вибротепловизион-ный метод, особенно перспективный для анализа изделий, работающих в условиях вибрации.
Анализ возможностей применения вибрационного и теплового методов в ремонтном производстве
Требования обеспечения комплексной безразборной оценки технического состояния механизмов в условиях ремонтного производства выдвигают на передний план методы вибрационной диагностики, как наиболее чувствительной к различным отклонениям параметров технического состояния механизмов от нормы.
Эффективность методов вибродиагностики обусловлена возможностью автоматизации процессов съема и обработки информации с помощью современной микропроцессорной техники и соответствующего программного обеспечения.
Кроме того, современным, высокоэффективным и перспективным направлением в диагностике является тепловой контроль. Методы теплового контроля позволяют осуществлять своевременное, высокоточное, оперативное, информативное и непрерывное наблюдение за исправностью исследуемых объектов.
В литературе подробно описан тепловой метод контроля, основанный на таких физиче-
ских явлениях, как тепловые поля, инфракрасные источники тепла, по которым можно диагностировать наличие внешних или внутренних дефектов. Характер избыточного температурного поля может точно показать специфику нарушения состояния исследуемого объекта и позволит вовремя принять необходимые меры по предотвращению неисправностей.
Таким образом, методы неразрушающего контроля (как вибродиагностика, так и тепловые методы исследования) разработаны очень глубоко, а область их применения (особенно тепловых методов) практически неограниченна.
Проведенный авторами анализ оценки целесообразности диагностирования компрессоров бытовых холодильников, подтвердил отсутствие инженерных методов оценки технического состояния этих изделий из-за значительной взаимосвязи дефектов, возникающих при эксплуатации. Обобщение результатов работ многих источников по диагностике компрессоров и других кривошипно-шатунных механизмов позволило провести сравнительный анализ современных методов технического диагност-рования.
При анализе источников литературы, выявлено, что каждый метод технической диагностики имеет свои преимущества и недостатки. По мнению авторов, основной задачей данного исследования является провести научный эксперимент, на примере которого возможно произвести сравнение метода вибрационной и тепловой диагностики. Для решения поставленной задачи необходимо разработать методику диагностирования герметичного компрессора холодильника с применением современных средств технического диагностирования.
Обязательным условием проведения технического диагностирования является создание диагностической модели. Для этого необходимо рассмотреть устройство герметичного компрессора бытовой холодильной машины, представленного на рисунке 6.
Техническое состояние механизма определяется, если известно значение каждого нормированного параметра. Эти параметры должны однозначно соответствовать определенным деталям оборудования. Такое задание объекта называют моделью его технического состояния.
Таблица неисправностей является конечным результатом математического описания объекта диагностирования и представляет собой собственно таблицы неисправностей и решающих правил (таблица 5).
Рисунок 6 - Устройство герметичного компрессора бытовой холодильной машины: 1 -
поршень; 2 - крышка кожуха; 3 - амортизатор; 4 -обмотка статора; 5 - ротор; 6 - клапанная плита 7 -крышка головки; 8 - шпилька; 9 - ползун кулисы; 10
- статор; 11 - прокладка; 12 - шпилька подвески; 13
- пружина подвески; 14 - кронштейн подвески; 15 -
шейка вала.
Таблица 3 - Нормированные параметры виброперемещений исправногогерметичного компрессора
информации внесем данные в таблицу. В таблице 3 представлены нормированные параметры виброперемещений исправного герметичного компрессора, а в таблице 4 - нормированные параметры температуры кожуха компрессора.
Таблица 4 - Нормированные параметры температуры кожуха компрессора
Шифр Температурный параметр, °С Время, мин
0 15 30 60
Т1 Температура кожуха 25 35 45 48
Т2 Температура кожуха 25 32 44 48
Т3 Температура кожуха 25 28 43 48
Шифр Параметр Частоты, Гц
50 100 160 630
Значение виброперемещения, мкм
S1 Зазор опорного подшипника ротора 20 6 4 -
S2 Зазор упорного подшипника ротора 24 6 - -
S3 Зазор кривошипной шейки вала 18 8 - -
S4 Зазор верхней втулки шатуна 20 6 - -
S5 Зазор поршень-цилиндр 10 5 - -
S6 Зазор нагнетающего клапана 5 - - -
S7 Зазор всасывающего клапана 5 - - -
S8 Пружинный кронштейн подвески корпуса компрессора 25
Для создания диагностической модели необходимо выявить нормированные параметры, которые получены путем проведения замеров заведомо исправных моторов компрессоров. Для удобства отображения полученной
Вибрационные параметры получены с вибропреобразователей АР-98-100. Расположение датчиков согласно нормативным документам. Измерения проводились при температуре = 25°С и относительной влажности = 75%.
Измерения температуры проводились при помощи температурных датчиков, расположенных на кожухе компрессора. Расположение датчиков выбрано согласно методам проведения испытаний герметичных компрессоров [ГОСТ 17008-85].
Таблица неисправностей является конечным результатом математического описания объекта диагностирования и представляет собой собственно таблицы неисправностей и решающих правил (таблица 5).
Вибродиагностика герметичного поршневого компрессора холодильной машины
Составим план измерений:
1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при проведении технического диагностирования и виброизмерений.
2. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации измерительного блока с применением вибропреобразователей АР-98-100.
3. Собрать измерительную схему, для чего:
- установить два датчика измерения вибраций (вибропреобразователь АР-98-100) во взаимно-перпендикулярных плоскостях на корпусе герметичного мотор-компрессора;
- подключить датчики к измерительному блоку;
- подключить разъём питания измерительного блока;
- подключить разъём передачи данных USB к Notebook;
- проверить измерительную схему;
- включить питание измерительного блока и Notebook.
Таблица 5 - Типовые неисправности герметичного мотор-компрессора
4. Выполнить настройку программного обеспечения "У!Ьго8.
5. Провести измерение вибраций:
- записать сигналы перемещения, скорости и ускорения;
- построить спектры сигналов;
- занести полученные результаты в таблицу 6.
6. По полученным данным провести анализ
состояния мотор-компрессора.
Технические средства, используемые для выполнения поставленной задачи, представлены в таблице 7.
Для удобства диагностирования создадим расширенную таблицу неисправностей. Расширенная таблица неисправностей включает по вертикали (слева) перечень неисправностей, по горизонтали - диагностические параметры, справа (по вертикали) даются решающие правила. Описание неисправности осуществляется комплексом параметров, которые предоставлены в клетках, в которых проставляются значения параметров в символах алгебры логики «1» или «0» в зависимости от конкретных определений параметров, согласно нормам, приведенным в верхней части таблицы. Таблицу 6 персонал может использовать как метод «диагностического мышления» для оценки состояния и поиска конкретных неисправностей.
Для оценки погрешности эксперимента необходимо рассмотреть инструментальные/приборные погрешности, определяющиеся погрешностями применяемых средств измерений и вызванные несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы (таблица 8).
Субъективные/операторные/личные погрешности обусловлены степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора. Примем погрешность измерений ±1,5 % опираясь на данные полученные из «Инструкция по эксплуатации вибропреобразователя АР-98-100».
Рисунок 7 - Структурная схема лабораторного стенда
Измерения проводить при температуре / = 17...30°С и относительной влажности ф = 75%. Предельно допустимые значения вибрации представлены в таблице 9.
Струк
Ши фр Неисправность Причина тур- ный параметр
Б1 Износ опорного подшипника ротора Износ, увеличенный диаметральный 81
зазор
Б2 Износ упорного подшипника ротора Износ, увеличенный диаметральный зазор 82
Б3 Износ кривошипной шейки вала Износ, увели- 83
ченный зазор
Б4 Износ верхней Износ, увели- 84
втулки шатуна ченный зазор
Б5 Износ группы поршень- Износ, увеличенный зазор 85
цилиндр
Б6 Низкое давление всасывания/нагнетания Износ, увеличенный зазор 86, 87
Б7 Несоосность Износ, увели- 81, 82,
ротора и статора ченный зазор 88
Б8 Загрязнение, механическое
Отсутствие давления на стороне нагнетания повреждение (разрушение поршня, обрыв шатуна, разрушение клапанной плиты) 81-88
Б9 Электродвига- Сгорание/перегрев пусковой об-
тель не вращается мотки, сгорание/перегрев основной обмотки, , Т1
Б10 Электродвига- Срабатывание
тель не вращает- термопредо- Т2
ся хранителя
Б11 Электродвигатель не вращается Перегрев кри-вошипно- Т3
шатунного ме-
ханизма
Таблица 6 - Расширенная таблица неисправностей
Шифр диагноза Диагностический параметр
Виброперемещение, мкм Температура, °С
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 T1 T2 T3
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 (N V 0 (N л <N V <N л 8 V 8 л 0 <N V 0 <N л о V о л ич V л ич V ич л 5 (N V 5 (N Л 0 ич V 0 ич Л 0 «ч V 0 «ч Л 0 «ч V 0 «ч Л
D1 0
D2 - - 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
D3 - - - - 0 - - - - - - - - - - - - - - - - -
D4 - - - - - - 0 - - - - - - - - - - - - - - -
D5 - - - - - - - - 0 - - - - - - - - - - - - -
D6 - - - - - - - - - - 0 - 0 - - - - - - - - -
D7 0 - 0 - - - - - - - - - - - 0 - - - - - - -
D8 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - 0 - - - - - - -
D9 1
D10 1
D11 1
Таблица 7 - Состав технических средств
Наименование Ед. изм. Кол-во
Notebook с установленным программным обеспечением шт. 1
Блок измерительный восьмиканальный в транспортировочном кейсе шт. 1
Вибропреобразователь АР-98-100 шт 2
Стенд «Поршневой компрессор холодильника» шт. 1
Рисунок 8 - Схема соединения блоков: 1 - стенд «Компрессор холодильной машины»; 2 - вибропреобразователь АР-98-100; 3 - блок измерительный восьмиканальный в транспортировочном кейсе; 4 -Notebook c установленным программным обеспечением.
Сопоставление полученных результатов (рисунок 10 б, в) с нормами представленных в таблице 9 показало, что уровни вибрации находятся на переходе из зоны «А» в зону «В», что соответствует оценке «хорошо» и «приемле-
мо». Это объясняется влиянием относительно малых динамических сил, которые определяются, в том числе и инерционными нагрузками, действующими со стороны механизма движения на блок-картер компрессора.
В результате измерений вибраций были записаны следующие сигналы виброускорения, виброскорости, виброперемещения (рисунок 9).
При дальнейшей обработке сигналов построены спектры виброускорения, виброскорости, виброперемещения (рисунок 10).
Таблица 8 - Значения относительной погрешности оборудования
Параметр Значение погрешности
Уровень собственных шумов в единицах виброускорения, не более, м/с2 0,01
Пределы основной относительной погрешности измерений частот синусоидальных сигналов переменного тока, % ±0,1
Пределы основной относительной погрешности измерений напряжений постоянного тока, % ±1,5
Источник данных: Инструкция по эксплуатации вибропреобразователя АР-98-100
В результате исследования методом вибрационной диагностики можно сделать вывод о том, что на данный момент механические части герметичного компрессора не требуют ремонта.
Проведенное исследование герметичного компрессора позволило выявить преимуще-
ства и недостатки в применении данного метода.
Преимущества:
1. Вибрационная диагностика позволяет выявлять дефекты оборудования без нарушения целостности объекта исследования (герметичности, демонтажа).
2. Одним из преимуществ метода является высокая точность, даже при применении не дорогого диагностического оборудования, постановки конкретного диагноза.
3. Возможность конкретизировать дефект, с помощью вибромониторинга прогнозировать возможность распространения дефекта.
Рисунок 9 - Записанные в результате измерения вибраций сигналы: а - виброперемещения; б -вибрскорости; в - виброускорения
Недостатки:
1. Диагностирование объекта состоящего не только из механических частей, но и из электрических цепей не дает полного описания объекта.
2. Труднодоступность нормативной документации в узконаправленных областях. Необходимость проведения статических экспериментов.
3. Для проведения диагностики данным методом необходим специально подготовленный персонал.
2£.п)кт
30
> I
А,м/<1
1
<оо мо
05
100
XX)
Рисунок 10 - Спектры СКЗ: а - виброперемещения; б - вибрскорости; в - виброускорения
Таблица 9 - Предлагаемые предварительные нормы вибрации поршневых холодильных
СКЗ виб] рации * Оценочные зоны
Ve, мм/с Se, мкм
1,1 18 А - хорошо
1,8 28
2,8 45
4,5 71 В - Приемлемо
7,1 113 С - Допустимо
11,2 140 Б - Недопустимо
18 220
28 283
Тепловая диагностика герметичного компрессора бытовой холодильной машины
Согласно ГОСТ 17008-85 тепловые методы контроля применяются еще на этапе поверки герметичных компрессоров холодильников. Диагностирование тепловыми методами диагностики позволит выявить электрические дефекты (при их наличии). Составить план измерений. Ознакомиться с правилами техники безопасности при проведении технического диагностирования и тепловой диагностики .
б
а
в
Условия измерений следующие. Измерения проводить при температуре 1 = 17...30°С и относительной влажности ср = 75%.
Температура Тмакс = 53Х - температура аварийного отключения компрессора в случае перегрева, отключение происходит из-за обрыва цепи самовосстанавливающегося термопредохранителя, расположенного на корпусе компрессора [РД 8530-1124-04 Компрессор герметичный АТЛАНТ типа ск 100].
ГОСТ 8865-93 устанавливает следующие классы нагревостойкости электроизоляционных материалов и характерные для них предельные температуры. Диагностируемому электродвигателю соответствует класс нагрево-стойкости А температура обмоток не более 60°С Измерение температуры проводяться методом измерения сопротивления или методом применения термопары. Время измерений - 60 минут.
Как и при проведении измерений при помощи методов вибродиагностики, для оценки погрешности эксперимента необходимо рассмотреть инструментальные/приборные погрешности и субъективные/ операторные/ личные погрешности. Примем погрешность измерений ±1,5 % .
Технические средства, используемые для выполнения поставленной задачи, представлены в таблице 10.
План измерений: 1. Ознакомиться с электрической схемой герметичного компрессора .
Таблица 10 - Состав технических средств
2. Собрать измерительную схему:
- установить три датчика измерения температуры (термопара ETP-01) равно удаленных друг от друга на корпусе герметичного компрессора;
- подключить датчики к измерительному блоку;
- подключить разьем питания измери-
тельного блока;
- отключить разьем передачи данных USB к Notebook;
- проверить измерительную схему;
- включить питание измерительного блока и Notebook.
3. Выполнить настройку программного обеспечения UT61B:
- произвести измерение сопротивления обмоток электромотора при помощи поверенного прибора;
- провести измерение температурного поля в течении 1 часа непрерывной работы компрессора;
- произвести измерение сопротивления обмоток электромотора при помощи поверенного прибора ИСО-1.
4. По полученным данным провести анализ состояния мотор-компрессора.
Структурная схема комплекса представлена на рисунке 11. Результаты исследования
Рисунок 11 - Структурная схема лабораторного стенда
В результате тепловой диагностики построен график температур, полученных с температурных датчиков, представленный на рисунке 12.
Как видно из рисунка 12, температура компрессора превысила максимально допустимую температуру, при которой срабатывает термопредохранитель и отключает электродвигатель.
В соответствии с РД сопротивление обмоток данного электродвигателя должно изменятся не более чем в 2 раза от сопротивления при температуре Т = 25°С Многочисленными опытами установлено, что долговечность (срок службы) изоляции сокращается вдвое, если температура, при которой она работает, на 6-8°С превышает предельную для данного класса нагревостойкости.
Сопротивления обмоток представлены в таблице 11 .
Наименование Ед. изм. Кол-во
Notebook с установленным программным обеспечением шт. 1
Блок измерительный UT61B шт. 1
Датчик температурный (термопара ETP-01) шт. 3
Измеритель сопротивления обмоток ИСО-1 шт. 1
Стенд «Поршневой компрессор холодильника» шт. 1
Таблица! 1 - Сопротивления обмоток электродвигателя
Нумерация обмоток в соответствии с номерами выводов ^ = 25 °С Нормированное, Ян Споротивление, Ом T = 55 °С ± норм ^ Нормированное Споротивление, Ом ^ = 25 °С Сопротивление, Ом ^ = 57 °С Сопротивление, Ом
1-2 11,5 - 12,3 Ян+20% 11,903 15,705
2-3 18,7 - 19 Ян+20% 18,942 26,291
3-1 14,2 - 15 Ян+20% 14,402 16,743
Из полученных данных стоит сделать вывод, что обмотки электродвигателя находятся в нормальном техническом состоянии.
Как видно из рисунка 12, температура компрессора превысила максимально допустимую, при которой срабатывает термопредохранитель и отключает электродвигатель. Этот дефект электрической схемы не влияет на работоспособность компрессора, но в случае увеличения нагрузки на компрессор, а вследствие этого произойдет увеличение температуры компрессора, возможен перегрев обмоток электродвигателя или кривошипно-шатунного механизма. Это может привести к необратимым последствиям. Стоит заметить, что перегрев компрессора негативно сказывается на всем холодильном цикле.
60
Рисунок 12 - График измеренной температуры кожуха герметичного компрессора
В результате тепловой диагностики выявлен дефект в электросхеме герметичного компрессора. Так как дефект обнаружен на ранней стадии, мотор-компрессор остался не поврежденным.
Из полученных результатов можно выделить следующие преимущества и недостатки метода.
К преимуществам метода отнесём:
1. Обилие нормативной документации, что значительно облегчает проведение диагностики.
2. Данный метод работает как в совокупности с другими методами технического диагностирования, так и самостоятельно. Данные методы стремительно развиваются.
3. Стоимость оборудования. Для измерений показаний не требуются дорогостоящее оборудование.
4. Косвенное диагностирование как механических, так и электрических дефектов.
Недостатками метода являются:
1. Существует прямая пропорциональность - чем точнее прибор (обеспечивающий точность измерения), тем он дороже.
2. Отключение оборудования по какой-либо причине приведет к невозможности проведения диагностики.
Заключение
Для проведения анализа авторы исследования провели два эксперимента. В качестве объекта исследования выбран герметичный компрессор холодильника. Сложность диагностирования данного объекта заключается в том, что отсутствует нормативная документация (диагностические параметры, методики измерений). Авторами разработаны способы диагностирования, в которых применены методы вибрационной диагностики и теплового контроля. Поскольку диагностируемые параметры по своей физической сущности различны и провести строгое отношение не представляется возможным сравнение методов проведено на основе научного эксперимента.
По результатам эксперимента выявлено, что метод вибродиагностики способен выявлять только механические дефекты механизмов мотор-компрессора, что в результате не дает полной картины о его техническом состоянии, но достаточно точно диагностирует механический дефект. С помощью теплового метода
можно проводить диагностику механических и электрических частей механизма мотор-компрессора, но получить достаточную точность диагноза удается лишь с применением относительно дорогостоящего оборудования. Актуальность применения данных методов в области ремонта и технического обслуживания герметичных компрессоров заключается в том, что нет необходимости нарушать целостность объекта диагностирования.
Опытным путем выявлено, что применение данных методов возможно только при условии полной или частичной работоспособности объекта - это является существенным недостатком.
В целом стоит сделать вывод о том, что применение методов отдельно друг от друга в области ремонта герметичных компрессоров является не целесообразным. Диагностирование одновременно двумя методами однозначно опишет точную картину об исследуемом объекте.
В литературе известен термин вибротепло-диагностика. Очевидно, что применение данного метода наиболее актуально. Отсутствие методик измерений и нормативной документации в таком случае удается легко компенсировать.
Литература
1. ГОСТ 18353-79 Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. Группа Т59. Nondestructive check. Classification of types and methods. [Текст] Дата введения 1980-07-01. Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 11 ноября 1979 г. № 4245 дата введения установлена 01.07.80. Взамен ГОСТ 18353-73 // Электронный фонд нормативно-правовой документации. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/gost-18353-79 (дата обращения 5.05.2016)
2. ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика. Термины и определения Technical diagnostics. Terms and definitions [Текст]. Дата введения 1991-01-01.Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 26.12.89 № 4143. Взамен ГОСТ 20911-75. Переиздание. Ноябрь 2009 г. Режим доступа http://docs.cntd.ru/document/1200009481 (дата обращения 5.05.2016)
3. Лепеш, Г.В. Современные методы и средства диагностики оборудования инженерных систем зданий и сооружений/ Г.В. Лепеш // Технико-технологические проблемы сервиса. -2015. - № 4(34) - С. 3 - 8.
4. Лепеш, Г.В. Диагностика и комплексное обслуживание инженерно-технических систем и оборудования зданий и сооружений/ Г.В. Лепеш // Технико-
технологические проблемы сервиса. -2015. - № 5(35)
- С. 6 - 16.
5. Лепеш, Г.В. Оперативный контроль и диагностика оборудования/ Г.В. Лепеш, В.Н.Куртов, Н.Г.Мотылев и др.// Технико-технологические проблемы сервиса. -2009. -№ 3(9). С.8 - 16.
6. ГОСТ 25314-82 Контроль неразрушающий тепловой. Термины и определения. [Текст]. Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 18 июня 1982 г. № 2446 дата введения установлена 01.07.83. Режим доступа http://files .stroyinf.ru /Data2/ 1/4294829/4294829093.htm (дата обращения 5.05.2016) (дата обращения 5.05.2016)
7. РД 13-04-2006 Методические рекомендации о порядке проведения теплового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах [Текст] Утверждены приказом Ростехнадзора от 13 декабря 2006 г. № 1072 Введены в действие 25.12.2006 г. Режим доступа http://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/ 49/49238/(дата обращения 5.05.2016)
8. ГОСТ Р 53565-2009. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Вибрация центробежных насосных и компрессорных агрегатов [Текст]. Режим доступа http://standartgost.ru/g /ГОСТ_Р_53565-2009
9. ГОСТ 30296-95 Межгосударственный стандарт. Аппаратура общего назначения для определения основных параметров вибрационных процессов. Общие технические требования [Текст]. Режим доступа http://docs.cntd.ru/document/1200009481 (дата обращения 5.05.2016)
10. ГОСТ ИСО 2954-97 Вибрация машин с возвратно-поступательным и вращательным движением. Требования к средствам измерений [Текст]. Режим доступа http://standartgost.ru/g/ГoСТ_30296-95
11. ГОСТ Р 53565-2009. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Вибрация центробежных насосных и компрессорных агрегатов [Текст]. Режим доступа http://standartgost.ru/g/ ГОСТ_Р_53565-2009 (дата обращения 5.05.2016)
12. ГОСТ Р 53564-2009 Контроль состояния и диагностика машин. Мониторинг. Режим доступа http://standartgost.ru/g/ГОСТ_Р_53564-2009
13. Барков, А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: учебное пособие [Текст]
— СПб., 2000. - 158 с.
14. Техническая диагностика газотранспортного оборудования. Режим доступа: http:/ ftk-nnov.ru/tekhnicheskaya-diagnostika-gazotransportnogo-oborudovaniya/ sravnitelnye- ocenki- metodov-diagnostiki- gpa. html. (дата обращения 14.03.2016)
15. Интегральная методика диагностики подшипников качения в процессе эксплуатации /[Текст] / Вестник машиностроения - 2000. - № 6. - С. 62-63
16. Мигаль, В.Д. Методы технической диагностики автомобилей: учебное пособие [Текст] - М.: Форум, Инфра, 2014. - 416 с.
17.ПБ 03-440-02 Правила аттестации персонала в области неразрушающего контроля [Текст] // Нормативные документы в сфере деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. Серия 28. Выпуск 3. / Коллектив авторов - М.: ЗАО «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», 2010. - 58 с.
18. Об энергосбережении и энергоэффективности [Текст]: федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-Ф3; ред. от 13.07.2015. № 0001201507130077. Режим доступа www.pravo.gov.ru.
УДК 62-133.2.1
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕМПЕРАТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ АВТОТРАКТОРНОЙ КАБИНЫ В ЛАБОРАТОРИИ С КЛИМАТИЧЕСКОЙ
КАМЕРОЙ
19. Технические средства диагностирования: Справочник / В.В.Клюев, П.П.Пархоменко, В.Е.Абрамчук и др.; / Под общ. ред. В.В.Клюева. — М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.
20.Вибрации в технике. Том 5 [Текст] / Ред. совет: В.Н.Челомей и др. - М: Машиностроение, 1981, — 496 с.
21.Алексеенко, В.М. Тепловая диагностика элементов ходовых частей подвижного состава: докторская диссертация [Текст] - Ростов -на-Дону, 2000. - 408 с.
Э.Д.Васильева1, М.А.Петров2, Р.Т. Хакимов3
1 2
, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ), 196605, г. Санкт-Петербург ,г. Пушкин, Петербургское ш. д.2;
3Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, г. Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21.
В основу разрабатываемой климатической лабораторной установки положена представленная модель теплового баланса испытуемой кабины автотракторной техники. В работе представлены экспериментальные данные и полученные при этом зависимости характеризующие эффективность работы системы кондиционирования и используемых теплоизоляционных материалов. Представленная методика способствует уточнению сходимости теоретических основ и экспериментальных исследований теплового баланса кабины автотракторной техники.
Ключевые слова: кабина, температурно-динамическое испытание, климатическая камера, автотракторная техника, тепловой баланс.
RESULTS OF TEMPERATURE-DYNAMIC TESTS OF THE AUTOTRACTOR CABINES IN
LABORATORY WITH A CLIMATIC CAMERA
E.D.Vasileva, M.A.Petrov, R.T.Khakimov
St. Petersburg State Agrarian University (SPbGAU), 196605, St. Petersburg, g. Pushkin, Petersburg Rd. D 2; St. -Petersburg state university of economics (SPbGEU),191023, St. Petersburg, Sadovaya str., 21 The basis of the developed climate laboratory setup put the model of thermal balance test of the cab of tractors. The paper presents experimental data and the resUlting dependence characterizing the efficiency of air-conditioning systems and used thermal insulation materials. The presented method leads to improved convergence of the theoretical foundations and experimental studies of the heat balance of the cabs of trucks and tractors.
Keywords: cabin, temperature-dynamic testing, climatic Cabinet, automotive equipment, heat balance.
Большие размеры автотракторной техники требуют значительного увеличения размеров климатической камеры, сложной системы отвода перегретого воздуха и т.д. Поэтому представляется более рациональным решение вопроса путем создания лабораторной установки по испытанию теплоизоляционных свойств кабины в различной комплектации теплоизоляционным
материалом, а также различных конструкций систем кондиционирования воздуха. Это позволит получать данные, которые можно сравнивать друг с другом, а в реальных условиях проводить лишь контрольные замеры в отдельных точках, что существенно снизит затрата на исследования при получении более полной картины явлений.
1 Васильева Элина Дмитриевна - бакалавр по направлению подготовки 35.03.06 - Агроинженерия СПбГАУ, тел.: + 79110274194, е-mail: mirenateli.hortitza@yandex.ru;
2Петров Михаил Александрович - бакалавр по направлению подготовки 35.03.06 - Агроинженерия СПбГАУ , тел.: +79112661542, E-mail: goth200909@ya.ru;
3Хакимов Рамиль Тагирович - кандидат технических наук, доцент кафедры Автосервис, СПбГЭУ, тел. +79043356327, e-mail: haki7@mail.ru
