Выявление дефектов подшипников качения с помощью анализа вибрации

Сервис

Квалификация	Специалист по сервису
Форма и сроки обучения	Очная (5лет), заочная (6лет.), для лиц с высшим профессиональным образованием - 3 года 7месяцев
Места работы	Федеральные, республиканские, региональные, местные органы управления и учреждения в сфере сервиса, предприятия индустрии сервиса
Возможные должности	Предприниматель малого бизнеса, менеджер крупной сервисной фирмы, консультант фирмы по продажам и сервисному обслуживанию, специалист по разработке технологических процессов оказания услуг для индивидуального потребителя
Базовые дисциплины	Экспертиза и диагностика объектов и систем сервиса, технологические процессы в сервисе, технические средства предприятий сервиса, системы автоматизированного проектирования в сервисе, проектирование процесса оказания услуг, человек и его потребности (сервисология), сервисная деятельность, психодиагностика, психологический практикум, компьютерная графика, профессиональная этика и этикет, системный анализ в сервисе, информационные технологии в сервисе, менеджмент и маркетинг в сервисе, предпринимательская деятельность, основы функционирования систем сервиса, прогнозирование и планирование в сервисе
Виды деятельности:	· исследование и разработка методов управления качеством, стандартизации и сертификации изделий и услуг; · планирование сервисной деятельности предприятий; · прогнозирование развития предприятия на рынке услуг; · организация проведения экспертизы, диагностики, сертификационных испытаний различных видов услуг; · организация технологического процесса для исполнения услуги; · разработка проекта и технологии оказания услуги и др.
Специализация:	· автосервис; · сервис на транспорте; · сервис телекоммуникационных и информационных систем · сервис на предприятиях нефте-газового комплекса; · сервис на предприятиях индустрии моды

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ КОМПРЕССОРНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Гриб В.В. (МАДИ (ТУ), Соколова А.Г. (ИМАШ РАН), Еранов А.П. (ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа"), Давыдов В.М., Жуков Р.В. (ООО НПП "Механик") Статья опубликована в журнале "Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт", 2002г., №10, С.57-65.

С начала 90-х годов в России почти не проводилось обновления основных фондов предприятий. Это привело к тому, что большая часть (60-80%) технологического оборудования нефтегазохимических производств выработало нормативный ресурс и его дальнейшая эксплуатация уже приводит к созданию аварийных ситуаций [1]. С целью технического перевооружения нефтегазового комплекса, Правительством РФ разработана и утверждена Федеральная целевая программа "Энергоэффективная экономика" до 2010г., которая предусматривает постепенное обновление основной части оборудования.
В связи с вышеизложенным, для обеспечения безопасной эксплуатации ныне действующего оборудования все с большей остротой встает вопрос его технического диагностирования с целью определения остаточного ресурса. Это уже становится государственной задачей, важность которой отмечена в постановлении Правительства РФ "О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации" от 28.03.2001 №241. Кроме этого, обеспечение высокой эффективности нефтегазохимического комплекса в будущем - даже при полном обновлении средств производства, - немыслимо без технологии контроля и мониторинга технического состояния всего оборудования, конечной целью которой является переход от системы ремонтов "по регламенту" к ремонтам "по состоянию".
В данном обзоре рассмотрены и проанализированы основные методы технического диагностирования компрессорного оборудования, которые нашли широкое применение в современной промышленности.
Лидирующее положение в России в области технического диагностирования энергомеханического оборудования занимают АООТ "ВНИИнефтемаш", ОАО "ВНИКТИнефтехимоборудование", ОАО "Газпром", ОАО "ГИАП", ИМАШ РАН, ОАО "ЛенНИИхиммаш", МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", ОАО "НИИхиммаш", РГУНГ им. И.М. Губкина, ДАО ЦКБН и другие организации.
В практике диагностирования компрессорного оборудования известны и получили распространение различные методы определения их технического состояния [1-5].
Органолептические методы используются для предварительной оценки технического состояния машины [2, 3]. В неисправной машине появляются дополнительные шумы, стуки, повышение температуры, по которым судят о характере дефекта.
Визуальный осмотр труднодоступных зон промышленных установок, который является одним из видов метода, проводится с помощью эндоскопов. Они выпускаются фирмами: ДАО "Оргэнергогаз" ИТЦ "Оргтехдиагностика" (Россия), МНПО "Спектр" (Россия), IT Concepts/Интек (Россия), OLYMPUS (США), EVEREST VIT (США), Helling GmbH (Германия) и другими. Эндоскопы имеют различные конструкции: гибкие и жесткие, волоконно-оптические и линзовые, и подразделяются, в свою очередь, на фиброскопы, бороскопы, видеоэндоскопы. Для освещения контролируемого участка в них устанавливается источник света, а встроенная видеокамера позволяет отображать информацию на экран монитора. Визуальный контроль может быть дополнен стробоскопическими методами.
Иногда применяются технические стетоскопы (функционирующие в звуковом диапазоне частот), которые позволяют локализовать дефектный узел машины с повышенными стуками и шумами.
Для количественной оценки технического состояния машины необходимо применение инструментальных методов диагностирования. В настоящее время определен комплекс параметров, которые характеризуют техническое состояние основных узлов и систем компрессорного оборудования.
Параметрическая диагностика (по термогазодинамическим параметрам) широко применяется при контроле состояния проточной части центробежных машин, цилиндро-поршневой группы и клапанов поршневых машин, негерметичность уплотнений и тому подобное. В качестве диагностических признаков используются параметры давления и температуры газа ступеней компрессора, его производительность, температура охлаждающей воды в холодильниках, рубашках цилиндров, ее расход, ток, потребляемый электродвигателем из сети и тому подобное [4, 6]. Результаты этих измерений представляются на регистрирующих устройствах центрального пульта управления цеха или на ЭВМ. В дополнение к этим параметрам могут измеряться температура подшипников, давление масла, уровень вибрации [3, 4].
Так, в работе [7] разработана методика диагностирования центробежных компрессоров по газодинамическим параметрам, которая позволяет в условиях эксплуатации устанавливать качественное и количественное влияние на характеристики ступени эксплуатационных нарушений в проточной части, включая износ уплотнений, загрязнение межлопаточных каналов диффузора, загрязнение теплообменников и неплотности в их проточной части.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана создана автоматизированная система контроля, позволяющая контролировать до 60 медленноменяющихся (температура, давление, производительность и так далее) и до 10 быстроменяющихся параметров (индикаторная диаграмма, перемещение запорных органов клапанов и так далее) поршневых компрессоров [8]. Она позволяет измерять всю совокупность параметров, характеризующих работоспособность машины, в объеме, необходимом для проведения испытаний в соответствии с ГОСТ 20073-81, ISO 1217*. Кроме того, система обеспечивает отслеживание переходных режимов (пуск, остановка) работы компрессора.
Фирма "HOERBIGER" (Австрия), специализирующаяся на конструировании клапанов, разработала аналогичную систему мониторинга поршневых компрессоров. Благодаря контролю и анализу индикаторного давления, температуры, вибрации и других параметров, определяются неисправности в клапанах, различных уплотнениях и других узлах.
Исследования, проведенные для холодильных поршневых компрессоров [9], показали, что холодопроизводительность машины зависит от ее технического состояния. На ее изменение непосредственное влияние оказывают величины зазоров в цилиндро-поршневой группе и мертвое пространство, которое определяется, в некоторой степени, и зазорами в узлах механизма движения. При измерении производительности компрессора на одном и том же рабочем режиме, по установленным зависимостям оценивают значения зазоров, после чего определяют величины отработанного и остаточного ресурса. В работе [10] для определения мертвого пространства и положения поршня в верхней мертвой точке в процессе эксплуатации, характеризующие износ цилиндро-поршневой группы, предлагается использовать вихретоковый метод.
Эффективным методом диагностирования состояния трущихся деталей является анализ продуктов износа в смазочном масле (трибодиагностика). Одним из отечественных основоположников этого метода являются ученые РГУНГ им. И.М. Губкина. Среди всего многообразия способов определения концентрации продуктов изнашивания в отработанном масле наибольшее распространение получили спектральные методы, характеризующиеся высокой точностью и чувствительностью [2, 4, 11]. Посредством анализа проб масла определяют концентрацию в нем того или иного составляющего элемента материала трибосопряжения, по величине которой оценивают осредненный износ соответствующей детали. Недостатком метода является определение суммарного износа деталей, изготовленных из одних и тех же конструкционных материалов. Следует отметить, что широкого распространения в промышленности трибодиагностика пока еще не получила. Но перспективно ее применение для оценки работоспособности подшипников качения газоперекачивающих агрегатов (ГПА) [3, 4].
Спектрометры выпускаются различными отечественными и зарубежными организациями: РГУНГ им. И.М. Губкина (Россия), Baird (США), Vickers (США) и другие. Они позволяют определять содержание до 64 элементов примесей и массы частиц до 0,05 мг.
Для контроля деградационных процессов деталей машин и элементов конструкций оборудования нашел распространение метод поверхностной активации (МПА), разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ГНЦ РФ Физико-энергетического института (г. Обнинск) и других научно-исследовательских институтах [12, 13]. Он основан на измерении интенсивности излучения радионуклидной метки, установленной на контролируемом участке поверхности объекта. В результате уноса радиоактивного вещества смазочным маслом в машине или транспортируемой средой в трубопроводе, ее излучение уменьшается. По градуировочным кривым это изменение переводят в величину износа. Этот метод применяется при определении износа цилиндров, подшипников двигателей, компрессоров, коррозии трубопроводов и другого оборудования газовой и нефтехимической промышленности. (в конце статьи см. список нормативно-технической документации)
Практический опыт показал, что для контроля технического состояния узлов машинного оборудования и трубопроводов нагнетателей вибрационный метод является одним из наиболее информативных. Он основан на использовании информации, содержащейся в колебательных процессах. При этом любой дефект какого-либо узла, который подвергается механическому воздействию со стороны движущихся частей или потока пульсирующего газа, характеризуется индивидуальным "вибрационным портретом". В связи с тем, что вибродиагностический метод нашел наиболее широкое распространение во всех отраслях промышленности, рассмотрим его несколько подробнее.
Измерение интегральных вибрационных характеристик позволяет определить общее техническое состояние машины. В основу нормирования абсолютной вибрации заложены рекомендации международного стандарта ИСО 2372-74, в котором в качестве критерия используется среднее квадратическое значение (СКЗ) виброскорости в диапазоне частот от 10Гц до 1кГц. Они основаны на допущении, что подобные по мощности, высоте оси вращения, частоте вращения, способам установки, условиям монтажа и эксплуатации агрегаты имеют примерно одинаковые допустимые значения вибрации при достижении предельного состояния. Базовым нормативным документом по вибрации в настоящее время является ГОСТ ИСО 10816-1-97, введенным в действие на территории РФ в 1999г., в котором указано, что при сосредоточении значительной части вибрационной энергии за пределами диапазона 10 1000Гц, дополнительному нормированию подвергается СКЗ виброперемещения и виброускорения в соответствующей полосе частот. Причем в качестве критериев оценки используют не только абсолютное значение вибрации, но и их изменение в процессе эксплуатации. Нормы вибрации на машины конкретных типов разработаны во 2 6 частях базового стандарта ГОСТ ИСО 10816-1-97, а также ГОСТ 25364-97.
Общие требования измерения относительной вибрации указаны в ГОСТ Р ИСО 7919-1-99, в котором используются те же два критерия. В качестве измеряемого параметра принят размах виброперемещения вала относительно корпуса подшипника. На базе этого стандарта в различных его частях разработаны нормы для различных машин.
В настоящее время на рассмотрении находится международный стандарт по вибрации и ее анализу ISO 13379.
Различные дефекты узлов машин характеризуются различным распределением составляющих вибрации в ортогональных направлениях. Поэтому нормирование интенсивности вибрации корректно проводить раздельно по каждой пространственной составляющей вибросигнала в полосе частот, характерной для данного узла [14]. Необходимость в различии оценки горизонтальной и вертикальной вибрации отмечается в стандартах VDI 2056, ГОСТ Р ИСО 10816-3-99 и других.
Однако развитие того или иного дефекта в узле машины приводит не столько к увеличению суммарного значения вибрации, сколько к возрастанию амплитуды отдельных гармоник, даже незначительного относительно общего уровня, и поэтому организация контроля поведения отдельных частотных составляющих позволяет распознавать различные неисправности и следить за ходом их развития. Технически это реализуется при разложении вибросигнала в спектр с помощью преобразования Фурье. О том, насколько эффективно использование спектрального анализа при дифференцированной оценке состояния узлов, показано в [15-17].
Статистическое накопление и анализ корреляционно-спектральных характеристик вибросигнала, проведенные применительно к оппозитным компрессорам, позволили установить их взаимосвязи с износом в узлах механизма движения [18].
Существенную помощь при диагностировании и хорошим дополнением к экспериментальным методам оценки технического состояния машинного оборудования может служить компьютерное моделирование динамики и изнашивания узлов, позволяющее связать воедино изменение функциональных и динамических параметров машины с износом отдельных ее элементов и прогнозировать эти процессы на время будущей эксплуатации [19,20]. Таким способом в работе [21] определены гармоники вибрации основных дефектов поршневых компрессоров.
Неисправный узел, работа которого сопровождается ударом, эффективней диагностировать с помощью анализа амплитуды огибающей вибросигнала. Этот метод базируется на том, что периодическая последовательность ударных импульсов, возбуждающая в той или иной степени весь спектр собственных частот механизма, наилучшим образом - без помех, вызванных рабочим процессом,- проявляется в высокочастотной области в виде амплитудной модуляции вибрационного процесса. Полосовая фильтрация высокочастотного сигнала с последующим преобразованием Гильберта (либо детектированием) и спектральным анализом амплитудной огибающей позволяет по частоте следования удара локализовать дефектный узел. Наибольшее применение этот метод нашел при контроле состояния подшипников качения и зубчатых передач. Его использование перспективно и для выявления некоторых дефектов поршневых компрессоров [15].
При диагностировании зубчатых зацеплений или подшипников качения приходится сталкиваться с присутствием в спектре вибрации множества боковых составляющих в окрестности основных частот возбуждения, что приводит к затруднению при формировании информативного диагностического признака. Кепстральный анализ, являющийся обратным преобразованием Фурье спектра сигнала в логарифмическом масштабе, позволяет объединить энергию всех боковых комбинационных составляющих основных частот дефектного узла и представить их в виде одной линии на графике [15].
Для мониторинга состояния машинного оборудования в режиме off-line широко используются портативные сборщики-виброанализаторы. Они выпускаются такими отечественными фирмами, как ДАО "Оргэнергогаз" ИТЦ "Оргтехдиагностика", НТЦ "ВиКонт" ЭАЦ "ВНИИГаз", "Диамех", НТЦ "Приз", "ИНКОТЕС", "ТСТ", "ВАСТ", "Вибро-Центр", зарубежными Bruel&Kjaer (Дания), Larson-Davis (США), Predict-DLI (США), ENTEK (США), IRD Mechanalisys (Германия) и другими.
Наряду с переносными коллекторами и анализаторами, широкое применение нашли и стационарные системы вибромониторинга, функционирующие в режиме on-line. Для повышения достоверности технического диагностирования в эти системы интегрируются и другие эффективные методы (параметрические, трибодиагностика и другие). Они позволяют непрерывно наблюдать за техническим состоянием энергомеханического оборудования всего цеха и прогнозировать его изменение, однако их стоимость в десятки, и даже в сотни раз превосходит стоимость переносных средств диагностирования.
Среди средств непрерывного мониторинга и вибродиагностики машинного оборудования особое место занимают системы фирмы "Bently-Nevada" (США) [22]. В качестве основных диагностических признаков используются траектория прецессии и положение центра вала, которые формируются из двух временных сигналов с датчиков относительного перемещения вала в подшипниках скольжения в ортогональных плоскостях. При этом используются бесконтактные вихретоковые датчики относительной вибрации - проксиметры. Форма орбиты прецессии вала и полный спектр его относительной вибрации, включающий в себя прямую и обратную составляющие вибрации, дают четкое представление о природе неисправности. Эта система мониторинга и защиты критического оборудования используется на турбокомпрессорах крупнотоннажных химических производств, таких как ОАО Новомосковская Акционерная Компания "Азот" и других предприятиях России.
Многие ведущие фирмы-производители компрессорного оборудования оснащают свои машины системами технической диагностики. Одну из таких систем разработали специалисты ОАО "МНПО им. М.В. Фрунзе" (Украина, г.Сумы) совместно с российскими предприятиями. Она ориентирована на турбокомпрессорные машины, применяемые в газовой и нефтяной промышленности и реализуется параметрическими и вибрационными методами [23, 24]. Кроме этого, в МНПО накоплен большой опыт диагностирования поршневых компрессоров параметрическими методами, что позволило фирме совместно с ОАО "Компрессор" (г.Санкт-Петербург) разработать соответствующую экспертную систему технического диагностирования (СТД) [24].
На основе данных вибродиагностики составляются различные методики и документы. Так, в ОАО "Рязанский НПЗ" разработана система технического обслуживания и ремонта насосов и компрессоров по техническому состоянию, которая одобрена Госгортехнадзором России (ГГТН). В ОАО "ИркутскНИИхиммаш" разработан руководящий документ "Центробежные машины. Организация эксплуатации и ремонта по техническому состоянию (Система планово-диагностического ремонта)", которая в 1998г. утверждена в Управлении Иркутского округа ГГТН.
В "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа" (НИИТК) вибродиагностике уделяется достаточно серьезное внимание. На проектируемых агрегатах (ГПА-16 "Волга", 2ГЦ2-23/21 и др.) разрабатываются системы встроенного мониторинга, создаются и дополняются базы данных типовых агрегатов с выявленными дефектами и вибрационными амплитудными спектрами. Совместно с фирмой "ИНКОТЕС" разрабатывается проект поставки компрессорного оборудования с встроенной автоматической системой диагностирования. Кроме того, в НИИТК разрабатываются системы, позволяющие не только констатировать факт повышенной вибрации, но и с возможностями борьбы с ней (например: применение вместо традиционных подшипниковых опор ротора - системы магнитных подвесов на ГПА-16 "Волга") [25].
В ОАО НПО "Искра" на все разрабатываемые ГПА, устанавливаются средства контроля параметров работоспособности. По требованию заказчика, машины оснащаются соответствующими датчиками и системой диагностирования, в основе которых положены различные методы [26].
Фирма "Nuove Pignone" (Италия) также предполагает введение автоматизированных СТД в ГПА, состоящей из модулей вибро-, параметрической и других методов диагностики [3].
ОАО "Газпром" рекомендует включать в паспорт ГПА начальную спектральную характеристику вибрации агрегата с целью оценки его технического состояния по изменению этой характеристики.
В ОАО "Газпром" совместно с "ВНИИГаз", "ИНКОТЕС" и другими организациями, разработан и внедрен целый ряд автоматизированных и полуавтоматизированных систем вибро-, параметрической диагностики и защиты (СВИД, КАСКАД-АНТЕС, ДСА-2001 и так далее). Они предназначены для контроля технического состояния ГПА различных типов и технологических трубопроводов - с целью создания единой отраслевой системы диагностического обслуживания газотранспортной системы [3]. Одна такая АСТД, имеющая до 320 каналов, может контролировать состояние оборудования всей компрессорной станции. Экспертная система на ЭВМ в режиме "on-line" сообщает обо всех отклонениях параметров, осуществляет поиск неисправностей и выдает рекомендации о дальнейшей эксплуатации оборудования.
В полуавтоматизированных системах сбор информации осуществляется переносными коллекторами. Такие системы применяются на устаревшем оборудовании, в которых системы автоматики и управления не приспособлены к созданию на их основе АСТД, а замена систем управления на новые не оправдана с технико-экономической точки зрения.
На базе существующих АСТД, в ОАО "Газпром" совестно с РГУНГ им. И.М. Губкина и НПО "ВНИИЭФ-Волгогаз" разрабатывается дополнительный модуль трибодиагностики [27].
На химических и нефтеперерабатывающих предприятиях нашла широкое распространение система мониторинга КОМПАКС®, разработанная в НПЦ "Динамика" [28]. Помимо контроля комплекса параметров работы машины, в экспертной системе на ЭВМ проводится анализ ее вибрационного состояния с использованием различных методов обработки вибросигнала, в том числе и статистических. По заложенным в СТД алгоритмам диагностирования и нормам на определенный тип машины, выдается сообщение о той или иной неисправности. Кроме этого, экспертная система позволяет пользователю формировать собственные правила диагностирования.
С 1991г. уже внедрено 120 таких систем на 15 предприятиях России. Отличительной ее особенностью является эффективное использование электронного документооборота, включающего в себя ремонтную, эксплуатационную документацию на каждую единицу оборудования. Использование локальной сети предприятия позволило в автоматизированном режиме предоставлять на ЭВМ пользователей информацию о состоянии оборудования и действиях персонала службам технадзора, главного механика, энергетика.
Диагностирование оборудования, не подключенного к стационарным системам КОМПАКС®, осуществляется с помощью переносной системы COMPACS-MICRO™.
В последнее время имеет место тенденция создания "открытых" экспертных систем, где у пользователя есть возможность контролировать процесс постановки диагноза, а также ввести собственный алгоритм. Так, фирмой "ИНКОТЕС" разработаны диагностические модули для экспертных систем, предназначенные для контроля различных типов ГПА, вентиляторов, насосов и другого оборудования. При этом виброанализ может проводиться по 17 функциям (спектр, огибающая, кепстр, корреляция и так далее). В настоящее время ведутся исследования по использованию вейвлет-преобразований.
Кроме НПЦ "Динамика" и "ИНКОТЕС" системы такого типа разрабатываются фирмами "ТСТ", "Вибро-Центр", Bruel&Kjaer и другими.
Кроме представленных выше, в России разработкой систем виброконтроля и диагностики занимается большое количество ведущих фирм: ОАО "ИркутскНИИхиммаш" [29], ФГУП НПО измерительной техники [30], ЗАО "Промсервис" [31] и другие. Для того, чтобы обеспечить совместимость передачи данных среди различных вибродиагностических систем, в 1996г. был принят международный стандарт MIMOSA [32]. Он предоставляет возможность описания не только первичных, но и вторичных данных, полученных в результате обработки сигналов.
В последнее время наблюдается интенсивное развитие экспертных систем за счет создания надежных и быстрых алгоритмов поиска неисправностей. В качестве их методологической основы используется логический анализ причинно-следственных связей [2]. Имеются также работы по созданию автоматических систем искусственного интеллекта в виде нейрокомпьютеров, нейросетей. Но сейчас наиболее предпочтительными являются информационные технологии, ориентированные на использование нечетких множеств, которые реализуются на базе традиционной вычислительной архитектуры [33].
К сожалению, на сегодняшний день уровень развития виброанализирующего оборудования и программного обеспечения не позволяет выявить полностью все виды дефектов встречающихся и развивающихся в компрессоре. Вибродиагностика не всегда может дать однозначный ответ на вопрос - достиг ли тот или иной элемент конструкции предельного состояния? А если не достиг, то - как долго его можно эксплуатировать? Для того чтобы ответить с достаточно высокой степенью достоверности на эти вопросы, необходимо проведение натурных обследований объекта. Зачастую это предусматривается при проведении экспертизы промышленной безопасности.
Экспертные организации, действующие на основании лицензии Госгортехнадзора России, проводят комплекс работ по техническому диагностированию в соответствии с утвержденными методиками и инструкциями, включая визуально-измерительный контроль, методы неразрушающего контроля состояния металла, функциональную диагностику, расчет на прочность с учетом фактического технического состояния и условий эксплуатации с применением методов математического моделирования, определение остаточного ресурса. В ООО НПП "Механик" накоплен значительный опыт в этой области для компрессоров различных типов, разработано программное обеспечение на ЭВМ. Использование в этом случае более полной информации о состоянии объекта позволяет определять ресурс не только по критерию снижения рабочих характеристик машины, но и по критерию прочности деталей [34].
Расчеты на прочность и ресурс предусматривают исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных узлов машины. Причем соответствующих методик не существует в достаточном количестве. В НИИТК имеется опыт в разработке методик расчета на статическую и динамическую прочность любых элементов конструкции компрессора и сопутствующего оборудования (рамы, трубопроводные обвязки, маслоохладители и т. д.) [35, 36]. Для расчетов применяется хорошо зарекомендовавшая себя система конечно-элементного моделирования ANSYS. С помощью этой системы успешно решаются задачи статической и динамической прочности, как в линейной, так и нелинейной постановке, а также задачи расчета динамической, термодинамической и газодинамической нагрузки.
При проведении экспертизы промышленной безопасности, в НИИТК имеется опыт моделирования и расчета (с помощью системы ANSYS и программ собственной разработки) на остаточную прочность деталей компрессора с учетом наличия различных видов дефектов таких как: подрезы и коррозионный (эрозионный) износ лопаток рабочего колеса центробежного компрессора, повреждения в корпусе компрессора, вмятины на корпусе маслоотделителя и др. Для подтверждения результатов расчетов, детали компрессоров проходят испытания на прочность на соответствующих стендах.
Таким образом, анализ остаточной прочности и оценка ресурса, с использованием методов накопления усталостных повреждений, позволяет более обоснованно назначать дополнительный ресурс деталей или узлов компрессора.
Подводя итоги настоящего обзора, можно указать на следующие характерные особенности развития современной отечественной промышленности. В последнее десятилетие значительно возросло значение применения систем диагностирования, что связано, в первую очередь, с эксплуатацией старого оборудования. Все больше предприятий понимают важность этого шага, свидетельством чего является широкое внедрение стационарных систем мониторинга в масштабах всего производства и отрасли, их быстрая окупаемость. Переносные системы диагностирования играют и будут играть большую роль в обеспечении безопасности предприятий. В результате, прослеживается тенденция широкомасштабного внедрения технологий ресурсосберегающей эксплуатации, где в комплексе решаются вопросы обеспечения надежности объекта.

НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ:

ГОСТ 20073-81. Компрессоры воздушные поршневые стационарные общего назначения. Правила приемки и методы испытаний.
ISO 1217. Displacement Compressors - Acceptance tests.
ИСО 2372-74. Станки. Правила оценки механической вибрации при рабочих скоростях от 10 до 200 об/с.
VDI 2056. Критерии оценки механических колебаний машин.
ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1. Общие требования.
BS ISO 10816-2-2001. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 2. Наземные паровые турбины и генераторы мощностью свыше 50МВт со скоростями вращения 1500, 1800, 3000 и 3600 об/мин.
ГОСТ Р ИСО 10816-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощностью более 15 КВт и номинальной скоростью от 120 до 15000мин-1.
ГОСТ Р ИСО 10816-4-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 4. Газотурбинные установки.
ИСО 10816-5-2000. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 5. Агрегаты для гидроэлектростанций и насосных станций.
ИСО 10816-6-95. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 6. Машины с возвратно-поступательным движением номинальной мощностью более 100КВт.
ГОСТ 25364-97. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению измерений.
ГОСТ Р ИСО 7919-1-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Общие требования.
BS ISO 7919-2-2001. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Наземные паровые турбины и генераторы мощностью свыше 50МВт со скоростями вращения 1500, 1800, 3000 и 3600 об/мин.
ГОСТ Р ИСО 7919-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Промышленные машинные комплексы.
ГОСТ Р ИСО 7919-4-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Газотурбинные установки.
ГОСТ 27165-97. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации валопроводов и общие требования к проведению измерений.
ISO 13379. Проект международного стандарта "Механическая вибрация - Условия мониторинга и диагностирования машин: Общее руководство по интерпретации данных и средства диагностирования".
Ведомственная нормативно-техническая документация по диагностике технического состояния машинного оборудования подробно изложена в [1].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Гриб В.В. Диагностика технического состояния нефтегазохимических производств. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2002.-268с.
2. Ястребова Н.А. и другие. Техническая диагностика и ремонт компрессоров. - М.: ЦНИИТЭхимнефтемаш, 1991, Ч.2.-60с.
3. Зарицкий С.П. Диагностическое обслуживание оборудования КС. - М.: ИРЦ "Газпром". Обз. инф. Серия "Газовая промышленность на рубеже XXI века", 2000.-156с.
4. Максименко С.В., Поляков Г.Н., Труфанов А.Н. Методы и средства технической диагностики оборудования компрессорной станции. Обзорная информ. Серия "Транспорт и подземное хранение газа".- М.: ВНИИЭгазпром, 1990.-66с.
5. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995.
6. Рахмилевич З.З. Компрессорные установки.-М.: Химия, 1989.-272с.
7. Орбис-Дияс В.С. Ранняя диагностика состояния центробежных компрессоров в услоиях эксплуатации. Автореф. дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. - М.: МИХМ, 1990.-16с.
8. Пластинин П.И., Дегтярева Т.С., Светлов В.А., Сячинов А.В. Автоматизированная система измерений, накопления и обработки данных при испытаниях поршневых компрессоров // Компрессорная техника и пневматика, 1997, вып.3-4 (16-17).- С.12-14.
9. Милованов В.И. Долговечность малых холодильных компрессоров.-М.: Агропромиздат, 1991.-174с.
10. Добровольский И.Г. Повышение достоверности оценивания параметров технического состояния компрессорных машин // Контроль. Диагностика, 2002, №6. - С.32-35.
11. Матвеевский Б.Р. Приборное обеспечение для трибодиагностики узлов трения в процессе эксплуатации / Сб. трудов Первой международной конф. "Энергодиагностика" (Москва, сентябрь 1995г.) Т.3: Трибология.- М.: ИРЦ "Газпром", 1995.-С.344-346.
12. Постников В.И. Исследование и контроль износа машин МПА.- М.:Атомиздат, 1973.-167с.
13. Соковиков В.В., Константинов И.О. Мониторинг малых скоростей изнашивания и коррозии методом радиоиндикаторов.- Обнинск: ГНЦ РФ ФЭИ, 2000.- 28с.
14. Толстов А.Г. К вопросу о пространственном нормировании уровней вибрации / НТС Газовая промышленность. Серия: Диагностика оборудования и трубопроводов, 2001, №2.- С.3-10.
15. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М.: Машиностроение, 1987.-283с.
16. Соколинский Л.И., Якубович В.А. Вибрационное диагностирование центробежных компрессоров.-М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1987.-63с.
17. Браун Д.Н., Йэргэнсен Й.Ц. Мониторизация состояния машинного оборудования путем анализа механических колебаний // Химическое и нефтяное машиностроение, 1988, №12.-С.38; 1989, №1.-С.41.
18. Осадчий Е.П., Строганов М.П., Ляпощенко В.А., Шкодырев В.П. Методы ВАД неисправностей компрессорных установок // Диагностирование оборудования комплексно-автоматизированного производства. - М.: Наука, 1984.-С.122-126.
19. Гриб В.В. Решение триботехнических задач численными методами.- М.: Наука, 1982. -112с.
20. Гриб В.В., Сафонов Б.П., Жуков Р.В. Динамика механизма движения поршневого компрессора с учетом зазоров в подвижных соединениях // Вестник машиностроения,2002, №4. С.3-7.
21. Гриб В.В., Жуков Р.В. Особенности спектральной вибродиагностики поршневых компрессорных машин // Компрессорная техника и пневматика, 2001, №8.-С.30-32.
22. Goldman P., Muszynska A. Application of full spectrum to rotating machinery diagnostics // ORBIT, 1999, v.20, №1.- pp.17-21.
23. Берков Ю.П., Дубровский В.М., Комлык М.Ю. и другие. Система диагностирования технического состояния газоперекачивающего оборудования // Химическое и нефтяное машиностроение, 1993, №11.-С.17-19.
24. Омельченко Е.В., Чигрин В.И., Парафейник В.П. и другие. Комплексные системы автоматизированного управления и диагностирования технического состояния турбокомпрессорных агрегатов и поршневых компрессоров // Компрессорная техника и пневматика, 2001, №4.-С.8-12.
25. Шайхутдинов А.З., Лезнов А.С., Хабибуллин М.Г. и другие. Разработка и испытания нагнетателя с магнитными подшипниками для ГПА-16 "Волга" / Труды VII Международного симпозиума "Потребители-производители компрессоров и компрессорного оборудования-2001" (Санкт-Петербург, 30 мая - 1 июня 2001г.) - СПб.: СПбГТУ, 2001. - С.14-19.
26. Вдовина Г.В., Кожин Н.Н. Опыт оснащения газоперекачивающих агрегатов контрольно-измерительной аппаратурой / Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2002, №6.-С.36-37.
27. Клишин Г.С., Парасына А.С., Городничев А.А., Наумов П.А. Технические средства защиты и диагностики энергоустановок // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000, №9.- С.29.
28. Костюков В.Н., Бойченко С.Н., Костюков А.В. Автоматизированные системы управления безопасной ресурсосберегающей эксплуатации оборудования нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств (АСУ БЭР - КОМПАКС®) / Под ред. Костюкова В.Н. - М.: Машиностроение, 1999. -163с.
29. Краковский Ю.М., Лукьянов А.В., Эльхутов С.Н. Программный комплекс вибродиагностики роторных машин // Контроль. Диагностика, 2001, №6.-С.32-36.
30. Вербило А.С., Дунаевский В.П., Субботин М.И., Клименко А.Н. Аппаратура СВКА 1 для контроля механического состояния компрессорных агрегатов // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2000, №9.- С.27-28.
31. Мынцов А.А., Мынцова О.В., Шкумат А.Г. Опыт эксплуатации переносных систем диагностирования агрегатов роторного типа // Контроль. Диагностика, 2001, №1.-С.7-11.
32. Гусев В.К., Стрельченко А.Н. Разработка требований к модели представления данных в системах вибродиагностики / НТС Газовая промышленность. Серия: Диагностика оборудования и трубопроводов, 1997, №2.- С.6-13.
33. Сула А.С., Каравашкин Э.А. Информационный микроскоп "Диаграф" - новый инструмент для технической диагностики / НТС Газовая промышленность. Серия: Диагностика оборудования и трубопроводов, 1997, №2.- С.13-25.
34. Давыдов В.М., Жуков Р.В. Диагностика, как неотъемлемая часть ремонта оборудования по техническому состоянию // Безопасность труда в промышленности, 2002, №3. - С.12-14.
35. Еранов А.П., Тукбаев Р.Х. Проблемы обеспечения прочности и надежности при разработке и эксплуатации компрессорного оборудования // Компрессорная техника и пневматика, 2002, №1. - С.14-15.
36. Еранов А.П. Тукбаев Р.Х., Галимзянов А.И. Применение системы ANSYS для решения задач прочности и надежности при проектировании компрессорной техники // Сборник трудов Второй конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH. Москва 2002г.

ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ

Daniel Lynn, Manager, Training, Computational Systems, Inc. (CSI)
Пер. с англ. И.Р. Шейняк, под редакцией В.А. Смирнова.

Одна из целей настоящей статьи - показать возможность обнаружения дефектов подшипников качения посредством анализа сигнала вибрации в частотной и временной областях. Вторая - показать возможность определения степени развития дефектов подшипников, с тем чтобы иметь возможность оценить остаточный ресурс подшипника

Спектр и форма сигнала вибрации содержат информацию о характерных дефектах подшипников качения, эта информация имеет специфические особенности в зависимости от вида дефекта. Одной из таких характерных особенностей является наличие несинхронных пиков, т.е. пиков, не являющимися целократными гармониками частоты вращения вала машины. Спектр вибрации может содержать как дискретные пики, так и широкополосные частотные области высокого уровня. Во временном сигнале вибрации могут наблюдаться ударные импульсы, обусловленные прохождением (перекатыванием-прим. ред.) элементов качения через дефекты дорожек или контактом дорожек с дефектными участками элементов качения.
Важным моментом является то, что колебания, связанные с дефектом подшипника качения имеют много меньшую амплитуду, чем колебания, связанные с многими другими повреждениями, такими как дисбаланс, несоосность или дефекты зубчатой передачи. Большое разнообразие конструкций подшипника и условий их использования, рабочих скоростей и нагрузок сильно затрудняет использование единого (универсального) уровня допустимой вибрации, который бы удовлетворительно работал во всех или хотя бы в большинстве случаев.

Во временном сигнале вибрации и в его спектре присутствуют характерные признаки дефектов подшипников качения, которые сильно зависят от вида дефекта. Одним из таких признаков является присутствие в спектре несинхронных пиков, т.е. пиков, которые не являются целочисленными гармониками частоты вращения. Более того, при развитых дефектах можно наблюдать гармоники этих несинхронных пиков. Спектр может содержать как дискретные (узкополосные) пики, так и размытые "холмы", в которых сосредоточена вибрационная энергия. Во временном сигнале наблюдаются ударные импульсы, возникающие в зонах контакта тел качения с дефектами дорожек или дорожек с дефектами тел качения.

Важным моментом здесь является то, что амплитуда колебаний, связанных с дефектами подшипников качения много меньше той, что вызвана различными другими дефектами, такими как дисбаланс, несоосность или повреждения зубчатых передач. Указанные дефекты вызывают колебания с амплитудами разных порядков, поэтому целесообразно сравнивать полученные данные с имеющимися эталонными значениями для различных дефектов, вместо того, чтобы пользоваться единым общим уровнем, принятым за уровень предупреждения о возможных дефектах подшипников. Поскольку на практике приходится иметь дело с самыми разными конструкциями и способами применения подшипников, разными частотами вращения и условиями их нагружения, - очень трудно установить один уровень предупреждения, который бы хорошо работал во всех, или хотя бы многих, ситуациях. И когда мы говорим о степени развития дефектов, то в первую очередь связываем это с характерными особенностями спектров. Распознавание образов является ключевым моментом для определения стадии развития дефекта.

Подшипники качения имеют свои характерные частоты проявления дефектов, которые определяются их геометрическими размерами. Эти частоты можно рассчитать для внутренней и внешней дорожек, сепаратора и шариковых или роликовых элементов.
Для расчета характерных частот необходимо знать число элементов качения, их диаметр, диаметр сепаратора и угол контакта (выделение ред.). Если эти параметры известны, можно определить все характерные частоты, генерируемые каждым отдельным элементом подшипника.
В отличие от повреждений других видов, характерные подшипниковые частоты будут появляться в спектре только в том случае, если есть дефекты конкретных элементов подшипников. Кроме того, в спектре возможно появление сразу нескольких частотных составляющих, характерных для данного конкретного подшипника. Например, если на внешней дорожке присутствует какой-нибудь дефект, через некоторое время этот дефект вызовет износ и деградацию элементов качения, а затем передастся и внутренней дорожке подшипника.
Характерные частоты часто определяют через коэффициенты, на которые следует умножить частоту вращения вала; эти коэффициенты кратны количеству ударов за один оборот вала, возникающих вследствие наличия определенного дефекта. Для определения характерных частот существуют стандартные формулы. Например, рассчитанный коэффициент для дефекта внешней дорожки может быть равен 5,22, и обычно в спектре вибрации вы можете наблюдать гармоники этой составляющей, которые соответствуют коэффициентам 5,22, 10,44, 15,66, 20,88 и выше. Этот несинхронный пик и его гармоники можно наблюдать, если в подшипнике есть дефектные элементы.
Дефекты подшипников, которые мы можем распознать с помощью вибрационного анализа, включают в себя: дефекты внутренней и внешней дорожек качения, дефекты элементов качения, дефекты сепаратора, ослабление посадки подшипника, увеличенный внутренний зазор, проворачивание внутреннего кольца на валу, перекос подшипника и дефекты смазки.
На самом деле можно найти много причин, вызывающих повреждения подшипников качения. Примерно 43% подшипников выходят из строя вследствие неправильного режима смазки, т.е. ее избытка или недостатка (как правило, более вероятной причиной будет избыточная смазка). Еще 27% связаны с неправильной установкой подшипника, например, когда подшипник пытаются поставить на место с помощью молотка или сварки. Следующие 24% включают: неправильное применение подшипников, дефекты сборки и повышенную вибрацию. Только 9% подшипников выходят из строя вследствие естественного износа.
Если мы взглянем на различные формулы, определяющие срок службы подшипника в зависимости от нагрузки, то увидим, что эта зависимость имеет кубический вид, т.е. подшипники очень быстро будут выходить из строя, если нагрузка на них будет превышать, установленную техническими условиями. Другим фактором, определяющим срок службы, является частота вращения. На срок жизни подшипника может повлиять и вибрация, из формул следует, что повышение вибрации машины от 5 до 10 мм/с может сократить срок службы подшипника почти на 70 %.
Если тип подшипника вам неизвестен, существуют формулы, позволяющие приблизительно определить значения характерных частот. Так, частота вращения сепаратора составляет примерно 40 % частоты вращения вала. Частота перекатывания элементов качения по внешнему кольцу (международное обозначение-BPFO) будет примерно равна 0,4 от произведения числа элементов качения на частоту вращения. Частота перекатывания шариков по внутреннему кольцу (международное обозначение-BPFI) будет примерно 0,6 от произведения числа элементов качения на частоту вращения, т.е. отношение BPFI/BPFO составляет около 1,5. Единственным исключением, когда указанными формулами нельзя пользоваться, является случай, когда угол контакта равен 90°, например в некоторых типах упорных подшипников, когда частоты для внутренней и внешней дорожки совпадают, однако такая ситуация встречается крайне редко.
Самой высокой характерной частотой является частота перекатывания по внутренней дорожки, которая примерно на 40-60 % превышает характерную частоту для внешней дорожки, и оба этих пика будут несинхронными. Так для подшипника модели SKF 22228, имеющего 19 шариков, и частоту вращения вала 29,6Гц приблизительное значение BPFI, согласно формуле, будет 337,44 Гц. На самом деле истинное значение этой частоты для подшипника данной модели будет равно 320 Гц, так что ошибка оценивания составила всего около 5 %. Если вы встретите несинхронный пик в окрестности частоты 340 Гц на расстоянии примерно 17 Гц от нее, вы можете с достаточной уверенностью заключить, что этот пик связан с дефектом внутренней дорожки подшипника.

Дата добавления: 2015-07-08