Что такое спектр вибрации
Что такое спектр вибрации
Чтобы проанализировать техническое состояние машины, в первую очередь, необходимо правильно описать её поведение.
Как можно точно описать характер вибрации машин?
По каким параметрам вибрации можно описать техническое состояние машин?
В данном разделе представлены базовые методы описания вибрации машин.
После прочтения данной главы Вы узнаете:
• Как описать вибрацию машин двумя способами;
• Что такое амплитуда вибрации;
• Что такое частота вибрации;
• Что такое временной сигнал и спектр.
Описать вибрацию и определить степень её серьезности можно, понаблюдав за поведением машины, прикоснувшись или прислушавшись к ней. Вы можете заметить, что вибрации машин бывают разными по величине: значительными, «заметными» и незначительными. Мы также можем понять о неисправности вибрирующего подшипника, прикоснувшись к нему и ощутив повышенный нагрев или услышав шум.
Однако нельзя определять характер вибрации таким способом, поскольку точность оценки в данном случае в значительной степени зависит от человека, который оценивает техническое состояние машин. То, что кажется недопустимым для одного человека, может показаться приемлемым для другого. Описывать вибрацию машин словами недостаточно. Для точного анализа вибрации необходимо использовать надежные и точные методы диагностики, основанные на числовых данных, что позволяет специалистам точно определять техническое состояние машин и обмениваться этими данными.
Что такое амплитуда?
Амплитуда колебаний – это величина вибрации. Высокая амплитуда колебаний машины указывает на то, что машина совершает сильые, быстрые или мощные колебательные движения. Чем выше амплитуда колебаний, тем большее перемещение или нагрузку испытывает машина и тем выше вероятность поломки машины. Таким образом, амплитуда указывает на степень серьезности вибрации машины.
Амплитуда колебаний связана с тремя параметрами:
1. Виброскорость 2. Виброускорение 3. Виброперемещение
В большинстве случаев скорость вибрации является наиболее важным параметром, обеспечивающим самые полезные данные о техническом состоянии машины.
Что такое виброскоорость? Это скорость изменения вибрации, измеренная в определенном направлении, как показано на рисунке ниже.
Амплитуда скорости может быть выражена в пиковом или среднеквадратическом значении.
Пиковая амплитуда виброскорости – это максимальная скорость (пик) вибрации машины за определенный период времени, как показано на рисунке ниже.
В отличии от пиковой амплитуды среднеквадратическое значение амплитуды колебаний машины указывает на интенсивность колебаний машины. Чем выше интенсивность колебаний, тем выше среднеквадратическое значение амплитуды.
Возникает вопрос: в чем следует измерять амплитуду виброскорости: в единицах максимальной амплитуды или в виде среднеквадратического значения. Это вопрос личного выбора.
Однако очень важно использовать одно и то же значение амплитуды виброскорости при сравнении уровней вибрации. Максимальное или среднеквадратическое значение виброскорости может выражаться в следующих единицах виброскорости:
Некоторые технические специалисты предпочитают использовать логарифмические единицы амплитуды adB, которые в данном справочном руководстве не рассматриваются.
Что такое частота?
Подобно тому, как частота пульса человека указывает на состояние здоровья человека, скорость или частота вибрации машины является важным показателем состояния технического состояния машины. Как правило, частота колебаний выражается в циклах в секунду (ц/сек), циклах в минуту (ц/мин) и герцах (Гц). 1 Гц равен 1 ц/сек или 60 ц/мин.
Что такое временной сигнал?
Графическое представление электрических импульсов сердца (электрокардиограмма, ЭКГ) дает важную информацию о состоянии сердца человека. Аналогично, графическое представление колебательного движения является полезным инструментом анализа вибрации. Графическое представление колебательного движения обеспечивает информацию о причине и интенсивности вибрации машин.
Для отображения вибрации часто используют временной сигнал.
Временной сигнал – это графическое представление уровня вибрации, изменяющегося во времени. Ниже показан пример временного сигнала скорости.
Временной сигнал скорости – это диаграмма, которая показывает, каким образом амплитуда виброскорости изменяется в течение определенного периода времени.
Объем информации, которую содержит временной сигнал, зависит от продолжительности и разрешения временного сигнала.
Продолжительность временного сигнала – это общее время, в течение которого собирают информацию из временного сигнала. В большинстве случае двух секунд достаточно.
Разрешение временного сигнала – это степень детализации временного сигнала, которая определяется количеством точек данных или отсчётов, описывающих сигнал. Чем больше отсчётов, тем более детальным представляется временной сигнал.
Что такое спектр?
Еще одним способом отображения вибрации является спектр. Спектр – это графическое представление частот, на которых компоненты машины совершают колебания с определенной амплитудой. Ниже показан пример спектра виброскорости.
Возникает вопрос: каким образом один компонент машины может совершать колебания одновременно на нескольких частотах?
Всё дело в том, что вибрация машин, в отличие от обычных колебаний маятника, обычно состоит не из одного простого колебательного движения, а из нескольких колебаний, совершаемых одновременно.
Спектр вибрации является очень полезным инструментом анализа, поскольку показывает частоты, на которых возникают колебания. Изучая отдельные частоты, на которых компоненты машины совершают колебания и анализируя амплитуды этих частот, можно сделать заключение о причине вибрации и техническом состоянии машины.
В отличие от спектра, временной сигнал не дает четкого отображения отдельных частот, на которых возникают вибрации. Временной сигнал отображает картину в целом, поэтому определить техническое состояние машины сложно, исходя из данных только временного сигнала. За исключением некоторых случаев спектр (а не временной сигнал), как правило, является основным инструментом анализа вибрации машин.
Информация, которую содержит спектр, зависит от значения Fmax и разрешения спектра.
Fmax спектра – это частотный диапазон, в пределах которого выполняется измерение.
Уровень значения Fmax зависит от рабочей скорости машины. Чем выше рабочая скорость, тем выше должна быть величина Fmax.
Разрешение спектра – это степень детализации спектра, которая определяется количеством спектральных линий, используемым при создании спектра. Чем больше спектральных линий, чем более детальным представляется спектр.
В данной главе мы узнали о том, как описывать вибрацию различными методами для анализа технического состояния машин.
Мы узнали, что такое «частота» и «амплитуда». Амплитуда вибрации определяет интенсивность колебаний, а частота- скорость колебаний. Информация об амплитуде и частоте колебаний позволяет оценивать техническое состояние машин и определять возможную причину вибрации.
Анализ вибрации легче выполнять на основе графического представления данных о машине. Данные вибрации могут быть представлены двумя способами: в виде временного сигнала и спектра вибрации. Как правило, основным инструментом анализа вибраций является спектр, поскольку дает больше полезной информации о техническом состоянии машины.
Что такое спектр вибрации
Вы можете почитать другие статьи блога, воспользовавшись Картой Сайта.
Хотите получать новые статьи прямо на Ваш почтовый ящик?
Продолжая тему спектрального анализа хочу подробнее рассказать вам как анализировать спектр вибрации. Я думаю, что те, кто только начинают осваивать анализ спектра вибрации эта статья поможет избежать ошибок при постановке диагноза.
1.Проверка наличия «Горнолыжного склона» : «Горнолыжный склон» — это Быстрый спад пиков на коротком частотном диапазоне, который может возникнуть из-за ошибок, допущенных при измерении вибрации, либо связано с большими перемещениями или соударениями в узлах и в конструкции машины. Чтобы проверить, ошибка это в измерениях или нет, проанализируйте форму вибросигнала снятую в этой же точке, что и спектр.
Одиночный ударный импульс в форме сигнала (рис.1 верхний график) приводит к росту шумов на спектре в некоторых случаях к резкому забросу амплитуд в низкочастотной зоне (называемый в зарубежной литературе «лыжным склоном»).
2. Проверка уровня шума : Шум может указать, что в машине происходят удары или трение, или это может быть признаком неудачного замера вибрации машины в контролируемой точке. Определить источник шума можно, если проанализировать измеренную в этой же точке форму вибросигнала. Если шум поднимается в ограниченном временном интервале, то вероятно это связано с резонансом. На спектре уровень шума это приподнятая область у основания амплитуд гармонических составляющих.
4. Гармонический ряд : При анализе спектра вибросигнала нужно найти пик на частоте вращения вала(1X); это «первая гармоника частоты вращения вала или первый «порядок». При анализе спектров вибрации машины с несколькими валами, нужно определить пики на каждой частоте вращения валов
b) Если наблюдаются в спектре гармоники кратные частоте вращения машины 2X, 3X, и 4X, то это может быть связано с несносностью валов (или перекосом подшипника).
c) Наличие в спектре вибрации дополнительных гармоник, можно связать с износом узла или детали, а если еще наблюдается поднятие уровня шумов, то это связано с ослаблением этих деталей.
a) Синхронные: обычно вибрация связана с вращающимся деталями, которые могут быть вызваны дефектами связанными с потоком жидкости, воздуха (гармоники кратные количеству лопаток насоса, лопастей вентилятора, лопаток компрессора и т.д.),дефектами механических передач(пик на частоте зубчатого зацепления), дефектами электродвигателей( гармоники кратные количеству полюсов ротора, количеству пазов статора и т.д.).
b) Субсинхронные и субнесинхронные: обычно наблюдаются при неисправностях ременной передачи (должны быть гармоник кратные этой передаче), турбулентности (широкий пик), повреждения обоймы подшипника качения, «масляный Вихрь» в подшипнике скольжения или вибрации, передающиеся от другой машины.
c) Несинхронная: Подозрение на повреждение подшипника качения (ожидается подшипниковая частота и боковые полосы с частотой 1X) или внешнего источника вибрации. Также может быть связано с другими сочетаниями частот.
6. Гармоники и боковые полосы: Наличие обеих типов пиков амплитуд – это ключ к определенному типу повреждения
a) Если амплитуда гармоник с ростом номера уменьшается, то наблюдается «нелинейная» вибрация, уровень боковых полос неодинаков, это может быть связано с ограничением вращения (задевания).
b) Сильно выраженные гармоники: наблюдаются повреждения вследствие ударных воздействий (повреждение подшипников, повреждение зубчатых передач и т.д.).
c) Боковые полосы: В любое время вы видите боковые полосы, это означает, что вибрация (внутренние силы) периодически возрастает и уменьшается или скорость изменяется периодически. Причин объясняющих такие изменения в вибросигнале очень много.
7. Дополнительные Советы: Не делайте анализ только по одному линейному спектру. Анализируйте скрытые особенности вибросигнала, с помощью анализа спектра, временной формы, фазы и высокочастотной области вибросигнала.
a) Логарифмическое отображение данных: сделайте логарифмическое отображение, особенно если амплитуда любого из пиков очень большая — она поможет вам увидеть боковые полосы, которые имеют относительно небольшую амплитуду.
b) Анализа Формы вибросигнала: Если вы видите высокий уровень шума, гармоники и боковые полосы, мы советуем вам взглянуть на временную форму сигнала, чтобы лучше понять природу повреждения.
c) Анализ Фазы вибрации: Если вы подозреваете, дисбаланс, несоосность, прогиб, люфт или перекос подшипника, для точного диагноза мы советуем вам использовать фазу вибрации.
d) Шестерни и подшипники: Если вы подозреваете, повреждение подшипника или зубчатой передачи, исследуйте форму сигнала (чтобы определить, как изменяется вибрация при обкатывании тел качения дорожек подшипника, или когда каждый зуб входит в зацепление) и используйте огибающую / ударный импульс / Эксцесс / и т.д.
В заключении, обобщая последовательность ваших действий при анализе частотного спектра вибрации, я записал их в виде таблицы (см. ниже, для увеличения кликни мышкой по картинке)
Лекция 14. Спектральный анализ вибрации
Спектральный анализ – это метод обработки сигналов, который позволяет выявить частотный состав сигнала. Известны методы обработки вибрационного сигнала: корреляционный, автокорреляционный, спектральной мощности, кепстральных характеристик, расчета эксцесса, огибающей. Наибольшее распространение получил спектральный анализ, как метод представления информации, из-за однозначной идентификации повреждений и понятных кинематических зависимостей между происходящими процессами и спектрами вибрации.
Наглядное представление о составе спектра дает графическое изображение вибрационного сигнала в виде спектрограмм. Выявление картины амплитуд, составляющих вибрации позволяет идентифицировать неисправности оборудования. Анализ спектрограмм виброускорения позволяет распознать повреждения на ранней стадии. Спектрограммы виброскорости используются при мониторинге развитых повреждений. Поиск повреждений проводится на заранее определенных частотах возможных повреждений. Для анализа вибрационного спектра, выделяются основные составляющие спектрального сигнала из следующего перечня.
Рисунок 102 – Гармонические составляющие вибрационного сигнала при дисбалансе ротора
Основные причины появления гармоник:
Рисунок 103 – Субгармоника 1/4 оборотной частоты вибрационного сигнала
Рисунок 104 – Полуторные гармоники оборотной частоты
Рисунок 105 – Резонансная составляющая на частоте 1140 Гц
где fвр – частота вращения вала; z число тел качения; d – диаметр тел качения; β – угол контакта (соприкосновения тел качения и беговой дорожки); D – диаметр окружности, проходящей через центры тел качения (рисунок 107).
Рисунок 106 – Спектр виброскости подшипника качения с повреждениями наружного кольца – появление гармоник с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу
Рисунок 107 – Схема к расчету частот повреждений подшипников
При значительном развитии повреждения появляются гармонические составляющие. Степень повреждения подшипника определяется числом гармоник определенного повреждения.
Повреждения подшипников качения приводят к появлению большого количества составляющих в спектре виброускорения в районе собственных частот подшипников 2000…4000 Гц (рисунок 108).
Рисунок 108 – Резонанс тел качения при износе подшипника на частоте 2800…3700 Гц в спектре виброускорения
где z – число зубьев колеса либо число лопаток.
Повреждения, проявляемые на зубцовой частоте, могут генерировать гармонические составляющие при дальнейшем развитии повреждения (рисунок 109).
Рисунок 109 – Зубцовые частоты и негармоническая составляющая повреждений подшипника
Рисунок 110 – Модуляция с частотой 47 Гц зубцовой составляющей на частоте 708 Гц
Рисунок 111 – Модуляции с частотой 100 Гц вибрационного сигнала
Рисунок 112 – Шумовые компоненты в составе вибрационного сигнала
При наличии знаний о составляющих спектра появляется возможность различения их в частотном спектре и определения причин и следствий повреждения (рисунок 113).
Рисунок 113 – Примеры спектральной формы вибрационного сигнала:
а) спектрограмма виброскорости механизма, имеющего дисбаланс ротора и частоту первой гармоники 10 Гц; б) спектр виброскости подшипника качения с повреждениями наружного кольца – появление гармоник с частотой перекатывания тел качения по наружному кольцу; в) спектрограмма виброускорения соответствующая повреждениям подшипников качения шпинделя вертикально-фрезерного станка – резонансные составляющие на частотах 7000…9500 Гц; г) спектрограмма виброускорения при схватывании второго рода, детали обрабатываемой на металлорежущем станке
Правила анализа спектральных составляющих
Для эффективного мониторинга технического состояния необходим ежеме-сячный контроль спектрального анализа составляющих виброскорости. В истории развития повреждений существует несколько этапов:
Рисунок 114 – Этапы развития повреждений механизма – виткоукладчика:
а) хорошее состояние; б) начальная неуравновешенность; в) средний уровень повреждений; г) значительные повреждения
Одним из характерных повреждений механизма после длительной эксплуатации (10…15 лет) является непараллельность опорных поверхностей корпуса машины и фундамента, при этом вес машины распределяется на три или две опоры. Спектр виброскорости в этом случае содержит гармонические составляющие с амплитудой более 4,5 мм/с и полуторные гармоники. Повреждение приводит к повышенной податливости корпуса в одном из направлений и нестабильности фазового угла при балансировке. Поэтому, не параллельность опор корпуса машины и фундамента, ослабление резьбовых соединений, износ посадочных мест подшипников, повышенный осевой люфт подшипников перед балансировкой ротора необходимо устранить.
Варианты появления и развития полуторных гармоник представлены на рисунке 115. Малая амплитуда полуторной гармоники характерна для ранней стадии развития данного повреждения (рисунок 115а). Дальнейшее развитие может проходить двумя путями:
Необходимость ремонта возникает в том случае, если амплитуда полуторной гармоники превышает амплитуду оборотной частоты (рисунок 115г).
Рисунок 115 – Варианты проявления и развития полуторных гармоник:
а) ранняя стадия развития повреждения – малая амплитуда полуторной гармоники; б) развитие повреждения – увеличение амплитуды полуторной гармоники; в) развитие повреждения – появление гармоник 1¼, 1½, 1¾ и др.;
г) необходимость ремонта – амплитуда полуторной гармоники превышает
амплитуду оборотной частоты
Для подшипников качения также можно выделить характерные спектрограммы виброускорения, связанные с различной степенью повреждения (рисунок 116). Исправное состояние характеризуется наличием незначительных по амплитуде составляющих в низкочастотной области исследуемого спектра 10…4000 Гц (рисунок 116а). Начальная стадия повреждений имеет несколько составляющих с амплитудой 3,0…6,0 м/с 2 в средней части спектра (рисунок 116б). Средний уровень повреждений связан с образованием «энергетического горба» в диапазоне 2…4 кГц с пиковыми значениями 5,0…7,0 м/с 2 (рисунок 116в). Значительные повреждения приводят к увеличению амплитудных значений составляющих «энергетического горба» свыше 10 м/с 2 (рисунок 116г). Замену подшипника следует проводить после начала снижения значений пиковых составляющих. При этом меняется характер трения – в подшипнике качения появляется трение скольжения, тела качения начинают проскальзывать относительно беговой дорожки.
Рисунок 116 – Этапы развития повреждений подшипника качения:
а) хорошее состояние; б) начальная стадия; в) средний уровень повреждений;
г) значительные повреждения
Анализ огибающей
Работа подшипников качения характеризуется постоянным генерированием шума и вибрации в широкополосном частотном диапазоне. Новые подшипники генерируют слабый шум и практически незаметные механические колебания. По мере износа подшипника в вибрационных процессах начинают проявляться так называемые подшипниковые тоны, амплитуда которых растет по мере развития дефектов. В итоге вибрационный сигнал, генерируемый дефектным подшипником, можно представить, с некоторым приближением, как случайный амплитудно-модулированный процесс (рисунок 117).
Рисунок 117 – Случайный амплитудно-модулированный процесс
Форма огибающей и глубина модуляции являются весьма чувствительными показателями технического состояния подшипника качения и поэтому положены в основу анализа. В качестве меры технического состояния в некоторых программах используется коэффициент амплитудной модуляции:
В начале развития дефектов на «шумовом фоне» начинают появляться под-шипниковые тоны, которые возрастают по мере развития дефектов приблизительно на 20 дБ относительно уровня «шумового фона». На более поздних стадиях развития дефекта, когда он принимает серьезный характер, уровень шумов начинает возрастать и достигает при недопустимом техническом состоянии величины подшипниковых тонов.
Высокочастотная, шумовая часть сигнала меняет свою амплитуду во времени модулируется низкочастотным сигналом. В этом модулирующем сигнале содержится и информация о состоянии подшипника. Наилучшие результаты этот метод даёт в том случае, если анализировать модуляцию не широкополосного сигнала, а предварительно осуществить полосовую фильтрацию вибросигнала в диапазоне примерно 6…18 кГц и анализировать модуляцию этого сигнала. Для этого отфильтрованный сигнал детектируется выделяется модулирующий сигнал, который подаётся на узкополосный спектроанализатор где формируется спектр огибающей.
Небольшие дефекты подшипника не в состоянии вызвать заметные вибрации в области низких и средних частот, генерируемых подшипником. В тоже время для модуляции высокочастотных вибрационных шумов энергии возникающих ударов оказывается вполне достаточно метод обладает очень высокой чувствительностью.
Спектр огибающей имеет всегда очень характерный вид. При отсутствии дефектов он представляет собой почти горизонтальную, слегка волнистую линию. При появлении дефектов, над уровнем этой достаточно гладкой линии сплошного фона начинают возвышаться дискретные составляющие, частоты которых просчитываются по кинематике и оборотам подшипника. Частотный состав спектра огибающей позволяет идентифицировать наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном однозначно характеризует глубину каждого дефекта.
При диагностике подшипника качения по огибающей удается идентифицировать отдельные неисправности. Частоты спектра огибающей вибрации, на которых обнаруживаются неисправности, совпадают с частотами спектров вибрации. При измерении с использованием огибающей необходимо вводить в прибор величину несущей частоты и проводить фильтрацию сигнала (ширина пропускания не более 1/3 октавы).