Метод ударных импульсов

А.Е. Левчин
ООО «Комдиагностика»
по материалам фирмы SPM Instrument

С момента начала промышленного производства подшипников качения, последнего десятилетия XIXвека, перед человечеством встала проблема их достоверной диагностики. Вплоть до середины 60-х годов ХХ века единственным орудием диагностики подшипников были слухачи различной конструкции. Затем, по мере развития электроники, стали появляться всё более и более сложные приборы. Одновременно решалась проблема методологии диагностики. На сегодняшний день все предлагаемые методики можно разделить на метод ударных импульсов и метод выделения огибающей вибросигнала. Суть последнего состоит в том, что исходный вибросигнал фильтруется, а затем подвергается демодуляции. Демодулированный сигнал несёт информацию о состоянии подшипника. При практической реализации метода приходится сталкиваться с некоторыми проблемами:

1. Принцип выбора фильтра. Универсальных правил, увы, не существует. Сторонники метода, безусловно уважаемые люди и организации, к сожалению, не выработали единого решения этой проблемы, предлагая зачастую взаимоисключающие решения. Таким образом, вся ответственность за достоверность результатов возлагается на непосредственного исполнителя.
2. АЧХ используемого датчика. Проблема состоит в том, что резонансная частота зависит от способа крепления датчика на агрегат. Если крепление на шпильке (резонанс на 25-28 кГц) вопросов не вызывает, то применение магнита (резонанс в диапазоне 5-7 кГц) и щупа (около 1,5 кГц) вносит существенные ограничения в процесс фильтрации, а ведь это основные способы установки датчиков портативных приборов.

Вместе с тем известно, что метод успешно применяется рядом организаций, ведущих его разработку несколько десятилетий.

Метод ударных импульсов разработал и запатентовал в 1969 году шведский изобретатель Eivind Sohoel, а в 1970 году основана фирма SPM Instrument. На сегодняшний день метод применяется для диагностики подшипников качения оборудования самых различных отраслей: целлюлозно-бумажной и нефтегазовой, деревообрабатывающей и металлургической, пищевой, горнодобывающей и многих других.

Целью данной статьи является устранение всех недоговорённостей, неточностей и спекуляций в отношении одного из самых известных методов диагностики подшипников качения – методе ударных импульсов (SPM).

Первое, что следует определить – это физический смысл ударных импульсов. Колебания тела, испытывающего внешнее механическое воздействие, условно можно разложить на три составляющие:

• Поперечные колебания
• Продольные колебания
• Крутильные колебания

Следует сразу оговориться, что последние выпадают из области описываемого предмета. Поперечные колебания – это не что иное, как вибрация упругой деформации или колебания тела относительно состояния покоя.

Временная зависимость представляет собой в простейшем случае синусоиду.

Продольные колебания – это колебания геометрических размеров тела (растяжения-сжатия) при поперечной деформации под воздействием внешнего механического воздействия.

При регистрации временной зависимости сигнал представляет собой быстрозатухающие переходные процессы. Их амплитуда зависит от геометрических размеров и материала деформируемого тела, а так же от силы внешнего воздействия, частота – от геометрических размеров и материала тела. Именно этот сигнал является информационным при использовании метода ударных импульсов.

Теоретически такой сигнал можно регистрировать с помощью обычного пьезоакселерометра, но в реальной жизни это сопряжено с рядом трудностей, связанных с фильтрацией сигнала и зависимостью АЧХ акселерометра от способа установки.

Для уверенной регистрации волн растяжения-сжатия фирмой SPM был разработан специальный датчик, состоящий из механического резонатора, индуктивности и дифференциального усилителя. Такая конструкция позволяет отстроиться от низкочастотной вибрации и минимизировать влияние способа установки датчика (за исключением крепления на магните). Механический резонатор является своего рода камертоном, воспринимающим волны растяжения-сжатия и преобразующим их в пульсации на своей резонансной частоте. Индуктивность преобразует механические колебания в электрические, дифференциальный усилитель является входным каскадом измерительного канала.

С датчика сигнал попадает в блок обработки, где с ним происходят следующие трансформации:

Сигнал определённым образом «приподнимается», интегрируется, при этом значимые компоненты разделяются во времени, а затем преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов фиксированной ширины, амплитуда которых пропорциональна мощности значимых компонент. При этом передний фронт импульсов совпадает с началом значимых компонент.

Полученный сигнал имеет следующий вид:

Далее определяются минимальный и максимальный уровни в соответствии со статистическим алгоритмом разновидности метода и производится оценка состояния по уставкам тревог SPM или самого пользователя.

На сегодняшний день существует три алгоритма определения уровней ударных импульсов. Каждый обладает определёнными достоинствами, не позволяющими полностью отказаться от того или иного метода.

Самый первый метод – dBm/dBc.

Значение dBm – это максимальная величина, определяющая самый сильный импульс за время измерения. Она является показателем повреждения подшипника.

Значение dBc, или «ковровый» уровень, определяется, как уровень, на котором регистрируется 200 импульсов в секунду. Данный уровень является показателем состояния смазки подшипника.

Обе величины измеряются по нормализованной шкале в децибелах. «Нормализованная шкала» означает, что шкала скорректирована в соответствии с основными данными подшипника: внутренним диаметром и частотой вращения. Нормализация шкалы производится с целью унификации оценки состояния по правилу SPM: «менее 20 dBn = хорошее состояние, 21-34 20 dBn = внимание, от 35 dBn = повреждение». Следует отметить, что ошибка ввода диаметра и скорости до 10% не приводит к существенной ошибке оценки состояния. Точность метода приемлемая, идеален для мониторинга оборудования, о подшипниках и скоростях вращения которого не имеется точных данных.

Второй метод – LR/HR.

Значение LR (Low Rate of occurrence = низкая степень повторяемости) – это средняя величина 40 самых сильных импульсов за время измерения. Она соответствует, но не является равной максимальной величине импульсов. Значение HR (High Rate of occurrence = высокая степень повторяемости) соответствует уровню, где регистрируется примерно 1000 импульсов в секунду. Это соответствует, но не является равным «ковровой» величине. Обе величины – исходные данные, измеренные по ненормализованной шкале в децибелах. Оценка сигнала даёт три результата: CODE ( от А до D – код состояния подшипника), LUB (состояние смазки) и COND (степень повреждения). Так же имеются различные коды ошибок (слабый сигнал, помеха и т.д.). Для применения метода необходимо знать номер подшипника и скорость вращения. Визуально состояние оценивается по положению «рабочей точки» подшипника относительно оценочной рамки, своей для каждого типа подшипников. Метод обладает достаточной точностью, подходит для мониторинга оборудования, о котором имеется достоверная информация по подшипникам и скорости вращения.

Метод HD (High Definition = Высокое разрешение) – последняя разработка SPM.

Аналогично предыдущим методам, определяются величины HDm и HDc. HDm является самым большим значением, полученным во время цикла измерения, в то время как HDc определяет степень смазывания подшипника.

Аппаратно метод реализован с применением высокоскоростного 24-битного АЦП, обеспечивающего высочайшее разрешение анализируемого сигнала. Цикл измерения привязан к оборотам вала, что позволяет избавиться от помех. Алгоритмическая защита от помех основана на использовании технологии сличения повторяющихся образов сигналов и устранения случайных составляющих. Метод устойчиво работает даже на оборудовании со скоростью вращения около 5 об/мин.

Для детальной диагностики и локализации дефектов, то есть привязки их к конкретной детали подшипника, фирмой SPM разработан удобный и надёжный инструмент – спектр ударных импульсов, или SPM-спектр. Метод доступен широкому кругу пользователей с 2002 года, поэтому все заявления о том, что SPM не располагает возможностями для детальной диагностики, не соответствуют действительности.

Суть SPM-спектра состоит в следующем. Последовательность зарегистрированных и обработанных для статистического анализа импульсов вполне корректно рассматривать, как временной сигнал. Следовательно, к нему может быть применено БПФ.

Анализ получившегося спектра практически ничем не отличается от обычного анализа спектра вибрации. Единственная разница, о которой должен помнить диагност – это разница в физической природе исходного сигнала.

Метод ударных импульсов является мощным высокоточным инструментом в арсенале современной диагностики.