Спектральный анализ ударных импульсов SPM Спектр™ для детальной диагностики условий работы и состояния подшипников качения

В дополнение к измерениям общего уровня ударных импульсов SPM® Вы можете задать последующий спектральный анализ SPM Спектр™ полученного сигнала. В результате Вы можете получить детальную информацию как о характере сигнала ударных импульсов, так и о различных источниках этого сигнала, свидетельствующую о природе дефекта подшипника или же указывающую на наличие помех.

По сравнению с измерениями общего уровня сигнала любой спектральный анализ всегда требует значительно более серьезных трудозатрат на сбор исходных данных для подготовки измерений и на последующий анализ полученных результатов измерений. В то же время многократный спектральный анализ ударных импульсов SPM Спектр™, проводимый на оборудовании, находящемся в хорошем состоянии, как правило, не дает никакой новой полезной информации. Поэтому в общем случае целесообразно для широкомасштабного мониторинга состояния подшипников качения использовать только простые и экономичные измерения общих уровней ударных импульсов SPM®. К измерениям SPM Спектр™ следует переходить только на подшипниках, имеющих повышенный уровень ударных импульсов.

Тем не менее, существуют отдельные случаи, когда конструкция оборудования включает в себя какие-либо ответственные элементы, выход из строя которых может случиться и при относительно невысоких общих уровнях сигналов от данного оборудования. Также иногда существует необходимость учитывать существенные нормальные изменения условий работы подшипников, анализировать влияние внешних факторов на работу подшипников, а также бороться с постоянными помехами. В таких случаях постоянное использование спектрального анализа ударных импульсов SPM Спектр™ для диагностики и мониторинга состояния этого оборудования может оказаться необходимым.

Спектральный анализ SPM Спектр™ может выполняться с помощью ряда переносных диагностических приборов – сборщиков данных и с помощью стационарных диагностических систем фирмы SPM Instrument вместе с измерениями ударных импульсов SPM®, наряду с измерениями интенсивности вибрации по стандартам ISO, спектральным анализом вибрации EVAM® и другими измерительными функциями.

Функциональные возможности и допускаемые параметры настроек метода SPM Спектр™ существенно различаются для различных приборов и систем. Просим Вас при выборе диагностического оборудования всегда обращать внимание на технические данные конкретных измерительных устройств.


Какой сигнал измеряет SPM Спектр™?

Метод измерений SPM Спектр™ по своему принципу несколько напоминает виброанализ по методу огибающей. Однако существенная разница заключается в том, что в методе SPM Спектр™ для анализа изначально берется не вибросигнал от датчика вибрации, а сигнал ударных импульсов, приходящий от датчика ударных импульсов SPM. В связи с тем, что датчик ударных импульсов SPM работает на резонансной частоте своей пьезоэлектрической измерительной системы, выделяя и усиливая сигнал от подшипника с одновременным подавлением общего вибрационного фона, отсутствует необходимость в применении различного рода полосовых фильтров или же в поиске резонансных областей для дополнительного выделения «полезного» сигнала от подшипника. Благодаря применению специализированных датчиков ударных импульсов SPM для спектрального анализа SPM Спектр™ уже берется «чистый» сигнал ударных импульсов от подшипника, свободный от ненужных составляющих, вызванных общей вибрацией механизма.

Естественно, в сигнале ударных импульсов также возможно присутствие ограниченного количества помех (например, шум зубчатых зацеплений, кавитация, трущиеся и задевающие детали и т.п.) Определение таких помех также входит в задачу спектрального анализа SPM Спектр™.

Ударные волны, приходящие на датчик, могут иметь две частотные характеристики:

В качестве примера можно рассмотреть удары молотком по металлической балке: отдельно существует частота колебательного процесса металла балки после каждого удара, т.е. частота, на которой балка сама «звенит», и отдельно существует частота, с которой производятся удары молотком. Эти две частоты никак между собой не связаны, - частота «звона» балки определяется физическими свойствами металла балки, а также формой и размерами этой балки, в то время как частота произведения ударов определяется тем, у кого в руках молоток.

Также происходит и при измерениях ударных импульсов SPM - частота собственного колебательного процесса отдельной ударной волны, вызванной одним соударением деталей подшипника, равняется 32 кГц, в то время как частота повторения таких ударных воздействий зависит от геометрии и размеров деталей подшипника, скорости его вращения и от особенностей имеющихся дефектов этого подшипника.

Естественно, что на самом деле собственные колебательные процессы отдельной ударной волны, распространяющейся в материале корпуса подшипника, включают довольно широкий диапазон частот. Однако при разработке метода ударных импульсов SPM было установлено, что при измерениях ударных волн от подшипников качения ультразвуковая частота 32 кГц в общем случае является наиболее подходящей «несущей» частотой, как для получения информации о состоянии подшипников, так и для исключения помех от общей вибрации механизмов. На эту частоту и настроена пьезоэлектрическая измерительная система внутри датчика ударных импульсов SPM. Резонанс измерительной системы, вызываемый колебательными процессами приходящих на датчик ударных волн, обеспечивает высокую резонансную чувствительность датчика ударных импульсов SPM, которая в несколько раз превышает чувствительность обычного пьезоэлектрического датчика вибрации, работающего в линейном диапазоне чувствительности.

Учитывая все вышесказанное, частоту 32 кГц можно назвать «несущей частотой», которая имеет отношение только к характеристикам ударных волн, приходящих на датчик. В последовательности электрических импульсов на выходе измерительного устройства SPM частота 32 кГц отсутствует как таковая и никакого отношения не имеет ни к уровням ударных импульсов SPM, ни к последующему спектральному анализу этих ударных импульсов SPM Спектр™.

На практике измерения SPM Спектр™ даже на подшипниках со скоростью вращения в несколько оборотов в минуту дают четкий спектр с хорошим разрешением.


Как получается SPM Спектр™?

Спектральному анализу ударных импульсов SPM Спектр™ подвергается именно выходная последовательность импульсов, полученная на выходе измерительного устройства. Для этого используется метод быстрых преобразований Фурье с целью последующего представления амплитудно-частотного спектра выходной последовательности ударных импульсов в качестве результата анализа.


Какие требуются исходные данные?

По сравнению с измерениями общего уровня сигнала любой спектральный анализ всегда требует значительно более серьезных трудозатрат на сбор исходных данных для подготовки измерений. Для анализа результатов измерений SPM Спектр™ требуется иметь точные данные по подшипнику и измерять его точную частоту вращения в об/мин.

Точные данные по подшипнику представляют собой его частотные характеристики, получаемые расчетным путем на основании геометрических параметров подшипников. Большинство данных по подшипникам, занесенным в каталог подшипников программы Condmaster®Nova, включают эти частотные характеристики. Также не представляет труда самостоятельно произвести расчет этих характеристик с помощью стандартных формул или с помощью простой прикладной программы фирмы SPM Instrument.

Измерение частоты вращения должно производиться непосредственно перед измерением SPM Спектр™, поскольку правильное определение дефектов данного подшипника возможно только при условии получения точных данных о скорости вращения этого подшипника.


Как применяется SPM Спектр™?

Метод SPM Спектр™ можно условно разделить на две основных стадии в отношении применения данного метода для широкомасштабных измерений с целью диагностики и мониторинга состояния производственного оборудования:

1. Анализ спектра сигнала ударных импульсов

На этой стадии метод SPM Спектр™ применяется с целью автоматического амплитудно-частотного разложения по методу быстрых преобразований Фурье выходной последовательности ударных импульсов и последующего представления амплитудно-частотного спектра этой выходной последовательности ударных импульсов в качестве результата анализа. Опытный пользователь имеет возможность анализировать такой спектр с помощью стандартных встроенных средств анализа (поиск гармоник, поиск боковых линий, использование курсоров и отметок, выбор единиц измерений частоты для шкалы Х, пересчет и представление спектров в других единицах измерений для шкалы Y, 3-х мерное представление нескольких спектров и т.д.)

Очень важной составляющей метода SPM Спектр™ является интегрированное программное обеспечение, которое позволяет даже неопытному пользователю легко производить автоматизированный поиск признаков неисправностей оборудования в полученном спектре и выполнять качественную и количественную оценку этих неисправностей. С этой целью используются симптомы дефектов – программные модули Condmaster®Nova. Пользователь может сам выбрать из списка и задать для каждой точки измерения возможные симптомы дефектов оборудования (например, различные дефекты подшипников качения, различные дефекты зубчатых передач, а также дисбаланс, несоосность и т.д.) В соответствии с заданными симптомами программное обеспечение будет производить автоматическую регистрацию и количественную оценку линий спектра, соответствующих этим неисправностям. При анализе спектра на дисплее такие линии автоматически выделяются цветом, выдаются параметры количественной оценки неисправности, что очень существенно упрощает и убыстряет практическую работу диагноста.

В случае использования абсолютного типа SPM Спектр™ параметры количественной оценки неисправностей автоматически сохраняются в виде результатов измерений и могут выдаваться в виде таблиц и графиков. Таким образом, можно легко проанализировать появление и развитие во времени любых неисправностей, например, проследить процессы развития прослабления сепаратора подшипника, развития дефекта какой-либо детали подшипника, ухудшения состояния условий работы подшипника в результате воздействия внешних факторов и т.п.

В случае использования абсолютного типа SPM Спектр™ пользователь может сам задать уставки тревог по любым активным симптомам дефектов в программном обеспечении Condmaster®Nova и, таким образом, обеспечить автоматическое представление состояния оборудования в цветовом коде по системе светофора “зеленый, желтый, красный ” на основании качественной и количественной оценки неисправностей по результатам спектрального анализа ударных импульсов SPM Спектр™.

2. Автоматическая оценка состояния оборудования с помощью критериев

На этой стадии метод SPM Спектр™ работает только в случае использования абсолютного типа SPM Спектр™.

На этой стадии метод SPM Спектр™ применяется с целью обеспечения автоматической оценки состояния оборудования с минимальными повседневными затратами рабочего времени. Основанием для оценки являются ВСЕ активные симптомы дефектов для данной точки измерения. С этой целью используются критерии – программные модули Condmaster®Nova.

Для каждого из симптомов при создании критерия автоматически регистрируется свое исходное среднее значение и свое стандартное отклонение, которые получаются с помощью автоматической статистической обработки имеющихся результатов измерений, сделанных при «хорошем» состоянии оборудования. В дальнейшем на основании сравнения текущих результатов анализа ударных импульсов SPM Спектр™ с критериями обеспечивается полностью автоматическое представление всех активных симптомов дефектов по цветовой шкале состояния. Таким образом, пользователь получает возможность существенно сократить трудозатраты, связанные с регулярными просмотрами и анализами спектров ударных импульсов SPM Спектр™, и в результате существенно увеличить объемы оборудования, охваченного регулярной диагностикой состояния.

Несомненным преимуществом диагностики состояния с помощью критериев является ее полная автоматизация. Вам необходимо лишь создать критерий для данной точки измерения или для данного агрегата, после чего все дальнейшие оценки состояния будут производиться полностью автоматически. В большинстве случаев при условии правильного выбора исходных результатов для создания критериев Вы сможете вообще не обращать внимание на точки измерений, находящиеся в зеленой зоне, и не тратить Ваше рабочее время на анализ спектров оборудования, находящегося в хорошем состоянии, до тех пор, пока какая-либо точка не перейдет в желтую или красную зоны. В производственных условиях, когда количество реально стоящих задач часто превышает возможности персонала, любую возможность избежать лишней работы Вы без сомнения найдете привлекательной.

Пользователь может сам с помощью меню легко создать критерий для каждой точки измерения в программном обеспечении Condmaster®Nova и, таким образом, обеспечить автоматическое представление состояния оборудования в цветовом коде по системе светофора “зеленый, желтый, красный ” на основании степени отклонения текущей качественной и количественной оценки неисправностей по результатам спектрального анализа ударных импульсов SPM Спектр™ от статистического исходного состояния.


Оценка состояния оборудования по результатам измерений SPM Спектр™

Вопрос о том, какой именно дефект есть в оборудовании и насколько серьезен этот дефект, выявленный с помощью измерений, решается различными способами с помощью встроенных средств программного обеспечения. Программное обеспечение предоставляет даже неопытному пользователю прекрасные возможности для легкого решения этой относительно трудной задачи.

В общем случае порядок возникновения и прихода ударных волн, а также, соответственно, порядок следования ударных импульсов может быть как периодическим, так и случайным. Периодические ударные волны порождаются ударными воздействиями, происходящими с определенными одинаковыми временными интервалами, например, прокатыванием тел качения подшипника по дефекту его обоймы или ударным взаимодействием зубьев дефектного зубчатого зацепления. Случайные (апериодические) ударные волны порождаются ударными воздействиями, возникающими в результате хаотических неупорядоченных процессов, например, в результате лопания газовых пузырьков в жидкости во время кавитации.

В результате спектрального анализа SPM Спектр™ выясняется, есть ли какая-либо упорядоченность и закономерность повторений во времени отдельных ударных импульсов, и, если есть, то с какими частотами и амплитудами они повторяются.

Полученные частоты повторений ударных импульсов сопоставляются с расчетными частотами, на которых могут происходить ударные взаимодействия в деталях механизмов, преимущественно в подшипниках качения и в зубчатых передачах, а также с расчетными частотами возможных дополнительных внешних воздействий на условия работы подшипников, например, дисбаланса, несоосности, внешней вибрации и т.п.

С развитием дефекта подшипника линии SPM Cпектр™, соответствующие этому дефекту, зачастую становятся все более и более высокими относительно остальных линий. Типичным признаком тяжелого дефекта подшипника в общем случае является появление и рост боковых линий, поиск которых в SPM Спектр™ производится с помощью симптомов, использующих модуляцию.

Если SPM Cпектр™ измеряется в относительных единицах, то общий рост сигнала ударных импульсов при ухудшении условий работы подшипника иногда может маскировать рост линий, соответствующих дефекту. В этом случае основной задачей измерений SPM Спектр™ является преимущественно не количественная, а качественная оценка сигнала ударных импульсов:

Количественная оценка развития дефекта подшипника при этом производится преимущественно в результате измерения общего уровня ударных импульсов SPM (при условии отсутствия выраженных помех, приходящих от других источников).

Если SPM Cпектр™ измеряется в абсолютных единицах, то основной задачей измерений SPM Спектр™ является, как правило, и количественная, и качественная оценка сигнала ударных импульсов:

Количественная оценка развития дефекта подшипника в этом случае производится как в результате измерения общего уровня ударных импульсов SPM (при условии отсутствия выраженных помех, приходящих от других источников), так и с помощью анализа SPM Спектр™.

См. также выше «Как применяется SPM Спектр™?» для более детального описания возможностей абсолютного типа SPM Спектр™.