Вибрации и колебания в машинах и механизмах

лат. vibratio - колебание) называют механические колебания в машинах или механизмах.
Колебание - движение или изменение состояния, обладающие той или иной степенью повторяемости или периодичностью.

Вибрация - эффективный диагностический сигнал
колебательные силы возникают непосредственно в месте появления дефекта, а машина «прозрачна» для вибрации
вибрация содержит максимальный объём диагностической информации
диагностировать можно на месте, без разборки и остановки оборудования

системы, при котором происходят колебания характеризующих его скалярных величин.
Механические колебания – колебания значений кинематической или динамической величины, характеризующей механическую систему
Виброперемещение (мкм) - составляющая перемещения, описывающая вибрацию
Виброскорость (мм/c) - производная виброперемещения по времени
Виброускорение (м/c2) - производная виброскорости по времени

Единицы измерения

уравнениями:

1 м/c2 = 120 дБ виброускорения
1 мм/c = 120 дБ виброскорости
1 мкм = 120 дБ вибросмещения
20 Па = 120 дБ звукового давления

Параметры вибрации

физических величин, пришедшие из акустики. Децибелы – аддитивная величина и по определению разница в 20 дБ означает то, что одна величина превышает другую в 10 раз.

практике часто применяется логарифмическая шкала частоты, обеспечивающая расширение области низких частот и сжатие области высоких частот и, следовательно, идентичное относительное разрешение по частоте.
Логарифмическая шкала также эффективна при графическом представлении амплитуд механических колебаний и к ее преимуществам относится возможность применения относительных единиц при сравнении уровней этих колебаний. Наиболее распространенной относительной единицей, относящейся к логарифмической шкале, является децибел (дБ), определяемый отношением определенного и опорного значений соответствующей величины механических колебаний. Отметим, что для вычисления абсолютных значений из уровней в дБ необходимо определение соответствующего опорного значения.

образом:
Lv= 20 lg (V/Vo), или Lv= 20 lg {V/(5х10-8 м/с)}

Опорный уровень в 10-9 м/с достаточен для того, чтобы все измерения вибраций машины в децибелах были бы положительными. Указанный стандартизованный опорный уровень соответствует международной системе СИ.
Однако он признается в качестве стандарта не во всех станах. Например, в США в качестве опорного берется значение 10-8 м/с. Это приводит к тому, что американские показания для той же виброскорости будут на 20 дБ ниже, чем в СИ.
В российских стандартах используется опорный уровень виброскорости 5х10-8 м/с, поэтому российские показания Lv еще на 14 дБ ниже американских.
Таким образом, децибел - это логарифмическая относительная единица амплитуды колебаний, которая позволяет легко проводить сравнительные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ соответствует удвоению амплитуды, независимо от исходного значения. Аналогично, любое изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз.

около положения равновесия. Этот тип вибрации называется общей вибрацией, потому что тело перемещается как единое целое и все его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Положением равновесия называют такое положение, в котором тело находится в состоянии покоя или положение которое оно займет, если сумма действующих на него сил равна нулю

Колебательное движение твердого тела может быть полностью описано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступательного в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декартовых координатах) и вращательного относительно трех взаимно перпендикулярных осей (Ох, Оу, Оz). Любое сложное перемещение тела можно разложить на эти шесть составляющих. Поэтому о таких телах говорят, что они имеют шесть степеней свободы.

Простейшее гармоническое колебание

Вибрация - это механические колебания тела.

широкого класса механизмов. Конструкционные дефекты
Ускорение – контроль и диагностика подшипников, высокооборотные машины

= F х 60,
    где F- частота в Гц, т.к. в минуте 60 секунд.

Период колебаний - наименьший интервал времени, через который при периодических колебаниях (вибрации) повторяется каждое значение колеблющейся величины (характеризующей вибрацию). В зависимости от быстроты колебаний, период измеряют в секундах или миллисекундах.

Частота колебаний - величина обратная периоду, определяет количество циклов колебания за период, она измеряется в герцах (1Гц= 1/секунду). Когда рассматриваются вращающиеся машины, то частота основного колебания соответствует частоте вращения, которая измеряется в об/мин (1/мин) и определяется как:

sin(ώt)
V = Sм ώcos(ώt)
A = -Sм ώ²sin(ώt)
где ώ=2πF – угловая частота

Пример.
На частоте 50 Гц перемещению S=1мм соответствует скорость V=31см/с и ускорение A=99м/с2.

Номограмма

от положения равновесия. (Хпик)   

Среднеквадратическое значение амплитуды (СКЗ) равно квадратному корню из среднего квадрата амплитуды колебания. Для синусоидальной волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значение, однако такое соотношение справедливо только для данного
Случая.

Размах (Пик-Пик) - это разница между положительным и отрицательным пиками (Хразмах). Для синусоидального колебания размах в точности равен удвоенной пиковой амплитуде, так как временная реализация в этом случае симметрична.

Для описания и измерения механических вибраций используются следующие понятия:

корню из среднего квадрата амплитуды колебания

Для синусоидальной волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значение, однако такое соотношение справедливо только для данного случая.

коэффициент), числовое значение которого тем больше, чем больше выражен импульсный или случайный характер колебаний

Для описания и измерения механических вибраций используются следующие понятия:

Для синусоидальной волны

анализа спектра, однако он служит хорошим индикатором степени износа подшипников. Величина пик-фактора определяется как отношение пикового значения вибрации к ее среднему квадратическому значению (СКЗ). Ее легко можно измерить с помощью виброметров, имеющих данный режим. Использование пик-фактора для оценки состояния подшипников заключается в периодическом измерении его величины и в отслеживании ее изменений во времени

90 градусов
Фаза - мера относительного сдвига во времени двух синусоидальных колебаний
Перемещение, скорость и ускорение колеблющейся точки отличаются по фазе на 90

самых последних стадиях их развития, начиная, примерно, с середины третьего этапа развития дефекта, когда общий уровень вибрации значительно вырастет. Требует минимальных технических затрат и не требует специального обучения персонала.
Спектр вибросигнала.
Данный метод применяется на практике достаточно часто, т. к. позволяет выявлять, наряду с диагностикой подшипников, большое количество других дефектов оборудования. Этот метод позволяет начинать диагностику дефектов подшипников примерно с середины второго этапа развития дефектов, когда энергия резонансных колебаний вырастет настолько, что будет заметна в общей картине частотного распределения всей мощности вибросигнала. Для реализации данного метода необходим хороший спектроанализатор и подготовленный персонал.
Соотношение пик / фон вибросигнала.
HFD ( High Freguency Detection - метод обнаружения высокочастотного сигнала ),
SPM ( Shock Pulse Measurement - метод измерения ударных импульсов ),
SE ( Spike Energy - метод измерения энергии импульса ),
Лучшие разновидности данного метода позволяют выявлять дефекты подшипников качения на достаточно ранних стадиях, начиная примерно с конца первого этапа развития. Приборы, реализующие данный метод диагностики достаточно простые и недорогие.
Спектр огибающей сигнала.
Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых ранних стадиях, начиная примерно с первой трети первого этапа.
Технология  PeakVue.
По сравнению с техникой демодуляции и другими аналоговыми технологиями, которые не могут определить такие дефекты на столь ранней стадии их возникновения – а иногда не могут и вовсе их определить, технология PeakVue не только даёт наиболее раннее предупреждение о возникшей проблеме, она также количественно определяет степень развития дефекта.
Прочие методы.
Анализ акустического шума.

части двигателей и машин, соединенные с агрегатом и работающие в обычном для них режиме (серийные электрические моторы мощностью до 15 кВт являются типичными машинами этой категории).
Класс 2 - Машины средней величины (типовые электромоторы мощностью от 15 до 875 кВт) без специальных фундаментов, жестко установленные двигатели или машины (до 300 кВт) на специальных фундаментах.
Класс 3 - Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, уста­новленные на массивных фундаментах, относительно жестких в направлении измерения вибрации.
Класс 4 - Мощные первичные двигатели и другие мощные машины с вращающимися массами, уста­новленные на фундаменты, относительно податливые в направлении измерения вибрации (например, турбогенераторы и газовые турбины с выходной мощностью более 10 МВт).

ГОСТ Р ИСО 10816 – Контроль состояния машин по результатам измерений вибрации на невращающихся частях

временного сигнала.
Продолжительность временного сигнала – это общее время, в течение которого собирают информацию из временного сигнала.
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 временной сигнал?

Временной сигнал – это графическое представление уровня вибрации, изменяющегося во времени.
Временной сигнал скорости – это диаграмма, которая показывает, каким образом амплитуда виброскорости изменяется в течение определенного периода времени.

частотный, или спектральный, анализ вибрационного сигнала. Если временная реализация есть график во временной области, то спектр - это график в частотной области. Спектральный анализ эквивалентен преобразованию сигнала из временной области в частотную. Частота и время связаны друг с другом следующей зависимостью:
    Время= 1/Частота  и Частота= 1/Время

компоненты машины совершают колебания с определенной амплитудой.

виде ряда Фурье, почти периодические - в виде суммы гармонических колебаний с несоизмеримыми частотами, а непериодические колебания - в виде интеграла Фурье, определяющего спектральную плотность

Гармонический анализ колебаний (вибрации) - представление анализируемых колебаний (вибрации) в виде суммы гармонических колебаний

Спектр колебаний (вибрации) - совокупность соответствующих гармоническим составляющим значений величины, характеризующей колебания (вибрацию), в которой указанные значения располагаются в порядке возрастания частот гармонических составляющих.

ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения

скоростью (с fвр).
Несинхронные колебания – это колебания, гармонически не связанные с рабочей скоростью.

Для выявления дефектов не приводящих к кратковременному изменению сигнала, используют спектральное представление сигнала, т.е. разложение его на простые составляющие (тональные).

в полосе частот, требуемой стандартами вибрационного контроля и в требуемых стандартами единицах измерения.
Производить спектральный анализ вибрации
Производить анализ колебаний мощности отдельных компонент вибрации, предварительно выделенных из сигнала вибрации, - спектральный анализ огибающей случайного высокочастотного сигнала вибрации.
Производить анализ формы сигнала, т.е. анализировать временной сигнал вибрации (работать в режиме осциллографа).
Высокая линейность – 0,01%. (на практике достаточно 0,03%, т.е. искажения появляются на уровне – 70 дБ).
Частотный диапазон – от 2 Гц до 20 кГц (реже от 0,3 Гц до 40 кГц)
Разрешающая способность – от 100 до 800 частотных полос ( в некоторых приборах – до 6 400 и выше) – 1600 полос.

доставляются к точке контроля
2 СТЕНДОВЫЕ (системы на базе ПК)
датчики устанавливаются на объект временно
измерениями управляет оператор
3 СТАЦИОНАРНЫЕ (виброзащиты, мониторинга, диагностики и анализа)
датчики устанавливаются на объект постоянно
измерениями управляет автомат
ВИБРАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ - распознавание текущего технического состояния  механизма;
сравнение параметров вибрации с пороговыми значениями
прогноз изменений вибрационных параметров
ВИБРАЦИОННАЯ ДИАГНОСТИКА - выявление причин и условий, вызывающих неисправности,
и принятие обоснованных решений по их устранению.
определение вида и величины каждого дефекта
сравнение величины дефекта с пороговыми значениями
прогноз развития

раннего
обнаружения и
мониторинг дефектов

Четыре основных составляющих
методы мониторинга и диагностики
методы и средства измерения и анализа сигналов
база данных и её обслуживание
интеллект (эксперт или искусственный интеллект)

Исполнение
переносные системы
стендовые системы
стационарные системы

«Протон»)

BALTECH VP-3405 (-2)

Протон-СПП

Протон-1000

Протон-Баланс

BALTECH VP-3410

BALTECH VP-3450

CSI-2140

BALTECH VP-3470