Основы вибродиагностики и средства измерения вибрации

В.В.Петрхин,С.В.Петрхин

ОСНОВЫ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ
ИСРЕДСТВАИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИ

ДопщеноУчебно-методичесимобъединениемвзов
РоссийсойФедерациипонефтеазовомобразованию
вачествечебноопособия

Инфра-Инженерия
Мосва
2010

БИБЛИОТЕКАНЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКАИЕГОПОДРЯДЧИКОВ(SERVICE)
УДК622.323:002.5(075.8)
ББК33.13
П31

Рецензенты:ВалинА.А.,д.т.н.,профессорТюмГНГУ;СереевС.А.,.т.н.,диреторТюменсоочебнооцентраОАО
"Сибнефтепровод".

ПЕТРУХИНВ.В.,ПЕТРУХИНС.В.
П31
Основывибродианостииисредстваизмерениявибрации:чебноепособие.-Мосва:Инфра-Инженерия,
2010.-176с.:ил.

ISBN978-5-9729-0026-8

Приведенытеоретичесиеосновымеханичесихолебаний,
терминыипонятиявибрационнойдианостии.Рассмотренысредстваиметодыизмерениявибрации,приведенаихлассифиация.
Описаносостояниесовременноорынаотечественныхприборов
дляизмерения,обработииисследованиявибрационныхпараметров.Рассмотреныосновныеприемыиметодывибродианостии,приведенытипичныеслчаинеисправностеймашин,постановадианозаметодамивибродианостии.
Восновпособияположеныновейшиестатьииматериалыведщихотечественныхизарбежныхфирм-дианостовипроизводителейсредствизмеренияиобработивибросиналов.
Предназначенодляинженерно-техничесихспециалистов,занимающихсяразработойипроизводствомпромышленнообалансировочноообордованияивиброизмерительнойаппаратры,а
тажедлястдентов,обчающихсяпоспециальностям,связаннымсэсплатациейидианостиоймашиниобордования.

©ПЕТРУХИНВ.В.,ПЕТРУХИНС.В.,авторы,2010
©Издательство«Инфра-Инженерия»,2010

ISBN978-5-9729-0026-8

Справочниеолоанефтеазоразведи:нефтеазопромысловаяеолоияиидроеолоия

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ......................................................................... 5

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕОСНОВЫ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ .................................... 7
1.1.Простейшееармоничесоеолебание .................. 7
1.2.Уравненияолебаний .............................................. 9
1.3.Динамиамеханичесихсистем .............................. 11
1.4.Измеренияамплитдывибрации ............................. 11
1.5.Понятиефазы ........................................................... 13
1.6.Единицыизмерениявибрации ................................ 14
1.7.Сложныевидывибрации ......................................... 18
1.8.Собственныечастоты ............................................... 20
1.9.Линейныеинелинейныесистемы .......................... 21
1.10.Нелинейныесистемы ............................................. 2 2
1.11.Нелинейностироторныхмашин ............................ 23
1.12.Резонанс ................................................................. 24
1.13.Частотныйанализ .................................................... 26
1.14.Типысиналов ........................................................ 28
1.15.Примерывременныхреализаций
иихспетров ......................................................... 30
1.16.Модляция ............................................................... 34
1.17.Амплитднаямодляция ......................................... 35
1.18.Биения..................................................................... 36
1.19.Лоарифмичесаячастотнаяшала ....................... 38
1.20.Отавныйи1/3-отавныйанализ .......................... 39

2.СРЕДСТВАИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИИШУМА .................................... 45

3.СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕРЫНКА
ПРИБОРОВВИБРОДИАГНОСТИКИ .................... 80
3.1.Современноесостояниетехничесих
средстванализавибрации ....................................... 83

БИБЛИОТЕКАНЕФТЕГАЗОДОБЫТЧИКАИЕГОПОДРЯДЧИКОВ(SERVICE)

3.2.Вибропреобразователи ............................................ 84
3.3.Простейшиесредстваизмерения
ианализавибрации ................................................. 99
3.4.Стационарныесистемымониторина
идианостии………….. ........................................... 102
3.5.Портативныесистемымониторина
идианостии…………… ........................................... 106
3.6.Исследовательсиеприборыисистемы ................. 111

4.АНАЛИЗСОВРЕМЕННЫХМЕТОДОВ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ ........................................ 122
4.1.Общийобзорсовременных
методовдианостии ............................................... 122
4.2.Методоценитехничесоо
состояниямашин ..................................................... 131
4.3.Основыанализаданныхипоиса
неисправностей ........................................................ 144
4.4.Примерыиздианостиимашин
иобордования ........................................................ 153

ЛИТЕРАТУРА ..................................................... 167

ВВЕДЕНИЕ 
 
________________________________________________________________ 
 
 
 
 
Со времени начала промышленного производства и эксплуатации 
различных машин и оборудования с механическим приводом инженеры- 
конструкторы и эксплуатационники занимаются вопросами, связанными с 
уменьшением механических колебаний и виброизоляцией техники. 
Необходимость точного измерения и анализа механических колебаний возникла с первых шагов разработки и конструирования, учитывающих вопросы длительной, безаварийной эксплуатации машин и увеличения их ресурса. Исследование механических колебаний тихоходных машин 
основывалось 
на 
опыте 
многолетней 
работы 
инженеровконструкторов и операторов с применением простейших оптических приборов, измеряющих характеристики  механических колебаний. 
В последние 15-20 лет измерительная и анализирующая техника и 
аппаратура стремительно развивалась и претерпела значительные изменения как в точности и универсальности, так и в конструктивном отношении. 
Применение пьезоэлектрических акселерометров (датчиков вибрации), преобразующих механические колебания в электрические сигналы, 
раскрыло новые возможности точного измерения и анализа механических 
колебаний электронными измерительными приборами - сначала аналоговыми, затем цифровыми. Появление и широкое распространение микропроцессоров открыло новую эру измерительной техники: высокоточной, 
универсальной, миниатюрной и легкой, применяемой для измерения и 
анализа механических колебаний любых современных быстродействующих машин и оборудования. 
Избежать механических колебаний на практике почти нельзя, так как 
они обусловлены динамическими явлениями, присутствием допусков, зазоров и поверхностных контактов отдельных деталей машин и механизмов, а также сил, возникающих при вращении и возвратно-поступательном 
движении неуравновешенных элементов и деталей. Даже механические 
колебания с малой амплитудой часто вызывают резонансные колебания 
других элементов конструкций, усиливаются и становятся важным источником вибрации и шума. 
Механические колебания могут также быть полезными помощниками человека. На применении искусственно генерируемых механических 
колебаний основываются вибрационные питательные устройства, уплотнители для бетона, вибросита для очистки жидкостей от крупных твердых 
частиц, ультразвуковые ванны для очистки деталей, перфораторы и другие 

инструменты. Вибростенды, вибраторы и другие возбудители механических колебаний находят широкое применение при исследованиях и испытаниях изделий, узлов и деталей, подвергаемых воздействию точно определенных механических колебаний с целью измерения и анализа их физической и эксплуатационной характеристики и оценки их стойкости в отношении влияний механических колебаний и ударов. 
Основой  работ при конструировании и разработке машин и оборудования, относящихся к надежности, является оценка механических колебаний, возникающих в них, для чего необходимо точное определение параметров этих механических колебаний путем их измерения и анализа. 
Тело считают вибрирующим, если оно совершает колебательное 
движение относительно нейтрального (опорного) положения равновесия. 
Число полных циклов движения тела за единицу времени называется частотой колебаний. 
Движение может быть простым и содержать составляющую с одной 
частотой, например колебания камертона, или сложным, с несколькими 
составляющими, развивающимися одновременно на нескольких частотах. 
Примерами  могут служить колебательные процессы в любых машинах и 
механизмах. 
Встречающиеся на практике вибрации обычно являются сложными 
механическими колебаниями со многими составляющими на разных частотах, поэтому только на основе измеренной величины вибропараметра 
или амплитудно-временной диаграммы нельзя определить ни число, ни 
частоты отдельных составляющих сложного колебательного процесса. Отдельные составляющие сложных механических колебаний можно обнаружить и определить путем исследования зависимости их амплитуд от частоты. Разложение механических колебаний в индивидуальные частотные составляющие называется частотным анализом. Частотный анализ является 
основным методом диагностики, главной задачей которой является исследование механических колебаний. График зависимости амплитуды или 
уровня определенной величины механических колебаний от частоты называется частотной спектрограммой. 
Частотный анализ механических колебаний машин и механизмов позволяет обнаружить ряд выраженных частотных составляющих периодического характера, непосредственно связанных с основными движениями 
отдельных узлов и деталей исследуемой машины или механизма, дает возможность обнаружения отдельных источников механических колебаний и 
их особенностей, соответствующих определенным дефектам машины, а 
также  развития этих дефектов. 
 
 
 
 

Глава 1   
 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ 
__________________________________________________________ 
 
 
 
1.1. Простейшее гармоническое колебание 
 
 
Вибрация (колебания) - это движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание по 
времени, по крайней мере, одной координаты. Другими словами, вибрация 
- это механические колебания точки или механической системы [1]. 

Самый простой вид вибрации -  колебание или повторяющееся движение объекта 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, т.е. такие тела имеют шесть степеней 
свободы. 

В качестве примера можно привести колебания корабля на волне, который может перемещаться в направлении оси "корма-нос" (прямо по курсу), подниматься и опускаться вверх-вниз, двигаться в направлении оси 
"правый борт – левый борт", а также вращаться относительно вертикальной оси и испытывать бортовую и килевую качку. 

Вибрация тела всегда вызывается какими-то силами возбуждения. 
Эти силы могут быть приложены к объекту извне или возникать внутри 
него самого. Вибрация конкретного объекта полностью определяется силой возбуждения, ее направлением и частотой. Именно по этой причине 
вибрационный анализ позволяет выявить силы возбуждения при работе 
машины. Эти силы зависят от состояния машины, и знание их характеристик и законов взаимодействия позволяет диагностировать дефекты последней. 
 

Самыми простыми из существующих в природе колебательных движений являются упругие прямолинейные колебания тела на пружине 
(рис.1.1). Если отвести тело на некоторое расстояние от положения равновесия и отпустить, то пружина вернет его в точку равновесия. Однако тело 
приобретет при этом определенную кинетическую энергию, проскочит 
точку равновесия и деформирует пружину в противоположном направлении. После этого скорость тела начнет уменьшаться, пока оно не остановится в другой крайней позиции, откуда сжатая или растянутая пружина 
опять начнет возвращать тело назад в положение равновесия. 
 

 
    Рис. 1.1.  Пример простейшего колебания 

 

 Такая механическая система обладает одной степенью свободы.  

 Процесс будет повторяться вновь и вновь, при этом происходит непрерывное перетекание энергии от тела (кинетическая энергия) к пружине 
(потенциальная энергия) и обратно. 

   На рис.1.1 представлен график зависимости перемещения тела от 
времени. Если бы в системе отсутствовало трение, то колебания продолжались бы непрерывно и бесконечно долго с постоянными амплитудой и 
частотой. В реальных механических системах такие идеальные гармонические движения не встречаются. Любая реальная система обладает трением, 
которое приводит к постепенному затуханию амплитуды и превращает 
энергию колебаний в тепло. Простейшее гармоническое перемещение описывается следующими параметрами:  Т - период колебаний,     F - частота 
колебаний, 

F = 1/Т . 
 

Период - это интервал времени, который необходим для завершения  
одного цикла колебания, то есть это время между двумя последовательными моментами пересечения нулевой точки в одном направлении. 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 (1 Гц= 
1/секунду).  

Когда рассматриваются вращающиеся машины, то частота основного 
колебания соответствует частоте вращения, которая измеряется в об/мин 
(1/мин) и определяется как 

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

 

1.2.  Уравнения колебаний 

 

Если по вертикальной оси графика отложить положение (смещение) 
объекта, испытывающего простые гармонические колебания, а по горизонтальной шкале - время (см. рис.1.1), то результатом будет синусоида, описываемая уравнением 

 
    d=D·sin(ω·t), 

 
где  d - мгновенное смещение; 

        D - максимальное смещение; 
        ω= 2·π·F - угловая (циклическая) частота, π=3,14. 
 
Это обычная синусоида, известная из тригонометрии. Ее можно считать простейшей и основной временной реализацией вибрации. В математике функция синуса описывает зависимость отношения катета к гипотенузе от величины противолежащего угла. Синусоидальная кривая при таком подходе является просто графиком синуса в зависимости от величины 
угла. В теории вибраций синусоидальная волна также является функцией 
времени, однако один цикл колебания иногда рассматривают также как 
изменение фазы на 360 градусов. 

Скорость движения определяет быстроту изменения положения тела. 
Скорость (или быстрота) изменения некоторой величины относительно 

времени, как известно из математики, определяется производной по времени: 

 

ν=dd/dt= ω·Dcos(ω·t), 

 
где ν - мгновенная скорость. 

Из этой формулы видно, что скорость при гармоническом колебании 
также ведет себя по синусоидальному закону, однако, вследствие дифференцирования и превращения синуса в косинус  скорость сдвинута по фазе 
на 90° (то есть на четверть цикла) относительно смещения.  

 
Ускорение - это скорость изменения скорости: 

 
a=d ν /dt=- ω 2·Dsin(ω·t), 

 
где а - мгновенное ускорение. 

 

Ускорение сдвинуто по фазе еще на 90 градусов, на что указывает 
отрицательный синус (то есть на 180 градусов относительно смещения). 

Из приведенных уравнений видно, что скорость пропорциональна 
смещению, умноженному на частоту, а ускорение - смещению, умноженному на квадрат частоты.  

Это означает, что большие смещения на высоких частотах должны 
сопровождаться очень большими скоростями и чрезвычайно большими ускорениями. Например, вибрирующий объект, который испытывает смещение 1 мм с частотой 100 Гц. Максимальная скорость такого колебания будет равна смещению, умноженному на частоту: 

 
   ν =1х100=100 мм/с . 
 
Ускорение равно смещению, умноженному на квадрат частоты: 
 
а = 1 х (100)2 = 10000 мм/с2 = 10 м/с2 . 

 
    
 Ускорение свободного падения g равно 9,81 м/с2. Поэтому в единицах g полученное выше ускорение приблизительно равно  10/9,811g.