Вибродиагностика машин и механизмов

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.Е. ЛЕВИН,  Л.Н. ПАТРИКЕЕВ

ВИБРОДИАГНОСТИКА

МАШИН И МЕХАНИЗМОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621-752(075.8)

Л 363

Рецензент: д-р техн. наук В.Г. Атапин

Работа подготовлена на кафедре 
прочности летательных аппаратов

Левин В.Е.

Л 363
Вибродиагностика машин и механизмов: учеб. пособие / 

В.И. Левин, Л.Н. Патрикеев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 
2010. – 106 с.

ISBN 978-5-7782-1433-0

УДК 621-752(075.8)

ISBN 978-5-7782-1433-0
© Левин В.Е., Патрикеев Л.Н., 2010
© Новосибирский государственный

технический университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. Назначение и задачи вибродиагностики..................................................
7

2. Основные сведения о вибрации ...............................................................
12

2.1. Периодическая вибрация..................................................................
13

2.2. Гармоническая вибрация..................................................................
13

2.3. Полигармоническая вибрация. Сложение колебаний ...................
14

2.4. Почти периодические и переходные вибрационные процессы ....
17

2.5. Единицы измерения параметров вибрации.....................................
18

2.6. Свободные и вынужденные колебания в системах с одной сте
пенью свободы...................................................................................
18

2.7. Кинематическое возбуждение..........................................................
21

2.8. Система с двумя степенями свободы ..............................................
22

2.9. Колебательные системы с распределенными параметрами ..........
24

2.10. Автоколебания.................................................................................
25

3. Анализ вибраций .......................................................................................
26

3.1. Основные виды анализа и области их применения........................
26

3.2. Анализ вибрации во временной области.........................................
32

3.3. Анализ вибраций в частотной области............................................
41

3.4. Многопараметрический анализ........................................................
49

4. Принципы измерения вибрации ...............................................................
52

4.1. Требования к приборам ....................................................................
52

4.2. Вибропреобразователи .....................................................................
54

5. Технические средства измерения вибрации............................................
61

5.1. Общие требования.............................................................................
61

5.2. Простейшие средства измерения и анализа вибрации...................
62

5.3. Стационарные системы.....................................................................
63

5.4. Портативные системы.......................................................................
65

5.5. Исследовательские приборы и системы..........................................
66

6. Методы диагностики зарождающихся и развитых эксплуатационных 

дефектов......................................................................................................
68

6.1. Анализ ударных импульсов..............................................................
70

6.2. Анализ ударных импульсов на резонансной частоте узла механизма
70

6.3. Использование эффектов нестационарности вибропроцессов в ди
агностике оборудования ...................................................................
71

6.4. Алгоритм виброконтроля машинного оборудования ....................
72

7. Диагностика механизмов по основным вибрационным составляющим…
73

7.1. Вибрация оборотной  частоты..........................................................
73

7.2. Стационарная вибрация....................................................................
74

7.3. Нестационарная вибрация ................................................................
76

7.4. Внезапные и необратимые изменения вибрации............................
77

8. Неуравновешенность ротора ....................................................................
79

8.1. Причины неуравновешенности ротора ...........................................
79

8.2. Диагностические признаки неуравновешенности ротора .............
80

8.3. Тепловая неуравновешенность ротора............................................
83

8.4. Характерные особенности тепловой неуравновешенности ротора.
84

8.5. Термическая нестабильность дисбаланса ротора...........................
84

9. Нарушение соосности валов .....................................................................
85

9.1. Расцентровка валов ...........................................................................
85

9.2. Нарушение жесткости опорных систем ..........................................
87

9.3. Признаки нарушения жесткости опорной системы .......................
89

10. Дефекты подшипников скольжения ......................................................
91

11. Дефекты подшипников качения .............................................................
95

12. Вибродиагностика насосов .....................................................................
100

Библиографический список ..........................................................................
106

ВВЕДЕНИЕ

Что такое диагностика? ГОСТ 20911-75 дает следующее определе
ние диагностики.

Техническая диагностика – это область знаний, исследующая 

фактическое техническое состояние объектов диагностирования, разрабатывающая методы определения классов их технического состояния, а также принципы построения и организацию использования системы диагностирования.

Одним из самых старых и наиболее информативных методов ана
лиза технического состояния оборудования является метод виброакустической диагностики.

С незапамятных времен известно, что в неисправном оборудовании 

при его работе появляются дополнительные шумы, стуки и по характеру этих вибраций и шумов можно судить о виде дефектов.

С каждым годом этот метод все более широко применяется в самых 

различных отраслях промышленности и на транспорте. Он позволяет 
определять техническое состояние оборудования; своевременно предупреждает о возможных неполадках в оборудовании; предотвращает 
аварийные ситуации, что особенно важно в энергетическом и нефтегазохимическом комплексах; позволяет оценить остаточный ресурс оборудования и сокращает эксплуатационные расходы.

В частности, бурное развитие этого метода связано еще и с тем, что 

в России с начала 90-х годов почти не обновлялись основные фонды 
предприятий. Большая часть технологического оборудования (примерно 60…80 %) выработала нормативный ресурс, и его дальнейшая эксплуатация может создавать аварийные ситуации. Кроме того, обеспечить высокую эффективность оборудования, даже при его полном обновлении, невозможно без мониторинга технического состояния всего 
оборудования, конечной целью которого является переход от ремонтов 
«по регламенту» к ремонтам «по состоянию».

Дело в том, что практикуемый в настоящее время способ контроля 

технического состояния машин и механизмов предполагает полную 
или частичную разборку оборудования. Этот процесс ведет за собой 
полную остановку и простой оборудования, а самое главное, нарушает 
приработку узлов и поэтому сокращает срок безаварийной работы.

В последнее время виброакустический метод стал все шире приме
няться и в авиации. По результатам измерения вибрационных и шумовых характеристик можно судить о техническом состоянии планера 
самолета и его систем, двигателей, оценивать качество сборки и изготовления узлов.

Цель данного учебного пособия состоит в том, чтобы ознакомить 

студентов с методологией вибродиагностики зарождающихся и развитых дефектов в оборудовании, с современными методиками вибромониторинга технического состояния оборудования. В пособии дается 
описание аппаратуры для сбора, обработки и анализа данных; принципов определения норм вибраций и оценки технического состояния 
оборудования; методология выявления дефектов на основе частотного 
анализа колебаний. В пособии рассматриваются современные методики вибродиагностирования компрессорного оборудования нефтегазохимического производства, электрооборудования, горнодобывающего 
оборудования, транспортных средств.

Объем материалов, приведенных в данном пособии, соответствует 

программе подготовки специалистов второго уровня по вибродиагностическому методу контроля, утвержденной Госгортехнадзором РФ.

1. НАЗНАЧЕНИЕ 

И ЗАДАЧИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ

При создании и эксплуатации сложных промышленных комплек
сов на первом месте стоит обеспечение надежности, технической и 
экологической безопасности. Поэтому задача исключительной важности – это разработка эффективных методов и средств оперативного 
контроля на всех этапах его жизненного цикла: как при проектировании и изготовлении, так и при эксплуатации и ремонте.

Известно, что основным назначением машин и механизмов являет
ся превращение одного вида энергии в другой или одного вида движения в другой вид с максимальным коэффициентом полезного действия. 
Это снижает потери мощности на теплообразование и звукообразование, поэтому увеличение уровня виброактивности машины означает 
отклонение ее технического состояния в худшую сторону. Еще в далекие времена механики оценивали техническое состояние машин по их 
шумовым характеристикам. На этом принципе и основан метод вибродиагностики.

Благодаря огромной информационной емкости виброакустических 

процессов, сопровождающих работу машин и механизмов; использованию современной вычислительной техники и новых методов обработки сигналов; возможностям комплексной оценки состояния оборудования в рабочих условиях без его остановки и демонтажа, метод 
виброакустической диагностики применяется все более широко.

В процессе эксплуатации в какой-то момент времени оборудование 

может потерять свою работоспособность или остановиться. Такое событие в теории надежности называется отказом. Отказы могут быть 
внезапные и постепенные.

Внезапные отказы возникают из-за конструктивных или техноло
гических недоработок, под влиянием каких-то внешних факторов.

Постепенные отказы возникают из-за старения материалов, 

накопления повреждений в результате изнашивания, усталости, 
коррозии.

Свойство оборудования сохранять свои рабочие характеристики в 

течение определенного периода времени называется надежностью.

В процессе эксплуатации оборудования регулярно проводится его 

техническое обслуживание по регламентированному графику. При 
плановой остановке проводится разбор оборудования, осмотр его узлов. Ясно, что в результате такого подхода оборудованию наносится 
серьезный ущерб, а предприятия несут значительные материальные 
потери, связанные с его простоем. Поэтому в настоящее время во всем 
мире интенсивно внедряется технология, известная под названием 
эксплуатация и обслуживание по техническому состоянию. Кроме 
того, вероятность появления отказа по времени при плановопредупредительном обслуживании выше, чем при обслуживании по 
техническому состоянию.

На рис. 1.1 показана вероятность появления отказа по времени в 

зависимости от вида эксплуатации.

1

2

P

t
Tр
T1
T2

Рис. 1.1

На этом рисунке кривая 1 показывает вероятность отказа при пла
ново-предупредительном обследовании, а кривая 2 – при эксплуатации 
по техническому состоянию. Здесь Tр – время назначенного ресурса.

Состояние оборудования можно оценивать по ряду параметров, от
клонение которых от нормативных значений по времени наработки приводит к аварии. Например, на рис. 1.2 показана зависимость среднеквад

ратического значения виброскорости в полосе частот 10…1000 Гц по 
времени наработки.

V

t

T1
T2
T3

Рис. 1.2

На этом рисунке четко различаются три периода: период приработ
ки Т1, период нормальной работы Т2 и период деградации технического 
состояния Т3.

Нормативные документы устанавливают следующие виды техни
ческого состояния оборудования:

исправность – состояние, при котором оборудование соответст
вует всем требованиям нормативной документации;

работоспособность – состояние, при котором оборудование 

способно выполнять заданные функции в пределах, установленных документацией;

правильность функционирования – состояние, при котором 

оборудование способно выполнять все предписанные ему действия;

предельное (аварийное) – состояние, при котором дальнейшая 

эксплуатация оборудования недопустима, вследствие ухода его рабочих параметров за нормативные пределы.

Состояние объекта диагностики можно оценить рядом параметров, 

уход которых от нормативных значений по времени наработки приводит к отказу. На основе изучения статистики отказов составляют перечень слабых узлов, лимитирующих ресурс машины и перечень подлежащих диагностированию дефектов (например, зазоры подшипников, 
дисбаланс валов и т.д.).

Состояние оборудования в момент наблюдения называют диагно
зом, а его состояние в последующий момент – прогнозом.

Организация практической вибродиагностики требует построения 

системы диагностирования и решения целого ряда комплексных задач. 
Это – исследования кинематики и динамики соответствующих видов 
оборудования; изучение его дефектов и отказов; разработка требований к измерительной и анализирующей аппаратуре; разработка соответствующего математического обеспечения.

ЭТАПЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА 
МАШИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Как показывает практика, диагностика необходима на всех этапах 

жизненного цикла машины: от изготовления до снятия с эксплуатации 
(рис. 1.3), хотя методы и средства, применяемые для этого, могут быть 
различными.

Виброакустическая диагностика

Этап 

разработки

Этап 

производства

Этап

эксплуатации

Этап 

ремонта

Рис. 1.3

Известно, что максимальное число отказов изделий машинострое
ния приходится на начальный период эксплуатации и обусловлено 
проявлением скрытых дефектов. Причинами проявления скрытых дефектов может быть плохое качество исходных материалов, нарушение 
технологических процессов изготовления и сборки, изготовление некачественных комплектующих изделий. Поэтому уменьшить количество отказов в дальнейшем можно введением сплошного контроля определяющих параметров изделия и введением входного контроля ком