Вибродиагностика: теория и практика

 
 
 
 
 
А. Б. Колобов 
 
 
 
 
 
ВИБРОДИАГНОСТИКА 
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 534.2:621.37/39  
ББК 34.4 
К61 
 
 
Рецензент: 
канд. техн. наук Ф. Б. Огурцов (ФГБОУ ВПО «Ивановский  
государственный энергетический университет им. В. И. Ленина») 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Колобов, А. Б.  
К61    
 
Вибродиагностика: теория и практика : учебное пособие / А. Б. Колобов. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 252 с. : ил., 
табл.  
ISBN 978-5-9729-1788-4 
 
Рассмотрены теоретические основы и практические аспекты вибродиагностики 
как развивающихся, так и развитых эксплуатационных дефектов, а также принципы 
оценки технического состояния промышленных роторных машин. 
Для студентов, изучающих основы технической диагностики машин, аспирантов 
и слушателей аттестационных учебных центров и курсов повышения квалификации  
и переподготовки, а также для специалистов, занимающихся разработкой алгоритмов  
и программ вибродиагностики эксплуатационных дефектов промышленных машин.  
Содержание пособия отвечает типовой программе подготовки персонала неразрушающего контроля по вибродиагностическому методу в системе экспертизы промышленной безопасности. 
 
УДК 534.2:621.37/39  
ББК 34.4 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1788-4 
 
 
” Колобов А. Б., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
......................................................................................................... 
5 
ГЛАВА 1.  
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ................................................ 
6 
† 1.1. Основные понятия и определения.
          Специфика вибродиагностики ................................................................. 
6 
† 1.2. Задачи вибродиагностики и ее структура 
............................................. 15
† 1.3. «Обучение» системы вибродиагностики .............................................. 19
1.3.1. Формирование эталона ................................................................. 20 
1.3.2. Выбор информативных диагностических признаков 
................ 23 
1.3.3. Выбор оптимальных точек контроля .......................................... 27 
† 1.4. Постановка диагноза метрическими методами
          распознавания .......................................................................................... 28 
1.4.1. Распознавание по расстоянию до эталона класса 
...................... 29 
1.4.2. Распознавание по расстоянию до векторов класса 
.................... 32 
1.4.3. Распознавание в неоднородном пространстве 
          признаков ....................................................................................... 34 
† 1.5. Вероятностные методы распознавания 
................................................. 35
1.5.1. Методы статистических решений ............................................... 35 
1.5.2. Классификатор Байеса 
.................................................................. 49 
Вопросы для самопроверки 
.............................................................................. 58 
ГЛАВА 2.  
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ДЕФЕКТОВ 
...................................................... 60 
† 2.1. Методы диагностики дефектов на ранней стадии развития 
............... 61
† 2.2. Спектральный анализ огибающей вибрации 
........................................ 63
† 2.3. Методы анализа ударных импульсов 
.................................................... 72
† 2.4. Кепстральный анализ 
.............................................................................. 80
Вопросы для самопроверки  
............................................................................. 90 
ГЛАВА 3. 
ДИАГНОСТИКА ОСНОВНЫХ ДЕФЕКТОВ 
................................................ 91 
† 3.1. Дисбаланс роторов .................................................................................. 91
† 3.2. Расцентровка валов и дефекты муфт .................................................. 
102
3.2.1. Расцентровка валов ..................................................................... 
102 
3.2.2. Дефекты соединительных муфт ................................................ 
108 
† 3.3. Ослабление жесткости опорной системы 
........................................... 
111
† 3.4. Подшипники скольжения ..................................................................... 
121
3.4.1. Основные конструкции подшипников скольжения ................ 
121 
3

3.4.2. Дефекты подшипников скольжения ......................................... 
125 
† 3.5. Подшипники качения 
............................................................................ 
132 
3.5.1. Классификация подшипников качения 
..................................... 
132 
3.5.2. Причины и виды дефектов подшипников ................................ 
135 
3.5.3. Осмотр подшипников и причины виброактивности ............... 
141 
3.5.4. Вибродиагностика подшипников .............................................. 
144 
† 3.6. Дефекты механических передач .......................................................... 
162 
3.6.1. Зубчатые передачи ...................................................................... 
162 
3.6.2. Ременные и цепные передачи .................................................... 
177 
† 3.7. Дефекты электрических машин 
........................................................... 
183 
3.7.1. Принцип работы и особенности конструкции ......................... 
183 
3.7.2. Природа вибрации электрических машин 
................................ 
186 
3.7.3. Диагностика асинхронных двигателей ..................................... 
190 
3.7.4. Диагностика синхронных машин .............................................. 
204 
3.7.5. Диагностика машин постоянного тока ..................................... 
212 
† 3.8. Диагностика насосов, вентиляторов и компрессоров ....................... 
218 
3.8.1. Основные конструкции вентиляторов и насосов .................... 
218 
3.8.2. Источники газо- и гидродинамической вибрации 
................... 
223 
3.8.3. Диагностика основных дефектов   
центробежных  агрегатов ........................................................... 
232 
† 3.9. Пример процедуры оценки технического   
          состояния агрегата................................................................................. 
240 
Вопросы для самопроверки 
............................................................................ 
246 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................... 
248 

4


ВВЕДЕНИЕ 
Подготовка специалистов в одной из самых интеллектуальных областей неразрушающего контроля и технической диагностики ² вибрационной диагностике ² требует доступной для понимания научно-технической 
литературы. 
Цель учебного пособия ² раскрыть связи диагностических признаков вибрационной природы с параметрами технического состояния, показать теоретические аспекты процедуры постановки «диагноза» на основе 
теории распознавания, описать основные методы вибродиагностики 
и представить практический материал по диагностике распространенных 
дефектов. Практическая часть пособия не оторвана от теории, поскольку 
приведенные простые решающие правила являются результатом применения методов распознавания.  
Поскольку пособие предназначено для студентов и магистрантов, не 
имеющих практического опыта и достаточных знаний об устройстве 
и конструкции промышленных машин, то в ряде случаев приведено краткое описание принципов их работы, анализ конструкций и исполнений типовых узлов и отдельных видов машин и механизмов. Пособие будет интересно для инженеров-практиков, как начинающих свой путь в области 
вибродиагностики, так и занимающихся вопросами разработки методик, 
алгоритмов и программ диагностирования дефектов роторных машин при 
их эксплуатации. 
Учебное пособие посвящено, прежде всего, методическим вопросам 
вибродиагностики, в которых диагностические признаки представлены 
спектральными компонентами. Технические средства измерения, структура выполнения стационарных и мобильных систем вибромониторинга,  
а также принципы выполнения спектрального анализа и технология нормирования вибрации в данном пособии не рассматриваются ² для знакомства с ними существует достаточное количество литературы >1, 2, 11, 18, 
22, 23, 27, 31, 37, 39, 45@. 
Пособие представляет собой компиляцию теоретического материала 
и повседневной практики вибродиагностики. 
В основу пособия положен прекрасный иллюстративный и практический материал, представленный в монографиях, справочниках, учебных 
пособиях и статьях уважаемых коллег автора: А. В. Баркова, Н. А. Барковой, А. Р. Ширмана, А. Г. Соколовой, Ф. Я. Балицкого, Г. В. Зусмана, 
В. А. Русова, В. Н. Костюкова и других, за что им особая признательность. 
Автор надеется, что данное пособие как краткое руководство по вибродиагностике наряду с работами его коллег поможет молодому поколению 
приобрести профессиональные знания, навыки и умения. 
5 

ГЛАВА 1. 
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВИБРОДИАГНОСТИКИ 
† 1.1. Основные понятия и определения.
 Специфика вибродиагностики 
В соответствии с ГОСТ 20911-89 >14@, техническая диагностика ² 
отрасль знаний, включающая теорию, методы и средства для исследования 
фактического технического состояния объектов и разрабатывающая методы определения классов их технического состояния, а также принципы построения и организации использования системы диагностирования. 
Техническое диагностирование ² процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью. Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием, при необходимости, места, вида и причины дефекта (дефектов). 
Техническое состояние (ТС) объекта ² состояние, которое характеризуется в определенный момент времени при определенных условиях 
внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. 
Параметры объекта, значения которых характеризуют ТС, называются диагностическими признаками, представляющими собой параметр 
или характеристику (рис.1.1). 
ǸȐș. 1.1. ǪȐȌȣ ȌȐȈȋȕȖșȚȐȟȍșȒȐȝ ȗȘȐȏȕȈȒȖȊ 
Виброакустическая диагностика (вибродиагностика) ² раздел технической диагностики, который включает теорию и методы распознавания 
ТС объекта по исходной информации, содержащейся в виброакустическом 
сигнале. 
6 

Виброакустический сигнал (вибросигнал) ² физические величины, 
характеризующие механические колебания (вибрационные, акустические, 
гидроакустические), сопровождающие функционирование технического 
объекта. Под объектом в дальнейшем понимается энергомеханическая 
машина или система связанных машин. 
Специфика вибродиагностики, делающая ее одним из наиболее интеллектуальных видов неразрушающего контроля, состоит в том, что  
в вибродиагностике диагностическими признаками (ДП) являются не сами 
параметры ТС объекта, а характеристики вибросигнала, которые содержат 
информацию о параметрах ТС >10@, часть из которых является ДП. К параметрам ТС объекта можно отнести: 
x параметры деталей (геометрические и физические) и их взаимного
расположения;
x параметры, характеризующие внутреннюю динамику объекта (качество контактирующих поверхностей, зазоры, угол перекоса
осей, величина дисбаланса ротора, степень износа поршневых колец, отклонение геометрических размеров и форм деталей от исходных, изменение структуры и прочности материала, качество
смесеобразования, расходные характеристики и т. п.).
Совокупность 
1
i = , ..., k  параметров 

 ^
`
=
Z
k
(t)
(t)
(t)
(t)
(t)
1
2
i
k
i
i=1
z
,z
,...,z
,...,z
=
z
    (1.1) 
определяет ТС объекта в момент времени t . 
В общем случае множество S  возможных ТС объекта бесконечно 
велико вследствие непрерывности их изменения в пространстве параметров Z и времени. Однако в множестве S  можно выделить два непересекающихся подмножества: 
*
H
p
S
S
S  
, 
     (1.2) 
где Sp² подмножество работоспособных ТС, 
*
n
1
j
pj
p
 
 
S
S
,  
      (1.3) 
включающее в себя классы состояний 


Spj
j =1,...,n , в которых объект
будет выполнять заданные функции, но отличаться своим запасом работоспособности, т. е. степенью приближения к предельно допустимому состоянию; 
SН  ² подмножество ТС с различными дефектами, 
*
m
1
q
Hq
H
 
 
S
S
, 
 
      (1.4) 
включающее в себя классы состояний 


Hq
1,...,
S
q
m
 
, характеризуемые возникновением в объекте дефектов, приводящих к полному или частичному 
7 

отказу, т. е. утрате работоспособности или значительному ограничению 
работоспособности. 
Дефект ² это недопустимое изменение параметра (параметров) ТС, 
являющееся причиной потери работоспособности или существенного снижения запаса работоспособности объекта. 
Разбиение подмножеств Sp и SН  на классы ТС должно удовлетворять условию о том, чтобы классы являлись изолированными (не пересекались в пространстве параметров Z ). Например, для подмножества Sp  
0
pj
pk
 
S
S

 для всех 
j
k z .
           (1.5) 
Это означает, что одно и то же состояние объекта ^
`k
1
i
(t)
i
z
  не может одновременно находиться в разных классах, т. е. не может быть поставлено 
двух и более «диагнозов». Поскольку переход объекта в ТС случаен, то 
каждому классу ТС должна соответствовать вероятность 
k
P  принадлежности к k -му классу. Поэтому условиe (1.5) можно записать иначе: 
1
P
n
1
j
pj  
¦
 
 или 
0
Ppkj  
 для всех 
j
k z ,
     (1.6) 
ȁ
где 
pkj
P
 ² вероятность отнесения объекта одновременно к классам Spk
и Spj . 
В такой постановке задачей диагностики является отнесение объекта, представленного в данный момент времени совокупностью значений 
параметров^
`k
1
i
(t)
i
z
 , к одному из классов ТС. Диагноз может быть поставлен непосредственно в пространстве параметров ТС путем сравнения параметров состояния ^
`k
1
i
(t)
i
z
  с заданными (в технической документации) 
значениями параметров, соответствующими тому или иному ТС, т. е. выполняется отображение 
^
`
o S
(t)
k
i
i=1
j
:
z
 для 
T
t 
, 
         (1.7) 
где ȁ ² некоторый оператор, формализующий процедуру сравнения. 
Например, измерение овальности шеек вала, зазоров в цилиндропоршневой группе и зубчатой передаче и сравнение с величинами, заданными в технической документации. Такое отображение в пространстве параметров осуществимо на практике только при разборном контроле объекта, когда последний выводится из рабочего процесса, поэтому неприемлемо при вибродиагностике. 
Специфика вибродиагностики заключается в том, что определение 
класса ТС осуществляется не в пространстве параметров состояния,  
а в пространстве диагностических признаков, т. е. величин и характеристик вибросигнала. 
8 

Функционирующий объект можно представить как некий преобразователь U  параметров его технического состояния Z  в параметры вибросигнала: 
UZ
A  
 или 
A
Z
T
U:
o
u
, 
 
 
 
(1.8) 
поэтому в каждый момент времени 
T
t 
 состояние объекта из пространства параметров состояния отображается в пространство ДП, поскольку 
описывается ДП 


n
1,...,
j
a (t)
j
 
, составляющими вектор ДП: 

 ^
`
n
1
j
(t)
j
(t)
n
(t)
j
(t)
2
(t)
1
a
a
,...,
a
,...,
a
,
a
 
 
 
A
. 
 
 
(1.9) 
В вибродиагностике чаще всего вектором ДП (1.9) является частотный спектр >2@, а также модуляционные, вероятностные характеристики 
вибросигнала или их взаимосвязи и др. >2@. Упрощенно с точки зрения физики совокупность ^
` k
1
i
(t)
i
z
  параметров состояния вызывает возмущающие силы на определенных частотах, что приводит к отображению объекта 
в пространство ДП (рис. 1.2). 
 
 
Рис. 1.2. Принцип отображения реального объекта  
в пространство вибрационных ДП 
 
 
Следует отметить, что ДП 


n
1,...,
j
a (t)
j
 
 являются косвенными признаками, для которых, в отличие от прямых признаков (содержание железа 
в масле, давление, отклонение размеров, форм деталей и зазоров в сопряжениях деталей от заданных и т. п.), технической документацией не устанавливается соответствие тому или иному ТС. Косвенный характер вибрационных ДП и сложная многофакторная зависимость их от параметров состояния приводит к тому, что каждый ДП или вектор ДП не соответствует 
9 
 

однозначно тому или иному ТС, а лишь с определенной вероятностью характеризует состояние, что требует применения в вибродиагностике методов теории распознавания образов >10, 13, 41, 42@. 
Постановка диагноза — это решение задачи распознавания (задачи 
классификации), т. е. отнесение отображения объекта в пространстве вибрационных ДП к его ТС в пространстве S  состояний: 
A
U
Z
1

 
 или иначе 
S
A
Ș:
o
,   
 
       (1.10) 
где   
1

U
² преобразователь, обратный U ; 
Ș  ² оператор, формализующий процедуру отнесения объекта, представленного вектором ДП на момент измерения и анализа, к классу ТС из 
множества S . Под оператором Ș  понимается любая формализованная (как 
математически, так и логически или в форме базы данных) процедура. Человек со своим набором знаний и опыта является одной из реализаций 
оператора Ș . 
Отображение (1.10) означает, что в любой момент времени t  каждому состоянию Z , определяемому набором параметров ^
`k
1
i
(t)
i
z
  и отображаемому в пространство ДП A, должен быть поставлен в соответствие 
единственный класс ТС, т. е. выполнено условие (1.5). 
На практике изменение большинства параметров состояния 
i
z  приводит к незначительному изменению вектора ДП, скрывается и искажается 
за внешними помехами (погрешности измерения и анализа, влияние режимов нагрузки объекта и т. п.). С другой стороны, конкретное ТС определяется совокупностью значений параметров ^
` k
1
i
(t)
i
z
 , для которых технической документацией установлены допуски их предельных значений 
min
z
   
и 
max
z
. Изменение параметра в пределах допусков чаще всего отображается на многих ДП: 
^
`
d
d
o
n
(t)
i min
i
i max
j
j=1
z
z
z
a
, 
однако все это происходит в рамках одного реального ТС объекта. 
Во многих случаях, особенно при диагностике в условиях эксплуатации, задачи вибродиагностики требуют уменьшения числа классов ТС по 
критерию большей устойчивости отображения в вибрационном сигнале  
и в конечном счете векторе ДП. В этом случае приходится объединять  
те или иные классы состояний с общими свойствами, проявляемыми в векторе ДП и получать агрегированные (объединенные) состояния — виды 
ТС, имеющие свои устойчивые отображения в пространстве вибрационных 
ДП >16@. При этом число видов ТС будет меньше ранее выделенного числа 
классов подмножеств SpиSH  (1.3), (1.4). 
Примером агрегирования состояния, т. е. формирования вида ТС, 
приемлемого для вибродиагностики роторных машин, является такой  
10