Виброакустическая диагностика технических объектов

лебаний, которые имеют собственный спектр колебаний или собственную частоту колебаний (в случае одной детали), присущих только данному изделию или классу изделий, распространяющихся в виде волны во всех направлениях. При значительном количестве деталей, узлов и элементов в изделии динамическое воздействие осуществляется в широком диапазоне собственных частот данного изделия путем использования источника внешних возмущений, создающего внешнее виброакустическое поле (акустическая динамическая головка), при взаимодействии с которым в диагностируемом изделии возникают резонансные взаимодействия его элементов и деталей, которые и регистрируются виброакустическими датчиками. Алгоритм обработки виброакустического сигнала от динамического воздействия на диагностируемый объект построен следующим образом: сигналы от датчиков (не менее чем от двух датчиков), расположенных на некотором расстоянии друг от друга (например, по границам соединения двух деталей или сварного шва) одновременно параллельно обрабатываются по одной

итой же математической модели, что позволяет проводить их сравнение и анализ условий прохождения виброакустических волн по изделию, следовательно, осуществлять техническое диагностирование изделия как по элементам, узлам, так и в целом. Сравнение полученных откликов изделия на динамическое нагружение с эталонным, хранящимся в памяти прибора, позволяет осуществлять процесс оценки прогнозирования технического состояния изделия при его диагностировании навсех этапах его жизненного цикла.

Наличие трещин в теле детали, изменение зазоров в соединительных элементах изделий, изменение геометрических размеров деталей (их износ)

идругих дефектов приводит к изменению его амплитудно-частотной характеристики, коэффициентов затухания (рассеивания), условий прохождения виброакустической волны через элемент, деталь, а следовательно, появляется отличительная особенность отклика изделия на динамическое воздействие, зафиксированное датчиком, по сравнению с эталонным откликом, хранящимся в памяти прибора. Диагностическим признаком будет являться эта величина расхождения в амплитудно-частотной области полученного и «априорного» сигналов, измененное значение коэффициентов затухания (рассеивания), условий прохождения виброакустической волны.

Таким образом, воздействие динамической нагрузки малой интенсивности и сравнение возникающего при этом виброакустического поля в изделии, характера его распространения по объекту в автоматическом режиме с эталонным значением поля по предлагаемому способу, значительно повышает эффективность процесса диагностирования технического состояния изделия, расширяет технические возможности и процедуру диагностирования за счет расширения показателей технического состояния и снижения объема работ, обеспечивая проведение контроля технического состояния на всех стадиях его жизненного цикла.

241

Воздействие динамической нагрузки малой интенсивности не оказывает какого-нибудь влияния на процесс накопления повреждений или изменений в свойствах материала изделия. Виброакустические колебания в конструкции материала будут распространяться как акустические волны по волнопроводу во всех направлениях и претерпевать определенные изменения на различных границах элементов изделия или материалов детали. Использование двух датчиков при одновременном процессе обработки виброакустического поля изделия позволяет определить не только амплитудно-частотные характеристики (АЧХ), но и определить коэффициенты затухания (рассеивания) в изделии, скорости распространения акустической и вибрационной волны. А их сравнение с эталонными значениями позволяет оценить не только техническое состояние изделия или выявить брак, но и составить прогноз его технического состояния. Кроме того, данный метод позволяет определять величину геометрических параметров элементов изделия, сопоставляя замеренные собственные частоты с их эталонными (принцип камертона), что позволяет оценивать величину износа трущихся поверхностей деталей в процессе их эксплуатации.

Локальное наложение акустического поля на элементы конструкции с целью определения их АЧХ и распространения виброакустических волн существенно расширяет возможности технической диагностики изделия. Однако наложение внешнего акустического поля малой интенсивности на изделие и сравнение результатов отклика элементов изделия с эталонным значением приводит к процессу моделирования реальных нагрузок (модальный анализ). Однако влияние внешнего акустического воздействия по сравнению с импульсной нагрузкой может быть соизмеримо с реакцией элементов конструкции на внутреннее возмущение, возникающее в результате контактных реакций при работающем изделии, что может приводить к существенной ошибке при диагностировании его технического состояния в процессе его функционирования.

Использование нормированной динамической нагрузки при проведении исследований в математическом алгоритме параллельной обработки сигналов от датчиков можно учесть наведение внешним источником возмущения в диагностируемом объекте, следовательно, можно убрать эти возмущения как составляющую часть сигнала и, автоматизировав процесс контроля технического состояния и принятия решения, сократить время проведения диагностирования технического состояния объекта. Данный алгоритм может быть использован не только в процессе изготовления изделия, но и при его монтаже, хранении и эксплуатации. Кроме того, имея в памяти прибора эталонный виброакустический сигнал, можно осуществлять технический прогноз работоспособности изделия и определять остаточный ресурс его работы.

242

На рис. 5.41 приведена блок-схема виброакустического диагностирования технического состояния изделия.

Рис. 5.41. Блок-схема виброакустического диагностирования изделия: 1 – изделие, состоящее из ряда деталей (узлов); 2 – источник внешней динамической нагрузки; 3 – датчики виброакустические; 4 – предусилитель виброакустических датчиков; 5 – многоканальный аналого-цифровой преобразователь с блоком коммутации; 6 – многоканальный процессор; 7 – блоквнешнейпамятисэталоннымсигналом; 8 – монитор(экранприбора)

Диагностирование проводится следующим образом. Источник внешних возмущений 2 создает внешнюю динамическую нагрузку в широком частотном диапазоне собственных частот изделия (см. рис. 5.41). Нагрузка может быть и импульсной. Элементы и детали изделия 1 при совпадении задаваемых внешних колебательных возмущений откликаются (вступают в резонансное взаимодействие) на данное воздействие, что приводит к появлению дополнительных источников виброакустических колебаний в изделии. С помощью датчиков 3 осуществляется измерение виброакустического поля изделия. Сигнал датчика 3 усиливается в предусилителе 4 и передается через коммутатор в многоканальный аналого-цифровой преобразователь 5, где сигнал из аналоговой формы преобразуется в цифровую. После параллельного преобразования сигналов от датчиков 3 многоканальный процессор 6 осуществляет обработку сигналов на получение спектров, огибающих кривых спектра и других процедур для последующего сравнения сигналов в автоматическом режиме между собой для определения скорости распространения виброакустической волны в изделии, коэффициентов усиления и поглощения материала или соединения деталей и сравнении результатов обработки с базовыми значениями, хранящимися в блоке внешней памяти 7. Результаты анализа высвечиваются на экране монитора 8.

243

В качестве примера использования предлагаемого способа рассмотрена схема диагностирования сварного шва полимерных армированных труб (рис. 5.42), которое осуществляется с помощью диагностического комплекса, работающего в соответствии с блок-схемой, представленной на рис. 5.41.

Рис. 5.42. Схема диагностирования качества сварных соединений ПАТ

Наличие в теле трубы металлического пространственного проволочного каркаса приводит практически к невозможности использования любого другого способа.

На сваренных встык трубах с обеих сторон шва на одинаковом расстоянии устанавливаются датчики (количество датчиков должно быть не менее двух для осуществления параллельной обработки и сравнения результатов обработки этих сигналов). Затем на краю законцовки трубы осуществляют импульсное нагружение (удар). Датчики регистрируют виброакустические колебания в конструктивном элементе сварного шва и условия их прохождения через сварной шов в широком частотном диапазоне от 3 до 3000 Гц.

Далее осуществляется обработка сигнала в процессоре прибора с анализом характера прохождения виброакустических волн по телу изделия и сварному соединению (частотный диапазон выбирается в зависимости от вида диагностируемого объекта и может быть любой).

244

По математической модели рассчитываются коэффициенты диссипации энергии в спектре частот прохождения вибросигнала от одного датчика к другому, определяется скорость прохождения возмущения по конструктивному элементу, сдвиг фазы в амплитудно-частотной области виброколебаний исследуемого элемента, строится огибающая спектра для каждого сигнала датчика (рис. 5.43). Осуществляется запись сигнала в памяти микропроцессора. Затем с другого конца сварного шва наносится импульсное воздействие. Проводится аналогичная обработка сигнала.

Рис. 5.43. Опорные огибающие спектра сигнала при оценке качества сварки полимерных армированных труб

Далее производится сравнение полученной информации после комплекса импульсных нагружений (количество импульсов соответствует количеству датчиков, используемых для проведения диагностики) с исходной информацией по имеющейся в памяти микропроцессора стандартной кривой исследуемых параметров. В случае их совпадения прибор выдает на экран дисплея заключение «Качество шва удовлетворительное», в случае расхождения характеристик – «Сварной шов имеет брак». На рис. 5.43 приведены характерные кривые огибающих спектров при наличии дефектов в сварном соединении и опорная кривая огибающего спектра «качественно сваренного шва».

Таким образом, существенно расширяются возможности вибрационного метода за счет использования приемов акустических методов диагностики. Поэтому метод контроля технического состояния сварных соединений – виброакустический метод сварных швов.

245

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Артоболевский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение

вакустическую динамику машин. – М.: Наука, 1979. – 296 с.

2.Современные методы и средства вибрационной диагностики машин иконструкций / Ф.Я. Балицкий [и др.]; Междунар. центр науч. и техн. информации, Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова АН СССР. – М., 1990. – 115 с.

– (Научно-технический прогресс в машиностроении. Вып. 25).

3.Биргер А.И. Техническая диагностика. – М.: Машиностроение, 1978. –

238 с.

4.Вибрация энергетических машин: справ. пособие / под ред. Н.В. Григорьева. – Л.: Машиностроение, 1974. – 464 с.

5.Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов / Ф.Я. Балицкий, М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Е.И. Хомяков. – М.: Наука, 1984. – 120 с.

6.Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин

имеханизмов. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с.

7.Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. – М.: Машиностроение,

2000. – 344 с.

8. ГОСТ 20815–93. Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения.

9. Система автоматического мониторинга состояния поршневых и центробежных компрессоров «КОМПАКС» / В.М. Дуросов [и др.] // По- требители-производители компрессоров и компрессорного оборудования 2004: Тр. Х Междунар. симп. – СПб.: Изд-во СПбТГУ, 2004. – С. 154–164.

10.ИСО 7919-1–86. Механическая вибрация машин, исключая возврат- но-поступательные машины. Измерения на вращающихся валах и оценка. Ч. 1. Основные принципы.

11.Основы виброакустической диагностики машинного оборудования: учеб. пособие / В.Н. Костюков, А.П. Науменко, С.Н. Бойченко, Е.В. Тарасов; НПЦ «ДИНАМИКА». – Омск, 2007. – 286 с.

12.Неразрушающий контроль и диагностика: справ. / под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2003. – 656 с.

13.МВИ ВНИПП.002–04. Подшипники качения. Вибрация. Методика выполнения измерений / ОАО «ВНИПП». – Введ. 2004–07–01. – 24 с.

14.Рандал Р.Б. Частотный анализ. – Глоструп (Дания), – 1989.

15.СА03-002–05. Системы мониторинга опасных производственных объектов. Общие технические требования. Серия 03 / Ростехэкспертиза. – М.: Компрессорная и химическая техника, 2005. – 42 с.

16.СА 03-0010–05. Центробежные насосные и компрессорные агрегаты опасных производств. Эксплуатационные нормы вибрации. Серия 03 / Ростехэкспертиза. – М.: Компрессорная и химическая техника, 2005. – 24 с.

246

Учебное издание

Сальников Алексей Федорович

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Учебное пособие

Редактор и корректор Н.В. Бабинова

Подписано в печать 26.10.11. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 20,0. Тираж 100 экз. Заказ № 199/2011.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.

247