В.В. Петрухин, С.В. Петрухин
основы
ВИБРОДИАГНОСТИКИ
И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по нефтегазовому образованию
в качестве учебного пособия
Инфра-Инженерия
Москва
2010
УДК 622.323:002.5(075.8)
ББК 33.13
П31
Рецензенты: Вакулин А.А., д.т.н., профессор ТюмГНГУ; Сер-
геев С.А., к.т.н., директор Тюменского учебного центра ОАО
"Сибнефтепровод".
ПЕТРУХИН В.В., ПЕТРУХИН С.В.
П 31 Основы вибродиагностики и средства измерения виб-
рации: учебное пособие. - Москва: Инфра-Инженерия,
2010. - 176 с.: ил.
ISBN 978-5-9729-0026-8
Приведены теоретические основы механических колебаний,
термины и понятия вибрационной диагностики. Рассмотрены сред-
ства и методы измерения вибрации, приведена их классификация.
Описано состояние современного рынка отечественных приборов
для измерения, обработки и исследования вибрационных пара-
метров. Рассмотрены основные приемы и методы вибродиагнос-
тики, приведены типичные случаи неисправностей машин, поста-
новка диагноза методами вибродиагностики.
В основу пособия положены новейшие статьи и материалы ве-
дущих отечественных и зарубежных фирм-диагностов и произво-
дителей средств измерения и обработки вибросигналов.
Предназначено для инженерно-технических специалистов, за-
нимающихся разработкой и производством промышленного балан-
сировочного оборудования и виброизмерительной аппаратуры, а
также для студентов, обучающихся по специальностям, связан-
ным с эксплуатацией и диагностикой машин и оборудования.
© ПЕТРУХИН В.В., ПЕТРУХИН С.В., авторы, 2010
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2010
ISBN 978-5-9729-0026-8
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.....................................5
1.	ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ..............................7
1.1.	Простейшее гармоническое колебание.......7
1.2.	Уравнения колебаний .....................9
1.3.	Динамика механических систем ........... 11
1.4.	Измерения амплитуды вибрации.............11
1.5.	Понятие фазы............................ 13
1.6.	Единицы измерения вибрации ..............14
1.7.	Сложные виды вибрации................... 18
1.8.	Собственные частоты......................20
1.9.	Линейные и нелинейные системы ...........21
1.10.	Нелинейные системы......................22
1.11.	Нелинейности роторных машин ............23
1.12.	Резонанс................................24
1.13.	Частотный анализ........................26
1.14.	Типы сигналов ..........................28
1.15.	Примеры временных реализаций
и их спектров.................................30
1.16.	Модуляция.............................. 34
1.17.	Амплитудная модуляция...................35
1.18.	Биения..................................36
1.19.	Логарифмическая частотная шкала.........38
1.20.	Октавный и 1/3-октавный анализ..........39
2.	СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ВИБРАЦИИ И ШУМА ..............................45
3.	СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЫНКА
ПРИБОРОВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ.....................80
3.1.	Современное состояние технических
средств анализа вибрации......................83
3.2.	Вибропреобразователи.....................84
3.3.	Простейшие средства измерения
и анализа вибрации ...........................99
3.4.	Стационарные системы мониторинга
и диагностики.................................102
3.5.	Портативные системы мониторинга
и диагностики................................106
3.6.	Исследовательские приборы и системы ....111
4.	АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ ............................122
4.1.	Общий обзор современных
методов диагностики...........................122
4.2.	Метод оценки технического
состояния машин...............................131
4.3.	Основы анализа данных и поиска
неисправностей...............................144
4.4.	Примеры из диагностики машин
и оборудования...............................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 колеба-
ний возникла с первых шагов разработки и конструирования, учитываю-
щих вопросы длительной, безаварийной эксплуатации машин и увеличе-
ния их ресурса. Исследование механических колебаний тихоходных ма-
шин основывалось на опыте многолетней работы инженеров-
конструкторов и операторов с применением простейших оптических при-
боров, измеряющих характеристики механических колебаний.
В последние 15-20 лет измерительная и анализирующая техника и
аппаратура стремительно развивалась и претерпела значительные измене-
ния как в точности и универсальности, так и в конструктивном отношении.
Применение пьезоэлектрических акселерометров (датчиков вибра-
ции), преобразующих механические колебания в электрические сигналы,
раскрыло новые возможности точного измерения и анализа механических
колебаний электронными измерительными приборами - сначала аналого-
выми, затем цифровыми. Появление и широкое распространение микро-
процессоров открыло новую эру измерительной техники: высокоточной,
универсальной, миниатюрной и легкой, применяемой для измерения и
анализа механических колебаний любых современных быстродействую-
щих машин и оборудования.
Избежать механических колебаний на практике почти нельзя, так как
они обусловлены динамическими явлениями, присутствием допусков, за-
зоров и поверхностных контактов отдельных деталей машин и механиз-
мов, 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 источ-
ником вибрации и шума.
Механические колебания могут также быть полезными помощника-
ми человека. На применении искусственно генерируемых механических
колебаний основываются вибрационные питательные устройства, уплот-
нители для бетона, вибросита для очистки жидкостей от крупных твердых
частиц, ультразвуковые ванны для очистки деталей, перфораторы и другие
5
инструменты. Вибростенды, вибраторы и другие возбудители механиче-
ских колебаний находят широкое применение при исследованиях и испы-
таниях изделий, узлов и деталей, подвергаемых воздействию точно опре-
деленных механических колебаний с целью измерения и анализа их физи-
ческой и эксплуатационной характеристики и оценки их стойкости в от-
ношении влияний механических колебаний и ударов.
Основой работ при конструировании и разработке машин и обору-
дования, относящихся к надежности, является оценка механических коле-
баний, возникающих в них, для чего необходимо точное определение па-
раметров 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 час-
тотой 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 час-
тотах, поэтому только на основе измеренной величины вибропараметра
или амплитудно-временной диаграммы нельзя определить ни число, ни
частоты отдельных составляющих сложного колебательного процесса. От-
дельные составляющие сложных механических колебаний можно обнару-
жить и определить путем исследования зависимости их амплитуд от часто-
ты. Разложение механических колебаний в индивидуальные частотные со-
ставляющие называется частотным анализом. Частотный анализ является
основным методом диагностики, главной задачей которой является иссле-
дование механических колебаний. График зависимости амплитуды или
уровня определенной величины механических колебаний от частоты назы-
вается частотной спектрограммой.
Частотный анализ механических колебаний машин и механизмов по-
зволяет обнаружить ряд выраженных частотных составляющих периоди-
ческого характера, непосредственно связанных с основными движениями
отдельных узлов и деталей исследуемой машины или механизма, дает воз-
можность обнаружения отдельных источников механических колебаний и
их особенностей, соответствующих определенным дефектам машины, а
также развития этих дефектов.
6
Глава 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИБРОДИАГНОСТИКИ
1.1. Простейшее гармоническое колебание
Вибрация (колебания) - это движение точки или механической сис-
темы, 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 дви-
жение объекта около положения равновесия. Этот тип вибрации называет-
ся общей вибрацией, потому что тело перемещается как единое целое и все
его части имеют одинаковую по величине и направлению скорость. Поло-
жением равновесия называют такое положение, в котором тело находится
в состоянии покоя, или положение, которое оно займет, если сумма дейст-
вующих на него сил равна нулю.
Колебательное движение твердого тела может быть полностью опи-
сано в виде комбинации шести простейших типов движения: поступатель-
ного - в трех взаимно перпендикулярных направлениях (х, у, z в декарто-
вых координатах) и вращательного - относительно трех взаимно перпенди-
кулярных осей (Ох, Оу, Oz). Любое сложное перемещение тела можно раз-
ложить на эти шесть составляющих, т.е. такие тела имеют шесть степеней
свободы.
В качестве примера можно привести колебания корабля на волне, ко-
торый может перемещаться в направлении оси "корма-нос" (прямо по кур-
су), подниматься и опускаться вверх-вниз, двигаться в направлении оси
"правый борт - левый борт", а также вращаться относительно вертикаль-
ной 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 си-
лой 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 характери-
стик и законов взаимодействия позволяет диагностировать дефекты по-
следней.
7
Самыми простыми из существующих в природе колебательных дви-
жений являются упругие прямолинейные колебания тела на пружине
(рис. 1.1). Если отвести тело на некоторое расстояние от положения равно-
весия 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 направле-
нии. После этого скорость тела начнет уменьшаться, пока оно не остано-
вится в другой крайней позиции, откуда сжатая или растянутая пружина
опять начнет возвращать тело назад в положение равновесия.
Направление
движения
Рис. 1.1. Пример простейшего колебания
А (амплитуда отклонения
от положения равновесия)
времени
Такая механическая система обладает одной степенью свободы.
Процесс будет повторяться вновь и вновь, при этом происходит не-
прерывное 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 продол-
жались бы непрерывно и бесконечно долго с постоянными амплитудой и
частотой. В реальных механических системах такие идеальные гармониче-
ские движения не встречаются. Любая реальная система обладает трением,
которое приводит к постепенному затуханию амплитуды и превращает
энергию колебаний в тепло. Простейшее гармоническое перемещение опи-
сывается следующими параметрами: Т - период колебаний, F - частота
колебаний,
F = 1/Т.
8
Период - это интервал времени, который необходим для завершения
одного цикла колебания, то есть это время между двумя последовательны-
ми моментами пересечения нулевой точки в одном направлении. В зави-
симости от быстроты колебаний, период измеряют в секундах или милли-
секундах.
Частота колебаний - величина, обратная периоду, определяет коли-
чество 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
ю= 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 горизон-
тальной шкале - время (см. рис. 1.1), то результатом будет синусоида, опи-
сываемая уравнением
d=D-sin((o-t),
где d - мгновенное смещение;
D - максимальное смещение;
со= 2-7T-F - угловая (циклическая) частота, л=3,14.
Это обычная синусоида, известная из тригонометрии. Ее можно счи-
тать простейшей и основной временной реализацией вибрации. В матема-
тике функция синуса описывает зависимость отношения катета к гипоте-
нузе от величины противолежащего угла. Синусоидальная кривая при та-
ком 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
9
времени, как известно из математики, определяется производной по вре-
мени:
v=dd/dt= co-Dcos(ayt),
где v - мгновенная скорость.
Из этой формулы видно, что скорость при гармоническом колебании
также ведет себя по синусоидальному закону, однако, вследствие диффе-
ренцирования 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 v /dt=- со 2-Dsin(co-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, умножен-
ному на квадрат частоты.
Это означает, что большие смещения на высоких частотах должны
сопровождаться очень большими скоростями и чрезвычайно большими ус-
корениями. Например, вибрирующий объект, который испытывает смеще-
ние 1 мм с частотой 100 Гц. Максимальная скорость такого колебания бу-
дет равна смещению, умноженному на частоту:
v =1x100=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 едини-
цах g полученное выше ускорение приблизительно равно 10/9,811g.
10
При увеличении частоты произойдет следующее: до 1000 Гц
v =1 х 1000 = 1000 мм/с =1 м/с,
а = 1 х (1000)2 = 1000000 мм/с2 = 1000 м/с2 = 100 g.
Таким образом, высокие частоты не могут сопровождаться боль-
шими смещениями, поскольку возникающие в этом случае огромные уско-
рения вызовут разрушение системы.
1.3.	Динамика механических систем
Небольшое компактное тело можно представить как простую мате-
риальную точку. Если приложить к ней внешнюю силу, она придет в дви-
жение, которое определяется законами Ньютона. В упрощенном виде за-
коны Ньютона гласят, что покоящееся тело будет оставаться в покое, если
на него не действует внешняя сила. Если же к материальной точке прило-
жена внешняя сила, то она придет в движение с ускорением, пропорцио-
нальным этой силе.
Большинство механических систем являются более сложными, чем
простая материальная точка, и они совсем необязательно будут переме-
щаться под воздействием силы как единое целое. Роторные машины не яв-
ляются абсолютно твердыми, и отдельные их узлы имеют различные жест-
кости. Как мы увидим далее, их реакция на внешнее воздействие зависит
от природы самого воздействия и от динамических характеристик механи-
ческой конструкции, причем эту реакцию очень тяжело предсказать. Про-
блемы моделирования и предсказания реакции конструкций на известное
внешнее воздействие решаются с помощью метода конечных элементов
(МКЭ) и модального анализа. Здесь мы не будем подробно останавливать-
ся на них, так как они достаточно сложны, однако, для понимания сущно-
сти вибрационного анализа машин полезно рассмотреть, как взаимодейст-
вуют между собой силы и конструкции.
1.4.	Измерения амплитуды вибрации
Для описания и измерения механических вибраций используются
следующие понятия (рис. 1.2).
Максимальная амплитуда (пик) - это максимальное отклонение от
нулевой точки, или от положения равновесия.
11
Размах (пик-пик) - это разница между положительным и отрица-
тельным пиками. Для синусоидального колебания размах в точности равен
удвоенной пиковой амплитуде, так как временная реализация в этом слу-
чае симметрична, но в общем случае это неверно.
Среднеквадратическое значение амплитуды (СКЗ) равно квадратно-
му корню из среднего квадрата амплитуды колебания. Для синусоидальной
волны СКЗ в 1,41 раза меньше пикового значения.
СКЗ является важной характеристикой амплитуды вибрации. Для ее
расчета необходимо возвести в квадрат мгновенные значения амплитуды
колебаний и усреднить получившиеся величины по времени.
Рис. 1.2. Описание и измерение механических вибраций
Для получения правильного значения интервал усреднения должен
быть не меньше одного периода колебания. После этого извлекается квад-
ратный корень и получается СКЗ (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Среднеквадратичное значение (закрашенные площади равны)
12
СКЗ должно применяться во всех расчетах, относящихся к мощности
и энергии колебания. Например, сеть переменного тока 220В. 220В - это
среднеквадратичное значение напряжения, которое применяется для рас-
чета мощности (Вт), потребляемой включенными в сеть приборами.
1.5.	Понятие фазы
Фаза есть мера относительного сдвига во времени двух синусои-
дальных колебаний. Хотя по своей природе фаза является временной раз-
ностью, ее почти всегда измеряют в угловых единицах (градусах или ра-
дианах), которые представляют собой доли цикла колебания и, следова-
тельно, не зависят от точного значения его периода.
Разность фаз двух колебаний часто называют сдвигом фазы. Сдвиг
фазы в 360 градусов представляет собой временную задержку на один
Рис. 1.4. Понятие фазы: задержка V* периода равна сдвигу
по фазе на 90 градусов
цикл, или на один период, что, по существу, означает полную синхрон-
ность колебаний. Разность фаз в 90 градусов соответствует сдвигу колеба-
ний на *4 цикла друг относительно друга и т.д. Сдвиг фазы может быть по-
ложительным и отрицательным, то есть одна временная реализация может
отставать от другой или наоборот, опережать ее.
Фазу можно также измерять по отношению к конкретному моменту
времени. Примером этого является фаза дисбалансовой компоненты (тя-
желого места) вращающейся детали (ротора), взятая относительно поло-
жения какой-то его фиксированной точки. Для измерения этой величины
необходимо сформировать прямоугольный импульс, соответствующий оп-
ределенной опорной точке на валу. Этот импульс может генерироваться
тахометром или любым другим магнитным или оптическим датчиком,
чувствительным к геометрическим или световым неоднородностям на ро-
торе, и называется иногда тахоимпульсом. Измеряя задержку (опережение)
13
между циклической последовательностью тахоимпульсов и вибрацией, вы-
званной дисбалансом, определяется их фазовый угол.
Рис. 1.5. Фазовый угол (отметка)
Фазовый угол может измеряться относительно опорной точки, как в
направлении вращения, так и в направлении, противоположном вращению,
т.е. либо как фазовая задержка, либо как фазовое опережение. Различные
производители оборудования используют как тот, так и другой подходы.
1.6.	Единицы измерения вибрации
Обычно вибросмещение (виброперемещение) представляют как ме-
ру амплитуды вибрации. Вибросмещение равно расстоянию от точки от-
счета, или от положения равновесия. Помимо колебаний по координате
(смещение), вибрирующий объект испытывает также колебания скорости и
ускорения. Скорость представляет собой быстроту изменения координаты
и обычно измеряется в м/с. Ускорение есть скорость изменения скорости и
обычно измеряется в м/с2 или в единицах g (ускорение свободного паде-
ния).
Графиком смещения тела, испытывающего гармонические колеба-
ния, является синусоида, виброскорость в этом случае подчиняется сину-
соидальному закону. Когда смещение максимально, скорость равна нулю,
так как в этом положении происходит изменение направления движения
тела. Отсюда следует, что временная реализация скорости будет сдвинута
по фазе на 90 градусов влево относительно временной реализации смеще-
ния. Другими словами, скорость опережает по фазе смещение на 90 граду-
сов. Ускорение - это скорость изменения скорости, по аналогии с преды-
дущим, ускорение объекта, испытывающего гармоническое колебание,
также синусоидально и равно нулю, когда скорость максимальна. И наобо-
рот, когда скорость равна нулю, ускорение максимально (скорость изменя-
14
ется наиболее быстро в этот момент). Таким образом, ускорение опережает
по фазе скорость на 90 градусов. Эти соотношения приведены на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Понятие фазы вибропараметров
Существует еще один вибрационный параметр, а именно, быстрота
изменения ускорения, называемая резкостью.
Резкость - это то внезапное прекращение замедления в момент оста-
новки, которое вы ощущаете, когда тормозите на автомобиле, не отпуская
педаль тормоза. В измерении этой величины заинтересованы, например,
производители лифтов, потому что пассажиры лифтов чувствительны
именно к изменению ускорения.
В англоязычных странах вибросмещение измеряют в миллидюймах
(1/1000 дюйма; 1 дюйм = 2,54 см), и по традиции применяют значение
"peak-to-peak" (размах). В европейских странах принята международная
система единиц, и вибросмещение измеряют в микрометрах (мкм).
Виброскорость обычно измеряют в м/с или в мм/с, в англоязычных
странах - дюйм/с (ips). При измерении виброскорости используются как
СКЗ, так и пиковое значение. В некоторых странах, например, в США, в
силу давней традиции пиковое значение является более употребительным.
Виброускорение измеряется в единицах g СКЗ (g - ускорение сво-
бодного падения). В действительности g не является системной единицей -
это просто то ускорение, которое мы испытываем, находясь на Земле.
Стандартными единицами измерения ускорения являются м/с2, а в англоя-
зычных странах - дюйм/с2.
Процесс преобразования смещения в скорость или скорости в уско-
рение эквивалентен математической операции дифференцирования. Об-
ратное преобразование ускорения в скорость и скорости в смещение назы-
вается интегрированием. В настоящее время можно проводить эти опера-
15
ции внутри самих измерительных приборов и легко переходить от одних
параметров измерения к другим.
На практике дифференцирование приводит к росту шумовой со-
ставляющей сигнала, и поэтому оно редко применяется. Интегрирование,
напротив, может быть осуществлено с высокой точностью с помощью
простых электрических цепей. Это является одной из причин, почему ак-
селерометры сегодня стали основными датчиками вибрации: их выходной
сигнал можно легко подвергнуть однократному или двухкратному интег-
рированию и получить либо скорость, либо смещение. Интегрирование,
однако, непригодно для сигналов с очень низкой частотой (ниже 1 Гц), так
как в этой области уровни паразитного шума чрезвычайно увеличиваются
и точность интегрирования падает. Большинство имеющихся на рынке ин-
теграторов правильно работают на частотах выше 1 Гц, что достаточно
почти для всех приложений, связанных с вибрациями.
Вибрационный сигнал смещения на определенной частоте может
быть преобразован в скорость посредством дифференцирования. Диффе-
ренцирование сопровождается умножением амплитуды на частоту, поэто-
му амплитуда виброскорости на определенной частоте пропорциональна
смещению, умноженному на эту частоту. При фиксированном смещении
скорость будет удваиваться с удвоением частоты, а если частота увеличит-
ся в десять раз, то и скорость умножится на десять.
Чтобы получить из скорости ускорение, необходимо еще одно диф-
ференцирование, а значит, и еще одно умножение на частоту. Поэтому ус-
корение при фиксированном смещении будет пропорционально квадрату
частоты.
По второму закону Ньютона, сила равна массе, умноженной на уско-
рение. Поэтому при заданном смещении сила также пропорциональна
квадрату частоты. Именно по этой причине на практике не сталкиваются с
процессами, где большие ускорения сопровождаются большими смеще-
ниями, просто не существует таких огромных сил, которые требуются для
этого, а если бы они нашлись, то были бы крайне разрушительны.
Исходя из этих простых рассуждений, легко понять, что одни и те же
вибрационные данные смещения, скорости или ускорения, представленные
в виде графиков будут выглядеть по-разному. На графике смещения будет
усилена низкочастотная область, а на графике ускорения - высокочастот-
ная при ослаблении низкочастотной.
Величины смещения, скорости и ускорения в стандартных междуна-
родных единицах связаны следующими уравнениями:
V[mm/c, пик]=0,159 х A/f [мм/с2, пик]
D[mkm, размах]=318,4 х V/f [мм/с, пик]
D[mkm, размах]=50,7 х A/f2 [мм/с2, пик]
V=1/(2ttF) х А
D=1/(2ttF)2 х А
D=1/(2ttF) х V
16
На рис. 1.7 один и тот же вибрационный сигнал представлен в виде
виброперемещения, виброскорости и виброускорения.
Виброперемещение
Виброскорость	Виброускорение
Рис. 1.7. Представление одного сигнала различными параметрами вибра-
ции на мониторе виброизмерителя
График вибросмещения трудно анализировать на высоких частотах,
зато высокие частоты хорошо видны на графике ускорения. Кривая скоро-
сти наиболее равномерна по частоте среди этих трех. Это типично для
большинства роторных машин, однако в некоторых ситуациях самыми
равномерными являются кривые смещения или ускорения. Лучше всего
выбирать такие единицы измерения, для которых частотная кривая выгля-
дит наиболее плоской: тем самым обеспечивается максимум визуальной
информации для наблюдателя. Для диагностики машин наиболее часто
применяется виброскорость.
1.7.	Сложные виды вибрации
Вибрация есть движение, вызванное колебательной силой. У линей-
ной механической системы частота вибрации совпадает с частотой возбу-
ждающей силы. Если в системе одновременно действуют несколько воз-
буждающих сил с разными частотами, то результирующая вибрация будет
суммой вибраций на каждой частоте. При этих условиях результирующая
временная реализация колебания уже не будет синусоидальной и может
оказаться очень сложной.
На рис. 1.8 высоко- и низкочастотная вибрации накладываются друг
на друга и образуют сложную временную реализацию. В простых случаях,
подобных этому, достаточно легко определить частоты и амплитуды от-
дельных компонент, анализируя форму временного графика (временную
реализацию) сигнала, однако большинство вибрационных сигналов значи-
тельно сложнее, и их гораздо труднее интерпретировать. Для типичной ро-
17
торной машины часто весьма сложно извлечь необходимую информацию о
ее внутреннем состоянии и работе, изучая лишь временные реализации
вибрации, хотя в некоторых случаях анализ последних является достаточ-
но мощным инструментом диагностики.
Рис. 1.8. Временная реализация колебательных процессов
Для возбуждения вибрации необходимо затратить энергию. В случае
вибрации машин эта энергия генерируется приводом (двигателем) самой
машины. Таким источником энергии может быть сеть переменного тока,
двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина и т.д. В физике энергия
определена как способность совершения работы, а механическая работа
есть произведение силы на расстояние, на котором действовала эта сила.
Единица измерения энергии и работы в международной системе (СИ) -
Джоуль. Один Джоуль эквивалентен силе в один Ньютон, действующей на
расстоянии в один метр.
Доля энергии машины, приходящаяся на вибрацию, обычно не очень
велика по сравнению с полной энергией, необходимой для работы маши-
ны.
Мощность есть работа, выполняемая в единицу времени, или энер-
гия, затрачиваемая в единицу времени. В системе СИ мощность измеряет-
ся в Ваттах или в Джоулях в секунду. Мощность в одну лошадиную силу
эквивалентна 746 Ваттам. Мощность вибрации пропорциональна квадрату
амплитуды колебаний (аналогично, электрическая мощность пропорцио-
нальна квадрату напряжения или тока).
В соответствии с законом сохранения энергии энергия не может воз-
никать из ничего или исчезать в никуда, она переходит из одной формы в
другую. Энергия вибраций механической системы постепенно диссипиру-
ет (то есть переходит) в тепло.
18
При анализе вибрации более или менее сложного механизма полезно
изучить источники вибрационной энергии и пути, по которым эта энергия
передается внутри машины. Энергия всегда движется от источника вибра-
ции к поглотителю, в котором она превращается в тепло. Иногда этот путь
может быть очень коротким, в других ситуациях энергия может пропуте-
шествовать на большие расстояния, прежде чем поглотиться.
Важнейшим поглотителем энергии машины является трение. Разли-
чают трение скольжения и вязкое трение. Трение скольжения возникает
вследствие относительного перемещения различных частей машины друг
относительно друга. Вязкое трение создается, например, пленкой масляной
смазки в подшипнике скольжения. Если трение внутри машины мало, то ее
вибрация обычно велика, т.к. из-за отсутствия поглощения энергия вибра-
ций накапливается. Например, машины с подшипниками качения обычно
вибрируют сильнее, чем машины с подшипниками скольжения, в которых
смазка действует как значительный поглотитель энергии. Поглощением
энергии вибраций вследствие трения объясняется также применение в
авиации заклепок вместо сварных соединений: клепаные соединения ис-
пытывают небольшие перемещения друг относительно друга, благодаря
чему поглощается энергия вибраций и тем самым предотвращается разви-
тие вибрации до разрушительных уровней. Подобные конструкции назы-
вают сильно демпфированными. Демпфирование - по существу, мера по-
глощения энергии вибраций.
1.8.	Собственные частоты
Любая механическая конструкция может быть представлена в виде
системы пружин, масс и демпферов. Демпферы поглощают энергию, а
массы и пружины - нет. Масса и пружина образуют систему, которая имеет
резонанс на характерной для нее собственной частоте. Если подобной сис-
теме сообщить энергию (например, толкнуть массу или оттянуть пружи-
ну), то она начнет колебаться с собственной частотой, а амплитуда вибра-
ции будет зависеть от мощности источника энергии и от поглощения этой
энергии, т.е. демпфирования, присущего самой системе. Собственная час-
тота идеальной системы "масса-пружина" без демпфирования определяет-
ся соотношением
где Fn - собственная частота;
к - коэффициент упругости (жесткость) пружины;
т - масса.
19
Рис. 1.9. Понятие демпфирования
Из формулы видно, что с увеличением жесткости пружины увели-
чивается и собственная частота, а с увеличением массы собственная часто-
та падает. Если система обладает демпфированием, как все реальные фи-
зические системы, то собственная частота будет несколько ниже рассчи-
танной по приведенной формуле значения, и будет зависеть от величины
демпфирования.
Множество систем "пружина-масса-демпфер (простейших осцилля-
торов)", которыми можно моделировать поведение механической конст-
рукции, называют степенями свободы. Энергия вибраций машины распре-
деляется между этими степенями свободы в зависимости от их собствен-
ных частот и демпфирования, а также в зависимости от частоты источника
энергии. Поэтому вибрационная энергия никогда не распределяется рав-
номерно по всей машине. Например, в машине с электродвигателем глав-
ным источником вибраций является остаточный дисбаланс ротора двига-
теля. Это приводит к заметным уровням вибрации на подшипниках двига-
теля. Однако, если одна из собственных частот машины близка к оборот-
ной частоте ротора, то ее вибрации могут быть велики и на довольно
большом удалении от двигателя.
Этот факт необходимо учитывать при оценке вибрации машины:
точка с максимальным уровнем вибрации необязательно располагается ря-
дом с источником возбуждения. Вибрационная энергия часто перемещает-
ся на большие расстояния, например по трубам, и может вызвать настоя-
щее опустошение при встрече с удаленной конструкцией, чья собственная
частота близка к частоте источника.
Явление совпадения частоты возбуждающей силы с собственной
частотой называется резонансом. При резонансе система колеблется на
20
собственной частоте и имеет большой размах колебаний. При резонансе
колебания системы сдвинуты по фазе на 90 градусов относительно колеба-
ний возбуждающей силы.
В дорезонансной зоне (частота возбуждающей силы меньше собст-
венной частоты) сдвига фаз между колебаниями системы и возбуждающей
силы нет. Система движется с частотой возбуждающей силы.
В зоне после резонанса колебания системы и возбуждающей силы
находятся в противофазе (сдвинуты относительно друг друга на 180 граду-
сов). Резонансные усиления амплитуды отсутствуют. При росте частоты
возбуждения амплитуда вибрации снижается, однако разность фаз в 180
градусов сохраняется для всех частот выше резонансной.
1.9.	Линейные и нелинейные системы
По виду механизма передачи вибраций внутри машины системы под-
разделяют на линейные и нелинейные. Термин "линейный" применяют для
описания поведения любых систем, имеющих вход и выход. Системой на-
зывается любое устройство или конструкция, которые могут воспринимать
возбуждение в какой-либо форме (вход) и давать на него соответствующий
отклик (выход). В качестве примера можно привести магнитофоны и уси-
лители, преобразующие электрические сигналы, или механические конст-
рукции, где на входе мы имеем возбуждающую силу, а на выходе - виб-
росмещение, скорость и ускорение.
Систему называют линейной, если она удовлетворяет двум следую-
щим критериям:
-	если вход х вызывает в системе выход X, то вход 2х даст выход 2Х,
т.е. выход линейной системы пропорционален ее входу. Это проиллюстри-
ровано на следующих рисунках:
Возбуждающая
сила х
Возбуждающая
сила 2 х
Ответное движение х
Ответное движение 2 х
Рис. 1.10. Линейная система
-	если вход х дает выход X, а вход у - выход Y, то вход х+у даст вы-
ход X+Y. Иными словами, линейная система обрабатывает два одновре-
21
менных входных сигнала независимо друг от друга, причем они не взаи-
модействуют между собой внутри нее. Отсюда следует, в частности, что
линейная система не дает на выходе сигнал с частотами, отсутствовавши-
ми во входных сигналах. Это проиллюстрировано на следующем рисунке:
Возбуждающая
сила х
<---------->
Ответное движение
х
<---------->
Рис. 1.11. Реакции линейной системы
Эти критерии отнюдь не требуют, чтобы выход был аналоговым или
сходным по своей природе с входом. Например, на входе может быть элек-
трический ток, а на выходе - температура. В случае механических конст-
рукций, в частности машин, в качестве входа рассматривается вибрацион-
ная сила, а в качестве выхода - сама измеряемая вибрация.
1.10.	Нелинейные системы
Ни одна реальная система не является абсолютно линейной. Суще-
ствует большое разнообразие нелинейностей, которые в той или иной сте-
пени присутствуют в любой механической системе, многие из них ведут
себя почти линейно, особенно при слабом входе. Не полностью линейная
система имеет на выходе частоты, которых не было на входе. Примером
этого являются стереоусилители или магнитофоны, которые генерируют
гармоники входного сигнала вследствие так называемого нелинейного
(гармонического) искажения, ухудшающего качества воспроизведения.
Гармоническое искажение почти всегда сильнее при высоких уровнях сиг-
нала. Например, маленький радиоприемник звучит довольно чисто при ма-
лом уровне громкости и начинает трещать при усилении звука.
Многие системы имеют почти линейный отклик на слабый входной
сигнал, но становятся нелинейными при более высоких уровнях возбужде-
ния. Иногда существует определенный порог входного сигнала, незначи-
тельное превышение которого ведет к сильной нелинейности. Примером
может служить отсечение сигнала в усилителе, когда входной уровень пре-
вышает допустимый размах напряжения или тока блока питания усилителя.
22
Возбуждающая
сила х
Ответное движение
Рис. 1.12. Реакции нелинейной системы
Еще одним типом нелинейности является взаимная модуляция, когда
два или более входных сигнала взаимодействуют друг с другом и произво-
дят новые частотные компоненты, или модуляционные боковые полосы,
отсутствовавшие в любом из них. Именно с модуляцией связаны боковые
полосы в спектрах вибрации.
1.11.	Нелинейности роторных машин
Вибрация машины фактически является откликом на силы, вызван-
ные ее движущимися частями. Измеряя вибрацию в разных точках маши-
ны, находятся значения сил. При измерении частоты вибрации, предпола-
гается, что и вызывающие ее силы имеют те же частоты, а ее амплитуда
пропорциональна величине этих сил. То есть предполагается, что машина
является линейной системой. В большинстве случаев такое предположение
рационально и разумно.
По мере того, как машина изнашивается, увеличиваются ее зазоры,
появляются трещины и т.д., ее отклик будет все больше отклоняться от
линейного закона, и в результате характер измеряемой вибрации может со-
вершенно отличаться от характера возбуждающих сил.
Например, несбалансированный ротор воздействует на подшипники
с синусоидальной силой на частоте IX, и других частот в этом возбужде-
нии нет. Если механическая структура машины нелинейная, то возбуж-
дающая синусоидальная сила будет искажена, и в результирующем спек-
тре вибрации помимо частоты IX появятся ее гармоники. Количество гар-
моник в спектре и их амплитуда являются мерой нелинейности машины.
Например, по мере износа подшипника скольжения в спектре его вибрации
возрастает количество гармоник и увеличивается их амплитуда.
Гибкие соединения с несоосностью являются нелинейными. Именно
поэтому их вибрационные характеристики содержат сильную вторую гар-
монику оборотной частоты (то есть 2Х). Износ муфты с несоосностью час-
то сопровождается сильной третьей гармоникой оборотной частоты (ЗХ).
Когда силы с разными частотами взаимодействуют внутри машины нели-
23
нейным образом, возникает модуляция, и в спектре вибрации появляются
новые частоты. Эти новые частоты, или боковые полосы, присутствуют в
спектрах дефектных зубчатых передач, подшипников качения и т.д. Если
зубчатое колесо имеет эксцентриситет или отклонения от правильной
формы, то оборотная частота будет модулировать частоту зацепления
зубьев, приводя к боковым полосам в спектре вибрации. Модуляция - это
всегда нелинейный процесс, при котором появляются новые частоты, от-
сутствовавшие в возбуждающей силе.
1.12.	Резонанс
Резонансом называют такое состояние системы, при котором частота
возбуждения близка к собственной частоте конструкции, то есть частоте
колебаний, которые будет совершать эта система, будучи предоставлена
самой себе после выведения из состояния равновесия. Механические кон-
струкции могут иметь множество собственных частот. В случае резонанса
уровень вибрации может стать очень высоким и привести к быстрому раз-
рушению конструкции.
Резонанс проявляется в спектре в виде пика, положение которого
остается постоянным при изменении скорости машины. Этот пик может
быть очень узким или, наоборот, широким в зависимости от эффективного
демпфирования конструкции на данной частоте.
Для определения возможности резонансных явлений в машине ис-
пользуют один из следующих приемов.
Тест-удар. По корпусной части машины ударяют, записывая при
этом вибрационные данные. Если машина имеет резонансы, то в ее зату-
хающей вибрации выделятся собственные частоты.
Разгон (выбег). Машину включают (или отключают) и одновременно
снимают вибрационные данные и показания тахометра. Когда обороты
машины приблизятся к собственной частоте конструкции, на временной
реализации вибрации появятся большие всплески.
Тест с вариацией скорости - скорость машины меняют в широком
диапазоне (если это возможно), снимая данные вибрации и показания та-
хометра. Полученные данные затем интерпретируют так же, как в преды-
дущем тесте.
На рис. 1.13 приведена идеализированная кривая механического ре-
зонансного отклика. Поведение резонирующей системы под воздействием
внешней силы несколько противоречит бытовой интуиции. Оно строго за-
висит от частоты возбуждения. Если эта частота ниже собственной (то есть
располагается слева от пика), то вся система будет вести себя подобно
пружине, в которой смещение пропорционально силе. В простейшем ос-
цилляторе, состоящем из пружины и массы, именно пружина будет опре-
делять отклик на возбуждение такой силой. В этой частотной области по-
24
ведение конструкции будет совпадать с обыденной интуицией, откликаясь
на большую силу большим смещением, причем смещение будет находить-
ся в фазе с силой.
В области справа от собственной частоты ситуация другая. Здесь
масса играет определяющую роль, и вся система реагирует на силу, грубо
говоря, так, как это делала бы материальная точка. Это означает, что про-
порциональным приложенной силе будет ускорение, а амплитуда смеще-
ния будет относительно неизменной с изменением частоты.
Отсюда следует, что вибросмещение будет в противофазе с внешней
силой (так как оно в противофазе с виброускорением).
Если частота внешней силы в точности совпадает с собственной, то
система будет вести себя совершенно по-другому. В этом случае реакции
массы и пружины взаимоуничтожатся, и сила компенсируется только
демпфированием или трением в системе. Если система является слабо
демпфированной, то внешнее воздействие будет подобно толканию возду-
ха. Следовательно, на резонансной частоте нельзя приложить к системе
большую силу, а если попытаться это сделать, то амплитуда вибрации дос-
тигнет очень больших значений. Именно демпфирование управляет дви-
жением резонансной системы на собственной частоте.
На собственной частоте сдвиг фазы (фазовый угол) между источни-
ком возбуждения и откликом конструкции всегда составляет 90 градусов.
У машин с длинными роторами, например турбин и многоступенча-
тых насосов, собственные частоты называют критическими скоростями.
Необходимо следить, чтобы в рабочем режиме таких машин их скорости
не совпадали с критическими.
Амплипуда
Рис. 1.13. Понятие механического резонансного отклика
25
1.13.	Частотный анализ
При анализе вибрации машин и оборудования практически не встре-
чаются колебания простых форм, как правило, это несколько механиче-
ских колебаний, наложенных друг на друга, в результате чего временная
реализация имеет очень сложные формы неподдающиеся описанию. Чтобы
обойти ограничения анализа во временной области, обычно на практике
применяют частотный или спектральный анализ вибрационного сигнала.
Если временная реализация есть график во временной области, то спектр -
это график в частотной области. Спектральный анализ эквивалентен пре-
образованию сигнала из временной области в частотную. Частота и время
связаны друг с другом следующими зависимостями:
Врсмя= 1/Частота;
Частота= 1/Время.
Расписание автобусов, приведенное на рис. 1.14 наглядно выявляет
эквивалентность представлений информации во временной и частотной
областях, т.е. можно перечислить точное время отправления автобусов
(временная область), а можно сказать, что они уходят каждые 20 минут
(частотная область).
РАСПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ АВТОБУСОВ	
Время	Частота
06.10	Каждые 20 минут
06.30	
06.50	
07.10	
07.30	
Рис. 1.14. Эквивалентность информации во временной
и частотной областях
Та же самая информация значительно компактнее выглядит в час-
тотной области. Очень длинное расписание по времени сжимается до двух
строчек в частотном виде. Это очень показательно: события, занимающие
большой интервал времени, сжимаются в частотной области до отдельных
полос.
26
На рис. 1.15, частотные составляющие сигнала отделены друг от
друга, и явно выражены в спектре, а их уровни легко идентифицировать.
Эту информацию было бы очень непросто выделить из временной реали-
зации.
Рис. 1.15. Колебательные движения во временной и частотной областях
На рис. 1.16 видно, что события, перекрывающиеся друг с другом
во временной области, разделяются в частотной области на отдельные
компоненты.
Временная реализация вибрации несет в себе большое количество
информации, которая для невооруженного глаза незаметна. Часть этой ин-
формации может приходиться на очень слабые компоненты, величина ко-
торых может быть меньше, чем толщина линии графика. Тем не менее, по-
добные слабые компоненты могут быть важны для выявления развиваю-
щихся неисправностей в машине, например дефектов подшипников.
Рис. 1.16. Временное и частотное представления
27
Сама суть диагностики и обслуживания по состоянию заключается в
раннем обнаружении зарождающихся неисправностей, поэтому необхо-
димо обращать внимание и на чрезвычайно малые уровни вибрационного
сигнала.
Рис. 1.17. Идентификация неисправности на графике
частотной реализации
На приведенном спектре очень слабая компонента представляет не-
большую развивающуюся неисправность в подшипнике, и она осталась бы
незамеченной, если бы сигнал анализировали во временной области, то
есть ориентировались на общий уровень вибрации. Поскольку СКЗ - это
просто общий уровень колебания в широком частотном диапазоне, поэто-
му небольшое возмущение на подшипниковой частоте может остаться не-
замеченным в изменении уровня СКЗ, хотя для диагностики это возмуще-
ние очень важно.
1.14.	Типы сигналов
На практике встречаются совершенно разные виды сигналов. Проце-
дура выполнения спектрального анализа различна и определяется типом
сигнала. В настоящее время сигналы классифицируют следующим образом
(рис. 1.18).
С теоретической и практической точек зрения можно разделить сиг-
налы на несколько групп. Различным типам сигналов соответствуют раз-
личные типы спектров, и во избежание ошибок при выполнении частотно-
го анализа важно знать характеристики этих спектров.
28
Рис. 1.18. Классификация сигналов
В первую очередь, все сигналы делятся на стационарные и нестацио-
нарные. Стационарный сигнал имеет постоянные по времени статистические
параметры. Если посмотреть несколько мгновений на стационарный сигнал
и затем через какое-то время опять вернуться к нему, то он будет выглядеть,
по существу, тем же самым, то есть его общий уровень, распределение ам-
плитуды и стандартное отклонение будут почти неизменными. Роторные
машины производят, как правило, стационарные вибрационные сигналы.
Стационарные сигналы подразделяются на детерминированные и
случайные. Случайные (нестационарные) сигналы непредсказуемы по сво-
ему частотному составу и уровням амплитуды, однако их статистические
характеристики почти постоянны. Примеры случайных сигналов - дождь,
падающий на крышу, шум реактивной струи, турбулентность в потоке газа
или жидкости и кавитация.
Детерминированные сигналы представляют собой специальный
класс стационарных сигналов. Они сохраняют относительно постоянный
частотный и амплитудный состав в течение длительного периода времени.
Детерминированные сигналы генерируются роторными машинами, музы-
кальными инструментами и электронными генераторами. Они подразде-
ляются, в свою очередь, на периодические и квазипериодические. Времен-
ная реализация периодического сигнала непрерывно повторяется через
равные отрезки времени. Частота повторения квазипериодической времен-
ной формы варьируется во времени, однако, на глаз сигнал кажется перио-
дическим. Иногда роторные машины генерируют квазипериодические сиг-
налы, особенно это относится к оборудованию с ременными передачами.
Детерминированные сигналы - наиболее важный тип для анализа
вибраций машин.
Периодические сигналы всегда имеют спектр с дискретными частот-
ными компонентами, называемыми гармониками или гармоническими по-
следовательностями (составляющими). Сам термин "гармоника" пришел из
музыки, где гармоники - это целые кратные фундаментальной (опорной)
частоты.
29
Нестационарные сигналы подразделяют на непрерывные и переход-
ные. Примеры нестационарного непрерывного сигнала - вибрация, произ-
водимая отбойным молотком или артиллерийская канонада. Переходным,
по определению, называют сигнал, начинающийся и заканчивающийся на
нулевом уровне и длящийся конечное время. Он может быть очень корот-
ким или довольно долгим. Примеры переходного сигнала - удар молотка,
шум пролетающего самолета или вибрация машины на разгоне и выбеге.
1.15.	Примеры временных реализаций и их спектров
Ниже приведены примеры временных реализаций и спектров, иллю-
стрирующих важнейшие понятия частотного анализа. Данные примеры в
некотором смысле идеализированы, поскольку они были получены с по-
мощью электронного генератора сигналов с последующей обработкой
БПФ-анализатором. Тем не менее, они определяют некоторые характерные
черты, присущие спектрам вибрации машин.
Синусоидальное колебание содержит только одну частотную компо-
ненту, а ее спектр - это единичная точка (рис. 1.19). Теоретически истинное
синусоидальное колебание существует в неизменном виде бесконечное
время. В математике преобразование, переводящее элемент из временной
области в элемент частотной области, называют преобразованием Фурье.
Такое преобразование сжимает всю информацию, содержащуюся в
синусоидальном колебании бесконечной продолжительности до единст-
венной точки. На приведенном выше спектре единственный пик имеет ко-
нечную, а не нулевую ширину, что обусловлено погрешностью применяе-
мого алгоритма численного расчета, называемого БПФ (быстрое преобра-
зование Фурье).
Рис. 1.19. Временная реализация и спектр гармонического сигнала
30
В машине с дисбалансом ротора возникает синусоидальная возбуж-
дающая сила с частотой IX, то есть один раз за один оборот.
Если бы отклик такой машины был абсолютно линейным, то резуль-
тирующая вибрация была бы также синусоидальной и подобна приведен-
ной выше временной реализации. Во многих плохо сбалансированных ма-
шинах временная реализация колебаний действительно напоминает сину-
соиду, а в спектре вибрации имеется большой пик на частоте IX, то есть на
оборотной частоте.
На рис. 1.20 представлен гармонический спектр периодического ко-
лебания типа синусоиды со срезанными вершинами.
Рис. 1.20. Реализации сигнала (синусоида со срезанными
сверху вершинами)
Этот спектр состоит из компонент, разделенных постоянным интер-
валом, равным 1/(период колебания). Самая низшая из этих компонент
(первая после нуля), называется основной, а все остальные - ее гармоника-
ми. Такое колебание было получено с помощью генератора сигналов, и,
как видно из рассмотрения временного сигнала, оно несимметрично отно-
сительно нулевой оси (положения равновесия). Это означает, что сигнал
имеет постоянную составляющую, превращающуюся в спектре в первую
линию слева. Этот пример иллюстрирует возможность спектрального ана-
лиза воспроизводить частоты, вплоть до нулевой (нулевая частота соответ-
ствует постоянному сигналу или, отсутствию колебаний).
Как правило, при вибрационном анализе машин нежелательно про-
водить спектральный анализ на таких низких частотах по ряду причин.
Большинство датчиков вибраций не обеспечивают правильные измерения
до 0 Гц, и только специальные акселерометры, применяемые, например, в
инерциальных навигационных системах, позволяют это делать. Для ма-
шинных вибраций наименьшая представляющая интерес частота обычно
составляет 0,ЗХ.
31
В некоторых машинах это может быть ниже 1 Гц. Чтобы измерять и
интерпретировать такие сигналы, необходимы специальные методики.
При анализе вибрационных характеристик машин часто встречаются
временные реализации, срезанные в верхней части, наподобие приведен-
ной на рис. 1.21. Обычно это означает, что в машине возникли ослабления
каких - либо элементов или деталей, и что-то ограничивает движение ос-
лабленного элемента в одном из направлений.
Показанный далее сигнал аналогичен предыдущему, но срез в нем
имеет место, как с положительной, так и с отрицательной стороны.
Рис. 1.21. Реализации сигнала (синусоида со срезанными
сверху и снизу вершинами)
В результате временной график колебания (временная реализация)
получается симметричным. Сигналы подобного типа могут возникать в
машинах, в которых движение ослабленных элементов ограничено в обоих
направлениях. В этом случае в спектре периодического сигнала будут при-
сутствовать гармонические составляющие, однако это будут только нечет-
ные гармоники. Все четные гармонические составляющие отсутствуют.
Любое периодическое симметричное колебание будет обладать похожим
спектром. Спектр сигнала квадратной формы также выглядел бы подобно
этому.
Иногда похожий спектр встречается в машинах с очень сильными
ослаблениями, в которых смещение вибрирующих частей ограничено с
каждой стороны. Примером этого является разбалансированная машина с
ослабленными затяжными болтами крепления.
Спектр короткого импульса, полученный с помощью генератора сиг-
налов, очень широкий.
Спектр такого сигнала не дискретный, а непрерывный. Другими сло-
вами, энергия сигнала распределена по всему частотному диапазону, а не
сосредоточена на нескольких отдельных частотах. Это характерно для не-
32
детерминированных сигналов, таких как случайный шум и переходные
процессы (рис. 1.22).
Рис. 1.22. Спектр короткого импульса
Начиная с определенной частоты, уровень равен нулю. Эта частота
обратно пропорциональна длительности импульса, поэтому, чем короче
импульс, тем шире его частотный состав. Если бы в природе существовал
бесконечно короткий импульс (говоря математически - дельта-функция),
то его спектр занимал бы весь частотный диапазон от 0 до +оо.
При исследовании непрерывного спектра обычно невозможно ска-
зать, принадлежит ли он случайному сигналу или переходному. Это огра-
ничение присуще частотному анализу Фурье, поэтому, сталкиваясь с не-
прерывным спектром, полезно изучить его временную реализацию. При-
менительно к анализу вибрации машины, это позволяет отличить удары,
имеющие импульсные временные реализации, и случайный шум, вызван-
ный, например, кавитацией.
Единичный импульс, подобный этому, редко встречается в роторных
машинах, однако при ударном тесте этот тип возбуждения используется
специально для возбуждения машины. Хотя ее вибрационный отклик не
будет такой классически гладкой кривой, какая приведена выше, но, тем не
менее, он будет непрерывным в широком частотном диапазоне и иметь пи-
ки на собственных частотах конструкции. Это означает, что удар является
очень хорошим типом возбуждения для выявления собственных частот,
так как его энергия распределена непрерывно в широком частотном диапа-
зоне.
Если импульс, имеющий приведенный выше спектр, повторяется с
постоянной частотой, то результирующий спектр будет уже не непре-
рывным, а состоящим из гармоник частоты повторения импульса, а его
огибающая будет совпадать с формой спектра единичного импульса
(рис. 1.23).
33
Подобные сигналы производят подшипники с дефектами (выбоины,
царапины и т.п.) на одном из колец. Эти импульсы могут быть очень узки-
ми, причем они всегда вызывают появление большой серии гармоник.
Рис. 1.23. Спектр узла с дефектом
1.16.	Модуляция
Модуляцией называют нелинейное явление, при котором несколько
сигналов взаимодействуют друг с другом таким образом, что в результате
получается сигнал с новыми частотами, отсутствовавшими в исходных.
Существует множество форм модуляции, включая частотную и
амплитудную модуляции. Рассмотрим по отдельности основные ее ти-
пы. Показанная здесь частотная модуляция есть варьирование частоты
одного сигнала под воздействием другого, имеющего обычно более
низкую частоту.
Время
Спектр
Рис. 1.24. Частотная модуляция
34
Модулируемая частота называется несущей. На представленном
спектре (рис. 1.24) максимальная по амплитуде компонента и есть несу-
щая, а другие составляющие, которые похожи на гармоники, называют бо-
ковыми полосами, которые располагаются симметрично по обеим сторо-
нам от несущей с шагом, равным величине модулирующей частоты. Час-
тотная модуляция часто встречается в спектрах вибрации машин, особенно
в зубчатых передачах, где частота зацепления зубьев модулируется обо-
ротной частотой колеса. Она также имеет место в некоторых акустических
динамиках, хотя и на очень низком уровне.
1.17.	Амплитудная модуляция
Частота временной реализации амплитудно модулированного сигнала
кажется постоянной, а ее амплитуда колеблется с постоянным периодом.
Рис. 1.25. Амплитудная модуляция
Периодическое изменение амплитуды сигнала с определенным пе-
риодом называют амплитудной модуляцией (рис. 1.25). Спектр в этом слу-
чае имеет максимальный пик на несущей частоте и по одной компоненте с
каждой стороны. Эти дополнительные компоненты есть боковые полосы.
В отличие от частотной модуляции, приводящей к большому количеству
боковых полос, амплитудная модуляция сопровождается только двумя бо-
ковыми полосами, которые располагаются относительно несущей симмет-
рично на расстоянии, равном величине модулирующей частоты. В данном
примере модулирующая частота значительно ниже модулируемой, или не-
сущей, однако, на практике они часто оказываются близкими друг к другу
(например, на многороторных машинах, имеющих близкие частоты вра-
щения роторов). Кроме того, на практике модулирующий и модулируемый
сигналы имеют более сложную форму, чем приведенные здесь синусоиды.
Связь между амплитудной модуляцией и боковыми полосами можно
наглядно представить в векторном виде. Представим временной сигнал в
виде вращающегося вектора, величина которого равна амплитуде сигнала,
а угол в полярных координатах - фазе. Векторное представление синусои-
35
дальнего колебания - это просто вектор постоянной длины, вращающийся
вокруг своего начала со скоростью, равной частоте колебания. Каждый
цикл временной реализации соответствует одному обороту вектора, т.е.
один цикл - 360 градусов.
Амплитудная модуляция синусоидального колебания в векторном
представлении выглядит как сумма трех векторов: несущей модулируемо-
го сигнала и двух боковых полос. Векторы боковых полос вращаются один
чуть быстрее, а другой чуть медленней несущего.
Добавление этих боковых полос к несущей приводит к изменениям
амплитуды суммы. При этом несущий вектор кажется неподвижным, как
если бы мы находились в системе координат, вращающейся с несущей час-
тотой. Заметим, что при вращении векторов боковых полос между ними
поддерживается постоянное фазовое соотношение, поэтому суммарный
вектор вращается с постоянной частотой (с частотой несущей).
Чтобы представить подобным образом частотную модуляцию, доста-
точно ввести небольшое изменение фазовых соотношений боковых векто-
ров. Если боковой вектор меньшей частоты развернуть на 180 градусов, то
возникнет частотная модуляция. При этом результирующий вектор качает-
ся вперед и назад вокруг своего начала. Это означает возрастание и убыва-
ние его частоты, то есть частотную модуляцию. Результирующий вектор
также изменяется по амплитуде. То есть, наряду с частотной присутствует
и амплитудная модуляция. Чтобы получить векторное представление чис-
той частотной модуляции, необходимо ввести в рассмотрение множество
боковых векторов, имеющих точно определенные фазовые соотношения
друг с другом. В вибрации оборудования почти всегда присутствует как
амплитудная, так и частотная модуляция. В таких случаях, некоторые бо-
ковые полосы могут складываться в противофазе, в результате чего верх-
ние и нижние боковые полосы будут иметь различные уровни, то есть не
будут симметричны относительно несущей.
1.18.	Биения
Приведенная временная реализация похожа на амплитудную моду-
ляцию, однако, в действительности, это лишь сумма двух синусоидальных
сигналов с немного отличающимися частотами, которая называется биени-
ем. Из-за того, что эти сигналы немного различаются по частоте, их раз-
ность фаз изменяется в пределах от нуля до 360 градусов, а это означает,
что их суммарная амплитуда будет то усиливаться (сигналы в фазе), то ос-
лабляться (сигналы в противофазе).
36
Время
Спектр
f
Рис. 1.26. Биения
В спектре биения присутствуют компоненты с частотой и амплиту-
дой каждого сигнала и полностью отсутствуют боковые полосы. В данном
примере амплитуды двух исходных сигналов различны, поэтому они не
полностью взаимоуничтожаются в нулевой точке между максимумами.
Биение - это линейный процесс: оно не сопровождается появлением новых
частотных компонент.
Электродвигатели часто генерируют вибрационные и акустические
сигналы, напоминающие биения, в действительности, это есть амплитуд-
ная модуляция вибрационного сигнала с удвоенной частотой. Такое явле-
ние в электродвигателях иногда также называют биением, вероятно, по той
причине, что при нем механизм звучит как расстроенный музыкальный
инструмент.
Биения (рис. 1.27) аналогичны предыдущим, различие в том, что
уровни складывающихся сигналов равны, поэтому они полностью взаимо-
уничтожаются в нулевых точках. Подобное полное взаимоуничтожение
редко встречается в реальных вибрационных сигналах роторного оборудо-
вания.
Время
Спектр
Рис. 1.27. Биения (вариант)
37
Биения и амплитудная модуляция имеют похожие временные реали-
зации, но в случае биений имеет место сдвиг фазы в точке полного взаи-
моуничтожения сигналов.
Амплшудная
модуляция
Биение
Рис. 1.28. Амплитудная модуляция и биения
1.19.	Логарифмическая частотная шкала
До сих пор рассматривался только один тип частотного анализа, в
котором частотная шкала была линейной. Такой подход применим в том
случае, когда частотное разрешение постоянно во всем частотном диапа-
зоне, что характерно для узкополосного анализа, или анализа в полосах
частот с постоянной абсолютной шириной. Именно такой анализ выпол-
няют БПФ-анализаторы.
Существуют ситуации, когда нужно провести частотный анализ, но
узкополосный подход не обеспечивает представление данных в наиболее
удобной форме. Например, когда изучается неблагоприятное воздействие
акустического шума на организм человека. Человеческий слух реагирует
не столько на сами частоты, сколько на их соотношения. Частота звука оп-
ределяется по высоте тона, воспринимаемого слушателем, причем измене-
ние частоты в два раза воспринимается как изменение тона на одну октаву,
независимо от того, каковы точные значения частот. Например, изменение
частоты звука со 100 Гц до 200 Гц соответствует увеличению высоты на
одну октаву, но и увеличение с 1000 до 2000 Гц также есть сдвиг на одну
октаву. Этот эффект настолько точно воспроизводится в широком частот-
ном диапазоне, что удобно определить октаву как полосу частот, у которой
38
верхняя частота в два раза выше нижней, хотя в обыденной жизни октава
есть лишь субъективная мера изменения звука.
Человеческое ухо воспринимает изменение частоты пропорциональ-
но ее логарифму, а не самой частоте. Поэтому для частотной оси акустиче-
ских спектров выбирают логарифмическую шкалу, что и делается почти
повсеместно. Например, частотные характеристики акустического обору-
дования всегда даются производителями в виде графиков с логарифмиче-
ской частотной осью.
октавы
Рис. 1.29. Понятие октавы
При осуществлении частотного анализа звука также принято исполь-
зовать логарифмический частотный масштаб.
1.20.	Октавный и 1/3-октавный анализ
Октава представляет собой настолько важный частотный интервал
для человеческого слуха, что анализ в так называемых октавных полосах
утвердился в качестве стандартного типа акустических измерений.
На рис. 1.30. показан типичный октавный спектр, в котором исполь-
зуются значения центральных частот в соответствии с международными
стандартами ISO. Ширина каждой октавной полосы равна приблизительно
70% ее центральной частоты. Иными словами, ширина анализируемых по-
лос увеличивается пропорционально их центральным частотам. По верти-
кальной оси октавного спектра обычно откладывают уровень в дБ.
39
Рис. 1.30. Октавный спектр
Практика показывает, что в некоторых случаях частотное разреше-
ние при октавном анализе слишком низкое для исследования вибрации
машин.
Для такой ситуации можно определить более узкие полосы с посто-
янной относительной шириной. Наиболее общим примером этого является
третьоктавный спектр, где ширина полос составляет примерно 27% от цен-
тральных частот. Три третьоктавные полосы укладываются в одну октаву,
поэтому разрешение в таком спектре в три раза лучше, чем при октавном
анализе. При нормировании вибрации и шума машин часто применяются
третьоктавные спектры.
Важным преимуществом анализа в полосах частот с постоянной от-
носительной шириной является возможность представления на едином
графике очень широкого частотного диапазона с достаточно узким разре-
шением на низких частотах, при этом страдает разрешение на высоких
частотах, но это не вызывает проблем, например при отыскании неисправ-
ностей в машинах.
Для диагностики машин узкополосные спектры (с постоянной абсо-
лютной шириной полосы) очень полезны для обнаружения высокочастот-
ных гармоник и боковых полос, однако для обнаружения многих простых
неисправностей машин такое высокое разрешение часто не требуется. Ока-
зывается, что спектры виброскорости большинства машин спадают на вы-
соких частотах, и поэтому спектры с постоянной относительной шириной
полосы являются более однородными в широком частотном диапазоне.
Это означает, что подобные спектры позволяют лучше использовать дина-
мический диапазон приборов. Третьоктавные спектры достаточно узки при
низких частотах, что позволяет выявить первые несколько гармоник обо-
ротной частоты, и могут эффективно использоваться для обнаружения не-
исправностей с помощью построения трендов.
При использовании линейной амплитудной шкалы очень легко вы-
явить и оценить наивысшую компоненту в спектре, зато меньшие компо-
ненты можно совершенно упустить или, в лучшем случае, возникнут
40
большие трудности при оценке их величины. Человеческий глаз способен
различить в спектре компоненты, которые приблизительно в 50 раз ниже
максимальной, но все, что меньше этого, будет упущено.
Линейный масштаб может применяться, если все существенные
компоненты имеют примерно одинаковую высоту. Однако в случае вибра-
ции машин, зарождающиеся неисправности в таких деталях, как подшип-
ники, порождают сигналы с очень малой амплитудой. Если мы хотим на-
дежно отследить развитие этих спектральных компонент, то лучше всего
откладывать на графике логарифм амплитуды, а не ее саму. При таком
подходе на графике легко изобразить и визуально интерпретировать сиг-
налы, отличающиеся по амплитуде в 5000, т.е. иметь динамический диапа-
зон, по меньшей мере, в 100 раз больший, чем позволяет линейный мас-
штаб.
Различные типы амплитудного представления для одной и той же
вибрационной характеристики (линейный и логарифмический масштабы
амплитуды) представлены на рис. 1.31.
На линейном спектре линейная амплитудная шкала: большие пики
читаются очень хорошо, но пики с низким уровнем достаточно сложно.
При анализе вибрации машин часто интересуются именно малыми компо-
нентами в спектре (например, при диагностике подшипников качения).
При мониторинге вибрации исследователя интересует рост уровней кон-
кретных спектральных компонент, указывающий на развитие зародившей-
ся неисправности. В шариковом подшипнике двигателя может развиваться
небольшой дефект на одном из колец или на шарике, а уровень вибрации
на соответствующей частоте поначалу будет очень маленьким. Но это не
означает, что им можно пренебречь, ибо преимущество обслуживания по
состоянию в том и заключается, что оно позволяет обнаружить неисправ-
ность в начальной стадии развития. Необходимо следить за уровнем этого
небольшого дефекта, чтобы предсказать, когда он превратится в сущест-
венную проблему, требующую вмешательства.
Очевидно, что, если уровень вибрационной компоненты, соответствую-
щей какому-то дефекту, удваивается, то значит, с этим дефектом произош-
ли большие изменения. Мощность и энергия вибрационного сигнала про-
порциональны квадрату амплитуды, поэтому ее удвоение означает, что в
четыре раза больше энергии диссипирует в вибрацию. Если попытаться
отследить спектральный пик с амплитудой около 0,0086 мм/с, это будет
очень непросто, потому что он окажется слишком маленьким по сравне-
нию с гораздо более высокими компонентами.
На 2-м из приведенных спектров представлена не сама амплитуда
вибрации, а ее логарифм. Поскольку в этом спектре используется лога-
рифмическая амплитудная шкала, умножение сигнала на любую константу
означает простой сдвиг спектра вверх без изменения его формы и соотно-
шений между компонентами.
41
Как известно, логарифм произведения равен сумме логарифмов
множителей. Это означает, что изменение коэффициента усиления сигнала
не влияет на форму его спектра в логарифмическом масштабе.
Логарифмическая шкала амплитуд
Рис. 1.31. Линейная и логарифмическая шкалы
Этот факт значительно упрощает визуальную интерпретацию спек-
тров, измеренных при различных коэффициентах усиления - кривые про-
сто смещаются на графике вверх или вниз. В случае использования линей-
ной шкалы форма спектра резко изменяется при изменении коэффициента
усиления прибора, при этом, хотя по вертикальной оси на приведенном
графике используется логарифмическая шкала, единицы измерения ампли-
туды остаются линейными (мм/с, дюймы/с), что соответствует увеличению
количества нулей после запятой. В данном случае получено огромное
преимущество для визуальной оценки спектра, так как вся совокупность
пиков и их соотношения теперь стала видимой. Другими словами, если бу-
дут сравниваться логарифмические спектры вибраций машины, у которой
подшипники испытывают износ, то исследователь увидит рост уровней
только у подшипниковых тонов, тогда как уровни других компонент будут
оставаться неизменными. Форма спектра сразу изменится, что можно бу-
дет обнаружить невооруженным глазом.
42
Лмплшуда, выраженная в децибелах
Рис. 1.32. Амплитуда, выраженная в децибелах
На рис. 1.32 приведен спектр, где по вертикальной оси отложены де-
цибелы. Это особый тип логарифмической шкалы, который очень важен
для вибрационного анализа.
Удобной разновидностью логарифмического представления является
децибел (дБ). Он представляет собой относительную единицу измерения, в
которой используется отношение амплитуды к некоторому опорному уров-
ню. Децибел (дБ) определяется по следующей формуле:
Lv= 201g (U/Uo),
где L - уровень сигнала в дБ;
U - уровень вибрации в обычных единицах ускорения, скорости или
смещения;
Uo - опорный уровень, соответствующий 0 дБ.
Понятие децибела было впервые введено в практику компанией Bell
Telephone Labs еще в 20-е годы. Первоначально оно применялось для из-
мерений относительных потерь мощности и отношения "сигнал-шум" в те-
лефонных сетях. Вскоре децибел стал использоваться в качестве меры
уровня звукового давления. Уровень виброскорости в дБ обозначается как
УдБ (от слова Velocity скорость) и определяется следующим образом:
Lv= 201g (V/Vo),
или
Lv= 201g {V/(5xl0‘8 м/с2)} .
Опорный уровень в 10'9 м/с2 достаточен для того, чтобы все измере-
43
ния вибраций машины в децибелах были бы положительными. Указанный
стандартизованный опорный уровень соответствует международной сис-
теме СИ, однако он не признается в качестве стандарта в США и других
странах.
Таким образом, децибел - это логарифмическая относительная еди-
ница амплитуды колебаний, которая позволяет легко проводить сравни-
тельные измерения. Любое увеличение уровня на 6 дБ соответствует уд-
воению амплитуды, независимо от исходного значения. Аналогично, лю-
бое изменение уровня на 20 дБ означает рост амплитуды в десять раз. То
есть при постоянном соотношении амплитуд их уровни в децибелах будут
различаться на постоянное число, независимо от их абсолютных значений.
Такое свойство очень удобно при отслеживании развития вибрации (трен-
дов): рост на 6 дБ всегда указывает на удвоение ее величины.
44
Глава 2
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ И ШУМА
Измерение вибрации включает измерение, регистрацию и анализ ве-
личин, характеризующих вибрацию (виброперемещений, виброскоростей,
виброускорений и т. д.) [2]. Измеряют или регистрируют колебания непо-
средственно у вибрирующего элемента механическими, оптическими,
электрическими и электронными приборами.
История изучения и измерения вибрации насчитывает несколько де-
сятилетий, учитывая это, рассмотрим средства регистрации и измерения
вибрации по мере развития этой области знаний и достижений техническо-
го прогресса.
Первыми стали применяться механические приборы, известные из
медицины под названием стетоскопы, с помощью которых выслушивался
шум машин, сопровождающий вибрацию, величина вибрации при этом
оценивалась по восприятию органами чувств. Для выполнения этих опера-
ций персонал проходил отбор и специальную подготовку, такая профессия
называлась "слухач".
Далее появились простейшие механические приборы для измерения
вибрации без регистрации - индикаторы часового типа, амплитудомер
А.М. Емельянова и В. Ф. Смотрова и язычковые частотомеры, т.е. прибо-
ры, "показывающие", на шкалах которых измеряемая величина фиксирова-
лась визуально.
Среди приборов с регистрацией наиболее известны тастограф и ана-
логичные ему приборы ВР-1, ВР-2, ВР-3, предназначенные для работы в
качестве виброщупов с использованием неподвижного штатива (или рук
оператора вместо штатива).
Широко распространенный виброграф ВР-1 А (рис. 2.1) служит для
записи амплитуды и частоты колебаний машин, приборов и других объек-
тов. Запись производится на ленте пером (процарапывается покрывающий
ленту слой). Прибор измеряет вибрации при соприкосновении приемного
наконечника с испытуемым объектом в направлении движения наконечни-
ка с размахом 0,1...6 мм и частотой 5... 100 Гц.
45
с
Рис. 2.1. Виброграф ручной типа ВР-1А:
1 - корпус; 2 - направляющая трубка; 3- наконечник; 4- смотровое окно;
5- ручка для заводки механизма протяжки ленты
Частота колебаний определяется с помощью отметчика времени, ко-
торый находится в приборе и дает отметку на ленте через 1 с. При замерах
виброграф удерживается непосредственно в руках (не требует подставки).
Корпус вибрографа не колеблется, если частота колебаний испытываемого
объекта лежит выше 4...5 Гц. Виброграф записывает колебания с размахом
в пределах 0,1... 1,5 мм с шестикратным увеличением, а в пределах 1,5...6
мм - с двукратным или в натуральную величину с помощью дополнитель-
ного рычажного приспособления. Масса прибора около 1,7 кг.
Оптические приборы для измерения вибрации до настоящего време-
ни используются редко. Однако в некоторых простейших случаях они мо-
гут применяться достаточно эффективно.
На рис. 2.2 показан простейший амплитудомер — вибромарка, или
мерный клин. Вибромарку вычерчивают или изготовляют фотоспособом
на бумаге и наклеивают на поверхность, совершающую вибрации в на-
правлении стрелок. При частотах выше 8... 10 Гц глаз отчетливо видит
сдвоенный клин. Амплитуду колебаний определяют по соотношению А =
Hl/(2L); величина Л обычно проставляется на вибромарке вместо значения
1. Установлено, что наибольшая точность (около 0,1 мм) получается при
отношении H/L= 1/20.
Рис. 2.2. Вибромарка - простейшее средство для измерения
амплитуды колебаний
46
Механические и оптические приборы позволяют производить изме-
рение одновременно только в одной точке и вблизи вибрирующего эле-
мента.
Оптические методы измерения параметров абсолютной и относи-
тельной вибрации являются бесконтактными волновыми, поскольку осно-
ваны на использовании явлений отражения, преломления, дифракции и ин-
терференции волн.
Фотомодуляционные методы (ФММ). Действие измерительных пре-
образователей, реализующих фотомодуляционные методы, основано на
пространственной модуляции светового пучка или модуляции его интен-
сивности колеблющейся поверхностью, что может происходить за счет от-
ражения, перекрытия или пересечения, вращения плоскости поляризации.
Данные методы не критичны к источнику излучения, однако на практике
чаще используют оптические квантовые генераторы (ОКГ), или лазеры.
Метод пространственной модуляции светового пучка (иногда его на-
зывают зеркальным) основан на последующем преобразовании простран-
ственного смещения пучка, линейного или углового, позиционно-
чувствительным элементом (фотопреобразователем) [3].
Другим распространенным методом является модуляция светового
пучка некоторой структурой, имеющей функцию пропускания с четко вы-
раженной периодичностью (например, растр или дифракционная решетка).
Дискретность характеристики преобразования этого метода очевидна,
причем входная величина (виброперемещение) квантуется по уровню. Со-
пряжением параллельных растров получают комбинационные (муаровые
или нониусные) полосы. В этом случае малому перемещению подвижного
растра соответствует значительное перемещение комбинационных полос.
Использование ФММ для измерения силы и ускорения основано на
различных эффектах, например пьезооптическом, использующем поляри-
зационный способ модуляции интенсивности. Оптический по принципу
действия, этот измерительный преобразователь относится к типу контакт-
ных.
Возможности методов оптической регистрации вибрационных про-
цессов, основанных на скоростной кинофотосъемке объекта и использова-
нии стробоскопического эффекта при визуальной регистрации, исчерпы-
ваются, в основном, получением качественной информации о вибропро-
цессе.
Интерференционно-оптические методы (ИОМ), применяемые в виб-
рометрии, основаны на использовании информации, содержащейся в фазе
световой волны, отраженной от поверхности исследуемого объекта. Сле-
довательно, получение информации о параметрах движения объекта связа-
но с процессом демодуляции фазо-модулированного (ФМ) сигнала оптиче-
ского диапазона, что осуществляется (исключая способ преобразования
ФМ оптического сигнала в пространственное смещение с помощью дис-
47
персионного элемента) только посредством интерференции. Учитывая, что
реальные приемники оптического диапазона (в том числе и глаз) являются
квадратичными детекторами, необходимо осуществлять следующую по-
следовательность преобразований сигнала в измерительном канале такого
типа: фазовая модуляция (эффект Допплера) — фазовая демодуляция (ин-
терференция) — квадратичное детектирование (фоторегистрация).
По виду получаемой информации методы оптической интерферо-
метрии делят на локальные (дающие информацию о параметрах вибрации
отдельных точек поверхности исследуемого объекта) и интегральные
(дающие информацию о распределении параметров вибрации по поверх-
ности объекта), соответственно на интерференционно - допплеровские и
интерференционно-голографические.
Интерференционно-допплеровские методы. В зависимости от кине-
матического параметра, к которому чувствительна оптическая схема ин-
терференционно - допплеровского измерительного преобразователя, раз-
личают интерферометры перемещения и интерферометры скорости. В пер-
вом случае сигнал на выходе интерферометра пропорционален вибропере-
мещению, а о виброскорости судят по скорости изменения этого сигнала;
во втором случае сигнал пропорционален виброскорости, а производная
сигнала по времени — виброускорению.
Оптические методы измерения вибрации не получили широкого
применения главным образом из-за необходимости "идеальных" лабора-
торных условий для измерений, а также сложности монтажа оптических
приборов и их чувствительности к ударам и механическим воздействиям
при транспортировке и монтаже.
Более подробная и комплексная информация о вибрации обеспечи-
вается при измерениях вибрации электрическими и электронными измери-
тельными приборами. Основное преимущество этих приборов — возмож-
ность дистанционного измерения и одновременной регистрации вибрации
во многих точках. Электрические методы позволяют также автоматизиро-
вать измерительные процессы и организовать предупредительную и ава-
рийную сигнализацию. Различают два класса преобразователей механиче-
ских величин в электрические: генераторные, т. е. вырабатывающие элек-
тродвижущую силу, и параметрические, т. е. изменяющие параметры и, со-
ответственно, ток в электрической цепи, питаемой от самостоятельного
источника. Генераторные преобразователи основаны на общих принципах
преобразования механической или световой энергии в электрическую.
Наибольшее распространение получили способы, основанные на измене-
нии магнитного потока, проходящего через электрическую катушку —
магнитоэлектрические (электродинамические, электромагнитные, индук-
ционные). В табл. 2.1 приведены характеристики серийных вибродатчиков
с магнитоэлектрическими преобразователями, применяемых при измере-
нии вибрации [4].
48
Датчики И-001, СМ-2М, ВЭГИК, ВБП-3, ВБП-П позволяют изме-
рять и вертикальные и горизонтальные колебания.
Конструкция датчика представляет собой следующее (рис. 2.3).
В корпусе датчика магнит соединен с помощью специальных подшип-
ников качения, которые состоят из наружной и внутренней обойм. Между
обоймами расположены три качающихся сектора, которые при действии воз-
мущающей силы на корпус датчика совершают качающиеся движения вдоль
оси датчика, опираясь на внутреннюю обойму подшипника, жестко соеди-
ненную с осью магнита. Внешние концы секторов через подпятники соеди-
нены с наружной обоймой подшипника, вмонтированной в корпус датчика.
Среднее положение магнита по оси датчика, совпадающей с направ-
лением измерения параметров вибрации, обеспечивается двумя цилиндри-
ческими пружинами.
При действии возбуждающей силы на корпус датчика в направлении
оси измерения сектора, качаясь в подпятниках, дают возможность подвиж-
ной системе оставаться практически на месте, а корпусу датчика с катуш-
кой перемещаться вдоль магнита с частотой и амплитудой возмущающей
силы (вибрации).
При этом витки катушки будут пересекать магнитные силовые линии
постоянного магнита и в катушке будет индуктироваться э.д.с.
Рис. 2.3. Вибропреобразователь электромагнитный:
1 - сектор; 2 - корпус; 3 - постоянный магнит; 4 - катушка; 5 - сектор;
6 - винт; 7,9 - цилиндрические пружины; 8 - штуцер; 10 - крышка;
11 - подшипник; 12 - штеккер; 13 - фланец; 14 - соединительный кабель
49
Величина э.д.с., наводимая в обмотке, пропорциональна скорости
вибрации.
Собственные колебания подвижной системы датчика гасятся проти-
водействием основного магнитного потока и магнитного потока, который
возникает из-за наличия индукционных токов в каркасе катушки.
Соединение датчика с блоком фильтров осуществляется с помощью
экранированных проводов.
Таблица 2.1
Технические характеристики вибро датчиков с
магнитоэлектрическими преобразователями
Марка	Собст- венная частота, Гц	Сопротивление катушки ак- тивное, Ом	Максимальная измеряемая амплитуда, мм	Габариты (длина х ширина х высота или диаметр х высота), мм	Масса, кг
СМ-2М	0,35...1,4	130+45	3	230x167x145	5,5
вэгик	0,7...2	28+28 55+28	1	300x150x120	9,5
		40+40			
И-001	1...2	35+35	1	130x73x73	1,3
ВБП-3	0,6	50	100	230x150x230	9,6
ВБП-П	0,5	20	200	290x180x150	10
С-5-С	0,2	90+90	15	350x160x150	11
СГКМ	0Д...1	600+100	2,5	700x380x300	30
СВКМ					40
НС-3	2...4	320	1	82x100	1,2
СГКМ-3	0,2...1	40+40		750x380x310	51
свкм-з					57
сгкд	0,02...0,15	25+20	2,5	700x380x300	30
свкд	0,03...0,20				40
ВИЛ-43А	12...500	5	2	38x38x60	0,21
ВИЛ-49А		2000			
ВИЛ-63А	10...500	5	3	56x56x60	0,52
ВИЛ-69А		4000			
СП-14	34	300		48x100	0,65
СП-15	10...11	400		45x119	0,9
СПМ-16	28...3	400		45x119	0,9
СПМ-16А	33...35 10	189		45x130	1,1
СПЭН-1	31	210	1	74x100	1,6
СПЭД-56М	20	500	1	35x70	0,25
СПЭД-52	12	300		46x66	0,6
смд		580		47x117	0,65
СПО	10				
С120	20	250		42x47	0,15
50
В датчиках ускорения получили распространение пьезоэлектри-
ческие преобразующие элементы (пьезоакселерометры), где они одно-
временно выполняют и роль упругого элемента механической системы.
Датчики линейного виброускорения (акселерометры). Датчики, сиг-
нал которых пропорционален виброускорению, являются основным сред-
ством измерения характеристик вибрации и составляют одну из самых
многочисленных групп датчиков вообще. Их широкая распространенность
объясняется тем, что именно акселерометрам удается придать наиболее
высокие эксплуатационные качества, а знание виброускорений позволяет
сравнительно просто определить другие кинематические и некоторые ди-
намические величины [4].
Датчики кинематических величин могут быть датчиками характери-
стик относительного или абсолютного движения, в первом случае измере-
ние ведется относительно системы отсчета, связанной с материальным
объектом, на движение которого не накладывается никаких ограничений.
Все акселерометры, не использующие дополнительного дифференцирова-
ния, измеряют абсолютное ускорение (ускорение в инерциальной системе
отсчета) и являются приборами инерционного действия, имеющими чувст-
вительный элемент в виде упруго закрепленной массы.
Выходной величиной преобразователя может быть почти любая ки-
нематическая или силовая величина, однако, на практике ею является на-
пряжение, деформация или перемещение. Несмотря на разнообразие пре-
образователей, воспринимающих эти величины, серийно выпускают боль-
ше пьезоэлектрических, меньше — тензорезистивных и еще меньше - ем-
костных и индуктивных акселерометров.
Сферы применения этих датчиков различны: индуктивные акселеро-
метры являются низкочастотными, тензорезистивные и емкостные исполь-
зуют в более широкой области низких и средних частот, причем все они
работают от нулевой частоты. Известны тензорезистивные акселерометры
с более широким рабочим диапазоном частот, но при измерении виброу-
скорений, близких к стационарным, они не обладают какими-либо пре-
имуществами перед пьезоэлектрическими, применяемыми практически
монопольно в области средних и высоких частот.
Акселерометр с большим рабочим диапазоном частот имеет и боль-
ший диапазон измерений. Это очень удобно, так как на многих техниче-
ских объектах виброскорость в незначительной степени зависит от частоты
и, следовательно, виброускорение увеличивается с ростом частоты.
Подавляющее большинство акселерометров предназначено для из-
мерения одного компонента вектора ускорения, однако применяемые пре-
образователи позволяют конструировать малогабаритные двух- и трехком-
понентные датчики.
Акселерометры целесообразно систематизировать по эксплуатаци-
онным особенностям: к первой эксплуатационной группе относят акселе-
51
рометры для лабораторных, цеховых и натурных измерений, непосредст-
венно проводимых человеком в сравнительно легких условиях, в которых
погрешность измерения определяется главным образом основной погреш-
ностью акселерометра. Вторая группа включает приборы для цеховых и
натурных измерений в более жестких условиях, исключающих обслужива-
ние на месте. Для них определяющими являются частные (дополнитель-
ные) погрешности, вклад которых превосходит основную погрешность. К
третьей группе принадлежат акселерометры, предназначенные для экс-
плуатации в крайне жестких натурных условиях, когда без применения
специальных мер неизбежно или разрушение прибора, или возрастание по-
грешности до 100 % и более. К этой группе относят и специальные акселе-
рометры, например сверхминиатюрные.
Акселерометры первой группы конструктивно сравнительно просты
(рис. 2.4). Пьезоэлектрический МЭП в них обычно работает на растяже-
ние-сжатие, а тензорезистивный — на изгиб. Наряду с керамическими пье-
зоэлементами используют и монокристаллические, преимущественно в об-
разцовых датчиках. В электрической схеме обычно используют простей-
ший несимметричный выход. Съемный кабель, выведенный вверх или
вбок, облегчает установку на объекте и демонтаж. По этой причине при-
меняются резьбовое, магнитное или мастичное крепление к объекту.
Рис. 2.4. Простейший пьезоэлектрический акселерометр:
1 - пьезоэлементы; 2 - чувствительный элемент;
3 - пружинная поджимная гайка; 4 - корпус
Рис. 2.5. Акселерометр с полупроводниковыми тензорезисторами:
1 - инерционный (чувствительный) элемент; 2 - тензорезисторы;
3 - основание корпуса; 4 - кабель
52
Большое внимание уделено повышению основной чувствительности
и снижению поперечной. Низкочастотные акселерометры часто снабжают
демпферами, иногда применяют встроенные усилители сигнала. Акселе-
рометры этой группы ориентированы на измерение вибрационных ускоре-
ний низкой и средней интенсивности (до 1000—10000 м/с2). Их широко
используют при градуировке других приборов методом сличения.
При разработке акселерометров второй группы приняты меры по
улучшению и стабилизации характеристик и облегчению длительной экс-
плуатации. В среднем их габариты меньше. Благодаря особой форме основа-
ния и корпуса ослаблена чувствительность к деформациям основания. Широ-
ко применяют неразъемный кабель, выводимый как вверх, так и вбок, повы-
шена герметичность конструкции. В ряде датчиков используют симметрич-
ный электрический выход для повышения помехоустойчивости, клеевое или
резьбовое с клеевой фиксацией крепление к объекту. Чувствительность аксе-
лерометров этой группы может быть ниже, чем предыдущей, так как важнее
ее относительная стабильность. Более широко применяют многокомпонент-
ные датчики и встроенные усилители. Демпферы, как правило, отсутствуют.
По диапазонам измерения акселерометры этой группы близки к предыдущей;
рабочий диапазон частот может быть несколько шире (до 10—15 кГц).
На рис. 2.5 дана схема нечувствительного к деформациям корпуса
тензорезистивного акселерометра, на рис. 2.6 - схема нечувствительного к
деформациям корпуса пьезоэлектрического акселерометра с симметрич-
ным выходом. Для увеличения чувствительности к ускорению вместо изо-
ляторов применены пьезоэлементы, а для увеличения помехоустойчивости
использована емкостная симметрия пьезоэлементов.
Рис. 2.6. Пьезоэлектрический акселерометр
с симметричным выходом:
1 - основание; 2 - корпус; 3 - пьезоэлементы; 4 - инерционный (чувстви-
тельный) элемент; 5 - пружина; 6 - гайка; 7 - крышка; 8 - герметизация
53
Акселерометры третьей группы (рис. 2.7 и 2.8), обладающие еще бо-
лее высокой защищенностью от внешних воздействий, в значительной
степени специализированы. Например, для измерений при высоких темпе-
ратурах или больших уровнях радиации используют стабилизированные
материалы и жесткие кабели, а иногда и принудительное охлаждение. В
акселерометрах, устойчивых к интенсивным электромагнитным воздейст-
виям, чувствительный элемент изолирован от корпуса, имеет симметрич-
ный выход, в некоторых случаях используется специальный кабель с
двойной экранировкой. Стойкие к нестационарным механическим и тепло-
вым воздействиям акселерометры конструируют дифференциальными.
Указанные конструктивные особенности вне специальных условий приме-
нения не дают каких-то преимуществ или даже затрудняют измерения. Для
акселерометров этой группы характерна высокая вибропрочность во всех
направлениях, что заставляет использовать неразъемный кабель, выведен-
ный вбок почти на уровне посадочной плоскости, реже — специальный
вибростойкий разъем в основании. Диапазоны измерения и рабочие диапа-
зоны частот наиболее широки.
Современные акселерометры могут измерять виброускорения от 10’3
до 105 м/с2 в диапазоне частот от 0,5 Гц до 50 кГц. Однако наиболее широ-
ко применяют акселерометры, рассчитанные на измерение ускорений до 10
ООО м/с2 с частотами до 10-15 кГц. Основная погрешность 2-10%. Рабочие
температуры от -250 до +750 °C. Масса некоторых акселерометров состав-
ляет десятые и сотые доли грамма.
При эксплуатации акселерометров необходимо соблюдать ряд пре-
досторожностей во избежание увеличения погрешности или получения не-
верных результатов [4]. Резьбовое крепление высокочастотных акселеро-
метров следует уплотнять и по возможности фиксировать клеем. Кабель
следует закреплять, особенно в непосредственной близости от акселеро-
метра, что легче осуществить при боковом выводе кабеля. При высокочас-
тотных измерениях целесообразно использовать акселерометры с извест-
ной собственной частотой колебаний перпендикулярно измерительной
оси, поскольку она обычно ниже паспортной собственной частоты, а высо-
кочастотные виброускорения имеют почти сплошной спектр и произволь-
ные направления, так что возможно возникновение поперечного резонанса.
Чувствительность не следует выбирать чрезмерно высокой, так как это
может привести к повышению нелинейных искажений. После датчика ре-
комендуется включать фильтр, максимально ограничивающий с обеих сто-
рон рабочий диапазон частот.
54
Рис. 2.7. Низкочастотный дифференциальный акселерометр:
1 - основание; 2 - пьезоэлемент;
3 - составной инерционный элемент; 4 - кабель
Рис. 2.8. Высокотемпературный пьезоакселерометр:
1 - основание; 2 - пьезоэлемент, работающий на сдвиг;
3 - инерционный элемент; 4 - жесткий кабель с неорганической
изоляцией
Виброускорения измерять можно путем электрического дифферен-
цирования сигнала датчика скорости. Этот метод используют редко и
только в низкочастотной области, так как датчики скорости уступают ак-
селерометрам по ряду метрологических характеристик, по прочности и ус-
тойчивости к эксплуатационным воздействиям.
В датчиках линейной виброскорости можно использовать элементы,
чувствительные к относительной скорости, без предварительного механи-
ческого преобразователя.
Вместе с тем, относительную скорость часто измеряют путем диф-
ференцирования сигнала датчика перемещения. Этот метод рекомендуется
применять в тех случаях, когда измерение перемещения должно прово-
диться как основное. Промышленный выпуск датчиков относительной
скорости крайне мал.
Сравнение метрологических и эксплуатационных свойств датчиков
виброскорости и акселерометров показывает, что у акселерометров они
выше почти по всем показателям. Применение датчиков скорости дает
единственное преимущество — большой выходной сигнал. Но это пре-
имущество не является решающим, поэтому для измерения абсолютной
55
виброскорости наиболее часто используют акселерометры с последую-
щим интегрированием сигнала. Такой метод позволяет сократить количе-
ство и разновидности датчиков, применяемых при измерениях. По этим
причинам промышленный выпуск датчиков абсолютной скорости относи-
тельно невелик.
Различают датчики измерения углового виброускорения, угловой
виброскорости и углового виброперемещения (колебательного угла пово-
рота). Все сказанное относительно прямолинейных датчиков относится и к
угловым датчикам. В основном их специфика связана только с вращатель-
ным движением и проявляется в конструктивных решениях.
Характеристики угловой вибрации часто измеряют в условиях уста-
новившегося или изменяющегося вращения с большой угловой скоростью
и, следовательно, больших осестремительных ускорений. Это накладывает
отпечаток на конструкцию угловых датчиков. Менее жесткие требования
предъявляются к датчикам для измерения угловой вибрации невращаю-
щихся объектов — станков с мягкой виброизоляцией, автомобилей, сиде-
ний операторов и др. Большинство описываемых и изготовляемых датчи-
ков предназначено для измерения крутильных колебаний валов и связан-
ных с ними деталей. Для измерения угловых ускорений чаще используют
датчики инерционного действия. В них применяют упругий элемент, рабо-
тающий на кручение, или несколько симметрично расположенных упругих
элементов, работающих на изгиб или растяжение-сжатие (рис. 2.9). В уг-
ловых акселерометрах используют как параметрические элементы, чувст-
вительные к деформации, перемещению, напряжению (тензорезистивные,
индуктивные, магнитоупругие), так и генераторные (электродинамические
и пьезоэлектрические, рисунок 2.10). МЭП конструируют так, чтобы он
реагировал только на характеристики вращательного движения.
Современные угловые акселерометры рассчитаны на измерение ус-
корений до 105 рад/с2 с частотами до 2 кГц, однако обычно их диапазоны
значительно уже. Рабочий диапазон температур невелик (от -30 до +70°С).
Рис. 2.9. Угловой тензорезисторный акселерометр (в разрезе):
1 - инерционный (чувствительный) элемент; 2 - упругий элемент;
3- опорное кольцо; 4- тензорезисторы; 5- корпус (токосъемник не показан)
56
Рис. 2.10. Угловой пьезоэлектрический акселерометр:
1 - пьезоэлементы с радиальной поляризацией; 2 - инерционный эле-
мент
Максимальные измеряемые угловые виброперемещения не превос-
ходят 0,1 рад, частотный диапазон 10—1000 Гц. В ряде случаев для точных
измерений угловой вибрации тел применяют совокупность только прямо-
линейных датчиков. Технические характеристики некоторых типов датчи-
ков приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Технические характеристики пьезоакселерометров
Тип	Частотный диапазон, Гц	Наибольшее вибрационное ускорение, м/с	Масса, г	Размеры, мм	Тип измери- тельного прибора
Д6	3...10000	1000	30	____	ВА-1
дю	1...20000	5000	30	____	ИВ-67
ДИ	1...20000	5000	30	—	—
Д13	20...3000	1200	58	20x35	ВА-2,ИШВ-1
Д14	20... 10000	1200	27	16x28	ВА-2,ИШВ-1
Д19	20...400	450	100	42,5x43,5	—
Д22	20...400	—	35	26x26	—
Д23	5...5000	—	4	—	—
Д24	5...5000	—	16	—	—
Д25	20...2000	120	42	42х24х 20	—
Д26	20...700	500	28	23,5x29	—
Д27	20...5000	1200	32	18x52	—
Д28	20...10000	1200	28	16x36	—
1ПА-6	5... 10000	—	46	20x30	УВ-7-61
1ПА-9	5... 10000	2000	46	34x30	УВ-14-66
1ПА- 10В	5... 10000	2000	32	32x18	УВ-12-63
57
Наибольшее распространение в 1980-90 годы получили вибропреоб-
разователи серии ДН завода "Виброприбор", г. Таганрог.
Преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-4 (в
дальнейшем - вибропреобразователь) предназначен для преобразования
механических колебаний в электрические сигналы, пропорциональные ус-
корению колеблющегося объекта. Вибропреобразователь используется со-
вместно с виброизмерительными устройствами для измерения параметров
вибрации в заводских и лабораторных условиях.
Вибропреобразователь входит в комплект автоматизированной сис-
темы измерения вибрации (АСИВ).
Рабочие условия эксплуатации вибропреобразователя:
-	температура от 243 К до 343 К (от минус 30 °C до плюс 70 °C). При
креплении воском до температуры 313 К (плюс 40 °C);
-	относительная влажность 90% при температуре окружающего воз-
духа 300 К (плюс 27 °C);
-	атмосферное давление 100000+4000 Па (750+80 мм рт.ст.);
-	акустические шумы 140 Дб, при этом значение напряжения на вы-
ходе вибропреобразователя не более 2,5 мВ;
-	переменные магнитные поля напряженностью 400 А/м, напряжение
на выходе вибропреобразователя не более 50 мкВ;
-	ударные нагрузки с ускорением 5000м2/с;
-	длительность импульса в пределах 0,015 - 12,5 мс.
Рабочий диапазон частот от * до 12500 Гц.
Электрическое сопротивление изоляции:
-	в нормальных условиях не менее 1 ГОм
-	в условиях повышенной влажности не менее 0,1 ГОм.
Примечание. Нормальные условия:
-	температура окружающего воздуха от 286 до 296 К (от плюс 15 °C
до плюс 25 °C);
-	относительная влажность от 50 до 80%;
-	атмосферное давление от 96 до 104 кПа (от 720 до 780 мм рт. ст.).
Электрическая емкость вибропреобразователя, включая емкость ка-
беля, не менее 1000 пФ.
Номинальное значение коэффициента преобразования на частоте
1000 Гц. Неравномерность частотной характеристики относительно уровня
выходного сигнала на частоте 1000 Гц в диапазоне частот от 1000 до 12500
Гц не более +10%.
Относительный коэффициент поперечного преобразования +5%.
Нелинейность амплитудной характеристики до значения ускорения
1200 м/с2 не более + 10%.
58
Параметры вибропреобразователя, указанные в пп.2.4 - 2.7, опреде-
ляются при креплении на шпильке М5.
Изменение коэффициента преобразования вибропреобразователя по
отношению к коэффициенту преобразования при нормальных условиях не
более ±0,3 %/°С.
Габаритные размеры вибропреобразователя (без кабеля) 18x17x14
мм.
Масса вибропреобразователя (без кабеля и штекера) не более 0,013
кг.
Общий вид вибропреобразователя приведен на рис.2.11.
Вибропреобразователь состоит из основания 1, пьезоэлементов 2,
инерционной массы 3, контакта 6 для снятия электрического потенциала,
втулки 7. Статическая нагрузка на пьезоэлементы осуществляется пру-
жинной гайкой 5, конструкция закрывается крышкой 4.
Принцип работы вибропреобразователя основан на прямом пьезоэф-
фекте. При воздействии механических колебаний на основание вибропре-
образователя с ускорением а, инерционная масса т испытывает действие
Р=т-а.
Пьезоэлементы вибропреобразователя подвергаются дефектам сжа-
тия, в результате чего на гранях пьезоэлементов возникают электрические
заряды, пропорциональные действующему ускорению.
Рис. 2.11. Вибропреобразователь ДН4:
1 - основание; 2 - пьезоэлемент; 3 - масса инерционная; 4 - крышка;
5 - гайка; 6 - контакт; 7 - втулка
Подготовка вибропреобразователя к работе производится в следую-
щем порядке:
59
-	подготовка опорной площадки - на поверхности объекта диаметром 20
мм с чистотой поверхности не ниже 2,5 и неплоскостностью не более 0,02 мм;
-	подготовка в центре площадки - отверстие с резьбой М5, глубиной
5 мм при неперпендикулярности оси отверстия (относительно поверхности
площадки) не более 3 °;
-	подготовка на исследуемом объекте - два резьбовых отверстия М3,
необходимых для крепления кабеля скобой.
Преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный ДН-3
(рис.2.12) предназначен для преобразования механических колебаний в
электрические сигналы, пропорциональные ускорению колеблющегося
объекта.
Вибропреобразователь используется совместно с виброизмеритель-
ными устройствами для измерения параметров вибрации в заводских и ла-
бораторных условиях.
Рабочие условия эксплуатации вибропреобразователя:
-	температура от 243 К до 343 К ( от минус 30 °C до плюс 70 °C), (при
креплении воском до температуры 313К (плюс 40 °C);
-	относительная влажность 90% при температуре окружающего возду-
ха 300 К (плюс 27 °C);
-	акустические шумы до 140 дБ, при этом значения напряжения на вы-
ходе преобразователя в диапазоне частот 200-4000 Гц, не более 2,5 мВ;
-	внешние магнитные поля напряженностью 400 А/м, напряжение на
выходе преобразователя не более 50 мкВ;
-	ударные нагрузки с ускорением 5000 м/с2, длительностью импульса
в пределах 0,015 - 12,5 мс.
Рабочий диапазон частот * до 4000 Гц.
Электрическое сопротивление изоляции в нормальных условиях не
менее 1 ГОм; в условиях промышленной влажности не менее 0,1 ГОм.
Примечание. Нормальные условия:
-	температура окружающего воздуха от 288 К до 298 К ( от плюс 15 °C
до плюс 25 °C);
-	относительная влажность от 50 до 80%;
-	атмосферное давление от 96 до 104 кПа (от 720 до 780 мм рт.ст.).
Электрическая емкость вибропреобразователя с кабелем не менее
1100 пФ.
Номинальное значение коэффициента преобразования вибропреоб-
разователя на частоте 1000 Гц 10’и^ с . Действительное значение коэф-
м
фициента преобразования вибропреобразователя не отличается от номи-
нального более чем ± 10%.
Неравномерность частотной характеристики относительно уровня
выходного сигнала на частоте 1000 Гц в диапазоне частот от 1000 до 4000
Гц не более ± 10%.
60
Относительный коэффициент поперечного преобразования не более
5%.
Нелинейность амплитудной характеристики до 1200 м/с2, не более ±
10%.
Изменения коэффициента преобразования вибропреобразователя по
отношению к коэффициенту преобразования при нормальных условиях не
более ± 0,3 % /° С.
Габаритные размеры вибропреобразователя (без кабеля)
22 х 28 х 24 мм.
Масса вибропреобразователя (без кабеля) не более 0,059 кг.
Общий вид вибропреобразователя приведен на рис.2.12. Вибропре-
образователь состоит из основания 1, пьезоэлементов 2, инерционной мас-
сы 5, контакта 7 для снятия электрического потенциала, втулки 6.
Статическая нагрузка на пьезоэлементы осуществляется пружинной
гайкой 3, конструкция закрывается крышкой 4.
Принцип работы вибропреобразователя основан на прямом пьезоэф-
фекте. При воздействии механических колебаний на основание вибропре-
образователя с ускорением а инерционная масса т испытывает действие
силы Р:
Р = т • а.
Пьезоэлементы вибропреобразователя испытывают деформации сжа-
тия - растяжения, в результате чего на гранях пьезоэлементов возникают
электрические заряды, пропорциональные действующему ускорению.
Рис. 2.12. Общий вид вибропреобразователя ДН 3:
1- основание; 2- пьезоэлементы; 3-гайка пружинная; 4- крышка;
5- масса инерционная; 6- втулка; 7- контакт
61
Подготовка вибропребразователя к работе производится аналогично
вибропреобразователю ДН 4 (опорная площадка на поверхности объекта
диаметром не менее 30 мм).
Установка вибропреобразователя на объект с помощью шпильки
проводится в следующем порядке:
-	извлечь из укладочного ящика вибропреобразователь, кабель,
шпильку, скобу, два винта М3 и две шайбы;
-	ввернуть до упора в резьбовое отверстие корпуса вибропреобразо-
вателя шпильку М5 и, вращая вибропреобразователь, вверните его до упо-
ра в резьбовое отверстие опорной площадки;
-	кабель соединить с вибропреобразователем и прикрепить кабель к
объекту. Способ крепления указан на рис. 2.13;
-	сочленить штекер кабеля со входом виброизмерительного устрой-
ства.
О
Рис. 2.13. Способы крепления вибропреобразователя:
а - с помощью шпильки; б - с помощью заглушки и воска
Натяжение кабеля недопустимо. Во избежание наводок на кабель
вибропреобразователя не допускается пересечение кабеля соединительно-
го с другими проводами, имеющими сильные переменные или пульси-
рующие электрические поля.
Установка вибропреобразователя на объект с помощью заглушки
производится в следующем порядке:
-	ввернуть заглушку в корпус вибропреобразователя;
-	нанести тонкий слой разогретого до 338 К - 340 К (65 °C - 67 °C)
воска, не давая отвердеть воску, вибропреобразователь с заглушкой от-
правьте на объект. Способ крепления указан на рис. 2.136;
62
-	после отвердевания воска, вибропреобразователь выдерживают при
температуре объекта в течение 2 часов. Измерения при креплении на воск
рекомендуется производить в диапазоне частот до 1000 Гц.
Измерение с помощью щупа производят в тех случаях, когда практи-
чески невозможно осуществить прочное крепление вибропреобразователя
на объекте. Перед измерением необходимо произвести следующее:
-	вибропреобразователь соединить с кабелем соединительным;
-	ввернуть в отверстие для шпильки щуп до упора;
-	свернуть кабель петлей и прижать его к корпусу щупа (рис. 2.14),
установить острие щупа перпендикулярно к вибрирующей поверхности;
-	при измерении следить, чтобы острие щупа имело надежный конус
с вибрирующей поверхностью.
Измерение со щупом рекомендуется производить в диапазоне частот
300-600 Гц.
Рис. 2.14. Измерение вибрации с помощью щупа
Инструкции по применению вибропреобразователей допускают кре-
пление к оборудованию с помощью магнитных подпятников, жестких ме-
таллических хомутов или специальных переходных устройств.
В 80 - 90 годах сотрудники кафедры МОН и ГП принимали участие
в организации входного контроля и диагностике погружного оборудования
ЭЦН в НЦБПО НПО п/о Юганскнефтегаз.
Согласно методике испытаний, в автоматизированную систему
ЭПОС - учета и контроля за работой скважин, оборудованных УЭЦН,
впервые были введены показатели вибрации, которые предназначались для
выполнения входного контроля оборудования, поставляемого с заводов-
изготовителей и выходного контроля оборудования, прошедшего капи-
63
тальный ремонт, на этой стадии впервые введена вибродиагностика, пре-
дусматривающая определение величины вибрации электродвигателей, ко-
торая ранее нормировалась заводами-изготовителями виброперемещением
в 40 мкм. Общая вибрационная характеристика агрегата определялась эпи-
зодически в единичных экземплярах, т.к. в то время поставлялось обору-
дование обычного (немодульного) исполнения и специфических видов об-
рывов, проявившихся в модульных конструкциях, еще не было.
Вибродиагностика погружных электродвигателей предусматривала
использование специального испытательного оборудования, несколько ва-
риантов которого было разработано на кафедре МОН и ГП ТюмГНГУ для
НЦБПО НПО. Диагностирование осуществлялось при стендовых испыта-
ниях техническими средствами диагностирования. Ввиду отсутствия на
предприятии вибродиагностической аппаратуры использовалась аппарату-
ра кафедры в виде лабораторного измерителя шума и вибрации ВШВ-003.
Испытания и диагностика проводились после спуска ПЭД в испыта-
тельную скважину 1 (рис. 2.15). Электродвигатель 2 подключался к стан-
ции управления 6 с измерительным комплектом и проверялось направле-
ние вращения вала, величина сопротивления изоляции холодного ПЭД [6].
После этого проводилась обкатка, во время которой измерялся ток
холостого хода согласно установленным правилам, по окончании обкатки
на верхнюю головку ПЭД устанавливалась измерительная головка 3 соот-
ветствующего типоразмера, с посадочными местами для установки вибро-
преобразователей 4.
Измерительная головка рис. 2.16 представляет собой цилинд-
рическую деталь из стали с отверстием для заливки масла, на наружной
поверхности и торце детали прошлифованы площадки для установки виб-
ропреобразователей, в нижней части головки имеется фланец для крепле-
ния к ПЭД [7].
Площадки для измерения радиальной вибрации расположены под
углом 90°. При монтаже измерительной головки на ПЭД одну из площадок
совмещают с плоскостью скоса корпуса ПЭД (со стороны кабельного вво-
да). На площадках имеются отверстия М5 и М3 для крепления вибропре-
образователя и кабеля вибропреобразователя.
Для каждой группы ПЭД по диаметру корпуса изготовлены изме-
рительные головки соответствующих типоразмеров.
Измерительную головку закрепляют с помощью гаек, затем на нее
устанавливают вибропреобразователь 4 и производят подключения к изме-
рителю вибрации и шума ВШВ-003.
64
Рис. 2.15. Схема установки ПЭД при замере вибрации:
1 - испытательная скважина; 2 - ПЭД; 3 - измерительная головка;
4 - вибропреобразователь; 5 - виброметр; 6 - станция управления
65
Рис. 2.16. Измерительная головка
Измерения вибрации производят в двух радиальных и осевом на-
правлениях. Как показали результаты измерений, радиальные вибропара-
метры имели одинаковые значения, поэтому впоследствии измерительная
головка была заменена более совершенным устройством (рис. 2.17), позво-
ляющим быструю перестановку вибродатчика [8]. Датчик устанавливался
на центратор 4, скоба 2 заводилась над корпусом датчика, который при-
жимался к основанию микровинтом 1. Основание 3 вворачивалось в изме-
рительную головку (рис. 2.16) или специальную втулку.
66
1
Рис. 2.17. Головка крепления вибродатчика:
1 - нажимной микровинт; 2 - скоба; 3 - основание;
4 - центратор датчика; 5 - ось
Совместно с приведенными вибропреобразователями использова-
лись аналоговые и цифровые виброизмерители, отечественного и зарубеж-
ного производства.
Распространенной моделью являлся трехканальный виброизмери-
тель SM 231 производства RFT (ГДР) с пьезоэлектрическими датчиками
ускорения, который служит для измерения механических вибраций, разовых
или повторяющихся ударов. Он позволяет замерять виброускорение а,
виброскорость и вибросмещение в частотном диапазоне от 2 Гц до 15 или
10 кГц по трем каналам (рис. 2.18).
При помощи одноканального ударного измерителя SM 311 (анало-
гичный по конструкции) можно решать те же измерительные задачи. Вместо
третьего измерительного усилителя-вдвижки прибор SM 311 оснащен
ударным-фильтром SM 20. Благодаря этому можно дополнительно заме-
рять механические ударные ускорения, как, например, при механических
испытаниях электронных приборов в соответствии с TGL 200-0057 и МЭК
68-2-29. Вторая полость для вдвижного блока в приборе SM 311 не занята.
SM 231 и SM 311 - это стандартные приборы, входящие в SM систе-
му (Schwingungs - und Stobmebsystem = система вибро- и ударных измере-
ний). Для обоих приборов использован тот же приборный корпус - BG 401.
Они отличаются друг от друга лишь оснащением вдвижными блоками.
67
Рис. 2.18. Трехканальный виброизмеритель SM 231
В связи с тем, что SM-система охватывает, кроме того, большое число
других функциональных вдвижек, таких как усилители заряда, фильтры,
анализаторы, стробоскопы, поставляемых, по желанию, как отдельные
приборы, для обоих стандартных приборов возможно переоснащение и тем
самым расширение области применения.
В комплект прибора входят следующие сменные части прибора.
Усилитель заряда SM 11, типовой.
К этому усилителю можно подключать пьезоэлектрические датчики
ускорения, давления и силы. Наряду с широким частотным диапазоном
(квазистатически до 50 кГц) он отличается возможностью работы через
длинные кабели между датчиком и усилителями.
Аналитический фильтр /SM 21/ РМ 3631
Активный фильтр для оценки воздействия механических колебаний
/всего тела и локальных/ на человека.
Фильтры высших частот SM 22. 23. 24.
Активные фильтры с коэффициентом передачи 1 в диапазоне про-
пускания. Предельные частоты переключаются ступенчато - полуоктавами.
68
Путем цепочных или параллельных соединений (в BG 401 параллельное
присоединение возможно лишь после изменения проволочных соедине-
ний) вместе с последующими фильтрами низших частот возможна сборка
различных комбинаций полосовых фильтров, заградителей или частотных
стрелок (специально - октавных фильтров).
Фильтры низших частот SM 25, 26, 27 - типовые.
Активные фильтры с коэффициентом передачи 1 в диапазоне про-
пускания. Переключаемые полуоктавами граничные частоты. Путем це-
почного или параллельного соединений возможно вместе с предвключен-
ными фильтрами высших частот собирать различные комбинации - полосо-
вые фильтры (специально октавные фильтры), полосовые заградители или
частотные стрелки.
Анализатор ударов SM 30, типовой.
Активный фильтр с коэффициентом передачи 1 в диапазоне про-
пускания. В частотном диапазоне 2 Гц 4- 2 кГц возможно определение
ударного спектра (фильтр низших частот с резонансом), а также узкопо-
лосный анализ стационарных процессов. При обоих режимах возможно
переключение добротности Q на 5, 20 или 50.
Узкополосный анализатор SM 32.
Активный фильтр с коэффициентом передачи 1 при условии резо-
нанса. Характеристика узкополосного анализатора соответствует частот-
ной характеристике колебательного контура при резонансной частоте fo в
пределах 0,2 Гц ... 20 кГц. Относительная ширина полосы пропускания
при изменении резонансной частоты остается неизменной. Она может
принимать 3 фиксированных значения: 30 %, 10 % и 3 %.
Особенность узкополосного анализатора SM 32 состоит в том, что
резонансная частота может перестраиваться в пределах трех частотных де-
кад внешним управляющим напряжением. Характеристика управления при
этом выбрана таким образом, что линейному изменению управляющего
напряжения соответствует экспоненциальное изменение резонансной час-
тоты.
Блок управления / SM 71/ РМ 3310.
Узел управления является специальным вставным блоком, кото-
рый может использоваться совместно с узкополосным анализатором SM
32. В блоке управления формируется управляющее напряжение 0 ... +6 В
для узкополосного анализатора. Время цикла измерения может изменяться
в пределах от 1 с до 3000 с. Кроме того, имеется возможность регулировки
начального напряжения. Пуск осуществляется нажатием соответствующей
клавиши.
69
Виброметр ВМ-1 предназначен для измерения действующих значе-
ний виброускорения, виброскорости, виброперемещения и размаха вибро-
перемещения по общему уровню и в полосах частот, ограниченных
встроенными и внешними фильтрами. Принцип действия виброметра ос-
нован на преобразовании механических величин виброускорения, вибро-
скорости и виброперемещения в сигнал постоянного тока, пропорцио-
нальный этим величинам - виброускорения, виброскорости и вибропере-
мещения - в сигнал тока, пропорциональный этим величинам, который
подается на измеритель. Виброметр состоит из предусилителя, источника
питания (сетевого или батарейного), преобразователя напряжения, детек-
тора, фильтров, усилителя и интегратора. Характерным прибором серий-
ного изготовления со встроенным стрелочным указателем является вибро-
метр типа ВМ-1. Он имеет следующую техническую характеристику:
Частотный диапазон, Гц:
виброускорения .....................................1,4- 8000;
виброскорости ................................1,4-2800;
виброперемещения .............................1,4-	500;
размах виброперемещения .......................1,4	-	250.
Измеряемый диапазон:
виброускорения, дБ.............................10 - 130;
виброскорости, дБ.............................50 - 170;
виброперемещения, мкм.........................0,25 - 2,5 • 105;
размах виброперемещения, мкм...................0,7 - 7 • 105.
Основная относительная погрешность измерения действующих
значений виброускорения, виброскорости и виброперемещения не бо-
лее 15 %.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики виброметра
в диапазоне частот, %, не более:
1,4-50 Гц .......................................±6;
50-8000 Гц ......................................±3.
Постоянные времени виброметра, с...................1+20	%, 10+20%.
Входное сопротивление виброметра на частоте 1,4 Гц при входной емко-
сти не более 65 пФ, ГОм ............................. Не менее 1.
Частоты среза встроенных режущих фильтров:
ФВЧ .......................................8;22,4; 45; 112;
ФНЧ .......................................1120;11 200.
Ток от батарейного источника питания типа ИП-2-1, мА, .... не более 350.
70
Питание виброметра от сети переменного тока (через блок питания
типа ИП-1-1);
напряжение, В ............................ 220+10	%;
частота, Гц.............................. 50.
Питание от источника постоянного тока:
батарейного (10 элементов 373) напряжением, В.........12;
внешнего напряжением 12 В и током нагрузкой, мА, не менее 350.
Мощность, потребляемая от сети В А ....................не более 15.
Габаритные размеры и масса, мм и кг:
виброметра типа ВМ-1.......................358x295x190; 10;
вибропреобразователя типа ДНЗ..............31x24x27; 0,06;
то же, типа ДН-4...........................17x14x18,8; 0,013;
» » типа ДН-5.............................. 28х28х 22; 0,04.
Экспериментальное определение амплитудно- и фазочастотных ха-
рактеристик виброметра может быть выполнено на тарировочном вибро-
стенде. При определении амплитудно-частотной характеристики датчик
виброметра устанавливают на рабочем столе вибростенда. Крепление виб-
родатчика к столу с горизонтальной поверхностью необходимо лишь в
случае, если расчетное значение амплитуды ускорения при тарировке пре-
высит 0,9g для вертикального вибростенда и 0,2g — для горизонтального.
Процесс работы на тарировочном вибростенде заключается в сту-
пенчатом изменении частоты колебаний рабочего стола, измерении ампли-
туды его перемещения (скорости, ускорения) и осциллографировании по-
казаний тарируемого вибрографа.
В восьмидесятых годах 20-го столетия для измерений вибрации и
шума широко используют отечественные шумомеры типа ШУМ-1М, изме-
ритель шума и вибрации типа ИШВ в комплекте с октавными фильтрами.
Измеритель шума и вибрации типа ИШВ-1 предназначен для из-
мерения действующих значений уровней звукового давления, виброуско-
рения, виброскорости в октавных полосах частот и уровней звука по час-
тотным характеристикам видов А, В, С и ЛИН в соответствии с ГОСТ
17187—81 (СТ СЭВ 1351—78).
Он используется для измерения шума и вибрации машин, механиз-
мов, средств транспорта и других объектов в лабораторных, цеховых поле-
вых условиях.
Измеритель типа ИШВ-1 построен по принципу преобразования зву-
ковых и механических колебаний исследуемых объектов в пропорцио-
нальные им электрические сигналы, которые затем усиливаются и измеря-
71
ются измерительным прибором типа ПИ-6. Измерительный прибор типа
ПИ-6 имеет амплитудно-частотные характеристики октавных фильтров со
средненоминальными частотами (16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000;
4000; 8000 Гц).
В качестве преобразователя звуковых колебаний в электрические
сигналы используется измерительный конденсаторный микрофон типа М-
101 (капсюль), а в качестве преобразователя механических колебаний
— преобразователи пьезоэлектрические виброизмерительные типов Д13 и
Д14. Конструктивно аппаратура выполнена в виде отдельных переносных
блоков.
Измеритель типа ИШВ-1 обеспечивает измерение по одному каналу
на объектах, удаленных от него не более чем на 15 м, и имеет следующую
техническую характеристику:
Нижний предел динамического диапазона, дБ, при измерении:
звукового давления по частотной характеристике вида
А...................................................не	более 30;
то же, видов В, С................................не	более 33;
виброускорений по частотной характеристике вида ЛИН не более 34 .
Верхний предел динамического диапазона, дБ, при измерении:
звукового давления......................................не менее	130;
виброускорения.......................................не менее	130;
виброскорости........................................не менее	160.
Погрешность измерения виброускорения, дБ, в диапазоне частот, Гц:
10—10 000......................................не более ±2,0;
10—2000........................................не более ±12,0.
Погрешность измерения звукового давления по свободному полю, дБ, на
частоте 1000 Гц................................... »	»	±2,0.
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики, дБ, в диапазонах
частот, Гц:
20—10 000............................. »	» ±0,5;
10 000—12 500.............................. ±0,5;
10—20...................................... ±2,0.
Питание от сети переменного тока:
напряжение, В............................................ 220 ±10%;
частота, Гц.......................................... 50 ±1 %.
72
Питание от источника постоянного тока (от 8 элементов типа R1):
напряжение, В..........................................10+25	%;
ток, мА................................................250.
Выходное напряжение сетевого блока питания, В.........10.
Мощность, потребляемая от сети переменного тока, В А...12.
Уровень допустимой вибрации:
частота, Гц............................................ 20—50;
амплитуда, мм....................................... 0,37—0,23.
Время непрерывной работы прибора, ч:
от сети переменного тока............................ 8;
от 8 элементов типа «Марс».......................... 3.
Габаритные размеры измерительного прибора типа ПИ-6, мм
360X356X217.
Масса прибора типа ПИ-6, кг...........................12.
Измеритель шума и вибрации ВШВ-003, выпускавшийся в 80-х годах
заводом "Виброприбор" и получивший широкое применение в СССР и
странах СЭВ, предназначен для измерения и частотного анализа парамет-
ров шума и вибрации в жилых и производственных помещениях, а также в
промышленности при испытании техники.
Технические характеристики:
-	частотный диапазон, Гц 10...20000;
-	динамический диапазон измерения средних
квадратичных значений уровня звука, дБ 25... 140;
-	основная относительная погрешность
измерения виброскорости и виброускорения, % ± 10;
-	встроенные фильтры с характеристиками А, В, С, Лин.;
-	встроенные октавные фильтры
с центральными частотами, Гц 16...8000;
-	питание от сети (220В/50Гц) либо от автономного источника, В.. .5;
-	потребляемая мощность, не более, ВА.. .5;
-	масса....4,5 кг.
Измеритель шума и вибрации ВШВ-003 показал себя надежным при-
бором с высокой точностью измерений и высокой мобильностью. В на-
стоящее время ООО "Измеритель", г. Таганрог (предприятие, отделившее-
73
ся от завода "Виброприбор"), выпускает модернизированный вариант при-
бора.
Измеритель шума и вибрации ВШВ-ООЗ-МЗ (рис. 2.19).
Прибор ВШВ-ООЗ-МЗ является малогабаритным, портативным изме-
рительным прибором и предназначен для измерения и анализа шума и
вибрации в жилых помещениях, производственных и полевых условиях и
используется для определения источников и характеристик шума и вибра-
ции в местах нахождения людей, при исследованиях и испытаниях машин
и механизмов, при разработке и контроле качества изделий.
Прибор ВШВ-ООЗ-МЗ имеет встроенные фильтры с частотными ха-
рактеристиками А, В, С, а также полосовые фильтры: октавные и третьок-
тавные, позволяющие проводить классификацию, измерение и определе-
ние нормируемых параметров и характеристик шума и вибрации в соот-
ветствии с требованиями санитарных норм и стандартов безопасности тру-
да. Прибор ВШВ-ООЗ-МЗ поставляется в удобной для переноса сумке.
Укомплектован пьезоэлектрическими виброизмерительными преобразова-
телями ДН-3-М1 и ДН-4-М1, имеющими коэффициент преобразования со-
ответственно 10 мВ с2/м и 1 мВ с2/м, и конденсаторным микрофоном с
капсюлем М-101, имеющим чувствительность 50 мВ/Па.
Рис. 2.19. Измеритель шума и вибрации ВШВ-ООЗ-МЗ
74
Полоса частот, Гц:
измерения параметров вибрации	1... 10000;
уровня звукового давления по характеристике ЛИН	2... 18000.
Частотные характеристики	А, В, С, ЛИН
Динамический диапазон измерения параметров:
виброускорения, м/с2	3-10'3 ..103;
виброскорость, мм/с	3-10'2...5-104;
уровня звука, дБ отн. 2-10'5 Па	22... 140.
Основная погрешность измерения:
параметров вибрации, %	±10;
шума (класс точности)	1.
Потребляемая мощность, ВА:
при питании от сети	4;
при питании от батарей	1,2.
Фильтры октавные со средними геометрическими частотами, Гц
1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000.
Фильтры третьоктавные со средними геометрическими частотами, Гц
2,0;	2,5;	3,15;	4,0;	5,0;	6,3;	8,0;	Ю;	12,5;	16,0;
20,0;	25,0;	31,5;	40;	50;	63;	80;	100;	125;	160;
200;	250;	315;	400;	500;	630;	800;	1000;	1250;	1600;
2000;	2500;	3150;	4000;	5000;	6300;	8000;	10000;	12500;	16000
Масса ВШВ-003 М-3 с принадлежностями не более	6,0.
Виброметр ВВМ-311
Портативный прибор с цифровым индикатором предназначен для
измерения параметров вибрации (виброускорение, виброскорость, вибро-
перемещение) работающего оборудования, машин и других объектов в ла-
бораторных и производственных условиях.
75
Виброметр ВВМ-311 укомплектован виброизмерительными преоб-
разователями ДН-3-М1 и ДН-4-М1. Прибор имеет встроенные фильтры
ФВЧ и ФНЧ с частотами среза 10 и 1000 Гц соответственно, для измерений
согласно ISO 2954, а также возможность подключения внешних фильтров.
Для работы в затемненных условиях предусмотрена подсветка цифрового
ЖКИ. Прибор выполнен в прямоугольном корпусе и снабжен ремнем для
переноса (рис. 2.20).
Диапазон измере- ~ нИЯ.	виброускорения, м/с	0,1 - 1 000;
виброскорости, мм/с	0,25 - 100;
виброперемещения, мкм	1 - 1 000.
Диапазон частот _	„ виброускорения, Гц измерения:	2,8 - 7 000;
виброскорости и виброперемещения, Гц	2,8 - 700.
Предел основной относительной погрешности измерения виброускорения в диапазоне частот от 2,8 до 7 000 Гц, %	±10
Предел основной относительной погрешности измерения виброскорости и виброперемещения в диапазоне частот от 2,8 до 700 Гц, %	±10
Предел основной относительной погрешности измерения виброускорения, виброскорости и виброперемещения на ба- зовой частоте 159,1 Гц, %	±6
Мощность потребляемая прибором при питании от 12 эле- ментов А332, не более, ВА	0,42.
Габаритные размеры виброметра, мм	232x65x255.
Масса виброметра, не более, кг	1,8.
76
Рис. 2.20. Виброметр ВВМ-311
Широкое распространение в нашей стране и странах СЭВ получила
акустическая аппаратура фирмы RFT (ГДР). Хорошие, исключительно ста-
бильные характеристики имеют акустические комплекты фирмы «Брюль и
Къер» (Дания). Для измерения эквивалентных уровней звука, в частности,
находят применение интегрирующие шумомеры или статистические ана-
лизаторы этих фирм. Ниже приведены основные технические характери-
стики наиболее известных у нас в стране интегрирующих шумомеров ти-
пов 00026 (ГДР) и 2218 («Брюль и Къер») следующие:
типа 00026
Частотный диапазон, Гц...	10...10 000
Диапазон без переключения AL, дБ..	ПО
Наименьшая цена деления, дБ.	0,1
Динамический диапазон, дБА......	20... 150
Время измерения......	2 с.. 18 ч
Основная погрешность измерения, дБ ...	0,7.. 1,0
Габаритные размеры, мм...	340X119X194
Масса, кг ........ 3,9
типа 2218
10...10 000
80
0,1
25...145
до 27,7 ч
0,5...1,5
80X120X330
2,7
Ориентировочный метод измерения уровней звуковой мощности ис-
точников шума в местах эксплуатации (в помещениях, где установлено ис-
пытываемое оборудование, и на открытых площадках над звукоотражаю-
щей плоскостью) устанавливает ГОСТ 12.1.028—80 (СТ СЭВ 1413—78).
Для измерения применяют шумомеры 1-го или 2-го классов по ГОСТ
77
17187—81 (СТ СЭВ 1351—78) с полосовыми электрическими фильтрами
по ГОСТ 17168—82 (СТ СЭВ 1807—79) или измерительными трактами с
характеристиками, соответствующими этим стандартам. Микрофон шумо-
мера или измерительного тракта должен быть предназначен для измерений
в звуковом поле свободном (при измерениях на открытой площадке) и от-
раженном (при измерениях в помещении). Акустическая и электрическая
калибровка шумомера или измерительного тракта должна проводиться до
и после проведения измерений.
Измерение вибраций осуществляется посредством виброизмеритель-
ной аппаратуры, состоящей из измерительного преобразователя вибраций
(вибродатчика) и контрольно-измерительной аппаратуры, подключаемой к
вибродатчикам [5]. В виброизмерителъный тракт может входить регист-
рирующая и анализирующая аппаратура. Регистрирующей аппаратурой
являются приборы измерения уровня вибрации, анализаторы спектра
(спектрометры), осциллографы, самописцы и специальные магнитофоны
(магнитографы). Для автоматизации процессов измерения и анализа виб-
рационных процессов в состав виброизмерительного тракта включается
ЭВМ.
Для анализа вибрации используются анализаторы спектра различных
типов, осциллографы, самописцы регистрации параметров вибрации.
Удобство регистрации вибрации в виде записи на магнитной ленте или в
виде осциллограмм состоит в том, что записанная вибрация исследуемой
машины может быть всесторонне проанализирована, в том числе с приме-
нением ЭВМ. По месту использования вибродиагностическая аппаратура
подразделяется на переносную портативную и стационарную. Переносная
портативная виброаппаратура обычно представляет собой выносной виб-
родатчик в виде щупа, соединенного проводом с измерительным уси-
лителем со встроенным индикатором для визуального контроля. В измери-
тельном усилителе предусмотрены каналы для подключения записываю-
щей и анализирующей аппаратуры.
Характеристики применяемых и рекомендуемых к применению виб-
роизмерительных приборов отечественного и зарубежного производства
приведены в таблице 2.3.
Переносная аппаратура служит для периодического контроля и ана-
лиза вибрации машин с целью оценки их технического состояния. Стацио-
нарная аппаратура входит в комплект контролируемого объекта и позволя-
ет вести непрерывный контроль вибрации во время пуска и эксплуатации
машины. Широкое применение для периодического контроля вибрации в
нефтепромысловых машинах получила переносная портативная аппарату-
ра, позволяющая контролировать изменение различных параметров вибра-
ции в характерных для определенного типа машин точках. Эти измерения
являются основой для определения вида и местоположения дефекта.
78
Диагностирование технического состояния машин и оценки опасно-
сти повреждения на основе данных контроля вибрации является одним из
наиболее эффективных видов и неразрушающего контроля работающих
машин.
Таблица 2.3.
Характеристика шумовиброизмерительной аппаратуры
Наименование, модель	Частотный диа- пазон измерения виброскорости	Страна-изготовитель
Виброметр малогабаритный ВМ-1 с измерителем ПИ-19 преобразователем ДИ-3, ДИЧ, ДИ-5, фильтром ФЗ-2 ФЗ-З	10-2800	Кокчетавский прибо- ро-строительный за- вод г. Кокчетав
Портативная вибродиагности- ческая аппаратура ВВМ-337 Виброизмеритель ВМ-61 Портативный виброметр 2511	10-1000 3-15000 0,3-15000	МНПО "Спектр" "Рион" Япония "Брюль и Кьер" Дания
Портативный испытательный и диагностический прибор ТК-80	2-1000	"Бентли-Невада" США
Анализатор спектра СК4-56 Вибрационный анализатор 01022 Анализатор спектра 2120 Анализатор спектра "Виб- ропорт - 30"	10-60000 2-20000 2-200000 10-1600	п/я А-7786 г.Киев "Роботрон" Германия "Брюль и Кьер" Дания "Карл Шенк", Герма- ния
Самописец Н338 Самописец 2307 Самописец 02017	Многоканальный 2-20000 одноканальный	г.Краснодар, завод электроизмеритель- ных приборов "Брюэль и Кьер" Да- ния "Роботрон" Германия
Портативный измерительный магнитофон 7005, 7006	0-60000	"Брюэль и Кьер" Да- ния
Глава 3
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЫНКА ПРИБОРОВ
ВИБРОДИАГНОСТИКИ
Особенностью современного рынка приборов вибродиагностики яв-
ляется то, что при производстве анализаторов вибросигналов фирмы-
разработчики ориентируются на определенную сферу их применения. Это
может быть решение вполне определенных проблем или, что бывает чаще
всего, некоторое универсальное применение прибора. По мнению разра-
ботчиков именно такой набор свойств позволяет решать наиболее часто
встречающиеся проблемы контроля состояния и диагностики дефектов
оборудования. Обычно такой подход себя оправдывает, но достаточно час-
то от прибора требуются некоторые специальные функции. Каждая новая
специализированная функция прибора увеличивает его стоимость, про-
блема выбора прибора с оптимальным набором технических параметров с
одной стороны, предполагает получение максимума свойств, а с другой
стороны, всегда проходит в рамках определенного бюджета предприятия.
Учитывая специфику развития цифровых систем, схемотехники и
информационных технологий, следует отметить, что аналоговые приборы
практически вытеснены, за исключением отдельных моделей, выпускае-
мых до сих пор.
Не вдаваясь в проблемы функций приборов, таких как регистрация
сигналов, получение спектров, синхронизация сигналов, хранение инфор-
мации в памяти и т. д., при выборе средств измерений необходимо учиты-
вать специфические вопросы, влияющие на выбор анализатора вибросиг-
налов с оптимальным (иногда и уникальным) набором параметров. Все
рассматриваемые ниже свойства приборов реально присутствуют в тех или
иных модификациях различных фирм [6].
Поняв требования к прибору, много легче сделать правильный вы-
бор.
В первую очередь, необходимо учитывать требования к анализато-
рам вибросигналов, обусловленные диагностикой технического состояния
и дефектов некоторых типов оборудования. Наибольшие отличия от
"обычной" диагностики имеют:
-	подшипники качения;
-	тихоходное вращающееся оборудование с подшипниками качения
и скольжения;
-	многоканальная синхронная диагностика сложных вращающихся
агрегатов;
-	поршневые компрессоры и двигатели внутреннего сгорания;
80
-	асинхронные электродвигатели.
Кроме этого, существует ряд специфических диагностических опе-
раций, требующих от анализаторов вибросигналов определенных техниче-
ских параметров:
-	разгон-выбег агрегатов;
-	балансировка роторов в собственных подшипниках.
Общей задачей вибрационной диагностики является обслуживание
вращающегося оборудования по техническому состоянию на основе ин-
формации о вибрации агрегатов.
При выборе приборов важным является вопрос программного обес-
печения виброконтроля. Он тоже имеет два аспекта:
-	внутреннее программное обеспечение прибора;
-	внешнее, располагаемое на компьютере.
В настоящее время все вибродиагностические комплексы принято
делить на два типа - портативные и стационарные. Портативные, в свою
очередь, можно условно разделить на следующие виды: виброметры,
сборщики данных, виброанализаторы [7].
Виброметры - приборы со встроенным или выносным датчиком, по-
зволяющие измерять какой-либо интегральный параметр вибрации СКЗ,
ПИК или ПИК-ПИК в фиксированном частотном диапазоне (как правило,
СКЗ виброскорости). Пользователь такого прибора может оценить исправ-
ность того или иного узла контролируемого оборудования, плотно прижав
металлический щуп прибора к поверхности контролируемой машины и
сравнив полученный результат измерений с допустимым уровнем вибра-
ции, приведенным в эксплуатационной документации на агрегат. На осно-
вании периодических измерений составляются графики изменения пара-
метров по каждой точке. Эти графики позволяют наглядно продемонстри-
ровать изменения и отфильтровать "выпадающие" измерения, с достаточно
высокой точностью прогнозировать дальнейшее изменение интегрального
состояния контролируемого оборудования. Использование приборов типа
виброметров не требует специальной подготовки персонала. Виброметры
наиболее эффективно могут применяться для контроля состояния неболь-
ших насосов, электродвигателей и т.п.
Сборщики данных - более сложные приборы со встроенной памятью,
календарем и часами реального времени. Они имеют возможность сбора
данных (СКЗ и временной реализации длиной от 8192 до 65536 отсчетов) с
большого числа точек в соответствии с заданными при помощи ПЭВМ
маршрутами измерений и способны передавать результаты измерений в
ПЭВМ для хранения в базе данных и дальнейшего анализа с помощью
специализированного программного обеспечения. Программное обеспече-
81
ние такого рода позволяет давать не только интегральную оценку состоя-
ния оборудования, но и выявлять причины изменений этого состояния на
основе спектрального анализа, различных видов фильтрации и другой ма-
тематической обработки, в том числе кепстр, огибающая и т.д. Информа-
цию, собранную этими приборами, можно обрабатывать и без помощи
ПЭВМ (см. предыдущий параграф).
Виброанализаторы - приборы, имеющие более широкие возможно-
сти, а именно:
-	более одного канала измерений;
-	возможность загрузки специализированного программного обеспе-
чения непосредственно в прибор;
-	возможность редактирования маршрута измерений;
-	возможность обработки данных;
-	наличие встроенного аппарата спектрального анализа;
-	возможность составления отчетов;
-	возможность распечатки отчетов;
-	возможность проведения балансировки роторов в собственных опо-
рах.
Стационарные системы бывают также нескольких видов: системы
виброзащиты, системы мониторинга, системы диагностики и анализа.
Системы виброзащиты выполняют функцию выдачи предупреди-
тельной сигнализации и аварийной остановки оборудования в случае пре-
вышения в какой-либо из точек измерения максимально допустимого
уровня вибрации.
Системы мониторинга, кроме функции виброзащиты, выполняют
следующие функции:
-	протоколирование событий, связанных со срабатыванием сигнали-
заций;
-	автоматический контроль тенденции изменения параметров;
-	архивирование собранных данных и событий;
-	отображение текущих значений параметров в типовом виде;
-	создание специальных алгоритмов обработки данных.
Системы диагностики и анализа по сравнению с системами монито-
ринга, имеют более мощное аппаратное и программное обеспечение, по-
зволяющее дополнительно проводить глубокий анализ собранных данных
и на его основе делать выводы о состоянии оборудования и его остаточном
ресурсе.
Как правило, стационарные системы имеют следующие возможно-
сти:
-	построение конфигурации в зависимости от поставленных задач;
82
-	интегрирование в автоматизированные системы управления техно-
логическим процессом;
-	масштабирование от уровня агрегата до уровня цеха или предпри-
ятия с выходом на региональный диагностический центр.
3.1.	Современное состояние технических средств анализа вибрации
Общие требования.
Общая структура систем измерения и анализа вибрации, будь то тех-
нические средства вибрационного контроля и защиты, вибрационного мо-
ниторинга или диагностики, включает в себя первичные измерительные
преобразователи, согласующие устройства, линии связи, собственно сред-
ства анализа, базу данных (в простейшем случае - пороговые устройства) и
средства (программы) обработки информации (рис. 3.1) [8].
Рис. 3.1. Структурная схема системы измерения и анализа вибрации:
ИП - измерительные преобразователи; УС - устройства согласования;
АН - анализатор; БД - база данных; СОИ - средства обработки информации
В зависимости от задач, решаемых с помощью приборов или систем
измерения и анализа вибрации, к ним предъявляются различные техниче-
ские требования. Существующие технические средства можно классифи-
цировать следующим образом:
-	средства допускового контроля и аварийной защиты,
-	индикаторы состояния объектов контроля,
-	средства вибрационного мониторинга,
-	средства вибрационной диагностики,
-	исследовательские приборы и системы.
Все средства измерения и анализа вибрации используют измеритель-
ные вибропреобразователи, причем чаще других применяются пьезоэлек-
трические преобразователи виброускорения (акселерометры), оптические
(лазерные) преобразователи виброскорости и токовихревые преобразова-
83
тели относительного виброперемещения (проксиметры). Кроме них, для
обеспечения синхронных видов анализа вибрации часто используются ли-
бо оптические или токовихревые датчики оборотов, либо датчики тока
(напряжения) синхронных электрических машин, в том числе генераторов
электроэнергии.
3.2.	Вибропреобразователи
В настоящее время отечественной промышленностью выпускается
достаточно много вибропреобразователей (датчиков), отличающихся чув-
ствительностью, размерами, способами крепления, условиями работы.
Среди них достоточно аналогичных друг другу по характеристикам, вы-
пускаемых различными фирмами, поэтому ниже приведены некоторые ви-
ды датчиков наиболее известных отечественных фирм. Одной из таких
фирм является ООО "Технекон", г. Москва, некоторые модели датчиков
приведены ниже.
Акселерометр ВП-3 (ООО "Технекон", г. Москва). Датчик ВП-3
предназначен для использования с портативными приборами типа СК-1100
и СК-2300 (ООО "Технекон"). Он представляет собой пьезоэлектрический
акселерометр с встроенным блоком электроники, который нормирует и
усиливает сигнал [7].
с:им»
Рис. 3.2. Акселерометр ВП-3
84
Таблица 3.1
Технические характеристики акселерометра ВП-3
Коэффициент преобразования	2,2...3 мВ/мс2
Относительный коэффицент поперечного преоб- разования	<5%
Диапазон измерения виброускоре- ния/виброскорости	3...300 м/с2
Рабочий диапазон частот	5...7000 Гц
Неравномерность АЧХ относительно базовой частоты 160 Гц	1,5 дБ
Спад АЧХ в полосе задержания для частотного диапазона: ниже рабочего	-
Уровень собственного шума	0,03 м/с2
Максимальный размах выходного сигнала	UIIin-0,5 В
Нелинейность АХ в рабочем диапазоне частот	1 %
Изменение коэффициента преобразования в зави- симости от температуры	0,125 % °C
Рабочий диапазон температур	-60...+100 °C
Акселерометр ВП-5В (ООО "Технекон", г. Москва).
Рис. 3.3. Акселерометр ВП-5В
Датчик ВП-5В предназначен для использования с портативными
приборами СК-1100 и СК-2300. Он представляет собой пьезоэлектриче-
ский акселерометр с встроенным блоком электроники, который нормирует
и усиливает сигнал.
Кроме того, в блоке электроники датчика ВП-5-В установлен инте-
гратор, преобразующий сигнал виброускорения в сигнал виброскорости.
Питание датчика осуществляется от прибора, к которому он подключен.
85
Таблица 3.2.
Технические характеристики акселерометра ВП-5В
Коэффициент преобразования	10 мВ/мс2 (20 мВ/мс2
Относительный коэффицент поперечного пре- образования	<5%
Диапазон измерения виброускоре- ния/виброскорости	0,1...200 м/с2 0,1...2000 м/с2
Рабочий диапазон частот	2...7000 Гц
Неравномерность АЧХ относительно базовой частоты 160 Гц	1,5 дБ
Спад АЧХ в полосе задержания для частотного диапазона: ниже рабочего выше рабочего	4 дБ/октаву 12 дБ/октаву
Уровень собственного шума	0,2 м/с2
Максимальный размах выходного сигнала	и„И1-0,5 В
Нелинейность АХ в рабочем диапазоне частот	1 %
Изменение коэффициента преобразования в за- висимости от температуры	0,05 % °C
Рабочий диапазон температур поверхности из- мерения	-40...+120 °C
ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ"
(г. Москва) выпускает целое семейство датчиков, среди которых вибро-
преобразователи, около десятка датчиков общего назначения [ 9 ].
Назначение: измерение вибрационного и ударного ускорения в со-
ставе портативных или стационарных диагностических систем при лабо-
раторных исследованиях, внешний вид и особенности приведены в табл.
3.3. и 3.4.
Основные особенности:
-	сдвиговая конструкция работы пьезоэлемента;
-	сочетание высоких значений осевой чувствительности и собствен-
ной частоты;
-	прочная конструкция и герметичный корпус;
-	стабильность характеристик и высокая надежность в процессе экс-
плуатации.
86
Таблица 3.3.
Датчики общего назначения ЗАО "ЗЭТ"
	АР37	-	осевая чувствительность: 10 пКл/g; -	масса: 9 г (титановый сплав) /12 г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C; -	зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений.
О АР39		-	осевая чувствительность: 10 пКл/g; -	масса: 9 г (титановый сплав) /12 г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C; -	зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений.
	<1, АР40	-	осевая чувствительность: 20 пКл/g; -	масса: 12 г (титановый сплав) / 14 г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C; -	зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений
	р АР57	-	осевая чувствительность: 80 пКл/g; -	масса: 32 г (титановый сплав) / 40 г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C; -	зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений
	АР77	-	осевая чувствительность: 20 пКл/g; -	масса: 10 г (титановый сплав) /12 г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C.
	4 АР90	-	осевая чувствительность: 80 пКл/g; -	масса: 42 г (титановый сплав); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C.
	АР95	-	осевая чувствительность: 3 пКл/g; -	масса: 2 г (титановый сплав); -	рабочий температурный диапазон: -70...+250 °C.
	АР96	-	осевая чувствительность: 10 пКл/g; -	масса: 11г (титановый сплав); -	рабочий температурный диапазон: -70...+250 °C.
	АР97	-	осевая чувствительность: 10 пКл/g; -	масса: 11г (титановый сплав); -	рабочий температурный диапазон: -70...+250 °C.
87
ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ "
выпускает миниатюрные трехкомпонентные вибропреобразователи. На-
значение которых - одновременное измерение трех взаимоперпендикуляр-
ных составляющих пространственного вибрационного и ударного ускоре-
ния в составе портативных или стационарных диагностических систем при
лабораторных исследованиях.
Основные особенности: конструкция с тремя сдвиговыми чувстви-
тельными элементами; неразъемный трехжильный антивибрационный ка-
бель; сочетание миниатюрности и приемлемой чувствительности (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Общий вид и электрическая схема датчика АР20
88
Таблица 3.4
Технические характеристики трехкомпонентных
вибропреобразователей
	-	осевая чувствительность: 2 пКл/g; -	относительная поперечная чувствительность: < 5 %; -	амплитудный диапазон: ± 5000 g; -	максимальный удар (пиковое значение): ± 10000 g;
АР20	-	частотный диапазон (неравномерность ± 1 дБ): 0,5—18000 Гц; -	собственная частота в закрепленном состоянии: > 50 кГц; -	деформационная чувствительность: < 0,005 g х м/мкм; -	электрическая емкость: 600...900 пФ; -	сопротивление изоляции в нормальных условиях: > 10000 МОм; -	масса (без кабеля): 5 г (титановый сплав) /8г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C;
	-	осевая чувствительность: 2 пКл/g; -	относительная поперечная чувствительность: < 5 %; -	амплитудный диапазон: ± 10000 g; -	максимальный удар (пиковое значение): ± 20000 g;
АР21	-	частотный диапазон (неравномерность ± 1 дБ): 0,5...20000 Гц; -	собственная частота в закрепленном состоянии: > 55 кГц; -	деформационная чувствительность: < 0,005 g х м/мкм; -	электрическая емкость: 600...900 пФ; -	сопротивление изоляции в нормальных условиях: > 10000 МОм; -	масса (без кабеля): 5 г (титановый сплав) /8г (нержавеющая сталь); -	рабочий температурный диапазон: -60...+150 °C;
	-	осевая чувствительность: 1 пКл/g; -	относительная поперечная чувствительность: < 5 %; -	амплитудный диапазон: ± 25000 g; -	максимальный удар (пиковое значение): ± 50000 g;
АР22	-	частотный диапазон (неравномерность ± 1 дБ): 0,5...22000 Гц; -	собственная частота в закрепленном состоянии: > 80 кГц; -	деформационная чувствительность: < 0,005 g х м/мкм; -	электрическая емкость: 500...700 пФ;
89
НПП "ВиКонт" специализируется на выпуске вибропреобразовате-
лей различного назначения, практически все из них включены в Государ-
ственный реестр средств измерений № 22234-01 (табл. 3.5), ими комплек-
тует свои приборы и приборы других изготовителей [11].
Вибропреобразователи НПП "ВиКонт"
Таблица 3.5
Вибропреобразователь ВК-312 - пьезоэлектрический акселерометр с выносной электроникой. Измеряемый параметр - мгновенное значение виброскорости в рабочем диапазоне частот. Имеется контроль- ный выход по напряжению 50 мВ/мм/с. Маркировка взрывозащиты 0ExiaIICT5 х. Поставляется в ком- плекте с согласующим устройством. Подключение через клеммную колод- ку. Материал корпуса датчика: алю- миниевый сплав.	
Диапазон преобразования по вибро- скорости	0,1...30 мм/с
Диапазон рабочих частот	10... 1000 Гц
Диапазон рабочих температур	
- для датчика	-4О...+12О°С
- для усилителя	-ЗО...+6О°С
Коэффициент преобразования на ба- зовой частоте 45 Гц по виброскорости на выходе переменного тока	0,05 мА*с/мм
Напряжение питания	5... ЗОВ
Неравномерность АЧХ в диапазоне 2О...75ОГц не более	± 10%
Нелинейность АХ	±6%
Масса без металлорукава и согла- сующего устройства	50 г
90
Вибропреобразователь	ВК-312С-1 предназначен для непрерывного виб- рационного контроля и вибродиагно- стики турбоагрегатов, питательных насосов, двигателей и насосов нефте- перекачивающих и газокомпрессор- ных станций и другого технологиче- ского оборудования. Состоит из пьезо- электрического преобразователя и вы- носного согласующего усилителя в от- дельном корпусе, соединенных вибро- стойким кабелем в металлорукаве. Датчик устанавливается непосредст- венно на контролируемом объекте. Под действием механической нагрузки на обкладках чувствительного пьезо- электрического элемента датчика на- капливается заряд. Выносной согла- сующий усилитель предназначен для преобразования генерируемого датчи- ком заряда в ток, велечина которого пропорциональна СКЗ виброскорости объекта контроля и содержит фильтры верхних и нижних частот, интегратор и детектор СКЗ. Электропитание пре- образователя	(стабилизированные 24В) и информационный сигнал с пре- образователя передаются по одной двухпроводной линии. Для питания преобразователя используется либо специализированный вторичный блок, либо стандартный стабилизированный источник питания. Выходной унифи- цированный сигнал 4-20 mA, пропор- циональный СКЗ виброскорости. Класс взрывозащиты "0Ех1аПСТ5 X".	/ fit fi	/Л *4 if» It\ л \
Диапазон рабочих частот	10... 1000Гц
Диапазон преобразования по СКЗ виброскорости	0,1 ... 30(0,1 ... 15) мм/с
Номинальный коэффициент преобра- зования на базовой частоте 45 Гц по виброскорости на выходе постоянного тока (4 - 20) мА	0,53(0,17) мА-с/мм
91
Нелинейность амплитудной характе- ристики (АХ) в рабочем диапазоне СКЗ виброскорости (на базовой час- тоте 45 Гц), не более	±6%		
Относительный коэффициент попе- речного преобразования вибропреоб- разователя, не более	5%		
Сопротивление изоляции, не менее	20 МОм		
Напряжение питания (пост.)	24 ± 1,2 В		
Масса пьезоэлектрического преобра- зователя (без кабеля)	50 грамм		
Масса выносного согласующего уси- лителя	300 грамм		
Габаритные размеры пьезоэлектриче- ского преобразователя	51x32x37 мм		
Габаритные размеры согласующего усилителя	93,5x58x37 мм		
Вибропреобразователь ВК-310 - пье- зоэлектрический акселерометр со встроенной электроникой. Измеряе- мый параметр - мгновенное значение СКЗ виброскорости в рабочем диапа- зоне частот. Имеется контрольный выход по напряжению 50 мВ/мм/с. Маркировка	взрывозащиты 0ExiaIICT5 X. Подключение через разъем типа 2РМ14, по заказу уста- навливается гермоввод с кабелем и металлорукавом. Материал корпуса: алюминиевый сплав, нержавеющая сталь.			
Диапазон измерения	0,1...30 мм/с		
Диапазон рабочих частот	10... 1000 Гц		
Диапазон рабочих температур	-ЗО...+8О°С		
Коэффициент преобразования на ба- зовой частоте 45 Гц	0,05 мА*с/мм		
Напряжение питания	5...30 В		
Установочный резонанс, кГц.	4		
Относительный коэффициент попе- речного преобразования не более	10%		
Нелинейность АХ в диапазоне СКЗ виброскорости 0,1 ... 30 мм/с	±6%		
92
Неравномерность АЧХ в диапазоне частот 20 ... 750 Гц, не более	± 10%
Неравномерность АЧХ на частотах 10 и 1000 Гц, не более	+ 10% - 20%
Габаритные размеры	0 68 х 115,3 мм
Масса без кабеля	200 г
Вибропреобразователь ВК-310С - пье- зоэлектрический акселерометр со встроенной электроникой. Измеряе- мый параметр - истинное среднеквад- ратическое значение (СКЗ) виброско- рости. Питание встроенной электро- ники от измерительной цепи. Марки- ровка взрывозащиты "OExiaIICT5 X". Подключение через разъем типа 2РМ14 или гермоввод. Выходной унифицированный сигнал 4-20 мА.	\ f Я В
Диапазон преобразования по СКЗ виброскорости	0,1...30 мм/с
Диапазон рабочих частот	10... 1000 Гц
Диапазон рабочих температур	-30... +80°С
Номинальный коэффициент преобра- зования на базовой частоте 45 Гц	0,53 мА/мм/с
Напряжение на выходе постоянного тока 4 ... 20 мА	24 ±1,2 В
Нелинейность АХ в диапазоне СКЗ виброскорости 0,1 ... 30 мм/с	+ 6%
Неравномерность АЧХ в диапазоне 20 ... 750 Гц, не более	± 10%
Неравномерность АЧХ на частотах 10 и 1000 Гц, не более	+10% -20%
Масса без кабеля	200 г
Габаритные размеры	0 68 х 115,3
Вибропреобразователь ВК-310А - первичный измерительный пьезоэлек- трический преобразователь со встро- енным предусилителем. Измеряемый параметр - виброускорение в рабочем диапазоне частот. Маркировка взры- возащиты 0ExiaIICT5 X. Поставляется со шпилькой М5, магнитом или в	
93
комплекте с изолирующим треуголь- ником по заказу. Подключение через разъем типа РС-4ТВ или BNC, по за- казу устанавливается гермоввод с ка- белем и металлорукавом. Материал корпуса: алюминиевый сплав.		п г LT f ъ 1 R4*	L		
Диапазон преобразования по виброускорению	0,05...400 м/с2				
Диапазон рабочих частот	3...5000(10... 1000) Гц				
Диапазон рабочих температур	-30... +80°С				
Номинальный коэффициент преобразования на базовой час- тоте 45 Гц по виброускорению на выходе переменного напря- жения	10 мВ*с2/м				
Напряжение питания (постоян- ное)	5... ЗОВ				
Неравномерность АЧХ в диапа- зоне 2О...75ОГц	± 10%				
Нелинейность АХ	±6%				
Масса без кабеля	50 г				
Тросиковый датчик ВК-318 предна- значен для преобразования относи- тельных линейных перемещений в электрический сигнал. Преобразователь состоит из прецизи- онного потенциометра, на валу кото- рого установлен барабан со струной. Преобразователь устанавливается на одной, неподвижной части оборудо- вания, а второй конец струны закреп- ляется на второй, подвижной части оборудования. Применение специальной конструк- ции барабана, особо прочной и тонкой струны, прецезионного гибридного потенциометра и выходного усилите- ля с высокой линейностью и стабиль-	1				11
					
94
ностью обеспечивает высокие метро- логические характеристики.	
Диапазон измерения	0-50 мм
	0 - 125 мм
	0 - 250 мм
	0 - 375 мм
	0 - 500 мм
	0 - 625 мм
	0 - 1250 мм
Усилие на тросике	3,8 Н
Максимально допустимая скорость изменения относительного расстояния	5 м/с
Максимально допустимое ускорение изменения относительного расстояния	120 м/с2
Напряжение питания постоянного то- ка	24 В (от блока ВК-381)
Диапазон изменения вы- ходного сигнала, токовый выход	4... 20 мА
Нелинейность преобразования	не более 0,1 (0,2)%
Рабочий диапазон температур	от -20 до +60 °C
Температурный коэффициент	0,0079 %/град
Степень защиты	IP53
Материал корпуса преобразователя	алюминиевый сплав
Масса преобразователя	не более 250 г.
Габаритные размеры (без учета длины тросика) Измерительный канал ВК-316 вихре- токового преобразователя перемеще- ний. Измеряемый параметр - двойной раз- мах виброперемещения относитель- ной вибрации ротора и статический зазор. Имеется контрольный выход для установки рабочего зазора. По- ставляется в комплекте с согласую- щим устройством. Герметичный фто- ропластовый кабель длиной 5 м.	70x65x50 мм  i г
Коэффициент преобразования, В/мм	4 ±0,2
Диапазон измерения (при номиналь- ной величине зазора 1,5 ± 0,5 мм)	± 0,5 мм
Диапазон выходного сигнала	4... 8 В
95
Относительная погрешность измере- ния для зазора в пределах 1 ... 2 мм, не более	±5%
Рабочий диапазон частот	10... 1000 Гц
Рабочий диапазон температур	+5 ... +70°С
Питание (по измерительной цепи)	12 В
Изменение коэффициента преобразо- вания при изменении температуры в рабочем диапазоне не более	0,1 %/град
Материал корпуса датчика	сталь 12Х18Н10Т
Материал корпуса согласующего уст- ройства	сплав алюминия
Габаритные размеры:	
вибропреобразователя	MlOxl; L=50 мм
согласующего устройства	93,5x58x39 мм
Масса (без кабеля)	350 г
Одна из ведущих отечественных фирм производителей приборов,
систем и программных средств для виброконтроля и диагностики "Диамех
2000" г. Москва [10] выпускает семейство вибропреобразователей и аксес-
суаров к ним, которыми комплектует приборы и системы диагностики
(табл. 3.6).
Таблица 3.6
Датчики вибрации и аксессуары для виброанализаторов
фирмы "Диамех 2000"
Датчик вибрации РА-023 со встроенным
предусилителем сигнала, обеспечивает вы-
сокую чувствительность, помехозащищен-
ность и линейность характеристик в час-
тотном диапазоне 5...5000 Гц и темпера-
турном диапазоне -10...+60 °C.
Поставляется в комплекте с анализаторами
вибрации "Кварц", "Топаз", "Агат", "Ян-
тарь"
96
Датчик вибрации М/АС102-1А со встроен- ным предусилителем сигнала обеспечивает высокую чувствительность, помехозащи- щенность и линейность характеристик в частотном диапазоне 0,5...15000 Гц и тем- пературном диапазоне -50...+121 °C. Предельные значения измеряемых ускоре- ний: до 500 м/с2 Частота установочного резонанса: 23 кГц Масса датчика: 90 г Напряжение питания: 18-ЗОВ Потребляемый ток: 2-10 мА Поставляется в комплекте с анализатором вибрации / балансировочным прибором "Агат-М"		1
Датчик вибрации РА-031 с внешним преду- силителем сигнала, с осевым выходом для измерения вибрации в частотном диапазоне 5... 10000 Гц, при температуре -60...+260 °C.		
Датчик вибрации МВ-035 с внешним пре- дусилителем сигнала, с осевым выходом, для измерения вибрации в частотном диа- пазоне 5... 12000 Гц, при температуре - 60...+260 °C.		
Низкочастотный датчик вибрации со встро- енным предусилителем сигнала для изме- рения параметров вибрации в частотном диапазоне 0...300 Гц при температуре - 10...+60 °C. Поставляется в комплекте с низкочастотными версиями виброанализа- торов "Кварц" и "Топаз"	' •	Ив* 1* 1	F	
97
Бесконтактный электромагнитный отмет-
чик оборотов КЕ-010 может также исполь-
зоваться в качестве датчика для определе-
ния собственных частот колебаний.
Поставляется в комплекте с виброанализа-
торами "Кварц", "Топаз", "Агат-М".
Сигнал отметчика служит для синхрониза-
ции измерений при замерах амплиту-
ды/фазы оборотной составляющей вибра-
ции, гармонического спектра, синхронного
сигнала и снятия разгона/выбега.В ком-
плект поставки входит магнитная стойка и
светоотражающие метки (100 шт).
Поставляется в комплекте с виброанализа-
торами "Кварц", "Топаз", "Агат-М", "Агат".
Высокотемпературный магнит для крепле-
ния датчиков к металлическим поверхно-
стям (в том числе округлой формы).
Входит в стандартную комплектацию при-
боров "Кварц", "Топаз", "Агат-М", "Агат",
"Янтарь".
Щуп для датчика вибрации с наконечни-
ком, выполненным из особотвердого ме-
талла. Поставляется в комплекте с вибро-
измерительными приборами "Кварц", "То-
паз", "Агат-М", "Агат", "Янтарь".
Для связи вибропреобразователя со средствами анализа используют-
ся линии проводной или беспроводной связи и согласующие устройства. В
простейшем случае это предварительные усилители сигнала. Для пьезоак-
селерометров в зависимости от характеристик линии связи могут исполь-
зоваться предварительные усилители напряжения, заряда или тока, причем
достаточно часто для обеспечения высокой помехоустойчивости средств
(особенно многоканальных) измерения и анализа вибрации предваритель-
ные усилители встраиваются в один корпус с акселерометром. В более
98
сложных случаях согласующее устройство может выполнять функции
предварительной фильтрации сигнала, коммутации линий связи, преобра-
зования сигнала в цифровую форму, а также ряд других.
Большинство требований предъявляется не к отдельным элементам
устройств измерения и анализа вибрации, а к приборам или системам в це-
лом. Чаще всего эти требования могут определять:
-	основные виды анализа и контролируемые параметры вибрации,
- динамический и частотный диапазоны измерения и анализа,
- линейность отдельных операций и параметров прибора (системы),
- скорость выполнения операций анализа и время принятия решений,
- количество параллельных каналов измерения и анализа,
- помехоустойчивость и надежность,
-	ресурс и ремонтопригодность.
Собственно анализатор является основой любого средства измерения
и анализа вибрации и может существовать как независимое устройство. В
последнем случае могут предъявляться требования к характеристикам
входных и выходных сигналов.
3.3.	Простейшие средства измерения и анализа вибрации
Простейшими по глубине анализа техническими средствами являются
приборы и системы допускового контроля и аварийной защиты. Их обяза-
тельной функцией является измерение величины виброскорости или виб-
росмещения в стандартной полосе частот, например от 2 до 1000 или от 10
до 1000 Гц. Для этого в составе прибора используется широкополосный
фильтр со стандартной амплитудно-частотной характеристикой. Широкая
полоса частот фильтра позволяет обеспечить быструю реакцию выходного
сигнала на скачок вибрации контролируемого оборудования, удовлетворив
тем самым требования к системам аварийной защиты по скорости их сра-
батывания. Кроме требований к форме АЧХ и скорости срабатывания, к
устройствам виброзащиты предъявляются высокие требования по помехо-
устойчивости и надежности с целью снижения вероятности ложного сра-
батывания устройства до значений, устанавливаемых технической доку-
ментацией.
На рис. 3.5 приведен вид простейшего прибора (виброметра) для до-
пускового контроля вибрации производства фирмы «Виконт» и простей-
шего устройства аварийной защиты (сигнализации) по сигналу вибрации
производства фирмы В ACT [8].
К сожалению, многие виброметры, разработанные на основе аналого-
вой измерительной техники, имеют низкую стабильность АЧХ и надеж-
ность, а ряд систем виброзащиты не обеспечивает современных требова-
ний по вероятности ложного срабатывания.
99
Стандартами по безопасности труда в промышленности регламенти-
рован допусковый контроль вибрации оборудования и помещений, кото-
рый может производиться в нескольких полосах частот от 0,8 до 80 Гц.
Или от 8 до 1000 Гц (для ручного инструмента).
Рис. 3.5. Простейшие виброметр (а) и система виброзащиты (б)
Для этой цели в ряде средств вибрационного контроля предусмотре-
ны возможности частотного анализа вибрации, например в октавных или
третьоктавных полосах частот. В промышленной безопасности произво-
дится одновременно контроль, как вибрации, так и акустического шума,
поэтому некоторые приборы допускового контроля могут иметь взаимоза-
меняемые или параллельные каналы измерения, как вибрации, так и шума.
Иногда встречаются и виброметры с несколькими преобразователя-
ми вибрации на входе, позволяющие работать с трехмерными измеритель-
ными преобразователями вибрации или группой преобразователей.
Не отличаются сложностью анализа вибрации и приборы, выпол-
няющие функции индикаторов состояния. Задачей такого прибора является
раннее обнаружение признаков одного (или группы) возможных дефектов
контролируемого оборудования. Из всего множества дефектов выбираются
такие, которые, с одной стороны, просто и эффективно обнаруживаются по
сигналу вибрации, а с другой стороны, присутствуют в любой из цепочек
дефектов, быстро развивающихся в предаварийном состоянии контроли-
руемого оборудования.
Практически единственным успешно применяемым в вибрационной
диагностике классом приборов такого типа можно назвать индикаторы со-
стояния подшипников качения по ультразвуковой вибрации неподвижных
элементов этих подшипников, возбуждаемых ударными импульсами при
100
контакте тел качения с неподвижным кольцом подшипника. Индикаторы
состояния подшипников обычно измеряют ультразвуковую вибрацию в
достаточно широкой полосе частот. Центральная частота этой полосы в
разных приборах может быть разной, начиная от 20 - 30 кГц и заканчивая
значениями выше 100 кГц. Контролируется обычно среднеквадратичное
значение ультразвуковой вибрации (мощность ударных импульсов) и ве-
личина пикфактора или крестфактора (форма одиночных ударных импуль-
сов).
Простота измерений и доступность получаемой информации позво-
ляет использовать эти приборы обслуживающему персоналу без специаль-
ной подготовки, а при обнаружении нештатной ситуации вызывать спе-
циалистов для проведения более сложного исследования вибрации. По-
скольку индикаторы состояния дают одинаковую информацию при появ-
лении как неопасного одиночного дефекта, так и предаварийной цепочки
быстроразвивающихся дефектов, проводить контроль состояния подшип-
ников с их помощью следует достаточно часто, не реже одного раза в те-
чение 3-5 суток. Один из вариантов индикатора состояния подшипников
производства фирмы Меткатом приведен на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Индикатор состояния подшипников ИРП-12
В последние годы все чаще стали появляться приборы и системы,
объединяющие функции допускового контроля оборудования по низкочас-
тотной вибрации и индикатора состояния подшипников качения по ультра-
звуковой вибрации. Примером может служить система аварийной защиты,
дополнительной функцией которой является контроль состояния подшип-
ников качения по ультразвуковой вибрации (рис. 3.5 б).
101
3.4.	Стационарные системы мониторинга и диагностики
Более сложные виды анализа могут использоваться в средствах виб-
рационного мониторинга. Основным назначением средств вибрационного
мониторинга является обнаружение необратимых изменений вибрации
оборудования и прогнозирование скорости их развития. К дополнительной
задаче, которая может решаться средствами мониторинга, можно отнести
определение причин обнаруженных изменений. Эта задача решается экс-
пертом, анализирующим результаты мониторинга, в том числе с примене-
нием специальных экспертных программ [8].
Средства вибрационного мониторинга объединяются в системы за-
щитного или прогнозирующего мониторинга. Чаще других используются
системы защитного мониторинга, анализирующие информацию о многих
структурных и рабочих параметрах объекта мониторинга. В таких систе-
мах обычно проводится лишь простейший анализ вибрации с помощью
стандартных контроллеров. Лишь в некоторых случаях, кроме величины
вибрации в стандартной полосе частот выполняется спектральный анализ
вибрации в полосе частот до 1-2 кГц, причем требования к качеству такого
анализа обычно гораздо ниже, чем к надежности технических средств.
Структура выходных данных вибрационных каналов в системах защитного
мониторинга, как правило, определяется стандартами на системы автома-
тического контроля и управления.
Основу систем «прогнозирующего» вибрационного мониторинга
вращающегося оборудования, которые чаще всего содержат только каналы
измерения и анализа вибрации, составляет ее спектральный анализ. К
средствам спектрального анализа таких систем предъявляются весьма вы-
сокие требования. Верхняя частота спектрального анализа может ограни-
чиваться типовыми значениями ~ 1000 - 2000 Гц, но достаточно часто она
увеличивается до значений ~ 20 кГц и более, в зависимости от конструк-
тивных особенностей и частоты вращения объекта мониторинга. С учетом
этого выбираются и типы измерительных преобразователей вибрации.
Требования к динамическому диапазону без учета его увеличения при
спектральном анализе сигналов находятся на уровне ~106 и достигаются
использованием АЦП с разрядностью не менее 20 или совместным исполь-
зованием АЦП меньшей разрядности и усилителя с регулируемым коэф-
фициентом усилителя. Наконец, линейность измерительного и анализи-
рующего тракта должна быть не хуже 0,1%. Не менее жесткие требования
предъявляются и к помехоустойчивости систем, достигаемой, в частности,
использованием дифференциальных измерительных преобразователей,
преобразователей с встроенными усилителями и т.п.
Спектральный анализ вибрации вращающегося оборудования позво-
ляет выявить более половины из возможных развитых дефектов и на этой
основе не пропустить ни одной цепочки дефектов, быстро развивающихся
102
непосредственно перед аварией контролируемого оборудования. Именно
поэтому системы вибрационного мониторинга являются эффективным
средством предупреждения аварий, а использование в их составе эксперт-
ной диагностической программы позволяет выявить причины необходи-
мой остановки оборудования и быстро их устранить.
Но тот факт, что далеко не все дефекты оборудования могут быть
обнаружены задолго до отказа, не позволяет давать реальный прогноз его
безаварийной работы на длительное время, достаточное для практического
использования переносных систем мониторинга с периодичностью изме-
рений более 5-10 дней. Поэтому абсолютное большинство эффективных
систем вибрационного мониторинга устанавливается на оборудовании
штатно и проводит измерения вибрации через короткие интервалы време-
ни.
Стационарное исполнение систем вибрационного мониторинга су-
щественным образом меняет требования к средствам анализа вибрации.
Во-первых, отсутствие жестких требований к габаритам анализатора и по-
требляемой мощности дает возможность широкого использования вирту-
альных анализаторов на базе персональных компьютеров. Компьютерный
анализ сигналов дает возможность оперативно проводить практически лю-
бой вид анализа, поэтому многие стационарные системы при необходимо-
сти анализируют вибрацию и в установившихся, и в переходных режимах
работы оборудования, в том числе во время его пуска и выбега.
Использование синхронных и многомерных видов анализа вибрации
позволяет повысить эффективность экспертных систем диагностики и
осуществлять прогноз вибрационного состояния оборудования. Единст-
венным ограничивающим диагностические возможности фактором в ста-
ционарных системах мониторинга становится конечное количество точек
контроля вибрации, в каждой из которых стационарно устанавливается из-
мерительный преобразователь.
Для расширения диагностических возможностей мониторинга ста-
ционарные системы часто комплектуются дополнительным переносным
каналом измерения вибрации в любой точке оборудования, где на время
измерения может быть установлен измерительный преобразователь. Для
этого существуют либо простейшие сборщики данных, либо переносные
анализаторы вибрации.
Получив дополнительные данные, эксперт (или диагностическая
программа) может решить задачу обнаружения не части, а большинства
дефектов, и прогнозировать их развитие на время, гораздо большее, чем 5
- 10 дней. Тогда встает вопрос о том, зачем нужна стационарная система
мониторинга, когда экономически выгоднее иметь переносную систему
диагностики с возможностью прогноза состояния оборудования на срок
между диагностическими измерениями, который может быть доведен до 2
- 3 месяцев.
103
Как показывает практика, стационарная система мониторинга нужна
в первую очередь для многорежимного ответственного оборудования,
управляемого обслуживающим персоналом. Именно ошибки персонала
чаще всего являются причиной лавинообразного роста дефектов управляе-
мого оборудования, которые необходимо обнаруживать практически мгно-
венно (за 2 - 3 оборота ротора) для своевременного предотвращения ава-
рии.
Естественно, что для обнаружения опасных ошибок обслуживающе-
го персонала не требуется контролировать вибрацию в большом числе то-
чек контроля. В то же время, анализ вибрации во всех выбранных точках
контроля необходимо вести параллельно, как в любой системе аварийной
защиты.
Диагностическую информацию во всех точках контроля вибрации, в
том числе и в точках, используемых для аварийной защиты, можно сни-
мать последовательно, с большими интервалами времени между измере-
ниями.
Таким образом, структура систем вибрационной защиты мониторин-
га и диагностики приобретает вид, показанный на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Структура стационарной системы вибрационной защиты,
мониторинга и диагностики вращающегося оборудования:
ИП - измерительные преобразователи; ДО - датчик оборотов;
БЗ - блоки защиты; АС - аварийная сигнализация;
УС - устройства согласования; АН - анализатор;
АН о - портативный анализатор; БД - база данных;
СОИ - средства обработки информации
Несколько иначе строится стационарная система мониторинга и ди-
агностики однорежимного оборудования, которая используется для кон-
троля состояния вращающегося оборудования, недоступного для работы с
переносными системами диагностики. Во-первых, основной акцент в таких
104
системах делается на глубокую диагностику, которая не требует измере-
ний через короткие интервалы времени, как следствие, все измерения и
анализ вибрации проводятся последовательно одним анализатором, что
значительно удешевляет систему. Во-вторых, задачи мониторинга и диаг-
ностики решаются независимо. Для этого простейшие мониторинговые
измерения вибрации выполняются достаточно часто, с интервалами от 5 до
30 минут, а сложные диагностические измерения проводятся с интервала-
ми в несколько часов (дней), и эти интервалы зависят от реального состоя-
ния объекта (узла), определяемого по предыдущим измерениям.
Структура такой стационарной системы мониторинга и диагностики
аналогична структуре системы, приведенной на рис. 3.1.
Виртуальный анализатор вибрации, входящий в состав любой ста-
ционарной системы вибрационного мониторинга и диагностики, должен
выполнять основные виды анализа сигналов, необходимые для прогнози-
рующего мониторинга и глубокой диагностики оборудования. Кроме это-
го, опытные операторы должны иметь возможность выполнять специаль-
ные виды анализа для уточнения, как причин необратимых изменений виб-
рации, так и вида (глубины) обнаруженных дефектов.
К основным видам анализа при вибрационном мониторинге обору-
дования в типовых режимах работы можно отнести:
-	измерение уровня вибрации в стандартных полосах частот;
-	широкополосный, например третьоктавный, анализ вибрации;
-	узкополосный спектральный анализ низко- и среднечастотной виб-
рации;
-	статистический анализ результатов периодических измерений;
-	контроль формы колебаний высокооборотного вала в подшипниках
скольжения («орбиты» вала).
К основным видам анализа при глубокой диагностике вращающегося
оборудования можно отнести:
-	узкополосный спектральный анализ вибрации в расширенных диа-
пазонах частот;
-	узкополосный спектральный анализ огибающей высокочастотной
случайной вибрации, предварительно выделенной полосовым
фильтром;
-	статистический групповой анализ результатов измерений диагно-
стических параметров.
К дополнительным видам анализа, как для мониторинга, так и для ди-
агностики, можно отнести:
-	синхронный спектральный анализ вибрации в переходных режимах
работы;
-	взаимный спектральный анализ вибрации (взаимные фазовые спек-
тры);
105
-	анализ собственных колебаний, возбуждаемых тестовыми возму-
щениями;
-	анализ формы колебаний корпуса с определением амплитуд и фаз
колебаний в точках контроля на частоте вращения машины (для
балансировки роторов);
-	анализ контролируемых параметров собственно стационарной сис-
темы мониторинга и диагностики для определения ее работоспо-
собности и правильности получаемых результатов.
Конструктивно виртуальный анализатор сигналов вибрации обычно
состоит из компьютера и двух последовательных устройств на его входе.
Первое обеспечивает поддержку измерительных преобразователей и со-
держит источник их питания, согласующие усилители и фильтры, управ-
ляемые компьютером. Второе устройство преобразует аналоговый сигнал
в цифровую последовательность и передает ее в память компьютера. Кро-
ме преобразователей вибрации, часто используются и датчики оборотов
(углового положения вала). Оба вида устройств выпускаются многими
специализированными фирмами.
Перечисленные устройства могут быть внешними, тогда передача дан-
ных идет через стандартный интерфейс связи, например USB порт. Из-за
ограничений по скорости передачи информации чаще используются
встраиваемые в компьютер устройства, питающиеся от общего источника
и передающие информацию непосредственно на шину компьютера.
Для различных экспертных программ, поставляемых некоторыми при-
боростроительными и экспертными диагностическими фирмами, могут по-
требоваться и другие виды анализа сигналов вибрации, а также других
процессов, протекающих в диагностируемом оборудовании.
3.5.	Портативные системы мониторинга и диагностики
Наряду со стационарными системами широкое применение находят и
портативные переносные системы мониторинга и диагностики, оснащен-
ные экспертными или автоматическими диагностическими программами.
Эти системы можно разделить на два основных класса - расширенные сис-
темы мониторинга, в том числе и с экспертными программами, рассчитан-
ные на то, что диагностику выполняет подготовленный эксперт, и системы
массового диагностического обслуживания с программами автоматической
диагностики и прогноза состояния типового вращающегося оборудования.
В состав такой системы входят портативный прибор (приборы), обес-
печивающий измерение и анализ вибрации в тяжелых промышленных ус-
ловиях, компьютер с программой мониторинга, содержащей базу данных и
выполняющий ряд операций анализа сигналов и обработки результатов
анализа, а также экспертная или автоматическая программа диагностики,
обрабатывающая полученную диагностическую информацию [12].
106
Кроме этого, в состав системы часто входят приборы (программы) для
сервисных работ, выполняемых с оборудованием по результатам диагно-
стики, например для его балансировки, и (или) центровки.
Важным показателем системы является граница разделения функций
анализа сигналов между прибором и программой мониторинга. Иногда
встречаются приборы (сборщики данных), не выполняющие функций ана-
лиза, а только собирающие временные сигналы вибрации. Поскольку каче-
ство записи сигнала на месте измерения вибрации в таких приборах прове-
рить невозможно, они не получили широкого распространения. Чаще всего
используются сборщики данных - анализаторы, которые проводят на мес-
те операции анализа во временной и в частотной областях, а статистиче-
ский анализ вибрации и результатов измерений выполняется программами
мониторинга и диагностики. Существуют и приборы, которые на месте
проводят операции мониторинга, а иногда и диагностики, и дают предва-
рительный анализ состояния объекта контроля, но, как правило, достовер-
ность результатов оценки состояния, выполненной непосредственно в
приборе, оказывается существенно ниже, чем результатов диагностики по
всей базе данных измерений аналогичного оборудования. Такой анализ
выполняется в компьютере расширенной диагностической программой.
Поскольку объемы и (или) скорости вычислений в портативных при-
борах несколько ниже, чем в компьютерах, анализирующие возможности
реальных приборов ниже, чем виртуальных. Для устранения возникающих
в портативных системах ограничений многие современные приборы могут
работать с персональным компьютером в режиме «on-line», перекладывая
на компьютер наиболее сложные виды анализа сигналов. Более того, часть
приборов имеет возможность подключения на вход коммутатора сигналов
от группы датчиков вибрации и оборотов, т.е. позволяет собрать на время
проведения различных испытаний портативную стационарную систему
мониторинга и диагностики.
Такая возможность имеет особое значение в «квазистационарных»
системах мониторинга и диагностики оборудования с недоступными для
периодического измерения вибрации точками ее контроля. В этом случае
измерительные преобразователи могут встраиваться в объект контроля, а
линии связи выводятся в доступное для подключения прибора место (ком-
мутационный блок). Именно таким способом можно поэтапно создавать
стационарные системы мониторинга и диагностики на предприятиях, ог-
раничиваясь на первом этапе стационарной установкой только измери-
тельных преобразователей.
Минимум затрат на мониторинг и диагностику большого количества
удаленного друг от друга оборудования достигается, если измерения про-
водят несколько операторов, оснащенных портативными приборами, а ре-
зультаты измерений собираются в одном компьютере с программным
обеспечением для мониторинга и диагностики. Для успешного решения
107
этой задачи в некоторые приборы встраиваются средства поддержки типо-
вых электронных линий связи, по которым автоматически передаются ре-
зультаты измерений и принимаются результаты мониторинга диагностики,
а также задания на выполнение следующих измерений.
Один из портативных приборов - виброанализатор СД-12М, удовле-
творяющий перечисленным требованиям, приведен на рис. 3.8. Там же
показан общий вид портативной стационарной (стендовой) системы на ба-
зе этого анализатора.
Существует минимум операций анализа, которые должен выполнять
портативный прибор на месте измерения вибрации. Это перечисленные
ранее основные виды анализа вибрации для решения задач мониторинга и
глубокой диагностики. Следует отметить, что практически все основные
виды анализа для мониторинга могут быть выполнены расчетным путем по
результатам измерения узкополосных спектров вибрации во всем рабочем
диапазоне частот от 0,5 - 1 Гц до 25-30 кГц. Для определения по ним вели-
чины вибрации в стандартных полосах частот, а также «орбит» вала не
требуется больших вычислительных мощностей, т.е. они могут быть рас-
считаны непосредственно в приборе и практически в реальном времени.
Рис. 3.8. Виброанализатор СД-12М (а) и портативная стационарная
система вибрационного мониторинга и диагностики на его основе (б)
Что касается обязательных диагностических измерений спектров
огибающей высокочастотной случайной вибрации, то такой вид анализа в
реальном времени выполняют лишь некоторые из выпускаемых портатив-
ных приборов. Это связано с тем фактом, что операции фильтрации высо-
кочастотной вибрации и формирования огибающей в реальном времени
может выполнять либо мощный стандартный процессор, либо специализи-
рованный сигнальный процессор.
108
Мощные процессоры в портативных приборах не используются из-за
ограничений по питанию, а современные сигнальные процессоры устанав-
ливаются далеко не во все портативные анализаторы. Для обработки пред-
варительно накопленного для построения спектра огибающей массива вы-
борочных значений сигнала в несколько Мб с помощью процессоров, ус-
танавливаемых в портативные приборы, необходимо время, которое может
в несколько раз превышать время накопления этого массива. Это несколь-
ко ограничивает возможность использования цифровых приборов, создан-
ных на базе одноплатных компьютеров промышленного исполнения, на-
пример распространенных приборов фирмы DI (рис. 3.9), широко исполь-
зуемых многими экспертами различных стран.
Рис. 3.9. Цифровой сборщик данных - анализатор DI-225
на основе одноплатного промышленного компьютера
Что касается одной из основных операций - статистического анализа
результатов измерения вибрации, то он может выполняться после передачи
данных в компьютер, так как не используется для контроля качества вы-
полненных измерений непосредственно на месте их проведения.
Среди портативных сборщиков-анализаторов вибрации, выполняю-
щих указанные основные виды анализа, предпочтение отдается тем, кото-
рые без ухудшения массо-габаритных, энергетических и стоимостных по-
казателей выполняют и многие из перечисленных ранее дополнительных
видов анализа. При этом особое внимание уделяется вопросу совместимо-
сти выходных данных анализатора с наиболее эффективными программа-
ми мониторинга и диагностики. Ряд фирм выпускает виртуальные порта-
тивные анализаторы вибрации, для чего используются элементы персо-
нального компьютера типа Notebook, объединяемые общими шиной и ис-
109
точником питания повышенной мощности с платой поддержки измери-
тельных преобразователей и платой АЦП, в едином корпусе. Примеры та-
ких анализаторов приведены на рис. 3.10.
Наряду с очевидными преимуществами такие анализаторы имеют
ряд недостатков, к которым следует отнести повышенные массо-
габаритные показатели, а также ограниченные надежность и длительность
непрерывной работы без подзарядки аккумуляторов. Кроме того, постоян-
ное развитие портативных средств вычислительной техники определяет
быстрое моральное старение подобных анализаторов.
Рис. 3.10. Виртуальные портативные анализаторы
фирмы CSI (а) и Predict DLI (б)
Важным показателем портативного анализатора является стабиль-
ность во времени его характеристик, обеспечивающих основные виды ана-
лиза, предусмотренные международными стандартами по вибрационному
мониторингу. Прежде всего, это относится к измерению величин вибро-
скорости и вибросмещения в полосах частот 2-1000 Гц и 10-1000 Гц. В
большинстве существующих анализаторов для этого используются элек-
тронные интеграторы сигналов с преобразователем виброускорения и
электронные фильтры, характеристики которых не обладают хорошей ста-
бильностью, как во времени, так и при изменении внешних условий, на-
пример температуры. Учитывая это, ряд производителей перешел на циф-
ровые методы интегрирования и фильтрации, но при этом далеко не все
смогли сохранить высокий динамический диапазон измерений, уложив-
шись в минимальные границы, задаваемые стандартами. В то же время, в
задачах расширенного мониторинга и диагностики требуется и расширен-
ный динамический диапазон стандартных измерений (не менее 60 дБ), ко-
торый обеспечивает далеко не каждый из цифровых портативных анализа-
торов вибрации.
ПО
3.6.	Исследовательские приборы и системы
Среди задач вибрационного мониторинга и диагностики встречаются
и такие, решение которых требует проведения специальных исследований,
для которых может не хватать возможностей типовых анализирующих
приборов.
Поэтому ряд приборостроительных фирм выпускает технические
средства для расширенного анализа сигналов, которые предусматривают
предварительную запись этих сигналов в память прибора с последующим
его многократным анализом различными методами.
Отличительными особенностями исследовательских приборов и сис-
тем являются:
-	возможность запоминания больших массивов информации, в том
числе и измеряемых сигналов, без искажений и потерь информа-
ции;
-	многоканальность с возможностью параллельной записи и анализа
сигналов с выхода измерительных преобразователей разных физи-
ческих процессов;
-	возможность проведения большинства существующих видов ана-
лиза сигналов.
Большинство из таких приборов и систем строятся на базе виртуаль-
ных анализаторов, т.е. компьютеров с входными устройствами, поддержи-
вающими различные виды измерительных преобразователей. Количество
параллельных каналов измерения в различных приборах и системах может
меняться от двух до нескольких десятков. Верхняя граница частотного
диапазона таких каналов определяется тремя основными факторами - час-
тотным диапазоном измерительных преобразователей, ограничениями по
питанию системы и по ее стоимости. Типовое число параллельных каналов
измерения вибрации во всем диапазоне частот, от ~0,5 Гц до ~30 кГц, ис-
пользуемом при решении диагностических задач, составляет 4-8. При
снижении верхней границы частотного диапазона измеряемых сигналов в
4 раза количество параллельных каналов измерений может быть увеличено
приблизительно вдвое.
Если передача цифровой информации с устройств поддержки измери-
тельных преобразователей идет через внешние каналы связи, например че-
рез USB-порт, количество параллельных каналов в исследовательских сис-
темах снижается. Однако скорости передачи информации в компьютер не-
прерывно растут, и в ближайшем будущем, вероятно, они перестанут оп-
ределять количество параллельных каналов измерения различных процес-
сов в исследовательских виртуальных системах.
Таким образом, технические исследовательские системы измерения и
анализа вибрации на базе виртуального анализатора могут иметь три ос-
новных конструктивных варианта. Первый представляет собой две платы,
111
встроенные в стандартный компьютер, одна из которых имеет несколько
линейных аналоговых входов с управляемыми усилителями и антиалай-
зинговыми фильтрами, а вторая - многовходовый аналого-цифровой пре-
образователь, передающий данные в память компьютера по общей шине.
Кроме компьютера с платами, который чаще всего является Portable ком-
пьютером, в систему могут входить внешний коммутатор с количеством
входов, определяемым числом точек контроля в исследуемом оборудова-
нии, и сами измерительные преобразователи с источниками питания и со-
гласующими устройствами (рис. 3.11, а).
Второй вариант представляет собой компьютер и внешнее устройство
со своим источником питания, которое выполняет перечисленные выше
функции поддержки первичных преобразователей, коммутации сигналов,
их согласование, в том числе и антиалайзинговую фильтрацию, собственно
АЦП преобразование и передачу цифровой информации по стандартному
интерфейсу (рис. 3.11, б).
Рис. 3.11. Многовходовые виртуальные анализаторы на базе
компьютера производства фирмы "ВАСТ" и производства фирмы "Мера"
Во втором варианте систем чаще других используются компьютеры
типа Notebook, что позволяет в некоторое время использовать систему в
полевых условиях без внешнего источника питания.
Третьим вариантом можно считать виброанализатор, конструктивно
объединяющий Notebook и входное устройство в корпусе одного прибора.
Как правило, большинство исследовательских виртуальных анализа-
торов имеет небольшое число параллельных каналов измерения (до 4-х
аналоговых и столько же цифровых), что позволяет производить запись
сигналов во всем рабочем диапазоне частот. Существует, однако, ряд ис-
следовательских задач, например анализ режимов пуска и остановки круп-
ных машин, когда количество параллельных измерительных каналов
должно быть много больше, но частотный диапазон измеряемых сигналов
112
может быть существенно сокращен. Для решения таких задач можно ис-
пользовать специальные многовходовые устройства параллельного приема
сигналов с передачей цифровой информации по стандартному интерфейсу,
чаще всего через USB-порт компьютера.
Исследовательские системы на базе виртуальных анализаторов виб-
рации и других процессов, как правило, имеют широкие возможности для
анализа сигналов в рамках функциональной и тестовой диагностики обо-
рудования, а также для модального анализа механических систем и конст-
рукций. В то же время, не меньший интерес представляют анализирующие
приборы, даже в тех случаях, когда их возможности ниже, чем у виртуаль-
ных анализаторов.
Причиной такого интереса является не только возможность работы в
автономном режиме и в тяжелых промышленных условиях. Не менее важ-
ной особенностью является то, что производители таких приборов активно
развивают и совершенствуют программное обеспечение для мониторинга
и диагностики различного оборудования, которое, как правило, совмести-
мо только с ограниченной номенклатурой технических средств. А эффек-
тивность решения практических задач мониторинга и диагностики зависит
от возможностей всей совокупности имеющихся у пользователя техниче-
ских средств и программного обеспечения.
Рис. 3.12. Анализатор с многоканальной приставкой
для параллельного измерения низкочастотной
вибрации производства фирмы "Диамех"
Учитывая вышеизложенное, определенный интерес представляют
технические средства, расширяющие возможности параллельного анализа с
помощью промышленных анализаторов вибрации. К ним относятся, напри-
мер, многовходовые приставки (рис. 3.12). Наибольший интерес проявляет-
ся к портативным стационарным системам, собираемым на основе промыш-
ленного анализатора (рис. 3.9), который может передавать в компьютер как
результат анализа сигнала с любого из преобразователей, подключенных к
входному коммутатору, так и, при необходимости, сам сигнал.
ИЗ
При проведении диагностирования вращающегося оборудования по
параметрам вибрации, прежде всего, необходимо получать достоверные
измерения виброакустических сигналов в контрольных точках. Для этого
нужно, помимо соблюдения правил установки датчиков, использовать при-
боры-спектроанализаторы, которые отвечают определенным требованиям.
В настоящее время ряд российских фирм разрабатывает и произво-
дит оборудование, предназначенное для измерения характеристик вибро-
акустических сигналов. Имея общее назначение, эти приборы значительно
отличаются между собой по предоставляемым возможностям и удобству в
эксплуатации. Поэтому перед тем как остановить выбор на том или ином
устройстве, необходимо предварительно провести их сравнительный ана-
лиз и оценить, в какой мере удовлетворяют они уровню задач, предъяв-
ляемых виброакустической диагностикой.
К необходимым возможностям, которыми должны обладать прибо-
ры, анализирующие вибрацию, относятся:
-	проведение анализа временных характеристик сигналов и анализа
временной развертки сигналов (режим осциллографа);
-	проведение спектрального анализа вибрации, т.е. осуществление
разделения вибрации на частотные составляющие в широком диа-
пазоне частот (от долей Герца до 20 кГц) с возможностью выбора
различных частотных поддиапазонов;
-	проведение спектрального анализа огибающих высокочастотных
сигналов вибрации с возможностью перестройки средней частоты
полосового фильтра и выбором различных пределов частотного
диапазона;
-	обеспечение достаточной разрешающей способности до 1600 ли-
ний/спектр;
-	обеспечение усреднений по спектральным характеристикам;
-	оценка выбросов в сигнале вибрации, т.е. определение пик-фактора
(отношение пикового и среднеквадратичного значений);
-	определение общего уровня вибрации в полосе частот, требуемой
стандартами вибрационного контроля;
-	проведение измерений по маршруту;
-	возможность передачи накопленных измерений в компьютер для
их дальнейшей обработки.
Дополнительными функциями, которыми должны обладать прибо-
ры, являются балансировка роторов в собственных опорах, наличие графи-
ческого жидкокристаллического дисплея, возможность загрузки маршрута
измерений из компьютера.
На сегодняшний день наиболее известными и широко представлен-
ными на рынке сборщиками-спектроанализаторами виброакустической
информации, из изготавливаемых в РФ, являются: "ПР-200А" (НТЦ
114
"Приз", г. Москва), "Кварц" и "Топаз" (ООО "Диамех", г. Москва), "СК-
2300" (ИТЦ "Орггехдиагностика", г. Москва), "СД-11" (АО "ВАСТ", г.
Санкт-Петербург), "СМ-3001" и "ДСА-2001" (ООО "Инкотес", г. Нижний
Новгород), "Диана-2" и "Атлант-8" (ПВФ "Вибро-Центр" г. Пермь) [6].
Все указанные приборы являются сложными программно-
аппаратными комплексами, созданными на базе микропроцессорных мо-
дулей. Использование микропроцессоров позволило при сравнительно не-
больших размерах реализовать в устройствах широкий спектр измеритель-
ных и вычислительных возможностей, проводить различные виды анализа
сигналов вибрации, а также рассчитывать дополнительные параметры виб-
роакустических характеристик (СКЗ, пик-фактор и т.д.).
Тем не менее, только часть из перечисленных сборщиков-
спектроанализаторов отвечает всем основным требованиям, предъявляе-
мым при проведении вибро диагностики. Другие устройства обладают не-
обходимыми возможностями лишь частично.
Основные сравнительные характеристики приборов приведены в
таблице 1 (ценовые характеристики приборов не рассматриваются).
Данные таблицы 1 не полностью отражают все особенности прибо-
ров при эксплуатации и нуждаются в дополнительном пояснении.
Виброанализатор "Диана-2" (рис. 3.13) - компактный, удобный в ис-
пользовании прибор, позволяющий синхронно регистрировать вибросиг-
налы по двум каналам, а по третьему каналу одновременно может прово-
диться регистрация сигнала с отметчика фазы. Но при этом максимальное
частотное разрешение по спектрам составляет 800 линий. Такого разреше-
ния оказывается недостаточно при определении ряда дефектов электро-
магнитной системы электрических машин. "Диана-2" не измеряет спектры
огибающих. Это означает, что в значительной степени уменьшается воз-
можность прибора выявлять дефектные подшипники, тем более распозна-
вать конкретные виды неисправностей (например, износ наружного коль-
ца). Также, частотного диапазона 10 кГц бывает недостаточно при диагно-
стировании высокоскоростных машин с мультипликаторами.
Рис. 3.13. Виброанализатор "Диана-2"
115
Преимуществом виброанализатора СМ-3001 (рис.3.14) по сравнению
с "Диана-2" является взрывозащитное исполнение по классу lExibIIAT4 и
измерение вибрации одновременно по 3-м каналам (по двум каналам син-
хронно, и последовательно с ними по 3-ему каналу). Могут измеряться
СКЗ, АМП, ПИК-ПИК, спектр огибающей в полосах 3, 6и12кГц. К не-
удобству в эксплуатации можно отнести отсутствие графического дисплея,
поэтому нельзя, например, при измерениях отслеживать качество спек-
тральных характеристик, вид которых является одним из критериев пра-
вильной установки датчиков.
Рис. 3.14. Виброанализатор СМ-3001
Восьмиканальный синхронный регистратор-анализатор вибросигна-
лов "Атлант-8" (рис.3.15) выполнен на базе notebook и измерительного
блока. Применение персонального компьютера позволило существенно
улучшить такие характеристики сборщиков, как количество подключае-
мых каналов (разновидность прибора "Атлант-8М" имеет 16 входных ка-
налов с последовательным опросом) и внутренний объем памяти. Но вме-
сте с тем появились ограничения на условия эксплуатации. Например, при
использовании в запыленных помещениях, от попадания пыли может вый-
ти из строя клавиатура. Частотный диапазон поставляемых с анализатором
вибро датчиков составляет 5-5000 Гц. Как отмечалось во вступлении, этот
диапазон должен составлять от долей Герц до двадцати килогерц. Это свя-
зано с тем, что, как в данном случае, нижний предел частотного диапазона
5 Гц не позволяет прибору в полном объеме проводить обследование тихо-
ходных машин, когда частоты вращения валов составляют Герцы и доли
Герц (например, в бумажной промышленности). Значение границы верх-
него частотного диапазона 5000 Гц также снижает возможности прибора
при диагностировании быстроходных машин.
116

Рис. 3.15. Синхронный анализатор вибросигналов "Атлант-8"
Измерительная система ДСА-2001 (рис. 3.16) - еще одно решение на
базе персонального компьютера notebook. Преимуществом данного прибо-
ра, по сравнению с "Атлант-8" является взрывобезопасное исполнение по
классу ExibllA и возможность синхронного измерения по двум каналам.
Недостатком устройства является ограничение частотного диапазона деся-
тью Герцами снизу и десятью килогерцами сверху. Это, как и в случае
"Атлант-8", не позволяет в полной мере проводить обследование низко-
оборотных и быстроходных машин.
Рис. 3.16. Измерительная система ДСА-2001
Виброанализатор СК-2300 (рис. 3.17) обладает всем спектром необ-
ходимых возможностей для проведения виброакустической диагностики.
Максимальное разрешение в режиме измерения спектров составляет 3200
линий/спектр. Может иметь специальные исполнения для работы во взры-
воопасных зонах класса В 1а и В 1г с паровоздушными смесями класса Па
температурных групп Т1..Т4, а также влагонепроницаемое исполнение
(IP68). К неудобствам в эксплуатации можно отнести необходимость пере-
загрузки программного обеспечения в прибор с компьютера, при переходе
от режима измерений параметров вибрации к проведению балансировки.
Другой особенностью устройства, способной вызвать затруднения при
117
проведении измерений, является возможность использования только по-
ставляемых с прибором датчиков-пьезоакселерометров, которые имеют
площадь основания 14 см2. Это влечет за собой определенные сложности
при постановке датчиков на поверхность с большим радиусом кривизны,
или ребра жесткости и фланцы узлов механических устройств.
Рис. 3.17. Виброанализатор - СК-2300
Анализатор СД-11 (рис. 3.18) реализует весь спектр необходимых
возможностей. Дополнительно имеет встроенную справочную систему по
работе с прибором. Помимо основных характеристик, позволяет вычислять
СКЗ, пик и пик-пик. Предусмотрена установка автоотключения. Может
поставляться с коммутатором на 4-16 каналов с последовательным опро-
сом. К недостаткам прибора можно отнести отсутствие модификации во
взрывозащищенном исполнении. Также, нужно отметить, что данный при-
бор представляет собой полностью закрытую систему. Это означает, что
результаты измерений могут быть приняты и обработаны в компьютере
только программным обеспечением, представленным разработчиками. Это
исключает возможность дополнительного исследования измеренных ха-
рактеристик другими программными продуктами, что в некоторых случаях
может оказаться желательным.
Рис. 3.18. Анализатор СД-11
Виброанализатор "КВАРЦ" и его исполнение в другом конструктиве
"ТОПАЗ" (рис. 3.19) позволяют измерять как основные, так и дополни-
тельные характеристики (эксцесс нижних, верхних частот, разгон/выбег).
118
Предусмотрен режим измерения ZOOM. Существует модификация
"ТОПАЗ-В", которая представляет собой взрывозащищенный вариант при-
бора "КВАРЦ" по классу lExibsIIAT4X. Приборы могут эксплуатировать-
ся только с пьезоакселерометрами моделей РА023, РАОЗЗ, РА034 и РА050.
Предусмотрена возможность подключения четырех, восьми и шестнадца-
ти-канальными коммутаторами с последовательным опросом каналов.
Имеется установка автоотключения. Особенностью устройств является до-
полнительная загрузка с компьютера программы балансировки. Другой
особенностью виброанализаторов является ограничение соотношения
верхней и нижней частот измеряемых спектров (максимальное значение
составляет 100 к 1). На практике это означает, что в ряде случаев появляет-
ся необходимость в проведении дополнительных измерений. Например,
при обследовании многоступенчатого редуктора, частоты вращения валов
последних ступеней могут составлять доли Герц, например 0,2 Гц, а часто-
ты зубчатых зацеплений десятки Герц, например 40 Гц. При этом диапазон
измеряемых приборами спектров будет составлять 0,1 - ЮГци 0,5 - 50 Гц
вместо 0,05 - 50 Гц, как в ПР-200А.
Рис. 3.19. Виброанализатор "КВАРЦ" и его исполнение "ТОПАЗ"
Спектроанализатор ПР-200А (рис. 3.20) - еще один прибор, реали-
зующий весь перечень необходимых возможностей для проведения вибро-
диагностики. Он позволяет измерять и анализировать временные и спек-
тральные характеристики, рассчитывать СКЗ и пик-фактор. Имеет моди-
фикацию ПР-200Ех во взрывозащищенном исполнении по классу
2ExeseIIT5X. Программа балансировки не нуждается в дополнительной за-
грузке с компьютера (как в "СК-2300", или "Кварц", "Топаз"). Основным
отличием данного прибора является чрезвычайная простота в управлении,
связанная с отсутствием сложной иерархии вложенных меню, как в "СК-
2300", "СД-П" или "Кварц", "Топаз". Все управление прибором сводится к
нажатию нескольких кнопок. Позволяет проводить пакетный сбор данных
119
по маршруту. Это означает, что по нажатию одной клавиши все измерения,
которые должны быть проведены в точке, выполняются автоматически
(нет необходимости вручную запускать измерения разных частотных диа-
пазонов, как это реализовано в других сборщиках).
Со временем приведенные в примерах спектроанализаторы, будут
безусловно совершенствоваться и претерпевать изменения. Будут меняться
их технические характеристики и функциональные возможности.
Рис. 3.20. Спектроанализатор ПР-200А
Стационарная система контроля вибрации КАСКАД (Н1Ш “ВиКонт”).
Контрольно-сигнальная и диагностическая аппаратура КАСКАД
предназначена для автоматического контроля абсолютной и относительной
вибрации и механических величин (осевого сдвига, тепловых и линейных
расширений, изгиба вала, частоты вращения) сбора и обработки вибросиг-
налов, выявления дефектов непрерывно работающего промышленного
оборудования (рис. 3.21).
Широко применяется в различных отраслях: в энергетике, нефтяной
и газовой промышленности, на химических и металлургических производ-
ствах, на транспорте. Аппаратура прошла государственную аттестацию на
взрывозащиту в России. Аппаратура зарегистрирована в Государственном
Реестре средств измерений России. Решением ведомственной комиссии
рекомендована для применения в РАО "Газпром" на газокомпрессорных
агрегатах и в системах АСУ.
АСКВД представляет собой аппаратно-программный комплекс с
распределенными вычислительными и информационными ресурсами,
предназначенный для контроля, анализа и диагностики вибрационного со-
стояния турбоагрегатов и другого вращающегося оборудования электро-
станций.
Вибродиагностический контроль осуществляется на всех режимах
эксплуатации турбоагрегата, включая валоповорот, набор оборотов (пуск),
работу под нагрузкой и на холостом ходу (номинальная частота вращения),
режим проверки автомата безопасности, выбег (останов).
120
Рис. 3.21. Система контроля вибрации КАСКАД
Применение АСКВД позволяет повысить вибрационную надеж-
ность, культуру эксплуатации и ремонта вращающегося оборудования,
обеспечивает принятие своевременных мер, уменьшающих последствия
отказов, предоставляет возможности для раннего обнаружения возникаю-
щих дефектов и неисправностей и предупреждения их опасного развития.
В состав комплекса входят: программируемый контроллер, реализо-
ванный на базе высоконадежных технических средств промышленного
применения, рабочие станции АСКВД, программное обеспечение расши-
ренного вибромониторинга, программа анализа трендов и амплитудно-
фазочастотных характеристик выбегов и наборов оборотов, программа ди-
агностики по изменению оборотной вибрации, программа балансировоч-
ных расчетов.
Система обеспечивает следующее:
-	оперативный контроль и ретроспективный анализ вибрационного и
механического состояния агрегатов на основе измеряемых вибрационных
параметров, параметров мехвеличин и вводимых из АСУТП эксплуатаци-
онных параметров.
-	предупредительная сигнализация при регистрации аномальных виб-
рационных состояний в соответствии с требованиями ПТЭ и ГОСТов,
формирование сигналов тревоги для внешних устройств.
-	формирование архива значений вибрационных, механических и
эксплуатационных параметров (базы данных), просмотр и анализ архив-
ных данных.
-	оперативную и постоперативную диагностику вибрационного со-
стояния турбоагрегатов.
-	обслуживание балансировочных и виброналадочных работ;
-	отображение и документирование информации;
-	распределение информации по рабочим станциям АСКВД с помо-
щью сети Ethernet.
121
ГЛАВА 4
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ВИБРОДИАГНОСТИКИ
4.1.	Общий обзор современных методов диагностики
С начала 90-х годов в России почти не проводилось обновления ос-
новных фондов предприятий, следовательно, большая часть (60-80%) обо-
рудования для добычи нефти и газа, ее подготовки и переработки, а также
технологического оборудования нефтегазохимических производств выра-
ботало нормативный ресурс и его дальнейшая эксплуатация уже приводит
к созданию аварийных ситуаций [13]. С целью технического перевооруже-
ния нефтегазового комплекса Правительством РФ разработана и утвер-
ждена Федеральная целевая программа "Энергоэффективная экономика"
до 2010 г., которая предусматривает постепенное обновление основной
части оборудования.
В связи с этим для обеспечения безопасной эксплуатации ныне дей-
ствующего оборудования все с большей остротой встает вопрос его техни-
ческого диагностирования с целью определения остаточного ресурса. Это
уже становится государственной задачей, важность которой отмечена в
постановлении Правительства РФ "О мерах по обеспечению промышлен-
ной безопасности опасных производственных объектов на территории Рос-
сийской Федерации" от 28.03.2001 №241. Кроме этого, обеспечение высо-
кой эффективности нефтегазохимического комплекса в будущем, даже при
полном обновлении средств производства, - немыслимо без технологии
контроля и мониторинга технического состояния всего оборудования, ко-
нечной целью которой является переход от системы ремонтов "по регла-
менту" к ремонтам "по состоянию".
Ниже рассмотрены и проанализированы основные методы техниче-
ского диагностирования машин и оборудования, которые нашли широкое
применение в современной промышленности.
Лидирующее положение в России в области технического диагно-
стирования энергомеханического оборудования занимают АООТ "ВНИИ-
нефтемаш", ОАО "ВНИКТИнефтехимоборудование", ОАО "Газпром",
ОАО "ГНАЛ", ИМАШ РАН, ОАО "ЛенНИИхиммаш", МГТУ им. Н.Э.
Баумана, ЗАО "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа", ОАО "НИИхим-
маш", РГУНГ им. И.М. Губкина, ДАО ЦКБН и другие организации.
В практике диагностирования оборудования известны и получили
распространение различные методы определения их технического состоя-
ния.
Органолептические методы используются для предварительной
122
оценки технического состояния машины. В неисправной машине появля-
ются дополнительные шумы, стуки, повышение температуры, по которым
судят о характере дефекта.
Визуальный осмотр труднодоступных зон промышленных устано-
вок, который является одним из видов метода, проводится с помощью эн-
доскопов. Они выпускаются фирмами: ДАО "Оргэнергогаз" ИТЦ "Оргтех-
диагностика" (Россия), МНПО "Спектр" (Россия), IT Concepts/Интек (Рос-
сия), OLYMPUS (США), EVEREST VIT (США), Helling GmbH (Германия)
и другими. Эндоскопы имеют различные конструкции: гибкие и жесткие,
волоконно-оптические и линзовые, и подразделяются, в свою очередь, на
фиброскопы, бороскопы, видеоэндоскопы. Для освещения контролируемо-
го участка в них устанавливается источник света, а встроенная видеокаме-
ра позволяет отображать информацию на экран монитора. Визуальный
контроль может быть дополнен стробоскопическими методами.
Иногда применяются технические стетоскопы (функционирующие в
звуковом диапазоне частот), которые позволяют локализовать дефектный
узел машины с повышенными стуками и шумами.
Для количественной оценки технического состояния машины необ-
ходимо применение инструментальных методов диагностирования. В на-
стоящее время определен комплекс параметров, которые характеризуют
техническое состояние основных узлов и систем машин и оборудования.
Параметрическая диагностика широко применяется при контроле
состояния проточной части центробежных машин, цилиндро-поршневой
группы и клапанов поршневых машин, негерметичности уплотнений и то-
му подобное. В качестве диагностических признаков используются пара-
метры давления и температуры газа ступеней компрессора, его производи-
тельность, температура охлаждающей воды в холодильниках, рубашках
цилиндров, ее расход, ток, потребляемый электродвигателем из сети и то-
му подобное. Результаты этих измерений представляются на регистри-
рующие устройства центрального пульта управления или на ПЭВМ. В до-
полнение к этим параметрам могут измеряться температура подшипников,
давление масла, уровень вибрации.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана создана автоматизированная система
контроля, позволяющая контролировать до 60 медленно меняющихся
(температура, давление, производительность и так далее) и до 10 быстро
меняющихся параметров (индикаторная диаграмма, перемещение запор-
ных органов клапанов и так далее) поршневых компрессоров [8]. Она по-
зволяет измерять всю совокупность параметров, характеризующих работо-
способность машины, в объеме, необходимом для проведения испытаний в
соответствии с международными стандартами. Кроме того, система обес-
печивает отслеживание переходных режимов (пуск, остановка) работы
компрессора.
Фирма "HOERBIGER" (Австрия), специализирующаяся на конструи-
123
ровании клапанов, разработала аналогичную систему мониторинга порш-
невых компрессоров. Благодаря контролю и анализу индикаторного давле-
ния, температуры, вибрации и других параметров определяются неисправ-
ности в клапанах, различных уплотнениях и других узлах.
Эффективным методом диагностирования состояния трущихся дета-
лей является анализ продуктов износа в смазочном масле (трибодиагно-
стика). Одними из отечественных основоположников этого метода явля-
ются ученые РГУНГ им. И.М. Губкина. Среди всего многообразия спосо-
бов определения концентрации продуктов изнашивания в отработанном
масле, наибольшее распространение получили спектральные методы, ха-
рактеризующиеся высокой точностью и чувствительностью. Посредством
анализа проб масла определяют концентрацию в нем того или иного со-
ставляющего элемента материала трибосопряжения, по величине которой
оценивают осредненный износ соответствующей детали. Недостатком ме-
тода является определение суммарного износа деталей, изготовленных из
одних и тех же конструкционных материалов. Следует отметить, что ши-
рокого распространения в промышленности трибодиагностика пока еще не
получила. Но ее применение перспективно для оценки работоспособности
подшипников качения газоперекачивающих агрегатов (ГПА).
Спектрометры выпускаются различными отечественными и зару-
бежными организациями: РГУНГ им. И.М. Губкина (Россия), Baird
(США), Vickers (США) и другие. Они позволяют определять содержание
до 64 элементов примесей и массы частиц до 0,05 мг.
Для контроля деградационных процессов деталей машин и элемен-
тов конструкций оборудования нашел распространение метод поверхност-
ной активации (МПА), разработанный в МГТУ им. Н.Э. Баумана, ГНЦ РФ
Физико-энергетического института (г. Обнинск) и других научно-
исследовательских институтах. Он основан на измерении интенсивности
излучения радионуклидной метки, установленной на контролируемом уча-
стке поверхности объекта. В результате уноса радиоактивного вещества
смазочным маслом в машине или транспортируемой средой в трубопрово-
де ее излучение уменьшается. По градуировочным кривым это изменение
переводят в величину износа. Этот метод применяется при определении
износа цилиндров, подшипников двигателей, компрессоров, коррозии тру-
бопроводов и другого оборудования газовой и нефтехимической промыш-
ленности.
Практический опыт показал, что для контроля технического состоя-
ния узлов оборудования и трубопроводов нагнетателей вибрационный ме-
тод является одним из наиболее информативных. Он основан на использо-
вании информации, содержащейся в колебательных процессах. При этом
любой дефект какого-либо узла, который подвергается механическому
воздействию со стороны движущихся частей или потока пульсирующего
газа, характеризуется индивидуальным "вибрационным портретом". Виб-
124
родиагностический метод нашел наиболее широкое распространение во
всех отраслях промышленности.
Измерение интегральных вибрационных характеристик позволяет
определить общее техническое состояние машины. В основу нормирова-
ния абсолютной вибрации заложены рекомендации международного стан-
дарта ИСО 2372-74, в котором в качестве критерия используется среднее
квадратическое значение (СКЗ) виброскорости в диапазоне частот от 10 Гц
до 1 кГц.
Они основаны на допущении, что подобные по мощности, частоте
вращения, способам установки, условиям монтажа и эксплуатации агрега-
ты имеют примерно одинаковые допустимые значения вибрации при дос-
тижении предельного состояния. Базовым нормативным документом по
вибрации в настоящее время является ГОСТ ИСО 10816-1-97, введенный в
действие на территории РФ в 1999 г., в котором указано, что при сосредо-
точении значительной части вибрационной энергии за пределами диапазо-
на 10 - 1000 Гц дополнительному нормированию подвергается СКЗ вибро-
перемещения и виброускорения в соответствующей полосе частот. Причем
в качестве критериев оценки используют не только абсолютное значение
вибрации, но и их изменение в процессе эксплуатации. Нормы вибрации на
машины конкретных типов разработаны в стандарте ГОСТ ИСО 10816-1-
97, а также ГОСТ 25364-97.
Общие требования измерения относительной вибрации указаны в
ГОСТ Р ИСО 7919-1-99, в котором используются те же два критерия. В ка-
честве измеряемого параметра принят размах виброперемещения вала от-
носительно корпуса подшипника. На базе этого стандарта разработаны
нормы для различных машин.
В настоящее время на рассмотрении находится международный
стандарт по вибрации и ее анализу.
Различные дефекты узлов машин характеризуются различным рас-
пределением составляющих вибрации в ортогональных направлениях. По-
этому нормирование интенсивности вибрации корректно проводить раз-
дельно по каждой пространственной составляющей вибросигнала в полосе
частот, характерной для данного узла. Необходимость в различии оценки
горизонтальной и вертикальной вибрации отмечается в стандартах ГОСТ
Р ИСО 10816-3-99 и других.
Однако развитие того или иного дефекта в узле машины приводит не
столько к увеличению суммарного значения вибрации, сколько к возраста-
нию амплитуды отдельных гармоник, даже незначительного относительно
общего уровня, и поэтому организация контроля поведения отдельных
частотных составляющих позволяет распознавать различные неисправно-
сти и следить за ходом их развития. Технически это реализуется при раз-
ложении вибросигнала в спектр с помощью преобразования Фурье.
Статистическое накопление и анализ корреляционно-спектральных
125
характеристик вибросигнала, проведенные применительно к конкретным
машинам и их узлам, позволили установить взаимосвязи с износом в узлах
механизма движения.
Существенную помощь при диагностировании и хорошим дополне-
нием к экспериментальным методам оценки технического состояния ма-
шинного оборудования может служить компьютерное моделирование ди-
намики и изнашивания узлов, позволяющее связать воедино изменение
функциональных и динамических параметров машины с износом отдель-
ных ее элементов и прогнозировать эти процессы на время будущей экс-
плуатации. Таким способом определяются гармоники вибрации основных
дефектов.
Неисправный узел, работа которого сопровождается ударом, эффек-
тивней диагностировать с помощью анализа амплитуды огибающей вибро-
сигнала. Этот метод базируется на том, что периодическая последователь-
ность ударных импульсов, возбуждающая в той или иной степени весь
спектр собственных частот механизма, наилучшим образом - без помех,
вызванных рабочим процессом, проявляется в высокочастотной области в
виде амплитудной модуляции вибрационного процесса. Полосовая фильт-
рация высокочастотного сигнала, с последующим преобразованием Гиль-
берта (либо детектированием) и спектральным анализом амплитудной оги-
бающей позволяет, по частоте следования удара, локализовать дефектный
узел. Наибольшее применение этот метод нашел при контроле состояния
подшипников качения и зубчатых передач. Его использование перспектив-
но и для выявления некоторых дефектов поршневых машин.
При диагностировании зубчатых зацеплений или подшипников ка-
чения приходится сталкиваться с присутствием в спектре вибрации мно-
жества боковых составляющих в окрестности основных частот возбужде-
ния, что приводит к затруднению при формировании информативного ди-
агностического признака. Кепстральный анализ, являющийся обратным
преобразованием Фурье спектра сигнала в логарифмическом масштабе,
позволяет объединить энергию всех боковых комбинационных состав-
ляющих основных частот дефектного узла и представить их в виде одной
линии на графике.
Для мониторинга состояния машинного оборудования в режиме off-
line широко используются портативные сборщики-виброанализаторы. Они
выпускаются многими отечественными фирмами: ДАО "Оргэнергогаз"
ИТЦ "Оргтехдиагностика", НТЦ "ВиКонт", ЭАЦ "ВНИИГаз", "Диамех",
НТЦ "Приз", "ИНКОТЕС", "ТСТ", "ВАСТ", "Вибро-Центр", зарубежными
Bruel&Kjaer (Дания), Larson-Davis (США), Predict-DLI (США), ENTEK
(США), IRD Mechanalisys (Германия) и другими.
Наряду с переносными коллекторами и анализаторами широкое
применение нашли и стационарные системы вибромониторинга, функцио-
нирующие в режиме on-line. Для повышения достоверности технического
126
диагностирования в эти системы интегрируются и другие эффективные
методы (параметрические, трибодиагностика и другие). Они позволяют
непрерывно наблюдать за техническим состоянием энергомеханического
оборудования всего цеха (предприятия) и прогнозировать его изменение,
однако их стоимость в десятки и даже в сотни раз превосходит стоимость
переносных средств диагностирования.
Среди средств непрерывного мониторинга и вибродиагностики ма-
шин и оборудования особое место занимают системы фирмы "Bently-
Nevada" (США). В качестве основных диагностических признаков исполь-
зуются траектория прецессии и положение центра вала, которые форми-
руются из двух временных сигналов с датчиков относительного перемеще-
ния вала в подшипниках скольжения в ортогональных плоскостях. При
этом используются бесконтактные вихретоковые датчики относительной
вибрации - проксиметры. Форма орбиты прецессии вала и полный спектр
его относительной вибрации, включающий в себя прямую и обратную со-
ставляющие вибрации, дают четкое представление о природе неисправно-
сти. Эта система мониторинга и защиты оборудования используется на
турбокомпрессорах крупнотоннажных химических производств, таких как
ОАО Новомосковская акционерная компания "Азот" и других предприяти-
ях России.
Многие ведущие фирмы-производители компрессорного оборудова-
ния оснащают свои машины системами технической диагностики. Одну из
таких систем разработали специалисты ОАО "МНПО им. М.В. Фрунзе"
(Украина, г. Сумы) совместно с российскими предприятиями. Она ориен-
тирована на турбокомпрессорные машины, применяемые в газовой и неф-
тяной промышленности и реализуется параметрическими и вибрационны-
ми методами. Накоплен большой опыт диагностирования поршневых ком-
прессоров параметрическими методами, что позволило фирме совместно с
ОАО "Компрессор" (г. Санкт-Петербург) разработать соответствующую
экспертную систему технического диагностирования (СТД). На основе
данных вибродиагностики составляются различные методики и докумен-
ты. Так, в ОАО "Рязанский НПЗ" разработана система технического об-
служивания и ремонта насосов и компрессоров по техническому состоя-
нию, которая одобрена Госгортехнадзором России (ГГТН). В ОАО "Ир-
кутскНИИхиммаш" разработан руководящий документ "Центробежные
машины. Организация эксплуатации и ремонта по техническому состоя-
нию (Система планово-диагностического ремонта)", которая в 1998 г. ут-
верждена в Управлении Иркутского округа ГГТН.
В "НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа" (НИИТК) вибродиагно-
стике уделяется достаточно серьезное внимание. На проектируемых агре-
гатах (ГПА-16 "Волга", 2ГЦ2-23/21 и др.) разрабатываются системы встро-
енного мониторинга, создаются и дополняются базы данных типовых агре-
гатов с выявленными дефектами и вибрационными амплитудными спек-
127
трами. Совместно с фирмой "ИНКОТЕС" разрабатывается проект поставки
компрессорного оборудования с встроенной автоматической системой ди-
агностирования. Кроме того, в НИИТК разрабатываются системы, позво-
ляющие не только констатировать факт повышенной вибрации, но и с воз-
можностями борьбы с ней (например: применение вместо традиционных
подшипниковых опор ротора системы магнитных подвесов на ГПА-16
"Волга").
В ОАО НПО "Искра" на все разрабатываемые ГПА устанавливаются
средства контроля параметров работоспособности. По требованию заказ-
чика, машины оснащаются соответствующими датчиками и системой ди-
агностирования, в основе которых положены различные методы.
ОАО "Газпром" рекомендует включать в паспорт ГПА начальную
спектральную характеристику вибрации агрегата с целью оценки его тех-
нического состояния по изменению этой характеристики.
В ОАО "Газпром" совместно с "ВНИИГаз", "ИНКОТЕС" и другими
организациями разработан и внедрен целый ряд автоматизированных и по-
луавтоматизированных систем вибро-, параметрической диагностики и
защиты (СВИД, КАСКАД-АНТЕС, ДСА-2001 и так далее). Они предна-
значены для контроля технического состояния ГПА различных типов и
технологических трубопроводов с целью создания единой отраслевой сис-
темы диагностического обслуживания газотранспортной системы. Одна
такая АСТД, имеющая до 320 каналов, может контролировать состояние
оборудования всей компрессорной станции. Экспертная система на ЭВМ в
режиме "on-line" сообщает обо всех отклонениях параметров, осуществля-
ет поиск неисправностей и выдает рекомендации о дальнейшей эксплуата-
ции оборудования.
В полуавтоматизированных системах сбор информации осуществля-
ется переносными коллекторами. Такие системы применяются на устарев-
шем оборудовании, где системы автоматики и управления не приспособ-
лены к созданию на их основе АСТД, а замена систем управления на новые
не оправдана с технико-экономической точки зрения.
На базе существующих АСТД в ОАО "Газпром" совестно с РГУНГ
им. И.М. Губкина и НПО "ВНИИЭФ-Волгогаз" разрабатывается дополни-
тельный модуль трибодиагностики.
На химических и нефтеперерабатывающих предприятиях нашла ши-
рокое распространение система мониторинга КОМПАКС®, разработанная
в НПЦ "Динамика". Помимо контроля комплекса параметров работы ма-
шины, в экспертной системе на ЭВМ проводится анализ ее вибрационного
состояния с использованием различных методов обработки вибросигнала,
в том числе и статистических. По заложенным в СТД алгоритмам диагно-
стирования и нормам на определенный тип машины выдается сообщение о
той или иной неисправности. Кроме этого, экспертная система позволяет
пользователю формировать собственные правила диагностирования.
128
Отличительной ее особенностью является эффективное использова-
ние электронного документооборота, включающего в себя ремонтную,
эксплуатационную документацию на каждую единицу оборудования. Ис-
пользование локальной сети предприятия позволило в автоматизирован-
ном режиме предоставлять на ЭВМ пользователей информацию о состоя-
нии оборудования и действиях персонала службам технадзора, главного
механика, энергетика.
Диагностирование оборудования, не подключенного к стационарным
системам КОМПАКС®, осуществляется с помощью переносной системы
COMPACS-MICRO™.
В последнее время имеет место тенденция создания "открытых" экс-
пертных систем, где у пользователя есть возможность контролировать про-
цесс постановки диагноза, а также ввести собственный алгоритм. Так,
фирмой "ИНКОТЕС" разработаны диагностические модули для эксперт-
ных систем, предназначенные для контроля различных типов ГПА, венти-
ляторов, насосов и другого оборудования. При этом, виброанализ может
проводиться по 17 функциям (спектр, огибающая, кепстр, корреляция и так
далее). В настоящее время ведутся исследования по использованию вейв-
лет-преобразований.
Кроме НПЦ "Динамика" и "ИНКОТЕС", системы такого типа разра-
батываются фирмами "ТСТ", "Вибро-Центр", Bruel&Kjaer и другими.
Кроме представленных выше, в России разработкой систем вибро-
контроля и диагностики занимается большое количество ведущих фирм:
ОАО "ИркутскНИИхиммаш", ФГУП НПО измерительной техники, ЗАО
"Промсервис" и другие. Для того, чтобы обеспечить совместимость пере-
дачи данных среди различных вибродиагностических систем, в 1996 г. был
принят международный стандарт MIMOSA. Он предоставляет возмож-
ность описания не только первичных, но и вторичных данных, полученных
в результате обработки сигналов.
В последнее время наблюдается интенсивное развитие экспертных
систем за счет создания надежных и быстрых алгоритмов поиска неис-
правностей.
В качестве их методологической основы используется логический
анализ причинно-следственных связей. Имеются также работы по созда-
нию автоматических систем искусственного интеллекта в виде нейроком-
пьютеров, нейросетей. Но сейчас наиболее предпочтительными являются
информационные технологии, ориентированные на использование нечет-
ких множеств, которые реализуются на базе традиционной вычислитель-
ной архитектуры.
На сегодняшний день уровень развития виброанализирующего обо-
рудования и программного обеспечения не позволяет выявить полностью
все виды дефектов встречающихся и развивающихся в машинах и обору-
довании.
129
Вибродиагностика не всегда может дать однозначный ответ на во-
прос - достиг ли тот или иной элемент конструкции предельного состоя-
ния? А если не достиг, то - как долго его можно эксплуатировать? Для того
чтобы ответить с достаточно высокой степенью достоверности на эти во-
просы, необходимо проведение натурных обследований объекта. Зачастую
это предусматривается при проведении экспертизы промышленной безо-
пасности.
Экспертные организации, действующие на основании лицензии Гос-
гортехнадзора России, проводят комплекс работ по техническому диагно-
стированию в соответствии с утвержденными методиками и инструкция-
ми, включая визуально-измерительный контроль, методы неразрушающего
контроля состояния металла, функциональную диагностику, расчет на
прочность с учетом фактического технического состояния и условий экс-
плуатации с применением методов математического моделирования, опре-
деление остаточного ресурса. В ООО НИИ "Механик" накоплен значи-
тельный опыт в этой области для компрессоров различных типов, разрабо-
тано программное обеспечение на ЭВМ. Использование в этом случае бо-
лее полной информации о состоянии объекта позволяет определять ресурс
не только по критерию снижения рабочих характеристик машины, но и по
критерию прочности деталей.
Расчеты на прочность и ресурс предусматривают исследования на-
пряженно-деформированного состояния (НДС) конструктивных узлов ма-
шины. Причем соответствующих методик не существует в достаточном
количестве. В НИИТК имеется опыт в разработке методик расчета на ста-
тическую и динамическую прочность любых элементов конструкции ма-
шин и сопутствующего оборудования (рамы, трубопроводные обвязки,
маслоохладители и т. д.).
Для расчетов применяется хорошо зарекомендовавшая себя система
конечно-элементного моделирования ANSYS. С помощью этой системы
успешно решаются задачи статической и динамической прочности, как в
линейной, так и нелинейной постановке, а также задачи расчета динамиче-
ской, термодинамической и газодинамической нагрузки.
При проведении экспертизы промышленной безопасности, в НИИТК
имеется опыт моделирования и расчета (с помощью системы ANSYS и
программ собственной разработки) на остаточную прочность деталей с
учетом наличия различных видов дефектов таких как: подрезы и коррози-
онный (эрозионный) износ, повреждения в корпусе, вмятины на корпусе
маслоотделителя и др. Для подтверждения результатов расчетов, детали
проходят испытания на прочность на соответствующих стендах.
Таким образом, анализ остаточной прочности и оценка ресурса, с ис-
пользованием методов накопления усталостных повреждений, позволяет
более обоснованно назначать дополнительный ресурс деталей или узлов.
Подводя итоги, можно указать на следующие характерные особенно-
го
сти развития современной отечественной промышленности. В последнее
десятилетие значительно возросло значение применения систем диагно-
стирования, что связано, в первую очередь, с эксплуатацией старого обо-
рудования. Все больше предприятий понимают важность этого шага, сви-
детельством чего является широкое внедрение стационарных систем мони-
торинга в масштабах всего производства и отрасли, их быстрая окупае-
мость. Переносные системы диагностирования играют и будут играть
большую роль в обеспечении безопасности предприятий. В результате
прослеживается тенденция широкомасштабного внедрения технологий ре-
сурсосберегающей эксплуатации, где в комплексе решаются вопросы
обеспечения надежности объекта.
4.2.	Метод оценки технического состояния машин
Машины состоят из отдельных составных частей (двигателя, редук-
тора, насоса, компрессора и др.). Составные их части состоят из элемен-
тов: подшипников, роторов, уплотнений, трубопроводов, проточной час-
ти, зубчатых передач, электромагнитных систем и др. Кроме того, имеют-
ся строительные конструкции, системы охлаждения и смазки, управления
и контроля. Отказ или неправильный режим работы какой-либо составной
части или системы приводит к нарушениям нормального функционирова-
ния машины в целом. Поэтому обычно при контроле технического состоя-
ния машин применяется системный подход. При оценке технического со-
стояния машин необходимо решить задачи:
-	как должна функционировать машина;
-	как она функционирует в данный момент;
-	почему произошли отклонения от нормального функционирования.
Решение этих задач требует комплексного подхода. Для этого необ-
ходимо объединить усилия различных специалистов: конструкторов,
строителей, механиков и технологов, специалистов по трению и износу, по
контролю показателей назначения и автоматическому регулированию, по
техническому надзору и ремонту, по неразрушающему контролю и вибро-
диагностике, по надежности и безопасности. Оценка технического состоя-
ния составных частей машин должна проводиться с учетом их режима ра-
боты, анализа обеспечения показателей надежности и безопасности. На
предприятии должна существовать система связанных баз данных, на ос-
новании которых производится оценка технического состояния машин в
конкретный момент времени (диагностика), прогнозируется остаточный
ресурс составных частей до ремонта (прогнозирование) и определяется
причина преждевременного вывода машин из эксплуатации (генетика), а
также анализируется обеспечение показателей надежности и безопасно-
сти.
131
Все программное обеспечение и нормативные документы предпри-
ятия должны разрабатываться на единой платформе. Новые разработки
должны разрабатываться для решения конкретных задач и быть связаны с
действующими нормативными документами и программным обеспечени-
ем. Они их должны дополнять и не снижать требований национальных
стандартов. При сборе и обработке данных не последнюю роль играет че-
ловеческий фактор. Поэтому технический уровень всех специалистов дол-
жен отвечать современному уровню, так как ошибка одного, как и ошибки
в алгоритмах программ, в инструкциях и правилах приводит к принятию
неправильного коллективного решения.
Одной из задач оценки технического состояния является создание
на предприятиях опорных пунктов мониторинга и диагностики насосно-
компрессорного и другого оборудования и машин, организация ремонта
его составных частей по состоянию, повышение надежности и обеспечение
безопасной эксплуатации. С опорными пунктами налаживается постоянная
связь с помощью электронной почты, что позволяет оперативно оказывать
консультации и совершенствовать систему контроля качества функциони-
рования машин и ремонта путем обработки полученной информации от
опорных пунктов.
При эксплуатации машины для оценки технического состояния ее
составных частей используются вибрационные методы и проводится кон-
троль изменения основных показателей режима работы. Так как значение
вибрации составных частей машин зависит от режима работы и состояния
опорных конструкций, то при анализе ее изменений необходимо это учи-
тывать.
НТЦ «Диагностика» классифицировал основные виброакустические
источники составных частей компрессорного и насосного оборудования и
разработал новый способ диагностики механизмов по изменению интен-
сивности основных виброакустических источников (А.С. N 1559761, па-
тент Украины N 13540, G01 N 7/00).
Колебания, регистрируемые виброакустическим датчиком, установ-
ленным в контрольной точке, представляют собой суперпозицию колеба-
ний от различных виброакустических источников. Каждый виброакуэтиче-
ский источник имеет свой спектр, который надо выделить из общего и для
оценки его интенсивности определить суммарный уровень. Интенсивность
виброакустических источников определяется мощностью возбуждения, ко-
торая зависит от конструктивных параметров составных частей компрес-
сорного или насосного агрегата и от их расположения, от технологических
дефектов, от технического состояния их кинематических пар и элементов
проточной части, режима работы и точки измерения параметров виброаку-
стических сигналов. Конструктивные параметры и дефекты составных час-
тей агрегата влияют не только на уровень вибрации, но и на перераспреде-
ление энергии между различными частями составляющих спектра.
132
Значение параметра виброакустического сигнала в определенном
диапазоне (узкополосном, третьоктавном и более широком) не позволяют
достаточно точно оценить интенсивность основных виброакустических ис-
точников в контрольных точках, так как сравниваются и анализируются
лишь отдельные спектральные составляющие спектра. В узкополосном
спектре этих составляющих большое число (от 800 и более), что значи-
тельно затрудняет анализ результатов измерения.
Предложенный способ оценки интенсивности основных виброаку-
стических источников заключается в установлении для них интегральных
характеристик, т.е. позволяет представить информацию в сжатом виде. Эти
характеристики определяют при обработке усредненного (или мгновенно-
го, максимального) узкополосного спектра виброакустических сигналов от
датчиков, установленных в наиболее информативных контрольных точках,
путем выполнения таких операций:
-	выделение и суммирование усредненных дискретных составляю-
щих спектра (среднеквадратических или мгновенных, пиковых значений)
параметра вибрации (виброскорости, виброускорения, вибросмещения) для
каждого виброакустического источника периодических и квазипериодиче-
ских колебаний с учетом характерных его особенностей;
-	идентификация непрерывных (сплошных) составляющих усред-
ненного (или мгновенного) спектра параметра вибрации по совокупности
признаков и выделение, при необходимости, информативных частотных
диапазонов с непрерывным спектром;
-	суммирование только усредненных уровней составляющих непре-
рывного спектра в выбранном информативном диапазоне.
Для определения интенсивности виброакустического источника не-
прерывного спектра допускается определять интегральную характеристику
путем исключения дискретных и существенных узкополосных и широко-
полосных экстремумов спектра в интересующем частотном диапазоне и
суммирования оставшихся составляющих спектра.
Для идентификации частотных составляющих спектра используют
различные методы отключения, исключения или выделения виброакусти-
ческих источников. Выбирают наиболее информативные контрольные
точки для определения вибрационных характеристик, проводят специаль-
ные испытания агрегата и определяют скоростную, режимную, контурную
и смазочную вибрационные характеристики, определяют резонансные час-
тоты, которые необходимо разделить по происхождению на механические
и аэродинамические и т.д. При анализе и обработке узкополосного спектра
используют характерные особенности виброакустических источников со-
ставных частей агрегата:
-	частоты дискретных составляющих спектра, связанные с частотой
вращения (основные и полуторные гармоники частоты вращения, ее суб-
гармоники, гармоники основных лопаточных и зубцовых частот, а также
133
их боковые частоты, которые возникают при модуляции: колебания на ос-
новной частоте вращения или других частотах, например колебания, свя-
занные с частотой срыва потока, и др.);
-	узкополосные и широкополосные локальные экстремумы спектра
(колебания, передающиеся от рядом работающих источников вибрации
или составных частей агрегата, частот, связанных с автоколебаниями и
гистерезисными явлениями, критические частоты валопровода, резонанс-
ные частоты агрегата, связанные с колебаниями механических систем и
изменениями их параметров, а также с колебаниями столбов газа или жид-
кости в трубопроводах и каналах проточной части, следует учитывать бо-
ковые частоты, связанные с модуляцией резонансных колебаний, например
собственных колебаний лопаток рабочего колеса колебаниями на основной
частоте вращения или пульсациями потока, и др.);
-	типичные (регрессионные) зависимости интенсивности виброаку-
стических источников от конструктивных и газодинамических параметров;
-	корреляционную связь между различными параметрами и харак-
теристиками составных частей компрессорного агрегата.
Виброакустическими источниками, имеющими малую интенсив-
ность по сравнению с другими источниками, или замаскированными более
интенсивными, обычно пренебрегают при условии, что это не повлияет на
надежность более раннего обнаружения дефекта. В противном случае не-
обходимо использовать методы выделения этих источников.
Оценка технического состояния составных частей машин произво-
дится путем сравнения текущих вибрационных характеристик и основных
показателей режимов работы с базовыми. Такой подход дает значитель-
ные преимущества по сравнению с другими методами, так как объединя-
ются методы параметрической и виброакустической диагностики. Исполь-
зуется метод, который позволяет оценить изменения не только отдельных
составляющих спектра и общих уровней параметров вибрации в опреде-
ленном частотном диапазоне, а изменение интенсивности конкретных виб-
роакустических источников и информативных составляющих узкополос-
ного спектра. При этом методе ненужно проводить порядковый и кепст-
ральный анализ, использовать метод огибающей.
Для оценки технического состояния составных частей применяются
четыре критерия, как и в стандартах ИСО (ГОСТ ИСО 10816-1): хорошо
(зона А); приемлемо (зона В); допустимо (зона С); недопустимо (зона Д)
(рис. 4.1).
По результатам сравнения текущих вибрационных характеристик
(виброскорости, виброускорения, вибросмещения) и показателей режима
работы с базовыми составляется паспорт технического состояния основ-
ных элементов каждой составной части компрессорного агрегата и выяв-
ляются существенные их изменения (зона С и Д).
134
Неисправности и дефекты машин (связанные с износом кинематиче-
ских пар и проточной части, с дефектами монтажа и сборки, с дисбалан-
сом движущихся частей, с неблагоприятными режимами работы и т.д.) оп-
ределяются по изменениям вибрационных характеристик и показателей
режима работы. Для этого используются диагностические словари и спе-
циально построенные графики (диаграммы), функциональные и регресси-
онные зависимости.
По существенным изменениям составляющих узкополосного спек-
тра, интенсивности основных виброакустических источников и показате-
лей режима работы определяют перечень наиболее вероятных неисправно-
стей и дефектов, устанавливаются основные причины их возникновения и
дополнительные диагностические признаки для уточнения диагноза (со-
кращение перечня возможных дефектов, после проведения дополнитель-
ных обследований объекта). Метод исследования причин вибрации машин
основан на методе последующего исключения, позволяющего из группы
возможных причин выделить те, которые наиболее вероятны. На основе
предварительного анализа результатов стандартного и расширенного виб-
рационных обследований, текущих и предыдущих, ремонтной и эксплуа-
тационной документации исключаются из дальнейшего рассмотрения
причины, которые не могут вызвать изменений вибрации.
Для этой цели также используется статистика отказов эксперимен-
тальной и/или контролируемой машины (исключаются маловероятные от-
казы).
Результаты опроса обслуживающего персонала:
-	когда и при каких обстоятельствах была обнаружена повышенная
вибрация (после монтажа, после капитального или текущего ремонта, в
процессе эксплуатации, вибрация возникла скачком или постепенно, были
оставлены после капитального ремонта какие-либо дефекты и т.д.);
-	какие приняты меры по обеспечению безопасности агрегата (он
остановлен, оставлен в эксплуатации, ограничен по нагрузке и т.д.);
-	какие имеются наблюдения за характером вибрации (она зависит
от нагрузки, не зависит от нагрузки, внезапно возникает и исчезает, возни-
кает при определенных условиях, преобладает в определенных точках и
т.д.);
-	какие работы по ремонту агрегата или регулировке его режима ра-
боты предшествовали появлению вибрации.
Результаты анализа отклонения значений основных показателей ре-
жима работы от указанных в регламенте (начального и конечного давления
газа или перекачиваемой жидкости, а также их температуры, производи-
тельности и мощности агрегата, стабильности частоты вращения ротора,
температуры масла для смазки подшипников, характеристик масла, нали-
чия продуктов износа и воды в масле и др.) за время изменения техниче-
ского состояния.
135
Предельные значения виброскорости для агрегатов разной мощности				
Уровень вибрации корпуса в полосе 10-1000 Гц, мм/с	Небольшие машины мощностью до 15 кВт	Средние машины мощностью от 15 до 75 кВт	Большие машины с вращаю- щимися массами, смонтиро- ванные на жестких и тяжелых фундамен- тах.	Турбоустановки
28				
18				
11				
7				
4.50				
2.80				
1.80				
1.12				
0.71				
0.45				
0.28				
1	Условные обозначения
	Состояние агрегата хорошее
	Состояние агрегата допустимое
	Состояние агрегата удовлетворительное
	Состояние агрегата недопустимое
Рис. 4.1. Техническое состояние по ГОСТ ИСО 10816-1
136
Результаты анализа нестационарности сигнала на оборотной частоте
и учета только тех неисправностей, которые связаны с определенной оцен-
кой нестационарности (стационарная, квазистационарная, нестационарная;
внезапное изменение - скачок, изменение значения при изменении режима
нагрузки, изменение при изменении скорости потока перекачиваемой жид-
кости или сжимаемого газа, а также других его характеристик и показате-
лей режима работы проточной части, медленный или быстрый монотон-
ный рост, повышение изменения на установившихся режимах работы).
Результаты анализа показателей аппаратуры бесконтактного измере-
ния колебаний ротора (при ее наличии).
Результаты изменения технического состояния составных частей
объекта (оценка нескольких обследований).
Для оценки технического состояния подшипников качения состав-
ных частей компрессорного оборудования обрабатываются узкополосные
спектры с целью обнаружения информативных частот возбуждения в них
колебаний, по которым устанавливается перечень их неисправностей с
учетом оценки уровня их колебаний. При необходимости дополнительно
оценивается пик-фактор сигнала и коэффициент эксцесса. При оценке тех-
нического состояния подшипников анализируются колебания на их собст-
венных частотах (основные и модулированные колебания).
Диагностические правила постоянно усовершенствуются по мере
сбора информации о конкретном объекте контроля. Вначале используются
все известные диагностические признаки, а после пополнения статистиче-
ского материала устанавливаются правила по качественным изменениям
наиболее информативных вибрационных характеристик и показателей ре-
жима работы для конкретных отказов или группы отказов. После получе-
ния эталонных вибрационных характеристик и информативных показате-
лей режима работы для всех основных классов состояния объектов (для
возможного перечня его отказов при изменении режима работы и струк-
турных параметров, характеризующих его техническое состояние) диагно-
стику можно будет проводить путем сравнения текущих наиболее инфор-
мативных диагностических параметров с эталонными и определять, с оп-
ределенной вероятностью, возможные классы состояния объекта (т.е. оп-
ределять характер отказа и перечень возможных дефектов с определенной
вероятностью).
Разработка полустационарной системы диагностического обслужи-
вания оборудования предприятия включает несколько этапов работы.
Первый этап - изучение объектов контроля и разработка программ
и методики их периодического обследования. До проведения обследования
машин необходимо изучить их основные технические характеристики, со-
брать данные для составления кинематических схем и уточнения точек
контроля вибрации, определить перечень основных отказов, уточнить пе-
речень и предельные значения структурных параметров (геометрических
137
параметров деталей и параметры их взаимного расположения), а также ос-
новные контролируемые показатели их режима работы и диапазоны их из-
менения (газодинамические характеристики, характеристики сжимаемой
или перекачиваемой среды, характеристики масла для уплотнения и смаз-
ки).
Второй этап - проведение обследования объектов и разработка ре-
комендаций по снижению виброактивности их составных частей и опти-
мизации режима их работы. Очень важно до разработки системы монито-
ринга и диагностики устранить конструктивно-технологические дефекты,
дефекты монтажа и ремонта, а также неблагоприятные режимы работы
объекта и его привода. Для оценки технического состояния составных час-
тей объектов определяются базовые вибрационные характеристики для
каждой точки их контроля и четырех зон оценки технического состояния.
Составляется паспорт технического состояния составных частей объектов,
по существенным изменениям текущих вибрационных характеристик от
базовых, а также по результатам анализа основных показателей режима
работы определяется объем ремонта и разрабатываются рекомендации по
оптимизации режима работы.
При необходимости оцениваются виброшумовые (включая инфра- и
ультразвук) воздействия на персонал и разрабатываются мероприятия по
его защите.
Третий этап - обучение технического персонала и контроль основ-
ных показателей надежности. Разрабатывается программа и методика опе-
ративной диагностики и передается заказчику. Даются рекомендации по
приобретению технических средств диагностики. Проводятся периодиче-
ские обследования оборудования совместно с техническим персоналом за-
казчика. После каждого обследования составляется паспорт технического
состояния объектов и определяется, при необходимости, объем ремонтных
работ. По ремонтной документации изучается характер и частота отказов
каждого объекта и оцениваются основные показатели надежности (нара-
ботка на отказ основных элементов составных частей объекта и объекта в
целом, средний ресурс до среднего и капитального ремонта). При прове-
дении обследования объекта собирается информация о технических ос-
мотрах и ремонтах его составных частей, о выявленных дефектах и об ава-
рийных ситуациях по результатам контроля прочности основных деталей
методом неразрушающего контроля. При необходимости уточняются ба-
зовые вибрационные характеристики.
Четвертый этап - разработка программного обеспечения для мони-
торинга и диагностики оборудования и обучение его персонала. Для уста-
новления критериев отказов и предельных состояний составных частей
объектов необходимо для них установить номенклатуру основных требо-
ваний, исключая зависимые и неконтролируемые требования. Для каждого
требования необходимо составить перечень признаков проявления нару-
138
шения работоспособности и определить метод его выявления (основными
или дополнительными средствами виброакустической и параметрической
диагностики, методами неразрушающего контроля, экспериментально-
расчетными методами, органолептическими методами).
Пятый этап - совершенствование системы диагностического обслу-
живания и разработка рекомендаций по дальнейшему повышению надеж-
ности, безопасности и эффективной работы объектов. Для решения задач
последнего этапа необходима постоянная связь между разработчиками
системы и заказчиками с целью обобщения и анализа опыта, уточнения ба-
зовых характеристик, определения поправок на режим работы, разработки
и внедрения новых решающих правил диагностики.
При оценке технического состояния составных частей объектов на
предприятии решаются следующие задачи:
-	определяется соответствие параметров технического состояния
объектов контроля нормативным значениям;
-	выявляются существенные изменения от нормальных показателей
функционирования объекта контроля, и определяется причина ухудшения
его работоспособности;
-	определяется дополнительный ресурс эксплуатации до следующе-
го обследования составных частей объекта или ресурс их эксплуатации до
вывода в ремонт или списание;
-	оцениваются показатели надежности составных частей объектов и
разрабатываются мероприятия по их улучшению;
-	оценивается степень безопасности эксплуатации объектов контро-
ля.
В общем случае перечень работ, выполняемых при техническом ди-
агностировании и испытании объектов контроля, включает в себя:
-	ознакомление с проектной, строительно-монтажной и эксплуата-
ционной документацией с целью выявления отклонений от проектных ре-
шений по узлам и элементам составных частей объектов;
-	внешний осмотр состояния узлов и элементов действующих объек-
тов, опрос обслуживающего персонала о работе машины и ее техническом
обслуживании;
-	диагностические измерения параметров и испытания объектов;
-	анализ результатов технического диагностирования и подготовка
заключения о техническом состоянии объекта контроля (отдельных со-
ставных частей и объекта в целом).
Оценка технического состояния составных частей объектов контроля
производится:
-	при периодическом виброконтроле (ежесуточно обслуживающим
персоналом и контролируется механиком установки);
-	при стандартном обследовании на установившемся (плановом) ре-
жиме работы (экспертами - персоналом отдела технического надзора, че-
139
рез 600-1000 часов работы, до и после ремонта);
-	при стандартном расширенном обследовании (экспертами отдела
технического надзора);
-	при проведении специального вибрационного исследования (экс-
пертами отдела технического надзора, совместно с технологами и другими
привлеченными специалистами);
-	при дефектации элементов (при разборке и ремонте, механиками
и привлеченными специалистами).
Назначенный ресурс для ремонтопригодных составных частей объ-
екта последовательно (по этапам) увеличивается по мере выработки на-
чального или очередного назначенного ресурса на основании:
-	уточнения характера и условий эксплуатации парка однотипных
объектов;
-	накопления статистики и анализа характера отказов однотипных
объектов;
-	результатов периодического контроля технического состояния со-
ставных частей объекта по вибрационным характеристикам и основным
показателям режима их работы;
-	результатов контроля прочности основных деталей (в соответствии
с требованиями ТУ на ремонт и документации изготовителя) методами не-
разрушающего контроля и пневматическими или гидравлическими испы-
таниями;
-	своевременной заменой изношенных деталей, имеющих предельное
состояние по ТУ;
-	устранение причин отказов;
-	отработкой составных частей агрегата по катастрофическим отка-
зам.
Безопасность эксплуатации объекта контроля в пределах назначен-
ного ресурса контролируется опытом эксплуатации всего парка однотип-
ных объектов. Особое внимание должно уделяеться объектам, которые
максимально опережают по наработке остальной парк и работают при
больших динамических и статических нагрузках.
При периодическом контроле технического состояния подшипни-
ков составных частей машин обслуживающий персонал регистрирует в
эксплуатационном журнале вибрационные характеристики (общие сред-
ние квадратические значения виброскорости и виброускорения) и оценива-
ет техническое состояние по нормативным значениям.
В случае оценки технического состояния «еще допустимо» (зона С)
или «недопустимо» (зона Д), а также при внезапном изменении виброско-
рости и виброускорения (скачки) при установившемся режиме работы или
постоянном росте их значения обслуживающий персонал вызывает спе-
циалистов отдела технического надзора, как и в случае изменения показа-
телей режима работы (при отсутствии регулирующих воздействий). Если
140
вибрационные характеристики существенно изменились при изменении
режима работы, то в первую очередь рекомендуется обеспечить благопри-
ятный режим работы машины.
Состояние составной части объекта при оперативной диагностике
оценивается как нормальное:
-	при отсутствии низкочастотной вибрации с интенсивностью более
0,5 мм/с (уровня субгармоник и экстремумов в диапазоне частот
0,30-0,48 от оборотной частоты);
-	при отсутствии внезапного и необратимого изменения общего
уровня виброскорости на 1 мм/с в двух и более точках;
-	при отсутствии непрерывного роста общего уровня виброскорости
за относительно небольшое время (1-3 суток) на 2 мм/с в любой из
точек;
-при отсутствии существенного изменения спектральных состав-
ляющих виброскорости и виброускорения (гармоник оборотной
частоты, основных и боковых лопаточных и зубцовых частот, полу-
торных частот, а также непрерывных (сплошных) составляющих и
локальных экстремумов спектра).
Внезапным изменением вибрации (скачком) является мгновенное (за
доли секунды) необратимое изменение уровня на величину не менее 1 мм/с.
При техническом состоянии какой-либо составной части объекта
контроля «недопустимо» (зона Д) по нормативным вибрационным харак-
теристикам он выводится из эксплуатации. Оценка технического состоя-
ния по базовым вибрационным характеристикам высокого уровня более
жесткая и не сразу удается достигнуть приемлемого результата. Иногда
следует изменить некоторые значения базовых характеристик, если при
этом будут выполняться требования по надежности. Очень важно устра-
нить внеплановые отказы их элементов, которые, как правило, вызывают
вторичные повреждения и дополнительные затраты на ремонт. При оценке
технического состояния «допустимо» (зона С) целесообразно провести
расчет остаточного ресурса до критического значения вибрации (зона Д).
После проведения ремонта эксперт заносит в базу данных все выяв-
ленные дефекты и основные показатели режима работы машины, прово-
дит анализ изменений основных показателей надежности (наработку на
отказ основных элементов составных частей и средний ресурс до капи-
тального ремонта), показателей безопасности и результаты неразрушаю-
щего контроля. При ухудшении показателей надежности базовые характе-
ристики необходимо ужесточить, а при их обеспечении некоторые значе-
ния базовых характеристик можно увеличить.
Эксперт, используя информацию о дефектах и причинах неисправ-
ностей, о дополнительных признаках и о методах выявления неисправно-
стей, при необходимости составляет программу расширенного стандартно-
го обследования или специального вибрационного обследования объекта, а
141
также программу обследования элементов составных частей объекта при
их разборке, которая согласовывается в установленном на предприятии
порядке.
Расширенное обследование объектов контроля проводится при
уточнении причин нарушения нормального функционирования объекта и
выявления скрытых дефектов до и после ремонта с целью:
-	сбора статистических данных (необходимых для построения рег-
рессионных зависимостей и определения эталонных характеристик для
конкретных дефектов и отказов составных частей объектов контроля);
-	выявления резонансов и контроля изменения значений резонансных
частот;
-	исследования переходных режимов и нестационарных процессов.
При ознакомлении с документацией необходимо определить соот-
ветствие зазоров и натягов в подшипниках, а также центровок по полу-
муфтам, рекомендуемым значениям. В тех случаях, когда изменение виб-
рации локализуется на одном подшипнике или части фундамента, или кон-
сольной части ротора составной части агрегата, рекомендуется построение
контурной характеристики вибрации (анализ изменения ее векторов и фаз).
При пуске и остановке агрегатов целесообразно регистрировать и
анализировать зависимости первых трех гармоник оборотной частоты
(вектора и фазы) от скорости вращения ротора.
При расширенном обследовании рекомендуется проведение сле-
дующих работ:
-	измерение и анализ фазы колебаний в информативных точках;
-	анализ орбиты и положения вала, при наличии штатной системы
контроля вибрации вала (сигнал можно записать с ее выхода на анализа-
тор);
-	определение скоростной характеристики (при выбеге или разгоне
машины);
-	исследование влияния основных показателей режима работы объ-
екта на его вибрационные характеристики;
-	снятие и анализ контурной вибрационной характеристики;
-	проведение расчетов и исследований на ЭВМ с помощью специ-
альных программ, позволяющих проводить моделирование;
-	анализ и обработка осциллограмм вибрационного процесса, запи-
санных в информативных точках совместно с сигналом таходатчика;
-	анализ трендов вибрационных характеристик и показателей режима
работы с целью оценки остаточного ресурса до капитального ремонта
и/или изучения нестационарности процессов;
-	анализ характеристик масла для уплотнения и смазки, а также на-
личия и вида в нем продуктов износа кинематических пар;
-	анализ характеристик перекачиваемой жидкости или сжимаемого
газа;
142
-	анализ температуры поверхности составных частей объекта;
-	проведение ресурсных испытаний объекта для оценки основных
показателей надежности.
Перед проведением ремонта объекта целесообразно провести изме-
рение фазы и амплитуды виброскорости первой и второй гармоники обо-
ротной частоты на корпусах подшипников (и шейке вала, если установле-
на штатная аппаратура контроля) и проанализировать их изменение после
проведения ремонта. По анализу фаз в различных точках контроля объекта
можно выявить ряд дефектов, которые не позволяет обнаружить анализ
амплитуд спектра. Также рекомендуется анализ скоростных характеристик
до и после ремонта.
При наличии штатной аппаратуры контроля относительных колеба-
ний вала анализ его орбиты в подшипниках и среднего положения также
значительно расширяет возможности диагностирования объекта.
Анализ осциллограмм, особенно поршневых машин, позволяет так-
же расширить возможности их диагностирования.
Для оценки технического состояния проточной части турбомашин
очень важно сравнение текущих значений газодинамических и энергетиче-
ских характеристик с приведенными в паспорте.
Контроль и анализ температуры поверхности объектов позволяет
также установить причину вибрации на гармониках частоты вращения.
Вибрационное исследование объектов проводят с целью изучения
влияния различных факторов (показателей режима работы и определенных
структурных показателей) на вибрационные характеристики с целью полу-
чения режимных или эталонных вибрационных характеристик, а также для
выяснения и устранения причин повышенной вибрации составных частей
объекта.
Одной из важных задач является определение собственных частот
различных элементов и разработка рекомендаций по их отстройке от вы-
нужденных, а также уменьшение температурных деформаций и устранение
трения в кинематических парах. Трение влияет на значение критической
частоты ротора (она увеличивается). Поэтому важно сравнить расчетные
ее значения и экспериментальные.
Для обеспечения работоспособности объектов и предупреждения по-
вышенной вибрации их составных частей необходимо проводить профи-
лактические мероприятия.
Рекомендуется при остановке и разборке машины контролировать
дефектацию деталей и соблюдение технологии ремонта составных частей
машин, а также качество их повторного монтажа.
Механики оборудования и ответственные специалисты отдела тех-
нического надзора должны следить за своевременным проведением виб-
рационных и прочностных обследований составных частей объектов
контроля.
143
После проведения вибрационного обследования и обработки на
ЭВМ данных эксперт отдела технического надзора предоставляет механи-
ку оборудования следующую информацию:
-	паспорт технического состояния обследованных составных частей
объекта по нормативным и базовым вибрационным характеристикам, с
выявленными существенными изменениями текущих их значений от нор-
мативных и базовых;
-	паспорт технического состояния подшипников качения и заключе-
ние о их состоянии (перечнем обнаруженных дефектов);
-	перечень возможных неисправностей и их причин с указанием пе-
речня возможных дефектов и, при необходимости, рекомендаций по про-
ведению расширенного обследования, а также расчет остаточного ресурса
до критического уровня вибрации;
-	результаты анализа отклонений текущих значений контролируемых
параметров режима работы объекта от номинальных.
Для оценки и контроля основных показателей надежности и оста-
точного ресурса ответственных деталей, которые периодически должны
проверяться по прочности методами неразрушающего контроля, механики
оборудования в ремонтном журнале фиксируют:
-	отказы ответственных деталей составных частей оборудования;
-	общую наработку объекта в целом и наработку его составных час-
тей (общую и после среднего и капитального их ремонта, а также после
последнего вибрационного обследования);
-	перечень замененных ответственных деталей при ремонте состав-
ной части объекта и остаточный ресурс остальных.
Отделу технического надзора рекомендуется на основании справок
механиков оборудования ежегодно составлять отчет о надежности обору-
дования и объеме проведенных вибрационных и прочностных обследова-
ний, с рекомендациями по повышению надежности и безопасности экс-
плуатируемого оборудования.
4.3.	Основы анализа данных и поиска неисправностей
Исходной предпосылкой поиска неисправностей машин по парамет-
рам вибрации является то, что вибросигнал работающей машины содержит
большое количество информации о ее состоянии. Для эффективного ис-
пользования виброконтроля в программе технического обслуживания не-
обходимо, чтобы эта информация была должным образом извлечена из по-
лученных вибросигналов [14].
Возможно, наиболее ответственным элементом системы сбора виб-
рационных данных является вибродатчик, служащий для преобразования
144
механических колебаний в электрический сигнал. В течение многих лет с
разной степенью успеха использовались датчики самых разных типов.
Считается, что самым надежным датчиком, обеспечивающим к тому же
наибольшую точность преобразований, на сегодняшний день является ак-
селерометр. Наиболее распространенным типом акселерометров является
акселерометр со встроенным усилителем заряда, питание на который по-
ступает от сборщика данных (или анализатора) по тому же проводу, что и
измеряемый сигнал.
Область анализа: частотная или временная?
На выходе датчика преобразованные механические колебания имеют
вид аналогового временного сигнала. Его можно увидеть, подав сигнал с
датчика на осциллограф или другое устройство отображения данных во
временной области. Но вследствие сложности формы временного сигнала
его интерпретация сильно затруднена, поэтому наряду с этим принято ана-
лизировать спектр сигнала, который является представлением временного
сигнала в частотной области.
В исследовательской работе настолько привычен спектральный
анализ, что иногда вообще игнорируют представление сигнала во времен-
ной области. В то же время информацию, которую может дать такое пред-
ставление, трудно извлечь, рассматривая только спектр вибрации.
Например, случайный процесс (непрерывный шум) и переходный
процесс, связанный с какими-то нерегулярными событиями, имеют схожие
спектры, которые соответствуют сигналам совершенной разной природы,
что отчетливо видно по их временным реализациям. Во временной области
легко различим стук деталей, приводящий к асимметрии формы сигнала,
который может быть следствием ослабления механических соединений.
На рис. 4.2 показан сигнал виброускорения низкоскоростной короб-
ки передач и соответствующий ему спектр в диапазоне от 0 до 20 Гц.
Рис. 4.2. Сигнал виброускорения низкоскоростной
зубчатой передачи и его спектр
145
В спектре видна низкочастотная область сосредоточенной энергии,
которая выглядит так, как будто бы является следствием случайного шума
электронной цепи (так называемого фликкер-шума). Временной сигнал,
однако, говорит совершенно о другом. Импульсы высокого уровня, сле-
дующие с интервалом в 15 с, синхронизированы с частотой вращения
большой шестерни на выходе коробки передач и вызваны локальным де-
фектом этой шестерни, таким как трещина или поломка зуба.
Сигнал, полученный после акселерометра, может быть легко и с
большой точностью преобразован в сигнал виброскорости с помощью ин-
тегрирования. Эта процедура осуществляется перед проведением частот-
ного анализа для того, чтобы получить спектр виброскорости. В результате
интегрирования понижается уровень более высоких частотных состав-
ляющих - в два раза при каждом удвоении частоты (6 дБ на октаву). По-
этому информация, содержащаяся в сигнале виброускорения, визуально
более наглядна, чем в сигнале виброскорости, как раз вследствие подчер-
кивания высокочастотных составляющих. Человек визуально способен
различать сигналы, отличающиеся друг от друга по амплитуде более чем в
100 раз (40 дБ), что много меньше, чем динамический диапазон анализато-
ра спектра.
Анализ траекторий. Под траекторией понимается перемещение оси
вала, вращающегося в подшипнике. Ее график аналогичен представлению
сигнала на осциллографе в координатах X-Y, где X и Y - соответственно,
перемещения в горизонтальном и вертикальном направлениях.
Для анализа траекторий используется параметр виброперемещения, а
не виброускорение. При этом значение имеет только составляющая на час-
тоте вращения, которая дает наиболее ясную картину о вращении вала.
Для получения графика траектории движения вала обычно используются
не акселерометры, а бесконтактные датчики, которые снимают сигнал,
пропорциональный изменению зазора между поверхностью вала и корпу-
сом подшипника, и позволяют непосредственно измерять величину пере-
мещения.
Характеристика в частотной области, или спектр, - прекрасный инст-
румент для выявления периодичностей в сигнале. Большим ее преимуще-
ством является то, что на одном графике отображаются амплитуды коле-
баний, сильно различающихся по значению. Диапазон амплитуд, отли-
чающихся в 10000 раз (80 дБ), не является редкостью для современных
анализаторов спектра.
Обычно при анализе спектра различают 3 группы составляющих
вибрации: гармоники, несинхронные составляющие и субгармоники. Гар-
моники представляют собой пики на частотах, кратных частоте цикла дей-
ствия (частоте вращения) машины; по ним можно делать выводы о дисба-
лансе, несоосности или ослаблении соединений. Несинхронные состав-
ляющие наблюдаются на частотах, не кратных частоте вращения; анализ
146
этой группы составляющих позволяет обнаруживать дефекты, например,
элементов подшипников качения и ремней. Субгармоники - составляющие,
которые лежат ниже частоты вращения. Они могут быть обусловлены та-
кими явлениями как вихри в масляном клине подшипника, дефекты ре-
менной передачи, чрезмерное ослабление соединений или стук в машине.
При поиске перечисленных дефектов важно учитывать первые во-
семь гармоник частоты вращения. Частота вращения, умноженная на число
лопаток или лопастей, дает лопаточную гармонику. Гармоники выше
восьмой обычно соответствуют частоте зубчатых зацеплений, которая рав-
на частоте вращения вала, умноженной на число зубьев шестерни, или по-
люсной частоте электродвигателя, равной произведению частоты враще-
ния на число пазов в роторе.
Субгармоники имеют частоты, которые получаются умножением
частоты вращения на 1/2, 1/3 или 1/4. Если они имеют место, причиной
может быть повышенное трение, ослабление и стук в соединениях.
Несинхронные колебания могут быть связаны с характерными часто-
тами подшипников качения, которые можно вычислить, если известна
геометрия подшипника. Очень редко характерные подшипниковые часто-
ты совпадают с гармониками частоты вращения. Вибрация электрического
происхождения обычно наблюдается на частоте 100 Гц (2-я гармоника се-
ти) и ее гармониках; для оборудования, работающего на частоте вращения
3000 об/мин (50 Гц). Иногда бывает трудно отличить ее от 2-й гармоники
частоты вращения механического происхождения, для этого приходится
увеличивать частотное разрешение.
Спектр в линейном масштабе амплитуды имеет динамический диа-
пазон 40 дБ, т.е. можно наблюдать составляющие, которые отличаются по
уровню в 100 раз, в то время как при использовании логарифмического
масштаба можно в одном спектре наблюдать составляющие с разностью
амплитуд в 10000 раз или 80 дБ.
Уровень вибрации, измеренной в определенной точке машины, зави-
сит от пути распространения колебаний от точки приложения вибрацион-
ных сил до датчика. Путь распространения вибрации от точки приложения
сил до вибродатчика обычно очень сложен, его механический импеданс
(сопротивление) частотно зависим. Это означает, что некоторые важные
частотные составляющие, например подшипниковые составляющие, могут
иметь очень низкий уровень. Для того чтобы увидеть их в спектре вибра-
ции, необходимо использовать логарифмическую шкалу, которая обычно
градуируется в децибелах (дБ).
Для обеспечения максимального динамического диапазона измере-
ний необходимо использовать тот параметр вибрации (перемещение, ско-
рость или ускорение), который обеспечивает наибольшую равномерность
спектра. Обычно таким параметром является виброскорость.
Пик-фактор - один из параметров вибрации, который нельзя полу-
147
чить путем анализа спектра, однако он служит хорошим индикатором сте-
пени износа подшипников. Величина пик-фактора определяется как отно-
шение пикового значения вибрации к ее среднему квадратическому значе-
нию (СКЗ).
Величину пик-фактора легко можно измерить с помощью вибромет-
ров, имеющих данный режим. Использование пик-фактора для оценки со-
стояния подшипников заключается в периодическом измерении его вели-
чины и в отслеживании ее изменений во времени (получение тренда) (рис.
4.3).
Пиксеое значение
СКЗ возрастает gувеличением
числа попреждоний
Начальное СКЗ
Рис. 4.3. Изменения значения пик-фактора
Механическая вибрация определяется процессами, которые приводят
к появлению сил, действующих на определенных частотах. В результате
вибрация проявляется на тех же частотах, что и действующие силы, но во
многих случаях в спектре присутствуют и колебания на других частотах.
Появление этих других частот, которые обычно являются гармониками
частоты действия вынуждающей силы или ее боковыми полосами, связано
с нелинейностью конструкции машины. Появление гармоник и боковых
полос - первый признак ухудшения состояния машины (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Характерные частоты центробежного воздушного компрессора
148
При сравнении спектров, полученных на разных частотах вращения
машины, градуировка оси частот осуществляется в единицах порядка гар-
моник, где первая гармоника соответствует частоте вращения машины. В
этом случае сравниваются значения гармоник, кратных частоте вращения.
Что же касается несинхронных составляющих вибрации, то для идентифи-
кации, например, подшипниковых гармоник лучше использовать шкалу,
отградуированную в Гц или об/мин (рис. 4.5).
Ненормированная частота
Vf dB
140
130
120
110
-100
90
80
10 порядок
70
60.
01234	56789	10
Нормированная частота
vt dB
140
130
120
110
100
90
80
0  30,000 об/мин
70
60.
0	5	10	15	20	25	30
Рис. 4.5. Порядковый анализ
На рис. 4.6 показан типичный спектр вибрации машины, имеющей
дисбаланс и/или расцентровку. Часто предполагается, что именно эти две
причины являются основными в появлении проблем, связанных с вибраци-
ей. Они определяются по наличию в спектре нескольких первых гармоник
частоты вращения. Для того чтобы отличить дисбаланс от несоосности,
иногда прибегают к измерениям фазы.
149
Рис. 4.6. Дисбаланс
Многочисленные высшие гармоники, кратные частоте вращения, яв-
ляются признаками ослаблений в соединениях, а при сильном развитии
этого дефекта в спектре наблюдаются и субгармоники (рис. 4.7).
V, dB
130
120
Число оборотов в минуту (хЮОО)
Рис. 4.7. Ослабление механических соединений
В центробежных насосах всегда отчетливо видна лопаточная состав-
ляющая, и она возрастает в случае появления дефектов лопастей, таких как
деформации, трещины или поломки. На рис.4.8 показан такой спектр, где
PV обозначает лопаточную частоту, т.е. частоту вращения, умноженную
на число лопаток колеса насоса.
150
Число оборотов в минуту (хЮОО)
Рис. 4.8. Лопастные частоты в спектре сигнала центробежного насоса
Кавитация представляет собой сугубо случайный процесс, который в
спектре вибрации проявляется не в виде дискретных частотных состав-
ляющих, а в виде непрерывного шума. Колебания шестеренчатых насосов
часто содержат значительные составляющие зубцовой частоты, уровень
которых сильно зависит от нагрузки.
Масляные вихри в слое смазки сопровождаются появлением состав-
ляющей, лежащей несколько ниже половины частоты вращения и несин-
хронной с ней. Обычно она присутствует в слабонагруженных подшипни-
ках скольжения с увеличенным зазором. Другой режим нестабильности
смазки возникает, когда вследствие завихрений возбуждается собственная
(критическая) частота механических колебаний. Это очень опасный, раз-
рушительный тип вибрации, который наблюдается во время разгона ма-
шины. Он всегда в той или иной степени присутствует в спектре, даже ко-
гда частота вращения много выше собственной частоты.
Силы, связанные с дисбалансом, вызывают вибрацию, максималь-
ную в направлении наименьшей жесткости конструкции. Этот факт ис-
пользуется при выявлении ослаблений крепления машины, трещин в опо-
рах и т.д. как для горизонтально, так и вертикально расположенных ма-
шин.
Коробки передач. Боковые полосы частоты зацепления располага-
ются вокруг нее с шагом, равным частоте вращения шестерни. Это являет-
ся следствием модуляции зубцовой частоты, вызванной различными нере-
гулярностями шестерни, изгибом вала, эксцентриситетом и т.д. Каждая
шестерня имеет свой собственный набор боковых полос, связанных с час-
тотами их вращения (рис. 4.9).
151
Число оборотов в минуту (хЮОО)
Рис. 4.9. Зубцовые частоты и боковые полосы
Основная частота вращения ремня всегда лежит ниже частоты вра-
щения машины, но в двухшкивной системе, как правило, более интенсив-
ной является 2-я гармоника этой частоты. Ременный привод часто служит
причиной появления вибрации на рабочей частоте машины вследствие
биения шкива, и эту вибрацию часто ошибочно принимают за признак
дисбаланса. Максимальный уровень этой вибрации будет максимальным в
направлении движения ремней.
Электродвигатели. Работа электродвигателей часто сопровождается
биениями, которые, кроме того, что могут быть зафиксированы в вибраци-
онном сигнале, хорошо воспринимаются на слух. Эти биения соответст-
вуют частоте скольжения ротора или разности частоты вращения ротора и
частоты возбуждения двигателя. Частота биений очень низка, иногда ниже
0,1 Гц. Биения могут также возникать, когда машины, близко расположен-
ные друг к другу, работают на слегка различающихся частотах вращения.
Наблюдать биения лучше во временной области, поскольку для вычисле-
ния спектральных составляющих на столь низких частотах требуется очень
большое время и высокое разрешение.
Изгиб ротора часто бывает обусловлен локальным нагревом ротора
вследствие неоднородности сопротивления пластин ротора. Проблемы с
пластинами ротора появляются, когда высокий пусковой ток в сочетании с
частыми пусками и остановками вызывает повторяющееся расширение и
сжатие пластин, что сопровождается появлением трещин в сварных соеди-
нениях. Указанные проблемы могут быть обнаружены посредством анали-
за тока двигателя: уровни боковых полос будут пропорциональны глубине
модуляции крутящего момента с удвоенной частотой скольжения ротора.
152
4.4.	Примеры из диагностики машин и оборудования
Материалы взяты из библиотеки спектров (FFT Signal Library), фор-
мируемой фирмой PRUFTECHNIK AG. Спектры указанной библиотеки
получены с помощью прибора VIBROSPECT FFT. Ценность представлен-
ной информации состоит в том, что в очень наглядной форме и без из-
лишних комментариев показана связь между конструктивными особенно-
стями различных агрегатов, полученными на них вибрационными характе-
ристиками и присутствующими неисправностями [15].
Целый ряд спектров для различных типов рассмотренного оборудова-
ния можно использовать в качестве "вибрационных эталонов" конкретных
неисправностей конкретного оборудования. Следует иметь в виду, что
приведенные спектры получены с использованием определенных парамет-
ров спектрального анализа, заложенных в приборе VIBROSPECT FFT , в
том числе различных "окон взвешивания" временных сигналов, поэтому
уровни гармоник, которые используются для описания неисправностей,
могут отличаться от приведенных, если используется другая виброанали-
зирующая аппаратура. Перенос "вибрационных эталонов" на применяемые
в каждом конкретном случае виброанализирующие приборы следует осу-
ществлять с учетом систематической погрешности, вносимой применени-
ем различных "окон взвешивания", методов усреднения и параметров
входных усилителей вибросигналов.
Обработка с помощью окон используется в спектральном анализе для
управления эффектами, обусловленными наличием боковых ("паразит-
ных") лепестков в спектральных оценках вибрационных сигналов, полу-
чаемых с помощью дискретного (точечного) Фурье-преобразования. При
вычислении линейчатого (не непрерывного) спектра сигнала, имеющего
конечную длину выборки происходят искажения ("просачивание энергии")
в местах "сшивки" отдельных выборок. Для уменьшения этих искажений и
применяется процедура "взвешивания" во временной и частотной облас-
тях. При этом применение различных окон - это, по сути, поиск компро-
мисса между улучшением разрешения по частоте и уменьшением величи-
ны искажения уровней спектральных оценок.
Принятые сокращения: точка измерения (ТИ); смещение валов (С);
вертикальное направление (В); поперечное направление (П); раскрытие
муфт (излом оси валопровода) (Р); вертикальная плоскость (В); горизон-
тальная плоскость (Г).
153
Пример расцентровки № 1
Агрегат насосный центробежный электроприводной: мощность - 75
кВт; число оборотов - 1495 об/мин; частота вращения (fn) = 24,92 Гц.
Точки измерения (ТИ) - подшипниковая стойка электродвигателя со
стороны муфты, осевое направление.
Насос
Рис. 4.10. Электроприводной центробежный насос
Вибрационные признаки 2-ой и 3-ей гармоник частоты вращения (fn),
наиболее четко проявляются в осевом направлении.
Рис. 4.11. Спектр виброскорости (окно Ханна,
без использования режима огибающей)
Исходная расцентровка валов
С - В=0.23 мм, П= -0.07 мм,
Р - В=1.14 мм/100мм, Г=-О.ОЗмм/ЮОмм.
Механическая причина - расцентровка валов насоса и эл.двигателя.
Проведенные мероприятия по устранению - подцентровка с помо-
щью лазерного прибора OPTALIGN, особое внимание было уделено уст-
ранению влияния на показатели расцентровки изменений температурного
режима агрегата.
154
Рис. 4.12. Спектр виброскорости после подцентровки
(окно Ханна, без использования режима огибающей)
Расцентровка валов после коррекции:
С - В=О.ОЗ мм, П = -0.00 мм.
Р - В=0.04 мм/100мм, Г= 0.04мм/100мм.
Пример расцентровки № 2
Эл. двигатель
Рис. 4.13. Нагнетающий вентилятор на УКПГ
Агрегат нагнетательный: мощность - 2800 кВт; число оборотов - 595
об/мин; частота вращения (fn) = 9.92 Гц. Точки измерения (ТИ) -
подшипниковая стойка вентилятора со стороны муфты, вертикальное и
поперечное направления.
Вибрационные признаки: ряд роторных гармоник частоты вращения
(fn) вплоть до 11-й кратности.
155
Рис. 4.14. Спектр виброскорости (окно Ханна,
без использования режима огибающей)
Механическая причина - радиальный прогиб вала нагнетающего вен-
тилятора (изгиб вала). Из-за трения в муфте, соединяющей валы вентиля-
тора и электродвигателя, возникала прецессия вала в подшипнике (перио-
дическое, с частотой вращения, изменение центральной точки вала отно-
сительно центра подшипника в пределах зазора в подшипнике).
Проведенные мероприятия по устранению: проведена замена вала
вентилятора.
Вибрационные признаки: временной процесс (вибрация) по виброу-
скорению. Типичный сигнал ударного взаимодействия с периодом 100.8
мс (1000:9.92), равный одному обороту вала.
Рис. 4.15. Измерения сигнала (окно Ханна,
без использования режима огибающей)
156
Пример по подшипникам № 1
Подшипник
качения 22344
Вентилятор
и
ТИ
3 Эл. двигатель [
о Й
Рис. 4.16. Вентилятор в системе вентиляции
Агрегат: мощность- 680 кВт; число оборотов-370 об/мин; частота
вращения (fn) = 6.17 Гц.
Точки измерения - подшипниковая стойка вентилятора со стороны
свободного конца, поперечное направление.
Вибрационные признаки - гармоники 1-й и 2-й кратностей частоты
перекатывания по внутреннему кольцу (fi). имеют значимый уровень в
спектре огибающей. Боковые полосы вокруг (fi) с шагом, равным (fn) [(Д-
fn) и (fi+fn)].
е.еез заео Еаеэ saso 120.0 isaa гео.е 2iae z-iaa z?aa зеа.анг
Рис. 4.17. Спектр виброускорения (окно Flat Тор, фильтрации
(детектирования) огибающей, 8-ми кратного линейного усреднения)
Характерные частоты
-	частота вращения сепаратора	fc 2,56 Гц
-	частота перекатывания по наружному
кольцу	f0 40,99 Гц
-	частота вращения тел качения	fr 34,66 Гц
-	частота перекатывания по внутренне-
му кольцу	fi 57,67 Гц
157
Механическая причина - развитый дефект (разрушение дорожки)
внутреннего кольца подшипника. Боковые полосы возникают, когда тела
качения прокатываются по дефектам, при этом зона максимальной нагруз-
ки на тела качения то совпадает, то не совпадает с местом расположения
дефектов.
Проведенные мероприятия по устранению - проведена замена под-
шипника.
Пример по подшипникам № 2
Однорядный упорный
подшипник Б312
ТИ
Рис. 4.18. Вытяжной вентилятор
Эл- двигатель
Агрегат: мощность= 75 кВт; число оборотов = 2985 об/мин; fn = 4,75
Гц.
Точки измерения (ТИ) - подшипник вентилятора со стороны приво-
да, поперечное направление.
Вибрационные признаки - гармоники 1-й, 2-й, 3-й и 4-й кратности от
частоты перекатывания по наружному кольцу (fo), характеризующие его
разрушение.
5	*1 ' I-----	 I	I  I	 ....1-------Г-----------Г*
е.ееэ тз.еа 1=э.е 225.0 ззо.г зтз.в 4=0. a S25.2 БЕа.в e?s.a таи.ей»
Рис. 4.19. Спектр виброускорения (окна Flat Тор, фильтрации
(детектирования) огибающей, 5-ти кратного линейного усреднения)
Характерные частоты:
-	частота вращения сепаратора	fc 19,06 Гц
-	частота перекатывания по наружному кольцу f0 152,45 Гц
-	частота вращения тел качения	fr 201,07 Гц
-	частота перекатывания по внутреннему кольцу Д 245,55 Гц
158
Механическая причина - серьезное повреждение внешней дорожки
качения подшипника. Значимый уровень гармоник, кратных частоте f0, со-
ответствует ряду серьезных дефектов на внешней дорожке качения.
Проведенные мероприятия по устранению - замена подшипника.
Пример дисбаланса № 1
ти
Рис. 4.20. Циркуляционный вентилятор/эл. двигатель
Агрегат: мощность=75 кВт; число оборотов эл.двигателя nm= 1480
об/мин; частота вращения fm= 24,67 Гц;
Число оборотов вентилятора nf= 1036 об/мин, ff= 17,27 Гц.
Точки измерения (ТИ) - подшипник эл.двигателя со стороны приво-
да, поперечное направление.
Вибрационные признаки : очень высокий уровень поперечной виб-
рации на подшипнике эл.двигателя на частоте вращения вентилятора (ff).
Рис. 4.21. Спектр виброскорости (окно Ханна)
Механическая причина - 17.27 Гц - частота вращения вентилятора
характеризует эксцентриситет ременного шкива вентилятора. Поскольку
подвеска эл.двигателя относительно податливая, двигатель после включе-
ния совершает возвратно-поступательные и поперечные колебания на час-
тоте вентилятора.
Проведенные мероприятия по устранению - замена шкива вентилятора.
159
Пример по зубчатой передаче № 1
nj =1496 об/мин
Редуктор
(коробка передач]
п? -272 об/мин
Рис. 4.22. Агрегат для распиливания горной породы
Диаметр алмазного круга D= 2700 мм
Агрегат - мощность= 90 кВт; щ= 1496 об/мин; fi = 24.78 Гц;
п2 = 272 об/мин; f2 = 4.51 Гц;
ff=198.25 Гц (частота зацепления);
ti=8- кол. зубьев ведущей шестерни;
t2=44- кол. зубьев ведомой шестерни.
Точки измерения (ТИ) - корпус редуктора, осевое направление, про-
тив несущего вала алмазного круга.
Вибрационные признаки - в спектре доминируют 3-я и 4-я гармоника
частоты зацепления (ff). Боковые гармоники вокруг 3-й и 4-й гармоник (ff)
с шагом, равным частоте вращения ротора (fi).
160
0.003 -J-
0.020
0.7Ю -I.........-••
Sxt
D.5B0
4x1
0.4ВИ
г.300
Соковое поросы ncucpyi_3 й и 4-й гармоник IJ|| с шагом Ц
В.200 +
0.103
199.25 Hz г
mmzs
0.860
250.0
szap,
753.0
1030
rVA'd/i J
1250
1500Hz
Рис. 4.23. Спектр виброскорости (окно Ханна
без использования анализа огибающей)
Механическая причина: погрешность бокового зазора зацепления,
вследствие неточности осевой регулировки положения валов, дает прояв-
ление на частотах 3-й и 4-й гармоник частоты зацепления (ff). Боковые по-
лосы возникают из-за разрушения 2-х зубьев ведущей шестерни (выбоина
7 мм в диаметре на боковой поверхности одного зуба и выбоина 5 мм на
вершине другого зуба), которое ведет к локальному перераспределению
нагрузки вследствие погрешностей зацепления.
Проведенные мероприятия по устранению: замена ведущей шестер-
ни и регулировка бокового зазора зацепления.
Пример по зубчатой передаче № 2
п, -941 об/мин
Рис. 4.24. Одноступенчатый редуктор (прямозубая передача)
161
Агрегат: мощность= 72 кВт; ni= 941 об/мин, = 15.69 Гц;
п2 = 372 об/мин, Г2 = 6.19Гц;
ff=470.67 Гц (частота зацепления);
ti=30- кол. зубьев ведущей шестерни;
t2=76- кол. зубьев ведомой шестерни.
Точки измерения (ТИ) - корпус подшипника ведущего вала со сторо-
ны свободного конца, поперечное направление.
Вибрационные признаки - при нормальном вращении проявляется
3-я гармоника частоты зацепления (ff), а также повышение уровня в полосе
1000...3000 Гц.
-t.eos
з.^5!
3.920
2.5К)
z.kqz
1.520
1.2(30
е.503
и. ест
е.аеа
520.2
1302 1SB3 2020	2528	3300Hz
Рис. 4.25. Спектр виброускорения (окно Ханна
без использования анализа огибающей)
Механическая причина: односторонний износ кромки зубьев со сто-
роны нормального вращения.
Проведенные мероприятия: замена изношенной шестерни.
Вибрационные признаки - при обратном вращении гармоники час-
тоты зацепления (ff) исчезают и уровень в полосе 1000...3000 Гц умень-
шается.
з W . •
3.092
Z.S20 -•
2.еет 
1.502 •
1.ПЙ0 •
2.520 •
0.200 -
0.020	502.0 1ES0 1520	2929	2593	3203Н
Рис. 4.26. Спектр виброускорения (окно Ханна,
без использования анализа огибающей)
162
Пример турбулентности № 1
Компрессор
ТИ
Рис. 4.27. 4-х ступенчатый центробежный компрессор
Агрегат: мощность= 80 кВт; частота вращения п=1494 об/мин;
fn = 24.91 Гц.
Лопаточная частота компрессора fb= 224.2 Гц (рабочие колеса ком-
прессора имеют по 9 рабочих лопаток).
Точки измерения (ТИ) - подшипник компрессора со стороны приво-
да, поперечное направление.
Вибрационные признаки: сравнительно высокий уровень лопаточной
гармоники компрессора fb. Кроме того, боковые гармоники с шагом, рав-
ным частоте вращения вала fn .
Рис. 4.28. Спектр виброскорости (окно Ханна
без использования анализа огибающей)
Механическая причина - высокий уровень лопаточной гармоники
связан с турбулентностью в рабочем тракте компрессора и с проблемами
динамики рабочего тела, протекающего через компрессор, из-за дополни-
тельных препятствий на входе в рабочее колесо компрессора. Такие явле-
ния сопровождаются срывным обтеканием рабочих лопаток. В этом случае
характер взаимодействия потока и рабочих лопаток становится ударным,
что приводит к появлению гармоник с частотой "следования" лопаток (ло-
паточным гармоникам).
Частота лопаточных гармоник определяется как fb = п (число лопа-
ток) х fn (частота вращения). При совпадении числа лопаток и числа ис-
163
точников срыва потока на диаметре рабочего колеса компрессора наблю-
дается явление так называемого параметрического резонанса потока.
Боковые гармоники являются следствием радиального и осевого
взаимодействия потока в ступенях рабочего колеса компрессора.
Проведенные мероприятия по устранению: локализация и устране-
ние источников (очагов) турбулентности потока на входе в компрессор.
Корректировка сборки ротора компрессора в части более правильной цен-
тровки ступеней относительно друг друга.
Пример резонанса № 1
Рис. 4.29. Камнедробилка
Агрегат: мощность = 50 кВт; fn = 6.67-35.00 Гц; п = 400-2100
об/мин. Точки измерения (ТИ) - подшипник дробилки со стороны свобод-
ного конца, поперечное направление.
Вибрационные признаки - амплитуда вибрации резко возрастает, на-
чиная с частоты вращения 1730 об/мин, при этом фаза меняется на 180°.
Измеряемый вибрационный параметр - виброскорость.
saaa 2зэ.в цзе.е езз.а gs2.e ie=s izea мп is?< is?? гаовгрш
Рис. 4.30.Диаграмма Боде и фазовая диаграмма, полученные при пуске-
остановке агрегата. (на диагр. - резонанс ротора на частоте 1730 об/мин)
164
Механическая причина - экспериментальный ротор дробилки имел
несколько меньший диаметр, что привело к снижению 1-й критической
скорости ротора, (частота вращения 1730 об/мин), которая попала в рабо-
чий частотный диапазон. Это и привело к скачку уровня вибрации, имен-
но начиная с указанной частоты.
Проведенные мероприятия по устранению - проведение балансиров-
ки ротора на более высоких частотах вращения, установка более жесткого
ротора для того, чтобы сдвинуть его критическую частоту в более высоко-
частотную область, за рамки рабочего частотного диапазона.
Пример резонанса № 2
n.)=n96 об /мин
Редутстор
(коробка передач]
пг=748 об/мин
Рис. 4.31. Агрегат для распиливания гранита
Диаметр алмазного круга D= 1200 мм.
Агрегат: мощность = 55 кВт;
tl = 20- количество зубьев ведущей шестерни;
t2 = 40- количество зубьев ведомой шестерни;
fi = 24.93 Гц. П1= 1496 об/мин;
f2 = 12.47 Гц. п2= 748 об/мин.
Точки измерения (ТИ) - корпус редуктора, осевое направление.
Вибрационные признаки - резкое увеличение вибрации на частоте f2,
равной 610 об/мин и в диапазоне оборотов 710-760 об/мин на диаграмме
"старт-стоп". Измеряемый вибрационный параметр - виброскорость.
165
3.50В
3.000
2.50Э
2.000
5.500
1,020
0.S00
5.020
50,00 128.0 206.0 284.0 362.0 440.0 518.0 586.0 S74.0 752.$ 830.0 rpm
Рис. 4.32. Диаграмма Боде и фазовая диаграмма, полученные при пуске-
остановке агрегата. (На диаграмме - 748 об/мин - номинальная частота
вращения алмазного диска)
Механическая причина - номинальная частота вращения диска (748
об/мин) расположена как раз в диапазоне резонанса ротора (критической
частоты вращения - 710-760 об/мин). Это приводит к увеличению вибра-
ционной нагрузки на алмазный круг и существенно увеличивает скорость
его износа.
Проведенные мероприятия по устранению - изменение рабочей час-
тоты вращения с помощью изменения частоты вращения эл.двигателя для
избежания работы в области резонанса ротора, или использование переда-
чи с другим передаточным отношением (отношение 20:40 слишком вели-
ко) для изменения рабочей частоты вращения в более высокочастотную
область.
166
ЛИТЕРАТУРА
1.	Смирнов В.А. Основы измерения вибрации (по материалам фирмы
DLI), Н-Новгород: "Инкотес", 2006.- 28 с.
2.	Вибрация в технике: справочник в 6 т.; под ред. Фролова К.В. Том 4.
М.: Машиностроение, 1981. - 352 с.
3.	Вибрация в технике: справочник в 6 т.; под ред. Фролова К.В. Том 6.-
М.: Машиностроение, 1981. - 456 с.
4.	Генкин М. Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика ма-
шин и механизмов. - М.: Машиностроение, 1987. - 282 с.
5.	Бочарников В.Ф. Техническая диагностика нефтепромыслового обо-
рудования: учебное пособие. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1995.- 100 с.
6.	Бочарников В.Ф., Петрухин В.В., Васильев С.Ф. и др. Стенд для
обкатки и испытания погружных электродвигателей: информ, лис-
ток № 148-91.- Тюмень: Тюменский ЦНТИ, 1991.
7.	Петрухин В.В., Корнилов В.В., Бочарников В.Ф. Измерительная
головка для контроля вибрации погружных электродвигателей при
стендовых испытаниях: информ.листок № 160-91.- Тюмень: Тюмен-
ский ЦНТИ, 1991.
8.	Петрухин В.В., Корнилов В.В., Бочарников В.Ф. Устройство для
закрепления вибродатчиков при стендовых испытаниях погружных
электродвигателей ПЭД: информ, листок № 162-91.- Тюмень: Тю-
менский ЦНТИ, 1991.
9.	Как выбрать прибор. Официальный сайт ПВФ "Виброцентр".-
Пермь, 2006.
Ю.Каталог выпускаемой продукции ООО "Технекон".- Москва, 2007.-
30с.
11	.Барков А.В., Баркова Н.А., Якобсон П.П. Современное состояние
технических средств анализа вибрации. Ассоциация ВАСТ.-
С-Петербург, 2003.- 16 с.
12	.Каталог ЗАО "Электронные технологии и метрологические системы
- ЗЭТ".- Московская область, Солнечногорский р-н, пос. Менделее-
во, ФГУП ВНИИФТРИ, 2007.- 31 с.
13	.Каталог выпускаемой продукции АОЗТ “Фирма Диамех 2000”. -М.,
2007. - 24 с.
14	.Каталог изделий НПП "ВиКонт"”. -М., 2007. - 48 с.
15	.Соколов Д.В. Сравнительные характеристики сборщиков спектроа-
нализаторов фирм производителей. - ЗАО "Промсервис", 2006.- 23 с.
16	. Гриб В.В., Соколова А.Г., Еранов А.П., Давыдов В.М., Жуков Р.В.
Анализ современных методов диагностирования компрессорного
167
оборудования нефтегазохимических производств/ТНефтепереработка
и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт.-
2002.- №10.- С.57- 65.
17	.Стеценко А.А., Бедрий О.И., Долгов Е.А., Стеценко О.А., Метод
оценки технического состояния машин.- Сумы: НТЦ "Диагностика"
2006.- 28 с.
18	.ИСО 2372-74. Станки. Правила оценки механической вибрации при
рабочих скоростях от 10 до 200 об/с.
19	.ГОСТ ИСО 10816-1-97. Вибрация. Контроль состояния машин по
результатам измерений вибрации на невращающихся частях. Часть 1.
Общие требования.
20	.ГОСТ 25364-97. Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы
вибрации опор валопроводов и общие требования к проведению
измерений.
21	. ГОСТ Р ИСО 7919-1-99. Вибрация. Контроль состояния машин по
результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Общие
требования.
22	. VDI2056. Критерии оценки механических колебаний машин.
23	. ГОСТ Р ИСО 7919-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по
результатам измерений вибрации на вращающихся валах. Промыш-
ленные машинные комплексы.
24	. Смирнов В.А. Примеры из вибродиагностики оборудования.
(В библиотеку инженера-диагноста): [Перевод с англ.].-
Н-Новгород: "Инкотес" 2006.- 30 с.
168