Диагностика поршневых компрессоров и двигателей внутреннего сгорания

Практически все поршневые машины относятся к оборудованию возвратно-поступательного действия. При этом каждый полный цикл работы такого оборудования включает в себя несколько временных фаз (интервалов), физические процессы в которых существенно отличаются. Например, это впуск рабочей смеси в цилиндр, ее горение, выпуск отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания. На вибрационную картину работы поршневого двигателя накладываются специфические импульсные воздействия от работы системы газораспределения, а также динамическая неуравновешенность механической системы при перемещении масс (шатунно-поршневая группа, рабочая смесь). Не менее сложные вибрационные процессы происходят в поршневых компрессорах, особенно многоступенчатых. Все это приводит к тому, что большинство методов проведения измерений и алгоритмы диагностики, применяемые для оборудования непрерывного действия, например, насосов, вентиляторов, мало пригодны для поршневых машин. Необходимы другие подходы, учитывающие специфику возникновения вибрационных процессов в машинах возвратно-поступательного действия.

Средства вибрационного контроля и диагностики могут быть эффективно применены для анализа состояния поршневых машин возвратно-поступательного действия, но это возможно только с использованием специфических приборов и алгоритмов виброконтроля, технические и алгоритмические требования к которым мы попробуем изложить.

Синхронная многоканальная регистрация информации

Абсолютно обязательным условием для проведения вибрационной диагностики поршневых машин (ПМ) является применение многоканального синхронного считывания вибросигналов. Количество необходимых каналов контроля вибрации зависит от типа диагностируемого оборудования, но даже для "самого простого поршневого компрессора" каналов не бывает меньше четырех, лучше восемь.

Реальная расстановка вибродатчиков на поршневом компрессоре выглядит примерно следующим образом. На каждом цилиндре поршневого компрессора устанавливается от одного до трех вибродатчиков, один крепится непосредственно на самом цилиндре и 1 - 2 устанавливаются на клапанных коробках. Для небольших компрессоров, с малыми линейными размерами, на цилиндре достаточно установить один вибродатчик. Также один вибродатчик обычно устанавливается вертикально на крейц-копфе цилиндра так, чтобы было можно контролировать величину вертикального зазора между поверхностями скольжения. Для контроля состояния коренных подшипников один вибродатчик, как минимум, устанавливается в зоне расположения подшипника. При такой схеме расстановки вибродатчиков одним восьмиканальным прибором можно одновременно контролировать состояние двух-четырех цилиндров одного компрессора.

Диапазон регистрируемых частот

Необходимо определиться с частотным диапазоном вибродатчиков, которые необходимо использовать при диагностике поршневых машин. Значение верхней границы регистрируемых частот обычно определяется размерами и массой элементов конструкции диагностируемого оборудования. В данном случае для поршневых машин большая часть собственных резонансных частот элементов компрессора находится в диапазоне от сотен герц до нескольких килогерц, что определяется массой и размерами элементов компрессоров. Отсюда следует, что для диагностики состояния поршневых машин следует применять обычные вибродатчики. Граничная частота в 5 килогерц вполне достаточна для диагностики. Это достаточно понятно и не требует больших пояснений.

Более сложным вопросом является выбор нижней граничной частоты регистрации вибросигналов. Рабочая частота вращения роторов поршневых компрессоров составляет, обычно, единицы герц, поэтому ряд специалистов, занимающихся диагностикой ПМ, утверждают, что необходимо применять низкочастотные вибродатчики с нижней граничной частотой в доли герца. На самом деле это утверждением ошибочно. В первую очередь определимся с тем, что регистрирует вибродатчик, установленный на компрессоре, что же является существенным для проведения диагностики. В основном это динамические удары при изменении направления движения масс, удары в механизме газораспределения, вибрационные процессы при прохождении через клапана рабочего газа и т. д. Особенно четко нужно понимать то, что регистрируется, в основном, не столько сам удар, сколько его затухающий "отклик" в тех или иных элементах компрессора. Под словом "отклик" мы понимаем свободные резонансные колебания в элементах после динамического удара. Говоря совсем просто, мы регистрируем колебания "рельса" после удара по нему молотком. Мы уже отмечали выше, что собственные резонансные частоты элементов компрессора составляют минимум сотни герц. Поэтому логичным является заключение, что нижняя граничная частота вибродатчиков для диагностики поршневых компрессоров должна быть не выше этого значения. Далее следует несколько парадоксальный вывод, что для диагностики поршневых машин пригодны любые датчики (в вопросе ограничения нижней граничной частоты). Такой вывод объясняется тем, что серийно датчиков с граничной частотой менее 10 герц не выпускает ни одна компания, если конечно этот датчик не предназначен для "экзотических" приложений.

Учет фазовых диаграмм работы оборудования

Для проведения корректного диагностирования поршневых машин по вибросигналам необходимо жестко синхронизировать сигналы с положением коленчатого вала и знать фазовую диаграмму работы оборудования. Это необходимо делать для того, чтобы точно выделять в полном исходном сигнале временные зоны, соответствующие тем или иным фазам работы оборудования. Например, если проводится диагностика состояния выпускного клапана первого цилиндра, то из всего сигнала необходимо выделить и использовать только тот участок времени, когда именно этот клапан находится в открытом состоянии. Нет необходимости подробно пояснять, что ошибка в определении этого интервала времени может привести к получению полностью недостоверного диагностического заключения.

Наиболее точно синхронизировать вибросигналы с положением коленчатого вала можно, если использовать фазовый отметчик той или иной конструкции. Для некоторых типов поршневых машин удается достаточно хорошо синхронизировать сигналы без использования отметчика, по некоторым характерным ударам, четко выделяемым на графиках. В любом случае, заниматься диагностикой поршневых машин нельзя, пока не будет известна фазовая диаграмма работы с точностью до нескольких угловых градусов. Если центробежный насос можно, с приемлемой достоверностью, диагностировать без подробного знания конструкции, то для поршневых машин этот "трюк" не проходит. "С наскока" поршневые машины не диагностируются, всегда сначала нужно знакомится с технической документацией, а уж сама диагностика будет (может быть) только потом.

Длительность непрерывной регистрации вибросигналов

Данный вопрос также является очень важным. Это объясняется тем, что для диагностики того или иного элемента конструкции из общего графика вибрационных процессов берется абсолютно конкретный временной участок, соответствующий данной фазе работы поршневой машины. Для реализации достоверной диагностики необходимо иметь "зарегистрированными" не менее 2 - 3 полных циклов работы оборудования. Только в этом случае можно быть уверенным, что процесс является повторяющимся и пригодным для диагностики. Для тихоходных поршневых машин это время бывает достаточно существенным. Например, при частоте вращения коленчатого вала в 300 оборотов в минуту три оборота вала занимают половину секунды. Если мы приняли решение, что верхняя граничная частота вибрации составляет 5 килогерц, то получаемое количество отсчетов вибрации в каждом канале, за половину секунды, составит более 6000. Если от количества отсчетов в сигнале (достаточно специфический термин виброанализа) перейти к другому, более понятному пользователям параметру прибора, к максимальному количеству линий в спектре, то мы получим, что это число равняется 3200. Каждый (!) канал прибора при многоканальной регистрации должен иметь такое максимальное количество линий в спектре. В ином случае, при меньшем значении спектрального разрешения, заниматься диагностикой поршневых машин с таким прибором, по меньшей мере, несерьезно.

Перечень дефектов, диагностируемых при помощи виброанализаторов

Здесь мы приведем перечень тех дефектов, которые нам удалось диагностировать в поршневых компрессорах различного типа при помощи восьмиканальных приборов "Атлант-8" и "Диана-8" производства нашей компании. Все эти дефекты были подтверждены при вскрытии с достоверностью 70 - 80%, что является высоким показателем. Выявленные дефекты (и способы диагностирования) электродвигателей и опорных подшипников качения и скольжения мы здесь не приводим, здесь информация только по компрессорам.

Кривошипно-шатунный механизм - увеличенный зазор в шатунном подшипнике и в поршневом пальце. Анализ этих дефектов производится по временным графикам вибросигналов на подшипниках, крейц-копфах и цилиндрах. Необходимо достаточно точно выявить те моменты времени, когда шатун изменяет направление своего движения. За один оборот это делается четыре раза - два раза в направлении движения поршня и два раза в поперечном направлении. Интересно, что первая смена движения происходит всегда через 180 градусов, а вторая нет, что связано с соотношением длин шатуна и эксцентриситета крепления шатуна на коленчатом валу, но мы не будем здесь пояснять этого подробно из-за недостатка места. Если на графиках вибрации будут удары при смене движения шатуна вдоль цилиндра, то увеличенный зазор возможен в двух точках соединения - на коленчатом валу и в крейц-копфе. Если же удары происходят только в моменты смены поперечного движения шатуна, то это, как правило, соответствует увеличенным зазорам только в шатунных подшипниках на коленчатом валу. Каждый удар на графике, обычно, хорошо виден и представляет первичный удар с последующими затухающими колебаниями. Наиболее информативным является значение амплитуды первого импульса, хотя и частота свободных колебаний и скорость их затухания несут в себе определенную диагностическую информацию.

Крейц-копф - увеличенный зазор. Дефект диагностируется по сигналу с вибродатчика, установленному вертикально на корпусе крейц-копфа. Диагностика этого дефекта достаточна проста и не требует пояснения. Необходимо только отметить, что в этом вибросигнале есть полезная информация об остаточном ресурсе работы данного цилиндра. По мере износа поршневых колец поршень опускается вниз и спектральный состав вибросигнала изменяется. Опытному диагносту это может сказать много интересного.

Цилиндр - пониженная компрессия, повышенный износ уплотнений и рабочих поверхностей. В диагностике этого дефекта существенную помощь может оказать спектральный анализ, необходимо только правильно выбрать временные участки, где скорость движения поршня не меняется во много раз. Очень полезно для этого регистрировать динамику изменения давления на выходе цилиндров.

Выпускной клапан - износ, нарушение фаз газораспределения. В процессе прохождения газа через клапан происходит интересный процесс. На графике изменения вибрации присутствуют колебания с примерно одинаковой амплитудой, но с центральной (нулевой) линией, наклоненной к оси времени. Видимо, это связано с процессом перемещения масс сжатого рабочего газа. Диагностическая информация сосредоточена в месте (во времени) и длине этого участка, частично в амплитуде (может и частоте) этих колебаний и угле наклона нулевой линии.

Из этого перечня хорошо видно, что вибрационные методы диагностики позволяют выявлять наиболее важные дефекты поршневого оборудования, причем наиболее важными являются методы контроля формы колебаний.

Алгоритмы и программы для диагностики поршневых машин

Иные принципы работы поршневого оборудования, отличающиеся от принципов работы вращающихся машин непрерывного действия, автоматически подразумевают применение специфических методов и алгоритмов диагностики.

Наиболее важной и достоверной является диагностика ПМ по форме вибросигналов в размерности виброускорения. Именно этот метод позволяет выявить временные фазы работы оборудования и четко выделить временные границы, в рамках которых диагностируется тот или иной дефект. Далее возможно применение других методов вибрационной диагностики, которые будут анализировать вибросигналы на выделенных интервалах времени. В некоторых случаях это спектральный анализ, в других модальный или вайвлет - анализ. Все зависит от типа выявляемого дефекта. Хочется еще раз подчеркнуть, что эти методы применяются к вибросигналам на отдельных, строго ограниченных интервалах времени. Если, например, взять спектр от всего вибросигнала, то локальные признаки дефекта будут "размазаны" (уменьшены) в десятки раз, и вероятнее всего будут потеряны. Все это мы показали выше при описании диагностики конкретных дефектов.

Несколько замечаний по поводу создания автоматизированных систем диагностики поршневых машин. При создании нашего диагностического программного обеспечения "Атлант" мы планировали вставить в него модуль автоматизированной диагностики поршневых машин. В процессе реализации этой задачи мы столкнулись с очень большим усложнением алгоритмического языка описания дефектов, слишком велика оказалась зависимость достоверности получаемых диагностических заключений от особенности конструкции каждого типа оборудования. Было принято решение создавать алгоритмы диагностики для каждого конкретного типа оборудования отдельно, по мере появления таких задач, без универсализации.

Нам известны случаи создания и использования сотрудниками отечественных и зарубежных компаний систем автоматизированной диагностики поршневых машин, причем базирующихся на стандартных методах вибрационной диагностики. Это обычный спектральный анализ и диагностика на основе использования спектра огибающей всего вибросигнала. Авторы этих систем утверждают о приемлемой точности получаемых результатов. На наш взгляд эти заявления являются спорными, т. к. обычные методы никак не учитывают специфику работу поршневого оборудования. Вероятнее всего эти методы дают приемлемые по точности диагностические заключения на поздних стадиях развития дефектов, что, может быть, оправдано для стационарных систем вибрационного мониторинга и диагностики, работающих непрерывно, где они и были применены.

Приборы для проведения диагностики поршневых машин

В соответствии со всем вышеизложенным для проведения вибрационной диагностики поршневых машин возможно преимущественное использование многоканальных анализаторов вибросигналов на основе компьютеров. Это оборудование компаний "Мера", "Л-кард" и прибор "Атлант-8" нашего производства. Для этой же цели неплохо подходит компактный микропроцессорный прибор "Диана-8" нашего производства. Он обладает всеми необходимы техническими параметрами.

Многоканальные приборы других компаний, известные нам, малопригодны для этих целей, т. к. не позволяют регистрировать выборки вибросигналов необходимой длительности.