Алфёров Борис Владимирович
Ключевые слова: техническое обслуживание и ремонт, система технического мониторинга, диагностические признаки, вибрация, датчик, дисбаланс.
Аннотация: Показатели эксплуатационной надежности оборудования характеризуют бесперебойность его работы в длительной эксплуатации. Чем выше эксплуатационная надежность, тем меньше простоев из-за неисправностей и дефектов технического порядка. Правильная оценка эксплуатационной надежности относится к числу сложных задач, в связи с чем в настоящее время большая часть пищевых предприятий до сих пор использует малоэффективную стратегию планово-предупредительного ремонта. Для оптимизации проведения технического обслуживания и ремонта (ТОиР) необходим переход на более эффективную стратегию обслуживания оборудования по его фактическому состоянию. С целью совершенствования мероприятий по ТОиР ведётся научно-исследовательская работа по испытанию системы технического мониторинга СТМ-12. Благодаря набору датчиков вибрации, температуры, оборотов, а также аналоговым датчикам тока и звука, система контролирует работу оборудования в режиме реального времени и позволяет определить фактическое техническое состояние и остаточный ресурс машин, на основании чего можно делать выводы об исправности оборудования или необходимости проведения ремонтных работ. Предварительные испытания системы были проведены в лаборатории кафедры на специально созданной экспериментальной установке. Для проверки работоспособности прибора был проведён мониторинг работы экспериментальной установки в двух технических состояниях: «эталонном» и «со статическим дисбалансом». Для оценки технического состояния оборудования в качестве диагностического признака был выбран уровень вибрации, как наиболее универсальный и информативный признак. Полученные данные были обработаны и проанализированы в программе STATISTICA 10. В ходе анализа данных было выявлено сильное повышение амплитуды колебаний, что указывает на наличие дисбаланса вала. На основании проведённого исследования можно говорить о работоспособности системы технологического мониторинга СТМ-12Т и о целесообразности дальнейших испытаний, для дальнейшего внедрения её в различные пищевые производства с целью оптимизации ТОиР.
Keywords: maintenance and repair, technical monitoring system, diagnostic signs, vibration, sensor, imbalance.
Abstract: Indicators of operational reliability of the equipment characterize the continuity of its operation in long-term operation. The higher the operational reliability, the less downtime due to malfunctions and defects of technical order. The correct assessment of operational reliability is one of the complex tasks, and therefore currently most of the food enterprises still use a ineffective strategy of preventive maintenance. In order to optimize maintenance and repair (MRO), it is necessary to move to a more effective strategy of equipment maintenance according to its actual condition. For the purpose of improvement of actions for maintenance and Repair research work on test of system of technical monitoring of STM-12T is conducted. Thanks to a set of vibration, temperature, speed sensors, as well as analog current and sound sensors, the system monitors the operation of the equipment in real time and allows you to determine the actual technical condition and the residual life of the machines, on the basis of which it is possible to draw conclusions about the serviceability of the equipment or the need for repair work. Preliminary tests of the system were carried out in the laboratory of the Department on a specially created experimental setup. To verify the performance of the device, the operation of the experimental setup was monitored in two technical States: «reference» and «with static imbalance». To assess the technical condition of the equipment as a diagnostic feature was chosen vibration level as the most versatile and informative feature. The obtained data were processed and analyzed in the program STATISTICA 10. During the analysis of the data, a strong increase in the amplitude of the oscillations was revealed, which indicates the presence of an imbalance of the shaft. On the basis of the conducted research it is possible to speak about the health systems of technological monitoring of STM-12T and on the advisability of further tests, for further introduction it in various food production with the aim of optimising maintenance and repair.
Введение
Технический мониторинг и диагностика является мощным инструментом повышения эффективности ТОиР т.к. позволяет в процессе функционирования оборудования определять его техническое состояние без разбора его узлов, что в значительной степени упрощает процедуру выявления дефектов деталей и узлов машин [1]. В настоящее время для поддержания оборудования в работоспособном состоянии используется система ППР, но более перспективным методом является активное техническое обслуживание, согласно которому сроки и виды ремонтных работ могут корректироваться на основе результатов технической диагностики [3,4]. Внедрение методов и средств технического диагностирования позволяет перейти от технического обслуживания по регламенту к ТО по фактическому состоянию, что приводит к снижению текущих затрат на обслуживание, позволяет более полно использовать ресурс машин, предотвращать аварийный ситуации на производстве, планировать сроки и виды ремонтных работ. Методы технической диагностики уже нашли широкое применение в различных отраслях промышленности [1].
Среди большого разнообразия машин и аппаратов, входящих в состав производств наиболее ответственными и аварийно-опасным является оборудование роторного типа. Это оборудование в первую очередь нуждается в разработке методов мониторинга и технического диагностирования. Анализ научных работ [3,4,5] в области технического диагностирования показал, что наиболее универсальным методом диагностирования оборудования является диагностика по параметрам звука, вибрации и температуры узлов машин.
При разработке методов мониторинга и диагностики необходимо найти однозначную зависимость между техническим состоянием машины т.е. наличием у нее тех или иных дефектов и диагностическими признаками, а именно вибрации, температуры, шума [4].
Опыт эксплуатации технологического оборудования в различных отраслях промышленности [3] показывает, что внедрение методов и средств технического мониторинга и диагностики является одним из важнейших факторов повышения экономической эффективности использования технологического оборудования. Современные методы и средства мониторинга и диагностики позволяют выявлять дефекты на ранней стадии их развития, что способствует предупреждению отказов и аварий, позволяет поддерживать эксплуатационные показатели в установленных пределах, более полно использовать ресурс машин, благодаря переходу от технического обслуживания по регламенту к обслуживанию по состоянию. Различные методы технического диагностирования успешно используются различных отраслях промышленности [3].
Целью работы является разработка и внедрение методов и средств технического мониторинга и диагностики оборудования с целью повышения его эксплуатационной надежности, безопасности и оптимизации его технического обслуживания.
Научно-практическая новизна работы заключается в разработке теоретических основ создания автоматизированной системы мониторинга для идентификации технического состояния технологического оборудования, включающих архитектуры адаптивных баз данных и баз знаний автоматизированной системы идентификации технического состояния.
Исследования показывают, что для анализа технического состояния машины в процессе ее функционирования наиболее универсальными и информативными диагностическими параметрами являются вибрационные, акустические, тепловые и электротехнические [3]. Контроль и анализ значений этих параметров (диагностических признаков) позволяет судить о техническом состоянии машины, зарождении и развитии дефектов. Исследования, проведенные на комбикормовом заводе [4,5], показали высокую эффективность применения методов функционального вибродиагностирования для оборудования роторного типа при определении таких дефектов как, дисбаланс ротора, дефекты муфт, подшипников, ременных и зубчатых передач и пр.
По результатам исследований разработана стационарная система технического мониторинга и диагностики оборудования роторного типа. Система предназначена для контроля в режиме реального времени технического состояния ответственных, тяжело нагруженных машин с одним или двумя роторами (валами) и механической передачей.
Научные предпосылки к разработке методики мониторинга и диагностики оборудования сформированы на кафедре «прикладная механика и инжиниринг технических систем» МГУПП. Разработан диагностический стенд (рисунок 1), в котором используется прибор СТМ-12Т, были подобраны аппаратные и программные средства технической диагностики, разработана методология исследований.
Основой системы является 12-ти канальный прибор СТМ-12Т, который в режиме реального времени измеряет и математически обрабатывает различные физические параметры, сопровождающие работу машин (вибрацию, температуру, уровень излучаемого шума, значение потребляемого тока фазой электродвигателя, обороты вала). В качестве первичных средств измерения используются цифровые датчики вибрации, температуры, тока, звука и оборотов. Датчики имеют встроенный микропроцессор с программным обеспечением, что позволяет в режиме реального времени проводить измерения температуры поверхности и уровня СКЗ виброскорости в диапазоне частот от 10 до 1000 Гц, с фильтрацией случайных выбросов недостоверных значений, а также измерять спектр виброскорости в диапазоне частот от 10 до 800 Гц с разрешением в 128 полос.
Рисунок 1 – Система технического мониторинга СТМ-12Т
Система технического мониторинга СТМ-12Т контролирует в режиме реального времени работу оборудования по пяти измеряемым параметрам (диагностическим признакам): вибрации в четырёх точках, температуре в пяти точках, уровню шума, потребляемому току электродвигателем и частоте вращения. Контроль производится по заранее заданным предельно допустимым значениям, и в случае их превышения система включает световую и звуковую сигнализацию, а при достижении критических значений автоматически отключает оборудование. Также такой многосторонний анализ позволяет не только своевременно устранить неполадку и отключить оборудование в случае аварийной ситуации, но и на основании передаваемых данных с прибора на компьютер грамотно планировать время проведения и объемы ТОиР.
Система технического мониторинга СТМ-12Т позиционируется, как стационарное решение для непрерывного контроля и мониторинга оборудования, но благодаря компактности исполнения прибора, его с лёгкостью можно использовать в качестве мобильной системы мониторинга. Так же к неоспоримым плюсам системы можно отнести интуитивно понятный интерфейс, позволяющий быстро попасть в нужное меню прибора и увидеть необходимою информацию.
Датчики вибрации и температуры, как правило, устанавливаются на подшипниковых узлах машины и для удобства подключения объединены в один корпус, который с помощью винта крепится к поверхности. Мониторинг состояния оборудования и допусковый контроль осуществляется по интегральным характеристикам (среднее квадратическое значение (СКЗ)) виброскорости, потребляемого тока фазой электродвигателя, излучаемого звука и температуры подшипниковых узлов машины.
Контроль осуществляется путем сравнения текущих значений диагностических признаков с предельно допустимыми значениями (ПДЗ). В результате сравнительного анализа состояние машины относится к одному из трех классов «Норма», «Требуется осмотр» или «Аварийное состояние». В последнем случае включается световая и звуковая сигнализации, обеспечивается аварийное отключение машины.
Экспериментальные исследования были проведены с целью проверки работы прибора СТМ-12Т. В ходе испытаний экспериментальной установки были смоделированы несколько технических состояний оборудования, а именно работоспособное состояние (норма) и аварийное (дисбаланс ротора). Второе состояние моделировалось благодаря установки дополнительных грузов (шайб) весом 10 г на расстоянии 50 мм от центральной оси вращения вала. Для каждого технического состояния мониторинг проходил в течении 45 минут, при этом скорость вращения вала установки регулировалась с помощью частотного преобразователя и составляла 1500 об/мин.
Измеренная информация с прибора по радиоканалу (GSM/GPRS) передается на сервер в базу данных (БД) для дальнейшей статистической обработки и углубленного анализа. Процедура диагностирования подразумевает более детальный анализ спектрального состава вибрации, шума, потребляемого тока и требует значительных вычислительных ресурсов, которые могут быть обеспечены посредством «облачных» технологий на удаленном сервере. Для этой цели прибор СТМ-12Т снабжена функцией телеметрии и позволяет ежеминутно посредством встроенного GSM-модема передавать в базу данных (БД) на ftp-сервер измеренную диагностическую информацию.
В ходе литературного анализа [3,4] было выяснено, что более информативным и универсальным методом мониторинга технического состояния оборудования является вибрационная диагностика, поэтому диагностическим признаком была выбрана вибрация. Самый большой показатель уровня вибрации был установлен в месте крепления датчика 2б. На рисунке 2 представлены данные спектров вибрации подшипниковых опор, исходя из моделируемых технический состояний оборудования.
Рисунок 2 – Общий вид экспериментальной установки для испытания системы технического мониторинга СТМ-12Т: 1 – экспериментальная установка; 2.а, 2.б, 2.в, 2.г – совмещённые датчики вибрации и температуры; 3 – датчик числа оборотов; 4 – датчик шума; 5 – прибор СТМ-12Т; 6 – датчик тока; 7 – датчик температуры.
Предварительные испытания были нацелены на проверку работы прибора СТМ-12Т. Для этого был проведён мониторинг работы экспериментальной установки в двух технических состояниях: «эталонном» и «со статическим дисбалансом». Дисбаланс 44 г·см моделировался путём установки дополнительного груза массой 11 г на расстоянии 40 мм от центральной оси вращения. Для каждого состояния мониторинг проводился в течении 40 минут при скорости вращения вала 1000 об/мин. Запуск, установка нужной частоты вращения и остановка двигателя осуществлялась с помощью частотного преобразователя.
Для получение данных была произведена установка датчиков: на каждой подшипниковой опоре было закреплено по два датчика вибрации и температуры, датчик числа оборотов был установлен напротив вала при помощи держателя, датчик тока был закреплён на провод, идущий от частотного преобразователя к двигателю, а датчики температуры окружающей среды и шума расположены вблизи установки.
Данные с датчиков попадают на прибор, с которого в режиме реального времени отправляются в SQL Server — систему управления реляционными базами данных. Анализ полученных данных осуществлялся в программе STATISTICA 10.
Наиболее универсальным и информативным является метод вибрационной диагностики машин [2,3], поэтому для оценки технического состояния установки в качестве диагностического признака была выбрана именно вибрация. В точках крепления датчиков 2.а и 2.г измерение вибрации проходит в горизонтальном направлении, а в точках 2.б и 2.в – в вертикальном. Наибольший уровень вибрации был выявлен в точке крепления датчика 2.а. На рис. 3 представлены спектры вибрации подшипникового узла для двух технических состояний в данной точке. Из графиков видно, что, при дисбалансе ротора в спектре наблюдается почти двукратное увеличение максимальной амплитуды на частоте вращения – fвр=18,75 Гц.
Рисунок 3 – Спектры вибрации подшипникового узла ротора при отсутствии дисбаланса (а) и при наличии дисбаланса 44 г*см (б)
Для более детального рассмотрения изменения амплитуды, возникшего при дисбалансе ротора, построим диаграмму размаха для соответствующей данному дефекту частоте (рис. 4).
Рисунок 4 – Диаграмма размаха вибрации узла ротора на частоте 18,75 Гц при отсутствии дисбаланса (а) и при наличии дисбаланса 44 г*см (б)
Из диаграммы отчётливо видно, что в выборках значения размаха без выбросов не пересекаются, а медианы разнятся многократно, что свидетельствует о наличии детерминированной зависимости между техническим состоянием установки и уровнем вибрации во время её работы.
Спектральный анализ и анализ амплитуды на детерминированной частоте с анализом значимости значений показали высокую эффективность системы мониторинга. В ходе проведения предварительных испытаний:
- были найдены зависимости между амплитудно-частотным составом вибрации и параметрами дефектов;
- выявлена корреляция между значениями диагностических признаков и техническим состоянием;
- показана эффективность процедуры классификации.
В связи с эти считаем первостепенную цель исследований достигнутой, а продолжение испытаний прибора целесообразным. Работа над прибор СТМ-12Т и его испытания продолжатся для его дальнейшего внедрения в различные пищевые производства с целью оптимизации ТОиР.
Список литературы:
- Глебов Л.А., Демский А.Б., Веденьев В.Ф., Темиров М.М., Огурцов Ю.М. Технологическое оборудование предприятий отрасли (зерноперерабатывающие предприятия). — М.: ДеЛи принт, 2006. – 816 с
- Нейронные сети. STATISTICA Neural Networks: Методология и технологии современного анализа данных / Под редакцией В.П. Боровикова. 2-еизд., перераб. и доп. М.: Горячая линия Телеком, 2008. 392 с, ил. ISBN 978-5-9912-0815-8.
- Технический мониторинг, диагностика и защита оборудования. А. Яблоков, Б.Федоренко, М.Латышев. // Комбикорма 2018. №6. С. 32-34
- Яблоков А.Е. Вибродиагностика основного технологического оборудования размольного отделения мельницы. / Дисс. канд. техн. наук: 05. 02. 13. Москва, 2001. 183 С.
- Яблоков А.Е. Нейросетевые технологии в задаче мониторинга машин комбикормового производства // Хранение и переработка сельхозсырья. 2015. № 6. С. 41-44.