Изобретение относится к способам вибрационной диагностики механизмов периодического действия, в частности к диагностированию технического состояния поршневых компрессоров двухстороннего действия по вибрации корпуса, и может быть использовано для оценки их технического состояния.

Известен способ виброакустической диагностики поршневых машин, основанный на анализе и нормировании параметров абсолютной вибрации [5] как по общему уровню в местах установки датчика, так и путем нормирования вибропараметров, например амплитуды вибрации в определенные моменты или отрезки времени по углу поворота коленчатого вала. Недостатком данного способа является оценка только общего технического состояния узлов без указания конкретных причин повышенной вибрации.

Известен способ виброакустической диагностики механизмов периодического действия, реализованный в патенте РФ [1], по которому о состоянии механизма судят по пропорциональности отношения K=W_p/W_H, мощностей периодической W_p и шумовой W_H составляющих, при этом проводят нормирование виброакустического сигнала по общему уровню.

В этом способе не указана связь между использованием указанного отношения и конкретными неисправностями или дефектами диагностируемого объекта.

Известен способ виброакустической диагностики механизмов периодического действия, реализованный в патенте РФ [2], по которому о состоянии механизма судят по пропорциональности отношения К_ш=Р_п/Р_ш, мощностей периодической Р_п и шумовой Р_ш составляющих, при этом проводят нормирование виброакустического сигнала по уровню шумовой составляющей.

В этом способе также не приводится связь между использованием указанного отношения и конкретными неисправностями или дефектами диагностируемого объекта.

Наиболее близким аналогом [3, 4] является способ вибрационной диагностики поршневых компрессоров по соотношению спектральных составляющих периодической части сигнала, определяемой циклическим рабочим процессом,

где А₁, А_i - амплитуды соответственно 1^ой, i^ой (i=2,...,15) гармоник в амплитудно-частотном спектре вибрации диагностируемой поршневой машины.

Недостатком данного способа является то, что оценивается состояние только клапанов поршневой машины, причем отношение спектральных составляющих зависит от общего уровня спектральных составляющих и может изменяться от десятых долей до нескольких единиц, что существенно затрудняет нормирование этого параметра для разных типов машин.

Целью изобретения является повышение достоверности диагностики, которое достигают путем анализа уровня спектральных инвариант амплитудно-частотного спектра вибрации корпуса диагностируемой поршневой машины с учетом зависимости уровня спектральных инвариант от технического состояния узла поршневой машины, в частности клапанов поршневого компрессора, крейцкопфа, деталей цилиндропоршневой группы поршневой машины, дисбаланса вращающихся масс, несоосности валов поршневой машины и привода, дефекта муфты между ними.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния поршневых машин по спектральным инвариантам, включающем измерение вибрации поршневой машины, определение амплитудно-частотного спектра вибрации, оценку амплитуды информативных частотных составляющих спектра, по которым судят о состоянии машины, достигают тем, что вибрацию измеряют в точках корпуса, близлежащих к зонам расположения диагностируемых узлов поршневой машины, выделяют информативные составляющие в виде гармоник частоты повторения полного цикла поршневой машины, оценивают их дисперсии, формируют совокупности гармоник и определяют спектральные инварианты в виде отношения дисперсий соответствующих совокупностей гармоник:

где А_i, А_m - амплитуды соответственно i^ой, m^ой гармоник в амплитудно-частотном спектре вибрации диагностируемой поршневой машины;

 - спектральный инвариант, равный отношению суммы дисперсий гармоник с номерами m=p,...,r,...,s к сумме дисперсий с номерами гармоник i=1,...,k,...,l,

строят базу знаний в виде табличной зависимости, связывающей место измерения вибрации, узел диагностируемой машины, вид неисправности, соответствующий спектральный инвариант и его значения для различных оценок технического состояния, обусловленную причинно-следственными связями между ними и состоянием машины:

База знаний

№	Место измерения вибрации	Узлы поршневой машины	Классы неисправностей	Спектральный инвариант	Состояние
					ТПМ	НДП
1	Крейцкопф	Кривошипно-ползунный механизм (КПМ)	Зазоры, состояние поверхностей скольжения ползуна, состояние поверхности втулки и подшипника верхней головки шатуна, жесткость крепления штока		>0,33	>0,76
2	Крейцкопф	Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)	Зазоры, состояние шатунной шейки коленчатого вала и ее подшипников, жесткость крепления нижней головки шатуна, состояние коренных подшипников коленчатого вал		>0,51	>0,76
3	Клапан; цилиндр в зоне клапанов	Клапан	Поломка пластин, пружин, уменьшение параметра «время-сечение», гидроудар, нарушение технологического процесса		>0,33	>0,51
4	Крышка цилиндра	Детали цилиндро-поршневой группы	Зазор между поршнем и гильзой, износ поршневых колец, износ поверхности гильзы, ослабление крепления штока к поршню (зазоры втулка-поршень), гидроудар, нарушение технологического процесса		>0,33	>0,51
5	Подшипник поршневой машины со стороны привода или маховика	Вращающиеся детали вала, муфта	Дисбаланс		>0,51	>0,76
6		Вал поршневой машины, вал привода	Несоосность		>0,51	>0,76
7		Муфта	Повышенные зазоры, ослабление крепления, ослабление жесткости		>0,51	>0,76

Поставленная цель в способе диагностики технического состояния поршневых машин по вибрации корпуса достигается также тем, что длительность исходного сигнала вибрации для выделения спектральных инвариант составляет не менее периода одного полного цикла работы поршневой машины.

Анализ отличительных признаков предлагаемого способа диагностики технического состояния поршневых машин по вибрации корпуса и обеспечиваемых ими технических результатов показал, что:

- виброактивность поршневой машины определяется, во-первых, гармониками частоты вращения вала, которая, как правило, совпадает с полным циклом работы поршневой машины, и, во-вторых, высокочастотной шумовой составляющей вибрации, которая, как правило, промодулирована гармониками частоты вращения вала, при этом именно гармонические составляющие как в прямом спектре, так и в спектре огибающей, являются наиболее сильными, стабильными и характерными составляющими вибрации поршневой машины независимо от конструктивных, массогабаритных и других показателей поршневой машины. Поэтому использование гармонических составляющих виброакустического сигнала в качестве компонент диагностических признаков позволяет получать стабильные результаты анализа виброакустической активности поршневой машины, в противоположность высокочастотной шумовой составляющей, в значительной степени зависящей от газодинамических процессов в поршневой машине, технологических параметров ведения процесса компримирования и места установки вибродатчиков;

- использование спектральных инвариант в виде отношения дисперсий гармонических составляющих позволяет провести нормирование уровней диагностических признаков неисправностей, лежащих в диапазоне от 0 до 1;

- использование спектральных инвариант, которые в общем виде математически можно описать следующим образом:

где A_i, A_m - амплитуды соответственно i^ой, m^ой гармоник в амплитудно-частотном спектре вибрации диагностируемой поршневой машины;

 - спектральный инвариант, равный отношению суммы дисперсий гармоник с номерами m=p,...,r,...,s к сумме дисперсий с номерами гармоник i=1,...,k,...,l, позволяет обобщенно и единообразно решить задачу диагностирования различных узлов и механизмов поршневой машины;

- одноименные спектральные инварианты, полученные по амплитудно-частотному спектру вибрации корпуса с датчиков, установленных в различных точках поршневой машины, позволяют получать информацию о состоянии различных узлов и механизмов поршневой машины;

- использование в качестве амплитудно-частотного спектра вибрации корпуса поршневой машины спектра огибающей виброакустического сигнала и выделение гармонических составляющих дает возможность проводить анализ спектральных инвариант в различных частотных диапазонах виброакустической активности, характерных для различных узлов и деталей поршневой машины;

- наличие базы знаний, полученной путем многолетнего мониторинга состояния нескольких десятков поршневых машин, позволяет повысить достоверность диагностики узлов и деталей поршневой машины и обеспечивает быструю, полную и достоверную диагностику поршневых машин, применяемых в различных отраслях промышленности, без проведения трудоемких предварительных исследований каждой машины. При этом база знаний позволяет по уровню различных спектральных инвариант, вычисленных по амплитудно-частотному спектру вибрации, полученному с датчиков, установленных в различных местах поршневой машины, определять состояние узлов и деталей поршневой машины:

- при измерении вибрации в зоне крейцкопфа уровень спектрального инварианта  определяет состояние кривошипно-ползунного механизма (КПМ), в частности зазоры, состояние поверхностей скольжения ползуна, состояние поверхности втулки и подшипника верхней головки шатуна, жесткость крепления штока. При этом, если  больше 0,33, но меньше 0,76, состояние КПМ - требует принятия мер (ТПМ), а если  больше 0,76, то состояние КПМ - недопустимо (НДП) и дальнейшая эксплуатация поршневой машины может привести к аварии;

- при измерении вибрации в зоне крейцкопфа уровень спектрального инварианта  определяет состояние кривошипно-шатунного механизма (КШМ), в частности зазоры, состояние шатунной шейки коленчатого вала и ее подшипников, жесткость крепления нижней головки шатуна, состояние коренных подшипников коленчатого вала. При этом, если  больше 0,51, но меньше 0,76, состояние КШМ - требует принятия мер, а если  больше 0,76, то состояние КШМ - недопустимо;

- при измерении вибрации на цилиндре в зоне клапанов или непосредственно на клапанах уровень спектрального инварианта  определяет состояние клапанов и качество протекания процесса компримирования. К неисправностям клапанов и нарушению качества протекания процесса компримирования относят, в частности поломку пластин, пружин, уменьшение параметра «время-сечение», нарушение технологического процесса, возникновение гидроударов. При этом, если  больше 0,33, но меньше 0,51, состояние клапанов и технологического процесса - требует принятия мер, а если  больше 0,51, то состояние клапанов и технологического процесса - недопустимо;

- при измерении вибрации на крышке цилиндра уровень спектрального инварианта  определяет состояние деталей цилиндропоршневой группы и качество протекания процесса компримирования. К неисправностям деталей цилиндропоршневой группы и нарушению качества протекания процесса компримирования относят, в частности, увеличение зазора между поршнем и гильзой, износ поршневых колец, износ поверхности гильзы, ослабление крепления штока к поршню (зазоры втулка-поршень), нарушение технологического процесса, гидроудар. При этом, если  больше 0,33, но меньше 0,51, состояние деталей цилиндропоршневой группы и технологического процесса - требует принятия мер, а если  больше 0,51, то состояние деталей цилиндропоршневой группы и технологического процесса - недопустимо;

- при измерении вибрации на подшипнике поршневой машины со стороны привода или маховика уровень спектрального инварианта  определяет наличие дисбаланса вращающихся деталей вала или муфты. При этом, если  больше 0,51, но меньше 0,76, уровень дисбаланса таков, что необходимо принимать меры по его устранению, а если  больше 0,76, то уровень дисбаланса - недопустим;

- при измерении вибрации на подшипнике поршневой машины со стороны привода или маховика уровень спектрального инварианта  определяет наличие несоосности вала поршневой машины и вала привода. При этом, если  больше 0,51, но меньше 0,76, уровень несоосности таков, что необходимо принимать меры по ее устранению, а если  больше 0,76, то уровень несоосности - недопустим;

- при измерении вибрации на подшипнике поршневой машины со стороны привода или маховика уровень спектрального инварианта  определяет наличие неисправности муфты между валом поршневой машины и валом привода. К неисправностям муфты относят, в частности, повышенные зазоры, ослабление крепления, ослабление жесткости муфты и ее деталей. При этом, если  больше 0,51, но меньше 0,76, то состояние муфты - требует принятия мер, а если  больше 0,76, то состояние муфты - недопустимо.

Физическая сущность предлагаемого способа диагностики технического состояния поршневых машин по вибрации корпуса объясняется следующим образом. Виброактивность каждого изолированного цилиндра идеальна, т.е. полностью соответствующей конструкторской документации и эксплуатируемой в заданных нормативной документацией условиях (техническими условиями) поршневой машины пропорциональна частоте вращения коленчатого вала. При этом основной возмущающей силой является вторая гармоника частоты вращения вала, величина которой пропорциональна силовому воздействию при движении поршня сначала от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки и, затем в обратном направлении - от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, когда завершается полный цикл работы поршневой машины. Любое нарушение структуры узлов машины приводит к появлению силовых возмущений, отличающихся от удвоенной частоты вращения коленчатого вала. Например, отказ одного из клапанов поршневого компрессора двухстороннего действия приводит к нарушению симметрии силовых воздействий и, соответственно, к перераспределению виброактивности на гармониках частоты вращения. Аналогично, появление нерасчетных зазоров в движущихся и вращающихся узлах приводит к нарушению симметрии сил и изменению виброактивности на гармониках частоты вращения вала машины.

Таким образом, предлагаемый способ диагностики технического состояния поршневых машин по вибрации корпуса, основанный на базе знаний, связывающей спектральные инварианты амплитудно-частотного спектра вибрации в виде соотношений предложенной структуры и их нормированные величины, независимо от типа и параметров поршневых машин, с конкретными классами дефектов, позволяет повысить достоверность диагностики.

Формула изобретения

1. Способ вибродиагностики технического состояния поршневых машин по спектральным инвариантам, заключающийся в том, что измеряют вибрацию поршневой машины, определяют амплитудно-частотный спектр вибрации, оценивают амплитуды информативных частотных составляющих спектра, по которым судят о состоянии машины, отличающийся тем, что вибрацию измеряют в точках корпуса, близлежащих к зонам расположения диагностируемых узлов поршневой машины, выделяют информативные составляющие в виде гармоник частоты повторения полного цикла поршневой машины, оценивают их дисперсии, формируют совокупности гармоник и определяют спектральные инварианты в виде отношения дисперсий соответствующих совокупностей гармоник:

, 

где A_i, A_m - амплитуды соответственно i-й, m-й гармоник в амплитудно-частотном спектре вибрации диагностируемой поршневой машины;

 - спектральный инвариант, равный отношению суммы дисперсий гармоник с номерами m=p,...,r,...,s к сумме дисперсий с номерами гармоник i=1,...,k,...,l,

строят базу знаний в виде табличной зависимости, связывающей место измерения вибрации, узел диагностируемой машины, класс неисправности, соответствующий спектральный инвариант и его значения для различных оценок технического состояния, обусловленную причинно-следственными связями между ними и состоянием машины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность исходного сигнала вибрации для выделения спектральных инвариант составляет не менее периода одного полного цикла работы поршневой машины.