СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН

Название	СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН
Разработчик (Авторы)	Костюков Владимир Николаевич, Науменко Александр Петрович, Бойченко Сергей Николаевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2314508
Дата регистрации	10.10.2006
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью НПЦ "Динамика"-Научно-производственный центр "Диагностика, надежность машин и комплексная автоматизация"
Область применения (класс МПК)	G01M 15/00 (2006.01) G01M 7/02 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к области диагностики технического состояния машин и может быть использовано для мониторинга технического состояния в информационно-диагностических системах автоматической диагностики и мониторинга.

В области диагностики технического состояния машин посредством анализа виброакустического сигнала существует проблема, связанная с обеспечением линейности амплитудно-фазовых характеристик как отдельных составляющих измерительной аппаратуры - первичных преобразователей (датчиков), усилителей, трактов передачи сигналов, так и в целом канала передачи виброакустического сигнала от точки его возникновения до средств обработки, как правило, анализатора. Именно линейность амплитудно-фазовой характеристики всего канала передачи виброакустического сигнала от точки его возникновения до анализатора определяет точность и достоверность диагностики.

Известен способ диагностики, заключающийся в том, что при диагностике определяют амплитудно-частотную характеристику виброакустического канала путем тестового воздействия на различные точки механизма, а спектр соударения деталей определяют путем умножения спектра виброакустического сигнала на амплитудно-частотную характеристику канала передачи виброакустического сигнала [1, 2].

Данный способ диагностики базируется на следующих предпосылках. Спектр виброакустического сигнала полностью определяется спектром входного воздействия и структурой амплитудно-частотной характеристики канала передачи виброакустического сигнала (виброакустического канала) от точки возникновения сигнала до точки приема анализатором виброакустического сигнала [1, 2]. Форма импульса при столкновении деталей аппроксимируется полуволной синусоиды [1]. Выходной сигнал с датчика виброускорения (виброакселерометра) в этом случае пропорционален скорости столкновения [1]. Длительность соударения [1], которая определяет ширину спектра сигнала, средняя сила столкновения [1] также зависят от скорости столкновения. В свою очередь, скорость столкновения (удара), а значит, и амплитуда сигнала и ширина спектра сигнала пропорциональны зазору [2]. Таким образом, ширина спектра зависит от амплитуды сигнала. Кроме того, в процессе износа, например зубьев кинематической пары, изменяется не только зазор, но и площадь соприкосновения зубьев, что приводит к зависимости от этой площади силы взаимодействия и амплитуды формируемого виброакустического сигнала [1]. Поскольку площадь соприкосновения нелинейно зависит от степени износа, то это приводит к нелинейности формирования и передачи виброакустического сигнала. Таким образом, учитывая, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) виброакустического канала имеет неравномерность и нелинейность для каждой точки приема и возбуждения сигнала [1, 2], структура принимаемого датчиком сигнала будет зависеть от амплитуды возбуждаемого сигнала и свойств виброакустического канала для данной амплитуды.

Недостатком данного способа является то, что амплитудно-частотную характеристику виброакустического канала определяют, например, путем быстрого преобразования Фурье (БПФ), при одном фиксированном значении тестового воздействия при фиксированной скорости столкновения.

Известен способ [3] оценки технического состояния механизмов, преимущественно с зубчатыми передачами, заключающийся в том, что измеряют амплитуды составляющих спектра виброакустического сигнала, выделяют амплитуды составляющих, соответствующие дефектам и неисправностям в виде отдельных импульсов или импульсных последовательностей на частотах, не зависящих от оборотов механизма, корректируют их с помощью функции коррекции, сравнивают полученные значения составляющих виброакустического сигнала с допустимыми величинами.

Недостатком данного способа является то, что функция коррекции не учитывает зависимость ее параметров от свойств виброакустического канала, в частности нелинейности его амплитудно-фазовой характеристики, и амплитуды возбуждающего воздействия, пропорциональной степени деградации, износа, погрешности и т.д. механизма, узла. Кроме того, данный способ применим к механизмам преимущественно с зубчатыми передачами, что ограничивает область его применения.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности диагностики, которое достигают путем коррекции формы амплитудно-фазовой характеристики (АФХ) виброакустического канала с учетом зависимости ее параметров от амплитуды исходного сигнала, что позволяет компенсировать неравномерность и нелинейность характеристики виброакустического канала распространения и преобразования сигнала от источника до анализатора.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса, заключающемся в том, что измеряют параметры виброакустического сигнала, выделяют составляющие, соответствующие дефектам и неисправностям, корректируют их с помощью функции коррекции и сравнивают полученные значения составляющих виброакустического сигнала с допустимыми величинами, достигается тем, что функции коррекции представляют в виде амплитудно-фазовых характеристик виброакустического канала передачи информации, определяют их при различной амплитуде сигнала во всем динамическом диапазоне амплитуд сигнала, соответствующем исправному и неисправным состояниям узла машины, и корректируют амплитудно-фазовые характеристики сигнала в соответствии с параметрами амплитудно-фазовых характеристик канала передачи виброакустической информации, соответствующими измеренной амплитуде сигнала, а в качестве диагностических составляющих виброакустического сигнала используют амплитуду, фазу составляющих временной и спектральной реализации сигнала, а также собственно частотные составляющие.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса достигается тем, что определяют мультипликативную функцию коррекции амплитуды и аддитивную функцию коррекции фазы сигнала для разных значений амплитуды, соответствующих исправному и указанным неисправным состояниям.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса достигается тем, что выполняют БПФ-преобразование сигнала, определяют функции коррекции амплитуды и фазы сигнала для каждого дискретного значения частоты, корректируют амплитуду и фазу сигнала путем умножения каждого значения амплитуды частотной составляющей БПФ-спектра сигнала на значение мультипликативной функции коррекции амплитуды, соответствующее этой частоте, и добавления к каждому значению фазы частотной составляющей БПФ-спектра сигнала значения аддитивной функции коррекции фазы на этой частоте, получают откорректированный БПФ-спектр сигнала и анализируют его для диагностики машины.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса достигается тем, что по откорректированному БПФ-спектру сигнала восстанавливают откорректированный сигнал путем обратного БПФ-преобразования, измеряют его параметры и по ним осуществляют диагностику машины и механизмов.

Поставленная цель в способе вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса достигается тем, что коррекцию сигнала для обеспечения линейной амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик выполняют автоматически путем введения коррекции по формулам:

 при этом K_A(f_i)·A(f_i)=1;

K_ϕ(f_i)=-ϕ(f_i), при этом K_ϕ(f_i)+ϕ(f_i)=0,

где A(f_i) - амплитудно-частотная характеристика канала;

ϕ(f_i) - фазо-частотная характеристика канала;

K_A(f_i) - мультипликативная функция коррекции амплитуды сигнала;

K_ϕ(f_i) - аддитивная функция коррекции фазы сигнала;

i - порядковый номер полосы БПФ-спектра сигнала;

N - количество полос БПФ преобразования.

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

учет амплитудно-фазовых характеристик виброакустического канала, который имеет существенную неравномерность даже без учета характеристик тракта измерительной аппаратуры [1], в зависимости от амплитуды сигнала при выделении диагностических составляющих позволяет более точно и корректно определять амплитуду и фазу составляющих как во временной, так и в частотной областях, что повышает точность и достоверность диагностики;

определение мультипликативной функции коррекции амплитуды и аддитивной функции коррекции фазы сигнала для разных значений амплитуды, которые соответствуют исправному и указанным неисправным состояниям, позволяют получить набор указанных функций не просто в диапазоне амплитуд, а для конкретных состояний машины, что позволяет, с одной стороны, сократить их количество в наборе функций, а с другой стороны - определять функции для конкретных случаев дефектов и неисправностей и для соответствующих этим дефектам и неисправностям характеристик генерируемого сигнала. В результате удается повысить точность и достоверность диагностики;

так как одним из самых распространенных методов виброакустической диагностики является диагностика по спектру виброакустического сигнала, то получение спектра, у которого амплитуда и фаза спектральных составляющих соответствуют реально возбуждаемым, т.е. получение спектра с учетом амплитудно-фазовой характеристики виброакустического канала позволяет повысить точность и достоверность за счет соответствия параметров измеренных составляющих параметрам составляющих, генерируемых неисправными элементами машины;

восстановление формы сигнала из откорректированного БПФ-спектра сигнала, соответствующей форме, возбуждаемой неисправным узлом машины или ее элементом, позволяет повысить точность и достоверность постановки диагноза;

одним из частных и эффективных применений автоматической коррекции сигнала для обеспечения линейной амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик канала является коррекция сквозного канала измерительной аппаратуры, которая позволяет исключить ошибки при постановке диагноза и тем самым повысить достоверность диагностики. В этом случае, например, для вибродиагностической аппаратуры получают амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики виброканала путем возбуждения вибросигнала в датчике в заданном диапазоне частот и амплитуд. Полученные амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики используют для получения линейного виброизмерительного канала путем автоматического их применения при приеме и обработки сигнала. При этом отпадает необходимость в поэлементной калибровки составляющих виброизмерительного канала, которая к тому же не гарантирует линейность всего тракта.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

фиг.1 - амплитудно-частотные характеристики сигналов с внешнего кольца подшипника (кривая 1), с подшипникового узла (кривая 2), корректирующая функция (кривая 3), соответствующие исправному состоянию подшипника;

фиг.2 - амплитудно-частотные характеристики сигналов с внешнего кольца подшипника (кривая 4), с подшипникового узла (кривая 5), корректирующая функция (кривая 6), соответствующие неисправному состоянию подшипника;

фиг.3 - исходная форма реализации вибросигнала во временной области с датчика на цилиндре поршневого компрессора;

фиг.4 - амплитудно-частотная (7) и фазочастотная (8) характеристики сигнала с датчика на цилиндре поршневого компрессора;

фиг.5 - мультипликативная (9) и аддитивная (10) корректирующие функции сигнала с датчика на цилиндре поршневого компрессора;

фиг.6 - амплитудно-частотная (11) и фазочастотная (12) характеристики сигнала с датчика на цилиндре поршневого компрессора после применения корректирующих функций;

фиг.7 - корректированная форма реализации вибросигнала во временной области с датчика на цилиндре поршневого компрессора. Точки 13 соответствуют открытию всасывающих клапанов 1-й полости нагнетания, 14 - открытие нагнетательных клапанов 2-й полости нагнетания, 15 - нижняя мертвая точка, 16 - открытие всасывающих клапанов 2-й полости нагнетания, 17 - открытие нагнетательных клапанов 1-й полости нагнетания, 18 - верхняя мертвая точка;

фиг.8 - амплитудно-частотные характеристики до применения корректирующей функции (кривая 19), после применения корректирующей функции (кривая 20), корректирующая функции (кривая 21).

Реализуемость способа проверялась с возникающими дефектами и неисправностями подшипников качения реально функционирующих центробежных консольных насосов. Один вибропреобразователь (акселерометр) устанавливался на внешнее кольцо подшипника, при этом обеспечивался надежный акустический контакт поверхности датчика с внешним кольцом подшипника. Второй датчик устанавливался с помощью специального датчико-держателя на шпильку крепления крышки подшипника. Проведенные измерения при исправном подшипнике показали, что спектр вибрации с первого датчика имеет большую интенсивность (фиг.1, кривая 1). Второй датчик зафиксировал идентичный сигнал, но меньшей интенсивности (фиг.1, кривая 2). Характер корректирующей функции (фиг.1, кривая 3) свидетельствует о необходимости глобального подъема примерно на 10 дБ в диапазоне частот до 3000 Гц и свыше 4000 Гц.

При возникновении неисправности в подшипнике качения интенсивность вибрации с обоих датчиков выросла (фиг.2, кривая 4, кривая 5). Однако характер функции коррекции (фиг.2, кривая 6) показывает необходимость коррекции амплитудного спектра не только в области верхних частот (выше 1700 Гц), но и в диапазоне до 500 Гц, что связано с интенсивностью ударов в подшипнике кратных частоте взаимодействия деталей подшипника.

Сравнение корректирующих функций для обоих случаев (исправный (фиг.1, кривая 3) и неисправный (фиг.2, кривая 6) подшипник) показывает, что при возникновении неисправности в подшипнике качения требуется корректировать сигнал не только в низкочастотной области (до 500 Гц), но и в диапазоне свыше 1200 Гц. Таким образом, представление функции коррекции в виде амплитудно-фазовых характеристик виброакустического канала передачи информации, определение их при различной амплитуде сигнала во всем динамическом диапазоне амплитуд сигнала, соответствующем исправным и неисправным состояниям узла машины, и коррекция амплитудно-фазовых характеристик сигнала в соответствии с параметрами амплитудно-фазовых характеристик канала передачи виброакустической информации, соответствующими измеренной амплитуде сигнала, позволяет повысить точность и достоверность диагностики.

Учитывая сложную структуру виброакустического сигнала, эффективность коррекции АФХ на основе определения мультипликативной функции коррекции амплитуды, аддитивной функции коррекции фазы и БПФ, целесообразно рассмотреть на примере более простого параметра виброакустического сигнала - виброперемещении, зафиксированного на цилиндре поршневого компрессора в осевом направлении, для одного состояния машины. На фиг.3 приведена форма реализации виброперемещения во временной области, полученная с датчика вибрации. Характер кривой говорит о существенной нестационарности процесса. После применения БПФ получен спектр амплитуд (фиг.4, кривая 7) и фаз (фиг.4, кривая 8) сигнала с данного датчика для каждого дискретного значения частоты. На основе полученных данных определены мультипликативная функция коррекции амплитуды K_A(f_i) (фиг.5, кривая 9) и аддитивная функция коррекции фазы K_ϕ(f_i) (фиг.5, кривая 10) для каждого значения частотной составляющей. Коррекция амплитуды и фазы путем умножения каждого значения амплитуды частотной составляющей БПФ-спектра сигнала А_исх(f_i) на значение мультипликативной функции коррекции амплитуды, соответствующее этой частоте K_A(f_i), и добавления к каждому значению фазы частотной составляющей БПФ-спектра сигнала ϕ_исх(f_i) значения аддитивной функции коррекции фазы на этой частоте K_ϕ(f_ш) позволило получить откорректированный БПФ-спектр амплитуд А_корр(f_i)=K_A(f_i)·A_исх(f_i) (фиг.6, кривая 11) и фаз ϕ_корр(f_i)=K_ϕ(f_i)+ϕ_исх(f_i) (фиг.6, кривая 12) сигнала. Анализ его для диагностики компрессора позволяет адекватно оценить влияние высших спектральных составляющих на диагностический сигнал и учитывать их при оценке состояния машины, что повышает точность и достоверность диагностики. По откорректированному БПФ-спектру сигнала (фиг.6) восстановлен откорректированный сигнал путем обратного БПФ-преобразования (фиг.7). Полученный сигнал (фиг.7) не имеет нестационарной составляющей, адекватно отражает работу компрессора, при этом в данном случае абсолютное его значение свидетельствует о предельно допустимом уровне виброперемещения. Характер формы сигнала (фиг.7) позволяет судить о циклограмме работы компрессора. Так учитывая, что точки 13 соответствуют открытию всасывающих клапанов 1-й полости нагнетания, 14 - открытию нагнетательных клапанов 2-й полости нагнетания, 15 - нижней мертвой точке, 16 - открытию всасывающих клапанов 2-й полости нагнетания, 17 - открытию нагнетательных клапанов 1-й полости нагнетания, 18 - верхней мертвой точке, то по форме откорректированной временной реализации можно судить о правильности и своевременности работы клапанов. Таким образом, восстановленный из откорректированного БПФ-спектра сигнал позволяет более точно и достоверно диагностировать машину.

Корректирование АЧХ измерительного канала путем введения коррекции по формулам:

 при этом K_A(f_i)·A(f_i)=1;

K_ϕ(f_i)=-ϕ(f_i), при этом K_ϕ(f_i)+ϕ(f_i)=0,

где А(f_i) - амплитудно-частотная характеристика канала;

ϕ(f_i) - фазочастотная характеристика канала;

K_A(f_i) - мультипликативная функция коррекции амплитуды сигнала;

K_ϕ(f_i) - аддитивная функция коррекции фазы сигнала;

i - порядковый номер полосы БПФ-спектра сигнала;

N - количество полос БПФ преобразования,

позволяет значительно повысить линейность тракта и снизить амплитудно-фазовые искажения сигнала, приводит к повышению точности и достоверности диагностирования. Так, на фиг.8 приведены исходная АЧХ A(f_i) сигнала при воздействии шумоподобной вибрации (кривая 19), результирующая АЧХ сигнала K_A(f_i)·A(f_i) (кривая 20) и корректирующая функция K_A(f_i) (кривая 21). В результате применения корректирующей функции неравномерность АЧХ уменьшилась более чем в 8 раз.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность и достоверность диагностики путем анализа составляющих сигналов, генерируемых неисправными элементами диагностируемой машины, у которых восстановлены амплитудно-фазовые характеристики, посредством учета не только формы амплитудно-фазовой характеристики канала передачи информации, но и с учетом зависимости ее параметров от амплитуды исходного сигнала.

Формула изобретения

1. Способ вибродиагностики технического состояния машин по вибрации корпуса, заключающийся в том, что измеряют параметры виброакустического сигнала, выделяют составляющие, соответствующие дефектам и неисправностям, корректируют их с помощью функции коррекции и сравнивают полученные значения составляющих виброакустического сигнала с допустимыми величинами, отличающийся тем, что функции коррекции представляют в виде амплитудно-фазовых характеристик виброакустического канала передачи информации, определяют их при различной амплитуде сигнала во всем динамическом диапазоне амплитуд сигнала, соответствующем исправному и неисправным состояниям узла машины, и корректируют амплитудно-фазовые характеристики сигнала в соответствии с параметрами амплитудно-фазовых характеристик канала передачи виброакустической информации, соответствующими измеренной амплитуде сигнала, а в качестве диагностических составляющих виброакустического сигнала используют амплитуду, фазу составляющих временной и спектральной реализации сигнала, а также собственно частотные составляющие.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют мультипликативную функцию коррекции амплитуды и аддитивную функцию коррекции фазы сигнала для различных значений амплитуды, соответствующих исправному и указанным неисправным состояниям.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выполняют БПФ-преобразование сигнала, определяют функции коррекции амплитуды и фазы сигнала для каждого дискретного значения частоты, корректируют амплитуду и фазу сигнала путем умножения каждого значения амплитуды частотной составляющей БПФ-спектра сигнала на значение мультипликативной функции коррекции амплитуды, соответствующее этой частоте, и добавления к каждому значению фазы частотной составляющей БПФ-спектра сигнала значения аддитивной функции коррекции фазы на этой частоте, получают откорректированный БПФ-спектр сигнала и анализируют его для диагностики машины.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что по откорректированному БПФ-спектру сигнала восстанавливают откорректированный сигнал путем обратного БПФ-преобразования, измеряют его параметры и по ним осуществляют диагностику машины.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что коррекцию сигнала для обеспечения линейной амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик выполняют автоматически путем введения коррекции по формулам

где A(f_i) - амплитудно-частотная характеристика канала;

ϕ(f_i) - фазочастотная характеристика канала;

K_A(f_i) - мультипликативная функция коррекции амплитуды сигнала;

K_ϕ(f_i) - аддитивная функция коррекции фазы сигнала;

i - порядковый номер полосы БПФ-спектра сигнала;

N - количество полос БПФ преобразования.

Изобретение "СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН" (Костюков Владимир Николаевич, Науменко Александр Петрович, Бойченко Сергей Николаевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога