Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса в области виброакустики и технической диагностики полиграфического оборудования 14
1.1. Исследование виброакустических параметров элементов привода полиграфических машин 20
1.2. Использование вычислительной техники для диагностики технического состояния механических систем 30
1.3. Диагностические исследования в области медицины 36
1.4. Развитие виброакустических исследований в полиграфии 39
1.5. Основные цели и задачи виброакустической диагностики механических систем привода полиграфических машин 42
1.6. Выводы по главе 1 52
2. Классификация методов и средств технической диагностики 55
2.1. Анализ развития методов и средств технической диагностики 55
2.2. Классификация систем технической диагностики 65
2.3. Классификация методов технической диагностики 68
2.4. Классификация технических средств диагностирования 72
2.4.1. Стационарные виброакустические системы мониторинга и диагностики 75
2.4.2. Переносные виброакустические системы мониторинга и диагностики 79
2.4.3. Специальные системы диагностики 81
2.4.4. Требования к измерительной аппаратуре 83
2.5. Встроенные системы функциональной диагностики современного печатного оборудования 84
2.6. Выводы по главе 2 90
3. Методы исследования и анализа акустических сигналов 94
3.1. Характеристики и методы представления акустических сигналов... 96
3.1.1. Общие характеристики сигналов 96
3.1.2. Спектральные характеристики 100
3.1.3. Характеристики случайных колебаний 103
3.2. Методы выделения информативных компонент в акустических сигналах 109
3.2.1. Спектральный анализ ПО
3.2.2. Кепстральный анализ 113
3.2.3. Клиппирование спектра 114
3.2.4. Синхронное накопление 115
3.2.5. Огибающая акустического сигнала 116
3.2.6. Анализ ударных импульсов 123
3.2.7. Стробирование 127
3.2.8. Корреляционный анализ 128
3.2.9. В ейв лет-анализ 132
3.3. Выводы по главе 3 139
4. Диагностика подшипников качения печатных пар полиграфических машин 143
4.1. Диагностические признаки подшипников качения 144
4.1.1. Однорядные шарикоподшипники 151
4.1.2. Двух- и многорядные шарикоподшипники 159
4.1.3. Однорядные конические роликоподшипники 175
4.2. Экспериментальное исследование параметров износа однорядных подшипников печатной пары 194
4.2.1. Статистическая обработка полученных результатов 204
4.2.2. Построение доверительных интервалов 210
4.2.3. Разработка регрессионных диагностических моделей 215
4.3. Экспериментальное исследование параметров вибрации роликовых подшипников печатных пар 221
4.4. Выводы по главе 4 226
5. Диагностика цикловых механизмов полиграфических машин на основе искусственных нейронных сетей 229
5.1. Принципы построения и классификация диагностических систем с использованием методов распознавания 230
5.2. Применение искусственных нейронных сетей в задачах диагностики 239
5.2.1. Общие сведения о нейронных сетях 242
5.2.2. Обучение нейронных сетей 252
5.3. Диагностические признаки цикловых механизмов полиграфических машин 257
5.4. Экспериментальное исследование параметров износа цикловых механизмов привода полиграфических машин 267
5.4.1. Исследование влияния зазора в паре кулачок-ролик на виброактивность механизма привода качающегося стола 268
5.4.2. Статистическая обработка полученных результатов, построение регрессионных моделей 273
5.4.3. Исследование влияния зазора в паре кулачок-ролик в механизме привода качающегося стола ниткошвейного автомата на качество шитья 278
5.5. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов амплитуды спектральных составляющих виброускорения 280
5.6. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов амплитуды спектральных составляющих огибающих сигнала виброускорения 292
5.7. Построение искусственных нейросетей, использующих для диагностики цикловых механизмов спектральные характеристики вибрации и категориальные переменные 299
5.8. Алгоритм и система технической диагностики механических систем привода полиграфических машин на основе искусственных нейронных сетей 310
5.9. Выводы по главе 5 317
Заключение 320
Литература 323
Приложения 340
- Использование вычислительной техники для диагностики технического состояния механических систем
- Классификация технических средств диагностирования
- Методы выделения информативных компонент в акустических сигналах
- Экспериментальное исследование параметров износа однорядных подшипников печатной пары
Введение к работе
Представленный научный труд является итогом многолетних исследований автора в области диагностики технического состояния полиграфических машин.
Актуальность проблемы. Работоспособность полиграфического оборудования определяется техническим состоянием механических систем привода полиграфических машин (МС ГШМ), которое в первую очередь зависит от степени износа опор качения, кулачковых механизмов, зубчатых пар. Объектами исследования являются подшипниковые узлы МС ППМ при различном характере нагружения и кулачковые механизмы. Основная направленность работы — на диагностирование и прогнозирование технического состояния исследуемых устройств.
Актуальность работы, имеющей большое народнохозяйственное значение, заключается в повышении качества функционирования МС ППМ за счет применения диагностических методов, позволяющих оценить техническое состояние и выявить возможные отказы на стадиях проектирования, производства и эксплуатации полиграфического оборудования.
Особенно остро проблема распознавания технического состояния полиграфического оборудования встала в последние годы с внедрением высокоскоростного печатного и послепечатного оборудования, автоматизированных поточных линий и постепенным развитием тенденций перехода на гибкие производственные системы (ГПС) с цифровым управлением, что потребовало существенного повышения квалификации обслуживающего персонала и разработки новых методов поиска неисправностей.
Одним из направлений повышения качества обслуживания оборудования является разработка методов и средств для своевременного обнаружения и предупреждения отказов машин, возникающих в процессе их эксплуата-
ции. Наиболее эффективными методами оценки технического состояния полиграфического оборудования являются методы технической диагностики (ТД). Своевременное обнаружение неисправностей, прогнозирование развития износа оборудования позволяет уменьшить простои, повысить качество выпускаемой продукции, снизить ее себестоимость.
В настоящее время отсутствуют работы, содержащие комплексный подход к обеспечению требуемого качества распознавания технического состояния (ТС) МС ППМ, охватывающий разработку средств диагностирования и решение задач обеспечения их эффективного функционирования. Необходимость решения упомянутых теоретических и практических задач и предопределила актуальность темы и цель исследования данной диссертационной работы.
Цель Исследования. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ и создание высокоэффективных методов виброакустической диагностики и прогнозирования ТС МС ППМ, основанных на использовании искусственных нейронных сетей (ИНС), обеспечивающих высокий уровень надежности полиграфического оборудования и соответствующих тенденциям развития полиграфической техники.
Задачи исследования. Данная цель определила постановку
следующих задач:
На основе анализа отечественных и зарубежных исследований в области ТД провести систематизацию методов и средств, а также путей повышения их качества, разработать методологические подходы к проектированию систем ТД МС ППМ.
Создать теоретические и методологические основы автоматизированной системы диагностики МС ППМ на базе ИНС.
Разработать теоретические модели, связывающие спектральные характеристики вибрации элементов МС ППМ с их конструктивными пара-
7 метрами и параметрами их износа и позволяющие определять техническое состояние МС ІДІМ с заданной достоверностью.
На основе математического моделирования и натурных экспериментов выбрать и обосновать новые диагностические признаки и признаковые пространства характеризующие ТС МС ГШМ.
Найти функциональные (аналитические и статистические) зависимости между виброакустическими сигналами и ТС МС ІДІМ.
Разработать методологию диагностирования МС ППМ, обеспечивающую достоверность результатов контроля и позволяющую использовать ее в условиях эксплуатации полиграфических предприятий.
МеТОДЫ ИССЛЭДОВанИЯ. При решении поставленных задач использовались положения теории механизмов и машин, динамики, теории распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики. В экспериментальных исследованиях применялись виброакустические методы, в том числе методы узкополосного спектрального анализа, методы регрессионного анализа и планирования экспериментов, математические методы обработки экспериментальных данных. При разработке алгоритмов диагностирования использовались методы теории принятия решений, математического моделирования и распознавания образов.
Научная НОВИЗНа работы заключается в том, что впервые сформулированы принципы построения систем технической диагностики привода полиграфических машин, включающие выделение информационных частот и оценку их значимости, формирование вектора диагностических признаков, оценку технического состояния, основанную на теории распознавания образов. На этой основе созданы новые методы технической диагностики, построенные на использовании искусственных нейронных сетей (ИНС). Научной новизной, в частности, обладают следующие основные результаты работы.
Классификация существующих методов ТД применительно к МС ШТМ, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию методов и средств, а также путей повышения их качества на основе практики известных исследований и проведенных автором экспериментов.
Аналитические и статистические зависимости, связывающие диагностические признаки состояния МС ІДІМ с геометрическими и физико-механическими параметрами.
Новые признаки и признаковые пространства, их статистические и динамические свойства, методы их преобразования, обеспечивающие создание методов и совершенствование технических систем многокритериальной оценки ТС МС ШТМ.
Методы выявления информационных частот в спектре вибрации МС НИМ и оценки их информативности, основанные на использовании ИНС.
Диагностические модели кулачковых механизмов, впервые созданные на основе ИНС, и методы подготовки данных для определения их технического состояния.
Доказательство возможности использовать в методике, основанной на применении ИНС для повышения точности диагноза, диагностические признаки различной физической природы.
Методика диагностики МС ШТМ, основанная на теории распознавания образов с использованием искусственных нейронных сетей.
Положения, выносимые на защиту
1. Принципы построения систем технической диагностики привода полиграфических машин, включающие выделение информационных частот и оценку их значимости, формирование вектора диагностических признаков, оценку технического состояния, основанную на теории распознавания образов.
Методы оценки технического состояния элементов привода полиграфических машин, основанные на узкополосном спектральном анализе виброускорения и его огибающей, клиппировании спектра и синхронном накоплении, математических моделях, описывающих зависимость параметров вибрационных процессов в элементах механических систем привода от погрешностей размеров и формы деталей, а также их износа.
Методы выявления информационных частот в спектре вибрации механических систем привода полиграфических машин и оценки их информативности, основанные на использовании искусственных нейронных сетей.
Основы построения диагностических моделей на основе искусственных нейронных сетей, позволяющие осуществлять классификацию технического состояния элементов привода полиграфических машин, с помощью многомерных векторов диагностических признаков.
Методика диагностики механических систем привода полиграфических машин основанная на распознавании образов с использованием искусственных нейронных сетей, позволяющая определить техническое состояние элементов привода и прогнозировать его развитие в условиях производства.
Практическая ЦеННОСТЬ. Полученные в работе данные о диагностических признаках и диагностические модели для оценки состояния МС ППМ являются методологической основой для разработки средств ТД МС ППМ и важным фактором организации системы обслуживания и ремонта. Их практическая ценность состоит в том, что они позволяют:
Применить разработанные средства диагностирования МС ППМ в процессе изготовления, наладки и мониторинга во время эксплуатации.
Выполнять компьютерное моделирование и формировать диагностические признаки, создавать информационные базы данных, являющиеся
10 основой для оценки ТС элементов МС ППМ, а также для статистического анализа качества функционирования. 3. Внедрить систему технического обслуживания полиграфического оборудования «по состоянию», основанную на диагностическом контроле ТС МС ППМ по вибрационным параметрам.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Московском государственном университете печати при дипломном проектировании, учебной и научно-исследовательской работе студентов, магистров и аспирантов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по дисциплинам «Основы технической диагностики полиграфического оборудования», «Методы и средства экспериментальных исследований» для студентов специальностей 150407.65 — «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы» и магистров направления 150400.68 — «Технологические машины и оборудование».
Реализация И внедрение результатов рабОТЫ. Разработанные модели, методики и комплекс технических средств использованы при проведении исследований по темам:
«Разработка методов компьютерной диагностики технического состояния пазовых кулачковых механизмов полиграфических машин» (тема Ф-1-99, 2000. МГУП № Гос. per. 02.200.109034, рук. работы Г.Б. Куликов).
«Создание теории, методов расчета, проектирования и диагностики автоматизированных полиграфических комплексов» (тема Г 1.3-01 2002. МГУП № Гос. per. 01.200.1 12741, инв. № 02.20.03 03331, рук. работы Г.Б. Куликов).
«Разработка и теоретическое обоснование методов компьютерной диагностики полиграфических машин» (тема Г-1-3-01, 2003. МГУП № Гос. per. 01.20.03. 04228, рук. работы Г.Б. Куликов)
Поставлен курс «Основы технической диагностики полиграфического оборудования» для специальности 150407.65 — «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы».
Разработанные методы оценки технического состояния привода печатных пар ротационных печатных машин внедрены в производство на ОАО «Полиграфический комплекс «Пушкинская площадь», в ООО «ЯМ Интернэшнл (СНГ)», сервисным отделом ЗАО «Центр ХГС» и используются при проведении работ по обслуживанию и наладке офсетных печатных машин (см. приложения 10-12).
Осуществлено научное руководство тремя аспирантами, два из которых успешно защитили кандидатские диссертации, третья представлена к защите.
АпробдЦИЯ работы. Основные положения и результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на четырех международных, отраслевых и вузовских научно-технических конференциях, в том числе на международной научно-практической конференции «Полиграфия в современной России», Омск, 2001 г.
Публикации. По теме диссертации автором самостоятельно и в соавторстве опубликованы 25 научных работ, в том числе 1 монография, 14 научных статей, 1 учебно-методическое издание, 5 материалов и тезисов докладов на научных конференциях, 4 научно-технических отчета, получен международный сертификат регистрации объекта интеллектуальной собственности.
Структура И Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 290 наименований и 12 приложений. Основная часть содержит 322 страницы, 26 таблиц, 95 рисунков. Приложения занимают 44 страницы, содержат 36 таблиц и 20 рисунков.
Аннотация диссертационной работы по главам
В первой главе проведен анализ состояния исследований, посвященных виброакустической диагностике в полиграфии и других отраслях. Рассмотрены результаты работ, посвященных диагностике элементов МС ППМ и определяющих качество его функционирования. Сделан обзор работ по использованию вычислительной техники в ТД, проведен анализ диагностических исследований в области медицины. Рассмотрены вопросы надежности полиграфического оборудования, определены основные направления развития методов виброакустической диагностики в полиграфии и их математического обеспечения. Сформулированы цели и задачи виброакустической диагностики МС ППМ.
Во второй главе дана классификация современных методов и средств ТД, применяемых для оценки и прогноза технического состояния различных объектов. Подробно рассмотрены современные виброакустические системы мониторинга и диагностики. Сформулирован перечень требований к измерительной аппаратуре. Сделан обзор встроенных систем функциональной диагностики современного печатного оборудования. Обосновано использование виброакустических методов для диагностики МС ППМ.
В третьей главе на базе общих сведений о способах представления акустических сигналов, характеристик случайных колебаний проведен анализ рассмотренных методов с точки зрения пригодности для диагностики МС ППМ. Показано, что МС ППМ можно рассматривать как линейные системы, в выходных сигналах которых не появляется новых спектральных составляющих по сравнению с входными сигналами. На основе сделанного анализа автором предложено использовать для построения многомерных векторов диагностических признаков МС ППМ узкополосный спектральный анализ виброускорения, клиппирование спектра, стробирование, синхронное накопление, метод огибающей спектра виброускорения. Для обработки виброакустической информации рекомендуется использование цифровых методов.
Четвертая глава посвящена разработке методов диагностики подшипников качения печатных пар полиграфических машин. Представлена классификация подшипников качения и приведены примеры их использования в опорах цилиндров печатных пар печатных машин. Рассмотрены математические модели однорядных, многорядных и конических подшипников качения, позволяющие аналитически определить информационные частоты в спектрах вибрации. Приведены результаты экспериментальных исследований однорядных шарикоподшипников и роликоподшипников печатных пар полиграфических машин. Выбран набор диагностических признаков. Разработаны регрессионные диагностические модели подшипников качения.
В пятой главе разработаны методы диагностики цикловых механизмов полиграфических машин, основанные на использовании искусственных нейронных сетей. В главе рассмотрены принципы построения и классификация диагностических систем с использованием методов распознавания, обосновано применение искусственных нейронных сетей в задачах диагностики МС ППМ. Сделан анализ причин возникновения шума и вибраций при работе кулачковых механизмов и влияния их износа на качество выполняемых технологических операций. Обоснованы наборы признаков и признаковые пространства для диагностики кулачковых механизмов. Впервые разработаны методы диагностирования цикловых механизмов полиграфических машин с использованием аппарата распознавания образов. Впервые на основе ИНС разработаны диагностические модели кулачковых механизмов и методы подготовки данных для определения их технического состояния. Выбрана оптимальная структура ИНС. Разработана методика диагностики, основанная на применении искусственных нейронных сетей, представлены результаты экспериментальной проверки предлагаемой методики. Разработана структурная схема системы технической диагностики МС ППМ, основанной на применении ИНС.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертации.
Использование вычислительной техники для диагностики технического состояния механических систем
Одним из первых опытов применения вычислительных машин в технической диагностике является разработанная в США система диагностики силового блока (двигатель, трансмиссия и система масляного охлаждения) танка М-48. Основу системы составляла универсальная цифровая вычислительная машина «Либратрол-500», оборудованная датчиками и комплектом измерительной аппаратуры. Задача при разработке системы была сформулирована следующим образом: «установка должна анализировать и определять неисправности в силовом блоке танка без демонтажа и изменений конструкции танка». Для обслуживания системы не требовался высококвалифицированный персонал. Внедрение системы позволило сократить время диагностики танка, проводимой в ремонтных мастерских [170, 223].
Для формирования обучающих выборок, характеризующих различные состояния двигателя, было проведено форсированное изнашивание двигателя до выхода его из строя и эксперименты по искусственному созданию различных неисправностей. Это позволило установить симптомы различных неисправностей и составить таблицы соответствия значений диагностических признаков параметрам состояния двигателя.
Измерения проводились с помощью 61 датчика со специальными креплениями. С помощью преобразователя «аналог-код» аналоговые сигналы датчиков переводились в цифровую форму и передавались в память машины. Замеры и обработка всех результатов осуществлялась вычислительной машиной без участия человека по специальной программе. Вычислительная машина задавала и режим работы обследуемого двигателя. Для обеспечения наибольшей надежности диагноза замеры производились на трех режимах работы двигателя.
Выявленные неисправности регистрировались на специальных карточках, в которых указывались номера деталей, требующих замены или ремонта. Вся полученная информация регистрировалась на перфоленте и сохранялась. Таким образом, накапливался статистический материал, который позволял улучшать методику диагноза, а также выявить скорость изнашивания различных элементов двигателя.
В качестве диагностических признаков данная система использовала температуру и давление масла, а также сигналы вибродатчика, установленного на крышке клапанов. В качестве обобщенного времени был принят угол поворота коленчатого вала двигателя.
Система получилась достаточно сложной и дорогой, а главное, она не давала сведений об остаточном моторесурсе и не была предназначена для других типов двигателей.
Тем не менее опыт американских ученых по использованию вычислительных машин для технической диагностики достаточно интересен.
Работа традиционной автоматизированной системы виброакустической диагностики общего назначения основывается на «концепции отклонения», предполагающей, что раннее обнаружение и устранение дефектов работающих механизмов может быть осуществлено на основании данных измерений вибраций, уровень которых увеличивается при увеличении дефекта. Концепция отклонения была предложена в США еще в 1961 г. и последовательно проводилась в жизнь в разработках ряда зарубежных фирм, таких, как Videc и Dymac, разрабатывающих бортовые системы технического диагностирования судовых механизмов с использованием данных виброизмерений [23]. Фирмы Lokhead Electronics и Endevco разрабатывают системы диагностирования оборудования преимущественно для летательных аппаратов. Фирмы Shaker Research Corporation, Shecma и др. разрабатывают системы диагностирования общего назначения.
Диагностическая система общего назначения включает автоматизированную многоканальную систему сбора информации; компьютеры, обеспечивающие обработку информации в реальном масштабе времени (on-line), сравнение ее с предысторией. Назначением таких систем диагностирования является систематический контроль спектральных характеристик виброакустических процессов работающих механизмов, занесение в память полученной информации для формирования пороговых значений диагностических признаков, соответствующих дефектному функционированию каждого механизма, и сравнение этих значений с вновь поступившими при очередном опросе.
В некоторых системах предусматривается процедура анализа трендовых характеристик изменения виброакустического сигнала на малом и большом интервале времени, на основании которых осуществляется краткосрочный и долгосрочный прогноз изменения технического состояния механизмов.
Основная задача системы диагностирования — предупреждение обслуживающего персонала о подходе к критическим состояниям и своевременное отключение механизма или перевод его на другой режим функционирования. Эти мероприятия существенно облегчают обслуживание технических средств и удлиняют срок их службы, не допуская необратимых разрушений.
Примером такой системы является система сбора и анализа сигналов, разработанная фирмой Structural Kinematic (США) на базе микроЭВМ Hewlett Packard А-700. Система осуществляет ввод сигналов через 8-канальный и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, имеет приборный интерфейс и программируемый фильтр низких частот. Математическое обеспечение включает в себя расширенное системное обеспечение, мощный алгоритмический язык для вычислений, пакеты прикладных программ спектрального анализа и диагностики [23].
Классификация технических средств диагностирования
Большое разнообразие объектов и задач технического диагностирования привело к тому, что в настоящее время используются средства диагностирования самых различных принципов построения и назначения. Все эти средства отличаются принципом действия, конструктивным исполнением и расположением относительно объекта диагностирования, степенью автоматизации и универсальности, формой обработки и представления информации о состоянии объекта, режимами работы и рядом других признаков. Примерная классификация средств диагностирования представлена на рис. 3.
К аппаратным средствам диагностирования относят различные устройства: приборы, пульты, стенды, специальные вычислительные машины. Аппаратные средства, составляющие с объектом диагностирования единое целое, являются встроенными аппаратными средствами диагностирования.
Примерами подобных средств могут быть электроизмерительные приборы (тока, напряжения, мощности, частоты и т.п.), устройства индикации технического состояния отдельных элементов, устройства контроля температуры, давления, уровня вибрации и другие, встроенные в схемы управления оборудованием часто с целью воздействия результатов диагностирования на работу систем управления.
Если в системах управления оборудованием не предусмотрены встроенные средства диагностирования либо их оказывается недостаточно для диагностирования с требуемой глубиной, то применяют внешние аппаратные средства диагностики, подключаемые к объекту лишь в процессе диагностирования. Простейшими примерами внешних аппаратных средств могут быть комбинированные приборы для электроизмерений, электронно-лучевые и цифровые осциллографы, переносные виброизмерительные комплекты и т.п.
Аппаратные средства диагностирования могут быть специализированными, если они предназначены только для однотипных объектов, или универсальными, если могут использоваться для диагностики объектов различного конструктивного исполнения и функционального назначения.
Примером внешних специализированных средств диагностирования являются устройства, широко используемые заводами-изготовителями на стадиях технического контроля готовых изделий. В число встроенных специализированных средств диагностирования могут входить специально разработанные вычислительные устройства с жестко запрограммированными алгоритмами диагностирования конкретных систем и узлов.
Универсальные средства диагностирования технически более сложны. Они включают в себя, как правило, серийные компьютеры, оснащенные специализированным программным обеспечением.
Программные средства диагностирования представляют собой программы, с которыми работает объект диагностирования. Они применимы для объектов, работающих по заранее заданным алгоритмам, например, программируемых контроллеров, микропроцессорных систем управления электроприводами, управляющих вычислительных машин. Программы могут обеспечить техническое диагностирование объекта в процессе использования его по прямому назначению (рабочие программы) либо при кратковременном прерывании функционирования объекта (специальные, испытательные программы). Программные средства в сочетании с аппаратными образуют программно-аппаратные средства диагностирования, позволяющие решать задачи самодиагностирования объекта.
По степени автоматизации технические средства диагностирования могут быть ручными, автоматизированными и автоматическими. Применение ручных средств, требует участия человека-оператора как в подключении средств к объекту диагностирования, так и в принятии решений о его техническом состоянии. Использование ручных средств дает низкую производительность и недостаточную объективность диагностирования. Как правило, ручные средства выполняются специализированными.
Автоматизированные средства требуют частичного участия оператора для подключения их к объекту и выбора режимов диагностирования. Основная же процедура диагностирования, включая выдачу информации о техническом состоянии объекта, осуществляется автоматически.
Автоматические средства решают задачи диагностирования без вмешательства человека. Автоматизированные и автоматические средства могут быть как специализированными, так и универсальными. Они обладают высоким быстродействием и достоверностью диагностирования.
В зависимости от форм обработки и представления информации технические средства диагностирования могут быть разделены на аналоговые, цифровые и комбинированные.
По степени воздействия на объект диагностирования технические средства могут быть активными и пассивными. Активные воздействуют на объект, посылая в него сигнал, вызывающий реакцию объекта, которая затем и анализируется. Пассивные средства выполняют лишь измерения, обработку и оценку сигналов, характеризующих состояние объекта.
Методы выделения информативных компонент в акустических сигналах
Большинство современных методов виброакустической диагностики основано на анализе вибрации, возникающей при работе исследуемого оборудования. Информативность используемых диагностических признаков определяется эффективностью применяемых методов выделения информативных компонент в виброакустическом сигнале. В зависимости от типа механизма и вида возникшего в нем дефекта используются различные способы решения этой проблемы [53, 54, 67, 105, 144, 249, 254, 263, 284, 288].
Вибрация, измеряемая в контрольных точках диагностируемого оборудования, возникает в результате воздействия возникающих в разных узлах оборудования сил на механическую колебательную систему. В наиболее общем виде возникающие колебания описываются суммой периодических, случайных и ударных составляющих. Анализ представления виброакустических сигналов в виде аддитивной, мультипликативной или аддитивно-мультипликативной смеси гармонических сигналов, приведенный в вышеупомянутых и многих других публикациях, говорит о том, что для каждого вида сигналов требуются свои методы их анализа, разделения на простые составляющие и выделения информативных компонент.
Наибольшие трудности возникают при диагностировании зарождающихся дефектов. Параметры сигнала, несущие информацию о зарождающихся дефектах, имеют небольшую энергию, поэтому их достаточно сложно выделять на фоне помех [67].
Таким образом, основными предпосылками для выбора того или иного метода выделения информативных компонент в виброакустических сигналах является отношение сигнал/шум в исследуемых процессах, поставленные диагностические задачи и тип механизма, определяющий модель формирования виброакустического сигнала.
Одним из наиболее распространенных методов виброакустической диагностики является спектральный метод. По методам оценки состояния механизмов с использованием спектрального анализа накоплен большой опыт [7, 19, 28, 29, 30, 38, 67, 92, 179]. Метод спектрального анализа основан на двойственности представления свойств сигнала: во временной или в частотной области (см. раздел 3.1.2).
Широкое распространение спектральный анализ получил при исследованиях процессов шумообразования и оценке качества изготовления шестеренчатых пар при массовом изготовлении [3, 4, 100, 166]. Однако эти иссле дования проводились в специальных условиях, т.е. исследованию подвергались отдельные кинематические пары. Попытки использования метода спектрального анализа при исследовании привода печатных машин [114] оказались малоэффективными. Это можно объяснить ограниченной разрешающей способностью использовавшихся анализаторов спектров, большим количеством близко расположенных источников шума, флуктуацией фаз и амплитуд акустических сигналов.
Еще одним недостатком спектрального анализа является невозможность получить информацию, например, об изменения частоты сигнала во времени. Частично эти трудности можно преодолеть, используя оконное преобразование Фурье, когда сигнал f(t) анализируется лишь внутри некоторого временного окна. В простейшем случае функция f(t) умножается на функцию g = e(t0)e(tend , где в — ступенчатая функция Хевисайда, a t0, tend — моменты начала и конца сигнала, задаваемые выбором окна. При этом сигнал оказывается локализованным во времени, но окно имеет фиксированный размер, что не позволяет получить в достаточной степени локализованную информацию. Решить эту проблему можно использованием вейвлет-анализа (см. раздел 3.2.9).
Большое значение при использовании спектрального анализа имеет выбор частотной области анализа виброакустического сигнала, используемого для постановки диагноза [28]. Дело в том, что на инфранизких частотах источником вибрации может служить не сама контролируемая машина, а, например, работающее рядом тяжелое низкооборотное оборудование. При этом необходимо помнить, что низкочастотные вибрации слабо затухают, следовательно, в точку установки датчика приходит вибрация от всех узлов контролируемой машины, а также от сопряженного с ней другого оборудования. Это создает проблемы при разделении сигналов и локализации дефектного узла.
На средних частотах датчик фиксирует вибрации в основном от ближайших к нему узлов диагностируемой машины. Следует отметить, что на средних и высоких частотах в спектре вибрации часто наблюдаются многочисленные близко расположенные резонансы. Это вызывает искажение информации о дефектах и нарушение повторяемости результатов при изменении частоты вращения машины.
На высоких частотах энергия колебаний сравнительно невелика, и вибрация быстро затухает, поэтому регистрирующие датчики необходимо устанавливать как можно ближе к диагностируемому механизму. На ультразвуковых частотах вибрация распространяется только в однородной среде (металл без болтовых соединений, сварочных швов), это создает серьезные трудности при выборе точки измерения.
Широкое распространение спектрального анализа, при котором исследуемый сигнал с помощью преобразования Фурье раскладывается по ортогональному базису гармонических функций, определяется удобством реализации этого метода с использованием вычислительной техники. В то же время развитие цифровых технологий предоставило исследователям возможность использовать и другие ортогональные базисы, такие, как преобразование Ла-герра, Уолша [22, 53, 62, 62] или вейвлет-анализ [20]. Правильный выбор базиса обеспечивает представление диагностической информации в наиболее удобной форме. Например, использование преобразования Фурье для анализа прямоугольных импульсов приводит к сложным спектрам [22, 145]. В то время как использование в качестве базиса прямоугольных функций и преобразования Уолша существенно упрощает спектр исследуемого сигнала.
Экспериментальное исследование параметров износа однорядных подшипников печатной пары
Из-за затрудненного доступа к подшипниковым узлам во время эксплуатации разработка методов их безразборной диагностики имеет большое значение, тем более что надежность работы печатных пар в значительной степени зависит от состояния подшипников качения.
Виброускорение наилучшим образом подходит для обнаружения дефектов подшипников печатной пары. Наибольшие уровни сигнала находятся в полосах частот 0-50 Гц и 1200-6000 Гц, которые определяют техническое состояние подшипников. В низкочастотной области (0-50 Гц) вибрации обусловлены конструктивными параметрами шарикоподшипника (см. раздел 4.1.1), на высоких частотах вибрации определяются изгибными колебаниями наружного кольца [49].
Сложный характер вибраций, возникающих при работе подшипников качения, наличие большего числа комбинационных частот в спектре в ряде случаев не позволяют ограничиться для диагностики состояния подшипниковых узлов только обычным спектральным анализом вибраций. Для этих целей используются также более глубокие методы анализа виброакустических сигналов, такие, как метод ударных импульсов, метод ПИК-фактора, спектр огибающей (см. раздел 3).
Целью экспериментов является анализ вибраций, возникающих в подшипниках печатной пары, и выявление информационных частот в спектре виброускорения.
Исследование вибраций подшипников проводилось в низкочастотной области 0-50 Гц и в полосах частот 0-6000, 6000—20000 Гц. Деление на полосы частот обусловлено способом цифровой обработки полученных сигналов и тем, что для каждой из них характерна своя математическая модель для описания процесса колебаний [67].
Эксперименты проводились на макете и в условиях типографии на рулонной офсетной печатной машине Mercury производства фирмы Heidelberg. Во время экспериментов сигнал с датчика виброускорения, установленного на буксе подшипника печатной пары или станине машины, оцифровывался с частотой дискретизации 100 Гц — для низкочастотного диапазона и 51000 Гц во всех остальных случаях. Далее сигнал записывался в текстовый файл. Спектральный анализ осуществлялся с помощью п/о Сопап [123] и STAISTIKA 6.1. производства компании StatSoft Inc.
Первая серия экспериментов была проведена на макете печатной пары, изготовленном на базе офсетной печатной машины Ромайор 314 производства завода ADAST(Чехия) (рис. 35).
В качестве объекта исследования принят подшипник опоры печатной пары. Так как подшипники в опорах офсетного, формного и печатного цилиндров одинаковы (это стандартный подшипник качения № 60206 Гост 7242-70), было принято решение исследовать подшипник одного из цилиндров. Исходя из собранной в условиях производства статистики, чаще всего выходят из строя подшипники опор офсетного цилиндра, во многом определяющего качество передачи изображения с формы на бумагу, а соответственно и качество получаемого оттиска. В табл. 2 приведены характеристики подшипника опоры офсетного цилиндра печатной машины Romayor 314. Подробное описание макета, приборной реализации и методики исследований приведено в работах [45, 132, 133]. Для исследования были отобраны 9 подшипников разной степени износа с различными показателями биения внешнего кольца. Измерения радиального биения подшипников производились на специально оборудованном стенде с помощью измерительной головки (точность 0,01 мм). В табл. 3 приведены показатели радиального биения исследуемых подшипников. Большая часть испытуемых подшипников имеет показатель биения до 0,2 мм. (По информации НИИ «Подшипник», именно в этих пределах подшипник является в принципе работоспособным, но имеет отклонения, которые можно определить только с помощью измерительного инструмента). Каждый из испытуемых подшипников, устанавливался в макет, после чего машина запускалась и с помощью программы Сопап в режиме реального времени с датчиков считывался сигнал виброускорения, оцифровывался и записывался на жесткий диск компьютера в виде текстового файла. С каждым подшипником производилось 6 замеров при разных режимах работы машины. Режимы работы машины при съеме данных: 1. Без натиска (на рабочей скорости машины 60 об./мин). 2. С натиском (на рабочей скорости машины 60 об./мин). 3. Без натиска (при стоящей машине с включением ее, выводом на рабочую скорость и последующей остановкой).
