Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса исследований 11
1.1 Вибрация в подшипниках качения 11
1.1.1 Источники вибрации в машинах роторного типа 11
1.1.2 Основные частоты вибрации, в подшипниках качения 12
1.1.3 Основные дефекты подшипников качения 15
1.1.4 Стадии развития дефектов подшипников качения 19
1.2 Методы диагностики дефектов подшипников качения по параметрам вибрации 25
1.2.1 Диагностика по общему уровню вибрации 27
1.2.2 Диагностика по спектрам вибросигналов 29
1.2.3 Диагностика с использованием пик - фактора 31
1.3 Определение остаточного ресурса подшипника 31
1.4 Постановка задачи 33
2 Разработка алгоритма и программного обеспечения для поиска дефектов подшипников качения 36
2.1 Этапы развития систем контроля по параметрам колебаний конструкций 36
2.2 Сравнение амплитудных спектров и вейвлет скейлограмм с использованием статистических методов 39
2.2.1 Сравнение амплитудных спектров 39
2.2.2 Ранговые критерии сравнения данных экспериментов 42
2.2.3 Сравнение вейвлет скейлограмм 44
2.3 Общие положения оценки состояния подшипников 49
2.3.1 Оценка технического состояния подшипников 50
2.3.2 Вывод о годности подшипников 54
2.4 Исследование статистических критериев сравнения спектров и скейлограмм 55
3 Измерительно-диагностический комплекс для анализа виброакустических колебаний дефектных и бездефектных подшипников качения 64
3.1 Описание экспериментального виброакустического измерительного диагностического комплекса 64
3.2 Экспериментальная установка контроля технического состояния подшипников качения 65
3.3 Описание пакета прикладных программ 68
4 Экспериментальные исследования виброакустических характеристик бездефектных и дефектных подшипников качения 76
4.1 Порядок подготовки и проведения эксперимента 76
4.1.1 Порядок подготовки экспериментов 76
4.1.2 Оценка погрешности результатов измерений 78
4.1.3 Требования по безопасности проведения измерений 80
4.1.4 Оценка повторяемости экспериментальных данных 81
4.2 Экспериментальные исследования зависимости колебаний подшипников качения от различных дефектов 84
4.3 Система автоматизированного контроля подшипников качения 93
4.4 Применение методики в практических задачах неразрушающего контроля 94
Заключение 96
Литература 97
Приложения 108
- Методы диагностики дефектов подшипников качения по параметрам вибрации
- Сравнение амплитудных спектров и вейвлет скейлограмм с использованием статистических методов
- Экспериментальная установка контроля технического состояния подшипников качения
- Экспериментальные исследования зависимости колебаний подшипников качения от различных дефектов
Введение к работе
Повышение надежности оборудования с целью предотвращения аварийных ситуаций и продления срока эксплуатации машин и механизмов в настоящее время является наиболее актуальной задачей, решение которой возможно не только повышением эксплуатационных свойств оборудования, но и применением дополнительных средств диагностики. Ориентация на методы виброакустической диагностики, базирующейся на принципах безразборности, оперативности и универсальности, позволяет успешно решать данные задачи благодаря большой информационной емкости параметров виброакустических процессов, сопровождающих функционирование машин и механизмов и использования новых методов обработки этих параметров, в совокупности с применением микроэлектронной вычислительной техники.
Термин «виброакустическая диагностика», а вернее «акустическая диагностика машин и механизмов» имеет глубокие исторические и физические корни [23]. С тех пор, как на земле появились достаточно сложные механизмы, появилась «необходимость следить» за их техническим состоянием, выявлять и устранять неисправности. Опытный механик научился ставить диагноз на слух. Следовательно, прообразом системы акустического диагностирования стал человек, вооруженный опытом работы с механизмом и проявлением его неисправностей в звуковом поле, обладающий также измерительной и анализирующей системами, каковыми являются его ухо и мозг.
Эта «система акустического диагностирования», несмотря на некоторый субъективизм в оценках, исправно служила человечеству до тех пор, пока научно-технический прогресс не вселил надежду заменить опытного механика с его субъективизмом на беспристрастную и объективную ЭВМ. Как показывает практика, эта замена не всегда адекватна и безболезненна. Переоценка возможностей ЭВМ, упрощение алгоритмов диагностирования, сведение процедуры диагностирования к оценке уровней колебательной энергии в отдельных полосах частот, так же как и упрощение физической интерпретации
явлений, вызванных воздействием дефектов на рабочие процессы в машинах,
механический подход к, описанию виброакустических процессов в; машинных
конструкциях способны дискредитировать саму идею акустической диагностики
[37]. Подход,.основанный; на механистическом представлении колебаний узлов
механизма; как системы масс, и пружин,, определенным образом? соединенных
между собой, предполагает, что ускорение, возникающее под действием
прикладываемое к телу силы, получает сразу все тело в целом. На самом деле
механизм двигается не как единое целое, его деформированное состояние
определяется, законом распространения упругих волн, возникающих под
действием приложенной, силы. При этом передача возмущения; происходит с.
конечной скоростью^ зависящей от свойств среды, вида и частоты возмущения.; а-
также от вида упругой волны., .
Практикуемые в настоящее- время? способы контроля параметров технического состояния машин и механизмов (при эксплуатации и- ремонте) предполагают полную или частичную разборку оборудования? [54, 62]. Эта процедура нарушает приработку узлов и.сокращает срок безаварийной службы.
Ущерб, причиняемый, периодическим профилактическим (ремонтом) осмотром механического оборудования; во время,эксплуатации, столь велик, что одной из;; первостепенных проблем в различных областях техники; стала проблема перехода от эксплуатации по заранее назначенному ресурсу к. эксплуатации: и техническому обслуживанию механизмов по данным систематического безразборного контроля параметров технического состояния и результатам, диагностирования. Эта технология, известная под названием «эксплуатация и обслуживание по состоянию», призвана устранить неожиданные поломки, обеспечить надежную работу механизмов: и экономию средств [41]. Здесь источником достоверной информации о техническом состоянии узлов машин и механизмов может являться виброакустический сигнал, изменения свойств которого коррелированны с изменением параметров технического состояния, вызванного физическим износом узлов; изменением геометрических размеров деталей, уходом параметров регулировок и т. п.
Также методы виброакустической диагностики позволяют не только выявить уже развившуюся неисправность и предотвратить катастрофические разрушения, но и обнаружить развивающийся дефект на очень ранней стадии, что дает возможность прогнозировать аварийную ситуацию и обоснованно планировать сроки и объем ремонта оборудования.
Контроль технологических процессов производства методами виброакустики, контроль качества монтажа машин и механизмов в период их изготовления и в ремонтный период также позволяют сэкономить рабочее время и трудовые затраты, а следовательно, являются залогом повышения эффективности производства.
Анализ надежности работы ГТУ НК-12 показал, что значительная доля выходов их из строя (от 40 до 50%) происходит по причине разрушения * подшипников качения, при этом двигатель в среднем вырабатывает не более 2000 часов, что составляет 50% гарантийного и 18,2% межремонтного ресурса двигателя [93]. Из вышесказанного следует, что подшипники качения газотурбинного двигателя, входящего в состав газоперекачивающего агрегата, являются одними из наиболее ответственных узлов, определяющих работоспособность и долговечность двигателя. Особенностью разрушения подшипников двигателей является то, что оно происходит внезапно, без появления существенных признаков, предшествующих разрушению, что влечет за собой потери перекачиваемого газа, не запланированные трудозатраты, связанные с аварийными остановками, сбои в работе компрессорных станций, высокую стоимость ремонта.
Известно, что на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях используется большое количество насосно-компрессорного оборудования. Основную часть роторного оборудования составляют насосные агрегаты, из которых лидирующую роль занимают центробежные насосы (более 65,0%). Анализ статистических данных по отказам насосов, выявленных в процессе ремонта, позволил установить, что наряду с уплотняющими
7 устройствами наибольшим отказам подвержены подшипники' качения (порядка 31% от всех выявленных дефектов) [78].
Вышесказанное обусловливает актуальность диагностирования- состояния подшипников методами безразборного контроля. Решение проблемы раннего диагностирования подшипников позволит решить задачу обоснованного прогнозирования сроков безотказной работы оборудования и назначения1 их ресурса в соответствии с фактическим состоянием.подшипниковых узлов.
Практические задачи диагностики подшипников^ качения [77] в процессе эксплуатации решаются, как правило, одним из трех основных слособов>[116]. Первый использует алгоритмы обнаружения дефектов по росту температуры подшипникового узла, второй - по появлению в смазке продуктов износа, а третий - по изменению свойств вибрации (шума). Наиболее полная., и детальная, диагностика: подшипников с обнаружением и> идентификацией дефектов на ранней стадии развития выполняется по сигналу вибрации подшипника, в основном, высокочастотной. Основные проблемы* такой диагностики возникают в том случае, когда высокочастотная вибрация слишком * слаба, т.е. в низкооборотных машинах, а также когда корпус подшипникового узла недоступен для» измерения высокочастотной вибрации [28]. Главное в диагностике состояния подшипников - это обнаружить дефект в начальной стадии и оповестить об этом оператора оборудования до того, как случилась серьезная поломка. Благодаря работам М.Д. Генкина, А.Г. Соколовой, В.В". Яблонского [4 Г, 43] достигнуты значительные успехи в области контроля-машин по вибрации, анализ которой позволяет оперативно обнаружить развивающуюся неисправность, оценить степень ее значимости и предпринять меры к предотвращению незапланированной остановки производственного процесса. Наиболее значимые исследования, в области виброакустической диагностики подшипников, качения' приведены в работах А.В. Фролова, А.В. Баркова, Н.А. Барковой, В.А. Руссова [23, 28, 91]. Практически все известные виброакустические методы контроля основаны на анализе либо самого сигнала, либо на анализе его частотных характеристик. Обычно вибрация подшипника
8 регистрируется вибрационным датчиком, установленным на корпусе подшипника, где датчик дополнительно собирает сигналы с других механических компонентов - источников вибрации. Работа подшипника в составе механизма предполагает сигнал с большим уровнем шума, поэтому вибрационная характеристика подшипника распределена в широкой полосе частот, на которую накладываются шум и низкочастотные эффекты.
Настоящая работа посвящена разработке нового метода и информационно-измерительной системы для контроля технического состояния подшипников по параметрам вибрации на основе статистических критериев сравнения скейлограмм непрерывного вейвлет анализа. Научная новизна и практическая ценность работы заключается в том, что:
разработан новый алгоритм анализа виброакустических сигналов подшипников качения, с использованием вейвлет-преобразования;
разработан и изготовлен измерительно-диагностический комплекс (ИДК) для контроля подшипников;
экспериментально получены и проанализированы скейлограммы колебаний подшипников качения;
разработана методика диагностики подшипников, позволяющая автоматизировать процесс обнаружения дефектов, повысить разрешающую способность при проведении контроля виброакустическим методом;
разработанная методика диагностики подшипников виброакустическим методом и изготовленный экспериментальный диагностический комплекс позволяют проводить безразборный контроль технического состояния подшипника в составе изделия;
применение алгоритмов анализа виброакустических параметров с использованием вейвлет-преобразования позволяет выявлять дефекты подшипников качения на ранней стадии зарождения;
9 построенный по предлагаемой методике комплекс может быть использован как на эксплуатируемом оборудовании, так и в мобильном исполнении;
создан банк данных скейлограмм исправных и дефектных подшипников.
Автор защищает:
разработанный и изготовленный для реализации предлагаемой методики экспериментальный виброакустический диагностический комплекс;
результаты экспериментальных исследований для подшипников качения типоразмеров 207-409;
метод оценки технического состояния подшипников качения на основе анализа скейлограмм непрерывного вейвлет преобразования виброакустических сигналов.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во введении обоснована актуальность исследований, научная и практическая значимость полученных результатов, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведена краткая характеристика работы. Первая глава посвящена обзору литературы по существующим методам неразрушающего контроля подшипников, дана оценка состояния вопроса на данный момент, сформулированы цель и задачи исследования. Во второй главе проведен анализ статистических методов сравнения амплитудных спектров и вейвлет скейлограмм сигналов вибрации подшипников качения, выбор наиболее эффективного из них для оценки технического состояния подшипников. Выполнено моделирование дефектов подшипников качения, путем синтеза сигналов, с частотными составляющими характерными для дефектов. В третьей главе описан разработанный виброакустический измерительно-диагностический комплекс. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния дефектов подшипников качения на их виброакустические характеристики. Также в четвертой главе показан автоматизированный диагностический комплекс, разработанный на основе предложенного способа диагностирования подшипников качения, и разработана методика его работы.
Работа выполнена на кафедре «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» Казанского Государственного Энергетического университета (КГЭУ). Основные вопросы диссертации раскрыты в статьях [1-3, 7-9, 11, 13-19] и тезисах докладов [4-6, 10, 12]. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18», Казань 2005г., XII Международной научно- технической конференции студентов и аспирантов, Москва 2006г., Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National instruments», Москва 2006г., Всероссийской научной молодежной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, посвященной 75-летию МарГТУ, Йошкар-Ола 2007г., Симпозиуме «Надежность и качество 2008» Пенза, 2008г., VIII - XI Международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Сочи, 2005 - 2008 гг., научной конференции КВАКУ 2008 г., научных конференциях и семинарах КГЭУ в 2005 - 2008 гг.
За поддержку в работе, ценные указания и замечания автор искренне благодарит научного руководителя, Ванькова Ю.В. и научного консультанта Кондратьева А.Е.
Методы диагностики дефектов подшипников качения по параметрам вибрации
Для оценки технического состояния и диагностики дефектов подшипников качения разными фирмами разработано достаточно много различных методов. Естественно, что все эти, различные по своим теоретическим предпосылкам, методы имеют разную трудоемкость, достоверность, требуют различного приборного обеспечения и могут применяться для различных целей [26, 53, 63, 66,85,92,95, 107, 118].
В самом общем случае оценка технического состояния и поиск дефектов подшипников качения может производиться: По среднеквадратичному значению (СКЗ) виброскорости. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых последних стадиях их развития, начиная, примерно, с середины третьего этапа развития дефекта, когда общий уровень вибрации значительно вырастет. Требует минимальных технических затрат и не требует специального обучения персонала.
По спектру вибросигнала. Данный метод применяется на практике достаточно часто, т. к. позволяет выявлять, наряду с диагностикой подшипников, большое количество других дефектов оборудования. Этот метод позволяет начинать диагностику дефектов подшипников примерно с середины второго этапа развития дефектов, когда энергия резонансных колебаний вырастет настолько, что будет заметна в общей картине частотного распределения всей мощности вибросигнала. Для реализации данного метода необходим хороший спектроанализатор и подготовленный персонал.
По соотношению пик/фон вибросигнала. Этот метод разрабатывался несколькими фирмами и имеет много различных, примерно одинаковых по эффективности, практических модификаций, таких как: HFD (High Freguency Detection - метод обнаружения высокочастотного сигнала) [121], SPM (Shock Pulse Measurement - метод измерения ударных импульсов) [123], SE (Spike Energy - метод измерения энергии импульса) [124].
Лучшие разновидности данного метода позволяет выявлять дефекты подшипников качения на достаточно ранних стадиях, начиная примерно с конца первого этапа развития. Приборы, реализующие данный метод диагностики достаточно просты и дешевы.
По спектру огибающей сигнала. Данный метод позволяет выявлять дефекты подшипников на самых ранних стадиях, начиная примерно с первой трети первого этапа. Теоретически данный метод диагностики дефектов подшипников качения может базироваться и на анализе акустических сигналов, и на анализе вибросигналов: SEE (Spectral Energy Emitted - анализ излучаемой спектральной энергии) -использует специальный датчик акустической эмиссии. Далее отфильтрованный сигнал подается на анализатор спектра [112].
Диагностика по спектру огибающей вибросигнала. Этот метод, большой вклад в развитие которого внесли российские диагносты, в настоящее время считается уже классическим методом для анализа вибросигналов с подшипников качения.
Все выше перечисленные методы различаются не только теоретическими предпосылками, положенными в их основу, но и типом используемого оборудования, его стоимостью, необходимой подготовкой персонала и конечно своей эффективностью. Чем на более ранней стадии и более достоверно необходимо обнаруживать дефекты подшипников, тем это требует больших трудозатрат.
Данный способ диагностики наличия дефектов в подшипниках, в своей основе, входит в широко распространенную простейшую оценку общего технического состояния оборудования по общему уровню вибросигнала. Производится диагностическим или даже оперативным обслуживающим персоналом без специальной вибродиагностической подготовки. Для проведения такой диагностики дефектов подшипников качения вполне достаточно использования» простейшего виброметра. Как уже говорилось выше, такая диагностика дефектов подшипников , качения позволяет определять дефекты только на самой последней стадии их развития, когда они уже приводят, или уже привели к деградации состояния подшипников, повышению общего уровня вибрации. В принципе это уже предаварийная диагностика дефектов [40]. Критерии степени развития дефекта в данном методе полностью ориентированы на соответствующие нормативные уровни вибрации, принятые для данного механизма. Дефектным в этом методе диагностики считается такой подшипник качения, вибрации которого превысили общую норму для агрегата. При таком повышении значения уровня вибрации обслуживающему персоналу необходимо принимать решение о возможности дальнейшей работы агрегата или об остановке оборудования и замене подшипника. Первые признаки дефекта подшипника данным методом диагностики обнаруживаются при обследовании оборудования персоналом достаточно поздно, примерно за несколько месяцев (недель или даже дней, что зависит от целого ряда особенностей работы данного подшипника) до момента полного разрушения подшипника. Несмотря на позднее обнаружение дефектов и скептическое отношение к нему вибродиагностов со стажем, такой метод диагностики состояния подшипников качения достаточно широко используется в практике и дает неплохие результаты в тех случаях, когда: основной задачей проведения диагностического обследования оборудования является только предотвращение аварий, и их последствий, пусть даже это будет известно на достаточно позднем этапе; останов оборудования и замена подшипника могут быть выполнены в оставшееся до аварии время, без какого - либо ущерба для работы установки и предприятия, без нарушения общего технологического процесса; цикличность проведения ремонтных работ на оборудовании такова, что оставшийся срок службы подшипника с диагностированным дефектом превышает оставшееся время работы до его вывода в ремонт по другим причинам. Достоинством такого, самого простейшего метода диагностики дефектов подшипников качения по общему уровню вибрации, является так же то, что для его применения не требуется практически никакого дополнительного обучения обслуживающего персонала и стоимость технического оборудования, необходимого для его внедрения, минимальна. Если на данном предприятии до настоящего времени, не велись какие - либо вибродиагностические работы, то данный метод диагностики обеспечивает наибольшую эффективность при своем внедрении. Применение всех других методов диагностики подшипников всегда требует больших начальных затрат и дает экономический эффект на более поздних стадиях работы.
Сравнение амплитудных спектров и вейвлет скейлограмм с использованием статистических методов
При проведении дефектоскопии возникает задача сравнения спектров колебаний изделий. Спектральные характеристики даже бездефектных объектов могут отличаться. Например, из за того, что могут быть не однозначными условия закрепления, возбуждения объекта контроля. В то же время анализировать желательно все составляющие спектра колебаний, причем с максимально возможным разрешением по частоте, что делает визуальное сравнение спектров затруднительным. Единственная возможность быстрого сравнения спектров с большим количеством частот -использование методов математической статистики с применением компьютера. Хотя- результаты эксперимента нельзя предсказать, разные возможные его исходы и связанные с ними события имеют неодинаковые шансы на появление. Количественное описание правдоподобия отдельных исходов и событий основывается на понятии вероятности [56, 59]. Вероятность Р невозможного события (которое никогда не происходит) принимается равной 0, а вероятность Р достоверного события (которое происходит всегда) 1. Поэтому для любого события А: Определение вероятности наступления события отличается от измерения физических величин, оно основано на, независимых повторениях случайного эксперимента. Для характеристики свойств случайной величины в теории вероятностей используют понятие закона распределения вероятностей случайной величины. Имеются две формы задания закона распределения: интегральная и дифференциальная.
В метрологии преимущественно используется дифференциальная форма - закон распределения плотности вероятности случайной величины. Закон распределения дает полную информацию о свойствах случайной величины и позволяет ответить на поставленные вопросы о результате измерения и его случайной погрешности [74]. Для описания частных свойств случайной величин используют числовые характеристики распределений. Наиболее часто употребляемыми характеристиками являются моменты и квантили. Значительная часть статистики связана с описанием больших совокупностей измерений. Если интересующая нас совокупность слишком многочисленна или имеются причины не позволяющие сразу изучать все ее элементы, изучают какую-то часть этой совокупности. Эта выбранная для исследования группа элементов называется выборкой или выборочной совокупностью, а все множество изучаемых элементов - генеральной совокупностью. Обычно стремятся сделать выборку так, чтобы она наилучшим образом представляла всю генеральную совокупность, т.е. была бы репрезентативной [84]. При решении практических задач закон распределения обычно неизвестен. В этом случае сведения о распределении случайной величины получают после независимых многократных повторениях опыта, в котором измеряются значения интересующей нас случайной величины. Установлено, что выборочная функция распределения с ростом объема выборки п равномерно по х аппроксимирует теоретическую функцию распределения. Возникает вопрос, как лучше оценивать параметры по выборке. К оценкам результатов, полученных экспериментальным путем предъявляются требования состоятельности, несмещенности и эффективности [69, 103].
Оценка называется состоятельной, если при увеличении числа наблюдений она стремится к истинному значению измеряемой величины. Оценка называется несмещенной, если ее математическое ожидание равно истинному значению оцениваемой величины. В том случае, когда можно найти несколько несмещенных оценок, лучшей из них считается та, которая имеет меньшую дисперсию. Чем меньше дисперсия оценки, тем более эффективной считают эту оценку. Способы нахождения оценок результата измерений зависят от вида функции распределения и от имеющихся соглашений по этому вопросу, регламентируемых в рамках законодательной метрологии. Особенно часто применяют два способа. Первый из них - прямой подсчет самих значений параметров (среднего и дисперсии). Он именуется точечным оцениванием. Средним значением выборки, или выборочным аналогом математического ожидания, называется величина Дисперсией выборки (выборочной дисперсией), называется величина Дисперсия случайной величины характеризует рассеяние отдельных ее значений. Однако чаще пользуются квадратным корнем из дисперсии - средним квадратическим отклонением (СКО) - которое имеет размерность самой измеряемой величины [105]. Второй способ оценки - с помощью доверительных интервалов. Распределения погрешностей результатов измерений обычно являются симметричными относительно центра распределения, поэтому истинное значение измеряемой величины может быть определено как координата центра рассеивания хи, т.е. центра симметрии распределения случайной погрешности. Отсюда следует принятое в метрологии правило оценивания случайной погрешности в виде интервала, симметричного относительно координаты центра рассеивания (хц±Дл:). Координата хц может быть найдена несколькими способами. Наиболее общим является определение центра симметрии из принципа симметрии вероятностей, т.е. нахождение такой точки на оси х, слева и справа от которой вероятности появления различных значений равны между собой и составляют Р=0,5. Такое значение называется оценкой положения. В практике измерений встречаются различные формы кривой закона распределения. Поэтому оценка положения измеряемой величины может определяться различными способами.
Экспериментальная установка контроля технического состояния подшипников качения
Экспериментальная установка предназначена для исследований виброакустических характеристик подшипников качения (патент на полезную модель №72546) [21, 22, 61,64, 83]. В состав экспериментальной установки, внешний вид которой представлен на рис. 3.1, входят: стойка 1, электропривод 2, выполненного в виде асинхронного двигателя, индуктивный датчик 3, посылающий сигнал на АЦП, прямоугольные импульсы, частота которых, равна частоте вращения вала умноженной на количество зубьев индикаторной шестерни 5, датчик пьезоэлектрический 4, который крепится на металлической пластине, резиновая муфта 6 и прокладка 7, регулятор частоты оборотов 8, станина 9 для крепления подшипников приводного вала 10. Испытуемый подшипник 11, внешняя обойма которого, зажимается металлической лентой 12 с помощью болтов 13 на металлической пластине, которая крепится к стойке с помощью резинового соединения. При подачи напряжения электропривод 2 начинает вращаться и приводит в движение приводной вал 10, при этом вращается и внутреннее кольцо испытуемого подшипника 11, наружное кольцо которого зафиксировано при помощи металлической ленты. Частота вращения электродвигателя регулируется частотным регулятором 8. На один канал АЦП поступает сигнал с индуктивно го датчика 3, с помощью данного канала с определяется частота вращения приводного вала, на второй канал АЦП поступает сигнал с вибродатчика 4, с помощью второго канала измеряется вибрация подшипника.
Выход АЦП соединен с ПК где происходит обработка поступивших данных. В конструкции устройства присутствуют регулятор частоты вращения электродвигателя, шестерня, насаженная на приводной вал и индуктивный датчик, позволяющие с определить частоту вращения приводного вала, что позволяет повысить точность контроля состояния подшипников. Набор втулок с бортами и металлическая лента с зажимами предназначенными для различных типов подшипников, позволяет проводить диагностику различных типов подшипников. Экспериментальная установка смонтирована на массивном литом основании (1), обеспечивающем необходимую жесткость конструкции. Установка размещена на виброустойчивом столе. Это позволяет избежать во время проведения экспериментов воздействия внешних вибраций, искажающих результаты измерений. Система регистрации экспериментальной установки контроля технического состояния подшипников качения представлена на рис.3.2 и включает в себя индуктивный датчик оборотов, датчик пьезоэлектрический KD - 35, устройство сбора данных N1 USB-6229, ПК, блок управления частотой вращения электродвигателя, электропривод и усилитель. Объект исследования вращается электроприводом с заданной частотой вращения. Частота вращения фиксируется индуктивным датчиком, колебания объекта фиксируются пьезодатчиком, усиливаются и поступают на АЦП, где преобразовываются в цифровой код для обработки в ЭВМ. Полученные сигналы сравниваются между собой с привлечением целевых функций сравнения. По результатам сравнения делается вывод о наличии дефекта и предположительно тип дефекта. С целью проведения виброакустических исследований материалов и изделий было разработано программное обеспечение «DetectFault», (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2008610104).
С использованием ППП «DetectFault» выполняются следующие операции: 1. Преобразование и регистрация аналоговых амплитудно-временных сигналов, поступающих по одному или нескольким каналам, в цифровой код на заданном временном интервале в соответствии с установленным интервалом дискретизации. 2. Выбор типа вейвлета. 3. Формирование скейлограммы с использованием непрерывного вейвлет преобразования на определенном временном участке амплитудно-временного сигнала. 4. Нормализация полученных скеилограмм, при которой амплитуды на всех участках нормируются среднеинтегральнои амплитудой скеилограммы [45]. 5. Формирование обобщенной скеилограммы подшипников качения по результатам нескольких идентичных [39, 89]: где, 3(/,7)Л — i,j- ая составляющая множества амплитуд обобщенной скеилограммы, а0 1)к- амплитуда па /-том масштабе у -го сдвига к-й входной скейлограм ме, М - число масштабов непрерывного вейвлет преобразования, N- число сдвигов непрерывного вейвлет преобразования, К- число анализируемых скеилограмм, 6. Формирование эталонной скеилограммы с использованием всех исходных скеилограмм контролируемых изделий или скеилограмм только исправных изделий . 7. Сравнение скеилограмм с привлечением различных целевых функций и выбор наиболее информативной . 8. Анализ результатов сравнения, выявление дефекта и протоколирование результатов контроля. ППП «DetectFault» включает в себя следующие основные части: программу регистрации акустических сигналов; программу формирования эталонных вейвлет скеилограмм; программу сравнения вейвлет скеилограмм с эталонной вейвлет скей-лограммой.
Экспериментальные исследования зависимости колебаний подшипников качения от различных дефектов
Целью экспериментальных исследований влияния дефектов на параметры колебаний подшипников качения являлось установление возможности применения метода вейвлет анализа наряду с существующим техническим контролем для диагностики подшипников качения. Эксперименты проводились па установке, описанной в п.3.2, с учетом требований, представленных в п. 4.1.1. Порядок проведения экспериментов заключается в следующем: - производилась настройка ППП «DetectFault»; - исследуемый подшипник устанавливается на валу и зажимается металлической лентой; - запускается электродвигатель, и устанавливаются необходимые обороты вращения двигателя; - проводилось измерение амплитуды колебаний подшипника качения пьезодатчиком с записью полученных результатов в память компьютера; - проводится вейвлет-преобразование записанных сигналов для получения вейвлет скейлограмм; - проводилось сравнение вейвлет скейлограмм с эталонной вейвлет скейлограммой; - выдавалось заключение о состоянии исследуемого подшипника. Условия проведения экспериментов оставались неизменными. Для измере ний были выбраны 15 подшипников качения. Были произведены экспериментальные исследования на бездефектных подшипниках и подшипниках с созданными дефектами. На рис. 4.4-4.6 показаны спектры подшипников качения бездефектных и с двумя дефектами. На рисунке 4.5 показан спектр подшипника с дефектом на внутренней обойме, на второй стадии развития, который был создан методом электронного разряда. Диаметр дефекта на внутренней обойме подшипника качения варьировался от 0,1 до 1,5 мм, глубина отверстия равнялась 0,1 мм. На рисунке 4.6 спектр и подшипника с дефектом на внутренней обойме, в конце третьей стадии развития, который был создан расколом внутренней обоймы. Как видно, визуально, из спектров рис. 4.4 и рис. 4.5 особых различий в спектре не наблюдается. Отличия спектров дефектных от бездефектных начинают появляться только на поздних стадиях развития рис. 4.6.
Также были проведены экспериментальные исследования на подшипниках качения фирмы VDYD марки 6208 Для каждого подшипника было сделано по пять измерений параметров колебаний с целью повышения достоверности результатов. Наружный диаметр подшипников равен 80 мм, внутренний 40 мм, ширина равна 18 мм [37]. Подшипники были смазаны консистентной смазкой. Замеры вибрации проходили при вращении внутреннего кольца подшипников с частотой 960, 1820 и 2600 об/мин. Каждый дефект создавался на двух подшипниках. В таблице 4.1 перечислены созданные дефекты подшипников. Скейлограммы колебаний, для вейвлета Mexican hat, бездефектного подшипника VDYD марки 6208 представлены на рис.4.7, подшипников с дефектами на рис. 4.8 - 4.12.
Эталонная скейлограмма формировалось из десяти скейлограмм бездефектных подшипников, для сравнения с дефектными подшипниками качения использовалась PSNR метрика [34, 38, 67]. Результаты сравнения скейлограмм PSNR метрикой (см. прил.В), с границами доверительных интервалов при Р=0,95, для вейвлета Mexican hat, бездефектных и дефектных подшипников качения с эталонной скейлограммой представлены на рис 4.13 (для остальных типов вейвлетов Приложение А), по оси абсцисс отмечены номера исследуемых подшипников в порядке их описания, представленного в табл. 4.1., а по оси ординат PSNR метрика. На верхнем рисунке показаны результаты сравнения для каждого замера сигнала вибрации подшипников, на нижнем эти же результаты сравнения усредненные медианой для каждого подшипника качения.
Сравнение вейвлет базисов между собой показало, что наиболее лучшие результаты, а именно результаты, обладающие меньшим средним значением дисперсии по каждому подшипнику, достигаются при использовании таких вейвлетов как: dbl 1, db07, dblO, Mexican Hat. В таблице 4.2, приведены, вейвлет базисы, в порядке увеличения среднего значения дисперсии результатов сравнения вейвлет скейлограмм.
Анализ экспериментов по влиянию дефектов на параметры колебаний подшипников качения показал устойчивое определение дефекта подшипников качения на ранней стадии зарождения с помощью PSNR метрики и на других типоразмерах подшипников и подтвердил возможность применения данного
Автоматизация технического контроля состояния подшипников качения позволит повысить производительность труда и точность проверки, кроме того, она снизит уровень случайных погрешностей самого процесса проверки и повысит ее однозначность. Эти задачи решает предлагаемый автоматизированный диагностический комплекс [1, 25].
Автоматизированный диагностический комплекс разработан в соответствии с требованиями ГОСТ 8.246-77 . Структурная схема комплекса, приведенная на рис. 4.14, обеспечивает автоматизированное выполнение операций технической диагностики подшипников качения и имеет в своем составе управляющий и вычисляющий компьютер (ПК), устройство механической подачи и установки, замены и сортировки объектов диагностики, устройство регулирования частоты вращения подшипников качения, а также средства измерения.
