Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения безаварийности и безопасности автомобильного движения в настоящее время решается на государственном уровне. С этой целью реализуется целый комплекс мер, направленных на развитие и модернизацию современных автомагистралей, повышение уровня квалификации водителей и на разработку различных систем, позволяющих автоматизировать управление транспортными средствами, а также значительно повысить эффективность их технической диагностики.
Дорожно-транспортные происшествия по причине технической неисправности транспортного средства происходят чаще всего из-за неисправности колес автомобиля или систем их крепления. Они в большинстве случаев приводят к тяжким последствиям: существенным экономическим потерям, к травмам или даже гибели людей.
Существующие на сегодняшний день методы профилактики возникновения таких неисправностей заключаются, как правило, в периодическом проведении технического осмотра грузового автомобиля и в своевременной замене неисправных или отслуживших свой срок деталей и агрегатов.
Актуальной становится задача разработки универсальной, удобной и информативной системы диагностики состояния колес грузовых автомобилей. Данная система должна оперативно обнаруживать возникающие дефекты (фиксировать факт их возникновения), идентифицировать их (относить к одному из известных типов), а также регистрировать (в доступной форме оповещать водителя).
Изучению методов диагностики механических систем посвящены работы ученых А.А. Абдулаева, А.Ю. Азовцева, Г.В. Аркадова, В.С. Барайщука, А.В. Баркова, Н.А. Барковой, И.А. Биргера, В.В. Болотина, М.Д. Генкина, Б.Л. Герике, А.С. Гольдина, С.А. Добрынина, Ю.Ф. Застрогина, В.В. Клюева, Р.А. Коллакота, А.З. Кулбянина, В.И. Павелко, Я.Г. Пановко, В.А. Русова, А.Г. Соколовой, А.Г. Толстова, В.Ю. Тэттэра, А.И. Усанова, В.В. Федорищева, М.С. Фельдмана, В.Г. Фирсатова, Г.И. Фирсова, А.М. Хазарова, С.Ф. Цвид, К.Н. Явленского, А.К. Явленского, Билл Уоттса (Bill Watts), Дж ван Дайка (Joe Van Dyke) и других специалистов.
Целью диссертационной работы является разработка системы акустической диагностики состояния колес транспортных средств большой грузоподъёмности, позволяющей оперативно регистрировать возникающие при их эксплуатации неисправности в условиях повышенного уровня внешних помех.
Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Провести анализ публикаций, посвященных методам оценки технического состояния узлов и агрегатов машин и механизмов; систематизировать возможные дефекты колес транспортных средств; проанализировать методы их обнаружения, выделить наиболее перспективные;
-
Провести анализ акустических сигналов, создаваемых колесами при движении автомобиля; выбрать диагностические признаки; разработать алгоритмы для обнаружения, идентификации и регистрации дефектов;
-
Сформулировать требования, предъявляемые к системе акустической диагностики состояния колес; разработать концепцию построения, структуру и интерфейс программы; выбрать язык программирования для её реализации; создать соответствующее программное обеспечение;
-
Выбрать способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью разработанного программного обеспечения; сформировать набор тестовых сигналов для проведения лабораторных испытаний;
-
Провести лабораторные и полевые испытания, обработать результаты, сделать заключение о степени достоверности диагностики состояния колес с помощью разработанной программы и правильности выбора предложенных решений.
Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались: методы цифровой обработки акустических сигналов, спектральный анализ сигналов, математическая статистика и математический анализ, программирование на языках С и С++, программное обеспечение Matlab.
Научная новизна и новые полученные результаты.
-
Сформулирован общий подход к разработке системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех – анализ акустических сигналов, сопровождающих их движение. Получен набор записей акустических сигналов, возникающих при движении исправных и неисправных колес. На основе анализа данных сигналов найдены диагностические признаки, позволяющие не только обнаруживать, но и идентифицировать три наиболее распространённых дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, частичная и полная блокировки колеса. Разработан метод минимизации влияния помех от неровностей дороги на результаты диагностики.
-
Установлено, что обнаружение таких дефектов, как отслоение части корда, блокировка колеса и ослабление крепления колесного диска к ступице, может осуществляться на основе сравнения уровней полосовых акустических сигналов двух колес, расположенных на одной оси автомобиля. Случай, когда разница уровней данных сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц превышает эмпирически найденное пороговое значение 8,3 дБ, соответствует возникновению либо отслоения части корда, либо блокировки колеса. Значение данной величины в диапазоне от 7,9 до 8,3 дБ соответствует только отслоению части корда. Если же данная величина принимает значения менее 4,4 дБ, то оба дефекта отсутствуют; нахождение величины в диапазоне от 4,4 до 5,2 дБ означает, что отсутствует блокировка колеса. Аналогичным образом, только с использованием полосы частот от 11200 до 1170 Гц, регистрируется ослабление крепления колесного диска к ступице. Если данная величина превышает 9,1 дБ, то произошло ослабление крепления, а если меньше 3,6 дБ, то данный дефект отсутствует.
-
Выявлено, что дополнительным признаком, позволяющим не только обнаружить, но и идентифицировать дефект отслоения части корда (отличить его от блокировки колеса), является энергия первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса. Превышение разницы данных энергий для колес, расположенных на одной оси, порогового значения 17,1 дБ соответствует отслоению корда. Если же данная величина составляет менее 2,6 дБ, то отслоение корда отсутствует. Обнаружение такого дефекта, как полная блокировка колеса, возможно на основе оценки скорости изменения уровня акустического сигнала в полосе частот от 1930 до 2290 Гц. Если скорость изменения уровня больше эмпирически найденного порогового значения 7,4 дБ/с, то возникла полная блокировка колеса. Если меньше 3,1 дБ/с, то полная блокировка колеса отсутствует.
-
Разработан оригинальный алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Он позволяет не только обнаруживать дефект на основе оценки и сравнения уровней полосовых сигналов исправных и неисправных колес, но и идентифицировать их по характерным признакам, таким как скорость изменения уровней полосовых сигналов и величина энергии 11 первых гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса;
-
Разработана компьютерная программа оперативного контроля состояния автомобильных колес.
-
Разработан способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Проведены лабораторные и частично полевые испытания, доказывающие правильность принятых научных и технических решений.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
сформирован банк записей акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес автомобилей, как при отсутствии, так и при наличии внешних помех;
-
разработан метод акустического контроля состояния колес транспортных средств, позволяющий оперативно обнаруживать и с достаточной для практики точностью идентифицировать возникающие в них дефекты;
-
разработано программное обеспечение, на основе которого реализована система акустического контроля состояния колес транспортного средства во время его движения;
-
проведены лабораторные и неполные полевые испытания системы акустического контроля состояния колес транспортных средств, подтверждающие достоверность получаемых с её помощью результатов.
Внедрение результатов исследований. Материалы диссертационной работы использовались в ОАО НПП «Дигитон», в ФГУП «Научно-исследовательский институт "Рубин"», в компании Taipale Telematics Ltd (Финляндия), а также в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.
Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная система акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех позволяет обнаруживать, идентифицировать и регистрировать три наиболее распространенных дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, блокировка колеса;
-
Различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси автомобиля, позволяет обнаруживать такие дефекты как отслоение части корда и блокировка колеса;
-
Различие энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси, позволяет идентифицировать дефект отслоения части корда;
-
Скорость изменения уровня акустического сигнала, создаваемого колесом автомобиля в полосе частот от 1930 до 2290 Гц, позволяет обнаружить дефект полной блокировки колеса;
-
Различие уровней акустических сигналов, создаваемых колесами, расположенными на одной оси в полосе частот от 11200 до 11700 Гц, позволяет обнаружить и идентифицировать дефект ослабления крепления колесного диска к ступице;
-
Комплексное использование найденных в работе критериев обнаружения дефектов колес позволило разработать единый алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех.
Апробация результатов работы и публикации. Полученные в работе результаты обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге.
По тематике диссертационной работы опубликовано четыре печатные работы, включая публикацию в виде тезисов докладов, статью в журнале «Труды учебных заведений связи», статью в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ» и статью в журнале «Известия Курского государственного технического университета».
Структура и объём диссертационной работы. Работа содержит 153 листа, 49 рисунков, 8 таблиц. В списке литературы 62 наименования. Приложение размещено на 16 листах.
