НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ С ЦЕЛЬЮ ПОИСКА

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ С ЦЕЛЬЮ ПОИСКА
ДИАГНОСТИЧЕСИКИХ ПРИЗНАКОВ ДЕФЕКТОВ ПОДШИПНИКОВ
МОТОРНО-ЯКОРНОГО БЛОКА ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
В статье описаны исследования временных сигналов вибрации с целью выявления
возможности использования вейвлет коэффициентов в качестве диагностического признака
дефектов подшипников качения. Рассмотрены результаты обработки экспериментальных
данных и математического моделирования. Даны практические рекомендации.
В современном вибродиагностическом оборудовании (ВДО) в качестве
входного сигнала используются виброперемещение, виброскорость и
виброускорение. Чаще всего предпочтение отдается сигналу виброускорения
[1]. Это связано с тем обстоятельством, что процесс преобразования
виброперемещения в виброскорость или виброскорости в виброускорение
связан с операцией дифференцирования, а обратные преобразования - с
интегрированием. Использование дифференцирования приводит к росту
шумовой компоненты сигнала. Интегрирование же осуществляется с гораздо
большей точностью.
Важной характеристикой ВДО являются показатели достоверности
диагностирования [2]. Для улучшения этих показателей разработчики ВДО, как
правило, используют улучшение характеристик аппаратной части (первичных
преобразователей, линий связи, аналогово-цифровых преобразователей и т. д.)
вместе с оптимизацией и увеличением возможностей алгоритмов программного
обеспечения (программы обнаружения и распознавания дефектов).
Возможности программного обеспечения увеличиваются за счет
использования нескольких методов обработки сигнала, отыскания и введения в
алгоритмы распознавания новых диагностических признаков.
В настоящее время для определения технического состояния оборудования используются как спектральный анализ, так и характеристики
временного сигнала. К последним относятся: средневыпрямленное значение;
среднеквадратичное значение; пик-фактор; коэффициент формы; коэффициент
импульсности (импульсный индекс).
В последнее время предпринимаются попытки использовать в качестве
диагностического признака вейвлет коэффициенты которые близки по форме к
диагностируемому сигналу, которые чувствительны к степени повреждения
подшипника и не зависит от типа машины, на которой установлен пьезодатчик.
Автором были проведены исследования по возможности использования
вейвлет коэффициентов в качестве диагностического признака неисправностей
подшипников качения.
Основой исследований явился объемный фактический материал
полученный с помощью стационарной системы вибрационной диагностики
КПА-1В колесно-редукторных блоков локомотивов ЭП-1 и ВЛ-80 в процессе
ежемесячного осмотра и обслуживания в локомотивных депо Смоляниново,
Хабаровска и Комсомольска-на-Амуре. (рис. 1 и рис. 2).
соединительные
коробки для
подключения
датчиков вибрации
датчики
вибрации акселерометры
на магните
блоки
преобразования и
коммутации
вторичные блоки
преобразования для
подключения блоков
преобразования и
коммутации
модуль цифрового
преобразования и модуль
согласования,
установленная в
компьютере
Рисунок 1 - Стационарный комплекс КПА-1В для контроля и прогноза
Рисунок 2 – Сбор данных с помощью преобразователя установленного на
моторно-якорный блок ВЛ-80 депо Хабаровск – II в память ЭВМ
Объектом исследования являлись буксовые подшипники:
- исправные;
- с дефектами, возникшими в процессе эксплуатации (рис. 3);
Рисунок 3 – Элементы подшипника с дефектами, возникающие в
процессе эксплуатации
Поведение вейвлет коэффициентов изучалось путем математической
обработки сигналов с помощью пакета прикладных программ MATLAB. В
качестве первичных преобразователей применялись акселерометры. В ходе
а)
экспериментов
анализу подвергался сам сигналб)виброускорения и огибающая
временного сигнала виброускорения.
Исследование влияния вида сильно развитого дефекта на величину
вейвлет коэффициентов дало результаты, показанные на рис. 4.
Рисунок 4 - Вейвлет-приближения для сложного сигнала:
а) - с дефектного подшипника качения полученного опытным путем в депо
Смоляниново.
б) - с исправного подшипника качения полученного опытным путем в депо
Хабаровск II;
Из диаграммы видно, что величина коэффициентов для дефектного и
бездефектного элементов подшипника отличается в несколько раз.
Математическим основанием [3] для подобного подхода к анализу
сигналов является метод решения линейных уравнений динамики, метод
функций Грина, заключающийся в решении уравнений для физически
реализуемых динамических систем в виде свёртки
ℓ
yt =∫ h t −τ  f  τ dτ
(
1)
где h+(t - ) есть частный случай функции Грина и представляет собой
нормальную реакцию системы на единичный импульс: L h+(t - ) = d+(t - ).
Основываясь на аппарате частотной фильтрации (пирамидальный
алгоритм Малла) и методах быстрого вейвлет-преобразования (прореживания
спектра вейвлетов по частоте) [2], частотную область вейвлетов автор разбил на
две составляющие - низкочастотную и высокочастотную. Их частота раздела
равна половине частоты дискретизации сигнала. Для их разделения
использовались два фильтра: низкочастотный L0 и высокочастотный Hi, к
входам которых подключается сигнал s. Фильтр L0 дает частотный образ для
аппроксимации (грубого приближения) сигнала, а фильтр Hi - для его
детализации.
Поскольку фильтры передают только половину всех частотных
компонент сигнала, то не попавшие в полосу прозрачности компоненты безболезненно удаляются. В результате мы получаем полный набор
аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов, вплоть до уровня
декомпозиции j+1. Это вейвлет-декомпозиция сигнала [4].
В результате этого процесса исходный сигнал s раскладывается на
вейвлет-коэффициенты вплоть до заданного уровня декомпозиции.
Предложен
новый
метод
анализа
нестационарных
сигналов,
отличающийся высокой разрешающей способностью во времени при
сохранении
достаточного
частотного
разрешения.
Отличительной
особенностью анализа является его независимость от изменений амплитудных
характеристик сигналов, что позволяет использовать метод для контроля над
первоначальными изменениями на стадии их зарождения. Метод оказывается
одинаково эффективным при использовании для сигналов различной природы и
0
сложности. Эта универсальность обусловлена тем, что в основе метода лежат
наиболее общие принципы исследования динамики сложных, как правило,
нелинейных процессов. Рассмотренные в работе примеры, полученные
опытным путем демонстрируют высокую эффективность применения метода к
вибродиагностике подшипников качения, что позволяет создать новый класс
методов акустической диагностики машин по нестационарным сигналам.
ЛИТЕРАТУРА
1.Смирнов
В. А. Вибрационная диагностика подшипников качения двигателя
НК-12СТ газоперекачивающего агрегата ГПА-Ц-б,3. http://www.vibration. ru/
12nks/12nks.shtml.
2.ГОСТ 27518-87 Диагностирование изделий. Общие требования.
3. В.П. Дьяконов. Вейвлеты. От теории к практике. – М.: СОЛОН-Р, - 2002.
4. А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. – СПб.,: Питер, 2002. –
608 с.