СПОСОБ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ
METHOD OF DIAGNOSTIC MONITORING OF ROTARY MECHANISMS

Изобретение относится к области диагностики и контроля технического состояния роторных машин и агрегатов, и может быть использовано на железнодорожном транспорте, например для диагностики узлов колесно-моторных блоков (КМБ) подвижного состава.
Известен способ диагностики колесно-моторных блоков мотор-вагонного подвижного состава (RU 2378633) путем измерения вибрации одновременно от совокупности узлов диагностируемого агрегата, при заданной частоте вращения колесной пары.
Недостатком данного способа является недостаточная достоверность диагностирования из-за однократного измерения вибрации элементов агрегата во время поддержания заданного скоростного режима.
Известен многофакторный способ диагностирования роторных, механических, подшипниковых и редукторных узлов (RU 2284021), в котором измеряют и запоминают значения сигналов таких сопутствующих факторов, как продолжительность фактической работы объекта и среднее значение температуры окружающей среды, а техническое состояние определяют, сравнивая полученные значения сигнала вибрации с соответствующими критическими и оценочными уровнями, скорректированными в зависимости от значений вышеуказанных сопутствующих факторов.
Недостатком данного способа является необходимость ведения базы данных о времени и условиях эксплуатации каждого диагностируемого объекта, качество которой может существенно повлиять на достоверность диагностирования.
Известен способ оценки технического состояния роторных механизмов (RU 2278365), принятый нами за прототип.
В известном способе запоминают амплитудные составляющие и сопоставляют их с критическими и оценочными уровнями, одновременно измеряют и запоминают сигналы сопутствующих факторов, а оценку технического состояния проводят путем совместного сравнения значений основного сигнала и сигналов сопутствующих факторов с соответствующими им критическими и оценочными уровнями.
Недостатком данного способа является недостаточная достоверность диагностирования, вызванная необходимостью корректировки оценочных и критических уровней сопутствующих факторов в зависимости от внешних условий проведения испытаний.
Задачей предлагаемого способа является повышение достоверности диагностирования роторных механизмов путем использования в качестве диагностических признаков - коэффициентов зависимостей параметров вибрации от значений сопутствующих факторов для определения конкретных дефектов.
Поставленная задача в способе диагностического мониторинга роторных механизмов, например, колесно-моторных блоков подвижного состава, включающий измерение амплитудных составляющих основного сигнала вибрации и значений сигналов сопутствующих факторов, в котором сравнивают полученные значения с соответствующими критическими и оценочными уровнями, и считают диагностируемые механизмы дефектными лишь при одновременном превышении измеренных амплитудных составляющих основного сигнала и значений сопутствующих факторов соответствующих критических и оценочных уровней, решается тем, что определяют зависимость величин параметров вибрации от значений сопутствующих факторов при их изменении в виде полинома:
1
2
m
где  - вектор-столбец значений параметров вибрации Y, Y … Y;
1
2
n
- вектор-столбец значений сопутствующих факторов F, F … F;
m - размерность вектора значений параметров вибрации;
n - размерность вектора значений сопутствующего фактора;
k - степень полинома;
0
mn
[b] - матрица диагностических признаков - свободных членов;
1
mn
[a] - матрица диагностических признаков - угловых коэффициентов;
2
mn
[a] - матрица диагностических признаков - коэффициентов при квадратичном значении сопутствующего фактора;
k
mn
[a] - матрица диагностических признаков - коэффициентов при значении сопутствующего фактора в степени k;
вводят в базу знаний, которую предварительно снимают при диагностических испытаниях каждого роторного механизма, критические уровни коэффициентов полинома по каждому конструктивному элементу, параметру вибрации и их комбинации применительно к типовым предупреждаемым дефектам, причем базу знаний строят в виде таблицы, в строках которой находятся наименования типовых предупреждаемых дефектов, в столбцах - коэффициенты полинома-диагностические признаки по каждому конструктивному элементу и параметру вибрации, а на пересечении критические уровни коэффициентов-диагностических признаков и их комбинации, и путем сравнения полученных коэффициентов-диагностических признаков с соответствующими критическими уровнями и их комбинациями судят о техническом состоянии роторных механизмов и их элементов.
Анализ отличительных признаков предлагаемого способа диагностического мониторинга роторных механизмов показал, что:
- построение полинома позволяет определить коэффициенты зависимости величин параметров вибрации от значений сопутствующих факторов, которые используются для постановки диагноза;
- предварительное построение базы знаний позволяет надежно предупредить основные типовые неисправности роторных механизмов;
- использование коэффициентов полинома и их комбинаций в качестве диагностических признаков позволяет повысить достоверность диагностирования.
Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков, обеспечивающая полученный результат, представляется новой на существующем этапе развития науки и техники и превосходит существующий мировой уровень. Изобретение соответствует изобретательскому уровню, поскольку достигаемый результат определяется не только суммой отличительных признаков, но и результатом их тесного взаимодействия.
Сущность способа поясняется чертежами фиг. 1-4.
Датчики вибрации установлены в зонах действия максимальных суммарных сил (RU 2378633, G01M 17/08), как показано на Фиг. 1.
На Фиг. 2-4 изображены зависимости величин параметров вибрации от значений сопутствующих факторов. На каждой фигуре по оси ординат обозначен диагностический признак и единицы измерения, по оси абсцисс обозначены значения сопутствующего фактора, критические значения параметров вибрации показаны пунктирной линией.
Фиг. 2 - зависимости виброускорения от сопутствующего фактора;
Фиг. 3 - зависимости виброскорости от сопутствующего фактора;
Фиг. 4 - зависимости виброперемещения от сопутствующего фактора;
На Фиг. 1 показаны:
1 - 1-я измерительная точка - подшипник левой буксы;
2 - 2-я измерительная точка - подшипник редуктора со стороны большого зубчатого колеса (БЗК);
3 - 3-я измерительная точка - подшипник редуктора со стороны малой шестерни (МШ);
4 - 4-я измерительная точка - подшипник тягового электродвигателя (ТЭД) с коллекторной стороны;
5 - 5-я измерительная точка - подшипник ТЭД с противоколлекторной стороны;
6 - 6-я измерительная точка - подшипник правой буксы:
На Фиг. 2-4 показаны:
1
7 - значение виброускорения подшипника левой буксы  для первого значения сопутствующего фактора - базовой частоты вращения n;
1
8 - критическое значение виброускорения  на базовой частоте вращения n;
1
9 - значение виброскорости подшипника левой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
10 - критическое значение виброскорости  на базовой частоте вращения n;
2
11 - значение виброускорения подшипника левой буксы  для второго значения сопутствующего фактора - повышенной частоты вращения n;
2
12 - значение виброскорости подшипника левой буксы  на повышенной частоте вращения n;
13 - зависимость виброускорения подшипника левой буксы от частоты вращения колесной пары;
14 - зависимость виброскорости подшипника левой буксы от частоты вращения колесной пары;
1
15 - значение виброускорения подшипника ТЭД с коллекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
1
16 - критическое значение виброускорения  на базовой частоте вращения n;
1
17 - значение виброскорости подшипника ТЭД с коллекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
1
18 - критическое значение виброскорости  на базовой частоте вращения n;
2
19 - значение виброускорения подшипника ТЭД с коллекторной стороны  для второго значения сопутствующего фактора - повышенной частоты вращения n;
2
20 - значение виброскорости подшипника ТЭД с коллекторной стороны  для второго значения сопутствующего фактора - повышенной частоты вращения n;
21 - зависимость виброускорения подшипника ТЭД с коллекторной стороны от частоты вращения колесной пары;
22 - зависимость виброскорости подшипника ТЭД с коллекторной стороны от частоты вращения колесной пары;
1
23 - значение виброперемещения подшипника правой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
24 - критическое значение виброперемешения  на базовой частоте вращения n;
2
25 - значение виброперемещения подшипника правой буксы  на повышенной частоте вращения n;
26 - зависимость виброперемещения подшипника правой буксы от частоты вращения колесной пары;
1
27 - значение виброускорения подшипника редуктора со стороны БЗК  на базовой частоте вращения n;
1
28 - критическое значение виброускорения  на базовой частоте вращения n;
1
29 - значение виброскорости подшипника редуктора со стороны БЗК  на базовой частоте вращения n;
1
30 - критическое значение виброскорости  на базовой частоте вращения n;
1
31 - значение виброускорения подшипника редуктора со стороны БЗК  на повышенной частоте вращения n;
1
32 - критическое значение виброскорости  на базовой частоте вращения n;
1
33 - значение виброскорости подшипника редуктора со стороны МШ  на базовой частоте вращения n;
1
34 - критическое значение виброскорости  на базовой частоте вращения n;
2
35 - значение виброскорости подшипника редуктора со стороны МШ  на повышенной частоте вращения n;
2
36 - значение виброскорости подшипника редуктора со стороны МШ  на повышенной частоте вращения n;
2
37 - значение виброускорения подшипника редуктора со стороны МШ  на повышенной частоте вращения n;
2
38 - значение виброскорости подшипника редуктора со стороны МШ  на повышенной частоте вращения n;
39 - зависимость виброускорения подшипника редуктора со стороны БЗК от частоты вращения колесной пары;
40 - зависимость виброскорости подшипника редуктора со стороны БЗК от частоты вращения колесной пары;
41 - зависимость виброускорения подшипника редуктора со стороны МШ от частоты вращения колесной пары;
42 - зависимость виброскорости подшипника редуктора со стороны МШ от частоты вращения колесной пары;
1
43 - значение виброскорости подшипника левой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
44 - значение виброперемещения подшипника левой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
45 - критическое значение виброперемещения подшипника левой буксы  на базовой частоте вращения n;
2
46 - значение виброскорости подшипника левой буксы  на повышенной частоте вращения n;
2
47 - значение виброперемещения подшипника левой буксы  на повышенной частоте вращения n;
1
48 - значение виброскорости подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на базовой частоте вращения n;
1
49 - критическое значение виброскорости подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на базовой частоте вращения n;
1
50 - значение виброперемещения подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на базовой частоте вращения n;
1
51 - критическое значение виброперемещения подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на базовой частоте вращения n;
2
52 - значение виброскорости подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на повышенной частоте вращения n;
2
53 - значение виброперемещения подшипника тягового двигателя со стороны редуктора  на повышенной частоте вращения n;
1
54 - значение виброскорости подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
1
55 - критическое значение виброскорости подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
1
56 - значение виброперемещения подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
1
57 - критическое значение виброперемещения подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на базовой частоте вращения n;
2
58 - значение виброскорости подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на повышенной частоте вращения n;
2
59 - значение виброперемещения подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны  на повышенной частоте вращения n;
1
60 - значение виброскорости подшипника правой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
61 - критическое значение виброскорости подшипника правой буксы  на базовой частоте вращения n;
1
62 - значение виброперемещения подшипника правой буксы  на базовой частоте вращения n;
2
63 - значение виброскорости подшипника правой буксы  на повышенной частоте вращения n;
2
64 - значение виброперемещения подшипника правой буксы  на повышенной частоте вращения n;
65 - зависимость виброскорости подшипника левой буксы от частоты вращения колесной пары;
66 - зависимость виброперемещения подшипника левой буксы от частоты вращения колесной пары;
67 - зависимость виброскорости подшипника тягового двигателя со стороны редуктора от частоты вращения колесной пары;
68 - зависимость виброперемещения подшипника тягового двигателя со стороны редуктора от частоты вращения колесной пары;
69 - зависимость виброскорости подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны от частоты вращения колесной пары;
70 - зависимость виброперемещения подшипника тягового двигателя с противоколлекторной стороны от частоты вращения колесной пары;
71 - зависимость виброскорости подшипника правой буксы от частоты вращения колесной пары;
72 - зависимость виброперемещения подшипника правой буксы точке от частоты вращения колесной пары;
cr
cr
В Базе знаний (см. Таблицу 1) приведены критические значения угловых коэффициентов a и свободных членов b зависимостей параметров вибрации виброускорения А, вибороскрости V и виброперемещения S и их комбинации применительно к типовым предупреждаемым дефектам от частоты вращения по каждому конструктивному элементу, обозначенному 1-6 на Фиг. 1
Реализуемость способа показана на примере диагностирования КМБ подвижного состава железнодорожного транспорта, который имеет многоэлементную структуру, в состав которой входят буксовые узлы, тяговый электродвигатель, редуктор и упругая муфта. Дефект каждого из этих элементов может недопустимо повлиять на безопасность движения.
При двух значениях сопутствующего фактора, например частоты вращения колесной пары, полином, описывающий зависимость значений параметров вибрации от значений сопутствующего фактора имеет вид уравнения линейной зависимости:
m
где {Y} - вектор значений параметров вибрации, например виброускорения, виброскорости, виброперемещения;
0
m
[b] - матрица-столбец диагностических признаков - свободных членов;
1
m
[a] - матрица-столбец диагностических признаков - угловых коэффициентов;
1
2
{N}=[n, n] - вектор значений сопутствующего фактора;
1
n=240 об/мин - базовая частота вращения колесной пары;
2
n=420 об/мин - повышенная частота вращения колесной пары.
Зависимость полного вектора параметров вибрации от вектора значений сопутствующего фактора, например частоты вращения, для каждой измерительной точки имеет вид:
В случае превышения каким-либо коэффициентом соответствующего ему критического значения из Базы знаний (см. Таблицу 1), построенной на базе обширных экспертных исследований диагностических испытаний роторных механизмов, узел признается дефектным.
Для разъяснения стадий диагностирования приведены следующие примеры:
1
Пример 1 - Рассмотрим подшипник буксового узла (1-я измерительная точка см. Фиг. 1) со сквозной трещиной внутреннего кольца. На базовой частоте вращения n=240 об/мин (см. Фиг. 2) значения диагностических признаков составили:
- виброускорения 7  - не превышает критический уровень 8 ;
- виброскорости 9  - не превышает критический уровень 10 .
При втором значении сопутствующего фактора - повышенной частоте вращения значения параметров вибрации составили:
- виброускорения 11 ;
- вибросокорости 12 .
Зависимости виброускорения и виброскорости от сопутствующего фактора изображены линиями 13, 14, зависимости на основе критических значений коэффициентов из Базы знаний, а также превышенные критические уровни коэффициентов представлены в таблице 2 и имеют вид:
Текущие значения коэффициентов превысили критические уровни угловых коэффициентов для виброускорения и виброскорости на первой измерительной точке. Несмотря на слабое проявление дефекта при первом значении сопутствующего фактора с ростом частоты вращения наблюдается критический рост параметров вибрации, указывающий на наличие дефекта.
Пример 2 - Рассмотрим случай дефекта моторно-якорного подшипника (4-я измерительная точка см. Фиг. 1) в виде наличия раковин на поверхности внутреннего кольца. На базовой частоте вращения значение (см. Фиг. 2):
- виброускорения 15  (критическое значение 16 );
- виброскорости 17  (критическое значение 18 ).
Для повышенной частоты вращения значения параметров вибрации составили:
- виброускорения 19 ;
- виброскорости .
Зависимости 21, 22, зависимости с критическими значениями коэффициентов, а также превышенные значения приведены в таблице 2:
Превышено критическое значение углового коэффициента и свободного члена зависимости виброскорости от частоты вращения. Дефект является зарождающимся и имеет нестабильное проявление в параметрах вибрации, тем не менее, превышение критических уровней коэффициентов зависимости виброскорости от частоты вращения надежно указывает на неисправное состояние узла.
Несмотря на то, что значения параметров вибрации на базовой частоте вращения лежат ниже критических уровней, и данные узлы должны быть признаны исправными, использование предлагаемого способа обеспечило диагностирование скрытых дефектов, и позволило не пропустить неисправные агрегаты в эксплуатацию.
Превышение хотя бы одним коэффициентом соответствующего критического уровня из Базы знаний, по параметрам вибрации виброускорения и виброскорости для каждой измерительной точки, является надежным признаком наличия дефектов дорожек и тел качения, либо внешней и внутренней обоймы подшипника качения.
Пример 3 - Рассмотрим подшипник правой буксы с сорванными заклепками сепаратора
1
6
(6-я измерительная точка см. Фиг. 1). Значение виброперемещения на базовой частоте вращения n=240 об/мин (см. Фиг. 4) составило 23 , что меньше критического значения 24 , на повышенной частоте вращения получено значение 25 . зависимость 26 имеет вид S=0,522⋅n-95,33. Критическая зависимость на основе коэффициентов из Таблицы имеет вид , превышен критический уровень углового коэффициента .
Превышение критических значений коэффициентов зависимости виброперемещения от частоты вращения надежно указывает на наличие дефекта, в данном случае сепаратора подшипника.
Пример 4 - Рассмотрим дефекты редуктора, например дефект зубчатого зацепления в виде износа зубьев малой шестерни.
На базовой частоте вращения зафиксированы следующие значения параметров вибрации: (см. Фиг. 5) виброускорения 27  - не превышает критический уровень 28  на 2-й измерительной точке (см. Фиг. 1), значение виброскорости 29  - не превышает критический уровень 30  на 2-й измерительной точке, виброускорения 31  - не превышает критический уровень 32  на 3-й измерительной точке, значение виброскорости 33  - не превышает критический уровень 34  на 3-й измерительной точке.
2
На повышенной частоте вращения n=420 об/мин получены следующие значения: виброускорения 35 , виброскорости 36 , виброускорения , виброскорости 38 .
Зависимости параметров вибрации от частоты вращения для 2-й и 3-ей измерительных точек, изображенные зависимостями 39-42 на Фиг. 5, 6 представлены в Таблице 3:
Превышены критические значения угловых коэффициентов виброускорения 2-й и 3-ей измерительной точки, а также свободного члена виброскорости 2-й измерительной точки.
В данном случае на базовой частоте вращения значения параметров вибрации также лежат ниже своих критических уровней, но возникающая ударная сила, связанная с изменением формы нагружаемой поверхности, вызывает критический рост параметров вибрации на 2-х измерительных точках, таким образом, совместное превышение критических границ коэффициентов зависимостей виброускорения и виброскорости на 2-й и 3-ей измерительных точках надежно указывает на наличие дефекта, в данном случае - дефекта зубчатого зацепления.
Рассмотрим проявление дефекта, связанного с нарушением балансировки оси колесной пары и ротора тягового двигателя.
Небаланс вращающихся масс ротора является одним из самых наиболее распространенных дефектов вращающегося оборудования, обычно приводящим к резкому увеличению вибраций агрегатов. Вибрационная картина небаланса проявляется одновременно на нескольких подшипниках.
При нарушении балансировки вследствие неправильной сборки колесно-моторного блока при испытаниях получены следующие значения параметров вибрации:
- 1-я измерительная точка: 43  (10 ), 44  (, 45), 46 , 47 ;
- 4-я измерительная точка: 48  (49 ), 50  (, 51), 52 , 53 ;
- 5-я измерительная точка: 54  (55 ), 56  (, 57); 58 , 59 ;
- 6-я измерительная точка: 60  (61 ), 62  (, 24); 63 , 64 ;
Полученный вектор параметров вибрации, изображенный зависимостями 65-72 представлен в Таблице 4
Несмотря на то, что значения параметров вибрации на базовой частоте вращения не превысили своих критических уровней, и агрегат должен быть направлен в эксплуатацию, проведение испытаний на повышенной частоте вращения показало, что превышены одновременно критические значения угловых коэффициентов по пяти измерительным точка точкам и свободного члена по одной измерительной точке, что надежно свидетельствует о наличии дефекта, в данном случае непараллельности оси зубчатого зацепления.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить достоверность диагностирования за счет использования коэффициентов полинома в качестве диагностических признаков, а предварительное построение базы знаний обеспечивает быстрое и надежно определение типовых неисправностей роторного агрегата.