Метод оценки режима работы и технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-144-149 УДК 629.5.021.001.4+539.433

В.В. Макаров, А.В. Троицкий

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

МЕТОД ОЦЕНКИ РЕЖИМА РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ВИБРАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

Объект И цель научной работы. Объектом исследования являются виброакустические характеристики судового оборудования при различных режимах работы. Цель работы состоит в разработке вибродиагностических моделей судового оборудования и определении пороговых значений диагностических параметров, по которым необходимо проводить вибрационный мониторинг.

Материалы И методы. Использованы экспериментальные и статистические методы исследования. Для построения диагностических моделей применялись методы теории случайных процессов и результаты статистического анализа по отказам и неисправностям судовых механизмов.

Основные результаты. Разработан метод определения технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам. Определены маски-спектры для оценки текущего режима работы судового оборудования. Метод апробирован на опытном образце ДРК-2500 на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинске. Заключение. Практическая значимость работы заключается в разработке и тестировании математических моделей для контроля режима работы и технического состояния судового оборудования, работающего в экстремальных условиях. Разработанный метод позволит повысить безопасность и надежность эксплуатации судов ледового класса. Ключевые слова: виброакустические характеристики, вибродиагностическая модель, судовое оборудование, маска-спектр.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-144-149 UDC 629.5.021.001.4+539.433

V. Makarov, A. Troitsky

Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

VIBRATION-BASED SSESSMENT METHOD

FOR OPERATION MODE AND TECHNICAL CONDITION

OF SHIP EQUIPMENT

Object and purpose Of research. This paper studies vibroacoustic parameters of ship equipment in different operational conditions. The purpose is to develop vibrodiagnostic models of marine equipment and find threshold values for diagnostic parameters to be used in vibration-based monitoring.

Materials and methods. The study relies on experimental and statistical research methods. Diagnostic models were constructed as per random process theory and based on the available statistics of failures and faults with ship machinery. Main results. Development of vibration-based method for determination of technical condition of ship machinery and determination of spectrum masks for assessment of its current operational conditions. The method was evaluated at the experimental sample of DRK-2500 pod propulsion unit at the test rig of the manufacturer (the town of Severodvinsk). Conclusion. Mathematical models suggested in this work for monitoring of operational modes and technical conditions of marine equipment working in harsh environments have been successfully developed and tested. This method will enhance operational safely and reliability of ice-class ships.

Keywords: vibroacoustic parameters, vibrodiagnostic model, ship machinery, spectrum mask. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Для цитирования: Макаров В.В., Троицкий А.В. Метод оценки режима работы и технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 144-149.

For citations: Makarov V., Troitsky A. Vibration-based ssessment method for operation mode and technical condition of ship equipment. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 144-149 (in Russian).

В вибродиагностических моделях при определении технического состояния механизма основными диагностическими параметрами являются уровни вибрации механизмов на определенных частотах, разность уровней составляющих вибрации, измеренных на резонансных частотах или в разных режимах работы, параметры модуляции составляющих спектра вибрации и амплитуды составляющих кеп-стра вибрации [2].

Пороговые значения в вибродиагностических моделях определяются по результатам статистической обработки экспериментальных значений диагностических параметров, измеренных у контрольной группы однотипных механизмов в соответствующих условиях, а именно: в зависимости от целевого назначения модели, на стендах предприятий-изготовителей, при входном контроле на судостроительных предприятиях или после установки на судах.

Закон распределения диагностических параметров по множеству механизмов определяется только для бездефектных механизмов, и пороги диагностической модели определяются только для бездефектных механизмов по критерию Неймана -Пирсона, минимизирующего «ложную» тревогу, т.е. вероятность отнесения исправного механизма к классу неисправных. Минимизация ошибки вида «пропуск дефекта», т.е. вероятность отнесения дефектного механизма к множеству бездефектных, осуществляется путем выбора диагностического параметра, наиболее чувствительного к обнаруженному дефекту и слабо зависящего от других дефектов и условий работы механизма.

Для количественной оценки сходимости гистограмм распределения числа машин по величине диагностического параметра к выбранным видам закона распределения использовался критерий % -квадрат с уровнем значимости а= 0,05. В качестве основных законов распределения были выбраны законы распределения Райса, нормальный, Рэлея -Райса и логарифмически-нормальный [3].

Закон распределения Райса имеет вид

(

р(х) = — ехр

52

252

по результатам измерений параметров в N механизмах:

- 1 v

X =-2^Хг-

N

где xi - величина диагностического параметра в /-м механизме.

Состоятельная оценка величины среднеквадра-тического отклонения величин диагностических параметров имеет вид [3]:

1 N

5„ ^0,665 ^0,53x-J

N-

1/2

Пороговое значение вибродиагностической модели при предположении, что закон распределения параметра не противоречит закону Рэлея, обычно определяется для значения вероятности ложной тревоги, равной 0,01.

Как только заметный вклад в величину диагностического параметра начинают вносить составляющие, определяемые основными принципами действия и конструктивными особенностями механизмов или дефектом, величина которого постоянна и определяет величину диагностического параметра, закон распределения изменяется и определяется регулярной компонентой, а соотношение среднеквадратичного отклонения величины диагностического параметра к его среднему значению по множеству механизмов падает.

В этом случае целесообразно определять пороговые значения вибродиагностических моделей, используя обобщенный закон распределения Рэлея - Райса, имеющий вид [3]:

х [ х2 + X2

Пороговое значение устанавливается равным

X,

nopl

2 Ах,

если Бх/х~ 0,5 ±0,1.

Если 5.,/х < 0.4. пороговое значение устанавливается равным

где х - величина диагностического параметра; 5 -среднеквадратичное отклонение соответствующего нормального закона распределения, связанное со средним значением выборочных данных соотношением х= 1,255.

Этот закон имеет всего один значимый параметр х, который определяется экспериментально

^пор2 - Х+25х.

Если из дополнительных данных известны законы распределения случайных величин диагностических параметров для бездефектных механизмов и для механизмов с максимально возможной величиной дефекта, и они пересекаются на доста-

Рис, 1. Схема исследования опытного образца ДРК-2500

Fig. 1. Investigation layout of DRK-2500 demonstrator

Датш угя&ай скорости и Литик фазы Датчики Ьибр 3 \

В/П/0 ' ВесконпактныС Датчик мпетпо

точно высоком уровне, то порог диагностической модели определяется по критерию минимального риска, минимизирующего оценку вероятности ложной тревоги и пропуска дефекта [1]:

/?(хПОр) = пши | р(х )<Jx. I J p(x2)dx2

чаев эта вероятность имеет величину порядка 0,1 и порог определяется выражением

** vy г-

где х - порог аварийного состояния ооъекта.

Кроме порога обнаружения слабого дефекта .v

и порога аварийного состояния

пор

пор

ВО МНОГИХ

где {Х1} - множество величин диагностических параметров для бездефектных механизмов; {х2} -множество величин для механизмов с максимальной величиной дефекта.

Необходимо вводить в диагностические модели два или большее число порогов. Первый порог, характеризующий появление слабого дефекта, определяется так же, как и порог обнаружения дефектов изготовления и сборки по критерию Неймана -Пирсона. Последний порог, характеризующий пре-даварийное состояние объекта, определяется по известному закону распределения величин диагностических параметров механизмов с максимальными дефектами при условии обеспечения заданной вероятности пропуска дефекта. В большинстве слу-

случаях устанавливается еще один порог, который характеризует появление развитого дефекта. Он устанавливается произвольно на основании анализа скорости развития аналогичных дефектов в однотипных механизмах и определяется серединой временного отрезка, на котором дефект развивается от его появления (по порогу хпор) до аварийного состо-яния (по порогу хпор ). При экспоненциальном развитии дефекта порог появления развитого дефекта

, можно определить, используя выражение

пор

4

ХП0р ''"nop *

Во многих практических случаях на момент построения диагностических моделей конкретных

механизмов имеется достаточная статистика для бездефектных машин и ограниченное число данных по величинам диагностических параметров при искусственном внесении дефектов с предельно допустимой величиной. В этом случае необходимо устанавливать предварительное значение порогов, которые нужно корректировать по мере накопления статистических данных. Чаще всего в таком случае устанавливаются два порога, один из которых х||ор определяет границу множества бездефектных машин. а другой - границу появления опасного дефекта х Пор по приближенному выражению

Хпор Ш

где хБд - среднее значение вибродиагностического параметра для бездефектных механизмов, используемое для установления порога хпор; хд - среднее значение параметра для механизма с внесенным дефектом максимально допустимой величины.

Апробация метода проведена на опытном образце движительно-рулевой колонки (ДРК) ДРК-2500, установленном на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинске. Схема объекта исследования приведена на рис. 1. В качестве диагностических

параметров были взяты уровни вибрации на характерных частотах элементов ДРК.

Величины диагностических параметров, состоятельных оценок среднеквадратичного отклонения и пороговых значений для каждых источников вибрации приведены в таблице.

Оперативный контроль текущего режима работы судового оборудования предлагается осуществлять по маске-спектру. Для формирования маски-спектра используется третьоктавный спектр. Такая ширина, с одной стороны, достаточно велика, чтобы сохранить устойчивость при последовательных измерениях, а с другой - достаточно узка, чтобы в первом приближении оценить сравнительно малые изменения на основных участках спектра. Допустим, что дискретная составляющая с высоким уровнем вибрации, определяющим уровень вибрации во всей полосе, лежит на границе этой полосы. Тогда при небольшом изменении скорости вращения данная дискретная составляющая перейдет в соседнюю полосу, приведет к резкому увеличению уровней в ней и вызовет ложную тревогу [4].

Чтобы этого избежать, прибегают к искусственному расширению полос и вводят понятие

Величины диагностических параметров, состоятельных оценок среднеквадратичного отклонения и пороговых значений

Values of diagnostic parameters and valid estimates for RMS deviation and thresholds

Объект контроля х, м/с2 S.V .тпор,м/с2 ,т*пор, м/с2 /"пор, м/с2

Входной вал 0,036 0,019 0,086 0,15 0,26

Промежуточный вал 9,3  10~3 4,9-Ю~3 0,022 0,039 0,067

Гребной вал 2,7-10~3 1,4-10'3 6,48-10"3 0,011 0,019

Верхний редуктор 2,1 1,11 5,04 8,77 15,28

Нижний редуктор 1,3 0,68 3,12 5,43 9,46

П1 8,5 Ю-2 0,045 0,2 0,35 0,61

П2 0,48 0,25 1,15 2 3,49

ПЗ 0,27 0,14 0,64 1,12 1,96

П4 0,042 0,02 0,1 0,17 0,30

П5 0,085 0,045 од 0,35 0,61

П6 0,085 0,045 0,2 0,35 0,61

П7 6-10~3 3,8-10~3 0,014 0,025 0,043

П8 4,2-10"3 2,2- 10~3 0,01 0,018 0,03

П9 0,01 5,3-10~3 0,024 0,042 0,072

П10 6,7-10^3 3,5-10~3 0,016 0,028 0,048

П11 2,МО"3 1,27-10 5,76-10~3 0,01 0,017

П12 2,4-10~3 1,27-10~3 5,76-10"3 0,01 0,017

П13 6,7-10~3 3,5-10"3 0,016 0,028 0,048

Уровень виброускорения, дБ 90,00

80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00

вибрация двигателя в опорной точке маска-спектр опасный режим работы аварийный режим работы

ЮОГЯОО'ЛООО'ЛООООООООООООООО

*^1лф0м^1лн0 0т00 1п0 00 1л0 0000 ' ^^^r-ir-im^-in^ocoo

Среднегеометрические частоты 1/3 октавных полос, Гц

Рис. 2. Маска-спектр главного электрического двигателя

Fig. 2. Spectrum mask of main motor

Уровень виброускорения, дБ 90,00

80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00

вибрация двигателя в опорной точке маска-спектр опасный режим работы аварийный режим работы

100ГЛ001П0001П000000000000000 '^Г'ПЧОСООГ^ЧОО'П^ООгяОО'ПООО'ПООООО

' S-» — w ^ УГ) чо со о

Среднегеометрические частоты 1/3 октавных полос, Гц

Рис. 3. Маска-спектр верхнего редуктора

Fig. 3. Spectrum mask of the upper gearbox

Уровень виброускорения, дБ

90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00

--вибрация двигателя в опорной точке

---маска-спектр

----------------опасный режим работы

------аварийный режим работы

ЮОГЯОО'ЛООО'ЛООООООООООООООО :^1ЛЩМ0Г-1Ф0 1ЛН0 0ГЯ00 1Л0 00^0 0000

1 ^ ^^ Г-1Г-! ГЛ ^f

Среднегеометрические частоты 1/3 октавных полос, Гц

Рис. 4. Маска-спектр нижнего редуктора

Fig. 4. Spectrum mask of the lower gearbox

маски-спектра, где уровень в каждой полосе определяется максимальным значением либо в этой полосе, либо в одной из соседних полос.

Все новые измерения при работе ДРК сравниваются с маской. Если какой-либо уровень превышает в соответствующей полосе значения маски, считается, что это показатель развивающегося дефекта. При колебаниях скорости вращения ДРК часть дискретных составляющих, таких как гармоники частот вращения, зубцовые составляющие с гармониками, подшипниковые частоты, смещаются в спектре. В спектре с логарифмической шкалой частот это смещение происходит на одну и ту же величину, поэтому затруднений при сравнении нового спектра с маской исходного спектра нет.

Маски-спектры ДРК для оценки текущего режима работы показаны на рис. 2-4.

При превышении уровня вибрации на 3 дБ в любой полосе частот на маске-спектре алгоритм оперативного контроля производит идентификацию источника повышенной вибрации ДРК, а также в соответствии с приведенными выше порогами диагностических моделей выдает оценку по шкале «Норма/Опасно/Авария». При выходе из опасного режима работы производится оценка текущего технического состояния каждого элемента ДРК.

В ходе работы достигнуты следующие основные результаты:

разработан метод определения технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам;

проведена идентификация основных источников вибрации ДРК по результатам стендовых испытаний;

определены маски-спектры для оценки текущего режима работы ДРК;

метод апробирован на опытном образце ДРК-2500 на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинске.

Библиографический список

1. Принципы диагностики технического состояния оборудования по параметрам вибрации. Технический отчет. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2009.

2. КаллакотР.А. Диагностирование механического оборудования. JL: Судостроение, 1980.

3. Вибрации в технике. М.: Машиностроение, 1978.

4. Мышинский Э.Л. Борьба с шумом и вибрацией в инженерной практике. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2011.

References

1. Vibration-based diagnostic principles for technical condition of ship equipment. Technical Report. St. Petersburg: KSRI, 2009 (in Russian).

2. R. Kallakot. Diagnostics of mechanical equipment. Leningrad: Sudostroyeniye, 1980 (in Russian).

3. Vibrations of machinery. Moscow: Mashinostroyeniye, 1978 (in Russian).

4. E. Myshinsky. Noise and vibration damping in practical engineering. St. Petersburg: KSRI, 2011 (in Russian).

Сведения об авторах

Макаров Владислав Вячеславович, инженер ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812)415-48-90. E-mail: v-makarov@yandex.ru. Троицкий Алексей Викторович, д.т.н., начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (911)212-93-65. E-mail: avtroitskiy @gmail. com.

About the authors

Vladislav V. Makarov, Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812)41548-90. E-mail: v-makarov@yandex.ru. Alexey V. Troitsky, Dr. Sci. (Eng.), Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (911)212-93-65. E-mail: avtroitskiy@gmail.com.

Поступила / Received: 29.05.19 Принята в печать / Accepted: 18.07.19 © Макаров B.B., Троицкий A.B., 2019