СПОСОБ МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ
METHOD FOR MULTIFUNCTIONAL DIAGNOSTICS OF BEARING ASSEMBLIES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION IN INTEGRAL VERSION

Заявляемое изобретение относится к контролю подшипниковых узлов (ПУ) и может быть использовано для диагностики подшипников, применяемых в составе железнодорожных букс, в автомобильном транспорте, авиации, в машиностроении в процессе их эксплуатации.
Известен датчик вибрации для контроля состояния вращающихся узлов или подшипников, состоящий из чувствительного элемента, электронного блока обработки, пользовательского интерфейса [1]. Электронный блок обработки содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП), средства обработки сигнала, дисплей. Сам чувствительный элемент, блок обработки, интерфейс располагаются в одном корпусе. Процесс мониторинга состояния вращающегося подшипника, включающий этапы непрерывного или квази-непрерывного измерения выходного напряжения с чувствительного элемента, дальнейшей обработки сигнала во временной и частотной области и выдачи информации о техническом состоянии подшипника на дисплей. Выполняется преобразование Фурье (БПФ) огибающей. Для частотного анализа использовано так называемое масштабное БПФ, которое позволяет повысить разрешение по частоте. В устройстве предусмотрен режим проверки достоверности полученных данных, основанный на следующем принципе, повреждение, которое возникает на вращающемся элементе или на подшипнике, обычно не происходит случайным образом, а возникает и увеличивается с течением времени. Исходя из данного принципа, путем сравнения текущих данных о вибрации и аналогичных данных предыдущих измерений, может быть установлена ошибка измерений.
К недостаткам данного устройства можно отнести достаточно большие габариты устройства, а также отсутствие ВЧ измерительного тракта, что не позволит реализовать компактные, высокоточные системы вибродиагностики, определяющие зарождающиеся дефекты подшипника в процессе их эксплуатации.
Известно устройство диагностики шума и вибрации для транспортного средства, которое содержит измерительный датчик, выполненный с возможностью прикрепления на транспортное средство, входной канал с АЦП, и электронную схему обработки [2]. Устройство может дополнительно включать в себя дисплей, светодиод, который отображает состояние включения/выключения питания или состояния заряда батареи, разъем питания, слот для SD-карты, разъем USB, к которому подключен кабель USB, и порт линии связи, который нужно соединить с электронным блоком управления транспортным средством. Устройство позволяет определять предаварийные состояния транспортного средства, если измеренное значение шума и вибрации превышает эталонное значение, наличие дефектных компонентов по измеренным параметрам шума и вибрации.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности самодиагностики измерительного канала в рабочем режиме.
Наиболее близким по технической сути является изобретение, которое взято в качестве прототипа [3].
Устройство вибродиагностическое многоканальное, содержащее вибродатчики, устанавливаемые на диагностируемых объектах, выходы которых соединены с входами усилителей заряда, аналого-цифровые преобразователи, входы которых подключены к выходам усилителей, а выходы аналого-цифровых преобразователей через устройство сопряжения соединены с последовательным USB-портом ПЭВМ. Предлагаемое устройство основано на применении удаленной обработки цифрового сигнала.
К недостаткам предлагаемого устройства следует отнести невозможность миниатюризации данного устройства и необходимости удаленной обработки цифрового сигнала, а как следствие невозможности проведения качественного диагностирования подвижных объектов в процессе их эксплуатации.
Наиболее близким способом выявления дефектов узлов и агрегатов автомобиля в реальном времени является изобретение, которое взято в качестве прототипа [4].
2
Способ заключается в том, что виброакустический сигнал усиливают, фильтруют, дискретизуют по времени. Затем на каждом очередном шаге дискретизации определяют суммарное значение результатов нелинейных интегральных преобразований функцией y(x)=sin(x)*x следующих друг за другом N отсчетов виброакустического сигнала, сравнивают полученное значение с пороговым уровнем. В случае превышения порогового уровня формируется сигнал о наличии дефекта.
Недостатком данного способа является отсутствие возможности обработки вибросигнала в частотной области, что затрудняет однозначное определение типа дефекта и места его расположения.
Задачей заявляемого изобретения является реализация высокоточного, компактного устройства диагностики подшипниковых узлов в интегральном исполнении, расширение функциональных возможностей способа определяющего дефекты подшипника, в том числе зарождающиеся, в процессе эксплуатации.
Это достигается за счет наличия в составе устройства низкочастотного (НЧ), высокочастотного (ВЧ) и дополнительного вибродатчика для самодиагностики, соединения выходов НЧ и ВЧ датчиков вибрации с входами инструментальных усилителей НЧ и ВЧ каналов с программируемыми коэффициентами усиления и ограниченными полосами пропускания, соединения выходов инструментальных усилителей НЧ и ВЧ каналов с вторым и четвертым входом первого мультиплексора, соединения выхода усилителя температурного канала с первым входом первого мультиплексора, соединения датчика внешней температуры с входом усилителя температурного канала, соединения датчика внешней температуры с третьим входом первого мультиплексора, соединения выхода первого мультиплексора с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соединения выхода АЦП с входом демультиплексора, соединения первого выхода демультиплексора с микроконтроллером, соединения второго выхода демультиплексора с входом усредняющего по четырем значениям фильтра НЧ канала и входом детектора огибающей НЧ канала, соединения выхода усредняющего по четырем значениям фильтра НЧ канала с входом интегратора НЧ канала, соединения выхода интегратора НЧ канала с входом блока фильтров нижних частот (ФНЧ) с различной частотой среза и входом усредняющего по 32-м значениям фильтра НЧ канала, соединения выхода блока ФНЧ с различной частотой среза с первым входом второго мультиплексора, соединения выхода детектора огибающей НЧ канала с вторым входом второго мультиплексора, соединения выхода второго мультиплексора с входом фильтра Гёрцеля НЧ канала и входом блока быстрого преобразования Фурье (БПФ) НЧ канала и входом блока расчета среднеквадратичного значения виброскорости (СКЗ) НЧ канала, соединения выхода фильтра Гёрцеля НЧ канала, выхода блока БПФ НЧ канала, выхода блока расчета СКЗ НЧ канала с микроконтроллером, соединения выхода усредняющего по 32-м значениям фильтра НЧ канала с входом блока полосовых фильтров НЧ канала, соединения выхода блока полосовых фильтров НЧ канала с входом блока расчета СКЗ виброскорости, соединения выхода блока расчета СКЗ виброскорости с входом микроконтроллера, соединения третьего выхода демультиплексора с входом усредняющего по четырем значениям фильтра ВЧ канала и входом детектора огибающей ВЧ канала, соединения выхода детектора огибающей ВЧ канала с первым входом третьего мультиплексора, соединения выхода усредняющего по четырем значениям фильтра ВЧ канала с вторым входом третьего мультиплексора и амплитудным детектором, соединения выхода третьего мультиплексора с входом фильтра Гёрцеля ВЧ канала, входом блока БПФ ВЧ канала и входом блока расчета СКЗ виброскорости ВЧ канала, соединения с микроконтроллером выхода фильтра Гёрцеля ВЧ сигнала, выхода блока БПФ ВЧ канала, выхода блока расчета СКЗ ВЧ канала, выхода амплитудного детектора ВЧ канала, соединения выхода магниторезистивного датчика положения с детектором квадратур, который в свою очередь соединен с счетчиком положения, соединения выхода счетчика положения с микроконтроллером, соединения индикатора состояния с микроконтроллером, соединения входа блока диагностики с микроконтроллером, соединения выхода блока диагностики с блоком цифроаналогового преобразователя (ЦАП), соединения ЦАП и буфера и дополнительного пьезодатчика через буфер, интегрального исполнения всех функциональных блоков обработки в составе микросхемы.
Это достигается за счет того, что после дискретизации выполняется усреднение цифрового НЧ и ВЧ сигнала по нескольким значениям и вычисление огибающей, для НЧ сигнала после усреднения выполняется фильтрация цифрового сигнала, для ВЧ сигнала после усреднения определяется максимальное из нескольких значений, после фильтрации цифрового НЧ сигнала и усреднения цифрового ВЧ сигнала или после вычисления огибающей НЧ и ВЧ сигнала, выполняется вычисление среднеквадратичного значения либо вычисление спектра сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье, либо вычисление спектральной плотности по алгоритму Гёрцеля, затем происходит запись и обработка полученных результатов в микроконтроллере, обработка может состоять в сравнении СКЗ сигнала с пороговыми значениями предаварии и аварии, в сравнении температуры вращающегося подшипника с пороговым значением предаварии и аварии, в мониторировании СКЗ сигнала на выбранных гармониках, в определении значений модуля спектральных составляющих, в определении отношения максимального значения ВЧ сигнала к среднеквадратичному, в определении частоты основной гармоники БПФ и последующем вычислении спектральной плотности по алгоритму Гёрцеля на определенной ранее частоте, после обработки результатов выдается сигнал о текущем техническом состоянии подшипника.
Устройство может выступать в качестве малогабаритного составляющего элемента при построении систем бортового мониторинга транспортных средств и контроля состояния оборудования. Использование ВЧ канала измерения вибрации позволит увеличить достоверность определения зарождающего дефекта на фоне всех имеющихся шумов в рабочем режиме. Цифровая обработка вибросигнала с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) и Гёрцеля, а также расчет среднеквадратичных значений виброскорости и виброускорения позволяет анализировать вибросигнал в частотной области без применения удаленной обработки цифрового сигнала на внешней ПЭВМ. Наличие магниторезистивных датчиков позволяет проводить измерения угловой скорости и углового положения вращающего объекта. Обработка полученных результатов в микроконтроллере позволяет выявлять дефекты на стадии зарождения, сигнализировать индикатором, а также прогнозировать остаточный срок службы узла. Метод огибающей высокочастотной (ВЧ) вибрации является сегодня одним из главных методов вибродиагностики подшипников, редукторов, электродвигателей и других, вращающихся механизмов и машин. Обусловлено это очевидными преимуществами метода: помехозащищенностью, информативностью и, самое главное, возможностью обнаружения дефектов на самой ранней стадии их развития. В случае возникновения какого-либо дефекта подшипника высокочастотная (несущая) составляющая вибрации начнет модулироваться низкочастотной вибрацией, возбуждаемой дефектом. Таким образом, если выделить из общего модулированного ВЧ сигнала его низкочастотную (модулирующую) составляющую (называемую «огибающей» сигнала), то по частотному расположению амплитудных пиков в спектре огибающей можно однозначно судить о месте возникновения дефекта, а по величине амплитуды - о глубине развития дефекта. В этом и заключается суть метода огибающей.
На фиг. 1 представлено заявляемое устройство. Выход резистивного датчика внешней температуры 1 подключен к входу усилителя температурного канала 2, а выход усилителя температурного канала 2 к первому входу первого мультиплексора 3. В составе устройства имеются два основных чувствительных элемента вибрации 4 и 6, и один дополнительный 33 для реализации режима метрологического самоконтроля. Выводы датчика вибрации НЧ канала 4 соединены с высокоимпедансным инструментальным усилителем 5 с программируемым коэффициентом усиления от 1 до 20 и ограниченной полосой пропускания от 2 до 10 кГц. Датчик вибрации ВЧ канала 6 соединен с входом высокоимпедансного инструментального усилителя 7 с программируемым коэффициентом усиления от 1 до 20 и ограниченной полосой пропускания в диапазоне от 18 до 42 кГц. Выходы инструментальных усилителей НЧ и ВЧ каналов 5 и 7 соединены со вторым и четвертым входом мультиплексора 3. Выход резистивного датчика внутренней температуры 8 подключен к третьему входу мультиплексора 3. Выход мультиплексора 3 соединен с входом 16-ти разрядного АЦП последовательного приближения 9, который построен на основе 16-ти разрядной дифференциальной емкостной матрицы с разделительным конденсатором. Выход АЦП 9 соединен с входом демультиплексора 10. Первый выход демультиплексора 10 соединен с микроконтроллером 11. Второй выход демультиплексора 10 через усредняющий по четырем значениям фильтр НЧ канала 12, интегратор НЧ канала 13, блок ФНЧ с перенастраиваемой частотой среза НЧ канала 14, детектор огибающей НЧ канала 15, мультиплексор 16, фильтр Гёрцеля НЧ канала 17, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) НЧ канала 18, блок расчета среднеквадратичного значения виброскорости (СКЗ) НЧ канала 19, а также усредняющий по 32-м значениям фильтр НЧ канала 20, блок полосовых фильтров НЧ канала 21, блок СКЗ НЧ канала 22 соединены с микроконтроллером 11. Третий выход демультиплексора через детектор огибающей ВЧ канала 23, усредняющий фильтр ВЧ канала 24, мультиплексор 25, блок фильтра Гёрцеля ВЧ канала 26, блок БПФ ВЧ канала 27, блок СКЗ ВЧ канала 28 и блок амплитудного детектирования ВЧ канала 29 соединен с микроконтроллером 11. Вход блока диагностики 30 соединен с микроконтроллером 11, а его выход с блоком ЦАП 31. С выхода ЦАП сигнал поступает через буфер 32 на дополнительный пьезодатчик 33, который расположен в непосредственной близости от двух основных датчиков вибрации 4, 6. Выход магниторезистивного датчика положения 34 соединен с детектором квадратур 35, который в свою очередь соединен с счетчиком положения 36. Счетчик положения 36 соединен с микроконтроллером 11. К микроконтроллеру также подключен индикатор состояния 37.
i
i
i
i
i
i+1
i
i
i
0
i
i
i
i
При вращении магнитного диска, закрепленного на вращающейся части подшипника, изменяется величина и направление вектора магнитной индукции в месте расположения магниторезистивного датчика, следовательно, изменяется и выходное напряжение датчика, которое в виде квадратурного сигнала поступает на детектор квадратур. Детектор квадратур формирует сигналы счета, которые суммируются счетчиком положения. В микроконтроллере рассчитывается угол поворота и текущая скорость вращения. Внешний датчик температуры располагается вблизи вращающихся узлов. Цифровое значение температуры нагрева сохраняется в микроконтроллере. При вращении подшипника под нагрузкой на устройство воздействует вибрация. Низкочастотная вибрация преобразуется в напряжение с помощью датчиков, выполняется дискретизация, усреднение цифрового сигнала по нескольким значениям, вычисление огибающей, фильтрация цифрового сигнала. Затем выполняется три процедуры обработки: вычисление спектральной плотности по алгоритму Гёрцеля на одной заранее известной частоте с высокой точностью; быстрое преобразование Фурье на системной частоте 16 МГц; вычисление среднеквадратичного значения итерационным методом. Метод основан на фильтрации отношения x*x/RMS, где x - входной сигнал, RMS - текущее значение среднеквадратичного значения (СКЗ). СКЗ вычисляется по итерационной формуле RMS=x*x/RMS. Начальное значение RMS принимается равным половине шкалы. Каждое последующее значение RMS вычисляется в результате фильтрации отношения x*x/RMS. Высокочастотная вибрация также преобразуется в напряжение, выполняется дискретизация, усреднение цифрового сигнала по нескольким значениям, вычисление огибающей, определение максимального значения. Затем выполняются три процедуры обработки: вычисление спектральной плотности по алгоритму Гёрцеля на одной заранее известной частоте с высокой точностью; быстрое преобразование Фурье на системной частоте 16 МГц; вычисление среднеквадратичного значения итерационным методом, приведенным выше. В микроконтроллере происходит анализ рассчитанных значений, сравнение с предельно допустимыми нормами по вибрации и температуре и выдача сигнала на индикатор состояния.
Устройство работает следующим образом. Для мониторинга подшипников устройство располагают на его неподвижных частях, например на внешнем кольце подшипника. При длительной работе подшипника под нагрузкой в сложных погодных условиях в телах качения возникают усталостные дефекты, появляются шероховатости и трещины, которые приводят к абразивному износу и выходу из строя всего подшипника. Данные дефекты вызывают увеличение температуры и появление вибрации, что позволяет их обнаружить с помощью заявляемого устройства. Устройство последовательно выполняет измерения температуры, углового положения и угловой скорости, виброскорости по ВЧ и НЧ каналу. В обычном режиме работы устройство выполняет сравнение среднеквадратичного значения вибросигнала и температуры с пороговыми значениями предаварии и аварии, в случае превышения выдает информацию об аварийном или предаварийном состоянии на индикатор. В расширенном режиме работы устройство определяет тип дефекта с помощью анализа вибросигнала в частотной области. Такими дефектами могут быть: перекос наружного кольца при посадке, износ наружного кольца, износ поверхности тел качения, сколы на внутреннем и наружном кольце, обкатывание наружного кольца.
Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения параметров вибрации -виброскорость, виброускорение в двух диапазонах частот, проводить цифровую обработку вибросигнала с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) и Герцеля, вычислять среднеквадратичное значение вибросигнала, анализировать вибросигнал в частотной области, проводить измерения угловой скорости и углового положения вращающего объекта, измерять температуру нагрева подшипника, выявлять дефекты на стадии зарождения, выполнять сравнение СКЗ вибросигнала с пороговыми значениями предаварии и аварии, выполнять сравнение температуры вращающегося подшипника с пороговыми значениями предаварии и аварии, проводить мониторирование СКЗ сигнала на выбранных гармониках, определять значения модуля спектральных составляющих, рассчитывать отношение максимального значения ВЧ сигнала к среднеквадратичному, определять частоту основной гармоники БПФ с последующим вычислением спектральной плотности по алгоритму Гёрцеля на определенной ранее частоте, сигнализировать о текущем техническом состоянии подшипника.
Источники информации:
1. Патент США 7231303
2. Патент США 8296103
3. Патент РФ 183296 - прототип
4. Патент РФ 2547504- прототип