Способ вибродиагностики электродвигателей постоянного тока с применением метода вейвлет-анализа
METHOD FOR VIBRATION DIAGNOSTICS OF DC ELECTRIC MOTORS USING THE WAVELET ANALYSIS METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемое изобретение относится к неразрушающему контролю технического состояния электрических машин постоянного тока. На практике предлагаемый способ может быть применен для непрерывного мониторинга технического состояния узлов и деталей электродвигателей постоянного тока (ЭПТ) наземного и водного транспорта с электродвижением.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способы и устройства вибродиагностики механизмов [1,5-8]. В известных способах и устройствах оценка технического состояния машин широкого класса успешно проводится путем измерения среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости (реже виброускорения), их фильтрации, детектировании и вычислении энергетических спектров.
Способ диагностики подшипниковых узлов по изобретению СССР [1] заключается в выделении сигнала вибрации подшипникового узла, при котором измеряют величину амплитуды сигнала пропорционального виброускорению. Определяют максимальное значение амплитуды и устанавливают пороговое значение на 5 дБ ниже максимального, измеряют число импульсов сигнала, имеющих величину выше порогового значения и по отношению числа импульсов к суммарной длительности судят о техническом состоянии подшипникового узла, и при величине этого отношения более 5 считают подшипник, имеющим повреждения.
Основным недостатком данного способа является низкая информативная способность - не позволяет обнаружить дефекты на стадии их зарождения.
В способе определения технического состояния электродвигателя [8], регистрируют и анализируют сигнал, порождаемый вибрацией электродвигателя, при этом также регистрируют сигнал от переменной составляющей суммы фазных токов питания, анализируют форму и амплитуду полученного сигнала и, сравнивая со значениями предыдущих измерений, делают вывод от возможности дальнейшей эксплуатации.
Недостатками этого способа является то, что он требует непосредственного доступа к диагностируемому двигателю, а также не позволяет с достаточной достоверностью выявить конкретный вид повреждения.
В способах вибродиагностики машин и механизмов по патентам РФ, [4-7] в качестве математического аппарата для анализа вибросигналов применяется преобразование Фурье, которое представляет собой разложение сигнала в комбинацию гармонических функций, объединенных в комплексной показательной функции (по формуле Эйлера).
Недостатками представленных способов является применение выбранного математического аппарата. С позиций анализа произвольных сигналов и функций в частотной области существует ряд недостатков разложения сигналов в ряды Фурье, основные из которых:
1) ограниченная информативность анализа нестационарных сигналов, т.к. в частотной области происходит «размазывание» особенностей сигналов (разрывов, ступенек, пиков и т.п.) по всему частотному диапазону спектра;
2) гармонические базисные функции разложения не способны отображать перепады сигналов с бесконечной крутизной (типа прямоугольных импульсов), т.к. для этого требуется бесконечно большое число членов ряда.
3) преобразование Фурье отображает глобальные сведения о частотах исследуемого сигнала и не дает представления о локальных свойствах сигнала при быстрых временных изменениях его спектрального состава;
4) преобразование Фурье не имеет возможности анализировать частотные характеристики сигнала в произвольные моменты времени.
Наиболее похожее изобретение по способу применения математического аппарата (вейвлет-преобразования) при обработке исходного вибросигнала с последующим его анализом для выявления неисправностей представлены в работе [2]
В работе [2] была исследована эффективность применения группы методов контроля для анализа виброакустических сигналов для выявления неисправностей компрессорных установок. Приведенный комплексный способ включал в себя анализ огибающей, метод прямого спектрального анализа, синхронное накопление и эксцесс. Для диагностики компрессорного оборудования высокой мощности применен метод вейвлет-преобразования. Исследования, основанные на приведенном выше способе, позволяют повысить точность текущего технического состояния диагностируемого оборудования, увеличить безопасность эксплуатации компрессорных установок и снизить затраты на их обслуживание.
В качестве прототипа предложен способ [3], в котором проводилась оценка фактического технического состояния центробежных насосных агрегатов (ЦНА). Для достижения поставленной задачи вибросигналы, полученные в ходе ряда экспериментов, обрабатывались методом вейвлет-преобразования. Применение вейвлет-преобразования позволило определить амплитудную модуляцию, вызываемую проявлением неисправностей электромагнитного происхождения и неоднородностью воздушного потока в зазоре между ротором и статором электродвигателя, а также идентифицировать медленно развивающиеся (трендовые) сигналы, связанные с дефектами смазки в подшипниках двигателя ЦНА. Данный подход позволил определить диагностические признаки неисправностей, таких как дефекты смазки в подшипниках электродвигателя, изгибные деформации и др. Также были выработаны дополнительные диагностические признаки для разделения между собой основных неисправностей ЦНА в процессе эксплуатации.
К основным недостаткам способов [2, 3], которые по технической сущности наиболее подходят к предлагаемому изобретению, необходимо отнести такие, как:
1) диагностика оборудования на стационарных режимах (что обусловлено назначением оборудования). В представленных способах изучалась частотная информация, содержащаяся в вибросигнале оборудования, вышедшего на рабочий режим эксплуатации. По «содержанию» каждой частоты в сигнале решался круг задач, связанных с выявлением ярко выраженных неисправностей, которым соответствуют колебательные процессы стационарного характера, проявляющиеся на определенных частотах;
2) стабильность условий и режимов эксплуатации относительно предлагаемого к диагностированию оборудования. Перепады температур окружающего воздуха (и температуры воды для водного транспорта в различных районах эксплуатации), повышенная влажность воздуха, осадки, смена скоростного режима с различной временной продолжительностью (смена направления движения для водного транспорта), отклонение от горизонтального положения при работе и т.п. требуют дополнительных исследований для возможности использования указанных способов применительно к ЭПТ наземного и водного транспорта с электродвижением;
3) техническое состояние оборудования определялось на основе анализа СКЗ характеристик вибросигнала, которое на переходных режимах подвержено значительным колебаниям. При таких разбросах значений не представляется возможным обнаружить скрытые (зарождающиеся) дефекты диагностируемого оборудования, а уже существующие дефекты определяются со значительной долей погрешности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения - повышение качества контроля технического состояния ЭПТ для наземного и водного транспорта на электродвижении за счет выполнения всережимного контроля параметров вибрации объекта диагностирования на основе непрерывного вейвлет-преобразования.
Сущность изобретения заключается в применении в качестве диагностического признака для оценки технического состояния объекта среднеквадратичного отклонения (СКО) вибрации  обладающего более стабильной характеристикой относительно СКЗ. Применение данного диагностического признака, позволяет фиксировать кратковременные импульсы вибрации, характерные не только для уже существующих, но и для слабовыраженных (зарождающихся) дефектов на всех режимах эксплуатации ЭПТ от переходных до установившихся.
Существенными признаками изобретения являются:
a) проведение всережимного диагностирования ЭПТ наземного и водного транспорта на электродвижении (включая не только установившиеся и переходные режимы, но и «пуск-останов» ЭПТ) в различных условиях эксплуатации на основе непрерывного вейвлет-преобразования;
b) фиксирование, архивирование и сравнительный анализ характеристик вибросигналов на различных режимах эксплуатации объекта диагностирования с целью обнаружения дефектов на стадии их зарождения;
c) возможность распознавания (выявления) момента зарождения отказа на ранней стадии, тогда, когда отсутствовали явные тенденции в изменении параметров и нарушения в работе ЭПТ;
d) возможность подтверждения диагноза инструментальными методами диагностирования и дефектацией на ремонтных предприятиях.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена принципиальная схема измерительно-вычислительного комплекса.
На фиг. 2 представлен пример результата анализа параметров вибрации с применением вейвлет-преобразования: на фиг. 2а проецируемый на плоскость, на фиг. 2б в трехмерном отображении.
На фиг. 3 демонстрируется функциональная схема системы вибродиагностирования ЭПТ.
На фиг. 4 в табличном варианте указаны возможные режимы работы системы вибродиагностирования ЭПТ и их наименования.
На фиг. 5 в виде таблицы приведен пример критериев оценки технического состояния ЭПТ.
На фиг. 6 приведен график изменения уровня вибрации в зависимости от наработки при локальном проявлении типовых дефектов.
На чертежах под цифровыми позициями представлены:
1 - акселерометр;
2 - предварительный усилитель;
3 - аналого-цифровой преобразователь;
4 - ПЭВМ;
5 - блок питания;
6 - виброизмерительный преобразователь;
7 - коммутатор измерительных каналов;
8 - блок управления, обработки и отображения измерительной информации;
9 - распределительный щит.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В настоящее время в системах вибродиагностирования используются разнообразные методы анализа параметров вибрации:
- третьоктавный спектральный анализ;
- узкополосный спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье;
- спектральный анализ огибающей сигнала;
Предлагается использовать совместно с указанными выше методами вибродиагностирования (третьоктавный спектральный анализ, узкополосный спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье, спектральный анализ огибающей сигнала) метод амплитудно-частотно-временного анализа на основе непрерывного вейвлет-преобразования.
Для достижения поставленной цели согласно изобретению, разработан измерительно-вычислительный комплекс, в состав которого входят акселерометры 1, аналого-цифровой преобразователь 2, предусилители 3, персональная электронно-вычислительная машина ПЭВМ 4, блок питания (фиг. 1). Задача измерительно-вычислительного комплекса -измерение и анализ параметров вибрации ЭПТ.
Функционирование измерительно-вычислительного комплекса осуществляется по следующему алгоритму: полезный сигнал с акселерометров 1 подается на предварительные усилители 2, питание которых осуществляется от блока питания 5, обеспечивающие усиление сигнала пропорционально виброускорению. После усиления аналоговые сигналы поступают на аналого-цифровой преобразователь 3 и далее на ПЭВМ 4 для последующей обработки и анализа.
Обработка виброизмерительной информации осуществлялась с помощью разработанного программно-математического аппарата, реализующего как используемые в настоящее время в системах вибродиагностирования методы анализа параметров вибрации (третьоктавный спектральный анализ, узкополосный спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), спектральный анализ огибающей сигнала), так и впервые предложенный метод амплитудно-частотно-временного анализа на основе непрерывного вейвлет-преобразования.
2
Непрерывное вейвлет-преобразование функции, описывающей изменения значений виброускорения по времени ƒ(t)∈LR, определяется ее произведением с базисными функциями, то есть разложение по всем возможным сдвигам и сжатиям/растяжениям от некоторой конечной функции.
а
При этом переменная  определяет масштаб вейвлета и эквивалентна частоте, а переменная b - сдвиг вейвлета по сигналу от начальной точки в области его определения, шкала которого повторяет временную шкалу анализируемого сигнала.
Для анализа исходного сигнала использовалась аналитическая функция, удовлетворяющая условиям допустимости и локализованное™
2
где функция Ψ(t)∈L(R) анализирующий вейвлет, в области пространства R.
В качестве базисной функции для вейвлет-анализа исходного сигнала применяем функцию Гаусса S(t),
где d - среднеквадратичное отклонение; m - среднее значение распределения.
Так как условие допустимости выполняется только для второй производной функции Гаусса S(t):
где
σ,τ
базисная функция Ψ(t) будет представлена в виде:
а, непрерывное вейвлет-преобразование есть отображение базис-пространства:
определяемого по формуле:
где ƒ(t) - исходный сигнал;
- комплексно-сопряженное значение базисной функции;
а
,b
С - множество вейвлет-преобразований исходного сигнала с базисной функцией, определяется по формуле:
а
а
n
Непрерывное вейвлет-преобразование использует весь диапазон изменения величин  и b. Однако, на практике достичь этого невозможно. Исходя из этого, для устранения избыточности информации, была выполнена дискретизация X исходного сигнала путем выбора отсчетов относительно  и b.
где n - число точек отсчета; Δt - шаг между отсчетами.
В результате получим вид дискретного вейвлет-преобразования с уменьшением количества числа отсчетов:
В качестве диагностических признаков при контроле и нормировании параметров вибрации на основе вейвлет-анализа обоснованы среднеквадратичные отклонения параметров вибрации  обеспечивающие выделение информативных особенностей сигнала времени и амплитуде. Нормируемым параметром при этом является область пространства, ограниченная по оси ординат допустимым среднеквадратичным значением виброускорения, применяемым в качестве фиксированного порогового значения и определяемого для основных узлов ЭПТ в процессе проектирования. Располагая вейвлет-спектром, можно рассчитать пиковые значения уровней вибрации  в области пространства, используя обратимую вейвлет-функцию F(t).
В математическом смысле пиковые значения уровней вибрации  равно сумме объемов, ограниченных пороговым значением Z, которое определяется уравнением плоскости в пространстве (фиг. 2а, 2б) и определяется по формуле:
После раскрытия двойного интеграла получаем:
где обратимая вейвлет-функция:
z
i
нач
L; ƒ, t - параметры превышения порогового значения.
i
Аппроксимируя интегральные характеристики L с применением формулы трапеций, получим:
i
где h - предел интегрирования; N - шаг интегрирования.
Тогда:
Тогда среднеквадратичное отклонение параметров вибрации на идентификационных частотах равно квадратному корню из среднего квадрата отклонений отдельных значений признака от средней арифметической:
где n - число измерений, определяемых программой испытаний.
В отличие от других методов анализа параметров вибрации (третьоктавный спектральный анализ, узкополосный спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье, спектральный анализ огибающей сигнала), которые обеспечивают выявление и идентификацию дефектов, но только тех, возникновение которых приводит к повышению вибрации на идентификационных частотах, характерных для нормальной работы ЭПТ. Амплитудно-частотно-временной анализ на основе вейвлет-преобразования позволяет выявить сигналы, носящие нестационарный характер, наиболее ярко проявившиеся в моделировании следующих дефектов в ЭПТ:
- дефекты щеточного аппарата;
- дефекты коллектора;
- дефекты обмотки возбуждения;
- дефекты якоря;
- дефекты подшипниковых узлов.
Целесообразно использовать в системах вибродиагностирования, используемых в настоящее время, совокупность методов анализа: третьоктавный анализ как предварительный метод изучения спектральных характеристик; узкополосный спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) для локализации источников повышенного шума и вибрации; спектральный анализ огибающей сигнала как метод, позволяющий учесть различные модуляционные процессы сложных вибраций; спектральный анализ на основе непрерывного вейвлет-преобразования для анализа и обработки сигналов, нестационарных во времени или неоднократных в пространстве, а также сигналов с разрывными и иными особенностями.
Система вибродиагностирования ЭПТ представляет собой разветвленную многодатчиковую измерительно-информационную систему, предназначенную для сбора и обработки информации по параметрам работы ЭПТ и выдаче на ее основе рекомендаций по дальнейшему использованию (фиг. 3).
Измерительная ветвь включает в себя виброизмерительные преобразователи 6, подключенные к предварительным усилителям 2, и коммутатору измерительных каналов 7, представляющему собой блок преобразования и накопления измерительной информации.
Коммутатор измерительных каналов под управлением команд, поступающих от блока управления, обработки и отображения измерительной информации 8, обеспечивает нормирование и преобразование каждого (или по требуемой схеме) усиленного сигнала с первичных ИП и последующее накопление измерительной информации по заданному количеству циклов.
Блок управления, обработки и отображения измерительной информации осуществляет управление режимами работы измерительных ветвей комплекса, обработку измерительной информации по специальным алгоритмам, ее отображение и регистрацию, связь с транспортными системами управления и выдачу рекомендаций. Питание системы вибродиагностирования ЭПТ осуществляется от распределительного щита 9 через установочный автоматический выключатель.
Выполнение измерений и обработка виброизмерительной информации осуществляется в шести режимах: «ВИЗУАЛИЗАЦИЯ», «ЛОКАЛИЗАЦИЯ», «АРХИВ», «ЧАСТОТА», «ГРАФОРЕДАКТОР» и «СЕРВИС», представлены на фиг. 4. Все режимы выполняются автоматически и предназначены для контроля параметров вибрации ЭПТ в процессе эксплуатации транспорта.
Режим «ВИЗУАЛИЗАЦИЯ» предназначен для обеспечения специалиста произвольным выбором данных, собранных и хранящихся в базе данных ПЭВМ, и вывод этих данных в требуемом формате на дисплей или печать, а также обеспечение диагностических функций, обеспечивающих распознавание технического состояния ЭПТ.
Функция визуализации данных измерения вибрации используется, когда необходимо исследовать временные и частотные характеристики вибросигнала и тенденции их изменения. В частности, должно обеспечиваться:
- отображение формы сигнала по одной или нескольким точкам измерений;
- отображение кепстра по одной или нескольким точкам измерений;
- сравнение сигналов;
- отображение трендов измеренных параметров;
- сигнализация при превышении текущей вибрацией установленных уровней тревог.
В режиме «ЛОКАЛИЗАЦИЯ» система вибродиагностирования позволяет оперативно получать информацию о вибросостоянии измерительных точек всех узлов ЭПТ. Отчеты, обеспечиваемые этой функцией, в различных формах указывают на каком из узлов ЭПТ вибрация превышает установленные уровни. Она обеспечивает различные методы для просмотра, фильтрации, сортировки и печати данных, собранных во время измерений, а полученная информация используется для определения данных, требующих дальнейшего анализа.
В режиме «АРХИВ» система вибродиагностирования осуществляет хранение информации о состоянии и проведенных ремонтах ЭПТ в процессе эксплуатации, а именно:
- об установленных дефектах;
- описания дефектов;
- рекомендации, последовавшие действия по устранению дефектов и их результаты;
- затраты на устранение дефектов, статистика по расходу ЗИП;
- контроль остаточного ресурса узлов и оборудования;
- статистика интенсивности использования ЭПТ в различные периоды эксплуатации.
Режим «ЧАСТОТА» предназначен для определения специфических частотных составляющих вибросигнала, являющихся диагностическими признаками потенциальных дефектов ЭПТ (дефекты щеточного аппарата, коллектора, обмотки возбуждения, обмотки якоря, подшипниковых узлов). Такие модели частотных составляющих могут накладываться на текущий спектр, что способствует быстрой идентификации дефектов. Имеется возможность взаимного преобразования вибрации (виброускорения в виброскорость или виброперемещение и т.д.).
Режим «ГРАФОРЕДАКТОР» позволяет создавать и отображать схемы отдельных узлов ЭПТ, которые необходимы для идентификации размещения контрольных точек измерений. Данные схемы рассматриваются при анализе данных измерения вибрации.
Работа системы в режиме «СЕРВИС» предоставляет возможность балансировки ротора ЭПТ и его центровки. Программа балансировки обеспечивает балансировку ротора с учетом взаимного влияния плоскостей коррекции с различным числом плоскостей коррекции и при различной частоте вращения ротора. При балансировке требуется измерение амплитуды и фазы вибрации. Программа центровки ЭПТ позволяет вычислять требуемые смещения для правильной состыковки узлов агрегата одновременно. При этом учитываются влияния температуры на линейные расширения опор.
Заключение о состоянии ЭПТ и возможностях его дальнейшей эксплуатации, составляется на основании критериев оценки. Разработанная методика является базовым документом для разработки руководств по измерению и оценке технического состояния ЭПТ, поэтому критерии оценки для конкретных типов ЭПТ устанавливаются индивидуально. В качестве примера, на фиг. 5, приведены примерные критерии, которыми можно пользоваться при отсутствии соответствующих нормативных документов.
Исправное техническое состояние (И) - Повреждений нет. В качестве мероприятий технической эксплуатации для ЭПТ выбирается техническое использование по предназначению;
Работоспособное техническое состояние (Р) - Имеется несущественное повреждение. В качестве мероприятий технической эксплуатации для ЭПТ выбирается техническое использование по предназначению, а также проведение технического обслуживания;
Состояние правильного функционирования (Ф) - Имеется существенное повреждение. Удовлетворительное состояние. В качестве мероприятий технической эксплуатации для ЭПТ выбирается техническое использование по предназначению, проведение технического обслуживания, а также ремонт;
Состояние неправильного функционирования (НФ) - Имеется существенное повреждение или отказ. В качестве мероприятий технической эксплуатации для ЭПТ выбирается техническое обслуживание, а также ремонт;
Предельное состояние (П) - Имеется отказ. В качестве мероприятий технической эксплуатации для ЭПТ выбирается ремонт или списание.
Максимальное значение среднеквадратичного отклонения вибрации  полученное в результате измерений ЭПТ, сравнивают с границами технического состояния объекта. Данные границы предназначены для качественной оценки технического состояния ЭПТ и принятия решений по их дальнейшей эксплуатации. Иные (отличные от приведенных выше) границы состояний и их расположение могут быть использованы для диагностики различных типов ЭПТ на основании проведения дополнительных исследований в данной области (фиг. 6).
Таким образом, исходя из выполняемых транспортом задач (с установленным на нем объектом диагностирования), информация, получаемая от системы вибродиагностирования ЭПТ, может быть использована для:
- уточнения причин дефектов, условий возникновения и развития дефектов, оценка влияющих факторов;
- выработке решений по снижению интенсивности проявления дефектов (отказов) при наиболее ответственных режимах эксплуатации ЭПТ;
- оценки эффективности мероприятий, направленных на устранение дефекта;
- контроля остаточного ресурса узлов и оборудования;
- выдаче рекомендаций по режимам работы ЭПТ. Литература:
1. Авторское свидетельство №1649348 А1, G01M 13/04. Способ диагностики подшипниковых узлов. /Воронель B.C., Гербер Л.М., Кравченко П.В./. Заявл. 24.01.1989; Опубл. 15.05.1991;
2. Герике П.Б. Определение фактического технического состояния промышленных компрессоров на основе контроля по параметрам механических колебаний // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2013. - №6(100). - С. 37-40;
3. Корнишин Д.В. Вейвлет-анализ и мультифрактальная параметризация при оценке технического состояния центробежных насосных агрегатов: Дис. … канд. техн. наук. - Уфа: Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2015. - 171 с.
4. Основы измерения вибрации - по материалам фирмы DLI (под редакцией Смирнова В. А.) [Электронный ресурс]. - Режим доступа к статье: http://www.vibration.ru/osn_vibracii.shtml;
5. Патент РФ №2356021 С2, G01M 7/02. Способ вибрационной диагностики роторных систем. /Захезин A.M., Малышева Т.В./. Заявл. 02.05.2007; Опубл. 20.05.2009;
6. Патент РФ №2314508, G01M 15/00, G01M 7/02. Способ вибродиагностики машин. /Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н./. Заявл. 10.10.2006; Опубл. 10.01.2008;
7. Патент РФ №2209410, G01M 13/04. Способ диагностики подшипников. /Черневский Л.В., Варламов Е.Б./. Заявл. 21.11.2001; Опубл. 27.07.2003;
8. Патент РФ №2213270, F04D 13/10, F04D 15/00. Способ определения технического состояния электропогружных установок для добычи нефти. /Матаев Н.Н., Кулаков С.Г., Никончук С.А./. Заявл. 26.12.2001; Опубл. 27.09.2003.