УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ

Полезная модель относится к области подшипниковой промышленности и может быть использована для контроля качества выпускаемой продукции путем анализа вибрационных характеристик подшипников.
Известно устройство для диагностики подшипников качения (авторское свидетельство СССР №1620881, МКИ G 01 М 13/04, оп.1991г.), включающее аналогоцифровые преобразователи, блоки обработки вибрационного сигнала и ЭВМ. Устройство позволяет проводить анализ качества подшипника путем оценки короткого вибрационного сигнала, возникающего при взаимодействии поверхностей элементов подшипника с дефектами. Однако, ограниченные технологические возможности известного устройства и низкая производительность процесса контроля не позволяют использовать его для проведения комплексной диагностики всех деталей подшипника без его разборки, а потому известное устройство не нашло широкого применения в условиях массового производства подшипников.
Наиболее близким к описываемой полезной модели является устройство для диагностики подшипников (Патент РФ № 2104510, МКИ 01 М 13/04, оп. 1997г.), содержащее датчик вибросигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок
быстрого преобразования Фурье, блок разделения сигнала на составляющие, характеризующие свойства деталей нодшипника, задатчик частот, устройство управления, блоки сравнения, обработки данных и регистрации результатов.
Известное устройство осуществляет измерение сигнала вибрации нодшинника, его преобразование в цифровую форму с образованием нескольких реализаций вибросигнала, каждую из которых подвергают быстрому преобразованию Фурье (БПФ) и после усреднения по количеству реализаций проводят анализ полученного амплитудного спектра посредством разделения его на составляющие, обусловленные отдельными свойствами деталей подшипника и сравнения их с заданными характеристиками.
Точность распознавания и анализа амплитудного спектра в известном устройстве и, следовательно, оценки параметров элементов подшипника и погрешностей его изготовления зависит от величины разрешения по частоте, которое определяется конечной длительностью реализации, представляющей собой допустимое количество дискретных значений N, составляющих дискретный сигнал одной реализации, и может быть представлено в виде:
Af,
где Гд - частота дискретизации, а N - количество точек преобразования Фурье в спектральной области каждой реализации.
Величина фактического разрешения но частоте в известном устройстве диагностики при выбранной частоте дискретизации сигнала и длительности реализации имеет предельное значение, поскольку увеличение длительности реализации ограничено апертурным временем аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а увеличение количества реализаций определяется характеристиками канала доступа устройства обработки данных и их беспредельное наращивание приводит к ограничению возможностей проводимого анализа вибросигнала.
в то же время сигнал вибрации, измеренный в какой-либо исследуемой точке подшипника является результатом интегрального эффекта действия сложного поля возмущений, включающих множество колебательных процессов и образующих группы компонент спектра с близкими частотами, обусловленных дефектами в разных деталях подшипника. Частотный спектр вибросигнала подшипника является исключительно сложным и плотным, состоящим из огромного числа гармоник, многие из которых значительны по амплитуде, поэтому разрешение по частоте в известном устройстве диагностики, как правило, недостаточно для четкого разделения и определения происхождения гармоник, обусловленных различными элементами подшипника, их свойствами и качеством их изготовления, в результате чего ряд свойств подшипников и причин, вызывающих их погрешности, например, таких как волнистость или некруглость деталей, не поддаются выявлению, снижая объективность процесса диагностики.
При этом в известном устройстве коррекцию ошибки осуществ.11яют только в отношении амплитуд гармоник, составляющих спектр, в то время как информация, связанная с фазовыми искажениями теряется.
Кроме того, последовательное проведение БПФ каждой выборки приводит к значительным затратам машинного времени и ресурсов на вьшолнение этой операции.
Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемой полезной модели, состоит в повышении объективности оценки качества подшипников за счет расширения функциональных возможностей устройства для диагностики подшипников, экономии ресурсов вычислительной аппаратуры, ускорения процесса диагностики и повьнпения точности проведения анализа.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для диагностики подшипников, содержащее вибропреобразователь, усилитель, фильтр, аналого-цифровой преобразователь, блок быстрого преобразования Фурье, блок
разделения на составляющие, характеризующие свойства деталей подшипника, задатчик частот, устройство управления и блоки сравнения, обработки данных и регистрации результатов, снабжено последовательно соединенными дополнительным фильтром нижних частот, блоком прореживания и формирователем совокупного временного сигнала, выход которого подключен к входу блока быстрого преобразования Фурье, связанному через блок разделения на составляющие, характеризующие свойства деталей подшипника с входом блока сравнения и обработки данных, второй вход которого подключен к задатчику частот, а выход к блокам индикации и регистрации результатов, при этом, устройство управления соединено с управляющими входами задатчика частот, блока сравнения и обработки данных, формирователя совокупного временного сигнала, блока прореживания, блока регистрации результатов, блока преобразования Фурье и аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот.
При этом верхняя частота среза фильтра нижних частот не превьппает половину частоты дискретизации вибросигнала, а начальным значением сигнала для фильтрации каждой реализации выбирают конечное значение сигнала в предыдущей реализации.
Устройство для диагностики подшипников согласно полезной модели осуществляет измерение сигнала вибрации подшипника при его вращении под нагрузкой, преобразование полученного сигнала в цифровую форму с образованием «т равновеликих реализаций по N дискретных значений в каждой, из которых вьщеляют низкочастотный сигнал и прореживают его посредством выборки дискретных значений сигнала с частотой опроса. Гвыб  2fmax. В оптимальном варианте коэффициент выборки «к блока прореживания соответствует условию:
,
Из полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность по множеству реализаций, которую подвергают быстрому преобразованию Фурье и анализируют полученный амплитудный спектр вибрации подшипника.
Разрешение по частоте в этом случае составляет:
Af, N-m
Таким образом, разрешаюш,ая способность устройства в соответствии с
описываемой полезной моделью по сравнению с известным увеличивается в m раз, что обеспечивает более детальное построение АЧХ и позволяет повысить точность проводимого анализа.
Анализ полученного в результате БПФ амплитудного спектра осуществляют посредством вьщеления в спектре групп гармоник, соответствующих частотным характеристикам отдельных элементов подншпника и/или обусловленных отдельными свойствами и погрешностями элементов подшипника с последующим сравнением значений параметров каждого полученного спектра с граничными значениями расчетного «опорного спектра (с «частотными масками), и определением уровня погрешности и долевого вклада каждой из них в общую мощность вибросигнала, после чего производят общую оценку состояния подшипника.
На чертеже фиг.1 представлена блок-схема описываемого устройства для диагностики подшипников.
Датчик 1 вибросигнала через усилитель 2 и фильтр 3 низких частот связан с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 4, на выходах которого установлен дискретный фильтр 5 низкой частоты, выход которого через многоканальный блок 6 прореживания подключен к блоку 7 формирования совокупного временного сигнала, соединенного с блоком 8 быстрого преобразования Фурье (БПФ), выход которого через блок 9 разделения на составляющие, характеризующие свойства деталей подшипника.
связан с входом блока 10 сравнения и обработки данных, второй вход которого соединен через переключатель 11с выходом задатчика 12 частоты, а выход - с устройством регистрации результатов 13. Устройство управления 14, включающее буферную намять, подключено к управляющим входам АЦП 4, и блоков 6-13 и обеспечивает работу устройства по заданному алгоритму, например, в следующем режиме.
Предварительно, но известным рекомендациям, производят расчет характерных «частотных масок для отдельных элементов подшипника, вносящих доминирующий вклад в его вибрацию, возникающую, главным образом за счет неидеальных поверхностей дорожек качения наружного и внутреннего колец подщипника и перемещающихся по ним шариков. Для расчета используют геометрические параметры идеального подщипника и частоту его вращения, полученные данные вводят в задатчик 12 частоты или в ЭВМ.
Испытуемый подшипник устанавливают на оправке приводной установки и подают осевую нагрузку от нриводного механизма через шпиндель, приводящий во вращение внутреннее кольцо подшипника (на чертеже не показано).
Информационный вибросигнал, ностунающий с вибродатчика 1 размещенного на неподвижном наружном кольце испытуемого подшипника корректируют в усилителе 2, после чего посредством фильтра 3 вьщеляют низкочастотные составляющие, обеспечивая соответствие динамического диапазона значений входного сигнала динамическому диапазону АЦП 4. Поступающий на вход АЦП 4 аналоговый сигнал подвергают аналогоцифровому преобразованию с образованием массива «ш равновеликих реализаций по N дискретных значений. Частоту дискретизации Гд выбирают из условия fд  2fc, где fc- верхний предел исследуемого диапазона.
Полученный на выходе АЦП 4 дискретный сигнал, посредством фильтра 5 нижних частот подвергают низкочастотной цифровой фильтрации. При этом для получения равномерного (без скачков) сигнала на выходе принимают начальным значением для
каждой i - той реализации конечное значение (1-1)-ой реализации.
После фильтрации сигнал каждой реализации црореживают в блоке 6 прореживания путем выборки из N дискретных значений каждого k-ro значения. При этом для сохранения правильной формы сигнала вьшолняют условие:
,
где fmax - верхняя частота дискретной низкочастотной фильтрации и для вибрационных характеристик подшипников составляет 1800гц
Блок 6 прореживания может быть выполнен, например, в виде многоканального оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), в «т каналов которого записывают сигналы по N дискретных значений, а считывают с выхода каждого канала N/k дискретных значений.
Введение блока 6 прореживания позволяет снизить требования к емкости памяти, хранящей дискретные значения временного сигнала, а также сохранить работоспособность блока 8 БПФ в оптимальпом режиме и сэкономить его ресурсы. Сигналы с выходов блока 6 прореживания поступают на вход блока 7 формирования совокупного временного сигнала, в котором из полученного множества «ш сигналов, каждый из которых состоит из N/k дискретных значений формируют совокупный временной сигнал, представляющий собой временную последовательность из m-N/k дискретных значений. Блок 7 формирования совокупной временной последовательности может быть выполнен в виде ОЗУ. Полученный совокупный временной дискретный сигнал подвергают БПФ в блоке 8, который может быть вьшолнен, например, в виде специализированного процессора БПФ. Сигнал на входе блока 8 представляет собой амплитудный спектр исследуемого подшипника и может бьггь записан во внешнюю память (на чертеже не показана), отображен на экране диспелея 15 и/или распечатан на бумажном носителе посредством печатающего устройства 10. Сигнал с выхода блока 8
БПФ поступает в блок 9 разделения на составляющие, характериззтощие свойства деталей подшипника и в блок регистрации 13, включающий, например, дисплей 15 и печатающее устройство 16. Вибросигнал, разделенный блоке 9 на несколько сигналов, соответствующих возбуждениям от наружного кольца, внутреннего кольца и шариков подшипника поступает на вход блока 10 сравнения и обработки данных, в котором производят сравнение амплитудных уровней с «частотными масками возмущений от наружного и внутреннего колец подшипника и его шариков, которые предварительно рассчитывают, записывают в задатчик 12 и через переключатель 17 подают на второй вход блока 10 сравнения и обработки данных для определения доли составляющих, обусловленных возмущениями, вносящими отдельными элементами в общий колебательный процесс работающего подшипника.
Полученный на выходе АЦП массив дискретных сигналов может быть записан в буферную память устройства управления 14
Сигнал из буферной памяти блока управления 14 может быть использован для выполнения параллельно с описываемым процессом спектрального анализа с применением непосредственной фильтрации посредством системы полосовых фильтров, квадрирования и усреднения выходного сигнала для получения пикового значения и средних квадратичных значений характеристики спектральной плотности на узких полосах частот в сумме перекрьшающих рассматриваемый частотный диапазон, сопоставление их с расчетными параметрами и нормирование спектров.
В качестве управляющего и обрабатывающего устройства может быть использована ЭВМ, обеспечивающая вьшолнение функций блоков 5-14, включая реализацию алгоритмов цифровой обработки сигналов, статистический анализ результатов исследования и их документирование в «виде виртуального прибора с специальным программным обеспечением по обработке вибросигнала.
Реализация описьюаемого устройства для диагностики подшипников в соответствии с настоящим изобретением позволяет повысить разрешающую способность анализа и таким образом расширить возможности устройства в части выявления гармоник, характеризующих свойства элементов подшипников, а также за счет исключения множества операций БПФ, сводя их к одному действию, и операции осреднения, имеет место экономия аппаратных средств и машинного времени на выполнение исследований, повьш1ается быстродействие и снижается трудоемкость процесса диагностики подшипников.