СПОСОБ ВИБРОДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАРОЖДАЮЩИХСЯ ДЕФЕКТОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD FOR VIBRATION DIAGNOSTICS FOR DETECTING INCIPIENT DEFECTS OF INDUSTRIAL EQUIPMENT

Изобретение относится к вибродиагностике промышленного оборудования и может быть применимо для вибродиагностики работающих промышленных механизмов (подшипников, насосов, редукторов, электродвигателей и других роторных механизмов).
n
1
n
1
n
n-1
n
n-1
n
n
1
n
n-1
Известен способ диагностики повреждения деталей машин (см.  патент РФ №2540195, опубл. в Б.И. №4 10.02.2015), основанный на регистрации на ранних стадиях развития дефектов амплитуд выбросов вибрации. В данном способе измеряют вибрацию в информативных точках корпуса машины в характерной полосе частот с помощью системы компьютерного мониторинга, контролируют тренд изменения вибрации во времени, сравнивают его с критическими границами и по результатам сравнения определяют техническое состояние деталей и машины, а именно селектируют скачкообразные изменения (выбросы) вибрации в течение жизненного цикла машины и деградации состояния деталей из-за их повреждения, устанавливают период измерения вибрации существенно меньше, например, на порядок, длительности выбросов вибрации, обусловленных повреждением деталей, запоминают амплитуды выбросов (A), превышающих установленный уровень, например, на 20% от текущего плавного значения тренда вибрации, при этом принимают начальный уровень повреждения деталей машины по амплитуде первого выброса вибрации (A), контролируют отношение амплитуды последующих выбросов вибрации к амплитуде первого выброса вибрации (A/A) и/или измеряют относительные приращения амплитуды (A/A) каждого последующего выброса вибрации (A) к амплитуде каждого предыдущего выброса вибрации (A), строят тренды контролируемых амплитуд выбросов (A), их указанных отношений (A/A) и приращений (A/A), сравнивают с критическими границами и по результатам сравнения судят о состоянии, стадиях и степени повреждения деталей машин.
выб
выб
max
max
Известен способ вибродиагностики подшипников (см. патент РФ №2209410, опубл. в Б.И. №21 от 27.07.2003), заключающийся в расчете характерных частотных масок для отдельных элементов подшипника, вносящих доминирующий вклад в его вибрацию, и последующем измерении сигнала вибрации подшипника при его вращении, преобразовании полученного сигнала в цифровую форму с образованием не менее двух его равновеликих реализаций, проведении быстрого преобразования Фурье, выделении амплитудного спектра, сравнении его с рассчитанными частотными масками для отдельных элементов подшипника, определении доли вклада каждого из этих элементов в общую энергию вибрации подшипника и оценке состояния подшипника. В качестве реализации сигнала вибрации подшипника выбирают совокупность сигналов, удовлетворяющих такому условию, что начальное значение сигнала каждой последующей его реализации является конечным значением сигнала соответствующей предыдущей его реализации, после преобразования сигнала в цифровую форму для каждой его реализации выделяют низкочастотный сигнал и прореживают его посредством выборки дискретных значений сигнала с частотой опроса f, удовлетворяющей условию f≥2f, где f - максимальная частота в спектре процесса, из всего множества реализаций полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность, которую подвергают дальнейшему анализу.
Известен способ вибродиагностики зарождающихся дефектов механизмов (см. патент РФ №2680640 от 16.02.2018, опубл. Б.И. №6 25.02.2019), основанный на измерении вибрационных ускорений, их полосовой фильтрации, детектировании и определении энергетического спектра, усредняют энергетические спектры огибающих вибрационных ускорений, выделяют в них существенные локальные максимумы и запоминают их местоположения на оси частот и амплитудные значения этих максимумов на этапе обучения для исправного состояния механизма и при возникновении в нем различных дефектов строят разные эталоны местоположений на оси частот и амплитудных значений существенных максимумов в виде многомерных плотностей вероятностей, а на этапе вибродиагностирования выполняют сравнение выделенных в усредненном энергетическом спектре местоположений на оси частот и амплитудных значений существенных максимумов с эталонами исправного состояния механизма и состояний механизма при возникновении различных зарождающихся дефектов с помощью оптимального решающего правила, например критерия Байеса.
Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа. Недостатками прототипа являются ограниченные возможности по обработке полученных сигналов, что снижает информативность и точность вибродиагностики.
Решаемой технической проблемой является создание способа вибродиагностики промышленного оборудования с повышенной достоверностью и точностью результатов вибродиагностики.
Достигаемым техническим результатом является получение большего количества выходных данных путем варьирования исходными параметрами при обработке сигнала.
Для достижения технического результата в способе вибродиагностики промышленного оборудования, заключающимся в измерении вибрационных ускорений и преобразовании их в прямые автоспектры и спектры огибающей высокочастотной составляющей сигналов виброускорений, выделении в них локальных максимумов и сравнении их с максимумами на предварительно заданных эталонных автоспектрах и спектрах огибающей, формирование эталонных автоспектров и спектров огибающей вибрационных сигналов осуществляют путем определения набора частот (гармоник) соответствующих каждому дефекту, а на этапе вибродиагностирования о наличии дефекта судят по соответствию выделенных на спектрах локальных максимумов и эталонных наборов частот (гармоник), новым является то,  что изменение набора гармоник, характеристик спектров вибрационных ускорений и числа дефектов производят дополнительно введенными внешними программными модулями без изменения основного программного обеспечения.
Новая совокупность существенных признаков позволяет в заявляемом способе повысить достоверность и точность результатов вибродиагностики.
На фиг. 1 приведено устройство, реализующее заявляемый способ.
На фиг. 2 приведен пример полученного спектра вибрационных ускорений 13, с выделенными существенными максимумами (фактический набор гармоник) 14, с амплитудами равными абсолютным значениям относительно средней линии 15, а также наложенного на спектр эталонного набора гармоник 16.
Устройство (фиг. 1) состоит из объекта исследования 1 с установленными на нем акселерометрами, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2 данных, полученных с датчика, персонального компьютера (ПЭВМ) 3, внешних программных модулей 11. Программное обеспечение (ПО) 4 для вибродиагностики включает в себя блок 5 полосового фильтра, вход которого является выходом АЦП 2, спектроанализатор  6, первый вход которого соединен с выходом полосового фильтра для получения спектра огибающей высокочастотной области исходного сигнала, второй вход соединен с выходом АЦП 2 для получения прямого автоспектра исходного сигнала с целью формирования фактического набора гармоник 7. Спектр огибающей и прямой автоспектр являются спектрами вибрационных ускорений 13 (фиг. 2). Предварительно во внешних программных модулях 11 формируют эталонный набор гармоник 8, соответствующих каждому дефекту.  В устройстве сравнения 9 производят сопоставление фактически полученного набора гармоник 7 с эталонным набором гармоник 8, результатом сравнения 10 которого является определение необходимого количества совпадающих гармоник, по которому судят о наличии и степени развития дефекта. Выходы внешних программных модулей 11 подключены к соответствующим входам блока полосового фильтра 5, блока спектроанализатора 6, блока фактического набора гармоник 7, блока эталонного набора гармоник 8, устройства сравнения 9. Входом внешних программных модулей 11 являются исходные данные для определения дефектов 12.
Способ реализуется следующим образом.
Исходный сигнал с акселерометров, закрепленных на объекте исследования 1, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 2, выход которого соединен с последовательным интерфейсом ПЭВМ 3. Программное обеспечение 4 вибродиагностики позволяет выполнять последовательность действий, а именно: для полученного исходного сигнала осуществляют полосовую фильтрацию 5, после чего строят сигнал огибающей его высокочастотной области и выполняют построение спектров как сигнала огибающей, так и исходного сигнала. На полученных спектрах вибрационных ускорений 13 выделяют фактический набор гармоник 14 (обозначены точками на фиг. 2) и осуществляют наложение эталонных наборов гармоник 16, после чего находят совпадения фактически найденных гармоник 14 эталонному набору 16.  Из количества найденных совпадений выбирают те, взаимное расположение которых соответствует наличию дефекта объекта исследования.
Существует множество различных методик вибродиагностики для определения зарождающихся дефектов, которые являются исходными данными 12 для внешних программных модулей 11.
Эти модули необходимы для сравнения и выбора оптимальной методики 12, трансформируемые в последовательность действий для основного ПО.
Внешние программные модули позволяют задавать:
-  логику определения центральной частоты и ширины полосы пропускания фильтра 5 в зависимости от конкретного искомого дефекта объекта исследования 1 и частоты его вращения, что придает изменение формы, огибающей сигнала;
- логику определения частотного диапазона, количества точек и усреднений спектров вибрационных ускорений 6 в зависимости от искомого дефекта конкретного объекта исследования 1 и частоты его вращения;
- коэффициент сглаживания средней линии 15 и уровень, относительно которого превышение считается фактически найденной гармоникой;
- логику определения количества эталонных наборов гармоник 16, кратность и количество частотных линий в наборе в зависимости от конкретного искомого дефекта объекта исследования 1;
- логику определения совпадений фактически найденных гармоник эталонному ряду в зависимости от их взаимного расположения;
- логику определения граничных значений количества найденных гармоник 9 для каждого эталонного ряда 12 в зависимости от конкретного искомого дефекта и степени его развития.
Далее происходит смена набора исходных параметров 12, которые соответствуют альтернативной методике вибродиагностики, либо варьирование коэффицентами существующих наборов, цикл основного ПО повторяют до тех пор, пока результат вибродиагностики не будет соответствовать фактическому состоянию оборудования.
Заявляемый способ используется в промышленности для определения зарождающихся дефектов оборудования.