Способ диагностики подшипников роторного оборудования на основе оценки микровариаций вращения вала
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF BEARINGS OF ROTARY EQUIPMENT BASED ON THE ASSESSMENT OF MICROVARIATIONS OF ROTATION OF THE SHAFT

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для диагностики состояния подшипников роторного оборудования, примерами которого являются редукторы, турбины, двигатели и генераторы.
Неразрушающая диагностика для такого рода изделий обычно выполняется на основе регистрации и последующего анализа сигналов, получаемых с виброакустического датчика или с датчика частоты вращения (ДЧВ) вала, установленных на контролируемом оборудовании. В результате анализа регистрируемых сигналов выявляются информативные признаки дефектов, позволяющие судить о состоянии исследуемого изделия.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ, базирующийся на оценивании вариабельности межимпульсных интервалов импульсной последовательности, получаемой от ДЧВ (Колоколов А.С., Любинский И.А. Способ диагностики механизмов, агрегатов и машин на основе оценки микровариаций вращения вала: Патент на изобретение №2626388 РФ; Зарег. 26.07.2017).
Для реализации этого способа на валу контролируемого изделия устанавливают ДЧВ, генерирующий при вращении вала импульсы при значениях угла ϕ=(360/N)i, где N - целое число, определяющее количество импульсов на обороте вала, i=1, 2, 3, … - номер импульса, в импульсной последовательности, генерируемой ДЧВ, производят измерение временных интервалов между импульсами последовательности. По результатам измерений находят среднеквадратичное отклонение межимпульсных интервалов от среднего значения и, если полученное значение σ выше определенного порога, то делают заключение о наличии дефекта у контролируемого изделия. Таким образом, величина σ является информативным признаком наличия дефекта. Недостатком рассмотренного способа является его весьма низкая чувствительность. Поскольку для исправного и дефектного подшипников относительное изменение величины σ составляет величину около 1,8.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности рассмотренного выше способа применительно к задаче диагностики подшипников за счет фильтрации последовательности межимпульсных интервалов в импульсной последовательности, регистрируемой с ДЧВ, и последующей оценке информативного параметра σ для отфильтрованной последовательности. Целью фильтрации является усиление в полученной последовательности межимпульсных интервалов высокочастотных микровариаций, связанных с дефектами в подшипниках и ослаблении микровариаций создаваемых другими элементами роторного оборудования, например, ротора, который при развитии его дисбаланса порождает сравнительно низкочастотные вариации межимпульсных интервалов.
t
i
i
i+1
i
i
i
i
Технический результат обеспечивается установкой на валу контролируемого изделия ДЧВ, генерирующего в моменты времени t импульсы стандартной формы при значениях угла вала ϕ=(360/N)i, где N - число импульсов на полном обороте вала, i=1, 2, 3 …. - номер импульса, получении последовательности межимпульсных интервалов {T}, где T=t-t, оценке вариабельности T с помощью нахождения среднеквадратичного отклонения σ значений T от среднего значения ; отличающийся тем, что с целью повышения чувствительности диагностики производят фильтрацию последовательности p(i)={T), для отфильтрованной последовательности  находят среднеквадратичное отклонение σ значений  от среднего значения  и, если зафиксированное σ выше определенной величины, то делают заключение о наличии дефекта подшипников у контролируемого изделия.
На фиг. 1 приведена блок схема, поясняющая процесс оценивания микровариаций вращения вала.
1 - ДЧВ вала, 2 - блок оценки моментов возникновения импульсов, создаваемых ДЧВ, 3 - блок построения последовательности межимпульсных интервалов, 4 - цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, 5 - блок фильтрации последовательности интервалов, 6 - блок оценки среднего межимпульсного интервала и среднеквадратичного отклонения межимпульсного интервала а от среднего значения.
ф
На фиг. 2 представлены четыре графика, представляющие вариации относительно среднего значения величин межимпульсных интервалов в исходной и отфильтрованной последовательностях p(i) и р (i), для исправного и дефектного подшипников.
ф
1 и 2 - вариации интервала в исходных последовательностях межимпульсных интервалов р(i) для исправного и дефектного подшипников, 3 и 4 - вариации интервала в отфильтрованных последовательностях межимпульсных интервалов р(i) для исправного и дефектного подшипников.
Технический результат достигается выполнением следующей последовательности операций обработки сигнала s(t) с ДЧВ.
i
0
0
i
i
1. Находятся моменты времени t (i=0, 1, 2, …) пересечения s(t) порогового уровня θ при ds/dt>0. В результате получается последовательность p(i)={t}. В случае оцифрованного сигнала s(kΔt), где k=0, 1, 2, …, Δt - интервал дискретизации, для обеспечения точности оценивания t следует использовать линейную интерполяцию s(kΔt).
0
i
i+1
i
i
2. На основе последовательности p(i) производят измерение межимпульсных интервалов T=t-t и формируется последовательность межимпульсных интервалов p(i)={T}.
ф
3. Выполняется цифровая фильтрация последовательности p(i) фильтром с конечной импульсной характеристикой h(m), где m=0, 1, 2, …. Целью фильтрации является выявление в полученной последовательности p(i) межимпульсных интервалов сравнительно высокочастотных микровариаций, связанных с дефектами в подшипниках, и ослабление низкочастотных микровариаций, порождаемых другими элементами роторного оборудования, например, ротором при развитии его дисбаланса. Фиг. 2 поясняет результаты фильтрации. На ней графики 1 и 2 представляют вариации интервала в исходных последовательностях межимпульсных интервалов p(i) для исправного и дефектного подшипников, а 3 и 4 - вариации интервала в отфильтрованных последовательностях межимпульсных интервалов р(i) для исправного и дефектного подшипников.
ф
4. Для отфильтрованной последовательности р(i) определяют средний межимпульсный интервал  и среднеквадратичное отклонение σ ее интервалов  от среднего значения .
5. При превышении величин σ определенного значения делается вывод о наличии дефекта в подшипнике.
Применение предлагаемого способа к реальной задаче диагностики роликовых подшипников на стенде при регистрации s(t) с помощью 16-разряного АЦП с частотой дискретизации 50 кГц, на примере применения индукционного ДЧВ с N=24 и трехточечного фильтра высоких частот с импульсной характеристикой h(1)=-0,25, h(2)=0,5, h(3)=-0,25 подтвердило его эффективность. Установлено, что при использовании фильтрации величина σ для подшипников с дефектами была примерно в 4,2 раза больше, чем у исправных подшипников, что свидетельствует о более чем двукратном повышении чувствительности предлагаемого способа по сравнению с его прототипом.
Таким образом, приведенные выше данные позволяют заключить, что предложенный способ может быть использован для повышения качества диагностики подшипников роторного оборудования, а также для мониторинга развития дефекта.