Информационно-измерительная система для контроля технического состояния работающих механизмов по параметрам вибрации

УДК 534.61:534.141.2

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РАБОТАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ ПО ПАРАМЕТРАМ ВИБРАЦИИ

И.В. ИВШИН, Ю.В. ВАНЬКОВ, В.А. ГАВРИЛОВ, Р.С. САИТБАТАЛОВА,

Н.К. МИФТАХОВА

Казанский государственный энергетический университет

В статье предложена информационно-измерительная система для контроля технического состояния работающих механизмов по параметрам вибрации. Система включает измерительную аппаратуру, программное обеспечение, созданное на базе Lab VIEW. Программное обеспечение позволяет производить преобразование и обработку вибросигнала с использованием Вейвлет анализа, сравнение скейлограмм с применением PSNR-метрики. Приведены результаты контроля технического состояния исправного и дефектного работающихо механизмов.

Ключевые слова: техническое состояние, вибрация, вейвлет, скейлограмма, программа.

Информационные системы в неразрушающем контроле в общем случае служат для получения первичной информации, ее предварительной обработки и хранения (с возможностью информационного сопровождения), окончательной обработки и представления результата в требуемом виде.

Разработка информационно-измерительной системы для вибрационных методов контроля технического состояния работающих механизмов без их остановки и разборки является актуальной задачей. Применение этих методов позволяет своевременно выявлять неисправности, прогнозировать техническое состояние механизмов, перейти к техническому обслуживанию механизмов по их состоянию. Изменение в состоянии отдельных деталей, вращающихся и трущихся поверхностей, увеличение или уменьшение допустимых зазоров приводит к изменениям параметров вибрации, что можно использовать, как косвенный признак качественного состояния изделия. Вибрационные методы диагностики хорошо исследованы и практически применяются достаточно давно для контроля качества изготовления стеклянных и абразивных изделий, вагонных колес, работающих механизмов и т.д. Широко известны в этой области труды таких ученых, как Генкина М.Д., Ланге Ю.В., Московенко И.Б., Барковой Н. А., Баркова А. В., Клюева В.В. и т.д. [1,2,3].

Применение современных методов вибрационной диагностики требует использование эффективных информационно-измерительных систем, которые обеспечивают преобразование принятого вибросигнала, запись аналогового сигнал в

© И.В. Ившин, Ю.В. Ваньков, В.А. Гаврилов, Р.С. Саитбаталова, Н.К. Мифтахова Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

цифровой код, воспроизведение сигнала в виде амплитудно-временной зависимости, при необходимости интегрирование, сканирование по времени, формирование спектра с использованием преобразования Фурье или непрерывного вейвлет преобразования на различных участках сигнала, сравнение спектров или скейлограмм с использованием вероятностных методов и критериев.

Информационно-измерительная система для контроля технического состояния работающих механизмов по параметрам вибрации должна включать измерительную часть, программное обеспечение для обработки данных и принятия решений, алгоритм анализа и принятия решений.

В качестве измерительных элементов рекомендуется использовать виброметры на основе пьезоэлементов, лазерные виброметры, причем последние обладают рядом преимуществ, например таких как, возможность дистанционного приема сигнала без контакта с поверхностью изделия, мобильность при подготовке и проведении измерений.

Для контроля технического состояния работающих механизмов по

вибрационным параметрам на основе объектно-ориентированного программированияLabVIEW разработан пакет прикладных программ (ППП) «Ое1ес1Еп§те»[4], позволяющий выполнять следующие операции:

- преобразование и регистрацию сигналов виброскорости, виброускорений, поступающих по одному или нескольким каналам, в цифровой код на заданном временном интервале в соответствии с установленным интервалом дискретизации или непрерывно;

- выбор типа вейвлета;

- формирование скейлограммы с использованием непрерывного вейвлет преобразования на определенном временном участке сигнала;

- нормализацию полученных скейлограмм, при которой амплитуды на всех участках нормируются среднеинтегральной амплитудой скейлограммы;

- формирование обобщеннойскейлограммы сигналов по результатам нескольких идентичных:

(0) _ п " к

а( г, у) 5 _ теЛ {а (г, у) к}, У _ 1М, * _ 1N, к _ 1, Ь

где а(\ у -я составляющая множества амплитуд обобщенной скейлограммы;

а^ у)к - амплитуда на г -м масштабе у -о сдвига к-й входной скейлограмме; М - число

масштабов непрерывного вейвлет преобразования; N - число сдвигов непрерывного вейвлет преобразования; К -число анализируемыхскейлограмм;

- формирование эталонной скейлограммы с использованием всех исходных скейлограмм контролируемых изделий или скейлограмм только исправных изделий;

- сравнение скейлограмм с привлечением различных целевых функций и выбор наиболее информативной;

- анализ результатов сравнения, выявление дефекта и протоколирование результатов контроля.

ППП «Бе1ес1Еп§те» включает в себя следующие основные части:

- программу формирования эталонных вейвлетскейлограмм;

- программу сравнения вейвлетскейлограмм с эталонной вейвлетскейлограммой. Программа «Формирования эталонных скейлограмм» предназначена для

формирования эталона и доверительного интервала. Формирование «эталонных» скейлограмм можно проводить несколькими способами. Задача состоит в том, чтобы

сформированная скейлограмма была наиболее «типичной» для той совокупности скейлограмм, по которой она формируется, т.е. включала наиболее общие характеристики скейлограмм и исключала индивидуальные особенности каждой скейлограммы.

На лицевой панели данной программы (рис. 1) устанавливается:

Рис 1. Внешний вид лицевой панели программы«Формирования эталонныхскейлограмм»

- начало сигнала (с какого отсчета будет производиться обработка сигнала. По умолчанию нулевой отсчет);

- длина сигнала (количество отсчетов для обработки по умолчанию 2048 отсчетов);

- нормализация (осуществлять нормализацию скейлограммы или нет);

- выбор типа вейвлета.

- Последовательность работы программы показана на рис. 2.

Для формирования скейлограмм используется непрерывное вейвлет преобразование. Программа «Сравнение скейлограмм с эталонной скейлограммой», предназначена для регистрации отличий каждого исходного спектра записанных сигналов от эталонного по РБКЯ - метрике.

Аббревиатура РБКЯ (реакш§па1-1;о-по18ега1;ю) является термином, означающим соотношение между максимумом возможного значения сигнала и мощностью шума,

искажающего значения сигнала, и рассчитывается по формуле

( \

Max value

PSNR = 20 • Log

\mm(bs ,b) f2 2

I I

i=0 jf_

min

где Мах_уа1ие - амплитуда сигнала максимально возможной мощности, допустимая в данном представлении звукового сигнала; Су [у ] и Су [ у ] значения амплитуд

скеилограмм эталонного и исследуемого сигнала, и и и количество сдвигов

вейвлет базиса для первого и второго сигнала соответственно; и У2 - параметры, отфильтровывающие из общей скейлограммы частотную полосу для исследования. Преимуществом применения РБКЯ метрики является то, что она позволяет рассматривать изменения в отдельных частотных диапазонах и, в то же время, не чувствительна к фазе сигнала.

Рис 2. Последовательность работы программы «Формирование эталонныхскейлограмм»

На лицевой панели данной программы выбирается:

- эталон (по умолчанию выбирается последний использовавшийся эталон);

- отображение коэффициентов на дисплее (по одному или по группе на каждое изделие);

- сохранять результаты или нет.

Последовательность работы программы показана на рис. 3.

Непрерывное вейвлет преобразование и РБКЯ-метрика в качестве критерия сравнения применимы для контроля технического состояния работающих механизмов по вибрационным параметрам и имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими спектральными методами обработки сигналов: позволяют определять дефекты на ранней стадии зарождения; определение дефекта мало зависит от степени зашумленности; в случае сравнения спектров при увеличении шумовой составляющей сигнала в 10 раз определение дефекта невозможно, а при сравнении скейлограмм вероятность обнаружения дефекта уменьшается в 1,2 раза.

Работоспособность предложенной информационно-измерительной системы проверена при контроле технического состояния работающего двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Четырехцилиндровый двигатель имел три исправных цилиндра, а в четвертом цилиндре был увеличен выше допустимых зазор между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна. Измерения вибрации производились виброметром в верхних и нижних мертвых точках каждого из цилиндров. Полученные скейлограммы виброускорений исследовались в частотном диапазоне от 0 до 4 кГц, время анализа составило 3 сек с момента прохождения поршня в нижней и верхней мертвых точек. На рис.4 изображена скейлограмма колебаний, зарегистрированных в нижней мертвой точке 3-го цилиндра.

Считывание файла эталона

1 г

Считывание указанных, записанных ранее сигналов

Формирование скейлограмм и сравнение с эталонной скейлограммой по РБКЯ -

метрике

I

Усреднение коэффициентов каждой детали и оценка с доверительным интервалом

_I_

Интервальное оценивание с доверительной вероятностью 0,95, заключение о годности детали и формирование отчета

_I_

Путь к последнему использованному эталону прописывается в реестр

Рис. 3 Последовательность работы программы «Сравнение с эталонной скейлограммой»

Рис. 4 Скейлограмма колебаний 3-го цилиндра в нижней мертвой точке © Проблемы энергетики, 2012, № 3-4

15013937

На рис. 5 показана скейлограмма колебаний в нижней мертвой точке 4 цилиндра с поршнем, имеющим увеличенный зазор между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна. Визуально видны различия в скейлограммах колебаний исправного и дефектного соединений.

Рис. 5 Скейлограмма колебаний 4 цилиндра в нижней мертвой точке

На рис. 6 приведены результаты сравнения скейлограмм, полученных от трех исправных и одного дефектного поршней работающего ДВС. Значение РБКЯ-метрики для поршня с увеличенным зазором в соединении выходит за пределы доверительного интервала, построенного с уровнем доверительной вероятности 0,95, что является признаком наличия неисправности в этом цилиндре.

Созданная информационная измерительная система позволяет обеспечить регистрацию вибросигнала, его преобразование, запись аналогового сигнал в цифровой код, воспроизведение сигнала в виде амплитудно-временной зависимости, при необходимости интегрирование, сканирование по времени, формирование спектра с использованием непрерывного вейвлет преобразования на различных участках сигнала. Использование РБКЯ-метрики для сравнения полученных скейлограмм позволяет выявлять отличия в измеренных вибросигналах, делать вывод о техническом состоянии работающего механизма с использованием интервальной оценки с уровнем доверительной вероятности 0,95. Несомненным достоинством данной информационной измерительной системы является возможность применения ее для контроля технического состояния работающих механизмов за счет применения непрерывного вейвлет преобразования и помехозащищенной РБКЯ-метрики в качестве критерия сравнения.

«вяйтил, Тип вейвлета Количество сдвигов

Рис.6. Результаты сравнения скейлограмм бездефектных и дефектных поршней двигателя

внутреннего сгорания

Summary

The article suggested the information-measuring system for monitoring the technical conditions of the working mechanisms of the parameters of vibration. The system includes instrumentation, software based on theLab VIEW. The software allows you to convert and processing of the vibration signal using the wavelet analysis, comparison skeylogrammes with PSNR-metric. The article contains the results of technical conditions of operable and defective mechanism.

Keywords: technical conditions, vibration, wavelet, skeylogramma, software.

Литература

1. Техническиесредствадиагностирования: Справочноепособие/ подред. В.В.Клюева.- М.: «Машиностроение», 2005. 672с.

2. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1991.

3.Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов/ Под редакцией Генкина М. Д. Москва: Машиностроение, 1984. 119с. Санкт-Петербург: Издательство СПбГМТУ, 2000. 157 с.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010611249 DetectEngine/ М.В. Акутин, Ю.В. Ваньков, М.Е. Широков, И.В. Ившин// Заявитель и патентообладатель

М.В. Акутин, Ю.В. Ваньков, М.Е. Широков, И.В. Ившин - №2010614419; заявл. 10.04.2010 г.; зарег. 20.06.2010 г.

Поступила в редакцию 01 марта 2012 г.

Ившин Игорь Владимирович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-950-3108984. E-mail: ivshini@mail.ru.

Ваньков Юрий Витальевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения» (ПТС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Гаврилов Вадим Александрович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Саитбаталова Раиса Садыковна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

Мифтахова Наиля Камильевна - ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8962-5577779. E-mail: nailya-miftahovna@mail.ru.