СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF TECHNICAL CONDITION OF ROTARY MECHANISMS

Изобретение относится к области контроля и диагностики технического состояния машин и агрегатов и может быть использовано, в частности, на железнодорожном транспорте для диагностики узлов колесно-моторных блоков (КМБ) подвижного состава.
Известен способ диагностики колесно-моторных блоков мотор-вагонного подвижного состава (RU 2378633) путем измерения вибрации совокупности узлов диагностируемого агрегата при поддержании заданной частоты вращения колесной пары (КП).
Реализация данного способа, а именно диагностирование в режиме поддержания частоты вращения колесной пары, может привести к пропуску зарождающихся дефектов по причине слабого их проявления в параметрах вибрации при заданной частоте вращения.
Известен способ вибродиагностики роторных механизмов (RU 2153660), в котором несколько измерений вибрации приводят к общим условиям, после чего по переформированным данным судят о наличии дефекта.
Недостатком способа является то, что переформирование полученных данных производится введением поправочных коэффициентов, приводящих все данные к единым внешним условиям, что исключает возможность оценки технического состояния агрегата при разных значениях сопутствующего фактора.
Известен способ оценки технического состояния роторных механизмов (заявка на изобретение №2016146038/06(073907) от 23.11.2016), принятый за прототип, в котором измеряют параметры вибрации в информативных точках входящих конструктивных элементов при нескольких значениях сопутствующего фактора, определяют зависимость совокупности величин параметров вибрации от значений сопутствующих факторов, формируют базу знаний, содержащую критические уровни коэффициентов - диагностических признаков зависимости, а о техническом состоянии судят путем сравнения текущих значений коэффициентов с соответствующими критическими уровнями.
Недостатком данного способа является неполный объем диагностирования по причине применимости только к дефектам из базы знаний.
Задачей предлагаемого способа является повышение полноты и достоверности диагностирования технического состояния роторных механизмов.
Поставленная задача в способе диагностики технического состояния роторных механизмов, например колесно-моторных блоков подвижного состава, основанном на измерении параметров вибрации и значений сопутствующих факторов, например частоты вращения, построении функциональных зависимостей параметров вибрации от сопутствующих факторов, например, в виде полинома, расчете коэффициентов полинома, которые принимают за диагностические признаки, формировании на этой основе базы знаний технического состояния роторных механизмов, решается тем, что базу знаний технического состояния роторных механизмов представляют в графической форме путем группировки коэффициентов полинома, который представляют, в частности, для одного параметра вибрации и одного сопутствующего фактора, например, частоты вращения, в виде линейной функции, для заведомо исправных и неисправных механизмов соответственно, получают наборы точек на плоскости коэффициентов линейной функции, строят по ним области рассеивания, например, в виде эллипсов для классов исправного и неисправного состояния механизмов, а техническое состояние роторного механизма оценивают по принадлежности точки, координаты которой равны текущим значениям коэффициентов полинома диагностируемого механизма, эллипсу соответствующего класса состояния.
А также решается тем, что в случае принадлежности точки, координаты которой равны текущим значениям коэффициентов полинома диагностируемого механизма, зоне неопределенности, характеризуемой пересечением эллипсов рассеивания точек, соответствующих исправному или неисправному состоянию механизмов, рассчитывают меры расстояния между этой точкой и центрами эллипсов и принимают техническое состояние соответствующим тому классу, мера расстояния для которого меньше, при равных значениях диагностируемый механизм оценивают как неисправный.
Анализ отличительных признаков способа диагностики технического состояния роторных механизмов показал, что:
- представление базы знаний технического состояния роторных механизмов в графической интерпретации позволяет наглядно представить диагностическое пространство для определения технического состояния роторных механизмов;
- группировка коэффициентов полинома для заведомо исправных и неисправных механизмов соответственно, получение наборов точек на плоскости коэффициентов линейной функции как упрощения полинома для одного параметра вибрации и одного сопутствующего фактора и построение по ним областей их рассеивания, например, в виде эллипсов, позволяют разделить исправное и неисправное состояния роторных механизмов на плоскости коэффициентов;
- построение точки текущих значений коэффициентов полинома диагностируемого механизма позволяет наглядно представить его совокупную диагностическую информацию при изменении сопутствующего фактора;
- оценка технического состояния по принадлежности точки текущих значений коэффициентов полинома диагностируемого механизма эллипсу исправного или неисправного состояния обеспечивает простоту получения результатов;
- расчет мер расстояния между точкой плоскости коэффициентов линейной зависимости параметра вибрации от сопутствующего фактора диагностируемого механизма и центрами эллипсов, и принятие технического состояния соответствующим тому классу, мера расстояния для которого меньше, а при равных значениях соответствующим классу неисправного состояния, позволяет повысить достоверность диагностирования.
Таким образом, предложенная совокупность отличительных признаков, обеспечивающая полученный результат, представляется новой на данном этапе развития науки и техники, превосходит существующий мировой уровень. Изобретение соответствует изобретательскому уровню, поскольку достигаемый результат определяется не только совокупностью отличительных признаков, но и результатом их тесного взаимодействия между собой.
На фиг. 1 и 2 представлены плоскости коэффициентов линейной функции зависимости виброускорения от частоты вращения с нанесенными эллипсами исправного и неисправного состояния, графически интерпретирующими базу знаний технического состояния роторных механизмов.
1 - эллипс рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов;
2 - эллипс рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов;
3 - центр эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов;
4 - центр эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов;
5 - вертикальная полуось эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов ;
6 - горизонтальная полуось эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов ;
7 - вертикальная полуось эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов ;
8 - горизонтальная полуось эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов ;
9 - угол между осями симметрии эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, и координатными осями α;
10…16 - точки на плоскости, координаты которых равны парам коэффициентов зависимостей исправных колесно-моторных блоков;
17…19 - точки на плоскости, координаты которых равны парам коэффициентов зависимостей неисправных колесно-моторных блоков;
20 - проекция точки 16 на ось ординат;
21 - проекция центра 3 эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов, на ось абсцисс;
22 - проекция точки 16 на ось абсцисс;
23 - проекция центра 3 эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов, на ось ординат;
24 - проекция центра 4 эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, на ось абсцисс;
25 - проекция центра 4 эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, на ось ординат.
Реализуемость способа показана на примере диагностирования буксового узла колесно-моторного блока подвижного состава. Проводят измерение вибрации, например виброускорения, при двух значениях сопутствующего фактора, например частоты вращения колесной пары. Зависимость виброускорения от сопутствующего фактора - частоты вращения, имеет линейный вид:
где А - виброускорение;
n - частота вращения колесной пары;
a
- угловой коэффициент;
b - свободный член;
i - номер колесно-моторного блока;
j=1, 2 - техническое состояние колесно-моторного блока: 1 - исправное состояние, 2 - неисправное состояние;
a
ij
ij
Рассчитывают коэффициенты зависимостей и производят их группировку по исправному или неисправному состоянию буксового узла КМБ. В результате получают два набора пар коэффициентов - угловых коэффициентов  и свободных членов b.
a
ij
ij
Наносят на плоскость точки. Координаты точек равны полученным парам коэффициентов: по оси абсцисс откладывают значения, равные угловым коэффициентам , по оси ординат - значения, равные свободным членам b.
Получают два набора точек, координаты которых равны коэффициентам зависимостей исправных и неисправных роторных механизмов.
Строят области рассеивания точек, соответствующие исправному и неисправному состоянию роторных механизмов, например, в виде эллипсов 1 и 2.
Уравнение эллипса имеет вид:
a
b
где m, m - математические ожидания;
a
a
σσ - средние квадратические отклонения;
а
r - коэффициент корреляции угловых коэффициентов  и свободных членов b.
а
Координаты центров 3 и 4 эллипсов равны средним арифметическим значениям коэффициентов  и свободных членов b зависимостей исправных и неисправных роторных механизмов.
a
а
b
b
Величину полуосей 5-8 эллипсов принимают таким образом, чтобы в эллипсы с практической достоверностью укладывалось все рассеивание. Например, для нормального распределения за практическую достоверность принимают вероятность 0,99. Таким образом, вертикальная и горизонтальная полуоси эллипса равны: R=3σ, R=3σ.
Средние арифметические значения коэффициентов рассчитывают по формуле [ГОСТ Р 8.736-2011, формула 1]:
Средние квадратические отклонения рассчитывают по формуле [ГОСТ Р 8.736-2011, формула 2]:
Коэффициент корреляции рассчитывают по формуле [с. 208, Румшинский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1976]:
а
В случае наличия существенной корреляции между угловыми коэффициентами  и свободными членами b рассчитывают угол α 9 между осями симметрии эллипса и координатными осями по формуле [с. 193, Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969]:
Рассчитывают указанные параметры для каждого набора точек и строят эллипсы исправного и неисправного состояния роторных механизмов.
По нахождению точки, представляющей текущую зависимость параметра вибрации от сопутствующего фактора в плоскости того или иного эллипса, судят о техническом состоянии диагностируемого роторного механизма.
Зона неопределенности характеризуется пересечением эллипсов исправного и неисправного состояния роторных механизмов.
В случае попадания точки в зону неопределенности технического состояния роторного механизма вычисляют меры расстояния между заданной точкой и тем или иным эллипсом, и по ним судят об исправном или неисправном состоянии роторного механизма.
Меры расстояния на плоскости между заданной точкой и центром того или иного эллипса рассчитывают по формуле:
где k - мера расстояния на плоскости между заданной точкой и тем или иным эллипсом;
{С} - класс исправного состояния роторных механизмов;
{D} - класс неисправного состояния роторных механизмов;
a
k - мера расстояния между заданной точкой и множеством угловых коэффициентов зависимостей исправных или неисправных механизмов:
b
k - мера расстояния между заданной точкой и множеством свободных членов зависимостей исправных или неисправных механизмов:
.
В качестве примера реализации способа рассмотрен процесс графического построения базы знаний и последующего определения технического состояния роторных механизмов на примере диагностических испытаний буксовых узлов колесно-моторных блоков.
В ходе обширных диагностических испытаний было продиагностировано более двух тысяч буксовых узлов КМБ. Порядка ста из них были отбракованы, а наличие неисправностей было подтверждено путем разборки механизмов.
Измеряли диагностический признак виброускорение на двух частотах вращения: 240 и 420 об/мин.
Для каждого буксового узла были рассчитаны коэффициенты зависимости. Для полученной совокупности пар коэффициентов была произведена сортировка в соответствии с подтвержденным техническим состоянием.
На основании полученных данных по формулам (3-6) рассчитали параметры, необходимые для построения эллипсов.
Для коэффициентов зависимостей КМБ с исправными буксовыми узлами состояния: , , , .
Для коэффициентов зависимостей КМБ с неисправными буксовыми узлами состояния: , , , .
Таким образом, центр 3 эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов, на плоскости имеет координаты (0,014; -0,043), и длины полуосей равны соответственно: вертикальная полуось 5 - , горизонтальная полуось 6 - .
Центр 4 эллипса 2 рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, имеет на плоскости координаты (0,073; -11,18), и длины полуосей равны соответственно: вертикальная полуось 7 - , горизонтальная полуось 8 - .
C
C
Для построения эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов, определили угол α, который составляют его оси рассеивания с осями координат по формуле (6), для чего рассчитали коэффициент корреляции по формулам (5, 6): r=-0,09, α=0,013°. В данном случае величины корреляции и угла отклонения осей рассеивания незначительны и ими можно пренебречь, оси 5 и 6 эллипса 1 исправного состояния строим параллельно координатным осям.
D
D
Аналогично рассчитали коэффициент корреляции и угол α 9 для эллипса неисправного состояния 2: r=-0,87, α=9,24°.
Значения коэффициента показывают наличие значительной корреляции, которую необходимо учесть при построении эллипса неисправного состояния 2.
На основе рассчитанных данных были построены эллипсы 7 и 2 рассеивания точек, соответствующих исправному и неисправному состоянию роторных механизмов.
Случайным образом из генеральной совокупности были выбраны 10 буксовых узлов (Таблица 1). Семь исправных буксовых узлов №1-7 и три неисправных №8-10.
Точки 10-15 лежат в плоскости эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию роторных механизмов, и не лежат в плоскости эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, таким образом, техническое состояние достоверно распознается как исправное.
Точка 16 лежит на пересечении эллипсов рассеивания 1 и 2 и находится в зоне неопределенности (Фиг. 1).
Точки 17-19 лежат только в плоскости эллипса рассеивания точек, соответствующих неисправному состоянию роторных механизмов, таким образом, техническое состояние достоверно распознается как неисправное.
Мера расстояния между точкой 16 и множеством угловых коэффициентов зависимостей исправных механизмов рассчитывается при помощи абсцисс 20, 21 и равна:
Мера расстояния между точкой 16 и множеством свободных членов зависимостей исправных механизмов рассчитывается при помощи ординат 22, 23 и равна:
Таким образом, мера расстояния между точкой 16 и центром эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию, равна:
Мера расстояния между точкой 16 и множеством угловых коэффициентов зависимостей неисправных механизмов рассчитывается при помощи абсцисс 20, 24 и равна:
Мера расстояния между точкой 16 и множеством свободных членов зависимостей неисправных механизмов рассчитывается при помощи ординат 22, 25 и равна:
Таким образом, мера расстояния между точкой 16 и центром эллипса рассеивания точек, соответствующих исправному состоянию, равна:
C
D
Мера расстояния между точкой 16 и эллипсом исправного состояния k меньше, чем мера расстояния между точкой 16 и эллипсом неисправного состояния k, таким образом, механизм достоверно распознается как исправный.
Таким образом, диагностирование согласно предложенному способу позволяет наглядно представить и разделить диагностическое пространство технического состояния роторных механизмов на исправное и неисправное, а также обеспечивает простоту получения результата и решает поставленную задачу повышения полноты и достоверности диагностирования технического состояния роторных механизмов путем сравнения мер расстояния между точкой текущих значений коэффициентов полинома диагностируемого механизма и центрами эллипсов рассеивания точек, соответствующих исправному или неисправному состоянию роторных механизмов.
Литература
1. ГОСТ Р 8.736-2011 - ИЗМЕРЕНИЯ ПРЯМЫЕ МНОГОКРАТНЫЕ. Методы обработки результатов измерений. Основные положения.
2. Пат. РФ №2378633 C1, G01M 17/08; Заявлено от 26.09.2008.
3. Пат. РФ №2153660 C1, G01M 13/04; Заявлено от 27.07.2000.
4. Заявка на изобретение №2016146038/06(073907) от 23.11.2016.
5. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969.
6. Румшинский Л.З. Элементы теории вероятностей. М.: Наука, 1976.