Способ диагностики механизмов, агрегатов и машин на основе оценки микровариаций вращения вала
METHOD OF DIAGNOSTICS OF MECHANISMS, UNITS AND MACHINES BASED ON ESTIMATION OF MICROVARIATIONS OF SHAFT ROTATION

Изобретение относится к области неразрушающего контроля механических изделий и может быть использовано для диагностики состояния механизмов, агрегатов и машин, составной частью которых являются элементы, совершающие вращательное движение: валы, шестерни, подшипники, роторы турбин, двигателей, генераторов и другие детали.
Неразрушающая диагностика для такого рода изделий обычно выполняется на основе регистрации и последующего анализа сигналов, получаемых с виброакустических датчиков, установленных на корпусе контролируемого механизма или агрегата. Целью анализа сигналов является выявление информативных признаков дефектов, на основе которых можно было бы делать вывод о состоянии исследуемого изделия. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является метод частотного анализа сигналов с вибродатчиков, основанный на оценивании частот и амплитуд гармонических компонент вибраций (Голованов В.В., Василенко В.Г., Земсков А.А., Панов С.С., Емельянова А.А. «Методы и средства диагностики авиационных приводов при их эксплуатации по техническому состоянию», Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева, 2015 г, том 14, №3, часть 1 - С. 213-220). Информативным признаком наличия дефекта является появление новых спектральных компонент ,обычно слабо выраженных в спектре исследуемого сигнала. Недостатками этого метода является необходимость выполнения дискретного преобразования Фурье большой размерности, позволяющего обеспечить разрешение частотных составляющих сигнала, что требует больших вычислительных ресурсов, а также сложность выделения низкоамплитудных гармонических компонент, порожденных дефектом, при наличии шумов.
Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры выявления дефекта за счет применения нового информативного признака и снижение необходимых вычислительных затрат.
Технический результат обеспечивается тем, что на валу контролируемого изделия устанавливают датчик оборотов, генерирующий при вращении вала импульсы при значениях угла ϕ=360/N⋅i, где N - целое число, i=0, 1, 2, … - номер импульса, таким образом при вращении вала с постоянной угловой скоростью датчик выдает импульсную последовательность с постоянными межимпульсными интервалами, наличие дефекта приводит к возникновению микровариаций вращении вала и, следовательно, к вариациям межимпульсных интервалов в импульсной последовательности, генерируемой датчиком; из импульсной последовательности, генерируемой датчиком, с помощью порогового устройства формируют стандартную последовательность единичных импульсов и последовательность, прореженную в целое число раз с помощью делителя частоты, затем производят измерение временных интервалов между импульсами исходной последовательности или прореженной последовательности, после этого для стандартной или прореженной последовательности находят среднеквадратичное отклонение значений интервалов между импульсами от среднего значения, и если зафиксированное среднеквадратичное отклонение выше определенного порога, то делают заключение о наличии у изделия дефекта.
Производят измерение временных интервалов между импульсами стандартной последовательности и последовательностями, получаемыми из стандартной ее прореживанием в целое число раз с помощью делителя частоты, затем для стандартной и прореженных последовательностей находят свои среднеквадратичные отклонения значений межимпульсных интервалов от их средних значений и заключение о наличии у изделия дефекта производят по совокупности всех полученных среднеквадратичных отклонений.
Дополнительное оценивание микровариаций вращения вала производят на основе гистограмм межимпульсных интервалов стандартной и прореженных последовательностей единичных импульсов, предоставляющих дополнительную информацию о микровариациях вращения вала, проявляющуюся, например, в наличии у гистограммы характерной формы, асимметрии, протяженных хвостов или нескольких пиков.
На фиг. 1 представлена блок-схема, поясняющая процесс оценивания микровариаций вращения входного вала.
На фиг. 2 приведены межимпульсные интервалы исправного (1) и неисправного (2) редукторов.
1 - датчик оборотов, 2 - блок формирования стандартной последовательности единичных импульсов, 3 - делитель частоты импульсов с целочисленным коэффициентом деления М=2, 3, 4, …, 4 - блок определения среднего межимпульсного интервала и среднеквадратичного отклонения межимпульсного интервала от среднего значения, 5 - блок построения гистограммы.
n - число импульсных интервалов длительностью Т, выраженной в мс.
Технический результат достигается выполнением следующей последовательности операций обработки сигнала s(t) с датчика оборотов, генерирующего при вращении вала импульсы при значениях угла ϕ=360/N⋅i, где N - целое число, i=0, 1, 2, … - номер импульса:
1. С помощью порогового элемента сигнал s(t) преобразуется в стандартную последовательность единичных импульсов
,
0
возникающих в моменты пересечения порогового уровня h передним фронтом импульсов, создаваемых датчиком оборотов.
i
i+1
i
2. В стандартной последовательности p(t) производят измерение межимпульсных интервалов T=t-t, где i - номер импульса p(t).
i
i
3. По значениям T находят средний межимпульсный интервал  и среднеквадратичное отклонение σ интервалов T от среднего значения .
M
4. Из последовательности p(t) получают прореженную импульсную последовательность P(t), сохраняя импульсы кратные М=2, 3, 4, … последовательности.
M
M
4. Для p(t) находят средний межимпульсный интервал  и среднеквадратичное отклонение от него σ, для более точного выявления и локализации дефекта.
M
5. По превышении величин σ и σ некоторого значения делается вывод о наличии дефекта в диагностируемом изделии.
M
6. Наконец, для целей диагностики могут быть использованы гистограммы межимпульсных интервалов последовательностей p(t) и р(t), предоставляющие дополнительную информацию о микровариациях вращения вала, проявляющуюся, например, в наличии у гистограммы характерной формы, асимметрии, протяженных хвостов, нескольких пиков и т.д.
Применение предлагаемого способа к реальной задаче диагностики редуктора при установке на его входном валу датчика оборотов при параметрах N=3 и N=6 показало его эффективность, так в случае неисправного редуктора величина σ была в 2,57 раза больше, чем в случае исправного редуктора. Это свидетельствует о том, что амплитуда микровариаций вращения вала редуктора является хорошим информативным диагностическим признаком. Дополнительное подтверждение справедливости этого вывода демонстрируют гистограммы межимпульсных интервалов для исправного и неисправного редукторов, приведенные на фиг. 2, наличие неисправности отражается в расширении пика гистограммы, при этом смещение пиков не является признаком наличия неисправности и вызвано различием средних скоростей вращения вала при проведении испытаний.
Использование предлагаемого способа при диагностике роликовых подшипников на стенде, с датчиком оборотов с N=24 и параметре М=1 также подтвердило его эффективность. В этом случае величина σ для подшипников с дефектами была примерно в 1,8 раза больше, чем у исправных подшипников.
Таким образом, приведенные выше данные позволяют заключить, что предложенный способ может быть использован для диагностики редуктора и подшипников. При этом в сравнении с методами вибродиагностики, основанными на использовании частотного анализа, предложенный способ не требует больших вычислительных ресурсов.