Приемо-преобразовательный модуль многоканального комплекса диагностики оборудовани
RECEIVING AND CONVERTING MODULE OF THE MULTICHANNEL COMPLEX OF EQUIPMENT DIAGNOSTICS

Изобретение относиться к машиностроению и может быть использовано для диагностики технического состояния подшипниковых узлов качения и скольжения и зубчатых передач оборудования нефтяной, газовой, химической, горнодобывающей и другой промышленности, в энергетике и на транспорте в составе многоканальных стационарных комплексов или бортовых систем.
Из уровня техники известно устройство для диагностики неисправностей технического оборудования, включающее стетоскоп, состоящий из звукоприемной головки с мембраной и стержнем, звукопровода и оголовья с «оливой», микрофон, установленный вместо одной из «олив», предназначенный для регистрации звукового сигнала, и пьезокерамический датчик детонации, зафиксированный с помощью элемента крепления на корпусе диагностируемого технического оборудования, предназначенный для регистрации вибрационного сигнала, подключенные проводами к разъему для микрофона персонального компьютера, на котором установлена программа обработки звукового сигнала (см. Патент RU 127906, опубликован 10.05.2013).
Недостатком известного решения являются сложность устройства, отсутствие возможности определения размеров единичного дефекта контролируемого узла технического оборудования.
Наиболее близким решением к заявленному изобретению является устройство для диагностики оборудования, содержащее снабженный датчиком температуры, пассивным низкочастотным фильтром, усилителем заряда и нормирующим усилителем первичный преобразователь вибрации, последовательно соединенный с вторичным преобразователем, содержащим первый буферный каскад, соединенный с первым преобразователем постоянного напряжения в ток, пропорциональный фильтр, последовательно соединенный со вторым буферным каскадом, и узкополосный фильтр, второй буферный каскад параллельно соединен с фильтром верхних частот и с полосовым фильтром, а узкополосный фильтр последовательно соединен со вторым пиковым детектором и детектором средних значений (см. Патент RU 2654996, опубликован 23.05.2018).
Недостатком наиболее близкого решения являются сложность конструкции устройства, отсутствие схемы контроля определения размеров единичного дефекта контролируемого узла (подшипника или зубчатой передачи в зависимости от типа подшипника и условий работы), а также степени износа узла.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является упрощение конструкции устройства при повышении надежности его работы.
Техническим результатом изобретения является повышение точности передачи данных, повышение точности и достоверности диагностики и контроля износа подшипников и зубчатых передач.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что приемо-преобразовательный модуль содержит корпус, внутри которого расположены преобразователь акустико-эмиссионных сигналов (ПАЭС), блок преобразования аналоговых сигналов в цифровые (БПАСЦ), блок питания (БП), а также блок управления и обработки информации (БУОИ), соединенный с интерфейсным блоком USB (USB) и/или с модулем беспроводной связи (МБС), при этом выход ПАЭС соединен с первым входом БПАСЦ, выход которого соединен с первым входом БУОИ, причем БУОИ выполнен с возможностью управления временем передачи измеренных параметров и временем паузы при соотношении времени передачи к времени паузы в соответствии с программой, установленной для каждого диагностируемого подшипника или зубчатой передачи в соотношении 1/1 до 1/1000, а также с возможностью управления коэффициентом усиления аналоговых сигналов в БПАСЦ в цифровые сигналы, при этом приемо-преобразовательный модуль содержит цифровой датчик оборотов, устанавливаемый на контролируемом узле, выход которого соединен с входом интерфейсного блока USB и/или с входом в МБС, причем вход БП соединен с выходом линии питания USB и/или с разъемом питания, первый выход БП соединен со вторым входом БПАСЦ, а второй выход БП соединен со вторым входом БУОИ, выход интерфейсного блока USB и/или выход МБС соединен с интерфейсным блоком компьютера.
Кроме того, БПАСЦ может включать последовательно соединенные усилитель, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом вход усилителя объединен с первым входом БПАСЦ, а выход АЦП объединен с выходом БПАСЦ.
Кроме того, полосовой фильтр представляет собой, преимущественно, фильтр верхних частот в диапазоне от 50 до 500 кГц.
Кроме того, МБС может быть выполнен в виде Wi-Fi модуля.
Изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема приемо-преобразовательного модуля; на фиг. 2 показана схема соединения нескольких приемо-преобразовательных модулей в составе комплекса диагностики.
Приемо-преобразовательный модуль многоканального комплекса диагностики оборудования представляет собой измерительный модуль и содержит корпус 1, внутри которого расположены последовательно соединенные преобразователь 2 акустико-эмиссионных сигналов (ПАЭС), блок 3 преобразования аналоговых сигналов в цифровые (БПАСЦ) и блок 4 управления и обработки информации (БУОИ). Также внутри корпуса 1 расположены блок 5 бесперебойного питания (БП), интерфейсный блок 6 USB (блок USB) и/или модуль 7 беспроводной связи (МБС), выполненный в виде Wi-Fi модуля (блок Wi-Fi). В вариантном исполнении изобретения внутри корпуса 1 могут быть одновременно размещены и блок 6 USB и МБС 7, либо только блок 6 USB, либо только МБС 7 в зависимости от того, какой тип связи необходимо обеспечить при соединении и использовании предложенного приемо-преобразовательного модуля с компьютером 8 (проводной или беспроводной, или оба типа связи, например, с разными компьютерами).
Блок 6 USB и МБС 7 (или один из них в случае, если в состав приемо-преобразовательного модуля входит только блок 6 USB или только МБС 7) соединены с БУОИ 4, при этом они могут быть выполнены на единой печатной плате (в корпусе одной микросхемы). Соединение может быть организовано так, что первый выход БУОИ 4 соединен с входом блока 6 USB, а второй выход БУОИ 4 соединен с МБС 7.
БПАСЦ 3 включает в себя последовательно соединенные усилитель 9, полосовой фильтр 10 и аналого-цифровой преобразователь 10 (АЦП). полосовой фильтр 10 представляет собой фильтр верхних частот в диапазоне от 50 до 500 кГц.
Связь компонентов, входящих в приемо-преобразовательный модуль и расположенных внутри корпуса 1 осуществлена следующим образом.
Выход ПАЭС 2 соединен с первым входом БПАСЦ 3, выход БПАСЦ 3 соединен с первым входом (сигнальным входом) БУОИ 4. Выход усилителя 9 соединен с входом полосового фильтра 10, а выход полосового фильтра 10 соединен с входом АЦП 11. При этом вход усилителя 10 объединен с первым входом БПАСЦ 3, а выход АЦП 11 объединен с выходом БПАСЦ 3.
Вход БП 5 соединен с выходом линии питания блока 6 USB и/или с разъемом 12 питания. В случае если в составе приемо-преобразовательного модуля не используется блок 6 USB, то наличие разъема 12 питания является обязательным для обеспечения питания БПАСЦ 3 и БУОИ 4 от независимого внешнего источника питания. При наличии в приемо-преобразовательном модуле блока 6 USB разъем 12 питания может присутствовать в составе приемо-преобразовательного модуля, а может отсутствовать (по необходимости), при этом питание БПАСЦ 3 и БУОИ 4 может осуществляться как от линии питания блока 6 USB, так и от разъема 12 питания (при его наличии).
Первый выход БП 5 соединен со вторым (питающим) входом БПАСЦ 3, а второй выход БП 5 соединен со вторым (питающим) входом БУОИ 4.
При использовании предложенного приемо-преобразовательного модуля для контроля диагностируемых узлов, входящих в состав оборудования, работающего с переменными оборотами, приемо-преобразовательный модуль может также содержать цифровой датчик 13 оборотов, выход которого соединен с входом интерфейсного блока 6 USB и/или с входом в МБС 7 (т.е. может быть либо одновременно соединен с блоком 6 и МБС 7, либо только с блоком 6, либо только с МБС 7, даже если в состав приемо-предобразовательного модуля входят и блок 6 и МБС 7). При контроле диагностируемых узлов оборудования, работающего на постоянных оборотах цифровой датчик 13 может отсутствовать. Цифровой датчик 13 оборотов устанавливается на контролируемом узле (подшипнике или редукторе).
При использовании приемо-преобразовательного модуля в составе многоканального комплекса диагностики оборудования, для соединения приемо-преобразовательного модуля с компьютером 8 и передачи параметров от контролируемого узла используются следующие элементы комплекса: компьютер 8, сетевой концентратор 14 и маршрутизатор 15. При этом выход интерфейсного блока 6 USB соединен с входом блока концентратора 14, а выход блока концентратора 14 соединен с интерфейсным блоком компьютера 8. Блок 7 Wi-Fi (выход) связан с блоком маршрутизатора 15 (с входом), а выход блока маршрутизатора 15 соединен с интерфейсным блоком компьютера 8. Соединение блока 6 USB и МБС 7 с концентратором 14 и маршрутизатором 15 необходимы для связи и управления с компьютером 8 комплекса и передачи параметров акустико-эмиссионных сигналов в цифровой форме с возможностью изменения длительности времени передачи сообщения и паузы в соответствии с программой, установленной для каждого диагностируемого подшипника или зубчатой передачи.
При одновременном контроле нескольких диагностируемых узлов оборудования используется несколько параллельно соединенных (подключенных) приемо-преобразовательных модулей (каналов стационарного комплекса диагностики).
Блок 6 USB позволяет подключить приемо-преобразовательный модуль посредством проводного соединения к компьютеру 8. МБС 7 позволяет осуществить дистанционное беспроводное подключение приемо-преобразовательного модуля к компьютеру 8, в результате чего обеспечивается возможность контроля диагностируемых узлов оборудования, находящегося на любых расстояниях от пользователей, и передачи информации о результатах контроля любым конечным пользователям диагностического комплекса на их компьютеры, расположенные на значительных расстояниях от контролируемых узлов оборудования.
БУОИ 4 выполнен с возможностью осуществления вычислительных операций, с возможностью управления временем передачи измеренных параметров и временем паузы (с возможностью изменения длительности времени передачи сообщения и паузы в соответствии с программой, установленной для каждого диагностируемого подшипника или зубчатой передачи в соотношении 1/1 до 1/1000), а также с возможностью управления коэффициентом усиления аналоговых сигналов в БПАСЦ 3 в цифровые сигналы. Кроме того, скорость оцифровки в БПАСЦ 3 аналоговых акустико-эмиссионных сигналов в цифровые не менее 1 Мбит/сек.
Предложенный приемо-преобразовательный модуль работает следующим образом. Далее рассмотрен пример работы приемо-преобразовательного модуля, который установлен на контролируемом подшипниковом узле (подшипнике 16). При этом следует понимать, что аналогичная работа осуществляется также при контроле любых иных узлов оборудования (например, зубчатые передачи и т.п.).
Приемо-преобразовательный модуль устанавливают на контролируемом подшипнике 16. При этом датчик ПАЭС 2 расположен на наружной стороне корпуса подшипника 16.
В процессе работы подшипника 16 акустико-эмиссионные сигналы, которые генерирует действующий подшипник 16, преобразуются в ПАЭС 2 в электрические сигналы и после усиления в усилителе 9 поступают в полосовой фильтр 10. Выделенные после фильтрации сигналы поступают на вход АЦП 11, где аналоговые сигналы преобразуются в цифровые. После АЦП 11 значения электрических сигналов в цифровом виде поступают на первый вход БУОИ 4. В БУОИ 4 происходит управление коэффициентом усиления и формирование за время Тоб - не менее одного оборота подшипника 16 (или зубчатой передачи) пакета акустико-эмиссионных параметров:
N - число зарегистрированных импульсов дискретной акустической эмиссии за интервал времени наблюдения,
Nпр. - число зарегистрированных превышений импульсами акустической эмиссии установленного уровня дискриминизации за интервал времени наблюдения,
Амак - величина амплитуд выброса максимальных сигналов акустической эмиссии, следующих последовательно и неразрывно по времени, но за время не более одного оборота подшипника 16 (зубчатой передачи).
Атек - значение величины амплитуд сигналов акустической эмиссии до выброса максимальных акустико-эмиссионных сигналов, но за время не более одного оборота подшипника 16 (зубчатой передачи).
Tмак - время длительности выброса сигналов акустической эмиссии с максимальной амплитудой, следующих один за другим неразрывно по времени,
Тин.выб. - интервал времени между максимальными неразрывными по времени выбросами сигналов акустической эмиссии за период не более одного оборота подшипника 16 (зубчатой передачи).
На основании полученных параметров в компьютере 8 по расчетной формуле, указанной в Патенте RU 2239809, производиться определение механического разрушения (дефекта) подшипника (размер дефекта).
Также на основании полученных параметров в компьютере 8 по расчетной формуле, указанной в Патенте RU 2337340, производится определение механического разрушения (дефекта) зубчатой передачи (размер дефекта).
Важно обратить внимание на то, что для унифицированных приемо-преобразовательных модулей функция регулирования коэффициента усиления в БПАСЦ 3 в зависимости от скорости вращения или изменения скорости вращения подшипника или зубчатой передачи является одной из главных для высокой достоверности при диагностике.
Пример:
Скоростной поезд отправляется от вокзала и скорость от 30 км/час возрастает на прямолинейном участке пути в 10 раз до 300 км/час, пропорционально более чем в 10 раз возрастают величины амплитуд выброса максимальных сигналов акустической эмиссии следующих последовательно и неразрывно по времени работающих подшипников и зубчатых передач, величины измеренных амплитуд превышают максимальные уровни измерения прежних диапазонов, в этом случае выбор в автоматическом режиме диапазона позволяет сохранить точность измерения и повышает достоверность диагностики.
Второй главной функцией БУОИ 4 является управление периодом (временем) передачи сообщения и периодом паузы. Управление режимом передачи сообщения - Тпер. и периодом паузы - Тп. в соотношении от 1/10 до 1/100 и более предназначено для экономии информационных ресурсов компьютера 8 комплекса.
Пример:
Стационарный (бортовой) комплекс диагностики грузового состава из 70 вагонов контролирует установленными приемо-преобразовательными модулями техническое состояние 560 буксовых узлов колесных пар, при этом каждый модуль передает в компьютер 8 не менее 1 Мбит/сек. Соответственно за время в пути 60 часов в компьютер 8 комплекса загружается не менее 120 960 Гбит информации.
При этом анализ эксплуатационных показателей технического состояния буксовых узлов грузовых вагонов показывает:
87% буксовых узлов в исправном техническом состоянии или зарождения незначительных дефектов;
12,7% буксовых узлов недостаток смазки или ухудшение качества смазки, включая попадание механических примесей и (или) воды и (или) развития механических повреждений и дефектов;
0,3 - 0,2 % буксовые узлы со значительными механическими дефектами или проблемами смазки, требующие проведения ремонта.
Исправный, новый буксовый кассетный подшипник рассчитан на 800 тыс. км пробега и соответственно его не требуется мониторить с частотой 0.1 - 0,2 сек., но для подшипника с развивающимся значительным механическим повреждением частота опроса - паузы и передачи Тп/Тпер параметров технического состояния в соотношении 1/10 является оптимальной.
Для распознавания режимов передачи информации от каждого подшипникового узла или зубчатой передачи вводится параметр Кизн. - коэффициент износа подшипника или зубчатой передачи.
Расчет производится, исходя из параметра Дизм.
Дизм. = Амак. + Атек.
и параметра Дмак. - максимально допустимого значения амплитуд сигналов акустической эмиссии подшипника или зубчатой передачи с недопустимым механическим дефектом для эксплуатации для данного типа и скорости вращения, установленного при стендовых испытаниях узлов.
Исправный, стабильно работающий подшипник или зубчатая передача определяется компьютером 8 комплекса при значении коэффициента износа Кизн. не более 25% и соотношение Тпер./Тп. не менее 1/100.
При значении Кизн. от 25% до 90% соотношение Тпер./Тп. не менее 1/30, что соответствует зоне зарождения механических микроповреждений, недостатку или ухудшению качества смазки узла и постепенному переходу к нестабильной работе.
При коэффициенте износа Кизн. больше 90% соотношение Тпер./Тп. не более 1\10, подшипник или зубчатая передача определяется как недопустимые к эксплуатации и компьютер 8 комплекса передает рекомендации ответственному за эксплуатацию оборудования должностному лицу или диспетчеру по остановке оборудования с аварийным узлом для проведения ремонтных работ.
К параметрам технического состояния подшипникового узла или зубчатой передачи, которые передаются по каждому каналу - приемо-преобразовательному модулю в компьютере 8 комплекса указывается:
- место, наименование и номер контролируемого узла;
- наименование, схема и номер контролируемого оборудования;
- наименование и номер участка или цеха, или станции, или депо;
- текущая дата и время.
Предложенный приемо-преобразовательный модуль представляет собой компактное малогабаритное устройство и может иметь размеры 30/30/40 мм. (или иные размеры, при необходимости).
Крепление приемо-преобразовательного модуля на контролируемом узле может быть резьбовое или любое иное.
Данные приемо-преобразовательного модуля о техническом состоянии подшипниковых узлов или зубчатых передачах оборудования передаются проводным или беспроводным способом (или одновременно и проводным и беспроводным) в компьютер 8 комплекса, отображаются на дисплее компьютера 8 и направляются обслуживающему персоналу или диспетчерской, или технологической службе для принятия мер и безопасной его эксплуатации.
Предложенный компактный приемо-преобразовательный модуль позволяет исключить необходимость использования промежуточных и иных аналитических блоков, он обеспечивает прямую передачу измеренных параметров на компьютер 8.
При этом прямое соединение ПАЭС 1, установленного на контролируемом узле, через БПАСЦ 3 и БУОИ 4 с компьютером 8 обеспечивает исключение потерь при передаче сигналов, в результате чего повышается точность и достоверность диагностики и контроля износа подшипников и зубчатых передач, обеспечивается возможность определения размеров единичного дефекта контролируемого узла и его месторасположения в узле. Также такое выполнение приемо-преобразовательного модуля с возможностью прямого соединения с компьютером 8 обеспечивает высокую скорость обработки контролируемых параметров.