Костюков В.Н., Науменко А.П. Практические основы виброакустической диагностики машинного оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

1. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Основными задачами диагностирования состояния машинного оборудо-

вания являются [1-8]:

определение технического состояния, в котором находится оборудо-

вание в прошлом (генезис), настоящем (диагноз) и будущем (прогноз);

поиск места и определение причин неисправности;

контроль технического состояния, т.е. определение вида технического

состояния. Видами технического состояния являются исправное и неисп-

равное, работоспособное и неработоспособное и т.д.

Решение этих задач необходимо для организации технического обслу-

живания оборудования по фактическому техническому состоянию вместо

обслуживания по ресурсу и реализации безопасной ресурсосберегающей

эксплуатации оборудования всех отраслей народного хозяйства.

Механизм формирования виброакустического сигнала и алгоритм ана-

лиза его параметров может быть представлен блок-схемой (рис. 1.1).

Наиболее жесткие требования в плане точности оценки параметров виб-

роакустического сигнала, которая связана с общей длиной T

временной ре-

ализации, предъявляет спектральная плотность любого процесса. Анализ

составляющих, которые определяют величину нормированной среднеквад-

ратичной ошибки спектральной оценки [32], показывает, что случайная часть

нормированной среднеквадратичной ошибки спектральной оценки зависит от

общей длины реализации T

и разрешения по частоте В

(в предположении, что

спектральная плотность мало меняется в пределах полосы частот шириной В

и что процесс является гауссовым). Это означает, что длина реализации, требу-

емая для получения такой спектральной оценки с заданной нормированной

среднеквадратичной ошибкой (СКО) e

оценки, определяется в виде

εB

T =

(1.1)

где В

– разрешающая способность по частоте - известный параметр рас-

четного метода, а не подлежащий определению параметр процесса.

При осреднении по частотам L и отрезкам n

реализации СКО e

оценки

связана с разрешающей способностью по частоте В

=e=

;

=e=

;

///

=e=

;

2///

///

)(εB

T =

(1.2)

где B

, B

///

– разрешающая способность по частоте при осреднении по

отрезкам, частотам, совместно по отрезкам и частотам соответственно.

При спектральном анализе требуется определить шаг по частоте и макси-

мальную частоту спектра. Последняя называется частотой Найквиста. Общая

длина реализации для вычисления преобразования Фурье определяется как

tNT

(1.3)

тогда максимальная частота спектра

D×=

(1.4)

Следовательно, шаг по частоте (Df) можно определить по формуле:

tNt

112

=×

(1.5)

Обычно максимальная частота спектра (с учетом аппаратурных особен-

ностей) составляет до 80% от частоты Найквиста

D×=

(1.6)

Значение N/2 определяет число спектральных линий. Частота дискрети-

зации:

(1.7)

Один из важных вопросов, который является общим для всех классиче-

ских методов спектрального оценивания, связан с применением функции окна

или весовой функции. Обработка с помощью окна используется для управ-

ления эффектами, обусловленными наличием боковых лепестков в спек-

тральных оценках. Таким образом, основное назначение весовой функции –

уменьшить величину смещения (или дисперсии) спектральной оценки.

Отсутствие весовой функции при конечной длине реализации равносиль-

но применению прямоугольной весовой функции. Прямоугольная весовая

функция не оптимальна при анализе стационарных сигналов, в частности

сигналов, содержащих дискретные составляющие, ввиду потенциальной

разрывности на концах обрабатываемой последовательности. Более эффек-

тивная весовая функция при анализе стационарных сигналов должна иметь

нулевые значения на обоих концах и плавно изменяющиеся значения задан-

ной длины реализации анализируемого сигнала.

Источники вибраций:

зазоры, погрешности изготовления, сборки и монтажа кинематических

пар и сопряжений, переменность и цикличность рабочих нагрузок,

дисбаланс и несоосность вращающихся деталей и т.д.

Гармонические вынуждающие

воздействия

Импульсные (ударные)

вынуждающие воздействия

Передающая среда:

звенья кинематических цепей, детали крепления, корпус и т.д.

Свободные затухающие колебания

передающей среды

Вынужденные незатухающие

колебания передающей среды

Часть поверхности корпуса, к котор

ой крепится датчикодержатель

Колебательная система корпус

датчик с элементами крепления

Чувствительный элемент вибродатчика

Система регистрации и анализа

Спектр

Временная реализация

Спектр огибающей

Кепстр

Характеристики

стохастических

процессов

Характеристики

детерминированных

процессов

Шум

(трение)

Экспертная система, сохранение данных и трендов

Рис. 1.1. Алгоритм формирования и анализа вибросигналов

Параметры различных весовых функций приведены в табл. 1.1.

Стратегия выбора окна диктуется компромиссом между смещением из-

за помех в области близких боковых лепестков и смещением из-за помех

в области дальних боковых лепестков.

Таблица 1.1

Характеристики окон

Окно h, дБ v, дБ/окт

0,71

0,99

h, дБ

Прямоугольное (Дирихле) -13,3 -6 (1/f) 1,00 1,00 1,00 3,9

Треугольное (Бартлетта) -26,5 -12 (1/f

) 1,33 1,33 1,33

Ханна -31,5 -18 (1/f

) 1,50 1,50 1,50 1,4

Хемминга -43 -6 (1/f) 1,36 1,36 1,36 1,8

Наттолла (r=3) -98 -6 (1/f) 1,80 1,80 1,80

Блэкмана -58,2 -18 (1/f

) 1,73 1,73 1,73

Гаусса (

=2.5)

-42 -6 (1/f) 1,39 1,39 1,39 0,9

Равноволновое (Чебышева

при

=50 дБ)

-50 0 1,39 1,39 1,39 <0,01

Примечание: h – максимальный уровень боковых лепестков; v – скорость спада

амплитуды боковых лепестков;

– ширина основного лепестка по уровню (h) бо-

ковых лепестков;

0,71

– ширина основного лепестка по уровню 0,71 (т.е. при спаде

АЧХ на 3 дБ);

0,99

– ширина основного лепестка по уровню 0,99 (т.е. при спаде

АЧХ на 1 %);

h – максимальная погрешность амплитуды; r,

– коэффициен-

ты, изменяя которые, можно в некоторых пределах изменять параметры окон.

Например, если достаточно сильные компоненты сигнала расположены

вблизи и на отдалении от слабой компоненты сигнала, то следует выбирать

окно с одинаковым уровнем боковых лепестков около главного лепестка, с

тем чтобы обеспечить малое смещение (рис. 1.2а). Если же имеется одна

сильная компонента, удаленная от слабой компоненты сигнала (рис. 1.2б),

то следует выбирать окно с быстро спадающим уровнем боковых лепест-

ков, причем их уровень в непосредственной близости к главному лепестку в

данном случае не имеет большого значения.

В том случае, когда необходимо обеспечить высокое разрешение между

очень близкими компонентами сигнала и удаленные компоненты отсутст-

вуют, вполне приемлемым может оказаться окно даже с увеличивающимся

уровнем боковых лепестков (рис. 1.2в).

Если динамический диапазон сигнала ограничен, то характеристики бо-

ковых лепестков не имеют особого значения, и поэтому можно выбрать ок-

но, которое проще для численной реализации. Если спектр сигнала относи-

тельно гладок, то можно вообще не применять окна.

а б в

Рис. 1.2. Стратегия выбора окна: а – окно со слабо изменяющимся

уровнем боковых лепестков при наличии близкой и удаленной помехи;

б – окно с быстроспадающим уровнем боковых лепестков при наличии сильной

удаленной помехи; в – нетрадиционное окно специальной формы

с малым ближним и возрастающими дальними боковыми лепестками

при наличии очень близкой помехи.

2. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ДЕФЕКТОВ

И НЕИСПРАВНОСТЕЙ МЕХАНИЗМОВ

2.1. Зубчатые передачи

Мультипликаторы и редукторы имеют зубчатые передачи. Техническое

состояние любой, даже практически идеально изготовленной зубчатой пары

может быть оценено в процессе работы при помощи анализа вибросигналов.

В спектре вибраций неповрежденной зубчатой передачи достаточно

четко выражена частота зубчатого зацепления, равная произведению числа

зубьев на частоту вращения зубчатого колеса, ее гармоники. В новых пере-

дачах по мере прирабатывания, или сглаживания зубьев, уровень этой со-

ставляющей обычно снижается. Затем, при дальнейшем развитии износа

амплитуды зубцовых гармоник могут возрастать или уменьшаться. Их уро-

вень зависит также от соосности валов зубчатых колес.

Амплитуда гармоники на частоте зубозацепления обычно очень чувст-

вительна к нагрузке. Высота пика частоты зацепления на спектре зависит

от достаточно многих параметров, основными из которых являются: