Содержание:
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗАРОЖДАЮЩИХСЯ ДЕФЕКТОВ.
Зарождение и развитие дефектов с монотонным нарастанием степени деградации узла механизма на конечном временном интервале, как правило, сопровождается слабыми изменениями виброакустических процессов, фактически не влияющими на энергетические характеристики вибросигналов, сформированных спектром вынужденных и собственных частот функционирующего механизма
. Отсюда вытекает специфика методов диагностирования зарождающихся дефектов, заключающаяся в использовании способов измерения и обработки виброакустической информации, направленных на повышение чувствительности характеристики вибросигнала к диагностируемому дефекту и отстройки от помех. Способы формирования диагностических признаков зарождающихся дефектов в основном базируются на выделении потока акустических импульсов, возникающих при попадании локального дефекта в зону контакта взаимодействующих деталей и распространяющихся по конструкциям механизма со скоростью звука.
Наибольшее распространение получил метод ударных импульсов “SPM” (Shock Pulse Method), разработанный и запатентованный шведской фирмой “SKF” для диагностирования подшипниковых узлов.
Метод основан на том, что вследствие отклонений формы и размеров деталей от идеальной подшипники качения уже в состоянии поставки (т
. е. в исправном состоянии) работают с механическими ударами, интенсивность которых значительно возрастает при повреждениях. В точке удара тела качения о кольцо подшипника возникают ударные, быстро затухающие в теле обоймы подшипника волны сжатия. Для оценки состояния подшипникового узла используется специально разработанный датчик, устанавливающийся непосредственно на корпусе подшипника. Специфика метода заключается в том, что измерение числа ударных импульсов в единицу времени производится на резонансной частоте датчика в начальной фазе удара. Резонансная частота акселерометра (≈32 кГц) выбирается такой, чтобы она отличалась от частот возможных резонансов механической системы.Сигнал с пьезодатчика подается на детектор повреждений, снабженный регулируемым пороговым устройством и “логикой времени”, исключающими ложный сигнал при случайных внешних ударах. С детекторов повреждений сигналы подаются на центральный пульт, оснащенный системой сигнализации.
По данным фирмы “SKF” система диагностирования, построенная на принципе измерения числа ударных импульсов на резонансной частоте акселерометра, зарекомендовала себя как система с достаточно большой помехоустойчивостью благодаря установке датчика непосредственно на корпусе диагностируемого подшипника и высокой динамической чувствительностью из-за работы на резонансе датчика
.Вместе с тем эта система не лишена недостатков, главный из которых состоит в том, что повреждения различных деталей подшипника и различных кинематических звеньев редуктора вызывают появление однотипных импульсов в вибросигнале, различить которые можно только по величине амплитуды, что затрудняет идентификацию поврежденного звена.
Суть резонансного метода заключается в том, что исследуется поведение спектра огибающей вибросигнала в узкой полосе частот в окрестности резонансной частоты акселерометра и выделяется информация не только об амплитуде ударных импульсов, но и о частоте их повторения, т. е. создается привязка к дефектному узлу механизма
. Фактор динамического усиления на собственной частоте вибропреобразователя, равный ≈100, позволяет отстроиться от помех, вызванных работой механизма, путем смещения резонансной частоты в зону 30-100 кГц, достаточно удаленную от зоны вынужденных и собственных частот механизма. Этот метод используется в основном для раннего обнаружения эксплуатационных дефектов (типа выкрашивания) подшипников качения и зубчатых механизмов.Модификацией резонансного метода, обеспечивающего исключительно высокое отношение сигнал/помеха и не требующего дорогостоящих тарировочных экспериментов, является метод обнаружения зарождающихся дефектов по спектру амплитудной огибающей вибросигнала на резонансной частоте датчика в зоне до 500 кГц
.Основной идеей этого и упомянутого выше метода является то, что динамические явления, вызванные взаимодействием поврежденных контактирующих поверхностей в процессе функционирования механизмов, порождают амплитудную модуляцию вибросигнала, которая проявляется на всех частотах, в том числе в области частот, лежащей выше области основного акустического излучения
.Используя полосовой фильтр, имеющий несущую частоту 25 кГц < fн < 500 кГц, получают узкополосный случайный высокочастотный процесс. В случае повреждения, например, подшипника несущая частота будет модулироваться частотой прохождения тел качения через ямку выкрашивания. Производя детектирование этого сигнала с последующей спектральной обработкой, получают спектр огибающей, который будет иметь составляющие на частоте повторения повреждения и ее гармониках. Считается, что сравнение спектров огибающей в высокочастотной области во время работы обеспечивает надежное диагностирование повреждений контактирующих поверхностей. Для получения высокочастотных сигналов специально разработан акселерометр, имеющий собственную частоту, позволяющую выбирать несущую частоту фильтра до 500 кГц включительно.
К достоинству этого метода следует отнести обеспечение достаточно высокого отношения сигнал/шум
. Этот метод позволяет обнаруживать возникновение выкрашивания контактирующих поверхностей зубьев, тел и дорожек качения, усталостной трещины в основании зуба. Однако следует сказать, что метод не позволяет обнаружить выкрашивание на одном зубе и усталостную трещину для зубчатых передач, имеющих коэффициент перекрытия больше 2.0.Разновидностью резонансного метода, позволяющего использовать стандартную виброизмерительную и анализирующую аппаратуру для целей раннего обнаружения дефектов контактирующих поверхностей, является метод анализа огибающей вибросигнала на одной из резонансных частот самого механизма. Предпочтительна настройка системы диагностирования на собственную частоту узла механизма, но это условие не является обязательным, поскольку механическая система откликается на ударное возмущение на всех собственных частотах механизма.
Метод заключается в том, что с помощью операции клиппирования или синхронной гребенчатой фильтрации из амплитуд кратных гармоник К
f0 оборотной частоты диагностируемой детали вращения формируется n-мерный вектор диагностических признаков. Положение вектора в n-мерном признаковом пространстве сопоставляется с положением эталонных векторов, характеризующих нормальное или дефектное функционирование механизма.Простейшим, но достаточно эффективным решающим правилом диагностирования зарождающихся дефектов является сравнение длины разностного
n-мерного вектора по Хэммингу с пороговым значением, характеризующим предельное состояние узла механизма.По разностному вектору кратных гармоник спектра амплитудной огибающей вибросигнала удается обнаружить на ранней стадии развития и локализовать такие дефекты, как выкрашивание контактирующих поверхностей, появление трещины у ножки зуба и поломку зуба в зубчатой передаче с коэффициентом перекрытия > 0
.2.По разностному вектору кратных гармоник спектра фазовой огибающей вибросигнала в окрестности собственной частоты узла механизма удается обнаружить явление схатывания, приводящее к задиру поверхностей подшипников скольжения с частотой вращения f0.
Существует метод диагностирования зарождающихся дефектов, основанный на анализе свойств спектра огибающей вибросигнала в узкой 1/3-октавной полосе частот в окрестности одной из основных частот возбуждения mfz механизма. Для этой цели, так же формируется n-мерный вектор из амплитуд гармоник, кратных оборотной частоте f0 диагностируемого тела вращения.
Метод диагностирования, базирующийся на анализе свойств разностного
n-мерного вектора спектральных компонент амплитудной огибающей в окрестности одной из составляющих вибросигнала, хотя и позволяет диагностировать дефекты типа выкрашивания поверхностей, является менее помехоустойчивым, чем метод анализа свойств амплитудной огибающей сигнала в окрестности резонансной частоты механизма.Вектор кратных гармоник
lf0 спектра фазовой огибающей вибросигнала в окрестности вынужденных частот mfz очень чувствителен к зарождающимся дефектам типа заедания (задира), быстро приводящим к заклиниванию механизма и, следовательно, к катастрофическим последствиям.
Привлекательным по своей простоте, но безадресным методом диагностирования зарождающихся дефектов является метод, основанный на оценке величины коэффициента эксцесса Ек одномерной плотности вероятности р(х) мгновенных значений вибросигнала в окрестности собственной частоты узла механизма. Выбросы в сигнале при появлении ударного возмущения искажают форму закона распределения р(х), что сказывается на величине эксцесса. Путем выбора полосы анализа Δf в окрестности собственной частоты fp можно добиться нормализации закона распределения и равенства Ек=0 для исходного состояния механизма. Превышение Ек > Ек0 некоторого порогового значения Ек0 характеризует появление дефектов контактирующих поверхностей.
Модификацией метода является анализ изменения коэффициента эксцесса не самого узкополосного процесса, а его амплитудной огибающей
. Данный подход позволяет обеспечить хорошую стабильность параметра Ек при том же объеме выборки, что и для основного процесса. Метод очень чувствителен к положению датчика на корпусе механизма, поэтому его, так же как и метод ударных импульсов, целесообразно использовать при установке вибропреобразователей непосредственно на диагностируемом узле.Диагностирование зарождающихся дефектов производится путем выделения информативной компоненты малой энергоемкости на фоне большого уровня помех. Одним из методов выделения такой компоненты является метод оптимальной фильтрации. Этот метод применим в тех случаях, когда заранее известны свойства выделяемого из помехи сигнала.
Метод корреляционного выделения когерентной составляющей применяется, например, при диагностировании дисбаланса ротора турбины, развивающегося вследствие неравномерности обгара или запыливания лопаток, при диагностировании выкрашивания зубьев редуктора путем когерентного выделения оборотной частоты
f0 из сигнала амплитудной огибающей вибросигнала в окрестности зубцовой частоты fz.Нормирование величины функции взаимной корреляции max|pxy| вибросигнала x(t) и выделяемой компоненты y(t), формируемой пилот-сигналом с датчика оборотов, позволяет получить устойчивый диагностический признак неисправности механизма без учета коэффициентов усиления измерительных трактов.