Виброакустическая диагностика, является разделом технической диагностики. Это отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы распознавания технических состояний машин и механизмов по исходной информации, содержащейся в виброакустическом сигнале.

Чем правильнее и конкретнее диагноз, тем ниже затраты, связанные с восстановлением агрегата.

Методы вибродиагностики направлены на обнаружение и идентификацию таких неисправностей агрегата, которые оказывают влияние на его вибрацию: дефектов роторов, опорной системы и узлов статора и т.д., испытывающих либо генерирующих динамические нагрузки. Данные методы основаны на различных технологиях, таких как: энергетическая, частотная, фазовременная, спектральная, огибающей, технология ударных импульсов [ 1 ]. Число таких методов сравнительно невелико, а многообразие диагностических систем определяется лишь сочетанием некоторых из них. Сначала использовались методы и средства контроля различных параметров, затем мониторинга, и, на последнем этапе, системы диагностики и прогноза технического состояния. Внедрение каждого последующего вида систем дает пользователю новые возможности для перехода на обслуживание машин и оборудования по фактическому состоянию.

Машина, элементы которой совершают вращательное движение, генерирует механические колебания сложной формы. Причинами этих колебаний являются физические взаимодействия элементов, связанные с разбалансом, люфтом, изгибом валом, несоосностью, дефектами элементов машины и др. Эти сложные колебания несут большой объем информации о динамических явлениях происходящих в работающей машине и могут быть зарегистрированы на корпусных деталях машины как вибрации. Среди всего объема содержащейся в этих колебаниях информации необходимо выделить ту, которая позволяет идентифицировать дефекты элементов машин и развитие этих дефектов.

Флуктуационная составляющая характеризуется непрерывностью и относительной плавностью своего изменения. Причиной ее возникновения являются динамические процессы, время развития которых соизмеримо со временем цикла механизма и которые протекают на низких частотах, близких к собственным частотам его вращения. Эти явления обусловлены небалансом, несоосностью, ослаблением механических связей конструкции, изгибом вала, волнистостью тел качения, неравномерным абразивным износом. Несмотря на то, что каждая из этих причин порождает, как правило, периодическую компоненту в сумме они формируют сложное квазислучайное колебание.

Флуктуационную составляющую можно представить в следующем виде:

Шумовая составляющая сигнала проявляется вследствие случайных факторов при работе машины или механизма. Это может быть, например, попадание мелких частиц в смазку подшипника или оказание внешних воздействий (изменение нагрузки) на исследуемый агрегат. При описании этой составляющей на практике чаще всего используют нормальное или экспоненциальное распределение плотности вероятности.

Для нормального распределения интегральная функция и функция плотности вероятности имеют следующий вид:

Для экспоненциального распределения плотность вероятности для случайной величины X(t) имеет следующий вид (где l - условная плотность вероятности):

Флуктуационная составляющая несет полезную информацию об объекте. Случайная составляющая чаще всего мешает (исключение - отсутствие смазки). Поэтому, чаще всего стоит задача выделения флуктуационной составляющей на фоне шумов.

Импульсная составляющая вибросигнала характеризуется высокой скоростью нарастания, малой длительностью импульсов. Причиной импульсной составляющей являются ударные динамические явления, связанные с локальными дефектами на рабочих поверхностях элементов машины - беговых дорожках и телах качения подшипников, поверхностях соприкосновения зубьев шестерен и т.д.

Спектр короткого импульса очень широкий. Т.е. энергия сигнала распределена по всему частотному диапазону, а не сосредоточена на нескольких отдельных частотах. Это характерно для недетерминированных сигналов, таких как случайный шум и переходные процессы.

Учитывая то, что спектр дельта-функции (представляющией собой импульс бесконечно малой длительности) равен бесконечности, можно математически представить ударный импульс в виде дельта-функции. мпульсная составляющая на практике чаще всего описывается с помощью дельта-функции.

Единичная импульсная функция (дельта функция) может рассматриваться как некоторый входной сигнал нулевой ширины и бесконечной высоты:

Таким образом, все составляющие вибросиганала описываются математическими формулами, что дает возможность проводить анализ вибросигнала непосредственно при помощи описанных выше методов.

С развитием вычислительной техники все больше задач специальной обработки ложится на средства цифровой обработки. Такие системы более просты в настройке, более стабильны во времени и проще модернизируются. Причем, эта модернизация касается прежде всего методов и алгоритмов цифровой обработки исходного сигнала. Однако первичный вибросигнал обрабатывается аналоговой частью схемы, которая может иметь следующий вид:

где: Д - датчик; БПО - блок предварительной обработки; УЗ - усилитель заряда; ФНЧ - фильтр нижних частот; БК - блок компараторов; У - масштабирующий усилитель; МБ - микропроцессорный блок; УВХ/ АЦП - устройство выборки-хранения/ аналогово цифровой преобразователь; МК - микроконтроллер; ОЗУ - оперативно запоминающее устройство; БКИ - блок клавиатуры/ индикации.

Механические колебания, генерируемые узлами механизмов распространяются по элементам машин и могут быть зарегистрированы на их поверхности. Для этого используются различные датчики (емкостные, индукционные, резистивные, электромагнитные) [ 2 ]. Но в последнее время наибольшее распространение получили пьезоэлектрические датчики. Это связано с тем, что пьезодатчики имеют высокую точность измерения и чувствительность, обладают высокой стойкостью и в то же время имеют миниатюрные габариты и массу. Для измерения вибраций обычно используется разновидность пьезодатчиков - пьезоакселерометры.

Сигнал пьезоэлектрического датчика - акселерометра (Д) в виде электрического заряда, пропорционального виброускорению входного сигнала, поступает на вход усилителя заряда (УЗ), который осуществляет преобразование заряда в пропорциональную величину напряжения. Амплитуда входного сигнала изменяется в широком диапазоне, поэтому необходимы средства подстройки параметров измерительного канала.

Коэффициент усиления УЗ автоматически регулируется микроконтроллером (МК) таким образом, чтобы обеспечить необходимый динамический диапазон, не допуская при этом перегрузки по входному каналу.

Если сигнал с выхода УЗ выходит за заданный диапазон, то блок компараторов (БК) сигнализирует об этом МК и он снижает коэффициент усиления УЗ до тех пор пока сигнал не будет обеспечивать полное заполнение тракта передачи.

Отмасштабированный таким образом выходной сигнал УЗ поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ) [ 3 ], где фильтруется с целью подавления составляющих, лежащих выше необходимого диапазона частот. Этот диапазон определяется, прежде всего, информативной составляющей сигнала, которая представляет интерес для дальнейшего анализа.

Ослабленный после ФНЧ сигнал поступает на усилитель (У), который используется для усиления сигнала до полной загрузки динамического диапазона канала и уменьшения ошибки относительно квантования по уровню в АЦП. Коэффициент усиления усилителя устанавливается программно при помощи МК. Контроль выхода сигнала У за заданные пределы также контролируется БК, аналогично УЗ.

С выхода усилителя сигнал поступает на АЦП. Для фиксации входного сигнала на время преобразования АЦП используется устройство выборки/ хранения. Оно запоминает текущую величину аналогового сигнала и держит его на выходе, пока АЦП не выдаст двоичный код (результат преобразования). С МК подается сигнал начала преобразования, а по окончании преобразования АЦП выдает сигнал о том, что выходной код готов и МК может его считывать. Согласно теореме Котельникова частота дискретизации сигнала должна быть в 2 раза выше частоты самого сигнала. Поэтому, при выборе АЦП необходимо учитывать его быстродействие. Разрядность кода АЦП соответствует полному диапазону аналогового сигнала и определяет разрешающую способность кода. АЦП принципиально свойственна методическая погрешность, обусловленная заменой непрерывного аналогового сигнала дискретным сигналом.

Таким образом, задача состоит в оптимизации канала прохождения рассмотренного выше сигнала, путем подбора параметров элементов этого канала. Параметрами, подлежащими оптимизации являются, например: коэффициенты усиления и нелинейности элементов, резонансная частота акселерометра, пропускная способность фильтра, величина емкости в цепи обратной связи УЗ.

Данная статья представлена для Cборника трудов магистров ДонНТУ, 2005 г.