masters donntu

Биография Библиотека Ссылки Отчет Индивидуальное задание

Донецкий национальный технический университет

Механический факультет

Кафедра "Механическое оборудование заводов черной металлургии"

СИДОРОВ Александр Владимирович

АВТОРЕФЕРАТ

квалификационной работы магистра

по теме: "Разработка экспертной системы для оценки технического состояния металлургических машин по параметрам вибрации"

Руководитель: доц. каф. МОЗЧМ, к.т.н. Ошовская Елена Владимировна


Актуальность работы
Цель и задачи исследования
Научная новизна полученных результатов
Практическое значение работы
Апробация работы
Публикации

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
1.1 Обзор методов диагностирования технического состояния механического оборудования
1.2 Анализ программного обеспечения систем распознавания технического состояния механического оборудования

2 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИЙ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ
2.1 Анализ основных конструкций механизмов, применяемых в металлургической промышленности
2.2 Роторные механизмы типа двухопорный вал
2.3 Особенности современных методик определения технического состояния
2.4 Моделирование неисправных состояний

3 ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ
3.1 Основы спектрального анализа вибрации
3.2 Сведения об информативных частотах
Расчет информативных частот некотрых повреждений (Java Script)
3.3 Методика проведения диагностического обследования методом спектрального анализа
3.4 Применение комплексного подхода к определению технического состояния механического оборудования при спектральном анализе вибрации

4 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ РОТОРНОГО ТИПА МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ
4.1 Обобщенная характеристика программного комплекса
Анимированный рисунок "Структура задач, решаемых в рамках программного комплекса"
4.2 Структура программного комплекса
4.3 Описание режимов работы
4.4 Руководство пользователю
4.5 Пример использования экспертной системы при проведении спектрального анализа вибрации

Выводы
Перспективы дальнейших исследований
Перечень ссылок


Актуальность работы

Необходимость контроля технического состояния оборудования и внедрения активной стратегии ремонтов по состоянию, в первую очередь, связана с требованием максимального использования рабочего ресурса узлов и деталей и в то же время сведения к минимуму аварийных отказов. Такой подход становится особенно актуальным в условиях рыночной экономики, так как позволяет не только снизить экономические затраты, благодаря уменьшению количества аварийных простоев и рациональному использованию ресурса запасных частей, но и сократить общее время ремонтных операций и технического обслуживания, повышая их эффективность.

С другой стороны, внедрение стратегии ремонтов по состоянию связано с возникновением ряда существенных трудностей. Контроль технического состояния оборудования подразумевает наличие высококвалифицированных специалистов в области технической диагностики, способных правильно трактовать данные, полученные в результате измерений, а также наличие определенного уровня культуры труда.

В виду отсутствия достаточного количества специалистов требуемого профиля и должного уровня организации, особую актуальность на современном этапе приобретает разработка экспертных систем, которые бы позволили не только обобщить и упорядочить имеющуюся разрозненную информацию в этой области на базе единого подхода, но и предоставить удобное доступное средство в практической деятельности.

Цель и задачи исследования

Целью магистерской работы является разработка экспертной системы для оценки технического состояния металлургических машин на основе комплексного подхода к спектральному анализу вибрации.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

  • накопление и обработка информации о возможных режимах проведения спектрального анализа, а также их оптимальных параметрах;
  • разработка таблицы соответствия режимов проведения спектрального анализа и их параметров требованиям, которые выдвигаются по отношению к получаемому диагнозу;
  • накопление и обработка сведений о доступных приборах, применяемых для реализации метода спектрального анализа;
  • обоснование выбора точек и направлений измерений при спектральном анализе;
  • формирование информационной базы данных о порядке проведения и обработки результатов спектрального анализа известными методами;
  • сбор сведений об информативных частотах повреждений, их обосновании и рекомендациях по устранению неисправностей;
  • разработка уникального метода комплексного анализа вибрации по нескольким точкам и направлениям по данным спектрального анализа.
  • Научная новизна полученных результатов

    Установлено отсутствие единой методики оценки технического состояния металлургических машин на основе спектрального анализа вибрации. Предложен комплексный подход к проведению спектрального анализа для роторных машин типа двухопорный вал.

    Разработан метод совместного анализа вибрации по нескольким контрольным точкам и направлениям на основе данных спектрального анализа.

    Проведен анализ и обобщение информации о способах, методах и средствах спектрального анализа.

    Практическое значение работы

    Результаты теоретических исследований использованы при разработке экспертной системы для оценки технического состояния металлургических машин на основе спектрального анализа вибрации.

    Планируется внедрение и дальнейшее использование результатов магистерской работы диагностическими службами ОАО «Донецкий металлургический завод», ЗАО «ММЗ «Истил (Украина)» и ЧП «Ксендзовский».

    Апробация работы

    Материалы квалификационной работы магистра обсуждены и получили одобрение на Международной научно-технической конференции «Вибрация машин: измерение, снижение, защита» (г. Донецк, 2003 г.), 2-й Международной научно-технической конференции «Вибрация машин: измерение, снижение, защита» (г. Донецк, 2004 г.).

    Публикации

    По теме квалификационной работы магистра опубликовано 5 научных работ. Основные положения изложены в 3 публикациях, в том числе в 2 статьях в научных журналах и в 1 статье в сборнике научных трудов.

    1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

    1.1 Обзор методов диагностирования технического состояния механического оборудования

    Современное состояние металлургической промышленности определяет новые требования к техническому обслуживанию и ремонту металлургического оборудования. Внедрение активной стратегии ремонтов по состоянию становится необходимым компонентом успешной деятельности предприятия в условиях рынка. Основное направление деятельности ремонтных служб связано с обеспечением бесперебойной работы оборудования, исключением внеплановых простоев с одновременным снижением расходов на поддержание работоспособного состояния машин и механизмов.

    Решение этой проблемы неразрывно связано с использованием методов безразборной технической диагностики. Современный этап развития диагностики в большей степени характеризуется не поиском решения теоретических задач, а практическим применением известных решений [1, с. 5].

    При этом следует отметить такие специфические особенности металлургического оборудования, как сложность и разнообразие конструкций, тяжелые условия труда и обслуживания, а также неприменимость в ряде случаев статистических подходов к организации обслуживания.

    В работе [2, с. 18] в отношении горных машин для открытых работ отмечено следующее: «Горные машины для открытых работ имеют значительный срок службы (ввиду их габаритов и стоимости), относятся к высоконагруженным, физически быстро стареющим объектам, которые за срок службы подвергаются многочисленным текущим и нескольким капитальным ремонтам, в результате чего их технические характеристики ухудшаются. Вместе с тем горные машины для открытых работ являются уникальными, зачастую они изготавливаются в единственном экземпляре или небольшими партиями. Поэтому для ряда горных машин или их составных частей не существует достаточно эффективных и обоснованных стратегий выполнения адаптивных планово-предупредительных ремонтов, учитывающих фактическое состояние элементов машины, изменчивость конкретных условий эксплуатации и состояние других горных машин, входящих в комплекс оборудования»

    В целом это же справедливо и для металлургических машин, которые можно охарактеризовать подобным образом.

    В виду указанных выше обстоятельств не существует единого подхода к диагностированию, а также, в частности, комплексного метода анализа вибрации механического оборудования металлургических предприятий.

    В ряде работ [1, 2, 3, 4, 5, 6 и др.] рассмотрены частные методики проведения и анализа результатов диагностирования. Выбор той или иной методики при этом производится, исходя из специфики предметной области и предпочтений авторов (экспертные знания). Однако до сих пор не проанализированы, не классифицированы и не выработаны принципы назначения процессуально-аппаратных средств для проведения диагностики в рамках конкретных областей деятельности инженера-диагноста на металлургическом предприятии.

    1.2 Анализ программного обеспечения систем распознавания технического состояния механического оборудования

    Современный этап разработки технических средств диагностики стал следствием бурного развития компьютерной техники и технологий. Именно в это время появились цифровые анализаторы спектра, позволяющие вести параллельно фильтрацию нескольких частотных составляющих вибрационного сигнала. Вследствие этого представилась возможность использования специалистами по диагностированию оборудования сначала экспертных программ, а позднее - программ автоматического диагностирования и прогнозирования технического состояния машин, их отдельных узлов. Появление мощных персональных компьютеров также дало импульс для разработки новых информационных технологий на базе статистики и методов распознавания образов, которые используются в задачах виброакустической диагностики машин.

    Одновременно перед специалистами возникла проблема обратного характера. Широкий выбор средств диагностирования, отсутствие стандартов и требований в области разработки программных продуктов для обеспечения процесса спектрального анализа привели к тому, что в конкретной ситуации специалист вынужден руководствоваться скорее второстепенными параметрами (цена, близость представительств дилеров разработчиков и др.), чем существенными характеристиками (возможность прогнозирования, добавления методик диагностирования и т.п.) таких систем.

    В связи с этим выполнен обзор 40 наиболее популярных и доступных программных продуктов, предназначенных для реализации вибрационной диагностики, 14 известных разработчиков:

  • группа "Ресурс": Ресурс-Вибро, Ресурс-Подшипник, Ресурс-Подшипник-2 и др.[7];
  • ООО ПВФ "Вибро-Центр": Аврора, Аврора-2000 [8], Атлант, Паллада+, Ариадна [9], Аргус [10];
  • ЗАО "Промсервис": ДИЭС [11], ВИЭС [12], ДиаLight [13], СЕМАФОР [14], САДКО [15] и др.;
  • инженерная фирма "Инкотес": АРМИД [16], Web-АРМИД [17], АНАЛИЗ [18], ЭКСПЕРТ [19] и др.;
  • НТЦ "Диагностика": Спектр [20], Диагностика [21], Паспорт [22], Графика [23];
  • ИТЦ "Оргтехдиагностика": Виброник [24], Виброанализ-2.5 [25], Программный тренажер по вибродиагностике [26];
  • АО «ВиброАкустические Системы и Технологии»: DREAM for Windows, VAST-BAL [27];
  • ООО НПП "Мера": ПП ПОС [28], WinPOS [29];
  • ОАО "ДИАМЕХ-2000": ДИАМАНТ2 [30];
  • ООО "Компания ОКТАВА+": ОКТАВА 2.2 [31];
  • ЗАО "Технические Системы и Технологии": VibroMedia [32];
  • ЗАО ПО «КонТест»: КонСпект [33];
  • PREDICT/DLI: ExpertALERT for Voyager [34];
  • Комаров В.В.: PVT [35].
  • Выполнен их сравнительный анализ, выделены существенные особенности, достоинства и недостатки.

    Как правило, всякий продукт можно отнести к одному из трех классов:

    1. Системы контроля (стационарные или переносные, позволяют отслеживать состояние контролируемого агрегата во времени относительно заданных предельных величин – границ технических состояний).
    2. Программы для сбора, хранения и первичной обработки данных (базы данных, статистический и сравнительный анализ).
    3. Экспертные системы (автоматизированный или автоматический анализ данных с выдачей перечня неисправностей и рекомендаций по их устранению).

    Разработанные системы зачастую носят и комплексный характер - объединяют возможности нескольких классов. Однако, как правило, концептуальной является одна из форм, другие же вводятся частично, отдельными функциями.

    Анализ возможностей программного обеспечения систем распознавания технических состояний оборудования позволил выделить следующие дополнительные функций (помимо основной - определения технического состояния и распознавания дефектов оборудования):

  • прогнозирование состояния диагностируемого оборудования на заданный срок;
  • определение даты следующего освидетельствования;
  • подготовка информации о необходимых регламентных и ремонтных работах, их объеме и сроках проведения;
  • генерация, отображение и печать отчетов;
  • отслеживание процесса развития отдельных дефектов;
  • отображение и печать трендов (графиков изменения во времени) диагностических состояний и диагностических параметров агрегата;
  • иерархическое структурированное отображение контролируемого оборудования;
  • указание проблемных узлов агрегата на функциональной или кинематической мнемосхемах;
  • отображение диагноза выбранного агрегата с указанием степени развития и вероятности каждого дефекта;
  • сопоставление технологических и вибрационных параметров для определения наилучших параметров эксплуатации агрегата;
  • доступ по локальной или глобальной компьютерной сети к информации о состоянии оборудования в масштабах предприятия;
  • гибкий расчет информативных частот оборудования;
  • возможность программирования допустимых уровней вибрации, автоматического определения на основе статистической выборки;
  • создание собственных правил определения неисправностей;
  • ввод и определение правил расчета диагностических признаков;
  • разработка методик диагностирования, определяемых пользователем, для различных видов оборудования и т.д.
  • Каждая из имеющихся систем в той или иной степени обладает принципиальными недостатками, связанными с отсутствием единого стандарта в рассматриваемой предметной области. Подавляющее большинство программных продуктов ориентировано на использование совместно с определенным прибором. Этот существенный недостаток является первопричиной ряда других. Прежде всего, он объясняется стремлением разработчиков и предприятий-производителей аппаратной техники получить наибольшую выгоду от распространения своей продукции, безраздельно навязать условия и услуги, предоставляя якобы «универсальное и оригинальное» средство диагностирования, функции которого позволяют обеспечить весь спектр интересов клиента. Часто это не так. Ряд функций, которыми обладает один программно-аппаратный пакет, отсутствует в другом и наоборот.

    С другой стороны, каждый новый разработчик вынужден затрачивать время на повторное создание функций, ранее неоднократно разрабатывавшихся другими программистами. Это значительно уменьшает время на разработку оригинальных методик обработки данных, прогрессивных способов организации процесса технического диагностирования. Другими словами, эффективность существующего подхода исключительно невелика.

    В связи с этим целесообразна разработка приборно-независимого программного продукта с открытым кодом, который бы позволил на своей базе создать единый комплекс для обработки информации при техническом диагностировании. При этом разработчики программного обеспечения могли бы пополнять его своими уникальными присоединяемыми модулями, расширяя возможности комплекса в целом.

    2 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИЙ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ

    2.1 Анализ основных конструкций механизмов, применяемых в металлургической промышленности

    Механическое оборудование характеризуется широким спектром инженерных решений. Среди них как наиболее многочисленный выделяется класс механизмов роторного типа. Для большинства из них широко применяется схема: электродвигатель - соединительный элемент - исполнительный орган. Данная схема позволяет обеспечить разнообразие конструкций и выполняемых операций на базе единого конструкторского решения. Исполнение таких машин основывается на однотипных элементах и является типичным для электропривода. [3, с. 15]

    2.2 Роторные механизмы типа двухопорный вал

    Основным конструкторским решением, наиболее характерным для роторных механизмов является кинематическая схема с двухопорным валом (рисунок 2.1).

    Конструкция механизма роторного типа с межопорным расположением рабочего органа

    (а)

    Конструкция механизма роторного типа с консольным расположением рабочего органа

    (б)

    Рисунок 2.1 - Конструкция механизма роторного типа:
    а) с межопорным расположением рабочего органа;
    б) с консольным расположением рабочего органа

    По расположению исполнительного органа 6, в качестве которого может выступать ротор насоса или вентилятора, колесо компрессора, зубчатое колесо, различают схемы с межопорным (рисунок 2.1.а) и консольным (рисунок 2.1.б) расположением.

    В целом механизм включает ротор электродвигателя 1 с подшипниковыми опорами 2; соединительный элемент - муфту 3; вал 4 исполнительного механизма. Вал 4 установлен на подшипниковых опорах 5. Различное конструкторское исполнение узлов позволяет использовать типовую схему в большинстве механизмов.

    Рассмотрим функциональное назначение и основные требования к элементам данного механизма.

    1. Ротор - приводной элемент, обеспечивающий преобразование, совместно со статором, электрической энергии в механическую, во вращательное движение вала.
    2. Подшипниковые опоры двигателя, включающие: подшипники, служащие опорами для вала, обеспечивающие вращение с минимальным коэффициентом трения, совместно с системой смазывания; корпусные детали поддерживают подшипники, должны обеспечивать правильное расположение вала; резьбовые соединения соединяют корпусные детали, с целью обеспечения нераскрытия стыка соединяемых деталей; уплотнения – детали, герметизирующие внутренний объем корпуса механизма от утечек масла и попадания загрязнений (иногда устанавливаются на соединительные элементы).
    3. Соединительный элемент предназначен для передачи вращающего момента от приводного вала к ведомому, компенсации углового и радиального смещения валов.
    4. Вал – деталь, вращающаяся вокруг своей оси и предназначенная для передачи крутящего момента, основное требование для жестких валов - прямолинейность, работа в области упругих деформаций, правильность расположения вала.
    5. Подшипниковые опоры ротора (назначение и требования аналогичны требованиям к подшипниковым опорам двигателя).
    6. Исполнительный элемент (рабочее колесо, зубчатое колесо) предназначен для выполнения полезной работы или преобразования механических параметров системы, требования определяются правильностью выполнения поставленной задачи.

    Приведенным кинематическим схемам отвечает большинство механизмов, используемых в промышленности: насосы, центрифуги, воздуходувки, дымососы и т.д.

    Схема механизма с двухопорным валом в целом является типовой для любой конструкции. Это входные, выходные, промежуточные валы редукторов, валы исполнительных органов и т.д. [3, с. 15-16]

    2.3 Особенности современных методик определения технического состояния

    Наиболее характерной особенностью и недостатком всех современных методик определения технического состояния механического оборудования является диагностирование неисправностей отдельно по каждой контрольной точке и даже направлениям. В итоге можно говорить не только о снижении достоверности получаемых диагнозов, но и возникновении конфликтов при их определении, что подтверждается практикой [36, 37].

    Поэтому более логичным было бы рассмотрение сведений, получаемых по точкам и направлениям в комплексе, то есть совместно, что в свою очередь требует разработки нового подхода, новой методики диагностирования.

    2.4 Моделирование неисправных состояний

    Модель - объект любой природы, который способен замещать исследуемый объект так, что его изучение дает новую информацию об этом объекте. Математические модели объекта описывают математической символикой связи входных, выходных и внутренних параметров в различных сочетаниях. Математические модели классифицируют по виду описываемых физических процессов, по способам их представления и построения. [38]

    Наибольшее распространение в технической диагностике нашло составление диагностической матрицы - таблицы неисправностей с решающими правилами. Изучение диагностической матрицы позволяет решать задачи оптимальной организации процессов диагностирования. В диагностической матрице объект контроля представляется таблицей функций неисправностей, столбцы которой соответствуют диагностическим симптомам, а строки - причинам неисправностей. На пересечении строк и столбцов указывается наличие или отсутствие (реже – значение) тех или иных признаков для данного диагноза. [3, с. 20]

    Составление подобных диагностических матриц является необходимым этапом и лежит в основе разработки экспертных систем, позволяет определиться с контролируемыми параметрами, выработать рекомендации по устранению неисправностей и пр.

    3 ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ

    3.1 Основы спектрального анализа вибрации

    Вибрация и шум - естественные процессы, протекающие в машинах и оборудовании. Возбуждаются они теми же динамическими силами, которые являются причинами износа и разных видов дефектов и повреждений. Вибрация и шум трансформируются друг в друга на границах газовой и твердой сред, а человек непосредственно воспринимает звук, и лишь в ограниченном низкочастотном диапазоне - вибрацию.

    Вибрационные процессы можно разделить на стационарные (детерминированные) - определённые во времени и нестационарные – неопределённые во времени. Стационарные процессы могут быть периодическими, гармоническими или полигармоническими и непериодическими – почти периодическими, переходными, а также случайными.

    Периодические колебания – колебания, при которых каждое значение колеблющейся величины повторяется через равные интервалы времени. Простейшие периодические сигналы – гармонические колебания.

    Гармонические колебания – колебания, при которых значения колеблющейся величины изменяются во времени по закону синуса или косинуса.

    При гармонических колебаниях амплитуда, начальная фаза и угловая скорость постоянны. При почти гармонических колебаниях они - медленно меняющиеся функции времени, некоторые из них могут быть постоянными, некоторые возрастающими или убывающими (например, амплитуда угловой скорости при запуске либо при остановке механизма).

    Полигармонические колебания – колебания, которые могут быть представлены в виде суммы двух или более гармонических колебаний (гармоник), частоты гармоник кратны основной (оборотной) частоте (рисунок 3.1). [3, с. 42-43]

    Полигармонический колебательный процесс

    Рисунок 3.1 - Полигармонический колебательный процесс

    Периодическая вибрация может быть представлена в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал) или много кратных (рисунок 3.2).

    Временные сигналы вибрации и их спектры

    Рисунок 3.2 - Временные сигналы вибрации и их спектры:
    а) гармонические колебания с периодом Т1;
    б) гармонические колебания с периодом Т2;
    в) полигармонический сигнал.

    Если сигнал представляет собой комбинацию двух простейших гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами, то его спектр имеет вид, подтверждающей наличие именно этих двух гармонических составляющих с разными частотами и амплитудами.

    Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы. Типовой спектр характеризуется, как правило, большим количеством гармонических составляющих в области низких частот. По мере увеличения частоты гармонических составляющих становится меньше, и они практически отсутствуют в области высоких частот.

    3.2 Сведения об информативных частотах

    Конкретные повреждения при спектральном анализе идентифицируют путем сопоставления с так называемыми информативными частотами неисправностей. Порядку расчета информативных частот в научно-технической литературе уделяется достаточно пристальное внимание. Так формулы для их определения приведены в работах [3, 5 и др.].

    Информативные частоты некоторых повреждений можно посчитать здесь.

    Следует отметить, что информативные частоты можно рассматривать в рамках трех групп:

  • гармонические – кратны оборотной частоте вращения (расцентровка, дисбаланс, дефекты зубчатых зацеплений и муфт и т.д.);
  • негармонические – связаны с оборотной частотой вращения дробными коэффициентами и прочими нецелыми соотношениями (повреждения наружного и внутреннего колец подшипников качения);
  • резонансные - возникают при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний и вызывают значительное увеличение амплитуды колебаний, что может привести к аварии (вынужденные колебания, вызывающие резонанс, могут совпасть с частотой собственных колебаний ротора, рамы агрегата, фундамента, приводных ремней и т.д.).
  • Расчет информативных частот для конкретного механизма при проведении спектрального анализа осуществляется следующим образом:

    1. Определение оборотной частоты (частоты вращения главного вала).
    2. Определение гармоник (частот, кратных оборотной).
    3. Определение субгармоник (дробных, кратных (1/2, 1/3…) оборотной).
    4. Определение информативных частот повреждений подшипников.
    5. Определение информативных частот повреждений зубчатых зацеплений, муфт и прочих элементов.

    3.3 Методика проведения диагностического обследования методом спектрального анализа

    Спектральный анализ – это такой метод обработки сигналов, который позволяет выявить частотный состав сигнала. Выявлением повышенных амплитуд вибрации на частотах, совпадающих с собственной частотой механизма, узла оборудования (или ее гармоник) или на частотах протекания рабочего процесса можно идентифицировать неисправности данного оборудования.

    Существует два способа описания сигнала вибрации – во временной области и частотной области. Измерение на определённой частоте даёт информацию о неисправности раньше, чем измерение общего уровня вибрации [3,с. 57]. Поиск повреждений проводится на заранее определенных частотах возможных повреждений конкретного механизма, называемых информативными частотами повреждений.

    3.4 Применение комплексного подхода к определению технического состояния механического оборудования при спектральном анализе вибрации

    Следует отметить, что спектральный анализ в настоящее время предполагает опосредованное рассмотрение полученных спектрограмм. Не учитывается тот факт, что силовое взаимодействие, неоднородность жесткости и демпфирующих свойств элементов машины носят сложный взаимосвязанный характер, что может приводить к искажению, зашумлению или затуханию результирующего сигнала. Так, порою, достаточно трудно отличить неисправность, относящуюся непосредственно к подшипниковому узлу либо к другому элементу машины (двигателю, муфте или рабочему органу). До сих пор не установлен порядок анализа вибрации по направлениям и влияние каждого из них на итоговый диагноз. В ряде случаев это приводит к существенному снижению точности и адекватности диагностических решений.

    С целью устранения указанных недостатков необходимо выявить порядок взаимодействия элементов машин при тех либо иных неисправностях, а также отражение этого взаимодействия в виде изменения вибрации по одной или нескольким контрольным точкам и направлениям измерений. Это может быть сделано путем моделирования неисправных ситуаций на экспериментальном стенде.

    Тем не менее, общее правило можно сформулировать следующим образом: неисправность, связанная с отклонениями в работе подшипника, проявляется в соответствующей контрольной точке; неисправность, связанная с отклонениями в работе двигателя, муфты или рабочего органа, проявляется в двух точках, смежных с этими элементами.

    4 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МЕХАНИЗМОВ РОТОРНОГО ТИПА МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ВИБРАЦИИ

    4.1 Обобщенная характеристика программного комплекса

    Экспертной называется система, которая оперирует со знаниями в определенной предметной области с целью эвристической выработки рекомендаций или решения некоторых проблем [39, с. 19]. Задачей при разработке экспертных систем как прикладных программ является автоматизация разрешения ситуаций (распознавания образов) в пределах некоторой предметной области, при этом полученные результаты не должны уступать по качеству и эффективности решениям, получаемым экспертом. Экспертные системы отличаются от широко распространенных систем обработки баз данных тем, что в них используется эвристический поиск решения, а не исполнение известного алгоритма.

    Экспертная система распознавания неисправностей механического оборудования по результатам спектрального анализа предназначена для обслуживания процесса диагностирования оборудования при проведении спектрального анализа. Обслуживание процесса диагностирования предполагает предоставление рекомендаций, а также справочно-информационных сведений по следующим вопросам, возникающим в процессе проведения спектрального анализа:

  • выбор режимов проведения анализа в зависимости от требуемой информации;
  • выбор оптимальных параметров режимов проведения спектрального анализа вибрации;
  • выбор приборов и инструментов для проведения технического обследования агрегата в зависимости от требований к получаемому диагнозу;
  • выбор оптимальных точек и направлений измерений в зависимости от конструктивно-технологических особенностей агрегата;
  • рекомендации общего характера по процессу проведения спектрального анализа;
  • расчет информативных частот в зависимости от конструктивно-технологических особенностей агрегата;
  • рекомендации общего характера по процессу постановки диагноза на основе спектрального анализа.
  • Экспертная система рассчитана на инженеров служб технического диагностирования и прочих специалистов, которые в процессе своей деятельности, так или иначе, используют метод спектрального анализа вибрации.

    4.2 Структура программного комплекса

    Анализ предметной области и круга решаемых задач, которые были приведены выше, позволил разделить общий перечень вопросов на три основных блока, имеющих собственную специфику и требующих отличного подхода в процессе их решения (рисунок 4.1). Таким образом, можно выделить:

    1. Вопросы, решаемые при подготовке к проведению спектрального анализа.
    2. Вопросы проведения спектрального анализа.
    3. Вопросы, возникающие в процессе извлечения информации на основе уже проведенного спектрального анализа.

    Структура экспертной системы

    Рисунок 4.1 (анимированный, 3 повтора) -
    Структура задач, решаемых в рамках программного комплекса

    Так из приведенного выше списка задач первые три вопроса относятся к первому блоку, следующие два - ко второму, остальные – к третьему блоку.

    Вопросы первого блока в большей степени зависят от качества и вида информации, которую необходимо получить в результате диагностирования. Будет ли это предварительный анализ или же детальное исследование, определяет конкретный пользователь. Также объективные ограничения могут быть наложены имеющимися в распоряжении аппаратными средствами (видом прибора) и, следовательно, их рабочими характеристиками. В связи с этим видится необходимость комплексного решения вопросов этого блока, причем рекомендации на этом этапе могут формироваться по прямой или обратной схеме (рисунок 4.2):

  • прямая схема предполагает определение режима анализа и его параметров на основе требований, выдвигаемых пользователем, и, как результат, выдачу рекомендации по приборам, способным удовлетворить эти требования. Режим может быть полезен при выборе аппаратного обеспечения службы диагностирования на основе перечня типовых решаемых задач;
  • при работе с обратной схемой предполагается наличие определенного прибора и обеспечивается выбор его установок для проведения того или иного вида спектрального анализа, заказанного пользователем на основе требуемой диагностической информации.
  • Схемы формирования рекомендаций

    Рисунок 4.2 - Схемы формирования рекомендаций первого блока вопросов
    а) прямая схема;
    б) обратная схема

    Вопросы второго блока (проведение спектрального анализа) решаются на основе сведений о конструктивных особенностях агрегатов. Этот режим требует наличия специализированного графического или мнемонического редактора для построения схем механизма и предоставления рекомендаций. Выбор точек и направлений измерений имеет существенное значение для уменьшения трудоемкости и повышения оптимальности процесса спектрального анализа, а также для сохранения полноты получаемой информации. Вторая часть блока (общие сведения по проведению спектрального анализа) носит справочный характер и может быть реализована в виде электронной книги.

    Третий блок, предполагающий обработку результатов спектрального анализа, также состоит из специальной и справочной частей. Специальная часть (расчет информативных частот) должна обладать возможностью не только получения значений информативных частот на основе полученных от пользователя сведениях о конструктивно-технологических параметрах исследуемого агрегата, но и возможностью хранения, экспорта и печати уже рассчитанных данных. Следует также дополнительно предусмотреть интерактивную организацию справочной части.

    Таким образом, в экспертной системе не ставится целью непосредственно обработка спектра вибрации и формирование соответствующего диагноза. Это обосновано, в первую очередь, сложностью организации коммутации приборов с внешней, «неродной» программой (установление обмена данными, формат их распознавания), а также бесперспективностью ввода данных в ручном режиме. В связи с этим, не уменьшая важности использования специализированных программных продуктов, как правило, поставляемых вместе с прибором, разрабатываемая экспертная система должна взять на себя всю работу, связанную с информационно-справочным обеспечением процесса спектрального анализа, начиная с момента его подготовки и заканчивая обработкой результатов. Все решения, формируемые экспертной системой, должны носить исключительно рекомендательный и вспомогательный характер. Основная задача экспертной системы – снизить трудоемкость отдельных операций, связанных со спектральным анализом, а также заполнить некоторый информационный вакуум по этому вопросу, обобщив и скомпоновав в виде единого подхода уже имеющуюся информацию.

    4.3 Описание режимов работы

    На основе рассмотрения блоков вопросов, решаемых в экспертной системе, можно выделить следующие основные задачи (режимы), необходимость которых обоснована в рамках разрабатываемого программного продукта:

    1. Перечень возможных режимов проведения спектрального анализа, а также их оптимальных параметров.
    2. Таблицы соответствия режимов проведения спектрального анализа и их параметров требованиям, которые выдвигаются по отношению к получаемому диагнозу.
    3. Сведения о приборах, применяемых для реализации метода спектрального анализа.
    4. Особенности выбора точек и направлений измерений при спектральном анализе.
    5. Информационная база данных о проведении и обработке данных спектрального анализа.
    6. Графо-мнемонический режим экспертной системы для автоматического синтеза процедур диагностирования.
    7. Сведения об известных информативных частотах повреждений.
    8. Реализация метода совместного анализа вибрации по нескольким точкам и направлениям по данным спектрального анализа.

    4.4 Руководство пользователю

    В виду низкой компьютерной грамотности, которая, к сожалению, все еще достаточно часто встречается даже среди инженерно-технического персонала, возникает отдельная задача разработки методических руководств к использованию программного комплекса. При этом кроме сугубо практических рекомендаций, видится целесообразным снабжение справки следующими материалами:

  • краткие теоретические сведения (курс лекций);
  • ссылки на электронные источники (Internet);
  • список литературы (книги, статьи).
  • 4.5 Пример использования экспертной системы при проведении спектрального анализа вибрации

    В рамках рассматривавшегося выше вопроса полезным может оказаться разработка базы данных примеров использования программного комплекса, а также создание специализированной программы-тренажера.

    Выводы

    В квалификационной работе магистра были рассмотрены вопросы разработки экспертной системы для распознавания неисправностей механического оборудования металлургических предприятий по результатам спектрального анализа.

    Для этого в первой главе был приведен обзор существующих методик диагностирования, а также классификация существующего программного обеспечения систем распознавания технических состояний металлургического оборудования, рассмотрены их дополнительные и оригинальные возможности. Предложено разделение систем на три категории: системы контроля, базы данных и экспертные системы. Указаны основные недостатки имеющихся программных продуктов, а также пути их устранения. Предложена разработка единого программного комплекса на модульной основе для технического диагностирования металлургического оборудования.

    Сделано предположение о том, что механизмы роторного типа являются наиболее распространенным классом в широком спектре инженерных решений. Для большинства из них применима схема электродвигатель – соединительный элемент – исполнительный орган. Общая характеристика, аксиомы работоспособного состояния, виды и особенности ремонтных воздействий приведены во второй главе.

    В третьей главе рассмотрены вопросы оценки технического состояния механического оборудования с использованием метода спектрального анализа вибрации, его основные принципы и порядок постановки диагноза на основе информативных частот. Также обоснована необходимость применения комплексного подхода, учитывающего направления вибрации и показатели по смежным точкам для уточнения диагноза элементов схемы электродвигатель – соединительный элемент – исполнительный орган.

    В четвертой главе разработаны принципы построения экспертной системы для оценки технического состояния механизмов роторного типа методом спектрального анализа вибрации, выделены основные проблемы, стоящие на пути ее разработки. К ним относятся задачи накопления и обработки уже имеющейся информации, формирования баз данных и таблиц соответствия, а также проведения дополнительных исследований по отдельным вопросам.

    Экспертная система распознавания неисправностей механического оборудования по результатам спектрального анализа должна взять на себя работу, связанную с информационно-справочным обеспечением процесса спектрального анализа, начиная с момента его подготовки и заканчивая обработкой результатов. Основная задача экспертной системы – снижение трудоемкости отдельных операций, связанных со спектральным анализом, а также заполнение имеющегося информационного вакуума по этому вопросу, путем обобщения и компоновки в виде единого подхода уже имеющейся информации.

    Перспективы дальнейших исследований

    На пути полноценного внедрения программного комплекса на базе единого подхода существует ряд объективных препятствий, которые предполагается преодолеть с течением времени. Следует отметить основные вехи этого процесса:

  • обоснование необходимости использования комплексного подхода при анализе вибрации механического оборудования;
  • обоснование необходимости разработки и внедрения единого стандарта обмена данными для производителей программно-аппаратных средств в области спектрального анализа;
  • углубление и расширение единой методики анализа вибрации;
  • разработка унифицированной программной оболочки для обеспечения всего процесса диагностирования с целью построения систем на модульной основе;
  • проведение нового этапа теоретических исследований в области вибродиагностики с использованием накопленной практической информации, отвечающей требованиям сопоставимости и единства представления.
  • Перечень ссылок

    1. Диагностирование механического оборудования металлургических предприятий: Монография / Седуш В.Я., Кравченко В.М., Сидоров В.А., Ошовская Е.В. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – 100 с.
    2. Кравченко В.М. Техническое обслуживание и диагностика промышленного оборудования: Монография. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – 504 с.
    3. Техническая диагностика механического оборудования / Сидоров В.А., Кравченко В.М., Седуш В.Я., Ошовская Е.В. – Донецк: Новый мир, 2003. – 125 с.
    4. Кравченко В.М., Сидоров В.А. Визуальное диагностирование механического оборудования. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – 120 с.
    5. Барков А.В., Баркова Н.А., Федорищев В.В. Вибрационная диагностика колесно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте. – СПб.: Изд. центр СПбМТУ, 2002. – 103 с.
    6. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации // ВАСТ и VibroTek <www.vibrotek.com/russian/articles/book/index.htm>
    7. Программное обеспечение // ООО "ВиТэк-Автоматика"<www.resurs.spb.ru/prod4.htm>
    8. Аврора-2000 // Вибро-Центр <www.vibrocenter.ru/aurora.htm>
    9. ПО Атлант // Вибро-Центр <www.vibrocenter.ru/atlantpo.htm>
    10. Вибро-Центр // Вибрация и все, все, все...<www.vibration.narod.ru/vibrocenter.htm>
    11. Экспертная диагностическая система "ДИЭС" // Официальный сайт ЗАО "Промсервис"<www.promservis.ru/dies.html>
    12. Вибрационная экспертная система "ВИЭС" // Официальный сайт ЗАО "Промсервис"<www.promservis.ru/vies.html>
    13. Система наблюдения за состоянием оборудования "ДиаLight" // Официальный сайт ЗАО "Промсервис"<www.promservis.ru/dialight.html>
    14. Стационарная система вибромониторинга "СЕМАФОР" // Официальный сайт ЗАО "Промсервис"<www.promservis.ru/semafor.html>
    15. Стационарная система контроля и диагностирования "САДКО" // Официальный сайт ЗАО "Промсервис"<www.promservis.ru/sadko.html>
    16. АРМИД // Инженерная фирма "Инкотес"<www.encotes.ru/armid.htm>
    17. Web-АРМИД // Инженерная фирма "Инкотес"<www.encotes.ru/webarmid.htm>
    18. АНАЛИЗ // Инженерная фирма "Инкотес"<www.encotes.ru/2channels.htm>
    19. ЭКСПЕРТ // Инженерная фирма "Инкотес"<www.encotes.ru/expert.htm>
    20. Спектр // Научно-технический центр "Диагностика"<www.chereda.net/~diagnostika/program/Spectr/spectr.htm>
    21. Диагностика // Научно-технический центр "Диагностика"<www.chereda.net/~diagnostika/program/Diagnost/diagnost.htm>
    22. Паспорт // Научно-технический центр "Диагностика"<www.chereda.net/~diagnostika/program/Pasport/pasport.htm>
    23. Графика // Научно-технический центр "Диагностика"<www.chereda.net/~diagnostika/program/Graphics/graphics.htm>
    24. Программа вибромониторинга "Виброник" // Инженерно-технический центр "Оргтехдиагностика"<www.mosotd.ru/vibronik.html>
    25. Пакет прикладных программ "Виброанализ-2.5" // Инженерно-технический центр "Оргтехдиагностика"<www.mosotd.ru/vibroan.html>
    26. Программный тренажер по вибродиагностике // Инженерно-технический центр "Оргтехдиагностика"<www.mosotd.ru/trenazher.html>
    27. Продукты и услуги // ВАСТ и VibroTek <www.vibrotek.com/russian/catalog/softwr-r.htm>
    28. Программный продукт "Пакет обработки сигналов" // НПП "МЕРА" <www.nppmera.ru/prog.htm>
    29. WinPOS - пакет обработки сигналов для Windows // НПП "МЕРА" <www.nppmera.ru/winpos.htm>
    30. ДИАМАНТ2 // ООО «Диамех-2000» <www.diamech.ru/diamant.htm>
    31. ОКТАВА 2.2 // Компания Октава+ <www.octava.ru/catalog_item.asp>
    32. VibroMedia // ТСТ <www.tst-spb.ru/soft.html>
    33. Справка // Программа "Конспект"
    34. ExpertALERT for Voyager (EAV) // DLI Engineering <www.mglobal.com>
    35. Программа для проведения виброналадочных и балансировочных работ на вращающемся оборудовании // pvt_demo <www.p-v-t.chat.ru/oldpage.html>
    36. Сидоров В.А., Аввакумов С.И., Сидоров А.В. Выбор контрольных точек измерения общего уровня вибрации // Вибрация машин: измерение, снижение, защита / Материалы 2-й Международной научно-технической конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2004. - 160 с. - С. 73-76.
    37. Комплексный подход к оценке технического состояния машин / Седуш В.Я., Сидоров В.А., Аввакумов С.И., Сидоров А.В. // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. №5. - С. 102-104.
    38. Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. - М.: Транспорт, 1993. - 150 с.
    39. Питер Джексон. Введение в экспертные системы.: Пер с англ.: Уч. пос. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. – 624 с.

    Биография Библиотека Ссылки Отчет Индивидуальное задание