CC BY
17
УДК 534.61:534.141.2
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ю.В. ВАНЬКОВ *, И.В. ИВШИН **, В.А. ГАВРИЛОВ **
* Казанский государственный энергетический университет **Казанское высшее военное командное училище
В работе представлены результаты разработки информационно-измерительной системы нового акустического способа контроля технического состояния зубчатых передач машин и механизмов энергетических установок, экспериментальные данные.
Ключевые слова: зубчатые передачи, дефект, амплитудный спектр, зубцовая частота, техническое состояние, статистика амплитуд.
Введение
В настоящее время остро стоят вопросы диагностики зубчатых передач машин и механизмов. До настоящего времени отсутствуют эффективные методы, приборы и устройства для диагностики зубчатых передач машин и механизмов. Виброакустические методы диагностики являются наиболее чувствительными методами обнаружения неисправностей, сигнал вибрации содержит достаточную диагностическую информацию для того, чтобы с помощью современных информационных технологий обнаружить дефектную деталь или узел машины, определить вид и глубину дефекта и дать долгосрочный прогноз его развития. В настоящее время диагностику зубчатых передач проводят следующими способами: по спектру вибросигнала; по сверхузкополосному спектру; по взаимоспектральным характеристикам; по взаимокорреляционным характеристикам; по спектру огибающей; по порядковому анализу [1].
Анализ существующих способов показал, что наиболее эффективным является способ диагностики зубчатых передач по спектру вибросигнала, полученного от работающей зубчатой пары при обкатывании зубьев шестерни в зацеплении [2].
Разработана информационно-измерительная система, реализующая новый акустический способ контроля технического состояния зубчатых передач, включающая диагностический комплекс, программное обеспечение, созданное в среде LabView [3].
1. Методика исследований
Разработанный способ заключается в том, что определяется скорость вращения исследуемой шестерни, регистрируется сигнал работающей зубчатой пары, определяется временной интервал, равный одному полному обороту
© Ю.В. Ваньков, И.В. Ившин, В.А. Гаврилов Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
шестерни на данном временном интервале записанного сигнала, формируется амплитудный спектр с частотой дискретизации 10 кГц. Полученный амплитудный спектр используется в дальнейшем в качестве эталонного. Вычисляется зубцовая частота V г по формуле
Н1
V г = — , 60
где п - частота вращения выходного вала; г- число зубьев исследуемой шестерни.
Выделенный сигнал фильтруется на вычисленной зубцовой частоте, где одно полное колебание соответствует «звучанию» зуба шестерни в зацеплении.
На каждом выделенном участке сигнала строится амплитудный спектр, отражающий колебания каждого зуба шестерни в зацеплении. Каждый полученный спектр сравнивается с эталонным и по результатам сравнения делается вывод об исправности или дефектности зубьев шестерни. Сравнение спектров проводится с использованием характеристики сравнения Статистики амплитуд:
А =
( к JL a:
Е ln-
^ i=1 asi j
где а1 - амплитуда на г-й частоте текущего спектра; asi - амплитуда на г-й частоте эталонного спектра; к - число собственных частот колебаний.
Доверительные интервалы для статистики амплитуд строятся на основании популярной гипотезы об асимптотической нормальности этих и многих других оценок - отбраковываются все значения А статистики, удовлетворяющие неравенству
А - A > St
'а ^ —, m — 1
^ 2
где A - оценка математического ожидания статистики (для статистики амплитуд равна 0); S - робастная оценка разброса вычисленных значений статистики (MAD - медиана абсолютных отклонений от математического ожидания); t (а, m)- а -квантиль t-распределения Стьюдента с m степенями свободы; m -
количество спектров, сравниваемых с эталоном.
Если значение Статистики амплитуд, полученное при сравнении спектра «звучания» зуба с эталонным спектром, находится в пределах границ доверительного интервала, то делается вывод об исправности зуба шестерни. При выходе значения Статистики амплитуд за пределы доверительного интервала делается вывод о дефекте в этом зацеплении.
Диагностический комплекс включает (рис. 1) микрофон 5, сигнал от которого поступает на вход аналогового усилителя сигнала 4; с выхода усилителя сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь USB-6009 3, где он преобразовывается в цифровой код и по USB-шине направляется на вход ЭВМ 2. С использованием счетчика оборотов 6 определяется скорость вращения выходного вала исследуемого редуктора 7. В ЭВМ 2, при помощи программ, составленных в среде LabView, сигнал записывается на промежутке времени, равном целому
полному обороту исследуемой шестерни. На разработанный диагностический комплекс получен защищен патентом на полезную модель [4].
Рис. 1. Принципиальная схема измерительного комплекса
Для реализации нового способа в программной среде LabView 8.2 создана программа «Gear Detector» воспроизведения сигнала осциллограммы, выделения его части, последующего спектрального анализа, фильтрации на необходимой полосе частот. Интерфейс данной программы показан на рис. 2. Программа прошла регистрацию и получила свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [5].
Рис. 2. Интерфейс программы для спектрального анализа сигнала © Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
Данная программа позволяет воспроизвести ранее записанный сигнал, выделить сигнал на интересующей оператора полосе частот и построить спектр на выделенном участке сигнала. Интерфейс программы состоит из шести осциллографов. Осциллограф «Весь сигнал» показывает весь записанный сигнал, осциллограф «Экран визуального выделения сигнала» выполняет функции экрана, на котором происходит процесс выделения нужной области из записанного сигнала (часть сигнала белого цвета). На осциллографе «Выделенный сигнал» показывается выделенная часть осциллограммы. На осциллографе «Отфильтрованный сигнал» отображается сигнал, отфильтрованный на интересующей полосе частот (в нашем случае на зубцовой частоте). Данный осциллограф программно связан с осциллографом «Экран визуального выделения сигнала»: длина участка на осциллографе «Отфильтрованный сигнал» соответствует выделенному участку на осциллографе «Экран визуального выделения сигнала». На осциллографе «Спектр на выделенном участке» отображается спектр на выделенном участке сигнала. При запуске программы пользователь выбирает файл, содержащий ранее записанный сигнал, задает полосу частот для фильтрации сигнала, затем указывает индекс начала и длительность нужного участка сигнала, получает спектр на заданном участке, который выводится на осциллографе «Спектр на выделенном участке». После завершения работы, пользователь останавливает работу прибора нажатием кнопки «STOP» на лицевой панели виртуального прибора.
Структурно программа состоит из следующих частей:
- подпрограммы запроса необходимого файла;
- обработки потока данных и выделения участка;
- определения спектра на выделенном участке;
- фильтрации на необходимой полосе частот.
На рис. 3 показан внешний вид данной программы, составленной в среде LabView 8.2.
Рис. 3. Внешний вид блок диаграммы, виртуального прибора для обработки данных в формате осциллограммы, составленной в среде LabView 8.2
Ниже представлены функции, применяемые в данном приборе, а также их краткое описание:
Spectral Measurements Измерить спектр.
Экспресс-ВП выполняет измерения спектра сигнала, такие как измерения амплитудного спектра и спектра мощности. Прибор воспроизведения осц.уъ
Данный ВП, предназначен для выбора необходимого файла с данными и его воспроизведения. Normalize Waveform.vi Нормализовать осциллограмму.
ВП определяет масштаб и смещение, необходимые для преобразования данных входной осциллограммы к диапазону от -1.0 до 1.0.
Get Waveform Subset.vi Получить часть осциллограммы.
ВП извлекает часть осциллограммы, начинающуюся с заданного времени или индекса и имеющую заданную длительность. Данный полиморфный ВП, можно использовать для извлечения части аналоговой или цифровой осциллограммы или набора цифровых данных. Append Waveforms.vi Добавить осциллограмму.
ВП оперирует двумя осциллограммами, подаваемыми соответственно на два его входа (А и В). Добавляет осциллограмму В к концу осциллограммы А. Если частоты выборок не совпадают, то кластер ошибки возвращает ошибку. Время запуска осциллограммы В игнорируется. Тип данных атрибута Y осциллограммы А и осциллограммы В определяет используемую полиморфную реализацию ВП.
2. Основные результаты
Принцип работы измерительного диагностического комплекса состоит в следующем. Запускается электродвигатель 8, с помощью счетчика оборотов 6 устанавливается необходимая частота вращения на выходном валу редуктора. С использованием передаточных чисел редуктора вычисляется скорость вращения диагностируемой шестерни и время её полного оборота. Задав в программе время записи, равное одному обороту диагностируемой шестерни, записывается сигнал в память компьютера. После чего из записанной числовой последовательности выбирается массив данных, соотвествующий времени целого числа оборотов шестерни. На заданном интервале временного сигнала формируется амплитудный спектр, который в последующем используется как эталонный (рис. 4, а). Вычисляется зубцовая частота, задается в интерфейсе программы на одном из осциллографов, получается сигнал (4, б), отфильтрованный из общего потока данных на данной частоте, где одно полное колебание соответствует «звучанию» зуба шестерни в зацеплении. На сигнале зубцовой частоты выделяются участки, соответствующие колебаниям, генерируемым отдельными зубьями при их повороте на угловой шаг (рис. 5, а), на выделенных участках строятся амплитудные спектры (рис. 5, б), каждый из которых сравнивается с эталонным с использованием Статистики амплитуд.
№
б^Г1
»Мл1
i\AJ
IhL
По результатам сравнения делается вывод об исправности зубчатого механизма. Если значение Статистика амплитуд, полученное при сравнении спектра «звучания» зуба с эталонным спектром, находится в пределах границ доверительного интервала, то делается вывод об исправности зуба шестерни. При выходе значения Статистики амплитуд за пределы доверительного интервала делается вывод о дефекте в этом зацеплении.
а) б)
Рис.4. Сигнал и амплитудный спектр работающей зубчатой пары: а) эталонный спектр; б) сигнал 16-ти зубцовой шестерни, отфильтрованный на зубцовой частоте
№№ I
Waveform Graph 0,0014-1
Devl/aiO (Power Spectrum)
а)
ш-м-н I
4000 6000 Frequency
б)
Рис. 5. Сигнал и амплитудный спектр «звучания» зуба шестерни в зацеплении: а) сигнал, выделенный на временном промежутке «звучания» одного зуба шестерни в зацеплении; б) амплитудный спектр, сформированный на временном промежутке, равном «звучанию»
дефектного зуба шестерни
Таким образом, пользователь получает вполне корректный и точный анализ данных. Преимуществом данной программы перед другими аналогами является мобильность средств обработки сигнала, а именно широкий спектр возможностей обработки данных, от простого просмотра до глубокой обработки. В приложении LabView 8.2 предусмотрены функции обработки сигнала во временной области, в частотной области, функции фильтров и обработки весовыми окнами.
На рис. 6 показаны результаты определения технического состояния 16-ти зубцовой шестерни, имеющей дефект - скол одного зуба, которая входит в состав цилиндрической зубчатой пары, работающей под нагрузкой. Из графика сравнения видно, что значение Статистики амплитуд для 5 зубца шестерни выходит за пределы доверительного интервала, а это значит, что спектр колебаний данного зуба значительно отличается от эталонного.
Рис. 6. Результаты определения технического состояния дефектной шестерни с 16 зубьями (А - статистика амплитуд, и - число зубьев шестерни)
Выводы
Разработанная информационно-измерительная система позволяет реализовать новый способ определения технического состояния зубчатых передач. Применение предлагаемого способа и информационно-измерительной системы позволяет контролировать качество зубчатых передач и выявлять их дефекты на стадиях проектирования, изготовления, доводки и испытаний.
Summary
In the work set out results of working iformational measurement system new means of application vibroacoustic method for determination technical state gearing machine and mechanism of electric power plants, outcomes of experiments.
Key words: gearing, defect, amplitude spectrum, gear-meshing frequency, technical state, statistics of amplitude.
Литература
1. Барков А.В. Возможности нового поколения систем мониторинга и диагностики // Металлург. 1998. №11. С 38. №12. С 46.
2. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М: «Машиностроение», 1987. 288с.
3. Бутырин П.А., Васьковская Т.А., Каратаев В.В., Матеркин С.В. Автоматизация физических исследований и эксперимента // Компьютерные измерения и Виртуальные Приборы на основе LabVIEW 7 Express (30 лекций)", 2005. 58 с.
4. Патент 73738 РФ, МПК7 G01 N29/00. Устройство для контроля изделия / И.В. Ившин, А.В. Кочергин, В.А. Гаврилов, О.В. Владимиров, Ю.В.Ваньков, М.Е. Широков; заявитель и патентообладатель И.В.Ившин. №2007141504; заявл.01.11.2007; опубл. 27.01.2008г.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611249 Gear Detector / В.А. Гаврилов И.В. Ившин; заявитель и патентообладатель В.А.Гаврилов. №2007614419; заявл. 13.03.2008г.
Поступила в редакцию 30 марта 2009 г.
Ваньков Юрий Витальевич - д-р техн. наук, доцент, проректор по научной работе Казанского государственного энергетического университета. Тел. 8 (843) 519-42-56. E-mail: vankov@mi.ru.
Ившин Игорь Владимирович - канд. техн. наук, профессор, заместитель начальника кафедры конструкции, эксплуатации и проектирования артиллерийских орудий и боеприпасов Казанского высшего военного командного училища. Тел. 8 (843) 268-29-12; 8-950-3108984.
Гаврилов Вадим Александрович - канд. техн. наук, преподаватель кафедры конструкции, эксплуатации и проектирования артиллерийских орудий и боеприпасов Казанского высшего военного командного училища. Тел. 8 (843) 272-81-06. E-mail: adunkt81@mai.ru.
