CC BY
82
УДК 629.424.3:621.436:004.58
Б. Є. БОДНАР1, О. Б. ОЧКАСОВ1, Д. В. ЧЕРНЯЄВ1*
1 Каф. «Локомотиви», Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, 49010, Дніпропетровськ, Україна, тел. +38 (067) 757 42 07, ел. пошта augen3@yandex.ru
ВИЗНАЧЕННЯ МЕТОДУ ФІЛЬТРАЦІЇ СИГНАЛУ НЕРІВНОМІРНОСТІ ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ КОЛІНЧАСТОГО ВАЛА ДИЗЕЛЯ
Мета. Визначення методики обробки сигналу нерівномірності кутової швидкості колінчастого валу тепловозного дизеля для вивільнення корисного сигналу від шумів. Методика. Однією з реалізацій стратегії розробки та впровадження систем нерозбірного діагностування тепловозних двигунів у процесі експлуатації є метод нерозбірного діагностування та контролю технічного стану тепловозного дизеля за нерівномірністю частоти обертання колінчастого валу. Проаналізовано недоліки методу усереднення даних і запропоновано методику оцінки невідтворності робочих циклів дизеля. Результати. Отримання сигналу нерівномірності частоти обертання виконується за допомогою датчика кутової швидкості, в якості якого використовується інкрементальний енкодер. Наведено структурну схему пристрою та параметри отриманого сигналу. Наведено типові графічні інтерпретації сигналу кутової швидкості. Запропоновано використання КІХ-фільтру та визначено його параметри. Виконано аналіз спектрограм сигналів на обох режимах вимірювання сигналу частоти обертання та обрано частоти зрізу фільтра. Наведено рішення проблеми фазового зсуву результату фільтрації. Наукова новизна. Обґрунтовано важливість виконання цифрової фільтрації. Розроблено підхід, що дозволяє використовувати показник невідтворності циклів як додатковий показник сталої роботи дизеля. Практична значимість. Вирішення задачі обробки сигналу дозволяє отримати корисний сигнал без врахування шумового впливу, що спотворює відображення дійсної картини фізичного процесу.
Ключові слова: нерівномірність частоти обертання; нерозбірне діагностування дизеля; цифрова фільтрація сигналу; спектральний аналіз; фазовий зсув
Вступ
У теперішній час є гостра потреба автоматизації процесів технічного обслуговування тягового рухомого складу, що дозволить зменшити час перебування локомотивів у ремонті, а у перспективі - перейти від планово-попереджу-вальної системи обслуговування до обслуговування за фактичним технічним станом. Оптимальним варіантом автоматизації технічного обслуговування є нерозбірне діагностування під час експлуатації.
Останніми роками у діагностуванні тягового рухомого складу все більш актуальною стає стратегія розробки та впровадження систем нерозбірного діагностування тепловозних двигунів у процесі експлуатації. Однією з реалізацій цієї стратегії є метод нерозбірного діагностування та контролю технічного стану тепловозного дизеля за нерівномірністю частоти обертання колінчастого валу. Відомо, що кутова швидкість колінчастого валу дизеля в межах робочого циклу не постійна, на її коливання мають вплив абсолютне значення та форма обертового моменту від кожного циліндра [1, 2, 7-9]. Суть
цього методу полягає в вимірюванні кутової швидкості колінчастого вала дизеля з великою роздільною здатністю та визначенні характерних показників, що свідчать про якість робочого процесу у циліндрах та технічний стан дизеля в цілому.
Мета роботи
Необхідно визначити методику обробки сигналу нерівномірності кутової швидкості колінчастого валу тепловозного дизеля для виділення корисного сигналу від шумів та зробити його зручним для розрахунку прискорення кутової швидкості та визначення значень діагностичних показників. А також розглянути додаткові можливості обробки сигналу.
Отримання сигналу нерівномірності кутової швидкості валу дизеля
Сигнал нерівномірності кутової швидкості отримується за допомогою пристрою реєстрування (рис. 1), що складається з датчика (ін-
крементальний оптичний енкодер) та пристрою перетворення сигналу, який реалізовано на базі мікропроцесорного таймера-лічильника. Датчик встановлено на торцевій частині колінчастого валу дизеля Д 50 з боку генератора або приводу масляного насоса.
Дизель
Датчик
Пристрій перетворення та запису
ЕОМ
Рис. 1. Структура пристрою реєстрування
На ЕОМ сигнал поступає у вигляді матриці-вектора [1^1250] значень частоти обертання вала дизеля за два оберти через кутові інтервали 0,576°. Внаслідок неабсолютної жорсткості механічної системи дизеля, а також зв’язку вала з датчиком, сигнал має високочастотний шумовий вплив, що заважає точному визначенню характерних точок (екстремумів) графіку.
Експериментальні дослідження передбачається виконувати у наступних режимах:
- провертання колінчастого валу без подачі палива п « 130 об/хв (рис. 2);
- режим холостого ходу дизеля п « 350 об/хв
Рис. 2. Сигнал кутової швидкості колінчастого валу дизеля у режимі провертання
Визначення частоти зрізу цифрової фільтрації сигналу
Оскільки сигнал нерівномірності має жорсткий фазовий зв'язок з процесами, що протікають у дизелі і відображаються на амплітуді сигналу, то для його фільтрації необхідно застосувати такий фільтр, що не створює фазового зсуву в обробленому сигналі. Крім того, потреби отримання за даними кутової швидкості значень кутового прискорення вала та визначення характерних несправностей КШМ висувають суперечні вимоги щодо ступеня фільтрації. Так, для розрахунку кутового прискорення необхідно мати сигнал кутової швидкості з мінімальною складовою високо- та середньочас-тотних шумів. Задоволення цієї вимоги зводиться до задачі конструювання цифрового фільтру високого порядку з вузькою полосою пропускання. Полоса пропускання, або частота зрізу визначається за результатами аналізу спектральної щільності сигналу кутової швидкості (рис. 4). Розрахунок спектрограм виконувався у програмному пакеті МЛТЬЛБ 7.12.0 (К2011а) за методом Томсона, який ґрунтується на використанні витягнутих сфероїдальних функцій. Ці функції конечної довжини забезпечують максимальну концентрацію енергії в заданій полосі частот [4, 6]. Аналіз отриманої спектрограми сигналу нерівномірності у режимі холостого ходу (див. рис. 4) показав, що максимальне значення щільності амплітуд сигналу спостерігається у діапазоні 0. ..0,018 значень нормалізованої частоти. Отже приймаємо значення частоти зрізу 0,018.
Рис. 3. Сигнал кутової швидкості колінчастого валу дизеля Д 50 у режимі холостого ходу
Рис. 4. Спектрограма сигналу кутової швидкості дизеля Д50 у режимі холостого ходу
Аналіз спектрограми сигналу нерівномірності у режимі провороту (рис. 5) показав, що максимальне значення щільності амплітуд сигналу спостерігається у діапазоні 0...0,02 значень нормалізованої частоти.
Thompson Multitaper Power Spectral Density Estimate
70 I---T-----T----1----T----T-----T----1----і-----1----1----T----
<u
є 60
cd
-o 50
«3
Normalized Frequency (xtc rad/sample)
Рис. 5. Спектрограма сигналу кутової швидкості дизеля Д 50 у режимі провертання
Але у діапазоні 0,02...0,05 значення щільності залишається досить великим. Це відображає коливання графіка кутової швидкості, викликані інерційною несталістю КТТТМ.
Розробка цифрового фільтру
Як видно зі спектрограм (рис. 2, 3) щільність амплітуди корисного сигналу знаходиться суто у зоні низьких частот, тому для відокремлення його від шумів пропонується використати фільтр високих частот. Фільтрацію даних реалізовано у пакеті МЛТЬЛБ 7.12.0 (К2011а) за допомогою фільтру високих частот з кінцевою імпульсною характеристикою (КІХ-фільтр), який складається з 90 ланок (рис. 6). Математично робота фільтра виглядає наступним чином:
у(х) = Ь + Ьх- +... + Ьтх~т, (3.1)
де х - значення ряду даних, що підлягають фільтруванню; у (х)- значення ряду відфільтрованих даних;
Ь - коефіцієнти фільтру;
т - ступінь фільтрації.
Оскільки сигнал має кінцеву довжину, то при його обробці з’являються кінцеві ефекти, що спотворюють сигнал на початку кутового діапазону та наприкінці. Тому фільтрування
виконується з використанням вікна Кайзера зі значенням в = 0,8.
_______Magnitude (dB) and Phase Responses
ok -----Magnitude (АЧХ
formalized Preauencv Íxí/Vad /samóle^
Рис. 6. АЧХ та ФЧХ КІХ-фільтру
При використанні КІХ-фільтрів такого високого порядку спостерігається значний фазовий зсув (рис. 7), що ускладнює подальшу обробку сигналу.
Рис. 7. Результат виконання фільтрації сигналу з отриманням фазового зсуву
0 90 180 270 360 450 540 630 720
°0 90 180 270 360 450 540 630 720
Кут повороту КВ, град
Рис. 8. Результат виконання фільтрації сигналу частоти обертання о з компенсацією фазового зсуву та побудова графіку прискорення частоти обертання
Для усунення цього ефекту фільтрація виконувалась двічі: спочатку у прямому напрямку, а потім - у зворотному. Це дозволило абсолютно компенсувати зсув (рис. 8), а якісна фільтрація
шумового впливу дозволила шляхом диференціювання побудувати адекватну графічну залежність прискорення частоти обертання.
Огляд можливості додаткової обробки сигналу
В якості додаткового методу обробки сигналу в роботах [3, 5], де вирішувалася подібна задача, для збільшення достовірності даних та зменшення шумового впливу пропонувалось використовувати усереднення сигналів послідовних циклів у кількості від 30 до 100.
Зважаючи на те, що при різних значеннях частоти обертання валу необхідний час для вимірювання 30 робочих циклів також буде змінюватись (рис. 9).
Рис. 9. Графічна залежність часу вимірювання частоти обертання 10 та 30 послідовних робочих циклів від швидкісного режиму для дизеля Д 50
Графічна залежність, побудована для робочих обертів дизеля Д 50 показує, що при виконанні діагностування на режимі, близькому до номінального, час вимірювання 30 робочих циклів не перевищує 5 секунд. На середніх обертах від 5 до 10 секунд. А на режимі холостого ходу цей час складає 10 секунд. При вимірюванні у режимі провороту від штатного пускового пристрою частота обертання досягає 130 обор./хв., а час вимірювання - 24 секунди. З точки зору зменшення навантаження на акумуляторній батареї при провертанні вала дизеля слід розглянути можливість зменшення часу вимірювання у цьому режимі.
Зрозуміло, що результатом процедури усереднення є деякий середній робочий цикл, що відповідає реальним циклам з деяким ступенем імовірності. Тому пропонується розглядати не усереднений цикл, а окремі робочі цикли, що дає можливість спостерігати ступень ідентич-
ності циклів. Такий підхід дозволяє запропонувати використання показника невідтворності циклів, що характеризує ступень різниці між послідовними робочими циклами у окремому циліндрі та дозволяє оцінити насамперед стабільність роботи паливної апаратури.
Висновки
Задача обробки сигналу має велике значення, оскільки дозволяє отримати корисний сигнал без врахування шумового впливу, що спотворює відображення дійсної картини фізичного процесу.
За результатами даної роботи проаналізовано частотний спектр сигналу нерівномірності частоти обертання валу дизеля, визначено тип фільтру та розроблено його параметри. Отриманий фільтрований сигнал цілком підходить для визначення значень характерних точок графіку нерівномірності частоти обертання та побудови графіку прискорення. Також розроблено підхід, що дозволяє використовувати показник невідтворності циклів як додатковий показник сталої роботи дизеля.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Боднар, Б. Є. Методи нерозбірного діагностування дизелів при експлуатації рухомого складу / Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, Д. В. Черняєв, О. Я. Децюра // Вісник Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. - Д. : ДНУЗТ, 2012. - Вип. 41. - С. 63-67.
2. Боднар, Б. Є. Моделювання нерівномірності обертня колінчатого валу дизеля / Б. Є. Боднар, О. Б. Очкасов, Д. В. Черняєв, О. Я. Децюра // Вісник Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. ім. акад. В. Лазаряна. - Д. : ДНУЗТ., 2010. -Вип. 31. - С. 18-25.
3. Борщенко, Я. А. Разработка метода диагностирования автомобильных дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала : дис. ... канд. тех. наук : 05.22.10 / Борщенко Ярослав Анатольевич ; Курганский гос. ун-т. - Тюмень, 2003. - 189 с.
4. Лазарев, Ю. Ф. Моделирование процессов и систем в МАТЬАБ : учебный курс / Ю. Ф. Лазарев. - СПб. : Питер ; Киев : Изд. группа БЫУ, 2005. - 512 с.
5. Марченко, Б. Г. Теория диагностики энергоагрегатов по девиации вращающихся узлов и ее практическая реализация на дизель-
электрических генераторах. Часть 4. Экспери- 8. Gawande, S. H. Cylinder Imbalance Detection of
ментальная проверка методики диагностики Six Cylinder DI Diesel Engine Using Pressure
цилиндро-поршневой группы дизель-электри- Variation / S. H. Gawande, L. G. Navale, M. R.
ческого генератора / Б. Г. Марченко, М. В Мы- Nandgaonkar , D. S. Butala., S. Kunamalla, //
слович // Техническая электродинамика. - 1999. International Journal of Engineering Science and
- № 4. - С. 40-45. Technology. - 2010. - V. 2(3). - P. 433-441.
6. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов : 9. Gawande, S. H. Harmonic Frequency Analysis of
учеб. пособие для вузов / А. Б. Сергиенко. - Multi-Cylinder Inline Diesel Engine Genset for
СПб. : Питер, 2007. - С. 751. Detecting Imbalance / S. H. Gawande,
7. Challen, B. Diesel Engine Reference Book, 2nd L. G. Navale, M. R. Nandgaonkar, D. S. Butala //
edition / B. Challen, R. Baranescu. - Butterworth- International Review of Mechanical Engineering,
Heinemann, 1999. - 682 с. (I.RE.M.E.). - 2009. - V. 3. - № 6. - Р. 782-787.
Б. Е. БОДНАРЬ1, А. Б. ОЧКАСОВ1, Д. В. ЧЕРНЯЕВ1*
1 Каф. «Локомотиви», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, 49010, Днепропетровск, Украина, тел. +38 (067)757 42 07, эл. почта augen3@yandex.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДА ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛА НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДИЗЕЛЯ
Цель. Определение методики обработки сигнала неравномерности угловой скорости коленчатого вала тепловозного дизеля для отделения полезного сигнала от шумов. Методика. Одной из реализаций стратегии разработки и внедрения систем неразборного диагностирования тепловозных двигателей в процессе эксплуатации является метод неразборного диагностирования и контроля технического состояния тепловозного дизеля по неравномерности частоты вращения коленчатого вала. Проанализированы недостатки метода усреднения данных и предложена методика оценки невоспроизводимости рабочих циклов дизеля. Результаты. Получение сигнала неравномерности частоты вращения осуществляется с помощью датчика угловой скорости, в качестве которого используется инкрементальный энкодер. Приведена структурная схема устройства и параметры полученного сигнала. Приведены типовые графические интерпретации сигнала угловой скорости. Предложено использование КИХ-фильтра и определены его параметры. Научная новизна. Выполнен анализ спектрограмм сигналов на обоих режимах измерения сигнала частоты вращения и выбраны частоты среза фильтра. Приведено решение проблемы фазового сдвига результатов фильтрации. Практическая значимость. Обоснована важность выполнения цифровой фильтрации. Разработан подход, который позволяет использовать показатель невоспроизводимости циклов как дополнительный показатель работы дизеля.
Ключевые слова: неравномерность частоты вращения; неразборное диагностирования дизеля; цифровая фильтрация сигнала; спектральный анализ; фазовое смещение
B. Ye. BODNAR1, O. B. OCHKASOV1, D. Ch. CHERNYAYEV1*
1 Department of “Lokomotives”, The Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan Str., 2, 49010, Dnepropetrovsk, Ukraine, tel. +38 (067) 757 42 07, e-mail augen3@yandex.ru
DEFINITION OF METHOD SIGNAL FILTERING IRREGULARITY CRANKSHAFT SPEED OF DIESEL
Purpose. Determination of signal processing techniques uneven angular velocity of the crankshaft of diesel locomotive for the release of the signal from the noise. Methodology. One of the implementations of strategy development and implementation of folding diagnosing diesel engines in service is a method of folding diagnostics and
condition monitoring of diesel locomotive for uneven speed of the crankshaft. The disadvantages of the method of averaging the data and the technique of non-repeatable evaluation cycles diesel are analyzed. Findings. Signal receiving of uneven speed is achieved by using angular velocity sensor, which is used as an incremental encoder. The block diagram of the device and the parameters of the received signal have been shown. Typical graphic interpretations of the angular velocity signal are presented. Using of FIR filter was proposed and its parameters were dimensioned. Originality. The analysis of the spectrograms of the signals in both measurement modes speed signal was carried out and the filter cut-off frequency was selected. The solution of the problem of the phase shift filtering results is presented. Practical value. The importance of the digital filter is substantiated. The approach, which allows the use of non-repeatable indicator cycles as an additional indicator of the diesel engine is developed.
Keywords: uneven speed; folding diesel diagnostics; digital filtration signal spectral analysis; phase shift
REFERENCES
1. Bodnar B.Ye., Ochkasov O.B., Chernyayev D.V., Detsiura O.Ya. Metody nerozbirnoho diagnostuvannia dyzeliv pry ekspluatatsii rukhomoho skladu [Methods of molded diagnosis of diesel engines in the operation of rolling stock]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 41, pp. 63-67.
2. Bodnar B.Ye., Ochkasov O.B., Chernyayev D.V., Detsiura O.Ya. Modeliuvannia nerivnomirnosti obertannia kolinchatoho valu dyzelia [Modeling irregularity of the crankshaft of diesel]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 31, pp. 18-25.
3. Borshchenko Ya. А. Razrabotka metoda diagnostirovaniya avtomobilnykh dizeley po neravnomernosti vrashcheniya kolenchatogo vala. Kand. Diss. [Development of a diagnosis automobile diesels method on the uneven rotation of the crankshaft. Cand. Diss.]. Tumen, 2003. 189 p.
4. Lazarev Yu.F. Modelirovaniye protsessov i sistem v MATLAB [Modeling of processes and systems in MATLAB]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2005. 512 p.
5. Marchenko B.G., Myslovich M.V. Teoriya diagnostiki energoagregatov po deviatsii vrashchayushchikhsya uzlov i yeye prakticheskaya realizatsiya m dizel-elektricheskikh generatorakh. Chast 4. Eksperimentalnaya pro-verka metodiki diagnostiki tsilindro-porshnevoy gruppy dizel-elektricheskogo generatora [The theory of power units to diagnose deviations rotating parts and the practical implementation of the diesel and electric generators. Part 4. Experimental verification of the diagnostic techniques of cylinder and piston group of diesel and an electric generator]. Tekhnicheskaya elektrodinamika - Technical electrodynamics, 1999, no. 4, pp. 40-45.
6. Sergiyenko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov [Digital signal processing]. Saint Petersburg, Piter Publ., 2007. 751 p.
7. Challen B., Baranescu R. Diesel Engine Reference Book, 2nd edition. Butterworth-Heinemann, 1999. 682 p.
8. Gawande S.H., Navale L.G., Nandgaonkar M.R., Butala D.S., Kunamalla S. Cylinder Imbalance Detection of Six Cylinder DI Diesel Engine Using Pressure Variation. International Journal of Engineering Science and Technology, 2010, vol. 2 (3), pp. 433-441.
9. Gawande S.H., Navale L.G., Nandgaonkar M.R., Butala D.S. Harmonic Frequency Analysis of Multi-Cylinder Inline Diesel Engine Genset for Detecting Imbalance. International Review of Mechanical Engineering (I.RE.M.E.), 2009, vol. 3, no. 6, pp. 782-787.
Стаття рекомендована до публікації д.т.н., проф. Е. Д. Тартаковським (Україна); д.т.н., проф. М. І. Капіцею (Україна)
Поступила в редколегію 07.11.2012 Принята к печати 21.02.2013
