Применение дискретного вейвлетиреобразования при диагностике роторных механизмов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МЛШИНОСТРСИНИЕ

УДК 620.179 : 621.822.6

И. В. ФЁДОРОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКРЕТНОГО ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ РОТОРНЫХ МЕХАНИЗМОВ

Показана необходимость в повышении качества и достоверности вибродиагностирования. Предложены алгоритмы предварительной обработки сигналов с помощью дискретного вейвлет-преобразования, позволяющие повысить достоверность диагностирования на 3—5 %.

Ключевые слова: вибрация, диагностика, вейвлет-преобразование, спектр, дефект, преобразование Фурье.

Для поддержания работоспособности стареющего подвижного состава на ближайшие годы намечены его модернизация и совершенствование системы ремонта. В настоящее же время применяются три основные системы планирования и проведения ремонта.

1. Работа до отказа. Это система «бесплановых» ремонтов. В условиях рынка такая система обслуживания оборудования считается нежизнеспособной, т. к. является наиболее затратной.

2. Система планово-предупредительных ремонтов (ППР). В рамках этой системы подразумевается проведение профилактических ремонтов через определенные интервалы времени. Основной недостаток системы ППР заключается в том, что ремонты оборудования планируются вне зависимости от его фактического технического состояния. В результате увеличивается общая стоимость ремонтных работ за счет проведения необоснованных ремонтов, но и это, в конечном итоге, не снижает общей аварийности работы оборудования.

3. Обслуживание и ремонт оборудования но фактическому техническому состоянию. Это наиболее прогрессивная система обслуживания. Основной принцип системы — обслуживание и ремонт оборудования выполняются только в то время и только в том объеме, в котором они действительно необходимы, исходя из текущего технического состояния оборудования. Эта система позволяет свести браки в поездной работе до минимума.

Для определения технического СОСТОЯНИЯ узлов подвижного состава используются различные методы неразрушающею контроля и диагностики. 11аиболее универсальными, сточки зрения механики, параметрами для определения технического состояния оборудования являются механические колебания, или вибрация.

Большинство современных методов вибрационной диагностики базируется на анализе вибрации работающих машин и оборудования. Эти методы составляют основу функциональной (рабочей) диагностики. несмотря на то, что режимы работы оборудования могут быть самыми разными — от установившихся (номинальных или специальных) до переходных, в том числе пусковых, импульсных и т.п.

Проведение функциональной диагностики узлов возможно и на специализированных диагностических стендах, воспроизводящих условия рабочих режимов. Один из таких стендов имеется в лаборатории диагностических средств подвижного состава ОмГУПС (рис. 1). Стенд предназначен для диагностировании буксовых узлов колесных пар пассажирских вагонов. В режиме проведения диагностирования обеспечивается частота вращения колесной пары около 300 об/мин, что соответствует скорости движения 60 км/ч. Гидравлическая система стенда обеспечивает нагрузку па колесную пару порядка 0 тонн.

Датчиками виброускорения, которые установлены в нагруженной часги корпусов букс, измеряются сигналы вибрации и передаются полициям связи на согласующее устройство и дальнейшую обработку в ПЭВМ. Датчиком частоты вращения определяется текущая частота вращения колесной пары. После обработки информации, поступившей с датчиков, па экран монитора (или принтер) выдается заключение о техническом состоянии буксового узла.

В состав вибродиагностической системы входят следующие основные элементы:

— объект диагностирования;

— датчики вибрации;

— линии связи да тчиков с измерительным блоком;

— измерительный блок;

— блок первичной обработки сигналов;

— блок анализа сигналов;

— база данных.

На качество диагностирования влияют все вышеперечисленные элементы системы.

Необходимо по возможности исключать влияние посторонней вибрации на результаты измерений. Датчики вибрации должны обладать требуемыми техническими характеристиками, кроме топ), способ и конструкция крепления датчика к мес ту измерения вибрации должны обеспечивать пропускание сигнала вибрации в нужной полосе частот.

Линии связи обеспечивают качественную передачу сигналов сдатчиков вибрации к измерительному блоку и защиту от наводок. Измерителышй блок осуществляет нормализацию сигнала и его аналого-цифровое преобразование. К основным характерне-

Рис. i. Стенд диагностирования колесных пар, ОмГУПС

тикам этого блока следует отнести разрядность и быстродействия используемого АЦП.

Оцифрованный сигнал с датчиков вибрации поступает в блок первичной обработки сигналов. Обычно .тгот блок реализуется на основе цифрового сигнального процессора. Здесь производятся цифровая фильтрация сигнала, вычисление временных и статистических характеристик сигнала и быстрое преобразование Фурье.

Вычисленные в блоке первичной обработки сигналов данные передаются но тому или иному интерфейсу блоку анализа сигналов. Он представляет собой диагностический модуль, который на основе полученных данных делает заключение о техническом СОСТОЯНИИ Объекта диагностирования. Заключение выдается пользователю, а результаты диагностирования сохраняются в базу данных. Следует сказать, что накапливаемая ежедневно с различных диагностических комплексов информация не должна лежать мертвым грузом в памяти компьютера. Её следует регулярно обрабатывать и анализировать, чтобы выявлять общие зависимости и тенденции в состоянии диагностируемою оборудования (11. Качество этого элемента системы влияет на так называемую диагностику второго уровня, где объектом диагностирования является не отдельный узел, а объект целиком или даже совокупност ь объектов [2].

Каждый из элементов вибродиагиостической системы можно улучшать с целью повышения каче-

сгва, глубины и достоверности диагностирования. Остановим внимание на блоке первичной обработке сигналов. В настоящее время оценка технического состояния и поиск дефек тов роторного оборудования на основе анализа вибросигиала производится следующими методами [3]:

— по среднеквадратичсскому значению виброскорости;

— по спектру вибросигиала;

— по соотношению пик/фон вибросигнала;

— по спектру огибающей вибросигнала.

Автором проведена серия экспериментов на

стенде диагностирования колесных пар в ОмГУПС. Целью эксперимента являлось применение дискретного вейвлет-преобразования для фильтрации сигнала вибрации в блоке предварительной обработки сигналов.

С помощью аппара туры «Прогноз-1М» был записан временной сигнал вибрации с буксовых подшипников, записанный с дефектных и бездефектных узлов. Частота дискретизации временной) сигнала составляет 65536 Гц. Разрядность АЦП — 16 би т. Далее с помощью программы «MatLab6.5» была проведена обработка записанного сигнала с помощью инструмен та Wavelet Toolbox [41.

В качестве базового вейвлета был выбран симлет пятого порядка. График базисного вейвлета и соответствующая масштабирующая функция приведены на рис. 2.

Рис. 2. Симлет пятого порядка н его масштабирующая функция

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИ1С № 1 <«7) 2010

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК № 1 <»7> 2010

*

Рис. 3. Бездефектный узел, спектр огибающей исходного сигнала

QCoo»uti. Зб*9м>ъ

ФНЧ

ИДЛ'ц

Полхоесй ФЦОЛр Ї8МК48В

КязїПИХКМ’ jCMІМИ4Й

16,/Uttt.

ufcpuiw 5ЛЄГц jffl.Sfi ОЛЛли

-!•—і----!--'TT ■ i :

...1....І....Л...Л... . • . ----J---у---V...........

L.L.i.......

Обсроеы г

5:06 Гц 31)3,74

....

•

—: —;—і______

■'І і І і І

—-і—--І—■-

I ---j"” ’ * ...'.*

•і—.....І....................

... J— і—V— -ї.—::—.:........

-І-—І—ті---І..............І - І •• І--І- -І- —-

»00 150 300 250 MO 350 <00 «50 500 5Ь0 БСО 650 700 750 Частота (ГЩ

Рис. 4. Дефектный узел, спектр огибающей исходного сигнала

Поюсоеой ♦мпвтр IG00034M

И»**» Л

5 м» 5

1 |»уци* (ЛртМ

503 Гц 301.61 ООЛ**

□бороты г

5ЙЭГи

301.730бЛмі

шгшшшяшшштшшшшшшшшшяяшяшшшшшшшт

СїСсфДОть

ФНЧ ООО Гц

Пеллмюй вКЪГр ICOOO'3488

Рлі'Т-З.чкмі u-htvHa

ОЗяБ

Иэмегмп

5ю5

T«r.yui ИР свороты

5.03 Гц ЗОШОбЛмі

Обороты г

WBTu

ЭТ.ТЭСМЛ**

Рис. 5. Бездефектный узел, спектр огибающей обработанного сигнала

Ойсротм п(ммп'»*«<

5.06 Га

УПИ 06/ми..

#

Рис. 6. Дефектный узел, спектр огибающей обработанного сигнала

Выло проведено разложение временного сигнала на пять уровней детализации с помощью дискретного вейвлет преобразования. Далее производилась фильтрация коэффициентов детализации и реконструкция сигнала из отфильтрованных коэффициентов |5|. Затем вычислялся спектр огибающей реконструированного сигнала, который является основной информацией для модуля анализа. Для дефектного и бездефектного узлов были получены спектры огибающей исходного сигнала и сигнала обработанного с помощью дискретного вейвлет-преобразования. Результаты представлены на рис. 3 6.

Частота вибрации при перекатывании роликов по наружному кольцу /н вычисляется но формуле [6):

лЧ'вр{,~£со5<а|Ь

ЗдесьЛ»р частота вращения В1гутреннего кольца (т.е. колесной пары); (1н — наружный диаметр поверхности качения (внутренний диаметр наружного кольца); у. - число тел качения (роликов); с/р — диаметр ролика а — угол, центр которого находится на оси вращения, а лучи проходят через оси соседних роликов. Частота вращения колесной пары на стенде составляет 5,03 Гц. Для буксового подшипника Би232726 диаметр наружного кольца составляет 250 мм, количество роликов равно 14, диаметр ролика — 32 мм, угол а равен 0 градусов. Тогда /н будет равно

30,7 Гц.

Пик на спектре огибающей в районе 31 Гц соответствует частоте перекатывания роликов по наружному кольцу подшипника. При взгляде па эти спектры трудно сказать, какой из них соответствует дефектному узлу.

В спектре огибающей обработанного сигнала четко видна харак терная частота дефекта наружного кольца и её гармоники.

Область исследования очень широка. Существует большое количество параметров обработки сигнала с помощью дискретного вейвлет-преобразования, которыми можно варьировать: базовый вейвлет, глубина разложения, метод фильтрации коэффициентов детализации. Однако уже сейчас имеются результата, позволяющие повысить достоверность диагностирования на 3 — 5%.

Библиографический список

1. Щедрин, В.И. 1£ще раз о перспективах вибродиагнастнки /

B. И. Щедрин, В. Ю. Тэттэр, В. С. Блрлйщук, Л. К. Агафовкнн // Локомотив. - 2007. — №5. — С. 39 —41.

2. Тэттэр, В.Ю. Распределенная система диагностирования на базе программно-аппаратного комплекса оперативной диагностики «Прогноз» / В.Ю- Тэттэр, И.В. Федоров, В.Г. Шахов // Актуальные проблемы Транссиба па современном этапе : материалы международной конференции. — Новосибирск, 2007. —

C. 123-127.

3. Руссов. В.А. Спектральная в нбродиагностика / В.А. Русов. — М.: Энергоиздат, 1996. - 261 с.

4 Смоленцев. 11.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в МаїїаЬ/11.К. Смоленцев, — м.: Изд-во ДМК пресс, 2008. - 448 с.

5. Добсши, И. Десять лекций по вейвлетам / И. Добеиш. — Ижевск: НИЦ «Регулярная И хаотическая динамик.)", 2<101. — 464 с.

6. Вибрация и внбродиагностнка судового электрооборудования/ Л.В. Барков (и др.). — М.: Судостроение. 1986. - 166с.

ФЁДОРОВ Иван Васильевич, аспирант кафедры «Автоматика и системы управления».

Адрес для переписки: e-mail: FedorovIV@inbox.ru

Статья поступила в редакцию 23.12.2009 г.

© И. В. Фёдоров

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТИИК № 1 <«7) 2010

T«*yei«e обороты

5.05 Гц 303.6# Об/мим

Рбсрсти гумниц» »м

5.05 Гц ЗСЭ 74 ОбЛмн

Рис. 6. Дефектный узел, спектр огибающей обработанного сигнала

Было проведено разложение временного сигнала на пять уровней детализации с помощью дискретного вейвлет преобразования. Далее производилась фильтрация коэффициентов детализации и реконструкция сигнала из отфильтрованных коэффициентов |5]. Затем вычислялся спектр огибающей реконструированного сигнала, который является основной информацией для модуля анализа. Для дефектного и бездефектного узлов были получены спектры огибающей исходного сигнала и сигнала обработанного с помощью дискретного вейвлет-преобразования. Результаты представлены на рис. 3 0.

Частота вибрации при перекатывании роликов по наружному кольцу /н вычисляется но формуле (б):

/■„ = 1.Л,р(1-£.сс»*(о)).2.

Здесь /яр частота вращения внутреннего кольца (т.е. колесной пары); ён — наружный диаметр поверхности качения (внутренний диаметр наружного кольца); х — число тел качения (роликов); йр — диаметр ролика а — угол, центр которого находится на оси вращения, а лучи проходят через оси соседних роликов. Частота вращения колесной пары на стенде составляет 5,03 Гц. Для буксового нодшиппика 51)232726 диаметр наружного кольца составляет 250 мм, количество роликов равно 14, диаметр ролика — 32 мм, угол сх равен 0 градусов. Тогда /н будет равно

30,7 Гц.

Пик на спектре огибающей в районе 31 Гц соответствует частоте перекатывания роликов по наружному кольцу иодшипника. При взгляде на эти спектры трудно сказать, какой из них соответствует дефектному узлу.

В спектре огибающей обработанного сигнала четко видна характерная частота дефекта наружного кольца и ее гармоники.

Область исследования очень широка. Существует большое количество параметров обработки сигнала с помощью дискретного вейвлет-иреобразоваиия, которыми можно варьировать: базовый вейвлет, глубина разложения, метод фильтрации коэффициентов детализации. Однако уже сейчас имеются результаты, позволяющие повысить достоверность диагностирования на 3 — 5 %.

Библиографический список

1. Щедрин, В.И. 1£ще раз о перспективах вибродиагносгики / П. И. Щедрин, В. Ю. Тэттэр, В. С. Барайщук, А. К. Агафонкнн // Локомотив. - 2007. - №5. - С. 39-41.

2. Тэттэр. В.Ю. Распределенная система диагностирования на базе программно-аппаратного комплекса оперативной диагностики «Прогноз» / В.Ю. Тэттэр, И.В. Федоров, В.Г. Шахов // Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе : материалы международной конференции. — Новосибирск, 2007. —

С. 123-127.

3. Руссов. В.А. Спектральная вибродиагносгика/ В.А. Русов. — М.: Энергоиздат. 1996. - 261 с.

4. Смоленцев, 11.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в МаїїаЬ/I I.К. Смоленцев. — М. :Иэд-воДМК пресс, 2008. - 448 с.

5. Добсши, И. Десять лекций но вейвлетам / И. Добеши. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика и, 200 1. — 464 с.

6. Вибрация и внбродиагностика судового электрооборудования / Л.В. Барков (и др.). — М.: Судостроение. 1986. - 166 с.

ФЁДОРОВ Иван Васильевич, аспирант кафедры «Автоматика и системы управления».

Адрес для переписки: e-mail: FedorovIV@inbox.ru

Статья поступила в редакцию 23.12.2009 г.

© И. В. Фёдором

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТНИК № 1 (в7) 2010