CC BY
1ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.822:62-13 А. К. Горбатюк, А. Ю. Коньков, И. Д. Конькова
ВИБРОМОНИТОРИНГ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ МЕТОДОМ МАКСИМАЛЬНОГО ДИСКРИМИНАНТА
Горбатюк А. К. - инженер кафедры "Нефтегазовое дело химия и экология" ФГБОУ ВО "ДВГУПС", e-mail: gorbatyukoo50@gmail.com; Коньков А. Ю. - д-р техн. наук, профессор кафедры "Транспорт железных дорог" ФГБОУ ВО "ДВГУПС", e-mail: akonkov1964@gmail.com; Конькова И. Д. - канд. техн. наук, доцент кафедры "Транспорт железных дорог" ФГБОУ ВО "ДВГУПС", e-mail: iramanets@yandex.ru
Для мониторинга технического состояния роторных машин предложен новый параметр - максимальный дискриминант, вычисляемый по данным многомерного дискриминантного анализа. Приведены результаты сравнения предлагаемого параметра с общепринятыми для вибромониторинга величинами среднеквадратичного значения виброускорения и пик-фактора на примере мониторинга технического состояния подшипников качения.
Ключевые слова: вибрация, вибромониторинг, диагностика, подшипник качения, виброускорение, спектральный анализ вибросигнала
Вибродиагностика остается одним из самых распространенных методов диагностирования роторных машин благодаря высокой информативности, простоте измерения, доступности средств измерения. Вибромониторинг позволяет предотвратить внезапные отказы оборудования за счет оценки текущего эксплуатационного состояния машин и узлов без необходимости их демонтажа. Построение системы мониторинга во многом зависит от типа оборудования, компоновки и от степени ответственности предприятия. Методики измерения и сбора данных, для построения систем мониторинга регламентированы ГОСТ 13373-1-2009 [1]. Согласно стандарту для измерения вибрации на невращающихся частях машины используют среднеквадратическое значение (СКЗ) виброускорения или виброскорости и пик-фактор [1-3]. Для сопоставимости результатов процесс мониторинга по возможности должен проис-
© Горбатюк А. К., Коньков А. Ю., Конькова И. Д., 2024
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
ходить в одних и тех же условиях. Базовые системы мониторинга, построенные на СКЗ виброскорости или виброускорения, оценивают состояние диагностируемого узла по зонам, выбранным в качестве пороговых уровней. Предусмотрены 4 уровня от А до D: A-новая машина; B-возможна неограниченная работа; С-разрешена кратковременная работа; D-высокий уровень вибрации, возможно повреждение машины. Данные методы мониторинга не решают задачу определения неисправности на ранней стадии, а фиксируют уже развитый дефект для дальнейшей оценки влияния на текущую работоспособность, остаточный ресурс, необходимый перечень ремонтных работ. Для идентификации дефекта применяются методы, основанные на спектральном анализе [2], среди которых можно выделить два основных: анализ прямого спектра и анализ спектра огибающей высокочастотной (ВЧ) составляющей сигнала [4]. Несмотря на возможность раннего обнаружения дефекта, спектральный анализ имеет ряд ограничений, а именно: необходимость контроля частоты вращения; учет геометрических размеров узлов машины для расчета диагностических частот. Анализ литературных источников показал, что существуют методы спектрального анализа, лишенные названных недостатков. Так начиная с 2010 г. в работах Соколовой А.Г. была представлена методика многомерного дискри-минантного анализа [5-8]. Идея этой методики заключается в расчете безразмерных дискриминантов клиппированных по амплитуде сигналов виброускорения в полосах проявления дефектов узлов во времени. Большинство работ, опубликованных Соколовой А.Г. с соавторами, посвящены мониторингу технического состояния газотурбинных двигателей, на примере которых экспериментально показано, что данная методика позволяет не только обнаружить зарождающиеся дефекты, но и оценить причинно-следственные связи приведшие к неисправности. В связи с этим, возникает интерес оценки преимуществ новой методики в сравнении с традиционным для вибромониторинга контролем параметров СКЗ и пик-фактора.
Таким образом, целью данной работы является сравнительный анализ метода дискриминанта с методами контроля СКЗ виброускорения и пик-фактора на примере мониторинга технического состояния подшипников качения.
Задачи по достижению данной цели:
- получение экспериментальные данных;
- разработка методики анализа экспериментальных данных;
- анализ и сравнение полученных результатов.
Экспериментальные данные
Сравнительный анализ проводился на наборе данных, содержащих записи сигнала виброускорения на корпусе подшипников качения типа ЯехпоМ 2Л-2115, являющихся частью экспериментальной установки. Наружное кольцо подшипников было неподвижно, а внутреннее вращалось совместно с валом с частотой 2000 мин-1, нагруженным в радиальном направлении постоянной силой 6672 Н. При таких условиях через несколько сот часов непрерывной ра-
йГ
боты у подшипника развивался один из возможных дефектов. С периодичность 5 - 10 минут проводилась запись сигнала виброускорения на корпусе подшипника продолжительностью 1 секунда с частотой дискретизации 20 кГц. Износ элементов подшипника контролировался по содержанию металла в системе смазки. Эксперимент завершался по достижению установленного порога для этого показателя, после чего визуально определялся изношенный элемент подшипника. Из набора данных были взяты подшипники, в которых по окончании эксперимента развились следующие дефекты: износ внутреннего кольца; износ ролика; износ наружного кольца.
Эксперимент выполнялся в лаборатории научно-исследовательского университета Цинциннати (США). Результаты измерения виброускорения опубликованы и доступны для научного сообщества на сайте независимого агентства National Aeronautics and Space Administration (NASA) [9].
Характеристики ПК Rexnord ZA-2115 представлены ниже:
- диаметр сепаратора - 71,501 мм;
- диаметр тел качения - 8,4 мм;
- количество тел качения - 16 шт;
- угол контакта тел качения - 15,17°.
Обработка экспериментальных данных
Методика многомерного дискриминантного анализа [5-8] предполагает расчет дискриминанта для нескольких частотных полос от 0 до 4 кГц с шагом 0,5 кГц и одну общую широкую полосу от 0 до 4 кГц. Дискриминантом является величина, рассчитываемая при анализе спектральной характеристики вибросигнала для каждой из полос частот по формуле:
jjrg-ii(*.)t-p]c
где (xi)t и (xj)n - значения амплитуды вибрации текущего и эталонного состояния машины; P - порог клиппирования; C - порядок дискриминанта (принимался равным 2); Kt и Kn - количество выбросов вибросигнала в спектре выше порога клиппирования.
Порог клиппирования служит для отсечения шумов сопровождающихся нормальной работой машины. Формула для расчета порога:
Р = Л-ап, (2)
где А - отладочный коэффициент выбирается в диапазоне от 0,5 до 3 (принимался равным 1,5); ап - СКЗ для эталонного состояния.
Более подробно метод представлен в работах [5-8]. Пример построения графиков дискриминанта, рассчитанного для каждой из полос представлен на рис.1.
Согласно данным работ [5-8] полоса частот, на которой дискриминант достигает максимума, может указывать на конкретный вид дефекта газотурбинного двигателя. На сегодняшний день в литературе недостаточно данных
(1)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
чтобы установить подобную зависимость для подшипников качения. Кроме того, на этапе мониторинга технического состояния подшипника задача идентификации развивающегося дефекта не является актуальной. Поэтому, далее в работе графики дискриминанта будут представлены только для полос частот, на которых в эксперименте наблюдался максимальный рост значений.
Рис. 1. Пример формирования графика дискриминанта по максимальным значениям в
заданных полосах частот
Анализируя тренд изменения дискриминанта по полосам частот (см. рис.1) можно выделить 4 зоны. В первой зоне наблюдается рост дискриминанта по полосам 1,5-2 кГц, 2-2,5 кГц и 0,1-4 кГц, находясь при этом на одном уровне. Второй диапазон имеет отчетливый рост только по полосе 2-2,5 кГц. В третьем диапазоне наибольший дискриминант характерен для полосы 1,5-2 кГц и переходя в четвертый диапазон максимальный дискриминант снова наблюдается по полосе 2-2,5 кГц. Таким образом на разных стадиях развития дефекта максимальное значение дискриминанта имело место для разных полос частот. В предлагаемом нами подходе контролируемый параметр - максимальный дискриминант - определяется по значению дискриминанта той частотной полосы, которая в текущий момент времени имеет максимальное значение дискриминанта.
При расчете СКЗ виброускорения согласно стандарту ГОСТ Р ИСО 108163-99 [10] ширина полосового фильтра должна составлять 1 Гц-1 кГц. По мнению авторов работы [11] это может послужить ограничением при определении дефектов, для которых характерен рост ВЧ составляющей вибрации. В связи с этим в настоящей работе наряду с СКЗ, определенным по стандартной методике, дополнительно рассчитывалось СКЗ с предварительной фильтрацией в диапазоне 0,1-4 кГц, как в методике расчета дискриминанта, что позволило учесть ВЧ составляющую сигнала. Нижняя граница частот была сдвинута к
ИГ
100 Гц в связи с особенностями реализации цифрового фильтра. СКЗ рассчитывалось по формуле:
а =
п
(3)
(=1
где п - количество отсчетов; х^ - значения виброускорения /-го отсчета.
Пик-фактор (коэффициент амплитуды) К рассчитывался как отношение максимального значения виброускорения в записанном фрагменте данных к СКЗ для двух случаев: со стандартным фильтром (до 1 кГц) и широкополосным фильтром (до 4 кГц)
( (4)
Ка =
а
где тах(хг) - пиковое значение вибрации.
Сравнительный анализ
На рис.2. представлен график изменения максимального дискриминанта за весь период проведения эксперимента для подшипника с развившимся дефектом внутреннего кольца.
Рис. 2. Мониторинг подшипника с дефектом внутреннего кольца методом максимального дискриминанта
Анализ тренда показал, что зарождение дефекта можно определить по скачку дискриминанта со значения 1 до 2,4 на 60 часу работы. Пороговый уровень дискриминанта, допускающий работу без ограничений, согласно работам Соколовой А.Г. и соавторов, составляет 5 единиц и достигается на 720 часу работы. Уже через несколько часов работы характер износа приобретает лавинообразный характер и на 828 часу работы эксперимент останавливается из-за превышения порога продуктов износа в смазке.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
Графики изменения СКЗ и пик-фактора за весь период эксперимента для этого же подшипника представлены на рис. 3.
Видно, что несмотря на схожесть трендов изменения СКЗ по выбранным полосам частот, более чувствительная к росту амплитуд сигнала является полоса 0,1-4 кГц. В целом это объясняется ростом ВЧ сигнала вибрации, характерным для данной неисправности подшипника [4].
Рис. 3. Мониторинг подшипника с дефектом внутреннего кольца по СКЗ виброускорения (а) и по величине пик-фактора (б)
Анализ представленных выше трендов для дефекта внутреннего кольца, позволяет обнаружить сходство в характере изменения дискриминанта и СКЗ виброускорения. График изменения пик-фактора более зашумлен, что делает оценку затруднительной. Аналогичный характер изменения пик-фактора наблюдался и для других подшипников, поэтому далее в данной работе зависимости изменения пик-фактора в эксперименте не приводятся.
На рис. 4 представлены графики изменения дискриминанта и СКЗ виброускорения для подшипника, у которого впоследствии развился дефект ролика (износ тел качения).
а)
30
Л 25
¡20 к
| 15 &
|10
5 1
0 75 ВО 225 300 375 450 525 600 675 750
Время (часы)
Рис. 4. Мониторинг подшипника с дефектом ролика методом максимального дискриминанта (а) и по СКЗ виброускорения (б)
Как и в первом примере тренд СКЗ в полосе 0,1-4 кГц более чувствителен чем в полосе 0,1-1 кГц. Так для широкой полосы СКЗ менялось от 0,029 м/с2 до 0,43 м/с2 (максимальное значение), что превышало начальное значение в 15 раз, а в полосе 0,1-1 кГц аналогичный показатель составил 2,5 раза, что подтверждает целесообразность использовать более широкие диапазоны фильтра. В этом эксперименте также прослеживается практически идентичный характер изменения СКЗ виброускорения и дискриминанта, однако в районе порогового значения дискриминанта /с=5 (условной точки начала деградации узла), оказалось, что для разных дефектов при одном и том же дискриминанте СКЗ виброускорения имеет разное значение. Для дефекта внутреннего кольца при
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
I I I I I I I I I
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
1с=5 о=0,064 м/с2 (для полосы 0,1-4 кГц), а для дефекта ролика при том же дискриминанте о=0,043 м/с2 (для полосы 0,1-4 кГц), что свидетельствует о проблеме установления пороговых значений по СКЗ виброускорения для определения зарождающихся дефектов.
На рис. 5 представлены графики изменения дискриминанта и СКЗ виброускорения для подшипника, у которого впоследствии развился дефект наружного кольца (износ наружного кольца).
Рис. 5. Мониторинг подшипника с дефектом наружного кольца методом максимального дискриминанта (а) и по СКЗ виброускорения (б)
В данном примере видно более плавное начальное увеличение трендов дискриминанта и СКЗ виброускорения (для полосы 0,1-4 кГц) по сравнению с первыми двумя дефектами, которые имели ступенчатое повышение показателей, сигнализирующее о начале возможной деградации подшипника. СКЗ виброускорения по полосе 0,1-1 кГц, резко увеличивается за 20 часов до конца эксперимента, фактически в момент выхода из строя.
Обобщая результаты трех экспериментов можно констатировать, что тренд СКЗ виброускорения в регламентированном частотном диапазоне (0,11 кГц) практически не изменяется до появления уже выраженного дефекта. При этом значение СКЗ заметно отличается для рассмотренных подшипников уже на начальной стадии эксперимента. Поэтому обнаружение дефектов на ранней стадии их развития не представляется возможным ни по характеру изменения СКЗ во времени, ни по величине СКЗ.
СКЗ виброускорения в полосе 0,1-4 кГц позволяет выявить дефект на ранней стадии только по тренду изменения этой величины во времени. При этом проблема установления порогов для допустимых величин СКЗ в этой полосе частот (0,1-4 кГц) еще более выражена.
В целом выполненная работа позволяет сделать следующие выводы:
- величина пик-фактора мало информативна в системе мониторинга, поскольку характер изменения этого показателя на ранних этапах развития дефекта в рассмотренных примерах носит случайный характер;
- характер изменения СКЗ виброускорения, а также абсолютные значения этого параметра в регламентированном ГОСТ 13373-1-2009 частотном диапазоне (0,1-1 кГц), позволяют обнаружить исследованные в экспериментах дефекты подшипников качения только на стадиях их развития, близких к отказу;
- обнаружение изменения технического состояния подшипника на стадии зарождения дефекта возможно при анализе характера изменения СКЗ виброускорения для диапазона 0,1-4 кГц во времени;
- методом максимального дискриминанта можно определить зарождающиеся дефекты как по мониторингу самого тренда, так и по уставленным пороговым значениям; для исследуемых подшипников можно предложить уровень /с=2,5, как условный порог начала деградации узла.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ Р ИСО 13373-1-2009. Контроль состояния и диагностики машин. Вибрационный контроль состояния машины. Ч. 1. Общие методы. М. : Стандартин-форм, 2010. 43 с.
2. Русов В. А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам : монография. Пермь, 2012. 252 с.
3. Гаврилин А. Н., Мойзес Б. Б. Диагностика технологических систем : учеб. пособие. Ч. 2. Томск : Изд-во Томского политехн. ун-та, 2014. 128 с.
4. Барков А. В., Баркова Н. А. Вибрационная диагностика машин и оборудования. Анализ. Вибрации. СПб. : Изд-во центр СПбГМТУ, 2010. 156 с.
5. Соколова А. Г. Метод локализации источников повышенной виброреактивности машинного оборудования по данным дискриминантного анализа в задачах вибромониторинга и диагностики неисправностей // Вестник научно-технического развития. 2010. № 1. С. 26-42.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2024. № 1 (72)
6. Раннее обнаружение и локализация скрытых дефектов узлов ГТД по данным многомерного дискриминантного анализа корпусной вибрации / А. Г. Соколова, Ф. Я. Балицкий, Г. В. Долаберидзе, М. А. Иванова // Вестник научно-технического развития. 2013. № 11. С. 50-59.
7. Практическое применение метода многомерного дискриминантного анализа для раннего обнаружения скрытых эксплуатационных дефектов газотурбинных установок на базе двигателя ПС-90 / А. Г. Соколова, Г. В. Долаберидзе, М. А. Иванова, Ф. Балицкий // Материалы XV Международной научно-практической конференции «Энергосбережение. Диагностика-2013», г. Димитровград. 2013. С. 261-272.
8. Sokolova A. G. New machinery condition monitor-ing technique based on multidimensional visualization of vibration S-discriminants // 10th European Conference on Non-Destructive Testing, Moscow 2010, June 7-11. Report № 1-08-12. С. 1-7.
9. IMS bearings dataset. URL: https://www.nasa.gov/intelHgent-systems-drvi-sion/discovery-and-systems-health/pcoe/pcoe-data-set-repository (дата обращения: 10.01.2024).
10. ГОСТ Р ИСО 10816-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений на не вращающихся частях. Ч. 3. Промышленные машины номинальной мощностью более 15 кВт и номинальной скоростью от 120 до 15000 мин-1. М. : Изд-во стандартов, 2000. 11 с.
11. Сушко А. Е., Грибанов В. А. Проблемы оценки технического состояния динамического оборудования опасных производственных объектов // Безопасность труда в промышленности. 2011. № 10. С. 58-65.
Title: Vibration Monitoring of the Technical Condition of Rolling Bearings Using the Maximum Discriminant Method
Authors' affiliation:
Gorbatyuk A. K. - Far East State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation Kon'kov A.Yu. - Far East State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation Kon'kova I.D. - Far East State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The authors propose a new parameter for monitoring the technical condition of rotary machines - the maximum discriminant, calculated from multivariate discriminant analysis data. The article presents the results of comparing the proposed parameter with the generally accepted values for vibration monitoring of the root mean square value of vibration acceleration and crest factor using the example of monitoring the technical condition of rolling bearings.
Keywords: vibration, vibration monitoring, diagnostics, rolling bearing, vibration acceleration, spectral analysis of vibration signal.
