КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА КРИТЕРИЕВ УСТАНОВКИ ВИБРОДАТЧИКА НА ОБЪЕКТАХ ДИАГНОСТИКИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 651.054.21

DOI 10.36461^.2022.62.2.017

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА КРИТЕРИЕВ УСТАНОВКИ ВИБРОДАТЧИКА

НА ОБЪЕКТАХ ДИАГНОСТИКИ

И.М. Зябиров, кандидат тех., доцент; А.И. Зябиров, кандидат техн. наук, доцент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный аграрный университет», г. Пенза, Россия, тел. (8412) 628-569, e-maiL: ziabirov.i@yandex.ru

В работе представлены результаты исследований измерений вибрационных параметров механизма молотильного барабана зерноуборочного комбайна ACROS в условиях эксплуатации. Результаты многофакторного эксперимента позволили определить весомость влияния на вибрации радиального зазора в подшипнике вала, величины дисбаланса барабана, натяжение приводного узла вариатора и частоты вращения механизма. С определением оптимальной точки установки вибродатчика Д-14 на корпусе подшипниковой опоры с целью регистрации измерения амплитудно-частотных характеристик, посредством разработанного макетного образца контрольно-диагностического прибора.

Ключевые слова: вибрация, молотильный барабан, диагностика, параметр, планирование, дисперсия, вероятность, методика

Для цитирования: Зябиров И.М., Зябиров А.И. Количественная оценка критериев установки вибродатчика на объектах диагностики. Нива Поволжья, 2022, 2 (62), с. 3006. DOI 10.36461/NP.2022.62.2.017

Введение

Повышение технического ресурса современных зерноуборочных комбайнов серии ACROS нуждается в оценке диагностической надежности контролируемых параметров при оценке технического состояния технологических агрегатов, что, на наш взгляд, требует основательного мониторинга колебательного, вибрационного процесса, возникающего в рабочем режиме машины.

Современный переход от регламентных по времени ремонтно-обслуживающих операций к обслуживанию по фактическому техническому состоянию должен иметь достаточно стройную систему диагностирования технического состояния основных узлов и механизмов, например, молотильного барабана с его кинематическими приводными элементами и сопряжениями.

Методы и материалы

Трудность контроля параметров технического состояния механизма молотильного барабана заключается в том, что неисправности и дефекты проявляются одновременно, с различной интенсивностью, на что влияет компактное расположение на корпусе молотилки кроме молотильного аппарата, также молотильно-сепариру-ющих механизмов. В этой связи наиболее ответственными являются контроль радиального зазора в подшипнике вала, дисбаланс элементов барабана, биение вала, натяжение ременного привода, осевой зазор в подшипнике вала и др.

На наш взгляд, наиболее реализуемыми становятся исследования вибрационных параметров при внедрении активных многофакторных планирований эксперимента типа ДФЭ25-1, ПФЭ3, что позволит точно определить весомость влияния на вибрации выше перечисленных параметров технического состояния механизмов молотилки.

Для исследования амплитудно-частотных параметров вибрации использовался разработанный опытный образец диагностического прибора с вибродатчиком Д-14, измерительным каналом, регистрирующим блоком и программным обеспечением. Диагностический прибор позволяет точно воспринимать сигналы, содержащие информацию о техническом состоянии элементов механизма молотильного барабана, поступающие от структурных параметров (радиальный, осевой зазоры в валу подшипника, дисбаланс барабана).

Результаты и их обсуждение

В процессе исследований определена оптимальная точка установки вибродатчика на подшипниковой опоре. В результате построен рациональный процесс технического диагностирования механизма. С одной стороны, о состоянии можно судить, установив датчик для каждого параметра. С другой стороны, в целях снижения себестоимости диагностирования, целесообразно стремиться к тому, чтобы, используя, например, методы стробирования (временная селекция),

можно было от одного датчика получить достоверную информацию о состоянии нескольких параметров технического состояния узлов или механизмов.

В этом случае возникает задача оптимизации места установки датчика для диагностирования им нескольких параметров технического состояния молотильного барабана при известных информативных точках.

Математическая модель вибрационного процесса, описывающая зависимость амплитуды вибросигналаЛ =/(пМБ,Д,5), определена в ранее опубликованных исследовательских материалах (Х1 = пмб, Х2 = D, Хз = Б), в раскодированном виде уравнение представлено в работах [2, 3, 4, 11].

Для исследования дисбаланса определены уравнения:

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что влияние на результативный признак более весомо при значении коэффициентов Г1 = 0,10 + 0,24; гз = 0,11 + 0,24; Г4 = 0,26 + 0,35, характеризующих состояние зазора в подшипнике Г4 и дисбаланса молотильного барабана Г1 и гз.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования выявили связь параметров виброакустического сигнала с техническим состоянием молотильного барабана, информативность таких сигналов напрямую зависит от точки установки вибродатчика относительно диагностируемого узла.

Например, в точке № 7 установки вибродатчика (рис. 1) наблюдается совместное влияния радиального зазора в подшипнике и дисбаланса молотильного барабана на формируемый вибросигнал, что усложняет расшифровку сигнала, а соответственно, и определение контрактного вида дефекта.

По выборкам экспериментальных данных при Sз.п. = 0,12 мм и частоты вращения молотильного барабана в пределах Пмб = 800 ... 1235 мин-1, определены средние значения выхода процесса [6-8]. _

У = пмб = 800 мин-1 = 70,17 мкм.

У8 = 64,67 - 0,35Х1 + 7,32Х2 + 1,92Х3 -5,17Х4 + 0,88Х5;Й = 0,72. У16 = 56,23 + 0,91Х! + 6,97Х2 - 0,42Х3 + 0,56Х4 - 1,51Х5; Й = 0,64. (1)

У17 = 65,58 + 3,05Х1 + 7,32Х2 + 1,43Х3 -5,14Х4 + 1,04Х5;Й = 0,58.

Для исследования радиального зазора в подшипнике:

У4 = 65,24 + 0,70Х1 - 1,09Х2 - 2,17Х3 + 3,08Х4 + 0,09Х5;Й = 0,20. У12 = 74,49 + 1,85Х1 + 8,53Х2 - 1,70Х3 + 8,55Х4 - 0,85Х5; Й = 0,91. (2)

У21 = 75,81 - 2,30Х1 + 2,90Х2 + 1,76Х3 + 4,39Х4 - 1,67Х5;Й = 0,59.

Значения парных коэффициентов корреляции уравнений регрессии систем 1 и 2 представлены в таблице 1.

У2 = пмб =1235 мин-1 = 77,40 мкм.

Оценка дисперсий единичных результатов равна

S2(Укl) = 1,21 , S2(Ук2) = 6,15.

Число степеней свободы при этом будет равно

Ъ = 2; f2 = 2.

Определением F - отношение (Фишера).

Последние конструкторские решения корпуса зерноуборочного комбайна ACROS требуют разработки конкретных методик и инженерных рекомендаций при установки измерительных преобразователей (вибродатчиков) на корпусе подшипниковой опоры с определенной доступностью и безопасным процессом технического диагностирования механизма молотильного барабана в динамическом режиме. С этой целью на рисунке 1 показан вариант размещения вибродатчиков.

Структурное распределение со всех точек регистрации амплитуды вибросигнала показывает их неоднородность и количественное различие, что дает предпосылки аналитического определения достоверности и информационной надежности структурных параметров в связи с диагностическими, как отмечено на рисунке 2.

Таблица 1

Значения парных коэффициентов корреляции уравнений регрессии Ув, У16, У17, У4, У12, У21

Парный

коэффициент Точка установки вибродатчиков

корреляции

r Точка № 8 Точка № 16 Точка № 17 Точка № 4 Точка № 12 Точка № 21

Г1 -0,03 0,10 0,24 0,08 0,14 -0,08

Г2 0,67 0,77 0,58 -0,12 0,65 0,69

Гз 0,17 0,04 0,11 0,24 -0,13 -0,22

Г4 -0,47 0,06 -0,40 0,35 0,25 -0,26

Г5 0,08 0,16 0,08 0,01 -0,06 0,03

Рис. 1. Эскиз установки вибродатчиков с целью исследования вибраций, сформированных от действий радиального зазора в подшипнике и дисбаланса молотильного барабана: 1-8 - регистрация осевых вибраций; 9-16 - регистрация радиальных вибраций; 17-22 регистрация вибраций с болтов крепления

Рис. 2. Вариант распределения амплитуды вибросигнала по подшипниковой опоре при различных значениях радиального зазора в подшипнике молотильного барабана: I - места установки вибродатчиков, а - при Бр = 0,12 мм, пмб = 800 мин-1 Д = 400 Г-мм, б - при Бр = 0,20 мм, пмб = 800 мин-1 Д = 400 Г-мм.

С целью выбора оптимального режима диагностирования проведена количественная оценка статистических параметров по результатам математического ожидания, дисперсии и коэффициента вариации.

При значениях Д = 400 Г-мм, пмб = 800 мин-1, пмб = 1235мин-1 были получены следующие результаты дисперсионного анализа: Fэ.к. = 3,07; Fт (0,95; 2; 2) = 19,0; и = 12,45.

При практической реализации в условиях производства нами определены диагностические режимы работы механизмов молотилки, в

частности молотильного барабана, который является наиболее технологически ответственным при обмолоте зерновой массы сельхозкультур. На рисунках 3-4 приведены примеры стабильности режима диагностирования при оптимальной установке датчика.

Далее проводились исследования зависимости результатов частотного диапазона вибросигналов от состояния радиального зазора в подшипнике, с определением измеренной интенсивности спектральных составляющих.

Рис. 3. Выбор режима оценки параметров технического состояния подшипников молотильного барабана: 1 - Бр = 0,12 мм; Д = 10000 Г мм;

2 - Бр = 0,12 мм; Д = 400 Гмм;

3 - Бр = 0,20 мм; Д = 400 Гмм; 4 - Б3.п. = 0,20 мм; Д = 1000 Гмм;

Рис. 4. Оценка стабильности виброакустического

сигнала в зависимости от места установки датчика (Т) при определении радиального зазора в подшипнике молотильного барабана:

1 - Бр = 0,12 мм; Д = 400 г-мм, пмб = 800 мин-1;

2 - Бр = 0,20 мм; Д = 400 г-мм, пмб = 800 мин-1;

3 - Бр = 0,12 мм; Д = 10000 г-мм, пмб = 800 мин-1;

4 - Бр = 0,20 мм; Д = 10000 г-мм, пмб = 800 мин-1

В этой связи возникает необходимость установить принадлежность диагностического параметра к одному из классов, являющихся многомерными случайными векторами с некоторой вероятностью ошибки распознавания.

Для оценки вероятности ошибки распознавания определяют расстояние (дистанцию) между двумя классами с помощью информационной меры - дивергенции (в нашем случае по подшипниковой опоре).

Дивергенция представляет собой сумму количества информации, получаемой при отнесении данной реализации диагностического параметра %■ к классу 1Ти к классу 1Тн, и может быть определена из выражения (3):

Я#$=У(%-//Ги)+У0%-//Гн), (3)

где У(%//Г„) - средняя информация о том, что j-я реализация диагностического параметра отнесена к классу /7*; У(%//Гн) - средняя информация о том, что j-я реализация диагностического параметра отнесена к классу /7н.

Среднее количество информации У ^ / 1Ти) и У(%//Гн) определяется из выражений

1=1

/7*) 9Ф^ Вс,

9( и =е//@

¡=1

3

Я и V

(4)

¡=1

3

У(%//77н) = ,— „"""]—„/( и Ле/

г=1

/7н)6о84=^Вс,

(5)

9( и =е//ти

где ^ - элементарный объем многомерного

Выражение (3) с учетом (4) и (5) запишется следующим образом

1=1 1=1 Г ди Ле//7*)-/(и Ле/

г=1

3

9( и =е/?@ц

7н) 600 Г;!

9( и =е//@

(6)

пространства.

Дивергенция является функцией вероятности ошибки распознавания, а она связана функциональной зависимостью с надежностью идентификации. На основании этого можно установить зависимость между дивергенцией и надежностью идентификации.

Для двух многомерных случайных векторов по корпусу подшипника вероятность ошибки классификации отдельных реализаций можно определить с помощью отношения правдоподобия, Я, представляющего собой отношение плотностей распределения вероятностей признаков при двух

состояниях, и определяемого из выражения:

г=1

.. 9( и =е//тц)

Я = —г3-. (/)

9( и =е/?@н)

Отношения правдоподобия, Я, является случайной величиной, зависящей от принимаемого решения о состоянии структурного параметра. Плотность распределения отношения правдоподобия при условии, что диагностический параметр относится к исправному состоянию, обозначим /и (Л), а к неисправному -/ (Л).

Обозначим горизонтальное распределение вибросигналов по точке пересечения плотностей отношения правдоподобия Яс. Тогда вероятность ошибки при отнесении диагностического параметра к исправному состоянию можно определить по формуле:

P(Yj/ITu)

г Не

fu (F)dF,

(8)

а вероятность ошибки при отнесении диагностического параметра к неисправному состоянию по формуле:

классу 1Ти, то его математическое ожидание по измеренной амплитуде вибросигнала равно

Ми[1пЛ]=-2(т]и-тН)тСоС1(тии-тН) = = (13)

P(Yj/ITH)=CfH(A)dA

(9)

а дисперсия имеет вид

Плотность распределения значений признаков ¿-го класса /(Н/1Т#) является плотностью распределения многомерной случайной величины и определяется из выражения:

/(Н/1Т#) = (2п)1/2Х1Сос1~1/2 ехр [-1(Н -тН)ТСос~1(Н -тн)^, (10)

где 1Сос1 - определитель ковариационной матрицы Cov; Сос~г - матрица, обратная ковариационной; Н - L-мерный вектор признаков; (Н-тн) - вектор, транспонированный относительно вектора (Н-тн)т; тн - вектор средних значений признаков с учетом (8) равно:

Г(Н/Пи) _

DuVnF] = (SU - SH)TCov~1(mU - m%) = Div.

(14)

exp-

F f(H/iT) (H - ml)TCov~1(H - m%)

-(H - m'*)TCov~1(H - m*)J

(11)

а натуральный логарифм отношения правдоподобия можно записать в виде

1пЛ = 2[(Н- тн)ТСос~1(Н - тн) - (Н-т'*)ТСос~1(Н - т*)]. (12)

Если диагностический параметр представляет собой случайную функцию с нормальной плотностью распределения и отнесен к первому

Если диагностический параметр, имеющий нормальную плотность распределения, отнесен ко второму классу 1Тн, то математическое ожидание и дисперсия определяются аналогично, причем величина дисперсии будет равна дисперсии предыдущего случая, а математическое ожидание будет отличаться знаком, т.е.

Ми[1пХ] = -2 (т* - тН)ТСос~1(т]и - тН) =

-2°™- (15)

Разность математических ожиданий отношения правдоподобия при отнесении диагностического параметра к одному и другому классу равна дивергенции

Ми[1пХ]- МН[1пХ] =201с + 101с = 01с. (16)

Из выражений (12-16) видно, что нормальные распределения отношения правдоподобия при отнесении диагностического параметра к определенному классу обладают одинаковым математическим ожиданием и дисперсией, т.е. они симметричны относительно оси ординат и точка их пересечения лежит на оси ординат.

Рис. 5. Оценка стабильности виброакустического сигнала в зависимости от места установки датчиков при определении дисбаланса молотильного барабана; 1 - Sp = 0,12 мм; Д = 10000 гмм, Пмб = 800 мин-1; 2 - Sp = 0,20 мм; Д = 10000 гмм, Пмб = 800 мин-1; 3 - Sp = 0,12 мм; Д = 400 гмм, Пмб = 800 мин-1; 4 - Sp = 0,20 мм; Д = 400 гмм, Пмб = 800 мин-1

со

Расчетно-определенное значение формируемого механизмом молотильного барабана частоты, с учетом влияния радиального зазора в подшипнике, определено из выражения

Г3.и.=пг(1-Ь2ш- (17)

Например, из выражения (17) следует, что экспериментальный анализ спектральных составляющих вибраций, формируемых радиальным зазором в подшипнике, соответствует рас-четно-теоретическим предпосылкам.

По амплитудно-частотной характеристике вибропроцесса построены сгибающие с соответствующей расчетной проверкой каждой частотной составляющей.

В качестве характерного примера на рисунке 5 показаны экспериментальная и расчетная сгибающая вибраций, при Sз.п. = 0,12 мм и Sз.п. = 0,12 мм, установка датчика соответствует точке

№ 21 (левая нижняя шпилька крепления корпуса подшипниковой опоры молотильного барабана).

Сравнительная оценка по информативности места установки вибродатчиков, при оценке состояния дисбаланса молотильного барабана, показала, что установка датчика в точке № 17 (правая верхняя шпилька крепления подшипниковой опоры) с практической точки зрения является более предпочтительной, а наиболее чувствительным к изменению структурного параметра является частотный диапазон от 6,3...12,5 кГц.

Заключение

Таким образом, предлагаемая модель оптимизации информативности и достоверности принятия решения о техническом состоянии исследуемого элемента по диагностическому сигналу обеспечивает возможность автоматизированного распознавания случайных диагностических сигналов различной физической природы и может быть реализована с помощью разработанного контрольно-диагностического прибора и программного обеспечения.

Литература

1. Ананьин А.Д., Михлин В.М., Габитов И.И. [и др.]. Диагностика и техническое обслуживание машины. Москва: Академия, 2008, 428 с.

2. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Санкт-Петербург: СПбГМТУ, 2000, 160 с.

3. Биргер И.А. Техническая диагностика. Москва: Машиностроение, 1978, 238 с.

4. ГОСТ Р 27.001 - 2009. Надежность в технике. Система управления надежностью. Основные положения. Дата введения 1 сентября 2010 года. [электронный ресурс] - /http: // www.6pi.ru/gost G27001 -2009.htm

5. Зябиров И.М. Контроль параметров технического состояния вариаторов рабочих агрегатов зерноуборочных комбайнов. Нива Поволжья, 2008, № 1, с. 21-25.

6. Зябиров И.М. Устройство контроля технического состояния вариатора частоты вращения молотильного барабана зерноуборочного комбайна. Патент на изобретение Заявка № 2017127335/13(047199) № 2656381 от 31.07.2017. Бюл. № 12.

7. Зябиров И.М., Зябиров А.И. Устройство контроля технического состояния вариатора частоты вращения молотильного барабана зерноуборочного комбайна. Заявка № 2017127335/13(047199) Дата подачи заявки 31.07.2017 № 2656381 от 31.07.2017 г. получено 5.05.2018. Бюл. № 9.

8. Зябиров И.М., Зябиров А.И. Анализ угловых ускорений механизма молотильного барабана. Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы: материалы XIII Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГАУ, 2017, с. 143-145.

9. Программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы [электронный ресурс] - URL: www.penza-apk.ru

10. Скробач В.Ф., Дмитриев А.С. Расчет оптимального состава и режимов работы машинно-тракторных агрегатов в механизированных поточных линиях. Петрозаводск, 1984, 210 с.

11. Федорченко В.Ф., Табашников А.Т. Скорняков В.И. [и др.]. Инновационный опыт производства сельскохозяйственной продукции. Москва: ФГБНУ Росинформагротех., 2014, 32 с.

12. Круш Л.О., Галин Д.А. Анализ существующего технологического оборудования для диагностирования автотранспортных средств в условиях АПК. Сурский вестник, 2022. № 1 (17), с. 40-45.

13. Круш Л.О., Галин Д.А. Разработка устройства для определения магнитного поля на базе микроконтроллера arduino uno. Сурский вестник, 2021, № 1 (13), с. 47-51.

UDC 651.054.21

DOI 10.36461/N P.2022.62.2.017

QUANTITATIVE EVALUATION OF THE CRITERIA FOR INSTALLING OF THE VIBRATION SENSOR ON DIAGNOSTIC OBJECTS

I.M. Zyabirov, Candidate of Technical Sciences, Assistant-Professor; A.I. Zyabirov, Candidate of Technical Sciences, Assistant-Professor

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Penza State Agrarian University", Penza, Russia, tel. (8412) 628-569, e-mail: ziabirov.i@yandex.ru

The paper presents the results of measurements of vibration parameters of the threshing drum mechanism of a combine harvester ACROS under operating conditions. The results of a multifactorial experiment allowed to determine the significance of the influence of radial clearance in the shaft bearing, the size of the drum imbalance, the tension of the variator drive unit and the rotational speed of the mechanism on vibrations with determining the optimal point of installation of a vibration sensor D-14 on the body of the bearing support to register measurement of amplitude-frequency characteristics through the developed prototype of the control and diagnostic device.

Keywords: vibration, threshing drum, diagnosis, parameter, planning, variance, probability, methodology

References

1. Ananyin A.D., Mikhlin V.M., Gabitov I.I. [et al]. Diagnostics and machine maintenance. Moscow: Academia, 2008, 428 p.

2. Barkov A.V., Barkova N.A., Azovtsev A.Yu. Monitoring and diagnostics of rotary machines by vibration. Saint-Petersburg: SPSMTU, 2000, 160 p.

3. Birger I.A. Technical Diagnostics. Moscow: Mashinostroenie, 1978, 238 p.

4. GOST R 27.001 - 2009. Reliability in engineering. Reliability management system. Fundamental provisions. Date of introduction September 1, 2010. [electronic resource] - /http: // www.6pi.ru/gost G27001 -2009.htm.

5. Zyabirov I.M. Monitoring of technical state parameters of variators of grain harvester working units. Niva Povolzhya, 2008, № 1, p. 21-25.

6. Zyabirov I.M. A device for monitoring the technical condition of the threshing drum speed variator of a combine harvester. Invention patent. Application № 2017127335/13(047199) № 2656381 dated 31.07.2017. Bul. № 12.

7. Zyabirov I.M., Zyabirov A.I. A device for controlling the technical condition of the threshing drum speed variator of a combine harvester. Application № 2017127335/13(047199) Application date 31.07.2017 № 2656381 of 31.07.2017 received 5.05.2018. Bulletin № 9.

8. Zyabirov I.M., Zyabirov A.I. Analysis of angular accelerations of the threshing drum mechanism. Agroindustrial complex: state, problems, prospects: materials of XIII International Scientific and Practical Conference. Penza: PSAU Publishing House, 2017, p. 143-145.

9. Programme for Agricultural Development and Regulation of Agricultural Products, Raw Materials and Food Markets for 2013-2020 [electronic resource] - URL: www.penza-apk.ru

10. Skrobach V.F., Dmitriev A.S. Calculation of optimal composition and modes of machine-tractor units in mechanized streamlines. Petrozavodsk, 1984, 210 p.

11. Fedorchenko V.F., Tabashnikov A.T. Skornyakov V.I. [et al]. Innovation experience of agricultural production. Moscow: FSBSE Rosinformagrotekh., 2014, 32 p.

12. Krush L.O., Galin D.A. Analysis of existing technological equipment for diagnosing vehicles in the agricultural sector. Surskiy Vestnik, 2022. № 1 (17), p. 40-45.

13. Krush L.O., Galin D.A. Development of magnetic field detection device based on arduino uno microcontroller. Surskiy Vestnik, 2021, № 1 (13), p. 47-51.