CC BY-NC
19
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-189-194 УДК 534.647:629.5
В.В. Макаров, А.В. Троицкий
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
МЕТОД ОЦЕНКИ РЕЖИМА РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ВИБРАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
Разработан метод определения технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам. Определены маски-спектры и пороговые значения диагностических параметров для оценки текущего режима работы судового оборудования. Метод апробирован на опытном образце ДРК-2500 на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинск.
Ключевые слова: вибродиагностическая модель, техническое состояние механизма, маска-спектр. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-189-194 UDC 534.647:629.5
V.V. Makarov, A.V. Troitskiy
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
VIBRATION-BASED ASSESSMENT METHOD
FOR OPERATIONAL MODES AND TECHNICAL CONDITION
OF MARINE EQUIPMENT
This paper suggests a vibration-based method to determine technical condition of marine equipment, with identification of spectral masks and threshold values for diagnostic parameters needed to assess current operational model of given marine equipment. This method has been tried out on a prototype of DRK-2500 pod propulsion unit at its manufacturer's test rig located in the town of Severodvinsk.
Keywords: vibrodiagnostic model, technical condition, equipment, spectral mask.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
В вибродиагностических моделях при определении технического состояния механизма основными диагностическими параметрами являются уровни вибрации механизмов на определенных частотах, разность уровней гармонических составляющих вибрации, измеренных на резонансных частотах или в разных режимах работы, параметры модуляции составляющих спектра вибрации и амплитуды составляющих кепстра вибрации [2].
Пороговые значения в вибродиагностических моделях определяются по результатам статистической обработки экспериментальных значений диагностических параметров, измеренных у контрольной группы однотипных механизмов в соответствующих
условиях, а именно, в зависимости от целевого назначения модели, на стендах предприятий-изготовителей, при входном контроле на судостроительных предприятиях или после установки на судах.
Закон распределения диагностических параметров по множеству механизмов определяется только для бездефектных механизмов и пороги диагностической модели определяются только для бездефектных механизмов по критерию Неймана-Пирсона, минимизирующего «ложную» тревогу, т.е. вероятность отнесения исправного механизма к классу неисправных. Минимизация ошибки вида «пропуск дефекта», т.е. вероятность отнесения дефектного механизма к множеству бездефектных,
Для цитирования: Макаров В.В., Троицкий А.В. Метод оценки режима работы и технического состояния судового оборудования по вибрационным характеристикам. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 189-194.
For citations: Makarov V.V., Troitskiy A.V. Vibration-based assessment method for operational modes and technical condition of marine equipment. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 189-194 (in Russian).
осуществляется выбором диагностического параметра, наиболее чувствительного к обнаруживаемому дефекту и слабо зависящего от других дефектов и условий работы механизма.
Для количественной оценки сходимости гистограмм распределения числа машин по величине диагностического параметра к выбранным видам закона распределения использовался критерий х -квадрат с уровнем значимости а = 0,05. В качестве основных законов распределения, были выбраны законы распределения Райса, нормальный, Релея-Райса и логарифмически - нормальный [3].
Закон распределения Райса имеет вид:
(1)
Р (х) = 7ТехР
о
252
х = — У х,
1
(2)
5 х « 0,665« 0,53х =
- х)2
(3)
В этом случае целесообразно определять пороговые значения вибродиагностических моделей, используя обобщенный закон распределения Релея-Райса, имеющий вид [3]:
х [ X2 + X2
р (х)=52ехр
(4)
Пороговое значение устанавливается равным:
ХПор1 = 2,4 х, (5)
если 5У х~ 0,5±0,1.
Если 5Jx,<0,4, пороговое значение устанавливается равным
где х - величина диагностического параметра; 5 -среднеквадратичное отклонение соответствующего нормального закона распределения, связанное со средним значением выборочных данных соотношением х = 1,23 5.
Этот закон имеет всего один значимый параметр х, который определяется экспериментально по результатам измерений параметров в N механизмах:
Хпор2 = х + 25х.
(6)
Если из дополнительных данных известны закон распределения случайных величин диагностических параметров для бездефектных механизмов и для механизмов с максимально возможной величиной дефекта, и они пересекаются на достаточно высоком уровне, то порог диагностической модели определяется по критерию минимального риска, минимизирующего оценку вероятности ложной тревоги и пропуска дефекта [1]:
где х1 - величина диагностического параметра в 1 -том механизме.
Состоятельная оценка величины среднеквадра-тического отклонения величин диагностических параметров имеет вид [3]:
1
Р(
хпор )=
| р(х1 )ёх1 + | р(х2)dx2
(7)
Пороговое значение вибродиагностической модели при предположении, что закон распределения параметра не противоречат закону Релея, обычно определяется для значения вероятности ложной тревоги, равной 0,01.
Как только заметный вклад в величину диагностического параметра начинают вносить составляющие, определяемые основными принципами действия и конструктивными особенностями механизмов или дефектом, величина которого постоянна и определяет величину диагностического параметра, закон распределения изменяется и определяется регулярной компонентой, а соотношение среднеквадратичного отклонения величины диагностического параметра к его среднему значению по множеству механизмов падает.
где {х1} - множество величин диагностических параметров для бездефектных механизмов; {х2} -множество величин для механизмов с максимальной величиной дефекта.
Необходимо вводить в диагностические модели два или большее число порогов. Первый порог, характеризующий появление слабого дефекта, определяется таким же образом, как и порог обнаружения дефектов изготовления и сборки по критерию Неймана-Пирсона. Последний порог, характеризующий предаварийное состояние объекта, определяется по известному закону распределения величин диагностических параметров механизмов с максимальными дефектами, при условии обеспечения заданной вероятности пропуска дефекта. В большинстве случаев эта вероятность имеет величину порядка 0,1 и порог определяется выражением:
х «х+5х
пор л
(8)
где х пор - порог аварийного состояния объекта.
Величины диагностических параметров, состоятельных оценок среднеквадратичного отклонения и пороговых значений
Объект контроля x, м/с2 Sx Хпор, м/с2 Х*пор, м/с2 ** 2 Х пор, м/с
Входной вал 0,036 0,019 0,086 0,15 0,26
Промежуточный вал 9,3-10-3 4,9-10-3 0,022 0,039 0,067
Гребной вал 2,710-3 1,4-10-3 6,48 10~3 0,011 0,019
Верхний редуктор 2,1 1,11 5,04 8,77 15,28
Нижний редуктор 1,3 0,68 3,12 5,43 9,46
Подшипник №1 8,5 10-2 0,045 0,2 0,35 0,61
Подшипник №2 0,48 0,25 1,15 2 3,49
Подшипник №3 0,27 0,14 0,64 1,12 1,96
Подшипник №4 0,042 0,02 0,1 0,17 0,30
Подшипник №5 0,085 0,045 0,2 0,35 0,61
Подшипник №6 0,085 0,045 0,2 0,35 0,61
Подшипник №7 6-10-3 3,810-3 0,014 0,025 0,043
Подшипник №8 4,2-10-3 2,2 10-3 0,01 0,018 0,03
Подшипник №9 0,01 5,3-10-3 0,024 0,042 0,072
Подшипник №10 6,710-3 3,5-10-3 0,016 0,028 0,048
Подшипник №11 2,1-10-3 1,2710-3 5,76 10~3 0,01 0,017
Подшипник №12 2,4'10-3 1,27'10-3 5,76 10~3 0,01 0,017
Подшипник №13 6,710-3 3,5-10-3 0,016 0,028 0,048
Кроме порога обнаружения слабого дефекта хпор и порога аварийного состояния х пор во многих случаях устанавливается еще один порог, который характеризует появление развитого дефекта. Этот порог устанавливается произвольно на основании анализа скорости развития аналогичных дефектов в однотипных механизмах и определяется серединой временного отрезка, на котором дефект развивается от его появления (по порогу хпор) до аварийного состояния (по порогу х пор) При экспоненциальном развитии дефекта порог появления развитого дефекта х пор можно определить используя выражение:
■V
^пор _ ор • Хпо
(9)
Во многих практических случаях на момент построения диагностических моделей конкретных механизмов имеется достаточная статистика для бездефектных машин, и ограниченное число данных по величинам диагностических параметров при искусственном внесении дефектов с предельно допустимой величиной. В этом случае необходимо устанавливать предварительное значение порогов, которые,
по мере накопления статистических данных, необходимо корректировать. Чаще всего в таком случае устанавливаются два порога, один из которых хпор определяет границу множества бездефектных машин, другой границу появления опасного дефекта
x пор по приближенному выражению:
Хпор ~л[ХБД • ХД '
(10)
где хБд - среднее значение вибродиагностического параметра для бездефектных механизмов, используемое для установления порога хпор; Хд - среднее значение параметра для механизма с внесенным дефектом максимально допустимой величины.
Апробация метода проведена на опытном образце ДРК-2500, установленном на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинск. В качестве диагностических параметров были взяты уровни вибрации на характерных частотах элементов ДРК.
Величины диагностических параметров, состоятельных оценок среднеквадратичного отклонения и пороговых значений для каждых источников вибрации приведены в таблице.
*
Уровень вибрации ГЭД опытного образца ДРК-2500 и его маска-спектр Режим: номинальный
дБ
75,00 65,00 55,00 45,00 35,00 25,00 15,00
СКЗ ГЭД - Маска-спектр : гэд
у ч V- г
• у— ен ■—1 1—1 / / \ \
А -ч, 1—1 1—1 7 г \ \
/ \
/ \ У N ( \ ] 1—1
/ \ {
/ 1 >
7 /
/ 1
1 /
/ /
Л
1—| и
п
г"1
о
см
о о
о
СП
о о о
Среднегеометрические частоты 1/3-октавных фильтров, Гц
о о
о о о
Рис. 1. Маска-спектр ГЭД
Сдаточные характеристики вибрации опытного образца ДРК-2500 Режим: номинальный СКЗ верхнего редуктора и его маска-спектр
дБ
70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00
-•— СКЗ верхнего редуктора
—
__Маска-спектр верхнего редуктора Р1 1 4 г- V --
4 1- -1 А — 1 м - г/ VI V-
4 —^ £— Л N
ф £
ы N Г-1 - и
- ф к
-- 4 * ф — —
4 3 \ Ф —! ц
Ф Ф X р
— : Р
7*
о
сч
о о ■ч-
о
СО
о о о
Среднегеометрические частоты 1/3-октавных фильтров, Гц
о о
о о
04
о о о
о о
о о
СП о
чо о
Рис. 2. Маска-спектр верхнего редуктора
Сдаточные характеристики вибрации опытного образца ДРК-2500 Режим: номинальный СКЗ нижнего редуктора и его маска-спектр
Среднегеометрические частоты 1/3-октавных фильтров, Гц
Рис. 3. Маска-спектр нижнего редуктора
Оперативный контроль текущего режима работы судового предлагается осуществлять по маске-спектру. Для формирования маски-спектра используется третьоктавный спектр. Такая ширина, с одной стороны, достаточно велика, чтобы сохранить устойчивость при последовательных измерениях, с другой достаточно узка, чтобы в первом приближении оценить сравнительно малые изменения на основных участках спектра. Допустим, что дискретная составляющая с высоким уровнем вибрации, определяющим уровень вибрации во всей полосе, лежит на границе этой полосы. Тогда при небольшом изменении скорости вращения данная дискретная составляющая перейдет в соседнюю полосу, приведет к резкому увеличению уровней в ней и вызовет ложную тревогу [4].
Чтобы этого избежать, прибегают к искусственному расширению полос и вводится понятие маски-спектра, где уровень в каждой полосе определяется максимальным значением либо в этой полосе, либо в одной из соседних полос.
Все новые измерения при работе ДРК сравниваются с маской. Если какой-либо уровень
превышает в соответствующей полосе значения маски, считается, что это показатель развивающегося дефекта. При колебаниях скорости вращения ДРК часть дискретных составляющих, таких как гармоники частот вращения, зубцовые составляющие с гармониками, подшипниковые частоты смещаются в спектре. В спектре с логарифмической шкалой частот это смещение происходит на одну и ту же величину, поэтому затруднений в сравнении нового спектра с маской исходного спектра нет.
Маски-спектры ДРК для оценки текущего режима работы показаны на рис. 1-3.
При превышении уровня вибрации на 3 дБ в любой полосе частот на маске-спектре алгоритм оперативного контроля производит идентификацию источника повышенной вибрации ДРК, а также в соответствии с приведенными выше порогами диагностических моделей выдает оценку по шкале «НОРМА/ОПАСНО/АВАРИЯ». При выходе из опасного режима работы производится оценка текущего технического состояния каждого элемента ДРК.
Основные результаты работы
Разработан метод определения технического состояния судового оборудования судовых механизмов
по вибрационным характеристикам;
■ Проведена идентификация основных источников вибрации ДРК по результатам стендовых испытаний;
■ Определены маски-спектры и пороговые значения диагностических параметров для оценки текущего режима работы ДРК;
■ Метод апробирован на опытном образце ДРК-2500 на стенде завода-изготовителя в г. Северодвинск.
Библиографический список
1. Принципы диагностики технического состояния оборудования по параметрам вибрации // Технический отчет, Санкт-Петербург, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», 2009.
2. Каллакот РА. Диагностирование механического оборудования. - Л.: Судостроение, 1980 г.
3. Вибрации в технике. Справочник в шести томах. - М.: Машиностроение.
4. Мышинский Э.Л. Борьба с шумом и вибрацией в инженерной практике. - СПб, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2011 г.
Сведения об авторах
Троицкий Алексей Викторович, начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (911) 212-93-65. E-mail: avtroitskiy@gmail .com.
Макаров Владислав Вячеславович, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 (991) 012-15-15. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 25.02.19 Принята в печать / Accepted: 08.04.19 © Коллектив авторов, 2019
