Применение фазового плоскостного метода для диагностики электроприводной арматуры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.039

ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОГО ПЛОСКОСТНОГО МЕТОДА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНОЙ АРМАТУРЫ

© 2010 г. Е.А. Абидова, А.К. Пугачёв, О.Ю. Пугачёва

Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Предлагается распространить фазовый плоскостной метод ФПМ на диагностику арматуры. Проведена серия экспериментов с целью получения виброакустических сигналов привода двигателя с различными дефектами. По всем сигналам были построены фазовые портреты и спектры. Сравнение портретов и спектров показало, что ФПМ является более избирательным методом, по сравнению со спектральными методами.

Ключевые слова: диагностика электроприводной арматуры; фазовый портрет; динамическая система; биение вала; фильтрация сигнала; моделирование дефектов.

This article presents the extension of Phase Plane Method (FPM) for electrodriving fittings diagnostics. The series of experiments was realized for the purpose of getting samples of sygnals of electrodriver with different defects. Phase portraits and spectrums was creatured for every sygnal. The comparing of portraits and spectrums showed that FPM is more selectable method than the spectrumone.

Keywords: electrodriving fittings diagnostics; phase portrait; dynamic system; beating of the shaft; filtering of the sygnal; simulation of the defect.

Для диагностики электроприводной арматуры (ЭПА) обычно применяется анализ токового или виброакустического сигнала [1]. В большинстве случаев для обработки сигналов применяют спектральный метод, основанный на первичном Фурье-преобразовании [2]. Наряду с неоспоримыми достоинствами, это преобразование обладает и определенными недостатками: исходный сигнал заменяется на периодический, для всего исследуемого сигнала нестационарного процесса получаются усредненные коэффициенты. Альтернативой спектральному анализу может стать фазовый плоскостной метод (ФПМ). ФПМ - графоаналитический метод исследования динамических систем. Рассмотрим систему а=аС1е1(ю+у), где а0 и ю - амплитуда и частота колебания; t - время (независимая переменная); у - фазовый сдвиг. В частных случаях а0 и у могут изменяться периодически (амплитудная и фазовая модуляция соответственно).

Такую систему можно представить на фазовой плоскости в векторной форме: вектор, исходящий из начала координат, отклоняется на угол ф = юt + у. Проекция вектора на ось абсцисс - действительная часть вектора, а проекция на ось ординат - мнимая. При таком представлении каждому состоянию динамической системы однозначно соответствует положение вектора на плоскости и, наоборот, каждому положению соответствует одно, и только одно состояние исследуемой динамической системы. Векторные координаты составляют фазовую траекторию, а совокупность фазовых траекторий образует фазовый портрет (ФП). В простейшем случае, когда а0 и у - постоянные величины, фазовый портрет представляет собой круг (эллипс). Однако на практике динамические системы часто характеризуются более сложными ФП.

Примером использования ФПМ для диагностики оборудования является работа [3]. Здесь поочередно сравнивали ФП реального сигнала и ФП искусственно смоделированных сигналов для дефектов конструктивных элементов подшипника (рис. 2).

а)

б)

Рис. 1. Фазовая плоскость

Рис. 2. Фазовый портрет искусственно созданного сигнала с дефектом наружного кольца качения (а) и реального сигнала агрегата (б)

a

а)

в)

б)

г)

Рис. 3. Спектры виброакустических сигналов, соответствующие двигателям без редуктора и дефектов (а), с дефектом подшипника вала А (б), с дефектом червячного колеса (в), со смещением оси вала ротора (г)

в)

г)

Рис. 4. Фазовые портреты виброакустических сигналов, соответствующие двигателям без редуктора и дефектов (а), с дефектом подшипника вала А (б), с дефектом червячного колеса (в), со смещением оси вала ротора (г)

В результате сравнения было определено, что в данном случае подшипник содержит дефект наружного кольца качения. Вывод был подтвержден в результате остановки и разборки агрегата.

В настоящей работе предлагается распространить метод ФПМ и на диагностику арматуры. Была проведена серия экспериментов с целью получения виброакустических сигналов привода двигателя со следую-

щими дефектами: дефект подшипника вала А, смещение оси вала ротора и дефект привода червячного колеса. Для сравнения был снят сигнал исправного оборудования. Для дальнейшей обработки сигналов и построения фазовых портретов использовались стандартные возможности и встроенные функции программы PowerGraph. Полученные сигналы подверглись фильтрации на частоте вала ротора (22 - 23 Гц), соответствующей несущей частоте, проявленной в спектрах всех четырех сигналов. Результаты спектральной обработки сигналов представлены на рис. 3.

Моделирование дефектов (см. рис. 4 б, в и г) согласно представлению (1) подтвердило гипотезу о характере колебательных процессов, определяющих состояние оборудования (рис. 5).

Следует заметить, что спектры сигналов, представленные на рис. 3, отличаются между собой только уровнем шума и, в отличие от фазовых портретов, не дают представления о характере дефекта. Таким образом, ФПМ является более избирательным методом, по сравнению со спектральными методами.

а) б) в)

Рис. 5. Имитация ФП сигналов, соответствующих двигателям с дефектом подшипника вала А (а), с дефектом червячного колеса (б), со смещением оси вала ротора (в)

Затем отфильтрованные сигналы были продифференцированы по времени и получены четыре ФП (рис. 4).

В первом случае (исправный двигатель) ФП характеризует равномерное вращение ротора: фазовый вектор совершает вращение вокруг центра координат за время, соответствующее периоду вращения ротора, длина вектора пропорциональна вынуждающей силе (ускорению), вращающей ротор. В остальных случаях ФП отражает биение ротора, вызванное соответствующим дефектом. Воспользовавшись методами моделирования сигналов, предложенными в работах [4, 5], сымитируем сигнал, соответствующий биению ротора:

a = a0(1 + ajcos(o),/ + y))cos(rapt).

(1)

Поступила в редакцию

Литература

1. Методика контроля и диагностики электроприводной арматуры АЭС / Концерн «Росэнергоатом». М., 2002.

2. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. 288 с.

3. Нафиков А.Ф., Закирничная М.М., Сабуров В.К. Использование теории детерминированного хаоса для диагностики роторного оборудования // 55-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: сб. тез. докл. Уфа: УГНТУ, 2004. С. 218 - 219.

4. Пугачёв А.К. Пугачёва Е.А., Пугачёва О.Ю. Моделирование дефектов электроприводной арматуры.

5. Пугачёв А.К., Пугачёва Е.А., Пугачёва О.Ю. Выделение фазовой модуляции в токовом сигнале электродвигателя.

18 февраля 2010 г.

Абидова Елена Александровна - младший научный сотрудник, Волгодонский институт (филиал) ЮжноРоссийского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86392) 5-02-71. E-mail: nii_energomash@mail.ru

Пугачёв Александр Константинович - канд. техн. наук, заведующий лабораторией, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86392) 5-02-71. E-mail: nii_energomash@mail.ru

Пугачёва Ольга Юрьевна - канд. техн. наук, Волгодонский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института. Тел. (86392) 5-02-71. Email: nii_energomash@mail.ru

Abidova Elena Aleksandrovna - junior scientist, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86392) 5-02-71. E-mail: nii_energomash@mail.ru

Pugachyov Alexander Konstantinovich - Candidate of Technical Sciences, the head of laboratory, Volgodonsk Institute (branch) of South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86392) 5-02-71. E-mail: nii_energomash@mail.ru

Pugachyova Olga Jurevna - Candidate of Technical Sciences, Volgodonsk Institute (branch) of South Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (86392) 5-02-71, E-mail: nii_energomash@mail.ru