CC BY
14
УДК 620.179.1
Ю. В. Ваньков, И. В. Ившин, А. Р. Загретдинов, М. Ф. Низамиев
ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ КОРПУСА ТУРБОКОМПРЕССОРА ДВИГАТЕЛЯ КАМАЗ
Ключевые слова: КАМАЗ, корпус турбокомпрессора, экспресс-контроль, метод свободных колебаний.
Разработано программно-алгоритмическое обеспечение, основанное на методах статистической обработки виброакустических сигналов. Созданный пакет прикладных программ позволяет существенно упростить задачу отбраковки изделий.
Keywords: KAMAZ, housing of turbocharger, the express control, method of free vibrations
Developed software and algorithmic maintenance, based on the method of statistical processing of vibro-acoustic signals. Created the application package allows to significantly simplify the task of culling products
Введение
Работа выполнена в рамках договора с Ми-нобрнауки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.
Целью работы является разработка методики экспресс-контроля корпуса сложной формы турбокомпрессора двигателя КАМАЗ. Наиболее подходящим для такого рода контроля является интегральный метод свободных колебаний [1,2,3], основанный на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте и анализе параметров этих колебаний с привлечением целевых функций сравнения. В основу метода положено наличие корреляционных зависимостей между упругими константами материала изделия и такими физико-механическими свойствами, как твердость, пористость, плотность, прочность и т. п., а также эксплуатационными характеристиками изделий и технологией их изготовления.
Однако метод не лишен трудностей методического характера, в качестве которых можно выделить:
1) целесообразность выбора нескольких информативных критериев отбраковки изделия;
2) необходимость анализа сигналов в широком диапазоне частот для эффективности определения разных типов дефектов;
3) необходимость выполнения большого объема работ для обнаружения местоположения дефекта.
В связи с этим, в среде программирования Lab VIEW 13.0 [4] разработан унифицированный пакет прикладных программ, позволяющий существенно упростить задачу отбраковки деталей. Отличительной особенностью предложенного программного комплекса является возможность одновременного контроля с помощью пяти виброакустических датчиков, чувствительных к колебаниям в различных частотных областях спектра (как в слышимом диапазоне, так и в ультразвуковом). Датчики могут быть установлены в разных контрольных точках изделия. При этом к принятию решения об отбраковке изделий можно привлечь до пяти целевых функций сравнения.
Принцип отбраковки изделий
Отбраковка изделий производится в зависимости от результатов сравнения эталонного и текущего спектров по значениям пяти целевых функций сравнения:
- площади спектра
- коэффициента корреляции;
- непараметрическая ранговая оценка Спирмена;
- оценка Имана-Коновера;
- статистика знаков Фишера.
При анализе площади спектра производится суммирование амплитуд по дискретным частотам.
Для вычисления коэффициента корреляции используется зависимость:
=_Y,aiasi -(IlaiIlasi)/n_
Г~ МЩ ад2 /п)(£ a2si -(£ asi)2 /п)
где а - амплитуда на i-ой частоте текущего спектра; аsi - амплитуда на i-ой частоте эталонного спектра, n-число частот в спектре, сравниваемых с эталоном.
В дополнение к оценке коррелированности проверяемого и эталонного спектров вычисляется непараметрическая ранговая оценка Спирмена:
6 V
г = 1--—-- > (rank a: — rank а,,)2,
n(n2-1)^v ' и
где rankcij - ранг амплитуды а в вариационном ряду амплитуд проверяемого спектра; rank аsi - тоже для эталонного спектра.
Аппроксимация Имана-Коновера для больших выборок вычисляется по следующей формуле:
Статистика знаков Фишера S вычисляется как количество частот положительной амплитуды разностного спектра (к этой сумме добавляется
половина количества частот нулевой амплитуды). Вычисляется аппроксимация Имана:
5* = (5- п/2)/Т^/4.
Для классификации изделий на «годное» или «дефектное» (рис. 1) используется подход, характерный для процедур отбраковки аномалий: программа интерпретирует совокупность вычисленных значений некоторой статистики (р1, р2,..., рт) как множество измеренных значений некоторого абстрактного параметра и применяет к этой совокупности значений следующую процедуру [5,6]:
1) вычислить оценку положения р;
2) вычислить оценку разброса 5";
3) для заданного уровня значимости а построить доверительный интервал
р 2),
где Ца,т) - а-квантиль распределения Стьюдента с т степенями свободы.
Доверительный
1
0 9 0.8 0,7 0.6 0,5 0,-1 ОД о.; 0.1
интервал
1
О о □
п а □
О □ 1
■ ■ \
■ ■ ■ ■
■ ■ 1 >■■ 1.1.1—>
Годные изделия
Дефектные изделия
О 1 2 г -I 5 6 1 8 9 10 11 И1? 1415161"..., ДГ
Рис. 1 - Принцип построения решающего правила «годен-брак» на примере коэффициента корреляции (г- коэффициент корреляции, N - номер изделия)
Структура разработанного программного комплекса
Программный комплекс [7,8,9] включает в себя следующие основные части:
- программу диагностики;
- программу формирования эталонных спектров;
- программу сравнения спектров с эталоном.
Все эти составные части объединены в одной интегрированной оболочке, обеспечено протоколирование работы с возможностью дальнейшего просмотра результатов записи и режимов обработки сигналов.
Заключение о состоянии изделия делается в автоматическом режиме без участия пользователя, что исключает субъективизм в принятии решения.
Программа диагностики
При первом запуске программы на жестком диске компьютера в папке «Диагностика» создается папка «Обработка», которая служит для хранения зарегистрированных сигналов.
Программа обеспечивает регистрацию -преобразование из аналоговой формы в цифровую сигналов с заданными количеством отсчетов и значением интервала дискретизации. На лицевой панели данной программы пользователь устанавливает:
- номер и шифр контролируемого
изделия;
- частоту дискретизации;
- время записи;
- путь к эталону для каждого измерительного канала;
- параметры выделения импульсов зарегистрированного сигнала.
При запуске программы с измерительных каналов производится запись виброакустических откликов ударов (в имя файла прописывается номер и шифр изделия, формат файла .1x1). После окончания записи, программа в автоматическом режиме по каждому сигналу алгоритмом БПФ формирует спектр, вычисляет целевые функции сравнения эталонного и текущего спектров, а также сравнивает их с границей доверительного интервала.
Программа формирования эталонных спектров
Программа формирования эталонных спектров предназначена для формирования эталона и доверительного интервала. Задача состоит в том, чтобы сформированный спектр был наиболее «типичным» для той совокупности спектров, по которой он формируется, т.е. включал наиболее общие характеристики спектров, и исключал индивидуальные особенности каждого спектра.
При первом запуске программы в папке «Диагностика» на жестком диске компьютера (диск С) создается папка «Эталон».
На лицевой панели данной программы пользователь устанавливает номер отсчета, с какого будет производиться обработка сигнала (по умолчанию нулевой отсчет), длину выборки сигнала для получения спектра (по умолчанию 2048 отсчетов), интервалы частот, в которых будет осуществляться обработка спектров.
Дополнительно имеется возможность
осуществления нормализации спектра. Под нормализацией понимается деление каждой спектральной составляющей на максимальную амплитуду спектра. В результате этой операции исключается влияние силы удара на результат сравнения спектров.
Программа формирования эталонных спектров работает в следующей последовательности:
- пользователь выбирает сигналы, по которым будет формироваться эталонный спектр;
- из выбранных сигналов формируется эталонный спектр;
- спектры сигналов сравниваются с эталонным спектром по пяти целевым функциям;
- по значениям каждой целевой функции сравнения с заданным уровнем значимости строятся доверительные интервалы;
- эталонный спектр, значения целевых функций сравнения, границы доверительных интервалов записываются в файл формата .1x1. (именем файла служит время и дата создания данного эталонного спектра).
При формировании эталонного спектра используется алгоритм робастного
(помехоустойчивого) взвешивания [10] позволяющий разделять спектральные составляющие на три категории: правдоподобные данные, область сомнения, явные резко выделяющиеся значения (область удаления). Наблюдения из области правдоподобных данных признаются годными, наблюдениям из области сомнения присваивается сниженный вес, который тем меньше, чем дальше удалены данные от области правдоподобных данных, наблюдения из области удаления считаются выбросами, им присваиваются нулевые веса, тем самым они исключаются из оценивания.
Программа сравнения спектров с эталоном
Программа сравнения спектров с эталоном предназначена для, оценки отличий каждого исходного спектра записанных сигналов от эталонного.
На лицевой панели данной программы вкладке «Параметры» пользователь может выбрать эталонный спектр (по умолчанию устанавливается последний использовавшийся эталон), здесь же можно увидеть принятые при формировании эталона настройки.
Программа работает в следующей последовательности:
- считывается файл эталона и сигналы;
- по каждому сигналу формируется спектр;
- для каждого спектра вычисляются целевые функции, которые сравниваются с границей доверительного интервала [11].
Заключение
В результате работы разработаны алгоритмы, позволяющие реализовать метод свободных колебаний для экспресс-контроля корпуса
турбокомпрессора газового двигателя КАМАЗ.
Программный комплекс носит унифицированный
характер и может быть использован при контроле
любых деталей сложной формы.
Литература
1. В.В. Клюев Неразрушающий контроль и диагностика. Машиностроение, Москва, 2005, 656 с.
2. Ю.В. Ваньков Низкочастотные методы контроля. Метод свободных колебаний.Издательство КГЭУ, Казань, 2003, 140 с.
3. И.В. Ившин Разработка новых низкочастотных виброакустических методов контроля технического состояния деталей, узлов и механизмов вооружения и военной техники. Издательство КВВКУ, Казань, 2009, 170 с.
4. П. Блюм Lab VIEW. Стиль программирования. ДМК пресс, Москва, 2008, 400 с.
5. А.И. Орлов Математика случая. Вероятность и статистика - основные факты. МЗ-Пресс, Москва, 2004, 110 с.
6. Н.Хастингс, Дж.Пикок Справочник по статистическим распределениям. Статистика, Москва, 1980, 95 с.
7. Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ 2014613685. Программное обеспечение для анализа виброакустических сигналов. Авторы: Ваньков Ю.В., Ившин И.В., Загретдинов А.Р., Измайлова Е.В., Халилов Р.Г. Зарегистрировано 02.04.2014 г.
8. Свид. о гос. рег. программы для ЭВМ 2014613692. Программный комплекс дляэкспресс контроля деталей двигателя КАМАЗ. Авторы: Ившин И.В., Ваньков Ю.В., Измайлова Е.В., Загретдинов А.Р., Низамиев М.Ф. Зарегистрировано 02.04. 2014 г.
9. А.Р.Загретдинов, Е.В.Измайлова, М.Ф. Низамиев Х Международная научно-техническая конференция молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», посвященная 90-летию со дня рождения Б.Н. Шнеппа (Казань, Россия, 17 июня 2014 г.). Программный комплекс для экспресс-контроля корпуса турбокомпрессора газового двигателя КАМАЗ. Казань, 2014. С.
10. Ф.Хампель, Э.Рончети, П.Рауссеу, В.Штаэль Роба-стность в статистике. Подход на основе функций влияния. Мир, Москва, 1989, 512 с.
11. А. В. Бусаров: Дисс. ... канд. техн. наук, Казанский государственный энергетический ун-т, Казань, 2009. 154 с.
© Ю. В. Ваньков - д.т.н., профессор, зав. каф. «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», КГЭУ; И. В. Ившин - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», КГЭУ; А. Р. Загретдинов - к.т.н., ст. препод. каф. «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», КГЭУ, [email protected]; М. Ф. Низамиев - асс. каф. «Электроснабжение промышленных предприятий», КГЭУ, [email protected].
© Y. V. Vankov - Doctorof Technical Sciences, Professor, Head of Department "Industrial power systemandheatsupply systems", Kazan State Power Engineering University; I. V. Ivshin - Doctorof Technical Science, Professor, Head of Department "Power supplyofindustrialenterprises", Kazan State Power Engineering University; A. R. Zagretdinov - PhD, seniorlecturer in "Industrial power systemandheatsupply systems", Kazan State Power Engineering University, [email protected]; M. F. Nizamiev -assistantof "Power supplyofindustrialenterprises", Kazan State Power Engineering University, [email protected].
