Виброакустическая диагностика и прогноз остаточных ресурсов элементов машин с применением корреляционной теории случайных процессов

Лепихова Виктория Анатольевна; Скринников Евгений Валерьевич; Вильбицкая Наталья Анатольевна; Рябоус Андрей Юрьевич

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3

СООБЩЕНИЯ REPORTS

УДК 620.179.12:629.4.027 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-3-87-90

ВИБРОАКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И ПРОГНОЗ ОСТАТОЧНЫХ РЕСУРСОВ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН С ПРИМЕНЕНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ

ТЕОРИИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ

1Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, Новочеркасск, Россия, 2Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), г. Санкт-Петербург, Россия

VIBROACOUSTIC DIAGNOSTICS AND PREDICTION OF RESIDUAL RESOURCE OF MACHINE ELEMENTS USING CORRELATION THEORY OF RANDOM PROCESSES

V.A. Lepihova1, E.V. Skrinnikov1, N.A. Vilbitskaya1, A. Yu. Ryabous2

1Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia, Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO),

Saint-Petersburg, Russia

Лепихова Виктория Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общеинженерные дисциплины», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Скринников Евгений Валерьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общеинженерные дисциплины», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Вильбицкая Наталья Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Общеинженерные дисциплины», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Рябоус Андрей Юрьевич - студент, кафедра «Программные системы», Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), г. Санкт-Петербург, Россия.

Lepihova Viktoriya Anatol'evna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Fundamental Engineering Education», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Skrinnikov Evgeniy Valer'evich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Fundamental Engineering Education», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Vilbitskaya Natalia Anatolievna - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Fundamental Engineering Education», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Ryabous Andrey Yur'evich - Student, Department «Program System», Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO), Saint-Petersburg, Russia.

Приведена разработка методики виброакустической безразборной диагностики элементов тяговых двигателей (ТД) в эксплуатационном режиме. Объектом исследования является работоспособность подшипника качения ТД с помощью анализа спектра акустических шумов, излучаемых элементами работающего подшипника. Виброакустические шумы подшипника разлагаются с помощью спектроанали-затора в спектр, составляющая которого коррелирована с видами повреждения тел качения, беговых дорожек и сепаратора. Диагностика подшипника выполняется сначала предварительным диагнозом путем прослушивания отфильтрованного полосовыми фильтрами шума подшипника и измерением общего уровня шума двухпороговым индикатором. Окончательный диагноз выполняется с помощью виброакустической аппаратуры на специализированном участке депо или ремзавода. Текущие спектрограммы сравниваются с «эталонной» дефектов, для «типовых» повреждений подшипников, что позволяет увеличить надежность и безаварийность эксплуатации подшипников ТД магистральных электровозов.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3

Ключевые слова: тяговый двигатель; подшипниковые узлы; диагностика; прогнозирование; ресурс; виброакустическая эмиссия; неразрушающий безразборный контроль; спектральный анализ; преобразование Фурье.

The development of methods of vibroacoustic non-destructive diagnostics of the elements of the traction motors in exploitation is shown. The object of the study is the performance of the rolling bearing traction motor by analyzing the spectrum of acoustic noise emitted by the elements of the operating bearing. Vibroacoustic noises of the bearing are decomposed by means of a spectrum analyzer to spectrum, the component of which is correlated with the types of damage to the rolling elements, treadmills and separator. Diagnosis of the bearing is performed first by preliminary diagnoses by listening to the filtered by bandpass filters noise of the bearing and measuring the total noise level two-threshold indicator. The final diagnosis is performed using vibroacoustic equipment at a specialized section of the depot or the repair plant. The current spectrograms are compared with the "reference" defects for "typical" bearing damage, which allows increasing the reliability and accident-free operation of the bearings of traction motors of main electric locomotives.

Keywords: traction motor; bearing unit; diagnostics; prediction; service life; vibroacoustic emission; non-destructive testing; spectral analysis; Fourier transformation.

Введение

Тяговые двигатели электровоза, его коллектор, щеточный аппарат, зубчатая передача и особенно подшипниковые узлы являются звеньями, от которых зависит надежность и долговечность электровоза в целом. К сожалению, часто техническое состояние этих звеньев и узлов становится ясным только после аварийной разборки, устранения дефектов, последующей сборке и регулировки [1]. Виброакустическая диагностика, являясь неразрушающей методикой, позволяет без разборки обнаружить и прогнозировать внутреннее повреждение объекта, перейти к тактике обслуживания и ремонта по фактическому состоянию [2, 3]. Такая диагностика экономически целесообразна, но должна учитывать специфику эксплуатации тягового двигателя. В настоящее время разработан и внедрен в систему деповского ремонта сборщик-анализатор, имеющий цифровую обработку сигнала с процентным прогнозированием остаточного ресурса и автоматическим сохранением данных мониторинга состояния подшипникового узла. Прибор АРП-11 применим для высокочастотного сигнала (диапазон измерения от 20 до 300 кГц), мощность которого изменяется медленнее его периода и служит мостом при переходе к современным методам и средствам диагностики [4, 5]. С целью повышения достоверности и глубины диагностирования наметилась тенденция использования одновременно нескольких методов [6]. В связи с этим ставится актуальная задача по разработке экспериментальной методики и аппаратуры по целенаправленному модельному формированию дефектов в диагностируемом элементе с целью создания «эталонных» образцов виброакустических спектров для диагностических целей по методу самообучения и теории распознавания образов.

Методы и результаты исследований

Многочисленные исследования в области физики твердого тела показали, что сигналы виброакустической эмиссии, возникающие внутри твердого тела от действия на него периодически изменяющейся внешней нагрузки, формируются в результате перемещения и силового взаимодействия линейных дислокационных дефектов в кристаллической решетке тела. Главными механизмами линейных дислокаций следует считать дислокации винтового и краевого типа. Возникновение и аннигиляция линейных дислокаций, образование и развитие микротрещин, формирование двойниковой структуры, переход через случайные ориентированные границы кристаллов и другие взаимодействия дефектов, складываясь, образуют реальный виброакустический сигнал, который может быть обнаружен и выделен датчиками акустической аппаратуры. Аппроксимация спектра акустической эмиссии различными математическими моделями приводит к выводу, что наиболее близкие к действительности результаты дает корреляционная теория представления сигнала в виде стационарного и эргодического случайного процесса Пуассо-новского, Гаусовского или Марковского типа [7]. Корреляционная теория случайных процессов позволяет достаточно точно описать случайный процесс всего двумя статистическими параметрами: математическим ожиданием m(t) и корреляционной функцией k (^ tl).

Опыты показали, что:

1) акустический сигнал излучается в виде случайной последовательности экспоненциально спадающих импульсов;

2) средняя продолжительность импульсного сигнала акустической эмиссии составляет не более 1 мкс:

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3

i ^ ад

та =- J /R(x)dz/ = J/R(t)/dx .

2-ад О

В первые часы развития усталостных дефектов в материале элементов подшипника появление случайных дефектов подчиняется закону распределения редких событий или иначе закону Пуассона:

i . Na't

Pk (t ) =

- Nn-t

K!

где ^ - скорость счета акустической эмиссии (АЭ), т.е. отношение суммарного числа актов АЭ к периоду времени наблюдения; K - число событий акустической эмиссии за время t.

Это естественное предположение подтверждается наблюдениями: отсутствием последействия, квазистационарностью и ординарностью процесса [8]. Ординарность выражается в исчезающе малой вероятности появления двух и более сигналов акустической эмиссии за малый отрезок времени. Стационарность является следствием малой скорости развития процесса, а отсутствие последействия вытекает из наблюдаемой закономерности, что частота появления очередного сигнала акустической эмиссии не зависит от того, были ли перед ним и как давно предшествующие импульсы. Существует два способа описания произвольного сигнала АЭ во временной и частотной области [9, 10]. Эти два представления в АЭ связаны между собой прямым и обратным преобразованием Фурье. Состояние диагностируемых подшипников выполнялось в частотном диапазоне от 10 до 60 кГц при максимальном уровне шумов до 50 дБ. Применение спектроанализаторов с последующей обработкой на ЭВМ позволяет выполнить дифференцированный диагноз, т.е. уточнить тип (класс) дефектов и их локализацию.

Выводы

Диагностика подшипников должна осуществляться в два этапа:

1. Предварительный - экспресс-диагностика по общему уровню шума.

2. Дифференциальный - по спектрограмме.

Для этого каждый якорный подшипник в двигателе при выпуске электровоза заводом-изготовителем должен снабжаться паспортом начального уровня шумов и спектрограммой. В процессе эксплуатации на электровозе он подвергается время от времени повторным замерам уровня шума [11] и снятию текущей спектрограммы, которая сравнивается с «эталонной» дефектов, полученной на стенде в лабораторных условиях для «типовых» повреждений подшипников.

Литература

1. Давыдов Ю.А., Пляскин А.К., Кушнирук А.С. Контроль

фактического технического состояния локомотивов на основе мониторинга // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. № 3 (59). С. 38 - 47.

2. Федоров Д.В., Потапенко В.С. Акустико-эмиссионный контроль технического состояния подшипниковых узлов локомотивов // В мире неразрушающего контроля. 2003. № 3. С. 78 - 80.

3. Руссов В.А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. Пермь, 2012. 252 с.

4. Мазнёв А.С., Федоров Д.В., Потапенко В.С. Акустико-эмиссионная диагностика для подшипниковых узлов // Локомотив. 2003. № 11. С. 28 - 31.

5. Мазнёв А.С., Федоров Д.В. Тенденции развития систем акустико-эмиссионной диагностики подшипниковых узлов локомотивов // Изв. Петербургского ун-та путей сообщения (ПГУПС) 2007. № 1. С. 69 - 77.

6. Матюшкова О.Ю., Тэттэр В.Ю. Современные методы виброакустического диагностирования // Омский научный Вестн. 2013. № 3 (123). С. 294 - 299.

7. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов / Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 463 с.

8. Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при

обработке цифровых сигналов. М.: Связь, 1980. 248 с.

9. ГОСТ Р ИСО 12716-2009 Контроль неразрушающий. Акустическая эмиссия. Словарь. М.: Стандартинформ, 2019. 17 с.

10. ГОСТ Р 55045-2012 Национальный стандарт Российской федерации. Техническая диагностика. Акустико-эмиссионная диагностика. Термины, определения и обозначения. М.: Стандартинформ, 2013. 37 с.

11. ГОСТ Р 27.004-2009. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2010. 16 с.

References

1. Davydov Yu.A. et al. Kontrol' fakticheskogo tekhnicheskogo sostoyaniya lokomotivov na osnove monitoring [Kontrol' faktich-eskogo tekhnicheskogo sostoyaniya lokomotivov na osnove monitoring]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modeliro-vanie, 2018, no. 3, pp. 38-47. (In Russ.)

2. Fedorov D.V., Potapenko V.S. Akustiko-emissionnyi kontrol' tekhnicheskogo sostoyaniya podshipnikovykh uzlov lokomotivov [Akustiko-emissionnyj kontrol' tekhnicheskogo sostoyaniya podshipnikovyh uzlov lokomotivov]. V mire nerazrushayushchego kontrolya, 2003, no. 3, pp. 78 - 80. (In Russ.)

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE 2019. No 3

3. Russov V.A. Diagnostika defektov vrashchayushchegosya oborudovaniya po vibratsionnym signalam [Diagnostika defektov vrashchayushchegosya oborudovaniya po vibracionnym signalam]. Perm': 2012, 252 p.

4. Maznev A.S., Fedorov D.V., Potapenko V.S. Akustiko-emissionnaya diagnostika dlya podshipnikovykh uzlov [Akustiko-emissionnaya diagnostika dlya podshipnikovyh uzlov]. Lokomotiv, 2003, no. 11, pp. 28 - 31. (In Russ.)

5. Maznev A.S., Fedorov D.V. Tendentsii razvitiya sistem akustiko-emissionnoi diagnostiki podshipnikovykh uzlov lokomotivov [Tendencii razvitiya sistem akustiko-emissionnoj diagnostiki podshipnikovyh uzlov lokomotivov]. Izvestiya Peterburgskogo uni-versitetaputei soobshcheniya (PGUPS), 2007, no. 1, pp. 69 - 77. (In Russ.)

6. Matyushkova O.Yu., Tetter V.Yu. Sovremennye metody vibroakusticheskogo diagnostirovaniya [Sovremennye metody vibroakus-ticheskogo diagnostirovaniya]. Omskii nauchnyi Vestnik, 2013, no. 3 (123), pp. 294 - 299. (In Russ.)

7. Bendat Dzh., Pirsol A. Izmerenie i analiz sluchainykh protsessov [Izmerenie i analiz sluchajnyh processov]. Moscow: Mir, 1974, 463 p.

8. Akhmed N., Rao K.R. Ortogonal'nye preobrazovaniya pri obrabotke tsifrovykh signalov [Ortogonal'nye preobrazovaniya pri obrabotke cifrovyh signalov]. Moscow: Svyaz', 1980, 248 p.

9. GOST 12716-2009. Kontrol' nerazrushayushchii. Akusticheskaya emissiya. Slovar' [State Standart 12716-2009. Kontrol' ne-razrushayushchij. Akusticheskaya emissiya. Slovar']. Moscow: Standartinform, 2019, 17 p.

10. GOST 55045-2012. Natsional'nyi standart Rossiiskoi federatsii. Tekhnicheskaya diagnostika. Akustiko-emissionnaya diagnostika. Terminy, opredeleniya i oboznacheniya [State Standart 55045-2012. Nacional'nyj standart Rossijskoj federacii. Tekhnicheskaya diagnostika. Akustiko-emissionnaya diagnostika. Terminy, opredeleniya i oboznacheniya]. Moscow: Standartinform, 2013, 37 p.

11. GOST 27.004-2009. Nadezhnost' v tekhnike. Modeli otkazov. Osnovnye polozheniya [State Standart 27.004-2009. Nadezhnost' v tekhnike. Modeli otkazov. Osnovnye polozheniya]. Mosow: Standartinform, 2010, 16 p.

Поступила в редакцию /Received 09 сентября 2019 г. /September 09, 2019

В статье А.В. Батюкова, А.А. Гуммеля, В.С. Пузина, А.В. Живодерникова, М.А. Земляного «Анализ систем позиционирования микротоннелепроходческих комплексов», опубликованной в журнале «Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки». 2019. № 2 (202). С. 26 - 36, исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении субсидии № 074-11-2018-010 от «5» июня 2018 г. по теме: "Создание высокотехнологичного производства импортозамещающего горно-проходческого оборудования, оснащенного интеллектуальными системами управления, для освоения подземного пространства городов".

ПОПРАВКА