CC BY
57
УДК 539.385
ВОПРОСЫ РАСПОЗНАВАНИЯ ПРИ ВИБРОДИАГНОСТИКЕ КОНСТРУКЦИЙ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН
В.В. Буланов, профессор, д.т.н., В.И. Клименко, профессор, к.т.н., А.И. Шилов, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены вопросы прогнозирования технического состояния объектов, обоснован выбор критериальных параметров и диагностических признаков.
Ключевые слова: диагностические признаки, математические модели, техническое состояние.
Введение
Необходимость прогнозирования состоит в том, что будущее состояние большинства объектов, находящихся в эксплуатации нам неизвестно, но оно, тем не менее, имеет большое значение для решений, принимаемых нами в настоящее время. Особенно это важно для транспортных машин, эксплуатация которых связана с обеспечением безопасности людей.
Известно, что прогноз состояния объекта может быть как качественный, так и количественный. Количественный прогноз связан с вероятностью, с которой произойдет то или иное событие в будущем, а также с некоторыми количественными характеристиками этого события (математическим ожиданием, наиболее вероятным значением и т.д.). Одним из важнейших этапов процесса прогнозирования является выработка модели -математической, либо физической.
Следует помнить, что модели объекта различны, если различны цели и задачи прогноза, например, неразрушающий контроль качества продукции и техническая диагностика. В основном все модели неразрушающего контроля построены на сравнении контролируемого параметра с эталонным, заранее определенным (обычно экспериментально). В то время как задача технической диагностики при прогнозировании несущей способности элементов конструкций - исследование и классификация свойств реальных объектов с целью выбора и построения математических моделей диагностирования, отражающих все технические состояния. Только на основе правильно выбранной модели [2] решаются задачи диагностики в реальном масштабе времени: определении оптимального алгоритма и минимального теста для оценки технического состояния объекта.
Анализ публикаций
В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе имеется большое числа работ [1], посвященных различным аспектам прогнозирования. В ряде областей имеются отработанные частные методики прогнозирования. Но в тоже время, в связи со сложностью проблемы и обширностью решаемых задач, трудно выделить работу, в которой обобщались бы вопросы прогнозирования и излагались основные способы и методики прогнозирования, пригодные для инженерного использования.
Цель и постановка задачи
Состояние диагностируемого объекта определяют по некоторым признакам. Прямые признаки состояний в вибродиагностике обычно недоступны для непосредственного измерения, поэтому фиксируют связанные с ними параметры вибрации . Прямые или косвенные параметры, используемые для диагностики, являются диагностическими признаками, а процессы, несущие эти признаки, -диагностическими сигналами, например, вибрационные процессы различной физической природы. Нахождение эффективных признаков - центральная задача диагностики, главная ее проблема.
Например, в качестве критериальных параметров применяют частоту собственных колебаний, логарифмический декремент колебаний объекта исследований либо совместно частоту и декремент. Существенный интерес представляет спектральный анализ с помощью гармонических функций - Фурье анализ или секветный анализ с помощью функций Уолша вибропрямых колебаний, позволяющий по наличию обертонов зафиксировать не только наличие дефекта либо повреждения, но и его местоположение, а также «мощность».
Диагностические признаки
В зависимости от цели диагностирования и степени изученности объекта диагноз может обладать различной глубиной, а сам объект представляться различными моделями. Например, двигатель силовой установки транспортной машины можно рассматривать как единую физическую систему с неизвестной структурой, подверженную воздействию внешних и внутренних возмущений. По выходным сигналам можно установить его состояние без указания места и причины неисправности. Такая интегральная оценка вполне приемлема в эксплуатации [4]. При эксплуатации того же двигателя по фактическому состоянию требуется диагноз с глубиной до съемного узла. Двигатель, в этом случае представляется совокупностью взаимосвязанных узлов, общий диагноз которого ставят на основании локальных диагнозов.
При выборе признаков учитывают ряд требований, вытекающих из задачи оптимизации системы диагностирования. Прежде всего, признаки должны быть однозначно связанными с состоянием объекта. Изменение значений признаков -следствие не только изменений технического состояния, но и условий диагностирования, поэтому необходимо обеспечить постоянство условий проведения эксперимента. Выбранные признаки должны образовывать достаточную (полную) систему для обеспечения достоверного диагноза. Предпочтительнее признаки, которые позволяют обнаружить дефекты на возможно более ранних стадиях их развития. Необходимо, чтобы признаки обеспечивали требуемую глубину диагноза, но в то же время они не должны чрезмерно усложнять процедуру и средства диагностирования. Желательно, чтобы вся система признаков выделялась по минимальному числу выходов.
Отметим, что взаимосвязи элементов одного и того же процесса можно назвать структурными признаками. Их примерами служат отношения амплитуд двух компонент, частоты к амплитуде, частоты к декременту колебаний и т.п. Общее достоинство структурных признаков - удобство измерения и использования, практическая независимость от многих погрешностей измерения, так как оцениваются относительные величины. Опыт использования таких признаков показывает, что они нередко оказываются весьма информативными. К числу важнейших следует отнести признаки, характеризующие изменение во времени (динамику) всех перечисленных параметров, а также параметров вибрации. Эти признаки отражают характер развития дефекта во времени, что позволяет прогнозировать состояние объекта, оценивать его остаточную работоспособность. Так, например, механическую вибрацию относительно просто измерять, она умеренно локализо-
вана и часто оказывается оптимальным процессом для диагностики элементов конструкций [3].
Вопросы распознавания образов при вибродиагностике
Многие задачи диагностики объектов можно сформулировать следующим образом: необходимо определить состояние объекта диагностики или предсказать одно из будущих его состояний посредством отнесения объекта к тому или иному классу состоянии общей совокупности объектов при условии, что в настоящий момент он обладает определенным комплексом диагностических признаков, которые известны. Подобные классификационные задачи решают методами распознавания образов или, иначе, классификации многомерных наблюдений. Собственно процедура диагноза в такой постановке состоит в разработке правил классификации объектов и их адаптации к конкретным объектам. Зачастую постановка диагноза состояния конкретного объекта заключается в сравнении значений его диагностических признаков, определенных в момент контроля, с пороговыми значениями (нормами и т.п.). Главное и наиболее сложное при этом - определение пороговых (предельных) значений. Разумеется возможны случаи, когда выявляются признаки, однозначно определяющие состояние объекта, и назначение их пороговых значений не вызывает затруднений [5].
Рассмотрим некоторые особенности методики распознавания образов при вибродиагностике конструкций транспортных машин.
1. Распознавание по изменению параметров вибрации в процессе наработки.
Параметры вибрации изделия могут изменяться по мере наработки вследствие ряда необратимых процессов, происходящих в конструкции: роста усталостных трещин в деталях; ползучести материала сильно нагруженных элементов; износа взаимодействующих кинематических пар; эрозионного износа деталей; изменения степени демпфирования колебаний; коррозии; перераспределения внутренних напряжений и пр.
Влияние этих процессов в зависимости от места их протекания на изменение значений диагностических параметров вибрации различно. Так, например, изменения демпфирующих характеристик [3] исследуемого объекта, принятых нами в качестве критериальных параметров оценки качества и прогнозирования надежности деталей, происходят из-за накопления усталостных повреждений в циклически деформируемом объеме материала, вследствие изменения физикомеханических свойств материалов в процессе длительной эксплуатации, при разрегулировках и ослаблении затяжек стыков в корпусных деталях, при изменении условий смазки трущихся поверх-
ностей и вязкости жидкости и т.п. Анализ процессов накопления повреждений показывает, что катастрофические, критические явления инициируются сравнительно быстро и следуют за длительным периодом нормальных изменений, идущих с постоянной скоростью. Это характерно для усталостных процессов, когда, инкубационный, обычно длительный, период роста усталостной трещины предшествует процессу резкого увеличения скорости продвижения, трещины (в десятки раз).
2. Распознавание состояния элементов конструкции на основе диагностической информации, которое учитывает следующее:
- эталонные комплексы диагностических признаков;
- методы статистической классификации;
- экономические факторы;
- ограниченное число диагностических признаков.
3. Распознавание при диагностике потенциально ненадежных элементов конструкций.
Выводы
Следует отметить, что при оценке технического состояния объекта исследований необходимо использовать все перечисленные выше методы распознавания образов:
- метод распознавания элементов конструкций на основе диагностических признаков, включающий в себя эталонные комплексы и применяющиеся
при оценке качества деталей в процессе технологического производства;
- методы распознавания при диагностике потенциально ненадежных элементов по изменению параметров вибрации в процессе наработки, применяющихся при прогнозировании несущей способности конструкции в процессе накопления повреждений в ее наиболее «слабом» звене.
Литература
1. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техни-
ческое обслуживание. - М.: Мир, 1988. -304 с.
2. Буланов В.В. Математические модели нераз-
рушающего контроля качества изделий в процессе технологического производства // Проблемы машиностроения. - К.: ИПМ НАНУ. - 1992. - Вып. 36. - С. 52-54.
3. Буланов В.В. Конструкционное демпфирование
как способ повышения надежности изделий // Авиационная промышленность. -1992. -№8. - С.49-52.
4. Динамика авиационных газотурбинных двига-
телей / Под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шора. -М.: Машиностроение, 1981. - 232 с.
5. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных
двигателей. - М.: Машиностроение, 1973. -112 с.
Рецензент: М.А. Подригало, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 марта 2007 г.
