4. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЙ СИГНАЛ И ВЫБОР СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Характер виброакустических сигналов. Виброакустический сигнал механизма имеет сложную структуру, зависящую от динамики механизма и набора комплектующих его узлов. Для примера рассмотрим природу возникновения колебаний нескольких типовых узлов механизма.

Подшипники качения и скольжения должны обладать такими свойствами, чтобы обеспечить вращение вала с минимальными потерями энергии и постоянством положения оси вала относительно системы координат, связанной с корпусом подшипника. Однако можно указать большое число погрешностей в элементах подшипника, которые приводят к нарушению этих требований. Так, например, в подшипнике качения источниками колебаний являются волнистость и овальность беговых дорожек, ограничностъ тел качения, дисперсия их диаметров, наличие радиального зазора, что приводит к сложному характеру движения центра вала под влиянием переменной силы взаимодействия контактирующих деталей [21, 10]. При этом измеряемый сигнал имеет вид импульсов с высокочастотным заполнением, модулированных по амплитуде случайным процессом. Спектр этого сигнала широкополосный с наличием большого числа гармоник, кратных основным частотам возбуждения, приведенным в табл. 1.

При износе подшипников качения наблюдается увеличение зазора, приводящее к ударному взаимодействию вала с телами качения, что связано с увеличением амплитуды полигармонического сигнала. Увеличение шероховатости поверхностей вызывает увеличение уровня шумовой компоненты.

Зубчатое зацепление служит для передачи вращательного движения от механизма к механизму с преобразованием мощности и частоты вращения. На зуб, находящийся в зацеплении, действует переменная сила нагружения, вызывающая в нем колебания с частотой повторения (зубцовой частотой), кратной произведению числа зубьев на оборотную частоту. При этом одновременно действует несколько факторов, вызывающих существенное усложнение виброакустического сигнала: неуравновешенность вращающихся деталей приводит к появлению в спектре исследуемого сигнала частот кратных оборотной частоте кинематические погрешности, допущенные при нарезании зубьев и сборке колес, приводят к появлению частот, кратных числу зубьев делительного колеса станка, на котором нарезается зубчатое колесо (см. табл. 1), а также к амплитудной и фазовой модуляции колебаний на зубцовой частоте, что Проявляется в спектре в виде набора боковых составляющих

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

Увеличение трения при нарушении геометрии колес в процессе их эксплуатации приводит к увеличению уровня шумовой компоненты.

Большие скорости вращения деталей в редукторе при больших нагружающих моментах определяют характер колебательных процессов, сопровождающих его работу.

Исследовать раздельное влияние каждого зуба на характер колебательных процессов в редукторе как и в подшипнике, нецелесообразно, поэтому для выделения полезного сигнала на фоне помех при диагностировании редуктора используют различные методы частотной фильтрации а также детектирование амплитудное и фазовое с последующим статистическим анализом.

Работа двигателей внутреннего сгорания (ДВС) характерна тем, что рабочие процессы в различных секциях происходят в разные моменты времени, поэтому для выделения колебательного процесса, связанного с работой отдельно взятой секции или отдельного элемента одной секции, применяют временную селекцию (стробиро-ваиие) Характер возбуждения колебательных процессов в ДВС своеобразен. Отличительной особенностью его является импульсный характер возбуждения, вызванный большой скоростью нарастания давления в камере сгорания, ударами при перекладке поршней, процессами впрыска топлива и выхлопа отработанных газов (рис 5)

При изменении параметров состояния ДВС, например момента впрыска топлива, нарушения в работе газораспределительного механизма, износа поршневых колец, увеличении зазора между поршнем и втулкой связанные с работой этих устройств импульсы смещаются по фазе, изменяются их амплитуды и длительности, появляются новые импульсы. Для временного выделения соответствующих импульсов методом стробирования наиболее благоприятным режимом является работа двигателя с низ кой, но достаточно устойчивой частотой вращения коленчатого вала [10].

Рассмотренные примеры показывают сложность колебательных процессов, возникающих в работающем механизме, поэтому выделение полезного сигнала от диагностируемого узла сопряжено с определенными трудностями, тем большими, чем меньше используется каналов измерительной информации.

Формирование и измерение виброакустического сигнала в механизме. Схема формирования и расшифровки информации от узла механизма при использовании одного датчика показана на рис. 6 [21].

Вибрационный сигнал, соответствующий определенному техническому состоянию узла, на пути к внбродатчику не только искажается помехой (мультипликативной или аддитивной), характерной для канала, но суммируется с сигналами от других узлов, искаженных помехами. Задачей системы измерения и переработки информации является не только разделение сигналов от каждого из узлов, но и нахождение связи их с параметрами технического состояния каждого из узлов, Такая постановка задачи с использованием одного датчика возможна в двух случаях:

Рис. 5. Схема расположения виброимпульсов, формируемых механизмами четырехцилиндрового двигателя, по тактам цикла: 1 — форсункой топливной системы; 2 — рабочим процессом в цилиндрах; 3 — впускным (а и б) и выпускным (а и г) клапаиамн газораспределителя; 4 — перекладкой поршия; 5 — шатунными подшипниками; 6 — отметка ВМТ (верхней мертвой точки) и НМТ (нижней мертвой точки); 7 — отметка времени

Рис. 6. Схема формирования и расшифровки акустического сигнала при использовании одного датчика колебаний: 1 — диагностируемый узел; 2 — так называемый акустический каиал, т. е. тракт, по которому колебательный процесс попадает в место расположения датчика; 3 — датчик; 4 — измерительное устройство; 5 — преобразователь информации

1) вибрационные сигналы от каждого узла обладают существенно различными качествами, что позволяет сравнительно просто сформировать систему независимых диагностических признаков состояния каждого из узлов механизма;

2) условия эксплуатации механизма не позволяют оснастить его развитой системой сбора и обработки информации с разделением сложного агрегата на более простые и установкой датчиков на каждом из них.

Во втором случае трудности задачи диагностирования возрастают, так как внутриагрегатные связи делают области значений диагностических признаков перекрывающимися. При этом методы распознавания усложняются, а вероятность постановки правильного диагноза падает.

Уменьшить влияние помех можно разделением механизма на более простые агрегаты с установкой датчиков в наиболее информативных точках конструкции, позволяющих оценить работоспособность данного узла. В роторных механизмах, например, наиболее целесообразно подключение датчиков на входном и выходном валах с последующей оценкой совместных двумерных характеристик. Помимо этих мероприятий целесообразно проводить различные преобразования, увеличивающие отношение сигнал/помеха,

В соответствии с принятым разбиением объекта контроля на динамические звенья и перечнем технических состояний, подлежащих распознаванию, может быть произведен предварительный выбор средств измерения и геометрии их расположения на объекте исходя из следующих соображений. Прежде всего необходимо упорядочить перечень технических состояний для каждого выделенного динамического звена в соответствии с классификационной схемой дефектов.

Измеряемые параметры выбирают из соображений максимального информационного вклада виброакустического сигнала, место расположения датчика должно быть по возможности приближено к потенциальному источнику возбуждения колебаний.

В реальных условиях при отработке методов диагностики конкретных объектов систему измерения выбирают избыточной и обычно модифицируют в соответствии с полученными практическими результатами, прежде чем придать ей окончательный вид.

Исходная информация об измеряемых виброакустических параметрах динамических звеньев объекта контроля может обрабатываться в диагностических целях как непосредственно в ходе функционирования объекта (в реальном масштабе времени), так и постфактум — по результатам проведенного эксперимента. Во втором (часто и в первом) случае неизбежной оказывается регистрация измеряемых электрических эквивалентов виброакустических параметров на магнитных носителях с последующим многократным воспроизведением записей, обработкой и анализом их на специализированной аппаратуре для статистических исследований и ЭВМ. При этом к магнитным регистраторам предъявляют повышенные требования к точности и синхронности записи — воспроизведения многих параметров, идентичности соответствующих каналов по АЧХ и ФЧХ, возможности одновременной регистрации как низких (включая постоянную составляющую), так и высоких частот, управляемому изменению скоростей протяжки ленты. Этим условиям удовлетворяют специальные прецизионные многоканальные магнитные регистраторы с частотной модуляцией записываемых сигналов в диапазоне частот и выше.

Процедура поиска характерных диагностических признаков. Рациональный выбор диагностических признаков, т. е. характеристик колебательных процессов, сопровождающих работу машин и механизмов, в значительной мере определяет успех решения задачи виброакустической диагностики.

Признаки выбирают по следующей схеме.

На основании предварительного изучения статистики отказов составляют перечень неисправностей механизма, подлежащих распознаванию. Для каждого вида отказа подбирают соответствующий структурный параметр. В процессе обучения диагностической системы на однофакторных экспериментах составляют словарь акустических диагностических признаков, соответствующих каждому виду отказа. Для выявления характерных диагностических признаков можно рекомендовать следующую процедуру обработки виброакустического сигнала;

1) предварительное получение спектральных характеристик колебательного процесса при нормальном и дефектном функционировании механизма;

2) выявление зон и характера наибольших изменений спектральных характеристик (существенное изменение амплитуд дискретных составляющих, перераспределение энергии по частотам, рост шумовой компоненты, появление гармоник или субгармоник основных частот возбуждения, появление или увеличение амплитуд модуляционных или комбинационных частот и т. п.);

3) построение математической модели формирования виброакустического сигнала при появлении дефекта;

4) выбор системы предварительной обработки исследуемого сигнала (фильтрация, детектирование, стробирование и т. п.) с целью повышения его информативности на основании выводов, полученных по п. 2 и 3;

5) в соответствии с характером изменения спектра мощности виброакустического сигнала составление программы получения статистических характеристик, наиболее чувствительных к этим изменениям (обобщенный -мерный вектор спектральных компонент гармонического ряда колебательного процесса или его огибающей, амплитуды отдельных составляющих спектра, величина или форма коэффициента корреляции, вид регрессионной зависимости колебаний различных точек объекта, кепстр, биспектр и т. д.);

6) поиск характерных диагностических признаков на основе многофакторного эксперимента и построения регрессионной модели зависимости диагностического признака от параметров технического состояния механизма.

Рис. 7. (см. скан) Структурно-следственная схема формирования диагностических признаков некоторых Дефектов зубчатого зацепления

На основании проведенной процедуры составляют словарь характерных диагностических признаков, однозначно реагирующих на проявление отдельного вида дефекта. В случае отсутствия характерных признаков распознавание состояний механизма осуществляется по совокупности признаков в соответствии с теорией распознавания образов,

На рис. 7 изображена примерная структурно-следственная схема формирования диагностических признаков, предшествующая процедуре активного многофакторного эксперимента. В качестве примера рассмотрены четыре дефекта зубчатого зацепления (II уровень), наиболее часто проявляющихся при длительной эксплуатации редуктора. На III уровне схемы представлены характерные изменения спектральной картины, вызванные проявлением дефекта. Внизу (IV уровень) представлен неполный перечень возможных диагностических признаков по каждому дефекту на основании которого отбирают характерные признаки.