Вібраційна діагностична система

Реферат: Винахід належить до інформаційно-вимірювальної техніки і може бути використаний для вібродіагностики обертових механізмів, машин і агрегатів, зокрема, турбін теплоелектростанцій, компресорних станцій, підземних магістральних нафто-, газо- та продуктопроводів, підйомних кранів тощо. Вібраційна діагностична система складається з n трикомпонентних давачів вібрації 1, індуктивного давача кількості обертів вала 2, n однокомпонентних давачів вібрації 3, блока n перемикаючих ключів 4, n+1 підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками 5, паралельного n+1 канального аналого-цифрового перетворювача 6, контролера керування 7, блока постійної пам'яті (БПП) 8 і багатофункціонального індикатора 9. Винахід забезпечує проведення багатомірних та векторних вимірювань віброприскорень, що дає можливість оперативного контролю вібраційної діагностичної системи в процесі проведення вібродіагностичних досліджень і підвищення їх точності. UA 102759 C2 (12) UA 102759 C2 UA 102759 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до інформаційно-вимірювальної техніки і може бути використаний для вібродіагностики обертових механізмів різноманітних об'єктів, машин і агрегатів, зокрема, турбін теплоелектростанцій, компресорних станцій, підземних магістральних нафто-, газо- та продуктопроводів, обертових механізмів підйомних кранів тощо. Відома призначена для цієї мети портативна вібраційна діагностична система, яка складається з n давачів вібрації, n підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками, паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача, контролера керування і персонального комп'ютера, в якій n давачів вібрації через n підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками під'єднані до входів паралельного nканального аналого-цифрового перетворювача, вихід якого через першу шину даних і управління з'єднаний з контролером керування, вихід якого через другу шину даних і управління під'єднаний до входу персонального комп'ютера [1]. Система дозволяє здійснювати попередню обробку вібраційних сигналів, їх статистичний аналіз у стаціонарному наближенні, здійснювати пошук прихованих періодичностей, обчислювати весь комплекс імовірнісних характеристик першого і другого порядку періодично корельованих випадкових процесів (ПКВП), знаходити числові значення діагностичних ознак. Недоліками аналога є відсутність взаємного аналізу вібраційних сигналів, що отримані з різних давачів вібрації, вмонтованих засобів для оперативного контролю технічних характеристик системи у процесі вібродіагностики об'єктів і механізмів, а також відсутність автоматичної системи регулювання коефіцієнта підсилення вібраційних сигналів, що знижує точність їх обробки та визначення інформативних параметрів. Найближчою за технічною суттю до вібраційної діагностичної системи, що заявляється, є система, яка складається з n давачів вібрації, n підсилювачів з регульованими амплітудночастотними характеристиками, паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача, контролера і персонального комп'ютера, в якій виходи n підсилювачів під'єднані до входів паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача, вихід якого через першу шину даних і управління з'єднаний з контролером керування, вихід якого через другу шину даних і управління під'єднаний до входу персонального комп'ютера, блока з n перемикаючих ключів, генератора еталонних сигналів з керованими числовими характеристиками, причому до перших n входів блока перемикаючих ключів приєднані виходи давачів вібрації, до других n входів під'єднаний вихід генератора еталонних сигналів, до входу керування блока перемикаючих ключів приєднаний один з виходів управління другої шини даних і управління, а до n виходів блока перемикаючих ключів приєднані входи підсилювачів з регульованими амплітудночастотними характеристиками, входи управління яких підключені до другої шини даних і управління [2] (прототип). Принцип дії прототипу полягає в наступному. У момент ввімкнення контролер керування формує сигнали, які встановлюють елементи системи в початковий стан, при цьому на вході керування ключами присутній потенціал логічного нуля, який підтримує ключі в положенні, при якому з виходу генератора сигналів на входи підсилювачів подається напруга Ug у вигляді адитивної суміші синусоїдальної Us та випадкової Un складових, тобто, Ug=Us+Un Вихідні напруги з підсилювачів надходять на входи аналого-цифрового перетворювача. Далі відбувається запам'ятовування аналогових сигналів у схемах вибірки-зберігання аналогоцифрового перетворювача, їх аналого-цифрове перетворення, накопичення даних у внутрішній пам'яті контролера керування, їх попередня обробка і передача в персональний комп'ютер, де визначаються числові характеристики аналогового сигналу Ug. Якщо у всіх підсилювачах встановлені однакові амплітудно-частотні характеристики, комп'ютер за відповідною програмою повинен видати одинакові дані по всіх каналах передачі сигналу Ug, що свідчить про працездатність системи. Таким чином, перед початком роботи здійснюється оперативний контроль роботи вібраційної діагностичної системи. У наступному етапі роботи система за допомогою контролера керування і персонального комп'ютера переводиться в робочий режим, при якому на вхід керування блока перемикаючих ключів подається потенціал логічної одиниці і до входів n підсилювачів під'єднуються виходи давачів вібрації, тобто, аналогові сигнали з виходів останніх через підсилювачі подаються на входи аналого-цифрового перетворювача. При отриманні контролером керування від персонального комп'ютера певної команди він знову ініціює роботу аналого-цифрового перетворювача, де відбувається запам'ятовування аналогових сигналів з виходів підсилювачів, їх аналого-цифрове перетворення, накопичення даних у внутрішній пам'яті контролера керування, їх попередня обробка та передача в 1 UA 102759 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 персональний комп'ютер, у якому відповідна програма формує масив даних для кожного каналу, в тому числі за найбільшим значенням одного з вхідних сигналів формується код коефіцієнта підсилення для підсилювачів. За ініціативою оператора запускаються на виконання певні програми обробки і аналізу сигналів вібрації. Методи попередньої обробки реалізовано за допомогою регулювання амплітудно-частотних характеристик підсилювачів та статистичної обробки за допомогою методів стаціонарних випадкових процесів. Алгоритм обробки сигналів методами ПКВП включає пошук прихованих періодичностей і когерентне та компонентне оцінювання імовірнісних характеристик вібраційних сигналів. Для статистичної обробки вібросигналів з кількома основними частотами використовуються методи майже ПКВП. Реалізовано також алгоритм розкладу ПКВП на гармонічні складові. Недоліками прототипу є неможливість здійснювати багатомірні (векторні) вимірювання віброприскорень, що не дозволяє проводити діагностування різних частин механізму одночасно. Задачею винаходу є забезпечення проведення багатомірних та векторних вимірювань віброприскорень, що дає можливість оперативного контролю ранньої вібраційної діагностичної системи в процесі проведення вібродіагностичних досліджень і підвищення їх точності. Для розв'зання цієї задачі вібраційна діагностична система, яка складається з n однокомпонентних давачів вібрації, блока з n перемикаючих ключів, n підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками, паралельного n-канального аналогоцифрового перетворювача та контролера керування, причому до перших n входів блока з n перемикаючих ключів приєднані виходи давачів вібрації, до n виходів блока перемикаючих ключів приєднані входи підсилювачів, входи управління яких підключені до шини управління, виходи n підсилювачів під'єднані до входів паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача, вихід якого через шину даних з'єднаний з контролером керування, додатково містить блок з n трикомпонентних давачів вібрації, виходи яких під'єднані до входів блока перемикаючих ключів, індуктивного давача кількості обертів вала, вихід якого під'єднаний до входу n+1 підсилювача з регульованою амплітудно-частотною характеристикою, вихід якого під'єднаний до n+1 входу аналого-цифрового перетворювача, блока постійної пам'яті, який через шину даних і управління підключений до контролера керування та багатофункціонального індикатора, а входи керування блоків однокомпонентних та трикомпонентних давачів вібрації під'єднані до контролера керування через шину керування. Додатково введені елементи і зв'язки не є складовою частиною жодної з відомих інформаційно-вимірювальних систем для вібродіагностики об'єктів і машин або для інших цілей, що дає підставу віднести вказані відмінні ознаки до категорії суттєвих і, вважати, що система за винаходом відрізняється новизною. Вібраційна діагностична система забезпечує статистичний аналіз вібраційних сигналів та визначає інформативні параметри технічного стану досліджуваних об'єктів, керує всіма елементами системи та відображає інформацію на багатофункціональному індикаторі. При цьому можна вибирати різноманітні режими функціонування системи: режим самотестування, режим багатомірної чи векторної вібраційної діагностики. Суть винаходу пояснюється за допомогою структурної схеми вібраційної діагностичної системи, представленої на кресленні. Вібраційна діагностична система складається з n трикомпонентних давачів вібрації 1, індуктивного давача кількості обертів вала 2, n однокомпонентних давачів вібрації 3, блока n перемикаючих ключів 4, n+1 підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками 5, паралельного n+1 канального аналого-цифрового перетворювача 6, контролера керування 7, блока постійної пам'яті (БПП) 8 і багатофункціонального індикатора 9. Принцип дії вібраційної діагностичної системи полягає в наступному. У момент ввімкнення контролер керування 7 встановлює елементи системи в початковий стан, при якому потенціал на входах D блока перемикаючих ключів 4 відповідає рівню логічного нуля та підтримує ключі в положеннях, показаних на кресленні. Такий стан відповідає роботі системи в режимі багатомірної діагностики - однокомпонентні давачі вібрації 3 підключені до входів блока перемикаючих ключів 4. Слід зазначити, що до входів блока перемикаючих ключів 4 можуть бути приєднані і трикомпонентні давачі вібрації 1 за умови встановлення з контролера керування 7 логічного рівня еквівалентного рівню логічної одиниці, що відповідає режиму роботи векторної діагностики. Рішення про режим роботи приймає оператор. Входи блока ключів 4, які не використовуються в даному режимі, з метою зменшення проникнення завад на вхід підсилювачів 5 через внутрішній опір блока ключів 4 під'єднуються до загальної шини. У режимі самотестування контролер почергово з певною періодичністю подає на шину управління керуючий сигнал ST1…STn, при цьому трикомпонентні 1 або однокомпонентні 2 UA 102759 C2 5 10 15 20 25 давачі вібрації 3 генерують еталонний електричний сигнал у вигляді напруги біля 400 мВ. Еталонні сигнали через блок ключів 4 надходять на входи підсилювачів 5, підсилюються, фільтруються та оцифровуються за допомогою аналого-цифрового перетворювача 6 та надходять згідно протоколу обміну для зберігання в блок постійної пам'яті 8. Індуктивний давач кількості обертів вала 2 під'єднаний до підсилювача 5 і звідки сигнал надходить на один із входів аналого-цифрового перетворювача 6. Сигнал давача кількості обертів вала 2 необхідний для локалізації дефектів досліджуваних об'єктів та балансування валів роторів. Після прочитання заданої кількості дискретів, дані опрацьовуються за допомогою відомих алгоритмів стаціонарного аналізу [3], де оцінюються їх кореляційна функція, взаємокореляційна функція та спектральна густина потужності відповідно до заданих параметрів обробки. Обчислюється максимальне значення сигналів та порівнюється з тестовим значенням. Незбіг цих величин з заданою точністю свідчить про відсутність сигналу або несправність системи. Співвідношення потужностей сигналів максимальних значень та взаємокореляційних функцій дає величину взаємного впливу одного каналу на інший. Також порівнюється форма спектральної густини потужності отриманих сигналів з тестовою, оцінюється її значення для частот в околі 50 Гц та 100 Гц, значна розбіжність свідчить про суттєві завади у системі, промислові частоти в тому числі. У режимі багатомірної діагностики електричні сигнали, що генеруються здавачами вібрації 3 підсилюються підсилювачами 5 та оцифровуються за допомогою аналого-цифрового перетворювача 6. З шини даних контролера 7 оцифровані дані k (n) зчитуються та зберігаються в БПП 8. Прочитавши задану кількість дискретів, дані розділяються на детерміновану складову часових рядів dk (n) та випадкову складову  k (n) за допомогою алгоритму [4]. При цьому оцінюються їх потужності, ексцес та спектральні густини потужностей, що відображають стан механізму. Також оцінюють авто- та взаємокореляційні функції випадкової складової нестаціонарного наближення за допомогою виразу: b kl (n, m)  1 N1   k (n  iT) l (n  m  iT) N i0 де N - кількість записаних періодів Τ. Величина Τ обчислюється по відомих алгоритмах [5]. Обчислюються також величини Bk  max bkk (n,0) min bkk (n,0) і у випадку перевищення ними n n Bk  3 слід ідентифікувати наявність дефектного стану на ранній стадії розвитку у досліджуваному механічному об'єкті поблизу перетворювача k . порогу 30 У режимі векторної діагностики електричні сигнали, що генеруються давачами вібрації 1 чи 3 підсилюються та оцифровуються за допомогою блоків 5 та 6. З шини даних контролера 7 2 3 оцифровані дані 1 (n), k (n), k (n) зчитуються та зберігаються в БГШ 8. Прочитавши задану k кількість дискретів, дані розділяються на детерміновану складову часових рядів dlk (n) та 35 випадкову складову  lk (n) , їх потужності та спектральні густини, що відображають стан механізму. Також оцінюють інваріанти першого та другого порядків за допомогою виразів: I1 (n, m)  k 1 N1 1   k (n  iT)1 (n  m  iT)   k2 (n  iT) k2 (n  m  iT)   k3 (n  iT) k3 (n  m  iT) k N i0 1 N1 1   k (n  iT)1 (n  m  iT)   k2 (n  iT) k2 (n  m  iT) , k N i 0 1 N1 3 3 I13 (n, m)   1 (n  iT )1 (n  m  iT )  k (n  iT )k (n  m  iT ) , k k k N i0 1 N1 3 32 3 2 2 І Ik (n, m)    k (n  iT ) k (n  m  iT )   k (n  iT ) k (n  m  iT ) . N i0 I12 (n, m)  k 40 Обчислюються також величини I1  max I1 (n,0) min I1 (n,0) і у випадку перевищення ними k k k n n порогу I1  3 слід ідентифікувати наявність дефектного стану на ранній стадії зародження у k досліджуваному механічному об'єкті поблизу векторного перетворювача 3 k. UA 102759 C2 5 10 15 20 25 Описана вібраційна діагностична система, забезпечуючи високу завадостійкість вимірювань, має більш широкі функціональні можливості за прототип, оскільки дозволяє за допомогою електронного комутатора сигналів використовувати як багатокомпонентні (векторні) так і однокомпонентні давані вібрації, а також знаходити місце розташування дефектів та здійснювати балансування валів. Дозволяє проводити ранню вібраційну діагностику за допомогою використання нестаціонарних методів аналізу вібраційних сигналів. Використання методів багатомірного аналізу дозволяє одночасно проводити діагностування різних частин механізму, й дозволяє ідентифікувати наявність рухомих джерел підвищеної вібрації та визначати резонансні властивості механізму. Використання багатокомпонентних (векторних) давачів вібрації дозволяє проводити діагностику механізмів незважаючи на місця їх розміщення, що забезпечує їй широке практичне використання при проведенні діагностики таких механізмів обертової дії, як редуктори, турбогенератори, двигуни тощо. Джерела інформації: 1. Яворський І.М., Драбич О.П., Драбич ПП. , Ісаєв І.Ю. та ін. Методи і нові технічні засоби вібродіагностики підшипникових вузлів та зубчатих передач // Цільова комплексна програма НАН України "Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин" / Збірник наукових статей за результатами, отриманими в 2004-2006 p.p. - Київ: Інститут електрозварювання їм. Є. О. Патона НАН України.-2006. - С 52-56. 2. Патент 92709 (Україна). Вібраційна діагностична система. ТІЛ. Драбич, О.ТІ. Драбич, ТЮ. Ісаєв, ІГ. Стецько, І.М. Яворський. Опубл. 25.11.2010 р., Бюл. № 22 (прототип), 3. Март С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990.-584 с. 4. Методи підвищення ефективності статистичного аналізу сигналів вібрації підшипникових опор турбоагрегатів теплоелектростанцій І І. М. Яворський, І. Ю. Ісаєв, І. Б. Кравець та ін. II Фізико-хімічна механіка матеріалів.-2009. -№3.-С 49-59. 5. І. Μ. Яворський. Оценивание периода периодически корелированых случайных процессов // Отбор и передача информации.-1986.-73. - С. 12-21. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 Вібраційна діагностична система, яка складається з n однокомпонентних давачів вібрації, блока з n перемикаючих ключів, n підсилювачів з регульованими амплітудно-частотними характеристиками, паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача та контролера керування, причому до перших n входів блока з n перемикаючих ключів приєднані виходи давачів вібрації, до n виходів блока перемикаючих ключів приєднані входи підсилювачів, входи управління яких підключені до шини управління, виходи n підсилювачів під'єднані до входів паралельного n-канального аналого-цифрового перетворювача, вихід якого через шину даних з'єднаний з контролером керування, яка відрізняється тим, що містить блок з n трикомпонентних давачів вібрації, виходи яких під'єднані до входів блока перемикаючих ключів, індуктивний давач кількості обертів вала, вихід якого під'єднаний до входу n+1 підсилювача з регульованою амплітудно-частотною характеристикою, вихід якого під'єднаний до n+1 входу аналого-цифрового перетворювача, блок постійної пам'яті, який через шину даних і управління підключений до контролера керування та багатофункціонального індикатора, а входи керування блоків однокомпонентних та трикомпонентних давачів вібрації під'єднані до контролера керування через шину керування. 4 UA 102759 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5