способ и устройство вибродиагностики роторных механизмов

Формула изобретения

1. Способ диагностирования роторных механизмов, заключающийся в том, что измеряют одновременно вибрацию и сопутствующий фактор, которые преобразуют в электрические сигналы, запоминают, усредняют, выделяют экстремум и формируют функционально зависимые составляющие сигналов, часть из которых нормируют и перераспределяют с учетом уровня, затем части совместно идентифицируют на наличие признаков дефектов с последующей индикацией результатов, отличающийся тем, что запоминают сигнал, пропорциональный интенсивности вибрации, например виброускорения, предварительно разграничивают сигнал на несколько сегментов, образуют из каждого сегмента в качестве упомянутых составляющих пары последовательностей из уровней амплитуд (ПУА) и из значений частот (ПЗЧ), представляющих собой спектры, элементы ПУА и ПЗЧ запоминают отдельно и в соответствующих одноименных зонах в сегментах, за сопутствующий фактор принимают последовательность значений уровня скорости вращения (ПЗУС), которую измеряют и запоминают в моменты разграничения сигнала вибрации, экстремальное значение определяют из ПЗУС, при этом выполняют несколько циклов нормирования составляющих, из которых перед идентификацией формируют результирующий спектр, образованный транспортированием его составляющих.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в каждом цикле нормируют одноименные составляющие ПЗЧ, принимая за коэффициент нормирования отношение очередного значения ПЗУС к экстремальному значению и сохраняя коэффициент нормирования постоянным от первого до последнего значения в ПЗЧ соответствующего сегмента, транспортируют позиции парной ПУА соответственно пронормированным значениям ПЗЧ, после окончания циклов группируют значения транспортных ПУА всех сегментов по одноименным зонам и усредняют амплитуды в каждой зоне, усредненные значения принимают за результирующую ПУА спектра, а в качестве парной результирующей ПЗЧ спектра берут ПЗЧ сегмента, соответствующего экстремальному значению ПЗУС.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее вибродатчик, идентификатор дефектов, соединенный с блоком индикации, блок параметров вибросигналов, регистратор экстремума, блок автонормирования, источник сопутствующего сигнала, блок усреднения, блок управления, переключатель каналов, коммутаторы, блок ввода, отличающееся тем, что оно дополнено формирователем спектра, буферной памятью и селектором частотных зон, при этом селектор частотных зон выполнен со встроенными пороговыми элементами, блок параметров вибросигналов - в виде накопителя последовательностей значений амплитуд и частот составляющих спектров (ПУА и ПЗЧ), блок автонормирования - в виде блока автонормирования спектральных диапазонов, источник сопутствующего параметра - в виде тахометра, регистратор экстремума - в виде регистратора экстремума режимов измерения, блок усреднения - в виде многоканального усреднителя, а блок управления - в виде синхронизатора циклов, информационный вход буферной памяти подключен к выходу вибродатчика, а выход - к информационному входу накопителя ПУА и ПЗЧ, информационный вход регистратора экстремума режимов измерения соединен с выходом тахометра, а его первый выход - с первым информационным входом блока автонормирования спектральных диапазонов, второй информационный вход которого соединен с первым выходом накопителя ПУА и ПЗЧ, а третий информационный вход - со вторым выходом регистратора экстремума режимов измерения, первый вход селектора частотных зон соединен с выходом блока ввода, второй вход - с выходом пронормированной частоты блока автонормирования спектральных диапазонов, третий вход - со вторым выходом накопителя ПУА и ПЗЧ, а выход - с информационным входом многоканального усреднителя, первый вход формирователя спектра соединен с выходом многоканального усреднителя, второй вход - с выходом переключателя каналов, а выход - с информационным входом идентификатора дефектов, информационный вход переключателя каналов соединен с первым выходом накопителя ПУА и ПЗЧ, а управляющий вход через элемент И - с единичным выходом блока автонормирования спектральных диапазонов, выход команды "отсчет" синхронизатора циклов соединен параллельно с первыми управляющими входами буферной памяти и регистратора экстремума режимов измерения, выход команды "запись" - с первым управляющим входом накопителя ПУА и ПЗЧ, выход команды "считывание" - со вторыми управляющими входами буферной памяти, регистратора экстремума режимов измерения и накопителя ПУА и ПЗЧ, а также управляющими входами блока автонормирования спектральных диапазонов и элемента И, выход команды "диагноз" - с управляющими входами многоканального усреднителя и идентификатора дефектов, а выход команды "экстремум" - с третьим управляющим входом регистратора экстремума режимов измерения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что накопитель ПУА и ПЗЧ составляющих спектра содержит преобразователь Фурье, два коммутатора и два многоканальных двухадресных блока памяти ПУА и ПЗЧ с управляющими входами выбора каналов и выбора сегментов, подключенные параллельно к выходам соответствующих коммутаторов, а информационными входами обособленно - к паре выходов преобразователя Фурье, при этом информационным входом данного накопителя является информационный вход преобразователя Фурье, его первым и вторым управляющими входами - объединенные попарно управляющие входы коммутаторов, а первым и вторым выходами - выходы соответственно блока памяти ПЗЧ и блока памяти ПУА.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что регистратор экстремума режимов измерения содержит цепочку из последовательно соединенных блока памяти режимов, логического блока выделения экстремума, в частности максимума, и блока памяти экстремума, при этом информационным входом данного регистратора является информационный вход блока памяти режимов, его первым и вторым управляющими входами - соответственно первый и второй управляющие входы блока памяти режимов, третьим управляющим входом - объединенные третий управляющий вход блока памяти режимов и управляющий вход блока выделения экстремума, а первым и вторым выходами - соответственно выход блока памяти экстремума и выход блока памяти режимов.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок автонормирования спектральных диапазонов содержит цепочку из последовательно соединенных определителя поправки, в частности делителя, и корректора, в частности умножителя, при этом первым и вторым информационными входами данного блока являются соответственно первый вход определителя поправки и второй информационный вход корректора, третьим информационным входом - второй вход определителя поправки, управляющим входом - управляющий вход корректора, выходом пронормированной частоты - выход корректора, а единичным выходом - выход определителя поправки.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что селектор частотных зон содержит цепочку из последовательно соединенных линейки сумматоров, линейки пороговых элементов, линейки логических элементов И - НЕ и линейки ключей переадресации, при этом количество элементов в линейках и соответственно взаимных соединений выбрано неменьшим количества составляющих спектра, первым и вторым входами данного селектора являются параллельно включенные одноименные входы сумматоров, третьим входом - групповой информационный вход ключей переадресации, а выходом - групповой выход последних.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что многоканальный усреднитель содержит последовательно соединенные многоканальные сумматор и делитель, а также последовательно соединенные линейку пороговых элементов и линейку счетчиков, выходы которой подключены ко вторым входам делителя, при этом информационным входом данного усреднителя являются объединенные входы многоканального сумматора и линейки пороговых элементов, управляющим входом - управляющий вход многоканального делителя, а выходом - выход последнего.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к вибродиагностике.

Известно устройство и реализуемый им способ по авторскому свидетельству СССР N 1423934, Устройство для контроля состояния узлов трения качения.

Известно другое устройство и соответствующий ему способ по патенту России N 2036455, Сенсор диагностики узлов трения качения, которое принято за прототип.

Устройства на основе преобразования информации о вибрациях контролируемого объекта в амплитудно-частотные характеристики с усреднением, нормированием и сравнением с пороговыми уровнями позволяют различать виды и степени дефектов.

Основной недостаток известных технических решений заключается в необходимости стабилизации скорости вращения источника вибрации, зависимой от разных причин, в том числе от изменения температуры и вязкости смазки или переходных процессов раскручиваемых масс.

Целью изобретения является повышение достоверности при сокращении времени диагностирования.

Суть изобретения состоит в подгонке нескольких равноценных кратковременных, последовательных сигналов измерений к общим для них условиям, после чего по адекватно переформированным данным судят о наличии и степени дефектов. Для чего аппаратным путем выделяют экстремум, нормируют, корректируют, транспонируют и усредняют составляющие спектра вибрации, в котором благодаря упомянутым мерам исключаются внешние влияния на реальное состояние диагностируемого механизма.

Способ предусматривает частично последовательно-параллельные и частично циклические действия.

После получения электрического сигнала, пропорционального виброускорению, из него выделяют несколько сегментов. Каждый сегмент преобразуют в пару последовательностей, одна из которых представлена амплитудами, а другая представлена относящимися к ним частотами, характеризующими совместно спектр отдельного сегмента в избранном для анализа диапазоне частот. Амплитудные составляющие спектров запоминают отдельно от частотных, но сохраняют при этом принадлежность как по одноименным парам, так и по зонам, примыкающим к соизмеримым частотам.

Одновременно с выделением сегментов измеряют значения скорости вращения диагностируемого элемента. Из их числа выбирают экстремальный уровень, обозначающий один из предельных режимов.

Способ далее представлен несколькими циклами приведения (подгонки) измерений к единым условиям, в состав которых введены: определение поправки для отдельного сегмента, нормирования его частот, транспонирование амплитуд по зонам. Число циклов выбирают меньшим или равным числу сегментов.

По окончании циклов усредняют уровни амплитуд в зонах и затем формируют приведенный реальный спектр. Для реального спектра берут усредненные уровни амплитуд и значения частот сегмента, соответствующего экстремальному режиму измерений.

Реальный спектр подвергают анализу на наличие и виды дефектов.

Устройство для реализации способа диагностирования представлено на чертеже и содержит аналоговые, вычислительные и логические блоки и элементы.

Датчик виброускорения 1 соединен с буферной памятью 2, которая в свою очередь соединена с преобразователем Фурье 3. Преобразователь 3 введен в состав накопителя 4.

Наряду с датчиком виброускорения устройство снабжено тахометром 5. Тахометр соединен с блоком памяти режимов 6, входящей в состав регистратора экстремума режимов 7.

Управляющие входы блоков соединены блоком синхронизации 8, который имеет кнопку "Пуск" 9 и кнопку "Стоп" 10.

Накопитель 4 имеет два коммутатора адресов: сегментов 11 и каналов (зон) 12, подключенные к раздельным входам двух многоканальных памяти 13 и памяти 14. Память 13 предназначена для нескольких последовательностей значений частот (ПЗЧ), а память 14 - для нескольких последовательностей уровней амплитуд (ПУА) спектров. Память 13 и память 14 информационными входами подключены к соответствующим выходам преобразователя 3. Количество адресов сегментов в памяти 13 и памяти 14 равно емкости памяти 6.

Регистратор экстремума режимов 7 содержит последовательную цепочку из упомянутого блока памяти режимов 6, логического блока выделения экстремума 15 и памяти экстремума 16. Блок 7 имеет два выхода: один - после памяти 6 и другой - после памяти 16.

Оба выхода подключены к определителю поправки 17 блока автонормирования сегментов 18. Выход определителя подключен к одному из входов корректора 19. Второй вход корректора соединен с выходом памяти ПЗЧ 13. Определитель поправки выполнен, в частности делителем, а корректор выполнен при этом умножителем.

Выход корректора 19 соединен с одноименными входами линейки сумматоров 20, входящей в состав селектора частотных зон 21. Ко вторым входам упомянутой линейки подключены отдельные выходы блока ввода 22. Количество сумматоров в линейке 20 и ячеек памяти с обособленными выходами в блоке 22 выбрано не менее числа зон (каналов) в памяти 13 и памяти 14.

Каждый сумматор линейки 20 имеет индивидуальный выход, который подключен к линейке пороговых элементов 23. Выход каждого порогового элемента подключен к одному из входов одноименного логического элемента линейки И-НЕ 24. Ко вторым входам элементов И-НЕ подключены обособленно выходы каждого предшествующего порогового элемента линейки 23. Выходы линейки 24 подключены к управляющим входам одноименных ключей переадресации линейки 25.

Информационные входы линейки 25 соединены с выходами каналов памяти ПУА 14, а выходы ее подключены к одноименным каналам многоканального сумматора 26 многоканального усреднителя 27. Параллельно выходы линейки 25 подключены к одноименным пороговым элементам линейки 28, выходы которых соединены с входами одноименных счетчиков линейки 29.

Выходы линейки счетчиков 29 подключены к входам делителя 30. К другим его входам подключены выходы сумматора 26.

Блок синхронизации цикла 8 одним из своих выходов "Отсчет" соединен с управляющими входами памяти 2 и памяти 6. Выход "Запись" блока 8 соединен с управляющим входом коммутатора II. Выход "Считывание" блока 8 соединен с управляющими входами: памяти 6 блока 7, коммутаторов 11 и 12 блока 4, корректора 19 блока автонормирования и логического элемента И 31. Второй вход элемента И присоединен к выходу определителя поправки 17.

Выход элемента И соединен с управляющим входом переключателя каналов 32. Информационный вход переключателя соединен с выходом памяти 13 накопителя 4, а выход подключен к частотному входу формирователя спектра 33. Амплитудные входы формирователя спектра 33 соединены с выходами делителя 30. Выход "Диагноз" синхронизатора 8 соединен параллельно с управляющими входами делителя 30 усреднителя 27 и идентификатора 34. Процесс диагностирования начинается с передачи сигнала от вибродатчика 1 в буферную память 2.

Одновременно с вибродатчиком начинает работать тахометр 5, который соединен с памятью режимов 6. Память входит в состав регистратора экстремума 7. Память 2 и память 6, обе заполняются синхронно по командам "Отсчет" от синхронизатора цикла 8. Команды чередуются во времени соответственно поворотам ротора диагностируемого механизма, примерно через 1,5-2,0 оборота. Команда "Отсчет" в период измерения в буферной памяти делит вибросигнал на несколько сегментов, а в памяти режимов отмечаются значения скорости вращения ротора. Обычно достаточно 4-6 отсчетов. На картине спектра относительно спектральных линий половины промежутков справа и слева образуют зону. Каждая амплитуда спектра характерна своей частотой. Таким образом, в пределах сегмента в спектре присутствуют зоны, характеризуемые уровнями амплитуды и значениями частоты.

Вибросигнал, разделенный на несколько сегментов, из буферной памяти поступает на преобразователь 3 по команде "Считывание". После преобразования, в частности Фурье, спектр каждого сегмента представлен на одном выходе преобразователя последовательностью уровней амплитуд (ПУА), а на другом выходе - последовательностью значений частот (ПЗЧ). Последовательность ПУА первого сегмента поступает в первый регистр памяти 14. Последовательность ПЗЧ того же сегмента поступает в одноименный регистр памяти 13. Распределение сегментов по адресам регистров выполняет коммутатор 11, у которого выходы подключены параллельно к памяти 13 и памяти 14. Каждые уровень ПЗА и значение ПЗЧ поступает в ячейки регистров соответственно очередности в спектре. Распределение параметров спектра по адресам ячеек одновременно в памяти 13 и памяти 14 выполняет коммутатор 12 по команде "Запись". Примем для упрощения, что одноименные ячейки регистров каждой памяти образуют соответствующий канал. Таким образом, коммутатор 12 в накопителе 4 ПУА и ПЗЧ переключает каналы, а коммутатор 11 - сегменты.

Начало цикла и принудительная остановка выполняются кнопками "Пуск" 9 и "Стоп" 10.

Поскольку при измерениях скорость вращения не стабилизирована, то в памяти 6 могут содержаться различные значения скоростей для отдельных спектров. Разница режимов измерения искажает оценку дефектов.

По команде "Экстремум" из памяти 6 в логический блок 7 поочередно выводится пара значений скорости. Принцип работы блока 7 заключается в сопоставлении всех значений, сохраняемых в памяти 6, и выделении из неравенств, в частности, наибольшего. В данном случае использовано вычитание. В первом круге вычислений в сумматоре 15 первым членом всех разностей представлено значение скорости первого сегмента, а вторыми членами значения скоростей остальных сегментов. Далее в каждом круге пары разностей составляются схемным путем по приведенной системе. Для значения последнего сегмента парными значениями служат значения предыдущих сегментов. Наличие знака "плюс" при всех результатах в парах разностей одного круга указывает на экстремальное, в частности максимальное, значение первого члена этих пар. Экстремальное значение сохраняется в памяти 16 и участвует при нахождении поправок блоком автонормирования 18. На этом подготовка переформирования заканчивается.

На первом этапе цикла переформирования спектров в определитель поправки 17, в частности в качестве делителя, поступает значение скорости первого диапазона, а в качестве делимого выступает экстремальное значение. Все результаты всегда будут меньше единицы, кроме одного.

Второй этап цикла - нормирование спектров - состоит в следующем. В корректор 19 вводится значение первой частоты первого спектра из первого канала памяти 13 и корректируется, в частности умножается на поправку, поступающую из определителя 17. Если значение скорости не равно экстремуму, то поправка изменит значение частоты. Изменение может быть в пределах первой зоны спектра, но часто меняется существенно.

Третий этап цикла - транспонирование - реализуется смещением уровней амплитуд в другие каналы.

Значение пронормированной частоты подается на первые входы линейки сумматоров 20 селектора 21. На вторые входы линейки 20 подаются значения уставок из блока ввода 22. Уставки определяют значения ширины зон при частотах спектра и находятся на основании экспериментов. При повышении частот величины уставок возрастают (иногда равномерно). Каждый из поступивших от блока автонормирования 18 сигнал на сумматорах 20 проявляется парой разностей, имеющих либо одноименные, либо разноименные знаки. Наличие разноименных знаков может быть только в единственной паре соседних сумматоров, принадлежащей некоторой зоне (каналу), что и определяет пронормированную частоту спектра и, следовательно, новый канал передачи уровня амплитуды.

Знаки при единичных значениях выделяются линейкой пороговых элементов 23. Количество пороговых элементов выбрано не менее числа зон и каналов. На один из выходов каждой пары, соответствующей отдельной зоне, включен элемент НЕ линейки логических элементов И-НЕ 24. Единичный сигнал, меняя свой знак, поступает на первый вход элемента И. На второй вход каждого элемента И сигнал поступает непосредственно со своего порогового элемента. Логическая обработка позволяет выделить единственный управляющий сигнал на каждую пронормированную частоту.

Управляющий сигнал подается на конкретный ключ линейки переадресации 25.

Следствием смены адреса уровень амплитуды из памяти 14 будет направлен в другую зону спектра, например, амплитуда первой составляющей окажется сдвинутой в соседнюю зону или далее.

Четвертый этап цикла предусмотрен для повышения достоверности уровней амплитуд спектра.

Уровень амплитуды, проходя в другой канал сумматоров 26 многоканального усреднителя 27, параллельно преобразуется посредством линейки пороговых элементов 28, подключенных к сумматорам 26, в единичные импульсы, поступающие в счетчик 29. На этом один цикл переформирования в одном из каналов заканчивается.

Итак, в процессе нормирования содержимого всех каналов по всем сегментам в каналах сумматора 26 окажется просуммировано неодинаковое число слагаемых. Число слагаемых внесено поканально в счетчик 29. Теперь накопленные в каналах суммы делятся на соответствующие числа слагаемых в делителе 30. Результаты усреднения поступают через 33 и далее в идентификатор 34.

Поправка, равная единице, отслеживается элементом И 31 и образует управляющий сигнал на переключателе 32. Поскольку он подключен параллельно выходам памяти 13, то открывается доступ значениям частот соответствующего сегмента в 33.

Таким образом, после нормирования и переформирования в идентификаторе сосредоточены усредненные амплитуды спектра и значения их частот, которые выражают совместно полноту достоверных данных о реальном спектре.

Наличие дефектов, степень их развития или факт отсутствия дефектов отображается на индикаторе 35.

Эффективность способа проявляется в том, что исключена необходимость в принятии обязательных мер по контролю или стабилизации скорости вращения в период измерений. Обычно измерения проводятся в течение 60-90 секунд и скорость, если не принято особых мер, может измениться в пределах 15%. Изменения скорости искажают вибросигнал.

Искажения сигнала при преобразовании в спектр сказывается на его четкости. Возникает эффект размытости в виде появления дополнительных ошибочных линий наравне с реальными. Искаженный спектр при анализе приводит к ошибочному диагнозу.

Часто для четкости спектра применяют стабилизаторы скорости или удлиняют процесс измерений, выбирая моменты, когда скорость вращения принимает заранее заданную величину. Один метод требует наличия дорогих специализированных стендов, а другой - сложен в исполнении и связан с индивидуальными навыками.

Предлагаемый способ предусматривает действия над сигналом, требования, к измерению которого значительно снижены и стабилизации скорости не требуется. Более того, он приобрел достаточную универсальность, так как допускает измерения при повышении и понижении скорости или при ее колебаниях.

Устройство для реализации способа выполнено в переносном варианте, на обычных для современного уровня техники элементах, не требует особой квалификации персонала или климатических и экологических условий в эксплуатации. Вибродиагностику можно проводить в любом месте, оснащенном источником электропитания.

Способ и устройство особенно удобны при вибродиагностике непосредственно на крупногабаритных изделиях, так как не требуют предварительной разборки их на части, допускающие монтаж на стенде.