УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МАШИН Российский патент 1999 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля текущего технического состояния действующего технологического оборудования и контроля за возникновением и развитием в нем дефектов на фоне существующих при сравнительном во времени анализе получаемых графиков распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам, возникающих в узлах оборудования.

Известен способ выделения огибающей виброакустического сигнала (а.с. N 1237915, кл. G 01 H 11/00, Бюл. N 22, 1986), согласно которому с вибросигналом производят высокочастотную фильтрацию, а низкочастотную фильтрацию выполняют после его детектирования. Устройство для реализации способа включает первичный измерительный преобразователь акустических сигналов в электрические - датчик, устанавливаемый на диагностируемом узле машины, согласующее устройство входных параметров датчика с линией связи и входом измерительного блока, содержащего высокочастотный фильтр, детектор огибающей и низкочастотный фильтр гармонических составляющих от импульсов огибающих, выполняющий функцию гармонического спектроанализатора. Способ выделения огибающей с представлением результатов в виде спектров, получаемых от спектрального анализа огибающих, используется для выявления неисправностей в подшипниках качения, в механизмах с зубчатыми зацеплениями и в других, в которых при их неисправностях возникают удары.

Недостатком устройств по данному способу выделения огибающей и с выполнением низкочастотной фильтрации сигнала после его детектирования является то, что в них отсутствует дифференциальный амплитудный селектор импульсов ударов с автоматическим задающим устройством пределов анализа амплитуд импульсов ударов, что не позволяет выполнять анализ распределения вероятностей частот следования импульсов по их амплитудам, поскольку при выполнении спектрального анализа огибающих вибросигнала, спектральные линии одинаковых частот следования импульсов ударов, но имеющих различные амплитуды, представляются в усредненном значении в виде определенной линии спектра, что не позволяет прослеживать за изменениями отдельных амплитуд импульсов ударов в процессе работы механизма, а также не обеспечивает простоту наглядного представления об изменениях, происходящих в узле машины и требует для этих целей привлечения специалистов высокой квалификации.

Известно устройство для диагностики подшипников качения (a.с. N 1116324, кл. G 01 H 15/00, Бюл. N 36, 1984), содержащее первичный преобразователь - датчик вибросигнала, устанавливаемый на испытуемом объекте, согласующий усилитель, ряд частотных фильтров вибросигнала, устройства синхронизации и блок спектрального анализа, позволяющего анализировать получаемые спектры путем сравнения.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует устройство оценки частот следования импульсов по их амплитудам, т.е. устройство, обеспечивающее графическое построение функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам, что не раскрывает видов дефектов, содержащихся в подшипнике, и не показывает в наглядной форме динамику их развития во времени.

Наиболее близким из известных технических решений является устройство для виброакустической диагностики роторных машин (a.с. N 1188559, кл. G 01 H 7/00, Бюл. N 40, 30.10.1985), содержащее первичный вибропреобразователь - датчик, устанавливаемый на диагностируемом объекте, согласующий блок, формирователь импульсов и блок индикации.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует устройство, обеспечивающее оценку частот следования импульсов ударов по их амплитудам и построение графика функции плотности распределения вероятностей их частот следования по амплитудам, что не позволяет раскрывать виды дефектов, содержащихся в диагностируемом узле, и не показывает в наглядной форме динамику их развития во времени, т.е. не обеспечивает в доступной для дежурного обслуживающего персонала форме анализ содержания и направления развития дефекта в диагностируемом узле машины.

Известные устройства не обеспечивают технический уровень и потребность в графическом изображении функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам, обусловленного тем, что при выполнении только спектрального анализа огибающих вибросигнала спектральные линии одинаковых частот следования импульсов, но имеющих разные амплитуды, представляются в усредненном значении в виде некоторой одной линии спектра и ряда высших гармонических и комбинационных линий частот спектра, что не позволяет прослеживать за изменениями, в них отдельных импульсов ударов в процессе работы механизма, а поэтому не обеспечивает простоту в получении наглядного суждения об изменениях технического состояния в узле машины и требует для этой цели привлечения специалистов высокой квалификации.

Важнейшей задачей в области вибродиагностики текущего технического состояния машин является раннее распознавание видов возникающих в них дефектов и наблюдение за их развитием во время работы машин, что может быть достигнуто применительно к дефектам, возбуждающим ударные явления в узлах машин, включением на выход детектора огибающих двухуровневого дифференциального амплитудного селектора импульсов, второй вход - задания предельных уровней напряжения селекции - должен быть соединен с задающим устройством, снабженным жесткой программой и соединенным с таймером тактов смены заданий уровней селекции, при этом выход селектора должен быть присоединен к счетчику импульсов, который своим вторым входом - управления началом и концом счета - соединен с задающим устройством, а выходом - с блоком измерительного преобразования, выход которого подключен к первому измерительному входу индикатора, регистрирующего результаты измерений на диаграмме, а его второй вход управления процессом записи - к задающему устройству, что обеспечивает построение на его диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам и тем самым обеспечивается выделение малых амплитуд ударов в новых развивающихся дефектах на фоне существующих, возбуждающих импульсы ударов с большими амплитудами, на основе чего осуществляется контроль за текущим техническим состоянием действующего оборудования при сравнительном анализе получаемых графиков в различные моменты времени работы машин.

Техническим результатом заявленного устройства для виброакустической диагностики машин является создание единой структурной цепи в диагностическом устройстве, в котором выполняется анализ импульсов ударов с разложением их по всем уровням амплитуд, возможных для их наблюдения, с представлением результата в графическом изображении двух координат: амплитуд импульсов ударов и частот их следования, что обеспечивает наглядность и легкость распознавания получаемой информации и на ее основе - возможность наблюдения за динамикой развития дефектов, планирования сроков проведения ремонтов и предупреждения возникновения аварийных ситуаций в работе оборудования, а также упрощения вибродиагностического устройства для его тиражирования и широкого применения на промышленных предприятиях.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для виброакустической диагностики машин содержит входные цепи, включающие датчик вибросигналов и согласующее устройство, соединенные посредством линии связи с измерительным блоком, содержащим масштабный усилитель, соединенный с подготовительным преобразователем формы вибросигнала к виду, необходимому для выделения огибающей его высокочастотной составляющей, соединенный с полосовым фильтром и детектором огибающей, снабженное блоком измерительного преобразования и индикатором с регистрацией результатов измерения на диаграмме, и снабжено двухуровневым дифференциальным амплитудным селектором импульсов огибающей вибросигнала, первый - сигнальный - вход которого соединен с выходом детектора огибающей, а его второй вход - задания предельных уровней напряжений селекции - с входом задающего устройства, снабженного жесткой программой и соединенного с таймером тактов смены заданий уровней селекции, при этом выход селектора присоединен к счетчику импульсов, который своим вторым входом - управления началом и концом счета - соединен с задающим устройством, а выходом - с блоком измерительного преобразования, выход которого подключен к первому - измерительному - входу индикатора, а его второй вход - управления процессом записи - к задающему устройству, что обеспечивает построение на его диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам, а блок измерительного преобразования содержит элемент памяти результатов счета, накапливаемых в счетчике, соединенный по входу управления занесением данных с задающим устройством, а выходом - с цифроаналоговым преобразователем, выход которого через схему логарифмирования соединен с усилителем выходного сигнала блока, а задающее устройство содержит программу формирования экспоненциального закона изменения предельных уровней напряжений селекции в функции времени, что обеспечивает построение на диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам в логарифмических масштабах координат частот следования импульсов и их амплитуд.

Создание нового устройства для виброакустической диагностики позволяет построить новую систему аналого-импульсных информационно-измерительных приборов в стационарных и переносных вариантах исполнения, снабженных также и другими устройствами диагностики, предназначенными для оперативного и автоматизированного анализа текущего технического состояния технологического оборудования. В этих приборах по результатам наблюдения за изменениями форм графиков функции плотности распределения вероятностей импульсов ударов по их амплитудам во время работы оборудования представляется возможным определять появление новых дефектов в машинах на более ранней стадии их возникновения на фоне уже существующих вибросигналов ударного происхождения, чем при наблюдениях только за изменениями их частотных спектров.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признакам аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

Устройство изображено на чертежах: на фиг. 1 приведена общая структурная схема всего устройства в целом; на фиг. 2 - принципиальная схема активного полосового фильтра (по фиг. 1, поз. 6); на фиг. 3 - общий вид частотных характеристик полосового фильтра (по фиг. 2); на фиг. 4 - время-импульсные диаграммы сигналов, возбуждаемых ударами, их огибающих и импульсов счета (в узлах по фиг. 1, поз. 6, 7 и 8); на фиг. 5 - принципиальная схема детектора огибающих (по фиг. 1, поз. 7); на фиг. 6 - принципиальная схема амплитудного селектора (по фиг. 1, поз. 8); на фиг. 7 - график изменений задания на уровни напряжений селекции по тактам времени (в узле по фиг. 1, поз. 9); на фиг. 8 - время-импульсные диаграммы работы амплитудного селектора (в узле по фиг. 1, поз. 8); на фиг. 9 - пример построения графика функции распределения вероятностей частоты следования импульсов ударов по их амплитудам (в узле по фиг. 1, поз. 13).

Сущность устройства состоит в том, что при возникновении дополнительного дефекта неодинаковой значимости с существующим, но с той же частотой следования импульсов ударов и иной амплитудой, которые не могут быть раздельно отображены в линиях спектра основных частот, получают отображение на графиках заявленного устройства. Его датчик Д 1 вибросигнала (фиг. 1), устанавливаемый на объекте наблюдения, снабжен согласующим устройством СУ 2, которое посредством линии связи соединено с измерительным блоком ИБ 3, на входе которого установлен масштабный усилитель МУ 4, соединенный с подготовительным преобразователем ПП 5 формы вибросигнала к виду, необходимому для выделения его высокочастотной составляющей, соединенный с полосовым фильтром ПФ 6 и детектором огибающей ДО 7. Вторая измерительная цепь снабжена двухуровневым дифференциальным амплитудным селектором AC 8 импульсов огибающей вибросигнала, его первый - сигнальный - вход соединен с выходом детектора огибающей ДО 7, а его второй вход - задания предельных уровней напряжений селекции - с выходом задающего устройства ЗУ 9, снабженного жесткой программой и соединенного с таймером Т 10 тактов смены заданий уровней селекции, при этом выход селектора АС 8 присоединен к счетчику импульсов Сч 11, который своим вторым входом - управления началом и концом счета - соединен с задающим устройством ЗУ 9, а выходом - с блоком измерительного преобразования БИП 12. Выход этого блока подключен к первому измерительному входу самопишущего индикатора СП 13, а его второй вход управления процессом записи - к задающему устройству ЗУ 9, что обеспечивает построение на его диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам. Для этого блок измерительного преобразования БИП 12 содержит элемент памяти П 14 результатов счета, накапливаемых в счетчике Сч 11, который по входу управления занесением в него данных соединен с задающим устройством ЗУ 9, а выходом - с цифроаналоговым преобразователем ЦАП 15, выход которого через схему логарифмирования lg 16 соединен с усилителем Ус 17 выходного сигнала блока БИП 12, что обеспечивает логарифмический масштаб записи частоты счета импульсов на диаграмме СП 13. Для обеспечения логарифмического масштаба записи по амплитудам импульсов ударов задающее устройство ЗУ 9 содержит программу формирования экспоненциального закона изменения предельных уровней напряжений селекции в функции времени, что позволяет расширять диапазоны наблюдения за изменениями в графиках функции распределения плотности вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам и углублять диагностический анализ состояния объекта наблюдения.

Подготовительный преобразователь ПП 5 (фиг. 1) в зависимости от диапазона частот, в котором развивается реакция на действия ударов, может быть построен в нескольких вариантах. Например, если диагностируются узлы, содержащие подшипники скольжения, и датчик Д 1 с согласующим устройством формируют сигнал, пропорциональный параметру виброскорости, то ПП 5 будет содержать фильтр высших частот порядка 1000 Гц и выше и схему дифференцирования, формирующую импульсы по параметру виброускорения, на гармоники которых настраивается полосовой фильтр ПФ 6. Если диагностируются узлы, содержащие подшипники качения, и датчик выполнен как резонатор, воспринимающий частоты ударных явлений и их гармоник в области частот порядка 30-50 кГц, то ПП 5 будет содержать гетеродин и смеситель, а полосовой фильтр ПФ 6 настраивается на суммарную частоту гетеродина и резонанса датчика в области 100 и более кГц.

Полосовой фильтр ПФ 6 (фиг. 2) построен по схеме последовательного соединения двух активных фильтров высших и низших частот, содержащих два операционных усилителя ОУ 18 и ОУ 19, снабженных частотно-зависимыми цепями с конденсаторами 20, 21, 22, 23 и резисторами 24, 25, 26, 27, 28. Делители напряжения, содержащие резисторы 29, 30 и 31, 32, предназначены для задания коэффициентов затухания, а резистор 24 - для тонкой подстройки резонансной частоты. На фиг. 3 приведены логарифмические частотные характеристики отдельных активных фильтров и их суммы.

Детектор огибающей ДО 7 (фиг. 5) построен по схеме последовательного соединения амплитудного детектора, содержащего операционный усилитель ОУ 33, входной резистор 34, диоды 35 и 36 в цепи обратной связи и однозвенный фильтр с резистором 37 и конденсатором 38, и фильтрa низких частот, содержащего операционный усилитель ОУ 39, частотно-зависимые цепи 40, 41 и 42, 43, делитель напряжения в цепи обратной связи на резисторах 44, 45, задающий коэффициент затухания фильтру порядка 0,707.

Двухуровневый дифференциальный амплитудный селектор АС 8 (фиг. 6) содержит на входе делитель напряжения с резисторами 46 и 47, задающий полосу селекции между верхним и нижним пределами напряжений анализа амплитуд импульсов огибающих, и два компаратора К 48 и К 49 сравнивающих амплитуды U входных импульсов с заданными уровнями напряжений, а также логическую схему, содержащую триггер Т 50, три элемента задержки времени с резисторами 51, 52, 53 и конденсаторами 54, 55, 56 и логические элементы 57 - 64.

Таймер Т 10 (фиг. 1), счетчик Сч 11 и устройства, входящие в состав блока БИП 12 являются типовыми и не требуют описания.

Устройство работает следующим образом.

Датчик Д 1, установленный на объекте наблюдения, воспринимает виброакустические сигналы и преобразует их в сигналы напряжения, поступающие в согласующее устройство СУ 2, которое корректирует частотную характеристику датчика и обеспечивает передачу сигналов по линии связи в измерительный блок ИБ 3 на вход масштабного усилителя Ус 4. Подготовительный преобразователь ПП 5 выделяет из общих сигналов датчика сигналы, возбуждаемые ударными явлениями, протекающими в диагностируемом узле машины, и формирует из них высокочастотные сигналы, необходимые для получения импульсов огибающих ударов. С этой целью полосовой фильтр ПФ 6 выделяет заданную применительно к диагностируемому объекту полосу частот, что исключает влияниe на результаты анализа иных виброакустических сигналов. Детектор огибающей ДО 7 выполняет функцию амплитудного детектора, в котором операционный усилитель ОУ 33 совместно с диодами 35, 36 обеспечиваeт линейное преобразование амплитуд импульсов ударов в однополярное напряжение на конденсаторе 38. Включенный в детектор ДО 7 фильтр нижних частот с операционным усилителем ОУ 39 сглаживает пульсации напряжения на конденсаторе 38 за минимальные интервалы времени, что исключает возможности ложного срабатывания амплитудного селектора АС 8. Процесс формирования импульсов огибающей из высокочастотного сигнала показан на фиг. 4 (диаграммы A и B). Задающее устройство ЗУ 9 по тактам времени от таймера Т 10 формирует дискретно изменяющееся по экспоненциальному закону напряжение (фиг. 7), поступающее на вход U_зу АС 8, из которого на входах компараторов К 48 и К 49 с помощью делителя на резисторах 46 и 47 формируются два уровня напряжения. Амплитудный селектор АС 8 выполняет функцию генератора импульсов счета только от тех импульсов огибающих, поступающих на его вход U_x, амплитуды которых попадают в интервал между двумя заданными напряжениями от ЗУ 9. Импульсы, амплитуды которых превосходят верхний уровень напряжения или не достигают нижнего уровня, не вызывают возбуждения в АС 8 импульсов счета. Процесс формирования импульсов счета показан на фиг. 4 (B) и 8. За время такта одной ступени напряжения на выходе ЗУ 9 счетчик Сч 11 накапливает результат счета и в конце ступени по импульсу от ЗУ 9 заносит его в элемент памяти П 14, и затем переходит в нулевую позицию. Цифроаналоговый преобразователь ЦАП 15 преобразует результат счета в напряжение, масштаб которого схема логарифмического преобразования lg 16 логарифмирует и выдает на вход оконечного усилителя Ус 17, согласующего полученный результат со входом самопишущего индикатора СП 13. С момента начала поступления заданий напряжений на АС 8 от ЗУ 9 сигналом от ЗУ 9 включается движение диаграммы на СП 13, соответствующее управлению записью по оси OX, а при смене тактов задания от ЗУ 8 по оси OY регистрируются вероятности счета импульсов ударов, амплитуды которых входят в задаваемые интервалы напряжений в логарифмическом масштабе. Таким образом, на диаграмме воспроизводится график функции плотности вероятностей частоты счета импульсов ударов по их амплитудам, пример которого показан на фиг. 9. Например, в некоторый исходный момент наблюдения график был представлен позицией "О", что показывает на наибольшую плотность вероятностей счета импульсов, соответствующих напряжению U_o при частоте следования f_o. При этом не исключена возможность регистрации шумовых импульсов с меньшими амплитудами и меньшей вероятностью их частоты счета. Если предположить, что существующий дефект получил увеличение вдоль беговой дорожки подшипника качения, это приводит к росту только частоты следования импульсов ударов, как показано на позиции "1". В другом случае, если прежний дефект получает только углубление, это приводит к увеличению только амплитуды удара и соответствует позиции "2". В более общем случае развития дефекта получаем перемещение экстремума графика в позицию "3". Но за время работы машины развитие меньшего дефекта может быть зарегистрировано возникновением нового экстремума - позиция "4" на фоне существующего, что обеспечивает наглядное представление о развитии дефектов в диагностируемом узле машины.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
- устройство для виброакустической диагностики машин, воплощающее заявленное изобретение, для контроля текущего технического состояния технологического оборудования относится к устройствам для определения функциональной зависимости плотности распределения вероятностей частоты следования импульсов ударов по их амплитудам, что обеспечивает раннее распознавание возникающих дефектов и наблюдение за развитием существующих, возбуждающих в механизмах явления ударов, и позволяет создать новую систему аналого-импульсных информационно-измерительных приборов в стационарных и переносных вариантах исполнения для оперативного и автоматизированного контроля за текущим техническим состоянием технологического оборудования;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеуказанных конструктивных решений и способов применения;
- устройство для виброакустической диагностики машин, воплощенное в заявленном изобретении, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "Промышленная применимость".

Устройство содержит датчик вибросигнала, связанный с измерительным блоком. Измерительный блок содержит масштабный усилитель, подготовительный преобразователь, полосовой фильтр, детектор огибающей. Устройство снабжено блоком измерительного преобразования и индикатором с регистрацией результатов измерения на диаграмме, таймером и двухуровневым дифференциальным амплитудным селектором импульсов, связанным с детектором огибающей, задающим устройством и счетчиком импульсов. Последний входом управления началом и концом счета соединен с задающим устройством, а выходом - с блоком измерительного преобразования. Блок измерительного преобразования подключен к индикатору и задающему устройству. Обеспечивает построение на диаграмме индикатора графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам. Технический результат - возможность раннего распознавания видов возникающих дефектов и наблюдения за их развитием во время работы машин. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для виброакустической диагностики машин, содержащее входные цепи, включающие датчик вибросигнала и согласующее устройство, соединенные посредством линии связи с измерительным блоком, содержащим масштабный усилитель, соединенный с подготовительным преобразователем формы вибросигнала к виду, необходимому для выделения огибающей его высокочастотной составляющей, соединенный с полосовым фильтром и детектором огибающей, снабженное блоком измерительного преобразования и индикатором с регистрацией результатов измерения на диаграмме, отличающееся тем, что оно снабжено двухуровневым дифференциальным амплитудным селектором импульсов огибающей вибросигнала, первый - сигнальный - вход которого соединен с выходом детектора огибающей, а его второй вход - задания предельных уровней напряжений селекции - с выходом задающего устройства, снабженного жесткой программой и соединенного с таймером тактов смены заданий уровней селекции, при этом выход селектора присоединен к счетчику импульсов, который своим вторым входом - управления началом и концом счета - соединен с задающим устройством, а выходом - с блоком измерительного преобразования, выход которого подключен к первому - измерительному - входу индикатора, а его второй вход - управления процессом записи - к задающему устройству, что обеспечивает построение на его диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов ударов по их амплитудам. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок измерительного преобразования содержит элемент памяти результатов счета, накапливаемых в счетчике, соединенный по входу управления занесением данных с задающим устройством, а выходом - с цифроаналоговым преобразователем, выход которого через схему логарифмирования соединен с усилителем входного сигнала блока, а задающее устройство содержит программу формирования экспоненциального закона предельных уровней напряжений селекции в функции времени, что обеспечивает построение на диаграмме графика функции плотности распределения вероятностей частот следования импульсов и их амплитуд, а также расширяет соответственно диапазоны наблюдения.