СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ Российский патент 2003 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к области подшипниковой промышленности и может быть использовано для контроля качества выпускаемой продукции путем анализа вибрационных характеристик шариковых подшипников.

Известен способ диагностики подшипников качения (авторское свидетельство СССР 1620881, МКИ G 01 М 13/04, оп. 1991 г.) методом анализа вибрационных сигналов, предусматривающий оценку короткого вибрационного сигнала, возникающего при взаимодействии поверхностей элементов подшипника с дефектами. Ограниченные технологические возможности и сложность осуществления известного способа, обусловленная необходимостью разборки подшипника, а также низкая производительность процесса контроля не позволяют использовать его для оперативного и точного анализа качества готовых изделий, а потому известный способ не нашел широкого применения в условиях массового производства подшипников.

Наиболее близким к описываемому изобретению является способ диагностики подшипников, раскрытый в RU 2104510, включающий измерение сигнала вибрации подшипника, его преобразование в цифровую форму с образованием не менее 2-х реализаций, проведение быстрого преобразования Фурье (БПФ), выделение амплитудного спектра с последующим определением уровня составляющих сигнала, обусловленных отдельными свойствами и погрешностями элементов подшипника, а также долевого вклада каждой составляющей в общую мощность вибросигнала и оценкой состояния подшипника.

Известный способ диагностики подшипников предусматривает последовательное проведение БПФ сигнала каждой реализации и усреднение полученных амплитудных спектров по количеству реализаций, после чего проводят анализ усредненного амплитудного спектра. Точность распознавания и анализа амплитудного спектра известным способом и, следовательно, оценки параметров элементов подшипника и погрешностей его изготовления зависит от величины разрешения по частоте, которое определяется конечной длительностью реализации, представляющей собой допустимое количество дискретных значений N, составляющих дискретный сигнал одной реализации, и может быть представлено в виде:

где f_д - частота дискретизации, а N - количество точек преобразования Фурье в спектральной области каждой реализации.

При этом, использование операции усреднения в известном способе позволяет лишь уменьшить погрешность оценки амплитуды гармоник пропорционально , не оказывая влияния на разрешение по частоте.

Величина фактического разрешения по частоте в известном способе диагностики при выбранной частоте дискретизации сигнала и длительности реализации имеет предельное значение, поскольку увеличение длительности реализации ограничено апертурным временем АЦП, а увеличение количества реализации определяется характеристиками канала доступа устройства обработки данных и их беспредельное наращивание приводит к ограничению возможностей проводимого анализа вибросигнала.

В то же время сигнал вибрации, измеренный в какой-либо исследуемой точке подшипника, является результатом интегрального эффекта действия сложного поля возмущений, включающих множество колебательных процессов и образующих группы компонент с близкими частотами. Частотный спектр вибросигнала подшипника является исключительно сложным и плотным, состоящим из огромного числа гармоник, многие из которых значительны по амплитуде, поэтому разрешение по частоте в известном способе диагностики, как правило, недостаточно для четкого разделения и определения происхождения гармоник, обусловленных различными элементами подшипника, их свойствами и качеством их изготовления, в результате чего ряд свойств подшипников и причин, вызывающих их погрешности, не поддаются выявлению, снижая объективность процесса диагностики.

Кроме того, последовательное проведение БПФ каждой выборки приводит к значительным затратам машинного времени и ресурсов на выполнение этой операции.

Таким образом, технический результат, получаемый при реализации описываемого изобретения, состоит в повышении объективности оценки качества подшипников за счет расширения функциональных возможностей способа их диагностики, экономии ресурсов вычислительной аппаратуры, ускорения процесса диагностики и повышения точности проведения анализа.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диагностики подшипников, включающем измерение сигнала вибрации подшипника при его вращении под нагрузкой, преобразование полученного сигнала в цифровую форму с образованием не менее 2-х равновеликих реализаций, проведение быстрого преобразования Фурье, выделение амплитудного спектра, сравнении его с рассчитанными частотными масками для отдельных элементов подшипника, определении доли вклада каждого из этих элементов в общую энергию вибрации подшипника и оценке состояния подшипника. В качестве реализаций сигнала вибрации подшипника выбирают совокупность сигналов, удовлетворяющих такому условию, что начальное значение сигнала каждой последующей его реализации является конечным значением сигнала соответствующей предыдущей его реализации, после преобразования сигнала в цифровую форму для каждой его реализации выделяют низкочастотный сигнал и прореживают его посредством выборки дискретных значений сигнала с частотой опроса f_выб, удовлетворяющей условию f_выб≥2 f_mаx, где f_mаx - максимальная частота в спектре процесса, из всего множества реализаций полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность, которую подвергуют дальнейшему анализу.

При этом верхнюю частоту среза низкочастотной фильтрации выбирают не превышающей половины частоты дискретизации, а коэффициент прореживания k≤f_д/2 f_mаx, где f_д - частота дисретизации измеряемого сигнала.

Реализация способа диагностики подшипников в соответствии с настоящим изобретением позволяет повысить разрешающую способность анализа и таким образом расширить возможность способа в части выявления гармоник, характеризующих свойства элементов подшипников. Также за счет исключения множества операций быстрого преобразования Фурье, сводя их к одному действию без операции осреднения, имеет место экономия аппаратных средств и машинного времени на выполнение исследований, повышается быстродействие и снижается трудоемкость процесса диагностики подшипников.

Способ диагностики подшипников согласно настоящему изобретению осуществляют следующим образом.

Предварительно по известным рекомендациям (см., например, способ-прототип) производят расчет характерных частотных масок для отдельных элементов подшипника, вносящих доминирующий вклад в его вибрацию, возникающую, главным образом, за счет неидеальных поверхностей дорожек качения наружного и внутреннего колец подшипника и перемещающихся по ним шариков. Для расчета используют геометрические параметры идеального подшипника и частоту его вращения, полученные данные вводят в ЭВМ.

Информационный вибросигнал, поступающий с датчика вибрации, размещенного на неподвижном наружном кольце испытуемого подшипника, после коррекции и низкочастотной фильтрации подвергают аналого-цифровому преобразованию с образованием множества "m" равновеликих реализаций по N дискретных значений. Частоту дискретизации f_д выбирают из условия f_д= 2f_c, где f_c - частота Найквиста.

Полученный массив дискретных сигналов в виде "m" реализаций по N дискретных значений каждая записывают в буфер памяти для дальнейшей обработки и анализа. Для проведения анализа с применением БПФ осуществляют низкочастотную цифровую фильтрацию полученных после АЦП реализаций, принимая начальным значением для каждой i-й реализации конечное значение (i-1)-й реализации, что дает возможность получать равномерный (без скачков) сигнал на выходе.

После фильтрации сигнал каждой реализации прореживают путем выборки из N дискретных значений каждого k-го значения. Выбор численного значения коэффициента выборки "k" обусловлен эффективной шириной спектра, формой спектра, методом обработки и допускаемой величиной погрешности обработки. При этом для сохранения правильной формы сигнала выполняют условие:

где f_max - верхняя частота дискретной низкочастотной фильтрации.

В результате моделирования установлено, что частота Найквиста f_c для возмущений, вызываемых погрешностями наружного и внутреннего колец и шариков подшипника, не превышает 1800 Гц.

Из полученных сигналов m выборок по N/k дискретных значений формируют совокупный временной сигнал, представляющий собой временную последовательность из m•N/k дискретных значений. Полученный сигнал подвергают быстрому преобразованию Фурье и анализируют полученный амплитудный спектр вибрации подшипника путем выделения в спектре групп гармоник, соответствующих частотным характеристикам отдельных элементов подшипника, сравнения значений параметров каждого полученного спектра с граничными значениями расчетного "опорного спектра" и диагностируют погрешности подшипника.

Разрешение по частоте в этом случае составляет:

Таким образом, разрешающая способность при реализации описываемого способа диагностики подшипников по сравнению с известным увеличивается в m раз, что обеспечивает более детальное построение АЧХ и позволяет повысить точность проводимого анализа.

В качестве примера реализации описываемого способа на чертеже представлена блок-схема устройства для диагностики подшипников.

Датчик 1 вибросигнала через усилитель 2 и фильтр 3 низких частот связан с многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 4, на выходах которого установлен дискретный фильтр 5 низкой частоты, выход которого через многоканальный блок 6 прореживания подключен к блоку 7 формирования совокупного временного сигнала, соединенного с блоком 8 быстрого преобразования Фурье (БПФ), выход которого связан с дисплеем 9, печатающим устройством 10, блоком 11 сравнения и обработки данных, соединенным через переключатель 12 с выходом вычислителя 13 "частотных масок". Устройство управления 14, включающее буферную память, подключено к управляющим входам АЦП 4 и блоков 6, 7, 8, 11, 12, 13 и обеспечивает работу устройства по заданному алгоритму, например, в следующем режиме.

Испытуемый подшипник устанавливают на оправке приводной установки и подают осевую нагрузку от приводного механизма через шпиндель, приводящий во вращение внутреннее кольцо подшипника.

Сигнал от вибродатчика 1 корректируют в усилителе 2 и посредством фильтра 3 выделяют низкочастотные составляющие, обеспечивая соответствие динамического диапазона значений входного сигнала динамическому диапазону АЦП 4. Последний является многоканальным и из поступающего аналогового сигнала формирует массив дискретных сигналов, состоящий из множества m реализаций по N дискретных значений каждая. Полученные дискретные сигналы записывают в буферную память устройства управления 14 и/или через фильтры 5 нижних частот подают в блок 6 прореживания. Блок 6 прореживания может быть выполнен, например, в виде многоканального оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), в m каналов которого записывают сигналы по N дискретных значений, а считывают с выхода каждого канала N/k дискретных значений. Введение блока 6 позволяет снизить требования к емкости памяти, хранящей дискретные значения временного сигнала, а также сохранить работоспособность блока 8 БПФ в прежнем режиме и сэкономить его ресурсы. Сигналы с выходов блока 6 прореживания поступают на входы блока 7, в котором из множества m сигналов, каждый из которых состоит из N/k дискретных значений, формируют совокупную временную последовательность, содержащую m•N/k дискретных значений. Блок 7 формирования совокупной временной последовательности может быть выполнен в виде ОЗУ. Полученный совокупный временной дискретный сигнал подвергают БПФ в блоке 8, который может быть выполнен, например, в виде специализированного процессора БПФ. Сигнал на входе блока 8 представляет собой амплитудный спектр исследуемого подшипника и может быть записан во внешнюю память (на чертеже не показана), отображен на экране дисплея 9 и/или распечатан на бумажном носителе посредством печатающего устройства 10. Сигнал с выхода блока 8 БПФ поступает также в блок 11 сравнения и обработки данных, в котором производят сравнение амплитудных уровней с "частотными масками" возмущений от наружного и внутреннего колец подшипника и его шариков, которые предварительно рассчитывают, записывают в вычислитель 13 и последовательно через переключатель 12 подают на входы блока 11 сравнения и обработки данных для определения доли составляющих, обусловленных возмущениями, вносящих отдельных элементов в общий колебательный процесс работающего подшипника.

Сигнал из буферной памяти блока управления 14 может быть использован для выполнения параллельно с описываемым процессом спектрального анализа с применением непосредственной фильтрации посредством системы полосовых фильтров, квадрирования и усреднения выходного сигнала для получения пикового значения и средних квадратичных значений характеристики спектральной плотности на узких полосах частот, в сумме перекрывающих рассматриваемый частотный диапазон, сопоставление их с расчетными параметрами и нормирование спектров.

В качестве управляющего и обрабатывающего устройства может быть использована ЭВМ, обеспечивающая выполнение функций блоков 5-14, включая реализацию алгоритмов цифровой обработки сигналов, статистический анализ результатов исследования и их документирование.

Изобретение относится к методам контроля качества шариковых подшипников путем анализа их вибрационных характеристик. Способ диагностики подшипников заключается в расчете характерных частотных масок для отдельных элементов подшипника, вносящих доминирующий вклад в его вибрацию, и последующем измерении сигнала вибрации подшипника при его вращении, преобразовании полученного сигнала в цифровую форму с образованием не менее двух его равновеликих реализаций, удовлетворяющих такому условию, что начальное значение сигнала каждой последующей его реализации является конечным значением сигнала соответствующей предыдущей его реализации, проведении быстрого преобразования Фурье, выделении амплитудного спектра, сравнении его с рассчитанными частотными масками для отдельных элементов подшипника, определении доли вклада каждого из этих элементов в общую энергию вибрации подшипника и оценке состояния подшипника. После преобразования сигнала в цифровую форму для каждой его реализации выделяют низкочастотный сигнал и прореживают его посредством выборки дискретных значений сигнала с частотой опроса f_выб, удовлетворяющей условию f_выб ≥ 2 f_max, где f_max - максимальная частота в спектре процесса, из всего множества реализации полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность, которую подвергают дальнейшему анализу. Данное изобретение направлено на повышение объективности контроля качества подшипников. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ диагностики подшипников, заключающийся в расчете характерных частотных масок для отдельных элементов подшипника, вносящих доминирующий вклад в его вибрацию, и последующем измерении сигнала вибрации подшипника при его вращении, преобразовании полученного сигнала в цифровую форму с образованием не менее двух его равновеликих реализаций, проведении быстрого преобразования Фурье, выделении амплитудного спектра, сравнении его с рассчитанными частотными масками для отдельных элементов подшипника, определении доли вклада каждого из этих элементов в общую энергию вибрации подшипника и оценке состояния подшипника, отличающийся тем, что в качестве реализации сигнала вибрации подшипника выбирают совокупность сигналов, удовлетворяющих такому условию, что начальное значение сигнала каждой последующей его реализации является конечным значением сигнала соответствующей предыдущей его реализации, после преобразования сигнала в цифровую форму для каждой его реализации выделяют низкочастотный сигнал и прореживают его посредством выборки дискретных значений сигнала с частотой опроса f_выб, удовлетворяющей условию f_выб ≥ 2f_max, где f_max - максимальная частота в спектре процесса, из всего множества реализаций полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность, которую подвергают дальнейшему анализу. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхнюю частоту среза низкочастотной фильтрации выбирают не превышающей половину частоты дискретизации.