Способ спектральной вибродиагностики зарождающихся эксплуатационных дефектов элементов коробок передач транспортных средств Российский патент 2025 года по МПК G01M13/02 G01H1/00 G01M7/02 

Изобретение относится к эксплуатации транспортных средств и может быть использовано при оперативном управлении техническим состоянием автотранспортной техники.

Наличие колебательных процессов в агрегатах трансмиссии транспортно-технологических средств обусловлено тем, что их на функциональные элементы действуют с одной стороны возмущающие силы, источником которых является двигатель, с другой стороны нагружающие усилия, возникающие от сил сопротивления качению колес по дорожному покрытию. Все это является причиной возникновения ударных процессов, процессов высокочастотного контактного взаимодействия элементов коробок передач, носящих динамический характер. Указанные процессы, в свою очередь, вызывают свободные колебания корпусных элементов на собственных частотах. У новых бездефектных, технически исправных, прошедших обкатку агрегатов, величины амплитуд колебаний при их функционировании находятся в штатных пределах. Возникновение и развитие в них дефектов, связанных с многообразными процессами изнашивания, протекающими при эксплуатации, вызывает приращение величин амплитуд колебаний корпусных элементов. Степень их приращения на характерных собственных частотах напрямую зависит от развития эксплуатационных дефектов или повреждений и свидетельствует об их виде, типе и месте локализации. Задача их своевременного выявления на стадии эксплуатации автотранспортной техники является значимой с точки зрения управления ее техническим состоянием.

Известен способ диагностики повреждения деталей машин (см. патент РФ №2540195, опубл. в Б.И. №4 10.02.2015), основанный на регистрации на ранних стадиях развития дефектов амплитуд вибрации. В данном способе измеряется вибрация в информативных точках корпуса машины в характерной полосе частот с помощью системы компьютерного мониторинга, при этом контролируется тенденция изменения уровня вибрации во времени, проводится сравнение его с критическими границами и по результатам сравнения определяется техническое состояние деталей и машины. Критерием это служат скачкообразные изменения (выбросы) вибрации в течение жизненного цикла машины и деградации состояния деталей из-за их повреждения. При данном способе устанавливают период измерения вибрации существенно меньше, например, на порядок, длительности выбросов вибрации, обусловленных повреждением деталей, запоминают амплитуды выбросов (An), превышающих установленный уровень. Например, на 20% от текущей плавной тенденции нарастания вибрации. При этом принимают в качестве начального уровня повреждения деталей машины по амплитуде первого выброса вибрации (Al), контролируют отношение амплитуды последующих выбросов вибрации к амплитуде первого выброса вибрации (An/Al) и/или измеряют относительные приращения амплитуды (An/An-1) каждого последующего выброса вибрации (An) к амплитуде каждого предыдущего выброса вибрации (An-1), строят тренды контролируемых амплитуд выбросов (An), их указанных отношений (An/Al) и приращений (An/An-1), сравнивают с критическими границами и по результатам сравнения судят о состоянии, стадиях и степени повреждениядеталей машин. Недостатком данного способа является затрудненность локализации нескольких, одновременно развивающихся дефектов или повреждений, что имеет место в коробках передач транспортных средств при их реальной эксплуатации.

Известен способ вибродиагностики подшипников (см. патент РФ №2209410, опубл. в Б.И. №21 от 27.07.2003), заключающийся в расчете характерных частотных образов для отдельных элементов подшипника, вносящих наиболее значимый вклад в его вибрацию и последующем измерении вибрационного сигнала 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 образами для отдельных элементов подшипника, определении доли вклада каждого из них в общую энергию вибрации подшипника и оценке состояния подшипника. В качестве реализации сигнала вибрации подшипника выбирают совокупность сигналов, удовлетворяющих условию, что начальное значение сигнала каждой из последующих его реализаций 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 ƒ выб, удовлетворяющей условию ƒ выб ≥2ƒ max, где ƒ max -максимальная частота в спектре процесса. Из всего множества реализаций полученных сигналов формируют совокупную временную последовательность, которую подвергают дальнейшему анализу. Недостатком данного способа является недостаточная универсальность в плане его применимости к диагностике деталей машин другого типа, например, зубчатых колес.

Известен способ спектральной вибродиагностики нагруженности зубьев зубчатых передач мобильных машин (см. патент РФ №2327966С1, опубл. в Б.И. №18 от 27.06.2008), включающий в себя снятие параметров вибрации с корпуса диагностируемой передачи, выделение путем полосовой фильтрации исходного сигнала колебаний корпуса, вызванных ударными нагрузками, определение огибающей отфильтрованного сигнала и спектра огибающей, выделение из полученных данных информативных составляющих, в качестве служат амплитуды снятых параметров вибрации, определение их статических характеристик и оценку по ним динамической нагруженности зубьев при последовательности обработки огибающего отфильтрованного сигнала: сглаживание огибающей и определение основной частоты из анализа ее спектра, определение числа периодов импульсов колебаний корпуса за время эксперимента, вычисление производной огибающей и минимумов огибающей, определение энергии ударов в каждом в каждом периоде. При этом из полученных данных параметров вибраций корпуса диагностируемой зубчатой передачи частота пересопряжения зубьев должна быть кратной собственной частоте диагностируемой зубчатой передачи и максимально возможной ƒзуб=ƒ0/K, где ƒзуб - частота пересопряжения зубьев, ƒ0 собственная частота, K - кратность. Недостатком данного способа является то, что для быстроходных косозубых передач, работающих в условиях динамически изменяющихся режимов, выделение зубцовых частот представляется затруднительным, особенно в случае необходимости диагностирования нескольких, одновременно развивающихся дефектов или повреждений, что имеет место в коробках передач транспортных средств при их реальной эксплуатации.

Известен способ вибродиагностики для обнаружения зарождающихся дефектов промышленного оборудования (см. патент РФ №2783616С1, опубл. в Б.И. №32 от 15.11.2022), заключающийся в измерении вибрационных ускорений, определении и преобразовании их в прямые энергетические спектры и спектры огибающей высокочастотной составляющей сигналов виброускорений, выделении в них локальных максимумов и сравнении их с максимумами на предварительно заданных эталонных спектров вибрационного сигнала и спектрах огибающей, формирование эталонных энергетических спектров и спектров огибающей вибрационных сигналов осуществляют путем определения набора частот, соответствующих каждому дефекту. На этапе диагностирования о наличии дефекта судят по соответствию выделенных на спектрах локальных амплитудных максимумов и эталонных наборов амплитудно-частотных характеристик, соответствующих исправному состоянию механизма, а так же состояниям механизма при возникновении различных зарождающихся дефектов с помощью одного из критериев оптимальности, например критерия Байеса. При этом в измерительном комплексе дополнительно используют внешние программные модули, с помощью которых осуществляют измерение набора амплитудно-частотных характеристик спектров вибрационных ускорений и число дефектов. Вышеуказанный способ является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и поэтому выбран в качестве прототипа. Недостатками прототипа являются ограниченные возможности по обработке полученных сигналов при диагностировании нескольких, одновременно развивающихся дефектов или повреждений в условиях динамически изменяющихся режимов, имеющих место в коробках передач транспортных средств при их реальной эксплуатации. Это снижает информативность и точность вибродиагностики.

Решаемой технической проблемой является создание способа вибродиагностики зарождающихся эксплуатационных дефектов элементов коробок передач транспортных средств с повышенной достоверностью и точностью результатов диагностирования.

Техническим результатом предлагаемого способа является получение необходимого и достаточного для оперативного управления техническим состоянием транспортного средства числа выходных данных (спектральных амплитудно-частотных характеристик) путем подбора исходных параметров (эталонных спектральных характеристик) при обработке вибросигнала.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе вибродиагностики коробок передач, заключающемся в измерении вибрационных ускорений и преобразовании их в спектрограммы, а также спектрограммы огибающих высокочастотной составляющей сигналов виброускорений, выделении в них локальных максимумов и сравнении их с максимумами на предварительно заданных эталонных спектрах огибающей вибросигнала. Формирование эталонных амплитудно-частотных спектров и спектров огибающей вибрационных сигналов осуществляют путем определения набора частот (гармоник) соответствующих каждому дефекту. На этапе вибродиагностирования о возникновении и развитии дефекта или повреждения судят по соответствию выделенных на спектрах локальных амплитудных максимумов на эталонных наборах частот (гармоник) с текущими, зарегистрированными в ходе производимых измерений.

Новым является то, что изменение набора гармоник спектральных характеристик вибрационных ускорений и числа дефектов производят дополнительно введенными программными модулями, принцип функционирования которых основан на распознавании образов спектров, базирующийся на обработке их посредством нейросетевых алгоритмов, без изменения основного программного обеспечения. Достоверность и корректность программно вводимых изменений набора гармоник спектральных характеристик виброускорений проверяется посредством натурных испытаний, в ходе которых программно-аппаратный комплекс монтируется на непосредственно на исследуемое транспортное средство. Новая совокупность существенных признаков позволяет в заявляемом способе повысить достоверность и точность результатов вибродиагностики.

Схема конструкции предлагаемого программно-аппаратного комплекса, реализующего заявленный способ, показана на фигуре 1. На фигуре 2 приведен пример полученного спектра вибрационных ускорений, с обозначенными существенными амплитудными максимумами (фактический набор гармоник), с амплитудами равными абсолютным значениям относительно линии огибающей спектра, а также наложенного на спектр эталонного набора гармоник.

Измерительный комплекс (фиг. 1) состоит из объекта исследования (коробки передач) с установленными на нем акселерометрами 1-4, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 6 данных, полученных от датчика, персонального компьютера 9, программных модулей 10-11. Программное обеспечение для осуществления вибродиагностики включает в себя: систему самокалибровки датчиков 5, блок полосового фильтра 7, вход которого является выходом АЦП 6, анализатор спектра 8, вход которого соединен с выходом полосового фильтра для получения исходного набора гармоник 12, а также огибающей спектра высокочастотной области исходного сигнала 13. Второй вход соединен с выходом АЦП 6 для получения спектра исходного сигнала с целью формирования фактического набора гармоник 14, соответствующего текущему техническому состоянию объекта исследования. Графики спектральных огибающих, а также их прямые спектры представляют собой амплитудно-частотные характеристики вибрационных ускорений. Пример огибающей, полученной при прогрессирующем износе боковых поверхностей зубьев шестерен приведен на фиг. 2. Пример графика спектра при поломке одно зуба шестерни приведен на фиг. 3, а внешний вид эксплуатационного повреждения, соответствующий ему на фиг. 4. Предварительно в программных модулях в результате проводимых натурных испытаний объекта исследования, а впоследствии программными средствами, формируются спектрограммы с эталонным набором гармоник, соответствующих каждому дефекту. В модуле сравнения, функционирование которого основано на нейросетевых алгоритмов, производят сопоставление амплитудного спектра с фактически полученным набором гармоник с эталонным. Результатом сравнения является определение увеличение амплитуд вибросигнала на необходимом количестве совпадающих гармоник, по которым судят о наличии и степени развития дефекта. Выходы нейросетевых программных модулей подключены к соответствующим входам блока полосового фильтра, блока спектроанализатора, блока фактического набора гармоник, блока эталонного набора гармоник, устройства сравнения. Входом программных модулей являются исходные данные (спектральные образы) для определения дефектов и повреждений элементов коробок передач. Способ реализуется следующим образом.

На испытательный мерный участок опорной поверхности, предварительно подготовленный соответствующим образом для проведения заездов, в ходе которых проводятся виброизмерения помещается транспортное средство, исправность всех элементов трансмиссии и коробки передач, в частности, которой предварительно достоверно определена.

К испытуемому агрегату трансмиссии (коробке передач) подсоединяется комплекс измерительных средств, включающий в себя: пьезоэлектрические акселерометры 1-4, посредствам шлейфов параллельно подключенные к внешнему анализатору сигналов со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 6, а затем к ноутбуку 9, который подключается к сети 220 В, запитываемой через инвертер от автономных источников электроэнергии (аккумуляторов), дополнительно устанавливаемых на испытуемое транспортное средство. Затем измерительный комплекс приводится в функциональное состояние.

Запускается двигатель. После чего на входной вал испытуемого агрегата трансмиссии (коробки передач) начинает подаваться крутящий момент.

Испытуемое транспортное средство приводится в движение. Посредством коробки передач выбирается скорость его движения по данному опорному основанию, что определяет нагружающие силы, воздействующие на элементы конструкции агрегатов трансмиссии. Также производится изменение подаваемого крутящего момента посредством изменения подачи топлива в двигатель, что изменяет возмущающее воздействие со стороны двигателя.

Выбирается характеристический режим движения испытуемого транспортного средства по данному опорному основанию, при соблюдении которого на данном опорном основании наиболее явно проявляются конкретные исследуемые зарождающиеся в ходе эксплуатации дефекты и повреждения;

Производится замер вибрационных характеристик работы при помощи измерительного комплекса. При этом в ноутбуке, в специальном программном продукте производится спектральный анализ поступивших сигналов. Исходный сигнал с акселерометров 1-4, закрепленных на объекте исследования, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 6, выход которого соединен с последовательным интерфейсом ноутбука 9. Программное обеспечение для проведения вибр о диагностики 10-11 позволяет выполнять следующую последовательность действий: для полученного исходного сигнала осуществляют полосовую фильтрацию 7, после чего строится огибающая сигнала в его высокочастотной области и выполняется построение спектров как огибающей сигнала 12, так и исходного сигнала 14. На полученных графиках спектров вибрационных ускорений выделяется фактический набор гармоник и осуществляется наложение на них эталонных наборов гармоник 13. После чего находят совпадения амплитуд на фактически найденных гармониках эталонному набору. Из количества найденных совпадений выбираются такие, взаимное расположение которых соответствует наличию дефекта объекта исследования;

Посредством изменения ступени в трансмиссии производится изменение эксплуатационной нагрузки испытуемого агрегата. После этого выбирается новый характеристический режим движения при испытательном заезде, при котором с наибольшей вероятностью проявится следующий из исследуемых эксплуатационных дефектов или повреждений.

В памяти ноутбука после этого сохраняются спектрограммы вибрационных характеристик работы коробки передач на всех передачах в рабочем диапазоне по крутящему моменту и в интервале штатных нагрузок. Спектрограммы этих характеристик следует принимать как эталонные как для исправного состояния, так и для состояния, соответствующего наличию и развитию исследуемого эксплуатационному дефекту и повреждению.

Заезды по испытательному мерному участку опорной поверхности прекращаются, затем испытуемое транспортное средство помещается в ремонтный бокс для дефектовки исследуемого агрегата трансмиссии (коробки передач) и последующей метрологической проверке.

Испытуемый агрегат демонтируется, после чего на стенд устанавливается коробка передач, содержащая заранее определенный дефект одного из конструктивных элементов, (повышенный износ зубьев шестерен, скол зубьев, дефект подшипника и др.). Так же возможно установка коробок передач с сочетанием различных дефектов (износ подшипника совместно со сколом зуба, повышенный износ зубьев совместно с изломом сепаратора подшипника и т.п.);

Повторяются действия последовательности реализации настоящего способа вибродиагностики для исследования других интересующих эксплуатационных дефектов и повреждений.

В памяти ноутбука (ПЭВМ) 9 сохраняются спектрограммы вибрационных характеристик работы испытуемых агрегатов с заранее известными неисправностями 13. На основании данных спектрограмм проводится типологизация существующих дефектов, определяются их характерные частоты и амплитудные значения.

В стандартном программном продукте на основании значений амплитуд сигнала, снятых со спектральных характеристик работы и исправных и неисправных агрегатов осуществляется формирование массива исходных данных для обучения нейронной сети. Нейросетевые программные алгоритмы имеются во внешних программных модулях 11, используемых дополнительно к основному программному продукту. На основании исходных данных в памяти ПЭВМ 9 эмулируется искусственная нейронная сеть. На входы нейронной сети подаются значения среднеквадратичных отклонений амплитуд вибрационного сигнала числом, равным количеству зубцовых частот. На выходе получается значение вероятностей наличия в испытуемой коробке передач единичных дефектов или их групп. По данным величинам вероятностей делается вывод о адекватности диагноза, даваемого нейронной сетью реальному наличию неисправностей уже исследованных коробок передач. Нейросетевые модули 11 необходимы не только для сравнения, но и для выбора оптимальной методики вибродиагностики, результаты функционирования которых трансформируются в последовательность действий для основного программного обеспечения. Указанные программные модули, в частности, позволяют задавать: логику определения центральной частоты и ширины полосы пропускания фильтра 7 в зависимости от конкретного искомого дефекта объекта исследования и оборотной частоты (частоты вращения вала коробки передач), что придает изменение формы огибающей сигнала 13; логику определения частотного диапазона, количества точек и усреднений спектров вибрационных ускорений 8 в зависимости от искомого дефекта конкретного объекта исследования и оборотной частоты (частоты вращения вала коробки передач); коэффициент сглаживания средней линии и уровень, относительно которого превышение считается фактически найденной гармоникой; логику определения количества эталонных наборов гармоник 14, кратность и количество частотных линий в наборе в зависимости от конкретного искомого дефекта объекта исследования; логику определения совпадений фактически найденных гармоник эталонному ряду в зависимости от их взаимного расположения; логику определения граничных значений количества найденных гармоник для каждого эталонного ряда 14 в зависимости от конкретного искомого дефекта и степени его развития. В нейросетевом модуле происходит смена набора исходных параметров, которые соответствуют альтернативной методике вибродиагностики, либо осуществляется варьирование коэффициентами существующих наборов. Функциональный цикл основного ПО повторяют до тех пор, пока результат вибродиагностики не будет соответствовать фактическому состоянию оборудования.

На испытательный мерный участок опорной поверхности, предварительно подготовленный соответствующим образом для проведения заездов, в ходе которых проводятся виброизмерения помещается транспортное средство, исправность всех элементов трансмиссии и коробки передач, в частности, которой не определена. Далее повторяются описанные выше действия последовательности реализации настоящего способа вибродиагностики. Производится разборка и дефектовка испытуемой коробки передач. В ходе этого определяется степень точности расчета обученной нейронной сетью вероятностей наличия неисправностей. После проведения указанного ряда мероприятий получаем испытательный комплекс, пригодный для определения вибрационных характеристик работы агрегатов трансмиссии и определения их неисправностей по ним.

Заявляемый способ используется в транспортной отрасли для определения зарождающихся дефектов коробок передач автотранспортной техники.

Изобретение относится к эксплуатации транспортных средств и может быть использовано при оперативном управлении техническим состоянием автотранспортной техники. Способ вибродиагностики коробок передач заключается в измерении вибрационных ускорений и преобразовании их в спектрограммы, а также спектрограммы огибающих высокочастотной составляющей сигналов виброускорений, выделении в них локальных максимумов и сравнении их с максимумами на предварительно заданных эталонных спектрах огибающей вибросигнала. Формирование эталонных амплитудно-частотных спектров и спектров огибающей вибрационных сигналов осуществляют путем определения набора частот (гармоник), соответствующих каждому дефекту. На этапе вибродиагностирования о возникновении и развитии дефекта или повреждения судят по соответствию выделенных на спектрах локальных амплитудных максимумов на эталонных наборах частот (гармоник) с текущими, зарегистрированными в ходе производимых измерений. Затем используют программные модули, основанные на нейросетевых алгоритмах, с помощью которых осуществляются диагностирование, более адаптивное к текущему техническому состоянию агрегата трансмиссии, изменение набора частот в спектральных характеристиках вибрационных ускорений, а также числа дефектов, позволяющее получать необходимый и достаточный объём выходных данных, входные данные получаются посредством испытательных заездов, проводимых на характерных скоростных и нагрузочных режимах, позволяющих наилучшим образом определить спектральные характеристики искомых эксплуатационных дефектов и повреждений коробок передач. Технический результат - повышение точности измерений. 4 ил.

Способ вибродиагностики для обнаружения зарождающихся дефектов коробок передач транспортных средств, заключающийся в измерении вибрационных ускорений, последующем их цифровом преобразовании, осуществлении их фильтрации, построении спектров вибросигнала и спектров огибающей высокочастотной составляющей сигналов виброускорений, выделении в них локальных амплитудных максимумов и сравнении их с аналогичными максимумами на предварительно заданных эталонных спектрах и спектральной огибающей, формирование эталонных спектров и огибающей спектров вибрационных сигналов осуществляется путем определения характерного набора частот и амплитуд, соответствующих каждому дефекту по факту, на этапе постановки диагноза о наличии дефекта оценивается соответствие выделенных на спектрах, полученных по факту локальных амплитудных максимумов и эталонных наборов гармоник путем наложения, непосредственно осуществляемое программными модулями, основанными на нейросетвых алгоритмах, сокращающих продолжительности отыскания совпадения и выбора из числа найденных таких, взаимное расположение которых соответствует наличию дефекта объекта исследования, затем посредством изменения ступени в трансмиссии производят изменение эксплуатационной нагрузки испытуемого агрегата, выбирают характеристический режим движения при испытательном заезде, при котором с наибольшей вероятностью проявится один из изучаемых эксплуатационных дефектов или повреждений, в памяти ноутбука сохраняют спектрограммы вибрационных характеристик работы коробки передач на всех ступенях в рабочем диапазоне по крутящему моменту и в интервале штатных нагрузок, а на основании значений амплитуд сигнала, взятых со спектральных характеристик работы исправных и неисправных агрегатов, осуществляют формирование массива исходных данных, на основе значений среднеквадратичных отклонений сигнала, числом, равным числу зубцовых частот, определяют вероятности наличия в испытуемой коробке передач дефектов, по вычисленным величинам вероятностей делают вывод об адекватности диагноза фактическому наличию неисправностей подвергшихся исследованию коробок передач.