Способ вибродиагностики двигателя Российский патент 2025 года по МПК G01M7/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемый способ вибродиагностики двигателя преимущественно в процессе его обкатки в момент изготовления или капитального ремонта относится к группе изобретений, осуществляющих амплитудно-частотный анализ вибрационных данных, связанных с техническим состоянием механизмов, машин и двигателей транспортных средств и автомобилей, в частности позволяющий сократить объем архивных данных для формирования целевых показателей.

Уровень техники

Известны описанные технологии осуществления диагностики по виброакустическим сигналам, отражающим взаимодействие деталей механизмов в процессе их испытаний с целью выявления возникающих неисправностей (см., например, Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. - М.: Машиностроение, 1971. - 224 с.).

Известен по патенту РФ №2337341, (см. опубл. 10.01.2014, Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью НПЦ "Динамика" - Научно-производственный центр "Диагностика, надежность машин и комплексная автоматизация") способ вибродиагностики технического состояния поршневых машин по получаемым от датчиков вибросигналов спектральным инвариантам, выражаемым отношениями суммы дисперсий нескольких гармоник к сумме дисперсий других гармоник, и по величине этих отношений принимаются решения о техническом состоянии диагностируемой машины. При этом не ясно, каким образом выбираются эти гармоники и назначаются граничные пределы отнесения диагностируемых объектов к категориям: «допустимо», «требует принятия мер» и «недопустима дальнейшая эксплуатация поршневой машины».

По патенту РФ №2503938 (см. опубл. 27.10.2008, Патентообладатель ЭРБЮС ОПЕРАСЬОН (FR)) на основе частотного анализа вибрационных данных, поступающих не менее чем от двух датчиков, расположенных так, чтобы их сигналы были сильно коррелированы, на основе оценки передаточной функции или модели для каждого датчика, заявленным компьютерным программным продуктом извлекаются структурные свойства системы, позволяющие решать вопросы допуска самолета к полету. Данный способ характеризуется высоким уровнем сложности математического, программного и приборного обеспечения, что ограничивает его использование применительно к диагностированию двигателя автомобиля, и является неприемлемым в силу сложности его реализации.

Известен способ диагностики повреждения деталей машин по патенту РФ №2540195 (см. опубл. 10.02.2015, Патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью НПЦ "Динамика-Научно-производственный центр "Диагностика, надежность машин и комплексная автоматизация" (RU)), основанный на регистрации вибраций в информативных точках корпуса машины в характерной полосе частот, на основании которых с помощью системы компьютерного мониторинга контролируют тренд изменения вибрации во времени, сравнивают его с критическими границами, и по результатам сравнения оценивают техническое состояние деталей и машин. Способ нацелен на контроль деградации состояния деталей из-за их повреждения в процессе эксплуатации машин, и неприменим для контроля соответствия машины нормам ее качества на этапе изготовления или повторного воспроизводства при капитальном ремонте.

Известны и другие способы, например, по патенту РФ №2160451 (см. опубл. 10.12.2000, Патентообладатель Военная академия ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого (RU)) анализа различий между сравниваемыми объектами по их виброакустическим характеристикам, когда по результатам сравнения спектрограмм или отдельных частотных составляющих спектра исследуемого измерительного информационного сигнала и спектра измерительного контрольного сигнала, осуществляют идентификацию искаженных участков или отдельных частотных составляющих спектра. При этом не указывается, как это может быть соотнесено с техническим состоянием контролируемого объекта.

К прототипу предлагаемого изобретения по решаемой целевой задаче можно отнести «Способ и устройство для распознавания состояния исследуемой создающей шумы машины» по патенту РФ №2494364 (опубл. 27.09.2013, патентообладатель СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ, (DE)). В указанном изобретении сначала с помощью приемников тональных сигналов или сенсоров осуществляется прием тональных сигналов на эталонном объекте, который может представлять собой опытный образец создающей шумы машины. Шумовой сигнал может быть сигналом воздушного звука или сигналом корпусного звука, фиксируемого датчиками ускорений. Регистрации сигналов на опытном образце осуществляются предпочтительно в различные моменты времени при различных условиях окружающей среды. Обычно оценивается более 100 записей тонального сигнала эталонного объекта, по которым составляется адаптированная статистическая модель, при сравнении с которой записанных сигналов контролируемой машины делается заключение о ее техническом состоянии.

В описании способа отсутствует информация о применяемых методах адаптирования статистической модели, с которой сравниваются сигналы испытуемой машины. Недостатком этого способа также является необходимость проведения большого объема предварительных специально организованных исследовательских работ.

Раскрытие сущности изобретения

Целью предлагаемого способа вибродиагностики двигателя является упрощение процесса формирования базы данных целевых значений и оперативная оценка соответствия диагностируемого двигателя заданным техническим условиям обеспечения показателей качества двигателя в процессе изготовления или капитального ремонта на завершающем этапе при его стендовой обкатке.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена функциональная схема реализации способа вибродиагностики двигателя, где условно показаны:

1 - корпусные детали двигателя с установленными датчиками виброускорений

2 - анализатор вибросигналов (ABC) с выходными диагностическими параметрами в виде набора среднеквадратичных значений виброускорений в полосах 1/3-октавного спектра.

3 - переключатель потока (ПП) диагностических параметров, обеспечивающий возможность передачи диагностических параметров П_ДК в двух направлениях, управляемый блоком сравнения.

4 - архив (A_j) оптимизированных эталонных параметров П_ЭК.

5 - блок сравнения (CP) значений замеряемого диагностического параметра П_ЭК и эталонного параметра П_ЭК, получаемого из архива.

6 - блок коррекции (КП/), производящий оптимизацию данных архива.

7 - блок суммирования и расчета (СУМ_j) оценочных показателей.

8 - блок индикации (БИ) оценочных показателей.

Осуществление изобретения

Сущность предлагаемого способа вибродиагностики двигателя, преимущественно после его обкатки в процессе изготовления или капитального ремонта, заключается в том, что на корпусных деталях двигателя устанавливают датчики виброускорений подсоединенные к анализатору вибросигналов ABC, с выходными диагностическими параметрами в виде набора среднеквадратичных значений виброускорений в полосах 1/3-октавного спектра, которые подаются на переключатель потока диагностических параметров ПП. Переключатель потока диагностических параметров ПП в первом его положении, обеспечивает передачу всех диагностических параметров в долговременную память архива эталонных параметров а во втором положении - в блок сравнения СР.

В этом блоке производятся сравнения значений замеряемых диагностических параметров и эталонных параметров получаемых из памяти архива , с целью их оптимизации для формирования характеристик необходимых показателей качества двигателя. При этом вибродиагностика проводится по меньшей мере на 5-ти режимах работы двигателя, с принятыми значениями частоты вращения коленчатого вала и развиваемым крутящим моментом, а начальные архивы эталонных параметров создаются при испытании, начиная с первого двигателя серии.

Замер виброускорений начинается по сигналу датчика положения распределительного вала двигателя, используемого в системе электронного блока управления двигателем (ЭБУ), и заканчивается после завершения 100 полных рабочих циклов 4-тактного двигателя, что соответствует 200 оборотам коленчатого вала, по сигналу того же датчика положения распределительного вала.

При контроле очередного двигателя поступающие в блок сравнения CP значения замеряемого диагностического параметра и значения эталонных параметров из архива представляют в виде отношения по соответствующим частотным полосам 1/3-октавных спектров, количество которых 1…i…р соответствует принятому для анализа диапазону частот для всех используемых m датчиков.

Получаемые отношения передают в блок суммирования и расчета CУM_j, и в блок коррекции КП_j, в котором производят оптимизацию архива A_j эталонных параметров для случая, когда в i-той полосе спектра отношение путем замены бывшего там значения на новое значение . В случае, когда замена не производится, т.к. такое резкое снижение Пд_Кi расценивается как выброс, не влияющий на общую оценку виброакустического качества двигателя, а осуществляется его уменьшение до уровня

Последнее условие исключает влияние на предлагаемый способ диагностирования случайных сбоев в работе анализатора вибросигналов, датчиков виброускорений, электрических цепей, передающих сигналы, и возможных других случайных причин. Очевидно, что при отношение стремится к бесконечности.

В блоке суммирования и расчета суммируют значения отношений показателей по всем полосам 1/3-октавных спектров: для j-того режима работы двигателя, а после завершения испытаний на всех n принятых рабочих режимах рассчитывают оценочные показатели как средние значения сумм для всех используемых m датчиков, и передают полученные значения оценочных показателей в блок индикации БИ.

Признание диагностируемого двигателя не отвечающим заданным техническим условиям обеспечения показателей его качества с направлением двигателя на доработку принимается при если такое значение наблюдается только по одному датчику, и если такое значение наблюдается у двух и более датчиков. По мере накопления опыта применения данного способа вибродиагностики для конкретной модели двигателя, граничные условия могут быть скорректированы.

По сути по предлагаемому способу принятие решения о техническом состояния двигателя основано на сравнения вибрационных характеристик испытуемого двигателя с теми же характеристиками двигателя, взятого за эталон. В качестве эталона используется двигатель той же модели, тщательно собранный с соблюдением всех заданных технических условий обеспечения показателей его качества. Существенным преимуществом предлагаемого способа вибродиагностики двигателя является предусмотренная возможность оптимизировать эталонные вибрационные параметры в архиве в том случае, когда очередной диагностируемый двигатель обладает более лучшими вибрационными параметрами, чем они были в ранее приятом архиве эталонных параметров.

В предлагаемом способе испытание двигателей проводят по меньшей мере на 5 различных рабочих режимах с заданными частотами вращения коленчатого вала и крутящим моментом на валу, что позволяет достаточно широко охватить возможный диапазон генерируемых двигателем вибраций, отражающих техническое состояние его систем и элементов.

Процессы генерирования вибраций двигателя при его работе вполне регулярные. При этом, например, на датчик, расположенный вблизи первого цилиндра двигателя поступают воздействия не только от этого цилиндра, но и, с некоторым сдвигом по времени и фазе, от других источников вибраций. Запуск начала контроля вибраций корпусных деталей двигателя сигналом датчика положения распределительного вала при целом и постоянном числе совершаемых на периоде контроля рабочих циклов двигателя обеспечивает постоянство условий прохождения вибрационных сигналов к конкретному датчику от разных источников силового воздействия, возбуждающего колебания. Это обеспечивает хорошее совпадение среднеквадратичных значений ускорений в полосах 1/3-октавного спектра контролируемого двигателя и эталонного архива.

Если принятый частотный диапазон контроля вибраций двигателя будет находиться в диапазоне от 2,5 Гц до 20 кГц, что в 1/3-октавном спектре выражается 40 полосами среднеквадратичных значений ускорений, то при частоте вращения коленчатого вала 3000 об/мин (50 Гц) для надежной регистрации нижнего порога частоты 2,5 Гц требуется время не мене 1 с, что соответствует 50 оборотам коленчатого вала, или 25 оборотам распределительного вала. С учетом возможных превышений по частоте вращения режимов испытаний двигателя и ограничений по быстродействию измерительной аппаратуры для рассмотренного примера замер виброускорений начинается по сигналу датчика положения распределительного вала двигателя, используемого в системе ЭБУ, и заканчивается после завершения 100-та полных рабочих циклов 4-тактного двигателя, что соответствует 200-ам оборотам коленчатого вала, по сигналу того же датчика положения распределительного вала.

Достоинством предлагаемого способа является возможность использования стандартных виброанализаторов и достаточно простое программное обеспечение для выполнения расчетов и управляющих команд при реализации способа в автоматическом режиме.

Существенным преимуществом предлагаемого способа вибродиагностики двигателя по сравнению с аналогами является предусмотренная возможность оптимизировать эталонные параметры в том случае, когда очередной диагностируемый двигатель обладает более лучшими вибрационными диагностическими параметрами, чем они были в ранее приятом архиве. Это обеспечивает постоянное повышение требований к качеству производимого двигателя в пределах возможного для достижения реального уровня качества.

Таким образом, предлагаемый способ вибродиагностики двигателя обеспечивает успешное решение поставленной задачи оперативной оценки соответствия диагностируемого двигателя заданным техническим условиям обеспечения показателей качества в процессе изготовления двигателей или их капитального ремонта на завершающем этапе при стендовой обкатке, при этом выявление двигателей, которые после контроля следует отправлять на доработку.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам и средствам вибродиагностирования технического состояния различных механизмов, машин и двигателей транспортных средств, и может быть использовано для обеспечения показателей качества двигателя в процессе его изготовления или капитального ремонта на завершающем этапе при его стендовой обкатке. Предлагаемый способ вибродиагностики двигателя относится к группе изобретений, осуществляющих амплитудно-частотный анализ вибрационных данных. На корпусных деталях двигателя устанавливают датчики виброускорений, подсоединенные к анализатору вибросигналов, с выходными параметрами, в виде набора среднеквадратичных значений ускорений в полосах 1/3-октавного спектра. Их сравнивают с эталонными параметрами, получаемыми из архива, представляя в виде отношений полученных данных к архивным, по соответствующим полосам спектра, получаемым при испытании двигателя на заданных не менее 5 режимах работы двигателя, с принятыми значениями частоты вращения коленчатого вала и развиваемым крутящим моментом, а начальные архивы эталонных параметров создаются при испытании, начиная с первого двигателя серии. После завершения испытаний на всех режимах рассчитывают оценочные показатели как средние значения сумм, для всех используемых датчиков, передают их в блок индексации БИ и принимают решение о признании диагностируемого двигателя отвечающим заданным техническим условиям обеспечения показателей его качества или направлении двигателя на доработку. Технический результат заключается в упрощении процесса формирования базы данных целевых значений и оперативной оценке соответствия диагностируемого двигателя заданным техническим условиям. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ вибродиагностики двигателя, преимущественно после его обкатки в процессе изготовления или капитального ремонта, заключающийся в том, что на корпусных деталях двигателя устанавливают датчики виброускорений Д_1, Д₂, … Д_К …Д_m, подсоединенные к анализатору вибросигналов, с выходными диагностическими параметрами П_ДК, в виде набора среднеквадратичных значений ускорений в полосах 1/3-октавного спектра, отличающийся тем, что выходные диагностические параметры подаются на переключатель потока диагностических параметров, обеспечивающий в первом его положении передачу всех параметров Пд₁, Пд₂, …П_ДК, … Пд_m в долговременную память архива A_j оптимизируемых эталонных диагностических параметров, а во втором положении - в блок сравнения CP значений замеряемого диагностического параметра П_ДК и эталонного параметра П_ЭК, получаемого из архива A_j, при этом вибродиагностика проводится по меньшей мере на 5 режимах работы двигателя, с принятыми значениями частоты вращения коленчатого вала и развиваемым крутящим моментом, а начальные архивы A_j (j=1…n) эталонных диагностических параметров создаются при испытании, начиная с первого двигателя серии.

2. Способ вибродиагностики двигателя по п. 1, отличающийся тем, что замер виброускорений начинается по сигналу датчика положения распределительного вала двигателя, используемого в системе электронного блока управления двигателем (ЭБУ), и заканчивается после завершения 100 полных рабочих циклов 4-тактного двигателя, что соответствует 200 оборотам коленчатого вала по сигналу того же датчика положения распределительного вала.

3. Способ вибродиагностики двигателя по п. 1, отличающийся тем, что при контроле очередного двигателя поступающие в блок CP значения замеряемого диагностического параметра и значения из архива A_j представляют в виде отношения по соответствующим частотным полосам 1/3-октавных спектров, количество которых 1…i….р соответствует принятому для анализа диапазону частот для всех используемых т датчиков, и передают получаемые отношения в блок их суммирования СУМ_j, и в блок коррекции КП_j, в котором производят оптимизацию эталонных показателей архива A_j для случая, когда в i-той полосе спектра отношение путем замены бывшего там значения п_ЭК1 на новое значение П_экi на нoвое значение П_Кi, которое, вместе с этим, не может быть принято менее 0,5 П_ДКi.

4. Способ вибродиагностики двигателя по п. 3, отличающийся тем, что в блоке СУМ_j суммируют значения отношений показателей по всем полосам 1/3-октавных спектров: для j-того режима работы двигателя, а после завершения испытаний на всех n принятых рабочих режимах рассчитывают оценочные показатели как средние значения сумм для всех используемых т датчиков и передают полученные значения оценочных показателей в блок индексации БИ.

5. Способ вибродиагностики двигателя по п. 4, отличающийся тем, что признание диагностируемого двигателя не отвечающим заданным техническим условиям обеспечения показателей его качества с направлением двигателя на доработку принимается при если такое значение наблюдается только по одному датчику, и если такое значение наблюдается у двух и более датчиков, при этом, по мере накопления опыта применения данного способа вибродиагностики для конкретной модели двигателя, граничные условия могут быть скорректированы.