Дослідження дефектів підшипникових вузлів гідротурбіни

Для ідеального прямокутного фільтра всі три  визначення (2.13) смуги пропускання еквівалентні. Однак при будь–якій іншій формі частотної характеристики вони в загальному випадку різні. Звідси випливає, що смугу пропускання фільтра в аналогових спектральних аналізаторах слід калібрувати з урахуванням ширини шумової та статистичної смуг пропускання, визначених

співвідношеннями (2.13,б) і (2.13,в). 

3.3. Слідкуючий режекторний фільтр

 

         Для підвищення ефективності виділення ранніх діагностичних ознак основна гармоніка повинна бути придушена. Це завдання вирішується за допомогою слідкуючого режекторного фільтра СРФ, який крім того забезпечує стиснення спектру всіх високочастотних складових в смугу .  В якості СРФ запропоновано використовувати N–канальний фільтр, імпульсна характеристика якого задається виразом:

 
                                                 ,                                           (2.14)

 
дійсним тільки для смуги частот .

     Множник  є періодичною функцією часу з періодом, що визначаються моделюючими функціями. Другий множник – імпульсна характеристика канального ланцюга, що знаходиться в кожному з каналів. У силу періодичності передавальна функція складається з послідовності перетворених в частотну область копій , розташованих на гармонійних частотах .  Основною перевагою є можливість точного електронного налаштування частотної характеристики фільтра. Відомі реалізації загороджувальних гребі    N–канальних фільтрів, що використовують в якості канальних однополюсні фільтри  верхніх частот, мають, однак, істотний недолік, пов'язаний з необхідністю реалізації точного часу «запізнювання» в канальних фільтрах, потрібної для отримання необхідної характеристики загородження. При цьому навіть невеликі зміни приводять до повного зникнення провалів частотної характеристики.

     Використання «сходових» структур  на основі комутованих конденсаторів  призводить до затягування перехідного  процесу. Від зазначених недоліків вільний пропонований слідкуючий режекторний фільтр, блок-схема якого представлена на рис. 3.3.

 

Рис.3.3- Блок-схема  СРФ.

 

     Основу фільтра складають два ітераційних інтегруючих перетворювача ІІП1, ІІП2, які синхронізуються прямокутними моделюючими функціями (типу меандр»), зсуненими один до одного на чверть періоду.

     Перевагою використання ітераційних інтегруючих перетворювачів у якості канальних фільтрів є їх висока швидкодія в порівнянні з аналоговими активними фільтрами. Керуючі сигнали для ітераційних перетворювачів формуються за допомогою дільника–фазорозчіпника ДФЧ з сигналу зворотної частоти , безпосередньо або після подальшого проходження його через дільник частоти на три ДЧ і комутатор К1. Дільник–фазорозчіпник ДФЧ ділить частоту вхідного сигналу на чотири і формує прямокутні вихідні сигнали, зрушені на 90 °. Частотна характеристика такого фільтра буде мати глибокі провали АЧХ на частотах, кратних .  Глибина цих провалів практично буде визначатися фазовим шумом керуючих сигналів і може досягати значень 90–100 дБ.

     3.4. Структурна схема вимірювального каналу

      

 

Рисунок 3.4 – Структурна схема вимірювального каналу

 

Д – датчик;

ПУ – пристрій узгодження;

U/I –  перетворювача  напруга–струм;

ЛЗ – лінія  зв’язку;

I/U –  перетворювача  струм–напруга;

СФ – смуговий фільтр;

РФ – режекторний  фільтр;

ВФ – вагова функція;

АЦП – аналогово–цифровий перетворювач;

ПК  – персональний комп’ютер;

ПВВ –  пристрій вводу–виводу;

ШВВ – шина вводу–виводу;

ОТГ – оптичний тахогенератор;

ФСС – формувач синхронізуючих сигналів.

     Всі канали працюють однаково, тому для опису роботи схеми  спростимо структурну схему до  одного каналу.

 

Рисунок 3.5 – Структура одного каналу

 

     Сигнал з датчика поступає на пристрій узгодження. Пристрій узгодження  призначений для погодження вихідних параметрів датчика з вхідними параметрами перетворювача напруга–струм (U/I).

     Уніфікуючий перетворювач U/I використовується  так як в теперішній час  широкого використання набули  дистанційні вимірювання для  яких найбільшого поширення набув  струмовий інтерфейс з уніфікованим  сигналом 4–20 мА., завдяки тому, що він мало чутливий до впливу дестабілізуючих факторів: паразитні параметри лінії зв’язку, промислові та електромагнітні завади.

     Уніфікуючий перетворювач I/U призначений для перетворення струму з лінії зв’язку в напругу.

     Смуговий фільтр, являється слідкуючим, виділяє певний інтервал по  смузі частот сигналу, керування  яким відбувається формувачем  синхронізуючого сигналу. Виділена  частина сигналу містить основну  гармоніку і бокові (гармоніки  дефекту підшипника) гармоніки. Ця  частина подається на режекторний  фільтр. В ньому подавляється  основна гармоніка і найближчі  до неї гармоніки. Таким чином  на режекторному фільтрі виділяється  гармоніка вібрації підшипників,  яка подається на перемножувач  і переноситься в низькочастотну  смугу (нижче частоти Найквіста).

     Перемножений сигнал піддається  впливу вагової функції для  усунення шумів та методичної  похибки через несинхронність   корисного сигналу та часу  інтегрування.

     Після обробки ваговою функцією  сигнал потрапляє на інтегратор  де саме і виділяється СКЗ  (на частоті рівній підшипниковому  дефекту). Це СКЗ потрапляє на  АЦП. АЦП призначений для представлення  інформації у вигляді цифрового  коду та подальшого відображення  цифровим індикатором або передачі  інформації для подальшої обробки  цифровим процесором.

     Також у схемі присутні оптичний і формувач синхронізуючих сигналів. Ці блоки виконують функцію «регулювальника» для СФ і РФ. Слід зазначити, що синхронізуючі сигнали для цих двох фільтрів різні.

 

 

МОДЕЛЮВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНОГО КАНАЛУ І РЕЗУЛЬТАТИ МОДЕЛЬНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ

 

 

4.1. Розробка функціональної схеми.

 

 

     Моделювання функціональної схеми було проведено в середовищі Electronics Workbench. Це середовище має велику бібліотеку моделей різних по призначенню аналогових і цифрових електронних компонентів дозволяє скласти і дослідити принципові схеми вимірювальних приладів практично необмеженої складності. Також Electronics Workbench має в своєму складі широкий набір віртуальних вимірювальних приладів.

     Оскільки найбільшого значення  має дослідження впливу вагової  функції на результат, то для  спрощення функціональної схеми моделювання таких блоків, як: датчик, пристрій узгодження, смуговий і режекторний фільтри було замінено датчиком постійної напруги.

     

Рисунок 4.1 – Функціональна схема вимірювального каналу

 

 

 

Досліджуємо три вагові функції:

     Рисунок 4.2 – Вагові функції:

а – вікно  Блекмана;

б – вікно  Бартлета;

в –   прямокутне вікно

 

    Ці  вагові функції найпростіше реалізувати  в житті, тому вони є одними з найпростіших для вирішення методичної похибки нашого експерименту.

 

4.2. Дослідження ефективності вагових функцій

 

     Для кожної вагової функції  було проведено ряд випробувань.  Отримані результати були занесені  до програмного середовища Mathсad, за допомогою якого були побудовані  графіки залежності напруженості  вихідного сигналу від частоти  вхідного сигналу. Для наглядності  експерименту шкала напруги кожного  графіка своя.

а

б

в

     Рисунок 4.3 – Графіки залежності напруженості вихідного сигналу від частоти вхідного сигналу: а – для вікна Блекмана;  б – для вікна Бартлета; в – для прямокутного вікна

 

де U1, U2, U3 – напруженості сигналу на виході після впливу вікна Блекмана,   вікна Бартлета і прямокутного вікна відповідно;

     U – номінальне значення напруги;  

      f – частота вхідного сигналу.

    З рис. 4.3  видно, що при збільшенні частоти вхідного сигналу напруженість вихідного сигналу поступово прямує до номінального значення. Найкраще це видно на рис. 4.3,а.

         При продовженні експерименту були отримані наступні графіки:

 

а

б

в

     Рисунок 4.4 – Графіки залежності напруженості вихідного сигналу від частоти вхідного сигналу: а – для вікна Блекмана;  б – для вікна Бартлета; в – для прямокутного вікна

     З рис. 4.4 видно, що подальші випробування не матимуть ніякого сенсу. Оскільки вже можна визначити як впливають вагові функції на вимірювання і яка з них має більшу ефективність.

     Для підтвердження порахуємо  СКЗ для коротких діапазонів  частоти. Розіб’ємо наш інтервал на три діапазони: (2–4)Гц, (5–7)Гц, (8–10)Гц.

    Для  визначення СКЗ розрахуємо математичне  очікування:

 

.

 

      Потім за формулою

 

 

розрахуємо  СКЗ віброшвидкості для кожного  діапазону.

     Для сигналу в діапазоні (2–4)Гц, при часі інтегрування 1с, СКЗ  віброшвидкості для вікна Блекмана  , для вікна Бартлета , для прямокутного вікна .

     Для сигналу в діапазоні (5–7)Гц, при часі інтегрування 1с, СКЗ  віброшвидкості для вікна Блекмана  , для вікна Бартлета , для прямокутного вікна .

     Для сигналу в діапазоні (8–10)Гц, при часі інтегрування 1с, СКЗ  віброшвидкості для вікна Блекмана  , для вікна Бартлета , для прямокутного вікна .

        

4.3. Результати експерименту

 

   Для підбиття підсумків результатів модельного експерименту зобразимо всі три вище згадані графіки на одному рисунку.

     Рисунок 4.5 – Порівняння всіх вагових функцій на одному графіку

 

     Як видно з розрахунків СКЗ  для коротких діапазонів найбільш  уразливою є зона в діапазоні  (2–7)Гц, тому саме цей діапазон  був винесений на дослідження.

     Знайдемо СКЗ віброшвидкості  для цього діапазону: для вікна  Блекмана  , для вікна Бартлета , для прямокутного вікна .

     Наш експеримент був проведений для визначення найгіршої фази. Відповідно до графіків залежності вихідної напруги від частоти було визначено, що найбільших відхилень від номінального значення наш графік має у той час, коли в час інтегрування потрапляє період вимірювального сигналу зміщений на половину періоду.

     Відповідно до розрахунків СКЗ  було виявлено, що найкращим, серед  досліджуваних вагових функцій,  є вікно Блекмана. Як показує  експеримент, це вікно мало  залежить від частоти і швидко  входить в майже ідеальний  стан вимірювання, порівняно з  іншими вікнами.

ВИСНОВКИ

 

 

 

    В даній курсовій роботі була розроблена і досліджена інформаційно- вимірювальна система моніторингу дефектів підшипникових вузлів гідротурбін.

    В ході роботи були розроблені структурна і принципова схеми ІВС вимірювання СКЗ вібрацій ускладнених шумами. Моделювання на ПК було виконане в середовищі «Electronics Workbench». На основі цього моделювання були зроблені висновки стосовно ефективності вживання вагових функцій у визначенні СКЗ. Досліджено вплив вагових функцій на скорочення часу аналізу підшипникових частот (в сотні разів).

    Також у даній  роботі були розглянуті методи вимірювання параметрів вібрації вузлів гідротурбін, які   дозволяють попередити поломку найосновнішого вузла – підшипників. Тим самим заощадити значні затрати, які пов’язані з необхідністю аварійного зняття двигуна з експлуатації.

    Обґрунтовані: метод вимірювання (детермінована модель), вибір слідкуючих фільтрів, вагових функцій – підбір елементів здійснювався з метою  підвищення ефективності виділення і діагностики ранніх ознак дефекту підшипника кочення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК  ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

    

     1. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.Й. Применение прецизионных аналоговых ИС. – М.: Радио и связь, 1981. – 224с

     2. Аш Ж. с соавторами. Датчики  измерительных систем: в двух книгах. Кн.1. Пер с франц. – М.: Мир, 1992. – 424 с.

    3. Бабак В.П., Єременко В.С., Куц Ю.В., Шмаров В.М. Аналогові та цифрові вимірювальні прилади: Конспект лекцій. – Ч. 1. – К. НАУ, 2002 – 144 с.

     4. Бабак В.П., Хандецький В.С., Шрюфер .Е. Обробка сигналів. К.: Либідь, 1996. – 392 с.