PL200003B1

PL200003B1 - Sposób wykrywania i automatycznej identyfikacji defektów urządzeń technicznych

Info

Publication number: PL200003B1
Application number: PL355697A
Authority: PL
Inventors: Michal Orkisz
Original assignee: Abb Sp Zoo
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-11-28
Also published as: EP1532426A1; WO2004018981A1; PL355697A1; US7069154B2; AU2002368189A1; US20050261876A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykrywania i automatycznej identyfikacji defektów urz a- dze n technicznych, znajduj acy zastosowania do diagnozowania urz adze n technicznych, a zw laszcza maszyn wiruj acych. Sposób na tym, ze mierzy si e zmienne w czasie sygna ly pomiarowe, a wyniki pomiarów w postaci spektrogramów dostarcza si e do pami eci komputera, przy czym w pierwszym etapie dzia lania ze spektrogramów wybiera si e piki o warto sciach amplitudy wi ekszych od okre slonej warto sci progowej amplitudy, których tworzy si e zbiór oznaczonych warto sci pików. Nast epnie oblicza sie stosunek cz estotliwo sci ka zdego piku wzgl edem cz estotliwo sci pozosta lych pików, po czym w zale zno sci od warto sci uzyskanego ilorazu, zbiór oznaczonych warto sci pików dzieli si e na dwa podzbiory. W drugim etapie dzia lania w jednym z podzbiorów wyró znia si e grupy pików, które ró zni a sie mi edzy sob a warto sciami cz estotliwo sciami podstawowej. Dla pików z ka zdej okre slonej grupy pików szuka si e obecno sci wst eg bocznych w drugim podzbiorze utworzonym ze zbioru oznaczonych warto sci pików i w przypadku stwierdzenia obecno sci wst eg bocznych, oblicza si e cz estotliwo sc pod- stawow a wst eg bocznych. Nast epnie w etapie trzecim wykrywa si e istnienie wady urz adzenia tech- nicznego, które nast epnie identyfikuje si e przez porównanie cz estotliwo sci podstawowych oraz cz e- stotliwo sci podstawowych wst eg bocznych z warto sciami cz estotliwo sci, które zgromadzone s a w pami eci urz adzenia komputerowego. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wykrywania i automatycznej identyfikacji defektów urządzeń technicznych, znajdujący zastosowania do diagnozowania urządzeń technicznych, a zwłaszcza maszyn wirujących.

Podczas dokonywania oceny stanu technicznego wielu urządzeń technicznych, a zwłaszcza podczas wykrywania i identyfikacji defektów wirujących maszyn elektrycznych i ich części, stosunkowo często wykorzystuje się metody oparte na pomiarze sygnałów elektrycznych lub mechanicznych oraz na analizie widm tych zmierzonych sygnałów. Zmienne w czasie sygnały pomiarowe przedstawia się w postaci ich widm częstotliwoś ciowych, a ich wykresy w postaci spektrogramów poddaje się szczegółowej analizie. Spektrogram zatem opisuje rozkłady częstotliwości w danym sygnale. Pik w spektrogramie oznacza obecność odpowiadającej mu częstotliwości w danym sygnale.

Standartowy sposób wykrywania i analizy defektów polega na sprawdzeniu, czy w spektrogramie występują piki odpowiadające wielokrotnościom częstotliwości generowanej przez dany defekt. Dostępne narzędzia ułatwiają to zadanie poprzez wizualizację tego procesu, ale nie zmieniają jego zasady. Niedogodnością takiego sposobu przeprowadzania oceny stanu technicznego jest konieczność dokładnej znajomości konkretnej częstotliwości związanej z danym defektem. Przykładowo, dla łożyska poddanego ocenie, jest to wypadkowa częstości obrotowej wału i geometrii łożyska. W wypadku gdy jedna z tych informacji jest niedostępna, analiza nie może się odbyć, lub obarczona jest dużą niepewnością.

Z polskiego opisu patentowego nr 171 505 znany jest sposób oceny stanu technicznego przekładni zębatej na podstawie analizy sygnału wibroakustycznego, który polega na tym, ze na widmach wąskopasmowych przekładni zębatej pracującej z różnymi prędkościami obrotowymi, bada się amplitudy prążków o częstotliwościach odpowiadających iloczynowi częstości obrotowej i liczby zębów koła zębatego, a częstotliwość prążka o najwyższej amplitudzie przyjmuje się za lokalną częstość rezonansową odzwierciedlającą sztywność współpracujących zębów. Następnie przez porównanie tej lokalnej częstości rezonansowej z wartością wzorcową właściwą dla danej przekładni określa się błędy wykonania bądź zużycia.

Z polskiego opisu patentowego nr 148 831 znany jest sposób wykrywania zwarć i niedoborów uzwojeń stojana silnika indukcyjnego, w którym w czasie pracy silnika mierzy się pośrednio pasmowe charakterystyki częstotliwościowe silnika, przez pomiar pasmowych charakterystyk częstotliwościowych stycznej prędkości lub przyspieszenia drgań silnika pod kątem stwierdzenia występowania w charakterystykach częstotliwoś ciowych dominant o określonych częstotliwoś ciach charakterystycznych dla zwarć i niedoborów uzwojeń stojana lub ich harmonicznych. Uzyskany sygnał typu napięciowego jest porównywany z wartością zadaną, a przekroczenie tej zadanej wartości oznacza wystąpienie uszkodzenia.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 5 895 857 znany jest sposób wykrywania uszkodzeń w maszynach mających wirują ce lub posuwisto-zwrotne elementy, a zwł aszcza w przekł adniach i ł ożyskach. Sposób ten polega na tym, że ze zmierzonego sygnału reprezentującego widma amplitudy i częstotliwości drgań badanego elementu wirującego, wybiera się wartości szczytowe amplitud dla określonych przedziałów czasowych próbkowania. Wartości te porównuje się z sygnałem prędkości zmierzonym przez czujnik prędkości, który zamontowany jest na wirującym elemencie, przy czym porównywanie tych wartości odbywa się po uprzednim zsynchronizowaniu i uśrednieniu wartości szczytowych amplitud i sygnałów prędkości, a te synchronicznie uśrednione wartości amplitud przetwarza się na częstość własną, aby określić obecność uszkodzeń w badanym elemencie wirującym. W opisie tym przedstawiony jest również sposób przetwarzania sygnału drgań generowanego przez czujnik drgań, zamocowany na badanym elemencie wirującym, na sygnał przedstawiający częstość własną wytwarzającą wartości szczytowe na widmie.

W przedstawionych sposobach oceny stanu technicznego urządzeń technicznych zmierzone wartości różnych sygnałów, przedstawione na spektrogramach porównuje się ze znanymi, ustalonymi wcześniej wartościami progowymi.

Sposób wykrywania oraz automatycznej identyfikacji defektów urządzeń technicznych według wynalazku, w którym mierzy się za pomocą znanego urządzenia pomiarowego zmienne w czasie sygnały pomiarowe, a wyniki pomiarów w postaci spektrogramów dostarcza się do pamięci komputera, do którego dostarcza się również odpowiednie bazy danych, polega na tym, że w pierwszym etapie działania z co najmniej jednego spektrogramu wybiera się piki o wartościach amplitudy większych od

PL 200 003 B1 określonej, zadanej wartości progowej amplitudy, z których tworzy się zbiór oznaczonych wartości pików. Następnie dla wszystkich pików z tego zbioru oblicza się stosunek częstotliwości każdego piku względem częstotliwości pozostałych pików, po czym w zależności od wartości uzyskanego ilorazu, zbiór oznaczonych wartości pików dzieli się na dwa podzbiory. W dalszej kolejności, w drugim etapie działania w jednym z podzbiorów wyróżnia się kolejne określone grupy pików, które różnią się między sobą wartościami częstotliwości podstawowej, stanowiącej jeden z czynników iloczynu, stale powtarzający się w jednej z tych grup. Dla pików z każdej określonej grupy pików szuka się obecności wstęg bocznych w drugim podzbiorze utworzonym ze zbioru oznaczonych wartości pików i w przypadku stwierdzenia obecności wstęg bocznych, oblicza się częstotliwość podstawową wstęg bocznych. Następnie w etapie trzecim wykrywa się istnienie wady urządzenia technicznego, które następnie identyfikuje się przez porównanie częstotliwości podstawowych oraz częstotliwości podstawowych wstęg bocznych z wartościami częstotliwości, które zgromadzone są w pamięci urządzenia komputerowego, w bazie sygnatur danych i w bazie danych technicznych urzą dzenia technicznego. Wyniki tak przeprowadzonej analizy spektrogramu lub spektrogramów, przedstawia się za pomocą urządzenia do wizualizacji wyników, sprzężonego z urządzeniem komputerowym.

Korzystnie w pierwszym etapie działania zbiór oznaczonych wartości pików dzieli się na dwa podzbiory pików, przy czym jeden podzbiór składa się z takich wartości pików, dla których stosunek ich wartości częstotliwości do wartości częstotliwości wszystkich pozostałych pików wyraża się ilorazem liczb całkowitych mniejszych od 10, zaś drugi podzbiór pików składa się ze wszystkich pozostałych pików.

Korzystnie w drugim etapie działania obecności wstęg bocznych w drugim podzbiorze utworzonym ze zbioru oznaczonych wartości pików szuka się dla dowolnych par pików, poprzez obliczenie stosunków różnicy wartości częstotliwości jednego piku z danej pary pików i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików przez różnicę wartości częstotliwości drugiego piku z danej pary i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików, po czym w zależ noś ci od wartoś ci uzyskanego ilorazu tworzy się nowy podzbiór w drugim podzbiorze, z którego wydziela się następnie kolejne grupy pików, różniące się między sobą wartościami częstotliwości podstawowej wstęg bocznych, stanowiącej jeden z czynników iloczynu, stale powtarzający się w jednej z tych grup.

Korzystnie nowy podzbiór pików utworzony z par pików w drugim podzbiorze składa się z takich par pików, dla których obliczone stosunki różnicy wartości częstotliwości jednego piku z danej pary pików i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików przez różnicę wartości częstotliwości drugiego piku z danej pary i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików, wyrażone są jako ilorazy liczb całkowitych o wartości bezwzględnej mniejszej od 10.

Zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość wykrywania i identyfikacji obecności defektu, w przypadkach kiedy dokładne częstotliwości defektów konkretnych urządzeń technicznych nie s ą znane.

W sposobie wedł ug wynalazku bada się relacje mię dzy wszystkimi pikami i wyszukuje się czę stotliwości, które są całkowitymi wielokrotnościami pewnej, początkowo niesprecyzowanej częstotliwości oraz ich wstęgami bocznymi. Oznaczenie częstotliwości podstawowej oraz częstotliwości podstawowych wstęg bocznych, stanowi informację wystarczającą do porównania ilościowego z częstotliwościami związanymi z danym defektem i/lub jakościowego z charakterystyczną sygnaturą danego defektu.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony w przykładzie wykonania przy pomocy rysunku, na którym fig. 1, 2, 3, 4, przedstawiają przykładowe spektrogramy badanego urządzenia, na których zaznaczone są kolejne kroki realizacji wynalazku, a fig. 5 - przedstawia przykładowe urządzenie, służące do realizacji sposobu według wynalazku.

Sposób według wynalazku może być zrealizowany następująco.

1. Na spektrogramie (fig.1), dostarczonym do urządzenia komputerowego, przedstawiającym wartości amplitudy w funkcji częstotliwości danego sygnału badanego urządzenia technicznego, zaznacza się wartość progową amplitudy stanowiącą wartość mediany dla tego wykresu pomnożoną przez liczbę 2,5. Wartość progowa przedstawiona jest na spektrogramie w postaci linii ciągłej.

2. Wszystkie kolejne piki spektrogramu porównuje się z wartością progową amplitudy i z pików, dla których ich amplitudy są większe od wartości progowej, tworzy się zbiór oznaczonych pików

A₁....A_n, przy czym każdy z pików tego zbioru charakteryzuje się inną wartością częstotliwości /₁..../_n (fig. 2),

PL 200 003 B1

3. Ze zbioru oznaczonych pików A1 An, wybiera się kolejno piki i dla tych pików oblicza się stosunek wartości częstotliwości tych pików podzielony przez wartości częstotliwości wszystkich pozostałych pików.

4. Z par pików, dla których obliczone stosunki są wyrażone jako ilorazy niewielkich liczb całkowitych (mniejszych od 10) tworzy się podzbiór {A} zbioru A1...An, a z pozostałych pików tworzy się podzbiór pików {Z}, przykładowo na fig. 3 są to piki A6, A9, A15, A18 z podzbioru {A}, dla których stosunki częstotliwości pików f₁₅/f₆ = 3/1, f₁₈/f₉ =2/1, f₁₅/f₉ = 3/2 oraz f₇/f₄ z podzbioru {Z} o stosunku

217/100.

5. Z podzbioru {A} wydziela się następnie kolejne grupy pików B1...Bn, C1...Cn, D1...Dn itp., które różnią się między sobą wartościami częstotliwości stanowiącej jeden z czynników iloczynu, który powtarza się w danej grupie B1...Bn lub C1...Cn albo D1...Dn, drugim czynnikiem iloczynu jest dowolna liczba całkowita. Powtarzający się czynnik iloczynu stanowi częstotliwość podstawową ω_b, w_c lub o_ddanej grupy pików. Piki A₆, A₉, A₁₅, A₁₈ tworzą zbiór B₁...B₄ o częstotliwości podstawowej o_b = 4,95, (fig. 3).

6. Następnie dla wszystkich pików z grupy B1 Bn szuka się obecności wstęg bocznych. W tym celu przeprowadza się dalszą analizę spektrogramów polegającą na tym, że:

a) z podzbioru pików {Z} wybiera się wszystkie pary pików o częstotliwościach {fzj, fzk} i dla każdej pary pików oblicza się stosunek różnicy wartości częstotliwości piku fzj i takiej wartości częstotliwości piku z grupy B1...Bn, która najbliżej usytuowana jest względem piku o wartości fzj, podzielonej przez różnicę wartości częstotliwości piku fzk i takiej wartości częstotliwości piku z grupy B1...Bn, która najbliżej usytuowana jest względem piku o wartości f/zk.

b) z par pików, dla których obliczone stosunki są wyrażone jako ilorazy niewielkich liczb całkowitych (o wartości bezwzględnej mniejszej od 10) tworzy się podzbiór {ZZ} zbioru {Z}, przykładowo na fig. 4, stosunek odległości A4-B1 do odległości A5-B1 wynosi 2:1, a stosunek odległości A10-B2 do odległości A5-B1 wynosi-1:1,

c) Jeśli w podpunkcie b podzbiór {ZZ} jest zbiorem pustym dla pików z grup B1...Bn, oraz z grup C1 Cn, D1...Dn it. to stwierdza się brak obecności wstęg bocznych i wykonuje się czynności przedstawione w punkcie 7, w przeciwnym przypadku wykonuje się czynności jak. w podpunkcie d.

d) Z podzbioru {ZZ} wydziela się następnie kolejne grupy pików b1...bn, c1...cn, d1...dn itp., które różnią się między sobą wartościami częstotliwości obrotowych, stanowiącej jeden z czynników iloczynu, który powtarza się w danym podzbiorze b1...bn lub c1...cn albo d1...dn, drugim czynnikiem iloczynu jest dowolna liczba całkowita. Powtarzający się czynnik iloczynu stanowi częstotliwość podstawową wstęg bocznych ω_Μ, o_c1 i lub o_d1 danej grupy pików, przykładowo piki b₁, b₂, b₃ są wstęgami bocznymi piku B1, piki b4, b5 - piku B2, piki b6, b7 - piku B3, a pik b8 - piku B4 (fig. 4).

e) czynności przedstawione w podpunktach a-d powtarza się dla grup pików C1...Cn, D1...Dn, itp. opisanych w punkcie 5.

7. Wydzielone częstotliwości podstawowe o_b, o_c lub o_d oraz częstotliwości podstawowe wstęg bocznych o_b1, o_c1 lub o_d1 danej grupy pików porównuje się z wartościami częstotliwości, które zgromadzone są w bazie sygnatur danych BSD, jako częstotliwości znane dla różnego rodzaju uszkodzeń i w zależności od rodzaju urządzenia technicznego, którego dane techniczne zgromadzone są w bazie danych technicznych BDT - wykrywa się i rozpoznaje rodzaj defektu danego urządzenia technicznego. Następnie wyniki tak przeprowadzonej analizy spektrogramu lub spektrogramów, przedstawia się za pomocą urządzenia do wizualizacji wyników, sprzężonego z urządzeniem komputerowym.

Przykładowo z faktu istnienia wyraźnych pików w widmie można wnioskować o istnieniu defektu łożyska. Z faktu, że częstotliwość podstawowa o_b jest w przybliżeniu równa 5X częstotliwość obrotowa urządzenia oraz z faktu istnienia wstęg bocznych, można wnioskować, że defekt związany jest z bieżnią wewnętrzną łożyska. W przypadku defektu bieżni zewnętrznej, częstotliwość podstawowa byłaby na ogół niższa i nie istniałby wstęgi boczne. Podobnie można wyeliminować inne defekty i z dużym prawdopodobieństwem można określić rodzaj defektu, przy czym podczas przeprowadzania analizy według przedstawionego sposobu nie jest konieczna precyzyjna znajomość częstotliwości związanych z defektem łożyska.

Sposób według wynalazku jest realizowany w urządzenie do wykrywania i automatycznej identyfikacji defektów urządzeń technicznych.

Urządzenie to stanowi procesor PR, zawierający pamięć PK, w której można wyróżnić moduł funkcjonalny MF oraz moduł identyfikacyjny Ml. Moduł funkcjonalny MF składa się z rejestru spektrogramów RS, zespołu wyboru i rejestru pików ZP oraz zespołu klasyfikacji grup ZG. Moduł funkcjonalny

PL 200 003 B1

MF poprzez rejestr spektrogramów RS połączony jest wejściem WE procesora PR, do którego to wejścia przyłączone jest urządzenie pomiarowe UP, w przypadku dokonywania pomiarów on-line. Do rejestru spektrogramów RS, poprzez wejście WE może być przyłączony dowolny nośnik informacji, zawierający dane pomiarowe. Wyjście modułu funkcjonalnego MF połączone jest z modułem identyfikacyjnym Ml, do którego przyłączona jest baza danych technicznych charakteryzujących dane urządzenie badane BDT oraz baza danych sygnatur defektów BDS. Wyjście modułu identyfikacyjnego MI stanowi jednocześnie wyjście WY procesora PR i połączone jest z urządzeniem do wizualizacji raportu końcowego UK, którym może być wyświetlacz na ekranie komputera lub drukarka.

Claims

1. Sposób wykrywania oraz automatycznej identyfikacji defektów urządzeń technicznych, w którym mierzy się za pomocą znanego urządzenia pomiarowego zmienne w czasie sygnały pomiarowe, a wyniki pomiarów w postaci spektrogramów dostarcza się do pamięci komputera, do którego dostarcza się również odpowiednie bazy danych, znamienny tym, że w pierwszym etapie działania z co najmniej jednego spektrogramu wybiera się piki o wartościach amplitudy większych od określonej, zadanej wartości progowej amplitudy, z których tworzy się zbiór oznaczonych wartości pików, następnie dla wszystkich pików z tego zbioru oblicza się stosunek częstotliwości każdego piku względem częstotliwości pozostałych pików, po czym w zależności od wartości uzyskanego ilorazu, zbiór oznaczonych wartości pików dzieli się na dwa podzbiory, a następnie w etapie drugim w jednym z podzbiorów wyróżnia się kolejne określone grupy pików, które różnią się między sobą wartościami częstotliwości podstawowej, stanowiącej jeden z czynników iloczynu, stale powtarzający się w jednej z tych grup, po czym dla pików z każdej określonej grupy pików szuka się obecności wstęg bocznych w drugim podzbiorze utworzonym ze zbioru oznaczonych wartości pików i w przypadku stwierdzenia obecności wstęg bocznych, oblicza się częstotliwość podstawową wstęg bocznych, po czym w etapie trzecim wykrywa się istnienie wady urządzenia technicznego, które następnie identyfikuje się przez porównanie częstotliwości podstawowych oraz częstotliwości podstawowych wstęg bocznych z wartościami częstotliwości, które zgromadzone są w pamięci urządzenia komputerowego, w bazie sygnatur danych i w bazie danych technicznych urządzenia technicznego, a następnie wyniki tak przeprowadzonej analizy spektrogramu lub spektrogramów, przedstawia się za pomocą urządzenia do wizualizacji wyników, sprzężonego z urządzeniem komputerowym.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie działania zbiór oznaczonych wartości pików dzieli się na dwa podzbiory pików, przy czym jeden podzbiór składa się z takich wartości pików, dla których stosunek ich wartości częstotliwości do wartości częstotliwości wszystkich pozostałych pików wyraża się ilorazem liczb całkowitych mniejszych od 10, zaś drugi podzbiór pików składa się ze wszystkich pozostałych pików.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie działania obecności wstęg bocznych w drugim podzbiorze utworzonym ze zbioru oznaczonych wartości pików szuka się dla dowolnych par pików, poprzez obliczenie stosunków różnicy wartości częstotliwości jednego piku z danej pary pików i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików przez różnicę wartości częstotliwości drugiego piku z danej pary i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików, po czym w zależności od wartości uzyskanego ilorazu tworzy się nowy podzbiór w drugim podzbiorze, z którego wydziela się następnie kolejne grupy pików, różniące się między sobą wartościami częstotliwości podstawowej wstęg bocznych, stanowiącej jeden z czynników iloczynu, stale powtarzający się w jednej z tych grup.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że nowy podzbiór pików utworzony z par pików w drugim podzbiorze składa się z takich par pików, dla których obliczone stosunki róż nicy wartoś ci częstotliwości jednego piku z danej pary pików i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików przez różnicę wartości częstotliwości drugiego piku z danej pary i wartości częstotliwości najbliższego piku z określonej grupy pików, wyrażone są jako ilorazy liczb całkowitych o wartości bezwzględnej mniejszej od 10.