студент
Россия
студент
Россия
Рассмотрена возможность проведения неразрушающего контроля насосов и компрессоров поршневого типа по данным перемещения оси вращения вала в плоскости. Построены графики данных ускорения перемещения вала по плоскостям X, Y, Z, в горизонтально-вертикальной плоскости, а также графики плотности распределения
система неразрушающего контроля, база данных, поршневые машины
В настоящее время на производстве широко распространены машины поршневого типа, среди которых повсеместно используются насосы и компрессоры. Для увеличения межремонтного интервала таких машин необходимо применение системы неразрушающего контроля, с внедрением которой предупреждается выход этих машин из строя. Существующие в настоящее время системы показывают низкую эффективность при определении технического состояния поршневых насосов и компрессоров [1,2]. Таким образом, возникает потребность разработки новых методов диагностики.
Исходя из вышесказанного, сформулирована цель исследования – нахождение возможной зависимости наличия дефектов в подшипниках от данных объемного перемещения вала.
Задачи, решаемые для достижения цели:
– создание структурной схемы системы неразрушающего контроля;
– выбор метода неразрушающего контроля;
– выбор датчиков для измерения параметров;
– разработка интерфейса базы данных.
В исследовании используются данные перемещения оси вращения вала, на основании которых выявляются дефекты. В реальных условиях расположение оси вращения вала имеет некоторое отклонение от центра [3]. Как правило, ось вращения описывает эллипс. Это отклонение от окружности, которое измеряется в микрометрах, позволяет узнать возможность распознавания некоторых зарождающихся дефектов.
Чтобы смоделировать реальные условия работы компрессора, был выбран автомобильный двигатель поршневого типа. Схема макета показана на рисунке 1.
Обороты электродвигателя порядка 100 об/мин. Пониженное число оборотов выбрано для сокращения вибраций, которые могут внести в исследуемые данные помехи. В качестве прибора для измерения вибраций, которые измеряются с помощью акселерометра, собрано электронное устройство, состоящее из акселерометра ADXL 345, который подключен к микроконтроллеру ESP-32-Wroom-32. Акселерометр устанавливается в непосредственной близости от коренного подшипника. Микроконтроллер выведен кабелем из корпуса двигателя наружу с целью снижения массы устройства измерения, что уменьшает его собственные вибрации. Место крепления акселерометра показано на рисунке 2.
Рисунок 2 – Место крепления акселерометра вблизи коренного подшипника
Для исследования зарождающихся дефектов важно учитывать не только движение вала по одной плоскости, по которой движется поршень, но и двух других. Поэтому акселерометр измеряет данные в трех плоскостях – X, Y, Z.
Данные ускорения по осям X, Y, Z, полученные с акселерометра, показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 – Данные ускорения по осям X, Y, Z
На рисунке 4 показан двухосевой график, построенный по тестовым измерениям, полученным на макете с помощью акселерометра ADXL-345. Измерения получены по вертикально-горизонтальной осям, т.е. в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала.
Важное значение имеет плотность распределения данных ускорения, которая несет информацию о перемещении оси вращения вала машины, что, в свою очередь, может характеризовать состояние подшипников вала.
Для значений, получаемых с акселерометра, создается база данных, информацию из которой можно представить в графическом виде. По графику можно увидеть, что измерения принимают форму, отличную от окружности, что может свидетельствовать о возможном зазоре в подшипниках.
Рисунок 4 – Данные ускорения перемещения вала в горизонтально-вертикальной плоскости
Также интересен в изучении график плотности распределения данных ускорения по осям X, Y, Z (рисунок 5). График построен в программе Mathcad 15 с помощью встроенной функции dnorm, которая позволяет строить графики нормального распределения. Количество проведенных опытов – 16 384.
Рисунок 5 – Плотность распределения данных ускорения по осям X,Y,Z
Из графиков видно, что математическое ожидание у всех трех осей близко к 0, а дисперсия у каждой оси отличается.
Также для возможного выявления дефектов построен график данных перемещения вала в трехмерной плоскости, изображенный на рисунке 6.
Рисунок 6 – Данные перемещения вала в трехмерной плоскости
Форма этого скопления позволяет наблюдать пространственные перемещения, а также может говорить о том, какая ось вращения вносит наибольшее отклонение от нормы.
При фильтрации исходного сигнала с помощью функции быстрого преобразования Фурье, получен отфильтрованный сигнал, показанный на рисунке 7.
Рисунок 7 – Данные ускорения по осям X, Y, Z с применением фильтрагармоник
По полученному сигналу можно построить график данных перемещения вала в горизонтально-вертикальной плоскости. Если объединить множество точек, то получится график, имеющий линию, показанную на рисунке 8.
Рисунок 8 – Данные перемещения вала в горизонтально-вертикальной плоскости с применением фильтрации
Форма графика будет зависеть от того, какие гармоники остались после преобразования, а также от выбранных осей. После фильтрации, в будущем можно выявить другие зарождающиеся дефекты в поршневой машине.
После отсеивания гармоник также изменится плотность распределения, это видно на рисунке 9.
Рисунок 9 – Плотность распределения данных ускорения по осям X, Y, Z с применением фильтра гармоник
По плотности распределения по трем осям можно увидеть другие зависимости. Из графика можно узнать, не смещено ли математическое ожидание каждой оси. Если смещение присутствует, значит подшипник в поршневой машине может быть изношен. Также можно узнать, какая ось вносит наибольший вклад в изменения ускорения.
1. Барканов, Е.Н., Думитреску, А., Паринов, И.А. Неразрушающий контроль и ремонт трубопроводов. - Нью-Йорк: Springer International Publishing, 2018. С. 450. ISBN 978-3-319-56579-8. Текст: непосредственный.
2. Русов, В.А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. - Пермь.: ДимРус, 2012. C. 15. ISBN 5-86983-041-9. Текст: непосредственный.
3. Эльхутов, С.Н., Лаврик, А.А. Метод определения технического со-стояния поршневых машин по результатам измерения угловой скорости вала / С.Н. Эльхутов - Текст: непосредственный. // Journal of Physics: Conference Se-ries 1680(1),012009. - 2020. С. 6.
