Диагностирование подшипниковых узлов роторных агрегатов на различных режимах работы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.4.027.4.004.58

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПОДИ ИПНИКЭ6ЫХ УЗЛОВ РОТОРНЫ X АГРЕГАТОВ НА РАЗЛИЧНЫ X РЕЖИМАХ РАБОТЫ

А В. Зайцев. В. Н. Ксстюков, Д В. Казарин

ООО «НПЦ «Динамика», г. Омск., Россия

Аниотсцчя Цслыо данной работы яцлястся разработка методика дпагпостнрооаппя подшппппко вы! узлов роторных агрегатов виброакустическлм методом неразрушающего контроля, обеспечивающей повышение достоверности диагностирования при минимальных затратах на проведение испытании. При реализации диагностирования любого объекта всегда существует вероятность ошибки ложной тре-

воги н ошибки пропуска дефекта. Б условиях эксплуатации оборудования пропуск дефекта способсн привести к разрушению узла, сбою технологического процесса, аварии. Ложная тревога ведет к необходимости проведения дополнительных работ. Достижение поставленной пели обеспечивается в процессе диагностирования путей избирательного получения и учета зависимости изменения параметров вибрации от частоты врашения при разлнчньк технических состояниях.

Ключевые слово: диагностирование, достоверность, зона неопределенности, внброакустпческая диагностика. роторный агрегат.

I. ВВЕДЕНИЕ

Важным направлением решения задачи повышения безопасности н бесперебойности работы машинных агрегатов является их поддержание в работоспособном состоянии [I]. Е значительной степени это обеспечивается применением средств технического диагностирования ответственных узлов на всех этапах эксплуатации

Для подшипников качения, являющихся одним из наиболее распространенных и ответственных элементов машинных агрегатов, наиболее эффективным методом, позволяющим обнаруживать зарождающиеся и развитые дефекты, является внброакустнческий метод неразрушаюшего контроля. Следует отметить, что при реализации любого способа диагностировании, основанного нз сравнении измеренного значения того или иного параметра. по которому оценивается техническое состояние, с критическим значением, установленным эмпирическим путем, неизбежно существует вероятность ошибки ложной тревоги и ошибки пропуска дефекта [2].

В условиях эксплуатации агрегата пропуск дефекта способен привести к разрушению узла, что может повлечь не только дорогостоящий неплановый ремонт, сбои технологического режима, привести к аварийной ситуации. Ложная тревога, в свою очередь, приводит к необходимости проведения дополнительных работ, что существенно снижает эксплуатационную готозностъ и значительно повышает эксплуатационные расходы.

Достоверность диагностирования в значительной степени зависит от способности критических значений диагностических признаков разделять техническое состояние узлов на классы.

Целью данной работы является разработка методики диагностирования подшипниковых узлов роторных агрегатов вибрсакустическнм методом неразрушающего контроля, обеспечивающей повышение достоверности диагностирования при минимальных затратах на проведение испытаний.

п. постановка задачи

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести эксперименты по получению значений исследуемых диагностических признаков с узлов, находящихся в различных технических состояниях, на разных частотах вращения:

- провести исследования распределений значений диагностических признаков, полученных на разных частотах вращения:

- определить численные значения критериев разделения технического состояния узлов на классы:

- оценить вероятности ошибок диагностирования технического состояния узлов при испытаниях на разных частотах врашения:

- определить рациональные условия проведения диагностирования исходя из критериев минимальной вероятности ошибки диагностирования и затрат на проведение испытаний.

Ш. ТЕОРИЯ

По результатам исследований, представленных в работах [3. 4]. установлен факт более резкого увеличения значении параметров внбрапин узлов роторных агрегатов в различных частотных полосах, например, в высокочастотной. соответствующей внброускорению. с ростом частоты вращения для неисправных узлов по сравнению с исправными.

Для достижения поставленной цели проведено исследование распределений значений диагностических признаков ьнбрацин измеренных на подшипниковых узлах около 1:0 колесно-моторных блоков электропоездов серии ЭД4М [5.6].

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ 31.(.litPilMfc.ilюв

Для расчетов критических значений диагностических признаков, а также сшибок ложной тревоги и пропуска дефекта испытания проводились на двух частотах вращения: на базовой частоте (base speed) Npj = 240 мин1, соответствующей наиболее распространенной частсте вращения при испытаниях колесно-моторных блоков; на повышенной частоте (High speed) Npq = 420 мни'1, соответствующей предельно допустимой частоте врашения из соображений безопасности проведения испытаний в цехоьых условиях.

В результате проведенного исследования получены зависимости основных параметров вибрации в высокочастотной. среднечасготной н низксчастотной полосах, соответствующих внброускорению (Ае). виброскоростн (Ve'i и внброперемещенню (Se) различных узлов кэлесно-моторных блоков от частош вращения колесной пары (N).

В табл. 1 приведены статистические параметры распределения виброускорення исправных (serviceable) н неисправных (defective) узлов колеспо моторных 5ло:сов при базовой н повышенной частотах вращения колес ной пары.

Методика графического определения критических значений, разделяющих техническое состояние диагностируемого узла на классы, а также опш6ое пропуска дефекта н ложной тревоги по методу мннимакса для базовой частоты вращения представлена на рис. 1.

ТАБЛИЦА!

Параметры распределения значений вибрэуосорения при базовой л повышЕнной частота:«: вращения колесной пары

Частота вращения колесной пары, мин"1 Виброускорсппс, м/с*

Исправные узлы (D) Неисправные узлы (S)

Математическое ожидание Стандартное отклонение Математическое ожидание Стандартное отклонение

%Г240 Мяы = 1.59 о5[Ъ] = 0.62 w-i II °<кы = 2 07

Npg = 420 Мэд = 2.21 oS[h] = 1-02 <0 f-rg т-А II £ 2 Od[h] = 5 57

а / 1 1 1 1 1 « 1 I

Сяцч^пяц^ДЛЬ^» 1

-i

Л

- - ■ 4yi ■ i w> pu) 1срацслс'1 iivi i сис1 ii>jui и (к

yiJUinn.nmiiNiiciiiiiiiiM.icioir 1 (мщения > ( »

HI ■ I<II.I<x> : i \

---сбрзтная 4ун*ц*и раг.продоломия / ' N 1 \

►спраеныхузлоз иа говыыенной ча лоте / i % Ч

ир.ицшиякм 1 ls|hj<*) / 1 в / t ' N i \

t Ф i ч 1 —■—1-1-1-1

012345678

Виброу:иор?ние.м/с'

Рнс. 1. Графический расчет ошибок диагностирования и критического значения диагностического признака, полученного на базовой частоте вэашення колесной пары

Ошибки пропуска дефекта и ложной тревоги по методу мннимакса определяются по формуле:

(XКР Ъ]) = 1 "^[й] С^1Р[»]) • (

По полученным значениям внброусЕорения на базэвой частоте вращения для ненспразных узлов восстановлены функция распределения Рв[ь]С>0 и обратная функция распределения 1 - Рщ(х) для исправных узлов. Проекция точки пересечения восстановленных функций распределения на ось .значений диагностических прнзнакоз является критическим значением а ее проекция на ось вероятности ошибки - величиной Еерсятностн

эпшбки диагностирования дщь]= Ячдр>) - 0.029.

Вершитель 6c3juihGj4huio диагностирования при однократных исиытаниял на базовой частоте вращения колесной пары, определяется по формуле:

Аналогично определено критическое значение диагностического признака, а также ошибки пропуска дефекта и лижной хревоги для повышенной часто1ы вращгния ([рис. 2).

По полученным значениям внброускорения на повышенной частоте Ерацения для узлов восстансвлены функция распределения РодСО н обратная функция распределения 1 - ¿•эд(х)- Проекция течки пересечения восстановленных функций распределения на ось значений диагностических признаков является критическим значением Хкиы, а ее проекция на ось вероятности ошибки - величиной вероятности ошибки диагностирования Оптм = Qn.Tr>]-

0.05 U,04b 0.04 О.С'35 0.03

л

§ 0.025 £ к

g- 0.02 со

0.015 0.01 0,005 U

0 12 3 4 5

Виброу-ксрение, м/с2 Рис 2. Графический расчет ошибок диагностирования и критического значения диагностического признака, полученного на повышенной частоте вращения колесной пары

Кероятюгп, беллшиппчного днагнг>гтироюння три однократных испытания* нд повышенной частоте вра-щекия колесной пары, определяется по формуле:

4ч = 1 - (Ялтта] -Ь Gnaw}

С целью повышения достсверности диагностирования при одновременном сокращении затрат на диагне-сгнрование предложен способ диагностики [7]. заключающийся в том. что испытания проводят на двух скоростных режимах: на базовой н повышенной частотах вращения при этом испытание на повышенной частоте вращения считают дополнительным.

Услобнсм проведения дополнительного испытания принимают факт попадания значения днагностнч:скогэ признака, определяемою при первом испытании, в зону неопределенное! и - гак называемвш диапазон значений (офаниченный снизу нижним а .верху верхним (лцъ]) в^ишчсскшш значениями), при клорсм ica-ннческое ее стояние объекта с приемлемым уровнем ошибки диагностирования не может быть определено однозначно.

На рис. 3 графически представлен пример установления зоны неопределенности исходя из равенства ошибок диагностирования при базовей и повышенной частотах зращения.

4/i|W=4iultrO'C29 у

—Функция распределения неиспражых А

у J/IUU И<1 (мя«мй MJCIUlf »р<ЛЦ<.11И>1 / Л

КП /' \

—обропия Фу| «ция распределения 1 ' ^

мспраоных узпоо на баюоэи «^стоте 1 1 \

прощения кп 1--Ч(><х) / | \

1

0.05 0,045 0.01 0,035 0,03

ё

£ 0,025

I

& 0,02 со

0.01Ь 0,01 0,005 о

Рис. 3. Графический пример установления верхнего н нижнего критического значения

для зоны неопределенности

v. Обсуждение результатов

Как видно из рис. 1 вероятность безошибочного диагностирования технического состояния узла при однократных испытаниях на базовой частоте вращения колесной пары:

Р[Ь] = 1 - (0 079 + 0 079) = 0 94?. = 94 7%

Вероятности ошибки диагностирования (ложной тревога и пропуска дефекта) <1лтм = Ядди = 0.С165.

Как видно из рис. 2 вероятность безошибочного диагностирования при однократных испытаниях на повышенной частоте вращения колесной пары:

= 1 -(0.0165 + 0.0165) = 0.967 = 96.7%.

Вероятность безошибочного диагностирования при однократных испытаниях на повышенной частоте вращения колесной пары составляет 06 7%. а при испытаниях на базовой частоте зратпения - 04 ?.%, что на 7 *>% выше.

Таким образом, диагностирование роюрною агроага, в частности колесно-ыошрною блика злскхруносзда, на повышенной частоте вращения обеспечивает более высокую вероятность безэшибочного диагностирования, чем при диагнсстированнн на базовой частоте вращения. Следует учитывать, что использование повышенной частоты вращения не вссгда оправданно в качестве основной, поскольку существенно увеличивает энергетические затраты на, проведение и продолжительность испытаний, а также повышает общий уровень опасности испытаний.

VI. Вывода и заключение

Предложенный способ диагностики подшипников узлов роторных агрегатов, включающий проведение испытаний на двух скоростных режимах одни из которых (на повышенной частоте вращения) считается дополнительным н проводится при попадании значения диагностического признака, полученного на базовой частоте вращения, в зону неопределенности обеспечивает повышение достоверности диагностирования при одповре менно.м сокращении затрат на диагностирование.

Предложенный способ и установленные экспериментально критические значения различных диагностических признаков, получаемых при измерении вибрации с различных узлов реализояаны в современных средствах - стендовых системах диагностики узлов роторных агрегатоБ, например, в автоматической системе внбродиагностЕкн кэлесно-моторных блоков электропоездов.

—функция распределения

меишрлнмых улчиип^и 0ал.тип

частоте вращения КП Р^мМ —о0р<11 ной Функция р«ю|рсделснин

И СП рош 1Ы.< у -1ЛОи при 6о длим

частоте вращения НИ 1-Рзд(х) —функция рапеределения

11(>исирл»1ых у им>1> мри

повышенной частоте вращения

Ьиброускорение, и/с2

Список ЛИТЕРАТУРЫ

1. Костюков В. Н. Мониторннг безопасности производства. М.: Машиностроение, 2002. 224 с.

2. Бнргер И. А. Техническая диагностика. М Машиностроение, 1978.240 с.

3. Костюков В. Н.7 Зайцев А. В.. Басакнн В. В. Исследование вибрации подшипниковых узлов подвижного состава при изменении частоты вращения V Эксплуатационная надежность локомотивного парка н повышение эффективности тягн поездов: материалы Веер ос. науч.-техн. конф7 Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск.

2012. С. 92-97.

4. Зайцев А. В.. Басакнн В. В.: Тетернн .А. О. Исследование зависимости величины внбропараметров под-шшшика от частоты вращения Н Наука. образование. бизнес: материалы региональной науч.-практ. конф. Омск.

2013. С. 110-112.

5. Костюков В. Н.. Казарнн Д. В.. Костюков Ал. В., Зайцев А. В. Совершенствование диагностического обеспечения подшипниковых узлов копесно-моторных блоков электропоездов// Известия трансснба. 2015. № 4. С 33-39.

6. Зайцев А. В.. Костюков А. В.. Казарнн Д. В. Повышение достоверности внбродиагностнровання роторных агрегатов // Тезисы докладов XX Веер ос. науч.-техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике .М., 2014. С. 355-357.

7. Пат. 2547947 Российская Федерация. Способ диагностики технического состояния роторных агрегатов / Костюков В. Н... Костюков Ал. В.. Казарнн Д. В.. Зайцев А. В.: опубл. 10.04.2015. Бюл. № 10.