2. Алгоритм поддержки принятия решений для системы диагностики погружного электрооборудования на основе правил вывода по прецедентам с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования

В данной главе решаются задачи анализа вибрационных процессов погружного электрооборудования при различных дефектах с помощью непрерывного вейвлет-преобразования, по результатам которого сформулирован метод вибродиагностики данного типа оборудования. Также рассмотрены вопросы синтеза алгоритма поддержки принятия решения в задаче выявления тренда параметров вибрации погружного электрооборудования. Кроме того, представлена методика количественной оценки степени развития дефекта погружного оборудования по результатам вейвлет-преобразований.

Метод вибродиагностики погружного электрооборудования с использованием аппарата непрерывного вейвлет-преобразования

Как отмечалось выше, характерные особенности скейлограмм, полученных для различных дефектов погружного электрооборудования, позволяют выработать определенные правила идентификации дефектов и определить степень их развития, что, в свою очередь, служит основой для синтеза алгоритмов диагностирования [68].

Рассмотрим основные механические дефекты вращающегося оборудования. Наиболее часто встречающийся дефект – механическая неуравновешенность ротора (дисбаланс). Появление данного дефекта обусловлено, прежде всего, большой длиной ротора и, как следствие – сложностью процесса его балансировки.

При вращении ротора с дисбалансом в каждом поперечном сечении, имеющем отклонение размеров, возникает центробежная сила, вызывающая механические колебания в опорах. Причинами возникновения дисбаланса являются [68]:

• нарушение технологии производства и балансировки;

• износ и разрушение частей ротора;

• нарушение посадок деталей.

Сигнал вибрации, измеренный у оборудования с дисбалансом, имеет форму близкую к синусоидальной. При этом частота его основной гармоники соответствует частоте вращения ротора (50 Гц), а уровни амплитуд более высоких гармоник (относительно частоты вращения) значительно ниже. Результат вейвлет-преобразования такого сигнала представлен на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Скейлограмма вибросигнала при дисбалансе ротора

Характерными особенностями данной скейлограммы является наличие максимумов (светлые области) в окрестностях точек, соответствующих масштабу a=122, при отсутствии локальных максимумов на других масштабах, что и является основным диагностическим признаком при выявлении дисбаланса ротора. Количество максимумов на данных масштабах может достигать восьми. Ниже в таблице 2.1 представлены координаты и значения локальных максимумов для данного вида дефекта при СКЗ скорости вибрации V_cкз=2,11 мм/с, а в таблице 2.2 аналогичные параметры для V_cкз=3,51 мм/с, что является практически предельным значением вибрации электрических машин, при котором допустима их эксплуатация [68].

Сравнивая эти две таблицы, можно сделать вывод о том, что с увеличением интенсивности вибрации оборудования растут и значения максимумов вейвлет-преобразования, что говорит о степени развития дефекта.

Таблица 2.1 – Координаты локальных максимумов для дефекта «дисбаланс ротора» при V_cкз=2,11 мм/с

a\b	39	121	202	283	363	443	523	598
109								23,56
120							31,67
122					32,12	32,93
125				32,31
133			33,58
136		32,68
140	23,93

Таблица 2.2 - – Координаты локальных максимумов для дефекта «дисбаланс ротора» при V_cкз=3,51 мм/с

a\b	39	121	202	283	363	443	523	598
109								39,27
120							52,79
122					53,53	54,88
125				53,85
133			55,96
136		54,46
140	39,88

Следующий механический дефект, который встречается в погружном электрооборудовании – расцентровка валов ротора. Данный дефект обусловлен нарушением их соосности. Наличие расцентровки сопровождается увеличением вибрации подшипника с двух сторон в результате чего происходит соответствующее изменение скейлограммы (рисунок 2.2). Это изменение связано с появлением максимумов на масштабах a=52…53 c сохранением их на масштабах, близких к a=122. Количество основных максимумов при данном типе дефекта может быть более двадцати четырех. Наличие подобного набора максимумов позволяет судить о развитии дефекта расцентровки ротора [68].

На скейлограмме, представленной на рисунке 2.2, эффект расцентровки ротора проявляется в наличии максимумов в точках (a₁=125, b₁=283), (a₂=120, b₂=363), а также в точках (a₃=53, b₃=222), (a₄=52, b₄=261), (a₅=53, b₅=382), (a₆=53, b₆=421), и т.д. Значения вейвлет-преобразования в данных точках равны соответственно W₁=16,1, W₂=16,0, W₃=11,1, W₄=10,7, W₅=11,1, W₆=10,7, при СКЗ вибрации V_cкз=1,29 мм/с.

Рисунок 2.2 - Скейлограмма вибросигнала при расцентровке

Также распространенным источником механической вибрации являются различного рода задевания, которые могут быть связаны с недостаточным радиальным зазором, эксцентриситетом ротора и т.д. Данный дефект необходимо диагностировать на ранних стадиях его развития, т.к. в месте задевания может образоваться фрикционная выработка и, следовательно, усложнится процесс идентификации сопутствующих неисправностей [47].

Во время работы погружного электрооборудования с таким дефектом возникают ударные импульсы, которые просматриваются на временной диаграмме вибросигнала. Это приводит к значительному изменению скейлограммы сигнала (рисунок 2.3), на которой появляются участки, соответствующие широкому спектру синхронных составляющих. Их наличие объясняется тем, что задевания синхронизированы с фазой вращения ротора. При этом в сигнале присутствуют и несинхронные компоненты, обусловленные нестационарностью процесса задевания.

Так, на рисунке 2.3 можно наблюдать множество локальных максимумов на масштабах a=25, a=31, a=40, a=85 и a=119, а также на масштабах, близких по значению к указанным. Таким образом, дефект типа «задевания» приводит к появлению на скейлограмме большого числа областей с локальными максимумами. Это связанно с тем, что в вибросигнале появляются синусоидальные составляющие с более высокой частотой относительно частоты вращения и, следовательно, увеличивается количество локальных максимумов при одинаковой длительности сигнала [68].

Рисунок 2.3. - Скейлограмма вибросигнала при задеваниях

Отметим основные точки, характеризующие наличие дефекта, которому соответствует СКЗ вибрации V_cкз=2 мм/с: (a₁=119, b₁=363), (a₂=89, b₂=293), (a₃=44, b₃=308), (a₄=58, b₄=269), (a₅=31, b₅=288), (a₆=25, b₆=232), и.т.д. Значения вейвлет-преобразования в этих точках равны, соответственно, W₁=16,05, W₂=16,73, W₃=18,62, W₄=8,23, W₅=8,87, W₆=4,92. Эти значения закономерно изменяются от масштаба к масштабу, следовательно, их величина и взаимосвязь могут служить диагностическим признаком данного вида дефекта.

В большинстве моделей погружного электрооборудования используются подшипники скольжения. Их состояние существенно влияет на надежность работы оборудования и поэтому нуждается в постоянном контроле. Рассмотрим далее основные дефекты подшипникового узла.

Сложным, с точки зрения физических процессов, протекающих в смазочном слое, является дефект узлов крепления подшипника. Несущая способность подшипника представляет собой нелинейную функцию, зависящую от величины зазора между валом и антифрикционным вкладышем. С одной стороны, тонкий слой масла повышает несущую способность подшипника, а с другой - снижает устойчивость к динамическим нагрузкам. Появление вибрации в данном узле является следствием одной из следующих причин:

• нагрузка на подшипник не соответствует несущей способности смазочного слоя;

• недопустимое изменение параметров смазочного слоя (давление, температура, вязкость);

• влияние сторонних сил, способных возбудить колебания в смазочном слое.

Рисунок 2.4 - Скейлограмма вибросигнала при дефектах узлов крепления подшипника

В скейлограмме сигнала вибрации (рисунок 2.4), измеренного в зоне подшипника с нарушением крепления, появляются максимумы на масштабе a=315, с одновременным сохранением максимумов на масштабе a=130, и близким к ним по значению. Вибрация на масштабе a=315 является показателем относительной скорости перемещения масла в зазоре, а, следовательно, и идентификатором дефекта данного типа. При этом в скейлограмме можно отметить следующие точки локальных максимумов: (a₁=128, b₁=201), (a₂=152, b₂=280), (a₃=130, b₃=365), (a₄=112, b₄=443), (a₅=315, b₅=260), (a₆=279, b₆=448), и т.д. Значения вейвлет-преобразования в этих точках равны, соответственно, W₁=31,21, W₂=39,67, W₃=33,22, W₄=29,43, W₅=35,42, W₆=36,73, при СКЗ вибрации V_cкз=2,71 мм/с [68].

Часто встречающимся дефектом подшипника является увеличение зазора. В процессе эксплуатации происходит постепенное увеличение зазоров в подшипниках, связанное с их износом, что в свою очередь находит отражение в скейлограмме сигнала. Скейлограмма сигнала вибрации при значительно увеличенном зазоре в подшипнике содержит характерную комбинацию максимумов на различных масштабах (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Скейлограмма вибросигнала при увеличенном зазоре в подшипнике

Диагностические признаки для данного вида неисправности схожи с дефектом типа «задевания» и имеют аналогичную картину численного распределении значений вейвлет-преобразования, а также проявляются на тех же масштабах. Для уточнения диагноза необходимо учитывать место, в котором была измерена вибрация. В случае, если датчик вибрации в процессе измерения был расположен в зоне подшипника, то с большой долей уверенности можно сделать вывод о наличии дефекта «увеличенный зазор».

Рассмотрим еще один дефект из числа наиболее часто встречающихся в данном типе оборудования - неправильную установку подшипника (баббитовых вкладышей, их перекос или подвижность). В скейлограмме сигнала вибрации (рисунок 2.6) дефект проявляется увеличением значений вейвлет-преобразования масштабах близких к a=122. Аналогичный спектр наблюдается при дисбалансе ротора, но при применении сегментных баббитовых вкладышей в скейлограмме появляется дополнительная составляющая на масштабе a=32 (для четырёх сегментных вкладышей), которая характеризует количество вкладышей, в результате чего дефект становится легко распознаваемым. Можно выделить следующие характерные точки (a₁=122, b₁=364), (a₂=122, b₂=442), (a₃=32, b₃=352), (a₄=32, b₄=372), и т.д. Значения вейвлет-преобразования в этих точках равны, соответственно, W₁=32,12, W₂=32,96, W₃=11,14, W₄=11,21, при СКЗ вибрации V_cкз=2,58 мм/с.

Рисунок 2.6 - Скейлограмма вибросигнала при неправильной установке подшипника

Проведенный анализ вибрации погружного электрооборудования при различных дефектах позволяет сделать вывод о высокой эффективности аппарата непрерывного вейвлет-преобразования. Результаты исследования скейлограмм, соответствующих наиболее характерным его дефектам, свидетельствуют о том, что временная локализация частотного спектра вибросигналов позволяет выявлять возможные нарушения в работе этого оборудования. По виду скейлограмм, расположению точек локальных максимумов и значениям вейвлет-преобразования можно идентифицировать вид дефекта, а также определить степень его развития [68].