2020-07-12
209
Применение кепстров мощности в области профилактической диагностики и диагностики неполадок машинного и подобного оборудования основано на обеспечиваемой кепстрами возможности обнаружения периодичностей спектров, например, серий равномерно распределенных гармоник и/или боковых полос. С точки зрения применения в упомянутой области важное преимущество кепстров связано с их малой зависимостью от путей распространения исследуемых сигналов, в том числе путей от источников к точкам замера.
Периодические кратковременные механические импульсы, например, обусловленные местным дефектом шарикоподшипника импульсы, создают в спектрах механических колебаний обширные серии гармоник. Соответствующий пример показан на рис. 4.39. иллюстрирующий применение кепстров при определении и оценке состояния коробки передач. Отметим, что применение кепстров с целью обнаружения гармоник в упомянутой последней области не эффективно. На рис. 4.39 а показаны спектр и кепстр механических колебаний коробки передач (ускорителя), смонтированной между электродвигателем с соответствующей скорости вращения частотой 50 Гц и центробежным компрессором со скоростью вращения, соответствующей частоте 121 Гц. Кепстр содержит составляющие, соответствующие равным 20 и 8,2 мс значениям времени, т.е. периодам вращения шестерен, соответствующим частотам соответственно 50 и 121 Гц. Рагмоники второго и третьего порядка заметны, но ввиду их постепенного уменьшения ими можно пренебречь. Конечно, основная составляющая кепстра (первая рагмоника) содержит нужную информацию. В показанном на рис. 4.39 б модифицированном спектре были устранены гармоники с малыми порядковыми номерами, т.е. простирающийся прибл. до половины частоты зубозацепления участок. Из соответствующего кепстра (см. рис. 4.39 б) видно, что важные боковые полосы вокруг частоты зубозацепления обусловлены лишь шестернью со скоростью вращения, соответствующей частоте 50 Гц. Составляющие кепстра на рис. 4.39 а, связанные с шестернью с соответствующей частоте 121 Гц скоростью вращения, очевидно обусловлены гармониками с малыми порядковыми номерами и вообще не связаны с зацеплением зубьев обеих шестерен. Аналогичные спектр и кепстр, определенные по истечении нескольких месяцев, показаны на рис. 4.39 в. Кепстр, соответствующий модифицированному спектру, указывает на модуляцию, обусловленную шестернью с соответствующей частоте 121 Гц скоростью вращения. По существу, эта модуляция была обусловлена возникшей во время эксплуатации оборудования несоосностью. На рис. 4.39 г показан результат модифицирования кепстра, осуществленного с целью исключения влияний шестерни со скоростью
Рис. 4.39. Иллюстрация практического применения кепстров при определении и оценке состояния коробки передач
вращения, соответствующей частоте 50 Гц. Модифицированию подвергался кепстр, соответствующий кепстру на рис. 4.39 в, но охватывающий весь учитываемый диапазон частот. Показанный на рис. 4.39 г спектр был получен путем обратного преобразования Фурье модифицированного кепстра и показывает расположение соответствующих частоте 121 Гц боковых полос, которые были замаскированы в спектре на рис. 4.39 в. Отметим, что аналогичные результаты применения процедуры, описанной выше с связи с рис. 4.39 г, результат можно было бы получить путем синхронного усреднения (с учетом вращения шестерни со скоростью, соответствующей частоте 121 Гц) без применения внешнего синхронизирующего сигнала.
Подробно рассмотрена ситуация, к которой относится рис. 4.39 показывает, что применение кепстров дает перечисленные ниже возможности:
1. Возможность обнаружения гармонического состава, указывающего на неисправность или дефект исследуемого оборудования уже на ранней стадии, т.е. уже во время, когда составляющая с основной частотой (например, с соответствующей прохождению шариков подшипника частотой) вообще не поддается обнаружению.
2. Возможность определения интервалов между гармониками (например, интервалов, соответствующих увеличенной в 4,1 раза скорости вращения вала и, следовательно, вычисленной частоте дефекта внешней обоймы определенного подшипника).
3. Возможность применения главного пика кепстра в качестве параметра при анализе тенденций. Поскольку этот пик отображает среднее по ансамблю большого числа индивидуальных гармоник, изменения последних (например, обусловленные флуктуациями рабочей скорости исследуемого оборудования изменения) почти устраняются в процессе усреднения и получаемый в результате анализа тенденций график имеет вид гладкой кривой (например, отображающей зависимость от времени кривой).
Применения кепстров в области диагностики, а именно обнаружение повреждений лопаток турбины, обусловлено аномалией потока газа по поврежденной лопатке, являющейся причиной создания повторяющихся с периодом вращения турбины импульсов и соответствующего увеличения гармоник механических колебаний вала, в частности в области средних частот. Присутствие этих гармоник проявилось в виде существенного увеличения амплитуды соответствующей составляющей кепстра мощности. Боковые полосы, создаваемые в результате модуляции несущей одной или несколькими составляющими с более низкими частотами, в некоторых случаях дают ценную информацию о дефектах исследуемого оборудования.
В случае подшипников качения можно на основе боковых полос получить дополнительную информацию о дефектах отдельных элементов, так как указывающий на присутствие дефекта внешней обоймы подшипника сигнал обычно является немодулированным, соответствующий дефекту внутренней обоймы сигнал обычно модулирован составляющей со связанной со скоростью вращения вала частотой, а сигнализирующий о дефекте роликов или шариков сигнал обычно модулирован составляющей с частотой, соответствующей скорости вращения сепаратора подшипника. В случае зубчатых передач модуляция составляющей с частотой зубозацепления указывает на различия между зубьями определенной шестерни, так как интервалы между обусловливаемыми модуляцией боковыми полосами соответствуют скорости вращения этой шестерни.
Более подробное описание применения кепстров мощности в области профилактической диагностики зубчатых передач дается в специальной литературе.
