Новый подход к определению индекса состояния и начала развития дефекта подшипников качения

Исследователи из Корейского института аэрокосмических исследований предложили способ автоматического определения состояния подшипников качения, а также момента начала развития дефекта и критического уровня вибрации, при котором подшипник нужно выводить из эксплуатации. Также была показана общая применимость методики к сигналам акустического шума и вибрации как к индикаторам процесса ухудшения состояния подшипника. Соответствующая статья опубликована в журнале Mechanical Systems and Signal Processing.

В исследовании использовалась экспериментальная установка, показанная на рисунке ниже. Тестовый подшипник (Test bearing) был установлен на вал, приводимый в действие двигателем. Нагрузка на подшипник имитировалась сдавливанием подшипника с различными силами.

Были записаны 6 наборов данных, в которых состояние подшипника менялось от нормального при работе без нагрузки до имеющего явные признаки дефекта при работе под сильной нагрузкой. Данные снимались одновременно акселерометром, промышленным микрофоном и термопарой циклами по 1 секунде из каждых 10 секунд. Для анализа использовались записанные сигналы виброускорения и шума.

При просмотре необработанных сигналов шума и вибрации было видно, что сигнал шума показывал увеличение уровня при развитии дефекта, характер развития сигнала был разным. Сигнал оставался стабильным на протяжении от 80 до более чем 600 циклов измерений, а затем начинал расти, однако в некоторых случаях рост был плавным, в некоторых резким. Процесс развития сигнала вибрации был более сложным. Несмотря на то, что в большинстве случаев визуально можно было различить начало роста тренда, в сигнале происходили отдельные всплески, связанные не с дефектом, а, наиболее вероятно, с общим системным шумом и трением в подшипнике. В расчётах акустический сигнал использовался как более достоверно характеризующий состояние подшипника.

Предлагаемая методика основана на общем характере развития подшипника. Нормальная работа подшипника характеризуется наличием в спектре сигнала вибрации доминирующих гармоник на частотах, кратным частоте вращения. На ранней стадии зарождения дефекта появляются отдельные гармоники в высокочастотной части спектра. Однако в таком состоянии подшипник не имеет явных признаков повреждений и продолжает нормальную работу. С развитием дефекта начинают развиваться гармоники в области резонансных частот подшипника, которые затем дополняются частотами биения элементов качения (BSF, BPFI, BPFO). Стадия развившегося дефекта характеризуется набором гармоник во всех частях спектра. Поясняющее изображение показано ниже.

Эффект смещения частотной области основных гармоник на разных стадиях развиия дефекта используется исследователями для расчёта индекса состояния подшипника. Они расчитывают нормализованную энергию, основанную на квадрате амплитуды, каждой гармоники в спектре сигнала (E - нормализованная энергия, A - амплитуда гармоник, F - число гармоник):

Из набора нормализованных энергий затем берётся определённое количество (в исследовании использовалось 10) наибольших энергий, сумма которых даёт величину индекса состояния подшипника.

Для определения момента начала развития дефекта используется анализ характеристик сигнала в смещаемых окнах. В каждом окне определяется значения индекса состояния на каждый цикл измерений. Полученное распределение индексов исследуется при помощи статистического критерия хи-квадрат. При обнаружении аномалий в распределении индексов состояния для заданного уровня достверности считается, что данное окно содержит момент начала развития дефекта с вероятностью, определяемой уровнем достоверности. Поясняющее изображение показано ниже.

Для определения наступления предаварийного состояния подшипника исследователи использовали непрямой метод, основанный анализе необработанной осциллограммы и спектра огибающией акустического сигнала. Момент одновременного скачка уровня необработанного сигнала и спектра в районе частот биения соответствует предаварийному состоянию, при котором подшипник нужно выводить из эксплуатации.

Примеры применения методики к записанным сигналам вибрации показаны ниже.

Исследователи планируют развивать методику в будущих исследованиях, в частности отдельное внимание необходимо уделить вопросам задания более точного критерия предаварийного состояния и разработке методики расчёта времени безаварийной работы.