PL222383B1 - Sposób diagnozowania nieprawidłowości w pracy układów mechanicznych poruszających się obiektów - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222383 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 401814 ^{(51) Int.Cl.}

G01N 29/00 (2006.01) G01N 29/04 (2006.01) G01B 17/00 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 29.11.2012

Sposób diagnozowania nieprawidłowości w pracy układów mechanicznych poruszających się obiektów

	(73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	(72) Twórca(y) wynalazku:
09.06.2014 BUP 12/14	SZYMON GONTARZ, Warszawa, PL STANISŁAW RADKOWSKI, Borzęcin Mały, PL KRZYSZTOF SZCZUROWSKI, Warszawa, PL JACEK DYBAŁA, Warszawa, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	ADAM GAŁĘZIA, Łomianki Dolne, PL
29.07.2016 WUP 07/16	PRZEMYSŁAW SZULIM, Halinów, PL KRZYSZTOF ROKICKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Woźnicki

PL 222 383 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób diagnozowania nieprawidłowości w pracy układów mechanicznych poruszających się obiektów, bazujący na wykorzystaniu histerezy sygnału wibroakustyczn ego wywołanej efektem zjawiska Dopplera.

W wyniku degradacji materiału i zużywania współpracujących części zachodzą zmiany zarówno ilościowe jak i jakościowe w strukturze widmowej generowanych przez nie sygnałów wibroakustycznych. Sygnały te są wykorzystywane na stacjonarnych stanowisk ach diagnostycznych do wykrywania defektów układów mechanicznych. Na takich stanowiskach można również testować obiekty które normalnie funkcjonują w ruchu. Jest to kłopotliwe ze względu na konieczność wyłączenia obiektu z użytkowania oraz kosztowne z powodu budowy specjalnego stacjonarnego stanowiska, na którym obiekt podczas pomiaru sygnału wibroakustycznego realizował by swoje zadania. Przy pomiarach i badaniach sygnałów wibroakustycznych najczęściej stosuje się jako miarę zjawiska odpowiadającego uszkadzaniu obiektu, wartości parametrów mówiących o wzroście energetycznym sygnału lub dokonuje się szczegółowej analizy struktury widma sygnału. W przypadku pomiaru i analizy sygnału wibroakustycznego obiektu który pozostanie w ruchu, wystąpi zjawisko Dopplera, które efektywnie uniemożliwia stosowanie wspomnianych miar i analiz. Wykorzystanie efektu zjawiska Dopplera, modyfikującego sygnał wibroakustyczny obiektu, umożliwia szacowanie parametrów jego ruchu takich jak prędkość co ujmuje na przykład zgłoszenie patentowe JP60040980 lub kierunek poruszania. W większości przypadków efekt Dopplera traktowany jest jako zaburzenie uniemożliwiające dotarcie do informacji diagnostycznej. W związku z tym istnieje wiele metod których zadaniem jest redukcja efektu zjawiska Dopplera a następnie analiza sygnału metodami odpowiadającymi sygnałom stacjonarnym. Taka metodyka jest została opisana w pracy dyplomowej pt.: „Zastosowanie metody redukcji efektów zjawiska Dopplera w stacjonarnym stanowisku diagnostycznym”, Gałęzia A., Gontarz Sz., Politechnika Warszawska, Warszawa 2004. Żeby dokonać wspomnianej redukcji wymagana jest separacja sygnałów źródłowych ze złożonego sygnału wibroakustycznego zarejestrowanego globalnie dla poruszającego się obiektu, co stanowi dodatkowe utrudnienie.

Celem wynalazku jest wykorzystanie wieloźródłowego charakteru poruszających się obiektów takich jak pojazdy szynowe, w celu wygenerowania histerezy dopplerowskiej, która umożliwi diagnozowanie nieprawidłowości w układach mechanicznych bez przerywania ich ruchu.

Sposób diagnozowania nieprawidłowości w pracy układów mechanicznych poruszających się obiektów przez stacjonarne stanowisko pomiarowe, bazujący na wykorzystaniu histerezy sygnału wibroakustycznego wywołanej efektem zjawiska Dopplera, według wynalazku polega na tym, że sygnały wibroakustyczne generowane przez poruszające się układy mechaniczne obiektu rejestruje się przez co najmniej dwa mikrofony rozmieszczone w pobliżu toru jazdy obiektu w takiej konfiguracji toru pomiarowego, która prowadzi do wyznaczenia pętli histerezy w dziedzinie częstotliwości rejestrowanych sygnałów wibroakustycznych pochodzących od tych układów mechanicznych, po czym dokonuje się identyfikacji i analizy zjawiska dudnienia pomiędzy kolejnymi sygnałami, których źródłami są kolejno następujące po sobie układy mechaniczne.

Korzystnym jest, jeżeli podczas analizy zjawiska dudnienia uwzględnia się głębokość modulacji sygnałów nośnych i sygnałów modulacyjnych rejestrowanych przez każdy mikrofon przy zbliżaniu i oddalaniu się źródła sygnału, miejsca występowania dudnienia względem wygenerowanej histerezy, oraz wystąpienie modulacji lub różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł niezwiązanych z efektem zjawiska Dopplera w zakresie szerokości wyznaczonej histerezy.

Korzystnym jest, jeżeli w trakcie pomiaru poprzez zmianę konfiguracji toru pomiarowego optymalizuje się parametry pomiaru wpływające na uzyskania histerezy o większej szerokości.

Korzystnym jest także, jeżeli wyznaczoną pętlę histerezy porównuje się z sygnałem referencyjnym właściwym dla diagnozowanego układu mechanicznego.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na uzyskanie informacji o zmianach w pracy układów mechanicznych bez konieczności separacji poszczególnych źródeł sygnału, zachowując ich niestacjonarny charakter.

W sposobie według wynalazku diagnozowanie poruszających się obiektów przez stacjonarne stanowisko pomiarowe polega na odpowiedniej konfiguracji toru pomiarowego oraz parametrów pomiaru w celu otrzymania histerezy dopplerowskiej w dziedzinie częstotliwości rejestrowanych sygnałów wibroakustycznych. Następuje to poprzez dobór takich parametrów jak: prędkość poruszania an alizowanego obiektu, odległość czujników od toru przemieszczania się obiektu, rodzaj czujników, liczba

PL 222 383 B1 czujników oraz ich względne rozmieszczenie w celu wygenerowania histerezy dopplerowskiej. W czasie „trwania” histerezy określającego jej szerokość występuje zjawisko dudnienia, które daje bezp ośrednio informację o różnicy częstotliwości wywołanej efektem zjawiska Dopplera. Analiza częstotliwości w zakresie tworzącej się histerezy oraz charakteru dudnienia, może wskazać na wystąpienie modulacji lub różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł niezwiązanych z efektem zjawiska Dopplera. Będzie to świadczyć o innym przebiegu kinematyczno-dynamicznym pracy poszczególnych układów mechanicznych co stanowi informację diagnostyczną. Propozycja wygenerowania odpowiedniej pętli histerezy, wykorzystując efekt zjawiska Dopplera, umożliwiającej identyfikację zjawiska dudnienia jest kluczowa w kwestii uzyskania informacji diagnostycznej, która bezpośrednio zawarta jest w sygnale wibroakustycznym generowanym przez poruszający się obiekt, mierzonym w pobliżu toru jego przejazdu. Proponowana metoda może służyć do określania stanu technicznego układów mechanicznych pojazdów w warunkach rzeczywistych bez potrzeby ich zatrzymywania.

Wynalazek jest objaśniony na podstawie przykładowej jego realizacji objaśnionej na rysunku, na którym fig. 1 przestawia podstawową konfigurację toru pomiarowego, fig. 2 przedstawia kształt histerezy dopplerowskiej uzyskanej podczas pomiaru, fig. 3 przedstawia schematycznie docelowo generowaną histerezę Dopplerowską wraz z zaznaczonymi jej charakterystycznymi punktami, fig. 4a przedstawia efekt dudnienia sygnału w dziedzinie czasu zarejestrowany zarówno przez pierwszy jak i drugi mikrofon, fig. 4b przedstawia histerezę, która tworzy się dla sygnałów z fig. 4a w dziedzinie częstotliwości, fig. 5 ilustruje charakterystyczne interferencje sygnałów w dziedzinie czasu zarejestrowane przez obydwa mikrofony dla dwóch poruszających się źródeł o różnej, ale zbliżonej, częstotliwości nośnej, fig. 6a przedstawia wynik empirycznej dekompozycji sygnału, który identyfikuje częstotliwości modulujące ze złożonego sygnału wibroakustycznego pochodzącego od dwóch poruszających się źródeł - w postaci czwartej składowej, fig. 6b - w postaci szóstej składowej, a fig. 7 pokazuje wpływ czasu występowania histerezy, czyli jej szerokość, na wielkość amplitudy częstotliwości modulującej.

Przeprowadzono badania mające na celu analizę niestacjonarności sygnału wibroakustycznego, pochodzącego od poruszającego się pojazdu, rejestrowanego przez stacjonarne stanowisko pomiarowe. Podczas badań analizowano sygnały czasowe oraz strukturę ich widma. Założono następujący sposób przeprowadzania pomiaru: źródło sygnału będzie się poruszało ze stałą prędkością po linii prostej; sygnał będzie rejestrowany przez mikrofony oddalone od toru poruszającego się źródła; pomiar sygnału będzie przeprowadzony w sposób ciągły, dla różnych, stałych prędkości pojazdu. Użycie dwóch lub więcej mikrofonów pozwala uniezależnić się od dodatkowych warunków prowadzenia badań, niezbędnych w przypadku rejestracji sygnałów jednym mikrofonem. W rzeczywistej sytuacji diagnostycznej, której podstawową konfigurację przedstawia fig. 1, trzeba liczyć się z tym, że zarejestrowany sygnał będzie zawierał dane pochodzące od dwóch lub więcej kolejno następujących po sobie źródeł.

Jak przedstawiono na fig. 1, dwa mikrofony umieszczone w odległościach odpowiednio h1 i h2 od toru jazdy pojazdu poruszającego się z prędkością Vz, rejestrują sygnały generowane przez dwa kolejne zestawy kołowe rozmieszczone w stałej odległości s. Doświadczenie zostało wykonane dla następujących wartości poszczególnych parametrów: s = 10,8 m, Vz = 50 km/h, h1 = h2 = 2 m, d = 6 m. Taka sytuacja wystąpi na przykład w przypadku poruszającego się wózka jezdnego wagonu kolejowego i właśnie w takim przypadku obserwujemy uwidoczniony na fig. 2 kształt histerezy utworzony z przebiegów zmian częstotliwości nośnych dwóch źródeł.

Przedstawiona na fig. 3 docelowo generowana histereza dopplerowska, wraz z zaznaczonymi jej charakterystycznymi punktami, może być opisana wzorem:

₁_____h tga — V_z -t „ , temp + (h tga -V_z t)^{2 V}'a|¹⁺ 273 gdzie Vz - prędkość źródła, h - odległość mikrofonu od toru przejazdu, α - kąt między wektorem prędkości a odcinkiem łączącym obiekt z mikrofonem, V - prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku, temp - temperatura powietrza, w której rozchodzi się fala, fD - zmiana częstotliwości wywołana efektem zjawiska Dopplera w funkcji czasu t, f₀ - częstotliwość nośna sygnału.

Na kształt histerezy, a więc i charakterystyczne jej wartości, mają wpływ następujące parametry ujęte w równaniu: prędkość źródła, odległość mikrofonu od toru przejazdu, odległość sąsiednich źró4

PL 222 383 B1 deł, rodzaj ośrodka rozchodzenia się fali oraz rozstaw mikrofonów. W związku z tym histereza wywołana przez efekt zjawiska Dopplera jest zależna od wymienionych parametrów i może być odpowiednio kształtowana.

W przypadku analizy sygnału wibroakustycznego poruszającego się pojazdu szynowego, histereza opisuje dopplerowską zmianę częstotliwości dwóch poruszających się źródeł oddalonych względem siebie lub wywołaną przez takie pojedyncze źródło rejestrowane przez dwa oddalone od siebie stacjonarne mikrofony.

Jak przedstawiono na fig. 4a, pomiary wykonane podczas badania ujawniły zjawisko fizyczne zwane dudnieniem dla przypadku zwiększonej względnej odległości źródeł sygnałów. Taka sytuacja, zilustrowana w dziedzinie częstotliwości na fig. 4b, pokazuje tworzące się pętle histerezy dla sygnałów zarejestrowanych przez poszczególne mikrofony, których szerokość odpowiada długości trwania zj awiska dudnienia. Na fig. 4b widać również, że korzystając jednocześnie z dwóch mikrofonów można uzyskać zwiększenia szerokości obserwowanej histerezy poprzez zmianę konfiguracji toru pomiarowego. W badanym przypadku histereza została wygenerowana dla następujących parametrów: prę dkość źródła - 50 km/h; odległość mikrofonu od toru - 2 m; częstotliwość nośna - f₁=f₁ = 100 Hz; rozstaw źródeł sygnałów - 10,8 m; rozstaw mikrofonów - 6 m. Badając obwiednię interferujących fal zidentyfikowano częstotliwość dudnienia, której występowanie i wielkość w badanym przypadku wiąże się z wystąpieniem efektu zjawiska Dopplera dla dwóch źródeł sygnału. Poprawnie identyfikując częstotliwość dudnienia możemy dotrzeć do informacji o zakresie zmiany częstotliwości jaką wprowadza efekt zjawiska Dopplera. Istotny jest fakt, iż dudnienie wystąpiło tylko w obrębie występowania histerezy. Świadczy to o jednakowych częstotliwościach nośnych źródeł. Taka szczególna sytuacja będzie mieć miejsce wtedy, gdy oba obiekty generujące sygnały pracują identycznie, na przykład są nowe lub ulegają zużyciu równomiernie w czasie. W rzeczywistości będą się one różnić, co będzie świadczyć o względnej różnicy w charakterze pracy dwóch układów generujących sygnały. W przypadku wózka jezdnego wagonu kolejowego może to być spowodowane na przykład różną średnicą toczną kół wózka.

Jak przedstawiono na fig. 5 dla innych parametrów eksperymentu: prędkość źródła - 50 km/h; odległość mikrofonu od toru - 2 m; częstotliwość nośna - f₁ = 105 Hz, f₂ = 100 Hz; rozstaw mikrofonów - 6 m, rozstaw źródeł sygnałów - 10,8 m, obserwuje się zjawisko dudnienia, którego oddziaływanie obejmuje cały zakres rejestrowanego sygnału. W tym przypadku częstotliwość dudnienia wskazuje na wystąpienie różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł, co świadczy o innym charakterze kinem atyczno-dynamicznym pracy poszczególnych układów jezdnych. Dalsza szczegółowa analiza, znanymi metodami, może rozstrzygnąć czy może to być informacja o powstającym lub rozwijającym się uszk odzeniu obiektu.

Jak przedstawiono na fig. 6a i 6b, stosując przykładowo metodę rozkładu sygnału na składowe empiryczne EMD (ang. Empirical Mode Decomposition) istnieje możliwość identyfikacji częstotliwości modulujących obwiednię rejestrowanych złożonych sygnałów. Fig 6a przedstawia częstotliwość modulacji amplitudowej, natomiast fig. 6b przedstawia częstotliwości zjawiska dudnienia wyłonione z oryginalnego sygnału. Dla opisanego w wynalazku sposobu diagnozowania istnieje więc realna szansa określenia wartości częstotliwości interferujących sygnałów, które ujawniają względny charakter pracy poszczególnych zespołów mechanicznych. Dodatkowo zjawisko dudnienia nie zaburzyło interpretacji częstotliwości sygnału modulującego, nie związanego z efektem zjawiska Dopplera, który pojawia się w rzeczywistych sygnałach wraz z rozwojem uszkodzenia w maszynach, gdzie realizowany jest ruch obrotowy.

Jak przedstawiono na fig. 7, szerokość generowanej histerezy, utożsamiana z długością jej trwania, ma kluczowy wpływ na wielkość amplitudy częstotliwości dudnienia. Rozpatrywane zjawisko wywołane odpowiednim doborem parametrów pomiarowych skutkującym powstaniem histerezy pochodzącej od dwóch poruszających się źródeł sygnału, jest jednoznaczne ze zmianą wartości opóźnienia pomiędzy sygnałami. Wpływ tego opóźnienia jest znaczący na możliwość identyfikacji zjawiska dudnienia, która jest związana ze stosunkiem amplitudy sygnału zjawiska do poziomu szumu.

Jak wynika z przeprowadzonych badań, istnieje możliwość praktycznego wykorzystania histerezy sygnału wibroakustycznego wywołanej efektem zjawiska Dopplera w celu stworzenia warunków do diagnozowania poruszających się obiektów. Sygnały generowane przez poruszające się układy m echaniczne obiektu rejestruje się przez co najmniej dwa mikrofony rozmieszczone w pobliżu toru jazdy obiektu w takiej konfiguracji toru pomiarowego, która prowadzi do wyznaczenia pętli histerezy dopplerowskiej, po czym dokonuje się identyfikacji i analizy zjawiska dudnienia pomiędzy kolejnymi sygnałami, których źródłami są kolejno następujące po sobie układy mechaniczne. Podczas analizy zjawiska

PL 222 383 B1 dudnienia uwzględnia się głębokość modulacji sygnałów nośnych i sygnałów modulacyjnych rejestrowanych przez każdy mikrofon przy zbliżaniu i oddalaniu się źródła sygnału, miejsca występowania dudnienia względem wygenerowanej histerezy, oraz wystąpienie modulacji lub różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł niezwiązanych z efektem zjawiska Dopplera w zakresie szerokości wyznaczonej histerezy. W przypadku odpowiedniej konfiguracji toru pomiarowego dla dwóch różnych odległości względnych źródeł, można zaobserwować zjawisko tworzenia się pętli histerezy w dziedzinie częstotliwości. W czasie trwania tej histerezy występuje zjawisko dudnienia, które daje nam bezpośrednio informację o różnicy częstotliwości wywołanej efektem zjawiska Dopplera. Analiza częstotliwości i charakteru dudnienia wskazuje na wystąpienie modulacji lub różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł, niezwiązanych z efektem zjawiska Dopplera, co świadczy o innym przebiegu kinematycznodynamicznym pracy poszczególnych układów jezdnych spowodowanych np. różną średnicą toczną kół. Możliwe jest także użycie sygnału referencyjnego, właściwego dla diagnozowanego układu m echanicznego, który razem z sygnałem rzeczywistym będzie służyć do celów diagnostycznych.

Przedstawiony sposób diagnozowania pozwala więc na określenie charakteru współpracujących węzłów kinematycznych jak również pojedynczego węzła w przypadku wykorzystania sygnału referencyjnego. Wygenerowanie odpowiedniej pętli histerezy jest kluczowe w kwestii rozszerzenia możliwości diagnostyki i wykorzystania efektu zjawiska Dopplera.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób diagnozowania nieprawidłowości w pracy układów mechanicznych poruszających się obiektów przez stacjonarne stanowisko pomiarowe, bazujący na wykorzystaniu histerezy sygnału wibroakustycznego wywołanej efektem zjawiska Dopplera, znamienny tym, że sygnały wibroakustyczne generowane przez poruszające się układy mechaniczne obiektu rejestruje się przez co najmniej dwa mikrofony rozmieszczone w pobliżu toru jazdy obiektu w takiej konfiguracji toru pomiarowego, która prowadzi do wyznaczenia pętli histerezy w dziedzinie częstotliwości rejestrowanych sygnałów wibroakustycznych pochodzących od tych układów mechanicznych, po czym dokonuje się identyfikacji i analizy zjawiska dudnienia pomiędzy kolejnymi sygnałami, których źródłami są kolejno następujące po sobie układy mechaniczne.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podczas analizy zjawiska dudnienia uwzględnia się głębokość modulacji sygnałów nośnych i sygnałów modulacyjnych rejestrowanych przez każdy mikrofon przy zbliżaniu i oddalaniu się źródła sygnału, miejsca występowania dudnienia względem wygenerowanej histerezy, oraz wystąpienie modulacji lub różnicy w częstotliwościach nośnych źródeł niezwiązanych z efektem zjawiska Dopplera w zakresie szerokości wyznaczonej histerezy.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie pomiaru poprzez zmianę konfiguracji toru pomiarowego optymalizuje się parametry pomiaru wpływające na uzyskania histerezy o większej szerokości.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wyznaczoną pętlę histerezy porównuje się z sygnałem referencyjnym właściwym dla diagnozowanego układu mechanicznego.