WO2021256956A1 - System and method of field inspection for defects in bearings of rotary equipment - Google Patents
System and method of field inspection for defects in bearings of rotary equipment Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021256956A1 WO2021256956A1 PCT/RU2020/000547 RU2020000547W WO2021256956A1 WO 2021256956 A1 WO2021256956 A1 WO 2021256956A1 RU 2020000547 W RU2020000547 W RU 2020000547W WO 2021256956 A1 WO2021256956 A1 WO 2021256956A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- acoustic emission
- bearings
- equipment
- signal
- rotary equipment
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
Definitions
- the invention relates to a measuring technique, namely to a technique for operational monitoring of equipment malfunctions, which registers acoustic signals generated by bearings of rotary equipment, analyzes the signal detected in this way and diagnoses a malfunction of the bearing elements. Also, the system diagnoses the presence of particles of mechanical impurities and / or water emulsion contained in the lubrication of rolling or sliding bearings, which worsen their performance. In addition, the invention relates to techniques for non-destructive testing.
- a known fault diagnosis system for mechanical equipment that detects sounds or vibrations generated by mechanical equipment, analyzes the signal thus detected, and diagnoses a fault for a bearing or bearing element in mechanical equipment, comprising: an envelope processor that receives an envelope for the detected signal ; an FFT (Fast Fourier Transform) unit that converts the envelope obtained by the envelope processor into a frequency spectrum; a peak detector that flattens the frequency spectrum obtained by the FFT unit by performing a moving average calculation process and detects peaks in the frequency spectrum; and a diagnostic processor that diagnoses the problem based on peaks in the frequency spectrum detected by the peak detector.
- an envelope processor that receives an envelope for the detected signal
- an FFT Fast Fourier Transform
- a peak detector that flattens the frequency spectrum obtained by the FFT unit by performing a moving average calculation process and detects peaks in the frequency spectrum
- a diagnostic processor that diagnoses the problem based on peaks in the frequency spectrum detected by the peak detector.
- the system for diagnosing malfunctions of mechanical equipment requires a high sampling rate of the processed signal, which implies the use of high processing power with corresponding energy and financial costs.
- the device is recognized as fully operational if all the spectrum data obtained in (1) - (2) lie within the indicated intervals of possible values.
- the device under test is recognized as inoperative if A) any of the spectral data obtained in (1) - (2) go beyond the specified permissible limits in frequency, or in amplitude; B) Additional frequencies appear (with a significant amplitude exceeding the permissible measurement error) in the analyzed spectrum.
- the aim of the invention is to overcome the above-described disadvantages of the prior art by increasing the control performance by faster and more efficient detection of acoustic emission signals from rotary equipment, including in non-stationary modes of operation, as well as by expanding the functionality in terms of detecting acoustic signals from particles of mechanical impurities and water emulsion contained in the lubrication of rotary or plain bearings.
- AE acoustic emission signals
- non-volatile memory 4) microprocessor and data transmission channel for synchronization with the integrated matrix of the equipment state, software-coupled with each other and implemented on a programmable logic integrated circuit (hereinafter, FPGA), and the microprocessor forms the envelope of the AE signal detected by the sensor, performs frequency conversion Hartley, Hilbert signal decomposition and recording of the duration, magnitude and number of peaks for identifying cyclical patterns and determining the size and characteristics of bearing defects.
- FPGA programmable logic integrated circuit
- FPGA programmable logic integrated circuit
- the implementation of the system elements on a programmable logic integrated circuit allows to provide a high sampling rate of the processed signal without using energy-intensive means, and the presence of a remote data transmission channel, which can be implemented according to the protocols proposed in the RF patent 2626780 - Wi-Fi, GSM, WiMax or MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System), allows synchronization into an integrated equipment state matrix.
- the logic of FPGA operation is not determined during manufacture, but is set through design, which allows increasing the capabilities of the operational control system without the need for mechanical processing, and therefore without the need to stop the controlled equipment.
- the elements of the system, implemented on the FPGA are software-interfaced with each other.
- the system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment is characterized by the fact that the multiplexer can be connected to any next acoustic emission sensor while the microprocessor processes the already received signal.
- the presence of a non-volatile memory provides a comparison of the bearing characteristics obtained from the acoustic emission sensor with its reference characteristics, after which the order of polling the acoustic emission sensors by the multiplexer can be changed.
- step 1 acoustic emission indicators of equipment elements are obtained and recorded, as well as signals from particles of mechanical impurities and water emulsion formed in the bearing lubricant during its operation, after which, at step 2, the envelope of the registered acoustic emission signal is formed, then, on step 3, transform the envelope into the frequency spectrum using the Hartley method, and, in step 4, obtain a Hilbert-conjugate signal, which, in step 5, is autocorrected to identify cyclical patterns in the data obtained during the interaction of elements of rotary equipment, and non-uniformity is taken into account acoustic emission signal peaks, which affects the discreteness step, at step 6, where the total set of N discrete values is divided into several groups of smaller volume, which are subjected to a fast Hartley transform and the selection of peaks indicating the presence of defects, after which, at step 7, by measuring the time difference between double peaks using a spectrum
- the Hilbert transform measures the localized size of a defect.
- the Hartley transform is a real action that requires integral actions with real values at each stage of computing, therefore, the fast Hartley transform (hereinafter, FHT) is significantly faster than the fast Fourier transform (FFT), which was used in the prototype (US patent N ° 764,013) ... Applying a discrete Hartley transform and subsequent FHT signal processing is significantly faster than FFT signal processing. In this case, if necessary, when analyzing the received signals, it is always possible to go from the already made FHT to the values that can be obtained using the FFT.
- FFT fast Fourier transform
- the development uses the Hilbert transform, which, similarly to the Fourier transform and the Hartley transform, is linear. Its use for processing an acoustic signal provides an analytical signal envelope and instantaneous phase. The signal processed in this way can be recognized using autocorrelation, as a result of which the identification of cyclical patterns in the data is carried out.
- the method of operational monitoring of malfunctions of rotary equipment allows: First, it is faster to respond to malfunctions in rotary equipment, including when the device under test fails; Secondly, to give more accurate predictions about the failure of the device under test; Third, use less powerful (cheaper) testing equipment.
- the method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment makes it possible to identify malfunctions during the non-stationary operation of the equipment, for example, when the equipment is started or when it is stopped.
- this method allows one to select high-frequency and ultra-high-frequency signals, namely, signals in the range from 30 to 1000 kHz, which correspond to the formation of microcracks in the bearing material and the ingress of microinclusions in the lubricant into the bearing.
- the primary indicators of acoustic emission of equipment elements and the calculated indicators form a data array that can be integrated into the forecasting and remote monitoring system with the construction of an integral matrix of the equipment state.
- the system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment which registers AE signals received from sensors 1 installed on the bearing assembly, contains an analog-to-digital converter 2 for connecting to one of the acoustic emission sensors 1 through a multiplexer 3, non-volatile memory 4 , as well as a microprocessor 5 and a data transmission channel 6 for synchronization with the integrated matrix of the equipment state 7, software-coupled with each other and implemented on a programmable logic integrated circuit 8.
- the AE sensor 1 is installed on the bearing assembly of the rotary equipment, for example, as illustrated on Figure 2.
- a single rotary object such as a centrifugal pump, typically has four bearing assemblies: two on the drive motor and two on the hydraulics of the pump. Accordingly, at least one acoustic emission sensor is installed on each bearing assembly.
- an operational monitoring system for failures in the bearings of rotary equipment is required, which has at least four acoustic emission sensors.
- the microprocessor receives a request from the forecasting and remote monitoring system about the need to monitor the condition of the bearings, after which the microprocessor performs the function of a multiplexer, that is, it is connected to one of the AE sensors. Further, the signal received from one of the sensors is recorded. The system records for a certain period, for example, one second, that is, at a rotational speed of 3000 rpm, this will be 50 shaft revolutions.
- the microprocessor 3 forms the envelope of the recorded AE signal, transforms the envelope into the frequency spectrum using the Hartley method, and obtains a Hilbert-conjugated signal, which is autocorrected to reveal cyclical patterns in the data, obtained during the interaction of elements of rotary equipment, and the unevenness of the peaks of the acoustic emission signal is taken into account, which affects the discreteness step where the total set of N discrete values is divided into several groups of smaller volume, which undergo rapid Hartley transformation and the allocation of peaks indicating the presence of defects after which, by measuring the time difference between the double peaks using the Hilbert transform spectrum, the localized size of the defect is measured.
- the data is transmitted to the forecasting and remote monitoring system to build an integral matrix of the equipment state.
- the operational control system switches to the AE sensor installed on the next bearing assembly, and at this time the recorded amount of information is processed by the microprocessor and, through the data transmission channel, is transmitted for further analysis to the forecasting and remote monitoring system.
- the multiplexer 3 again interrogates the sensors and sequentially receives AE signals from the remaining sensors, which at this time are subjected to transformations implemented by the microprocessor to identify cyclic patterns and determine the size and characteristics of defects in the bearing.
- the system can provide a comparison of the data obtained from the AE sensor with the reference data before they are analyzed in accordance with the method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of the rotary equipment, and, in case of significant deviations, changes can be made to the procedure for interrogating and analyzing the remaining sensors of this bearing. node.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
The invention, a system and a method of field inspection for defects in bearings of rotary equipment, relates to measurement technology, specifically to the technology of field inspection for equipment defects, wherein the technology registers acoustic signals generated by the bearings of rotary equipment, analyzes the signal thus detected, and diagnoses defects in bearing elements. In addition, the system diagnoses the presence of particles of mechanical impurities and/or aqueous emulsions which are contained in the lubricant of rolling bearings or sliding bearings and degrade their operational characteristics. In addition, the invention relates to technology of non-destructive inspection. The problem addressed by the invention is that of overcoming the above-described deficiencies of the prior art by improving inspection efficiency by means of faster and more effective detection of the acoustic emission signals of rotary equipment, including for unsteady operating conditions, as well as by expanding functional capabilities with respect to detection of acoustic signals from particles of mechanical impurities and aqueous emulsions contained in the lubricant of rolling bearings or sliding bearings.
Description
НАЗВАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ: СИСТЕМА И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ПОДШИПНИКАХ РОТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ TITLE OF THE INVENTION: SYSTEM AND METHOD OF OPERATIONAL CONTROL OF FAULTS IN ROTARY EQUIPMENT BEARINGS
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике эксплуатационного контроля неисправностей оборудования, которая регистрирует акустические сигналы, генерируемые подшипниками роторного оборудования, анализирует обнаруженный таким образом сигнал и диагностирует неисправность элементов подшипника. Также, система диагностирует наличие частиц механических примесей и/или водной эмульсии, содержащихся в смазке подшипников качения или скольжения, ухудшающих их эксплуатационные характеристики. Кроме того, изобретение относится к технике неразрушающего контроля. The invention relates to a measuring technique, namely to a technique for operational monitoring of equipment malfunctions, which registers acoustic signals generated by bearings of rotary equipment, analyzes the signal detected in this way and diagnoses a malfunction of the bearing elements. Also, the system diagnoses the presence of particles of mechanical impurities and / or water emulsion contained in the lubrication of rolling or sliding bearings, which worsen their performance. In addition, the invention relates to techniques for non-destructive testing.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ PRIOR ART
Известна система диагностики неисправностей для механического оборудования, которая обнаруживает звуки или вибрации, генерируемые механическим оборудованием, анализирует обнаруженный таким образом сигнал и диагностирует неисправность для подшипника или элемента, относящегося к подшипнику, в механическом оборудовании, содержащая: процессор огибающей, который получает огибающую для обнаруженного сигнала; блок БПФ (быстрого преобразования Фурье), который преобразует огибающую, полученную процессором огибающей, в частотный спектр; детектор пиков, который сглаживает частотный спектр, полученный блоком БПФ, посредством выполнения процесса вычисления скользящего среднего и обнаруживает пики в частотном спектре; и процессор диагностики, который диагностирует неисправность на основе пиков в частотном спектре, обнаруженных пиковым детектором. Как заявлено японским разработчиком, описанная в патенте США АГп 7640139 система предназначена для высокоточной диагностики неисправностей механического оборудования за
счёт анализа частоты обнаруживаемых звуков или вибраций с использованием быстрого преобразования Фурье. Ещё одной целью данного изобретения является обнаружение аномальных колебаний подшипников и колёсных осей на основе сигнала с датчика вибрации. Недостатками данной системы являются: There is a known fault diagnosis system for mechanical equipment that detects sounds or vibrations generated by mechanical equipment, analyzes the signal thus detected, and diagnoses a fault for a bearing or bearing element in mechanical equipment, comprising: an envelope processor that receives an envelope for the detected signal ; an FFT (Fast Fourier Transform) unit that converts the envelope obtained by the envelope processor into a frequency spectrum; a peak detector that flattens the frequency spectrum obtained by the FFT unit by performing a moving average calculation process and detects peaks in the frequency spectrum; and a diagnostic processor that diagnoses the problem based on peaks in the frequency spectrum detected by the peak detector. As stated by the Japanese developer, the system described in US patent AGP 7640139 is intended for high-precision diagnostics of mechanical equipment malfunctions for analysis of the frequency of detected sounds or vibrations using the fast Fourier transform. Another object of the present invention is to detect abnormal vibrations in bearings and wheel axles based on a signal from a vibration sensor. The disadvantages of this system are:
1. Невозможность определения точного момента времени для максимального уровня (пика) шума, характеризующего наличие неисправности, отсутствие возможности выделения различных компонент шума в общем сигнале. Различные шумовые сигналы, генерируемые при наличии неисправности, могут находиться в одном и том же или близком частотном диапазоне, из-за чего трудно корректно идентифицировать природу дефекта и часть агрегата, где возникла неисправность; 1. The impossibility of determining the exact moment in time for the maximum level (peak) of noise, which characterizes the presence of a malfunction, the impossibility of distinguishing various noise components in the general signal. Various noise signals generated in the presence of a malfunction may be in the same or close frequency range, which makes it difficult to correctly identify the nature of the defect and the part of the unit where the malfunction occurred;
2. Отсутствие возможности выделить сигналы, возникающие вследствие наличия частиц механических примесей и/или водной эмульсии, содержащихся в смазке подшипников вращения или скольжения что, в свою очередь, не позволяет принять своевременные меры по замене смазки и предотвратить разрушение подшипника; 2. The inability to distinguish signals arising from the presence of particles of mechanical impurities and / or water emulsion contained in the lubrication of rotary or sliding bearings, which, in turn, does not allow taking timely measures to change the lubricant and prevent the destruction of the bearing;
3. Система диагностики неисправностей механического оборудования требует обеспечения высокой частоты дискретизации обрабатываемого сигнала, что предполагает использование высоких мощностей обработки данных с соответствующими энергетическими и финансовыми затратами. 3. The system for diagnosing malfunctions of mechanical equipment requires a high sampling rate of the processed signal, which implies the use of high processing power with corresponding energy and financial costs.
В выше отмеченном патенте США JSfo 7640139 не раскрыт способ осуществления диагностики, однако из описания системы можно полагать, что (1) с некоторого набора акустических и вибрационных датчиков снимается непрерывный сигнал, (2) который затем дискретизируется и подвергается обработке методом быстрого преобразования Фурье, создаётся амплитудно-частотный спектр этого сигнала, (3) после чего полученный спектр сравнивается с эталонным, который соответствует идеальному состоянию работающего, подвергаемого проверке, устройства. На фоне идеального спектра выделяется набор основных частот с соответствующими амплитудами. Для каждой основной частоты этого набора определяется интервалы допустимых значений по частоте и по амплитуде. Проверяемое
устройство признается полностью работоспособным, если все полученные в (1)-(2) данные спектра лежат в указанных интервалах возможных значений. Проверяемое устройство признается неработоспособным, если А) какие- либо из полученных в (1)-(2) спектральных данных выходят за указанные допустимые границы по частоте, или по амплитуде; Б) Возникают дополнительные частоты (с существенной амплитудой, превышающей допустимую ошибку измерения) в анализируемом спектре. The above-mentioned US patent JSfo 7640139 does not disclose a method for performing diagnostics, however, from the description of the system, it can be assumed that (1) a continuous signal is removed from a certain set of acoustic and vibration sensors, (2) which is then sampled and processed by the fast Fourier transform method, the amplitude-frequency spectrum of this signal, (3) after which the obtained spectrum is compared with the reference one, which corresponds to the ideal state of the operating device being tested. A set of fundamental frequencies with corresponding amplitudes stands out against the background of the ideal spectrum. For each fundamental frequency of this set, intervals of admissible values in frequency and in amplitude are determined. Checked the device is recognized as fully operational if all the spectrum data obtained in (1) - (2) lie within the indicated intervals of possible values. The device under test is recognized as inoperative if A) any of the spectral data obtained in (1) - (2) go beyond the specified permissible limits in frequency, or in amplitude; B) Additional frequencies appear (with a significant amplitude exceeding the permissible measurement error) in the analyzed spectrum.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ CARRYING OUT THE INVENTION
Целью изобретения является преодоление описанных выше недостатков предшествующего уровня техники за счёт повышения производительности контроля путём более быстрого и эффективного обнаружения сигналов акустической эмиссии роторного оборудования, в том числе при нестационарных режимах работы, а также, путём расширения функциональных возможностей в части обнаружения акустических сигналов от частиц механических примесей и водной эмульсии, содержащихся в смазке подшипников вращения или скольжения. The aim of the invention is to overcome the above-described disadvantages of the prior art by increasing the control performance by faster and more efficient detection of acoustic emission signals from rotary equipment, including in non-stationary modes of operation, as well as by expanding the functionality in terms of detecting acoustic signals from particles of mechanical impurities and water emulsion contained in the lubrication of rotary or plain bearings.
Технический результат использования системы эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, регистрирующей сигналы акустической эмиссии (далее, АЭ) полученные с датчиков АЭ, установленных на подшипниковый узел достигается за счет того, что используется аппаратно-программный комплекс, включающий 1) аналого-цифровой преобразователь для подключения к датчикам АЭ черезThe technical result of using a system for operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment, recording acoustic emission signals (hereinafter, AE) received from AE sensors installed on the bearing assembly, is achieved due to the fact that a hardware and software complex is used, including 1) an analog-to-digital converter for connection to AE sensors through
2) мультиплексор, опрашивающий датчики с определенной периодичностью,2) a multiplexer that polls the sensors at regular intervals,
3) энергонезависимую память, 4) микропроцессор и канал передачи данных для синхронизации с интегральной матрицей состояния оборудования, программно-сопряженные между собой и реализованные на программируемой логической интегральной схеме (далее, ПЛИС), причём микропроцессор формирует огибающую обнаруженного датчиком сигнала АЭ, выполняет частотное преобразование Хартли, разложение сигнала по Гильберту и регистрацию длительности, величины и количества пиков для
выявления циклических закономерностей и определения размера и характеристик дефектов в подшипнике.. 3) non-volatile memory, 4) microprocessor and data transmission channel for synchronization with the integrated matrix of the equipment state, software-coupled with each other and implemented on a programmable logic integrated circuit (hereinafter, FPGA), and the microprocessor forms the envelope of the AE signal detected by the sensor, performs frequency conversion Hartley, Hilbert signal decomposition and recording of the duration, magnitude and number of peaks for identifying cyclical patterns and determining the size and characteristics of bearing defects.
Реализация элементов системы на программируемой логической интегральной микросхеме (далее ПЛИС) позволяет обеспечить высокую частоту дискретизации обрабатываемого сигнала без задействования энергозатратных средств, а наличие канала дистанционной передачи данных, который может быть реализован по протоколам, предложенным в патенте РФ
2626780 - Wi-Fi, GSM, WiMax или MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System), позволяет осуществлять синхронизацию в интегральную матрицу состояния оборудования. Логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством проектирования, что позволяет наращивать возможности системы эксплуатационного контроля без необходимости механической переработки, а значит и без необходимости остановки контролируемого оборудования. Таким образом, элементы системы, реализованные на ПЛИС программно-сопряжены между собой. The implementation of the system elements on a programmable logic integrated circuit (hereinafter FPGA) allows to provide a high sampling rate of the processed signal without using energy-intensive means, and the presence of a remote data transmission channel, which can be implemented according to the protocols proposed in the RF patent 2626780 - Wi-Fi, GSM, WiMax or MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System), allows synchronization into an integrated equipment state matrix. The logic of FPGA operation is not determined during manufacture, but is set through design, which allows increasing the capabilities of the operational control system without the need for mechanical processing, and therefore without the need to stop the controlled equipment. Thus, the elements of the system, implemented on the FPGA, are software-interfaced with each other.
Кроме того, система эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования характеризуется тем, что мультиплексор может подключаться к любому следующему датчику акустической эмиссии в то время, как микропроцессор обрабатывает уже полученный сигнал. In addition, the system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment is characterized by the fact that the multiplexer can be connected to any next acoustic emission sensor while the microprocessor processes the already received signal.
Наличие энергонезависимой памяти обеспечивает сравнение полученных с датчика акустической эмиссии характеристик подшипника с его эталонными характеристиками, после чего порядок опрашивания датчиков акустической эмиссии мультиплексором может быть изменён. The presence of a non-volatile memory provides a comparison of the bearing characteristics obtained from the acoustic emission sensor with its reference characteristics, after which the order of polling the acoustic emission sensors by the multiplexer can be changed.
Технический результат использования способа эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования достигается за счёт того, что на шаге 1 получают и регистрируют показатели акустической эмиссии элементов оборудования, а также сигналы от частиц механических примесей и водной эмульсии, образующихся в смазке подшипника в процессе его эксплуатации, после чего, на шаге 2, формируют огибающую зарегистрированного сигнала акустической эмиссии, затем, на
шаге 3, осуществляют преобразования огибающей в частотный спектр методом Хартли, и, на шаге 4, осуществляют получение сопряженного по Гильберту сигнала, который, на шаге 5, подвергается автокорреляции для выявления циклических закономерностей в данных, полученных при взаимодействие элементов роторного оборудования, причём учитывается неравномерность пиков сигнала акустической эмиссии, которая влияет на шаг дискретности, на шаге 6, где общий набор из N дискретных значений разбивают на несколько групп меньшего объема, которые подвергаются быстрому преобразованию Хартли и выделению пиков, указывающих на наличие дефектов после чего, на шаге 7, путём измерения разности во времени между двойными пиками с использованием спектраThe technical result of using the method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment is achieved due to the fact that at step 1, acoustic emission indicators of equipment elements are obtained and recorded, as well as signals from particles of mechanical impurities and water emulsion formed in the bearing lubricant during its operation, after which, at step 2, the envelope of the registered acoustic emission signal is formed, then, on step 3, transform the envelope into the frequency spectrum using the Hartley method, and, in step 4, obtain a Hilbert-conjugate signal, which, in step 5, is autocorrected to identify cyclical patterns in the data obtained during the interaction of elements of rotary equipment, and non-uniformity is taken into account acoustic emission signal peaks, which affects the discreteness step, at step 6, where the total set of N discrete values is divided into several groups of smaller volume, which are subjected to a fast Hartley transform and the selection of peaks indicating the presence of defects, after which, at step 7, by measuring the time difference between double peaks using a spectrum
Преобразования Гильберта измеряется локализованный размер дефекта. The Hilbert transform measures the localized size of a defect.
Преобразование Хартли - действительное действие, требующее на каждом этапе вычислений интегральных действий с действительными величинами, поэтому, быстрое преобразование Хартли (далее, БПХ) существенно быстрее, чем быстрое преобразование Фурье (БПФ), которое было использовано в прототипе (патент США N° 764013). Применение дискретного преобразования Хартли и последующая обработка сигнала на основе БПХ существенно быстрее, чем обработка сигнала на основе БПФ. При этом, в случае необходимости, при анализе полученных сигналов всегда есть возможность перейти от уже сделанного БПХ к величинам, которые можно получить с помощью БПФ. The Hartley transform is a real action that requires integral actions with real values at each stage of computing, therefore, the fast Hartley transform (hereinafter, FHT) is significantly faster than the fast Fourier transform (FFT), which was used in the prototype (US patent N ° 764,013) ... Applying a discrete Hartley transform and subsequent FHT signal processing is significantly faster than FFT signal processing. In this case, if necessary, when analyzing the received signals, it is always possible to go from the already made FHT to the values that can be obtained using the FFT.
Далее в разработке используется преобразование Гильберта, которое, аналогично с преобразованием Фурье и преобразованием Хартли является линейным. Его использование для обработки акустического сигнала позволяет получить аналитическую огибающую сигнала и мгновенную фазу. Обработанный таким образом сигнал может быть распознан с помощью автокорреляции, в результате чего осуществляется выявление циклических закономерностей в данных. Учитывая «ускорение» обработки сигнала на основе БПХ по сравнению с БПФ, способ эксплуатационного контроля неисправностей роторного оборудования позволяет:
Во-первых, быстрее реагировать на неисправности в роторном оборудовании, в том числе при выходе из строя проверяемого устройства; Во-вторых, давать более точные прогнозы по выходу из строя проверяемого устройства; В-третьих, использовать менее мощное (более дешёвое) тестирующее оборудование. Further, the development uses the Hilbert transform, which, similarly to the Fourier transform and the Hartley transform, is linear. Its use for processing an acoustic signal provides an analytical signal envelope and instantaneous phase. The signal processed in this way can be recognized using autocorrelation, as a result of which the identification of cyclical patterns in the data is carried out. Taking into account the "acceleration" of signal processing based on FHC in comparison with FFT, the method of operational monitoring of malfunctions of rotary equipment allows: First, it is faster to respond to malfunctions in rotary equipment, including when the device under test fails; Secondly, to give more accurate predictions about the failure of the device under test; Third, use less powerful (cheaper) testing equipment.
Совместное применение БПХ и преобразования Гильберта позволяет фиксировать момент времени, в который обнаружили пик сигнала, связанного с развитием неисправности, благодаря чему возможно правильно идентифицировать участок, где возникла неисправность. The combined application of the FHC and the Hilbert transform makes it possible to fix the time moment at which the peak of the signal associated with the development of the malfunction was detected, so that it is possible to correctly identify the area where the malfunction occurred.
Способ эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования позволяет выявлять неисправности в процессе нестационарного режима эксплуатации оборудования, например, при запуске оборудования или при его остановке. Кроме того, данный способ позволяет выделять высокочастотные и сверхвысокочастотные сигналы, а именно, сигналы в диапазоне от 30 до 1000 кГц, которые соответствуют образованию микротрещин в материале подшипника и попаданию в подшипник микровключений в смазке. The method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment makes it possible to identify malfunctions during the non-stationary operation of the equipment, for example, when the equipment is started or when it is stopped. In addition, this method allows one to select high-frequency and ultra-high-frequency signals, namely, signals in the range from 30 to 1000 kHz, which correspond to the formation of microcracks in the bearing material and the ingress of microinclusions in the lubricant into the bearing.
Первичные показатели акустической эмиссии элементов оборудования и рассчитанные показатели формируют массив данных, который может быть интегрирован в систему прогностики и удаленного мониторинга с построением интегральной матрицы состояния оборудования. The primary indicators of acoustic emission of equipment elements and the calculated indicators form a data array that can be integrated into the forecasting and remote monitoring system with the construction of an integral matrix of the equipment state.
Описанные в данной заявке способ и система эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования могут быть полностью интегрированы в систему удаленного мониторинга энергетических установок раскрытую в патенте РФ
2626780 от 15.07.2015. The method and system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment described in this application can be fully integrated into the system for remote monitoring of power plants disclosed in the patent of the Russian Federation 2626780 dated 07.15.2015.
ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Рассмотрим один из вариантов реализации системы и способа эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования.
Как показано на фигуре 1, система эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, которая регистрирует сигналы АЭ полученные с датчиков 1, установленных на подшипниковый узел содержит аналого-цифровой преобразователь 2 для подключения к одному из датчиков акустической эмиссии 1 через мультиплексор 3, энергонезависимую память 4, а также микропроцессор 5 и канал передачи данных 6 для синхронизации с интегральной матрицей состояния оборудования 7, программно-сопряженные между собой и реализованные на программируемой логической интегральной схеме 8. Датчик АЭ 1 установлен на подшипниковый узел роторного оборудования, например так, как это проиллюстрировано на фигуре 2. Let us consider one of the options for implementing the system and method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment. As shown in figure 1, the system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment, which registers AE signals received from sensors 1 installed on the bearing assembly, contains an analog-to-digital converter 2 for connecting to one of the acoustic emission sensors 1 through a multiplexer 3, non-volatile memory 4 , as well as a microprocessor 5 and a data transmission channel 6 for synchronization with the integrated matrix of the equipment state 7, software-coupled with each other and implemented on a programmable logic integrated circuit 8. The AE sensor 1 is installed on the bearing assembly of the rotary equipment, for example, as illustrated on Figure 2.
Один ротационный объект, например, центробежный насос, как правило, имеет четыре подшипниковых узла: два на приводном двигателе и два на гидравлической части насоса. Соответственно, на каждый подшипниковый узел установлен как минимум один датчик акустической эмиссии. Таким образом, для контроля одного центробежного насоса требуется система эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, имеющая как минимум четыре датчика акустической эмиссии. На первом этапе, микропроцессор получает запрос от системы прогностики и удалённого мониторинга о необходимости контроля состояния подшипников, после чего микропроцессор выполняет функцию мультиплексора, то есть подключается к одному из датчиков АЭ. Далее, полученный с одного из датчиков сигнал регистрируется. Система выполняет запись в течение определенного периода, например, одной секунды, то есть при скорости вращения 3000 об/мин, это составит 50 оборотов вала. A single rotary object, such as a centrifugal pump, typically has four bearing assemblies: two on the drive motor and two on the hydraulics of the pump. Accordingly, at least one acoustic emission sensor is installed on each bearing assembly. Thus, to control one centrifugal pump, an operational monitoring system for failures in the bearings of rotary equipment is required, which has at least four acoustic emission sensors. At the first stage, the microprocessor receives a request from the forecasting and remote monitoring system about the need to monitor the condition of the bearings, after which the microprocessor performs the function of a multiplexer, that is, it is connected to one of the AE sensors. Further, the signal received from one of the sensors is recorded. The system records for a certain period, for example, one second, that is, at a rotational speed of 3000 rpm, this will be 50 shaft revolutions.
Получив сигнал АЭ с датчика 1 микропроцессор 3 формирует огибающую зарегистрированного сигнала АЭ, осуществляют преобразования огибающей в частотный спектр методом Хартли, и получают сопряженный по Гильберту сигнал, который подвергают автокорреляции для выявления циклических закономерностей в данных,
полученных при взаимодействие элементов роторного оборудования, причём учитывается неравномерность пиков сигнала акустической эмиссии, которая влияет на шаг дискретности где общий набор из N дискретных значений разбивают на несколько групп меньшего объема, которые подвергаются быстрому преобразованию Хартли и выделению пиков, указывающих на наличие дефектов после чего, путём измерения разности во времени между двойными пиками с использованием спектра Преобразования Гильберта измеряют локализованный размер дефекта. Данные передаются в систему прогностики и удалённого мониторинга для построения интегральной матрицы состояния оборудования. Having received the AE signal from the sensor 1, the microprocessor 3 forms the envelope of the recorded AE signal, transforms the envelope into the frequency spectrum using the Hartley method, and obtains a Hilbert-conjugated signal, which is autocorrected to reveal cyclical patterns in the data, obtained during the interaction of elements of rotary equipment, and the unevenness of the peaks of the acoustic emission signal is taken into account, which affects the discreteness step where the total set of N discrete values is divided into several groups of smaller volume, which undergo rapid Hartley transformation and the allocation of peaks indicating the presence of defects after which, by measuring the time difference between the double peaks using the Hilbert transform spectrum, the localized size of the defect is measured. The data is transmitted to the forecasting and remote monitoring system to build an integral matrix of the equipment state.
Далее, система эксплуатационного контроля переключается на датчик АЭ, установленный на следующем подшипниковом узле, а в это время записанный объем информации обрабатывается микропроцессором и, через канал передачи данных, передается для последующего анализа в систему прогностики и удаленного мониторинга. Further, the operational control system switches to the AE sensor installed on the next bearing assembly, and at this time the recorded amount of information is processed by the microprocessor and, through the data transmission channel, is transmitted for further analysis to the forecasting and remote monitoring system.
Мультиплексор 3 вновь опрашивает датчики и последовательно получает сигналы АЭ с оставшихся датчиков, которые в это время подвергаются преобразованиям, реализуемым микропроцессором для выявления циклических закономерностей и определения размера и характеристик дефектов в подшипнике. The multiplexer 3 again interrogates the sensors and sequentially receives AE signals from the remaining sensors, which at this time are subjected to transformations implemented by the microprocessor to identify cyclic patterns and determine the size and characteristics of defects in the bearing.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ INDUSTRIAL APPLICABILITY
В системе может обеспечиваться сравнение полученных с датчика АЭ данных с эталонными ранее, чем они будут проанализированы в соответствие со способом эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, и, в случае значительных отклонений, могут быть внесены изменения в порядок опрашивания и анализа остальных датчиков данного подшипникового узла.
The system can provide a comparison of the data obtained from the AE sensor with the reference data before they are analyzed in accordance with the method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of the rotary equipment, and, in case of significant deviations, changes can be made to the procedure for interrogating and analyzing the remaining sensors of this bearing. node.
Claims
1. Система эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, регистрирующая сигналы акустической эмиссии полученные с датчиков, установленных на подшипниковый узел, содержащая аналого-цифровой преобразователь для подключения к одному из датчиков акустической эмиссии через мультиплексор, периодически опрашивающий датчики акустической эмиссии, энергонезависимую память, а также микропроцессор и канал передачи данных для синхронизации с интегральной матрицей состояния оборудования, программно-сопряженные между собой и реализованные на программируемой логической интегральной схеме, причём микропроцессор формирует огибающую обнаруженного датчиком сигнала акустической эмиссии, выполняет частотное преобразование Хартли, разложение сигнала по Гильберту и регистрацию длительности, величины и количества пиков для выявления циклических закономерностей и определения размера и характеристик дефектов в подшипнике. 1. The system of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment, recording acoustic emission signals received from sensors installed on the bearing assembly, containing an analog-to-digital converter for connecting to one of the acoustic emission sensors through a multiplexer, periodically polling acoustic emission sensors, non-volatile memory, and also a microprocessor and a data transmission channel for synchronization with an integrated matrix of the state of the equipment, software-coupled with each other and implemented on a programmable logic integrated circuit, moreover, the microprocessor forms the envelope of the acoustic emission signal detected by the sensor, performs Hartley frequency transformation, Hilbert signal decomposition and recording of the duration, the magnitude and number of peaks to identify cyclical patterns and determine the size and characteristics of bearing defects.
2. Система по п. 1 характеризующаяся тем, что мультиплексор подключается к любому из следующих датчиков акустической эмиссии в то время, как микропроцессор обрабатывает сигнал полученный ранее. 2. The system according to claim 1, characterized in that the multiplexer is connected to any of the following acoustic emission sensors while the microprocessor processes the previously received signal.
3. Система по пп. 1 - 2 характеризующаяся тем, что обеспечивает сравнение полученных с датчика акустической эмиссии характеристик подшипника с его эталонными характеристиками, после чего порядок опрашивания датчиков акустической эмиссии мультиплексором может быть изменён. 3. The system according to PP. 1 - 2 characterized by the fact that it provides a comparison of the bearing characteristics obtained from the acoustic emission sensor with its reference characteristics, after which the order of polling the acoustic emission sensors by the multiplexer can be changed.
4. Способ эксплуатационного контроля неисправностей в подшипниках роторного оборудования, согласно которому получают и регистрируют показатели акустической эмиссии элементов оборудования, а также сигналы от включений и жидкой эмульсии, образующихся в смазке подшипника в процессе его эксплуатации, после чего формируют огибающую зарегистрированного сигнала акустической эмиссии, осуществляют преобразования огибающей в частотный спектр методом Хартли, и
получают сопряженный по Гильберту сигнал, который подвергают автокорреляции для выявления циклических закономерностей в данных, полученных при взаимодействие элементов роторного оборудования, причём учитывается неравномерность пиков сигнала акустической эмиссии, которая влияет на шаг дискретности где общий набор из N дискретных значений разбивают на несколько групп меньшего объема, которые подвергаются быстрому преобразованию Хартли и выделению пиков, указывающих на наличие дефектов после чего, путём измерения разности во времени между двойными пиками с использованием спектра Преобразования Г ильберта измеряют локализованный размер дефекта. 4. A method of operational monitoring of malfunctions in the bearings of rotary equipment, according to which the acoustic emission indicators of the equipment elements, as well as signals from inclusions and liquid emulsion formed in the bearing lubricant during its operation are obtained and recorded, after which the envelope of the registered acoustic emission signal is formed, carry out converting the envelope to the frequency spectrum by the Hartley method, and a Hilbert-conjugated signal is obtained, which is subjected to autocorrelation to identify cyclical patterns in the data obtained during the interaction of elements of rotary equipment, and the unevenness of the peaks of the acoustic emission signal is taken into account, which affects the discreteness step where the total set of N discrete values is divided into several groups of smaller volume, which undergo a rapid Hartley transform and isolate peaks that indicate the presence of defects, then, by measuring the time difference between the double peaks using the H-Ilbert transform spectrum, the localized size of the defect is measured.
5. Способ по п. 4 характеризующийся тем, что позволяет выявлять неисправности в процессе нестационарного режима эксплуатации подшипников роторного оборудования. 5. The method according to claim 4, characterized in that it allows detecting malfunctions during the non-stationary operation of the bearings of the rotary equipment.
6. Способ по пп. 4 - 5 характеризующийся тем, что позволяет выделять высокочастотные и сверхвысокочастотные сигналы.
6. The method according to PP. 4 - 5 characterized by the fact that it allows you to select high-frequency and ultra-high-frequency signals.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119669A RU2752287C1 (en) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | System and a method of operational monitoring of malfunctions in bearings of rotary equipment |
| RU2020119669 | 2020-06-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021256956A1 true WO2021256956A1 (en) | 2021-12-23 |
Family
ID=76989413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/000547 WO2021256956A1 (en) | 2020-06-15 | 2020-10-19 | System and method of field inspection for defects in bearings of rotary equipment |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2752287C1 (en) |
| WO (1) | WO2021256956A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU996903A1 (en) * | 1981-03-27 | 1983-02-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Rolling-contact bearing assembly quality control method |
| US5140858A (en) * | 1986-05-30 | 1992-08-25 | Koyo Seiko Co. Ltd. | Method for predicting destruction of a bearing utilizing a rolling-fatigue-related frequency range of AE signals |
| RU2150698C1 (en) * | 1997-11-25 | 2000-06-10 | Государственный Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина | Multichannel acoustic emission device to test articles |
| US20080033695A1 (en) * | 2004-10-18 | 2008-02-07 | Nsk Ltd | Abnormality Diagnosing System For Mechanical Equipment |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3875398T2 (en) * | 1987-06-03 | 1993-04-08 | Kawasaki Steel Co | DEVICE FOR DETECTING FAULTS IN BEARINGS. |
| SU1552092A1 (en) * | 1987-12-21 | 1990-03-23 | Московский Институт Инженеров Железнодорожного Транспорта | Method of diagnosis of rolling-contact bearings |
-
2020
- 2020-06-15 RU RU2020119669A patent/RU2752287C1/en active
- 2020-10-19 WO PCT/RU2020/000547 patent/WO2021256956A1/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU996903A1 (en) * | 1981-03-27 | 1983-02-15 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Rolling-contact bearing assembly quality control method |
| US5140858A (en) * | 1986-05-30 | 1992-08-25 | Koyo Seiko Co. Ltd. | Method for predicting destruction of a bearing utilizing a rolling-fatigue-related frequency range of AE signals |
| RU2150698C1 (en) * | 1997-11-25 | 2000-06-10 | Государственный Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина | Multichannel acoustic emission device to test articles |
| US20080033695A1 (en) * | 2004-10-18 | 2008-02-07 | Nsk Ltd | Abnormality Diagnosing System For Mechanical Equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2752287C1 (en) | 2021-07-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8214160B2 (en) | State detection device, state detection method, state detection program, and information recording medium | |
| JP5740208B2 (en) | Bearing diagnosis method and system | |
| JP2003528292A (en) | State-based monitoring of bearings by vibration analysis | |
| CA2874991A1 (en) | Methods and apparatuses for defect diagnosis in a mechanical system | |
| KR102040179B1 (en) | Method for sensing and diagnosing abnormality of manufacture equipment | |
| JPWO2015068446A1 (en) | Abnormal sound diagnosis device | |
| CN111964909A (en) | Rolling bearing operation state detection method, fault diagnosis method and system | |
| US11422024B2 (en) | Method for detecting a defect in a vibration sensor, associated device and computer program | |
| US20140058615A1 (en) | Fleet anomaly detection system and method | |
| JP2024504289A (en) | Method and apparatus for identifying abnormalities in mechanical equipment or mechanical parts | |
| Nienhaus et al. | Development of acoustic emission (AE) based defect parameters for slow rotating roller bearings | |
| JP6714844B2 (en) | Abnormality diagnosis method | |
| JP2002181038A (en) | Abnormality diagnosis device | |
| RU2752287C1 (en) | System and a method of operational monitoring of malfunctions in bearings of rotary equipment | |
| JP2006189333A (en) | Device for diagnosing abnormality of bearing | |
| CN113944600B (en) | Method and system for detecting fan main bearing faults by using stress wave technology | |
| KR101248232B1 (en) | Diagnosis method and system on deteriration of parallel driven utility equipments | |
| KR102445651B1 (en) | Motor noise detecting device and detecting method using ae sensor | |
| Thanagasundram et al. | Autoregressive based diagnostics scheme for detection of bearing faults | |
| RU2730401C1 (en) | Bearing assembly condition diagnosing method | |
| JP7367535B2 (en) | Diagnostic method and device for rotating bearings | |
| RU2444039C1 (en) | Method and apparatus for diagnosing process device using process parameter sensor signal | |
| JP7040920B2 (en) | Bearing condition monitoring device and abnormality diagnosis method | |
| CN114562429A (en) | Wind turbine generator blade damage early warning method based on clearance and sound vibration monitoring | |
| Alekseev et al. | Data measurement system of compressor units defect diagnosis by vibration value |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20941030 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20941030 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |