автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка системы акустической диагностики состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех



48512

у '

ГРУДИНИН ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОЛЁС ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ПОВЫШЕННОМ УРОВНЕ ПОМЕХ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011

3 О ИЮН 2011

4851209

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. . М.А. Бонч-Бруевича на кафедре радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости.

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Ковалгиы Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Майоров Василий Семенович

канди дат технических наук, доцент Тимченко Владимир Иванович

Ведущая организация ФГУП НИИ «Рубин»

Защита диссертации состоится » ^ 2011 г. в Ж часов на заседании диссертационного совета Д.219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61 рг

Автореферат разослан 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В.В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема обеспечения безаварийности и безопасности автомобильного движения в настоящее время решается на государственном уровне. С этой целью реализуется целый комплекс мер, направленных на развитие и модернизацию современных автомагистралей, повышение уровня квалификации водителей и на разработку различных систем, позволяющих автоматизировать управление транспортными средствами, а также значительно повысить эффективность их технической диагностики.

Дорожно-транспортные происшествия по причине технической неисправности транспортного средства происходят чаще всего из-за неисправности колес автомобиля или систем их крепления. Они в большинстве случаев приводят к тяжким последствиям: существенным экономическим потерям, к травмам или даже гибели людей.

Существующие на сегодняшний день методы профилактики возникновения таких неисправностей заключаются, как правило, в периодическом проведении технического осмотра грузового автомобиля и в своевременной замене неисправных или отслуживших свой срок деталей и агрегатов.

Актуальной становится задача разработки универсальной, удобной и информативной системы диагностики состояния колес грузовых автомобилей. Данная система должна оперативно обнаруживать возникающие дефекты (фиксировать факт их возникновения), идентифицировать их (относить к одному из известных типов), а также регистрировать (в доступной форме оповещать водителя).

Изучению методов диагностики механических систем посвящены работы ученых A.A. Абдулаева, А.Ю. Азовцева, Г.В. Аркадова, B.C. Барашцука, A.B. Баркова, H.A. Барковой, И.А. Биргера, В.В. Болотина, М.Д. Генкина, Б.Л. Герике, A.C. Гольдина, С.А. Добрынина, Ю.Ф. Застрогана, В.В. Клюева, P.A. Коллакота, А.З. Кулбянина, В.И. Павелко, Я.Г. Пановко, В.А. Русова, А.Г. Соколовой, А.Г. Толстова, В.Ю. Тэтгэра, А.И. Усанова, В.В. Федорище-ва, М.С. Фельдмана, В.Г. Фирсатова, Г.И. Фирсова, A.M. Хазарова, С.Ф. Цвид, К.Н. Явленского, А.К. Явленского, Билл Уотгса (Bill Watts), Дж ван Дайка (Joe Van Dyke) и других специалистов.

Целью диссертационной работы является разработка системы акустической диагностики состояния колес транспортных средств большой грузоподъёмности, позволяющей оперативно регистрировать возникающие при их эксплуатации неисправности в условиях повышенного уровня внешних помех.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести анализ публикаций, посвященных методам оценки технического состояния узлов и агрегатов машин и механизмов; систематизировать

возможные дефекты колес транспортных средств; проанализировать методы их обнаружения, выделить наиболее перспективные;

2. Провести анализ акустических сигналов, создаваемых колесами при движении автомобиля; выбрать диагностические признаки; разработать алгоритмы для обнаружения, идентификации и регистрации дефектов;

3. Сформулировать требования, предъявляемые к системе акустической диагностики состояния колес; разработать концепцию построения, структуру и интерфейс программы; выбрать язык программирования для её реализации; создать соответствующее программное обеспечение;

4. Выбрать способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью разработанного программного обеспечения; сформировать набор тестовых сигналов для проведения лабораторных испытаний;

5. Провести лабораторные и полевые испытания, обработать результаты, сделать заключение о степени достоверности диагностики состояния колес с помощью разработанной программы и правильности выбора предложенных решений.

Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались: методы цифровой обработки акустических сигналов, спектральный анализ сигналов, математическая статистика и математический анализ, программирование на языках С и С++, программное обеспечение МайаЪ.

Научная новизна и новые полученные результаты.

1. Сформулирован общий подход к разработке системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех - анализ акустических сигналов, сопровождающих их движение. Получен набор записей акустических сигналов, возникающих при движении исправных и неисправных колес. На основе анализа данных сигналов найдены диагностические признаки, позволяющие не только обнаруживать, но и идентифицировать три наиболее распространённых дефекта: отслоение части корда, 'ослабление крепления колесного диска к ступице, частичная и полная блокировки колеса. Разработан метод минимизации влияния помех от неровностей дороги на результаты диагностики.

2. Установлено, что обнаружение таких дефектов, как отслоение части корда, блокировка колеса и ослабление крепления колесного диска к ступице, может осуществляться на основе сравнения уровней полосовых акустических сигналов двух колес, расположенных на одной оси автомобиля. Случай, когда разница уровней данных сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц превышает эмпирически найденное пороговое значение 8,3 дБ, соответствует возникновению либо отслоения части корда, либо блокировки колеса. Значение данной величины в диапазоне от 7,9 до 8,3 дБ соответствует только отслоению части корда. Если же данная величина принимает значения менее 4,4 дБ, то оба дефекта отсутствуют; нахождение величины в диапазоне от 4,4 до

5,2 дБ означает, что отсутствует блокировка колеса. Аналогичным образом, только с использованием полосы частот от 11200 до 1170 Гц, регистрируется ослабление крепления колесного диска к ступице. Если данная величина превышает 9,1 дБ, то произошло ослабление крепления, а если меньше 3,6 дБ, то данный дефект отсутствует.

3. Выявлено, что дополнительным признаком, позволяющим не только обнаружить, но и идентифицировать дефект отслоения части корда (отличить его от блокировки колеса), является энергия первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса. Превышение разницы данных энергий для колес, расположенных на одной оси, порогового значения 17,1 дБ соответствует отслоению корда. Если же данная величина составляет менее 2,6 дБ, то отслоение корда отсутствует. Обнаружение такого дефекта, как полная блокировка колеса, возможно на основе оценки скорости изменения уровня акустического сигнала в полосе частот от 1930 до 2290 Гц. Если скорость изменения уровня больше эмпирически найденного порогового значения 7,4 дБ/с, то возникла полная блокировка колеса. Если меньше 3,1 дБ/с, то полная блокировка колеса отсутствует.

4. Разработан оригинальный алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Он позволяет не только обнаруживать дефект на основе оценки и сравнения уровней полосовых сигналов исправных и неисправных колес, но и идентифицировать их по характерным признакам, таким как скорость изменения уровней полосовых сигналов и величина энергии 11 первых гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса;

5. Разработана компьютерная программа оперативного контроля состояния автомобильных колес.

6. Разработан способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Проведены лабораторные и частично полевые испытания, доказывающие правильность принятых научных и технических решений.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. сформирован банк записей акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес автомобилей, как при отсутствии, так и при наличии внешних помех;

2. разработан метод акустического контроля состояния колес транспортных средств, позволяющий оперативно обнаруживать и с достаточной для практики точностью идентифицировать возникающие в них дефекты;

3. разработано программное обеспечение, на основе которого реализована система акустического контроля состояния колес транспортного средства во время его движения;

4. проведены лабораторные и неполные полевые испытания системы акустического контроля состояния колес транспортных средств, подтверждающие достоверность получаемых с её помощью результатов.

Внедрение результатов исследований. Материалы диссертационной работы использовались в ОАО НПП «Дигитон», в ФГУП «Научно-исследовательский институт "Рубин"», в компании Taipale Telematics Ltd (Финляндия), а также в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная система акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех позволяет обнаруживать, идентифицировать и регистрировать три наиболее распространенных дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, блокировка колеса;

2. Различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси автомобиля, позволяет обнаруживать такие дефекты как отслоение части корда и блокировка колеса;

3. Различие энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси, позволяет идентифицировать дефект отслоения части корда;

4. Скорость изменения уровня акустического сигнала, создаваемого колесом автомобиля в полосе частот от 1930 до 2290 Гц, позволяет обнаружить дефект полной блокировки колеса;

5. Различие уровней акустических сигналов, создаваемых колесами, расположенными на одной оси в полосе частот от 11200 до 11700 Гц, позволяет обнаружить и идентифицировать дефект ослабления крепления колесного диска к ступице;

6. Комплексное использование найденных в работе критериев обнаружения дефектов колес позволило разработать единый алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех.

Апробация результатов работы и публикации. Полученные в работе результаты обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге.

По тематике диссертационной работы опубликовано четыре печатные работы, включая публикацию в виде тезисов докладов, статью в журнале «Труды учебных заведений связи», статью в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ» и статью в журнале «Известия Курского государственного технического университета».

Структура и объём диссертационной работы. Работа содержит 153 листа, 49 рисунков, 8 таблиц. В списке литературы 62 наименования. Приложение размещено на 16 листах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении показано, что эксплуатация грузовых автомобилей в тяжёлых условиях, повышенные требования к их безопасности и надёжности, а также трудности, возникающие при диагностике состояния их механизмов, приводят к необходимости разработки нового метода диагностики, позволяющего организовывать непрерывный контроль за состоянием колес во время движения автомобиля.

Первая глава является вводной. В ней показано, что проблема обеспечения безопасности автомобильного движения является весьма сложной, объёмной и многофакторной. Она не может быть полностью разрешена в рамках отдельно взятой диссертационной работы. По этой причине для исследования была выбрана более узкая, но, пожалуй, наиболее важная задача-разработка системы диагностики состояния колес грузового автомобиля при его эксплуатации в условиях повышенного уровня внешних помех. Основное внимание уделено методам обнаружения и диагностики наиболее часто встречающихся дефектов колес грузовых автомобилей: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице и блокировка колеса.

В данной главе изложены разработки, имеющиеся в этой области, представлен анализ современных методов вибродиагностики механических систем и узлов.

На основе этого всестороннего анализа сформулированы цели и задачи научных исследований, проводимых в рамках диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены проблемы, связанные с разработкой метода акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля. В частности, описана экспериментальная установка - грузовой автомобиль, оснащённый системой записи акустических сигналов, сопровождающих движение колес; обоснован выбор акустического датчика - микрофона - и места его установки на автомобиле. С её помощью получен набор акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес; выполнено их исследование с целью поиска критериев, позволяющих обнаруживать, идентифицировать и регистрировать возникающие при их эксплуатации дефекты. Результаты этих исследований позволили сформулировать единый алгоритм поиска критериев для обнаружения и идентификации отдельных дефектов колес (рис. 1).

Дефект - отслоение части корда на начальном этапе своего развития сопровождается периодическими ударами отслоившейся части о дорожное покрытие. Статистическая обработка исходных сигналов не позволила выявить какого-либо устойчивого критерия регистрации данного дефекта. Причиной этого является наличие большого количества достаточно мощных внешних шумов различного происхождения. На следующем этапе исследований сигналы подвергались частотному анализу. При этом использовались модернизированные с учетом особенностей исследуемых сигналов методики анализа, позаимствованные из вибродиагностики: метод прямого спектра, метод спектра огибающей и диагностика по общему уровню вибрации.

Метод прямого спектра в исходном виде может быть использован только в лабораторных условиях, когда анализируемый сигнал является «установившимся» на достаточно длительном интервале времени. Акустические сигналы, сопровождающие движение колес автомобиля в условиях воздействия внешних помех, не могут считаться таковыми. По этой причине для них оценивался выборочный спектр, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье. Однако анализ особенностей этих спектров не позволил выявить каких-либо устойчивых критериев для обнаружения отслоения части корда.

Метод диагностики по общему уровню вибрации подразумевает оценку уровня сигнала вибрации в некоторой полосе частот и сравнение её с заранее известными для исследуемого оборудования (узла) пороговыми значениями. Данный метод непосредственно не может быть применен при диагностике автомобильных колес. Это связано с тем, что уровень и спектральный состав акустических сигналов, сопровождающих движение колес, может значительно изменяться под действием внешних факторов, таких как изменение типа дорожного покрытия, его качества, а также изменение нагрузки на колесо в зависимости от веса перевозимых грузов и т. п. В ходе исследования было выявлено также, что уровни акустических сигналов в отдельных полосах частот сильно зависят от места расположения соответствующих колес. Это обусловлено различной нагрузкой, приходящейся на колеса, расположенные на разных осях.

На основе этого было предложено вычислять (и затем сравнивать с найденным пороговым значением) не общий уровень акустических сигналов, а разницу уровней полосовых сигналов для колес, расположенных на одной оси,

Анализ отдельных выборок сигнала и поиск критериев регистрации и идентификации дефекта

Анализ во Анализ в Анализ

временной частотной сигнала

области области огибающей

Список критериев и методов их вычисления

♦ -

Итерационный механизм проверки и уточнения критериев

Отсутствие

Проверка критериев для различных сигналов

сбоев

Наличие сбоев

Уточнение критериев

Проверка на сигналах, не используемых в итерационном механизме испытаний

Рис. 1. Алгоритм поиска критериев

при этом предполагается, что вероятность возникновения дефекта одновременно у обоих колес, расположенных на одной оси, пренебрежимо мала:

О)

£(/•,, AF,/) = 10-lg

RalioR(Fll,AF,t) = L!l,(FH,AF,t)-Lm{Fll,hF,t), (2)

RatioF(Fu,AF, 1) = LJFK,AF,t)-Lm(F„,AF,t), (3)

где RatioR(FH>AF,t), RatioF{FH,AF,t) - разница уровней полосовых сигналов для колес, расположенных на задней и передней осях соответствен-«o;L„(FH,AF,t), Lm{F„,bF,t), Lm{FH,bF,t), Lnn(FH,AF,t) - уровни акустических сигналов в полосе частот AF, с нижней граничной частотой FH для момента времени t, полученные для левого заднего, правого заднего, левого переднего и правого переднего колес соответственно; S^F^^Fj) - отсчет полосового сигнала в дискретный момент времени i; Я- интервал, на котором оценивается уровень сигнала; Sin¡ - сигнал, уровень которого принят за 0 дБ.

В результате проведённых исследований был сформулирован следующий критерий для обнаружения отслоения части корда: разница уровней сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси (2),(3). Эмпирическим путём были найдены пороговые значения данного критерия: для исправных колес данная величина не превышает 4,4 дБ; для неисправных - принимает значение более 8,3 дБ.

Метод спектра огибающей предполагает выделение высокочастотной составляющей сигнала вибрации и последующую оценку величины модулирующих её низкочастотных сигналов. Он успешно используется для диагностики дефектов, связанных с соударением или с задеванием двух движущихся относительно друг друга тел. Схожая ситуация складывается и при отслоении части корда, когда отслоившаяся часть периодически ударяется о дорожное покрытие.

В акустических сигналах, сопровождающих движение колес, присутствует высокочастотный шум. Это шумоподобные компоненты, расположенные в области частот от 5050 до 5430 Гц. Их уровень зависит от характера и величины сил взаимодействия протектора и дорожного покрытия. В результате всякое изменение в данном взаимодействии (любая неровность на дороге или на протекторе, изменение нагрузки на колесо и т.п.) отражается на уровне высокочастотных шумов - модулирует их по амплитуде. С помощью амплитудного детектора был выделен сигнал огибающей данного высокочастотного шума. Обнаружено, что в нём явно присутствуют всплески, обусловленные ударами отслоившейся части корда о поверхность дорожного покрытия. Рассмотрение данного сигнала на большом интервале времени позволило

выявить наличие в нём сильных случайных всплесков, обусловленных, как показали дальнейшие исследования, неровностью дорожного покрытия. Большая энергия данных всплесков (по сравнению с всплесками, вызванными ударами отслоившейся части корда), обусловлена тем, что при ударе колеса о дорожную выбоину участвует вся масса автомобиля, приходящаяся на данное колесо. В свою очередь при ударе отслоившейся части корда участвует только масса отслоившейся части корда. Ещё одной отличительной особенностью упомянутых всплесков является тот факт, что всплески, обусловленные отслоившейся частью корда, носят квазипериодический характер, а всплески, обусловленные неровностью дорожного покрытия, носят, как правило, случайный характер. На основе этих различий разработан алгоритм, поиска и устранения всплесков сигнала огибающей (рис. 2).

Сигнал огибающей

Выборка си тала

... ' . V

>< нсграцня^сшюсксе»обусловленных неровность«) дорожного оо*фытия Вычисление ПИК-фактора (ПФ выборка) { ''''¿Ё&'Ь'Яет < л?1"' ' -Ч^'К^' ПФ выборка > ПФ порог а\" "'^Ш Мспьтежн.* ' - 'у Л выборка 7 дГ^ ^Неисправная» выборка

Выбор споЪ^^с^^ Г " „-> .г-———.. .'■ ..?.• л.д,..... „Ч Разбиение выборки на подвыборки [ V "ч-1 Вычисление ПИК-фактора подвыборок (ПФ подвыборки) |г >1 Оценка степени (неисправности» выборки (0) 1;.

...........-----.......^ «Исправимая» : .. . выборка порог .-■' . ^ <<Неисорав»шая?> Нст. .. . - л- '

.'''-ъУЛУ-' <^Ясп|МВлеиЙ€>> выборки ... . ;•• --

Поиск «исправной» подвыборки '

- -.у- , -

ГЙ1 Расчет уровня ограничения 1

■ ..... -V,."...г, ■ ' :

Ограничение вы Зорки по уровню

«Исправная» «Исправленная» выборка выборка «Неисправимая выборка

Вычисление критерия регист эацин отслоения части корда

Спектральный анализ фрейма; Исключение фрейма из анализа; Вычисление энергии первых 8-12 гармоник Индикация «Плохая дорога»

Рис. 2. Алгоритм поиска и устранения всплесков сигнала огибающей, обусловленных неровностью дорожного покрытия

Благодаря исключению помех, вызванных внешними условиями, стала возможной процедура вычисления критерия, традиционно используемого в

вибродиагносгике: разница энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси. Кроме обнаружения отслоения части корда данный критерий позволяет также идентифицировать данный дефект среди остальных.

Заметим, что косвенное измерение частоты вращения колеса на основе значений скорости движения автомобиля и диаметра колеса, позволяет только приблизительно оценить частоту первой гармоники:

Р=К= — = —= »О-НОГц. (4)

' ' Г. к/К «-А

По этой причине в работе был использован алгоритм автоматического поиска гармоник, кратных частоте вращения колеса (рис. 3).

Косвенная оценка частоты вращения колеса:

к-О,

/•,,ос" - частота вращения колеса, Гц

- диаметр колеса автомобиля( О, к 0,79 м); У, - скорость автомобиля [V, = 0-¡-90 км/ч = 0 + 25 м/с)

- номер 1-й гармоники

- частота 1-й гармоники

Процедура поиска максимума в области частот предполагаемого нахождения /-й гармоники частоты вращения колеса

- частота /-й гармоники;

Щ - энергия 1-й гармоники

+ _

Расчет исходных данных для поиска

следующей гармоники: 1 = 1 + 1 • номер следующей гармоники;

/Г = " приблизительное значение

частоты следующей гармоники

Расчет суммарной энергии первых 11 гармоник: (-1

Рис. 3. Алгоритм автоматического поиска гармоник, кратных частоте вращения колеса, и оценки их суммарной энергии

Его идея позаимствована из «алгоритма выделения информационных частот в исследуемой спектрограмме при вибродиагностировании подшипниковых узлов» и адаптирована к решаемой проблеме. Эмпирическим путём были найдены пороговые значения предложенного критерия: для исправных колес данная величина не превышает 2,6 дБ; для неисправных принимает значение более 17,1 дБ.

Дефект - частичная или полная блокировка колеса проявляется в увеличении сил взаимодействия между протектором и дорожным покрытием. Следовательно, он должен проявляться в изменении уровня акустических сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц (см. выше). Критерием его оценки является, как и ранее, различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси (2), (3). Экспериментально были определены пороговые значения для данного критерия: менее 5,2 дБ - отсутствие блокировки колеса; более 7,9 дБ - блокировка колеса.

Отличием полной блокировки колеса от частичной блокировки, является очень быстрое возрастание уровня акустического сигнала, приходящегося на область частот от 1930 до 2290 Гц. Исходя из этого, в качестве дополнительного критерия, позволяющего идентифицировать дефект либо как полная, либо как частичная блокировка колеса, была выбрана скорость изменения уровня полосового сигнала в течение фиксированного интервала времени. Если она менее 3,1 дБ/с, то имеет место частичная блокировка; более 7,4 дБ/с - полная блокировка колеса.

Дефект - ослабление крепления колесного диска к ступице на начальной стадии проявляется в виде практически незаметного смещения диска от-носипгельно ступицы. Каждое такое смещение сопровождается ударом колесного диска о ступицу или о крепёжный болт (гайку).

По мере развития дефекта (ослабление нескольких крепежных болтов) упомянутые удары диска колеса о ступицу и крепёжный болт становятся сильнее и чаще. Предполагаем, что в спектральных оценках акустических сигналов с данным дефектом, будут присутствовать резонансные частоты.

Спектральный анализ позволил выявить несколько полос частот, на которые приходятся составляющие, обусловленные резонансными явлениями, т.е. несколько обертонов. Полученные результаты позволяют при регистрации данного дефекта использовать метод диагностики оборудования по общему уровню вибрации так же, как это сделано для дефекта отслоения части корда.

В результате проведённых исследований был получен следующий критерий для обнаружения данного дефекта: различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 11200 до 11700 Гц, сопровождающих движение колес, расположенных на одной оси (2), (3). Данная величина не превышает 3,6 дБ для исправных колес, и составляет более 9,1 дБ для неисправных колес.

В третьей главе изложен заключительный этап научных исследований. На основе полученных критериев и методики их вычисления представлен единый алгоритм акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля. Сформулированы требования к системе диагностики, разработан пользовательский интерфейс.

Структурная схема разработанного алгоритма приведена на рис. 4. В его основу положен сравнительный анализ энергетических и структурных параметров акустических сигналов, сопровождающих движение колес.

Исходными данными для системы диагностики являются акустические сигналы, регистрируемые с помощью измерительных микрофонов, а также информация о задействовании тормозной системы, скорости движения автомобиля, размере колеса и т.п.

Выполняемые вычисления условно могут быть разделены на четыре части: анализ полосовых сигналов; анализ сигнала огибающей; расчет критериев для обнаружения и идентификации дефектов; исполняющее устройство, регистрирующее выявленный дефект.

Анализ полосовых сигналов. Исходные акустические сигналы подвергаются фильтрации двумя полосовыми фильтрами (рис. 4). Для полученных полосовых сигналов оценивается уровень (1). При этом оценка уровня осуществляется для разных интервалов времени, составляющих часть или целое количество периодов вращения колеса. Период вращения колеса оценивается по (4).

Анализ полосовых сигналов заключается в оценке модуля разности уровней полосовых сигналов, полученных для правого и левого колес, расположенных на одной оси (1). На основе сравнения полученных величин, выраженных в децибелах, с соответствующими пороговыми значениями (рис. 4), делается заключение об исправности, неисправности или возможной неисправности колес.

Анализ сигнала огибающей. Исходные сигналы от левого и правого колес, расположенных на одной оси, подвергаются полосовой фильтрации. Далее с помощью амплитудного детектора и фильтра нижних частот выделяется сигнал огибающей. В данном случае амплитудный детектор представляет собой простую операцию взятия абсолютного значения полосового сигнала, а фильтр нижних частот выделяет полосу частот от 0 до 200 Гц, соответствующую расположению первых 11 гармоник, кратных частоте вращения колеса.

Далее сигнал огибающей подвергается анализу во временной области, целью которого является устранение негативного влияния всплесков, обусловленных неровностью дорожного покрытия, на спектральные оценки сигнала огибающей. Делается это с помощью специальной процедуры, названной в работе «исправление выборки сигнала». Суть данной процедуры поясняет рис. 2. После этого с помощью модифицированного ковариационного метода вычисляется выборочный спектр. Полученные спектральные оценки подвергаются анализу в целях выделения отдельных гармоник, кратных частоте вращения колеса, и оценки их суммарной энергии (рис. 3). Оценка моду-

ля разности энергий, полученных для правого и левого колес, расположенных на одной оси, и сравнение её с эмпирически найденными пороговыми значениям позволяют сделать заключение об исправности, неисправности или возможной неисправности колес (рис. 4).

Обнаружение и идентификация дефектов колес транспортного средства выполняется на основе непрерывной оценки изменяющихся при движении автомобиля нижеследующих величин:

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 11200 до 11700 Гц, полученных для левого и правого колес (при ослаблении крепления диска);

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц, полученных для левого и правого колес (при частичной и полной блокировке колеса);

- скорость изменения уровня полосового сигнала для области частот от 1930 до 2290 Гц, полученная для отдельного колеса (при полной блокировках колеса);

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц и разности энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей, полученных для левого и правого колес (при отслоении части корда).

Эти изменяющиеся во времени при движении автомобиля величины сравниваются в решающем устройстве с эмпирически найденными в работе пороговыми значениями в целях обнаружения и идентификации возможных дефектов колес грузового автомобиля (рис. 4).

Сигналы от правого и левого колес одной оси

Л н а я' и { п о л' о с о в ы х

сигналов _4 * '

II о л о с о в о й ф и л ь т р (11200... 11700 Гц)

П олосовой ф и л ьтр (1930... 2290 Гц)

С реднеквадратичное усреднение на интервале:

7 периодов вращения колеса 0,3 периода вращения колеса 11 периодов вр&щ ения колеса

Л н а я и ч с и г н а л я

о г и б а ю ш с н *

Г1 олосовой фильтр (5050... 5430 Гц)

Амплитудный

детектор

Фильтр нижних

частот

У дален ие

случайны х

всплесков

П олучение

спектральны х

оценок

п о и с к гармоник и оценка их

суммарной энергии

Количественная оценка критериев

1. Разность уровней величин, полученных для левого и правого колес.

2. Изменение уровня (для варианта усреднения на интервале 0,3 периода вращения колеса)

11

Р с ш- а-ну |ц: ес'устрон ство (сравн еии е с порогами)

С остояние

О слаблен»! крепления

Ч а с ти ч н а я блокировка

П о л н а я блокнровк

Отслоение части корда

И справно

меньше 3,6 дБ

меньше 5,2 дБ

меньше 3,1 дБ

меньше 4,4

ДБ

< ен ь 1п е 2,6 дБ

Возможно неисправно

от 3,6 до 9,1 дБ

эт 5,2 до 7,9 дБ

5Т 3,1 до 7,4 дБ

от 4,4 ДО 8,3 дБ

от 2,6 до 17,1 дБ

Н сисп равно

б о л ь ш е 9,1 дБ

больше 7 ,9 дБ

больше 7,4 дБ

больше 8,3 дБ

больше 17,1 дБ

ТГ

С и С1 с м • а опои е щ'е и в я в 6 Д: и Т £ Л Я 0

В 0)11 к к И 0 вен и и н е и с и ра в 11 0 с I н колес

Рис. 4. Алгоритм диагностики состояния пары колёс (левого и правого), расположенных на одной оси автомобиля

Оповещение водителя о возникновении неисправности колеса. В кабине водителя должна присутствовать световая и (или) звуковая система, оповещающая его о состоянии колес автомобиля. Световая система оповещения работает по принципу светофора: красный цвет - неисправность колеса; желтый цвет - возможная неисправность колеса; зеленый цвет - исправное колесо. В свою очередь звуковая система оповещения срабатывает только в случае явной неисправности колеса (красный цвет световой системы оповещения).

Разработанный алгоритм реализован в виде универсальной библиотеки, написанной на языке программирования С. На основе этой библиотеки создано приложение для операционной системы Windows ХР.

В диссертационной работе даны конкретные рекомендации по выбору аппаратной части системы диагностики, и создан первый опьггный экземпляр, предназначенный для акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей.

В четвертой главе изложены методика и основные результаты испытаний разработанной системы акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей. Полученные результаты были подвергнуты дополнительному анализу, в результате которого были внесены незначительные изменения в систему диагностики состояния колес. Сделаны выводы о достоверности полученных результатов.

Лабораторные испытания были проведены с использованием предварительно записанных акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес. В 100 % случаев дефекты колес были зарегистрированы системой диагностики, при этом более чем в 92 % случаев дефекты были правильно идентифицированы (см. таблицу). В данных испытаниях были задействованы не только записи сигналов, использованные при разработке алгоритма системы диагностики, но и дополнительные записи, предназначенные только для лабораторных испытаний.

Тип дефекта Относительное количество дефектов. %

зарегистрированные идентифицированные

Отслоение части корда 100 92

Ослабление крепления колесного диска 100 100

Частичная блокировка колеса 100 100

Полная блокировка колеса 100 100

Дефекты отсутствуют (исправные колеса) 0 0

В настоящее время система акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля проходит полевые испытания. Имеющиеся на данный момент самые первые результаты испытаний сводятся в основном к возникновению случаев ложного срабатывания системы диагностики при соверше-

нии грузовым автомобилем сложных маневров, таких как крутые повороты и развороты. Для устранения данного сбоя система диагностики подвергнута доработке. Её суть заключается во введении ограничения на минимальную скорость движения автомобиля, при которой осуществляется диагностика состояния колес. В качестве первого шага выбрана пороговая скорость движения автомобиля, равная 30 км/ч. Данная корректировка позволила исключить подавляющее большинство случаев ложного срабатывания системы диагностики автомобильных колес.

По результатам лабораторных и полевых испытаний можно сделать заключение о достоверности оценок, получаемых с помощью разработанной и созданной системы акустической диагностики состояния колес.

В приложении к работе приведены: параметры измерительного микрофона, фильтров и ноутбука экспериментальной установки; результаты исследования характеристик акустических сигналов для исправных и неисправных колес автомобиля; описание адаптивной вычислительной среды, рекомендованной в качестве основы для построения многофункциональных бортовых компьютеров большегрузных автомобилей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проанализированы публикации и нормативные документы, посвященные обеспечению безопасного и безаварийного автомобильного движения. Выявлены наиболее существенные проблемы, имеющие место при контроле технической исправности большегрузных автомобилей. Подробно рассмотрены современные способы профилактической и оперативной диагностики отдельных узлов и агрегатов автомобилей и других механических систем. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, выбраны средства для их достижения.

2. Выявлены причины возникновения и характер дефектов колес. Выбраны три наиболее часто встречающихся дефекта, которые обнаруживает созданная система диагностики: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице и блокировка колеса.

3. Создана исследовательская установка в виде грузового автомобиля, оснащенного системой записи акустических сигналов, сопровождающих движение колес. С ее помощью сформирован большой набор записей акустических сигналов для различных условий эксплуатации автомобиля.

4. Проведен разносторонний, тщательный анализ полученных акустических сигналов во временной и частотной области. Исследованы эффекты амплитудной модуляции высокочастотных шумов (сигнал огибающей). Сформулированы критерии обнаружения, идентификации и регистрации отдельных видов дефектов колес. Выявлено негативное влияние внешних низкочастотных шумов, а также неровностей дорожного покрытия на структуру и характеристики акустических сигналов. Предложен эффективный и про-

стой в реализации способ уменьшения влияния повышенного уровня помех, сопровождающих движение автомобиля, на работу системы.

5. На основе сравнения частотных, временных и статистических характеристик сигналов исправных и неисправных колес найдены критерии для обнаружения, идентификации и регистрации дефектов колес.

6. Разработан алгоритм системы диагностики колес. Он представляет собой комбинацию различных вибродиагностических методов, подвергнутых доработке и уточнению с учетом особенностей условий диагностики колес и характера проявления их дефектов.

7. Разработанный алгоритм реализован в виде программного обеспечения диагностики колес.

8. Сформулированы требования к системе акустической диагностики. Выбрано оборудование, необходимое для ее реализации. Создан, установлен, настроен первый опытный экземпляр системы акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей.

9. Проведены испытания разработанной системы диагностики с использованием предварительно записанных акустических сигналов. В 100 % случаев дефекты колес были зарегистрированы системой более чем в 92 % случаев правильно идентифицированы. Это свидетельствует о правильном выборе как общей концепции реализации процедуры диагностики, так и отдельных частей алгоритма.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Грудинин, В.А. Использование методов спектрального анализа для оценки состояния покрышек колес грузовых автомобилей / В.А. Грудинин, Т.П. Белякова И Труды учебных заведений связи / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2006. - № 174. - С. 218-226. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

2. Грудинин, В.А. Разработка специализированного бортового компьютера для обеспечения безопасности на транспорте // 60-я НТК: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. - СПб., 2008. - С. 68.

3. Грудинин, В.А. Разработка акустического метода оперативной диагностики состояния покрышек легкового автомобиля / В.А. Грудинин, Т.П. Белякова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - С. 50-54. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

4. Грудинин, В.А. Алгоритмы обнаружения и диагностики неисправностей колес грузовых автомобилей // Известия Курского государственного технического университета. 2010. - №4(33). - С.53-58. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

Подписано к печати 26.04.2011 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз.

Отпечатано в СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Оглавление.

Введение.

Глава 1. Методы диагностирования дефектов машин, узлов и агрегатов

1.1. Введение.

1.2. Устройство колес (покрышек и системы крепления колеса).

1.2.1. Автомобильная шина.

1.2.2. Система крепления.

1.2.3. Тормозная система и механизм вращения колеса.

2.2. Исследовательская установка.39

2.3. Исследование сигналов.44

2.3.1. Отслоение части корда.45

2.3.2. Ослабление крепления колесного диска к ступице.86

2.3.3. Блокировка колеса.96

2.4. Заключение.104

Глава 3. Разработка алгоритма и системы акустической диагностики состояния колес движущегося автомобиля.107

3.1. Введение.107

3.2. Алгоритм акустической диагностики состояния колес автомобиля.107

3.2.1. Анализ полосовых сигналов.109

3.2.2. Анализ сигнала огибающей.110

3.2.3. Расчет критериев регистрации дефектов.113

3.2.4. Решающее устройство.114

3.2.5. Система оповещения водителя о возникновении неисправности колеса.114

3.3. Требования к системе диагностики.114

3.4. Система акустической диагностики состояния колес.115

3.5. Интерфейс пользователя.116

3.6. Автомобильный компьютер.118

3.7. Программная реализация.119

3.8. Заключение.123

Глава 4. Испытания.124

4.1. Введение.124

4.2. Лабораторные испытания.125

4.3. Полевые испытания.126

4.4. Заключение.127

Заключение.129

Литература.134

Приложение.137

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое экономическое развитие государства, а также рост благосостояния отдельных его граждан стали причинами значительного увеличения количества как грузовых, так и легковых автомобилей на отечественных и зарубежных дорогах. Огромное число людей становится вовлеченным в дорожное движение. Все это приводит к тому, что с каждым годом неминуемо возрастает количество дорожно-транспортных происшествий (ДТП), а наносимый при этом человеческий и экономический ущерб приобретает размер национального бедствия. Эти факты делают актуальным проведение целого ряда дополнительных мероприятий по обеспечению безопасности автомобильного движения. Не последнее место среди них занимает проблема обеспечения безопасности эксплуатации автомобилей. В настоящее время любой автомобиль (грузовой или легковой) рассматривается производителями и покупателями не только с позиции его стоимости и технических характеристик, но и с позиции безопасности.

Производители современных автомобилей занимаются тщательным анализом статистики автопроисшествий, в ходе которого выясняются причины ДТП и оцениваются их последствия. Все это позволяет разработать ряд мер, позволяющих если не предотвратить ДТП, то по максимуму уменьшить их последствия.

Одним из направлений по предотвращению ДТП является организация оперативного контроля технического состояния отдельных узлов и агрегатов автомобиля. По данным статистики почти половина ДТП, обусловленных неудовлетворительным состоянием автомобилей, происходит из-за неисправности колес [1]. Это связано с тем, что именно колеса являются единственным связующим звеном между автомобилем и дорогой. При любых дорожных условиях безопасность автомобиля зависит от сравнительно небольшого пятна контакта автомобильной покрышки и дорожного полотна. Таким образом, очень важной задачей для обеспечения безопасности является оперативный контроль состояния колес и своевременное оповещение водителя о возникновении какихлибо технических неисправностей. На сегодняшний день в большинстве случаев контроль за состоянием колес транспортного средства осуществляется водителем, которому вменяется в обязанности регулярно (перед каждым выездом) производить визуальный осмотр колес с целью выявления и устранения их дефектов. Естественно, что данный подход является малоэффективным. Косвенно об этом свидетельствует статистика ДТП. В данном случае сказывается как пресловутый «человеческий» фактор (достаточно трудно визуально оценить состояние колеса автомобиля), так и тот факт, что дефекты, возникающие в ходе эксплуатации автомобиля (в ходе его движения), не могут быть своевременно выявлены водителем и, следовательно, способны привести, и приводят к трагическим последствиям.

Такое состояние дел в области организации безопасности автомобильного движения привело к тому, что в настоящее время всё более актуальной становится задача создания универсальной, удобной, информативной и достоверной системы оперативной диагностики состояния колес автомобилей. Она должна непрерывно отслеживать состояние колес и своевременно оповещать водителя о возникновении каких-либо неисправностей.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки эффективного метода диагностики состояния колес автомобилей.

Целью диссертационной работы является разработка системы акустической диагностики состояния колёс транспортных средств большой грузоподъёмности, позволяющей оперативно регистрировать возникающие при их эксплуатации неисправности в условиях повышенного уровня внешних помех.

Для достижения поставленной цели необходимо: 1. Провести анализ современных методов, стандартов и рекомендаций, посвященных оценке технического состояния отдельных узлов и агрегатов; классифицировать и описать дефекты колес; проанализировать современные способы их регистрации и выделить наиболее перспективные; сформулировать требования, предъявляемые к системе акустической диагностики состояния колес грузовых автомобилей;

2. Разработать алгоритмы регистрации и идентификации дефектов колес на основе анализа акустических сигналов, создаваемых ими при движении автомобиля. Сформулировать общую концепцию оценки состояния колес и выбрать диагностические признаки;

3. Сформулировать научно-исследовательские и практические требования к создаваемой системе акустической диагностики состояния колес. На их основе разработать концепцию программирования, структуру и интерфейс программы, выбрать язык программирования для реализации системы диагностики;

4. Написать и отладить программное обеспечение для системы диагностики состояния колес;

5. Выбрать способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью разработанного программного обеспечения. Сформировать набор тестовых сигналов для проведения испытаний;

6. Провести испытания. Обработать результаты, и сделать заключение о степени достоверности диагностики состояния колес с помощью разработанной программы и о правильности выбора тех или иных научно-исследовательских и прикладных решений.

Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались методы цифровой обработки акустических сигналов, программирование на языках С и С++, программное обеспечение МайаЬ, спектральный анализ сигналов, математическая статистика и математический анализ.

Научная новизна и новые полученные результаты:

1. Сформулирован общий подход к разработке системы акустического контроля состояния колёс транспортных средств при повышенном уровне помех -анализ акустических сигналов, сопровождающих их движение. Получен набор записей акустических сигналов, возникающих при движении исправных и неисправных колёс. На основе анализа данных сигналов найдены диагностические признаки, позволяющие не только обнаруживать, но и идентифицировать три наиболее распространённых дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колёсного диска к ступице, частичная и полная блокировка колеса. Выявлено негативное влияние внешних шумов и неровностей дорожного покрытия на структуру и характеристики анализируемых акустических сигналов. Предложены конкретные способы для их уменьшения. При анализе сигнала огибающей успешно решена проблема разделения её всплесков на компоненты, обусловленные неровностью дорожного покрытия, и всплески, обусловленные отслоением части корда. Разработан метод минимизации влияния помех от неровностей дороги на результаты диагностики;

2. Установлено, что обнаружение таких дефектов как отслоение части корда, блокировка колеса и ослабление крепления колёсного диска к ступице может осуществляться на основе сравнения уровней полосовых акустических сигналов двух колёс, расположенных на одной оси автомобиля. Случай, когда разница уровней данных сигналов в полосе частот от 1930 Гц до 2290 Гц превышает эмпирически найденное пороговое значение 8,3 дБ, соответствует возникновению либо отслоения части корда, либо блокировки колеса. Значение данной величины от 7,9 дБ до 8,3 дБ соответствует только отслоению части корда. Если же данная величина принимает значения менее 4,4 дБ, то оба дефекта отсутствуют, а от 4,4 дБ до 5,2 дБ, то отсутствует блокировка колеса. Аналогичным образом, только для полосы частот от 11200 Гц до 11700 Гц, регистрируется ослабление крепления колесного диска к ступице. Если данная величина превышает 9,1 дБ, то произошло ослабление крепления, а если меньше 3,6 дБ, то данный дефект отсутствует;

3. Выявлено, что дополнительным признаком, позволяющим не только обнаружить, но и идентифицировать дефект отслоение части корда (отличить его от блокировки колеса), является энергия первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 Гц до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса. Превышение разницы данных энергий для колёс, расположенных на одной оси, значение более 17,1 дБ соответствует отслоению корда. Если же данная величина составляет менее 2,6 дБ, то отслоение корда отсутствует. Обнаружение такого дефекта как полная блокировка колеса возможно на основе оценки скорости изменения уровня акустического сигнала в полосе частот от 1930 Гц до 2290 Гц. Если скорость изменения уровня больше эмпирически найденного порогового значения 7,4 дБ/с, то возникла полная блокировка колеса. Если меньше 3,1 дБ/с, то полная блокировка колеса отсутствует;

4. В результате доработки, уточнения и объединения сформулированных методов обнаружения и идентификации отдельных дефектов колес разработан оригинальный алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Он позволяет не только обнаруживать дефект на основе оценки и сравнения уровней полосовых сигналов исправных и неисправных колес, но и идентифицировать их по характерным признакам, таким как скорость изменения уровней полосовых сигналов и величина энергии одиннадцати первых гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса;

5. На основе изучения и анализа различных факторов, связанных с эксплуатацией автомобиля, сформулированы требования к разрабатываемой системе акустического контроля состояния колес. Разработана компьютерная программа оперативного контроля состояния автомобильных колес. Структура программы, а также использованный при её написании язык С, сделали возможным её применение не только в научно-исследовательских, но и в сугубо прикладных целях, т.е. как законченный программный продукт, пригодный для практического использования при эксплуатации грузовых автомобилей;

6. Разработан способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Проведены лабораторные и частично полевые испытания, доказывающие правильность принятых научных и технических решений.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Сформирован банк записей акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колёс автомобилей, как при отсутствии, так и при наличии внешних помех;

2. Разработан метод акустического контроля состояния колёс транспортных средств, позволяющий оперативно обнаруживать и с достаточной для практики точностью идентифицировать возникающие в них дефекты;

3. Разработано программное обеспечение, на основе которого реализована система акустического контроля состояния колёс транспортного средства во время его движения;

4. Проведены лабораторные и неполные полевые испытания системы акустического контроля состояния колёс транспортных средств, подтверждающие достоверность получаемых с её помощью результатов.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использовались в ОАО НПП «Дигитон» [2], в ФГУП "Научно-исследовательский институт "Рубин", а также в компании Taipale Telematics Ltd (Финляндия) [1].

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная система акустического контроля состояния колёс транспортных средств при повышенном уровне помех позволяет обнаруживать, идентифицировать и регистрировать три наиболее распространенных дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, блокировка колеса;

2. Различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 Гц до 2290 Гц для колёс, расположенных на одной оси автомобиля, позволяет обнаруживать такие дефекты как отслоение части корда и блокировка колеса;

3. Различие энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 Гц до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса, для колёс, расположенных на одной оси позволяет идентифицировать дефект отслоение части корда;

4. Скорость изменения уровня акустического сигнала, создаваемого колесом автомобиля в полосе частот от 1930 Гц до 2290 Гц, позволяет обнаружить дефект полная блокировка колеса;

5. Различие уровней акустических сигналов, создаваемых колёсами, расположенными на одной оси, в полосе частот от 11200 Гц до 11700 Гц позволяет обнаружить и идентифицировать дефект ослабление крепления колесного диска к ступице;

6. Комплексное использование найденных в работе критериев обнаружения дефектов колёс, учитывающих особенности временной и частотной структуры акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колёс, позволило разработать общий алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех.

Апробация результатов работы и публикации. Полученные в работе результаты обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге.

По тематике диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы, включая 1 публикацию в виде тезисов докладов, 1 статью в журнале «Труды учебных заведений связи», 1 статью в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ» и 1 статью в журнале «Известия Курского государственного технического университета».

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Первая глава является вводной. В ней определена область исследований - оперативный контроль технического состояния автомобильных колес и систем их крепления; сделан обзор соответствующих публикаций; приведена классификация дефектов автомобильных колес; перечислены существующие проблемы и указаны возможные пути их разрешения; сформулированы цель и задачи научных исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы. Во второй главе осуществляется изложение результатов разнопланового анализа акусти

Результаты работы описанной выше процедуры «исправления» выборки сигнала огибающей представлены на рис.2.20 и рис.2.21. Полученные спектральные оценки «исправленных» выборок позволяют реализовать процедуру автоматического поиска гармоник, кратных частоте вращения колеса автомобиля, с последующим суммированием их энергии.

Алгоритм вычисления суммы энергии первых 8-12 гармоник, кратных частоте вращения колеса, будет подробно изложен в третьей главе диссертации. В его основу положена процедура косвенного приблизительного расчета частоты вращения колеса (2.1). Она реализована на основе приблизительных измерений скорости движения автомобиля и диаметра колеса. С помощью формулы (2.1) оцениваются границы области частот, в которой должна находиться первая гармоника частоты вращения колеса. С помощью модифицированного ковариационного метода вычисляют спектральную оценку сигнала. В заданной области частот в полученном спектре сигнала осуществляют поиск максимальной гармонической составляющей. Данная составляющая идентифицируется как основная гармоника частоты вращения колеса. На основе значения частоты первой гармоники (примерное значение частоты вращения колеса) осуществляется поиск остальных 8-12 гармоник, кратных частоте вращения колеса. Энергия локализованных гармоник суммируется. Разница суммарной энергии гармоник, полученных для отдельных пар передних и задних колес, сравнивается с пороговым значением. На основе данного сравнения делается заключение об исправности или неисправности автомобильных колес.

На рис.2.22 приведены значения суммарной энергии гармоник, кратных частоте вращения колеса, полученные для исправных и неисправных колес. Они позволяют сделать ориентировочное заключение о достоверности и надежности предложенного критерия регистрации отслоения части корда (энергии первых 8-12 гармоник, кратных частоте вращения колеса), а также процедуры поиска и устранения всплесков сигнала огибающей, обусловленных неровностью дорожного покрытия (рис.2.19).

Ж— левое заднее колесо (неисправное)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Частота, Гц

Рис.2.20. Выборочный спектр, полученный с помощью МКМ («неисправная» выборка)

Ж— левое заднее колесо (неисправное)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Частота, Гц

Рис.2.21. Выборочный спектр, полученный с помощью МКМ («исправленная» выборка)

1Е-4и о, а> я О

1Е-5

1Е-6Ч левое заднее колесо (неисправное) —6— правое заднее колесо (ис правное) =а левое перс днее колесо (^справное) правое переднее колесо д

ДА/1" ьо исправное) хР Ш

10

20

30

40

60

70

80

90

50

Время, с

Рис.2.22. Суммарная энергия первых 12 гармоник, кратных частоте вращения колеса

Уточнение алгоритма

Проведенные исследования сигналов исправных и неисправных колес позволили сформулировать следующие два критерия для регистрации отслоения части корда: разница уровней полосовых сигналов (область частот от 1500 Гц до 1800 Гц) для колес, расположенных на одной оси; разница уровней энергий первых 8-12 гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси.

Предварительные результаты вычисления данных критериев для исправных и неисправных колес, сделанных для отрывка записи, длительностью 90 с, были приведены выше. Там же было дано общее описание процедуры вычисления указанных выше критериев, приблизительные значения пороговых величин, а также сделано ориентировочное заключение о достоверности предложенных критериев регистрации отслоения части корда.

Необходимо отметить, что предложенный алгоритм имеет множество степеней свободы, т.е. множество параметров (параметры ПФ и ФНЧ, интервал усреднения и т.п.), изменение которых может положительно или негативно сказываться на результаты регистрации и идентификации отслоения части корда. Открытым так же остается вопрос о пороговых значениях критериев регистрации отслоения части корда.

С целью поиска оптимальных параметров алгоритма и окончательного определения пороговых величин критериев регистрации отслоения части корда были проведены дополнительные исследования, описание которых приводится ниже.

Для осуществления поиска оптимальных параметров алгоритма был сформулирован критерий оптимальности - оптимальным алгоритмом (оптимальными параметрами алгоритма) является тот, который обеспечивает максимальное различие величины критериев регистрации отслоения части корда для исправных и неисправных колес. Таким образом, необходимо, чтобы значения сформулированных выше критериев, полученные для исправных и неисправных колес, отличались на максимально возможную величину.

Для решения данной задачи была создана исследовательская программная модель (рис.2.23), позволяющая, путем изменения отдельных параметров алгоритма и использования для испытания всех имеющихся записей, найти и сформулировать оптимальный алгоритм регистрации отслоения части корда.

Для каждого блока исследовательской модели указаны параметры, значения которых уточнялись в ходе проводимых исследований. Более подробная информация, касающаяся диапазона изменения и найденных оптимальных значений отдельных параметров алгоритма, приведена в табл.2.2 и табл.2.3. Там же приводятся пороговые значения критериев регистрации отслоения части корда полученные для исправных и неисправных колес.

Сигналы от исправных и неисправных колес

ЩІ

Анализ полосовых сигналов ♦ + + ♦

Полосовой фильтр параметры П Ф )

С реднеквадратичное значение интервал усреднения) Г ц^г

Разница СКЗ для колес на каждой оси і

Фиксация пороговых значений порог) І ІІ

Анализ сигнала огибающей ±±±4

Полосовой фильтр параметры П Ф ) ♦♦♦ =

Амплитудный детектор (параметры фильтра нижних частот ) + + + +

Исправление сигнала пороговые значения)

Получение выборочного спектра параметры и способ получения спектральных оценок)

Поиск гармоник, кратных частоте вращения колеса количество гармоник)

Оценка суммы энергии гармоник, кратных частоте вращения колеса количество гармоник)

ШІ

Разница су м м арной энергии гармоник для колес на каждой оси

Фиксация пороговых значений порог) I

Поиск максимального порогового значения для пары сигналов исправных колес. Поиск минимального порогового значения для сигналов исправного и неисправного колес.

Рис.2.23. Поиск оптимальных параметров алгоритма и пороговых величин критериев регистрации отслоения части корда

Необходимо отметить, что при поиске пороговых значений критериев регистрации дефекта рассматривались наихудшие случаи. В соответствии с этим «порог предупреждения о возможном отслоении части корда» - это максимальное значение разницы уровней полосовых сигналов или разницы уровней энергий первых 8-12 гармоник сигнала огибающей, полученные для пары исправных колес, а «порог регистрации отслоения части корда» - это минимальное значение разницы уровней полосовых сигналов или разницы уровней энергий первых 8-12 гармоник сигнала огибающей, полученные для исправного и неисправного колес.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Независимо от причин возникновения, практически все рассмотренные в диссертации дефекты колес автомобиля могут приводить, а зачастую, и приводят к катастрофическим последствиям. Это делает актуальной задачу разработки системы контроля состояния колес, которая бы позволяла оперативно выявлять дефекты во время движения автомобиля.

Подробное изучение природы возникновения дефектов автомобильных колес, а также характера их проявления позволило сделать предположение о возможности создания системы оперативной диагностики состояния колес, построенной на основе анализа создаваемых колесами при движении автомобиля акустических сигналов.

Реализация данной системы диагностики осложнена большим количеством внешних факторов, негативно влияющих на её работу. Все они, так или иначе, связаны с особенностями конструкции и условиями работы автомобильных колес.

В результате проведенного анализа были выявлены наиболее значимые негативные факторы, которые необходимо учитывать при создании системы акустической диагностики: внешние акустические шумы, создаваемые как самим автомобилем, так и другими источниками; постоянно меняющаяся скорость движения автомобиля, являющаяся причиной изменение частоты вращения колес; различные погодные условия (дождь, снег и т.п.); непостоянные размеры колес автомобиля, изменяющиеся в зависимости от нагрузки и уровня давления в шинах; дефекты дорожного покрытия и т.п. Некоторые из перечисленных факторов были выявлены на основе априорного анализа данной проблемы. Другие, не менее существенные факторы, выявлены на этапе записи и анализа акустических сигналов, сопровождающих движение колес. Все они были подвергнуты анализу, на основе которого для их устранения или минимизации их влияния предложены конкретные технические решения. В конечном счете, все это позволило разработать методы регистрации и идентификации различных дефектов автомобильных колес, которые легли в основу созданной в рамках диссертационной работы системы акустической диагностики.

Над разрешением проблемы безопасности автомобильного движения работает множество организаций и предприятий, которые с тем или иным успехом внедряют новые системы и технологии. В ходе разработки системы диагностики колес был подробно проанализирован имеющийся на сегодняшний день опыт предотвращения дорожно-транспортных происшествий, возникающих из-за неисправности колес автомобиля.

Кроме этого подробному изучению были подвергнуты имеющиеся в вибродиагностике способы контроля, мониторинга и диагностики дефектов различного оборудования. Анализ существующих методов вибродиагностики, а также изучение диагностических систем, созданных на их основе, позволили сделать заключение о том, что разработка эффективной системы диагностики возможна только на основе использования комплексных методов, адаптированных как к конкретному диагностируемому устройству, так и к условиям его эксплуатации.

Анализ большого числа систем диагностики различного оборудования позволило выявить общие проблемы, возникающие на различных этапах ее разработки, реализации и эксплуатации. Были рассмотрены наиболее существенные из них: выбор и размещение датчиков, устранения внешних шумов, наличие априорной информации об исследуемом узле и т.п.

При разработке конкретной системы диагностики дефектов все сформулированные выше проблемы должны решаться совместно. Для этого было проведено предварительное, подробное и разностороннее изучение объекта диагностики (автомобильное колесо и система его крепления): его устройство, режимы работы, возможные дефекты, условия эксплуатации и т.п. Из множества дефектов автомобильных колес в качестве объекта изучения выбраны три наиболее часто встречающиеся их разновидности: отслоение части корда; ослабление крепления колесного диска к ступице; блокировка (частичная и полная) колеса.

С помощью специально созданной исследовательской установки (грузовой автомобиль, оснащенный системой записи упомянутых акустических сигналов) было получено большое количество записей акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес, для различных скоростей движения автомобиля и различных природных условий.

На основе подробного изучения устройства автомобильных колес, причин возникновения перечисленных выше дефектов, а также характера их проявления сделаны теоретические предположения о характере и структуре акустических сигналов, сопровождающих данные дефекты.

В рамках исследования акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес, был проведен тщательный анализ сигналов во временной и частотной области. Исследованы эффекты амплитудной модуляции высокочастотных шумов (сигнал огибающей). Сформулированы критерии регистрации отдельных видов дефектов колес. Выявлено негативное влияние внешних низкочастотных шумов, а также неровностей дорожного покрытия на структуру и характеристики акустических сигналов. Предложены конкретные способы уменьшения данного влияния.

При разработке метода регистрации и идентификации отслоения части корда сформулирована и успешно решена проблема разделения всплесков огибающей на всплески, обусловленные неровностью дорожного покрытия, и всплески, обусловленные отслоением части корда. Предложена и успешно испытана процедура минимизации влияния неровности дорожного покрытия на спектральные характеристики сигнала огибающей.

На основе сравнения частотных, временных и статистических характеристик сигналов исправных и неисправных колес предложены критерии регистрации перечисленных выше дефектов:

1. Отслоение части корда: разница уровней энергии полосовых сигналов (область частот от 1930 Гц до 2290 Гц) для колес, расположенных на одной оси; разница уровней энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси.

2. Ослабление крепления колесного диска к ступице: разница уровней энергии полосовых сигналов (область частот от 11200 Гц до 11700 Гц) для колес, расположенных на одной оси

3. Частичная и полная блокировка автомобильного колеса: разница уровней энергии полосовых сигналов (область част от 1930 Гц до 2290 Гц) для колес, расположенных на одной оси; скорость изменения уровня полосового сигнала.

По результатам лабораторных испытаний были доработаны методы вычисления данных критериев, найдены их пороговые значения для исправных и неисправных колес. На их основе разработан общий алгоритм акустической диагностики состояния автомобильных колес.

Сформулированы основные требования к создаваемой системе акустической диагностики. Выбрано оборудование, необходимое для реализации системы диагностики.

Разработанный алгоритм системы диагностики реализован в виде универсальной библиотеки, написанной на языке программирования С. На её основе создано приложения для операционной системы Windows ХР.

Разработан и реализован пользовательский интерфейс, позволяющий водителю контролировать состояние колес автомобиля и своевременно принимать меры по устранению возможных дефектов.

Создана и настроена система акустической диагностики для грузового автомобиля с четырьмя колесами.

Проведены лабораторные испытания разработанной системы диагностики с использованием предварительно записанных акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес. В 100 % случаев дефекты колес были зарегистрированы системой и более чем в 92 % случаев правильно идентифицированы. В данных испытаниях были задействованы не только записи сигналов, используемые при разработке алгоритма системы диагностики, но и дополнительные записи, предназначенные только для лабораторных испытаний. Это позволяет с достаточной степенью уверенности судить о достоверности полученных результатов.

В настоящее время созданная система акустической диагностики технического состояния колес грузового автомобиля проходит полевые испытания. Имеющиеся на данный момент первые результаты данных испытаний сводятся в основном к возникновению случаев ложного срабатывания системы диагностики при совершении грузовым автомобилем сложных маневров, таких как, крутые повороты и развороты. Для устранения данного сбоя система диагностики была подвергнута доработке, которая заключается в ведении ограничения на минимальную скорость движения автомобиля, при которой осуществляется диагностика колес (начинает работать система). В качестве первого варианта выбрана пороговая скорость движения автомобиля равная 30 км/ч. Данная корректировка алгоритма позволила исключить подавляющее большинство случаев ложного срабатывания системы диагностики автомобильных колес.

По результатам лабораторных и полевых испытаний можно сделать заключение о достоверности результатов, получаемых с помощью разработанной и созданной в рамках данной диссертационной работы системы акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля.

1. URL: www.taipaletematics.com (дата обращения: 12.11.2006).

2. URL: www.digiton-rd.com (дата обращения: 21.10.2007).

3. URL: www.shinadiski.ru (дата обращения: 01.10.2006).

4. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М.: Машиностроение, 1987. -288с.

5. Биргер И.А. Техническая диагностика.- М.: Машиностроение, 1978. -239с.

6. Баркова H.A. Введение в диагностику роторных машин по виброакустическим сигналам. - Изд. Центр СПбГМТУ, 2002. -156с.

7. Ширман А., Соловьев А. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования.-М., 1996.-276с

8. Тэттэр В.Ю., Тэттэр А.Ю., Барайщук B.C., Диагностирование подшипниковых и редукторных узлов на переходных режимах, Научный журнал «Вестник» 2005, № 8, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля.

9. Бендат Д., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа.- М.: Мир, 1982.-362с.

10. КоллакотР.А. Диагностирование механического оборудования: Пер. с англ.- Л.: Судостроение.- 1980.-296с.

11. Макс Ж. «Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях»: Пер. с фран.- М. Мир, 1983.-Т. 1.-312с.23. «Приборы и системы для измерения вибрации шума и удара»: справочник, Под ред. В.Б.Клюева.- М.: Машиностроение, 1978.-т.1.-448с.

12. Явленский К.Н., Явленский А.К. «Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем» Л.: Машиностроение, 1983.-239с.

13. Стереофоническое радиовещание и звукозапис: Учебное пособие для вузов. Ю.А. Ковалгина, Э.И. Вологдин, Л.Н. Кацнельсон; Под ред. Ю.А.

14. Ковалгина М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 720 е.: ил.

15. Электроакустика и звуковое вещание: Учебное пособие для вузов/ И.А. Алдошина, Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов, Г.П. и др.; Под ред. Ю.А. Ковалгина -М.: Горячая линия Телеком, Радио и связь, 2007. - 872 е.: ил.

16. Аркадов Г.В., Павел ко В.И., Усанов А.И. «Виброшумовая диагностика» ВВЭР: М.:Энергоатомиздат, 2004 344 с.

17. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложение. Изд. Мир. 1990.

18. Назаров Н. Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа, 2002.

19. Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: СПб.: Изд. Центр СПбГМТУ, 2000. 169 с.

20. И.А. Алдошина, Р. Приттс, Музыкальная акустика. Изд. «Композитор Сакнт-Петербург», 2006. 720 е., ил.

21. Абдулаев A.A., «Автоматизация вибродиагностирования подшипниковых узлов», URL: vibration.ru (дата обращения: 21.04.2008).

22. URL: http://www.digiton.ru/production/?id=13&lang=0 (дата обращения: 17.08.2005)

23. Говорухин В., Цибулин В., Компьютер в математическом исследовании. Учебный курс. СПб.: Питер, 2001.

24. Bill Watts and Joe Van Dyke. An automated vibration based expert diagnostic system. // Sound and vibration, September, 1993.36. «Вибрация все, все, все», URL: http://www.vibration.narod.ru (дата обращения: 12.03.2005).

25. Яблонский H.H. Теория колебаний. М., 1972. - 200 с.

26. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов СПб.: Питер. 2002.-608 с.

27. Хазаров А. М., Цвид С. Ф. Методы оптимизации в технической диагностике машин. -М., 1983. 120 с.

28. Фирсатов В. Г., Застрогин Ю. Ф. Кулбянин А. 3. Автоматизированные приборы диагностики и испытаний. -М.: Машиностроение, 1995. -210 с.

29. Управление качеством. Диагностика. Методы и средства измерения и контроля в машиностроении/ ВНИИТЭМР Вып. 1-6. 25 с.

30. Толстов А. Г. Приложение методов принятия решений при распознавании образов к задачам вибрационной диагностики. -М., 1994. 32 с.

31. Толстов А. Г. Методические проблемы создания адаптивных автоматизированных систем вибрационной диагностики. -М.: Газовая промышленность, 1995.-41 с.

32. Современные методы и средства виброакустического диагностирования машин и конструкций. Ф. Я. Балицкий, М. Д. Генкин, М. А. Иванова и др. под редакцией академика Фролова К. В. -М., 1990. 252 с.

33. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. -М.: Наука, 1984. 432 с.

34. Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. -Д.: Политехника, 1990.-272 с.

35. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник В. В. Клюев и др. -М.: Машиностроение, 1995. -487 с.

36. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. В 2 т. -М., 1983.

37. Коллот Р. А. Диагностика повреждений: Перевод с английского. / Под ред. П. Г. Бабаевского. -М.: Мир, 1989. 516 с.

38. Измерение параметров вибрации и удара. В. С. Шкаликов, В. С. Пелли-ниц. -М.: Издательство стандарт , 1980.

39. Иванова М. А. Разработка и исследование возможностей многофункциональной системы виброакустического диагностирования роторных механизмов. Дис. канд. техн. наук, М., 1984. - 210 с.

40. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. Matlab. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

41. Дьяконов В. П. Mathcad 2000: учебный курс. СПб.: Питер, 2001. - 592с.

42. Добрынин С. А., Фельдман М. С., Фирсов Г. И. Методы автоматизированного исследования вибрации машин. Справочник. -М.: Машиностроение, 1987. -224 с.

43. Гурман В. Е. Теория вероятности и математическая статистика. -М.: Высшая школа, 1997. -479 с.

44. Гольдин А. С. Вибрация роторных машин. -М.: Машиностроение, 1999. 344 с.

45. Герике Б. Л. Мониторинг и диагностика технического состояния машинных агрегатов Ч. 1 : Мониторинг технического состояния по параметрам вибрационных процессов. -1999.- 188 с.

46. Герике Б. Л. Мониторинг и диагностика технического состояния машинных агрегатов Ч. 2: Диагностика технического состояния на основе анализа вибрационных процессов. -1999. 229 с.

47. Генкин М. Д., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. -М.: Машиностроение, 1987. 282 с.

48. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. / Балицкий Ф.Я., Иванова М. А., Соколова А. Г., Хомяков Е. И. Отв. ред. Генкин М. Д. -М.: Наука, 1984.-119 с.

49. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

50. Барков A.B., Баркова H.A., Федорищев В.В. "Вибрационная диагностика колесно-редукторных блоков на железнодорожном транспорте", изд.: Изд. центр СПбГМТУ, СПб, 2002г, 103с.