автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вейвлет-анализ и мультифрактальная параметризация при оценке технического состояния центробежных насосных агрегатов

На правах рукописи

Корнишин Денис Викторович

ВЕЙВЛЕТ-АНАЛИЗ И МУЛЬТИФРАКТАЛЬНАЯ ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

1 о апг т

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2015

005561549

005561549

Работа выполнена на кафедре «Технологические машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»

доктор технических наук Закирничная Марина Михайловна

Бфанов Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» / кафедра электроники и биомедицинских технологий, профессор

Науменко Александр Петрович

доктор технических наук, профессор, Научно-производственный центр «Динамика» / начальник научно-учебного центра «НеКоДиМ»

ЗАО «Научно-исследовательский институт Интроскопии МНПО «Спектр», г. Москва

Защита состоится 18 сентября 2015 года в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте http://www.rusoil.net.

Автореферат диссертации разослан Л-^Щс/ла. 2015 г.

Ученый секретарь . диссертационного совета

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Ризванов Риф Гарифович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В меняющихся экономических условиях Россия нуждается в развитии технологий и современных подходов для повышения эффективности производства. На фоне стремления предприятий к развитию автоматизации производства, в последнее время ряд российских компаний способствует внедрению современных методов организации технического обслуживания и ремонта эксплуатируемого оборудования, которые в свою очередь основываются на точном выявлении вида неисправности и определении степени ее развития.

На предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности самой распространенной разновидностью машин являются центробежные насосные агрегаты (ЦНА), для которых оценка технического состояния производится на основе периодического мониторинга вибропараметров. Лаборатории вибродиагностики в основном применяют спектральный метод анализа вибросигналов, основанный на первичном преобразовании Фурье. Наряду с неоспоримыми достоинствами, это преобразование обладает и определенными недостатками: вследствие потери информации о временном факторе искажается представление о динамике изменения спектрального состава сигнала, что не позволяет производить всесторонний анализ вибросигнала. В отдельных случаях это приводит к невозможности однозначного определения дефектов, ведущих к частотной и амплитудной модуляции вибросигнала, таких как нарушение условий смазки подшипников, изгибная деформация рабочего колеса. Также возникают сложности выявления скрытых дефектов и разделения между собой основных неисправностей центробежных насосных агрегатов, которые имеют сходные диагностические признаки. В условиях непрерывного технологического процесса отказ насосного агрегата по причине необнаружения его неисправности может привести к аварийной ситуации, а также дополнительным затратам при ремонте, издержкам от простоя и др. Поэтому на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности своевременному выявлению возникновения и развития неисправностей и предупреждению разрушения деталей и узлов центробежных насосных агрегатов придается особое значение.

Изучению вопросов г.иброакустической диагностики роторного оборудования посвящены работы Биргера И.Р., Русова В.А., Карасева В.А., Ронтмана А.Б.,

Ширмана А.Р., Гольдина A.C., Балицкого Ф.Я., Соколовой А.Г., Хомякова Е.И., Берлина М.А., Баркова A.B., Барковой H.A., Науменко А.П., Зусмана Г.В., Ку-зеева И.Р., Закирничной М.М. и др.

Исследованиями Солодовникова Д.С. было доказано, что для оценки технического состояния центробежных компрессорных агрегатов может применяться метод, основанный на вейвлет-преобразовании вибросигналов. Подтвержденная перспективность использования вейвлет-анализа в определении таких дефектов как износ внутренних колец роликоподшипников электродвигателя, износ зубьев мультипликатора компрессора требовала проведения дальнейших исследований в направлении применения теории вейвлетов в вибродиагностике насосно-компрессорного оборудования (НКО), в частности, центробежных насосных агрегатов. В данной работе предлагается подход к выявлению дефектов и распознаванию технического состояния центробежных насосных агрегатов на основе вейвлет-анализа, спектрального метода быстрого преобразования Фурье (БПФ) вибросигналов и мультифрактальной параметризации (МФП).

Целью работы является повышение точности оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов в процессе эксплуатации.

В связи с этим решались следующие задачи:

1. Обоснование необходимости применения дополнительного метода преобразования вибросигналов центробежных насосных агрегатов для дифференциации основных неисправностей насосных агрегатов и выявления неисправностей, не определяемых известными методами вибродиагностики, основанными на преобразовании Фурье.

2. Изучение специфики дискретного и непрерывного вейвлет-преобразования применительно к оценке технического состояния центробежных насосных агрегатов:

- определение типа вейвлета для непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов с целью поиска неисправностей и оценки технического состояния;

изучение характеристик непрерывного вейвлет-преобразования искусственных сигналов в отношении переходов ребристости и изменения интенсивности цветовых значений коэффициентов корреляции выбранного

материнского пейвлета с участками анализируемого сигнала;

- определение расположения несущих оборотных частот на картинах непрерывного вейвлет-преобразования искусственных синусоидальных сигналов, моделирующих вибросигналы;

- определение влияния шага дискретизации измеренной амплитудно-временной характеристики вибросигнала на проявление несущих оборотных частот па картинах непрерывного вейвлет-преобразования искусственных синусоидальных сигналов, моделирующих вибросигналы.

3. Исследование влияния шумовой составляющей на результаты непрерывного вейвлет-преобразования в двухмерном представлении и качественную идентификацию дефектов подшипников, зубцово-пазовой структуры электродвигателей центробежных насосных агрегатов в двух- и трехмерном представлении; подбор параметров очищения вибросигнала от шума в приложении MATLAB WAVELET TOOLBOX DE-NOISE.

4. Разработка методики оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов на специально смонтированном гидравлическом стенде на базе центробежного насосного агрегата консольного типа К 20/30 с применением непрерывного и дискретного вейвлет-анализа вибросигналов для количественной характеристики вейвлет-картин.

5. Подбор мультифрактапьных параметров непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов, позволяющих определять степень развития основных неисправностей центробежных насосных агрегатов, таких как дисбаланс ротора, расцентровка агрегата и ослабление жесткости опор.

6. Определение характерных диапазонов масштабов непрерывного вейвлет-преобразования в двух- и трехмерном представлении вибросигналов, соответствующих как отдельным неисправностям, так и их совместному влиянию на вибросостояние центробежных насосных агрегатов.

Методы решения поставленных задач

При решении поставленных задач использовались методы математической программной обработки сигнала вейвлет-анализа, быстрого преобразования Фурье, мультифрактального формализма.

Научная новизна

1. Получена граница применимости двухмерного непрерывного вейвлет-преобразования в отношении определения несущих оборотных частот до шестой гармоники (до 300 Гц включительно) для центробежных насосных агрегатов, имеющих частоту вращения вала 3000 об/мин. Предложен критерий для дифференциации основных неисправностей центробежных насосных агрегатов и выявления дефектов, неидентифицируемых при спектральном преобразовании Фурье, в виде качественного и количественного различия по координате Z трехмерного представления результатов непрерывного вейвлет-анализа.

2. Установлено, что дискретное вейвлет-преобразование вибросигналов позволяет определить амплитудную модуляцию, вызываемую проявлением неисправностей электромагнитного происхождения и неоднородностью воздушного потока в зазоре между ротором и статором электродвигателя, а также идентифицировать медленно развивающиеся (трендовые) сигналы, связанные с дефектами смазки в подшипниках двигателя центробежных насосных агрегатов.

3. Установлено, что степень однородности, получаемая при мультифракталыюй параметризации картин непрерывного вейвлет-преобразования, является критерием развития неисправностей центробежных насосных агрегатов, диапазоны изменения которого соответствуют зонам технического состояния по нормам, используемым при проведении диагностики центробежных насосных агрегатов на нефтеперерабатывающих предприятиях. Так, значение степени однородности ниже 0,8 при наличии дисбаланса и нарушении жесткости опор соответствует техническому состоянию центробежных насосных агрегатов «отлично», значение степени однородности свыше 1,97 - техническому состоянию «недопустимо», в то время как для расцентровки степень однородности ниже 0,03 и свыше 1,41 определяет состояния «отлично» и «недопустимо», соответственно.

Практическая ценность. Разработанная методика «Оценка технического состояния центробежных насосных агрегатов с применением вейвлет-анализа и мультифрактальной параметризации» внедрена и используется при диагностике и оценке текущего технического состояния парка ЦНА установок газокатапитиче-

ского, топливного, масляного производств производственной площадки Новойл Филиала ОАО АНК «Башнефть» «Башнефть-Уфанефтехим».

Защищаемые положения

1. Методы дискретного, двух- и трехмерного непрерывного вейвлет-анализа для выявления дефектов и неисправностей центробежных насосных агрегатов.

2. Критерии определения зоны технического состояния центробежных насосных агрегатов по степени однородности, получаемой при мультифрактальной параметризации картин непрерывного вейвлет-преобразования при развитии основных неисправностей центробежных насосных агрегатов.

3. Методика оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов на основе спектрального преобразования Фурье, вейвлет-анализа вибросигналов и мультифрактальной параметризации.

4. Алгоритм, определяющий последовательность действий при осуществлении комплексной оценки технического состояния ЦНА с применением непрерывного, дискретного вейвлет-анализа и мультифрактальной параметризации.

5. Оценка эффективности предложенных методов применительно к определению технического состояния центробежных насосных агрегатов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Конгрессе нефтегазопромышленников России, секция Н «Проблемы нефти и газа» (г. Уфа, 2001 г.); 53, 54-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2002, 2003 гг.); на всероссийской учебно-методической конференции «Передовые концепции механического образования в технических и технологических университетах по реализации государственных образовательных стандартов» (г. Уфа, 2002 г.); на I всероссийской научной INTERNET-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (г. Уфа, 2002 г.); на VII республиканском конкурсе научных работ студентов ВУЗов РБ «Безопасность жизнедеятельности» (г. Уфа, 2002 г.); научно-техническом семинаре «Прогрессивные технологии в машиностроении н приборостроении» (г. Запорожье, 2003 г.); на заседании секции «Вибродиагностика машин» Ученого Совета НИИИН МНПО «СПЕКТР» (г. Москва, июнь 2004 г.); на международной конференции «Байкальские чтения — II по моделированию

процессов в синергетических системах» (г. Улан-Удэ - г. Томск, 2002 г.), на международных научно-технических конференциях «Прикладная синергетика» (г. Уфа, 2004, 2014 г.); на международной научно-технической конференции «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (г. Уфа, 2014 г.); на I научно-технической конференции сотрудников филиалов ОАО АНК «Башнефть» и студентов УГНТУ (г. Уфа, 2014 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах в соответствии с перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 120 наименований, и приложений. Она содержит 171 страницу машинописного текста, 126 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цель, задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлено соотношение количества единиц насосного оборудования, используемого для технологических процессов, на примере одного из нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) г. Уфы. Данное распределение насосных агрегатов, характерное для большинства НПЗ, показывает, что их основную часть составляют центробежные насосные агрегаты.

Анализ современного состояния служб вибродиагностики в промышленности показал, что большинство приборов и систем, применяемых ими, основано на спектральном анализе входящего сигнала. Такое применение обусловлено как простотой метода, так и его универсальностью. Приведены примеры диагностических сигналов, соответствующих основным неисправностям ЦНА, встречающимся на практике, а также обоснована ограниченность применения стандартного метода спектрального анализа. В связи с этим, в данной работе для решения вышеизложенных проблем на основе сопоставительного анализа современных методов, связанных с обработкой различных типов сигналов предложен метод вейвлет-

преобразования вибросигнала в качестве одного из эффективных для применения в области вибродиагностики ЦНА.

В данной главе также рассматриваются преимущественные различия данного метода вейвлет-анализа по сравнению с методом преобразования Фурье.

На практике существует два метода преобразования сигналов с применением теории вейвлетов - непрерывное вейвлет-преобразование и дискретное вейвлет-преобразование сигнала.

Исследованиями Кузеева И.Р., Солодовникова Д.С., Закирничной М.М., Светлакова A.A., Гренке В.В., Шакирова И.В., Самойлова A.M., Ефанова В.Н., Китабова А.Н., Константинова К.В., Дороничева A.B., Ямалиева В.У., Корепанова В.В., Кулеша М.А., Шардакова И.Н. доказано, что для оценки технического состояния центробежных компрессорных агрегатов, погружных насосных агрегатов, подшипников тяговых электрических машин подвижного состава железных дорог, глубинного бурового оборудования и других задач анализа сигналов может применяться метод, основанный на вейвлет-преобразовании вибросигналов. Он позволяет достоверно определять такие дефекты как износ внутренних колец роликовых подшипников электродвигателя, износ зубьев мультипликатора турбокомпрессора и другие.

Так, например, в работе Солодовникова Д.С. вейвлет-анализ был применен при диагностике турбокомпрессора, где была показана возможность обнаружения и подтверждения таких развивающихся дефектов турбокомпрессора как износ внутренних колец роликовых подшипников электродвигателя, износ зубчатых зацеплений мультипликатора. Поскольку работа Солодовникова Д.С. не затрагивала количественную оценку степени развития дефекта и определение несущих оборотных частот агрегата на определенных масштабах непрерывного вейвлет-анализа и вместе с тем показала перспективность использования вейвлет-анализа, она требовала проведения дальнейших исследований в направлении применения теории вейвлетов в вибродиагностике насосно-компрессорного оборудования, в частности ЦНА. В настоящей работе данные проблемы были решены на основе моделирования искусственных сигналов, также с помощью разработанного подхода к использованию трехмерного вейвлет-преобразования вибросигналов ЦНА и мультифрак-талыюй параметризации результатов непрерывного вейвлет-анализа.

Изучение свойств и особенностей непрерывного и дискретного вейвлет-анализа позволило определить области применимости каждого из методов при оценке технического состояния и выявлении неисправностей ЦНА.

Так, дискретное вейвлет-преобразование обладает возможностями обнаружения локальных, зарождающихся повреждений роликов подшипников, а также способно к выявлению амплитудной модуляции и медленно развивающихся (трен-довых) сигналов, связанных с определенными неисправностями.

Основными приложениями непрерывного вейвлет-анализа являются локализация и классификация особых точек сигнала, вычисление его различных фрактальных характеристик, частотно-временной анализ нестационарных сигналов.

Обладая потенциальной возможностью обработки вибросигналов сложной формы, полученных с помощью переносных виброанализаторов, вейвлет-анализ имеет возможность определять качественно и количественно несущие оборотные частоты вибросигнала исследуемого агрегата на масштабных уровнях непрерывного вейвлет-преобразования.

В второй главе приводятся результаты исследования «элементарных» форм волн, составляющих вибросигнал, с помощью вейвлет-анализа, и на основе результатов исследования описывается специфика применения теории вейвлетов к анализу вибрации ЦНА.

На основе многократных вейвлет-преобразований сигналов с различными типами вейвлетов и изучения свойств их функций установлено, что наиболее подходящим для непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов центробежных насосных агрегатов является вейвлет Морле.

Для исследований искусственные синусоидальные сигналы были смоделированы при помощи программного пакета МАТЬАВ.

Для агрегата с частотой, приблизительно равной 3000 об/мин, частота около 50 Гц соответствует ■ первой оборотной частоте, и на спектре гармонического анализа отражается первым пиком (первой гармоникой). При вейвлет-преобразовании искусственного сигнала с частотой 50 Гц с определенным шагом дискретизации (Те) было установлено, что частота представляется в виде широкой ребристой полосы, центр которой лежит в масштабе 64 (рисунок 1). Некоторое

видимое усложнение по краям картины связано с краевыми разрывами, вызванными ограниченной во времени областью существования сигнала.

В процессе исследования картин, получаемых при вейвлет-преобразовании моделированных элементарных сигналов, удалось также установить, что границы ребер (светлых участков) лежат в точках экстремумов синусоидальной функции.

Рисунок 1 - Картина вейвлет-преобразования синусоиды с частотой 50 Гц

(для двигателя с частотой вращения ротора 3000 об/мин) На полученных картинах непрерывного вейвлет-анализа (рисунки 1, 2,6) коэффициенты корреляции отображаются цветовыми значениями, где максимальное совпадение выбранного вейвлета с участком сигнала отмечается наиболее яркой светлой областью. Предположение о том, что каждой частоте соответствует своя частотная «ребристость» на вейвлет-картинах было подтверждено результатом суммирования искусственных синусоид. На рисунке 2, б четко виден переход от одной частоты к другой.

а б

а — суммарная синусоида колебаний с частотами 50 и 100 Гц;

б — картина вейвлет-преобразования колебаний с частотами 50 и 100 Гц Рисунок 2 — Суммарный сигнал с разными частотами

Таким образом, установлено, что при анализе реального сигнала существует

возможность четко различить границы этих частот и идентифицировать

конкретный дефект. С помощью повторного генерирования синусоид различной

частоты и шага дискретизации Тб и последующего преобразования сигналов

получена зависимость между масштабами вейвлет-картин вибросигналов и частотами этих сигналов. Первая цифра номеров точек полученных зависимостей (рисунок 3) обозначает частоту дискретизации вибросигнала, вторая цифра - номер гармоники частоты вращения вала центробежного насоса. Диаграмма на рисунке 3 показывает, что частоты, лежащие на шестой и более гармониках, не распознаваемы на вейвлег-картинах, поскольку наиболее высокие частоты лежат на первых масштабах вейвлет-картины и смешиваются между собой.

Данная проблема смешивания частот на низких масштабах была решена применением трехмерного представления непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов ЦНА, что более подробно изложено в главе 4.

180

0 100 200 300 400

Рисунок 3 - Зависимость между масштабами и гармониками (для частот вращения ротора порядка 3000 об/мин)

На основе сложения синусоид доказано, что наличие высокой частоты (более 1000 Гц) сильно зашумляет вейвлет-картину полезного сигнала.

Исследования вейвлет-картин, соответствующих основным неисправностям ЦНА, таким как дисбаланс, нарушения жесткости опор, расцентровка, показали, что для точной оценки степени развития неисправности необходимо использование количественных характеристик, в качестве которых, как было доказано в данной работе, возможно применение мультифрактальной параметризации (МФП).

Проведенный анализ искусственных сигналов показал, что вибросигнал без шумовой составляющей при непрерывном вейвлет-анализе не несет в себе информации, позволяющей судить о степени развития неисправности. В этой связи дальнейший анализ проводился для сигналов с шумовой составляющей. Отношение

сигнал/шум (англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) - безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума, которая определяется по формуле:

SNR=201g(-^) , (1)

где Ас/Аш- отношение амплитуды I оборотной частоты к амплитуде шума.

Для полученных вейвлет-картин проводилась мультифрактальная параметризация при помощи программы MFRDrom, созданной Г.В. Встовским на основе разработки подхода к количественному описанию структур сталей и сплавов группой ученых Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Были определены следующие мультифрактальные параметры и значение SNR, которые реагировали на изменение технического состояния ЦНА в виде роста амплитуды оборотной гармоники: степень однородности F200, степень упорядоченности D_20<r D20o, степень разреженности D_2oo- При этом анализ полученных результатов показал, что наиболее информативным параметром является мультифрактальный параметр степени однородности F2oo, имеющий наименьший разброс значений кривой (рисунок 4, а). В процессе исследований вейвлет-картин подобраны наиболее оптимальные параметры мультифрактального анализа, способствующие выявлению различных видов дефектов, а именно площадь охвата вейвлет-картин (99%), задание параметра q в диапазоне [-200,+200]. Установлено, что существует зависимость между степенью однородности F20o и отношением амплитуды сигнала к амплитуде шумовой составляющей SNR, по которой возможна оценка технического состояния ЦНА согласно границам зон технических состояний («О» - отлично, «X» - хорошо, «Д» - допустимо, «ЕД» - еще допустимо, «ТМ» - требует мер, «Н» - недопустимо), регламентированных руководящими документами, используемыми службами вибродиагностики на нефтеперерабатывающих предприятиях. Уточнение полученной зависимости степени однородности F20o, представленной на рисунке 4, а, проводилось на основе анализа мультифрактальных параметров сигналов, соответствующих бездефектному состоянию для шести насосов консольного типа, с последующим ростом оборотной гармоники над уровнем шумовой составляющей. По полученным данным была построена усредненная кривая зависимости степени однородности от SNR, которая представлена на рисунке 4, б.

с

я

н

1"200 2

1,5

О ^200 И 13.200-0200 А 13-200

1 'К*

'«ЕД»

У*

<тм»

20

30

выя

45 50

35 40 0 15 20 25 30 35

БЖ

а б

Рисунок 4 - Соотношение мультифрактальных параметров и 8ЫК (а) и усредненная кривая зависимости степени однородности от 8ЫК (б) При оценке технического состояния ЦНА мощностью от 50 до 200 кВт степень однородности ниже 0,8, при наличии дисбаланса и нарушении жесткости опор, соответствует техническому состоянию центробежных насосных агрегатов «отлично», значение степени однородности свыше 1,97 - техническому состоянию «недопустимо»; в то время как для расцентровки степень однородности ниже 0,03 и свыше 1,41 определяет состояния «отлично» и «недопустимо», соответственно.

В третьей главе приводятся исследования, проводимые для отработки методики оценки технического состояния ЦНА на специальном гидравлическом стенде на базе насосного агрегата К20/30 (рисунок 5), сконструированном на основе проведенного исследования «элементарных» сигналов.

1 - электродвигатель; 2 - упругая пальцевая муфта с защитным ограждением; 3 - насос консольного типа; 4 - задвижка на нагнетании; 5 - манометр; 6 -фланцевые соединения; 7 - емкость; 8 - задвижка на всасывании Рисунок 5 — Схема гидравлического стенда

Замеры вибросигналов производились в горизонтальном, вертикальном и осевом направлениях для насоса и двигателя. При отработке методики оценки технического состояния ЦНА были смоделированы распространенные неисправности (дисбаланс ротора, расцентровка), а также были выявлены дефекты, не проявляющиеся при спектральном анализе. Так, например, с помощью дискретного вейвлет-анализа сигнала электродвигателя в горизонтальном направлении на передней опоре вейвлетом Добеши 3 (с!ЬЗ) выявлен трендовый сигнал (рисунок 6).

51ипо1 «»О Арр|

0 С

х...

Е

РГ7\

;К - --Ч^у'-уЛуу^,

Рисунок 6 — Результат дискретного вейвлет-анализа сигнала электродвигателя Как видно из рисунка 6, последовательные аппроксимации от а1 до а9 имеют все меньшее и меньшее количество высокочастотной информации, и на аппроксимации а9 выявляется медленно изменяющийся по времени сигнал (тренд), связанный с дефектами смазки в подшипниках качения электродвигателя и не проявляющийся при спектральном преобразовании Фурье вибросигнала.

Также установлена возможность выявления такого дефекта как неоднородность воздушного потока в зазоре между ротором и статором электродвигателя, характеризующегося периодическим изменением по амплитуде вибросигнала с течением времени, который не проявился в первоначальной форме сигнала. Выявлена развивающаяся изгибная деформация рабочего колеса насоса по переходу ярких областей между масштабными уровнями, вызывающая периодическое изменение формы волны вибросигнала по частоте с течением времени (рисунок 7).

Рисунок 7 - Результат непрерывного вейвлет-анализа вибросигнала, измеренного на насосе в горизонтальном направлении, с применением вейвлета Морле

В четвертой главе разработан подход к очистке полезного сигнала от шума с применением инструментария программы WAVELET 1D DE-NOISE по первым трем уровням вейвлет-разложения вибросигнала, для более качественного выявления неисправностей ЦНА.

Отработка методики оценки технического состояния ЦНА с применением вейвлет-анализа проводилась на насосных агрегатах марок НК, НКВ, ТКА, эксплуатирующихся на нескольких установках разных НПЗ г. Уфы. При этом анализировались виброизмерения в виде зависимостей амплитуды от времени, полученные для каждого насоса во всех контрольных точках за период времени с I квартала 2010 года по III квартал 2014 года, а также форма волн и спектры, полученные с помощью программы для вибрационного мониторинга MASTERTREND. В процессе исследований определено, что яркость отображения коэффициентов корреляции выбранного вейвлета с участками анализируемого сигнала характеризует амплитуду частотной составляющей спектра, как в случае расцентровки (рисунок 8).

Рисунок 8 - Спектр и вейвлет-анализ вибросигнала насоса Н-2 установки 30-4

При этом были выявлены дополнительные диагностические признаки разделения неисправностей дисбаланса и расцентровки в виде качественной разницы поверхности трехмерного вейвлет-преобразования и количественной разницы коэффициентов корреляции по координате Ъ.

Выявление диагностических признаков нарушения гидродинамики потока и дефекта диска рабочего колеса рассмотрено на примере насоса НКВ 1000/200, эксплуатируемого на новой установке. На спектрах вибросигналов, измеренных на задней опоре насоса, доминирует первая гармоника (рисунок 9).

| 50 Гц, 10 мм/с

АД > —I < и.....■ • *

130 Гц, 12.8 мм/с

/

/ И феврали 2014 10 декабря 2013

500

_/ 12-ыояБря 2013

3000 Частота, Гц

1000 1500 2000 2500

Рисунок 9 - Динамика изменения технического состояния насоса под влиянием нарушения гидродинамики потока и последующего скола диска рабочего колеса

При этом, как показано на рисунке 9, постоянный качественный состав спектра демонстрирует относительную неизменность технического состояния ЦНА в ноябре, декабре 2013 г. и феврале 2014 г.

Рассмотрение динамики изменения трехмерных вейвлет-картин в плоскости YZ (рисунок 10) четко обозначает резкое изменение гидродинамики 10 декабря 2013 г., связанное с появлением скола покрывного диска рабочего колеса.

11 феврали 2014

10 декабря 2013

1'-ноября 2013

Рисунок 10 - Динамика изменения вейвлет-картин в плоскости при развитии нарушения гидродинамики потока и последующем сколе диска рабочего колеса

На масштабе У-7 наблюдается повышение координаты Z практически в 2 раза, с 16 до 29 единиц по сравнению с замером 12 ноября 2013 г.

При разборке 15 февраля 2014 г. насоса была проведена фотофиксация дефектов ЦНА (рисунок 11).

Рисунок 11 - Скол покрывного диска рабочего колеса Таким образом, очевидно преимущество трехмерного вейвлет-преобразования вибросигналов перед БПФ, поскольку усредняемые спектры стандартного метода БПФ не позволяли увидеть локальные изменения в сигнале.

Это подтверждается на следующем примере насоса НК 65/35-125. Из рисунка 12 видно, что спектр и форма волны сигнала, полученного при измерении вибрации консольного насоса, никак не проявляют признаков серьезных дефектов, в то время как при запланированном ремонте выявлены разрушение рабочего колеса в виде разъединения основного и покрывного дисков (рисунок 13, а, б) и язвенная коррозия корпуса улитки (рисунок 13, в).

3.5 э.о 2Л 2.0 Ь5 ».О 0.5

500

1000

Частота. Гц

ш-нсп глв ш.'кду« 1-ж

11гг л vi i № ВД.ИОН'ЛП

0

40

80

100 120 140 160

Время, мс

Рисунок 12 - Спектр и форма волны вибросигнала насоса НК 65/35-125

а б в

Рисунок 13 - Основной (а) и покрывной (б) диски рабочего колеса и язвенная коррозия корпуса насоса (в)

При этом с помощью трехмерного вейвлет-преобразования выявляется качественная и количественная разница до и после устранения неисправности данного типа в виде снижения интенсивности составляющих трехмерной вейвлет-картины по координатам 2 (рисунок 14).

а б

Рисунок 14 - Трехмерная вейвлет-картина вибросигнала при разрушении рабочего колеса в проекции ЧТ до (а) и после (б) устранения неисправности Установленные диагностические признаки в виде повышенных значений по координате Ъ на масштабах ниже десятого (У=10) позволили выявить дефекты рабочего колеса ЦНА НК 65/35-125, эксплуатирующегося в качестве резерва насоса, описанного в предыдущем примере. Данный агрегат также не проявлял признаки неисправностей и дефектов согласно стандартному методу спектрального анализа. Разборка данного ЦНА показала обширные коррозионно-эрозионные дефекты рабочего колеса, а также проточной части.

Таким образом, в результате проведенных исследований разработан алго-

ритм, определяющим последовательность действий при осуществлении комплексной оценки технического состояния ЦНА с применением непрерывного вейвлет-анализаи мультифрактальной параметризации (рисунок 15).

Рисунок 15 - Алгоритм комплексного подхода к диагностике ЦНА

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснована необходимость применения вейвлет-анализа вибросигналов для оценки технического состояния ЦНА в качестве дополнительного метода к спектральному методу быстрого преобразования Фурье. Предложен подход к первичной обработке и анализу амплитудно-временной зависимости вибросигнала ЦНА с применением двухмерного и трехмерного непрерывного вейвлет-анализа, а также мультифрактальной параметризации вейвлет-картин для повышения точности оценки фактического технического состояния центробежных насосных агрегатов в процессе эксплуатации. Определены диагностические признаки неисправностей, таких как дефекты смазки в подшипниках электродвигателя, неоднородность

воздушного потока в зазоре между ротором и статором электродвигателя, изгиб-ные деформации, приводящие к неравномерному размещению лопаток в рабочем колесе насоса, проявляющихся соответственно в виде трендовых сигналов, амплитудной и частотной модуляции, получаемых посредством вейвлет-преобразования вибросигналов ЦНА.

2. Разработаны теоретические основы и специфика применения непрерывного и дискретного вейвлет-преобразования для дифференциации основных неисправностей ЦНА (дисбаланс ротора, расцентровка агрегата, нарушение жесткости опор) и выявления дефектов, неидентифицируемых при спектральном преобразовании Фурье. Доказано, что для оценки вибросигналов ЦНА с применением непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов ЦНА вейвлет Морле является наиболее показательным. Получен операционный базис процедуры обработки результатов двухмерного непрерывного вейвлет-анализа в отношении определения оборотных частот и дробных составляющих спектра вибросигналов ЦНА, имеющего частоту вращения вала около 3000 об/мин, в частотно-временном представлении с учетом шага дискретизации измеренного вибросигнала ЦНА до шестой гармоники (до 300 Гц включительно). Установлена возможность применения трехмерного вейвлет-преобразования для выявления дефектов проточной части ЦНА, неидентифицируемых при спектральном преобразовании Фурье.

3. Определено, что шотичие в вибросигнале высокочастотных сигнальных составляющих выше 1000 Гц, связанных с дефектами подшипников, соединительной муфты, нарушениями гидродинамики потока жидкости, влияет на степень зашум-ления картин непрерывного вейвлет-преобразования пропорционально амплитуде высокой частоты. Для данных случаев подобраны параметры очищения сигнала по трем начальным уровням разложения рь р2, р3, выполняемого с применением дискретного вейвлет-анализа вейвлетом Добеши тип 3.

4. Критерием развития основных неисправностей ЦНА (дисбаланс ротора, ■ расцентровка агрегата, нарушение жесткости опор) служит степень однородности, получаемая при мультифрактальной параметризации картин непрерывного вейвлет-преобразования вибросигналов. Получена зависимость значений степени однородности от общего уровня вибрации, позволяющая определить зону технического состояния ЦНА при нибродиагностировании.

5. Установлено, что трехмерное вейвлет-преобразование наиболее информативно для гармоник выше шестого порядка, связанных с нарушениями гидродинамики потока жидкости, дефектами рабочего колеса, дефектами электромагнитного происхождения, а также для разделения неисправностей, имеющих сходные диагностические признаки, таких как дисбаланс ротора и расцентровка. Доказано, что на трехмерных вейвлет-картинах координата Ъ отображает количественную разницу в динамике изменения технического состояния исследуемого агрегата и в совокупности с координатой масштабного уровня У позволяет визуально идентифицировать неисправности, возникающие в центробежном насосном агрегате, и оценивать степень их развития.

6. Выявлено, что при трехмерном непрерывном вейвлет-анализе в плоскости YZ области масштабов ниже У=Ю являются наиболее информативными для таких дефектов как: совместное влияние нарушения гидродинамики потока и дисбаланса вследствие скола диска рабочего колеса; износ соединительной муфты, разъединение дисков рабочего колеса и язвенная коррозия корпуса улитки.

Основные результаты работы опубликованы в 21 научном труде:

Публикации в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК:

1. Кузеев, И.Р. Оценка технического состояния насосных агрегатов консольного типа с применением вейвлет-анапиза [Текст] / И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин // Известия высших учебных заведений: Нефть и Газ. - 2003. -№ 5 -С. 118-123.

2. Кузеев, И.Р. Определение технического состояния насосных агрегатов с применением вейвлет-анализа вибросигналов [Текст] / И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, М.В. Пономарев // Контроль. Диагностика. - 2004,-№6. - С. 43 - 48.

3. Кузеев, И.Р. Оценка технического состояния центробежного насосного агрегата на основе мультифрактальной параметризации вейвлет-картин [Текст] / И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, Ф.Ф. Камапов// Нефтегазовое дело. -2015.-Т. 13,-№2.-С. 145 - 150.

4. Закирничная, М.М. Критерии оценки технического состояния центробежного насосного оборудования с применением трехмерного вейвлет-анализа [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин// Нефтегазовое дело. - 2015. - Т. 13. - №2. - С. 151 - 156.

В прочих изданиях:

5. Корнишин, Д.В. Применение вейвлет-анализа для оценки технического состояния насосного оборудования [Текст] /Д.В. Корнишин, Д.С. Солодовников // Материалы III конгресса нефтегазопромышленников России. Секция Н «Проблемы нефти и газа». - Уфа: Реактив, 2001. - С. 302 - 303.

6. Корнишин, Д.В. Распознавание технического состояния насосного оборудования с использованием теории вейвлетов [Текст] / Д.В. Корнишин, ММ. Закирничная // 53-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. -Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 51.

7. Корнишин, Д.В. Использование вибродиагностических методов для оценки технического состояния роторного оборудования [Текст] / Д.В. Корнишин, М.М. Закирничная // 53-я науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых,- Уфа: УГНТУ, 2002. - С. 50.

8. Кузеев, И.Р. Вейвлет-анализ как дополнительный метод распознавания технического состояния насосного агрегата [Текст] / И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.С. Солодовников, Д.В. Корнишин // Труды межд. конф. «Байкальские чтения - II по моделированию процессов в синергетических системах». - Улан-Удэ - Томск: Изд-во Томского государственного университета, 2002.-С. 330-331.

9. Закирничная, М.М. Применение теории вейвлетов и детерминированного хаоса для анализа технического состояния насосных агрегатов консольного типа [Текст] /М.М. Закирничная, Д.С. Солодовников, Д.В. Корнишин, М.И. Власов //Под ред. И.Р. Кузеева. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002,- 95 с.

10. Кузеев, И.Р. Использование теории вейвлетов для повышения точности выявления дефектов насосного оборудования. [Текст] / И.Р. Кузеев, М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин // Материалы Всероссийской учеб.-методич. конф. «Передовые концепции механического образования в технических и технологических университетах по реализации государственных образовательных стандартов». -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. - С. 153 - 154.

11. Закирничная, М.М. Применение особенностей вейвлет-анализа для решения задач вибродиагностики [Текст] / М.М. Закирничная , И.Р. Кузеев Д.В. Корнишин //Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем: Материалы I Всероссийской научной INTERNET-конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. - С. 63 - 64.

12. Корнишин, Д.В. Разработка комплексной методики оценки технического состояния насосного оборудования с использованием теории вейвлетов [Текст] / Д.В. Корнишин И Материалы VII республиканского конкурса научных работ студентов ВУЗов РБ «Безопасность жизнедеятельности». - Уфа, 2002. - С. 44.

13. Корнишин, Д.В. Критерии оценки технического состояния роторного оборудования с позиции стандартных методов вибрационной диагностики [Текст] / Д.В. Корнишин // Материалы VII республиканского конкурса научных работ студентов ВУЗов РБ «Безопасность жизнедеятельности». - Уфа, 2002. - С. 45.

О v

14. Пономарев, M.B. Обнаружение дефектов насосных агрегатов при помощи вейвлет-преобразования вибрационного сигнала [Текст] / М.В. Пономарев, A.B. Шустиков, М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин // Материалы 54-ой науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ, 2003. - С. 246 -247.

15. Закирничная, М.М. Использование теории вейвлетов для разработки методики оценки технического состояния насосного оборудования [Текст] / М.М. Закирничная, И.Р. Кузеев, Д.В. Корнишин // Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении: сб. тр. международной науч.-техн. семинара, г. Запорожье- Киев: Издательство АТМ Украины, 2003. - С. 22 - 23.

16. Закирничная, М.М. Проявление фрактальности при вейвлет-преобразовании вибросигналов насосного оборудования [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин // Прикладная синергетика - II: Материалы международной научно технической конференции.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. - Т.2. - С. 39-44.

17. Закирничная, М.М. Вейвлет-анализ и определение фрактальной размерности вейвлет-преобразования вибросигналов [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, Ф.Ф. Камалов // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014,- С. 19-20.

18. Закирничная, М.М. Оценка технического состояния насосно-компрессорного оборудования с применением теории вейвлетов [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, Ф.Ф. Камалов, A.C. Хлопуков // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - С. 21 - 22.

19. Закирничная, М.М. Применение вейвлет-преобразования для оценки технического состояния роторных машин [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, Ф.Ф. Камалов // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - С. 111 - 112.

20. Закирничная, М.М. Диагностика и экспертиза насосного оборудования для обеспечения промышленной безопасности [Текст] / М.М. Закирничная, Д.В. Корнишин, Ф.Ф. Камалов // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. тр. Междунар. науч.- техн. конф. - Уфа: РИЦ УГНТУ, 2014. - С. 179 - 180.

21. Корнишин, Д.В. Оценка технического состояния центробежных насосных агрегатов на основе комплексного применения спектрального анализа и вейвлет-преобразования вибросигналов [Текст] /Д.В. Корнишин, М.М. Закирничная, Р.Р. Ягафаров // Сборник тезисов I научно-технической конференции сотрудников филиалов ОАО АНК «Башнефть» и студентов УГНТУ. - Уфа, 2014. - С. 24 - 25.

Подписано в печать 16.07.2015 г. Печать трафаретная. Усл.пл. - 1,5 Заказ № 972 Тираж: 100 экз.

Типография «Знак» г. Уфа, ул. Космонавтов, 3 тел.: (347) 240-56-24 e-mail: ufa2nak@mail.ru