DIAGNOSTYKA 30 Spis tre ci

Transkrypt

1

2 DIAGNOSTYKA 3 Spis treci 1 REFERAT WPROWADZAJCY CEMPEL Czesaw - Short History of Diagnostics and Diagnostic Congresses in Poland 3 PUBLIKACJE KONGRESOWE ADAMKIEWICZ Andrzej - Diagnozowanie okrtowych turbinowych silników spalinowych z zastosowaniem metod statystycznych... 5 BANASZEK Sawomir - Analiza wpywu propagacji pknicia wirnika na stan dynamiczny duej maszyny energetycznej... 9 BARCZEWSKI Roman - Urednianie multisynchroniczne (msa) diagnostycznie zorientowana metoda analizy sygnaów wibroakustycznych BARCZEWSKI Roman, SZYMASKI Grzegorz - Zastosowanie selekcji czasowo-widmowej sygnau drganiowego do oszacowania luzów zaworów silnika spalinowego o ZS BARSZCZ Tomasz - Diagnostyka aktywna w ukadach regulacji turbin BARSZCZ Tomasz, CZOP Piotr - Modelowanie elementów ukadów regulacji turbin parowych do zastosowa diagnostycznych BARTELMUS Walter - Supporting Diagnostic inference by mathematical modelling from one-stage to planetary gearbox systems BARTELMUS Walter, ZIMROZ Radosaw - Wady i zalety analiz: cepstrum, widmo obwiedni i bispectrum w diagnostyce wielostopniowych przekadni zbatych BARZDAITIS Vytautas, JONUŠAS Remigijus, DIDŽIOKAS Rimantas, BARZDAITIS Vytautas - Absolute and Relative Vibration Inconsistencies an Dynamic Analysis af High Power Turbogenerator Rotating System BARZDAITIS Vytautas, ŽEMAITIS Vytautas, ŽEBELYS Kestutis, POCIUS Zigmantas, MAŽEIKA Pranas - Condition Monitoring of Roller Bearings Using Different Diagnostic Methods BATKO Wojciech, MIKULSKI Andrzej - Transformata falkowa w diagnozowaniu urzdze wycigowych BEZOWSKI Andrzej, RECHUL Zdzisaw, STASIEKO Jan - Wpyw niskoenergetycznych uszkodze udarowych na wytrzymao laminatu wzmocnionego tkanin BEMKE Ireneusz, ZIELONKO Romuald - Zastosowanie transformacji falkowej do bezkontaktowej detekcji pknicia szyby BIELAWSKI Piotr Jan - Diagnozowanie metodami drganiowymi agregatów maszyn z mechanizmem tokowokorbowym BOROWCZYK Henryk - Synteza diagnostycznego modelu ukadu sterowania z wykorzystaniem metod identyfikacji i wielowartociowego kodowania BUBULIS Algimantas, JURENAS Vytautas, ZEBELYS Kestutis - Condition Assessment of the Low Speed Hydroturbine CEMPEL Czesaw - Multi Symptom Condition Monitoring of a Critical Mechanical Systemsas a First Approach to Design Condition Inference Agent (CIA) CHALAMOSKI Mariusz - Równomierno ruchu toka siownika hydraulicznego CHARCHALIS Adam - Wielosymptomowy system diagnozowania okrtowych turbinowych silników spalinowych CHARCHALIS Adam, WIRKOWSKI Pawe - Badania eksploatacyjne okrtowych turbinowych silników spalinowych 16 CHOLEWA Wojciech - Modele odwrotne i modelowanie diagnostyczne CIELIK Jacek - Natenie dwików strukturalnych w diagnostyce niecigoci elementów konstrukcyjnych CZAJA Zbigniew - Wejciowo-wyjciowa metoda detekcji uszkodze w elektronicznych ukadach analogowych uwzgldniajca tolerancje elementów CZECHYRA Bartosz, SZYMASKI Grzegorz, TOMASZEWSKI Franciszek - Odwzorowanie procesu spalania w sygnale drganiowym tokowego silnika spalinowego o zaponie samoczynnym DBROWSKA-KAUF Grayna - Efektywno procesów diagnostycznych obiektów technicznych w przedsibiorstwach sektora energetycznego DBROWSKI Zbigniew - Wykorzystanie symptomów nieliniowych w diagnostyce technicznej DOBRY Marian Witalis - Energetyczna metoda diagnostyki technicznych i inteligentnych biologiczno-technicznych systemów oraz jej zastosowania DOBRY Marian Witalis, GRYGOROWICZ Magdalena - Energetyczna transmitancja struktury biodynamicznej czowieka poddanego dziaaniu wibracji ogólnej DOBRY Marian Witalis, WOJSZNIS Magorzata - Oddziaywanie drga miejscowych na organizm ludzki ocena analizy dynamicznej i energetycznej DRAGILYEV Andriy, SAVULA Stepan, BANAKHEVYCH Yuriy, OSADCHUK Vasyl, KYCHMA Andriy - Diagnostics of Residual Technological Stress in Circumferential Welds in Pipelines

3 2 DIAGNOSTYKA 3 Spis treci DYBAA Jacek, RADKOWSKI Stanisaw - Geometryczna metoda selekcji informacji diagnostycznej DZIURD Jacek - Separacja skadowych widmowych w zadaniu identyfikacji modelu nieliniowego FIDALI Marek - Identyfikacja stanu technicznego na podstawie analizy trajektorii stanu w przestrzeni cech gównych 167 FIGLUS Tomasz, WILK Andrzej - Zastosowanie metod wibroakustycznych do diagnozowania zoonych przypadków uszkodze przekadni zbatych GAJEK Andrzej - Stanowiskowa metoda diagnozowania ukadów przeciwblokujcych samochodów osobowych GAKA Tomasz - Diagnozowanie stanu ukadów przepywowych maszyn wirnikowych na podstawie symptomów drganiowych GARDULSKI Janusz, WARCZEK Jan - Zastosowanie transformaty falkowej do wyznaczania parametrów diagnostycznych elementów zawiesze samochodowych GIBIEC Mariusz, MIKINA Lucjan - Wykorzystanie pomiarów akustycznych do oceny stanu maszyn elektrycznych GOLEC Zdzisaw, GOLEC Maria, APKA Wojciech - Diagnoza haasu rodowiska gminy Murowana Golina GRUDZISKI Jan, RADKOWSKI Stanisaw, SZCZUROWSKI Krzysztof - Diagnostyka powstawania uszkodze w elementach spronych IWANIEC Joanna - The Application of Regularisation Methods to Analysis Of Structure Dynamics IWANIEC Marek - Metody nieinwazyjnego pomiaru prenatalnego kardiogramu ptasich embrionów JASISKI Marcin, RADKOWSKI Stanisaw - Zastosowanie skadowych gównych w diagnozowaniu maszyn JASISKI Ryszard - Dziaanie podzespoów sterujcych ukadów hydraulicznych w niskich temperaturach otoczenia w warunkach zasilania gorcym czynnikiem roboczym JAVORSKIJ Ihor, ISAYEV Ihor, NICHOGA Vitalij, TROKHYM George, GRUDZISKI Eugeniusz - Statistical Analysis of Rail Electromagnetic Testing Signals JAWORSKI Igor, MYCHAJLYSZYN Wiktor - Koherentna analiza widmowa okresowo skorelowanych losowych sygnaów wibracji oysk tocznych KALISKI Krzysztof J. - A Surveillance of Dynamic State of the Slender end Milling Process KAHSIN Maciej, OLSZEWSKI Henryk, WALCZYK Zbigniew, MICICKI Mirosaw - Analiza dynamiczna turbozespou energetycznego jako podstawa do zmiany jego konstrukcji KAMIERCZAK Henryk, PAWOWSKI Tadeusz - Analiza destrukcji maszyny metod analizy rozkadu mocy obcie dynamicznych KICISKI Jan - Model Based Diagnostics Today and Tomorrow KICISKI Jan - Non-Linear Vibrations as a New Diagnostic Tool - Crack Detection Example KLEKOT Grzegorz, DEUSZKIEWICZ Piotr - Analiza moliwoci wykorzystania sygnau akustycznego do monitorowania stanu przejedajcych pojazdów KLEPKA Andrzej, UHL Tadeusz - Zastosowanie wielorozdzielczej analizy sygnaów do diagnostyki ukadów mechanicznych KOHUT Piotr, KUROWSKI Piotr - Wykorzystanie systemów wizyjnych do przeprowadzenia analizy modalnej konstrukcji KOMORSKA Iwona - Nieliniowy model dynamiczny ukadu przeniesienia mocy jako narzdzie diagnozowania bdów osiowania KORBICZ Józef - Trendy i problemy w diagnostyce procesów KORCZEWSKI Zbigniew - Zastosowanie metod analizy czasowej i widmowej do identyfikacji procesów 287 gazodynamicznych w ukadzie spalin wylotowych silnika okrtowego z turbodoadowaniem... KOCIELNY Jan Maciej, BARTY Micha - Models In Diagnostics Of Industrial Processes 291 KOWALAK Janina - Wpyw obrotów wau na poziom drga wza oyskowanego KUPIEC Jerzy, LASKI Grzegorz - Bdy w ocenie zdolnoci tumienia amortyzatorów przy badaniu z 31 wykorzystaniem wskanika Eusama...

4 DIAGNOSTYKA 3 CEMPEL, Short History of Diagnostics and Diagnostic Congresses in Poland 3 Short History of Diagnostics and Diagnostic Congresses in Poland CEMPEL Czesaw 1 Machinery diagnostics, or machine condition monitoring is relatively new science and technology of condition assessment of machines and mechanical equipment and systems. It arise in early 7 ties of a last century as accumulation of practical knowledge, so, as a technology of condition assessment of critical machines in operation, curried out without a need to stopping them. It was done at that time mostly by observing and measuring its temperature, noise and vibration. All colleagues involved in this area remember famous VDI norm VDI256 (Verein Deutsches Ingenieure), and norms of IRD Mechananalysis Inc. They remember also the famous first American book of Blake M P and Mitchell W S, Vibration and Acoustic Measurements Handbook (Spartan Books 1972), very practical but with no theory, because at that time there was no theory in diagnostics at all. Also there was at that time the famous book of Russian origin by Pavlov B V, Acoustic Diagnostics of Machinery, issued in Moscow in 1971, with the beginnings of some explanations; what, why and when in diagnostics. This was the beginning of machine condition monitoring practice in industry, and it stimulated the rational and scientific thinking, why it is so, and how to improve this way of reasoning? This new area of activity in industry and Universities was noted as the fact, also in Poland, and as a results we have had all country First Scientific Workshop on condition monitoring in 1973, organized by famous team of late Prof. L. Mueller. Since than, the area of vibration condition monitoring was growing rapidly. There was a need to organize more courses and meetings, and in 1977 the formal Diagnostic Group was established within Mechanical Engineering Academy of Science. Personally, as a young associate professor I was involved in this activity from the beginning, so, there was a call to me to lead this Group. We have had meetings every quarter of the year, with some lectures and exchange of ideas, and once per year, or every two years, we have organized so called Diagnostic Schools. The first School was held in 1977 in Biay Bór near the Baltic coast, and the last X-th in 1992 in Zajczkowo near Pozna. In the meantime, several other Diagnostic Conferences has been established, mostly devoted to diagnostics of some branch of industry, or some type of equipment, like internal combustion engines, or heavy machinery. The scope and area of condition monitoring application was large, so it was a motion to establish Polish Society of Diagnostic Engineering, which take place in 199, with all country membership over 15. But political changes in Poland, and change from the planned economy to so called "free market" and fundamental capitalism (as George SOROS has 1 President of Congress Scientific Committee, Pozna University of Technology, czeslaw.cempel@put.poznan.pl

5 4 DIAGNOSTYKA 3 CEMPEL, Short History of Diagnostics and Diagnostic Congresses in Poland named it) put large enterprises into great financial and organizational troubles. Hence, the need for condition monitoring in Polish industry has been diminished greatly. Now, there is some small market for condition monitoring implementation in industry, but mostly we are engaged in a teaching of diagnostics, and the small money research financed by State Research Committee in Poland. Even that, the diminishing of scope and need for diagnostics, Polish Society of Diagnostic Engineering has organized in September 17 2, 1996, the I International Congress on Diagnostics in Gdask, with over 35 participants, 11 exhibitors, 8 invited lectures and 24 plenary lectures. There were 14 published contributed papers in a 3 Volumes Congress Proceedings, and 18 of them were delivered in the poster form. Also during the Congress 7 dedicated courses on Condition Monitoring of some special equipment was given. As usually social part of Congress for participants and accompanied person was very well organized, showing some interested places and events of a Baltic coast and Gdask. The great response to the first Congress was the reason for the organization of the II International Congress on Diagnostics in Warsaw, September This time, there were over 11 participants, some from abroad. There were 7 plenary sessions with 36 invited lectures, and 4 poster sessions with 87 stands. Two Volumes of Congress Proceedings was edited together with accompanied Compact Disc. And as before, there were social part of the Congress showing some best places and events of Warsaw as great city, and the Polish capital. And now we are at the beginning of the III International Congress on Technical Diagnostics, this time held in Pozna in September 6 9, 24. And currently we have over 11 participants, 18 lectures, and 6 exhibitors. We have 16 plenary papers, over 92 session papers and two panel discussions devoted to some important issues of diagnostics. Social part of our meeting, this time connected with the folklore of Grand Poland region is also planned. We can say at the beginning that the organization of this Congress was the response to the need of professional associations in Poland also in neighboring countries. On behalf of these and Scientific Committee of the Congress I wish all participants the fruitful discussions and emerging new brilliant ideas, as the result of this meeting. I wish also a pleasant stay in Pozna and beautiful region of Grand Poland. Thank you for coming and being with us. Czesaw CEMPEL

6 DIAGNOSTYKA 3 ADAMKIEWICZ, Diagnozowanie okrtowych turbinowych... 5 DIAGNOZOWANIE OKRTOWYCH TURBINOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Z ZASTOSOWANIEM METOD STATYSTYCZNYCH Andrzej ADAMKIEWICZ AKADEMIA MARYNARKI WOJENNEJ, Wydzia Mechaniczno-Elektryczny, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Okrtu, ul. midowicza 69, Gdynia, aadam@amw.gdynia.pl Streszczenie Referat prezentuje statystyczn metod przetwarzania wyników eksploatacyjnych pomiarów parametrów pracy w diagnozowaniu okrtowych turbinowych silników spalinowych Wartoci zmiennych jednej sekwencji czasowej obserwacji przyporzdkowane s losowym zakresom obcie silników. Powoduje to konieczno przetwarzania wyników pomiarów w celu stworzenia warunków porównywalnoci estymowanych wartoci parametrów na jednakowych zakresach obcie silników z wartociami dopuszczalnymi. Badajc zwizki midzy zmiennymi zastosowano metod funkcji opisujcej do diagnozy chwilowej. Przedstawiono algorytm zastosowania elementów analizy regresji do diagnozy chwilowej oraz wybrane wyniki bada. Sowa kluczowe: okrtowy turbinowy silnik spalinowy, diagnoza, parametry pracy, modele regresji. DIAGNOSING MARINE GAS TURBINE ENGINE WITH THE APPLICATION OF STATISTICAL METHODS Summary This paper presents a statistical method of transformation of experimental results of operational parameters for diagnosing marine turbine engines. Values of variables of one observation time sequence are assigned to random ranges of engine loads. It leads to the necessity of transformation of experimental results in order to obtain comparable conditions for the estimated values of parameters at engine load ranges equivalent to those of accepted values. A descriptive function for instant diagnosis have been used. Algorithm for application of elements of regression analysis and selected experimental results have been presented. Keywords: marine gas turbine engine, diagnosis, operation parameter, regression model 1. WPROWADZENIE Konieczno przejcia na dynamiczne sposoby utrzymania turbinowych silników spalinowych na okrtach dyktuje wdroenie strategii eksploatacji wedug rzeczywistego stanu silników. Ograniczenie dostpu przez producentów do informacji o charakterystykach silników spowodowao poszukiwanie nowych metod wykorzystania parametrów pracy, zapewniajcych wiarygodn jednoznaczn diagnoz chwilow, lokalizacj niesprawnoci oraz prognozowanie czasu, do osignicia przez parametry wartoci granicznych. Referat przedstawia metod przetwarzania wyników pomiarów zarejestrowanych w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych, dostosowan do potrzeb diagnozy chwilowej, okrtowych turbinowych silników spalinowych. Integraln skadow prezentowanej metody stanowi zastosowanie regresji wielokrotnej do estymacji predykcji w prognozowaniu stanu silników, co bdzie przedmiotem oddzielnej publikacji. 2. METODA BADA Wybór momentu obserwacji parametrów pracy silników turbinowych wyznacza bieca realizacja zada okrtu, a losowy charakter jej wyników jest konsekwencj: warunków atmosferycznych i hydrometeorologicznych w akwenie pywania, stanu charakterystycznego ukadu energetycznego okrtu w momencie obserwacji oraz oddziaywania czynników nie uwarunkowanych wykonywaniem funkcji uytkowych. Pomiary wykonywane s podczas funkcjonowania ukadu energetycznego okrtu, a kolejne obserwacje rozdzielaj róne okresy czasu. Uwarunkowania takie spowodoway konieczno specjalnego sposobu opracowania wyników pomiarów, uwzgldniajcego: - eliminacj wpywu zmiennych warunków eksperymentu na wyniki pomiarów, - konieczno opisu wyników pomiarów parametrów pracy kadej obserwacji zalenoci: parametr pracy jako funkcja mocy silnika, - histori uytkowania w ocenie wpywu czasu, na wartoci mierzonych parametrów.

7 6 DIAGNOSTYKA 3 ADAMKIEWICZ, Diagnozowanie okrtowych turbinowych... Badania przeprowadzono dla temperatury spalin za turbin, cinienia powietrza za sprark i cinienia paliwa za pomp wysokiego cinienia dwóch, jednowirnikowych silników pomocniczych typu GTU- 6A ukadu energetycznego niszczyciela [1,2]. 3. ELIMINACJA WPYWU ZMIENNYCH WARUNKÓW EKSPERYMENTU NA WYNIKI POMIARÓW Wartoci zmiennych w wieloelementowej próbie jednej sekwencji obserwacji przyporzdkowane s losowym zakresom obcie silników. Powoduje to konieczno przetwarzania wyników pomiarów w celu stworzenia warunków porównywalnoci warto- ci parametrów sygnaów diagnostycznych z parametrami wzorcowymi, na jednakowych zakresach obcie silników. W projektowych warunkach pracy okrtowy turbinowy silnik spalinowy jest zasilany paliwem speniajcym wymagania standardu wytwórcy oraz powietrzem o parametrach atmosfery wzorcowej zgodnie z ISO Minimalizacj wpywu warunków rodowiska okrtowego na wyniki bada zapewniono: w zakresie realizacji eksperymentu, zasilajc wszystkie silniki paliwem i powietrzem o skadzie i wasnociach zalecanych przez wytwórc, w zakresie opracowania wyników pomiarów: 1. redukujc wyniki pomiarów poszczególnych obserwacji, do parametrów atmosfery wzorcowej za pomoc zwizków wynikajcych z dynamicznego podobiestwa przepywów, 2. stosujc w opracowaniu wyników pomiarów i modelach silników normowane: zmienne stanu, moc i czas pracy. Podczas k tej obserwacji, dokonywano rejestracji wartoci parametrów przy rónych, technicznie niepowtarzalnych mocach silników. Ich stan energetyczny definioway niezalene parametry stanu, zmienne sterujce oraz parametry powietrza atmosferycznego, skadajce si na parametry sygnau diagnostycznego, w postaci: P e kz d,..., d, p, T, ) (1) 1( 1kz ikz k k k P e kz gdzie dla mocy silników wartoci parametrów pracy oznaczono odpowiednio d1kz, d 2kz,...,d ikz. 4. DOBÓR FUNKCJI OPISUJCEJ OBSER- WOWANE PARAMETRY Celem zastosowania funkcji opisujcej wyniki pomiarów parametrów pracy silnika turbinowego z jednej sekwencji czasowej jest: pozyskanie narzdzia do porównywania wartoci parametru pracy na jednakowych mocach silnika: w stanie obserwacji i wzorcowym np. dopuszczalnym, ocena stopnia rozrzutu tego parametru i tworzenia korelacji z innymi parametrami. Brak takich zwizków eliminuje parametr jako przydatny diagnostycznie. Przyporzdkowujc mocy jeden parametr sygnau diagnostycznego okrelano powizania midzy zaobserwowanymi wartociami poszczególnych parametrów i moc silnika (d ik, P ek ) w postaci funkcji regresji I stopnia. Jej obraz graficzny dla trzech wybranych parametrów pracy silnika jednowirnikowego, dla kilku kolejnych obserwacji indeksowanych normowanym czasem pracy, przedstawiono w pracy [2]. Przypisujc wartociom zmiennych niezalenych rednie warunkowe zmiennej zalenej zdefiniowano zalenoci midzy analizowanymi zmiennymi w postaci [2,3] D ˆ f ( P ) P (2) ik e gdzie: Dˆ - zbiór wartoci teoretycznych wyznaczonych dla mocy normowanej P e, która jest przy- ik blieniem wartoci faktycznej,, - parametry liniowej funkcji regresji, - skadnik losowy, wyraajcy wpyw wszystkich czynników, które obok P e wpywaj na zmienn objanian. Bezporednio zaleno taka w diagnozowaniu silników turbinowych jest nieprzydatna, a posta analityczna funkcji jest nieznana. Zmierzone warto- ci parametrów pracy dla ustalonej mocy silnika s zmiennymi niezalenymi. W bezdemontaowej diagnozie chwilowej, wartoci parametrów pracy wystpujcych w prawych stronach zalenoci (1) s porównywane z wartociami parametrów stanów dopuszczalnych i granicznych (3) 2 ( Dk,dop ) Dk Ddop (4) 2( Dk,gr ) Dk Dgr zgodnie z relacjami diagnostycznymi drugiego rodzaju. Jednak porównania te mog by dokonywane jeeli zapewniono: - stay poziom zakóce, osignity przez redukcj zmierzonych parametrów do wartoci, jak przy parametrach atmosfery wzorcowej, - jednakowe moce silników, najwygodniej takie same, dla jakich producent wyznaczy wartoci dopuszczalne i graniczne parametrów. O ile pierwsze wymaganie jest speniane bez trudno- ci przy przetwarzaniu wyników pomiarów, to realizacja drugiego powoduje konieczno opracowania metody budowy relacji II rodzaju [3,4]. Wstpnego doboru analitycznej postaci modeli regresji dokonywano na podstawie: róde poza statystycznych dotyczcych badanej dziedziny zjawiska, np. na podstawie obrazu graficznego parametrów funkcyjnych, wyznaczonych przez producenta dla stanów wzorcowych silników, wykresu rozrzutu parametrów, ei

8 DIAGNOSTYKA 3 ADAMKIEWICZ, Diagnozowanie okrtowych turbinowych... 7 analizy materiau statystycznego. Obraz graficzny linii regresji podpowiada typ funkcji opisujcej powizanie midzy badanymi parametrami. Zapisana w ogólnej postaci zaleno dˆ ik f ( a,b, Pe ) (5) moe okaza si typu liniowego lub nieliniowego. Wartoci parametrów funkcji liniowej szacowano na podstawie z elementowej próby, skadajcej si z par obserwacji (d ik, P eik ), a poszukiwana funkcja regresji posiada wówczas posta dˆ ik a bp e (6) gdzie: a, b parametry regresji, szacowane klasyczn metod najmniejszych kwadratów [3,4], e i d i dˆ zmienna losowa. i Poszukujc funkcji opisujcej wyniki pomiarów parametrów pracy dla kadej serii pomiarowej, rozpatrywano liniowe modele regresji w postaci dˆ i P e oraz nieliniowe, wykadnicze e aˆ bˆ (7) dˆ aˆ exp( bˆ ) (8) i P e Zalet modeli regresji (7) i (8), w odrónieniu od innych typów, np. wielomianowych, potgowych itp. modeli, jest dogodno fizycznej interpretacji wartoci ich wspóczynników oraz najlepsza korelacja z wynikami eksperymentu. Zakadajc pocztkowo, e czas pracy silników nie wpywa na warto- ci mierzonych wielkoci w sekwencjach czasowych obserwacji, wyboru funkcji opisujcej dokonywano po weryfikacji przyjtej hipotezy o postaci funkcji, kierujc si wartociami [3,4]: wspóczynników korelacji liniowej Pearsona R, wspóczynnika determinacji R 2, poprawionego wspóczynnika determinacji dla modeli nieliniowych, jako miary skorygowanej liczb stopni swobody. Dla kadej serii pomiarowej wyznaczono równanie opisujce zaleno wartoci parametru pracy od wartoci mocy, zgodnie z przyjtym modelem. Weryfikacji hipotezy w przypadku doboru funkcji wykadniczej dokonywano dokonujc jej linearyzacji przez logarytmowanie. Na rys. 1 przedstawiono zastosowany algorytm elementów analizy regresji dla serii pomiarowej jednej obserwacji. Otrzymane modele okrelone zostay dla stanu technicznego silników w chwili obserwacji. Wnioski wynikajce z estymowanych przy ich pomocy relacji parametrów z wartociami dopuszczalnymi i granicznymi, mog stanowi podstaw diagnozy chwilowej. 3. WYNIKI BADA I PODSUMOWANIE Niewielkie rónice wyznaczonych wartoci wspóczynników regresji modeli liniowego i wykadniczego tej samej obserwacji oraz niepewnoci bdów estymacji ich parametrów spowodoway, i i podjto prób poprawy wiarygodnoci oceny parametrów modeli, przez zastosowanie modeli uwzgldniajcych histori uytkowania silników. Analiza wykresów rozrzutu zmiennych Sprawdzenie typu zalenoci di f ( P e ) Przyjcie hipotetycznego modelu regresji ^ ^ ^ ^ ^ ^ di a b P e di a exp ( b P e ) Weryfikacja hipotezy o modelu wykadniczym ^ ^ ^ ln di ln a Pe ln b ^ ^ Estymacja parametrów modelu a, b Obliczenie wspóczynników regresji i determinacji 2 2 Ocena dopasowania modelu R, R, R popr Weryfikacja merytoryczna i statystyczna modelu Estymacja wartoci parametru dla mocy, której wytwórca przyporzdkowa warto dopuszczaln ^ di f [ P ed idop ] Diagnoza chwilowa na podstawie relacji ^ ^ R2( d idop ) d i [ Ped ] d idop idop Rys. 1. Algorytm zastosowania elementów analizy regresji do diagnozy chwilowej Zweryfikowana hipoteza postaci funkcji opisujcej, jednakowa dla wszystkich serii pomiarowych kadego z parametrów sygnau diagnostycznego silnika bya podstaw do doboru typu funkcji opisujcej wyniki wszystkich obserwacji. Na rys. 2 6 przedstawiono graficznie dobrane typy modeli regresji, wraz z postaciami matematycznymi funkcji, o najwyszych wartociach wspóczynników korelacji. T 4 [K] GTU-6A Nr Pe [kw] T4=52,98 exp( 4,541e-4 Pe ) R =,83765 Rys. 2. Wykres opisujcy rozrzut temperatury spalin za turbin jako funkcji mocy silnika GTU 6A Nr 1 Najsilniejsze zwizki korelacyjne wykazaa wród nich temperatura spalin za turbin, opisana funkcj wykadnicz i potwierdzona wynikami dla dwóch silników (rys. 2 i 3). Analizowane modele wykazay zdecydowanie sabsze zwizki korelacyjne cinienia powietrza za sprark przy czym dla silnika Nr 1(rys. 4) okaza si nim model liniowy, dla silnika

9 8 DIAGNOSTYKA 3 ADAMKIEWICZ, Diagnozowanie okrtowych turbinowych... T 4 [K] GTU-6A Nr3 T4 = 513,359 exp( 5,895e-4 Pe) Nr 3 wykadniczy (5). Mao przydatne w diagnozowaniu okazao si cinienie paliwa (rys. 6), ujawniajc prawie cakowity brak zwizków korelacyjnych z moc. Tym samym, zmierzone wartoci parametrów pracy i uzyskane modele powiadczyy najbardziej wiarygodn przydatno w diagnozowaniu temperatury spalin za turbin, mniejsz cinienia powietrza za sprark oraz minimaln cinienia paliwa Pe [kw] R =,92515 Rys.3. Wykres opisujcy rozrzut temperatury spalin za turbin jako funkcji mocy silnika GTU 6A Nr 3 P 2 [bar] GTU-6A Nr Pe [kw] p2 = 3,5175 +,184 Pe R =,5115 Rys.4. Wykres opisujcy rozrzut cinienia powietrza za sprark jako funkcji mocy silnika GTU 6A Nr 1 LITERATURA [1]Adamkiewicz A.: Possibilities of marine gas turbine engine maintenance decisions based on regression analysis of measurements results of a chosen operational parameter. Marine Technology Transactions, Polish Academy of Sciences, Branch in Gdask 22, Vol 13. [2] Adamkiewicz A., Pakua M.: Temperatura spalin wylotowych jako ogólny parametr diagnostyczny okrtowych silników spalinowych. Politechnika Radomska, Instytut Technologii Eksploatacji, Problemy Eksploatacji Zeszyty Naukowe 4/21, Radom 21. [3]Bobrowski D.: Probabilistyka w zastosowaniach technicznych. WNT W-wa [4]Gre J.: Statystyka matematyczna. Podrcznik programowany. PWN, Warszawa p 2 [bar] GTU-6A Nr Pe [kw] p2 = 4,24 exp( 1,375e-4 Pe) R =,1637 Rys. 5. Wykres opisujcy rozrzut cinienia powietrza za sprark jako funkcji mocy silnika GTU 6A Nr 3 p pal [MPa] GTU-6A Nr Pe [kw] ppal= 5,2216 -,4 Pe R = -,2772 Rys. 6. Wykres opisujcy rozrzut cinienia paliwa za pomp wysokiego cinienia jako funkcji mocy silnika GTU 6A Nr 1 Andrzej ADAMKIEWICZ dr in., ukoczy studia na Wydz. Technicznym Wyszej Szkoy Mar. Woj. w Gdyni, uzyskujc w 1971 r. dyplom inyniera elektro-mechanika. W latach peni funkcj oficera mechanika na okrcie szkolnym Mar. Woj. W 1976 r ukoczy specjalistyczne studia magisterskie II stopnia na Wydziale Budownictwa Okrtowego Akademii Marynarki Wojennej w Leningradzie, na kierunku: okrtowe napdy paro i gazo - turbinowe, po czym rozpocz prac na Wydziale Mechaniczno Elektrycznym Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni. Doktoryzowa si w Instytucie Maszyn Przepywowych PAN w Gdasku (promotor prof. dr hab. in. Jerzy Krzyanowski), badajc zagadnienie wpywu dwufazowego aerozolu morskiego na prac okrtowego silnika turbospalinowego. Prowadzi zajcia dydaktyczne z okrtowych turbinowych silników spalinowych. W latach peni funkcj prodziekana ds. dydaktycznych WME AMW. Zainteresowania naukowe obejmoway zagadnienia eksploatacji turbinowych silników spalinowych w ukadach energetycznych okrtów. Opublikowa cztery skrypty, podrcznik oraz ponad 7 artykuów i referatów w czasopismach o zasigu krajowym i zagranicznym. Jest wice-prezydentem Rady Technicznej Polskiego Rejestru Statków w Gdasku. By wspóorganizatorem kilku konferencji naukowych, midzy innymi, takich jak: Kongres Diagnostyki Technicznej 1996 r., Inynieria oyskowania 1999 r., Arbeitsgemeinschaft Turbomaschinen`21.

10 DIAGNOSTYKA 3 BANASZEK, Analiza wpywu propagacji pknicia wirnika 9 ANALIZA WPYWU PROPAGACJI PKNICIA WIRNIKA NA STAN DYNAMICZNY DUEJ MASZYNY ENERGETYCZNEJ Sawomir BANASZEK Instytut Maszyn Przepywowych im. R. Szewalskiego PAN, Zakad Dynamiki Wirników i oysk lizgowych ul. Fiszera 14; Gdask, tel. (+58) w.264, fax: (+58) , tolek@imp.gda.pl Streszczenie Praca przedstawia przebieg i wyniki bada symulacyjnych wpywu pknicia w wirniku turbozespou energetycznego duej mocy na jego stan dynamiczny. Rozwaono niektóre moliwe przypadki osiowego (wzdu dugoci wirnika) i obwodowego umiejscowienia pknicia. Gboko pknicia okrelono przez tzw. wspóczynnik pknicia, zwany równie wzgldn gbokoci pknicia. Na podstawie wyników oblicze przeledzono stany maszyny przy propagacji pknicia. Podjto take prób okrelenia wiarygodnego wyrónika diagnostycznego pknicia wirnika. Sowa kluczowe: pknicie, dynamika maszyn, maszyny wirnikowe, diagnostyka symulacyjna THE ANALYSIS OF THE ROTOR CRACK PROPAGATION INFLUENCE ON THE LARGE POWER MACHINE DYNAMIC STATE Summary The paper presents the course and results of the rotor crack influence on the large power turboset dynamic state simulation research. Some chosen cases of the axial and circumferential crack position were taken into consideration. Crack depth has been described as a crack coefficient (relative crack depth). The calculations results were base to research the machine dynamic states in relation to the crack propagation. The reasonable crack diagnostic indicator was tried to find. Keywords: crack, machine dynamics, rotating machinery, simulation diagnostics 1. UWAGI WSTPNE Zagadnienia wczesnego wykrywania imperfekcji materiaowych i konstrukcyjnych w maszynach wirnikowych stanowi przedmiot licznych publikacji od wielu ju lat. Pomimo to wiele zagadnie cigle pozostaje nierozwizanych do koca. Dotyczy to zwaszcza takich zagadnie jak sprzone formy drga nieliniowych wielopodporowych wirników spowodowanych np.: pkniciem wau czy te kwestia okrelenia waciwego wyrónika diagnostycznego takiego stanu [1] W niniejszej pracy podjto prób okrelenia wpywu pknicia na stan dynamiczny duej maszyny energetycznej, jak jest turbozespó o mocy 2MW. W badaniach oparto si na symulacjach komputerowych. Jest to bowiem praktycznie jedyna metoda okrelenia symptomów tego typu defektu (propagacji pknicia) w tak duych obiektach. Wykonanie czynnego eksperymentu na tego typu maszynie, wicego si przecie z nieodwracalnym zniszczeniem jej wirnika, byoby praktycznie niemoliwe chociaby ze wzgldu na koszty. Dostpne w literaturze dane eksperymentalne dotycz na ogó bardzo maych i prostych (modelowych) obiektów, i trudno odnie je, z uwagi na efekt skali i inn struktur, do obiektów znacznie wikszych i zoonych [2]. Podjta zostanie równie próba wskazania wyrónika diagnostycznego dla pknicia wau maszyny. 2. NARZDZIE BADAWCZE Podstawowym narzdziem badawczym w Zakadzie Dynamiki Wirników i oysk lizgowych IMP PAN jest oryginalnie opracowany system programów komputerowych NLDW, sucy do symulacji stanów dynamicznych ukadów wirnikowych oyskowanych lizgowo. Oparty jest on o tzw. diatermiczny model wymiany ciepa w oysku (silnie nieliniowy) [3]. Linia wirników zostaa zamodelowana za pomoc MES. Unikaln moliwoci programu NLDW jest uwzgldnienie ugi kinetostatycznych wirnika. Celem uwzgldnienia poprzecznego pknicia w wale zastosowany zosta znany z literatury model elementu z poprzecznym pkniciem Knotta typu: pene otwarcie-pene zamknicie [4]. Dynamiczna macierz podatnoci konstrukcji podpierajcej i fundamentu moe by okrelona za pomoc programów bazujcych na MES. Moe zosta okrelona take na podstawie pomiarów, tak jak to miao miejsce w tym przypadku.

11 1 DIAGNOSTYKA 3 BANASZEK, Analiza wpywu propagacji pknicia wirnika 3. OBIEKT I PRZEBIEG BADA Obiektem bada jest turbozespó o mocy 2 MW. Jest to jednostka bardzo czsto spotykana w polskim systemie energetycznym. Rys. 1 przedstawia dyskretyzacj jego wirnika, w programie NLDW. Gboko pknicia jest okrelona przez wspóczynnik pknicia, zwany równie wzgldn gbokoci pknicia W P oznaczajc tutaj stosunek wzgldnej gbokoci pknicia do rednicy wau (Rys. 4). P y g X D W P = g/d Rys. 4. Wspóczynnik gbokoci pknicia W P Rys. 1. Turbozespó o mocy 2 MW dyskretyzacja wirnika Rozwaono dwa przypadki umiejscowienia pknicia w wirniku turbozespou (Rys. 2 ): Pknicie 1 (CR1) umiejscowione w oysku nr 6 (w wle drga poprzecznych) Pknicie 2 (CR2) umiejscowione w pobliu poowy dugoci wirnika generatora (w miejscu, w którym linia kinetostatyczna wirnika jest najbardziej ugita spodziewane due sprzenia drga). CR1 CR1 Pknicie 1 CR2 Pknicie 2 GENERATOR GENERATOR Rys. 2. Umiejscowienie rozwaanych przypadków pkni W kadym z tych miejsc rozwaono po 4 przypadki obwodowego umiejscowienia pknicia, opisanego poprzez kt P okrelajcy pooenie pknicia w stosunku do osi pionowej y (Rys. 3) Rys. 3. Obwodowe umiejscowienie pknicia Obliczenia prowadzono osobno dla obydwu rozwaanych przypadków pkni. 4. WYNIKI OBLICZE Rys. 5 przedstawia zmiany amplitud drga bezwzgldnych panwi spowodowane propagacj pknicia dla niektórych przypadków umiejscowienia pknicia. Porównano midzy sob przypadki osiowego umiejscowienia pknicia (Pkniecie 1 i 2) dla przypadku o stosunkowo bezpiecznym umiejscowieniu pknicia ( P =9 O ) i niebezpiecznym ( P =18 O ). Rys. 6 przedstawia zmiany amplitud drga skrtnych wybranych wzów przy propagacji pknicia w tych samych przypadkach. Zauway mona, i wpyw propagacji pknicia na stan dynamiczny tego typu maszyny jest niejednoznaczny. Zmiany amplitud s stosunkowo niewielkie. W pewnych zakresach gbokoci pknicia drgania mog, wbrew oczekiwaniom, male. Wyraniejszego wzrostu amplitud drga mona si spodziewa dla duych gbokoci pknicia (tu powyej.4) i to w tych przypadkach, w których, jak mona mniema, doszo do szczególnego przypadku sprzenia kierunku pknicia z kierunkami wypadkowych wymusze zewntrznych dziaajcych na wirnik. Takie zjawisko miao miejsce w przypadku Pknicie 2, P =18 O, w którym najprawdopodobniej doszo do wzajemnego wzmocnienia efektów dynamicznych pochodzcych od si zewntrznych i spowodowanych pkniciem wirnika, co wywoao gwatowny, nawet 3-krotny wzrost amplitud drga. Zjawiskiem wartym odnotowania jest ujawniony rezonans drga wywoany pkniciem (tu: dla Pknicia 2). Jest on widoczny w obrazie drga poprzecznych dla wartoci W P =.2.25 (rys. 5). Jest to bardzo istotne spostrzeenie, pokazujce, i ukad wirnikowy, przy propagacji pknicia, moe wpa w rezonans. Warto si temu zjawisku przyjrze bliej w przyszoci. Z wczeniejszych publikacji wiadomo bowiem, i pknicie moe obnia czstoci rezonansowe ukadu.

12 DIAGNOSTYKA 3 BANASZEK, Analiza wpywu propagacji pknicia wirnika 11 Crack 1, P =9 O Crack 2, P =9 O Crack 1, P =18 O Crack 2, P =18 O Rys. 5. Drgania bezwzgldne panwi oyska nr 6 Crack 1, P =9 O Crack 2, P =9 O Crack 1, P =18 O Crack 2, P =18 O Rys. 6. Drgania skrtne czopa oyska nr 6

13 12 DIAGNOSTYKA 3 BANASZEK, Analiza wpywu propagacji pknicia wirnika 5. WYRÓNIK DIAGNOSTYCZNY Biorc pod uwag caoksztat oblicze trzeba zauway, e poza jednym, szczególnym przypadkiem umiejscowienia pknicia wzrost amplitud drga poprzecznych by stosunkowo niewielki, w pewnych przypadkach wrcz pomijalny. Oznacza to, e drgania poprzeczne nie mog by wiarygodnym wyrónikiem diagnostycznym pknicia wau. Poniewa jednak od wspóczesnych systemów diagnostycznych wymaga si trafnoci identyfikacji take tego typu defektów, naley podj prób znalezienia bardziej wiarygodnych wyróników diagnostycznych. Niektórzy autorzy wskazuj tu np. na drgania skrtne wau. Jak wida na rys. 6, s one bardziej wraliwe na propagacje pknicia, ni drgania poprzeczne. Dla poprawy pewnoci diagnozy warto równie wykorzysta obserwacje sprze drga w rónych kierunkach (patrz rys. 7). Ograniczeniem s tu trudnoci techniczne zwizane z pomiarem drga skrtnych obracajcego si wau. przemieszczenie [m] kt skrcenia [st.] 2,E-6 1,5E-6 1,E-6 5,E-7,E+ -1,E-6-1,5E-6-2,E-6-2,5E-6-3,E-6 3,E-4 2,E-4 1,E-4,E+,E+ 1,E-2 2,E-2 3,E-2 4,E-2 5,E-2 6,E-2 7,E-2 8,E-2-1,E-4-2,E-4-3,E-4-4,E-4-5,E-4-6,E-4-7,E-4 PBARTM AX,E+ 1,E-2 2,E-2 3,E-2 4,E-2 5,E-2 6,E-2 7,E-2 8,E-2-5,E-7 czas [s] PBARTM AX czas [s] CR1B65 CR1B65 Rys. 7 Sprzenie drga wzdunych i skrtnych, Pknicie 1, P =9 O Zdaniem niektórych autorów obiecujce wydaje si zastosowanie do detekcji pkni analizy widm fazowych. Ilustruje to rys. 8, sporzdzony dla drga wzgldnych czopa oyska nr 6 w bezpiecznym przypadku (Pknicie 1, P =9 O ). Wida na nim, e w przeciwiestwie do niewielkich zmian w widmie amplitudowym, widma fazowe (poniej) zmieniy si wyranie. Sugeruje to, i wicej informacji diagnostycznej nios wanie widma fazowe. Analiza widm fazowych nie jest jeszcze powszechna. Jest to zagadnienie stosunkowo mao rozpoznane, zwaszcza jeeli chodzi o jego zastosowania diagnostyczne. Std celowe jest usystematyzowanie w dalszych pracach. W P = W P =.5 Rys. 8. Widma amplitudowe i fazowe drga wzgldnych czopa 6. PODSUMOWANIE Podsumowujc naley stwierdzi, e wpyw pknicia na stan dynamiczny duej maszyny wirnikowej jest niejednoznaczny. Powoduje to trudnoci w okreleniu wiarygodnego wyrónika diagnostycznego. Ze wzgldu na to, i pknicie powoduje powstawanie wielokierunkowych sprze drga, celowe wydaje si prowadzenie analizy nie tylko drga poprzecznych, ale take wzdunych, a zwaszcza skrtnych (najbardziej czuych na propagacj pknicia). Celowe wydaje si równie prowadzenie analizy widm fazowych. Okazao si poza tym, i pknicie wirnika jest w stanie spowodowa rezonans ukadu wirnikowego. Zjawisko to wymaga dalszej analizy. Dalsze prace powinny by zatem nakierowane na blisze poznanie rezonansu w funkcji pknicia, jak równie usystematyzowanie zagadnie analizy widm fazowych. LITERATURA [1] J. Kiciski, A. Markiewicz Kiciska, Coupled nonlinear vibrations in multi-support rotors founded on slide bearing, Proceedings of VETOMAC-1 Conference, Bangalore, INDIA, 2, pos. CP 47 [2] J.D. Yang, i inni The complicated response of a simple rotor with a fatigue crack, IFToMM Conference, Sydney, 22 [3] J. Kiciski, R. Drozdowski, P. Materny, The nonlinear analysis of the effect of support construction properties on the dynamic properties of multi-support rotor systems, Journal of Sound & Vibration (1997) 26(4), pp [4] J.F. Knott, Fundamentals of fracture mechanics, Butterworths, London, 1973.

14 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, Urednianie multisychroniczne (msa) UREDNIANIE MULTISYCHRONICZNE (MSA) DIAGNOSTYCZNIE ZORIENTOWANA METODA ANALIZY SYGNAU WIBROAKUSTYCZNEGO Roman BARCZEWSKI Politechnika Poznaska, Instytut Mechaniki Stosowanej ul. Piotrowo 3, 6-965, Pozna, roman.barczewski@put.poznan.pl Streszczenie W artykule przedstawiono technik Uredniania Multisynchronicznego (MSA) - diagnostycznie zorientowan metod przetwarzania sygnau. Metoda MSA jest szczególnie przydatna do analizy drga poliokresowych generowanych przez niektóre typy maszyn. Technika ta pozwala na równoleg separacj skadowych poliharmonicznych ze zoonych sygnaów drganiowych. Dalsze przetwarzanie zdekomponowanych poliharmonik daje szerokie moliwoci zastosowa diagnostycznych. W artykule zarysowano algorytm metody oraz przykad jej zastosowania do analizy drga przekadni zbatej. Sowa kluczowe: Urednianie multisynchroniczne, diagnostyka wibroakustyczna, metody analizy sygnaów poliharmonicznych i poliokresowych MULTISYNCHRONOUS AVERAGING (MSA) A DIAGNOSTIC-ORIENTED METHOD OF VIBROACOUSTIC SIGNAL ANALYSIS Summary In the paper the Multisynchronous Averaging (MSA) a diagnostic oriented signal processing method has been presented. The MSA technique is especially useful for analysis of polyperiodic vibration signals generated by some types of machines. This method enables parallel separating of polyharmonic component from complex vibration signal. Postprocessing of decomposed polyharmonics gives wide possibilities of diagnostic applications. In the paper an algorithm of the MSA techniques has been outlined and example of application of the method to gear box vibration analysis has been presented.. Keywords: Multisynchronous Averaging (MSA), vibroacoustic diagnostics, methods of a polyharmonic and polyperiodic signal analysis 1. WSTP Wikszo zoonych pod wzgldem kinematycznym maszyn i urzdze jest ródem sygnaów wibroakustycznych (WA) o charakterze poliharmonicznym i poliokresowym. Pod pojciem sygnau poliharmonicznego (polyharmonic signal - PHS) bdziemy rozumieli zoony sygna okresowy, który oprócz skadowej podstawowej o czstotliwoci f p, zwizanej z czstotliwoci charakterystyczn dla danego podzespou lub procesu, zawiera jej skadowe nadharmoniczne o czstotliwociach n f p (n = 1,2,3, ). Reprezentacj sygnau poliharmonicznego w dziedzinie czstotliwoci jest poliharmonika - specyficzna posta widma tworzca cig skadowych widma h n (n=1,2, N), zwizanych z jedn, czstotliwoci podstawow fp. Sygna poliokresowy (polyperiodic signal - PPS) jest sygnaem skadajcym si co najmniej z dwóch sygnaów poliharmonicznych, o rónych czstotliwociach podstawowych f p,i, nie bdcych wzajemnie swoimi nad- lub pod wielokrotnociami. ródami sygnaów poliharmonicznych mog by midzy innymi: oddziaywania dynamiczne wirujcych czci maszyn, zjawiska elektromagnetyczne wystpujce w silnikach elektrycznych, niektóre zjawiska aeroi hydrodynamiczne zachodzce w maszynach przepywowych oraz procesy o charakterze impulsowym powtarzajce si ze staym okresem. Obecno w maszynie co najmniej dwóch róde drga o rónych okresach podstawowych powoduje powstawanie poliokresowych sygnaów wibroakustycznych. Zoone sygnay WA tego typu generuj m.in. przekadnie pasowe i przekadnie zbate o przeoeniu rónym od jednoci, maszyny wielowirnikowe z wirnikami obracajcymi

15 14 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, Urednianie multisychroniczne (msa)... z rónymi prdkociami obrotowymi, silniki asynchroniczne itp. Poliokresowe sygnay poliharmoniczne mog by równie generowane przez oyska toczne w przypadku np. koegzystencji defektów dwóch rónych jego elementów. Dla celów diagnostyki WA opracowano i adoptowano wiele technik i metod analizy sygnaów. Niektóre z nich znalazy zastosowanie do analizy sygnaów PPS i PHS. Mona do nich zaliczy: analiz cepstraln [1], widmo iloczynowe, widmo poliharmoniczne [5]. Cechy i ograniczenia tych metod, a zwaszcza postacie uzyskiwanych wyników sprawiaj trudnoci w ich interpretacji i dokonaniu oceny ilociowej. W praktyce stosowane s zazwyczaj do identyfikacji zjawisk i ich oceny jakociowej. Do oceny zarówno jakociowej jak i ilociowej przydatne s diagnostycznie zorientowane metody przetwarzania i analizy sygnau, dajce wyniki w postaci pozwalajcej na atw i intuicyjn ich interpretacj. Do ekstrakcji i dalszej analizy sygnaów poliharmonicznych z sygnaów zoonych lub zaszumionych stosowane s techniki synchronicznego przetwarzania sygnaów [1] np. uredniania synchronicznego (synchronous averaging) [6], czy te analiza rzdów (order analysis) [7], która jest szczególnie przydatna w analizie stanów nieustalonych (np. rozruchu i wybiegu maszyny). Do analizy stacjonarnych sensie czstotliwociowym zoonych sygnaów PHS i PPS z powodzeniem mona stosowa metod poliharmonicznej filtracji rekurencyjnej PRF [3,4,5], a dla sygnaów niestacjonarnych techniki filtracji ledzcej (np Vold-Kalman Order Tracking Filtering [8]). W niniejszej pracy zaproponowano nowe podejcie do zagadnienia dekompozycji stacjonarnych w sensie widmowym poliharmonicznych sygnaów polioresowych poprzez stosowanie opracowanej techniki uredniania multisynchronicznego MSA. Wykazano, e metoda MSA jest szczególnie przydatna dla analizy i diagnozowania podzespoów/elementów maszyn i procesów bdcych ze sob w staym zwizku kinematycznym. 2. UREDNIANIE MULTISYNCHRONICZNE Technika uredniania multisynchronicznego wykorzystuje mechanizmy klasycznego uredniania synchronicznego. Nowum polega na wykorzystaniu zoonych sygnaów tachometrycznych oraz specyficznemu dla tej metody cyfrowemu przetwarzaniu sygnaów. Polega ono na wstpnym nadpróbkowaniu analizowanych sygnaów i zoonych sygnaów tachometrycznych, dolnoprzepustowej filtracji cyfrowej oraz decymacji stosowanej w celu redukcji rozmiarów szeregów czasowych. Technika ta pozwala na równolege, wielowtkowe dekomponowanie sygnau poliokresowego na sygnay poliharmoniczne z jednoczesn redukcj szumu. Dodatkow zalet metody jest moliwo ograniczenia liczby sygnaów tachometrycznych rejestrowanych w polu zjawiskowym. Uproszczony schemat przetwarzania sygnaów wraz z postprocessingiem przedstawiono na rysunku 1. W tabeli 1 zestawiono porównanie cech metody poliharmnicznej filtracji rekurencyjnej z opracowan metod sumowania multisynchronicznego. Sygna WA (przebieg czasowy) ADC (wysoka fp) Sygna w postaci cyfrowej Filtracja cyfrowa dolnoprzepust owa Równolege, wielowtkowe urednianie synchroniczne, Ekstrakcja sygnaów Poliharmonicznych. Zoony sygna tachometryczny (np. NWW czstotliwoci podstawowych f pi ) ADC (wysoka fp) Sygna w postaci cyfrowej Dekompozycja sygnaów tachometrycznych Procedury syntezy wyników Poliharmoniki Redukcja danych FFT Redukcja rozmiarów zdekomponowanych szeregów czasowych na drodze: decymacji. przepróbkowania adaptacyjnego. fp - czstotliwo próbkowania - pami masowa Rys. 1. Metoda Uredniania Multisynchronicznego MSA uproszczony schemat przetwarzania sygnaów i postprocessingu

16 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, Urednianie multisychroniczne (msa) Tabela 1. Porównanie podstawowych cech PFR i MSA - metod dekompozycji sygnaów poliokresowych Metoda przetwarzania sygnau Cel stosowania metody Posta danych (wejciowych) Parametry danych wejciowych Zasada funkcjonowania Stosowany pre/post processing Rodzaj sygnau synchronizujcego Wpyw obecnoci szumu w sygnale Poliharmoniczna filtracja rekurencyjna PRF Dekompozycja widm sygnaów poliokresowych na poliharmoniki (zwizane z czstotliwociami podstawowymi charakterystycznymi dla danego podzespou, elementu, procesu, zjawiska) i widmo resztkowe. Widmo amplitudowe sygnau WA. Wysoka rozdzielczo widma. Szeregowa ekstrakcja z widma poliharmonik, (dekomponowane w pierwszej kolejnoci posiadaj priorytet przywaszczania sobie wspólnych skadowych). Preprocessing - analiza widmowa FFT, korekcja amplitudowo-czstotliwociowa widma wejciowego. Detekcja lub autodetekcja czstotliwoci podstawowych poliharmonik, metody ledzce [2]. Niska skuteczno dekompozycji sygnaów mocno zaszumionych. Cze energii szumu zawiera si w skadowych poliharmonik. Urednianie Multisynchroniczne MSA Dekompozycja sygnaów poliokresowych na skadowe sygnay poliharmoniczne zwizane elementami i podzespoami maszyny, pozostajcymi ze sob w staym zwizku kinematycznym. Redukcja szumu nieokresowego. Przebieg czasowy sygnau WA oraz zoony sygna tachometryczny. Nadpróbkowany zarówno sygna WA jak i zoony sygna tachometryczny. Równolega wielowtkowa dekompozycja sygnau (wspólne skadowe s obecne w kadej w kadym dekomponowanym sygnale poliharmonicznym). Postprocessing - redukcja rozmiarów zdekomponowanych szeregów czasowych PHS (np. na drodze decymacji). Sygnay uzyskane na drodze dekompozycja zoonego sygnau tachometrycznego lub tworzone na podstawie technik adaptacyjnych (autosynchronizacja). Metoda niewraliwa na obecno szumu. Stopie redukcji szumu w zdekomponowanych sygnaach jest zaleny od liczby realizacji poddanych urednieniu. 3. PRZYKAD ZASTOSOWANIA MSA Zamieszczony przykad ilustruje funkcjonowanie metody MSA zastosowanej do dekompozycji sygnau prdkoci drga zarejestrowanego na modelu jednostopniowej przekadni zbatej przedstawionej na rysunku 2. Przekadnia napdzana bya silnikiem asynchronicznym o mocy,18 kw o prdko obrotowa 1398 obr/min; liczba zbów kó zbatych z 1 =3, z 2 =23. Przetwornik drga zlokalizowano na jednym z wzów oyskowych. Zoony sygna tachometryczny (w tym przypadku sygna zazbienia) odbierano przetwornikiem reluktancyjnym. Cyfrowe przetwarzanie sygnaów realizowano przy pomocy opracowanych procedur w wirtualnym rodowisku DASYLab. Na rysunku 3 przestawiono fragment analizowanego sygnau prdkoci drga. Rysunek 4 ilustruje posta zoonego sygnau tachometrycznego oraz uzyskane w wyniku jego decymacji sygnay synchronizujce proces dekompozycji. v [ mm/s] Rys.2. Badany model przekadni zbatej [11] czas ] Rys 3. Posta sygnau prdkoci drga

17 16 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, Urednianie multisychroniczne (msa)... a) b) c) v [mm/s] mm/s] v [ przekadni (wejciowego do procedury MSA) czas [ms] Rys. 4. Posta zoonego sygnau tachometrycznego (a), oraz sygnay synchronizujce proces dekompozycji sygnau WA dla waka szybkoobrotowego ( b) i wolnoobrotowego (c) Na rysunku 5 przedstawiono wynik (w dziedzinie czstotliwoci) funkcjonowania metody MSA. Porównano posta widma amplitudowego poli- okresowego i poliharmonicznego sygnau wejciowego z widmami dekomponowanych sygnaów (w trakcie funkcjonowania procedury, po urednieniu zaledwie kilkunastu realizacji) a) f b) c) f Rys 5. Wynik funkcjonowania procedury MSA; (a) widmo sygnau wejciowego prdkoci drga przekadni zbatej; (b,c) widma zdekomponowanych sygnaów PHS zwizanych z wakiem szybko- i wolnoobrotowym Widma dekomponowanych sygnaów zwizanych z wakiem wolno- i szybkoobrotowym przyjmuj w wyniku realizacji kolejnych cykli MSA posta charakterystyczn dla monookresowych sygnaów poliharmonicznych (patrz rysunek 5 b,c). Widoczna jest równie redukcja szumów. W pamie ok. 45 Hz nastpuje sukcesywne uwydatnianie maskowanych szumem skadowych okresowych sygnau. 5. PODSUMOWANIE Dalsza parametryzacja widm uzyskanych w wyniku dekompozycji metod uredniania multisynchronicznego, podobnie jak metoda PRF, daje szerokie moliwoci zastosowa diagnostycznych [3,4,9]. MSA moe by z powodzeniem stosowana np. w badaniach identyfikacyjnych maszyn, w analizie informatywnoci punktów pomiarowych na etapie instalacji przetworników polu zjawiskowym (optymalizacja ich lokalizacji i usuwanie redundancji sprztowej) oraz jako procedura przetwarzania sygnaów w systemach diagnostycznych. Urednianie multisynchroniczne pozwala na skuteczn separacj skadowych poliharmonicznych wystpujcych w sygnale WA, zwizanych z oddziaywaniami dynamicznymi poszczególnych podzespoów/elementów maszyn oraz procesów, o ile s one ze sob powizane zwizkami kinematycznymi. Dalsze prace nad rozwojem metody bd zmierzay do opracowania procedur pozyskiwania sygnaów synchronizujcych dekompozycj na podstawie zaawansowanego przetwarzania wejciowego sygnau WA, oraz okrelenia klas obiektów, co do których metoda ta moe znale zastosowanie. LITERATURA [1] Adamczyk J., Krzyworzeka P., opacz H., Systemy synchronicznego przetwarzania sygnaów diagnostycznych, Wydawnictwo Naukowe DWN, Kraków [2] Barczewski R., A Method of automatic detection of spectrum fundamental frequency, XII Symposium Vibrations In Physical Systems, Pozna -Baejewko [3] Barczewski R., Poliharmoniczna filtracja rekurencyjna sygnaów drganiowych i jej zastosowania w diagnostyce maszyn, Praca doktorska, WBM - Politechnika Poznaska, Pozna [4] Barczewski R., Poliharmoniczna filtracja rekurencyjna - diagnostycznie zorientowana metoda analizy sygnaów, Materiay X Szkoy Diagnostyki, Pozna - Zajczkowo [5] Cempel C., Diagnostyka wibroakustyczna maszyn, WNT Warszawa [6] Cempel C., Podstawy wibroakustycznej diagnostyki maszyn, WNT Warszawa [7] Gade S., Herlufsen H., Konstantin-Hansen H., Wismer N,J., Order tracking analysis, Technical Review, No Brüel&Kjaer. [8] Gade S., Herlufsen H., Konstantin Hansen H., Wold H., Characteristics of the Vold-Kalman

18 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, Urednianie multisychroniczne (msa) Order Tracking Filter, Technical Review No , Brüel&Kjaer. [9] Toyoto T., Maekawa K. Development and application of machine diagnostics, Nippon Steel Technical Report, No. 19, June [1] Randal R.B, Cepstrum analysis, Technical Review, No Brüel&Kjaer. [11] Struyski A., Jednostopniowa modelowa przekadnia zbata stanowisko laboratoryjne, Praca dyplomowa, PWSZ-Leszno, 24. Dr in. Roman BARCZEWSKI jest adiunktem oraz kierownikiem Laboratorium Diagnostyki Systemów w Instytucie Mechaniki Stosowanej Politechniki Poznaskiej. Specjalizacja: diagnostyka i wibroakustyka maszyn i rodowiska, techniki i metody cyfrowego przetwarzania sygnaów, badania drga i haasu, samouczce i samoorganizujce systemy diagnostyczne. Czonek Zespou Ergonomii - PAN/O Pozna, Czonek Zarzdu Gównego Polskiego Towarzystwa Diagnostyki Technicznej.

19 18 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, SZYMASKI, Zastosowanie selekcji czasowo - widmowej sygnau drganiowego... ZASTOSOWANIE SELEKCJI CZASOWO - WIDMOWEJ SYGNAU DRGANIOWEGO DO OSZACOWANIA LUZÓW ZAWORÓW SILNIKA SPALINOWEGO o ZS Roman BARCZEWSKI 1), Grzegorz SZYMASKI 2) Politechnika Poznaska, Instytut Mechaniki Stosowanej 1), Instytut Silników Spalinowych 2) ul. Piotrowo 3, 6-965, Pozna, roman.barczewski@put.poznan.pl Streszczenie W artykule przedstawiono now metod szacowania luzów zaworowych silnika spalinowego o ZS bazujc na wynikach parametryzacji mapy czasowo-widmowej a(t,f) drga generowanych przez silnik. Jako narzdzie selekcji czasowo-widmowej sygnau drganiowego zaproponowano zastosowanie metod analizy czasowo-czstotliwociowej (JTFA). Zarysowano algorytm metody i zamieszczono przykad ilustrujcy zastosowanie urednianej synchronicznie krótkoczasowej transformacji Fouriera (STFT) do ekstrakcji skadowych sygnau zwizanych z procesem zamykania zaworów. W wyniku parametryzacji mapy a(t,f), uzyskano miary sygnau wspózmiennicze z luzem zaworowym. Zastosowanie funkcji skalujcej pozwala na porednie szacowanie warto luzu. Sowa kluczowe: luz zaworowy, selekcja czasowo-widmowa, zastosowania diagnostyczne JTFA APPLICATION OF THE TIME-FREQUENCY SELECTION OF THE VIBRATION TO VALVE CLEARANCE ASSESSMENT OF A DIESEL ENGINE Summary The paper presents a new method of valve clearance assessment of a Diesel engine, based on results of parameterizations of a time-frequency a(t,f) map of an engine vibration signal. As a tool of a time-frequency selection of vibration signal the Joint Time-Frequency Analysis (JTFA) methods have been proposed. An algorithm of the method has been outlined and an example of application of a synchronous averaged Short Time Fourier Transform (STFT) for extracting vibration signal components related to closing of engine valves has been shown. Parameterization of a(t,f) map gives measures covariable with valve clearance. Application of scaling function enables indirect assessing of the clearance value. Keywords: valve clearance, time-frequency selection, diagnostic application of JTFA 1. WSTP Prawidowe funkcjonowanie tokowych silników spalinowych zalene jest w duej mierze od poprawnej regulacji ukadu rozrzdu, który steruje poszczególnymi fazami wymiany adunku w cylindrze. Proces waciwej wymiany adunku zaleny jest równie od wielkoci luzu zaworowego. O ile silnik nie jest wyposaony w ukad automatycznej kompensacji, luz zaworowy naley okresowo sprawdza i korygowa. Nie jest równie bezzasadnym okresowe sprawdzanie poprawnoci funkcjonowania ukadów samoregulacji. Nie zawieranie si luzu zaworowego w polu tolerancji, okrelonym dla danego typu silnika, moe by przyczyn pogorszenia efektywnoci jego pracy, czy te zwikszenia emisji zwizków toksycznych do atmosfery. Dusza eksploatacja silnika ze le ustawionym luzem zaworowym moe w konsekwencji doprowadzi do nadpalenia przylgni zaworów lub gniazd zaworowych [4,7]. Pomiar luzów zaworowych (z wykorzystaniem szczelinomierza) i ich regulacja w zalenoci od konstrukcji silnika wymaga jego zatrzymania i wystudzenia oraz wie si czsto z koniecznoci jego czciowego demontau (np. pokrywy zaworowej). Alternatyw moe by bezdemontaowa, porednia kontrola luzów zaworowych bazujca na analizie sygnau drganiowego generowanego przez silnik podczas jego pracy. Ocen luzu z wykorzystaniem miar liczbowych sygnau przyspiesze drga rejestrowanych na gowicy silnika o ZS, (dla ustalonych parametrów pracy), przedstawiono w pracach [6,7]. Do oszacowania luzu zastosowano kurtoz, warto szczytow przyspiesze drga oraz funkcje skalujce uzyskane

20 DIAGNOSTYKA 3 BARCZEWSKI, SZYMASKI, Zastosowanie selekcji czasowo - widmowej sygnau drganiowego na podstawie wyników eksperymentu czynnego. W metodzie tej przed parametryzacj sygnau drganiowego konieczne jest wyseparowanie z sygnau sekwencji zwizanych z procesem zamykania zaworu dolotowego lub wylotowego. Badania prowadzone przy staej prdkoci obrotowej silnika (z dokadnoci jak zapewnia ukad stabilizacji prdkoci) wykazay, e nie zawsze jest moliwe dobranie a priori parametrów okna czasowego dokonujcego selekcj czasow. W zalenoci od wielkoci luzu zmienia si czas odpowiedzi ukadu pobudzonego do drga procesem zamykania zaworu jak i dochodzi do nieznacznych przesuni procesu wzgldem znacznika pocztku cyklu. Pewnym rozwizaniem moe by, zaproponowane w pracy [2], zastosowanie wyników analiz czasowo - widmowych do adaptacyjnego sterowania procedurami selekcji czasowej [3] sygnau drganiowego. Zalet takiego podejcia jest równie moliwo sterowania procedur selekcji widmowej [3] (czstotliwociowe ksztatowanie sygnau i eksponowanie charakterystycznych cech badanego procesu, podzespou czy zjawiska). Opracowany i stosowany w pracy [2] system cyfrowego przetwarzania sygnau skutecznie dokonywa separacji czasowej i widmowej sekwencji zwizanych z prac i zaworów dolotowego, wylotowego oraz procesem spalania. W niniejszym artykule zaproponowano zastosowanie metod analiz czasowo-widmowych jako techniki separacji sygnaów drganiowych jednoczenie w dziedzinach czasu i czstotliwoci. Dalsze przetwarzanie mapy czasowo czstotliwociowej i jej parametryzacja daje w wyniku miary, na podstawie których moliwe jest wartociowanie niektórych procesów i zjawisk zachodzcych w silniku spalinowym. Zamieszczono przykad zastosowania krótkoczasowej transformaty Fouriera do selekcji czasowo-widmowej sygnau przyspiesze drga rejestrowanych na gowicy silnika spalinowego o ZS. Symptomy uzyskane w wyniku dalszego przetwarzania mapy a(t,f) po uwzgldnieniu funkcji skalujcej byy podstaw oszacowania luzów zaworowych. 2. SELEKCJA CZASOWO-WIDMOWA W pracy [2] przedstawiono wybrane metody JTFA (Joint Time-Frequency Analysis) [5] w aspekcie moliwoci ich zastosowania jako techniki selekcji czasowo-widmowej. Cechy krótkoczasowej transformaty Fouriera (Short Time Fourier Transform - STFT) oraz transformaty Wavelet (Wavelet Transform - WT) daj potencjalne moliwoci ich bezporedniego stosowania jako procedury selekcji. Wynik analizy STFT mona traktowa jako seri widm wyznaczonych dla lokalnych, krótkich segmentów czasowych. Do zalet tej metody mona zaliczy atw, intuicyjn interpretacj wyników analizy oraz stay krok czasowy analizy i sta rozdzielczo w caym zakresie czstotliwoci (rys. 1a). Posta wyniku jest zalena midzy innymi od przyjtej funkcji okna czasowego i parametrów przetwarzania sygnau (liczby próbek w segmencie danych i kroku czasowego analizy). Do ogranicze metody mona zaliczy niemono uzyskania jednoczenie wysokiej rozdzielczoci w dziedzinach czasu i czstotliwoci. Rozdzielczo w dziedzinie czasu mona poprawi stosujc overlapping, polegajcy na czciowym zachodzeniu na siebie analizowanych segmentów sygnau. Bd estymacji amplitudy i czstotliwoci dla lokalnych maksimów mapy mona zminimalizowa stosujc metody korekcji amplitudowo czstotliwociowej np. AFC [1]. Transformacj Wavelet mona przyrówna do filtracji o staej wzgldnej szerokoci pasma f/f s, Pozycja filtra na mapie czasowo-czstotliwociowej jest okrelona przez parametry skali i przesunicia (a - dilation, b - translation). Wraz z przesuwaniem si okna analizy (rys.1b) w stron wyszych czstotliwoci, wzrasta szeroko pasma analizy (zmniejsza si rozdzielczoci w dziedzinie czstotliwoci), ronie natomiast rozdzielczo w dziedzinie czasu i na odwrót. Cecha ta moe by przydatna w przypadku jednoczesnej analizy i obserwacji z rónym krokiem czasowym szybkozmiennych procesów wysokoczstotliwociowych (np. pracy zaworów) i wolnozmiennych procesów niskoczstotliwociowych. a) b) f=f s /a f t b Rys. 1. Porównanie okien map czasowo-widmowych a) Krótkoczasowej Transformaty Fouriera (STFT), b) Transformaty Wavelet (WT)