Диагностика дефектов подшипников качения методом анализа спектра огибающей вибрационных и акустических сигналов

Метод спектрального анализа огибающей высокочастотных составляющих сигнала вибрации используют для идентификации дефектов и оценки состояния подшипников качения. Недостаток данного подхода — высокие потери полезного сигнала по мере удаления вибропреобразователя от диагностируемого изделия. В работе представлены результаты диагностики дефектов подшипников качения с использованием анализа спектра огибающей сигнала акустического давления, полученного с помощью измерительных микрофонов. Анализировали вибрацию и акустическое излучение исправного опорного подшипника и подшипника с дефектом, искусственно нанесенным на поверхность дорожки качения его внутреннего кольца. Показано, что идентификация дефектов подшипника качения по сигналам акустического давления имеет ограничения, связанные с тем, что отражение звука, фоновый шум и помехи могут маскировать полезные сигналы. Наличие случайного пространственного шума приводит к низкому соотношению сигнал – шум, однако близкорасположенные к поврежденному подшипнику микрофоны позволяют определить наличие дефекта и его тип. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методики диагностики и мониторинга технического состояния подшипников качения.

1. Клюев В. В., Артемьев Б. В., Матвеев В. И. Состояние и развитие методов технической диагностики / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 4. С. 73 – 78.

2. Burda E. A., Zusman G. V., Kudryavtseva I. S., et al. An overview of vibration analysis techniques for the fault diagnostics of rolling bearings in machinery / Shock and Vibration. 2022. No. 1. P. 1 – 14. DOI: 10.1155/2022/6136231

3. Клюев В. В., Соснин Ф. Р., Ковалев А. В. и др. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник. — М.: Машиностроение, 2005. — 656 с.

4. Адаменко В., Жеманюк П., Карасев В. и др. Вибрационная диагностика подшипников авиационного двигателя / Современные технологии автоматизации. 1998. № 1. С. 98 – 101.

5. Зубко А. И. Перспективный комплекс виброакустической диагностики подшипниковых опор авиационных газотурбинных двигателей / Вестник МАИ. 2016. № 1. С. 47 – 55.

6. Балицкий Ф. Я., Иванова М. А., Соколова А. Г. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. — М.: Наука, 1984. — 120 с.

7. Русов В. О. Спектральная вибродиагностика. — СПб.: Виброцентр, 1996. — 128 с.

8. Камнев В. А. Анализ результатов двухпараметрической диагностики подшипников качения мотор-шпиндельного узла с помощью разработанной информационно-измерительной системы / Вестник МГТУ «Станкин». 2013. № 4. С. 58 – 60.

9. Бирюков Р. В., Киселев Ю. В. Вибродиагностика роторных подшипников газотурбинных двигателей с использованием режима холодной прокрутки / Известия Самарского научного центра РАН. 2016. № 1. С. 153 – 157.

10. Звонарев С. Л., Потапов А. Ю. Вибрационная диагностика подшипников двигателей АИ-222-25 на стендовых испытаниях / Вестник МАИ. 2011. № 1. С. 75 – 80.

11. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С., Боган А. Н. и др. Диагностика подшипников качения при эксплуатации металлорежущих станков на основе анализа вибрационного сигнала / СТИН. 2013. № 1. С. 21 – 25.

12. Козочкин М. П., Сабиров Ф. С., Молодцов В. В. Диагностика состояния станков по вибрационным характеристикам / Materials. Technologies. Design. 2020. № 1. С. 66 – 77.

13. Кошеков К. Т., Кликушин Ю. Н., Кобенко В. Ю. и др. Диагностика насосного агрегата на основе идентификационных измерений вибросигналов / Дефектоскопия. 2016. № 5. С. 36 – 43.

14. Пальчик К. Б., Круглова И. М., Огурцов Д. В. и др. Оценка состояния подшипников качения по спектрам вибрации / Эксплуатация морского транспорта. 2022. № 2. С. 117 – 122. DOI: 10.34046/aumsuomt103/23

15. Силаев Б. М., Барманов И. С., Даниленко П. А. Прогнозирование развития повреждений подшипников качения двигателей летательных аппаратов на основе виброанализа / Трение и износ. 2016. № 4. С. 496 – 501.

16. Сундуков А. Е., Сундуков Е. В. Анализ вибрационного состояния подшипников качения в процессе износа / Вестник СНИУ. 2006. Т. 5. № 2 – 1. С. 85 – 89.

17. Баляба М. В., Крючков А. Н., Ермилов М. А. и др. Анализ вибрационного состояния подшипников качения при дефекте «Износ внутренней обоймы подшипника» / Динамика и виброакустика. 2021. Т. 7. № 1. С. 6 – 14. DOI: 10.18287/2409-4579-2021-7-1-6-14

18. Wang Y., Yang H., Zhao S., et al. Vibration characterization of rolling bearings with compound fault features under multiple interference factors / PLOS One. 2024. Vol. 19. No. 2. P. 1 – 19. DOI: 10.1371/journal.pone.0297935

19. Kutalek D., Hammer M. Vibration diagnostics of rolling bearings using the time series analysis / MM Science Journal. 2015. P. 717 – 721. DOI: 10.17973/mmsj.2015_12_201548

20. Лукьянов А. В. Классификатор виброакустических признаков отказов центробежного машинного оборудования. — Иркутск: ИНИКИХМ, 1999. — 195 с.

21. Ширман А. Р., Соловьев А. Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. — М.: Наука, 1996. — 276 с.

22. Adamczak S., Wrzochal M., Durakbasa N. Evaluation of a non-contact method for measuring vibration of rolling bearings in industrial conditions / Mechanic NR. 2020. P. 8 – 11. DOI: 10.17814/mechanik.2020.2.5

23. Wrzochal M. New method of metrological evaluation of industrial rolling bearing vibration measurement systems / Int. J. Adv. Manufact. Technol. 2023. Vol. 124. P. 587 – 600. DOI: 10.21203/rs.3.rs-1787445/v1

24. Dzwonkowski A., Swedrowski L. Motor bearing diagnostics performed by means of laser vibrometerment systems / Proceedings of the 8th IEEE Symposium on Diagnostics for Electrical Machines, Power Electronics & Drives. — Bologna, Italy, 2011. P. 482 – 486. DOI: 10.1109/demped.2011.6063667

25. Freitas C., Cuenca J., Morais P., et al. Comparison of vibration and acoustic measurements for detection of bearing defects / Proceedings of ISMA 2016. — Leuven, Belgium, 2016. P. 2423 – 2436.

26. Kostyukov V. N., Naumenko A. P. Standardization in the sphere of vibrodiagnostic monitoring of piston compressors / Procedia Engineering. 2015. Vol. 113. P. 370 – 380. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.07.290

27. Kostek R., Żółtowski B. Rolling bearing defect detection and diagnostics / Vibroenginereeng Procedia. 2015. Vol. 6. P. 139 – 144.

28. Панов А. Н., Бодров Е. Э., Лысенко А. А. и др. Применение направленного микрофона для диагностики технического состояния электропривода по его акустической вибрации / Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 4. С. 58 – 63. DOI: 10.18503/2311-8318-2019-4(45)-58-63

29. Orman M., Rzeszucinski P., Tkaczyk A., et al. Bearing fault detection with the use of acoustic signals recorded by a hand-held mobile phone / Proceedings of the 2nd International Conference on Condition Assessment Techniques in Electrical Systems (CATCON). — Bengaluru, India. IEEE. 2015. P. 252 – 256. DOI: 10.1109/catcon.2015.7449545

30. Mauricio A., Denayer H., Gryllias K. Time-domain beamformed envelope spectrum of acoustic signals for bearing diagnostics / Proceedings of ISMA 2022. — Leuven, Belgium, 2022. P. 582 – 591.

31. Wu X., Zegers J., Denayer H., Gryllias K. Acoustic monitoring of rolling element bearings using a sparse microphone array / Proceedings of SURVISHNO 2023. — Toulouse, France. 2023. P. 1 – 14.

32. Wang R., Liu F., Hou F., et al. A non-contact fault diagnosis method for rolling bearings based on acoustic imaging and convolutional neural networks / IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 132761 – 132774. DOI: 10.1109/access.2020.3010272

33. Li C., Chen C., Gu X. Acoustic-based rolling bearing fault diagnosis using a Co-prime circular microphone array / Sensors. 2023. Vol. 23. No. 6. P. 1 – 16. DOI: 10.3390/s23063050

34. Копьев В. Ф., Пальчиковский В. В., Беляев И. В. и др. Создание заглушенной установки для аэроакустических экспериментов и исследование ее акустических характеристик / Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 1. С. 114 – 126. DOI: 10.7868/s032079191701004x

35. Барков А. В., Баркова Н. А., Азовцев А. Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. — СПб.: СПбГМТУ, 2000. — 159 с.

36. Randall R. B. Vibration-based condition monitoring: industrial, automotive and aerospace applications. — Chichester: John Wiley & Sons, 2011. — 289 p. DOI: 10.1002/9780470977668