Μέθοδοι διάγνωσης βλαβών μηχανολογικού εξοπλισμού από δυναμικές μετρήσεις σε μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας

Abstract

The sector of machines maintenance uses a wide toolkit to maintain the efficiency, durability and performance in order to avoid quality degradation. The use of recent technological developments in data processing and automation systems, apply increasingly modern methods and maintenance practices that minimize the time stops due to failure and increase the availability of equipment. The continuous increase in complexity of the means of production upgraded maintenance techniques into real science. The development of predictive and dynamic equipment performance monitoring methods answer to increasing productivity requirements and risk reduction.This thesis focuses on fault diagnosis using dynamic methods under varying operating conditions. The changing operating conditions relating to the essential parameters of engine operation such as rotational speed, moving vehicle speed, bearings’ slip and the load. A range of devices are considered, from small to large sizes such as rolling bearings, engines and vehicles with different operating principles as reciprocating engines and rotary engines. For diagnostic purposes, recorded vibrations generated by the operation of the machines are analyzed by methods widely used and compared with two proposed methods that are presented and analyzed extensively.Chapter 1 gives a presentation of the basic principles of diagnosis and diagnostic targets. There is a short presentation of classical signal processing methods and the results by the methods used in the following chapters. The two dynamic methods presented and proposed in following chapters, are tested for their performance and adapted to each case. From the application and the comparison with other methods, the use of signal analysis tools result in specific directions for the parameters choice. Chapter 2 is a literature review in the scientific field of the current thesis and the contribution achieved. Chapter 3 is devoted to HARD method (Harmonic Decomposition), with comparisons and applications in a simulated signal. Furthermore, an application in the instantaneous speed of an electric motor shaft was performed. Chapter 4 contains further comparisons and applications in reciprocating gasoline engine. Chapter 5 presents the CSMW method (Complex Shifted Morlet Wavelets) to overcome the difficulties presented by certain overlapping harmonic signals. Also, there are respective applications made for the HARD method. Finally, Chapter 6 presents assessment tools of successful implementation in signals from damaged roller bearings.

Η συνεχής αύξηση της πολυπλοκότητας των μέσων παραγωγής δημιούργησε την ανάγκη της μετατροπής της συντήρησης από τεχνική σε επιστήμη. Η ανάπτυξη προβλεπτικών και δυναμικών μεθόδων παρακολούθησης της λειτουργίας των μηχανών, παράγει τις απαντήσεις στις απαιτήσεις αύξησης της παραγωγικότητας και της μείωσης των κινδύνων από ενδεχόμενες αστοχίες.Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στη διάγνωση βλαβών με χρήση δυναμικών μεθόδων κάτω από μεταβαλλόμενες λειτουργικές συνθήκες. Οι μεταβαλλόμενες λειτουργικές συνθήκες αφορούν τις βασικές παραμέτρους λειτουργίας των μηχανών όπως η ταχύτητα περιστροφής, η ταχύτητα των κινούμενων οχημάτων, η ολίσθηση των εδράνων κύλισης και το φορτίο. Εξετάζεται ένα εύρος διατάξεων από μικρά έως μεγάλα μεγέθη όπως έδρανα κύλισης, κινητήρες και οχήματα με διαφορετικές αρχές λειτουργίας όπως παλινδρομικές μηχανές και περιστροφικές μηχανές. Για το σκοπό της διάγνωσης καταγράφονται οι ταλαντώσεις που παράγονται από τη λειτουργία των μηχανών και αναλύονται με μεθόδους που χρησιμοποιούνται ευρέως καθώς και με δύο μεθόδους που παρουσιάζονται και αναλύονται εκτενώς. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται παρουσίαση των βασικών αρχών της διάγνωσης και των διαγνωστικών στόχων. Γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των κλασσικών μεθόδων επεξεργασίας σήματος και των ζητούμενων από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται στα επόμενα κεφάλαια. Στα επόμενα κεφάλαια οι δύο δυναμικές μέθοδοι που παρουσιάζονται και προτείνονται, ελέγχονται ως προς την απόδοσή τους και προσαρμόζονται στην εκάστοτε περίπτωση. Από την εφαρμογή, τη σύγκρισή τους με άλλες μεθόδους και τη χρήση εργαλείων ανάλυσης σήματος προκύπτουν κατευθύνσεις επιλογής των παραμέτρων τους. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση στο επιστημονικό πεδίο της διδακτορικής εργασίας και προσδιορίζεται η συμβολή της. Το Κεφάλαιο 3 αφιερώνεται στη μέθοδο HARD (Harmonic Decomposition), με συγκρίσεις και εφαρμογές της σε προσομοιωμένο σήμα. Ακόμη, γίνεται εφαρμογή της στην εύρεση της στιγμιαίας ταχύτητας άξονα ηλεκτρικού κινητήρα. Το Κεφάλαιο 4 περιέχει περαιτέρω συγκρίσεις και εφαρμογές σε παλινδρομικό βενζινοκινητήρα. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η μέθοδος CSMW (Complex Shifted Morlet Wavelets) για την υπέρβαση δυσκολιών που παρουσιάζονται με επικαλυπτόμενες αρμονικές ορισμένων σημάτων. Ακόμη παρουσιάζονται αντίστοιχες εφαρμογές που πραγματοποιήθηκαν και με την μέθοδο HARD. Τέλος, στο Κεφάλαιο 6 γίνεται παρουσίαση εργαλείων εκτίμησης της επιτυχίας εφαρμογής, σε σήματα προερχόμενα από έδρανα κύλισης με βλάβη.