CONTRIBUII LA DEZVOLTAREA UNOR METODE DE DETECTARE A DEFECTELOR LA STRUCTURI MECANICE I ECHIPAMENTE ROTATIVE BAZATE

PE ANALIZA SEMNALELOR VIBRO-ACUSTICE

- REZUMAT al Tezei de Doctorat -

Tez destinat obinerii titlului tiinific de Doctor la Universitatea Politehnica din Timioara n domeniul INGINERIE MECANIC de ctre

ing. Alexandru TOCARCIUC

Conductor tiinific: prof.univ.dr.ing. Liviu Bereteu

Refereni tiinifici: prof.univ.dr.ing.DHC. Polidor Bratu prof.univ.dr. Gheorghe Drgnescu prof.univ.dr. Ioan Bica

1. INTRODUCERE Detectarea de defecte, metodele de a evaluare a nivelului de zgomot n funcionare, ct i monitorizarea strii de integritate structural n domeniile mecanic, aeronautic sau al construciilor civile, reprezint unelte sau tehnici importante care aduc beneficii att de natur economic dar mai ales de siguran n exploatare. Aceste nevoi s-au transpus n domeniul ingineresc prin dezvoltarea continu de noi tehnici care au la baz metode de analiz a semnalelor vibratorii sau acustice, fie c este vorba de construcii civile de importan major (baraje, poduri, cldiri turn sau ferme de centrale eoliene), aeronave i autoturisme sau de maini i echipamente industriale. O definiie foarte bun a termenului de defect este dat de ctre Sohn [1]. Acesta definete defectul ca fiind o schimbare introdus ntr-un sistem, care contribuie la proasta sa funcionare, curent sau viitoare. Implicit n aceast definiie conceptul de defect ar fi lipsit de coninut fr existena unei comparaii ntre dou stri ale sistemului analizat, una care este presupus iniial i deseori fr defecte. Astfel, n funcie de tipul de defect care apare, putem avea pierderi de rigiditate (fisuri, ruperi ale punctelor de sudura), modificri ale condiiilor de frontier, pierderi de material (ruperea unei palete a unei turbine cu aburi) sau modificri ale parametrilor legturilor (de exemplu slbirea unui urub care fixeaz un echipament de fundaie). n literatura de specialitate sunt cunoscute mai multe clasificri ale metodelor de analiz a defectelor. O clasificare foarte bun este oferit de Sohn [1], si mai apoi ntrit de Montalvao n lucrarea sa de sintez [2].

Astfel, metodele de analiz a defectelor pot fi mprite n 5 mari grupe, n funcie de nivelul pn la care se dorete investigarea defectului i a implicaiilor sale, avnd metode pentru:

Detectarea prezenei defectului. Exist un defect n sistemul analizat?

Localizarea defectului. Se poate spune unde anume este defectul?

Detectarea tipului de defect. Ce fel de defect a aprut n sistemul analizat?

Detectarea gradului de severitate al defectului. Ct de grav este defectul?

Estimarea duratei de via rmase. Ct timp mai poate funciona sistemul n condiii normale de exploatare?

INTRODUCERE

1.1 Consideraii generale

Prezentul studiu, se limiteaz la investigarea metodelor pentru a detecta prezena defectului n structuri mecanice i echipamente rotative, lsnd deschis calea spre a investiga i celelalte patru grupe ale metodelor enunate anterior unor studii ulterioare.

Lucrarea este structurat n opt capitole, bibliografie i anexe, care cuprind abordri att numerice cat si experimentale pentru identificarea unor parametri constitutivi, sensibili la prezena defectelor n structuri mecanice i echipamente rotative. Teza cuprinde o sintez bibliografic cuprinztoare de dat recent privind metode de detectare ale defectelor prezente la structuri mecanice sau echipamente rotative: bare, rotori, transmisii prin curele, angrenaje de roi dinate, rulmeni i lagre, cutii de transmisii, centrale eoliene, poduri, structuri industriale.

1.2 Actualitatea temei

n funcie de structura sau echipamentul care este investigat, n literatura de specialitate sunt prezente studii care prezint metode de detectare a defectelor la urmtoarele tipuri de structuri mecanice i echipamente rotative:rotori, bare sau evi, lagre sau rulmeni, motoare electrice sau la nfurarea rotoric, dinilor roilor dinate sau la cutia de transmisie, echipamente i maini rotative, centrale eoliene, alte structuri mecanice.

Tot n literatura de specialitate, sunt prezentate mai multe metode utilizate pentru detectarea defectelor. Unele dintre acestea sunt rezultatul direct al investigaiilor modale (ceea ce implic o testare experimental folosind aparatur adecvat testrii modale), altele sunt rezultatul investigaiilor asupra echipamentelor la funcionarea acestora n condiii operaionale (ceea ce implic msurarea semnalelor operaionale: deplasri, presiuni acustice, viteze, acceleraii). n cele ce urmeaz sunt prezentate unele dintre metodele folosite recent, pentru detectarea de defecte la structuri mecanice i echipamente rotative: Statistica de ordin superior [3-5], Transformata Hilbert Huang [6, 7], Coerena de ordin superior [8], Kurtosisul spectral [9], Spectrele de ordin superior [10], Bispectrul [11, 12], Trispectrul [13], Spectrul de putere instantaneu, mediat [14], Transformata Wavelet Continu sau Transformata Wavelet Discret.

Transformata Wavelet singur, sau mpreun cu alte tehnici de prelucrare de semnale reprezint metode pentru detectarea prezenei defectelor, att la structuri mecanice simple, ct i la echipamente i maini rotative. Metodele de prelucrare a semnalelor care au la baza att waveleturile ct i Transformata Wavelet raporteaz detectarea prezenei fisurilor n bare, a defectelor n motoare electrice (arbori cu fisuri, rulmeni deteriorai, nfurarea rotoric deteriorat) sau echipamente(pompe monobloc) i maini rotative.

n continuare sunt prezentate cele mai noi metode de detectare a defectelor la structuri mecanice i echipamente rotative, care au la baz Transformata Wavelet.

1.2.1 Metode bazate pe Transformata Wavelet

O prim lucrarea care sintetizeaz teoria waveleturilor pentru detectarea de defecte a fost

publicat n 1998 de ctre Liew i Wang n Journal of Engineering Mechanics [15]. O lucrare de sintez, mai cuprinztoare, publicat de Avdakovic n anul 2012 [16] n Electrical Power Systems Research Journal, abordeaz tipurile de defecte care pot fi detectate cu ajutorul Transformatei Wavelet n dinamica sistemelor de putere. Tot cu ajutorul Transformatei Wavelet, Chen raporteaz identificarea amortizrii modale ct i a frecvenelor proprii [17]. Nagaraju a identificat defecte n sisteme rotorice [18] n timp ce Al-Badour a analizat vibraiile mecanice ale unei maini rotative [19]. Ebrahimi a raportat gsirea unor parametri bazai pe transformata wavelet ai prezenei defectului n arborele unui motor cu inducie [20].

Tot pentru detectarea de defecte [21], Cusido a folosit Transformata Wavelet, n timp ce Kankar raporteaz detectarea cu ajutorul Transformatei Wavelet a defectelor la rulmeni [22]. Pentru detectarea de fisuri n bare, Jiang folosete panta barei mpreun cu Transformata Wavelet complex [23]. Muralidharana folosete Transformata Wavelet pentru detectarea de defecte la pompe centrifugale monobloc [24].

Bokoski, raporteaz n anul 2012, n lucrarea sa [25] publicat n Mechanical Systems and Signal Processing, un algoritm pentru detectarea de defecte la transmisiile prin roi dinate, supuse

unor sarcini variabile, folosind o metod combinat bazat pe Transformata Wavelet i Entropia Renyi.

1.3 Obiectivul principal al prezentului studiu

Prezentul studiu se limiteaz la investigaii numerice i experimentale asupra identificrii prezenei defectelor la structuri mecanice i echipamente rotative, folosind metode de analiz a semnalelor bazate pe entropii statistice i transformata wavelet sau entropii statistice i distribuii de probabilitatet.

Figura 1.3.1 Schema de interdependen a entropiilor statistice

n figura 1.3.1 este prezentat n mod schematic relaia de interdependen dintre cele 4 entropii statistice existente n literatura de specialitate, trei dintre acestea fiind folosite n algoritmii pentru detectarea prezenei defectelor dezvoltai n prezentul studiu.

2 DETECTAREA DE DEFECTE - INVESTIGAII EXPERIMENTALE

Pentru validarea indicilor entropici propui n capitolul 5 al tezei (IES, IER, IESM) s-a optat

pentru alegerea unor structuri mecanice sudate, format din dou plci sudate pe lime sau pe lungime, ct i pe alegerea unor tipuri de defecte care sunt des ntlnite la mainile rotative i inducerea acestora pe un stand experimental special conceput pentru studiul vibraiilor mecanice.

S-a optat pentru urmtoarele dou tipuri de experimente:

Investigarea experimental a unui ansamblu de plci sudate folosind dou tipuri de specimene:

o Ansamblu de plci metalice din oel inoxidabil sudate pe lime; o Ansamblu de plci metalice din OL37 sudate pe lungime.

Investigarea experimental a mai multor tipuri de defecte induse pe un echipament rotativ pentru studiul vibraiilor:

o Excentricitate static indus la unul dintre discurile standului; o Excentricitate de cuplu indus la unul dintre discurile standului; o Simularea ruperii capului unui urub de fixare a motorului electric care

acioneaz echipamentul; o Abaterea de la planeitate a ansamblului rolei conductoare i rolei conduse

care antreneaz cureaua de transmisie;

DETECTAREA DE DEFECTE - INVESTIGAII EXPERIMENTALE

o Simularea modificrii strii de integritate structural a curelei; o Slbirea fixrii lagrului mai apropiat de motorul electric; o Slbirea fixrii lagrului stnga a arborelui antrenat de cureaua de transmisie.

2.1 Ansamblu sudat de plci din oel inoxidabil

Pentru a valida indicii entropici propui n capitolul 5 al tezei, s-a optat pentru investigarea experimental folosind standul din figura 2.1.1. Se investigheaz un ansamblu format din dou plci metalice 1, care sunt sudate pe lime (indicat cu sgei). Plcile metalice sunt confecionate din oel inoxidabil. Ansamblul este suspendat de cadrul metalic 3 cu ajutorul legturilor elastice 4. Excita