بخشی از مقاله
چکیده
بروز خطا در یاتاقانها مهمترین عامل از کار افتادگی موتورهای القایی است. خطاهای یاتاقان به دو صورت نقطهای و گسسته بروز مییابند. برخلاف خطای نقطهای، تاکنون در مطالعات توجه کمتری به خطای گسترده شده است. از این رو در این مقاله روشی کارآمد برای تشخیص این نوع خطا به کمک یک سیستم متشکل از کاهش دهندهی نویز تطبیقی و تقریبگر فازی ارائه شده است.
در ابتدا کاهندهی نویز تطبیقی، با جبران تاخیر بین دو سیگنال دریافتی از سیستم، در دو حالت سالم و معیوب، تخمینی از اثر خطا بدست میدهد. سپس تجزیهی موجک انجام شده و با بدست آوردن انرژی متوسط سیگنال که همان متوسط انرژی تقریب و جزئیات است، معیار تشخیص خطا حاصل می شود. در کاربردهای عملی امکان گرفتن داده و کار با آن برای تمام شرایط کاری وجود ندارد.
از سویی دیگر انجام پردازش روی سیگنال به کمک کاهندهی نویز، زمانبر است و آنلاین شدن روش در کاربردهای عملی را غیرممکن میسازد. فازی یک تقریبگر مناسب میباشد. از این رو از تقریبگر فازی جهت تقریب زدن کاهندهی نویز تطبیقی استفاده میشود. نتایج عملی بدست آمده، صحت روش پیشنهادی را تایید میکنند.
مقدمه
مزایای گستردهی موتورهای القایی موجب شده که این موتورها در تمام جهان، به عنوان گزینهی نخست برای اکثریت کاربردها باشند. در ایالات متحدهی امریکا چیزی حدود 60 درصد انرژی تولیدی در نیروگاهها، توسط موتورهای الکتریکی مصرف میشود. این در حالیست که در این کشور حدودا 90 درصد موتورهای الکتریکی از نوع القایی هستند
از این رو واضح است که از کار افتادگی موتورهای القایی میتواند ضربهی جبران ناپذیر اقتصادی بر پیکرهی جوامع امروزی وارد آورد. گزارشات حاکی از آن است که خطای یاتاقان ریشهی تقریبا 50 درصد خروج از بهره برداری موتورهای القایی است
از بین سیگنالهای قابل استحصال - جریان، لرزش، سرعت و ... - کم هزینه ترین و مرسوم ترین سیگنال، لرزش مکانیکی است - . - Liu et al, 2011 با قرار دادن شتاب سنج روی هاوزینگ یاتاقان - هاوزینگ موتور - میتوان لرزش مکانیکی را به دست آورد. البته سیگنال جریان نیز در صورت بروز خطا، تغییرات را تجربه میکند ولی به هر حال اخذ سیگنال جریان نیاز به حسگر جریان دارد که گرانترست.
همچنین مشکلات تنظیم این حسگر نیز یکی از مسایل دیگر در کاربرد پایش جریانی است. در هر حال در بعضی درایوها، سنسور جریان برای نمونه برداری از جریان استاتور بکار میرود. البته در صورتی که سنسور جریان بکار رفته صرفا مقدار موثر جریان را نشان ندهد و بتواند طیف زمانی جریان را در اختیار ما قرار دهد که این یک مزیت در آنها به حساب میآید. در صورت استفاده از سیگنال جریان، روش ارائه شده در این مقاله، قابل اجرا برای آن نیز میباشد زیرا روش حاضر برای تشخیص خطای گستردهی یاتاقان پیشنهاد شده که مدل مشخصی برای آن وجود ندارد.
خطاهای یاتاقان به دو دستهی خطاهای نقطهی و گسترده تقسیم میشوند. خطاهای نقطهای که به معنای بروز خدشهی کوچک روی سطوح یاتاقان هستند، در مطالعات متعددی مورد بررسی قرار گرفتهاند و روشهای متنوع و پر قدرتی برای تشخیص آنها ارایه شده است
وجود مدل برای سیگنالهای خطای نقطهای چه در طیف لرزش و چه در طیف جریان، بررسی آن ها را سهلتر میکند. حال آنکه برای خطای گسترده مدل مشخصی وجود ندارد. در باب علل بروز این دو نوع خطا گمانهزنیهای متفاوت و گاه متناقضی وجود دارد.
بروز خطا در یاتاقان میتواند ناشی از عوامل داخلی و یا در اثر عوامل خارجی اتفاق بیافتد. متخصصین معتقدند که به صورت طبیعی خطای یاتاقان ناشی از عوامل داخلی، از ترکها و سوراخهای ریزی که در زیر سطوح یاتاقان وجود دارند، آغاز میگردد. این ترک ها یا حبابها به سبب ایدهآل نبودن فرآیند تولید، ناگزیر وجود خواهند داشت. در اثر بارگذاری این نقوص به مرور زمان به سطح اجزای یاتاقان راه مییابند. وقتی به سطح راه مییابند ابتدا به صورت خطای نقطهای هستند و پس از گذشت زمان تبدیل به خطای گسترده خواهند شد. به بیان دیگر در ابتدا به صورت خدشه هستند و پس از گذشت زمان به صورت ترک در آمده، موجب انفصال سطوح یاتاقان میشوند.
اثرات محیطی نظیر رطوبت، آلودگی روغن، دمایزیاد، روغنکاری نامناسب و ... اگرچه به صورت فوق قابل بررسی هستند ولی در عمل این عوامل موجب تخریب کلی سطوح - مثلا زنگزدگی، ساییدگی ناشی از کمبود روغن و ... - میشوند که در مطالعات از آن به عنوان خطای گسترده یاد شده است.
به طور مثال در صنعت راه آهن برقی، رطوبت یکی از عوامل اصلی بروز عیب در یاتاقان هاست. البته کمبود روغن اصلیترین عامل بروز عیب گزارش شده است. مسلما در اثر این عوامل زنگزدگی کلی سطوح یاتاقان و یا خراشیدگی کلی سطوح یاتاقان، ناشی از افزایش اصطکاک ساچمهها با سطوح مشاهده میشود. دور از ذهن است که این عوامل خود را به صورت زنگزدگی یک نقطه و یا خدشهی بسیار ریز نشان دهند تا بتوان آن ها را با روشهای مرسوم برای خطای نقطهای مورد بررسی قرار داد
همانطور که ذکر شد بزرگترین مشکل در بررسی خطای گسترده، عدم وجود مدل برای آن است و می توان گفت که در این حالت، اثرات خطا در سراسر طیف پراکنده است و مثل خطاهای نقطهای در فرکانسهای مشخص قابل دنبال کردن نیستند. در نتیجه به روشی نیاز داریم که بتواند تا حد ممکن اثر خطای گسترده را از سیگنال اخذ شده از موتور، خارج نماید.
فروسینی - Frosini and Bassi , 2010 - 1 تلاش کرد خطای گستردهی یاتاقان را به کمک بازده موتور تشخیص دهد. ولی میدانیم که بازده موتور تحت تاثیر عوامل متعدد عملکردی موتور میباشد و بررسی تغیرات آن چندان قابل اطمینان نیست. در - Zarei and Poshtan, 2009 - نویسندگان تلاش نمودند با بکارگیری بردار پارک پیشرفته هر دو نوع خطای یاتاقان را شناسایی کنند. ولی در صورت وجود نویز به نظر نمیرسد نتایج خوبی حاصل گردد. روش استخراج داده - - He et al, 2013 نیز برای تشخیص خطای یاتاقان پلاستیکی بکار رفت ولی از مشکلات اشاره شده همچنان رنج میبرد. اصفهانی - - Esfahani, 2012 روش جالب توجهی برای تشخیص خطای یاتاقان و ناهمراستایی پیشنهاد نمود ولی توجه خاصی به خطای گسترده نداشت.
در این مقاله یک روش حذف نویز تطبیقی-فازی بکار گرفته میشود. بدین صورت که ابتدا به کمک کاهندهی نویز تطبیقی تلاش میشود اختلاف زمانی بین دو سیگنال در دسترس برای موتور، یعنی سیگنال حالت سالم و سیگنال حالت معیوب جبران شود و اثر خطای گسترده بدست آید. پس از آن، از تجزیهی موجک استفاده میشود و تخمین سیگنال بدست آمده در 5 مرحله تجزیه میگردد.
توزیع انرژی برای این مراحل حاصل میشود و سپس متوسط انرژی برای تقریب و جزئیات به عنوان انرژی سیگنال تخمینی در نظر گرفته میشود. در نهایت با ورودیهای موجود که دو سیگنال است و خروجی که تخمین سیگنال است، سیستم فازی آموزش میبیند. این سیستم قادر است در شرایط عملی با توجه به ورودیهای دریافتی، تقریبی از خروجی - تخمین سیگنال - را ارایه دهد. ادامهی این مقاله به صورت زیر تنظیم شده است: در بخش دوم، روش کاهش نویز تطبیقی توضیح داده خواهد شد. در قسمت سوم، روش پیشنهادی بیان میگردد. در چهارمین بخش، مجموعهی آزمایشگاهی بکار رفته و نتایج بدست آمده مورد تحلیل قرار میگیرند. در آخرین بخش نتیجهگیری بیان خواهد شد.
کاهندهی نویز تطبیقی
در کاربردهای عملی که هدف بررسی تاثیر حالتی خاص بر سیستم است، همواره محقق در آزمایشگاه مشابه پدیدهی عملی را به صورت مصنوعی و نمونه سازی ایجاد میکند و سعی در بررسی تاثیر پدیدهی مورد نظر دارد. در این شرایط دو سری سیگنال از مجموعه اخذ میشود. یکی پیش از ایجاد پدیدهی مورد نظر که اثری از آن پدیده وجود ندارد و دیگری پس از ایجاد آن که می توان اثر را بررسی نمود. سیگنال های اخذ شده به صورت نقطه داده هستند، بنابراین به نظر میرسد با کمکردن سیگنال دومی از اولی بتوان اثر پدیدهی تحت بررسی را بدست آورد. ولی وجود نقصهایی مانع از این امر میشود.
برای اینکه موضوع روشن شود تشخیص خطای یاتاقان موتور القایی را مورد بحث قرار میدهیم. از مجموعهی آزمایشگاهی - موتور-بار - در حالتی که یاتاقان سالم روی مجموعه سوار است، سیگنال اخذ میگردد. در این حالت چون یاتاقان سالم است، سیگنال اخذ شده هیچ اثری از خطا در خود ندارد. حال وقتی یاتاقان معیوب روی مجموعه سوار میشود، سیگنال اخذ شده حاوی اثرات خطا به علاوهی سیگنال اولی است. به نظر میرسد با کم کردن سیگنال دوم از اولی میتوان اثر خطا را بدست آورد. ولی چون شرایط مکانیکی و الکتریکی اولیه، هنگام شروع اخذ داده، مشابه نیستند، نمی توان انتظار داشت که تنها اثر خطا بدست آید و اثرات دیگر - نویز - هم وجود خواهد داشت.
حال اگر طرح تشخیص خطای ما آنلاین باشد، باید تمهیداتی بیاندیشیم تا شرایط اولیهی الکتریکی و مکانیکی در لحظهی شروع به اخذ داده برای دو حالت یاتاقان سالم و یاتاقان معیوب یکسان باشد که کار راحتی نیست و نیاز به تجهیزاتی نظیر ریسولور2 و کنترل فاز و ... داریم و باز هم ممکن است نتوان به طور مطلوبی این همزمانی سیگنالها را فراهم نمود. ولی اگر بررسی آفلاین انجام دهیم، کار را میتوان ساده نمود. این بار با جابجا کردن نقطه داده ها یا به بیان دیگر جابجا کردن سیگنالها به کمک اعمال بلوک تاخیر مناسب، این همزمانی را میتوان ایجاد نمود.
