Edge Analytics

Определение дефектов подшипников на основе поиска характеристических частот и их гармонических составляющих в конкретном наборе данных

Формулировка

В результате действия сил трения при вращении вала возникает высокочастотная вибрация. Данная вибрация при проявлении дефектов подшипников рассматривается как шумовая составляющая, которая испытывает амплитудную модуляцию определенными частотами, связанными с вращением отдельных элементов подшипника (сепаратор, тела качения, внутреннее и наружное кольцо).

В задаче предлагается использовать датасет Bearing data set от NASA. Необходимо определить возникший дефект (дефект сепаратора, дефект тела качения, дефект внутреннего кольца, дефект наружного кольца) для конкретного подшипника на основе поиска характеристических частот (пиковых значений) и их гармонических составляющих в конкретном наборе данных или сделать вывод, что подшипник исправный. Дефект начинает проявляться ближе к концу датасета.

Описание датасета и технических параметров подшипников представлены ниже.

Набор потенциально полезных методов обработки сигнала:

  1. Быстрое преобразование Фурье, БПФ (спектр сигнала)

  2. Преобразование Гильберта (огибающая сигнала)

  3.  Корреляция с эталонными синусоидами разной частоты

Условия реализации (язык, ограничения)

Использование оболочки Jupyter Notebook (удобнее установить из дистрибутива Anaconda).

В случае нескольких решений от разных команд оценивается время работы реализованного алгоритма.

Максимальная точность решения достигается в случае правильного определения состояния каждого подшипника.

Наборы данных

Предлагается датасет: https://drive.google.com/file/d/1_GmCkshcJRdn9bQH92U9pE5Kpc26WI6R/view?usp=sharing. В данном эксперименте 4 подшипника Rexnord ZA-2115 (см. таблицу 1) располагались на общем валу на стенде, вращающемся со скоростью 2000 оборотов в минуту (см. рисунок 1). Данные вибрации собирались пьезоэлектрическими ICP акселерометрами каждые 5-10 минут и сохранялись в файл. На каждом подшипнике вибрация измерялась двумя акселерометрами (по двум осям). Частота дискретизации сигнала – 20kHz, число сэмплов в одном измерении – 20480. Общее число файлов – 2156. Распределение каналов (соответствуют столбцам в файлах): подшипник 1 – каналы 1&2, подшипник 2 – каналы 3&4, подшипник 3 – каналы 5&6, подшипник 4 – каналы 7&8.

Таблица 1. Параметры подшипника ZA-2115

Параметр

Значение

Количество тел вращения

16

Диаметр тел качения, мм

8.40

Угол контакта

15.17⁰

Частота вращения внутреннего кольца (S), Гц

33.33

Частота вращения сепаратора (FTF), Гц

14.77

Частота вращения тел качения (BSF), Гц

2 x 139.92

Частота перекатывания тел качения по наружному кольцу (BPFO), Гц

236.4

Частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу (BPFI), Гц

296.93

 

Рисунок 1. Схема экспериментального стенда

Ожидаемый результат

Для конкретного подшипника вывести тип дефекта или вывести сообщение «дефект не обнаружен». Выявленный дефект должен сопровождаться статистическими характеристиками сигнала, на основе которых он определен (например, амплитуда, частота, гармоника). Также необходимо вывести время работы реализованного алгоритма для каждого подшипника. При этом необходимо уметь объяснить, последовательность каких методов обработки сигнала привела к результату.

  • подшипник 1 – «дефект не обнаружен»

  • подшипник 2 – «дефект не обнаружен»

  •  подшипник 3 – «дефект внутреннего кольца»

  • подшипник 4 – «дефект внешнего кольца»

Критерий оценки (0-24 балла)

  1. Точность при определения типа дефекта для каждого подшипника: 12 баллов (3 балла на каждый из 4 подшипников)

  2. Время работы реализованного алгоритма для оценки 20480 измерений сигнала составляет меньше 2 секунд: 4 балла.

  3. Оценка набора используемых и реализованных математических методов и преобразований сигнала для решения задачи (оригинальность решения). Максимум 4 балла.

  4. Оценка переноса реализованного алгоритма на малопроизводительные, переферийные устройства (Raspberry Pi, Arduino, Kendryte K210 и т.д.). Оценивается либо теоретически на основе экспертного мнения, аргументации при защите проекта (команда указывает возможные периферийные устройства (стоимость и энергопотребление также учитываются), инструменты развертывания, трудозатраты на развёртывание), либо практически: демонстрация работоспособности метода на периферийном устройстве. Максимум 4 балла.

 


Модератор: Марченков Сергей Александрович, к.т.н., старший научный сотрудник, преподаватель кафедры информатики и математического обеспечения ПетрГУ

Задание #4