Разработка системы акустической диагностики состояния колёс транспортных средств при повышенном уровне помех

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка системы акустической диагностики состояния колёс транспортных средств при повышенном уровне помех

05.12.04 Радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

кандидата технических наук

Грудинин Владимир Алексеевич

Санкт-Петербург,2011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости.

Научный руководитель заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ковалгин Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук Майоров Василий Семенович

кандидат технических наук, доцент Тимченко Владимир Иванович

Ведущая организация ФГУП НИИ «Рубин»

Защита диссертации состоится «____»______2011 г. в «__» часов на заседании диссертационного совета Д.219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петер-бургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 61

Автореферат разослан «____»___________2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. В Cергеев

акустический диагностика колесо транспортный

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Проблема обеспечения безаварийности и безопасности автомобильного движения в настоящее время решается на государственном уровне. С этой целью реализуется целый комплекс мер, направленных на развитие и модернизацию современных автомагистралей, повышение уровня квалификации водителей и на разработку различных систем, позволяющих автоматизировать управление транспортными средствами, а также значительно повысить эффективность их технической диагностики.

Дорожно-транспортные происшествия по причине технической неисправности транспортного средства происходят чаще всего из-за неисправности колес автомобиля или систем их крепления. Они в большинстве случаев приводят к тяжким последствиям: существенным экономическим потерям, к травмам или даже гибели людей.

Существующие на сегодняшний день методы профилактики возникновения таких неисправностей заключаются, как правило, в периодическом проведении технического осмотра грузового автомобиля и в своевременной замене неисправных или отслуживших свой срок деталей и агрегатов.

Актуальной становится задача разработки универсальной, удобной и информативной системы диагностики состояния колес грузовых автомобилей. Данная система должна оперативно обнаруживать возникающие дефекты (фиксировать факт их возникновения), идентифицировать их (относить к одному из известных типов), а также регистрировать (в доступной форме оповещать водителя).

Изучению методов диагностики механических систем посвящены работы ученых А.А. Абдулаева, А.Ю. Азовцева, Г.В. Аркадова, В.С. Барайщука, А.В. Баркова, Н.А. Барковой, И.А. Биргера, В.В. Болотина, М.Д. Генкина, Б.Л. Герике, А.С. Гольдина, С.А. Добрынина, Ю.Ф. Застрогина, В.В. Клюева, Р.А. Коллакота, А.З. Кулбянина, В.И. Павелко, Я.Г. Пановко, В.А. Русова, А.Г. Соколовой, А.Г. Толстова, В.Ю. Тэттэра, А.И. Усанова, В.В. Федорищева, М.С. Фельдмана, В.Г. Фирсатова, Г.И. Фирсова, А.М. Хазарова, С.Ф. Цвид, К.Н. Явленского, А.К. Явленского, Билл Уоттса (Bill Watts), Дж ван Дайка (Joe Van Dyke) и других специалистов.

Целью диссертационной работы является разработка системы акустической диагностики состояния колес транспортных средств большой грузоподъёмности, позволяющей оперативно регистрировать возникающие при их эксплуатации неисправности в условиях повышенного уровня внешних помех.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Провести анализ публикаций, посвященных методам оценки технического состояния узлов и агрегатов машин и механизмов; систематизировать возможные дефекты колес транспортных средств; проанализировать методы их обнаружения, выделить наиболее перспективные;

2. Провести анализ акустических сигналов, создаваемых колесами при движении автомобиля; выбрать диагностические признаки; разработать алгоритмы для обнаружения, идентификации и регистрации дефектов;

3. Сформулировать требования, предъявляемые к системе акустической диагностики состояния колес; разработать концепцию построения, структуру и интерфейс программы; выбрать язык программирования для её реализации; создать соответствующее программное обеспечение;

4. Выбрать способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью разработанного программного обеспечения; сформировать набор тестовых сигналов для проведения лабораторных испытаний;

5. Провести лабораторные и полевые испытания, обработать результаты, сделать заключение о степени достоверности диагностики состояния колес с помощью разработанной программы и правильности выбора предложенных решений.

Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались: методы цифровой обработки акустических сигналов, спектральный анализ сигналов, математическая статистика и математический анализ, программирование на языках С и С++, программное обеспечение Matlab.

Научная новизна и новые полученные результаты.

1. Сформулирован общий подход к разработке системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех - анализ акустических сигналов, сопровождающих их движение. Получен набор записей акустических сигналов, возникающих при движении исправных и неисправных колес. На основе анализа данных сигналов найдены диагностические признаки, позволяющие не только обнаруживать, но и идентифицировать три наиболее распространённых дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, частичная и полная блокировки колеса. Разработан метод минимизации влияния помех от неровностей дороги на результаты диагностики.

2. Установлено, что обнаружение таких дефектов, как отслоение части корда, блокировка колеса и ослабление крепления колесного диска к ступице, может осуществляться на основе сравнения уровней полосовых акустических сигналов двух колес, расположенных на одной оси автомобиля. Случай, когда разница уровней данных сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц превышает эмпирически найденное пороговое значение 8,3 дБ, соответствует возникновению либо отслоения части корда, либо блокировки колеса. Значение данной величины в диапазоне от 7,9 до 8,3 дБ соответствует только отслоению части корда. Если же данная величина принимает значения менее 4,4 дБ, то оба дефекта отсутствуют; нахождение величины в диапазоне от 4,4 до 5,2 дБ означает, что отсутствует блокировка колеса. Аналогичным образом, только с использованием полосы частот от 11200 до 1170 Гц, регистрируется ослабление крепления колесного диска к ступице. Если данная величина превышает 9,1 дБ, то произошло ослабление крепления, а если меньше 3,6 дБ, то данный дефект отсутствует.

3. Выявлено, что дополнительным признаком, позволяющим не только обнаружить, но и идентифицировать дефект отслоения части корда (отличить его от блокировки колеса), является энергия первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса. Превышение разницы данных энергий для колес, расположенных на одной оси, порогового значения 17,1 дБ соответствует отслоению корда. Если же данная величина составляет менее 2,6 дБ, то отслоение корда отсутствует. Обнаружение такого дефекта, как полная блокировка колеса, возможно на основе оценки скорости изменения уровня акустического сигнала в полосе частот от 1930 до 2290 Гц. Если скорость изменения уровня больше эмпирически найденного порогового значения 7,4 дБ/с, то возникла полная блокировка колеса. Если меньше 3,1 дБ/с, то полная блокировка колеса отсутствует.

4. Разработан оригинальный алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Он позволяет не только обнаруживать дефект на основе оценки и сравнения уровней полосовых сигналов исправных и неисправных колес, но и идентифицировать их по характерным признакам, таким как скорость изменения уровней полосовых сигналов и величина энергии 11 первых гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса;

5. Разработана компьютерная программа оперативного контроля состояния автомобильных колес.

6. Разработан способ проверки достоверности результатов, получаемых с помощью системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех. Проведены лабораторные и частично полевые испытания, доказывающие правильность принятых научных и технических решений.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. сформирован банк записей акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес автомобилей, как при отсутствии, так и при наличии внешних помех;

2. разработан метод акустического контроля состояния колес транспортных средств, позволяющий оперативно обнаруживать и с достаточной для практики точностью идентифицировать возникающие в них дефекты;

3. разработано программное обеспечение, на основе которого реализована система акустического контроля состояния колес транспортного средства во время его движения;

4. проведены лабораторные и неполные полевые испытания системы акустического контроля состояния колес транспортных средств, подтверждающие достоверность получаемых с её помощью результатов.

Внедрение результатов исследований. Материалы диссертационной работы использовались в ОАО НПП «Дигитон», в ФГУП «Научно-исследовательский институт "Рубин"», в компании Taipale Telematics Ltd (Финляндия), а также в учебном процессе СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная система акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех позволяет обнаруживать, идентифицировать и регистрировать три наиболее распространенных дефекта: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице, блокировка колеса;

2. Различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси автомобиля, позволяет обнаруживать такие дефекты как отслоение части корда и блокировка колеса;

3. Различие энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей в полосе частот от 5050 до 5430 Гц, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси, позволяет идентифицировать дефект отслоения части корда;

4. Скорость изменения уровня акустического сигнала, создаваемого колесом автомобиля в полосе частот от 1930 до 2290 Гц, позволяет обнаружить дефект полной блокировки колеса;

5. Различие уровней акустических сигналов, создаваемых колесами, расположенными на одной оси в полосе частот от 11200 до 11700 Гц, позволяет обнаружить и идентифицировать дефект ослабления крепления колесного диска к ступице;

6. Комплексное использование найденных в работе критериев обнаружения дефектов колес позволило разработать единый алгоритм системы акустического контроля состояния колес транспортных средств при повышенном уровне помех.

Апробация результатов работы и публикации. Полученные в работе результаты обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге.

По тематике диссертационной работы опубликовано четыре печатные работы, включая публикацию в виде тезисов докладов, статью в журнале «Труды учебных заведений связи», статью в журнале «Научно-технические ведомости СПбГПУ» и статью в журнале «Известия Курского государственного технического университета».

Структура и объём диссертационной работы. Работа содержит 153 листа, 49 рисунков, 8 таблиц. В списке литературы 62 наименования. Приложение размещено на 16 листах.

Содержание работы

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении показано, что эксплуатация грузовых автомобилей в тяжёлых условиях, повышенные требования к их безопасности и надёжности, а также трудности, возникающие при диагностике состояния их механизмов, приводят к необходимости разработки нового метода диагностики, позволяющего организовывать непрерывный контроль за состоянием колес во время движения автомобиля.

Первая глава является вводной. В ней показано, что проблема обеспечения безопасности автомобильного движения является весьма сложной, объёмной и многофакторной. Она не может быть полностью разрешена в рамках отдельно взятой диссертационной работы. По этой причине для исследования была выбрана более узкая, но, пожалуй, наиболее важная задача - разработка системы диагностики состояния колес грузового автомобиля при его эксплуатации в условиях повышенного уровня внешних помех. Основное внимание уделено методам обнаружения и диагностики наиболее часто встречающихся дефектов колес грузовых автомобилей: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице и блокировка колеса.

В данной главе изложены разработки, имеющиеся в этой области, представлен анализ современных методов вибродиагностики механических систем и узлов.

На основе этого всестороннего анализа сформулированы цели и задачи научных исследований, проводимых в рамках диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены проблемы, связанные с разработкой метода акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля. В частности, описана экспериментальная установка - грузовой автомобиль, оснащённый системой записи акустических сигналов, сопровождающих движение колес; обоснован выбор акустического датчика - микрофона - и места его установки на автомобиле. С её помощью получен набор акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес; выполнено их исследование с целью поиска критериев, позволяющих обнаруживать, идентифицировать и регистрировать возникающие при их эксплуатации дефекты. Результаты этих исследований позволили сформулировать единый алгоритм поиска критериев для обнаружения и идентификации отдельных дефектов колес (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дефект - отслоение части корда на начальном этапе своего развития сопровождается периодическими ударами отслоившейся части о дорожное покрытие. Статистическая обработка исходных сигналов не позволила выявить какого-либо устойчивого критерия регистрации данного дефекта. Причиной этого является наличие большого количества достаточно мощных внешних шумов различного происхождения. На следующем этапе исследований сигналы подвергались частотному анализу. При этом использовались модернизированные с учетом особенностей исследуемых сигналов методики анализа, позаимствованные из вибродиагностики: метод прямого спектра, метод спектра огибающей и диагностика по общему уровню вибрации.

Метод прямого спектра в исходном виде может быть использован только в лабораторных условиях, когда анализируемый сигнал является «установившимся» на достаточно длительном интервале времени. Акустические сигналы, сопровождающие движение колес автомобиля в условиях воздействия внешних помех, не могут считаться таковыми. По этой причине для них оценивался выборочный спектр, полученный с помощью быстрого преобразования Фурье. Однако анализ особенностей этих спектров не позволил выявить каких-либо устойчивых критериев для обнаружения отслоения части корда.

Метод диагностики по общему уровню вибрации подразумевает оценку уровня сигнала вибрации в некоторой полосе частот и сравнение её с заранее известными для исследуемого оборудования (узла) пороговыми значениями. Данный метод непосредственно не может быть применен при диагностике автомобильных колес. Это связано с тем, что уровень и спектральный состав акустических сигналов, сопровождающих движение колес, может значительно изменяться под действием внешних факторов, таких как изменение типа дорожного покрытия, его качества, а также изменение нагрузки на колесо в зависимости от веса перевозимых грузов и т. п. В ходе исследования было выявлено также, что уровни акустических сигналов в отдельных полосах частот сильно зависят от места расположения соответствующих колес. Это обусловлено различной нагрузкой, приходящейся на колеса, расположенные на разных осях.

На основе этого было предложено вычислять (и затем сравнивать с найденным пороговым значением) не общий уровень акустических сигналов, а разницу уровней полосовых сигналов для колес, расположенных на одной оси, при этом предполагается, что вероятность возникновения дефекта одновременно у обоих колес, расположенных на одной оси, пренебрежимо мала:

, (1)

, (2)

, (3)

где , разница уровней полосовых сигналов для колес, расположенных на задней и передней осях соответственно;, , , уровни акустических сигналов в полосе частот , с нижней граничной частотой для момента времени , полученные для левого заднего, правого заднего, левого переднего и правого переднего колес соответственно; отсчет полосового сигнала в дискретный момент времени i; Н - интервал, на котором оценивается уровень сигнала; - сигнал, уровень которого принят за 0 дБ.

В результате проведённых исследований был сформулирован следующий критерий для обнаружения отслоения части корда: разница уровней сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси (2),(3). Эмпирическим путём были найдены пороговые значения данного критерия: для исправных колес данная величина не превышает 4,4 дБ; для неисправных принимает значение более 8,3 дБ.

Метод спектра огибающей предполагает выделение высокочастотной составляющей сигнала вибрации и последующую оценку величины модулирующих её низкочастотных сигналов. Он успешно используется для диагностики дефектов, связанных с соударением или с задеванием двух движущихся относительно друг друга тел. Схожая ситуация складывается и при отслоении части корда, когда отслоившаяся часть периодически ударяется о дорожное покрытие.

В акустических сигналах, сопровождающих движение колес, присутствует высокочастотный шум. Это шумоподобные компоненты, расположенные в области частот от 5050 до 5430 Гц. Их уровень зависит от характера и величины сил взаимодействия протектора и дорожного покрытия. В результате всякое изменение в данном взаимодействии (любая неровность на дороге или на протекторе, изменение нагрузки на колесо и т.п.) отражается на уровне высокочастотных шумов - модулирует их по амплитуде. С помощью амплитудного детектора был выделен сигнал огибающей данного высокочастотного шума. Обнаружено, что в нём явно присутствуют всплески, обусловленные ударами отслоившейся части корда о поверхность дорожного покрытия. Рассмотрение данного сигнала на большом интервале времени позволило выявить наличие в нём сильных случайных всплесков, обусловленных, как показали дальнейшие исследования, неровностью дорожного покрытия. Большая энергия данных всплесков (по сравнению с всплесками, вызванными ударами отслоившейся части корда), обусловлена тем, что при ударе колеса о дорожную выбоину участвует вся масса автомобиля, приходящаяся на данное колесо. В свою очередь при ударе отслоившейся части корда участвует только масса отслоившейся части корда. Ещё одной отличительной особенностью упомянутых всплесков является тот факт, что всплески, обусловленные отслоившейся частью корда, носят квазипериодический характер, а всплески, обусловленные неровностью дорожного покрытия, носят, как правило, случайный характер. На основе этих различий разработан алгоритм. поиска и устранения всплесков сигнала огибающей (рис. 2).

Рис. 2. Алгоритм поиска и устранения всплесков сигнала огибающей, обусловленных неровностью дорожного покрытия

Благодаря исключению помех, вызванных внешними условиями, стала возможной процедура вычисления критерия, традиционно используемого в вибродиагностике: разница энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей, кратных частоте вращения колеса, для колес, расположенных на одной оси. Кроме обнаружения отслоения части корда данный критерий позволяет также идентифицировать данный дефект среди остальных.

Заметим, что косвенное измерение частоты вращения колеса на основе значений скорости движения автомобиля и диаметра колеса, позволяет только приблизительно оценить частоту первой гармоники:

. (4)

По этой причине в работе был использован алгоритм автоматического поиска гармоник, кратных частоте вращения колеса (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Его идея позаимствована из «алгоритма выделения информационных частот в исследуемой спектрограмме при вибродиагностировании подшипниковых узлов» и адаптирована к решаемой проблеме. Эмпирическим путём были найдены пороговые значения предложенного критерия: для исправных колес данная величина не превышает 2,6 дБ; для неисправных принимает значение более 17,1 дБ.

Дефект - частичная или полная блокировка колеса проявляется в увеличении сил взаимодействия между протектором и дорожным покрытием. Следовательно, он должен проявляться в изменении уровня акустических сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц (см. выше). Критерием его оценки является, как и ранее, различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 1930 до 2290 Гц для колес, расположенных на одной оси (2), (3). Экспериментально были определены пороговые значения для данного критерия: менее 5,2 дБ - отсутствие блокировки колеса; более 7,9 дБ - блокировка колеса.

Отличием полной блокировки колеса от частичной блокировки, является очень быстрое возрастание уровня акустического сигнала, приходящегося на область частот от 1930 до 2290 Гц. Исходя из этого, в качестве дополнительного критерия, позволяющего идентифицировать дефект либо как полная, либо как частичная блокировка колеса, была выбрана скорость изменения уровня полосового сигнала в течение фиксированного интервала времени. Если она менее 3,1 дБ/с, то имеет место частичная блокировка; более 7,4 дБ/с - полная блокировка колеса.

Дефект - ослабление крепления колесного диска к ступице на начальной стадии проявляется в виде практически незаметного смещения диска относительно ступицы. Каждое такое смещение сопровождается ударом колесного диска о ступицу или о крепёжный болт (гайку).

По мере развития дефекта (ослабление нескольких крепежных болтов) упомянутые удары диска колеса о ступицу и крепёжный болт становятся сильнее и чаще. Предполагаем, что в спектральных оценках акустических сигналов с данным дефектом, будут присутствовать резонансные частоты.

Спектральный анализ позволил выявить несколько полос частот, на которые приходятся составляющие, обусловленные резонансными явлениями, т.е. несколько обертонов. Полученные результаты позволяют при регистрации данного дефекта использовать метод диагностики оборудования по общему уровню вибрации так же, как это сделано для дефекта отслоения части корда.

В результате проведённых исследований был получен следующий критерий для обнаружения данного дефекта: различие уровней акустических сигналов в полосе частот от 11200 до 11700 Гц, сопровождающих движение колес, расположенных на одной оси (2), (3). Данная величина не превышает 3,6 дБ для исправных колес, и составляет более 9,1 дБ для неисправных колес.

В третьей главе изложен заключительный этап научных исследований. На основе полученных критериев и методики их вычисления представлен единый алгоритм акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля. Сформулированы требования к системе диагностики, разработан пользовательский интерфейс.

Структурная схема разработанного алгоритма приведена на рис. 4. В его основу положен сравнительный анализ энергетических и структурных параметров акустических сигналов, сопровождающих движение колес.

Исходными данными для системы диагностики являются акустические сигналы, регистрируемые с помощью измерительных микрофонов, а также информация о задействовании тормозной системы, скорости движения автомобиля, размере колеса и т.п.

Выполняемые вычисления условно могут быть разделены на четыре части: анализ полосовых сигналов; анализ сигнала огибающей; расчет критериев для обнаружения и идентификации дефектов; исполняющее устройство, регистрирующее выявленный дефект.

Анализ полосовых сигналов. Исходные акустические сигналы подвергаются фильтрации двумя полосовыми фильтрами (рис. 4). Для полученных полосовых сигналов оценивается уровень (1). При этом оценка уровня осуществляется для разных интервалов времени, составляющих часть или целое количество периодов вращения колеса. Период вращения колеса оценивается по (4).

Анализ полосовых сигналов заключается в оценке модуля разности уровней полосовых сигналов, полученных для правого и левого колес, расположенных на одной оси (1). На основе сравнения полученных величин, выраженных в децибелах, с соответствующими пороговыми значениями (рис. 4), делается заключение об исправности, неисправности или возможной неисправности колес.

Анализ сигнала огибающей. Исходные сигналы от левого и правого колес, расположенных на одной оси, подвергаются полосовой фильтрации. Далее с помощью амплитудного детектора и фильтра нижних частот выделяется сигнал огибающей. В данном случае амплитудный детектор представляет собой простую операцию взятия абсолютного значения полосового сигнала, а фильтр нижних частот выделяет полосу частот от 0 до 200 Гц, соответствующую расположению первых 11 гармоник, кратных частоте вращения колеса.

Далее сигнал огибающей подвергается анализу во временной области, целью которого является устранение негативного влияния всплесков, обусловленных неровностью дорожного покрытия, на спектральные оценки сигнала огибающей. Делается это с помощью специальной процедуры, названной в работе «исправление выборки сигнала». Суть данной процедуры поясняет рис. 2. После этого с помощью модифицированного ковариационного метода вычисляется выборочный спектр. Полученные спектральные оценки подвергаются анализу в целях выделения отдельных гармоник, кратных частоте вращения колеса, и оценки их суммарной энергии (рис. 3). Оценка модуля разности энергий, полученных для правого и левого колес, расположенных на одной оси, и сравнение её с эмпирически найденными пороговыми значениям позволяют сделать заключение об исправности, неисправности или возможной неисправности колес (рис. 4).

Обнаружение и идентификация дефектов колес транспортного средства выполняется на основе непрерывной оценки изменяющихся при движении автомобиля нижеследующих величин:

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 11200 до 11700 Гц, полученных для левого и правого колес (при ослаблении крепления диска);

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц, полученных для левого и правого колес (при частичной и полной блокировке колеса);

- скорость изменения уровня полосового сигнала для области частот от 1930 до 2290 Гц, полученная для отдельного колеса (при полной блокировках колеса);

- разности уровней полосовых сигналов в области частот от 1930 до 2290 Гц и разности энергий первых 11 гармоник сигнала огибающей, полученных для левого и правого колес (при отслоении части корда).

Эти изменяющиеся во времени при движении автомобиля величины сравниваются в решающем устройстве с эмпирически найденными в работе пороговыми значениями в целях обнаружения и идентификации возможных дефектов колес грузового автомобиля (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оповещение водителя о возникновении неисправности колеса. В кабине водителя должна присутствовать световая и (или) звуковая система, оповещающая его о состоянии колес автомобиля. Световая система оповещения работает по принципу светофора: красный цвет неисправность колеса; желтый цвет - возможная неисправность колеса; зеленый цвет исправное колесо. В свою очередь звуковая система оповещения срабатывает только в случае явной неисправности колеса (красный цвет световой системы оповещения).

Разработанный алгоритм реализован в виде универсальной библиотеки, написанной на языке программирования С. На основе этой библиотеки создано приложение для операционной системы Windows XP.

В диссертационной работе даны конкретные рекомендации по выбору аппаратной части системы диагностики, и создан первый опытный экземпляр, предназначенный для акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей.

В четвертой главе изложены методика и основные результаты испытаний разработанной системы акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей. Полученные результаты были подвергнуты дополнительному анализу, в результате которого были внесены незначительные изменения в систему диагностики состояния колес. Сделаны выводы о достоверности полученных результатов.

Лабораторные испытания были проведены с использованием предварительно записанных акустических сигналов, сопровождающих движение исправных и неисправных колес. В 100 % случаев дефекты колес были зарегистрированы системой диагностики, при этом более чем в 92 % случаев дефекты были правильно идентифицированы (см. таблицу). В данных испытаниях были задействованы не только записи сигналов, использованные при разработке алгоритма системы диагностики, но и дополнительные записи, предназначенные только для лабораторных испытаний.

В настоящее время система акустической диагностики состояния колес грузового автомобиля проходит полевые испытания. Имеющиеся на данный момент самые первые результаты испытаний сводятся в основном к возникновению случаев ложного срабатывания системы диагностики при совершении грузовым автомобилем сложных маневров, таких как крутые повороты и развороты. Для устранения данного сбоя система диагностики подвергнута доработке. Её суть заключается во введении ограничения на минимальную скорость движения автомобиля, при которой осуществляется диагностика состояния колес. В качестве первого шага выбрана пороговая скорость движения автомобиля, равная 30 км/ч. Данная корректировка позволила исключить подавляющее большинство случаев ложного срабатывания системы диагностики автомобильных колес.

По результатам лабораторных и полевых испытаний можно сделать заключение о достоверности оценок, получаемых с помощью разработанной и созданной системы акустической диагностики состояния колес.

В приложении к работе приведены: параметры измерительного микрофона, фильтров и ноутбука экспериментальной установки; результаты исследования характеристик акустических сигналов для исправных и неисправных колес автомобиля; описание адаптивной вычислительной среды, рекомендованной в качестве основы для построения многофункциональных бортовых компьютеров большегрузных автомобилей.

Заключение

1. Проанализированы публикации и нормативные документы, посвящённые обеспечению безопасного и безаварийного автомобильного движения. Выявлены наиболее существенные проблемы, имеющие место при контроле технической исправности большегрузных автомобилей. Подробно рассмотрены современные способы профилактической и оперативной диагностики отдельных узлов и агрегатов автомобилей и других механических систем. Сформулированы цели и задачи диссертационной работы, выбраны средства для их достижения.

2. Выявлены причины возникновения и характер дефектов колес. Выбраны три наиболее часто встречающихся дефекта, которые обнаруживает созданная система диагностики: отслоение части корда, ослабление крепления колесного диска к ступице и блокировка колеса.

3. Создана исследовательская установка в виде грузового автомобиля, оснащенного системой записи акустических сигналов, сопровождающих движение колес. С ее помощью сформирован большой набор записей акустических сигналов для различных условий эксплуатации автомобиля.

4. Проведен разносторонний, тщательный анализ полученных акустических сигналов во временной и частотной области. Исследованы эффекты амплитудной модуляции высокочастотных шумов (сигнал огибающей). Сформулированы критерии обнаружения, идентификации и регистрации отдельных видов дефектов колес. Выявлено негативное влияние внешних низкочастотных шумов, а также неровностей дорожного покрытия на структуру и характеристики акустических сигналов. Предложен эффективный и простой в реализации способ уменьшения влияния повышенного уровня помех, сопровождающих движение автомобиля, на работу системы.

5. На основе сравнения частотных, временных и статистических характеристик сигналов исправных и неисправных колес найдены критерии для обнаружения, идентификации и регистрации дефектов колес.

6. Разработан алгоритм системы диагностики колес. Он представляет собой комбинацию различных вибродиагностических методов, подвергнутых доработке и уточнению с учетом особенностей условий диагностики колес и характера проявления их дефектов.

7. Разработанный алгоритм реализован в виде программного обеспечения диагностики колес.

8. Сформулированы требования к системе акустической диагностики. Выбрано оборудование, необходимое для ее реализации. Создан, установлен, настроен первый опытный экземпляр системы акустической диагностики состояния колес большегрузных автомобилей.

9. Проведены испытания разработанной системы диагностики с использованием предварительно записанных акустических сигналов. В 100 % случаев дефекты колес были зарегистрированы системой более чем в 92 % случаев правильно идентифицированы. Это свидетельствует о правильном выборе как общей концепции реализации процедуры диагностики, так и отдельных частей алгоритма.

Список публикаций

1. Грудинин, В.А. Использование методов спектрального анализа для оценки состояния покрышек колес грузовых автомобилей / В.А. Грудинин, Т.П. Белякова // Труды учебных заведений связи / ГОУВПО СПбГУТ. СПб., 2006. № 174. С. 218-226. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

2. Грудинин, В.А. Разработка специализированного бортового компьютера для обеспечения безопасности на транспорте // 60-я НТК: материалы / ГОУВПО СПбГУТ. СПб., 2008. - С. 68.

3. Грудинин, В.А. Разработка акустического метода оперативной диагностики состояния покрышек легкового автомобиля / В.А. Грудинин, Т.П. Белякова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. - С. 50-54. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

4. Грудинин, В.А. Алгоритмы обнаружения и диагностики неисправностей колес грузовых автомобилей // Известия Курского государственного технического университета. 2010. №4(33). - С.53-58. (из перечня ВАК Минобрнауки РФ)

Подписано к печати 26.04.2011

Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз.

Отпечатано в СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Размещено на Allbest.ru