Личак О. В. Математичне моделювання нестаціонарних випадкових сигналів для виявлення дефектів механізмів на початкових стадіях розвитку

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора наук

Державний реєстраційний номер

0525U000051

Облікова картка дисертації

0525U000051.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

11-03-2025

Спеціалізована вчена рада

Д 58.082.02

Західноукраїнський національний університет

Анотація

У дисертаційній роботі вирішено важливу науково-прикладну проблему, котра полягає у розробці методів статистичного аналізу сигналів вібрацій пошкоджених механізмів на основі математичних моделей багатокомпонентних нестаціонарних випадкових процесів зі стохастичною амплітудно-фазовою модуляцією несучих гармонік і з використанням перетворення Гільберта досліджено їх кореляційно-спектральну структуру, що дає можливість встановлювати типи дефектів у механізмах, їх локалізацію та оцінювати ступінь розвитку. Проблема вирішена шляхом розробки та реалізації комплексного наукового підходу на основі методів теорії випадкових процесів, теорії сигналів, методів Фур’є-аналізу, методу малого параметру та методів обчислювальної математики. Вперше сформульовано означення ранньої стадії розвитку дефекту як періодично нестаціонарного випадкового процесу котрий супроводжується появою в реакції системи прихованих коливань, котрі є періодично нестаціонарними випадковими сигналами (ПНВС). Встановлено, що періодичні нестаціонарності другого порядку (приховані періодичності) є результатом взаємних кореляцій вищих порядків між модулюючими процесами ПНВС. Проведений порівняльний аналіз когерентних та компонентних методів виявлення прихованих періодичностей. Розроблено теоретичні основи використання перетворення Гільберта для аналізу діагностичних ПНВС з широкосмуговою і вузькосмуговою високочастотними та амплітудно-фазовими модуляціями несучих. Показано, що аналітичний сигнал від ПНВС є також ПНВС. Встановлено, що застосування відомих методів “обвідної” для аналізу багатокомпонентних ПНВС з такими модуляціями є неслушним, оскільки квадрат модуля аналітичного сигналу, який називають “квадратом обвідної” є випадковим процесом, моментні функції якого змінюються періодично з часом. Показано, що стохастично амплітудно-фазово модульовані коливання ПНВС представляються суперпозицією високочастотних компонент, які є стаціонарними і взаємно періодично нестаціонарно зв’язаними випадковими процесами. Таке представлення зводить дослідження властивостей сигналу до аналізу кореляційних компонентів вищих порядків квадратур високочастотних несучих. Проведено теоретичні дослідження, показали слушність оцінок методами ПНВС функцій математичного сподівання, кореляційної функції та їх коефіцієнтів Фур’є. Встановлено, що частотний діапазон, в якому миттєва спектральна густина ПНВС змінюється за часом, визначається косинусними перетвореннями від косинусних і синусних кореляційних компонентів. Показано, що вибір смуги фільтрації сигналу ПНВС повинна базуватися на оцінках взаємних кореляцій високочастотних компонент вищих порядків, що дозволило та підвищити ефективність діагностування. Показано, що використання смугової фільтрації і перетворення Гільберта для виділення та аналізу кореляцій квадратур високочастотних гармонік дає змогу побудувати карту кореляцій, котра має характерні особливості для різних дефектів. Обґрунтовано процедури обробки діагностичних сигналів, які дають можливість виявити та описати в рамках моментних функцій ПНВП першого і другого порядків їх структуру, в тому числі структуру високочастотної, широкосмугової та амплітудно-фазової модуляцій. Розроблений підхід застосований до аналізу сигналів розподіленого і локального дефектів механізмів. В рамках моментних функцій першого і другого порядків описані основні закономірності та відмінності між сигналами таких дефектів. Проведена обробка реальних сигналів та описана їх кореляційна структура на основі побудованих карт кореляцій. Встановлено, що високочастотна модуляція несучих гармонік ПНВС моделі вібрацій підшипника є вузькосмуговою і може бути описана за формулами Райса. Показано, що кореляції квадратур модуляцій є повільно заникаючими осциляційними функціями часового зсуву, що зумовлює схожу форму кореляційних компонентів а інтервал заникання кореляційних компонентів є набагато більшим ніж період нестаціонарності. Основні результати дисертаційної роботи впроваджено у Фізико-механічному інституті НАН України при виконанні досліджень з розробки методів відбору та обробки сигналів для діагностики дефектів, у ТзОВ ФІРМА “ДІАЛАБ” ЛТД для проведення технічного діагностування приводів механізмів, у ТзОВ “ПОРТТЕХЕКСПЕРТ” для виявлення та оцінювання ступеня розвитку дефектів у підшипникових вузлах електродвигунів механізмів контейнерних перевантажувачів, у ТзОВ “ДП ВОРЛД ТІС ПІВДЕННИЙ” для аналізу діагностичних сигналів в процесі діагностування механізмів портових кранів, у ТзОВ “КИПЕР-ПЛАСТ” для оцінювання ступеня розвитку дефектів в обертових механізмах.

Читати повністю

Публікації

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Matsko I. Hilbert transform for covariance analysis of periodically nonsta-tionary random signals with high-frequency modulation. ISA Transactions, 144, 2024, pp. 452–481.

Javorskyj I., Matsko I., Yuzefovych R., Lychak O., Lys R. Methods of Hidden Periodicity Discovering for Gearbox Fault Detection. Sensors, 21, 2021, 6138.

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Trokhym G., Varyvoda M. Methods of periodically non-stationary random processes for vibrations monitoring of rolling bearing with damaged outer race. Digital Signal Processing: A Review Journal, 145, 2024, 104343.

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Slyepko R., Semenov P. Detection of distributed and localized faults in rotating machines using periodically non-stationary covariance analysis of vibrations. Measurement Science and Technology, 34, 2023, 065102.

Lychak O., Holyns’kiy I. Evaluation of random errors in Williams’ series coefficients obtained with digital image correlation. Measurement Science and Technology, 27(3), 2016, 035203.

Lychak O., Holyns’kiy I. Improving the accuracy of derivation of the Williams' series parameters under mixed (I+II) mode loading by compensation of measurement bias in the stress field components data. Measurement Science and Technology, 27(12), 2016, 125203.

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Semenov P., Varyvoda M. Vibration analysis of the damaged bearing unit of the port crane lifting mechanism. Materials Science, 59(4), 2024.

Sakharuk O., Muravs’kyi L., Holyns’kiy I., Lychak O. Determination of the field of local displacements by the digital speckle correlation method with adaptive segmentation of the images. Materials Science, 49(5), 2014, pp.660–666.

Lychak O., Holyns’kyi I. Estimation of the accuracy of determination of the Williams coefficients under the conditions of normal cleavage. Materials Science, 48(5), 2013, pp. 664–670.

Voronyak T., Kmet A., Lychak O. Single-step phase-shifting speckle interferometry. Materials Science, 43(4), 2007, pp.554–567.

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Semenov P. Methods and means of early vibration diagnostics of rotating components of mechanisms of quay container handlers. The Paton Welding Journal, 01, 2022, pp.48–58.

Yuzefovych R., Javorskyj I., Lychak O., Trokhym G., Varyvoda M., Semenov P. Diagnostics of gear pair damage using the methods of biperiodically correlated random processes. Part 2. Investigation of vibration signals of the wind power generator gearbox. The Paton Welding Journal, 4, 2023, pp.45–53.

Lychak O., Holyns’kyi I. Evaluation of stress field reconstruction errors near the crack tip of body under plain strain conditions. Information extraction and processing, 41(117), 2014, pp.63–69.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О. Перетворення Гільберта багатокомпонентних періодично нестаціонарних випадкових сигналів. Доповіді Національної академії наук України, 1, 2022, с.20–33.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О. Аналіз високочастотної модуляції несучих гармонік періодично нестаціонарного випадкового сигналу. Доповіді Національної академії наук України, 2, 2022, с.21–31.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О. Стохастичні моделі прихованих періодичностей та ефективні методи їх виявлення. Доповіді Національної академії наук України, 6, 2023, с.19–32.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Слєпко Р., Варивода М., Семенов П. Діагностика пошкоджень зубчатих пар методами біперіодично корельованих випадкових процесів. Частина 1. Теоретичні аспекти проблеми. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 4, 2022, с.4–11.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Трохим Г., Варивода М., Семенов П. Діагностика пошкоджень зубчатих пар методами біперіодично корельованих випадкових процесів. Частина 2. Дослідження вібраційних сигналів редуктора вітрогенератора. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 1, 2023, с.13–21.

Юзефович Р., Яворський Р., Личак О., Гнатишин В., Варивода М. Виділення та аналіз детермінованої складової вібрацій методом найменших квадратів. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 2, 2023, с.17–21.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Комарницький Б., Хміль Р., Смірнова О. Дослідження кореляційної структури вібраційного сигналу підшипникових вузлів декантера. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 2, 2024, с.3–10.

Юзефович Р., Яворський І., Мацько І., Личак О., Трохим Г., Дзерин О., Стецько І. Пристрої для виявлення дефектів на ранніх стадіях їх зародження при визначенні технічного стану механізмів. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 4, 2020, с.8–16.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Варивода М., Стецько І. Методи та засоби ранньої вібродіагностики підшипникових вузлів обертових механізмів. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 2, 2021, с.30–37.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Семенов П. Методи та засоби ранньої вібродіагностики обертових вузлів механізмів причальних контейнерних перевантажувачів. Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 4, 2021, с.25–34.

Javorskyj І., Yuzefovych R., Lychak O., Trokhym G., Varyvoda M. Stochastic model of the gearbox pair vibration. Information extraction and processing, 49 (125), 2021, pp.26–31.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Слєпко Р., Варивода М. Демодуляція нестаціонарного випадкового сигналу з використанням перетворення Гільберта. Відбір і обробка інформації, 50 (126), 2022, с.26–33.

Яворський І., Юзефович Р., Личак О., Комарницький Б. Переваги моделі періодичного нестаціонарного випадкового процесу при обробці вібраційного сигналу. Відбір і обробка інформації, 51(127), 2023, с.23–31.

Личак О., Глова З., Кметь А. Спектральні перетворення сигналів в різницевому спекл-інтерферометрі Ліндерця. Відбір і обробка інформації, 21 (97), 2004, с.74–79.

Личак О., Глова З., Кметь А. Порівняльний аналіз методів виділення корисного сигналу в фазозсувних спекл-інтерферометрах. Відбір і обробка інформації, 25(101), 2006, с.91–98.

Javorskyj I., Yuzefovych R., Lychak O., Khmil R. The covariance analysis of the periodically non-stationary random signal with narrow-band modulation of carrier harmonics. Information Extraction and Processing, 52(128), 2024, pp.19–26.

Читати повністю

Файли

autoreferat-referat_Lychak.pdf

rukopys_Lychak.pdf

Схожі дисертації

0525U000349

Барановський Сергій Віталійович

Математичне моделювання керованих процесів імунології з урахуванням просторових збурень, температури та зосереджених впливів

0525U000176

Шматко Тетяна Валентинівна

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА РОЗРОБКА ЧИСЕЛЬНО-АНАЛІТИЧНИХ МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНО-ГРАДІЄНТНИХ ПОЛОГИХ ОБОЛОНОК ТА ПЛАСТИН З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕОРІЇ R-ФУНКЦІЙ

0525U000003

Білущак Юрій Ігорович

Математичне моделювання процесів масоперенесення у складних тілах з мікроструктурою

0524U000416

Богаєнко Всеволод Олександрович

Математичне та комп’ютерне моделювання гідрогеоміграційних процесів з некласичною динамікою на основі високопродуктивних обчислювальних алгоритмів

0524U000412

Євдокімов Володимир Анатолійович

Методи та засоби комп’ютерного моделювання мультиагентного процесу ціноутворення в організаційно-технічних системах