Введение к работе
Актуальность темы. Газотурбинные двигатели (ГТД), помимо традиционной области применения в авиации, получили широкое распространение в судостроении, энергетике, на магистральных газопроводах. Ведутся активные работы по их внедрению на железнодорожном транспорте. Современные ГТД характеризуются высокими удельными параметрами и напряжённостью конструкций. Повышение надёжности и снижение затрат на эксплуатацию таких машин предусматривает наличие методов и средств оценки их технического состояния. Практика показывает, что важное место здесь занимают виброакустические методы. Отечественный и зарубежный опыт отмечает, что для роторных машин контроль вибропараметров позволяет обнаруживать до -80 %-возможных отказов.
Основной задачей вибродиагностики является разделение технического состояния машины на два класса: исправное и неисправное. Это разделение осуществляется на основе'использования диагностических признаков того или иного дефекта. Многочисленными исследованиями установлено, что появление отказов роторных машин сопровождается модуляцией их вибрации. Одним из наиболее эффективных методов выделения модулирующих составляющих является спектр огибающей. Однако этот метод обладает рядом недостатков. Одним из основных, для высокооборотных машин, к которым относятся ГТД, является ограниченность информативного частотного диапазона. Это связано с необходимостью выделения, огибающей узкополосного процесса, осуществляемого соответствующим фильтром.
Известно, что изменение глубины модуляции на 5 % свидетельствует о появлении дефекта, а на 20 % характеризует наличие сильного дефекта. Это предъявляет повышенные требования к точности оценки интенсивности модулирующих составляющих.
Широко применяемый в обработке вибропроцессов алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ) при определении характеристик составляющих спектра вносит погрешность в оценку их уровня и частоты. Известны два способа повышения точности: применение весовых «окон» и метод интерполяции коэффициентов Фурье. Для случая полигармонических процессов последний даёт наилучшие результаты. Часто оба метода применяются совместно. Метод интерполяции коэффициентов Фурье используется как уточняющий оценок параметров гармоники. Однако авторы этого способа не рассмотрели влияние шумовой составляющей, которая, как правило, растёт с развитием дефекта. Для эффективного применения этого метода необходимо оценить область его использования. Кроме этого, для обеспечения требуемой точности следует применять ширину фильтра равную ширине составляющей спектра в частотной области. Работы, посвященные оценке этой ширины, дают противоречивые рекомендации, отличающиеся на два порядка.
Поэтому для обеспечения эффективного выделения и оценки интенсивности модулирующих составляющих вибрации ГТД необходимо продолжить исследования по отмеченным проблемам.
Цель работы. Развитие методов контроля технического состояния ГТД на основе совершенствования способов выделения модулирующих процессов широкополосной вибрации.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы основные задачи.
-
Разработать метод выделения модулирующих составляющих широкополосной вибрации.
-
Выполнить моделирование амплитудно-модулированных процессов, соответствующих дефектам ряда типовых узлов ГТД и провести сравнительный анализ эффективности выделения модулирующих составляющих с использованием спектра огибающей и разработанного метода.
-
Определить реальную ширину дискретных составляющих спектра вибраций двигателей.
-
Оценить область применения, метода повышения точности ДПФ на основе интерполяции коэффициентов Фурье.
-
Оценить возможности предложенного метода выделения модулирующих составляющих на примере ряда дефектов типовых узлов ГТД.
Объектом исследования являются вибрационные процессы, генерируемые узлами ГТД при их функционировании.
Предметом исследования являются способы выделения модулирующих составляющих случайной вибрации, определения ширины дискретных составляющих вибрации двигателей, повышения точности ДПФ, экспериментальные данные и диагностические признаки дефектов узлов ГТД.
Методы исследования. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируется на экспериментальных данных и известных теоретических положениях технической диагностики, цифровой обработки сигналов, статистической радиотехники, теории колебаний.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработан метод выделения модулирующих составляющих широкополосной вибрации, не вносящий ограничений на информативный частотный диапазон;
разработана методика оценки текущего периода узкополосного процесса и на её основе получены данные по ширине дискретных составляющих спектра вибрации ГТД;
впервые показано влияние «шума» на эффективность метода интерполяции коэффициентов Фурье как способа повышения точности ДПФ;
выполнена экспериментальная оценка эффективности предложенного метода и на его основе получены диагностические признаки ряда дефектов узлов ГТД.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также исследованиями других авторов.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные поло-
жения позволили:
расширить частотный диапазон идентификации модулирующих составляющих вибрации ГТД с существенным увеличением выделенной интенсивности;
использовать полученные данные по ширине дискретных составляющих вибрации ГТД для выбора ширины фильтра при обработке, что повысило точность оценки их интенсивности;
определить область применения метода интерполяции коэффициентов Фурье как способа повышения точности ДПФ;
расширить возможности диагностики технического состояния ГТД за счёт использования разработанных диагностических признаков. .
Реализация полученных результатов. Разработанные в диссертационной работе методики внедрены в практику оценки вибрационного состояния двигателей, выпускаемых ОАО «Моторостроитель», и применяются для оптимизации объёма ремонтных работ на «БПО-Суходол».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, из них 8 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Лукачевских чтениях 1998, 1999 гг. в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ);
Всероссийской молодёжной "научной конференции «VII Королёвские чтения» (Самара, 2003 г.);
Студенческой научно-технической конференции СГАУ (Самара, 2003, 2004, 2005 гг.);
III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Самара, 2006 г.);
Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006,2009 гг.);
Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения» (Орёл, 2007 г.).
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка используемых источников и приложений. Материалы диссертации содержат 125 страниц текста, 79 рисунков, 7 таблиц, 4 приложения на 6 страницах. Список использованных источников содержит 139 наименований. Общий объём работы 131 страница.
