Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Задачи и методы эксплуатационного контроля - вибрации гидроагрегатов 11
1.1. Причины и последствия повышенной вибрации гидроагрегатов 11
1.2. Задачи и виды эксплуатационного контроля вибрации 14
1,3. Нормы и критерии оценки вибрационного состояния гидроагрегата 17
1.4. Средства измерения вибрации 28
1.5. Постановка задачи исследования 35
Глава 2. Исследование вибрационных признаков дефектов гидроагрегата и условий их обнаружения 40
2.1. Дефекты конструктивных узлов гидро агрегата и их вибрационные признаки 40
2.2. Условия эксплуатации и основные характеристики контролируемых узлов 46
2.3. Особенности вибрации вала и опорных конструкций 53
2.4. Требования к виброизмерительной аппаратуре с учетом условии эксплуатации и особенностей конструктивных узлов гидроагрегата 59
2.5. Анализ методов измерения низкочастотных колебаний и выбор расчетно-теоретических схем контроля вибрации стальных конструкций статора, опор и вала 63
Глава 3. Разработка метода и средств контроля вибрации стальных конструкций статора гидрогенератора и опорных конструкций 80
3.1. Повышение надежности измерения вибрациив эксплуатационных условиях 80
3.2. Аналитическое исследование метода измерения вибрации оборотных частот 87
3.3. Разработка и экспериментальное иссле дование виброметра для контроля вибра ции стальных конструкций статора и опор гидроагрегата 122
Глава 4. Разработка метода и средств контроля вибрации вала гидроагрегата 136
4.1. Исследование метода контроля абсолютной вибрации вала с низкой частотой вращения 136
4.2. Разработка виброметров для контроля колебаний вала гидроагрегата 148
Глава 5. Контроль вибрации гидроагрегатов, находя щихся в эксплуатации 154
5.1. Вибрационные исследования и испытания гидрогенераторов 154
5.2. Опыт стационарного контроля вибрационного состояния мощных гидроагрегатов 162
5.3. Перспективы развития вибрационного контроля и его аппаратурное обеспечение 165
Заключение 174
Список литературы 178
Приложение
- Задачи и виды эксплуатационного контроля вибрации
- Особенности вибрации вала и опорных конструкций
- Аналитическое исследование метода измерения вибрации оборотных частот
- Разработка виброметров для контроля колебаний вала гидроагрегата
Введение к работе
Принятые ХХУІ съездом КПСС "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и до 1990 года" и последующие постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР поставили ответственные задачи в развитии топливно-энергетического комплекса страны и выполнении Энергетической программы, решение которых требует повышения эффективности эксплуатации электростанций и энергетического оборудования.
В связи с увеличением установленной мощности ГЭС, возрастанием их роли в энергосистемах, усложнением конструкций гидроэнергетического оборудования особую актуальность приобретает повышение надежности и эффективности эксплуатации гидроагрегатов. Рост единичной мощности современных гидроагрегатов сопровождается снижением запасов прочности конструктивных узлов и увеличением вибрационных воздействий не только в экстремальных, но и в нормальных эксплуатационных режимах работы; надежность эксплуатации гидроагрегатов все в большей степени определяется виброустойчивостью конструктивных элементов. Поэтому своевременное установление ухудшения эксплуатационного состояния, выявление дефектов на ранней стадии их развития и предотвращение аварийной ситуации требует освоения систематического контроля уровня вибрации основных конструктивных узлов гидроагрегатов. Исследования, направленные на разработку методов и средств контроля вибрации мощных гидроагрегатов с целью повышения их эксплуатационной надежности, на современном этапе приобретают особую актуальность.
Настоящая работа проводилась в соответствии с целевой комплексной программой ПШТ при Совете Министров СССР - проблема 0.01.05, задание 09, этап 13а "Разработать приборы и системы КИА повышенной надежности для наблюдения за сооружениями и оборудованием ГЭС и ГАЭС" и задание 06, этап Н2 "Провести комплекс НИР по разработке системы эксплуатационной диагностики гидрогенераторов?
Создание эффективного контроля вибрационного состояния гидроагрегатов, находящихся в эксплуатации, требует исследования механических, электромагнитных и др. процессов, определяющих вибрационные характеристики агрегата. Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении проводились во ВНИИЭ, ВНИЙэлектромаш, НИС Гидропроекта, Союзтехэнерго и других организациях, что нашло свое отражение в работах И.А.Глебова, Л.Б.Да-нилевича, Л.Г.Мамиконянца, Г.Н.Тер-Газаряна, ВД.Цветкова, Ю.М.Элькинда, А.Е.Александрова, Г.А.Бесчастнова, Л.А.Владиславле-ва, В.М.Надточего, А.Б.Нецеевского, Ю.В.Петрова и др.ученых. Работы упомянутых авторов содержат также постановку задач эксплуатационного контроля, разработку алгоритмов диагностирования некоторых дефектов, методику вибрационных испытаний, однако в них не уделено достаточного внимания разработке методов систематического вибрационного контроля и обоснованию требований к его аппаратурному обеспечению.
Наибольшую информацию о вибрационном состоянии гидроагрегата дает измерение вибрации оборотной и полюсной частоты основных конструктивных узлов. Однако до настоящего времени измерение вибрации оборотных частот (в диапазоне частот от 0,8-1 Гц до 5-8 Гц) отличались недостаточной точностью и достоверностью в связи с отсутствием низкочастотной виброизмерительной аппаратуры, что ограничивало возможности оценки вибрационного состояния стальных конструкций статора, подпятников, подшипников, крестовин и других конструктивных узлов, а также препятствовало использованию вибрации оборотных частот в качестве диагностического признака целого ряда дефектов: асимметрии магнитного поля в воздушном зазоре генератора, небаланса ротора, нарушения геометрии вала, увеличения зазоров подшипников и т.д. Поэтому результаты ряда работ вышеупомянутых авторов не могли быть полностью реализованы.
Проблеме создания средств измерения низкочастотных колебаний посвящены работы большой группы специалистов: Л.А.Бибера, Р.В.Васильевой, Л .Д. Гика, Ю.И.Иориша, В.Д.Мазина, В.Н.Некурящева, В.И.Петровича, В.С.Урусова, М.М.Фетисова и др. - в области вибро метрии, В.Т.Архангельского, А.И.Ветчинкина, Д.П.Кирноса, А.В.Рыкова, Д.А.Харина - в сейсмометрии. За рубежом эту проблему исследовали C&aseE, H.W.Fischerj G.V.LQtham, S.H.button и др.
В работах упомянутых авторов рассмотрены способы продления рабочего диапазона преобразователей колебаний в область низких частот. В отдельных работах обоснована возможность получения нижней границы диапазона измерения виброперемещения на частоте I Гц, однако не исследована стабильность работы низкочастотных преобразователей в условиях значительных колебаний температуры и при длительной эксплуатации, т.е. в условиях стационарного контроля.
В других исследованиях, посвященных улучшению эксплуатационных характеристик преобразователей низкочастотных сейсмических колебаний, рассмотрены схемы стабилизации маятниковых сейсмоприемников при помощи следящих систем, но недостаточно освещены вопросы влияния структуры цепи стабилизации на частотные характеристики измерительной схемы.
Изучение упомянутых работ показало, что комплексная задача сочетания определенных метрологических и эксплуатационных характеристик средств измерения низкочастотной вибрации ставилась, как правило, без учета требований гидроэнергетики и до последнего времени не имела удовлетворяющего этим требованиям решения.
Настоящая работа посвящена исследованию гидроагрегатов как объекта контроля и диагностики; разработке методов контроля вибрационного состояния гидроагрегатов в соответствии со спецификой конструкции, вибрационных процессов и условий эксплуатации; разработке принципов построения и рекомендаций по конструированию низкочастотных устойчивых виброизмерительных схем; созданию аппаратуры для эксплуатационного контроля вибрации стальных конструкций статора генератора, опорных конструкций и вала гидроагрегата.
Представляемая работа состоит из пяти глав, введения, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе рассмотрен круг задач и виды эксплуатационного контроля гидроагрегатов, проанализированы существующие нормы и критерии оценки вибрационного состояния, проведен обзор средств измерения вибрации, выпускаемых промышленностью. На основании аналитического обзора методов и средств контроля сформулированы новые задачи исследований в области эксплуатационного контроля вибрационного состояния гидроагрегатов и его инструментального обеспечения.
Во второй главе изложены результаты аналитического исследования вибрационных признаков дефектов гидроагрегата и условий их обнаружения, проведенного с целью разработки более совершенных методов контроля вибрации и составления требований к средствам измерений. Исследована связь между изменением уровня вибрации оборотных частот и наличием ряда дефектов, подтверждающая необходимость расширения частотного диапазона контроля вибрации основных узлов гидроагрегата в область низких (оборотных) частот. Исследованы особенности вибрации вала и опорных узлов гидрогенератора, определяемые конструкцией и существованием различных возмущающих воздействий; показаны преимущества абсолютного метода из - 8 мерения колебаний вала и подшипников. На основе систематизации данных о характере, спектре, интенсивности вибрации и условиях эксплуатации основных конструктивных узлов составлены требования к аппаратуре для эксплуатационного контроля вибрации гидроагрегатов» С позиций выполнения этих требований проанализированы результаты известных теоретических исследований в области измерения низкочастотной вибрации и определены расчетно-теоретические структурные схемы измерения вибрации стальных конструкций статора, опорных узлов и вала гидроагрегата.
Третья глава посвящена разработке и исследованию метода и средств контроля вибрации стальных конструкций статора и опорных узлов гидроагрегата. Исследована расчетно-теоретическая схема измерения, построенная на основе использования структурного метода повышения точности и стабильности вибропреобразователей инерционного типа. Проведено теоретическое исследование условий устойчивости и частотных характеристик электромеханических систем третьего и четвертого порядков, полученных при охвате колебательной системы (вибропреобразователя) цепью частотнозависимой обрат-ной связи различной структуры и рассматриваемых как виброметр перемещений. Исследование выявило новые закономерности влияния структуры цепи обратной связи на характеристики колебательной системы и позволило решить комплексную задачу обеспечения необходимых метрологических и эксплуатационных показателей. По результатам теоретического исследования даны рекомендации по выбору структуры цепи обратной связи, методика определения и способы контроля основных параметров виброметра для контроля вибрации стальных конструкций статора и опорных узлов гидроагрегата при его эксплуатации. В главе приведены также данные экспериментальных исследований, подтверждающие основные положения и выводы теоретического исследования.
В четвертой главе рассмотрены особенности измерения абсолютных колебаний вала гидроагрегата. Теоретически исследованы условия и причины возникновения систематической погрешности измерения амплитуды абсолютных колебаний вала с низкой частотой вращения. Предложен способ уменьшения погрешности путем введения фазовой коррекции в схему измерения, получены аналитические выражения для определения погрешности и параметров корректирующей схемы. Разработана структурная схема измерения вибрации вала и подшипников.
В пятой главе приведены данные о результатах внедрения в эксплуатацию разработанных методов и средств контроля вибрации гидроагрегатов и рассмотрены перспективы развития этих методов и средств. Разработанная аппаратура, внедренная в эксплуатацию на крупнейших ГЭС и в ряде энергосистем, является первым базовым инструментом для осуществления эксплуатационного контроля и определения вибрационного состояния мощных гидроагрегатов и используется как при наблюдениях за уровнем вибрации, так и при вибрационных испытаниях. Изложены результаты некоторых из проведенных вибрационных испытаний головных и серийных образцов гидрогенераторов мощностью от 38,5 до 640 МВт, а также опытно-промышленной эксплуатации установки стационарного контроля вибрационного состояния гидроагрегатов УКВС-Г на Красноярской ГЭС. Для оценки объема инструментального обеспечения и степени сложности контроля вибрации проведен анализ данных о составе и характеристиках основного оборудования действующих и строящихся ГЭС. С учетом результатов этого анализа, а также опыта разработки и эксплуатации виброконтрольной аппаратуры рассмотрены перспективы развития систем вибрационного контроля и диагностирования состояния мощных гидроагрегатов.
В приложении приведены технические характеристики, структурные схемы и описание конструкции разработанной аппаратуры, а также акты ее внедрения К защите представляются:
1. Результаты исследования вибрационных характеристик и условий эксплуатации основных конструктивных узлов гидроагрегата
и их влияния на требования к средствам эксплуатационного контроля вибрации.
2. Метод контроля вибрации стальных конструкций статора и опорных узлов гидроагрегата, основанный на применении структурного способа повышения стабильности низкочастотного вибропреобразователя инерционного типа для обеспечения измерения вибрации оборотных частот,
3. Метод контроля абсолютных колебаний вала с низкой частотой вращения при одновременном измерении вибрации подшипника.
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния структуры цепи обратной связи на характеристики изме рительной колебательной системы.
5. Разработанные средства эксплуатационного контроля вибрации стальных конструкций статора генератора, опорных узлов и вала гидроагрегата»
Задачи и виды эксплуатационного контроля вибрации
Спецификой гидроэнергетики является разнообразие и малочисленность серий мощных гидроагрегатов, применение новых конструктивных решений в каждой следующей серии, уникальность большинства мощных гидротурбин и генераторов. Этот факт обуславливает необходимость тщательного наблюдения за работой мощных агрегатов, в частности, осуществления контроля вибрации их ответственных узлов не только в пусковых, но и в нормальных эксплуатационных режимах.
Контроль вибрационного состояния гидроагрегата позволяет своевременно обнаружить повышенную вибрацию шш тенденцию к повышению вибрации; определить характер, место и степень дефекта или повреждения; разработать или скорректировать мероприятия по устранению дефекта; уточнить сроки и объемы осмотров, испытаний и ремонтов, а также область применения различных режимов работы гидроагрегата. Информация, полученная в процессе измерения вибрации, служит также накоплению статистических данных для обоснования и уточнения норм вибрации, для оценок вибрационного и эксплуатационного состояния отдельных конструктивных узлов и разработки метода таких оценок для гидроагрегата в целом.
Большой объем теоретических и экспериментальных исследований, проводимых в течение ряда лет Всесоюзным научно-исследовательским институтом электроэнергетики (ВНЙИЭ), НИС "Гидропроект? ПО "Союзтехэнерго", ВНЙЙэлектромаш, ЛПЭО "Электросила" и другими организациями [28,56,65,77,83,90], позволил решить ряд задач, возникающих при становлении эксплуатационного контроля: систематизировать возмущающие воздействия, вызывающие вибрацию гидроагрегата; определить конструктивные узлы, подлежащие первоочередному контролю, и характерные дефекты, приводящие к увеличению интенсивности вибрации; выяснить спектр частот и амплитуд возникающей вибрации. Исследования последних лет [2,29,47,58,89] посвящены постановке задач диагностики эксплуатационного состояния гидроагрегатов, разработке общих принципов систем диагностирования, алгоритмов диагностирования некоторых дефектов конструктивных узлов, выявлению и классификации диагностических (в том числе и вибрационных) признаков наиболее распространенных дефектов.
Эксплуатационный контроль вибрационного состояния гидроагрегата осуществляется в виде вибрационных испытаний, наблюдений за уровнем вибрации и осмотров основных узлов.
Вибрационные испытания, в том числе определение механических характеристик конструктивных узлов, являются обязательной частью приемо-сдаточных, послеаварийных и других специальных видов испытаний агрегатов. Вибрационные испытания проводятся и в тех случаях, когда наблюдение выявляет высокий уровень вибрации или тенденцию к ее росту, т.е. когда возникает необходимость установления вида, места и степени развития повреждения или дефекта и его устранения. Вибрационные испытания в этих случаях проводятся при специальных режимах работы гидроагрегата в зависимости от поставленной задачи или вида предполагаемого дефекта.
Наблюдения за уровнем вибрации проводятся с целью определения одного из дискретных вибрационных состояний агрегата или узла и его оценки,исходя из принятых норм. Проверка и оценка должны осуществляться на основе результатов периодических или непрерывных измерений с помощью штатной аппаратуры значения нормативных параметров вибрации при нормированных (рабочих) режимах работы гидроагрегата. Однако к моменту постановки задач настоящей работы наблюдения проводились, в основном, в виде периодических измерений уровня вибрации опорных узлов и вала при помощи переносных механических индикаторов; отсутствие соответствующей аппаратуры не позволяло осуществить наблюдения в должном объеме и с достаточной точностью.
Осмотр является одним из видов эксплуатационного контроля, позволяющим качественно (иногда и количественно) характеризовать ряд дефектов. В некоторых случаях, например, при контроле состояния лобовых частей обмотки статора генератора, осмотр позволяет произвести предварительную оценку состояния узла. В большинстве случаев результаты осмотра используются как дополнительные дан ные при оценке вибрационного состояния узла по результатам измерения уровня его вибрации.
Основной цикл периодического контроля вибрационного состояния исправно работающего гидроагрегата принимается равным периоду между капитальными ремонтами, но не реже, чем один раз в пять лет [42,87]. В периоды приработки и износа агрегата контроль вибрации предлагается производить чаще. Более частый контроль с периодом в один год рекомендуется для мощных гидрогенераторов с непосредственным водяным охлаждением обмоток статора [89].
В настоящее время практикуется поузловой контроль, что определяется сложной структурой гидроагрегата как объекта исследования и отсутствием методики интегральной оценки состояния агрегата в целом. Поузловой контроль, хотя и требует большого объема измерительной аппаратуры, позволяет достаточно быстро и локально определять место и характер повреждения или дефекта,
Особенности вибрации вала и опорных конструкций
В последнее время при наблюдении за состоянием гидроагрегатов все шире применяется контроль вибрации вала. Вал в сравнении с другими конструктивными узлами гидроагрегата имеет наибольший уровень вибрации, поэтому результаты измерения дают широкие возможности для анализа и оценки вибрационного состояния агрегата.
Возмущающие силы различного происхождения, действующие в гидроагрегате при его работе (раздел I.I), вызывают динамический прогиб вала. Форма динамического прогиба определяется геометрией вала, расположением опор, распределением вращающихся масс, вели чиной, частотой и взаимным положением векторов возмущающих сил. На рис,2,3 показана форма динамического прогиба вала для упрощенной конструктивной схемы гидроагрегата с двумя опорами при воздействии возбуждающих сил на ротор генератора (например, при механическом или электромагнитном небалансе генератора,рис.2.3а) и на рабочее колесо турбины (гидравлические переменные силы, механический небаланс турбинного узла, рис.2.3б) при скорости вращения вала ниже критической. Случай совместного действия этих сил может быть получен линейной суперпозицией сил реакции в опорах с учетом пространственного расположения векторов. При дальнейшем приближении расчетной конструкции гидроагрегата к реальной форма динамического прогиба усложняется. Например, для гидроагрегата с четырьмя опорами при анализе поведения вала под воздействием только возмущения, приложенного к рабочему колесу турбины, получены формы вынужденных колебаний вала, представленные на рис.2.4. Расчет отклонений вала, выполненный для этого случая, дает максимальные значения +1,5 мм [І0ІІ. Эти отклонения представляют собой абсолютные перемещения вала в неподвижной системе координат.
Результатом отклонения вала в месте опоры и имеющейся динамической жесткости подшипника является динамическая реакция опоры; в приведенном примере сила реакции на верхних опорах может быть примерно равна возмущающей силе, на нижних опорах - превосходить ее в 1,6-3,4 раза. Эти величины могут достигать значений, угрожающих целостности подшипника и его крепления. Наряду с этим деформация валопровода вызывает изгибные и касательные напряжения его участков, что может привести к повреждениям мест соединения ступиц с валом и фланцевых соединений. Статистическая обработка результатов широкого контроля вибрации вала и опор гидроагрегатов, находящихся в промышленной эксплуатации, может определить допустимые динамические нагрузки в опорах и валопроводе.
Для измерения колебаний вала часто используют датчики относительных перемещений, устанавливаемые обычно на корпусе подшипника. Корпус подшипника, связанный с крестовиной, не является абсолютно неподвижной точкой отсчета, поэтому результат измерения отличается от значений истинных колебаний вала в пространстве. Этот результат также отличается и от колебаний вала относительно вкладыша или сегментов подшипника, поскольку между ними и корпусом тоже имеются относительные перемещения, как это следует из рис. 2,5. Измеряемые таким способом величины могут с достаточным приближением рассматриваться как абсолютные только тогда, когда абсолютные колебания точки закрепления датчика составляют менее 0,2 от колебаний вала [104]. Как показывают результаты широкого обследования, проведенного с участием автора, для современных гидроагрегатов это соотношение при измерениях на генераторных подшипниках составляет более 0,3, так что относительные колебания вала могут быть существенно меньше абсолютных. При определении абсолютных колебаний вала учет вибрации корпуса подшипника в виде слагаемого арифметической суммы не достаточен, поскольку в действительности оба слагаемых - относительная вибрация вала и абсолютная вибрация подшипника - являются векторными величинами.
Как показали исследования, особенно важно учитывать это обстоятельство при контроле вибрации и диагностировании состояния гидрогенераторов подвесного исполнения (рис.2.5). Здесь вибрация вала, вызванная механическим небалансом, передается верхнему генераторному подшипнику и несущей крестовине, в которой он установлен. Если помимо механического небаланса имеет место, например асимметрия магнитного поля в зазоре генератора, то вибрация статора, вызванная периодической составляющей электромагнитного возмущения, также передается несущей крестовине и связанному с ней подшипнику» Поэтому фазовое положение и модуль векторов вибрации крестовины и корпуса подшипника могут значительно изменяться с изменением режима эксплуатации генератора. При некоторых взаимных положениях векторов абсолютных колебаний вала и подшипника оценка вибрационного состояния агрегата или определение дефекта по результатам измерения относительной вибрации вала могут? оказаться ошибочными. На рис.2.6 в качестве характерного примера представлены полученные автором экспериментальные зависимости уровня вибрации сердечника статора, верхней несущей крестовины, корпуса верхнего генераторного подшипника и вала гидрогенератора подвесного исполнения в установившихся режимах холостого хода при различных уровнях возбуждения [39]. Значительный уровень вибрации вала и опорных узлов при холостом ходе без возбуждения ("WHOM показыва-ет наличие небаланса вращающихся масс агрегата; рост вибрации при увеличении тока возбуждения до номинального свидетельствует о наличии электромагнитного небаланса, а минимумы представленных зависимостей показывают, что при некотором уровне возбуждения электромагнитные силы имеют составляющие, частично уравновешивающие силы механического небаланса. Гидроагрегат оказался сбалансированным при возбуждении, меньшем номинального, однако характеристика относительной вибрации вала этого не показывает. Таким образом, для контроля вибрации вала предпочтительным является метод измерения абсолютной вибрации вала и его опор.
Аналитическое исследование метода измерения вибрации оборотных частот
В исследуемой схеме стабилизация низкочастотного ВП достигается введением частотнозависимой 00С, которая действует в области инфранизких и низких частот и, предположительно, может повлиять на динамические характеристики схемы измерения. В частности, это влияние может оказаться существенным в низкочастотной области частотных характеристик, которая является рабочей при измерении вибрации оборотных частот гидроагрегата и в которой инерционные ВП перемещения имеют максимальные частотные погрешности. Влияние цепи стабилизации на частотные характеристики рассматриваемой схемы измерения вибрации исследуются ниже.
Динамические характеристики схемы рис.3.2 как части измерительной системы выражаются ее передаточной функцией по отношению к виброперемещению х : - передаточная функция разомкнутого контура 00С.
Для упрощения анализа на данном этапе считаем, что измерительная цепь, состоящая из элементов Фв, К и П (рис.3.1), не вносит динамических погрешностей в результат измерения. В таком случае характеристики стабилизированной системы по схеме рис.3.1, определяются только передаточной функцией (3.13), которая зависит от передаточной функции частотнозависимого звена 4 (рис.3,2), определяемой его конкретной электрической схемой.
Практические схемы выделения постоянной составляющей сигнала представляют собой фильтры нижних частот первого или более высокого порядка.
В простейшем случае в качестве фильтра нижних частот первого порядка используется ЕС-цепочка на входе УНТ. В этом случае звено 4 структурной схемы имеет передаточную функцию
Чтобы фильтр не пропускал составляющие измеряемых частот сорА6 , должно выполняться неравенство
В соответствии с (3.8), (3.13) и (3.15) передаточная функция стабилизированной системы записывается выражением где Q k1kzk2 . Полученное уравнение показывает, что ВП с цепью 00С рассматриваемого вида является системой третьего порядка.
По критерию Гурвица [76], полученная система устойчива при положительных коэффициентах характеристического уравнения (что обеспечено) и выполнении условия которое ограничивает желательное увеличение показателя стабилизации в реальных схемах с конкретными параметрами. - -Для исследования влияния обратной связи на измерительные характеристики стабилизированной системы из (3.17) получим уравнения ее частотных характеристик: комплексной которое показывает, что в статике стабилизированная система ведет себя как более высокочастотная и более устойчивая, чем исходный ВП, колебательная система с собственной частотой ыоос_ Для области рабочих частот с учетом (3.16) можно упростить (3.20) и записать уравнение АЧХ стабилизированной системы в нормированной форме, в функции относительной частоты Я = со/сд0; стабилизации:
Уравнение (3.23) показывает, что в области рабочих частот форма АЧХ стабилизированной системы при заданном демпфировании ВП определяется величиной /V Задачей дальнейшего исследования является определение условий возможно большего продления линейного участка АЧХ в область низких частот, т.е. условий оптимизации АЧХ стабилизированной системы.
Сравнение (3.23) с уравнением АЧХ нестабилизированного ВП (3.3) показывает уменьшение эквивалентного демпфирования при введении стабилизации, определяемое величиной /У. Следовательно, чтобы не увеличивать неравномерность АЧХ, в данном случае можно использовать ВП только с достаточно большим демпфированием.
Как известно, неравномерность АЧХ ВП инерционного типа вблизи собственной частоты определяется относительным демпфированием и при имеющих место в реальных ВП значениях р =0,2 - 1,0 составляет от +150 до -50$ (рис.2.7в). Считаем оптимальной АЧХ, имеющую наинизшую из возможных границу линейного участка в пределах допустимой неравномерности; для ВП без обратной связи такой характеристикой является АЧХ при =0,6, имеющая 2Г І,2 в зоне неравномерности 6Л +5/5.
Для обеспечения оптимальных АЧХ стабилизированной системы необходимо вблизи собственной частоты ВП й»У получить эквивалентное демпфирование, близкое к оптимальному значению 0,6. Это возможно при выполнении условияоткуда следует, что уз 0,6. Условие (3.25) позволяет выбрать массив численных значений N для расчета АЧХ стабилизированной системы по формуле (3.20) с учетом (3.24).
Результаты проведенных расчетов иллюстрируют графики,представленные на рис.3.3. Исходные данные для расчетов и полученные минимальные значения нижних граничных частот Яг для допустимых погрешностей +5 и +10$ приведены в табл.3.I.
Полученные характеристики показывают расширение в область низких частот рабочего диапазона виброизмерительной колебательной системы при ее стабилизации. Наиболее низкие значения получены при уб =0,7 0,8 и //=0,4 0,6. Эти значения параметров можно считать оптимальными при использовании стабилизирующей 00С с фильтром нижних частот первого порядка.
С увеличением р выравнивание АЧХ требует увеличения значения /К, а нижняя граница рабочего диапазона стабилизированной системы располагается в области более высоких частот.
Графики рис.3.3 и данные табл.3.I позволяют определить границы допустимого изменения величины А/ при одновременном сохранении рабочего диапазона частот системы, т.е. определить необходимую стабильность коэффициента передачи цепи стабилизации. Исследование показало, что при постоянстве прочих параметров схемы необходимо поддерживать заданное значение коэффициента передачи К с точностью +10$, что практически осуществимо.
Разработка виброметров для контроля колебаний вала гидроагрегата
"Поворот" вектора относительной вибрации вала на положительный угол без изменения модуля вектора можно осуществить с помощью фазокорректирующих схем. На рис.4.5 изображены электрические схемы и векторная диаграмма напряжений простого фазового корректора - мостового фазовращателя, являющегося неминимально-фазовым звеном первого порядка [27]. При KI = 22 = Е и в идеаль-ных условиях, т.е. при питанш от источника с нулевым внутренним сопротивлением и ненагруженном выходе, комплексная частотная характеристика мостового фазовращателя имеет вид
Эти характеристики совпадают, если р =1 и RC=I/coo Для иных значений /з величина RC подбирается таким образом, чтобы в заданном диапазоне частот от со до со, характеристики были достаточно близки. Например, для и; должно выполняться неравенство позволяющее получить расхождение характеристик не более нескольких градусов. На рис.4.6 представлены ФЧХ ВП с относительным демпфированием у5=0,7 (график I) и ФЧХ мостового фазовращателя, рассчитанные для значений RC-i сд0 и RC = yD}7coo (графики 2 и 3 соответственно). Характеристики построены в функции нормированной частоты ? = х /со0 .
Для получения общей точки между входом и выходом фазового корректора удобнее использовать схему фазовращателя на транзисторе (рис.4.5б), имеющего те же характеристики, что и мостовой фазовращатель.
В соответствии с требованиями, сформулированными в гл.2, измерение абсолютной вибрации вала гидроагрегатов необходимо обеспечить в диапазоне оборотных частот с нижней границей порядка I Гц. Этим требованиям удовлетворяет низкочастотный стабилизированный ВП с интегро-дифференцирующей 00С (гл.З), который ис ч пользуется в качестве датчика вибрации подшипника в рассматриваемой схеме измерения абсолютной вибрации вала. Как было показано, АЧХ стабилизированного ВП линейна, начиная от частоты сог = =(0,8 - 1,0)OJ0 и выше, однако его ФЧХ в этом диапазоне частот практически совпадает с ФЧХ ВП без обратной связи. Поэтому использование стабилизированного ВП требует введения фазовой коррекции на условиях, рассмотренных выше.
В качестве датчика относительных колебаний вала может быть использован индуктивный, трансформаторный или вихретоковый преобразователь относительных перемещений при условии соответствия его характеристик требованиям второй группы (табл.2.7). С целью улучшения метрологических характеристик схем измерения относительной и абсолютной вибрации вала при участии автора разработан - -трансформаторный преобразователь [16], имеющий линейную амплитудную характеристику в диапазоне (20-2000) мкм.
Упрощенная структурная схема измерения абсолютной вибрации вала показана на рис.4.7. Сейсмический ВП и преобразователь относительной вибрации вала ПОВ устанавливаются на корпусе подшипника вала в непосредственной близости друг с другом. Их выходные сигналы подвергаются соответствующим преобразованиям согласно схемам, исследованным в главе 3 и разделе 4.1, и совместно или порознь подаются на вход суммирующего усилителя. При поочередном подключении каждого из сигналов измеряются раздельно абсолютная вибрация подшипника или относительная вибрация вала, при одновременном подключении - абсолютная вибрация вала.
Вопросы, связанные с разработкой и экспериментальным исследованием схемы измерения вибрации при помощи стабилизированного ВП, подробно рассмотрены в разделе 3.3. По изложенной методике определялись параметры и характеристики схемы измерения абсолютной вибрации подшипника и в данном случае.
Расчет основных параметров тракта измерения относительной вибрации производился известными инженерными методами при условии получения равной чувствительности с трактом измерения абсолютной вибрации подшипника, т.е. стабилизированного виброметра. Частотные характеристики последнего учитывались при расчете фазового корректора.
Выводы и результаты проведенных исследований использованы при разработке опытных образцов приборов для контроля вибрации вала гидроагрегата: прибора для измерения абсолютной и относительной вибрации (биения) вала ИБВ-І, виброметров для контроля относительной вибрации вала ИЕВ-2 (на 9 точек контроля) и ИЕВ-3 (на 20 точек контроля). Технические характеристики приборов при ведены в приложении. Приборы внедрены в опытно-промышленную эксплуатацию на Красноярской и Нурекской ГЭС,
Опыт разработки и эксплуатации упомянутых приборов использован при создании серийного виброметра для контроля относительных виброперемещений вала ВПВ-І [17], внесенного в Государственный реестр мер и измерительных приборов СССР. 1. Для обеспечения контроля вибрации вала гидроагрегатов исследованы особенности измерения колебаний вала с низкой частотой вращения. Показано, что измерение амплитуды абсолютных колебаний вала при помощи сейсмического вибропреобразователя имеет погрешность, обусловленную колебаниями сейсмической массы (или маятника) вибропреобразователя под воздействием вибрации его основания. Для низких частот вибрации, определяемых оборотной частотой гидроагрегата, погрешность составляет десятки процентов, а ее оценка возможна только при известных амплитудных и фазовых соотношениях векторов вибрации вала и подшипника и известной частоте вибрации. 2. Предложена усовершенствованная схема измерения абсолютных колебаний вала, исключающая неопределенность оценки погрешности. В схеме с суммированием сигналов преобразователей этот результат достигается при помощи фазового корректора, включенного в цепь сигнала преобразователя относительной вибрации вала и имеющего фазочастотную характеристику, близкую к фазочастотной характеристике сейсмического вибропреобразователя, 3. На основании результатов теоретического и экспериментального исследования разработаны и внедрены в эксплуатацию приборы для контроля вибрации вала гидроагрегата.
