Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и анализ существующих методов диагностики авиационных ГТД 15
1.1. Методы диагностики ГТД и их возможности 15
1.2. Анализ методов технической диагностики ГТД с позиций информативности 19
1.2.1. Тепловые методы и их эффективность 19
1.2.2. Возможности виброакустических методов оценки состояния ГТД 22
1.2.3. Эффективность трибодиагностики элементов ГТД... 29
1.2.4. Эффективность диагностики жидкостных систем двигателя 34
L2.5. Эффективность диагностики ГТД по термогазодинамическим параметрам , 35
1.2.6. Методы диагностики проточной части ГТД 38
1.3. Методы обобщенной оценки состояния технических систем 42
1.3Л. Методы сверток частных параметров контроля к обобщенному показателю 42
1.3.2. Методы обобщенной оценки состояния технических систем но информационному критерию 50
1.4. Требования к информационному критерию технического состояния ГТД.
Постановка задач 55
Выводы по 1-й главе диссертации 57
Глава 2. Теоретические и информационные аспекты технического диагноза ГТД 59
2.1. Основные философские воззрения теории информации 59
2.2. Основные информационные законы 67
2.2.1. Закон сохранения информации 67
2.2.2. Основной информационный закон формообразования и развития материи 68
2.2.3. Основной закон термодинамики в информационной трактовке 69
2.2.4. Принцип минимума диссипации... 71
2.3. Энтропия и диагностическая информация 72
2.3.1. Энтропия Больцмана-Гиббса-Шеннона в решении прикладных задач 72
2.3.2. Применение Н-теоремы для открытых систем 74
2.3.3. Динамическое и статическое описание сложных движений 74
2.4. Оценка значимости и ценности информации в практических задачах диагностики 75
2.5. Обоснование применения информационной энтропии К. Шеннона к решению поставленных задач 79
Выводы по 2-й главе диссертации 81
Глава 3. Применение теории классификации к решению задач вибродиагностики ГТД 82
3.1. Задачи постановки диагноза. 82
3.2. Множество возможных состояний ГТД ...91
3.3. Пространство диагностических сигналов 96
3.4. Классификация вибросостояний ГТД, их информативность 99
3.4.1. Роторная вибрация, ее связь с возможными отказами 101
3.4.2. Вибрация аэродинамического происхождения 102
3.4.3. Вибрация, возбуждаемая процессами в проточной части ГТД 103
3.4.4. Вибрации подшипниковых узлов 104
3.4.5. Вибрационные колебания лопаток и дисков 106
3.5. Метод экспертных оценок для ранней вибродиагностики ГТД .109
3.6. Методика нахождения «адреса» дефекта на основе оценки информации о вибрации 115
Выводы по 3-й главе диссертации 117
Глава 4. Принципы классификации авиационных ГТД при их диагностике 119
4.1. Параметрическая классификация объекта диагностики на примере двигателя ПС-90А 119
4.2. Определение оптимального состава диагностических признаков для узлов двигателя ГТС-90А, подверженных вибронагрузкам 124
4.2.1. Расчет интенсивности отказов ГТД ПС-90А 125
4.2.2. Оценка средней условной энтропии на промежутке наработки от 0 до 6000 часов 128
4.2.3. Результаты оценки количества и качества диагностической информации 136
4.3. Определение оптимального состава контролируемых параметров
двигателя Д-3 ОКУ 140
4.3.1. Расчет интенсивности отказов ГТД Д-3 ОКУ 141
4.3.2. Оценка средней условной энтропии на промежутке наработки от 0 до ЗОООчасов 145
4.3.3. Результаты оценки количества и качества диагностической
информации 152
Выводы по 4-й главе диссертации... 155
Глава 5. Рекомендации к использованию результатов исследования в практике эксплуатации 157
5.1. Система информационного обеспечения процессов диагностирования (СИОПД)ГТД 157
5.1.1.Назначение ицели системы 157
5.1.2. Общие требования, предъявляемые к системе 159
5.1.3. Требования к программному обеспечению системы 161
5.1.4. Реализация и совершенствование системы 162
5.2. Особенности анализа потока информации по результатам опробования ГТД 162
5.3. Метод постановки диагноза с использованием предлагаемых информационных критериев 164
5.4. Реализация методики постановки диагноза с учетом информационных критериев на примере авиационного ГТД ПС-90А 167
5.4.1. Формирование исходных матриц и определение начальной энтропии узлов и систем ГТД ПС-90А 167
5.4.2. Определение оптимального состава диагностических признаков функциональных систем и узлов авиадвигателя ПС-90А 184
5.5. Эффективность предложенной системы СИОПД ГТД 190
5.5.1. Рекомендуемые мероприятия по внедрению и совершенствованию системы СИОПД ГТД 190
5.5.2. Оценка трудозатрат на выполнение мероприятий по внедрению системы СИОПД ГТД 193
Выводы по 5-й главе диссертации 195
Заключение 196
Список использованных источников
- Анализ методов технической диагностики ГТД с позиций информативности
- Основной информационный закон формообразования и развития материи
- Классификация вибросостояний ГТД, их информативность
- Оценка средней условной энтропии на промежутке наработки от 0 до 6000 часов
Введение к работе
Актуальность и постановка задач
Важным приоритетным направлением в области повышения безопасности и регулярности полетов авиационной техники (AT) является совершенствование как структуры и логической организации эксплуатационно-технической диагностики, так и ее процессов, направленных на эффективность раннего обнаружения предотказных состояний высоконагруженных элементов летательных аппаратов (ЛА), составляющих основу методологии диагностики. Безопасность использования AT в значительной степени определяется надежностью, заложенной при проектировании и производстве, а также эффективностью методов и средств диагностики технического состояния AT, обеспечивающих своевременное обнаружение неисправностей и предотказных состояний, возникающих в процессе эксплуатации.
К 2010 году, по словам президента РФ, высокие технологии составят 5% ВВП, а это значит, что необходим «прорыв в сфере информационных технологий и создание техно-парковых зон, в создание которых планируется инвестировать порядка 18 млрд. рублей». Это впрямую относится к проблемам, стоящим перед отраслью гражданской авиации (ГА) в целом, и в области диагностики AT, в частности.
Планер, двигатель, функциональные системы AT подвержены непрерывным, качественным изменениям. Направление этих изменений предопределяется вторым законом термодинамики, который утверждает, что упорядоченные системы, а к ним относятся все технические устройства, имеют тенденцию самопроизвольно разрушаться со временем, т.е. утрачивать упорядоченность, заложенную в них при создании. Эта тенденция проявляется при совместном действии многочисленных дезорганизационных факторов, которые не могут быть учтены при проектировании и изготовлении AT, поэтому процессы изменения качества кажутся нерегулярными, случайными, а их последствия - неожиданными.
При переходе к эксплуатации AT по фактическому техническому
7 состоянию [86] необходимо найти путь, обеспечивающий высокою эффективность технического обслуживания (ТО). Таким путем является ранняя диагностика, позволяющая обнаружить неисправности AT с упреждением, в такой стадии их развития, которая допускает хоть и ограниченное, но безопасное продолжение эксплуатации. Это означает, что диагностика, совершенствуясь и развиваясь, должна перерастать в прогнозирование состояния AT.
Однако, как показывает практика, в эксплуатации зачастую трудно добиться «адресности» дефектов, в частности в такой сложной динамической многокомпонентной системе, которой является авиационный газотурбинный двигатель (ГТД). Накопленный опыт доказывает это. Известные методы инструментального контроля, математического моделирования предотказных состояний ГТД, методы полунатурных испытаний, факторного анализа и др., не дают желаемого эффекта.
Альтернативой здесь являются физические методы диагностики, к
которым относятся известные методы оптико-визуального контроля,
трибодиагностики, анализа продуктов сгорания, диагностика по
виброакустическим параметрам, по результатам контроля
термогазодинамических параметров и др. Здесь всегда возникает вопрос - при каком сочетании методов диагностики можно в короткие сроки «адресно» и достоверно предупредить отказ? Этот вопрос до настоящего времени всесторонне не раскрыт. И сейчас имеют место случаи необоснованного съема двигателей с эксплуатации или, что более опасно - пропуск дефектов из-за неправильно поставленного диагноза, как правило, связанных с погрешностями обработки диагностической информации или сбоя в процессе ее анализа (т.н. человеческий фактор). К тому же полностью до конца не раскрыт информационный потенциал контролируемых параметров, несущих важную информацию об объекте диагностирования. Здесь следует акцентировать внимание на термине «информационный потенциал», под которым понимается недоиспользованная возможность учета информационной значимости, как контролируемых параметров, так и методов диагностики, позволяющих более
8 точно определить состояние объекта, т.е. быстрее приблизиться к цели, «адресу» дефекта. Ранее такого рода задачи рассматривались в известных работах Волькенштейна М.В. [16], Пархоменко П.П. [69] и др. ученых. Однако применительно к конкретным, прикладным задачам диагностики ГТД они не решались.
Большой вклад в развитие методов постановки диагноза авиационных ГТД в России внесли работы, проведенные в ЦИАМ им. П.И.Баранова, ГосНИИ ГА, НИИЭРАТ ВВС, НПО «Сатурн», ОАО «Авиадвигатель», МГТУ ГА, ОАО «Аэрофлот - Российские авиалинии» и др. Анализ результатов исследований, выполненных в упомянутъгх организациях, показал, что угрожающие при своем развитии разрушением ГТД неисправности можно укрупнено разделить на три группы [58]:
а) неисправности, очень быстро (в течение долей секунды или нескольких
секунд) переходящие в аварию двигателя, или, что почти то же самое -
неисправности, слишком поздно обнаруживаемые с помощью доступных
средств диагностики. В эту группу входят, например, «раскрутка» вала
свободной турбины двигателя, возникновение отрицательного крутящего
момента на валу турбовинтовых двигателей, помпаж и т.п.;
б) неисправности, способные развиваться в аварию в течение нескольких
минут, а также неисправности, характер и темп развития которых нельзя
достоверно предсказать на основе достигнутого уровня знаний. Возникновение
подобных неисправностей должно сопровождаться немедленной выдачей
сигнала экипажу самолета (или персоналу испытательного стенда) для
привлечения внимания, оценки ситуации и принятия необходимых мер. С этой
целью двигатели снабжаются определенным набором аварийных сигнализаторов
(пожара, падения давления масла, появления «стружки» в масле и т. п.).
в) неисправности, развивающиеся относительно медленно или обнаруживаемые наличными диагностическими средствами на столь ранней стадии, что переход их в аварию в продолжение данного полета можно считать практически исключенным. Раннее обнаружение именно таких неисправностей и
9 составляет основу прогнозирования состояний двигателей.
Интервал времени от появления первого симптома неисправности до опасного ее развития является не столько физическим свойством конкретной неисправности, сколько мерилом уровня наших познаний о ее причинах, признаках и процессах развития. По мере накопления таких познаний и появления соответствующей аппаратуры перестали, например, считаться «внезапными» и стали прогнозируемыми некоторые виды разрушения зубчатых передач, подшипников и т. д. [68, 69].
Одна из практических задач исследований динамики развития неисправностей ГТД состоит в том, чтобы максимально сокращать число неисправностей первой и второй групп и постепенно «переводить» их в третью группу, расширяя, таким образом, возможности раннего диагностирования и долгосрочного прогнозирования состояния ГТД. Высокая степень упреждения диагноза не только повышает безопасность полетов, но и способствует существенному снижению эксплуатационных затрат, связанных с нарушением регулярности полетов, ремонтом ГТД.
Опыт эксплуатации ГТД показывает, что для правильной постановки диагноза необходимо на первом этапе заранее знать все возможные состояния ГТД, исходя из априорных статистических данных и вероятностей проявления ситуаций, а также массив диагностических признаков, реагирующих на эти состояния. Как уже отмечалось, процесс качественного изменения технических свойств авиационного ГТД происходит непрерывно, а это значит, что множество возможных его состояний бесконечно и даже несчетно; поэтому задача состоит в том, чтобы разбить множество состояний на конечное и небольшое число классов состояний. В каждом классе объединяются состояния, обладающие одинаковыми свойствами, выбранными в качестве признаков классификации. При этом статистическая база параметров, полученных перечисленными выше методами диагностики должна быть непредвзятой и реальной [76].
Не все параметры, которые могут быть использованы в диагностике, равноценны по содержательности сведений о функционирующем ГТД. Одни из
10 них приносят информацию сразу о многих свойствах работающих модулей двигателя, другие, напротив, крайне бедны. Безусловно, предпочтение следует отдавать диагностическим параметрам, носящим флуктуирующий характер, а не тем, которые постоянны или меняются очень медленно [8]. Например, шум ГТД и его вибрация по количеству привносимой информации имеют большое преимущество перед такими устойчивыми инертными сигналами, как температура охлаждающей жидкости, скорость вращения вала и др., хотя эти параметры так же, как шум и вибрация, зависят от состояния работающего ГТД. Поэтому, на втором этапе интересным представляется рассмотреть взаимосвязь диагностических параметров, их изменение и возможное влияние друг на друга, а также оценить значимость признаков разных функциональных параметров ГТД.
Известно, что теория постановки диагноза довольно хорошо описывается общей теорией связи, являющейся одним из разделов теории управления [10]. На службу диагностике можно поставить математический и логический аппараты, систему освоенных понятий и терминологию. Необходимо лишь найти физическую интерпретацию абстрактных формул и пути практического осуществления предписываемых ими подходов. Таким образом, на третьем этапе необходимо подтвердить, воспользовавшись известными принципами информационной теории, значимость диагностических признаков, и с учетом этого сформировать диагноз, а в дальнейшем осуществить прогноз предотказных состояний. Эта часть работы связана с наибольшими трудностями, т.к. авиационный двигатель является многопараметрической системой, но не все параметры одинаково существенны (информативны) в тех или иных конкретных условиях.
Актуальность выбранной проблемы подтверждается также тем фактом, что за рубежом разработки по оптимизации методов технической диагностики авиадвигателей [НО] осуществляются рядом ведущих авиационных фирм, например, крупнейшим концерном «Airbus Industry». Однако внедрение
11 иностранных разработок не всегда целесообразно по причине различной контролепригодности ГТД отечественного и иностранного производства.
Сегодня новая отечественная авиатехника вводится в эксплуатацию с трудом, едва ли не во время прохождения необходимых предварительных испытаний. Важно уже на первом этапе эксплуатации самолетов и авиадвигателей реализовывать современные подходы к диагностике, одним из которых является повышение достоверности диагноза авиационных ГТД на основе оптимального выбора (сочетания) методов диагностики с учетом информационного потенциала контролируемых параметров. Это и является главной целью диссертационной работы.
Учитывая прикладную направленность исследований, при изложении математических вопросов автор не стремился достигнуть той строгости, которая принята в специальной математической литературе, но не всегда уместна в технической монографии, и жертвовал ею, если это вело к упрощению физической интерпретации и к лучшему уяснению путей практической реализации результатов.
На сегодняшний день существует множество научных разработок, посвященных проблемам диагностики AT и в частности авиационным ГТД [13,25,36,37,46,57,72,84,112]. Большинство этих работ сводятся к узко поставленным задачам диагноза или к разработке отдельных методов и средств технической диагностики, что также весьма актуально и важно.
Надеюсь, что предлагаемые в работе подходы в формировании диагнозов с учетом ценности получаемой информации контролируемых параметров и недоиспользованного их информационного потенциала дополнят эти исследования и улучшат эффективность практики технической эксплуатации
гтд.
Научной новизной обладают следующие результаты, полученные в диссертации; в ней впервые:
1. Исследован и определен потенциал современных методов диагностики ГТД с позиций их информационной значимости.
2. Обоснованы принципы использования положений теории информации в
решении задач диагностики ГТД.
3. Разработаны методологические основы совершенствования
диагностирования ГТД с учетом информационной значимости контролируемых
параметров и диагностических признаков.
4. Разработаны новые принципы т.н. параметрической классификации на
примере анализа вибраций ГТД и введен критерий оценки динамики её
изменения.
5. Обоснован выбор обобщенного информационного критерия
эффективности диагноза ГТД, мерой значимости которого являются
энтропийные характеристики диагностируемых объектов и систем.
Разработан метод постановки диагноза ГТД с использованием предложенных информационных критериев,
Предложена система информационного обеспечения процессов диагностирования ГТД.
Достоверность результатов исследований подтверждается анализом физических явлений, корректным применением методов исследования и положительными результатами апробации предложенных разработок в ряде предприятий.
Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты позволяют:
- правильно классифицировать (группировать) параметры ГТД с целью установления объективных связей между системой состояний и системой диагностических признаков, а также осуществлять содержательное толкование проверок и формировать конечное количество «адресов» отказов;
сформировать рекомендации и создавать методики по совершенствованию диагностирования любых сложных технических систем с учетом предложенных информационных критериев;
реализовывать на практике рекомендации по нахождению «адреса» неисправных (предотказных) состояний ГТД с учетом максимальной
13 информативности методов диагностики, что в конечном итоге позволит повысить безопасность полетов, а также снизить трудоемкость и стоимостные затраты на обслуживание и ремонт ГТД;
- снизить необоснованный досрочный съем ГТД «с крыла».
Реализация и внедрение результатов работы. Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, использованы и внедрены в МГТУ ГА, ОМТУ ЦР ВТ, ФГУАП «Кавминводыавиа», НИИ Строительной Физики, что подтверждено соответствующими актами. Полученные результаты апробированы на практике. Они используются также в учебном процессе подготовки специалистов по технической эксплуатации ЛА и Д (дисциплины «Диагностика AT», «Диагностика и НК», курсовое и дипломное проектирование) по специальности 130300. По материалам диссертационной работы разработано и издано 7 учебных пособий, 1 монография, опубликовано 12 научных статей, в том числе в печатных изданиях, утвержденных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Новый подход к использованию ряда положений теории информации в
решении конкретных задач диагностики ГТД.
2. Методические основы новых принципов классификации ГТД и
рекомендации по выбору и подсчету критериев информативности, позволяющих
оптимально сочетать методы диагностики ГТД с целью определения «адреса»
предотказного или неисправного состояния.
3. Обоснование и метод количественной оценки обобщенного
информационного . критерия и его практического применения в задачах
формирования диагноза.
4. Метод постановки диагноза на основе оптимального выбора состава
контролируемых параметров ГТД с учетом информационных критериев.
З.Система информационного обеспечения процессов диагностирования авиационных ГТД.
Работа состоит из 5-ти глав.
В первой главе представлен обзор литературы и анализ современного состояния существующих подходов к диагностике авиационных ГТД, дается анализ применяемых на практике методов и средств диагностики авиадвигателей, сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена рассмотрению теоретических аспектов технического диагноза, исследованию информационных законов в контексте философской и технической точек зрения. Обосновываются возможности применения теории информации к решению задач диагностики авиационных ГТД. Научно обосновано применение информационной энтропии К.Шеннона к решению диссертационных задач.
В третьей главе рассматриваются, предложенные автором, принципы параметрической классификации технического состояния ГТД. Выведены математическая модель и критерий оценки динамики изменения параметров на примере вибрации ГТД. Приводятся результаты оценки вибрации с позиций нахождения «адреса» неисправности.
В четвертой главе представлены результаты применения принципов параметрической классификации для определения оптимального состава контролируемых параметров применительно к авиадвигателям ПС-90А и Д-ЗОКУ. Получены конкретные оценки информативности контролируемых параметров и диагностических признаков, указывающих на различные состояния авиационных ГТД, во взаимосвязи с наработкой. Сформированы рекомендации по использованию результатов исследования.
Пятая глава посвящена разработке системы информационного обеспечения процессов диагностирования ГТД и соответствующей методики при обслуживании авиадвигателей «по состоянию».
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедр «Двигатели летательных аппаратов» и «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей», а также лично - научному консультанту доктору технических наук, профессору Пивоварову В.А. за конструктивные предложения по формированию содержания и оформлению диссертации.
Анализ методов технической диагностики ГТД с позиций информативности
Одними из наиболее информативных методов оценки состояния ГТД являются методы контроля тепловых параметров [89, 111]. В настоящее время их использование в полете ограничивается контролем температуры в различных точках проточной части и сравнением ее с допустимыми значениями. Большее развитие тепловые методы нашли при стендовых испытаниях ГТД. Основным достоинством их является возможность получения информации без существенной разборки двигателя. При термометрировании рабочих лопаток турбины на них устанавливают термопары и общий то косъемник. Это влечет за собой неудобства для формирования диагноза вследствие ограниченного количества точек контроля.
Методы бесконтактного термометрирования обладают некоторыми преимуществами [72]. Объектами бесконтактной термометрической диагностики могут являться как двигатель в целом, так и отдельные его агрегаты и детали. Система контроля преобразует инфракрасное изображение в видимое так, чтобы распределение видимой яркости было пропорционально инфракрасной яркости объекта, т.е. пространственному распределению температуры T(y,z) или коэффициента излучения є (y,z). Это преобразование обычно осуществляют путем последовательного анализа различных точек объекта элементарным радиометрическим полем зрения, образующем на теле объекта площадь S . Мгновенное поле выбирают малым и быстро перемещают его по объекту. Распределение инфракрасной яркости L(y,z) объекта при сканировании его площадкой S формирует в приемнике сигнал S(t), амплитуда которого изменяется во времени в соответствии с изменением визируемой яркости. Сигнал S(t) после усиления преобразуется в видимый сигнал. Воспроизведение инфракрасного изображения путем строчного анализа позволяет получить тепловую карту наблюдаемой зоны (связь между теплообменом в среде и ее строением).
Одним из информативных методов обнаружения дефектов труднодоступных узлов ГТД является метод инфракрасной термографии [116]. Его разделяют на активный и пассивный методы. Активный предполагает предварительный нагрев объекта. Наблюдения тепловых явлений на поверхности в результате распространения тепла по материалу могут дать информацию о его внутренней структуре. Используемый при этом источник тепла служит для создания в материале термоудара, а приемная термографическая система анализирует рассеяние и распространение тепловых волн.
Ограничения сферы применения метода связаны с тем, что наблюдения могут проводиться только в переходном режиме, когда определяются относительные скорости распространения теплового потока внутри материала. По достижении температурного равновесия тепловые контрасты уже не наблюдаются. К тому же такие объекты, как ГТД имеют большую контролируемую поверхность, и осуществить их равномерный нагрев представляется затруднительным. Сложности в применении метода объясняются тем, что он зависит от большого числа параметров, которые должны быть учтены для каждого применения. К ним относятся: - коэффициент излучения испытуемого материала; - тип инфракрасного приемного устройства; - поле зрения и размещение приемного устройства; - скорость перемещения приемного устройства относительно объекта; - природа и интенсивность нагрева (с помощью обычных источников или лазеров); - фокусировка теплового потока; - расстояние между источником тепла и испытуемым объектом; - расстояние между источником тепла и инфракрасной приемной системой.
Существенным недостатком активного метода при оценке состояния ГТД можно считать возможность контроля только тех деталей, которые находятся на его поверхности (корпусе). Доступ к остальным деталям требует разборки двигателя.
Более широкими возможностями в этом отношении обладает пассивный метод. Он заключается в использовании естественного тепла, выделяющегося в процессе функционирования ГТД, и в наблюдении с помощью пассивного приемного инфракрасного устройства распределения температур во времени и в пространстве. Сравнение с идеальной моделью рассеяния тепла позволяет определить все отклонения температуры, важные для процесса функционирования объекта. Разность температур отдельных зон характеризует условия теплоотвода от них, и, тем, самым, физико-химический состав, толщину, структуру, наличие дефектов и т.д. Пассивный метод представляется более перспективным и может быть использован для определения наиболее информативных точек на поверхности двигателя с целью установки в этих зонах встроенной системы контроля (термодатчиков).
Тепловая диагностика предполагает использование широкого спектра дорогостоящих средств [ПО]. При визуальном контроле для параллельного съема информации используют электронно-оптические преобразователи эвапографы, эджеографы, приборы с жидкими кристаллами и фоточуствительными пленками, тепловизоры и т.п.
Несмотря на это, бесконтактная тепловая диагностика ГТД является весьма перспективной в силу высокой информативности. Важно, что разработанные средства диагностики [89] позволяют впрямую обнаруживать дефекты и прогнозировать их развитие в процессе испытаний ГТД. Существующие методы обработки инфракрасного термометрирования дают возможность прогнозировать конкретные неисправности.
Основной информационный закон формообразования и развития материи
«Информация сохраняет свое значение в неизменном виде пока остается в неизменном виде носитель информации — материальный объект» [45]. Закон сохранения информации - это, прежде всего, проявление одного из важнейших свойств информации - независимость информации от времени. Будучи нематериальной стороной материи, информация не может существовать сама по себе без материальной стороны. Однако имеет место распределение первичной и вторичной информации по шкале времени. Вторичная информация, как правило, преобладает с увеличением возраста объекта, но при этом сохраняется неизменность суммарной информации.
Это свойство обеспечивается под воздействием специальных физических сил. Физические силы - это основа современной физической науки. Именно с изучения сил и началось становление физики как науки. Основоположник физической науки И. Ньютон высказался по этому вопросу совершенно определенно: «Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления».
Все законы сохранения энергии и действующие в них силы жестко связаны с информационной стороной движения, но приоритет всегда отдавался энергетическому проявлению сил, а потому заслонялось главное - указанные силы действуют в интересах сохранения информации.
Интересно отметить, что еще в XVII веке Лейбниц назвал математическое выражение для измерения количества движения, сформулированное Ньютоном (p=mV)y «законом сохранения направления», или «законом сохранения движения вперед». То же самое можно сказать и о силе инерции: сила инерции сохраняет направленность равномерного и прямолинейного движения вещественных тел. Причем сохраняет не только скорость, но, прежде всего, направленность движения. Сила инерции - это сила сохранения информации.
В физике существует большое количество сил сохранения информации -одни сохраняют плоскость кругового движения, другие направленность оси гироскопа, третьи — форму и структуру вещественных тел, но все они рассматриваются разрознено, без понимания их общего предназначения и механизма действия. Рассмотрение действия различных сил — традиционная область научных интересов современной физики и те трудности, которые эта область испытывает сегодня, объясняются, прежде всего, непониманием информационной стороны действия этих сил, и незнанием информационных законов.
Закон сохранения информации - это многогранный и сложный закон, теория которого находится на стадии формирования. Но уже сегодня можно с уверенностью сказать: «Любая информация, во всех ее формах и структурах имеет силы сохранения, оберегающие ее существование» [11].
Этот закон логически вытекает из сущности информационного дуализма [44]. Появление любых новых материальных форм есть всегда результат энергоинформационного взаимодействия, но сама новая форма (структура) материи определяется только информационной стороной этого взаимодействия.
Выше показано, что любому человеческому труду предшествует создание вторичной информации, которая тоже создается на основании информации — человеческих знаний. Но в процессе самого труда в формообразовании участвует и контактное взаимодействие различных видов первичной информации.
Когда на прессе штампуется изделие определенной формы, то все понимают, что форма эта зависит не от мощности пресса, а от формы штампа. Конечно, получение формы под давлением во многом определяется твердостью, пластичностью используемого материала, его способностью сохранить заданную форму. Но это свойства не формы, а носителя этой формы, определяющие у него наличие «памяти» и параметров этой памяти. Носитель всегда материален и его материальные свойства определяют свойства памяти, но не информации. Сама же форма - не материальна.
Общая теория информации показывает, что информация не зависит от времени, но характеризуется пространством. Энергия не зависит от пространства, но характеризуется временем [91].
Например, любое физическое колебание - механическое или электромагнитное - имеет две независимые, но совместно действующие стороны: энергетическую, связанную со скоростью движения материи, которая характеризуется временем, и информационную, связанною с пространственным действием колебаний, пространственным размахом. Скорость движения механического маятника, как известно, при одинаковом периоде колебаний может быть различна и определяется энергией. А период колебаний механического маятника, как определил Ньютон, зависит только от длины маятника.
Классификация вибросостояний ГТД, их информативность
В известной теореме Котельникова [100] утверждается, что если рассматриваемый процесс имеет ограниченный спектр и частота его наиболее высокочастотной составляющей равна уъ то амплитудные значения процесса, отстоящие друг от друга на интервал, не меньший Дг = —, будут независимыми 2vk друг от друга. Таким образом, имея осциллограмму длиной Т, из нее можно Т извлечь п-— 2\кТ независимых параметров. Получаем прежний результат.
Следовательно, колебательный процесс можно рассматривать в качестве п-мерного вектора, составляющими которого являются или коэффициенты Фурье, если выполняется спектральное разложение сигнала, либо параметры, взятые через интервалы, не меньше величины Д/=—. Различным сигналам будет соответствовать различное положение вектора в пространстве сигнала. Близость двух сигналов может быть оценена или расстоянием между изображающими их точками или косинусом угла между векторами (3.3) Jc lJC"l + JC 2JCff2 + ... + х пХ"п COS )= , (3.3)
Вывод о возможности использования колебательного процесса в качестве многомерного диагностического сигнала, а также утверждение, что размерность сигнала определяется шириной его спектра и длиной реализации является одним из основных практических выводов данной теории.
Конкретизируем задачу диагноза на примере вибросостояний ГТД.
При рассмотрении перспектив классификации следует отметить, что множество возможных состояний ГТД ограничено, но из-за непрерывности бесконечно и даже несчетно. Однако практические задачи диагноза не формулируются так, чтобы в двигателе распознавалось каждое из бесконечного числа его возможных состояний. Основу классификации составляют практические требования к диагнозу. Различия в состояниях, принадлежащих одному классу, не учитываются, и события, произошедшие в ГТД и не приведшие к переходу состояния из одного класса в другой, не регистрируются диагностической аппаратурой. В связи с этим задача диагноза ограничивается определением класса, к которому принадлежит состояние исследуемого двигателя.
Как уже было отмечено в I главе, одним из наиболее информативных параметров, регистрируемых при эксплуатации и впрямую влияющих на техническое состояние ГТД, является обобщенный уровень вибрации и его компоненты виброскорость, вибросмещение, виброперегрузка.
К неисправностям ГТД, вызывающим изменение указанного диагностического параметра, относятся: обрыв частей и элементов ротора, нарушение соединений роторов, возникновение трещин в дисках, изнашивание деталей, трещины рабочих лопаток, разбандажирования лопаток, забоины, деформация неподвижных элементов ГВТ, разбалансировка роторов, износ лабиринтных уплотнений.
Информация о вибросостоянии двигателя может поступать либо с преобразователей вибрации, либо с микрофонов. Последний способ применяется в основном для диагностики ГТД по анализу шума. Несмотря на большую диагностическую ценность шумовых сигналов, практическое применение микрофонов в эксплуатации имеет такие недостатки, как необходимость специальной установки микрофонов, зависимость результатов диагностирования от их размещения, наличие помех от шума других двигателей и других воздушных судов [26].
Преобразователи вибраций можно устанавливать как на корпусах изделий, так и на опорах их ротора. На ГТД в настоящее время наиболее распространенным является установка вибропреобразователей в двух - четырех местах корпуса. Но в этом случае не всегда получается достоверная картина вибросостояния двигателя, особенно при упруго-демпферной подвеске опорротора. В этом отношении предпочтительнее устанавливать преобразователи непосредственно на опорах. Такой метод, однако, встречает затруднения, заключающиеся в тяжелых условиях работы преобразователя, ограниченности габаритов места установки, а также в трудности его замены при отказе. Все это заставляет предъявлять весьма жесткие требования к конструкции и надежности преобразователей, которые выполнены обычно на пьезоэлектрических элементах. Наиболее распространенными на двигателях предыдущих поколений были индукционные вибропреобразователи, устанавливаемые на корпус ГТД. Однако для современных двигателей целесообразно использовать пьезопреобразователи, обладающие не только малыми размерами и универсальностью в отношении мест установки по условиям работы, но и существенно большей полосой пропускания частот, что расширяет возможность вибродиагностики [73].
Вибрационные процессы, происходящие в двигателе можно разделить по типам вибраций, описываемым ниже.
Оценка средней условной энтропии на промежутке наработки от 0 до 6000 часов
Колебания лопаток рабочих колес вызываются окружной неравномерностью в проточной части двигателя, продольными пульсациями потока в тракте, вращающимся срывом, кинематическим возбуждением, передаваемым по конструкции двигателя. Возможны таюке автоколебания лопаток. Частота вынужденных колебаний лопаток пропорциональна частоте вращения ротора. Наиболее опасны резонансные колебания. Взаимодействие шумового характера вызывает обычно слабые колебания лопаток. Однако анализ спектра этих колебаний позволяет оценить амплитудно-частотную характеристику лопатки в рабочих условиях, что используют для диагностики при доводке двигателя. Методику такой оценки, предложенную И.В. Егоровым, рассмотрим на примере турбинных лопаток.
Использование случайного возбуждения, обусловленного турбулентным потоком и нерегулярными пульсациями в тракте двигателя, для исследований динамических свойств рабочих лопаток реально благодаря относительной простоте оценки случайного воздействия на лопатки, например, преобразователями пульсации давления, расположенными по окружности статора турбины [95].
Для диагностики разрушения дисков и обрыва лопаток используют изменения неуравновешенности ротора при развитии и появлении неисправности. При этом изменяются амплитуды вибрации двигателя с частотой вращения ротора , и гармоник п/р, где п = 2;3. Обрыв лопатки рабочего колеса может привести к амплитудной модуляции вибрации и шума с частотой следования лопаток этого рабочего колеса. Частота модуляции равна частоте вращения [38].
На основе анализа вибрации корпусных элементов двигателя можно оценивать интенсивность и характер воздействий, вызывающих колебания лопаток и дисков рабочих колес.
Для выделения вибрационных сигналов при диагностике резонансных колебаний дисков и лопаток следует применять следящие фильтры синхронно перестраивающиеся с изменением частоты вращения ротора.
Кроме рассмотренных динамических моделей ГТД необходимы модели входных и выходных сигналов, то есть вибрационных процессов.
На настоящий момент наиболее распространенным является описание вибрации с помощью гармонических форм колебаний. На установившихся режимах работы двигателя вибрацию представляют в виде гармонического или полигармонического (в частности, периодического) процесса с линейчатым спектром [115]: (0 = ЕЛ" sb(ftV- ,). (3.5) i=i
Таким образом, неисправность узла ГТД, даже в самой начальной стадии, влияет на общий спектр вибраций, изменяя его частотные и мощностные характеристики.
Применение анализаторов спектра последовательного и параллельного действий, способствующих дешифровке вибрационного сигнала, должно войти в практику отыскания причин неисправностей узлов авиадвигателей.
Ширина спектра вибраций определяется в основном частотой вращения ротора, которая в процессе работы не является строго постоянной, что в свою очередь приводит к искажению вибрационной картины и усложнению расшифровки спектра. Следовательно, необходимо или записывать вибродиагностический сигнал на режиме постоянной частоты вращения или учитывать ее изменения при расшифровке. Так реализуется способ, получивший название синхронного следящего анализа [50]. В нем используется двойное синхронное детектирование, при котором генерируемый опорный сигнал сдвигается на 90 относительно основного. Сигнал опорного генератора на прямую и через фазовращатель поступает на идентичное устройство для перемножения с основным сигналом. После прохождения усредняющих фильтров и квадраторов осуществляется суммирование сигналов. Усредняющий фильтр особо эффективен при превалировании уровня вибрационного шума над основным сигналом.
Формирование опорного сигнала может происходить от штатных преобразователей частоты вращения или от специальных датчиков регулирующих на прохождение одиночных отметчиков.
При применении описанного способа, помимо специальных исследований и внедрения его в ремонтных и эксплуатационных условиях, для анализа вибрационных сигналов необходимо использование аналого-цифровой системы.
Записанный на магнитную ленту сигнал после анализатора спектра оценивается цифровым вольтметром и уже в двоично-десятичном коде поступает как частотный код исследуемого вибрационного сигнала, от цифрового частотомера для оценки результатов анализа на микро-ЭВМ. Принципиальная схема вычислительной системы показана на рис. 3.3.
Экспериментально подтверждено, что на определенных режимах работы исправного двигателя спектр вибрации устойчив. Следовательно, метод спектрального анализа можно использовать для получения эталона вибрационных сигналов для двигателя каждого типа.
Для осуществления диагностики и контроля дефектов на стадии их возникновения и развития целесообразно использовать метод следящего спектрального анализа, который заключается в переходе от диагностирования по амплитуде виброскорости к диагностированию по отношению изменения виброскорости к частоте вращения ротора [107]. Данный метод, основанный на приведенной выше зависимости (3.5), позволяет выделять из общего спектра вибраций двигателя спектр конкретного вида вибрации, связанного с тем или иным видом отказа.
Похожие диссертации на Диагностика авиационных газотурбинных двигателей с использованием информационного потенциала контролируемых параметров
