Введение к работе
1.1. Актуальность.
Техническая диагностика в последнее время приобретает особую актуальность в связи с достижением предельных значений ресурсных параметров машин и оборудования. Для оценки технического состояния значительного числа промышленных объектов и оборудования успешно применяется вибродиагностика. В системах вибродиагностики применяются первичных вибропреобразователи, размещаемые как непосредственно на объекте, так и бесконтактно. В первом варианте, обычно, измеряется ускорение, а во втором - смещение. Эффективность диагностики в значительной степени определяется качеством первичной информации, определяемой как конструкцией первичных преобразователей, так и режимом их работы. Это определяет актуальность исследований, направленных на повышение эффективности систем вибродиагностики с использованием вихретоковых преобразователей для бесконтактного измерения смещений и пьезоэлектрических преобразователей, устанавливаемых непосредственно на объекте для измерения ускорений.
1.2. Состояние проблемы.
Промышленный выпуск пьезоэлектрических вибропреобразователей (ПВП) осуществляют за рубежом десятки фирм, среди которых наибольшую известность имеют Bruel & Kjear (Дания), Endevco (США), Kistler (Швейцария), РСВ Piezotronics (США), Vibrometer (Франция), ONO Sokki (Япония) и др.
Характеристики ПВП определяются выбором режима работы чувствительного элемента и конструктивно-компоновочной схемой. Совершенствование ПВП не может привести к созданию единой унифицированной модификации для большинства случаев возможного применения из-за противоречивости выдвигаемых требований. Наиболее востребованы следующие виды вибропреобразователей: малогабаритные, в том числе трёхкомпонентные, широкого применения, специальные, для жёстких условий эксплуатации, в том числе высокотемпературные. Конструкция вихретоковых преобразователей (ВТП) существенно проще пьезоэлектрических. Вместе с тем, электромагнитное взаимодействие ВТП с металлообъектами носит достаточно сложный характер. Это привело к тому, что в настоящее время недостаточно исследовано влияние кривизны поверхности контролируемых объектов, имеющих, в основном, цилиндрическую форму, а также вариации их электромагнитных свойств. Нет и четких рекомендаций по выбору типа ВТП, их размеров и схем включения применительно к задаче измерения смещений металлообъектов.
1.3. Цель работы н задачи исследования.
Цель данной работы — совершенствование пьезоэлектрических первичных преобразователей, оптимизация параметров и режима работы вихретоковых преобразователей для повышение эффективности вибродиагностики объектов промышленного назначения.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: исследовать влияние восприимчивости ПВП к неинформативным физическим параметрам и определить оптимальные значения основных параметров миниатюрных однокомпонентных и трёхкомпонентных преобразователей;
создать миниатюрные ПВП с необходимым производственно-технологическим и метрологическим обеспечением;
определить пути снижения погрешности ПВП для жёстких условий эксплуатации и разработать их конструкцию;
разработать ПВП, совмещенные с электронным блоком преобразования;
разработать математическую модель, адекватно описывающую взаимодействие ВТП с цилиндрическим объектом;
исследовать влияние кривизны поверхности и вариации электромагнитных свойств контролируемого объекта на выходные сигналы вихретокового преобразователя;
определить параметры ВТП и режимы работы, минимизирующие погрешность измерения смещения цилиндрических объектов;
разработать объективную методику оценки технического уровня малогабаритных вибропреобразователей, отражающую как их метрологические, так и эксплуатационные характеристики.
1.4. Методы исследования:
Для теоретических исследований взаимодействия ВТП с объектом цилиндрической формы и применялось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. Разработка и исследование ПВП проводились на основе аналитических методов расчета и путем экспериментальных исследований.
1.5. Научная новизна работы заключается в следующем:
Определены факторы с доминирующим влиянием на результат измерения ускорений малогабаритных объектов миниатюрными ПВП: соизмеримость масс преобразователя и объекта, неоднородность поля ускорений, деформация объекта, кабельный эффект. Проведено исследование этих факторов, определены пути уменьшения их влияния.
предложен новый способ настройки на минимальную поперечную чувствительность пьезоэлектрических преобразователей с режимом работы сжатие-растяжение, а также электрическая схема преобразователей с улучшенной защитой от электромагнитных полей.
предложен новый, более объективный метод оценки технической эффективности пьезоэлектрических преобразователей на базе анализа конструктивно-энергетических и эксплуатационно-метрологических характеристик, а также использования функции желательности Харрингтона для построения обобщённых показателей.
разработана модель взаимодействия ВТП с ферромагнитными цилиндрическими объектами, позволяющая установить новые закономерности при вариации кривизны поверхности и электромагнитных свойств объекта.
показано, что при соотношении радиусов объекта и радиуса ВТП 10 установлено, что для снижения погрешности измерения смещения валов ро- торных машин за счёт нелинейности градуировочной характеристики целесообразно проводить измерения в трёх диапазонах: до 8 мм, до 3 мм и до 1,3 мм. При этом диаметр преобразователя должен составлять, соответственно: 18...20 мм, 8... 10 мм и 4...6 мм. показано, что для получения высокой чувствительности ВТП и подавления дестабилизирующих факторов эффективен способ возбуждения затухающих колебаний в колебательном контуре с ВТП, путём импульсной подпитки контура от источника тока. 1.6. Практическая ценность работы заключается в том, что: разработаны миниатюрные широкодиапазонные однокомпонентные ПВП массой 0,14-0,7 г и объёмом 0,025-0,1 см3, а также трёхкомпонентные ПВП массой 4-5 г и объёмом 0,7-1,0 см3. Разработанные преобразователи прошли полный цикл отработки и испытаний. Отдельные модели преобразователей прошли сертификационные испытания и занесены в Государственный реестр средств измерений; разработаны миниатюрные однокомпонентные и трёхкомпонентные ПВП с электронным усилительным устройством, встроенным в соединитель (разъём), имеющие расширенный амплитудный и частотный диапазон, повышенную ударную прочность и пониженный уровень помех, воспринимаемых кабельной линией. разработаны широкодиапазонные ПВП, во взрывозащищённом исполнении, для жёстких условий эксплуатации с температурным режимом до +400С. ПВП прошли полный цикл испытаний и занесены в Государственный реестр средств измерений; разработаны ВТП для жёстких условий эксплуатации с температурным режимом в зоне контроля до +180С и давлением окружающей среды до 120 атм.; ВТП прошли полный цикл отработки и конструкторских испытаний; разработана методика оценки технического уровня ПВП для объективного сопоставительного анализа существующих и вновь создаваемых преобразователей. 1.7. Реализация и внедрение результатов работы: разработанные пьезоэлектрические и вихретоковые преобразователи внедрены на ряде предприятий в составе систем вибродиагностики; на основе выполненных исследований и разработок организован серийный выпуск на специализированном предприятии «ГЛОБАЛТЕСТ» (г. Саров) для систем вибродиагностики. 1.8. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на семинаре «Вибрационная техника» в Московском доме научно-технической пропаганды им. Ф.Э. Дзержинского (Москва, 1991г.), на международных НПК «Пьезотехника-96» (г. Барнаул, 1996 г.), «Пьезотехника-97» (г. Обнинск, 1997 г.), на 14-ой Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Москва, 1996 г.), на 4-ой и 5-ой Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г. Москва, 2005 и 2006 гг.), на НТС в МНПО «СПЕКТР», ОАО «ВТИ» и МГУПИ. 1.9. Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 2 без соавторов, 1 в журнале, признанном ВАК научным изданием, 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Список работ приведен в автореферате. 1.10. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, иллюстрируется 76 рисунками и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 111 наименований. 1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту. Годографы вносимых параметров ВТП при изменении зазора над цилиндрическим ферромагнитным объектом при вариации радиуса объекта, его магнитной проницаемости и режима контроля; Оценки влияния вариации кривизны поверхности и электромагнитных свойств ферромагнитных цилиндрических объектов на градуировочные характеристики ВТП при измерении смещений; Рекомендации по выбору параметров ВТП и соответствующих им диапазонов измерения зазора; конструкции новых малогабаритных ПВП с улучшенными метрологическими характеристиками; методика оценки технического уровня ПВП для объективного сопоставительного анализ существующих и вновь создаваемых преобразователейПохожие диссертации на Повышение эффективности вибродиагностики с использованием пьезоэлектрических и вихретоковых преобразователей
