Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса исследования 12
1.1. Роль и задачи виброметрии ДВС 12
1.2. Классификация методов измерения параметров вибрации
1.2.1. Контактные методы измерения вибрации 13
1.2.2. Бесконтактные методы лазерной виброметрии
1.3. Исследовательские приборы и системы на основе контактных датчиков вибрации 22
1.4. Недостатки контактных датчиков вибрации 30
1.5. Лазерные доплеровские виброметры 31
1.6. Объекты исследования
1.6.1. Корпус турбины турбокомпрессора газового двигателя 39
1.6.2. Дозатор газа электромагнитный газового двигателя 44
1.6.3. Газовый двигатель 48
1.7. Выводы 49
2. Теоретические исследования по определению информативных частот собственных колебаний деталей газового двигателя, связанных с определенными видами дефектов 52
2.1. Методы расчета частот собственных колебаний изделий сложной формы 52
2.2. Расчет частот собственных колебаний дефектных и бездефектных корпусов турбин ТКР газового двигателя в программном комплексе ANSYS Workbench 56
2.3. Выводы 53
3. Приборно-измерительный комплекс для контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмовгазового двигателя 64
3.1. Лазерный виброметр LV-2 з
3.2. Оценка погрешности результатов измерений 70
3.3. Описание программного обеспечения для анализа вибрационных сигналов
3.3.1. Принцип отбраковки изделий 77
3.3.2. Структура разработанного программного обеспечения
3.3.2.1. Подпрограмма «Контроль» 81
3.3.2.2. Подпрограмма формирования эталонных спектров 83
3.3.2.3. Подпрограмма сравнения спектров с эталоном 87
3.4. Выводы 88
4. Экспериментальные исследования состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя 90
4.1. Цель экспериментальных исследований 90
4.2. Требования безопасности при проведении измерений 90
4.3. Оценка возможности применения контактных датчиков для контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя 91
4.4. Определение оптимального расстояния установки лазерного виброметра
до объекта контроля 100
4.5. Оценка повторяемости экспериментальных данных 105
4.6. Контроль состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя 107
4.6.1. Контроль состояния корпусов турбин ТКР газового двигателя 107
4.6.2. Контроль состояния дозатора газа электромагнитного газового
двигателя 113
4.6.3. Контроль состояния газового двигателя 118
4.7. Выводы 124
5. Методика контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя 126
5.1. Методика контроля состояния корпуса турбины ТКР газового двигателя 126
5.1.1. Методика подготовки и проведения измерений 126
5.1.2. Методика анализа результатов измерений 129
5.2. Методика контроля состояния ДГЭ газового двигателя
5.2.1. Методика подготовки и проведения измерений
5.2.2. Методика анализа результатов измерений
5.3. Методика контроля состояния газового двигателя
5.3.1. Методика подготовки и проведения измерений
5.3.2. Методика анализа результатов измерений
5.3. Выводы
Заключение
Список работ автора, отражающих
Содержание диссертации
Список литературы
- Бесконтактные методы лазерной виброметрии
- Расчет частот собственных колебаний дефектных и бездефектных корпусов турбин ТКР газового двигателя в программном комплексе ANSYS Workbench
- Принцип отбраковки изделий
- Оценка возможности применения контактных датчиков для контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя
Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы. Одним из наиболее ответственных механизмов автомобиля, определяющих его работоспособность, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Контроль технического состояния ДВС является важным путем повышения качества продукции (деталей, узлов и механизмов) и снижения эксплуатационных расходов. Современные методы контроля состояния ДВС позволяют своевременно определять дефект на ранней стадии его зарождения, прогнозировать его развитие, а также определять объем технического обслуживания или ремонта. Среди множества существующих методов контроля состояния наиболее объективным и чувствительным к дефектам, позволяющим применять компьютерные технологии, является вибрационный метод.
Вибрационные характеристики содержат достаточно большую информацию о техническом состоянии двигателя, его узлов, деталей и механизмов. В то же время существующие методы вибрационного контроля требуют доработки и совершенствования. Разработка и совершенствование методов вибрационного контроля для определения состояния деталей, работающих узлов и механизмов ДВС является актуальной задачей.
Решению задачи совершенствования методов вибрационного контроля посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов, таких как А.В. Барков, Н.А. Баркова, Ю.В. Ваньков, О.В. Владимиров, А.В. Волков, В.А. Гаврилов, И.В. Ившин, В.Н. Костюков, А.В. Озеров, П. Боджер, Р. Брейсуэл, Д. Брэдли.
В данных работах контроль состояния объектов сложной формы производится по анализу спектров в диапазоне частот от 0 до 20 кГц, их сравнению с эталонным спектром, построенным в том же диапазоне частот. Однако проведенные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что дефекты оказывают влияние на собственные частоты колебаний изделия в определенном, более узком диапазоне частот. Анализ спектров во всем исследуемом диапазоне частот снижает вероятность обнаружение дефекта, что можно видеть при анализе информативных параметров, характеризующих состояние объектов контроля.
По мере развития дефекта изменяется степень его влияния на собственные колебания изделия, причем только существенные дефекты могут повлиять на изменение большинства мод собственных колебаний, и это можно будет определить по спектру сигнала, построенному во всем диапазоне исследуемых частот.
В этой связи необходимо разработать способ вибрационного контроля изделий, основанный на анализе тех частот колебаний, которые наиболее чувствительны к изменению состояния изделия, наличию дефекта.
Повышенные требования к точности, информативности, чувствительности измерений, возможности измерений в сложных условиях, накладывают определенные требования к вибрационным датчикам.
Указанным требованиям в большей мере отвечает новый класс датчиков, основанных на применении бесконтактных доплеровских лазерных методов, которые позволяют:
бесконтактно измерять параметры вибраций на значительных расстояниях в различных точках изделия в опасной для персонала зоне, работать с объектами повышенной опасности.
проводить измерения в труднодоступных местах, измерять параметры вибрации объектов сложной формы, высокотемпературных объектов без предварительной подготовки поверхности объекта;
получать высокое соотношение сигнал/шум.
Бесконтактные методы виброметрии являются наиболее точными по сравнению с другими методами измерения. Лазерные виброметры являются образцовыми измерителями и применяются при метрологической аттестации виброизмерительной и виброиспытательной аппаратуры.
Объект исследования: детали, узлы и механизмы газового двигателя.
Предмет исследования: информативные частотные диапазоны амплитудного спектра, характеризующие наличие дефектов в деталях, узлах и механизмах газового двигателя.
Целью работы является усовершенствование существующего способа вибрационного контроля деталей, работающих узлов и механизмов газовых двигателей за счет применения бесконтактных методов лазерной виброметрии на основе анализа информативных частот амплитудного спектра свободных и вынужденных колебаний, а также создание приборно-измерительного комплекса контроля, реализующего усовершенствованный способ.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.
-
Провести теоретические исследования по определению информативных частот собственных колебаний деталей газового двигателя, связанных с определенными видами дефектов.
-
Усовершенствовать способ бесконтактного вибрационного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя на основе использования информативных частот собственных колебаний, связанных с определенными видами дефектов.
-
Разработать и создать новый приборно-измерительный комплекс для реализации усовершенствованного способа бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя с использованием бесконтактных методов лазерной виброметрии.
-
Разработать программное обеспечение, позволяющее реализовать усовершенствованный способ бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя.
-
Провести экспериментальные исследования параметров собственных колебаний деталей и вынужденных колебаний работающих узлов и механизмов газового двигателя.
-
Разработать методику контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя по параметрам вибрации с использованием усовершенствованного способа бесконтактного контроля.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
По результатам компьютерного конечноэлементного моделирования свободных колебаний дефектов корпусов турбин турбокомпрессора (ТКР) усовершенствован способ бесконтактного вибрационного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя, основанный на анализе информативных частот амплитудного спектра собственных колебаний, связанных с определенными видами дефектов.
-
Разработан новый приборно-измерительный комплекс, позволяющий реализовать усовершенствованный способ бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя с использованием методов лазерной виброметрии.
-
Разработано программное обеспечение, позволяющее реализовать усовершенствованный способ бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя.
-
Разработана методика контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя по параметрам вибрации с использованием усовершенствованного способа бесконтактного контроля.
Теоретическая значимость. Разработана и проанализирована конечно-элементная модель корпуса турбины ТКР газового двигателя, позволяющая определять информативные частоты собственных колебаний детали для контроля ее состояния. Разработанная методика анализа результатов конечноэле-ментного моделирования дефектных и бездефектных изделий сложной формы позволяет определять информативные частоты собственных колебаний, характеризующих наличие дефекта в объекте контроля.
Практическая значимость. Приборно-измерительный комплекс и программное обеспечение носят унифицированный характер и могут быть использованы для контроля состояния любых деталей сложной формы, а также работающих узлов, машин и механизмов. Разработанная методика позволяет контролировать состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя по параметрам вибрации.
Методология и методы диссертационного исследования определялись характером поставленных задач и базировались на основах виброакустической диагностики машинного оборудования. Для решения поставленных задач использованы методы тестовой и функциональной диагностики.
На защиту выносятся:
-
Усовершенствованный способ бесконтактного вибрационного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя, основанный на анализе информативных частот амплитудного спектра собственных колебаний, связанных с определенными видами дефектов.
-
Новый приборно-измерительный комплекс, позволяющий реализовать усовершенствованный способ бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя.
-
Новое программное обеспечение, позволяющее реализовать усовершенствованной способ бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя.
4. Методика контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя по параметрам вибрации с использованием усовершенствованного способа бесконтактного контроля.
Обоснованность и достоверность выводов и результатов
Достоверность и обоснованность теоретических результатов и выводов диссертации подтверждается применением общепринятых методов для расчетов параметров колебаний конструкций. Теоретические результаты согласуются с действующими экспериментальными данными. Достоверность новых экспериментальных данных, полученных при исследовании дефектных и бездефектных изделий, обеспечивается применением аттестованных измерительных средств и апробированных экспериментальных методик, а также воспроизводимостью результатов измерений.
Реализация результатов работы представлена в рамках выполнения научно-исследовательской работы по постановлению правительства № 218 от 9 апреля 2010 г. по теме «Разработка системы виброакустической диагностики для экспресс-контроля деталей перспективного газового двигателя» в рамках проекта «Создание семейства двигателей КАМАЗ на альтернативных видах топлива с диапазоном мощностей 300...400 л.с. и потенциалом выполнения перспективных экологических требований» для ПАО «КАМАЗ» и КНИТУ-КАИ (2013–2015 г). Имеется акт об использовании научных исследований в отделе испытаний двигателей НТЦ ПАО «КАМАЗ» и акт о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс.
Апробация работы
Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», 2014 г., Казань, ООО «Ремарк»; IX международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», 2014 г. Казань, КГЭУ; X, XI международных научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия», 2015, 2016 гг., г. Иваново, ИГЭУ; международном научном форуме молодых ученых «Наука будущего – наука молодых», 2015, г. Севастополь.
Результаты научно-исследовательской работы на тему «Разработка системы виброакустической диагностики для экспресс-контроля деталей перспективного газового двигателя» докладывались на шести инженерно-технических семинарах ПАО «КАМАЗ» в 2013, 2014, 2015 гг. и научно-технической конференции в КНИТУ-КАИ в 2015 г. в рамках проекта «Создание семейства двигателей КАМАЗ на альтернативных видах топлива с диапазоном мощностей 300...400 л.с. и потенциалом выполнения перспективных экологических требований».
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 15 научных работ, из них 1 статья в рецензируемом научном издании, индексируемом в международной базе данных SCOPUS, 5 статей в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК (из них 4 в изданиях, входящих в перечень ВАК по специальности диссертации), 1 патент на полезную модель, 1
свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, 2 статьи в изданиях, включенных в РИНЦ, 5 материалов докладов на международных и всероссийских научных конференциях. Список основных публикаций автора приведен в конце автореферата, полный список – в диссертации.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» по пунктам паспорта 1 – «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», 3 – «Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами», 6 – «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля».
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 111 наименований, и 4 приложений. Содержит 181 страницу машинописного текста, проиллюстрированного 72 рисунками и 10 таблицами.
Бесконтактные методы лазерной виброметрии
Среди задач вибрационного мониторинга и диагностики встречаются и такие, решение которых требует проведения специальных исследований, для которых может не хватать возможностей типовых анализирующих приборов.
Поэтому ряд приборостроительных фирм выпускает технические средства для расширенного анализа сигналов, которые предусматривают предварительную запись этих сигналов в память прибора с последующим его многократным анализом различными методами.
Отличительными особенностями исследовательских приборов и систем являются: - возможности запоминать значительные массивы информации, включая измеряемые сигналы, без потерь и искажений данных; - многоканальности, поддерживая параллельную запись и анализ сигналов с выхода измерительных преобразователей различных физических процессов; - возможности проводить большинство существующих видов анализа сигналов. При проведении диагностирования вращающегося оборудования по параметрам вибрации, прежде всего, необходимо получать достоверные измерения вибрационных сигналов в контрольных точках. Для этого нужно, помимо соблюдения правил установки датчиков, использовать приборы-спектроанализаторы, которые отвечают определенным требованиям. На сегодняшний день наиболее известными и широко представленными на рынке сборщиками-спектроанализаторами вибрационной информации, из изготавливаемых в РФ, являются: «ПР-200А» (НТЦ «Приз», г. Москва), «Кварц» и «Топаз» (ООО «Диамех», г. Москва), «СК-2300» (ИТЦ «Оргтехдиагностика», г. Москва), «СД-11» (АО «ВАСТ», г. Санкт-Петербург), «СМ-3001» и «ДСА-2001» (ООО «Инкотес», г. Нижний Новгород), «Диана-2» и «Атлант-8» (ПВФ «ВиброЦентр» г. Пермь) [66].
Все названные приборы представляют собой сложные программно-аппаратные комплексы, основанные на микропроцессорных модулях. Благодаря работе с микропроцессорами появилась возможность реализации широкого спектра вычислительных и измерительных возможностей при довольно компактных размерах устройства, с проведением анализа сигналов вибрации разных видов, расчетом дополнительных параметров вибрационных характеристик (пик-фактор, СКЗ и др.). Тем не менее, только часть из перечисленных сборщиков спектроанализаторов отвечает всем основным требованиям, предъявляемым при проведении вибродиагностики. Другие устройства обладают необходимыми возможностями лишь частично.
Виброанализатор «Диана-2» («Диана-2М») (рисунок 1.7) является удобным в работе, компактным прибором, позволяющим регистрировать вибрационные сигналы по 2 каналам синхронно, а по третьему каналу возможно одновременно осуществление регистрации сигнала с отметчика фазы. Максимальное частотное разрешение по спектрам составляет восемьсот линий. Подобное разрешение недостаточно для определения ряда дефектов электромагнитной системы электрических машин.
«Диана-2М» не производит измерение огибающих спектров. Благодаря этому снижается вероятность устройства обнаруживать дефектные подшипники, тем более выявлять конкретные виды неисправностей. Кроме того, при диагностике машин с мультипликаторами частоты 10 кГц бывает недостаточно. Рисунок 1.7 – Виброанализатор «Диана-2М»
Преимущество виброанализатора СМ-3001 (рисунок 1.8) в сравнении с «Дианой-2» заключается во взрывозащитном исполнении по классу lExibIIAT4, с одновременным измерением вибрации по трем каналам (синхронно по двум каналам, по третьему каналу последовательно с ними). Возможно измерение ПИК-ПИК, СКЗ, спектра огибающей в полосах 3, 6 и 12 кГц. В виброанализаторе СМ-3001 отсутствует графический дисплей. Таким образом, нельзя в рамках измерений наблюдать за качеством спектральных данных, вид которых представляет собой один из критериев точной установки датчиков.
«Атлант-8» (рисунок 1.9) – это восьмиканальный синхронный регистратор анализатор вибросигналов, состоящий из ноутбука и измерительного блока. Благодаря применению ноутбука удалось добиться значительного повышения ряда характеристик сборщиков в виде количества подключаемых каналов (для разновидности прибора «Атлант-8М предусмотрены 16 входных каналов с
Синхронный анализатор вибросигналов «Атлант-8» последовательным опросом) и внутреннего объема памяти. Но при этом характерен и ряд ограничений по условиям эксплуатации. К примеру, при работе в условиях запыленных помещений попадание пыли может приводить к выходу клавиатуры из строя. Частотный диапазон используемых с анализатором датчиков составляет от 5 до 5000 Гц. Нижний предел частотного диапазона 5 Гц, как в этом случае, не позволяет прибору полноценно обследовать тихоходные машины, когда частоты вращения валов составляют несколько Герц или доли Герц (в частности, в бумажной промышленности). Также возможности диагностики быстроходных машин снижаются значением границы верхнего частотного диапазона 5000 Гц. ДСА-2001 (рисунок 1.10) – анализатор сигнала двухканальный, также состоящий на базе ноутбука. Достоинством данного комплекса, по сравнению с «Атлант-8» является взрывозащищенное исполнение и возможность одновременного измерения по 2 каналам. Недостаток заключается в ограничении частотного диапазона снизу 10 Гц и сверху 10 кГц. Как и при работе с «Атлантом 8», это не позволяет осуществлять обследование быстроходных и низкооборотных машин на достаточном уровне [80].
Расчет частот собственных колебаний дефектных и бездефектных корпусов турбин ТКР газового двигателя в программном комплексе ANSYS Workbench
Для фототока, с учетом (1.12) и (1.9) выражение можно записать в следующем виде: i(t) = 2eycos — Sn cos 2V + A6 A (1.13) где A6 - начальная разность фаз между опорным и рассеянным излучением в приемной плоскости фотоприемника, обусловленная разностью хода пучков, a S0 = S0 cos/З - проекция вектора амплитуды колебаний на вектор чувствительности лазерного виброметра. Электрический сигнал на выходе фотоприемника является периодической функцией, которая может быть представлена следующим образом[28]: 4 c x s У2и( )cos277tf 0r-2sin(A6 ) s 2»+i( )sm(2fi + l)G 0f и=11 Л и=0 /I где Jw - функция Бесселя первого рода «-то порядка. Следует из (1.14) - выходной сигнал фотоприемника является частотно-модулированными колебаниями с нулевой несущей частотой и отклонением частоты пропорциональным 4я5 0 / Я. Спектр 1(a) этого сигнала, являющийся Фурье-преобразованием i(t) , содержит основную частоту вибрации а{) и ее гармоники: 1(a) = 2eyr0Es{J0( Цд((о) + 2(cos6 ) z J2+n( )S(eo - 2ш) я я г (115) 2(sin в) Z J2n+l ( )S[CD - (2п + \)щ } где(ш) - дельта-функция Дирака [20], которая определяется как: S(co) = l,приco = 0 0,присоФ0 Спектр, полученный в (1.15), соответствует спектру частотно модулированной волны, он составлен из равномерно расположенных пиков. Частота вибрации определяется по расстоянию между двумя соседними пиками.
На рисунке 1.16 приводится типичный спектр, который экспериментально зарегистрирован в одной из первых работ в сфере исследования гармонических объектов с применением доплеровского вибродатчика. Рисунок 1.16 - Осциллограмма спектра колебаний, зарегистрированная доплеровским вибродатчиком Расстояние между любыми двумя пиками на осциллограмме составляет 5 кГц и совпадает с частотой, на которой возбуждались колебания объекта (сравни с шагом сетки по горизонтали, также равным 5 кГц).
Чтобы измерить не только частоту вибраций, но также их амплитуду, нужно восстановить модулирующий сигнал. Добиться этого можно за счет введения постоянного сдвига частоты излучения в опорном пучке на известную величину 5v. Главной особенностью данных гетеродинных систем состоит в том, что на выходе фотоэлектрического преобразователя появится частотно-модулированный сигнал с несущей частотой, отличной от нуля. Можно при этом показать - будет содержать в данном случае выходной сигнал фотодетектора составляющую, представляющую собой частотно модулированный сигнал с несущей частотой, которая равна величине сдвига Sv i(t) = 2e]0Es cos(27iSvt+ — S0 smwot + A0) (1.16) Л) где Л0 - длина волны соответствующая основной (не сдвинутой) частоте v0 лазерной генерации.
Восстановление модулирующего сигнала теперь может быть произведено с помощью дискриминатора. Дискриминатор представляет собой электронное устройство, у которого напряжение электрического сигнала на выходе пропорционально разности частот, на которую настроен дискриминатор. На входы дискриминатора производится подача частоты сдвига Sv и частоты Sv + Av(t), которую регистрирует фотоприемник, происходит е изменение со временем согласно синусоидальному закону. Доплеровское изменение частоты, вызванное вибрацией изделия, будет пропорциональна дискриминатору амплитуды выходящего напряжения. Максимальное различие Avmax частот, поступающих на его вход, будет соответствовать максимальному выходному напряжению дискриминатора. Это различие частот зависит от пиковой виброскорости как: Avmax= (1.17) о Следовательно, на выходе дискриминатора получим сигнал пропорциональный виброскорости V0. При измерении амплитуды огибающей данного сигнала и при известной характеристике дискриминатора может быть определена Avmax. Далее определяется по формуле (1.17) пиковая скорость колебаний изучаемой точки объекта. Для определения амплитуды колебаний, необходимо разделение величины пиковой виброскорости на частоту колебаний со0 - может быть легко измерена частота вибрация а0/2тг (в Герцах) частотомером либо анализатором спектра. Важно при этом учесть, что большинство вибродатчиков, производимых промышленностью, тарированы таким образом, что в качестве измеряемых величин, характеризующих параметры вибрации, представлены частота вибрации а)0 /2л- и максимальная (пиковая) виброскорость V0.
Осуществление гетеродинирования возможно в СВЧ (радио) и оптическом диапазоне. Гетеродинные измерительные системы со сдвигом частоты в СВЧ-диапазоне применяют в случаях, когда не требуется высокая чувствительность.
При оптическом гетеродинировании возможно осуществление двухчастотного режима генерации внутренней либо внешней модуляцией излучения лазера. Для внешней модуляции излучения одночастотного стабилизированного лазера используются электрооптические, механические и акустооптические модуляторы, которые устанавливаются вне резонатора лазера [28].
Принцип отбраковки изделий
Для реализации способа бесконтактного контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя разработан и создан новый приборно-измерительный комплекс (ПИК) (рисунок 3.1) [51; 54; 63; 72; 73; 76; 77]. ПИК включает в себя лазерные виброметры 1, согласующее устройство 2, многофункциональный модуль ввода-вывода 3, персональный компьютер 4 и программное обеспечение 5, разработанное в среде графического программирования LabVIEW 13.0 [16; 17; 18; 55]. На ПИК получен патент на полезную модель (приложение Б) [65].
Особенностью разработанной измерительной аппаратуры является применение в качестве измерительных датчиков лазерных виброметров. Лазерные виброметры позволяют дистанционно измерять параметры вибрации в различных точках изделия в опасной для персонала зоне (химически агрессивной, с высокой температурой, радиацией и т. д.), измерять параметры вибрации объектов малых размеров, без предварительной подготовки поверхности объекта [59].
Лазерный виброметр регистрирует колебания и преобразовывает их в электрический сигнал, пропорциональный виброскорости объекта исследования, который поступает на многофункциональный модуль ввода-вывода, где оцифровывается и передается на ПК, с установленным программным обеспечением (рисунок 3.2). Программное обеспечение,разработанное дляконтроля состоянияобъекта исследования s Программное обеспечение на базе Lab VIEW s Персональный компьютер
Оцифрованный сигнал, полученный от многофункционального модуля ввода-вывода преобразовывается в амплитудный спектр с использованием процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и анализируется с помощью программного обеспечения [58; 100].
Лазерная виброметрия – современный, качественно новый уровень измерения параметров механических колебаний объектов. Уникальные физические особенности лазерных методов определяют многие их достоинства. Это возможность бесконтактного измерения вибрации и отсутствие влияния на резонансные свойства объектов, в том числе микроскопических размеров, измерений без предварительной подготовки поверхности объекта, работать с объектами повышенной опасности, проводить измерения в труднодоступных местах, измерять параметры вибрации объектов сложной формы [35, 57, 70].
Лазерный виброметр LV-2 – представляет собой бесконтактный датчик вибрации (бесконтактный вибропреобразователь), зондирующий поверхность объекта с помощью луча лазера (рисунок 3.3) [70].
Прибор состоит из компактной измерительной головки соединнной с электронным блоком гибким кабелем, что позволяет производить измерения в труднодоступных местах.
Лазерный вибропреобразователь не является полной альтернативой широко распространенным контактным вибродатчикам, но в силу некоторых особенностей вытекающих из принципа действия, его применение предпочтительно, а порой единственно возможно в ряде случаев:
- оперативный контроль и диагностика состояния объекта исследования для определения остаточного ресурса; - съм информации с большого числа пробных точек; - исследование высокотемпературных объектов; - исследование малоразмерных объектов; - исследование поверхностей с низкой плотностью и механической жсткостью (звукопоглощающие покрытия, салоны автомобилей и самолтов); - прецизионные измерения параметров вибрации. Использование лазерных виброметров LV-2 позволяет производить измерения колебаний в исследуемых точках работающего двигателя на расстоянии до 5 метров, а также исключить влияние многочисленных шумов работающих механизмов двигателя на исследуемые колебания [99]. Принцип действия лазерного вибропреобразователя заключается в сложении отраженного от объекта оптического сигнала, несущего информацию о колебательной скорости объекта, с излучаемым гетеродинным оптическим сигналом (рисунок 3.4) [46].
Оценка возможности применения контактных датчиков для контроля состояния деталей, работающих узлов и механизмов газового двигателя
Проведем оценку возможности применения контактных датчиков с учетом вышеперечисленных условий для контроля состояния ДГЭ, газового двигателя и корпуса турбины ТКР.
Возможность крепления контактного датчика на ДГЭ отсутствует, ввиду сложной формы и малых размеров объекта контроля (ДГЭ по габаритным размерам соизмерим с контактным датчиком). Единственно возможный вариант -применения ручного щупа, однако данный способ измерения имеет существенные недостатки, такие как: - частота резонанса закрепленного на ручном щупе датчика находится в области присущих большинству механических колебаний частот. Это непосредственно сказывается на существенном увеличении погрешности результатов исследований. При применении закрепленного на щупе датчика рекомендуется использовать снабженный фильтрами предусилитель; - воспроизводимость результатов исследований, осуществляемых при помощи закрепленного на ручном щупе датчика, плоха; - нарушение правил техники безопасности. Возможность применения контактных датчиков вибрации для контроля состояния газового двигателя ограничена ввиду следующих причин: - крепление датчика при помощи стальной шпильки исключена, вследствие необходимости высверливания отверстия и нарезания резьбы в корпусе газового двигателя; - крепление при помощи магнита на работающем газовом двигателе не обеспечивает необходимый оптимальный контакт датчика с объектом контроля; - крепление датчика при помощи воска и липкой пластины ограничено предельной температурой объекта контроля; - отсоединение закрепленного при помощи клея или цемента датчика затруднительна. Очистка основания датчика связана с необходимостью применения растворителей, что может привести к выходу из строя датчика, и занимает значительное время [10]; - измерения при помощи ручного щупа нарушают правила техники безопасности; - применение контактных датчиков ограничено предельной температурой объекта контроля. При достижении точки Кюри материала пьезоэлемента поляризация полностью исчезает, и датчик выходит из строя.
С целью определить возможность применения контактных датчиков для контроля состояния корпусов турбин ТКР, проведены экспериментальные исследования с датчиком акустической эмиссии GT350. Технические характеристики датчика GT350, представлены в таблице 4.1 [71].
Тип соединителя - BNC (СР-50-74ФВ) Способ установки датчика – крепежный магнит AM07, который предназначен для закрепления преобразователей акустической эмиссии GT350 непосредственно на исследуемом образце (рисунок 4.1) [44].
Для подключения датчика GT350 к аналого-цифровому преобразователю необходимой частью комплекса является согласующее устройство АG09 (рисунок 4.2). Согласующее устройство предназначено для подключения преобразователей акустической эмиссии к источнику питания и регистрирующей аппаратуре в стационарных условиях. АG09 обеспечивают разделение постоянной
Согласующее устройство АG09 составляющей источника питания и переменной составляющей измеряемого сигнала преобразователей акустической эмиссии со встроенным предусилителем [83].
Место установки контактного датчика обусловлена габаритами самого датчика, крепежного магнита и корпуса турбины ТКР. Единственно возможное варианты, где бы датчик и крепежный магнит всей своей плоскостью соприкасались с объектом исследования, это фланец на боковой части корпуса турбины ТКР (рисунок 4.3).
Ввиду большой шероховатости объекта исследования в месте установки датчика поверхность зачищалась напильником, что не требуется при использовании лазерных виброметров.
С целью определить возможность применения контактных датчиков для контроля состояния корпусов турбин ТКР, проведены экспериментальные исследования. Объект исследования – 5 эталонных корпусов турбин ТКР.
В результате экспериментальных исследовании проведено 2-кратное измерение параметров собственных колебаний каждого из пяти эталонных корпусов турбин ТКР, при каждом измерении производилось по 5 механических ударов (молоток поднимался на высоту 5 см и без усилия опускался под действием силы тяжести). Параметры колебания от объекта исследования регистрировались датчиком акустической эмиссии GT350. Сигналы от датчика поступали на многофункциональный модуль ввода-вывода, где оцифровывались и передавались на ПК, с установленным программным обеспечением. Для записи сигнала задавались следующие параметры: - временной интервал для записи сигнала - 20 секунд (5 ударов); - частота дискретизации - 60000 отсчетов; - параметры выделения импульсов зарегистрированного сигнала (чувствительность 10; начало импульса минус отсчетов - 10; умножение высоты -0,4; прибавление высоты - 0). Для формирования эталонного спектра и доверительного интервала на лицевой панели программы устанавливаются следующие параметры: - нулевой номер отсчета; - длина выборки сигнала для получения спектра - 16384 отсчетов; - интервалы частот были выбраны исходя из проведенного модального анализа и первоначальных экспериментов, и составили от 6 до 8 кГц и от 12 до 14,2 кГц; - уровень доверительной вероятности - 0,95; - нормализацию спектра в режим «включено». По полученным вибрационным характеристикам сформирован эталонный спектр и эталонные доверительные интервалы по 5 целевым функциям сравнения (рисунок 4.4). В таблице 4.2 представлены результаты испытаний: диапазон эталонного доверительного интервала и медианное значение по 5 целевым функциям (сплошная линия на рисунке 4.4). 450