Введение к работе
Актуальность работы. Основным методом повышения технико-экономических показателей работы промышленного оборудования в настоящее время является переход от обслуживания по фиксированному ресурсу к обслуживанию по фактическому состоянию (диагностический подход). Такой переход обеспечивает более полное использование индивидуальных возможностей конкретного агрегата и снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт в среднем на 30%. Получение объективной информации о текущем состоянии оборудования и прогнозирование ресурса его работы достигается методами технической диагностики. Вибрационная диагностика (вибродиагностика) одно из направлений технической диагностики, использующее в качестве диагностических сигналов параметры механических колебаний механизмов. Механические колебания, или вибрации, практически мгновенно отражают изменения состояния объекта. Вибрация является важным показателем состояния оборудования и позволяет выявить значительную часть дефектов механической системы агрегатов. Вибродиагностические методы незаменимы для обнаружения дефектов, связанных с качеством ремонтных работ, например, при выявлении неуравновешенности, расцентровок, задеваний, износов.
Вибродиагностические системы, разрабатываемые и используемые в различных отраслях промышленности, можно разделить на следующие основные группы:
• Системы периодического контроля, анализа и диагностирования, в состав которых входят универсальные переносные средства измерения вибрации и программные продукты, ориентированные на работу специалистов по вибродиагностике. Такие системы широко распространены в промышленности и производятся многими предприятиями: "CSI", "DLI" (США), "Shenk", "Pruftechnik" (Германия), НТЦ "ВиКонт", "Диамех" (Россия) и другими.
Контрольно-сигнальные стационарные системы с использованием средств измерения вибрации, входящих в структуру защиты оборудования. Стационарные системы производятся -акими известными фирмами, как "Bently Nevada" (США), "Brul&Kaer" (Дания), "Shenk", "Pruftechnik" (Германия). В России стационарные системы выпускают НТЦ "ВиКонт", АО "Ростовэнергоремонт", НПЦ "Динамика" и другие. • Автоматические диагностические системы.
Последние не нашли применения из-за высокой стоимости и длительных сроков адаптации к конкретному оборудованию. Исключение составляют системы, работающие на нескольких десятках крупных турбоагрегатов, разработанные Уральским политехническим институтом, Всероссийским теплотехническим институтом и фирмой "ABB".
Несмотря на обилие аппаратных и программных средств измерения и анализа вибрации на практике часто не удается выявить наличие дефекта и предсказать его развитие. До настоящего времени в промышленности не было сертифицированных и эффективно работающих технических средств вибрационной диагностики.
Анализ показывает, что ошибки диагностики часто связаны с погрешностями измерения и неправильной интерпретацией вибросигнала, вызванными недостаточной температурной стабильностью вибропреобразователей, высокими уровнями шумов, пренебрежением особенностями вибрации машин в высокочастотной и низкочастотной областях, погрешностями определения дискретных составляющих вибрации при спектральном анализе, а также по причине недостаточного учета в диагностических системах специфики стохастических колебаний энергомеханического оборудования.
В целом, технические средства вибродиагностики должны обладать дополнительными функциональными возможностями, улучшенными точностными и частотными характеристиками по сравнению с контрольно-сигнальной или анализирующей аппаратурой.
Характеристики вибродиагностической аппаратуры должны определяться динамическими и конструктивными особенностями объекта диагностирования и влиянием на вибрацию возможных дефектов.
В настоящее время существующие возможности технических средств не позволяют использовать вибродиагностические методы при эксплуатации промышленного оборудования. В связи с этим возникает крупная научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение: разработка теоретических основ проектирования и практическая реализация нового поколения технических средств вибродиагностики, позволяющих эксплуатировать промышленное оборудование по показателям технического состояния.
Решение указанной проблемы требует в свою очередь решения ряда научных, технических и организационных задач.
Первая группа задач связана с созданием новых моделей работы вибропреобразователей и разработкой методов синтеза технических средств, наиболее полно и точно учитывающих вибрационные процессы в промышленном оборудовании.
Вторая группа задач касается методической и аппаратурной реализаций, технических средств вибродиагностики для промышленных предприятий с учетом включения разработанных технических средств в структуру эксплуатации и ремонта, в частности, в определении оптимального сочетания переносных и стационарных средств и рекомендуемых характеристик аппаратуры для принятия решения о дальнейшей эксплуатации энергомеханического оборудования.
До недавнего времени указанные вопросы оставались недостаточно изученными, что создавало трудности при разработке систем достоверной вибродиагностики для различных классов промышленных агрегатов, особенно для машин средней мощности (менее 40 МВт).
Исходной базой для исследований и разработок явились труды ученых и специалистов: Бараша В.Я., Больших А.С., Васильевой Р.В., Гольдина А.С., Дедученко Ф.М., Дунаевского B.C., Зарицкого СП., Застрогина Ю.Ф., Засецкого В.Г., Иори-ша Ю.И., Кораблева С.С, Петровича В.В., Рогачева В.М., Руно-ва Б.Т., Субботина М.И., Цеханского К.Р. и многих других.
Цель и основные задачи исследований и разработок. Целью работы является разработка и внедрение технических средств контроля и вибродиагностики, обеспечивающих переход к эксплуатации энергомеханического оборудования по техническому состоянию. Для достижения цели было необходимо решить следующие задачи: • выявить диагностические параметры для оценки технического состояния роторных машин по характеристикам случайных составляющих вибрации;
• создать математическую модель и методы расчета пьезоэлектрического виброизмерительного канала с учетом взаимодействия чувствительного пьезоэлемента и электронных схем;
• предложить методику проектирования виброканалов с характеристиками, позволяющими производить надежный виброконтроль и достоверную вибродиагностику оборудования и разработать виброканалы с повышенной температурной стабильностью, с малым уровнем шума, с возможностью измерения резкости, с расширенным динамическим диапазоном и малым временем восстановления после перегрузок;
• проанализировать влияние объекта (агрегата) на работу виброканала и разработать методы построения виброканалов, обеспечивающих достоверное измерение вибрации в области низких частот; повысить точность определения частоты, амплитуды и фазы дискретных спектральных составляющих, получаемых в результате преобразования Фурье по временной выборке ограниченного объема;
• разработать методику передачи сигналов с повышенной надежностью и помехоустойчивостью от виброканала до вторичных устройств;
• исследовать методы повышения точности вибропреобразователей (вихретоковых, пьезоэлектрических, ультразвуковых и оптических) в условиях внешних жестких воздействий;
• разработать и внедрить комплекс переносных и стационарных технических средств вибродиагностики энергомеханического оборудования, обеспечивающий надежный контроль и возможность перехода на техническое обслуживание по состоянию. Наладить серийный выпуск комплекса и его метрологическое обеспечение.
Методы исследований. Исследования и разработки выполнялись с использованием комплекса экспериментальных и теоретических методов анализа вибраций агрегатов и физики работы датчиков вибрации, а также на основе современных представлений о колебаниях в конструкциях. Экспериментальные исследования проводились как на реальных промыш ленных объектах, так и на вибростендах с моделированием реальных колебательных процессов.
Научную новизну работы составляют следующие полученные результаты:
1. Установлена зависимость технического состояния роторных агрегатов от параметров случайной составляющей вибрации при отсутствии случайных возмущений.
2. Предложена новая математическая модель пьезоэлектрического вибропреобразователя, из которой следует, что пьезоэлектрический элемент является генератором тока, пропорционального производной по времени от виброускорения (резкости).
3. На основе новой математической модели пьезоэлектрического вибропреобразователя разработаны методология синтеза и обобщенный метод расчета виброканалов с новыми свойствами.
4. Установлено, что причина появления в сигнале пьезоэлектрического вибропреобразователя низкочастотных составляющих, не отражающих колебательные процессы в агрегате, связано с интенсивностью высокочастотных составляющих вибрации, и предложена методология построения устройств, измеряющих реальную вибрацию машин.
5. Предложен метод повышения точности определения частоты, амплитуды и фазы дискретных спектральных составляющих вибрации после преобразования Фурье, основанный на учете боковых спектральных составляющих.
Практическая ценность работы и ее реализация.
1. Получены критерии "тревожной" стохастичности вибрации роторных машин в отсутствии случайных внешних возмущений - 0,1 от модуля вектора виброскорости оборотной частоты, и значение эксцесса амплитуды виброскорости -более 3,2 и менее 2,7.
2. Разработаны новые методы проектирования и расчета виброканалов, позволяющие повысить температурную стабильность в 5 раз, понизить в 2-3 раза уровень шума, повысить в -10 раз перегрузочную способность по высоким частотам, увеличить 2 раза точность и расширить 2 раза динамический диапазон, уменьшить на порядок время восстановления после перегрузок. 3. Разработаны вибродиагностические каналы измерения резкости без фазовых искажений, значительно повышающие достоверность диагностики подшипников качения и зубчатых зацеплений за счет повышения точности измерения высокочастотных составляющих вибрации.
4. Предложена методология проектирования и расчета погрешности помехоустойчивых устройств передачи на расстояние до 1000 м сигналов по кабелю питания вибропреоб-разователя на основе токовой двухпроводной линии.
5. Предложены динамические тестовые методы повышения (в 2 раза) точности измерений вибрационных сигналов в условиях внешних жестких воздействий оптическими, пьезоэлектрическими, вихретоковыми и ультразвуковыми преобразователями, основанные на структурной избыточности.
6. На основе выполненных исследований разработан комплекс технических средств для контроля и вибродиагностики энергомеханического оборудования, лицензирован и налажен серийный выпуск новой аппаратуры, в том числе специализированных микросхем. В комплекс входят переносные приборы: миниатюрные виброметры типа "ВК", виброизмерительные коллекторы типа "ВИК", стационарная аппаратура "КАСКАД", программное обеспечение и система метрологического обеспечения (вибростенды и лазерный интерферометр). Элементы комплекса прошли государственные приемочные испытания и внедрены на многих предприятиях: электростанциях, нефтеперекачивающих станциях, газокомпрессорных станциях и других. Поставляются в качестве штатных систем контроля вибрации на заводы-изготовители турбин: Калужский турбинный завод, Невский завод, АО "Люлька-Сатурн". Совместно с российскими турбинами элементы комплекса эксплуатируются в СНГ и в разных странах мира (Италия, Чехия, Аргентина, Китай, Иран, Индия). Подтвержденный экономический эффект от внедрения комплекса технических средств на основе виброизмерительного коллектора ВИК (15 приборов) и аппаратуры КАСКАД (2 комплекта) совместно с программным пакетом АНТЕС (ВНИИГАЗ) только на предприятии "Севергазпром" составил 395 млн. рублей в 1995 году и 1700 млн. рублей в 1996 году. На зашиту выносятся следующие основные научные положения:
• критерии "тревожной" стохастичности вибрации роторных машин в отсутствии случайных внешних возмущений;
• новая математическая модель пьезоэлектрического вибропреобразователя, представляющая пьезоэлемент как генератор сигнала тока, пропорционального резкости;
• расчет пьезоэлектрического вибропреобразователя, учитывающий связь "пьезоэлемент-электронная схема";
• методология построения вибропреобразователей с повышенными температурной стабильностью, точностью, перегрузочной способностью, помехоустойчивостью, с низким уровнем шумов и малым временем восстановления после перегрузок и позволяющих измерять резкость без фазовых искажений;
• высокочастотная модель появления в сигнале пьезоэлектрического вибропреобразователя низкочастотных составляющих, реально не существующих в вибрации машин;
• метод передачи вибросигналов по кабелю питания вибропреобразователя, обеспечивающий помехоустойчивость и взрывозащиту вибродиагностических приборов;
• развитие и реализация динамических тестовых методов, основанных на структурной избыточности, для оптических, пьезоэлектрических, вихретоковых и ультразвуковых вибропреобразователей, работающих в условиях внешних жестких воздействий;
• метод и алгоритм уточнения амплитуды, фазы и частоты дискретных спектральных составляющих вибрации после преобразования Фурье, основанный на учете боковых составляющих;
• структура комплекса технических средств виброконтроля и диагностики, обеспечивающего переход на обслуживание энергомеханического оборудования по техническому состоянию.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на конференциях и симпозиумах в г. Минск (1989), г. Баку (1989), г. Комсомольск-на-Амуре (1991), г. Одесса (1996, 1997), г. Москва (1989-1996). На научных семинарах НИИ Интроскопии (1988-1992), ИМАШ РАН (1993), ВНИИГАЗ (1995), "Pruftechnik" (Германия, 1992-1995), "CSI" (США, 1993), МДНТП (1987-1993), МГТУ им Н.Э. Баумана (1995-1997). Аппаратура демонстрировалась на многих международных выставках ("Нефть. Газ", г. Уфа, 1993, 1994, "Энергетика", г. С.-Петербург, 1994, "Метрология", г. Москва, 1993, "Мера", г. Москва, 1991, 1994, 1997 и других).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 48 печатных работ, в том числе 11 авторских свидетельств. Результаты отражены также в технических описаниях и технических условиях на элементы комплекса.
Автор выражает большую признательность ученым и специалистам ведущих организаций в области вибродиагностики: НИИ Интроскопии, ВНИИГАЗ, ЦКБэнерго, АО Мосэнерго, ИМАШ РАН, ЦНИИТМАШ и другим, творческие дискуссии и сотрудничество с которыми позволили автору правильно ориентироваться в сложном мире вибродиагностики.
