Содержание к диссертации
Введение
1. Решение проблемных вопросов разработки и внедрения современных методов диагностики оборудования в рамках обзора литературных источников 13
1.1. Введение 13
1.2. Основные положения и задачи диагностики оборудования 14
1.2.1. Общая постановка задачи диагностики 14
1.2.2. Обеспечение промышленной безопасности объектов 18
1.2.3. Современные методы и средства вибродиагностического контроля, его основные этапы развития 23
1.3. Выбор направления, стратегии, методов и средств диагностирования оборудования электромеханических систем 37
1.4. Комплексный подход к диагностике энергетического оборудования и его обеспечение 41
1.5. Построение физико-математических моделей объектов диагностики и задачи исследований 44
1.6. Причины виброактивности систем электроприводов с синхронным электродвигателем, работающем в режиме вентильного двигателя 50
1.7. Выводы 54
2. Направление практического приложения показателей чувствительности в исследуемой области 56
2.1. Общие замечания 56
2.2. Основные положения теории чувствительности и направление ее развития в области диагностики 58
2.3. Направление практического приложения показателей чувствительности в исследуемой области 61
2.4. Выводы 71
3. Разработка и внедрение метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности 72
3.1. Введение 72
3.2. Постановка задачи исследования 73
3.3. Направление разработки и внедрения новых методов диагностики энергетического оборудования 77
3.4. Сущность метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности к резонансным возбуждениям 82
3.5. Алгоритм расчета уровней энергетических соотношений элементов оборудования электромеханических систем 103
3.6. Развитие разработанного метода диагностики энергетического оборудования 107
3.7. Выводы 110
4. Диагностика и практические приложения 113
4.1. Исходные соображения t 113
4.2. Диагностика стендовой установки с судовым двигателем 8ЧН16,5/18,5: расчет и торсиографирование 115
4.2.1. Краткое описание стендовой установки и результаты вычислительного анализа 116
4.2.2. Методика испытаний 120
4.2.3. Методика обработки материалов испытаний 122
4.2.4. Результаты экспериментальных испытаний 125
4.2.5. Выводы 126
4.3. Диагностика питательных электронасосов 2АЗМ-5000/6000-У4 +
зубчатая муфта + ПЭ 580-185-2 тепловых электростанций 128
4.3.1. Цель работы и обоснование необходимости ее постановки 128
4.3.2. Исходные данные. Основные характеристики системы. Методика исследования 129
4.3.3. Диагностика ПЭНов, опытная и экспериментальная проверка разработанного метода диагностирования 134
4.3.4. Выводы и рекомендации 142
4.4. Диагностика погружных электронасосов для глубинной добычи нефти . 146
4.4.1. Цель работы и обоснование необходимости ее постановки 146
4.4.2. Основные характеристики системы. Методика диагностического исследования 146
4.4.3. Основные требования для создания надежных конструкций погружных насосов 151
4.4.4. Определение динамических характеристик элементов механической части системы агрегата 153
4.4.5. Экспериментальное определение жесткости штатных вкладышей подшипников 156
4.4.6. Априорное исследование крутильно-изгибных колебаний валопровода 159
4.4.7. Вычислительный анализ свободных крутильных колебаний валопровода длинномерного насосного агрегата 160
4.4.8. Расчетный анализ свободных изгибных колебаний валопровода при штатных расстояниях между радиальными опорами 165
4.4.9. Определение степени влияния упругих характеристик штатных подшипников на отстройку системы от опасных резонансов 168
4.4.10. Отстройка системы от опасных резонансов 169
4.4.11. Выводы и рекомендации 171
Заключение 177
Список использованных источников
- Современные методы и средства вибродиагностического контроля, его основные этапы развития
- Направление практического приложения показателей чувствительности в исследуемой области
- Сущность метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности к резонансным возбуждениям
- Диагностика стендовой установки с судовым двигателем 8ЧН16,5/18,5: расчет и торсиографирование
Введение к работе
Актуальность темы. В условиях, когда по оценке федеральной энергетической комиссии износ оборудования предприятий топливно-энергетического комплекса и машиностроительного профиля Российской Федерации в начале XXI века достиг 70% и более, надежное и безопасное их функционирование без эффективной системы диагностики невозможно. Ежегодно потери от техногенных аварий возрастают в России на 10-30%, при этом ежедневно происходит не менее 2-х техногенных аварий. Все большее значение имеют методы и средства дефектоскопии, интроскопии, структуроскопии, контроля размеров и физико-механических характеристик материалов и узлов, а также вибродиагностики. Взаимосвязанные этапы проектирования, изготовления, эксплуатации, реконструкции или утилизации любого сложного оборудования требуют постановки диагноза неисправного элемента (детали и установления причин дефекта. При этом очень важно вовремя обнаружить и не допустить развития дефектов, приводящих к необратимым катастрофическим последствиям. Именно поэтому разработка методов и средств определения существенных врожденных свойств объектов для диагностики зарождающихся повреждений является актуальной проблемой.
Решение проблемных вопросов неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д) началось по направлению разработки, создания и внедрения аппаратных методов и средств контроля, основанных на регистрации различных физических полей и излучений, химических взаимодействий и процессов. При этом уровень чувствительности традиционных методов НК и Д не всегда позволяет выявить преддефектное состояние металла, особенно зоны, где ожидаются повреждения. Используемые в настоящее время в практике ремонтных предприятий топливно-энергетического комплекса и машиностроительного профиля, а также конструкторских организаций по созданию различного оборудования методы диагностики динамической напряженности ориентированы на выполнение спектрального анализа вибраций оборудования. Однако в большинстве случаев такой подход не позволяет решить проблему динамической надежности и безопасности оборудования без применения эффективных аналитических методик. Поэтому важнейшим фактором обеспечения надежности оборудования является разработка и внедрение эффективных аналитических методов, которые должны быть составной частью технической диагностики ' различного оборудования. Традиционные подходы для создания таких методик опираются на использование современных вычислительных средств, которые целесообразно развивать на путях применения показателей чувствительности.
Обзор литературы по НК и Д различного оборудования показал, что аналитических методов распознавания состояния оборудования мало, при этом направление развития вычислительных методов для диагностики является перспективным для комплексного решения проблем промышленной безопасности различных объектов. В целях диагностики механического состояния оборудования необходимо знать, как поведет себя тот или иной узел, а также указать по структуре изделия, в каком месте (местах) определены конфетные повреждения. Очевидно, в первую очередь, следует ожидать выхода из строя узла с высокоэнергоемкими (высокочувствительными к возбуждению) деталями. При этом наибольшая амплитуда отклика "^"і^дту" -< ";у"Д >п ''n,y~rF"^'v
СПтр< о» K3J
ВДр
I БИБЛИОТЕКА
частот дефектного узла Следовательно, возникает потребность в диагностике механического состояния оборудования с помощью соответствующих средств оценки текущей надежности путем разработки вычислительного метода позволяющего предсказывать, какие частотные составляющие появятся в спектре вибраций при возникновении дефектов в соответствующем узле Поэтому автор занялся разработкой эффективного (простого и достаточно точного) компьютерного метода, позволяющего контролировать механическое состояние оборудования, прогнозировать проявление зарождающихся дефектов и их локализовать В результате разработан новый способ диагностики технического состояния оборудования по уровням энергетических соотношений его элементов, основанный на применении и развитии положений теории чувствительности
Данная научная разработка выполнена за период с 1987 года по 2004 год при работе в ОАО «Дизельпром» (в настоящее время ООО «Чебоксарский завод силовых агрегатов», г Чебоксары), 000 «Волготрансгаз» (г Нижний Новгород), ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им И Н Ульянова» (г Чебоксары), при этом экспериментальная часть разработки выполнена в ОАО «Дизельпром», ОАО «Чувашэнерго» и ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им И Н Ульянова», г.Чебоксары при участии специалистов ФГУП ГНЦ РФ«ЦНИИим. акад. А.Н. Крылова»(г.С-Петербург)
Теоретические, опытные и экспериментальные исследования, выполненные автором за период 1987-2004 гг и обобщенные в данной работе, позволяют утверждать, что методы диагностики должны учитывать не только закономерности протекания механического процесса энергетической установки (имеющей в своем составе дизель, электродвигатель, паровую или газовую турбину), но и влияние электромеханического процесса оборудования Для успешного решения задач диагностики технического состояния оборудования оказалось необходимым, найти способы аналитического его представления в виде единой электромеханической системы, введя в качестве диагностических признаков зарождающихся повреждений энергетические формы (соотношения) его элементов
Теоретико-практическим фундаментом для выполнения указанных исследований являются теоретические, научно-практические и программные разработки Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» (дтн Л.И. Штейнвольф, дтн В.Н. Карабан, ктн В.Н. Митин, ктн Ю.М. Андреев, ктн Е.И. Дружинин, ктн А.А. Ларин), ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им акад А.Н. Крылова» (дтн В.И. Попков, дтн В.П. Терских, ктн Г И Бухарина), ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им И Н Ульянова» (дтн А.К. Аракелян, дтн А.А. Афанасьев), дтн Е.Н.Розенвассера, дтн P.M. Юсупова, ФГУП «ЦНИИ экономики, информатики и систем управления» (дтн А.Л. Горелик), ИМАШ им акад А.А. Благонравова РАН (дтн М.Д. Генкин, ктн А.Г. Соколова). ЗАО «НИИ интроскопии МНПО «Спектр» (ктн Ф.Я. Балицкий), члена-корреспондента РАН В В Клюева и РОНКТД, собственные научные, технические и программно-алгоритмические разработки, а также многолетний опыт работы по созданию и диагностированию сложного оборудования
Цель научной разработки и задачи исследования. Главной целью данной работы является теоретическое и практическое решение проблемы распознавания зарождающихся повреждений элементов различного
оборудования, разработка метода и средств определения существенных врожденных свойств объектов для диагностики зарождающихся повреждений.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
Установление существенных свойств энергетического оборудования и введение новых диагностических признаков зарождающихся повреждений.
Теоретическое обоснование предлагаемого метода расчета эпюр энергий электромеханических и гидромеханических систем со многими степенями свободы.
Разработка методики и программно-алгоритмических средств, повышающих достоверность оценки механического состояния оборудования за счет предсказания зарождения дефектов элементов по структуре изделия.
Построение динамических моделей реального энергетического оборудования для его диагностики и практическое подтверждение разработанного метода диагностирования.
Объект исследования - оборудование электромеханических и гидромеханических систем и комплексов со многими степенями свободы.
Предмет исследования. Разработка, создание и внедрение программно-алгоритмических средств диагностики энергетического 'оборудования. В диссертационной работе представлены результаты теоретических, экспериментальных и практических исследований с целью разработки метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности к резонансным возбуждениям, а также ряд практических приложений указанного метода.
Методы исследования:
Исследование и регистрация физических эффектов, предшествующих времени перехода материала и/или изделия в «дефектное» состояние и диагностика зарождающихся повреждений произведены на основе физико-математических методов исследования крутильно-изгибных колебательных процессов оборудования с использованием положений теорий чувствительности и распознавания образов.
Для расширения области применения функций чувствительности свободных частот механических систем на электрические и гидравлические системы в целях их диагностики применяется принцип изоморфизма колебательных процессов в системах различной физической природы (электрических, гидравлических, механических).
Функции чувствительности к накоплению повреждений определяются посредством общего метода построения физико-математических моделей динамических процессов с применением структурных матриц в системах любой физической природы.
Метод Рэлея применяется для записи выражения максимумов магнитной (кинетической) и электрической (потенциальной) энергий, а также определения частот свободных колебаний путем рассмотрения баланса энергии сложных систем.
5 Особенностью получаемых результатов является то, что обычные формы колебаний консервативных (недиссипативных) систем - собственные векторы (формы амплитуд обобщенных координат) исходных систем со многими степенями свободы нормируются по методу плоских вращений Якоби
естественным образом так, что сумма всех относительных магнитных (кинетических) и электрических (потенциальных) энергий элементов равна единице. Это дает непосредственно коэффициенты чувствительности этих элементов к зарождению дефектов.
Научная новизна разработки, по мнению автора, заключается в следующем:
Предложен новый метод диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности к резонансным возбуждениям.
Впервые в качестве диагностических признаков, по которым оценивается текущая надежность оборудования и предсказывается зарождение дефектов, приняты энергетические формы (уровни магнитных и/или кинетических, электрических и/или потенциальных энергий элементов системы) свободных колебаний физико-математической модели диагностируемой конструкции.
Достигнуто углубление уровня технического диагностирования энергетического оборудования при использовании метода спектральной вибродиагностики за счет расширения диагностических признаков и предсказания частотных составляющих, появляющихся в спектре вибраций при зарождении дефектов в соответствующем узле.
Разработанный метод диагностики дает возможность создания многоуровневой системы мониторинга и обслуживания энергомеханического оборудования по состоянию, основанной на определении фактического технического состояния оборудования и проведении ремонта только там и именно тогда, где и когда это действительно необходимо.
Практическая значимость и. реализация работы состоит в том, что разработанный метод диагностики энергетического оборудования по уровням энергетических соотношений его элементов позволяет исследовать и контролировать (оценить) механическое состояние оборудования, предсказать проявление зарождающихся дефектов по структуре изделия, обнаружить опасные участки конструкций по накоплению усталостных повреждений, локализовать дефекты конструктивно-монтажного характера и предложить экономичные мероприятия по увеличению ресурса энергомеханического оборудования (в том числе с целью решения проблем в рамках единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций).
Научно-исследовательские, программно-алгоритмические, диагностические
и опытно-конструкторские разработки автора созданы на базе многолетнего
опыта работы, который включает деятельность по созданию и диагностике
реальных конструкций, а также практическому приложению разработанного
метода диагностики оборудования по уровням энергетических соотношений его
элементов. В частности, автором предупрежден ряд серьезных техногенных
аварий (определены причины опасных колебаний и/или разрушений)
энергетических установок путем применения разработанного метода диагностики:
ДРА-525 на базе дизеля 8ЧН16.5/18.5 с валопроводом судна МРТК
«Балтика», выпущенный ОАО «Дизельпром» г.Чебоксары (на этапе
проектирования); промышленный трактор D355A с дизелем 6V396 ТС4, выпущенный фирмой «Komatsu». Япония (в ходе ремонтного производства на ОАО «Дизепьпром» г Чебоксары при мобильной замене одного типа двигателя на другой); электронасосная станция СДВ2-215/41-10 + 800В-2.5/100-1 мощностью 3 МВт (МП «Водоканал», г. Новочебоксарск); диагностика причин
опасных повреждений зубчзтой муфты и ротора электрического двигателя установки 2АЗМ-5000/6000-У4 + зубчатая муфта + ПЭ580-185-2 мощностью 5000 кВт (питательный электронасос одной из ТЭЦ РАО «ЕЭС России») и др.
Теоретические исследования, проведенные автором, нашли применение при создании новых и надежных конструкций промышленных тракторов, дизель-генераторов и судовых энергетических установок на базе дизелей семейства ЧН16.5/18.5 ОАО «Дизельпром» (ООО «Чебоксарский завод силовых агрегатов») г. Чебоксары, диагностике основных причин неоднократно имевших место аварий в системе питательный насос с асинхронным электроприводом мощностью 5000 кВт ТЭЦ-2 ОАО «Чувашэнерго» г.Чебоксары, диагностике энергомеханического оборудования ООО «Волготрансгаз» ОАО «Газпром» г. Нижний Новгород, разработке и диагностике погружных центробежных насосов для добычи нефти с асинхронным электроприводом ОАО «Борец» г. Москва и др.
После изготовления опытных образцов упомянутой техники (промышленных тракторов, дизель-генераторов, судовых энергетических установок и другого оборудования) и их экспериментальных испытаний полученные результаты полностью подтвердили исходный теоретический и расчетный материал, в частности по проблеме отстройки структурно-сложных и сравнительно мощных электромеханических систем от опасных резонансов в рабочем диапазоне частот вращения, а также предсказания зарождения дефектов.
Использование разработанного автором способа диагностики позволяет реализовать необходимые технические и конструкторские мероприятия по повышению степени надежности и вибропрочности вращающихся частей энергомеханического оборудования, а также совершенствовать технологию ремонтных работ с целью перехода к диагностике состояния (технологических и эксплуатационных дефектов) оборудования в процессе эксплуатации по уровням спектральных составляющих вибрации и управлению качеством при изготовлении различного оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Теоретические основы метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности.
Разработанный метод диагностики технического состояния энергетического оборудования на основе показателей чувствительности и соответствующая диагностическая модель
Разработанный алгоритм и программа для оценки механического состояния элементов оборудования электромеханических систем.
Теоретические выводы по вопросам расширения области применения разработанного метода диагностики энергетического оборудования на системы любой физической природы.
Результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований ряда реальных энергетических объектов.
Существенные научные результаты, полученные автором: 1 В данной научной работе теория чувствительности развивается путем разработки на основе ее положений нового метода диагностики технического состояния оборудования по уровням энергетических соотношений его элементов
2. Теоретически обоснован предлагаемый метод расчета эпюр энергий электромеханических систем со многими степенями свободы, позволяющих выявить опасные места ожидаемых повреждений элементов валопроводов и,
таким образом, на стадиях проектирования, ремонта и/или реконструкции энергетического оборудования учесть слабые сечения, подверженные наибольшим перенапряжениям, а также прогнозировать его надежность и выработать рекомендации, гарантирующие исключение возможных повреждений элементов механических конструкций.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на III всеросссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г.Чебоксары, 1999 г.), V, VI и VII Всероссийских семинарах «Энергосбережение, сертификация и лицензирование» (г.Чебоксары, 1999, 2000, 2001 г.г.), 3-й Международной научно-технической конференции «Управление в технических системах - XXI век» (г. Ковров, 2000 г.), 3-й Международной научной конференции «Диагностика трубопроводов» (г.Москва, 2001 г.), XVI российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Г.С.Петербург, 2002 г.), 3-й Международной научной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (г. Москва, 2002 г.), 3-й Международной специализированной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г.Москва, 2004 г.). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенных заседаниях кафедр «Теоретическая механика» и «Системы автоматического управления электроприводами» ФГОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова» (г. Чебоксары).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в числе которых 3 - в трудах вузов, 10 научных работ и докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 2 программы для ЭВМ, 1 учебно-методическое пособие.
Структура и объем разработки. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 200 страницах машинописного текста, и содержит 35 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 156 наименований, приложение.
Современные методы и средства вибродиагностического контроля, его основные этапы развития
Вибрационная диагностика - обнаружение и идентификация дефектов с целью прогнозирования техническог состояния. Вибродиагностическими методами решаются две основные задачи диагностики энергомеханического оборудования: 1. Распознавание состояния эксплуатируемого оборудования, подлежащего ремонту и/или доводке. 2. Выявление причин и условий, вызывающих неисправности и дефекты, которые следует устранить на ранних стадиях их развития.
Среди известных в настоящее время методов диагностики, применяемых при ремонте и доводке эксплуатируемого оборудования, вибрационная диагностика является одним из перспективных методов, так как для оценки текущего технического состояния сложного оборудования наиболее эффективными оказываются методы вибрационной и/или виброакустической диагностики, как наиболее чувствительные к дефектам функционирования, доступные и универсальные, обеспечивающие контроль технического состояния оборудования оперативно и без его разборки [36, 39, 48, 49, 64, 72].
Реальные свойства деталей оборудования, определение которых составляет цель диагностики, наиболее полно проявляются при их взаимодействии, а колебания и шум оборудования являются непосредственным проявлением взаимодействия деталей, в частности, результатом их соударений. Поэтому, возникающие в машинах вибрационные процессы достаточно информативны, весьма полно отражают техническое состояние многих деталей и узлов, а также протекание рабочих процессов в машинах [89,90, 95].
Научно-технической основой современной вибродиагностики являются: сейсмометрия, виброметрия, теоретическая механика, в том числе теория уравновешивания роторов, спектральный анализ и информатика [77].
Современные методы вибродиагностики оборудования включают следующие: простукивание, динамическое нагружение, возбуждение нелинейных колебаний, локальные свободные колебания, анализ сигнатуры колебаний, сличение спектров, компарирование, спектральный анализ, кепстральный анализ, корреляционный анализ и другие [76].
В качестве диагностических признаков используются самые разнообразные характеристики виброакустических сигналов: пиковое и/или среднеквадратическое значение (СКЗ) виброакустического сигнала, спектр, биспектр, кепстр и другие.
Существует несколько методов для описания явлений электрических или механических вибраций (колебаний). Если вибрация является периодической, то вся необходимая информация для полного описания процесса содержится на одном периоде сигнала. Однако, если сигнал является непериодическим, то для полного описания процесса теоретически необходима бесконечно долгая запись сигнала. Это, конечно, является невозможным требованием на практике. Более того, если время записи становится слишком длительным, то также очень неудобно описывать сигнал и поэтому другие методы используются. Одним из наиболее известных методов является использование технологии частотного анализа, которая описывает явление не в области времени, а в частотной области. Результатом частотного анализа является частотный спектр, который может быть представлен различными способами, прежде всего в виде диаграмм зависимости амплитудного уровня от частоты или энергетической спектральной плотности [146].
Спектральным анализом называется определение амплитуд и частот (или частотных участков) колебаний, входящих в состав измеряемого сигнала. Анализ заключается в экспериментальном выявлении с помощью частотно-избирательных элементов - фильтров отдельных составляющих в сложном исследуемом сигнале. Различают последовательный анализ, когда спектр сигнала,получают путем последовательного изменения частотных свойств фильтров, «просматривая» таким образом весь исследуемый диапазон, и одновременный, когда сигнал подается на набор параллельно включенных фильтров так, что на их выходах одновременно получаются исследуемые частотные составляющие.
Направление практического приложения показателей чувствительности в исследуемой области
Известно, что динамические процессы в системах различной физической природы (электрических, акустических, механических) описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, что позволяет говорить об изоморфизме колебательных процессов различных дискретизируемых систем (электрических, акустических, механических, электромеханических и др.), которым присущи общие особенности, закономерности и теоретико-колебательные характеристики. Поэтому аналогии являются важнейшим свойством многих явлений природы, играющим особую роль в процессе познания. Подобие (сходство) колебательных процессов в системах любой физической природы, подтверждаемое на практике, является доказательством единства природы в целом. При этом два различных между собой процесса, при сопоставлении оказываются схожими в своем протекании по времени. Изоморфизм колебательных процессов в системах различной физической природы в целях их диагностики представлен в табл.2.1 [4, 34, 51, 62, 63, 69, 78,136].
Необходимо отметить, что полная аналогия колебательных процессов наблюдается только между чисто электрическими, механическими и гидравлическими системами (в линеаризованной постановке задачи исследования). Однако полной аналогии между электромеханическими и механическими системами не существует. Например, для простейшей электромеханической системы, в электрической цепи которой, отсутствует емкость (в электрической цепи электродвигателя нет емкостей), имеющей две степени свободы (одну электрическую и одну механическую), запишем потенциальную и кинетическую энергии соответственно W — WM и Т — Тэ+Тм, где: WM- потенциальная энергия механической системы; Э м " кинетическая энергия соответственно электрической и механической системы. Поэтому данная электромеханическая система имеет только одну частоту свободных колебаний, (вторая частота отсутствует) и такие системы принято называть системами с полутора степенями свободы [25, 36, 62, 63].
Рассмотрим электромеханическую систему со многими степенями свободы, состоящую из ротора электрической машины (двигателя, генератора) и роторов насоса (компрессора, турбины). Энергия колеблющейся электромеханической системы состоит из четырех компонентов [152]:
1. Потенциальная энергия упругих (емкостных) элементов есть квадратичная форма от координат вектора перемещений где: [с] - симметрическая матрица жесткостей упругих участков; {ф} -вектор действительных углов закручивания (при крутильных колебаниях); {фГ j - вектор, транспонированный по отношению к вектору {ф} . 2. Кинетическая энергия вращающихся масс является квадратичной формой от координат вектора скоростей перемещений г=5ИИ(Ф}. 2-5 где: [М\ - симметрическая матрица моментов инерции масс (при крутильных колебаниях); {ф} - вектор действительных угловых скоростей; фг j - вектор, транспонированный по отношению к вектору {ф} . 3. Энергия, теряемая из-за демпфирования где: \р\ - симметрическая матрица демпфирования элементов системы, определяемая экспериментальным путем; /- время. Далее приходим согласно (2.11) к математической модели динамических процессов в системах различной физической природы, которая может быть представлена векторным дифференциальным уравнением с правой частью: [ЛЩ+ Иб}+ \РШ = {PC)} . (212) где: [л\ - матрица обобщенных коэффициентов инерции, величины которых определяются геометрическими, массовыми и индуктивными характеристиками системы; \В\ - матрица обобщенных коэффициентов сопротивления; [С] - матрица обобщенных коэффициентов жесткостей, которые определяются геометрическими, весовыми, упругими и емкостными характеристиками системы; {(?} - вектор обобщенных координат размера п; {P(t)} - вектор силового возбуждения, приведенный к обобщенным координатам; f- время. Симметрические матрицы [А\, [В], [С] размера пхп находятся из выражений: [А] = S([M\sit [В]= ST2[6 2, [C]=sl[c] S3, [P(t)]=Sl[p\, (2.13) где: [М\, \р\, [СJ - диагональные матрицы, диагональными элементами которых являются компоненты векторов соответственно индуктивных (инерционных, массовых), диссипативных и емкостных (упругих) характеристик элементов оборудования, подверженные деградации при его изготовлении и эксплуатации; Slt S2, S2, SA - структурные матрицы инерции, сопротивления, упругости и силовая, определяемые функциональными связями между координатами движений инерционных {г} , диссипативных (0} , упругих { } и силовых {YJ/} элементов и обобщенными координатами {л} — i {G} . { = {?}= з(б}« M=S4{Q}
Сущность метода диагностики энергетического оборудования на основе показателей чувствительности к резонансным возбуждениям
Такие формулы функций чувствительности дают простой способ вычисления их значений, поскольку при расчете частот свободных колебаний исходной системы любым методом легко определяются и отвечающие им собственные формы, по которым находятся правые части в уравнениях (3.20). Известно, что обычные формы - это совокупность соотношений между амплитудами колебаний инерционных элементов, происходящих под действием потенциальных сил. При использовании метода плоских вращений Якоби, обычные формы колебаний (формы амплитуд обобщенных координат) исходной системы со многими степенями свободы оказываются нормированными таким образом, что сумма всех относительных кинетических и потенциальных энергий элементов равна единице, поэтому такую нормировку назовем естественной (рис.3.3). Это дает непосредственно коэффициенты влияния динамических параметров на /-е частоты свободных колебаний без определения правых частей в выражениях (3.20) путем умножения соответствующих инерционных параметров на квадрат максимума координаты движения m-го элемента (относительная доля кинетической энергии) и упругих параметров на квадрат максимума координаты движения /с-го участка, поделенной на со - (относительная доля потенциальной энергии).
Одна из теорем конечномерных нормированных пространств утверждает, что все нормы эквивалентны. Удобство естественной нормировки состоит в том, что она без пересчета позволяет определить энергетический вклад элементов в общую колебательную энергию системы любой физической природы, в процентах (см. рис.3.3) [67].
Энергетические формы колебаний, представляющие собой вертикальные отрезки, отложенные от соответствующего инерционного или упругого элемента и пропорциональные правым частям выражений (3.20), наглядно показывают (см. рис. 3.4) влияние параметров ма собственные частоты системы, а также уровень врожденной чувствительности элементов к появлению и развитию повреждений. Получаемые по зависимостям (3.20) значения функции чувствительности справедливы при малых изменениях варьируемых параметров, практически не затрагивающих форму колебаний. Уравнения (3.20) справедливы для дискретных (дискретизуемых) линейных систем любой физической природы, сложности и структуры.
Энергетические характеристики колебаний элементов модели оборудования позволяют в отличие от обычных форм колебаний сравнивать вклад различно движущихся элементов (крутильные, изгибные, продольные колебания и т.д.), судить об их источниках и принимать решение о состоянии объекта. Наиболее энергоемким элементом будем называть тот элемент в системе, для которого при данной форме свободных колебаний кинетическая (потенциальная) энергия достигает относительно наибольшей величины.
Энергетические формы дискретной модели реального валопровода позволяют выделить энергоемкие элементы системы (с точки зрения энергетического вклада элементов в общий колебательный процесс системы в процентах), что необходимо для ее отстройки от опасных резонансов, определения местоположения демпфера или антивибратора на данной частоте, выявления опасных участков по накоплению усталостных повреждений, решения вопроса о месте присоединения автоматического регулятора к системе привода, влиянии изменения конструкции муфт сочленения узлов машин на их надежность, распознавания зарождающихся дефектов заранее, локализации по структуре изделия повреждений и др.
Энергетические соотношения позволяют также оценить чувствительность форм свободных колебаний к возбуждению резонансов. При этом становится возможным эффективное управление спектром свободных колебаний системы любой физической природы, что равносильно обеспечению безопасности, надежности и живучести энергоустановок в нормальных, послеремонтных и аварийных режимах [10, 85, 110]. Таким образом, любое оборудование обладает врожденными динамическими параметрами и структурой, зависящими от конструктивных особенностей. При этом уровень чувствительности элементов оборудования к зарождению повреждений определяется энергетическими соотношениями на соответствующих частотах свободных колебаний.
Ранее указывалось, что существующие методы вибродиагностического контроля не позволяют однозначно соотнести полученную характеристику виброакустического сигнала с местом и видом зарождающегося дефекта. Поэтому для преодоления трудностей по определению места и вида повреждений предлагается использовать энергетические формы колебаний модели электромеханической системы по функциям чувствительности ее элементов (см. рис.3.4) в качестве диагностических признаков зарождающихся дефектов (контактирующих поверхностей) как создаваемого, так и эксплуатируемого оборудования (электромеханических и гидромеханических систем), как звено многоуровневой системы обслуживания различного оборудования по состоянию, основанной на определении фактического механического состояния оборудования и проведении ремонтных мероприятий только там и именно тогда, где и когда это действительно необходимо.
Диагностика стендовой установки с судовым двигателем 8ЧН16,5/18,5: расчет и торсиографирование
Результаты обработки материалов торсиографирования валопровода стендовой установки в виде зависимостей амплитуд колебаний первой массы системы от частоты вращения коленчатого вала двигателя Ax=Jlj\) на холостом ходу и под нагрузкой представлены на рис.4.7, 4.8. Как следует из представленных зависимостей, наиболее заметное развитие амплитуд колебаний наблюдается в районе резонанса восьмого порядка (v=8) моторной (второй) формы Лрвз«1280 об/мин (N2 «10240 кол/мин) и резонанса первого порядка (v=1) валопроводной (первой) формы npej«1575 об/мин (N(К1575 кол/мин). Экспериментальные резонансные частоты этих форм практически совпадают с расчетными частотами свободных крутильных колебаний системы NfttlSB ] кол/мин и Л 7 »10172 кол/мин (отличие составляет до 1,5 Гц при работе двигателя под нагрузкой), что подтверждает правильность построения физико-математической модели свободных крутильных колебаний в целях расчета спектрального «портрета». При этом максимальные резонансные напряжения (на валопроводной и моторной формах соответственно) в: карданном вале составляют около 5 МПа, что ниже допускаемых 40 МПа для длительной работы; коленчатом вале двигателя составляют около 15 МПа, что ниже допускаемых 90 МПа для длительной работы.
Уровень развития амплитуд колебаний на холостом ходу заметно ниже, чем при нагрузке, особенно, в диапазоне малых и средних оборотов.
Результаты гармонического анализа магнитных записей, представленных в [75], показывают, что при нагрузке резонансные амплитуды колебаний А1 восьмого порядка второй формы и первого порядка первой формы составляют, соответственно, Л1{у=8) «0,00237 рад и Л1(у=1)«0,0031 рад при максимальных суммарных амплитудах «0,004 рад.
Как следует из [75] по результатам пересчета резонансных амплитуд колебаний Ах по первой и второй формам, амплитуды резонансных напряжений и эластических моментов на всех участках валопровода существенно ниже значений, допускаемых для длительной работы.
Для оценки допустимости уровня развития крутильных колебаний первой и второй (моторной) форм для элементов валопровода и прежде всего коленчатого вала недостаточно учета только резонансных амплитуд колебаний, так как согласно спектрограммам, приведенным для режимов с наибольшим уровнем амплитуд Пр««1280 об/мин, ЛрвЛ«1580 об/мин и /W 1750 об/мин, помимо резонансных гармоник восьмого и первого порядков, наблюдаются вынужденные колебания значительного числа других гармоник, амплитуды колебаний которых близки по величине к амплитудам восьмого и первого порядков. Поэтому был произведен пересчет амплитуд по формам вынужденных колебаний для этих гармоник (около десяти гармоник), с последующим их суммированием. В результате суммирования максимальные амплитуды напряжений в коленчатом вале на режиме ., 1280 об/мин составляют около г 40 МПа, а на номинальных оборотах Лн0М-1750 об/мин - около rf f «50 МПа. Полученный уровень напряжений достаточно высок, однако ниже допустимого /т/"«90 МПа для длительной работы коленчатого вала.
Сопоставление экспериментального спектрального «портрета» с теоретической априорной информацией позволяет вынести заключение о целесообразности диагностирования зарождающихся дефектов по разработанному методу.
Выполненным диагностическим исследованием (расчетным и экспериментальным) крутильных колебаний стендовой установки с судовым двигателем 8ЧН 16,5/18,5 получены следующие результаты:
1.В диапазоне 1570.„1620 об/мин в валопроводе развиваются резонансные крутильные колебания первой формы от возмущающего момента первого порядка с частотой Nx «1580 кол/мин практически совпадающей с расчетной W/ 1581 кол/мин. Максимальные резонансные напряжения в карданном вале составляют около 5 МПа, что ниже допускаемых 40 МПа для длительной работы.
2. В диапазоне 1270...1320 об/мин зарегистрированы резонансные крутильные колебания второй (моторной) формы от возмущающего момента восьмого порядка с частотой N2 «10240 кол/мин практически совпадающей с расчетной N$ «10172 кол/мин (отличие составляет до 1,5 Гц при работе двигателя под нагрузкой). Максимальные резонансные напряжения в коленчатом вале двигателя составляют около 15 МПа, что ниже допускаемых 90 МПа для длительной работы.
3. Произведен пересчет амплитуд по формам вынужденных колебаний для десяти гармоник, с последующим их суммированием.
В результате суммирования максимальные амплитуды напряжений в коленчатом вале на режиме /7 1280 об/мин составляют около т$ 40 МПа, а на номинальных оборотах пном=М50 об/мин - около 7 50 МПа.
Полученный уровень напряжений достаточно высок, однако ниже допустимого /Ч/Лк90 МПа для длительной работы коленчатого вала.
4. Таким образом, полученные результаты экспериментальных испытаний полностью подтвердили исходный теоретический материал, в частности по проблеме выбора и построения физико-математической модели свободных крутильных колебаний в целях расчета спектрального «портрета», а также определения резонансных режимов установки в рабочем диапазоне частот вращения, имеющих значительный уровень.
5. Сопоставление экспериментального спектрального «портрета» с теоретической априорной информацией (расчетными частотами и энергетическими формами свободных колебаний) позволяет вынести заключение о целесообразности диагностирования зарождающихся дефектов по разработанному методу.
