Введение к работе
Диссертация посвящена развитию теории дискретно-фазовых измерений, научному обоснованию и разработке дискретно-фазовых преобразователей угловых и линейных перемещений элементов вращающихся узлов изделий машиностроения.
Актуальность работы. Обеспечение высокой надежности вращающихся узлов изделий машиностроения, в первую очередь энергетических установок (ЭУ) на базе турбоагрегатов, увеличение их эксплуатационного ресурса, снижение эксплуатационных расходов и эксплуатация по техническому состоянию обусловливают потребность в информации о фактическом, реальном состоянии нагруженных вращающихся элементов. По этой причине оказывается востребованной разработка эффективных автоматизированных средств диагностики и контроля состояния элементов вращающихся силовых узлов ЭУ, которое в свою очередь определяется статическими и динамическими угловыми и линейными перемещениями (УЛП) этих элементов. Примерами УЛП являются: статическая закрутка и крутильные колебания валов мощных электродвигателей и электрогенераторов, турбин и компрессоров, статический изгиб и раскрутка, изгибные и крутильные колебания лопаток турбоагрегатов и др.
Реализованным на практике методом как оперативного, так и длительного контроля состояния элементов ВУ ЭУ является бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ). Однако, внедрение известного классического метода дискретно-фазовых измерений сдерживается как на штатных, так и на экспериментальных ЭУ вследствие необходимости выполнения глубокого препарирования энергоагрегата для установки датчиков в его внутреннем тракте. Установка внутренних датчиков требует монтажа дополнительных крепежных, токосъемных и других конструктивных элементов, что снижает надежность как устройства контроля, так и ЭУ в целом. Кроме того, классический ДФМ имеет существенный недостаток, связанный с резким уменьшением чувствительности при измерении локальных УЛП, обусловленных высшими формами колебаний элементов вращающихся узлов энергетических установок.
Вопросам разработки, теоретического обоснования и внедрения подобных устройств посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов: Боришанского К.Н., Григорьева Б.Е.; Григорьева С.Ю., Дорошко СМ., Заблоцкого И.Е., Заславского А.Г., Коростелева Ю.А., Лебедева А.В., Левицкого Ю.Н., Малышева B.C., Медникова В.А., Молчанова Е.И., Первушина СМ., Секисова Ю.Н., Солохина Э.Л., Тойбера М.Л., Урьева Е.В., Шипова Р.А., Robinson R.A., Carrington LB., Cooper J. E., Dimitriadis G., Ewins D.J., Heath S., Hohenberg R., Holz R.G., Slater Т., Stivenson R.E., Wright J.R., Zielinski M. и др.
В то же время в связи с возрастанием требований к точности и достоверности контроля перемещений вращающихся узлов (ВУ) ЭУ возникает необходимость в создании нового поколения устройств, которые в силу специфики построения и методики использования целесообразно выделить в самостоятельный класс средств измерений - дискретно-фазовые преобразователи перемещений (ДФПП). Особенность преобразователей данного класса заключается в том, что значения
дискретных фаз перемещений формируются с помощью расположенного в технологическом отверстии корпуса ЭУ одно - или двухканального первичного преобразователя (1111), в котором конструктивно и функционально интегрированы объект контроля, источник и приемник зондирующего излучения (ЗИ) оптического или радиоволнового диапазона и электронные узлы первичной обработки сигналов. Такое конструктивное решение позволяет обеспечить получение необходимой информации при минимальном уровне препарирования ЭУ (используется лишь одно технологическое отверстие в корпусе 0 8-10 мм), что не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на прочность конструкции ЭУ в целом. Проведенный анализ научно-технической и патентной информации показал, что комплексные исследования технических возможностей ДФ1111 динамически нагруженных ВУ ЭУ до сих пор не проводились, что препятствует их широкому использованию в процессе доводки, испытаний и технической эксплуатации различных изделий машиностроения.
Поэтому комплексное решение вопросов, связанных с развитием теории ДФ1111, теоретически обоснованных методов проектирования и построения аппаратных средств ДФ1111, позволяющих с единых научных позиций получить обобщенные и частные математические модели информационного взаимодействия чувствительных элементов ДФ1111 с контролируемыми объектами, выяснить общие подходы и закономерности построения и функционирования ДФ1111, адаптированных к экстремальным эксплуатационным условиям, обосновать технические возможности и пути их реализации применительно к системам автоматического управления (САУ) энергоагрегатами, показать их преимущества перед традиционными ДФ1111 и на этой основе обеспечить создание и практическое использование устройств контроля рабочих УЛП элементов вращающихся узлов изделий машиностроения при сохранении требуемого уровня достоверности в условиях их ограниченного препарирования представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
Работа выполнена в рамках межвузовской научно-технической программы «Неразрушающий контроль и диагностика» (1995-1997 г.), комплексной программы «Перспективные информационные технологии в высшей школе» (подпрограмма АСНИ, 1996-1999 г.), региональной программы «Развитие научного и технологического потенциала Самарской области» (1998-2000 г.), федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» подпрограмма «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2006 г.), инновационной образовательной программы «Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэрокосмических и геоинформационных технологий» (2006-2011 г.) программы развития ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)» (2009-2018 г.).
Цель диссертационной работы. Развитие теории ДФМ и создание на ее основе нового класса преобразователей угловых и линейных перемещений элементов вращающихся узлов изделий машиностроения, позволяющих в условиях минимального препарирования обеспечивать необходимую точность и достоверность контроля перемещений в реальных условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:
Теоретическое обоснование использования ДФПП с одноканальным чувствительным элементом для бесконтактного контроля статических и динамических линейных перемещений элементов вращающихся узлов ЭУ.
Разработка принципов построения ДФПП с двухканальным чувствительным элементом для бесконтактного контроля угловых и линейных перемещений элементов вращающихся узлов ЭУ, на основе взаимодействия зондирующего электромагнитного излучения (ЗИ) оптического и радиоволнового диапазонов с локальными зонами контролируемых элементов.
Разработка обобщенной математической модели (ОММ) процессов формирования информационных сигналов ДФПП с учетом конструктивно-геометрических параметров элементов вращающихся узлов ЭУ; математической модели ДФПП при его реализации в оптическом и радиоволновом диапазонах для контроля угловых и окружных перемещений элементов ВУ; программного обеспечения для исследования и обоснования конструктивно-технологических характеристик ДФПП по математической модели бесконтактного взаимодействия чувствительных элементов ДФПП с локально-информационными зонами контролируемого элемента ВУ ЭУ.
Исследование метрологических характеристик ДФПП и разработка методов повышения их точности. Разработка электронных и механических имитаторов перемещений контролируемых поверхностей для настройки и метрологических испытаний ДФПП.
Разработка методики эксплуатационного мониторинга выработки ресурса элементов ВУ ЭУ с использованием ДФПП на примере лопаточного узла ГТД.
Разработка способов реализации ДФПП, их конструкций и схем на основе современной элементной базы и микроконтроллеров. Экспериментальные исследования и практическое использование разработанных ДФПП.
Методы исследования. В диссертационной работе при решении поставленных задач использованы: методы математического моделирования; математический аппарат аналитической геометрии и линейной алгебры; теоретические положения геометрической оптики и фотометрии; методы расчета оптико-электронных систем; элементы теории электромагнитного поля; математические методы активного планирования эксперимента и регрессионного анализа; элементы теории погрешностей и методы статистической обработки экспериментальных данных.
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов
подтверждена математическим и численным моделированием
энергоинформационных процессов в ДФПП; корректными допущениями и ограничениями, использованными при разработке моделей преобразователей;
экспериментальными исследованиями ДФГШ, созданных с использованием разработанных математических моделей и методик проектирования; проверкой на виртуальных и эталонных механических имитаторах, задающих образцовые линейные и угловые перемещения контролируемых элементов ВУ. Научная новизна работы определяется тем, что впервые:
Разработана методика бесконтактного контроля статических и динамических линейных перемещений элементов ВУ ЭУ на базе ДФГШ с одноканальным чувствительным элементом, основой которого является измерение временных интервалов между импульсами периферийного датчика или временных интервалов между импульсными сигналами оборотной метки и периферийного датчика с последующей, в обоих случаях, статистической обработкой результатов.
Предложены новые способы для реализации ДФГШ с двухканальным чувствительным элементом, основанные на регистрации временных интервалов между сигналами, сформированными при использовании диффузно и зеркально отражающих областей на поверхности контролируемого элемента ВУ ЭУ, полученных за счет соответствующего выбора соотношений между длиной волны ЗИ и параметрами микрорельефа отражающих областей.
Разработана ОММ ДФГШ для контроля угловых перемещений контролируемых поверхностей, отображающая в различных частотных диапазонах процесс взаимодействия областей действительного пространства энергетических, конструктивных и схемотехнических параметров ДФГШ при формировании выходных информационных сигналов.
Разработана математическая модель процесса взаимодействия ЗИ ДФГШ в оптическом и СВЧ диапазонах с информационной зоной элемента ВУ ЭУ и формирования результирующего информационного сигнала, с учетом формы и микрорельефа контролируемой поверхности элемента, его углового и окружного перемещения относительно приемно-передающего модуля.
Разработана полиномиальная модель погрешности формирования информационного временного интервала ДФГШ с двухканальным чувствительным элементом, использование которой устанавливает границы статических и динамических дестабилизирующих факторов (асимметрия формы импульсов, флуктуации установочного зазора и уровней компарирования), в пределах которых их влияние на результирующую погрешность минимально.
Предложена и обоснована методика эксплуатационного мониторинга выработки ресурса лопаток турбоагрегатов, основанная на объективной информации о перемещении торцов лопаток, получаемой с помощью ДФГШ и позволяющей определять показатели их прочностной надежности, а именно: коэффициенты запаса прочности, коэффициенты выработки ресурса, эквивалентной наработки за конкретный эксплуатационный цикл и ее накопление.
Разработаны новые конструкции и структурные схемы ДФГШ для контроля УЛП ВУ изделий машиностроения, позволившие в условиях минимального препарирования объекта контроля обеспечивать необходимую
точность и достоверность контроля перемещений в реальных условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы. Заключается в том, что разработанные способы реализации ДФГШ, компьютеризированные системы диагностики и средства контроля ВУ ЭУ, построенные на основе ДФГШ, предложенные и апробированные конструктивные и схемотехнические решения, реализованные в устройствах контроля УЛП лопаток турбомашин, позволили решить ряд важнейших задач, а именно:
получение информации об УЛП динамически нагруженных элементов вращающихся узлов ЭУ, необходимой для прогнозирования остаточного ресурса, например, лопаточных аппаратов турбоагрегатов и оптимизирования сроков проведения их ремонтов с продлением межремонтного периода эксплуатации;
снижение трудоемкости общей эксплуатации ЭУ путем проведения восстановительно-ремонтных работ на стадии раннего определения увеличения УЛП элементов ВУ ЭУ при развитии в них дефектов;
- обнаружение предельно допустимых УЛП торцов лопаток турбоагрегатов и
предотвращение в связи с этим аварийных ситуаций, связанных с лопаточными
поломками.
На защиту выносятся:
Обобщенная математическая модель ДФГШ для контроля угловых перемещений контролируемых поверхностей отображающая в различных частотных диапазонах процесс взаимодействия областей действительного пространства энергетических, конструктивных и схемотехнических параметров первичного преобразователя при формировании выходных информационных сигналов.
Математическая модель процесса взаимодействия ЗИ ДФГШ в оптическом и СВЧ диапазонах с информационной зоной элемента ВУ ЭУ и формирования результирующего информационного сигнала, с учетом формы и микрорельефа контролируемой поверхности силового элемента, его углового и окружного перемещения относительно приемно-передающего модуля.
Способы реализации ДФГШ с двухканальным чувствительным элементом, основанные на регистрации временных интервалов между сигналами, сформированными при использовании диффузно и зеркально отражающих областей на поверхности контролируемого элемента ВУ ЭУ, полученных за счет соответствующего выбора соотношений между длиной волны ЗИ и параметрами микрорельефа отражающих областей.
ДФГШ с одноканальным чувствительным элементом для бесконтактного контроля статических и динамических линейных перемещений элементов ВУ ЭУ, основой которого является измерение временных интервалов между импульсами периферийного датчика или временных интервалов между импульсными сигналами оборотной метки и периферийного датчика с последующей, в обоих случаях, статистической обработкой результатов.
Полиномиальная модель погрешности формирования информационного временного интервала ДФГШ, использование которой устанавливает границы статических и динамических дестабилизирующих факторов (асимметрия формы
импульсов, флуктуации установочного зазора и уровней компарирования), в пределах которых их влияние на результирующую погрешность минимально.
Методика эксплуатационного мониторинга выработки ресурса лопаток турбоагрегатов, основанная на объективной информации о перемещении торцов лопаток, получаемой с помощью ДФПП и позволяющей определять показатели их прочностной надежности, а именно: коэффициенты запаса прочности, коэффициенты выработки ресурса, эквивалентной наработки за конкретный эксплуатационный цикл и ее накопление.
Новые конструкции и структурные схемы ДФПП для контроля УЛП ВУ изделий машиностроения, позволившие в условиях минимального препарирования объекта контроля обеспечивать необходимую точность и достоверность контроля перемещений в реальных условиях эксплуатации.
Реализация результатов работы:
- в использовании результатов исследований при разработке способов
определения УЛП элементов ВУ изделий машиностроения и применении ДФПП
в составе контрольно-измерительных и диагностических средств;
в разработке и создании измерителя виброперемещений лопаток на основе оптоэлектронного и вихретокового преобразователей (ОЭП-ВТП), внедренного и использованного в ОНИЛ-1 КуАИ для исследования вибрационных характеристик композитных материалов и деталей;
в разработке и создании на основе ДФПП с двухканальным чувствительным элементом измерителя деформаций лопаточных венцов ГТД для контроля параметров динамического состояния лопаток ГТД, внедренного в Самарском конструкторском бюро машиностроения (СКБМ);
в разработке и создании на основе ДФПП с одноканальным чувствительным элементом сигнализатора предаварийных деформаций лопаток (СПДЛ), использованных в составе контрольно-измерительной аппаратуры газотурбинных двигателей на газокомпрессорных станциях (ГКС) «Павловская» Ульяновской области и ГКС «Ржев» Ленинградской области;
в использовании результатов исследований при выполнении экспериментально-отладочных работ по конструкторской доводке лопаток 4 и 8 ступеней компрессора судового ГТД ДН-80 на ГП НПКГ «Зоря-Машпроект»;
- в разработке и создании на основе ДФПП системы контроля
деформационного состояния лопаток (СКДСЛ), используемой на филиале ОАО
«Волжская ТГК» «ТЭЦ ВАЗа» на ПТ-60-130/13 станция № 2; Т-100/120-130
станции № 4, № 8; ПТ-135/165-130 станции № 9, № 11;
- в разработке и создании опытного программно-информационного комплекса
по выявлению предаварийных перемещений лопаток системами контроля
деформационного состояния рабочих лопаток паровых турбин, используемого на
филиале ОАО «Волжская ТГК» «ТЭЦ ВАЗа»;
в разработке и создании программно-аппаратного имитатора угловых и линейных перемещений торцов лопаток для проверки и калибровки ДФПП;
в использовании ДФПП и сигнализатора предаварийных деформаций лопаток (СПДЛ) в учебном процессе для подготовки специалистов по специальности (160901) «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и
двигателей» в курсе «Электрические измерения», а также в студенческих научно-исследовательских работах на кафедрах электротехники, радиотехники и медицинских диагностических систем, радиотехнических устройств СГАУ. Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Вибродиагностика авиационных газотурбинных двигателей» (г. Куйбышев, 1984 г.); на VII областной научно-технической конференции «Новые методы и средства неразрушающего контроля полуфабрикатов, деталей и изделий» (г. Куйбышев, 1985 г.); на 4-й научно-технической конференции ученых и специалистов КуАИ (г. Куйбышев, 1985 г.); на областной научно-технической конференции (г. Куйбышев, 1986 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы технических измерений» (Москва, 1995 г.); на научно-техническом семинаре по итогам работы отраслевых лабораторий и научно-исследовательских групп ОНИЛ-5, ОНИЛ-16, НИГ «Вибродиагностика» (Самара, 1999 г.); на X международной конференции (Севастополь, 2000 г.); на XI международной конференции «КрыМиКо-2001» (Севастополь, 2001 г); International Signal Processing Conference in Dallas (Texas, 2003); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2003 г.); на всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники" (Самара, 2003 г.); на научно-методической конференции «Актуальные проблемы развития университетского технического образования в России» (Самара, 2004 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2011 г.); на 19-й научно-технической всероссийской конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Самара, 2011 г.); на 1-ой всероссийской научно-практической конференции «Устройства измерения, сбора и обработки сигналов в информационно-управляющих комплексах» (Ульяновск, 2011 г.); на научно-техническом совете радиотехнического факультета СГАУ ( 2003, 2005, 2008, 2010, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 печатных работ, в том числе одна монография, 28 статей, из которых 15 - в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, получено 10 авторских свидетельств и 7 патентов РФ на изобретения, 19 тезисов докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из основного текста на 288 страницах машинописного текста, включающего введение, пять глав и заключение, списка литературы из 162 наименований и приложения. Основная часть проиллюстрирована 156 рисунками и 5 таблицами.
