Введение к работе
Актуальность работы. Развитие современных газотурбинных двигателей ( ГТД ) и газотурбинных установок идет по пути повышения мощности. Увеличиваются давление за компрессором и температура в камере сгорания. Улучшаются габаритно-массовые показатели - «писается материалоемкость узлов и корпусных элементов. Решающее влияние на экономичность и надежность ГТД оказывают зазоры между торцами лопаток рабочего колеса ротора и статором. Так,уменьшение зазора в высоконагруженнъгх ступенях компрессора на 1 % приводит к увеличению коэффициента полезного действия ГТД на 2% и запаса газодшгамической устойчивости на 5%. Однако при малых зазорах высока вероятность "врезания" гребешков лопаток во внутреннее уплотнительное покрытие статора на переходных реясимах работы ГТД.
Проблема минимизации радиальных зазоров связана с согласованием тепловых расширений ротора и статора, с оптимизацией способов передачи переменных силовых нагрузок на подвеску двигателя для сохранения концентричности статора и ротора, с ужесточением допусков на сборку и балансировку ГТД. При этом сами зазоры являются лишь одной из составляющих векторов многомерных перемещений различных зон оболочки статора. Проблема усложняется еще и тем, что на статоре ГТД имеются массивные агрегаты управления, регулирования и привода различных систем двигателя. Расчетные модели собственных форм и частот колебаний оболочки статора ГТД не могут дать полных и достоверных динамических и прочностных характеристик. Поэтому задача контроля пространственных деформаций корпуса работающего ГГД путем измерения ортогональных составляющих многокомпонентных перемещений ( МП ) контрольных точек ( КТ ) в труднодоступных зонах оболочки корпуса является важной в процессе разработки и испытаний двигателей, обладающих повышенными экономичностью и надежностью. Контроль МП в труднодоступных зонах контролируемых изделий ( КИ ) необходим при определении взаимных многокомпонентных перемещений стыка полок бандажированного лопаточного венца ІТД, а также для других областей техники и прикладных научных исследований , например, для робототехнических комплексов.
Из множества средсгв контроля МП КИ молено выделть два основных вида: - контактные, - бесконтактные. Контактные - имеют экранированную и устойчивую к внешним воздействиям конструкцию, но результирующая погрешность зависит от точности базирования, от деформаций элементов механических связей, от стабильности контакта в спектре частот КИ, что снижает качество контроля. Бесконтактные - основаны на взаимодействии с КИ электромагнитных полей, т.е. на применении оптоэлектронных, емкостных, вихретоковых чувствительных элементов ( ЧЭ ), среди которых последние получили наибольшее распространение при измерении статических и динамических перемещений КИ, работающих в загрязнеїшьіх скоростных газовых потоках с повышенной влажностью и перепадами температуры.
Существующие бесконтактные средства электромагнитного контроля многокомпонентных перемещений КИ основаны, как правило, на применеіши нескольких однокомпонентньгх преобразователей. Размещение большого количества однокомпонентных преобразователей для контроля взаимных перемещений деталей и узлов машин становится трудноосуществимой задачей особенно в
зонах КИ с ограниченным доступом, что не позволяет реализовать одновременный контроль МП в одной контрольной точке изделия.
Необходим поиск новых подходов к построению электромагнитных средств измерения МП КИ, а это, в первую очередь, связано с разработкой обобщенных и частных математических моделей электромагнитных преобразователей перемещений, работающих в условиях воздействия большого количества влияющих факторов. Таким образом, комплекс задач, связанных с исследованием и разработкой электромагнитных преобразователей для измерения МП КИ, представляет собой актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народно-хозяйственное значение.
Работа выполнена в рамках комплексной научно-технической программы « Полет» Минавиапрома и Минвуза РСФСР, инновационной межвузовской программы "Надежность конструкций", межвузовской НТП Госкомвуза "Не-разрушающий контроль и диагностика"', комплексной программы «Перспективные информационные технологии в высшей школе» ( подпроірамма АСНИ ), комплексной программы « Конверсия », а также региональной программы « Развитие научного и технологического потенциала Самарской обпасти ».
Цель диссертационной работы. Обобщение, развитие теории и разработка пгирокодиапазогаплх электромагнитных преобразователей многокомпонентных перемещений в каждой из контрольных точек, расположенных в труднодоступных зонах изделий.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
-сформировать концептуальную модель многоэлементных преобразователей для бесконтактного измерения МП в каждой из контрольных точек, расположенных в труднодоступных зонах КИ;
-обосновать выбор систем координат и разработать методы и алгоритмы определения компонент перемещений и их составляющих от различных влияющих факторов;
-провести анализ топологии возбуждающего поля и идентификацию электромагнитных преобразователей по типам для работы в труднодоступных зонах изделий с большим диапазоном контролируемых перемещений;
-разработать математические модели параметрических и трансформаторных бесконтактных электромагнитных преобразователей для измерения ортогональных составляющих вектора многокомпонентных перемещений изделий;
-выполнить теоретическое и экспериментальное исследование влияния конструктивных и режимных параметров преобразователей на их чувствительность к компонентам перемещений и электрофизическим характеристикам контролируемых изделий;
-обосновать способы построения блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повышения помехозащищенности электромагнитных преобразователей;
-разработать многоканальную аппаратуру с улучшенными технико-экономическими характеристиками для систем электромагнитного измерения многокомпонентных перемещений узлов изделий машиностроения.
-Методы исследования. В работе использованы: теория электромагнитного поля применительно к задачам контроля перемещений .электропроводящих изделий, гармонический анализ функций распределения плотности тока по за-
данным поверхностям, аналитическая геометрия, векторная алгебра, теория матриц, дифференциальное исчисление функций многих переменных, теории погрешностей п инвариантности, теории электрических и магнитных цепей, имитационное моделирование с использованием ЭВМ. Достоверность многих положений работы проверена экспериментально, а также сравнением полученных результатов с данными, опубликованными другими авторами.
- Научная новизна работы заключается в следующем.
- Предложена концепция измерения многокомпонентных перемещений
(МП) в каждой из контрольных точек (КТ), расположенных в труднодоступных
зонах двигателей, основанная на выделении ортогональных составляющих век
тора пространственных перемещений зон контролируемых изделий ( КИ ).
Разработаны алгоритмы и методики определения ортогональных компонент пе
ремещений в каждой зоне контроля изделия.
На основе анализа возбуждающего поля преобразователей с использова- нием теории магнитных цепей и экспоненциальных моделей характеристик накладных электромагнитных преобразователей перемещений проведена идентификация и впервые выделены два типа преобразователей : компланарные и ортогональные. Выявлены преимущества ортогональных преобразователей при измерении МП в труднодоступных зонах КИ с большим диапазоном перемещений.
Разработаны математические модели многоэлементных ортогональных преобразователей, позволившие проанализировать основные характеристики первичных преобразователей с учетом взаимного влияния компонент перемещений и полей чувствительных элементов друг на друга.
Установлены ранее неизвестные закономерности, связывающие конструктивные и режимные параметры ортогональных преобразователей с их чувствительностью к контролируемым и мешающим компонентам перемещений , а также к электрофизическим характеристикам КИ.
Разработаны рекомендации по построению блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повьпиеїшя помехозащищенности электромагнитных преобразователей. Исследовано влияние конфигурации экрана для установки чувствительных элементов в едином проводящем корпусе на хараклериешки элекгромагнитных преобразователей МП КИ.
Разработаны структурные схемы и алгоритмы функционирования многоканальной аппаратуры, позволившие расширить функциональные возможности и повысить помехозащищенность устройств электромагнитного измерения МП и деформаций КИ .
На защиту выносятся:
Концепция одновременного бесконтактного измерения ортогональных составляющих МП в каждой из КТ, расположенных в труднодоступных зонах КИ. Методики измерения компонент перемещений и деформаций КИ.
Результаты теоретического анализа возбуждающего поля, позволившие провести идентификацию и выделить типы компланарных и ортогональных накладных электромагнитных преобразователей и обосновать области их применения.
Математические модели параметрических и трансформаторных ортогональных электромагнитных преобразователей перемещений, позволившие проанализировать их основные характеристики с учетом влияния компонент перемещений на вносимые параметры чувствительных элементов.
Результаты исследований конструктивных и режимных параметров многоэлементных преобразователей, позволившие получить высокую чувствительность в широком диапазоне контролируемых перемещений.
Способы построения блоков экранированных чувствительных элементов с заданной направленностью возбуждающего поля для повышения помехозащищенности измерений МП в труднодоступных зонах КИ.
-Алгоритмы функционирования и структурные схемы многоканальной аппаратуры для систем измерения многокомпонентных перемещений с широкой областью практических применений.
Практическом значимость. Созданы алгоритмы и программное обеспечение для расчета на ЭВМ параметров ортогональных преобразователей, позволяющие сократить сроки проектирования, уменьшил, затраты на экспериментальные исследования и доводку опытных образцов преобразователей. Разработан класс оригинальных миниатюрных экранированных преобразователей, отличающихся простотой, технологичностью и широкой областью применений в измерительных системах, позволяющих повысить достоверность и сократить время испытаний машин. Даны практические рекомендации по использованию принципа многоканальное для повышения помехозащищенности аппаратуры.
Устройства измерения МП КИ являются технической базой для решения разнообразных задач в системах контроля и управления сложными объектами, причем объекты измерений не ограничиваются рамками настоящей работы.
Разработаны модификации преобразователей (накладных и ортогональных - ПНо), отличающиеся количеством одновременно контролируемых компонент перемещений. Типовыми из них являются преобразователи : с одноком-понентными параметрическими или трансформаторными ПНо для контроля линейных перемещений, с двухкомпонентными трансформаторными ПНо контроля линейных и угловых перемещешгй, с пятикомпонентными трансформаторными ПНо контроля линейных и угловых перемещений по ортогональным направлениям, с пятикомпонентным ПНо контроля кривизны поверхности по ортогональным направлениям, с ПНо для контроля перемещений КИ с шестью степенями свободы.
Использование единого корпуса блока первичных преобразователей позволяет проводить совместные градуировки чувствительных элементов. Уменьшается количество разъемов и соединительных линий, что упрощает переустановку датчиков в процессе испытаний КИ. Многоканальная аппаратура измерения МП КИ увеличивает пропускную способность испытательной станции и повышает эффективность использования дорогостоящею оборудования.
Реализация результатов работы
Многоканальный прибор ВВМ -6 внедрен на моторостроительном объединении им Фрунзе, г. Куйбышев для контроля взаимных многокомпонентных перемещений стыка полок при стендовых испытаниях бандажированных полками лопаточных венцов ГТД. Комплект прибора включает три двухкомпонент-
пых и один пятикомпонентнъгй преобразователи линейных и угловых перемещений.
Модели миниатюрных экранированных электромапгатных преобразователей МП КИ используются в учебном процессе при подготовке специалистов по дисциплинам " Автомобильные датчики " и " Электрические измерения ire-электрических величин" , а также в студенческих научных работах на кафедрах электротехники и радиотехнических устройств СГАУ.
На Чапаевском опытном заводе измерительных приборов внедрены: система ПМП - 6 контроля наводки машин в полевых условиях. Комплект прибора включает один шестикомпонентный блок первичных преобразователей (БПП) и два трехкомпонентных БПГІ для контроля МП КИ по трем ортогональным осям координат; система ПМП - 4 электромагнитного контроля пространственною положения узлов машин с целью идентификации и унификации проводимых исследований и измерений.
На Самарском НПО «Труд« внедрены : система ПМП - 24 для исследования относительных перемещений опор роторов при работе изделия на стенде для обоснования допусков на центровку опор в процессе сборки изделия; аппаратура ПМП - 60 с миниатюрными преобразователями МП но ортогональным осям координат в каждой контрольной точке КИ.
В ЦИАМ ( Московская область), внедрена аппаратура БИКВ - б бескон-такгного измерения пространственных колебаний валов .
Для Челябинского тракторного завода разработано, изготовлено и внедрено устройство ИКП-4 для бескоігтактного распознавания наличия покрытия в виде медной фольги под краской.
Устройство УКРП компенсации разброса периметров резаков пресса внедрено на обувной фабрике ТОО " Волжане "( г. Самара).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на межотраслевой научно-техн. конф. ЦИАМ, ( г. Москва, 1988 г.), на Всероссийском постоянно действующем семинаре ЦРДЗ ( МДНТП ) «Вибрационная техиика«, ( г. Москва, 1992, 1991, 1990, 1989, 1988, 1987, 1986, І984, 1983 г.), на Всесоюзн. научно-техн. конф. «Микроэлектронные датчики в машиностроении» , ( г. Ульяновск, 1990 г. ), на Всесоюзной наушо -іехн. конф.« Современное состояние и перепет ивы развития методов и средств внброметрии и вибродиагностики« , (г. Минск-Москва, 1989 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф. «Неразрушающие физические методы н средства контро-ля«,(г.Москва, 1987 г.), на Всесоюзном совещашга «Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем «, (г.Москва 1987 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф.« ИИС - 83«, ( Куйбышев, 1983 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф. «Электромагнитные методы контроля качества материалов и изделий«, (г.Омск, 1983 г.), на Всесоюзной научно-техн. конф.« Конст-рукциоішая прочность двигателей«,(г.Куйбышев, 1979, 1983 г. ), на республиканской научно-метод. конф. «Опыт целевой подготовки специалистов в университете «,(г.Самара, 1993 г. ), на обл. научно-техн. конф « Методики и аппаратура неразрушающего контроля«,(г.Куйбышев, 1990, 1985 г.), на Всесоюзн. научно-техн. конф. «Неразрушающие физические методы и средства контроля«, (г.Кишинев, 1977 г.), на научно-техн. семинарах кафедры« Общая электротех-ника«(МЭИ, 1980, 1991 г.), на научно-техн. совете НИИИН, (г.Москва, 1980, 1982 г. ) , на научно-техн. семинаре по итогам работы отраслевых лабораторий
ОНИЛ-5, ОНИЛ-16 СГАУ ( Самара, 1999г.), на научно-техническом совете радиотехнического факультета СГАУ,( г. Самара, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, в том числе одна монография, 15 статей, 14 тезисов докладов на всесоюзных и региональных конференциях, получено 23 авторских свидетельства, 5 патентов РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 232 наименований. Общий объем работы 387 страниц, в том числе 226 страниц машинописного текста, 112 рисунков, 12 таблиц на 12 страницах и 46 страниц приложения.
