WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

  На правах рукописи

  УДК 006.91;621.002.56.

ПРОНЯКИН ВЛАДИМИР ИЛЬИЧ

Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа

фазы рабочего цикла

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации  на соискание ученой степени доктора технических наук

05.11.15 – Метрология и метрологическое обеспечение

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им.  Н.Э. Баумана.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Сергеев Алексей  Георгиевич

доктор технических наук, профессор

Телешевский Владимир Ильич

 

доктор технических наук, профессор

Обухов Игорь Васильевич

Ведущая организация –  ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метроло­ги­чес­кой службы»

       Защита диссертации состоится «  »  2010 года на заседании диссертационного совета Д212.141.18 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 1005005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

       Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, прось­ба выслать по указанному адресу.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бау­ма­на.

               Телефон для справок (499) 267-09-63

       Автореферат разослан  «..…..»  ……….……  2010 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.212.141.18

д.т.н., профессор  Цветков Ю.Б.



Актуальность. Надёжная оценка, прогноз технического состояния и ава­рийная защи­та технических объектов превращаются в проблему нацио­наль­но­го масштаба, так как страна вступила в полосу технических аварий и тех­ногенных катастроф. Особенно острое положение сложилось в энергетике и на всех видах транспорта, где без необходимого пополнения парка действующего оборудования его ресурс приближается к исчерпанию. Достаточно отметить техногенные ката­строфы на Каширской ГРЭС в октябре 2002 года, Рефтинской ГРЭС в декабре 2007, Саяно-Шушенской ГЭС в августе 2009 г. года и постоян­ные аварии авиационной техники (в частности вертолётов), сопровождающиеся человеческими жертвами.

Решение проблемы обеспечения надежности и долговечности машин и механизмов не найдено. Средства и методы, применяющиеся при метрологичес­ком обеспечении производства и эксплуатации, обладают чрезмерной пог­реш­ностью (0,01% - 5%) и не гарантируют раннего предупреждения об ава­риях. По той же причине оказалось недостаточной их разрешающая  спо­соб­ность, не поз­воляющая различать индивидуальные особенности отдельных однотипных тех­ни­ческих объектов, регистрировать эволюцию износа их конструктивных эле­ментов и деградацию конструкционных материалов. В связи с этим, на тра­ди­ционных принципах не удалось создать эффективные компактные встроен­ные контрольно-диагностические системы.

Между тем, точность измерений в фундаментальных научных (и при этом не только в лабораторных условиях) исследованиях опережает на много поряд­ков уровень точности, достигнутый в машиностроении.

Техническая реализация фундаментальных достижений естественных на­ук уже во второй половине ХХ-го века обеспечила снижение относительных погрешностей измерений расстояний в космическом пространстве до уровня 10-10 %, а в «стерильных лабораторных условиях» – до 10-15 %. В то же время уро­вень относительных погрешностей линейных измерений при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации объектов машиностроения не  опус­кается ниже (10-110-2)%. Столь резкий контраст уровня метрологического обес­пе­чения научных исследований с одной стороны и индустриально-про­мыш­лен­но­го производства – с другой отражает реально сложившиеся положение в сов­ре­менной техники, для которой характерны:

- неопределенность информации как об исходных значениях параметров конструкционных материалов порядка (110)% от их номинальных значений, так и об их изменениях в процессе эксплуатации техники;

- отсутствие компактных встроенных информационно-измерительных сис­тем, способных обеспечить безразборную диагностику функционирующих слож­ных систем, оценку их технического состояния и остаточного ресурса.

Прямыми следствиями этого является необходимость:

- соблюдения кратных запасов прочности, что влечет кратное изменение удельных габаритно-массовых характеристик конструкций, повышение их ма­териало- и металлоемкости;

- тщательной и  длительной  экспериментальной  опытно-конструкторской, кон­­структорско-технологической и опытно-промышленной отработки каж­дого изделия.

При этом обеспечение и надёжности работы машин и ме­ханизмов дос­тигается

благодаря применению системы регламентных про­фи­лак­тических осмот­ров и планово-предупредительных ремонтов с возмож­ностью замены исчерпы­ваю­щих свой ресурс и выводимых из эксплуатации объектов новыми.

       В настоящее время ресурс основных фондов отечественной техники в энер­­гетике и на транспорте, в обрабатывающей и добывающей промышленности исчерпан или близок к исчерпанию. Система планово-предупреди­тельных ре­­­­­­­­­­мон­­тов при наблюдающемся снижении поставок новой техники взамен близ­кой к ава­рий­ным отказам теряет свою эффективность.

Отечественные контрольно-диагностические средства и методы, основан­ные преимущественно на амплитудных, главным образом, виброакустических под­ходах, не обеспечивают в полной мере информационно-метрологическое обес­печение жизненного цикла машиностроительной продукции при разра­ботке, изготовлении, эксплуатации и ремонте. В настоящее время в промышленности и на транспорте преобладает аналоговая контрольно-измерительная аппаратура низкой и средней точности, оцифровка показаний которой не приводит к ради­кальному повышению точности. Отсутствуют инструментальные средства, обес­печивающие единство представления информации на всех этапах жизненного цикла изделия, то есть отсутствует единое представление экспериментальной ин­фор­мации, необходимой для её передачи с этапа эксплуатации в КБ и на производство. Недостаточно и оперативное математическое обеспечение сов­­ременного промышленного производства, так как математические модели функциони­рования изделий не учитывают многих возникающих динамических эффектов, не обеспечены инструментальными средствами идентификации, опи­раются на экспериментальные данные низкой и средней точности, не могут слу­жить надёжной основой САПР. Положение усугубляется возрастанием ве­роят­ности аварий на транспорте и в энергетике в связи с увеличением физи­ческого старения  и износа оборудования  и недостаточностью его возоб­нов­ле­ния.

В наиболее широко распространённой вибродиагностике основой полу­чения информации являются виброволновые процессы, возникающие при взаи­модействии частей устройства. Из-за погрешностей изго­товления возникают вибрации, значи­тельно превышающие  виброволновые процессы от  зарождаю­щихся дефектов. В связи с приработкой, износом, изменением режимов работы, условий эксплуатации и деградацией технической системы происходит неиз­бежное изменение парамет­ров колебательных процессов, исключающее наличие устойчивых во времени диагностических признаков. Проблема использования спектров колебательных процессов, дающих основную диагностическую инфор­мацию, заключается в том, что их структура со временем ра­дикально изме­ня­ет­ся (особенно на длительных интервалах эксплуатации), и поэтому их использо­вание для получе­ния трендов и прогноза не даёт надёжных результатов.

В современных условиях необходимы методы и информационно-измери­тельные системы, обеспечивающие оперативную регистрацию процессов дегра­дации и обнаружения зарождающихся дефектов функционирующих объектов, обеспечивающих диагностику и аварийную защиту. Остаётся нерешённой проб­лема информационного обмена между этапами жизненного цикла, особен­но от этапа эксплуатации, где информация минимизирована в целях снижения затрат. Не обеспечена эффективная диагностика ма­лооборотных и тихоходных меха­низмов, изделий точной механики, имеющих низкий уровень вибрации, высо­кооборотных систем с распределенной массой и др. (например, ГТД различного назначения). Задача перехода к ремонту по оценке те­ку­щего технического состояния объекта в авиации, наземном транспорте, тепло­энергетике, гидро­энергетике поставлена уже не первое деся­ти­ле­тие, но до сих пор не решена.

Цель работы

       Создание методов и средств информационно-метрологического сопровож­де­ния жизненного цикла машин и механизмов в едином формате контроли­руе­мых метрологических характеристик на основе рекордной стабильности ис­поль­зуемых технических средств современной отечественной хро­номет­рии и преимуществ фазового метода

Научная новизна

1. Впервые разработаны научные основы информационно-метрологи­чес­ко­го со­про­вождения жизненного цикла машин и механизмов на базе преци­зион­­ного хронометрического анализа фазы рабочего цикла в едином формате кон­тро­ли­руемых метрологических характеристик.

2. Впервые разработаны общие принципы и методологические основы иссле­дования, диаг­нос­тики и аварийной защиты циклических машин и меха­низмов фазо­хро­но­мет­ри­ческим методом.

3. Разработаны общие принципы математического моде­лирования машин и механизмов для применения на всех этапах жизненного цикла в фазохро­но­мет­ри­ческом представ­ле­нии.

4. На основе фазохронометрического подхода разработаны единые прин­ципы проек­тирования фазохронометрических измерительных систем для иссле­до­вания, диагностики и аварийной защиты машин и механизмов. 

5. На базе фазохронометрического подхода разработаны научные, тео­ре­тические и методологические основы

- создания новых средств и методов оценки технического состояния функ­цио­нирующих турбоагрегатов (ТА) большой мощности,

- изме­ри­тель­но-вычислительного мониторинга теку­ще­го технического сос­тояния и ава­рий­ной защиты функционирующих син­хрон­ных генераторов боль­шой мощности,

- исследования и диагностики двигателей внутреннего сгорания,

- исследования и диагностики часовых механизмов.

Значимость

1. Достигнутая чувствительность фазохронометрических систем реализует выявление зарождающихся дефектов, что недоступно тради­цион­ным методам диагностики (в частности, вибродиагностике).

2. Разработан проект информационно-метрологического сопровож­дения, диагнос­ти­ки и аварийной защиты ТА и вспомогательного оборудо­ва­ния ТЭЦ, обеспечивающий переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки текущего технического состояния, эффек­тив­ность которого подтверждёна технико-экономическим обоснованием составит в прогнозных ценах (дисконтированный по ставке 11%) в виде чистого приведенного дохода – 970 млн. руб. при сроке окупаемости – 4 года.

3. Разработан проект информационно-метрологического сопровож­де­ния, диагностики и аварийной защиты гидроагрегатов ГЭС на базе тестовой и функ­ци­ональной диагностики, обеспечивающий переход от сис­темы планово-преду­пре­дительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки те­ку­щего тех­ни­чес­кого состояния. Эффек­тив­ность проекта подтверждёна технико-экономи­чес­ким обос­но­ва­нием, разра­ботанным в соответствии с требованиями ОАО «Рус­Гидро». Эконо­ми­ческий эффект только для гидро­агре­га­тов Волжской ГЭС при номинальных ин­вес­тициях в 300 млн. руб. (в прогноз­ных ценах - 335 млн. руб.) приве­денный доход первого проекта (в прог­нозных ценах) составит 708 млн. руб.

4. Достигнутая относительная погрешность определения периода вра­ще­ния  валопровода ТА ТЭЦ 5⋅Ч10-4 % позволила реализовать регистрацию его кру­тиль­ных колебаний, возбуждаемых изменениями нагрузки и управляю­щих воз­дей­ствий, которые считаются одной из основных причин накопления усталости в ме­­талле валопровода и аварийного трещинообразо­ва­ния в нём. Технология из­ме­рения пара­мет­ров крутильных колебаний валопровода ТА в энер­ге­тике отсутствует.

5. Фазохронометрические системы выполняют регистрацию быстро­про­те­кающих процессов и в сотни раз более оперативны, чем штатные средства ТЭЦ, что обеспечивает новый уровень аварийной защиты ТА.

6. Разработан систематический безразборный изме­ри­тельный контроль  час­­тотных характеристик и диаг­нос­тика функционирующих синхронных генера­торов Единой энергетической системы в рабочих режимах, не имеющий ана­ло­гов в мире (подтверждено патентом).

7. Разработаны методы и средства диагностики циклических меха­низ­мов (например, часовые механизмы, турбоагрегаты, гидроагрегаты, газо­тур­бинные двигатели, ДВС, электродвигатели, редукторы, подшипники и др.), значительно сокращающие цикл испытаний для подтверждения их рабо­то­способности.

       Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Фазохронометрический метод исследования и диагностики на базе пре­цизионного хронометрического анализа фазы рабо­че­го цикла обеспечивает ин­фор­мационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и ме­ханизмов в едином формате контролируемых метрологических харак­те­рис­тик.

2. Математическое моделирование циклических механизмов в фазо­хро­нометрическом представ­ле­нии обеспечивает внедрение математических методов непосредственно в процесс разработки, изготовления и эксплуатации машин и механизмов.

3. Фазохронометрическая информация обеспечивает измерительно-вы­чис­ли­тель­ный прогнози­рующий мо­ни­торинг, диагностику текущего технического сос­тояния и аварийную за­щи­ту турбоагрегатов и вспомогательного обо­ру­до­ва­ния  ТЭЦ.

4. Быстродействие ФХС и математическая обработка экспериментальных данных обеспечивают аварийную защиту и прогноз технического состояния машин и механизмов.

  Достоверность и обоснованность результатов обусловлены коррект­ностью применения математического аппарата и вычислительных методов, опо­­рой на метрологически корректное получение и использование экспери­мен­­таль­ных данных, привязкой средств измерений к Государственной сис­теме по­вер­ки времени и частоты, контролем уровня погрешностей измерений и вы­чис­лений на всех стадиях создания и применения фазохронометрических систем.

Апробация результатов диссертации

Положения  и  результаты работы  были доложены и обсуждены  на следующих

научно-технических конференциях и совещаниях-семинарах:

- Всесоюзная научно-техническая конференция «Волновые и вибра­цион­ные процессы в машиностроении», г. Горький, 1984, 1985, 1989 г.г.;

- VI Всесоюзная школа «Теоретические основы и конструи­рование чис­ленных алгоритмов решения задач ма­тематической физики», г. Горький, 1986 г.;

- 5-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Фотометрия и её мет­рологическое обеспечение», 1984 г.;

         - 12-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов», 1985 г.;

       - Всесоюзное совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы но-вой тех­­ни­ки», 1990, 1992, 1996, 1998, 2001, 2003, 2004, 2006. г.г.;

- научно-техническая конференция «Состояние и проблемы техни­ческих из­мерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, 1998, 2000, 2002,  2004, 2008 г.г.;

       - Международная научно-техническая конференция «Инженерно-физи­чес­кие про­бле­мы авиа­­­­цион­ной и космической техники» (Чкаловские чтения): Егорьевск  Москов­ская  область, 1995, 1997, 1999, 2002, 2004, 2007 г.г.; 

- конференция «Проблемы машиноведения», НФ ИМАШ РАН, Н. Новго­род, 1997, 2001, 2006 г.г.;

- Научная школа: Фундаментальные проблемы и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем («Фридлендеровские чте­ния»), Санкт-Петербург, ИПМ, 2002, 2005, 2007, 2009 г.г.;

- труды академических чтений по космонавтике. Чкаловские чтения. 2004г.

- Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы вибрации, виб­ро­наладки, вибромониторинга и диагностики оборудования электричес­ких стан­ций» 2005, 2007 г.г.;

       - вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и сред­ства измерений электрических величин», г. Суздаль, 2009.

Публикации по результатам работы. По результатам выполненных ис­сле­дований опубликованы 86 работ, в том числе, 25 статей в научно-тех­ни­ческих журналах, в журналах по списку ВАК – 13 статей, 50 тезисов докладов на научно-техни­ческих конференциях. По­лучены патент и два авторских свидетельства на изобретение.

       Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений и сокращений, общей характеристики работы, 5 глав, выводов, списка использованных источников и 2 приложений. Работа содержит 287 страницы, из них рисунки на 53 страницах, таблицы на 4 страницах, 20 страниц списка литературных источников. Приложения на 48 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены её цели и задачи, указана научная новизна и практическая полезность, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Информационно-метрологические проблемы жизненного цик­ла машин и механизмов

Глава посвящена анализу информационно-метро­ло­ги­ческих проб­лем жиз­нен­ного цикла машин и механизмов, из которого сле­дует, что за­кономерно сло­жившийся в 30-е годы прошлого века общий уро­вень тех­но­ло­ги­ческого обес­пе­чения массового производства машин опре­делил под­ход к его ин­формационно-метрологическому обеспечению. В результате воз­ник­ла система планово-преду­предительных ремонтов и регламентных профилак­ти­ческих работ. Эта система в ос­новном удовлетворяла промышленность стра­ны, пока парк на­ходившихся в эксплуатации машин заменялся новым оборудо­ва­нием. Поло­же­ние резко изме­ни­лось в последние годы, когда объё­мы и темпы во­зобновляющих пос­тавок про­мышленностью образцов новой техники резко сократились. Осо­бен­но серь­ёз­ное по­ложение сложилось в энер­гетике и на тран­спорте, где всё боль­ше число тех­ни­ческих объектов продолжает эксплуа­ти­ро­вать­ся, несмотря на исчер­пание их ре­сур­са. Поэтому всё больше нарастают приз­наки вступления страны в по­ло­су крупно­мас­штабных технических аварий и техногенных катастроф. В этих усло­виях ин­тегральные пока­за­тели надёжности и долго­веч­ности объек­тов теряют какую-либо значи­мость. На первый план выступает необходимость прогноза судьбы каж­дого кон­крет­ного технического объекта. В связи с этим проблемы «пер­со­нального» ин­фор­ма­цион­но-метрологического сопровож­де­ния функ­цио­ни­рую­ще­го объекта прио­бретает чрезвычайную важность.

Традиционно научно-исследовательское, техническое и метрологи­чес­кое ос­нащение каждого этапа жизненного цикла изделия (разработка, изготовление, испытания, доводка, эксплуатация и ремонт) является прак­ти­чески индиви­ду­аль­­ным. Отсутствует единство пред­став­ления инфор­мации на этапах жизнен­но­го цикла. В целях снижения затрат на этапе эксплуатации объём из­ме­­рительной информации о техническом состоянии объекта сводят, как правило, к мини­муму.

В настоящее время в промышленности и на транспорте преобладает кон­троль­но-измерительная аппаратура низкой и средней точ­нос­ти. Основным объек­­­­­­том исследования при оценке функцио­ни­рования объектов яв­ля­ется иссле­дование виб­ро­волновых процессов в ма­шинах и механизмах (виб­ро­диаг­ностика). Но она кон­тро­лирует в процессе экс­плуа­тации только нас­туп­ление предельных сос­тояний кон­струкции и её эле­мен­тов и не обеспечивает на­дёжную оценку те­кущего тех­ни­ческого состояния для многих объектов (на­при­мер, турбоаг­регаты, гидроагрегаты, мало­обо­рот­ные и тихоходные меха­низмы, изделия точной ме­ха­ники, имею­­­щие низ­кую вибрацию, высоко­обо­ротные системы с рас­преде­лён­ной мас­сой и др.). В процессе выработки ресурса вибро­акустические параметры пос­тепенно изме­няются, что значительно усложняет оценку технического состояния объек­та. 

Машины и механизмы из-за пог­решностей изго­тов­ления обладают виб­роактивностью. В процессе их работы возбуждаются ха­рак­терные вибрации, значи­тель­но превышающие уровень сиг­налов от зарождаю­щихся дефектов. В связи с приработ­кой, износом, изменением ре­жимов работы, условий эксплуа­тации и деградацией техни­чес­кой системы проис­ходит неизбежное изменение пара­мет­ров ко­лебательных про­цес­сов, ис­клю­чаю­щее на­ли­чие устойчивых во времени диаг­ности­ческих приз­на­ков. Поэ­то­му устанав­ли­ваются­ предельные значения пара­мет­ров вибра­ции конструкции. Это, как правило, уровни и пороги. В связи с этим для сложных изделий возникает необхо­димость адап­тации вибро­акус­­ти­ческих средств для сле­дую­щего се­рий­ного образца. Проблема исполь­зования спектров колеба­тель­ных про­цес­сов, даю­щих основную диаг­ностическую информацию, заклю­чается в том, что их струк­тура со временем радикально изменяется и поэтому использование их для получе­ния трендов и надёжного прогноза не даёт надёжных результатов. Отсутствует возмож­ность их сравнения на длительных отрезках эксплуатации и для выяв­ления признаков, харак­те­ризующих эволюцию устройства и его тех­нического состояния.        Па­ра­метры сиг­нала, содержащие информацию о зарождающихся де­фек­тах, имеют малую энергоемкость в условиях слабой помехо­защи­щён­ности по­лезной информации. Амплитудные методы, в том числе и вибро­диаг­ностика, не обеспечивают получение информации для оценки взаимодей­ствия отдельных составных частей и элементов механизма.

В настоящее время в условиях резкого сокращения объёма выпуска новой продукции во всех отраслях машиностроения выяснилась неизбеж­ность работы на изно­шенных технических объектах различного назначения, выработавшем свой установленный ресурс. В этих условиях для безава­рий­ной, рациональной и эко­номически обоснованной эксплуатации машин и механизмов необходимо обеспечить

- диагностику текущего технического состояния серийного объекта,

- прогнозирующий мониторинг безаварийной работы устройства,

- переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ре­мон­тов в соответствии с текущим техническим состоянием,

- научно обоснованную оценку остаточного ресурса,

- надёжную аварийную защиту.

Данные проблемы для сложных технических систем (например, турбо­агрегаты, гидроагрегаты, газотурбинные двигатели и др.) до настоящего времени не решены и это подтверждает вся практика создания и эксплуатации продукции машиностроения.

Очевидно, что соблюдение только взаимозаменяемости по геометри­чес­ким параметрам деталей и сборочных единиц оказывается недостаточным для обес­печения оптимального функционирования изделия. При эксплуатации изделий выявляется важность соблюдения не только геометрической, но и динамической совместимости конструктивных эле­мен­тов. Исходное сос­то­я­ние объекта уже обладает некоторой неопределенностью, порождаемой «взаимодей­стви­ем» по­лей допусков, неизбежностью отклонения от заданных значений гео­метрических параметров, определяющих размеры, форму и расположение кон­струк­тивных элементов, а также неопределенностью физико-механических характерис­тик. В резуль­та­те присутствия зоны неопределённости параметров работоспособность и на­дёжность изделия достигается большим объемом конструкторских и техно­ло­гических ра­бот, применением всего накопленного ранее производствен­ного опы­та и длительными стен­до­выми и натурными испытаниями. Для дос­ти­жения дина­ми­чес­кой совместимости элементов механизма необходима подроб­ная ин­фор­­ма­ция о поведении машин и механизмов и об эволюции гео­метрических и физико-механических параметров деталей и сборочных единиц. В связи с этим встает проблема прецизионного изучения функциони­рую­щих устройств с по­мощью как на­тур­ного, так и многофак­торного вычис­ли­тель­ного эксперимента на основе уточ­няемых математических моделей, учи­ты­ваю­щих также изменения па­ра­мет­ров в процессе эксплуатации. При эксплуатации изделия  вступает в силу принципиально неустранимый фактор времени, проявляющийся в износе деталей и деградации их материалов. В связи с этим возрастает ос­трота про­бле­мы оцен­ки текущего технического состояния, прогноза и аварийной защиты изделия.





       Между тем, уровень точности, достигнутый в современном маши­но­строе­нии и тенденции его повышения целесообразно оценивать не изоли­ро­ванно на его собственной базе, а в сопоставлении с достижениями в других отраслях нау­ки и техники. Например, в астрометрии достигнута относительная пог­реш­ность изме­рений линейных параметров орбит порядка 10-9 – 10-10 (10-7 % - 10-8 %).

Различные отрасли машиностроения, безусловно, различаются по уровню точности. Однако результирующая относительная неопределенность харак­тер­ных геометрических параметров механических и электромеханичес­ких систем – объек­тов машиностроения (например, турбоагрегатов) и приборостроения (на­при­мер – гироскопов) слабо зависит от их размеров и имеет порядок (0,05 – 0,1)%. Дос­­тиг­нутая относительная точность геометрии механических систем в целом соот­вет­ствует и уровню научных знаний, как на макро-, так и на микроуровне, и отражает достигнутый уровень их надежности и качества. Бе­зу­словно, в передовых отраслях техники – атомной, аэрокосмической и других этот показатель выше, что харак­тер­но, например, для тепло­электроэнергетики и наземного транспорта.

       В главе показано, что отечественные контрольно-диаг­ностические сред­ства и методы не обеспечивают в полной мере информационно-метрологи­ческое сопро­вож­­дение жизненного цикла маши­но­строительной продукции, опера­тив­ную оценку текущего технического состоя­ния изделий машиностроения и при­бо­ростроения и учёта фактора времени.

В настоящее время невозможно найти науки и проблемы, в которых не возникали бы вопросы, связанные с проблемой времени. Данное рассмотрение в технике связано с присутствием времени как параметра, присутствующего во всех этапах жизненного цикла машин и механизмов (разработка, изготовление, эксплуатация и ремонт).

Традиция философского анализа понятия времени имеет тысячелетнюю ис­то­рию и восходит к именам Гераклита, Демокрита, Платона, Аристотеля, Лейб­ница, Нью­тона, Гегеля, а затем к Эйнштейну и Пригожину. В любой из наук можно обнаружить комплексы вопросов, исчерпывающие ответы на которые могут быть даны лишь при наличии ясных представлений о сущности и природе вре­мени. Эти вопросы имеют самое непосредственное отношение к новейшему этапу разви­тия современной научной мысли, к преодолению имею­щихся трудностей.

Время - одно из наиболее ёмких и многоплановых понятий науки, про­низывающих её от фундаментальных первооснов до конкретных отрас­лей. Яв­ляясь физической величиной, оно служит количественной мерой из­ме­нения состояния различных систем, в том чис­ле, технических, и выступает при этом или в качестве динамической переменной или параметра, характеризующего эво­люцию системы, её необратимые изменения и дегра­да­цию. Вместе с тем, по­тенциальные возможности ис­пользования времени для изу­чения поведения тех­нических сис­тем, оценки и прогноза их состояния ещё в полной мере не ис­пользованы. Одна из причин этого - недостаточно высокий уровень при­ме­нения достижений хро­но­мет­­рии в условиях производства и эксплуатации про­мыш­лен­ной продукции.

Надежность и долговечность машин и механизмов в наибольшей сте­пе­ни определяется сопровождающими их функционирование динамичес­кими эффектами (виброактивность, трение, цикловая усталость, температурные и ме­­ха­нические воздействия и т.п.), которые проявляются только в рабочих режимах. Для оценки их влияния наибольший практический интерес представляет оп­ре­деление текущего технического сос­тоя­ния функционирующих машин и ме­ханизмов и обеспечение их аварийной защиты. Принципиально неустранимый фактор времени обнаруживается еще на стадиях заготовительных операций (например, благодаря влиянию предыстории конструкционных материалов, из­носу обрабатывающего инструмента, нестабильности энергопитания) и прояв­ля­ется во все большей степени по мере возрастания продолжительности эксплуа­тации изделия (деградация параметров, неравномерность износа и т. п.).

Необходимость повышения уровня информационно-метро­ло­ги­чес­кого со­про­­во­ж­дения продукции требует повышение метрологического уров­ня при­ме­ня­емых средств контроля и диагностики, которое достигается за счёт передачи дос­ти­жений фундаментальных наук в машиностроение. Одним из таких пер­спек­тивных направлений является применение методов и средств хронометрии для оценки и прогноза технического состоя­ния машин и механизмов.

Проведенные исследования изделий машиностроения и приборострое­ния с применением новой фазохронометричес­кой информационной технологии на основе рекордной стабильности технических средств современной отечествен­ной хроно­метрии обеспечили  получение принципиально новой информации о машинах и ме­ха­низмах, что представлено в следующих главах диссертации.

Анализ и практика состояния информационно-метро­ло­ги­чес­кого обеспече­ния этапов жизненного цикла промышленного изделия показали перспек­тивность применения методов и средств хронометрии для оценки и прогноза его технического состояния, а также целесооб­раз­ность разработки новых способов вклю­чения времени и частоты в состав физических величин, необходимых при реализации измерительного контроля и диагностики машин и механизмов. Оп­ре­деленный опыт использования интервалов времени в качестве диагнос­тического параметра в технике уже имеется.

       Глава 2. Фазохронометрический метод информационно-метрологи­чес­ко­го сопровождения циклических машин и механизмов

Во второй главе изложено описание фазохрономет­ри­чес­кого метода инфор­мационно-метрологического сопровож­дения циклических ма­шин и меха­низ­мов и рассмотрен комплекс его составных частей.

Объект исследования - рабочий цикл машин и механизмов является наи­более устойчивым процессом любой технической системы на протяжении всего жизненного цикла от раз­ра­бот­ки до эксплуатации и все технические меро­прия­тия направлены на поддержание его параметров. Неоднородность рабочего цик­ла на заданном мерном интервале регистрируется фазохронометрическими сред­ствами измерений, так как они значительно стабильней. Изменения в работе се­рийного меха­низма вызываются наличием допусков, взаимодействием его эле­ментов, дефицитом смазки, локальными дефектами и износом, переко­сами, и т.п. и имеют индивидуаль­ные наблюдаемые количест­венные параметры.

Возможности широко применяемых методов исследования и оценки тех­ни­ческого состояния объекта зависят от ис­пользуемых физических эффектов (виб­ро­акустических, тепловых, электро­динамических и др.), проявляющихся толь­­­ко в про­цессе работы, а сам рабочий цикл контролируется на соответствие ус­­тановленным параметрам. При фазохронометрическом подходе контроли­руют­ся характеристи­ки движения деталей и частей устройства при осущес­т­влении ими рабочего цик­ла, а в качестве основного информационного параметра используются интервалы времени, соответствующие движению элементов ме­ханизма между фазами рабочего цикла.

Подход к исследованию рабочего цикла фазовый метод. Известно, что эффективность решения теоретических задач существен­но зависит и от выбора сис­темы координат. Так, для технических систем, в частности, механических и элек­тромеха­нических устройств циклического действия наиболее информа­тив­ной коор­ди­натой является полярный угол радиус-вектора точки, изображающей на фазовой плоскости состояние циклической системы. В отсут­ствии возму­ще­ний траектория этой точки образует за время полного цикла замкнутый кон­тур (рис. 1). Площадь участка фазовой плоскости, заключён­ного внутри этого кон­тура, и полярный угол радиус-вектора (фаза) лежащей на контуре изображающей точки могут быть ис­поль­­зованы в качестве независимых переменных, од­но­значно определяющих состояние цикличес­кой системы. Динамические свойства цик­лических систем при достаточно высоких энергиях (то есть большой “пло­ща­ди цикла”) таковы, что по­датливость “площади цик­ла” по отношению к возму­ще­ниям гораздо ниже подат­ливости фазы. Следо­вательно, об­ладая наибольшей чувствительностью по отно­шению к воз­мущениям, фаза цикла в этом случае является и наиболее информа­тивной коор­динатой.

В машинах и механизмах вследствие неизбежного разброса геомет­рических парамет­ров деталей, рабочих характеристик из­делия, нестабильности свойств материа­лов и влияния внешних воздействий происходят изменения кинема­ти­ческих па­ра­метров дви­жения элемен­тов механизма. Поэ­тому рабочий цикл отображается на фазовую плос­кость так, что область локализации из замкнутой линии прев­ра­щается в ленту конечной ширины, отражающую вариации режимов работы ус­тройства (рис. 1).

Таким образом, предлагаемый метод базиру­ется на при­менении в ка­чест­ве основного информацион­ного параметра длительности фазы рабочего цикла. Установлено, что при ма­лых отношениях сигнал/шум информация о сигнале известной частоты содержится в основном в его фазе.

Измерения при фазохронометрическом подходе реали­зуются по двум ва­риантам:

- квантование фазы цикла по уровню с дискретизацией по времени, вклю­чая (рис. 2)

а) равномерное квантование фазы,

б) регистрацию моментов достижения характерных заданных значений фазы или границ характерных этапов цикла,

  • равномерное квантование времени с дискретизацией по уровню или фазы цикла.

Рис. 2

Первый вариант реализуется путем нанесения на подвижные элементы цик­лического механизма контрастных меток, образованных резким изменением оп­ти­ческих или магнитных свойств (штрихами, прорезями и т.п.), а также рельефа – в виде паза или выступа. Возможна и установка дополнительных деталей типа лим­бов и т.п. В измерительной системе применяются первичные преобразователи при­годные для измерений интервалов времени, например: индукционный, холлов­ский датчик, вихретоковый, магнитные головки и др.

Второму варианту фазохронометрического подхода, основанному на равно­мерном квантовании времени, соответствует прецизионная стробоскопия, обес­пе­чивающая визуальный контроль быстропротекающих циклических процессов и реа­лизацию аналога высокоскоростной съёмки с возможностью длительного наблю­де­ния поведения и взаимодействия деталей механизма.

Таким  образом,  для  технических систем,  в частности,  механических и  элек­­­­тромеха­нических устройств циклического действия наиболее информа­тив­­ной координатой является полярный угол радиус-вектора точки, изо­бражающей на фазовой плоскости состояние циклической системы. Фаз­овый метод естест­венно приводит к измерению интервалов времени, соответ­ствую­щих характер­ным отрез­кам рабочего цикла.

Метрологическая база фазохронометрического метода прецизионная хронометрия. Измеряемая физическая величина интервалы времени

Одной из особенностей фазохронометрического подхода является исполь­зо­вание прямых последовательных прецизионных измерений для формирования временных рядов, соответ­ствую­щих перемещениям основных элементов объек­та (например, валопровод турбо­ге­нератора, гидротурбины, коленчатый вал двига­теля внутреннего сгорания (ДВС), ротор газотурбинного двигателя (ГТД), выходной вал ре­дук­тора и др.).

При исследовании работы изделия единичное измерение не дает доста­точ­ной информации для исследования, диагностики и оценки его технического состояния, поэтому для регистрации изменений в механизме требуется много­кратное пос­ледова­тель­ное измерение вариаций интервалов времени, соот­вет­ствующих ха­рак­терным отрезкам рабочего цик­ла. Именно в вариациях интер­ва­лов времени со­дер­жится информация о динамике взаимодействия элементов ма­шин и меха­низ­мов. В настоящее время для фазохронометрических систем дос­тигнута относительная погрешность измерений интервалов времени не более 5.10-4 % на промышленной частоте.

Так как контролируемы­ми объектами являются циклические машины и механизмы, их взаимодействующие составные части и детали имеют инди­ви­дуальные рабочие циклы, влияющие на выходные параметры. То есть времен­ной ряд содержит информацию о сово­купности характеристик объекта и яв­ля­ется интегральным метрологическим отражением процесса функциони­ро­вания объек­та. В то же время математическая обработка экспериментальных данных (напри­мер, спектральный, гармонический, корреляционный анализ и др.) поз­во­ля­ют проводить общий и поэлементный анализ работы изделия. Дег­радация свойств механизма обнаруживает­ся по эволюции структуры вариаций интерва­лов времени по мере перехода от одного мерного интервала эксплуатации к другому.

Стабильность и повторяемость кинематических параметров движения элементов механизма при выполнении рабочего цикла гарантирует выявление устойчивых во времени диагностических признаков, необходимых для анализа и оценки медленно протекающих процессов, в то же время количественно индивидуальных для каждого серийного изделия.

Изменение технического состояния механиз­ма регис­три­руется измере­ниями характерного периода (или его долей) движения конструктив­ных эле­мен­тов меха­низма и математической обработкой выявляются диагностические признаки тех­нического состояния.

Математическое моделирование в фазохронометрическом пред­став­лении. Как показала практика исследования различных машин и меха­низмов, обра­ботка результатов измерений, полученных на более высоком метрологическом уровне, выявляет принципиально новую ин­фор­мацию о работе механизма. Поэтому для описания поведения объекта и интерпретации экспери­мен­­таль­ных данных вы­пол­няется разработка уточненных математических моделей, обладающих де­таль­ностью на уровне взаимодействия отдельных элементов и учитывающих ин­ди­ви­дуальные размеры, допуски и физические параметры взаи­модействую­щих деталей и сборочных единиц серийного экземпляра изделия, влияние внеш­них воздействий на работу механизма.

Основной задачей математического моделирования функционирования объек­­та при фазохронометрическом под­ходе является анализ работы устройства, установление взаимосвязи экспериментальных данных (рядов интервалов време­ни) с конструкцией механизма и режимами его работы, моделирование де­фек­тов и проведение вычислительных экспериментов аварийных режи­мов работы, не реа­лизуемых экспериментально. Результатом вычислитель­ного эксперимента с при­менением матема­ти­ческих моделей в фазохронометрическом представлении являются ряды интер­валов времени, обра­батываемые с использованием прик­ладных прог­рамм для экспериментальных дан­ных. Это позволяет значительно ускорить иденти­фи­ка­цию математической модели с реальным объектом и де­таль­но изучать осо­­­бен­ности его работы. Математическая модель в фазохроно­мет­ри­чес­ком пред­став­ле­­нии внедряется непосредственно в процесс разработки, изготовления испы­тания, эксплуатации и ремонта изделия.

Единый формат представления информации. Измерительная инфор­мация на базе прецизионной хронометрии имеет единую структуру (интер­вал вре­мени), а, следовательно, методически единые подходы в обработке резуль­та­тов измерений. Это позволяет получить информационную базу эксперимен­таль­ных данных для всех этапов жизненного цикла устройства в едином мет­ро­ло­ги­чес­ком фор­мате. Тем самым все этапы жизненного цикла мето­ди­чески связываются в единое целое, а накопленная информация на различных этапах при появ­ле­нии новых методов математической обработки может неоднократно анали­зи­ро­ва­ть­ся в целях усо­вер­шенствования конструкции. Совре­менные воз­мож­ности вы­чис­ли­тельной техники практически не ограни­чи­вают объём ре­гис­трируемой ин­формации. Это позволит при установке фазохронометричес­ких систем  (ФХС) на объекты включить все этапы жизненного цикла в процесс непрерывного совершенствования и отработки конструкции с передачей ин­фор­мации с объек­та (например, вертолёта, турбо­агрегата, гидроагрегата, двигателя внутреннего сгорания, газотурбинного двига­теля и др.) в центры контроля, кон­структорские бюро и заводы. Результаты из­ме­рений, хранящиеся в базе дан­ных, сопро­вождающей изделие, при необходи­мос­ти могут многократно исполь­зо­вать­ся для анализа этапов жизненного цик­ла изделия, в том числе при появ­лении новых математических моделей и методов обра­ботки эксперимен­таль­ных данных. Тем самым фазохро­номет­рическое инфор­ма­цион­но-метро­ло­ги­ческое сопровождение связывает методи­чески все этапы жизненного цикла в единое целое.

Возможности фазохронометрического метода в исследовании и диагнос­ти­ке машин и механизмов. Обеспечиваются прецизионными измерениями ин­тер­валов времени (относительная погрешность не более 5.10-4 % на промышленной частоте), приме­не­нием математических моде­лей и пространственно-временной взаимо­связью экспериментальных данных с ра­бочим циклом и кон­струкцией изделия. Этот комплекс позволяет связать па­раметры движения эле­мен­тов с фа­зами рабочего цикла и их пространственно-временным положением в ме­ха­низ­ме, что обеспечивает эффективное при­ме­не­ние ФХС в сочетании с раз­личными методами исследования для получения ин­фор­мации.

На базе фазохронометрического подхода на этапах жизненного цикла из­де­лия решаются, например, следующие задачи:

На этапе разработки  и испытаний  изделий выполняется  определение кри­­­териев правильного функционирования изделия, при испытании макетов осу­ществляется выбор оптимальных вариантов элементов и узлов конструкции, предпочтительных марок конструкционных материалов, оценка функциони­ро­вания изделия при влиянии внешних воздействий и других факторов. Раз­ра­ба­тываются математические модели в хронометрическом представ­лении, являю­щиеся в даль­нейшем основой для разработки САПР изделия, его диагностики.

На этапе изготовления изделия на базе фазохроно­мет­рирования осущест­вляется оценка функционирования объекта, контроль качества изделия и ком­плексная оценка техно­ло­гии производства на базе математического модели­ро­ва­ния, вход­ной и выходной контроль комплектующих изделий, обеспечение серти­фи­кационных испытаний и др.

На этапе эксплуатации фазохронометрический метод позволяет реали­зо­вать диагностику текущего технического состояния серийного объекта, прог­но­зи­рую­щий мониторинг безаварийной работы устройства, переход от системы пла­ново-предупредительных ремонтов к системе ре­мон­тов в соответствии с те­кущим техническим сос­тоянием, научно обоснованную оценку остаточного ре­сурса, надёжную аварийную защиту и др. Также реализуется передача ин­фор­ма­ции о техническом состоянии и работе изделия на этапы разработки и про­изводства для совершенствования конструкции и технологических про­цес­сов.

Глава 3. Метрологическое обеспечение фазохронометрических систем

Для сложных технических систем важно обеспечить непрерывное инфор­ма­­ционно-метрологическое сопровождение в условиях эксплуатации для обеспе­чения аварийной защиты, диагностики и управления. Встроенные фазохроно­мет­рические системы функционируют в сложных  условиях, определяемых

- необходимостью обеспечения относительной погрешности ±5·10-4 % от номинальной длительности рабочего цикла функционирующего механизма,

- влиянием неконтролируемых воздействий на объект в процессе экс­плуа­тации (различные поля и механические воздействия),

- необходимостью исключения потери метрологической информации в каналах аварийной защиты в процессе эксплуатации.

При нормировании погрешностей и определении межповерочных интер­валов для из­мерительных каналов необходимо учитывать влияние условий экс­плу­а­та­ции и внешних воздействий, что представляет большую сложность. В за­ви­си­мос­ти от условий эксплуатации погрешности средства измерения могут значительно изме­няться. В связи с этим возникает необходимость анализа воз­действий влияющих факторов и назначения индивидуального межповероч­ного интервала для каждого измерительного канала.

На метрологические характеристики средства измерения влияют:

- деградация СИ в условиях эксплуатации,

- внешние воздействия на компоненты СИ,

- быстропротекающие процессы в компонентах измерительного канала.

В настоящее время эти проблемы решаются на базе поверочного интер­вала, который определяется на основе математических моделей макси­мально учи­ты­вающих погрешности, помехи, условия эксплуатации, влияние внешних воздей­ствий, при полной информации об СИ. В данном случае требуется опе­ративный учёт изменяющихся условий, что представляет большую слож­ность.

Для фазохронометрических систем, построенных по единой методологии для различных циклических машин и механизмов, необходим также единый ми­нимально затратный подход в их метрологическом обес­печении.

Для ФХС, встроенных в сложные и дорогостоящие технические системы (тур­боагрегаты, гидроагрегаты, ГТД, дизель-генераторы, мощные компрессоры и др.), одним из путей решения этой проблемы является сокращение межпове­рочного интервала до минимума, определяемого временем оценки метрологичес­ких харак­теристик измерительного канала. То есть выполнением непрерывной мет­ро­логи­чес­кой проверки метрологических характеристик изме­рительного ка­нала, когда пове­рочный интервал определяется временем изме­ре­ний и быс­тро­действием ЭВМ. Дан­ный подход обеспечивает оценку метро­логических харак­те­рис­тик практически в ре­альном времени и при её применении нет необ­хо­ди­мости учитывать изменение влия­ющих величин и выполнять в связи с этим пе­риодически перерасчёт пове­рочного интервала. То есть оценка годности изме­рительного канала выполняется по текущим фак­тическим показателям мет­ро­ло­гических характеристик. Реализация этой процедуры осуществляется введе­ни­ем дополнительного измерительного кана­ла. Тогда рабочие каналы  выпол­няют из­ме­рения и поочерёдно (или в дуб­ли­ро­ванном варианте) для каждого вы­пол­ня­ется оценка метрологических харак­терис­тик.

Данная методика реализуется при использовании тестового сигнала,  про­цедуры многократных измерений, методов планирования измерений при оценке качества изме­рительной процедуры относительно дисперсии и систе­матической погрешности.

Алгоритмы  оценки  метрологических характеристик  измерительного  ка­на­ла рассматриваются в допущении, что результат однократного измерения является случайной величиной и имеет Гауссовский закон распре­деле­ния.

       Результат измерения можно представить в виде

,  (1)

где  t – измеряемая величина – интервал времени), а - случайная погрешность результата измерения. Случайная величина должна находиться в поле допуска с заданной вероятностью.

, (2)

где Те – допуск поля допуска,

- малая величина,  .

Величина может быть записана также в следующем виде

  ,  (3)

где - математическое ожидание случайной погрешности, т.е. систе­матическая погрешность, - центрированная случайная составляющая с диспер­сией .

       Условие единства измерений  можно записать  в виде двух неравенств

1.   (4)

2.,  (5)

       Выполнение условий (4) и (5) гарантирует выполнение условия (2).

       Таким образом, рассматривая задачу оценки метрологического качества работы измерительного канала, следует решить две задачи:

  1. Оценить экспериментально условие по дисперсии (4), используя резуль­таты измерения величины t (интервал времени) тестового сигнала).
  2. Оценить экспериментально условие по систематической погрешности (5) используя  результаты измерения величины t (интервал времени) тестового сигнала.

Достоинством предлагаемого подхода является то, что метроло­гичес­кая оценка работы измерительного канала осуществляется только с помощью про­верки выполнения условий (4) и (5) без необходимости проведения под­роб­ного анализа составляющих погрешностей измерительных каналов, условий экс­плуа­тации, внешних воздействий и др.

При равноточных некоррелированных  измерениях оценка  измеряемой величины (периода следования тестового сигнала) ТТ имеет  вид 

, где t= и - объем измерений.

Исходными данными для реализации плана измерений  являются  сле­дую­­щие характеристики фазохронометрической  системы:

1) Абсолютная погрешность измерения интервалов времени ФХС Те = ±1·10-7с.

2) Абсолютная погрешность  тестового  сигнала  ±1·10-9с,  то  есть  можно

принять

3) Допущение:

Входной тестовый сигнал принимается постоянной величиной, так как измерительный канал не чувствителен к вариациям его периода.

Измерительная задача, связанная с проверкой условия , сводится к схеме альтернативных гипотез

    - гипотеза Н0,

  -  гипотеза Н1, (6)

При проверке гипотез  (1) следует  выбрать экспериментальную оценку  дисперсии, которую можно получить только на основе многократных измерений

;  - const

Получены зависимости для оценки дисперсии как случайной величины.

       План эксперимента оценки метрологических характеристик изме­ри­тельного канала реализуется в следующей последовательности:

  1. Выполнение  многократных  измерений , где  - экспе­ри­ментальные данные многократных измерений.

2. Обработка многократных измерений и экспериментальная оценка ар­гу­мента решающей функции

(7)

(8)

  1. Определение значения решающей функции

       

 

Для формирование плана эксперимента по оценке систе­матической погреш-

ности по условию вводятся альтернативные гипотезы

, .  (10)

Определён план эксперимента (, обеспечивающий оценку условия при минимальном объеме многократных измерений для задан­ных ограничений на вероятности ошибок 1-го и 2-го рода.

Реализация плана при оценке ограничения на систематическую погрешность выполняется в следующей последовательности

  1. Выполнение многократных измерений
  2. Обработка многократных измерений и определение значения аргумента решающей функции

,   (11)

  1. Принятие решения

       

       

       В соответствии с вышеизложенной методикой выполняются измерения и расчет для проверки заданных метрологических характеристик измерительных каналов. Сравнение результатов расчета и обработки измерений периода следо­ва­­ния тестовых импульсов показывает соответствие погрешности измери­тель­ных каналов по дисперсии и систематической погрешности установленному до­пус­ку. Применение данной методики позволяет проводить проверку метро­ло­ги­ческих характеристик измеритель­ных каналов без учёта изменений условий экс­плуатации и аппаратной части фазохронометрических систем.

Глава 4. Информационно-метрологическое сопровождение этапа созда­ния циклических машин и механизмов

При всём разнообразии конструктивных особенностей машин и механизмов задачи, стоящие на этапе их создания, в основном методически совпадают и требуют решения большого числа проблем связанных с разработкой конструкции изделия и учёта влияния на него внешних воздействий. Опыт показывает, что процесс кон­струи­рования имеет сложный и неод­но­­знач­ный характер. Он неразрывно связан с науч­ными исследованиями и проис­ходит в про­цес­се поиска и анализа альтернативных вариан­тов кон­струк­тив­ных решений. На этом этапе выпол­няется большой объем исследований, испытаний, а, следовательно, и измере­ний, на базе которых прини­маются решения о выборе оптимальных вариантов.

       Как правило, для диагностики машин и механизмов используются па­ра­мет­ры, связанные с раз­лич­ными физическими эффектами, сопровож­даю­щими рабочий цикл, а именно виброакустические, силовые, тепловые, дви­жения и др. Временные параметры для роторных циклических механизмов (электродви­га­те­ли, редукторы, подшип­ни­ки, ГТД, ДВС, компрессоры и др.) считаются до­пол­ни­тельно контро­лируе­мы­ми параметрами, то есть второстепенными. При­нятая пос­ледовательность разработки диагностического обеспечения отталки­вается из применения мно­жества методов и измеряемых параметров. Наиболее широко рас­пространённым является метод сравнения результатов обработки экс­пе­ри­мен­тальных данных с эталонными характеристиками и зависимостями пара­метров от времени, полу­чен­ными на на­турных испытаниях и начальных ста­диях экс­плуа­тации нового изделия.

Для обеспечения работоспособности и надёжности мало обеспечить геометрическую совместимость деталей и узлов. Необходимо иметь методы и средства оценки оптимального функционирования механизма и функ­цио­наль­ную обратную связь с технологическими процессами изготовления. 

Обоснование выбора объекта

В зависимости от функционального назначения машины и механизмы делятся на две группы

1. Устройства, создаваемые для максимального ресурса работы, совершен­ствование конструкции которых продолжается на всех этапах жизненного цикла (двигатели различного типа, турбоагрегаты, гидроагрегаты и др.)

2. Изделия, которые на этапе эксплуатации находятся в режиме ожидания и выполнение ими функций длится короткий интервал времени (например, часо­вые механизмы, являющиеся командными аппаратами и входящие в устройства выпуска парашютных систем и др.). Примером таких изделий являются наиболее сложные для оценки функционирования и диагнос­тики дефектов приборы точ­ной меха­ники. Представителем их являются часо­вые механизмы, имеющие пре­цизионную точ­ность изго­товления, практически не регистрируемую вибра­цию. Программные ча­со­вые механизмы, применяемые в ракетной и космической технике и др., задачей которых является выдача управ­ляющих команд с пре­дельно высокой степенью на­дёжности (до Р=0,99999). Они проходят полный цикл испытаний, значительно удо­ро­жающих себестоимость изделия и отбираю­щих заметную часть ресурса (вибро­испытания, ударные воздействия, линейные ус­корения, вакуум, темпера­турные воздей­ствия и др.), так как применяемые ме­то­ды диагностики не позволяют для серийных экземпляров без испытаний оце­нить надёжность и работо­спо­соб­ность.

Для исследования, контроля и диагностики в приборах проверки часов ис­пользуются  шумы спускового регулятора. В основе акус­тического метода лежат за­тухающие колебания и оценки показывают, что переходные процессы длятся сотни микросекунд и, следовательно, период колебания можно косвенно из­ме­рить с погрешностями порядка одной миллисекунды

Вариации периода коле­бания баланса находятся за пределами разрешаю­щей способности акустических средств контроля и поэтому регистриру­ются только грубые дефекты.

Экспериментальные исследования часового механизма. В главе рассмот­ре­ны результаты исследований, которые проводились с применением фазохро­но­мет­­ри­ческой системы (ФХС). Измеряемый параметр – период колебания ба­лан­са. При­менение оптико-электронных (фотоэлектри­ческих) измерений обес­пе­чило повы­ше­ние точности измерения на три порядка. Созданная ФХС имеет абсо­лютную пог­решность измерения не более ±110-6с. Относи­тель­ная погрешность для периодов от 0,01с  до 0,4 с составила от 2.5·10-5  % до 10-3  %.

Обработка экспериментальных данных (ряды интервалов времени, соот­вет­ствующие периоду колебания баланса) впервые выявила:

- вариации периода колеба­ния баланса находятся в интервале  10-4÷10-6 с и не регис­трируются тради­ционными акус­тическими средствами контроля,

- вариации периода колебания баланса не под­чиняются нормальному за­ко­ну распределения вопреки сущест­вующим пред­став­лениям, а имеют ярко вы­ра­женный детерминированный характер и формиру­ются под взаимодей­ствием эле­ментов ре­дуктора механизма,

- одним из основных факторов, формирующих структуру хода часового ме­ханизма, является изменение крутящего момента анкерного колеса,

- индивидуальность количественных характеристик для каждого серий­ного экземпляра часового механизма,

- выявлены общие устойчивые во времени диагностические признаки, свой­ственные для часовых механизмов различной конструкции, например, пе­риодич­ность изменения автокорреляционной функции (рис. 3, 4).

Выполнены экспериментальные исследования при температурных (рис. 3, 4) и механических воздействиях.

Применяемые математические модели не объяснили полученные резуль­та­ты для часовых механизмов. Аналогичный результат получен при  исследо­вании дру­гих объектов, например, тур­боагрегатов, редукторов и др.

Математи­ческая модель в фазохронометрическом представлении объекта дол­жна обеспечивать

- информа­­цию, соиз­ме­римую с экспериментальными данными,

- обладать детальностью на уровне отдельных эле­мен­тов ме­ха­­­­низ­ма и учи­ты­вать размеры и допуски  взаимодействующих деталей  выбор  опти­мального ва­рианта  и  анализ изготовленного механизма,

- получение результатов вычислительного эксперимента в виде рядов ин­тервалов времени.

На этапе разработки изделия математическая модель играет особую роль, обеспечивая вычислительный эксперимент по выбору оптимального варианта, оценку функционирования механизма при изменении параметров и интер­пре­тацию экспериментальных данных испытаний варианта конструк­ции и контро­ля качества готового изделия. Она является основой САПР изделия, позволяет умень­­шить сроки и затраты на разработку на базе выпол­нения вычислительных экспериментов.

Для восполнения возникшего пробела в отношении часовых механизмов разработаны

- математическая модель расчета геометрических параметров констру­к­ции для получения на этапе сборки исход­ных данных для моделирования динамики функцио­ни­рующего механизма с учётом допусков, установленных на размеры деталей, координат и допусков на расположение осей и положения ограни­чи­тель­ных штифтов, технологических параметров или результатов измерения дета­лей и параметров часового механизма.

- про­мышленная версия математической модели динамики свободного ан­керного хода сопряженного с ки­нематикой и описанием 22 непрерывно со­пря­гаемых этапов в фазохронометрическом представлении. Разработанная мо­дель яв­ляется основой САПР изделия, позволяет уменьшить сроки и затраты на раз­работку на базе выполнения вычисли­тельных экспериментов.

Результаты вычислительного эксперимента по исследованию влияния из­менения параметров часового механизма на период колебания баланса представ-

лены на рис. 5, 6 демонстрируют

- выход на стационарную амплитуду (рис. 5),

- изменение крутящего момента на анкерном колесе (рис.6).

Рис. 5.  Рис. 6.

Фазохронометрический анализ модернизации турбоагрегата ТЭЦ. Кон­струк­­ция и тепловая схема турбины Т-250/300-240 обеспечивает возможность ее экс­плуатации, как в конденсационных, так и в теплофи­ка­ционных режимах. На турбо­агре­гате №5 ТЭЦ-23 – филиала ОАО «МОС­­ЭНЕРГО» во время капи­тального ре­монта для более эффективного ис­поль­зования энергии пара в тепло­фи­ка­ционном режиме работы турбины были сня­ты 31-я и 40-я ступени лопаток ЦНД. Отмечено от­личное состояние вы­ходных кромок ра­бо­чих ло­па­ток 30-й и 39-й ступеней. Об­щий положи­тель­ный вывод сделан по экс­пертным оценкам опытных специалистов на основе анализа полученных ре­зультатов испытаний. Для окончательного заклю­че­ния необ­хо­ди­ма была оцен­ка изменения динамики функционирующего тур­бо­аг­регата (ТА), в котором при модернизации из­ме­ни­лись следующие физические параметры: момент инерции ротора цилин­д­ра низ­ко­го давле­ния при удалении  двух сту­пе­ней лопаток наи­большего раз­ме­ра, изменение параметров балансиров­ки, изме­не­ние параметров крутильной жёсткости валопровода.

Штатное контрольно-измерительное оборудование ТЭЦ, применяемое для параметрической диагностики  функционирующего ТА,  не зарегистри­ро­ва­ло выход

параметров за штатные нормативы.

Для технической оценки изменений в работе модернизированного ТА №5 бы-

ла установлена ФХС.

ФХС обеспечила абсолютную погрешность измерения интервалов вре­мени не более ±1·10-7с. Это позволило получить относи­тельную погреш­ность 510-4 % в условиях эксплуатации ТА при номинальном значении периода вращения вало­провода 0,02с на промышленной частоте 50Гц.

Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением па­кетов прикладных программ.

Для сравнительного анализа была использована база эксперимен­таль­ных дан­ных  и результаты исследования  функционирования  турбоагрегата №3 ТЭЦ-26 г. Москвы той же серии Т-250/300-240 без конструктивных изменений.

Анализ работы ТА №7 ТЭЦ-23 подтвердил повторяе­мость диагности­чес­ких признаков и  количественное различие  характеристик, получаемых фазохро­номет­ри­чес­ким методом для однотипных ТА.

       На рис. 7 представлены, впервые полученные, спектры крутильных коле­баний валопровода модернизированного ТА с сопоставимой повторяе­мостью по­ло­­жения спектральной линии крутильных колебаний ротора гене­ра­тора, на рис. 8 их детализация.

Далее на рис. 9 представлен спектр модернизированного ТА и его дета­ли­зация.

Спектральный анализ показал, что удаление лопаток 31-й 40-й ступеней тур­бины №5 ТЭЦ-26 привело к смещению частоты крутильных колебаний ва­лопровода в низкочастотную область. Это подтверждается также вычисли­тель­ным экспе­ри­мен­том с применением математической модели ТА, показавшим сме­щение частоты крутильных колебаний валопровода турбины в область 8Гц. Известно, что для механических и электромеханических систем низко­час­тотные вибрации яв­ля­ют­­ся наиболее нежелательными, так как ведут к ускоренному разрушению конструкции. С этих позиций удаление 31-й и 40-й ступеней не может быть приз­нано опти­маль­ным ва­риан­том изменения конструкции ТА, так как характеризуется повышенной ско­рос­тью деградации конструкционных мате­риалов турбины в связи с цикловой уста­лостью. Также отрицательные явления связаны с изменением параметров ба­лан­сировки.

Таким образом, штатная аппаратура ТЭЦ, построенная на традиционных ме­тодах, не зафиксировала изменения в работе турбоагрегата. Технические и эконо­ми­ческие показатели эксплуатации признаны положительными. Зарегис­трировано изменение ре­жи­ма функцио­ни­ро­вания турбоаг­ре­га­та после изме­не­ния конструкции его вало­про­вода. Сравнение спектров пока­зало, что модификация не была опти­маль­ной, так как частоты крутильных колебаний валопровода тур­би­ны пере­мес­ти­лись в низкочастотную об­ласть, нежела­тель­ную для электроме­ха­нических систем. Частота крутильных коле­ба­ний ротора генератора значи­тель­но не изменилась.

Анализ результатов фазохрономет­риро­вания работы ТА показал следую­щие (общие для циклических механизмов) возможности:

- выявления долгоживущих диагностических признаков, позволяющих срав­нивать работу ТА через длительные промежутки времени и формировать тренды,

- выявления ин­дивидуальных количественных характеристик объектов, необходимых для оценки теку­ще­го технического состояния каждого серий­ного экземпляра устрой­ства,

- анализа быстропротекающих процессов, не регистрируемых штатной аппаратурой ТЭЦ,

- определения чувствительности контролируемых параметров к откло­не­ни­ям рабо­че­го цикла от номи­наль­ных значе­ний и изменениям взаимо­дей­ствия эле­мен­тов механизма.

       Предложена методика для исследования пары трения подшипников ко­ленчатого вала дизель-генераторов 1-ПДГ4А, 1-ПДГ4Д. Особенностью фазо­хро­нометрического метода является возможность его совместного приме­не­ния с различными методами исследования, обеспе­чи­вая им пространственно-вре­мен­­ную связь с рабочим циклом механизма и его конструктивными эле­ментами.

Проблема надёжности и системные дефекты и неисправности тепловозом ТЭМ18Д(ДМ) по основным группам оборудования и, в первую очередь, дизель  1-ПД-4Д и в том числе дефекты подшипников скольжения, выражающиеся в крат­ко­временных разрушениях масляной плёнки, ведущих к интенсивному износу. Тол­щи­на масляного клина изменяется в зависимости от динамических процессов, при работе дизель-генератора. Для дизель-гене­ра­торов 1-ПДГ4А, 1-ПДГ4Д зафикси­рованы кратковре­менные разрушения мас­ляной плёнки. Анализ подшипников показал, что износ происходит в опре­де­лённых областях во взаи­мо­связи с функциони­рованием двигателя в соответ­ствии с периодическими процесс­а­ми.

Для исследования опор скольжения школой С.Ф. Корндорфа предложен электрорезис­тив­ный метод измерения среднего значения сопротивления мас­ля­ной пленки подшип­ника, основанный на использовании электрической харак­те­ристики со­про­тив­ления слоя смазочного материала подшипника, воз­никающего меж­ду па­рами трения. Электропараметрический метод обеспечивает поступ­ле­ние инфор­мации о состоянии подшипника непосредственно из зон трения его де­та­лей в фор­ме

электрического сигнала. Но результаты регистрации изменения масля­ного клина не

не связаны положением коленчатого вала и порш­невой группы.

Для определения  пространственно-временного положения линии кон­так­та ва-

ла с отверстием и положения элементов поршневой группы был предложен фазохро-

но­метрический метод измерения параметров движения вала. ФХС позво­ляет связать пробой масляного клина с режимами работы дизеля, генератора и нагрузки, что обеспечивает выявление влияния внешних воздействий, системы уп­равления на функционирование подшипника и даёт возможность определить фазы рабочего цикла и положение элементов дизель-генератора в момент пробоя масляного клина.

Таким образом, применение фазохронометрического метода позволяет по­лу­чить принци­пи­аль­но новую информацию о работе машин и механизмов. Ре­зультаты анализа фазохронометрирования работы различных машин и ме­ха­низ­мов (часовые ме­ханизмы, турбоагрегаты, ДВС, ГТД, редук­торы, под­шип­­­ники и др.) при достиг­нутом мет­рологическом уровне (абсо­лютная пог­решность изме­ре­ния периода ±1·10-7с) выявляют необходи­мость изменения кон­структивно-тех­но­­логической стра­тегии разработки и техноло­гии изготов­ления и испытаний машин и меха­низ­мов. Интер­претация  экс­пе­­ри­ментальных дан­ных, сформи­ро­ван­­ных фазо­хро­­­но­мет­риро­ва­нием, потребовала создание адек­ватных им матема­ти­чес­ких моделей часовых меха­низ­мов, турб­оагрегатов, ДВС и др. в фазохро­номет­ри­ческом представлении и специа­ли­зи­рованных алгоритмов обра­бот­­ки из­ме­­рений интервалов времени для каждого объекта. Комплекс ФХС и ма­те­ма­ти­ческих моделей позволяет решать широкий круг разноплановых задач не­дос­туп­ный традиционным подходам. Фазохроно­мет­рический метод ис­сле­дования ма­шин и механизмов обеспечивает эффективное совместное приме­не­ние раз­лич­ных методов исследования, обеспечивая им прос­транственно-вре­мен­ную связь с ра­бочим циклом механизма и его кон­струк­тивными эле­мен­тами. Вы­полнена разработка новой производственной информационной технологии для изделий ма­шиностроения и при­­боростроения на основе рекорд­ной стабильности исполь­зу­емых техни­чес­ких средств современной отечествен­ной хронометрии, обес­пе­чи­вающих прин­ци­пиально новое видение циклических машин и меха­низмов.

Глава 5. Информационно-метрологическое сопровождение этапа экс­плуа­та­ции циклических машин и механизмов

Этап эксплуатации характеризуется различными режимами работы ма­шин и механизмов: от режима ожидания с коротким временем функциони­ро­вания до длительной, интенсивной и непре­рывной работы в различных усло­виях.

Выбор турбоагрегата (ТА) как представительного объекта для рас­смот­ре­ния жизненного цикла на этапе эксплуатации обусловлен их дли­тельной экс­плуа­тацией, непрерывностью их совершенствования и слож­нос­тью проблем данного этапа жизненного цикла генерирующих мощностей России. 

В настоящее время «установленная мощность генерирующего обору­до­ва­ния по России – 2016 Гигаватт в 2008 году; при этом 59% генерирующего обо­­рудования отработало свой ресурс полностью, более четверти гене­ри­рую­щего оборудования выработало свой ресурс на 80%, степень из­но­са элек­тро­сетей сос­тавляет 63%», то есть диагностика, прогноз безаварийной работы и надёжная ава­рийная защита при­о­бретают принципиальное значение. Подоб­ные проблемы стоят также в гидро­энер­ге­тике и  для  всех  видов транспорта.  В связи с этим  для  обновления техники тре­буется резерв времени, в течение которого необходимо обеспечить безава­рий­ную и экономи­чески обоснован­ную эксплуа­тацию машин и механизмов и обеспечить:

надежную аварийную  защиту  генерирующих мощностей и вспомога­тельно­го оборудования,

прогнозирующий мониторинг безаварийной работы ТА,

диагностику текущего технического состояния,

переход от системы планово-предупредительных ремонтов ТА к системе ре­мон­тов в соответствии с текущим техническим сос­тоянием,

научно обоснованную оценку остаточного ресурса.

Данные основные проблемы в электроэнергетике до настоящего времени традиционными методами не решены. Прежде всего, это связано с тем, что встроен­ные системы диагностики, осуществляющие контроль параметров и мо­ни­торинг  работо­способности ТА на­хо­­дятся на среднем уровне точности (пог­решность 0,01 – 5%), и, как след­ствие, тради­ци­он­ные подходы к иссле­­­дованию и диагностике функ­цио­ни­рующих ТА.

В процессе многолетней эксплуатации энергетического оборудования, его контрольно-диагностического и ремонтного обеспечения определились два нап­рав­ления изучения  проблемы динамики валопровода турбоагрегата

1. Валопровод, как ответственный конструктивный элемент турбоагре­га­та, функционирующий в сложнонапряженном состоянии и определя­ю­щий своей прочностью и долговечностью надежность турбоагрегата в целом.

2. Валопровод как элемент энергетической системы, движение которого влияет на её устойчивость.

       Исследования ТА с применением фазохронометрических систем в период с 1995 года по 2009 год работы показали, что использование фазохронометри­чес­кой информации о кинематических параметрах движения валопровода поз­во­­ляет проводить текущую диагностику и обеспечивает его аварийную защиту.

В главе представлены результаты экспериментальных исследований син­хрон­ных генераторов большой мощности фазохронометрическим методом.

Реализованное информационно-метрологическое сопровождение раз­лич­н­ых экземпляров функцио­ни­рующих ТА и математическая обработка ре­зуль­та­тов измерений позволили получить ранее не регистрируемые аппа­ра­ту­рой ТЭЦ характеристики работы ТА на принципиально новом уровне информации.

ФХС обеспечили наблюдение и регис­тра­цию отклика валопровода на ва­риа­ции нагрузки внешней сети и управляю­щие воздействия системы управ­ле­ния. Вариации нагрузки носят случайный ха­рак­­тер, и при под­ключении мощной нагрузки наблюдается резкое изменение периода вращения в сторону уве­ли­че­ния, при отключении - ускорение скорости вращения.

Анализ выявил особенности взаимодействия турбогенератора с внешними наг­рузками, порождающими переходные процессы при восстанов­ле­нии номи­наль­­ного режима. На достигнутом уровне точности обнаружилась неравно­мер­ность вра­ще­­ния ва­лопровода. Различными оказываются продолжи­тель­ности двух после­до­ва­тель­ных обо­ротов, проявляется неравномер­ность враще­ния даже в преде­лах одного оборота и кру­тильные колебания вало­провода. Эта нерав­но­мер­ность вызывается неста­биль­нос­тью напора в турбине и параметров элек­три­ческой нагрузки. Выяс­нилось, что штатные контрольно-измерительные средства ТЭЦ не регистрируют быстро­протекающие процессы, что необходимо для оп­ре­деления зарождающихся дефектов, оценки влияния на работу ТА системы уп­равления и внешней сети, а также его аварийной защиты.

Графики изменения  кинематики вращения валопровода,  отражающие взаимо-

действие  с  внешней сетью и  СУ, представлены для  ТА №3 ТЭЦ-26 на рис. 10 и ТА

№5 ТЭЦ-23 на рис. 11.

Турбоагрегат испытывает воздействия со стороны энергосистемы и сис­те­мы управления, приложенные к ро­тору генератора в виде электродина­ми­чес­­кого и со стороны турбины механического крутящих моментов, дей­ствующих на ва­ло­провод и возбуждающих его кру­тиль­ные колебания, которые постоянно при­сутствуют в работе ТА.

Далее на рис. 12, 13 представлены результаты регистрации быстропроте­кающих переходных процессов, соп­ровождающихся вариациями периода вра­ще­ния и крутильными колебаниями валопровода турбоагрегата. К процессам, кото­рым уделяется внимание, относятся включение генератора во внешнюю сеть и его отключение. Их параметры не регистрируются штатными средствами.

Качественная повторяемость периодограмм отключения генератора от внеш­ней сети подтверждает возможность проведения сравнительного ана­лиза на длительных отрезках работы ТА, выявления устойчивых долго­вре­мен­ных  диаг­нос­тических признаков и их индивидуальных количественных характерис­тик, выявление трендов, что необходимо для оценки текущего технического сос­тоя­ния. Важно отметить повторяемость параметров качания вращающегося ротора генератора после выключения из внешней сети (рис. 13).

       Автокорреляционный анализ (рис. 14, 15) характеризуется более детальным рассмот­рением процесса вращения валопровода ТА и выявляет особенности его работы.

Рис. 14  Рис. 15

Автокорреляционный анализ показал:

- качественное совпадение характера протекающего процесса и проявление количественных индивидуальных особенностей каждого ТА,

-наличие «долгоживущих» характеристик, изменение которых могут ис­поль­зоваться в качестве диагностических признаков.

ФХС обеспечили впервые регистрацию даже малых кратковременных всплесков крутильных колебаний валопровода турбоагрегата.

В главе также представлена методика определения параметров низко­час­тотных крутильных колебаний валопро­вода ТА фазохронометрическим методом. Измерение параметров крутильных колебаний необходимо в связи с тем, что они признаны одной из основных причин возникновения трещин в роторах и пос­тоянно присутствуют в режиме вращения валопровода. На основе прецизионных хронограмм в промышленных условиях получается эквивалентная осцилло­грам­ме пространственно-временная развертка низкочастотных крутильных коле­ба­ний  вращения вала турбогенератора, где роль несущей частоты, модулируемой низкочастотным сигналом, играет номинальная частота вращения валопровода. Тем самым открывается дополнительная возможность систематического кон­тро­ля состояния турбогенератора, не требующая применения коротких замыканий и нештатных воздействий.

Спектральный анализ на базе фазохронометрической информации  позволил более детально рассмотреть частотные параметры вращения вало­провода. Ана­лиз рядов интервалов времени, соответствующих продол­жительности обо­рота ва­лопровода ТА, получаемых с применением ФХС, позволяет определить па­ра­метры его крутильных колебаний при различных режимах. Спектры, ис­ход­ные данными для которых являются временные ряды, сохраняют ка­чественную пов­то­ряемость и количественные отличия, опре­де­ляемые кон­струк­тивными из­ме­нениями (напри­мер, удаление ступеней лопаток ЦНД ТА №5) и  режимами ра­боты (например, действия системы управления, влияние внеш­ней сети, сезонные изменения, изменение крутильной жёсткости и т.д.). Примером спектров кру­тильных колебаний валопровода ТА являются спектры №3 ТЭЦ-26 (рис. 16) и ТА №5 ТЭЦ-23 (рис. 17). У ТА №5 ТЭЦ-23 сняты 42 и 43 ступени ЦНД, что привело к изменению характеристик ва­л­о­про­вода и смещению частоты кру­тиль­ных колебаний в низкочастотную об­ласть. Это подтверждается также вычисли­тельным экспериментом с при­ме­нением математической модели ТА. Следует от­ме­тить, что частоты крутильных колебаний ротора генератора у рассматри­вае­мых ТА совпадает.  Различие спектров вызвано модернизацией

ТА №5.

На рис. 16 и 17 детально показаны спектральные области крутильных ко­ле­­баний ротора генератора для серийного ТА №3 и модернизированного №5, которые также изменяются в зависимости от режимов эксплуатации и воздей­ствий внешней сети.

Обработка результатов фазохронометрирования выявила

- устойчивые долгоживущие, наблюдаемые с 1995 года диагностические признаки, которые являются основой для получения трендов и прогнозирования,

- количественные индивидуальные характеристики, свойственные каждому ТА и зависящие от влияния нагрузки, условий эксплуатации и системы управ­ления,

- возможность получения алгоритмов правильного функционирования ТА и прогноза.

Исследования  показали, что спектральный анализ, исходными данными для которого являются последовательно зарегистрированные интервалы вре­ме­ни, обеспечивает получение частотных характеристик поведения ТА, которые позволяют:

- оценивать работу ТА по изменению спектра крутильных колебаний вало­про­вода при  различных режимах работы,

  Рис.16

- проводить оценку функционирования ТА на переходных режимах,

- анализировать влияние системы управления на поведение валопровода,

- оценивать влияние конструктивных изменений на правильность процесса функционирования.

Данная информация является исходной для оценки текущего и прогнози­рования технического состояния ТА. Необходимы также иссле­до­вания взаи­мо­действия ТА с внешней сетью для совершенствования системы управ­ле­ния ТА. Регистрация функционирования ТА за длительные промежутки времени (сутки и более) позволяет исследовать характер внешних нагрузок, взаимодействующих с ТЭЦ.

Разработана математическая модель функционирующего турбоагрегата в фазохронометрическом представлении. Для описания работы турбоагре­гата применена  математическая модель в приближении сосредоточенных па­ра­метров, где ступени турбины и ротор генератора представляются экви­ва­лентными сис­те­мам лопаток дисками, закрепленными на упругих, способных к кручению и изгибу стержнях, динамически эквивалентных ротору генера­тора и отрезкам ва­лопровода.

Если воспользоваться математической моделью синхронного гене­ра­тора, достаточно, экспериментально определив на различных частотах ам­пли­туды и фазы угла качаний ротора и тока в цепи возбуждения, рассчитать и все час­тотные характеристики эквивалентных контуров ротора и статора, что защищено патентом. Таким образом,  определение  параметров закона малых качаний вра­щающегося ротора обеспечивает практически невозмущающий систематический измерительно-вычислительный мониторинг генератора.

В данной главе также рассмотрено состояние вопроса диагностики двигателя внут­рен­него сгорания на базе контроля кинематических параметров. С середины 70х годов по 90-е годы выполнен большой объем научно- исследовательских и экспериментальных работ по обоснованию применения неравномерности (из­ме­не­ние угловой ско­рос­ти) вращения коленчатого вала (КВ) для исследования, контроля и диаг­ностики ДВС методами предшествующими фазохро­но­мет­ри­чес­кому подходу. Вы­полнено теоретическое обоснование оценки рабочего процесса и нерав­но­мер­ности работы цилиндров ДВС по неравномерности угловой скорос­ти вращения КВ. Предложены параметры оценки работы ДВС, связанные с неравномер­нос­тью частоты вращения КВ. В рамках технических возможностей бы­ли раз­ра­бо­таны аппаратные средства, обеспечившие исследования систем ДВС. Вы­пол­нены исследования работы по исследованию группы движения, системы пи­тания, системы зажигания, системы газораспределения для обос­но­вания эф­фек­тивности применения параметров неравномер­ности вращения КВ в оценке кон­струкции, доводки, испытания, контроля и диагностики ДВС.

Полученная ранее точность не более 0.2% недостаточна для детального исследования параметров ДВС. Система хронометрического контроля обеспе­чи­вает при частоте 2000 мин-1  погрешность не более 3,3⋅10-4 %, а при  4000 мин-1- 6,6⋅10-4 %, а математическая обработка рядов интервалов времени позволяет получить значительно большее число диагностических признаков.

В главе представлена методика экспериментального определения пара­мет­ров ДВС  фазохронометрическим методом.

Основные выводы и результаты

1. Эталонная база хронометрии (измерение времени и частоты), имеющая наивысшую стабильность, позволяет перенести её рекордный метрологический уровень в практику машиностроения (включая этапы создания и эксплуатации), обеспечивая в классе фазохронометрических измерений, благодаря их высокой разрешающей способности, возможности нового видения машин и механизмов.

2. Применение фазового метода  в сочетании с прецизионной хроно­мет­рией для исследования рабочего цикла, который является исходным первичным про­цессом машин и механизмов, обеспечило получение принци­пиаль­­но но­вой инфор­мации о функционировании технических объектов на всех эта­пах жиз­нен­ного цикла и переход на новый уровень их иссле­до­вания, диагностики и ава­рий­ной защиты. Для рабочих циклов машин и механизмов наи­более ин­фор­ма­тив­­ной динамической переменной является полярный угол радиус-век­тора точки, изо­­­бражающей на фазовой плоскости состояние цик­лической сис­­темы. На­блю­даемыми величинами здесь являются регистрируе­мые интервалы времени при фазо­хро­нометрических измерениях и соот­вет­ствую­щие характерным интервалам фаз рабочего цикла.

3. Разработанные на общих принципах фазохроно­мет­рического подхо­да математические модели реализуют взаимосвязь экспери­мен­­таль­ных дан­ных с рабочим циклом и кон­струкцией машин и механизмов, что обеспе­чи­вает внед­рение математи­ческих моделей непосредственно в процесс иссле­до­вания, раз­ра­ботки, изго­тов­ления, испытания, экс­плуа­­та­ции и ремонта машин и механизмов.

4. С использованием процедуры много­крат­ных измерений и методов их пла­ни­ро­вания при оценке качества изме­рительной процедуры по уровню сис­­те­матической погрешности и дисперсии разработано мет­ро­ло­­гическое обес­печение встроенных фазохро­но­метрических сис­тем (например, для турбо­­аг­ре­­га­тов ТЭЦ и гидро­аг­регатов), измерительные ка­налы ко­то­рых встраиваются в объект и работают в условиях его эксплуатации. Пред­ло­женный подход обес­пе­чивает не­пре­рывный количественный контроль метро­логических харак­те­ристик из­ме­рительного канала в процессе эксплуатации изделия без необ­хо­димости перерасчёта поверочного интервала при вариа­циях условий экс­плуатации и влия­ющих величин. Тем самым оценка год­ности измери­тель­ного канала вы­пол­няется по текущим метро­ло­ги­­чес­ким ха­рактеристикам, что по­вы­шает надёж­ность фазохроно­мет­рических систем и снижает затраты на их реа­лизацию.

5. На основе фазохронометрического подхода разработаны единые прин­ципы проек­тирования фазохронометрических систем для всех этапов жиз­нен­но­го цикла изделия, что значительно сокращает номенклатуру тех­ни­ческих средств контроля и диагностики, а также финансовые и материальные затраты. 

6. На базе единого формата контролируемых метрологических харак­те­ристик (интервалы времени), единых подходов к математической обработке экспери­мен­таль­ных данных и математическому моде­лированию решена про­блема инфор­ма­цион­ного обмена между эта­пами жиз­нен­ного цикла, тем самым обес­печивается накопление и передача информации с этапа эксплуа­тации в КБ и на заводы (этапы разработки и изготовления изделий) для совершен­ствования конструк­ции и технологических процессов.

7. Разработанная информационная технология на базе фазохро­но­мет­ри­чес­ких измерений параметров рабочего цикла, обеспечивает применяемым в нас­тоя­щее время различным методам исследования машин и механизмов прос­тран­ственно-временную взаимо­связь с фазами рабочего цикла, кон­струк­цией цик­ли­ческих машин и механизмов и с параметрами движения их эле­мен­тов.

8. На единой научной базе фазо­хро­нометри­ческого подхода раз­ра­ботаны методы и средства инфор­ма­цион­но-мет­ро­ло­­гического со­провождения и ава­рий­ной защиты синхронных гене­ра­то­ров большой мощ­нос­ти ТЭЦ, гидроагрегатов ГЭС, часовых механизмов и двигателей внутреннего сго­ра­ния.

9. Применение фазохронометрических систем и математического моде­ли­ро­вания для исследования работы турбоагрегатов ТЭЦ обеспе­чило получе­ние принципиально новой информации и впервые

- достигнута  относительная погрешность определения периода вра­ще­ния вало-

провода ТА ТЭЦ 5⋅Ч10-4 %, позволившая реализовать регис­тра­цию, воз­буж­даемых изменениями внешней нагрузки и уп­равляющих воздействий, его кру­тильных колебаний которые считаются одной из основных причин на­коп­ления усталости в металле валопровода и аварийного трещинообразо­ва­ния в нём (тех­нология измерения параметров крутильных колебаний вало­провода турбо­аг­регата отсутствует в энергетике),

- зарегистрированы вариации продолжительности оборота вало­про­вода турбоагрегата и различные быстро­проте­каю­щие процессы, не регистри­руе­мые штатной аппаратурой, но влияющие на работоспособность турбо­аг­ре­гата,

- в мировой практике обработкой результатов фазохро­номет­ри­ческих из­ме­рений получен спектр крутильных колебаний валопровода турбо­аг­ре­га­та, в том числе для низкочастотной области, содержащий диагностическую инфор­ма­цию,

- в мировой практике обоснован теоретически и экспериментально метод система­ти­ческого кон­тро­ля частотных харак­те­ристик синхронных ге­не­раторов боль­шой мощности в рабо­чем режиме (имеется патент),

- обоснован теоретически и экспериментально измерительно-вычисли­тель­ный прогно­зирую­щий мониторинг технического состояния турбоагре­га­тов ТЭЦ не имеющий аналогов, 

- подтверждено, что  фазохронометрическая система в сотни раз более опе­ративна, чем штатные средства ТЭЦ, и обеспечивает новый уровень аварийной защиты турбоагрегатов.

По результатам выполненных ис­сле­дований опубликованы, 25 статей в научно-тех­ни­ческих журналах, в журналах по списку ВАК – 13 статей, 50 тезисов докладов на научно-техни­ческих конференциях. По­лучены патент и два авторских свидетельства на изобретение.

Основные положения отражены в следующих публикациях:

1. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Прецизионная стробоскопия для ис­сле­дования машин и механизмов // Известия вузов. Машиностроение. 1984. №6. С. 33-36.

2. Киселёв М.И., Пронякин В.И., Уроженко В.В. Совершен­ство­ва­ние ме­то­да контроля механических часов // Измерительная техника. 1987. № 6. С. 37.

3. Киселёв М.И., Ней Н.А., Пронякин В.И. Задача о точке встречи в мате­матической модели часового механизма // Известия вузов. Приборо­строе­ние. 1988. Т. ХХХI. № 3. С. 46-50.

4. Оптоэлектронные средства автоматической диагностики приборов точной механики / В.И. Пронякин [и др.] // Приборы и системы управления. 1990. №4.  С. 21-23.

5. Измерение периода вращения валопровода турбоагрегата фото­элек­три­ческим  методом  /  В.И. Пронякин  [и др.]  //  Из­ме­ри­тель­ная  техника.  1996.  № 12. С. 28-29.

6. Частотно-хронометрический контроль циклических машин и меха­низ­мов  / В.И. Пронякин [и др.] // Приборы и системы управления. 1998. № 3. С. 33-34.

7. Киселёв М.И., Новик Н.В. Пронякин В.И. Регистрация параметров кру­тиль­ных колебаний валопровода турбогенератора // Измерительная техника. 2000. № 12. С. 34-36.

8.  Киселёв М.И.,  Пронякин В.И.  Фазовый  метод  исследования  цик­ли­чес­ких

машин и механизмов на основе хронометрического подхода // Из­­ме­ри­тель­ная техника. 2001. №9. С. 15-18.

9. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Измерительно-вычислительное обеспе­че­ние создания часовых механизмов // Измерительная техника. 2003. №5. С. 22-28.

10. Киселёв М.И., Пронякин В.И., Темнов В.С. Расчёт хро­но­мет­ри­чес­кого отклика турбоагрегата на синусоидальное тестовое воздействие // Изме­ри­тель­ная техника. 2005. №10. С. 48-50.

11. Прецизионное исследование работы турбоагрегата оптико-электрон­ны­ми средствами. / В.И. Пронякин [и др.] // Теп­ло­­энергетика. 2006. №11. С.10-13.

12. Киселёв М.И., Пронякин В.И., Чивилёв Я.В. Регистрация и анализ па­ра­метров останова // Измерительная техника. 2006. №8. С. 24-27.

13. Пронякин В.И. Проблемы диагностики циклических машин и меха­низмов // Измерительная техника. 2008. №10. С. 9-13.

14. Пронякин В.И. Исследование колебаний осциллятора механических часов фотоэлектрическим методом // Расчёт, конструирование и управление качеством приборов времени: Труды НИИчаспрома. М., 1982. С. 70-74.

15. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Экспериментальное исследование вариа­ций хода часов при механических воздействиях. М., 1983. 15с. Деп. в ВИНИТИ 30.06.83. Москва. № 3542-83.

16. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Прецизионная автоматическая бескон­такт­ная диагностика и разработка САПР устройств точной механики // Труды МВТУ им.  Н.Э. Баумана:  Исследования  динамики и  прочности  машин. М.: 1986. № 467. С. 59-68.

17. Киселёв М.И., Новик Н.В., Пронякин В.И. О возможности хрономет­рического контроля двигателя внутреннего сгорания // Испытания материалов и конструкций: сборник научных трудов под ред. С.И. Смирнова и В.И. Ерофеева.  Н. Новгород: Издательство общества «Интелсервис», 1996. С. 255-261.

18. Определение хронометрическим методом параметров низкочастот­ных кру­тильных колебаний валопровода турбогенератора / Н.А. Зрой­­­чи­­ков [и др.] // Испытания материалов и конструкций: сборник науч­ных трудов / Под ред.  С.И. Смирнова и В.И. Ерофеева Н. Нов­город: Изда­тель­ство общества «Интел­сер­вис», 2000. Вып. 2. С. 311-317.

19. Измерительный контроль синхронного генератора большой мощности в рабочем режиме на основе хронометрического подхода. / Н.А. Зройчиков [и др.]  // Новое в Российской электроэнергетике. 2000. № 3. С. 17-21.

20. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Прецизионный фазовый контроль функ­ционирующих циклических машин и механизмов хроно­метрическим методом и его приложения // Фундаментальные проблемы и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем («Фридлендеровские чтения»): Труды пятой сессии международной науч­ной школы. СПб: ИПМ, 2002. С. 55-60.

21. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Проблема точности при метро­ло­гичес­­ком обеспечении производства и эксплуатации машин и механизмов // Пробле­мы машиноведения: точность, трение и износ, надёжность, перспек­тив­ные тех­но­­ло­гии; Под ред. В.П. Булатова. – Санкт-Петербург: Наука, 2005. С. 7-24.

22. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Фазохронометрический контроль вало­про­­водов турбоагрегатов // Проблемы вибрации, виброналадки, вибро­монито­рин­га и диагностики оборудования электрических станций: Сборник докладов Все­­рос­сийского научно-технического семинара; Под общей ред. А.В. Са­лимона. М.: ОАО «ВТИ», 2005. С. 84-89.

23. Киселёв М.И., Пронякин В.И. Математическое обеспечение селектив­ной сборки часового механизма /Современные технологии сборки. 2005. №7.  С. 10-15.

24. Объединённые научно-производственные коллективы в решении пер­спек­тив­ных и важнейших текущих научно-технических проблем. Совершен­ство­ва­ние методов и средств диагностики / В.И. Пронякин [и др.] // Проблемы виб­ра­ции, виброналадки, вибромони­торинга и диагностики оборудования электри­чес­ких станций: Сборник докладов Международного научно-технического сове­щания. М.: ОАО «ВТИ», 2007. С. 124-128.

25. Пронякин В.И. [и др.] Время не ждёт // Гидротехническое строительство. 2009. №9. С. 27-33.

Патенты и авторские свидетельства

  1. Устройство для измерения динамических деформаций валов в ста­цио­нарном режиме вращения: а.с. 1060944 СССР / О.А. Ивлев, М.И. Киселёв, В.И. Про­някин заявл. 21.12. 81; опубл. 15.12.83. Бюлл. №46.
  2. Устройство для регистрации угловых и линейных перемещений вращающегося объекта: а.с. 1803728 СССР / М.И. Киселёв, В.И. Пронякин, В.О. Гла­­дышев, С.Н. Горчаковский  заявл. 19.03.91; опубл. 23.03.93. Бюлл. №3.
  3. Способ экспериментального определения ампли­ту­до-частотных и фазо-частотных характеристик качаний ротора синхрон­ного ге­не­ра­тора в рабочем режиме: патент 2233455 РФ / М.И. Киселёв, В.И. Пронякин заявл. 15.03.02; опубл.10.09.03. Бюлл. №25.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.