ytgf6785f86rf  
Главная
Продукция
Партнеры
Статьи
О нас

Контакты

Ссылки


Возможность использования в составе измерительных комплексов

 


Инновационные методы динамического неразрушающего контроля и диагностики

Методы векторной виброметрии и технические характеристики ВВ предоставляют возможность регистрировать фазовые соотношения проекций вектора виброускорения, измеренные в единой точке, и, как следствие, получать согласованные по фазе прецизионные контурные характеристики (КХ) агрегатов, конструктивов и объектов любой сложности. Анализ КХ позволяет правильно и оперативно (online) оценивать и выявлять автоколебания, области динамической податливости, ослабления креплений, дефекты подшипников, отрывы опор, механические повреждения (трещины), акустические и механические резонансы и другие отклонения. Эксплуатационные решения для строительных конструкций и прецизионная виброналадка силовых агрегатов на основе знания КХ позволяет повысить эксплуатационную надежность, предоставляет принципиально новые технологические возможности, каждая из которых приводит к экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

Инновационная идея впервые получила практическое подтверждение при проведении вибромониторинга опор турбоагрегата Т-250/300-240 на ТЭЦ-23 ОАО «МОСЭНЕРГО» РАО «ЕЭС России» в связи с возможностью применения ВВ. Испытания проводились в соответствии с отраслевым стандартом РД 24.033.04-88 «Методика комплексных вибрационных испытаний энергетических паротурбинных агрегатов» и ГОСТом на калибровку и использование вибродатчиков при измерениях на объектах контроля и мониторинга. Помимо представления в традиционном виде (таблицы, спектральные характеристики и полярные диаграммы), впервые реализован новый вид представления вибрации - траектории движения (орбиты) измерительных точек в проекции на ортогональные плоскости декартовых координат ВВ (рис.1). По параметрам проекций не представляет труда воспроизвести пространственный годограф измерительной точки – реконструкцию фрагмента вибрационного портрета.
 

Рис. 1. Эволюция графического представления параметров вибрации.



Анализ КХ конструкций и форм колебаний в штатных точках контроля абсолютной вибрации позволил наиболее полно и точно оценить текущее анизотропное состояние, проследить изменение вибрационных характеристик (формы колебаний и траектории движения в плоскостях и пространстве) элементов конструкций, их реальное взаимодействие между собой, выявить ослабления в опорной конструкции турбоагрегата. Получены подтверждения преимущества векторного измерения для целей виброналадки, диагностики и балансировки силовых агрегатов теплоэнергетических объектов. По мнению ведущих ученых ГТУ МЭИ «Впервые в мировой практике получено пространственное распределение вектора смещения в зависимости от фазовых соотношений пространственной вибрации, измеренное в трехмерной системе координат». Как выяснилось в дальнейшем, чем сложнее объект исследования, тем ярче проявляются уникальные информационные возможности методов векторной виброметрии, а понятие вибропортрет приобретает углубленное и достоверное по отношению к общепринятому значение.

Упругие волны, инициируемые источниками гармонических колебаний, возбуждают колебания измерительной точки с закрепленным в ней ВВ. Параметры этих колебаний передаются на средство измерения вибрации в соответствии с физическими свойствами и прочностными характеристиками объекта мониторинга. Упругие колебания в изотропных объектах происходят по пространственной траектории в форме отрезка прямой, что свидетельствует о равнопрочности или равенстве модулей упругости в ортогональных направлениях. Если объект вибромониторинга (конструкция, или материал, или дефект) в измерительной точке обладает свойством анизотропии прочности – пространственной, амплитудной (усталостной) или частотной (резонансной) разноподатливостью, то временнáя развертка, воспроизведенная с помощью волнового фазочувствительного ВВ абсолютной пространственной вибрации, позволяет наблюдать, в общем случае, годограф в виде пространственного эллипсоида. Формообразующие точки эллипсоида суть декартова множества развернутых во времени синфазных измерений мгновенных проекций амплитуд колебаний измерительной точки. Размеры осей эллипсоида соответствуют абсолютным перемещениям измерительной точки, что является следствием различия модулей упругости, или разнопрочности. Это и есть фактическая и единственно достоверная КХ, учитывающая анизотропные свойства в параметрах механических колебаний измерительной точки. Линейность и синхронность каналов ВВ позволяют измерять в трехмерном пространстве параметры вибрации – частоты гармоник приходящей волны, амплитуды колебаний и фазы их прохождения в направлении измерительных осей. Таким образом, в отличие от трехканальных конструкций, построенных на однокомпонентных датчиках, только векторные вибропреобразователи с единым измерительным элементом обладают свойством чувствительности к сдвигу волны (фазы колебаний), связанному с анизотропными прочностными свойствами объекта. КХ как реакция объекта исследования на внешние воздействия, так и на проявление собственных динамических свойств, позволяет анализировать прочностные свойства материалов и конструкций, а также выявлять развитие возможных дефектов различной природы. С учетом характера воздействий, в зависимости от прочностных динамических свойств объекта и пространственной ориентации вибропреобразователя, проекции эллипсоида могут трансформироваться в окружности или прямые линии.

Качественная новизна разрабатываемого метода динамического неразрушающего контроля (НК) состоит в том, что реакция на механические воздействия, представленная как совокупности пространственных прецессий (траекторий движения) обоснованно выбранных измерительных точек, с учетом множества дефектов и кинематических ограничений движению позволяют сформировать образы пространственных эллипсоидов объемной относительно поверхности исследуемого объекта формы. Точечный фрагмент типичной КХ представлен на рисунке 2.




Рис. 2. Точечный фрагмент контурной характеристики.

По параметрам и ориентации осей эллипсоида можно достаточно просто изучать динамические свойства конструкции и качественно оценивать причины повышенных вибраций. Размер малой оси эллипсоида соответствует абсолютным колебаниям измерительной точки в направлении минимальной податливости, а размер большой оси эллипсоида соответствует абсолютным колебаниям в направлении максимальной податливости материала (конструкции). Размеры осей проекций эллипсоида соответствуют проекциям амплитуд абсолютной вибрации на плоскости ортогональной системы координат. Естественно предположить, что анизотропия податливости является следствием анизотропии прочности материала или конструкции. На ВВ, обладающих свойством фазочувствительности, в отличие от однокомпонентных датчиков, не обладающих этим свойством, можно построить оптимизационную модель определения координат установки средств измерения на корпусах и статорах для наиболее эффективного измерения аэроупругих и механических колебаний, как вращающихся частей, так и статических нагруженных конструкций.

Основанная на удивительных достижениях компьютерной техники, изученной и освоенной физике измерения НДС нагруженных конструкций и силовых агрегатов, подверженных разрушающему воздействию вибрации, векторная виброметрия позволяет воспроизвести реконструкцию трехмерного распределения колебаний любой доступной точки объекта измерений по совокупности интегрированных по частотам ортогональных проекций векторов виброускорения в поле измерительных точек. В отличие от чрезвычайно сложного высокотехнологичного программного обеспечения, для целей мониторинга, диагностики и визуализации, аппаратная часть комплекса вибрационного НК достаточно мобильна и проста в эксплуатации, не требует специальных средств юстировки, обеспечения совместимости и биологической защиты. Это позволяет реализовать технологию как в формате стационарных систем непрерывного мониторинга «on-line», так и в виде приборов интегральной экспресс-оценки НДС.

Метод динамического НК является фундаментальным и универсальным для любых нагруженных конструкций и силовых агрегатов на всех стадиях жизненного цикла в машиностроении и строительстве - от проектирования нового объекта, опытного производства, наладки, испытаний, ремонта и продления ресурса до непрерывного мониторинга развивающихся дефектов в процессе эксплуатации. Использование инструментов векторной виброметрии дает полную уверенность в инновационных решениях. Независимо от технологии векторной виброметрии, инновационная идея вибропортретирования теоретически обоснована в ЦНИИ транспортного строительства (А.А.Цернант) в качестве метода объектной волновой томографии для оценки влияния циклических, ударных, динамических, климатических и сейсмических нагрузок на объекты транспортных природно-технических систем. Предметом волновых исследований является оценка параметров граничных условий между областями упругости и пластичности. При эксплуатационном вибромониторинге эта задача трансформируется в оценку динамической прочности и прогнозирования техногенной безопасности системы. Достоверный мониторинг в совокупности с профессиональной вибродиагностикой и наладкой дает основания для разработки методов вибрационной дефектоскопии. Особенно важными представляются такие обстоятельства, как значительный износ оборудования и строительных конструкций в различных отраслях промышленности России, массовое нарушение эксплуатационных регламентов и полное отсутствие ответственности за безопасную эксплуатацию. Эти проблемы общества существенно повышают роль метода вибрационного НК для достоверной оценки остаточного ресурса при определении допустимых сроков эксплуатации, предупреждении аварийных состояний и техногенных катастроф. По мнению ведущих специалистов в области технической диагностики природно-технических транспортных систем, достоверное вибропортретирование позволяет с впечатляющей простотой ввести в повсеместную практику полный прочностной вибродинамический аудит в качестве ключевого дифференциатора технического соответствия, а также непрерывный эксплуатационный вибромониторинг в качестве прогнозного интегратора техногенной опасности объектов строительства, транспорта и машиностроительной продукции. По динамической чувствительности среди традиционных и новейших средств НК метод динамического (вибрационного) неразрушающего контроля аналогов не имеет.

Ниже приводится заключение о применении ВВ при исследовании аэроупругих автоколебательных процессов в авиации. « Основным методом диагностики аэроупругих процессов в турбомашинах до настоящего времени было тензометрирование. Этот метод обладает низкой надежностью и не может быть использован в процессе эксплуатации авиадвигателей. В связи с возрастающими ресурсами силовых агрегатов, при работе которых происходит изменение аэроупругих характеристик механических элементов, создаются эксплуатационные методы и системы диагностики опасных аэроупругих процессов (флаттер, резонанс, вращающийся срыв), приводящих к критическим ситуациям вследствие усталостных поломок элементов турбомашин. Эксплуатационный (полетный) мониторинг силовых агрегатов, как правило, ведется с использованием пьезоэлектрических однокомпонентных вибропреобразователей, однако, общепризнанным является факт, что однокомпонентные датчики измеряют модуль проекции пространственного вектора виброускорения на измерительную ось, положение и ориентация которой никоим образом не связана с вектором и задается, как правило, разработчиком или исследователем, исходя из идеализированных представлений о предположительных вибрационно уязвимых местах конструкции. Поэтому достоверность информации обычно применяемых датчиков чрезвычайно низка. Помимо этого, однокомпонентные датчики в любых комбинациях (в том числе и трехкомпонентные, составленные из трех однокомпонентных) из-за фазовых рассогласований пьезоэлементов не дают возможности корректно измерять фазовые характеристики механических колебаний, передающихся по конструкции в измерительную точку, что не только ограничивает возможности мониторинга, но и лишает его достоверности. Пространственный мониторинг динамической прочности на основе волновых 3D-фазочувствительных (векторных) вибропреобразователей абсолютной вибрации, созданных на одном пьезокристалле, позволяет с высокой точностью определять в измерительной точке три ортогональные проекции вектора виброускорения, синфазные с колебательными реакциями этой точки на возмущающие пространственные волны. Это связано с практически полным отсутствием влияния возбуждения в одном из ортогональных направлений на показания измерительного прибора по двум другим и абсолютной синфазностью измеряемых компонент вектора. Как показали исследования, основное преимущество векторных датчиков перед однокомпонентными состоят в том, что информационно-диагностические возможности векторных вибропреобразователей пространст-венной вибрации с одним чувствительным элементом концептуально универсальны и превосходят возможности датчиков пульсаций, тензометров и любых комбинаций однокомпонентных датчиков, так как позволяют прямым методом измерять синхронно по трем координатам фазовые соотношения параметров волнового поля механических колебаний в каждой измерительной точке. Пространственное представление процессов вибрации и пульсаций впервые в мировой практике позволило, помимо горизонтальных и вертикальных, наблюдать осевую составляющую флаттера. Инновационные возможности волновых фазочувствительных датчиков позволили экспериментально получить следующие результаты и наблюдения. Надежная векторная диагностика и полное подтверждение теоретических положений бесконтактной диагностики флаттера получены благодаря использованию векторных значений диагностических спектральных составляющих. В отличие от ранее существовавшего мнения о том, что фронт деформаций имеет замкнутый характер и распространяется в плоскости вентилятора, практически показан штопорообразный гистерезисный характер его распространения вдоль оси вентилятора. Наличие осевой диагностической спектральной составляющей флаттера дает основания размещать векторные вибропреобразователи не только вблизи исследуемых лопаток, что часто бывает затруднительным, но и на значительных расстояниях от них без потери диагностической информации

Помимо этого, применение векторных вибропреобразователей для диагностики аэроупругих процессов имеет следующие метрологические, технологические и конструкционные преимущества:
 

  • не требует необратимых конструктивных монтажных доработок исследуемого объекта, необходимых для установки тензодатчиков и датчиков пульсаций;

  • предоставляет возможность достоверно регистрировать пространственные динамические характеристики зарождения и развития сложных автоколебательных процессов,

  • помимо стендовых лабораторных испытаний, позволяет проведение оперативной вибродиагностики аэроупругих процессов авиадвигателей в различных эксплуатационных и исследовательских режимах, в том числе в полете;

  • технологическая проблема размещения диагностических диагностических датчиков существенно упрощена по сравнению с измерительными каналами других типов;

  • измерительный канал на основе векторных вибропреобразователей существенно дешевле аналогичного комплекта на основе датчиков пульсаций и тензометров.



Следовательно, для ранней диагностики аэроупругих колебаний (зарождения флаттера и др. аналогичных процессов) применение векторных 3D-фазочувствительных вибропреобразователей не только возможно, но даже эффективно и целесообразно. Положительный результат, полученный в ходе исследования, совершенно очевиден. Это позволяет с уверенностью рекомендовать векторные 3D-фазочувствительные вибропреобразователи к широкому применению при эксплуатационном мониторинге аэроупругих автоколебательных процессов и всех видах прочностных исследований ».

Результаты многочисленных испытаний не только подтвердили практическую возможность получения достоверной информации о динамических параметрах вибрации, но и доказали технологический приоритет России и конкурентоспособность векторных датчиков в сравнении с лучшими зарубежными «аналогами». Прецизионность и фазочувствительность пьезопакетника ВВ превращает его в уникальный эффективный инструмент исследования динамических прочностных характеристик материалов, конструктивов и их дефектов. Есть основания полагать, что векторная виброметрия, основанная на достоверном пространственном вибромониторинге, соответствует мировому метрологическому уровню, полностью совместима с целями международной системы стандартизации и соответствует общепринятым техническим регламентам.

Литература:
1. Патент РФ №2061242, Трехкомпонентный пьезоэлектрический виброакселерометр с одним чувствительным элементом.
2. И.Б.Кобяков, Трехкомпонентный виброакселерометр для систем вибрационной диагностики технических систем, «Контроль. Диагностика», №10(40) 2001г., стр. 17-18.
3. А.И.Куменко, С.В.Калинин, И.Б.Кобяков, Вибрационные испыта-ния опор турбоагрегата с использованием трехкомпонентных виброаксе-лерометров нового поколения, «Теплоэнергетика», №6 2003года, стр. 36-43.