СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОКОСЪЕМНИКОВ
METHOD FOR DETERMINING TECHNICAL CONDITION OF CURRENT COLLECTORS

Изобретение относится к диагностике технического состояния токосъемников, например ртутных токосъемников, предназначенных для измерения параметров авиационных двигателей, методами вибрационной и параметрической диагностики.
Известно устройство для испытания токосъемников, в котором раскрыт способ контроля качества работы токосъемника на вибростенде. Определяют неисправности электрической части токосъемника, для чего подключают все каналы токосъемника к анализатору электрических сигналов, подают входной электрический сигнал, измеряют электрические сигналы тензодатчиков и датчика температуры и сравнивают с эталонными значениями, проводят анализ параметров выходного сигнала и делают вывод о техническом состоянии токосъемников.
Недостатками известного решения являются отсутствие возможности диагностики механических систем токосъемника и определения влияния дефектов механических систем на качество сигнала и исправность электрических систем. [SU 1282247 А1, 07.01.1987 - прототип]
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа контроля и определения технического состояния токосъемников в процессе их функционирования, позволяющего определять дефекты в электрической и механической частях токосъемника и выявлять их взаимосвязь.
Технический результат - повышение точности и глубины диагностирования токосъемников.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения технического состояния токосъемников, содержащих электрическую и механическую части, включающем определение неисправностей электрической части токосъемника, для чего подключают все каналы токосъемника к анализатору электрических сигналов, подают входной электрический сигнал, осуществляют запись выходных электрических сигналов, анализ параметров выходного сигнала и делают вывод о техническом состоянии токосъемников, согласно предложению параллельно определяют наличие неисправностей в механической части токосъемника, включающей ротор, статор, тела качения, наружные и внутренние кольца, сепаратор, для чего устанавливают два датчика вибрации на статор токосъемника во взаимоперпендикулярном направлении с центром пересечения осей измерения с технологической осью токосъемника, подключают их к виброанализатору, далее запускают ротор токосъемника и осуществляют синхронную запись параметров вибрации и электрических сигналов на выходе из токосъемника. Далее выполняют анализ вибрации путем быстрого преобразования Фурье вибрации, в котором выявляют частоты вращения сепаратора, частоты перекатывания тел качения по наружному кольцу и внутреннему кольцу, частоты вращения тел качения, роторные частоты и их частоты модуляции, амплитуды которых сравнивают с пороговыми значениями, установленными предварительно в результате анализа статистических данных; путем анализа амплитудно - частотной характеристики вибрации, путем измерения среднеквадратичных значений вибрационного сигнала, в которых значения амплитуд сравнивают с пороговыми значениями, установленными предварительно в результате анализа статистических данных; путем орбитального анализа вибрации с получением орбиты вибрации, в котором анализируют изменения положения орбит и сравнение их с матрицей состояния, описывающей положения орбит, связанных с неисправностью; путем анализа появления высокочастотных составляющих спектра и сравнение их с матрицей состояния, в которой описываются значения при неисправности; при выявлении превышения значений амплитуд относительно пороговых значений и совпадения со значениями матриц состояния делают вывод о наличии неисправностей в механической части токосъемника. Далее выполняют анализ выходных электрических сигналов путем сравнения амплитуд, частот и фаз выходного сигнала с пороговым значением, установленным предварительно в результате анализа статистических данных, путем сравнения выходного и входного сигналов с помощью анализа модуляций амплитуд, частот и фаз выходного сигнала относительно входного, результаты анализа модуляций сравнивают с пороговыми значениями, установленными предварительно в результате анализа статистических данных, при выявлении отклонений амплитуд, частот и фаз и их модуляций от установленных пороговых значений делают вывод о наличии неисправностей в электрической части токосъемника. В случае отсутствия неисправностей в электрической и механической частях токосъемника делают вывод о исправности токосъемника. В случае выявления неисправностей в механической части токосъемника делают вывод о дефекте сборки или изготовления деталей токосъемника. В случае выявления неисправностей в электрической части токосъемника сравнивают частоту выходного электрического сигнала с среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой и амплитудой роторной частоты вибрации, сравнивают амплитуду выходного электрического сигнала с среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой, амплитудой роторной частоты, орбитой вибрации и сравнивают фазу выходного электрического сигнала со среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой и орбитой вибрации, после чего определяют совпадение частот модуляции электрического сигнала с роторной частотой вибрации, совпадение амплитуд среднеквадратичного значения и амплитудно - частотной характеристики одновременно с возникновением модуляций электрического сигнала, совпадения изменений орбиты вибрации с модуляциями электрического сигнала. При выявлении хотя бы одного совпадения делают вывод о неисправности механической части токосъемника. При выявлении отсутствия совпадений делают вывод о неисправности электрической части токосъемника.
Токосъемник состоит из механической и электрической частей. Механическая часть токосъемника включает в себя корпус, ротор, статор, уплотнения, подшипники, включающие тела качения, наружные и внутренние кольца, сепаратор. Электрическая часть включает узел передачи и соединительные провода.
Предлагаемый способ позволяет определять дефекты в механической части токосъемника, а именно диагностировать техническое состояние опор подшипников (выявлять конструктивные и эксплуатационные дефекты деталей подшипников), роторов (выявлять дисбаланс, нарушения целостности), корпусов (выявлять дефекты затяжки и монтажа) токосъемников. Кроме того, способ позволяет определять дефекты в электрической части токосъемника, а именно выявлять повреждение, изнашивание и опасные колебания электрических и бесконтактных систем.
Повышение точности и глубины диагностирования достигается за счет использования комплексного анализа вибрации и корреляции механических и электрических процессов.
Для выявления наличия дефектов в механической части токосъемника проводят анализ вибрации с применением следующих методов. В отличие от прототипа, в котором выполняется лишь анализ среднеквадратичного значения сигнала, для диагностики и контроля состояния подшипниковых опор (колец, тел качения, сепаратора, уплотнения), роторов, статорных, вращающихся элементов и оценки комплексной картины вибрационного состояния выполняют анализ путем быстрого преобразования Фурье вибрации. В результате этого получают спектр вибрации, в котором можно определить вклад в общую вибрацию всех составляющих и путем ранее известных вычислений идентифицировать их. Но для анализа резонансов ротора, которые могут проявляться и изменяться в зависимости от изменений матриц податливости и демпфирования, с изменением условий сборки и монтажа токосъемника, более информативным является анализ амплитудно -частотной характеристики вибрации, который позволяет получить график зависимости амплитуды вибрации ротора от частоты вращения. Также для анализа резонансов статорных деталей и дополнительного контроля состояния токосъемника, более информативным является анализ среднеквадратичных значений вибрационного сигнала, позволяющий получить график значения среднеквадратичных значений вибрационного сигнала от частоты вращения ротора. Для идентификации прецессионных явлений, изменения фаз колебаний, однократных периодических и не периодических колебаний, не отображающихся в вышеперечисленных методах, используется орбитальный анализ вибрации (см. патент RU 2551447 С1, 27.05.2015), который позволяет получить кривые статического и динамического положения ротора (орбиты вибрации) и по изменению положения орбит и сравнения их с матрицей состояния, описывающей положения орбит связанных с неисправностью, определить динамические процессы, критические и резонансные частоты в рабочем диапазоне, перекос ротора и статора токосъемника. Поскольку данный вид анализа довольно сложен в идентификации различных процессов, то для этого используются матрицы состояния, состоящие из множества орбит вибрации, связанных с основными дефектами и динамическими проявлениями роторных систем. С целью определения начальных стадий повреждений подшипниковых опор выполняется анализ появления высокочастотных составляющих спектра (см. патент RU 2575243 С1, 20.02.2016), позволяющий получить двухмерную амплитудно-частотную спектрограмму по времени, которую сравнивают, как и в предыдущем методе, с матрицей состояния, описывающей значения при неисправности, и по результатам указанного сравнения определяют дефекты тел и дорожек качения.
Для выявления наличия дефектов в электрической части токосъемника проводят анализ выходных электрических сигналов и получают осциллограмму сигнала. Поскольку осциллограмма отображает все параметры сигнала (амплитуда, частота, фаза), то возможно определить и измерить его характеристики, позволяющие оценить качество электрического сигнала, а вместе с этим и качество контакта в узле передачи. Если качество контакта не удовлетворяет требованиям и в самом сигнале прослеживаются процессы, приводящие к его постоянному изменению, то возможно, что причиной является не дефект контакта, а колебания механической системы ротор-статор, влияющие на этот контакт и приводящие к динамическим изменениям в узле передачи. Для идентификации этих процессов сравнивают частоту выходного электрического сигнала со среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой и амплитудой роторной частоты вибрации, сравнивают амплитуду выходного электрического сигнала с среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой, амплитудой роторной частоты, орбитой вибрации и сравнивают фазу выходного электрического сигнала со среднеквадратичным значением, амплитудно - частотной характеристикой и орбитой вибрации для определения механических колебаний, влияющих на изменение контакта, плавающего обрыва и замыкания. По результатам анализа определяют качество контакта, обрыва, замыкания.
Выход из строя механической части, который не критически влияет на вибрацию токосъемника и не идентифицируется как отказ методами вибродиагностики, может оказывать влияние на электрическую часть, что влияет на устойчивость и качество сигнала. При этом если определяется данная неустойчивость сигнала, то по логике, без продолжения исследования, необходимо будет заменить или направить в ремонт исправные компоненты электрических сигналов и настоящий источник таких дефектов выявлен не будет. Поэтому при выявлении дефектов в электрической части диагностику продолжают, поскольку причиной могут является не дефект контакта, а колебания механической системы ротор-статор, влияющие на этот контакт и приводящие к динамическим изменениям в узле передачи.
Предварительно вид анализа строит компьютер. После чего, на отображенных значениях выполняется поиск, идентификация и анализ вручную.
При проведении всех указанных выше видов анализа вибрации осуществляют сравнение параметров вибрации с пороговыми значениями и по превышению параметрами пороговых значений делают вывод о наличии неисправностей. В случае сравнения параметров вибрации с матрицей состояния вывод о наличии неисправностей делают на основании совпадения формы или значений дефекта со значениями разделов неисправностей матрицы.
Пороговые значения и матрицы состояния получают предварительно в результате анализа всех предыдущих запусков и составления статистических данных.
Установка датчиков на статор токосъемника во взаимоперпендикулярном направлении с центром пересечения осей измерения с технологической осью токосъемника обуславливается условиями выполнения орбитального анализа и исследуемым сечением токосъемника.
Пример 1. На стенде испытаний токосъемников устанавливают два датчика вибрации АР2037-10 на корпус токосъемника во взаимно перпендикулярном направлении с центром пересечения оси измерения с технологической осью токосъемника. Подключают их к виброанализатору «ВИСОМ ВС301». Подключают все каналы токосъемника к анализатору электрических сигналов R&S RTB2000. Подают к измерительной части эталонный электрический сигнал через роторную часть. Запускают роторную часть токосъемника на частоты вращения до 220 Гц, останавливаясь на 30 секунд на площадках 50, 100, 150, 200, 220 Гц. Записывают параметры вибрации и электрические сигналы на выходе из токосъемника. Выполняют анализ вибрации с целью диагностики механической системы методами: быстрого преобразования Фурье вибрации; анализа амплитудно-частотной характеристики вибрации для определения зависимостей амплитуд роторных частот и общего уровня вибрации от режима работы токосъемника с целью определения режимов наибольшего нагружения, критических и резонансных режимов; среднеквадратичного значения вибрационного сигнала для контроля пороговых значений; орбитальный анализ вибрации для контроля состояния вращающихся систем токосъемника; способа определения высокочастотной составляющей вибрации для контроля состояния подшипниковых опор. В результате анализа спектра выявили значение роторной частоты 10 мм/с при пороговом значении 5 мм/с, значение среднеквадратичного значения 12 мм/с при пороговом значении 6 мм/с, определена форма орбиты вибрации, как прямая прецессия ротора. В результате чего делают вывод о неисправности механической части токосъемника.
Пример 2. Способ осуществляли аналогично примеру 1. В результате анализа спектра выявили значение роторной частоты 4 мм/с при пороговом значении 5 мм/с, значение среднеквадратичного значения 5 мм/с при пороговом значении 6 мм/с.В результате чего делают вывод о исправности механической части токосъемника. Далее выполняют анализ электрических сигналов на выходе из каналов токосъемника с целью диагностики электрической системы: амплитуд (сопоставление амплитуд входных и выходных сигналов и анализ амплитудной модуляции), частот (сопоставление входных и выходных сигналов и анализ частотной модуляции) и фаз (анализ фазовой модуляции). В результате анализа амплитуда выходного сигнала одного из каналов составила 0,000002 А, наименьшее значение остальных каналов составило 0,2 А при пороговом значении 0,1 А, амплитудных, частотных и фазовых модуляций выходных сигналов не обнаружено. В результате чего делают вывод о неисправности электрической части токосъемника.
Пример 3. Способ осуществляли аналогично примеру 1. В результате анализа спектра выявлено значение роторной частоты 4 мм/с при пороговом значении 5 мм/с, среднеквадратичное значение 5 мм/с при пороговом значении 6 мм/с. В результате чего делают вывод о исправности механической части токосъемника. Далее выполняют анализ электрических сигналов на выходе из каналов токосъемника с целью диагностики электрической системы: амплитуд (сопоставление амплитуд входных и выходных сигналов и анализ амплитудной модуляции), частот (сопоставление входных и выходных сигналов и анализ частотной модуляции) и фаз (анализ фазовой модуляции). В результате анализа амплитуда выходных сигналов наименьшее значение каналов составило 0,11 А при пороговом значении 0,1 А, при этом обнаружено периодическое изменение трех выходных сигналов от 0,06 до 0,12 А. Выявлены амплитудные, частотные и фазовые модуляции выходных сигналов с частотой вращения ротора 200 Гц. В результате делают предварительный вывод о неисправности электрической части токосъемника. Производят сравнение параметров выходного сигнала и вибрации с целью диагностики электронно-механических систем для определения взаимосвязи колебательных процессов токосъемника и электрических систем и выявление их взаимного влияния: сравнение частоты электрического сигнала со среднеквадратическим значением вибрации, амплитудно-частотной характеристикой и роторной частотой, сравнение амплитуды электрического сигнала со среднеквадратическим значением вибрации амплитудно-частотной характеристикой, роторной частотой и орбитальным анализом вибрации, сравнение фазы электрического сигнала со среднеквадратическим значением вибрации, амплитудно-частотной характеристикой. В результате сравнения частоты выходного сигнала обнаружено появление частотной модуляции с частотой 100 Гц на режимах работы с частотой 200 Гц и повышение среднеквадратичного значения 5 мм/с и амплитуды роторной частоты 4 мм/с на этих же режимах, появление амплитудной модуляции с частотой ротора 200 Гц на режимах работы двигателя с частотой 200 Гц, повышение среднеквадратичного значения 5 мм/с и амплитуды роторной частоты 4 мм/с, динамическое изменение орбиты вибрации, определенной как прямая прецессия ротора на режимах работы с частотой 200 Гц, совпадающих с изменениями вибрационных и электрических сигналов, появление фазовой модуляции с частотой 200 Гц на режимах работы двигателя с частотой 200 Гц, повышение среднеквадратичного значения 5 мм/с и амплитуды роторной частоты 4 мм/с, динамическое изменение орбиты вибрации, определенной как прямая прецессия ротора на режимах работы с частотой 200 Гц, совпадающих с изменениями вибрационных и электрических сигналов. В результате делают окончательный вывод о неисправности механической части токосъемника.