УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИБРОДИАГНОСТИКИ АГРЕГАТОВ С РОТОРНЫМ МЕХАНИЗМОМ

Полезная модель относится к средствам контроля технического состояния агрегатов с роторным механизмом (например, турбозубчатого агрегата корабля) и может быть использована для их вибродиагностики в реальном времени, путем адаптивной фильтрации (выделения) полезного сигнала, характеризующего состояние диагностируемого оборудования агрегата, в процессе эксплуатации, при наличии помехи, создаваемой роторным механизмом, работа которого характеризуется цикличностью.
Наиболее известные и широко используемые в настоящее время на практике средства для диагностирования технического состояния агрегатов обычно сочетают статистические методы оценки надежности с контролем ограниченного количества функциональных параметров.
Вибродиагностика агрегатов в реальном времени снижает расходы на их эксплуатацию, так как увеличивает вероятность своевременного устранения неисправностей. Практическая реализация методов диагностики возможна лишь при обоснованном выборе числа и типа контролируемых функциональных параметров.
В настоящее время довольно широко распространена вибрационная диагностика агрегатов, основанная на использовании в качестве функционального параметра вибраций их отдельных деталей и узлов и определении по их значениям состояния агрегата в целом. В процессе работы агрегата динамические процессы вызывают колебания корпуса, подшипников валов роторов, самих роторов, лопаток, установленных на роторах и пр. Для диагностирования агрегатов измеряют вибрационный сигнал и по его анализу делают вывод о состоянии агрегата.
Известно, что для формирования диагностического признака используют обычно представление сигнала в достаточно узком диапазоне частот, например, в зоне одной или нескольких гармоник частоты возбуждения роторного механизма (смотри, например, Ширман А. и др. «Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования», Москва, 1996, с 16-18.).
Вместе с тем, известные технические решения не позволяют обеспечить необходимую точность вибродиагностики агрегата в условиях присутствия помех, создаваемых роторным механизмом. Так как часто уровень гармоники связанной с оборотной частотой роторного механизма превышает на 30-50 дБ среднеквадратичные значения вибраций, связанных с другими механизмами агрегата в этой полосе частот. Таким образом, использование для диагностики наиболее распространенных на промышленных объектах приборов с ограниченным динамическим диапазоном (например, анализаторов спектра и т.п.) или приборов, использующих оценки интегральных уровней вибрации в полосе частот, вблизи частоты оборотов ротора или его гармоник, не позволяет обеспечить надежную диагностику агрегата.
Известны адаптивные компенсаторы помех, позволяющие выделить полезные сигналы на фоне помехи, например, создаваемых работой источника, характеризующегося цикличностью (смотри, например, Б. Уидроу и др. «Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения», Труды Института Инженеров Электроники и Радиотехники «ТИИЭР», 1975, т. 63, №12). Однако при нарушении условия оптимальности, т.е. при попадании полезного сигнала в опорный канал, может происходить его искажение выходе компенсатора. При этом, чем выше уровень полезной компоненты в сигнале опорного приемника, тем сильнее она искажается на выходе компенсатора. Поэтому обычно стремятся размещать линейный опорный приемник компенсатора так, чтобы он чувствовал практически только сигнал источника помехи, или использовать нелинейный опорный приемник.
В процессе работы диагностируемого агрегата, ротор его турбины, размещенный в корпусе, закрытый кожухом, вращается вместе с валом, опирающимся на подшипник, установленный в собственном корпусе, опирающемся на силовые стойки. Масло, подаваемое к подшипнику, пройдя его, попадает в масляную полость и сливается в дренаж по трубе. Акустические сигналы, сопровождающие работу подшипника, ротора турбины с лопатками и других элементов агрегата, распространяясь по трубе слива масла, возбуждают колебания материала трубы, воспринимаемые виброприемником, от которого электрический сигнал поступает в блок диагностики. В блоке диагностики проводится фильтрация сигнала для выделения подшипниковых, лопаточных и других составляющих, оценку их уровней, суммирование для выделения детерминированной составляющей на фоне шума и ее преобразование для получения параметров суммарного сигнала на характерной частоте, по которым и судят о состоянии агрегата, (см. патент РФ №2318194, кл. G01M 13/04, 2008 г.).
Необходимо отметить, что указанная система обладает значительной погрешностью, не позволяющей достоверно определить состояние агрегата, так как на колебания отдельных механизмов оказывают влияние факторы, которые не учитываются при определении параметров суммарного сигнала на характерной частоте, такие как цикличность работы других механизмов, например, роторного механизма. Кроме того, использование для диагностики наиболее распространенных на промышленных объектах приборов с ограниченным динамическим диапазоном (например, анализаторов спектра и т.п.) или приборов, использующий оценки интегральных уровней вибрации в полосе частот, вблизи частоты оборотов ротора или его гармоник, не позволяет обеспечить надежную диагностику агрегата. При этом затрудняется возможность надежно корректировать результаты диагностики состояния агрегата по времени эксплуатации.
Известна система для диагностики технического состояния узлов агрегатов, включающая лазерный вибропреобразователь, соединенный со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом быстрого преобразователя Фурье вибрационного сигнала, выходы которого соединены с входами блока сглаживания и установки номинальных пороговых значений в спектре вибрации, блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации и блока полосовой фильтрации входной вибрации; первый выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока сглаживания и установки пороговых значений, выход которого соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма; второй выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре вибрации; третий выход быстрого преобразователя Фурье вибрации соединен с входом блока полосовой фильтрации входной вибрации, выход которого соединен с входом блока определения огибающей вибрации, выход которого соединен с входом быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации; выходы быстрого преобразователя Фурье огибающей вибрации соединены с входами блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации и блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации; выход блока сглаживания и установки пороговых значений в спектре огибающей вибрации соединен с входом блока выделения дискретных составляющих над порогом номинальных значений в спектре огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации, выход которого соединен с входом блока оценки технического состояния диагностируемого механизма; выход постоянного запоминающего устройства соединен с входом блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов; первый выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока анализа сигнала по спектру вибрации; второй выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом блока определения оборотов первичного вала; третий выход блока выбора исходных данных и параметров для определения характерных частот вибрации механизмов соединен с входом анализа по спектру огибающей вибрации; выходы блока определения оборотов первичного вала соединены с входами блока анализа по спектру вибрации и с входами блока анализа выделенных дискретных составляющих по спектру огибающей вибрации, (см. патент РФ №2379645, к. G01M 15/14, 2010 г.).
Необходимо отметить, что подобная система также обладает невысокой точностью, поскольку по результатам ее диагностики трудно установить связь между источниками возникновения вибрации и изменением спектра. Для серийных агрегатов, находящихся в эксплуатации, такой способ контроля не обладает оперативностью и требует наличия специальной аппаратуры и опытных специалистов. Лазерный вибропреобразователь применим, в основном, в стационарных наземных условиях. Кроме этого, при использовании в данной системе анализаторов спектра огибающей сигнала вибрации с ограниченным динамическим диапазоном, в том числе вблизи частоты оборотов ротора, данное устройство не позволяет обеспечить надежную диагностику агрегата. При этом затрудняется возможность надежно корректировать результаты диагностики состояния агрегата по времени эксплуатации.
В ближайшем аналоге полезной модели технический результат обеспечивается тем, что в систему вибродиагностики агрегата, обеспечивающую возможность получения информации о частоте вращения ротора и вибрации агрегата блоком диагностики, введен блок корректировки параметров диагностики агрегата по времени эксплуатации, а блок диагностики снабжен блоками сигнализации, формирования локальных виброхарактеристик, формирования локальных эксплуатационных виброхарактеристик, дополнительными блоками сравнения (смотри «Система вибродиагностики газотурбинного двигателя», патент по классу G01M 15/14 (2006.01), дата подачи заявки: 2012.06.28).
В то же время, в данном приборе, при проведении диагностики в полевых условиях, также возможно использование блоков сравнения с ограниченным динамическим диапазоном или блоков, в которых сравнение производится путем оценки интегральных уровней вибрации в полосе частот, в том числе вблизи частоты оборотов ротора, что не позволяет обеспечить надежную диагностику агрегата. При этом возможность надежно корректировать результаты диагностики состояния агрегата по времени эксплуатации может быть затруднена вблизи частоты ротора агрегата.
Техническим результатом использования предлагаемой полезной модели, является устранение этих недостатков за счет повышения точности и надежности вибродиагностики агрегатов, снабженных роторным механизмом непосредственно в процессе эксплуатации, в том числе в условиях использования блоков сравнения с ограниченным динамическим диапазоном или блоков, в которых сравнение производится путем оценки интегральных уровней вибрации в полосе частот вблизи частоты оборотов ротора и ее гармоник.
Схема устройства для вибродиагностики агрегатов с роторным механизмом изображена на Фигуре 1. Она включает в себя диагностируемый агрегат 1, на котором установлен датчик частоты вращения роторного механизма 2, датчик вибрации агрегата 3 и блок корректировки параметров диагностики агрегата по времени эксплуатации 4, а также блок диагностики 5. При этом в устройство введены синтезатор гармоник 6, перестраиваемый фильтр 7 и сумматор 8. При этом выход датчика частоты вращения роторного механизма 2 соединен с первым входом блока диагностики 5 и параллельно с входом синтезатора гармоник 6, выход датчика вибрации агрегата 3 соединен с не инвертирующим входом сумматора 8, выход синтезатора гармоник 6 соединен с первым входом перестраиваемого фильтра 7, выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора 8, выход которого соединен со вторым входом перестраиваемого фильтра 7 и параллельно со вторым входом блока диагностики 5, а блок корректировки параметров диагностики агрегата 4 соединен с третьим входом блока диагностики 5.
Устройство для вибродиагностики агрегатов с роторным механизмом работает следующим образом, приемник вибрации 3, установленный на агрегате 1 принимает смесь анализируемого вибрационного сигнала, источником которого является диагностируемый агрегат 1 и помехи, источником которой является роторный механизм, входящий в состав агрегата. Поскольку источником помехи является роторный механизм, то помеха представляет собой периодический сигнал, период которого равен времени цикла работы этого механизма. Помеха является взвешенной суммой нескольких первых гармоник основной частоты вращения роторного механизма агрегата 1 некоррелированных с диагностируемым полезным сигналом. Веса (амплитуды) гармоник в сумме определяются формой сигнала помехи. Датчик частоты вращения роторного механизма 2 формирует сигнал пропорциональный ее значению. Этот сигнал поступает на вход синтезатора гармоник 6, где формируется периодический опорный сигнал в виде суммы гармоник с частотами кратными частоте вращения. Поскольку амплитуды этих гармоник равны, постоянны во времени и не зависят от формы сигнала роторного механизма - источника помехи, опорный приемник, состоящий из датчика 2 и синтезатора гармоник 6, является нелинейным. Очевидно, что нелинейный опорный приемник не чувствителен к действию полезного сигнала, возбуждаемого диагностируемым механизмом 1, а сигналы помехи на втором и первом входе перестраиваемого фильтра 7 оказываются коррелированными. Характеристика перестраиваемого фильтра 7 автоматически регулируется таким образом, чтобы сигнал на его выходе как можно меньше отличался от сигнала помехи в суммарном сигнале с датчика вибрации 3. Сигнал с выхода фильтра 7 подается на инвертирующий вход сумматора 8, работающего как вычитающее устройство. В результате на выходе сумматора формируется очищенный от помехи сигнал, подвергаемый анализу в блоке диагностики 5 и сравнению с эталонами, выбираемых в соответствии с продолжительностью эксплуатации агрегата 1 из блока корректировки параметров диагностики агрегата 4 по времени эксплуатации. По существу, перестраиваемый фильтр 7 является реализацией оптимального фильтра Винера. (Смотри, например, Б. Уидроу и др. «Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения.», ТИИЭР, 1975, т. 63, №12).
Поскольку применяемые в блоке диагностики 5 элементы сравнения диагностируемых сигналов с эталонными, для данного времени эксплуатации могут обладать ограниченным динамическим диапазоном, то возникающие искажения не позволяют обеспечить надежную вибродиагностику агрегата. Предлагаемое устройство устраняет этот недостаток прототипа. Так как помеха от роторного механизма, состоящая из основной частоты и ее гармоник, может значительно превышать сигнал, подвергаемый анализу для диагностики агрегата, то предлагаемое устройство решает задачу вычитания этой помехи из исходного вибрационного сигнала.
Таким образом, устройство для вибродиагностики агрегатов с роторным механизмом, содержащее блок диагностики, принимающий информацию о частоте вращения роторного механизма и вибрации агрегата, соединенный с блоком корректировки параметров диагностики агрегата по времени эксплуатации, отличается тем, что в него введены синтезатор гармоник, перестраиваемый фильтр с двумя входами и сумматор, так что информация о частоте вращения роторного механизма поступает на вход синтезатора, а выход синтезатора соединен с первым входом перестраиваемого фильтра, при этом выход фильтра соединен с инвертирующим входом сумматора, а на не инвертирующий вход сумматора поступает информация о вибрации агрегата, причем выход сумматора соединен со вторым входом фильтра и параллельно с блоком диагностики.