СИСТЕМА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА
SYSTEM AND METHOD FOR DETERMINATION OF SPINNING SHAFT TORSION OSCILLATION PARAMETERS

Область использования
Изобретение относится к измерительной технике для диагностирования технического состояния машин с вращающимися элементами и может быть использовано, в частности, для определения характеристик крутильных колебаний валов энергетических турбоагрегатов, питательных насосов и другого подобного оборудования. Знание характеристик крутильных колебаний позволяет выявлять различные дефекты машин и оценивать режимы, неблагоприятные для их эксплуатации, причем чем меньшие значения величин параметров, характеризующих крутильные колебания, удается измерить, тем на более ранней стадии развития может быть диагностирован дефект.
Предшествующий уровень техники
Известна принятая в качестве прототипа заявляемого изобретения система определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала, содержащая установленные на нем в зоне по меньшей мере одной измерительной плоскости по длине вала равномерно по его окружности информационные элементы угловых перемещений вала, расположенный на указанном валу информационный элемент отметчика оборотов его вращения, неподвижные измерительные датчики, установленные вне вала по одному в каждой его измерительной плоскости, и неподвижный датчик отметчика оборотов, установленный в плоскости расположения его информационного элемента для генерации электрических импульсных сигналов при бесконтактном взаимодействии указанных датчиков с указанными информационными элементами, а также соединенный с указанными датчиками аппаратно-программный блок для преобразования и математической обработки полученной от датчиков информации (RU 2078324, G01M 15/00, 1997 [1]). В качестве указанных информационных элементов в сочетании с соответствующими датчиками могут использоваться, например, зубцы специально установленного на валу зубчатого кольца или рабочих лопаток турбинного колеса в сочетании с вихретоковыми, индукционными, емкостными датчиками, датчиками Холла и пр.; светоотражательные метки, прорези в установленном на валу диске, светоизлучающие диоды в сочетании в качестве датчиков со светоприемными устройствами.
Из того же источника [1] известен способ определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала, включающий генерацию датчиком электрических импульсов от информационных элементов, укрепленных в сечении измерений на одном из участков указанного вала, причем в процессе измерения производят отметку каждого оборота вала по опорному импульсу от отметчика оборотов и фиксируют число оборотов в единицу времени, а в качестве системы отсчета принимают время начала каждого оборота, производят регистрацию указанных импульсов с последующим определением требуемых характеристик путем математической обработки результатов измерений по отношению к системе отсчета, создаваемой единичным импульсом от отметчика оборотов, и сравнивают полученные характеристики с аналогичными характеристиками в режиме вращения вала при гарантированном отсутствии крутильных колебаний.
К недостаткам системы и способа определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала согласно [1] можно отнести низкую точность измерений, что ограничивает возможности использования для диагностирования машин с вращающимися элементами известных средств. Причина недостаточной точности измерений согласно [1] состоит в том, что измеряемые перемещения поверхности вала и установленных на нем информационных элементов обусловлены не только угловыми (крутильными) колебаниями, но и прецессионным движением центра вала и вибрационными перемещениями закрепленного на статоре датчика относительно вала в плоскости вращения в направлении, перпендикулярном оси датчика (не крутильными поперечными колебаниями). Исследования показывают, что амплитуда поперечных колебаний вала относительно датчика крутильных колебаний может достигать 100 мкм и более, а амплитуда вибрации собственно датчика относительно поверхности вала превышать 50 мкм. Указанные значения вполне соизмеримы с малыми крутильными колебаниями, определяющими возникновение и развитие дефекта или появление анормальных режимов эксплуатации агрегата. В результате дефект либо вообще не может быть выявлен, либо определен с весьма низкой достоверностью.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и достоверности диагностирования за счет исключения из измерений паразитных поперечных колебаний вала относительно датчика.
В части изобретения на «устройство» это обеспечивается тем, что в системе определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала, содержащей установленные на нем в зоне по меньшей мере одной измерительной плоскости по длине вала равномерно по его окружности информационные элементы угловых перемещений вала, расположенный на указанном валу информационный элемент отметчика оборотов его вращения, неподвижные измерительные датчики, установленные вне вала по одному в каждой его измерительной плоскости, и неподвижный датчик отметчика оборотов, установленный в плоскости расположения его информационного элемента для генерации электрических импульсных сигналов при бесконтактном взаимодействии указанных датчиков с указанными информационными элементами, а также соединенный с указанными датчиками аппаратно-программный блок для преобразования и математической обработки полученной от датчиков информации, согласно изобретению в каждой измерительной плоскости дополнительно установлен второй датчик, аналогичный первому и расположенный по отношению к нему под углом 180° с противоположной стороны вала в той же измерительной плоскости, а число информационных элементов в каждой измерительной плоскости является четным, причем каждый информационный элемент угловых перемещений вала составляет пару с другим аналогичным информационным элементом, расположенным на том же диаметре с противоположной стороны вала. При этом в качестве отметчика оборотов вращения вала предпочтительно может служить выделенный по меньшей мере одним особым размером в измерительной плоскости один из измерительных информационных элементов.
i
i+k/2
i
i
j
j
j
j
j
i
i
0i,
0i
В части изобретения на «способ» указанный технический результат обеспечивается тем, что при осуществлении способа определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала, включающего генерацию датчиком электрических импульсов от информационных элементов, укрепленных в сечении измерений на одном из участков указанного вала, причем в процессе измерения производят отметку каждого оборота вала по опорному импульсу от отметчика оборотов и фиксируют число оборотов в единицу времени, а в качестве системы отсчета принимают время начала каждого оборота, производят регистрацию указанных импульсов с последующим определением требуемых характеристик путем математической обработки результатов измерений по отношению к системе отсчета, создаваемой единичным импульсом от отметчика оборотов, и сравнивают полученные характеристики с аналогичными характеристиками в режиме вращения вала при гарантированном отсутствии крутильных колебаний, согласно изобретению для генерации электрических импульсов в сечении измерений используют четное количество информационных элементов, попарно расположенных друг против друга в сечении измерений, и два датчика, установленных вне вала под углом 180° друг к другу, а для определения требуемых характеристик крутильных колебаний на каждом обороте вала определяют временные интервалы t, где i=1, 2, …, k, k - количество импульсов за один оборот, равное числу информационных элементов, между опорным импульсом отметчика оборотов и текущими импульсами, причем для каждой пары последовательных импульсов с номерами i и i+k/2 определяют полусумму интервалов времени Δti=0,5(t+t), мгновенные значения угловых смещений текущих импульсов относительно опорного импульса φ=Δti·ω где ω - среднее значение угловой частоты вращения вала за один оборот, равное ω=2π/Т, T - время одного оборота вала, и распределение по окружности вала мгновенных значений угловых перемещений, обусловленных крутильными колебаниями Δφ=φ-φ где φ - угловые расстояния между опорным и текущими импульсами, которые определяют на режиме работы при гарантированном отсутствии крутильных колебаний.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем:
- расположение в каждой измерительной плоскости дополнительно второго датчика, аналогичного первому и расположенному по отношению к нему под углом 180° с противоположной стороны вала в той же измерительной плоскости, позволяет исключить при математической обработке результатов измерений информационные сигналы, связанные с поперечными колебаниями вала, благодаря их противоположной направленности;
- четное число информационных элементов в каждой измерительной плоскости, а также то, что каждый информационный элемент угловых перемещений вала составляет пару с другим аналогичным информационным элементом, расположенным на том же диаметре с противоположной стороны вала, обеспечивает четкую реализацию указанного выше признака за счет строго симметричного воздействия на датчики противоположно направленных импульсов информационных сигналов;
i
- определение на каждом обороте вала временных интервалов t между опорным импульсом отметчика оборотов и текущими импульсами в указанном выше порядке позволяет получить с большой точностью и достоверностью диагностирования искомые характеристики крутильных колебаний вала.
Таким образом, все отличительные признаки изобретения взаимосвязаны для обеспечения совместно с ограничительными признаками указанного выше технического результата. Исключение любого из этих признаков приведет к невозможности получения этого результата.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично изображены контролируемый вал с генерирующим электрические импульсы системой информационных элементов в виде зубчатого кольца и с двумя датчиками, расположенными относительно друг друга в плоскости измерений на 180 градусов; на фиг.2 показано формирование единичного импульса от отметчика оборотов, выполненного в виде одиночного выступа (зуба) на отдельном зубчатом кольце; на фиг.3 показаны подлежащие измерению временные интервалы между опорным и текущими импульсами, генерируемыми в датчике при прохождении мимо него зубцов основного зубчатого кольца и одиночного зуба отметчика оборотов; на фиг.4 - то же при использовании в качестве отметчика оборотов одного выделенного зуба общего зубчатого кольца; на фиг.5 представлены в виде векторных отрезков составляющие угловых смещений между опорным импульсом и парой текущих импульсов, генерируемых в двух датчиках, сдвинутых по окружности вала на 180 градусов.
Подробное описание изобретения
Система определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала 1 согласно изобретению содержит информационный элемент угловых перемещений вала, в данном примере в виде установленного на валу 1 в зоне одного произвольного сечения по его длине зубчатого кольца 2 из ферромагнитного материала с зубцами 3. С противоположных сторон зубчатого кольца 2 под углом 180° в точках A и В установлены два измерительных индукционных датчика 4, 5. С указанными датчиками 4, 5 соединен программно-вычислительный блок (не показан) для математической обработки полученной информации. Указанная система снабжена также отметчиком оборотов вращения вала 1. В примере фиг.2 указанный отметчик выполнен в виде одиночного зуба 6 на отдельном зубчатом кольце 7. В примере фиг.4 указанный отметчик выполнен в виде выделенного меньшими размерами в общем зубчатом кольце 2 одного из его зубцов 3.1. При этом зубчатое кольцо 2 имеет четное количество зубцов 3, а каждый зубец 3 составляет пару с другим таким же зубцом, расположенным на том же диаметре с противоположной стороны указанного кольца.
i
i
i+k/2
i
j
j
j
i
i
j
i
i
0i,
0i
0i
Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом. На каждом обороте вала 1 определяют временные интервалы t, где i=1, 2, …, k, k - количество импульсов за один оборот вала 1, равное числу зубцов 3 зубчатого кольца 2 между опорным импульсом отметчика оборотов и текущими импульсами от зубчатого кольца 2. Для каждой пары последовательных импульсов с номерами i и i+k/2 определяют полусумму интервалов времени Δt=0,5(t+t). Разделив временные интервалы на среднее значение угловой частоты вращения вала 1 за один оборот ω=2π/T, где Т - время одного оборота вала, получают мгновенные значения угловых смещений φ=Δt/ω текущих импульсов относительно опорного импульса. Распределение по окружности вала мгновенных значений угловых перемещений, обусловленных крутильными колебаниями, получают на каждом обороте вала как разность Δφ=φ-φ где φ представляют собой угловые расстояния между опорным и текущими импульсами (углы между отметчиком оборотов 6 или 3.1 и зубцами 3 зубчатого кольца 2), которые определяют отдельно на режиме работы машины с валом 1 при гарантированном отсутствии крутильных колебаний. Полученные подобным образом единовременно значения φ сохраняют как константы процедуры измерений вплоть до момента изменения расположения датчиков или зубчатого кольца 2 и отметчика оборотов 6 относительно друг друга.
i
i
Для большей наглядности и по аналогии с измерениями поперечных колебаний валов и опор подшипников крутильные колебания можно измерять в виде линейных перемещений на дуге условного радиуса R. Тогда мгновенные значения крутильных перемещений представляются в виде ΔS=R·Δφ. С учетом взаимного направления составляющих результирующие перемещения представляются в виде алгебраической суммы (за положительные приняты перемещения в направлении вращения):
A
A
A
A
A
B
B
B
B
B
S=ψ-γ+θ+ΔS; S=ψ+γ-θ+ΔS, где
A
B
ψ и ψ - углы между отметчиком оборотов и противоположно расположенными зубцами 3 зубчатого кольца 2;
A
B
γ и γ - перемещения, обусловленные поперечными колебаниями вала 1 относительно датчиков 4, 5;
A
B
θ и θ - вибрационные перемещения датчиков 4, 5 относительно вала 1;
A
B
ΔS и ΔS - перемещения, обусловленные крутильными колебаниями вала 1.
A
B
A
B
A
B
A
B
A
B
A
Так как ψ и ψ, γ и γ всегда входят в суммарные перемещения в противоположных точках с разными знаками, а крутильные перемещения ΔS=ΔS, то в полусумме 0,5(S+S)=0,5(ψ+ψ)+ΔS всегда будут отсутствовать члены, обусловленные колебаниями вала и датчиков. Выполняя аналогичные операции на режиме с отсутствием крутильных колебаний, получим
A0
B0
A
B
0,5(S+S)=0,5(ψ+ψ). Выполняя на завершающем этапе обработки результатов измерений вычитание
A
B
A
A
B
A
0,5(ψ+ψ)+ΔS-0,5(ψ+ψ)=ΔS,
получим в результате крутильные перемещения. Очевидно, что аналогичные операции выполняются для всех пар импульсов (фиг.5).
Таким образом, при использовании системы и способа определения характеристик крутильных колебаний вращающегося вала согласно изобретению обеспечивается указанный выше технический результат, заключающийся в повышении точности измерений и достоверности диагностирования за счет исключения из измерений паразитных поперечных колебаний вала относительно датчика.