СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ РОТОРА ГАЗОВОЙ ЦЕНТРИФУГИ
PROCEDURE FOR DETERMINATION OF RUNOUT OF REVOLVING ROTOR OF GAS CENTRIFUGE

Изобретение относиться к способам определения биения вращающегося ротора газовой центрифуги (ГЦ) путем анализа сигнала с индуктивного датчика вращения (датчик сигнализации вращения, СВ).
При вращении роторов ГЦ (фиг.1) в силу наличия остаточных дисбалансов может происходить отклонение оси вращения 4 ротора 1 от его геометрической оси 2. В результате этого возникают периодические колебания ротора как в торцевом, так и в радиальном направлениях. Для количественного описания этих колебаний применительно к ГЦ используют понятие биения. Различают торцевое и радиальное биение ротора. Последнее именуют просто биением 3 (фиг.1) и определяют как разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реального профиля поверхности вращения до базовой оси в сечении плоскостью, перпендикулярной базовой оси (ГОСТ 24642-81 Допуски формы и расположения поверхностей. Основные термины и определения). Под базовой осью в данном случае понимают ось вращения.
Биение роторов определяют различными способами. Наиболее удобным при промышленной эксплуатации ГЦ является способ определения биений путем анализа сигнала с датчика СВ, входящего в состав ГЦ (фиг.2). Датчик представляет собой катушку индуктивности 2, на которой наводится переменное напряжение за счет вращения индуктора 3, впрессованного в верхнюю крышку ротора 4, в поле постоянного магнита 1. Биения возникают при отклонении оси вращения ротора от его геометрической оси. При этом также происходит отклонение оси вращения индуктора и изменяется сигнал с датчика СВ. По величине изменения этого сигнала можно определить биение ротора.
Известен способ определения биений роторов ГЦ по соотношению амплитуд спектральных составляющих сигнала с датчика СВ (Способ определения колебаний вращающегося ротора, патент РФ №2180435, кл. В04В 9/14, 1999). Для реализации способа определяют спектр сигнала с датчика СВ, по его виду судят о наличии и характере биений ротора и рассчитывают их величину.
Недостатком указанного способа является необходимость получения спектра сигнала с датчика СВ. Штатные системы контроля частоты вращения ГЦ не позволяют получать спектр сигнала, что препятствует использованию способа совместно с такими системами. Возникает необходимость применять специализированные приборы определения спектра, что влечет за собой дополнительные денежные и временные затраты.
Наиболее близким по технической сущности является способ определения биений, используемый в приборе ИБР (Измеритель биений роторов ИБР. Руководство по эксплуатации, еК 2.390.262 РЭ, Уральский электрохимический комбинат, 2004), выбранный в качестве прототипа. Данный способ основан на последовательном измерении длительностей периодов сигнала с датчика СВ, за время полного оборота ротора, и расчета по их соотношению величины биения.
Недостатком способа-прототипа является то, что для его реализации требуется знать порядок следования измеряемых периодов в сигнале с датчика СВ, причем искажения сигнала в тракте передачи должны быть минимальными. Штатные системы контроля частоты вращения ГЦ не позволяют установить порядок следования периодов и вносят значительные искажения в форму сигнала, что препятствует применению метода совместно с такими системами. Возникает необходимость применять специализированные приборы для последовательного измерения длительности периодов, что влечет за собой дополнительные денежные и временные затраты.
Задачей заявленного способа является определение биений роторов ГЦ путем анализа сигнала с датчика СВ в штатной системе контроля скорости вращения. Информация о биениях роторов ГЦ может быть использована для прогнозирования изменения технического состояния ГЦ с течением времени, что дает возможность дополнительной оптимизации сроков вывода их в ремонт и, соответственно, сокращения потерь работы разделения.
Заявленный способ основывается на том, что ось вращения индуктора датчика СВ при наличии биений ротора смещается относительно его геометрической оси. Индуктор имеет N выступов (вершин), поэтому в сигнале можно выделить N отдельных периодов, длительность которых соответствует моментам прохождения этих вершин радом с датчиком СВ. При отклонении оси вращения индуктора от геометрической оси происходит изменение длительностей отдельных периодов сигнала с датчика СВ. Одни периоды в сигнале становятся длиннее, другие короче. Сумма длительностей всех периодов на обороте остается равной времени одного оборота. Величина биения может быть вычислена по отношению разности длительностей наиболее длинного и наиболее короткого периода сигнала с датчика СВ к средней длительности периода:
где А - величина биения;
с - постоянная, зависящая от конструкции датчика;
max
min
max
min
ΔT - разность наиболее длинного периода T и наиболее короткого периода T сигнала с датчика СВ, ΔT=T-Т;
ср
Т - средняя длительность периода сигнала с датчика СВ.
где М - число измеренных периодов;
i
Т - длительность отдельного измеренного периода.
При последовательном измерении длительностей периодов сигнала с датчика СВ достаточно измерить длительность всех периодов на обороте, определить наиболее длинный и наиболее короткий период, найти среднюю длительность периода по (2) и использовать формулу (1) для вычисления величины биения.
При непоследовательном измерении длительностей периодов, когда невозможно определить порядок их следования, производят достаточно большое число измерений. При этом измерение следующего периода происходит после пропуска случайного числа предыдущих (в том числе и без пропуска). В результате получают распределение периодов по длительности (фиг.3). По распределению определяют наиболее короткий и наиболее длинный период сигнала, находят среднюю длительность всех измеренных периодов по (2) и используют формулу (1) для определения величины биения.
Заявленный способ отличается от прототипа по следующим признакам:
- для реализации заявленного способа не требуется знать или задавать порядок следования измеряемых периодов сигнала с датчика СВ;
- данные, необходимые для расчета биений по заявленному способу, могут быть получены путем статистической обработки результатов измерения достаточно большого числа отдельных периодов с датчика СВ, в т.ч. сделанных в произвольные моменты времени в пределах цикла измерения;
- заявленный способ допускает значительные искажения сигнала датчика СВ.
На фиг.1 представлены два крайних положения сечения ротора (позиции 1 и 5) при повороте вокруг оси вращения 3, смещенной относительно геометрической оси 2. Указана величина биения ротора 4.
На фиг.2 показано устройство датчика СВ ГЦ. Обозначены: 1 - постоянный магнит, располагающийся в корпусе ГЦ, 2 - датчик СВ в виде катушки индуктивности, 3 - индуктор, при вращении которого на датчике СВ наводится переменное напряжение, 4 - ротор ГЦ.
На фиг.3 представлен пример гистограммы распределения длительностей периодов сигнала с датчика СВ. По оси абсцисс отложена длительность измеренных периодов, по оси ординат - количество периодов определенной длительности. Символом ΔT обозначена разность длительностей наиболее длинного и наиболее короткого периодов. Гистограмма получена при помощи измерительного контроллера, входящего в состав промышленной системы контроля частоты вращения ГЦ. В измерениях участвовал ротор с индуктором датчика СВ, близким по форме к шестиграннику, поэтому на гистограмме можно различить шесть пиков, соответствующих шести отдельным периодам сигнала.
Положение вершин пиков по оси абсцисс соответствует длительности измеренных периодов. Ширина пиков связана с точностью измерения длительностей периодов, качеством линий связи, наличием помех и нестабильностью положения оси вращения ротора. Чем меньше помех в линии, качественнее и точнее измерительные приборы, тем более узкими получаются пики на гистограмме.
При определенных направлениях смещения центра вращения относительно геометрического центра возможно совмещение на гистограмме нескольких периодов. Однако это не влияет на справедливость формул (1) и (2).