СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОЦЕНИВАНИЯ СТЕПЕНИ РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ЗАПРАВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
METHOD OF QUANTITATIVE EVALUATION OF THE DEGREE OF DEVELOPMENT OF DEFECTS WHEN OPERATING PUMPING UNITS OF REFUELING EQUIPMENT OF ROCKET AND SPACE COMPLEXES

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, в частности к области диагностики роторного оборудования по вибрации и оцениванию степени развития дефектов насосных агрегатов заправочного оборудования ракетно-космических комплексов.
Сущность изобретения состоит в том, что значение виброскорости представляют в виде полиномиальной модели, включающей основные переменные, влияющие на степень развития дефектов как причины возникновения вибрации, по модели строят графики изменения переменных и на их основании производят количественную оценку степени развития дефектов насосного агрегата.
Насосные агрегаты, установленные на специальных фундаментах, имеют многоэлементную структуру, в состав которой входят корпусы центробежного насоса и электродвигателя. При эксплуатации насосных агрегатов возникают дефекты в элементах, вызывающих вибрации. По величине регистрируемых характеристик вибрации, таких как виброскорость, виброускорение, виброперемещение, определяют техническое состояние агрегата и при достижении регламентированных нормативными документами количественных значений определяют возможность дальнейшего безаварийного использования.
Дефект каждого из элементов насосного агрегата может привести к аварийной ситуации, что обусловливает необходимость своевременного диагностирования степени развития дефекта.
Известен способ оценки технического состояния машин по вибрациям корпуса (А.с. СССР 909617, кл. G01M 15/00, 1982) путем замера вибропараметров наиболее важного элемента машины с последующим построением трендов изменения параметров по времени.
В этом способе для повышения достоверности оценки спектр вибрации разбивается на низкочастотную, среднечастотную и высокочастотную полосы, соответствующие виброперемещению, виброскорости и виброускорению.
Недостатком способа является то, что ограничены его возможности по выявлению и оценке дефектов насосных агрегатов.
Известен способ оценки технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса (см. патент №2068553 RU (13) С1 (51) 6 G01M 15/00, F04B 51/00, F04D 29/66) путем измерения вибропараметров с последующим построением трендов изменения по времени и оценки по ним технического состояния агрегата, в котором:
- вибрацию измеряют в процессе эксплуатации агрегата одновременно по совокупности входящих в него элементов, роторов насоса и двигателя, опорных подшипниковых узлов, соединительной муфты, всасывающего и нагнетательного трубопроводов и фундамента, к которому крепится агрегат;
- тренды строят с помощью системы компьютерного мониторинга по вибрации в отдельных частотных полосах, например, высокочастотной, среднечастотной и низкочастотной, соответствующих виброускорению, виброскорости и виброперемещению элементов агрегата;
- одновременно определяют значения указанных вибропараметров и скорости их изменения, выделяют быстрый, медленный и знакопеременный тренды, соответствующие процессам быстрой и медленной деградации разных узлов агрегата;
- используют параметры и тренды в качестве диагностических признаков, соответствующих совокупности входящих в агрегат элементов;
- обучают предварительно систему компьютерного мониторинга, вводя в нее пороговые значения и комбинации диагностических признаков указанной совокупности;
- оценку технического состояния агрегата и его элементов производят комплексно по табличной зависимости путем сравнения текущих и пороговых значений совокупности диагностических признаков и их комбинаций совокупности входящих в агрегат элементов;
- предупреждают персонал о недопустимом состоянии агрегата визуальной сигнализацией и посредством речевого предупреждения через громкоговоритель, при этом табличную зависимость состояния элементов агрегата от значений диагностических признаков строят предварительно эмпирическим путем в виде базы знаний, содержащей пороговые значения признаков и их комбинаций, обусловленные причинно-следственными связями между ними и элементами агрегата.
Основными недостатками данного способа являются сложность аппаратной реализации и программного обеспечения, необходимость обучения системы, что в совокупности способствует снижению оперативности при интерпретации технического состояния агрегата.
Известен также способ диагностики, мониторинга и анализа вибрации роторных машин [Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: Учеб. пособие. СПб.: «СЕВЗАПУЧЦЕНТР», 2012, 159 с.], выбранный как аналог.
В известном способе выбираются точки для измерения вибрации, которые располагаются на корпусе электродвигателя и насоса в зоне установки верхнего и нижнего подшипников и посередине между ними. Оценку технического состояния электродвигателей и насосов производят по результатам измерения вибраций в выбранных точках. При этом описывают особенности влияния типовых дефектов на вибрацию основных узлов и агрегата в целом, строят диагностические модели.
К достоинствам данного способа можно отнести системный подход к диагностике, мониторингу и анализу вибрации.
Недостатком данного способа является то, что преимущественное внимание уделено заводским дефектам, а приводимые математические модели определяют частоты только основных гармоник в спектрах вибрации и огибающей ее высокочастотных составляющих при различных видах дефектов.
Техническим результатом использования заявляемого способа является количественное экспресс-оценивание степени развития дефектов при эксплуатации насосных агрегатов заправочного оборудования ракетно-космических комплексов.
Способ количественного оценивания степени развития дефектов в любой момент времени при эксплуатации насосных агрегатов заправочного оборудования ракетно-космических комплексов состоит в следующем.
Регистрируемый сигнал порождаемой виброскорости элементов конструкции установки рассматривают как обобщенный показатель технического состояния насосных агрегатов, представляют в виде полиномиальной модели, включающей основные переменные, определяющие степень развития дефектов как причины возникновения вибрации:
где в кодированном виде представлены переменные выбранного факторного пространства.
1
где X - несоосность валов, (мм);
для шарикового подшипника,
для роликового подшипника,
2
где Х - перекос колец, (минуты);
3
где Х - показатель отсутствия ресурсной смазки, безразмерный показатель, интервал [0, 1];
4
х - влияние наведенной вибрации, неколичественная переменная, 0 - отсутствие, 1 - наличие;
5
х - наличие агрессивной среды в торцевом уплотнении, неколичественная переменная, 0 - отсутствие, 1 - наличие;
6
где Х - время простоя между циклами, (месяцы);
7
где Х - температура опорных узлов, (°С).
По полиномиальной модели виброскорости Y (мм/с) строят линейные графики изменения Y от каждой переменной во всем диапазоне изменения независимых переменных в кодированном виде при остальных, закрепленных на постоянных уровнях. Затем на оси ординат в точке измеренного значения виброскорости проводят горизонтальную линию и по точкам пересечения с графиками определяют достигнутые на момент измерения виброскорости степени развития соответствующих дефектов на оси абсцисс в кодированном масштабе с последующим декодированием их величин в натуральный масштаб.
Изобретение иллюстрируется рисунками Фиг. 1 и Фиг. 2.
i
Фиг. 1 - Графики зависимости виброскорости от каждой из переменных x, i=1-7 в кодированном масштабе при остальных, закрепленных на уровнях «-0,5» - ниже среднего.
i
Фиг. 2 - Графики зависимости виброскорости от каждой из переменных х, i=1-7 в кодированном масштабе при остальных, закрепленных на уровнях «0» - среднем.
1
2
3
7
4
5
6
Вибрация корпуса насосного агрегата является функцией воздействия семи факторов, системно представляющих явление. Актуальность включения переменных Х, Х, Х и Х в факторное пространство очевидна и объясняет их прямое причинно-обусловленное влияние на степень вибрации. Негативное влияние факторов Х, Х, Х опосредованно влияет на работу насосного агрегата в целом, особенно при эксплуатации его в составе заправочного оборудования ракетно-космических комплексов.
4
Так, Х - влияние наведенной вибрации на неработающих агрегатах, (например, находящихся в резерве) - состоит в том, что работающие соседние агрегаты передают колебательные движения, вызывая локальные повреждения трущихся поверхностей подшипников скольжения и качения, поскольку в условиях отсутствия вращения слой смазки минимален или может вообще отсутствовать. После каждой остановки насосного агрегата до следующего пуска ракеты космического назначения место контакта трущихся поверхностей будет изменяться, что обусловливает появление в новом месте еще одного локального дефекта.
5
Х - наличие агрессивной среды в насосном агрегате - является аварийной ситуацией попадания агрессивной среды (заправочного продукта) через торцевое уплотнение в смазку подшипников, ликвидация которой состоит в немедленной замене некондиционной смазки.
6
Х - время простоя между циклами - обусловлено спецификой работы космодромов и зависит от назначенного запуска космических аппаратов. Опосредованное негативное влияние этой переменной на работу агрегата проявляется в том, что во время простоя, например, смазка не только стекает под действием гравитации, но и теряет свои физико-химические свойства, поскольку невращающиеся валы оседают на опоры, вызывая локальные дефекты.
Факторное пространство, таким образом, содержит переменные, системно описывающие явление вибрации насосного агрегата, что свидетельствует о правомерности применения полиномиальной модели в выбранном факторном пространстве.
Пример 1. Выбор графиков. Сравнение графиков Фиг. 1 и Фиг. 2 показывает, что уровень виброскорости зависит от технического состояния системы по каждой из переменных. Так, если значения всех переменных находятся на уровне «-0,5» - ниже среднего, (Фиг. 1), то значение виброскорости составляет 6,2 мм/с, а на средних уровнях, (Фиг. 2), - 11,2 мм/с.При этом выбор фигуры для количественной оценки степени развития дефектов на момент измерения следует выбирать, исходя из измеренного значения виброскорости в соответствующем диапазоне изменения состояния агрегата. Так, при значениях виброскорости 12 мм/с и выше для оценок следует выбирать Фиг. 2.
1
1
1
Пример 2. При измеренных значениях виброскорости менее 11,2 мм/с по ГОСТ ИСО 10816-1-97 количественную оценку степени развития дефектов при эксплуатации насосных агрегатов заправочного оборудования следует проводить по точкам пересечения с графиками Фиг. 1 с последующим декодированием их величин в натуральный масштаб. Так, при значении виброскорости 8 мм/с точка пересечения с графиком переменной несоосность валов x=0,15. Перевод по формуле в натуральном масштабе соответствует несоосности валов X=0,2 x+0,2=0,23 мм, что уже превышает средний допуск 0,2 мм, даже если остальные переменные находятся на своих уровнях «-0,5» - ниже средних значений, то есть в поле допусков. Полученное значение фактически достигнутого уровня дефекта в данном случае ниже предельно допустимого 0,4 мм для насосных агрегатов заправочного оборудования по Инструкции....
Пример 3. При значениях переменных, находящихся на средних уровнях, (Фиг. 2, величина виброскорости более Y=11,2 мм/с) по ГОСТ ИСО 10816-1-97 состояние насосных агрегатов ЦН-112М, относящихся к классу средних машин (до 300 кВт), жестко установленных на специальных фундаментах, классифицируется как непригодное для длительной непрерывной эксплуатации. Данные насосные агрегаты могут функционировать ограниченный период времени, что характерно в условиях космодромов РФ.
Пусть измеренное значение виброскорости Y=12,0 мм/с.Тогда причиной такого значения могут быть:
1
- несоосность валов x=0,4, что в натуральном масштабе соответствует несоосности валов 0,28 мм и превышает средний допуск 0,2 мм, даже если остальные переменные находятся на своих средних значениях, то есть в поле допусков;
5
- наличие агрессивной среды в торцевом уплотнении х;
2
- перекос колец вызывает х=0,8, что в натуральном выражении для шариковых подшипников составляет 3,6 минуты и существенно выше предельно допустимого значения, равного 2 минутам; для роликовых подшипников - 14,4 минуты, что также выше предельно допустимого значения, равного 8 минутам;
3
4
3
4
- показатель отсутствия ресурсной смазки, равно как и влияние наведенной вибрации, х=х=0,9, а в натуральном выражении Х составляет 0,95, что выше предельно допустимого значения, равного 0,5; для Х - показатель практически равен 1, что свидетельствует о влиянии данной переменной;
6
6
- время простоя между циклами х=1,2, в натуральном выражении Х=13,2 месяца;
7
7
- температура опорных узлов х=1,4, в натуральном выражении Х=140°С, что существенно выше предельно допустимого значения, равного 50°С.
Полученные количественные значения дефектов следует рассматривать как предположительные при условиях, описанных в формуле изобретения.
Количественные оценки степени развития дефектов при эксплуатации насосных агрегатов заправочного оборудования ракетно-космических комплексов, с одной стороны, способны адекватно описывать состояние системы в исследуемый момент времени, а с другой - учитывать глубину развития дефектов для принятия решений при проведении ремонтно-восстановительных и профилактических работ.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в новом способе получения количественной информации о степени развития дефекта в любой момент времени при эксплуатации насосных агрегатов заправочного оборудования ракетно-космических комплексов.