Информативность лазерной вибродиагностики машин и конструкций

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колбасников, Н.Г. Лаборатория «Исследование и моделирование структуры и свойств металлических материалов» |Текст| / Н.Г. Колбасников,- СПб.: Изд-во СПбГПУ,- 2009.

2. Радкевич, М.М. Технология упрочняющей деформационно-термической обработки [Текст] / М.М. Радкевич,— Саратов: Изд-во «ЛОДИ», 2003.

УДК 623.946.001.4:534.647

А.П. Ушаков

ИНФОРМАТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ВИБРОДИАГНОСТИКИ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ

Безопасность и надежность эксплуатации машин и конструкций, особенно используемых в энергетических системах, авиации, на железнодорожном, морском и автомобильном транспортах, в значительной степени зависит от совершенствования средств технической диагностики и неразрушающего контроля.

Из всего комплекса этих средств наиболее информативной можно считать вибродиагностику: в виброакустическом сигнале содержится большой объем информации, позволяющей с использованием статистических и спектральных методов выявлять разнообразные дефекты, в том числе на ранних стадиях их развития.

Известно, что информативность традиционной контактной вибродиагностики ограничивается верхней частотой измеряемого сигнала, которая существенно снижается из-за установочного резонанса вибродатчика и наличия волнового резонанса пьезоэлемента вибропреобразователя.

Кроме того, в случае повышенной температуры поверхности объекта контроля снижается ресурс работы вибропреобразователя и искажаются результаты измерений.

К тому же, при вибродиагностике машин и механизмов, у которых применяются корпуса из легких немагнитных сплавов, невозможно использовать магнит для крепления датчиков в районе диагностируемых узлов.

Применение бесконтактной лазерной вибродиагностики в процессе отработки и эксплуатации машин и механизмов существенно расши-

ряет области использования методов диагностирования в силу следующих преимуществ:

возможности дистанционного бесконтактного измерения вибрации объекта контроля в любой точке в пределах зоны прямой видимости луча лазера;

широкого диапазона частот (от долей Гц до 50 кГц и более) и высокой точности измеряемой вибрации, в том числе конструкций с повышенной температурой корпуса.

Принцип действия лазерного бесконтактного виброметра основан на измерении сдвига частоты лазерного излучения, направленного на поверхность объекта контроля (ОК). Этот сдвиг пропорционален колебательной скорости объекта (эффект Доплера). В работе [1] подробно описан принцип работы лазерного виброметра.

Основные параметры отечественного лазерного виброметра, используемого автором при экспериментальных исследованиях, следующие: частотный диапазон — от 0 до 50 кГц; диапазон измеряемых виброскоростей — до 400 мм/с;

динамический диапазон — не менее 80 дБ; расстояние до объекта — Ь — от 0,5 до 5 м (примечание: расстояние определяется мощностью лазера).

Например, лазерный виброметр РЭУ-100 фирмы «РоШек» позволяет измерять вибрацию на расстоянии до объекта контроля от 0,2 до 30 м.

Лазерный виброметр предназначен для измерения продольной (клучу лазера) проекции виброскорости поверхности исследуемого объекта

контроля. Поверхность ОК может быть любая и не требует специальной подготовки.

Выбор мест измерения вибрации на корпусах ОК и диапазон анализируемых частот должен осуществляться с учетом особенностей формирования информативного вибрационного поля и близости диагностируемого узла.

Основная часть колебательной энергии, несущей информацию о состоянии узлов ОК на средних и высоких частотах, распространяется по корпусным конструкциям в виде изгибных волн. Это обусловлено большой податливостью оболочек корпусов по отношению к поперечным силам и изгибающим моментам по сравнению с другими видами деформаций.

Физическая модель представления процесса распространения вибрации по корпусам ОК существенно зависит от соотношения длины изгибных волн и размеров характерных участков корпусных конструкций между стыковочными узлами или иными неоднородностями.

На сравнительно низких частотах корпус ОК колеблется как твердое тело (до первой резонансной частоты). Распределение вибрации вдоль корпуса определяется тем, насколько близко располагаются частоты возмущающих сил (например, частоты вращения валов) к собственным частотам поперечных, поворотных и продольных колебаний корпуса на узлах крепления к фундаментным конструкциям.

Далее в статье будут рассматриваться методы диагностирования на примере авиационного газотурбинного двигателя (ГТД) АИ-25, хотя анализируемые закономерности характерны и для других машин и механизмов роторного типа.

В авиации и других областях машиностроения накоплен большой опыт в части методов диагностирования состояния роторных узлов на частотах их вращения по среднеквадратичным значениям виброскорости. Однако этого недостаточно для выявления дефектов на ранних стадиях их развития.

Как известно, уровень вибрации конструкций прямо пропорционален величине возмущающих сил, действующих в механизме, и обратно пропорционален механическому сопротивлению (импедансу) конструкции.

Проанализируем подробнее вибрационное поле корпусных конструкций авиационных двигателей.

Известно, что на средних и высоких частотах наблюдается неравномерное распределение вибрации вдоль корпусных конструкций вследствие влияния затухания колебаний из-за нео-днородностей оболочки корпуса и степени близости виброактивных узлов [2].

Характер этих колебаний зависит от соотношения частоты вынужденных колебаний, генерируемых работающими механизмами, и так наС

зываемой «кольцевой» частоты /*0 =--—, при

которой по периметру корпусной конструкции укладывается длина продольной волны в материале оболочки. Здесь Сь — скорость продольных волн в материале оболочки; ЯВср — средний радиус оболочки корпуса, в котором возбуждаются колебания.

На частотах выше кольцевой (/ > /0) на поведение оболочки практически не влияет ее кривизна, и в ней могут в зависимости от характера возбуждения возникать изгибные, продольные и сдвиговые волны, все параметры которых соответствуют параметрам аналогичных волн в пластине толщиной, равной толщине оболочки (Нв).

На частотах / < /0 кривизна оболочки существенным образом влияет на характер волн, и в оболочке распространяются волны с поперечным перемещением стенок оболочки, которые подобны изгибным волнам в пластине.

Волновые числа продольных и касательных колебаний оболочки имеют комплексный вид, поэтому волны этих типов быстро затухают и практически не переносят колебательную энергию вдоль корпуса.

Изгибные волны в оболочке в диапазоне / < распространяются по спирали, огибая ее на определенном отрезке длины тем чаще, чем выше число узловых линий на окружности.

На рис. 1 показаны характерные моды изгибных колебаний фрагмента цилиндрической оболочки.

Число полуволн форм колебаний в продольном направлении цилиндрической оболочки обозначим через /, а число волн в окружном направлении — через п. Число узловых линий форм колебаний, параллельных образующей, равно 2/, а в окружном направлении — п— 1 (не считая опорных линий).

Случай /7 = 0 соответствует осесимметричной форме колебаний цилиндрической оболочки.

У

Рис. 1. Моды изгибных колебаний оболочки с узловыми линиями

и диаметрами

Случай п= 1 соответствует кольцевой частоте /0 , когда длина изгибной волны в оболочке равна длине окружности.

В диапазоне выше кольцевой частоты цилиндрическая оболочка может быть аппроксимирована эквивалентной пластиной.

Расчеты, выполненные применительно к типовым цилиндрическим корпусам газотурбинных двигателей (ГТД) показывают, что начиная с 2,5 кГц количество частот собственных колебаний (например, оболочки разделительного корпуса ГТД) возрастает с ростом частоты колебаний в степени 3/2.

Чем выше частота колебаний и сложнее конструкция корпуса узла ГТД, тем более равномерным становится вибрационное поле участка корпуса, ограниченного неоднородностями, из-за многочисленных отражений и преобразований различных типов волн друг в друга.

В этом случае создаются условия для формирования на высоких частотах диффузного (однородного) вибрационного поля в корпусах конструкций.

При этом распределение колебательной энергии — равномерное по площади участка корпуса ГТД, по крайней мере в пределах окружности, радиус которой составляет не менее четверти длины изгибной волны в оболочке корпуса.

Приближенное значение длины изгибной волны X для металлических конструкций можно определить по формуле

где А и/— соответственно толщина оболочки, м, и частота, Гц.

Направление луча лазерного виброметра в эту область позволяет без искажения измерить высокочастотную вибрационную энергию, пропорциональную квадрату колебательной скорости и несущую информацию о техническом состоянии узла ГТД, наиболее близко расположенного к точке контроля.

Отсюда видно преимущество использования в интересах диагностирования высокочастотного диапазона, в котором на участках внешнего корпуса имеются зоны с равномерным вибрационным полем.

С ростом частоты увеличивается и затухание вибрации вдоль корпуса, что позволяет, наряду со спектральным анализом, выполнять пространственное разделение дефектных узлов ГТД в процессе измерения и обработки диагностических сигналов.

Рассмотрим связь параметров вибрации корпуса ГТД, измеряемых в точках контроля, с изменением технического состояния его узлов.

В общем случае с определенными допущениями ОК можно рассматривать как линейную механическую систему, в которой частоты возмущающих сил, генерируемые работающими узлами, совпадают с частотами реакции корпусных конструкций системы на эти силы. Этот

факт позволяет идентифицировать источники вибрации.

Из опыта известно, что большинство дефектов проявляется на частотах, непосредственно связанных с частотами вращения роторов и подшипников, лопаточными и зубцовыми частотами, определяемых по кинематическим схемам узлов и агрегатов.

Зная кинематическую схему ОК можно рассчитать спектральный состав вибрации нормально функционирующего агрегата и, оценивая его изменение, делать вывод о причинах повышенной вибрации и степени развития дефекта.

Генерируемые в ОК вибрации, содержащие основную информацию о техническом состоянии роторов и лопаточных систем компрессоров, камеры сгорания и турбин, подшипников, зубчатых приводов и вспомогательных механизмов, передаются с наименьшим затуханием на внешнюю часть корпуса в районе диагностируемого узла.

Например, вибрация корпуса турбокомпрессора формируется под непосредственным воздействием на внутреннюю поверхность корпуса со стороны потока воздуха и газа и под действием колебаний, передаваемых по несущим конструкциям от опор роторов компрессоров и турбин.

В процессе нормального функционирования в спектре вибрации ГТД содержатся различные дискретные составляющие, образующие звукоряды, кратные оборотным и лопаточным частотам компрессоров низкого и высокого давления (КНД и КВД), а также частотам вращения шестерен, роторов вспомогательных механизмов и частотам пересопряжения зубьев центрального привода и качающих узлов насосов.

Дискретные составляющие имеют аэродинамическую и механическую природу. Так, при выбрасывании газа из межлопаточного канала каждой ступени компрессора и турбины возникают аэродинамические пульсации с частотами, равными произведению чисел лопаток ступени на количество оборотов ротора в секунду. Импульсный характер процесса приводит к формированию целого ряда гармоник, кратных лопаточной частоте каждой ступени.

Возникают и комбинационные составляющие в виде суммы и разности лопаточных частот соседних ступеней роторов компрессора и турбины.

Дискретные составляющие механической природы в приводах обусловлены переменной

жесткостью зацепления шестерен, а также погрешностью изготовления и сборки зубчатой передачи.

В результате развития дефектов формируются нестационарные вибрационные процессы, которые приводят к изменению по определенному закону во времени величин, характеризующих колебания (амплитуды, частоты и фазы). При этом в окрестностях лопаточных составляющих и их гармоник возникают модуляционные компоненты. По частотам несущего и модулирующего сигналов можно идентифицировать узел ГТД, в котором развивается неисправность, а по глубине амплитудной и индексу угловой модуляций определить степень развития дефекта.

Виброакустический сигнал можно трактовать как реализацию случайного процесса, что позволяет при проведении ряда периодических однократных измерений получить комплекс статистических характеристик для оценки степени изменения технического состояния основных узлов ГТД.

Ниже приведены результаты применения лазерной вибродиагностики с учетом бесконтактного измерения вибрации корпуса ГТД АИ-25 в условиях стендовых испытаний в лаборатории Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации. На фото (рис. 2) показан один из лазеров на фоне двигателя.

Оценка состояния двигателя производилась с использованием анализа прямого и преобразованного спектра (спектр огибающей) вибрационного процесса по глубине модуляции на информативных частотах, обусловленных импульсами, генерируемыми при взаимодействии дефектной и сопряженной деталей.

Дополнительная информация получалась путем анализа таких статистических характеристик вибрации в полосе высоких частот, как средне-квадратические значения виброскорости конструкций и плотности распределения вероятности мгновенных значений вибрации (ПРВ).

На рис. 3 представлена схема передачи аэродинамических сил от лопаток и ротора первой ступени КНД через оболочку на наружную поверхность, вибрация которой дистанционно измерялась посредством луча лазерного виброметра.

Как уже было сказано, в процессе нормального функционирования в спектре вибрации КНД содержатся различные дискретные составляющие, образующие звукоряды, кратные обо-

Рис. 2. Двигатель, установленный на стенде.

На переднем плане — лазерный виброметр, направленный на объект контроля. Яркие точки на корпусе двигателя — это лучи подсветки, показывающие места измерения вибрации

ротным, лопаточным и комбинационным частотам компрессоров и турбин. Рассмотрим более подробно эти составляющие.

Оборотные звукоряды, т. е. частоты вращения ротора и кратных гармоник:

f = к/врп

где /вр/ — частота вращения /-го ротора; к — номер гармоники.

Лопаточные звукоряды равны произведению числа лопаток ротора на оборотную частоту и кратных гармоник:

ШТ -/вр/^Л'

где /щ

/вр/ — частота вращения /-го ротора; гп число лопаток п-й ступени.

В случае развития дефекта появляются модуляционные составляющие на частоте вращения ротора:

/ = ^1/лп+^2/вр'

где к{9 к2 — номера гармоник.

Комбинационные звукоряды, представляющие собой сумму и разность лопаточных частот двух соседних ступеней, возникают в результате аэродинамического взаимодействия лопаток и передаются на корпус вибраций с лопаточными частотами

/ = ^з/вр (гп ±^ )±/;4/вр ,,

где zл, гт — числа лопаток соседних ступеней ротора.

Рис. 3. Схема передачи аэродинамических сил от лопаток ротора на оболочку корпуса КНД

дБ -4

-10

-20

-30

-40

-50 -60

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Гц

Рис. 4. Прямой узкополосный спектр виброскорости корпуса КНД

На рис. 4 представлен узкополосный прямой спектр вибрации (измерен лучом лазера) корпуса компрессора низкого давления двигателя АИ-25. По горизонтальной оси — отложена частота в Гц в линейном масштабе, а по вертикальной оси — значения виброскорости в логарифмическом масштабе в дБ относительно 5- Ю-5 мм/с.

В спектре вибрации видны лопаточные звукоряды трех ступеней КНД, а также вторые и третьи гармоники. Кроме того, в спектре наблюдается суммарная составляющая лопаточных частот первой и второй ступеней (5049 Гц), промодулированная оборотной частотой вращения ротора КНД.

Наличие боковых составляющих, кратных оборотной частоте ротора, свидетельствует о развитии дефекта. В выделенной в прямом спектре вибрации полосе частот 4,7—5,3 кГц (на рис. 4) был рассчитан спектр огибающей, глубина модуляции которой составила 19 %.

В практике диагностирования встречаются случаи, когда по мере развития дефекта уменьшается величина коэффициента модуляции, так как импульсы от возмущений, связанных с дефектом, становятся хаотичными.

Для страховки от принятия ошибочного решения, наряду с оценкой глубины модуляции,

целесообразно также использовать анализ вибрации в высокочастотном диапазоне в виде среднеквадратичного значения (СКЗ) и плотности распределения вероятности (ПРВ) виброскорости. В качестве примера рассмотрим приведенные в работе [ 1 ], выполненной с участием автора, результаты диагностирования в процессе стендовых ресурсных испытаний коробки приводов.

На этом испытании развивался износ с последующим разрушением зубьев шлицевого валика привода насоса. Разрушение, по-видимому, было связано с накоплением повреждений, вызванных крутильными колебаниями шестерен узла привода. При этом существенную роль могло сыграть наличие знакопеременной деформации корпуса привода из-за большой неуравновешенности ротора близко расположенного генератора.

Анализ спектров вибрации в окрестности второй гармоники зубцовой частоты центральной ступени зубчатого перебора в зависимости от наработки, а также данных, приведенных в таблице, показал на 265 часу работы резкий рост глубины модуляции (до 32 %) с частотой соударения зубьев шлицов. Одновременно возросло значение ПРВ до максимального значения.

Статистические характеристики сигнала вибрации на разных стадиях развития дефекта

Состояние узла СКЗ виброскорости (мм/с) в полосе 26 —28 кГц ПРВ в полосе 26-28 кГц Глубина модуляции, % в полосе 9—13 кГц

Перед разрушением (на 170 часу) 1,64 16,7 11

В момент срезания шлицов, (на 265 часу) 1,68 26,4 32

В процессе «перемалывания» продуктов износа (на 300 часу) 3,6 10 17

Это связано с разрушением зубьев шлицов, что подтвердила разборка шлицевого соединения после остановки испытания [1].

В таблице приведены глубины модуляции в окрестностях второй гармоники частоты зацепления (в полосе частот 9—13 кГц) и вышеуказанные статистические характеристики сигнала вибрации (СКЗ виброскорости и плотность распределения вероятности в полосе частот 26— 28 кГц). В этой полосе отсутствуют периодические составляющие спектра вибрации.

На последней стадии разрушения глубина модуляции и значение ПРВ начали уменьшаться.

К концу испытания глубина модуляции достигла значения 17 %, а ПРВ уменьшилась до 10. Одновременно из-за хаотических ударов в разрушающемся шлицевом соединении в прямом спектре вибрации более чем в два раза вырос уро-

вень сплошной части спектра на высоких частотах.

Такой ход изменения вибрации объясняется степенью влияния износа шлицов. Снижение глубины модуляции и ПРВ может быть объяснено переходом от периодических импульсов к случайным ударам в шлицевом соединении сразу после срезания зубьев.

Из таблицы видно, что характер изменения значения СКЗ виброскорости существенно дополняет анализ по методу огибающей, так как значительно увеличивается по мере развития дефекта и последующего разрушения, в отличие от глубины модуляции и ПРВ, которые при переходе от износа к началу разрушения вначале скачкообразно возрастают, а затем уменьшаются.

Данный пример подтверждает преимущество использования бесконтактной лазерной диагно-

а)

2%-f

100

90

70

60

8000 12000 16000 20000 24000 28000

-0,15 -0,10 -0,5 0,00 0,05 0,10 0,15

Рис. 5. Изменение параметров высокочастотной вибрации:

узкополосные спектры вибрации

стики по сравнению с контактными методами измерения вибраций в связи с тем, что можно измерить наиболее информативную высокочастотную вибрацию корпуса и навесных агрегатов ГТД в любой точке в зоне прямой видимости луча лазера без предварительной подготовки.

Таким образом, применение лазерной вибродиагностики позволяет бесконтактным способом оперативно произвести оценку технического состояния машин и конструкций, а также повысить достоверность прогноза степени развития дефектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ушаков, А.П. Применение лазерной вибродиагностики в процессе стендовых испытаний агрегатов авиационной техники. [Текст] / А.П. Ушаков, A.B. Озеров, А.Ю. Калеменев, П.А. Хабаров // Межвуз. темат. сб. научных трудов «Проблемы

эксплуатации и совершенствования транспортных систем»,- СПб., 2009,- Том XI,- С. 5-15.

2. Никифоров, A.C. Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах [Текст] / A.C. Никифоров, C.B. Будрин // Л.: Судостроение, 1968.