Исследование влияния дефектов на собственные Частоты колебаний деталей энергетических установок

УДК 621.316:620.1

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ДЕТАЛЕЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

О.В.ВЛАДИМИРОВ, А.Р.ЗАГРЕТДИНОВ, И.В. ИВШИН, М.Ф. НИЗАМИЕВ Казанский государственный энергетический университет

Представлены результаты исследований влияния дефектов на собственные частоты колебаний корпуса турбины турбокомпрессора. Исследования проводились средствами программного обеспечения конечноэлементного моделирования ANSYS и разработанной программы, для формирования виброакустических образов объекта исследования, в среде графического программирования Lab VIEW. Проведены экспериментальные исследования с корпусами турбин турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания, с использованием разработанного и созданного измерительно-диагностического комплекса. Работа выполнена в рамках договора с Минобрнауки РФ от «12» февраля 2013 г. № 02.G25.31.0004.

Ключевые слова: измерительно-диагностический комплекс, корпус турбины турбокомпрессора, программное обеспечение ANSYS, LabVIEW, модальный анализ.

Надежность современных энергетических установок, в значительной мере, определяется надежностью их деталей, узлов и механизмов, а также обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) во время производства и эксплуатации. Необходимость проведения ТО и Р должна определяться по результатам контроля технического состояния энергетических установок, что позволяет перейти к обслуживанию по их техническому состоянию. Разработка новых, более точных, объективных, надежных методов контроля технического состояния является, несомненно, актуальной задачей.

Из множества существующих методов контроля технического состояния (тепловой, оптический, радиационный, виброакустический и др.) наиболее точным, объективным, чувствительным к дефектам, позволяющим применять компьютерные технологии, является вибрационный метод [1].

Существующие методы исследования виброакустических характеристик деталей сложной формы и работающих механизмов позволяют с достаточно высокой точностью определять параметры вибрации, выявлять отличительные признаки в колебаниях изделий, связанных с зарождающимися и развивающимися дефектами. Комбинированное применение существующих тестовых и функциональных технологий позволяет создать методику диагностики технического состояния не только деталей, но и работающих механизмов в целом [2]. © О.В. Владимиров, А.Р. Загретдинов, И.В. Ившин, М. Ф. Низамиев Проблемы энергетики, 2015, № 5-6

Для планирования эксперимента и получения информативного участка спектра необходимо провести моделирование форм собственных колебаний объекта исследования. Образец имеет сложную структуру, это существенно ограничивает возможность применения аналитических методов оценки собственных колебаний. Данную задачу позволяет решить инженерный компьютерный анализ. Для этого проводится расчет частот собственных колебаний объекта исследования в программном комплексе конечноэлементного моделирования ЛЫБУБ.

Объектом исследования являлся корпус турбины турбокомпрессора двигателя КАМАЗ на альтернативных видах топлива с диапазоном мощностей 300...400 л.с. и потенциалом выполнения перспективных экологических требований. Турбина с двухзаходным корпусом (рис. 1) из высокопрочного чугуна (ВЧ 50) предназначена для преобразования энергии выхлопных газов в кинетическую энергию вращения ротора турбокомпрессора.

Рис. 1. Корпус турбины турбокомпрессора

Объект исследования для проведения модального анализа в программном комплексе Л№У8 должен соответствовать заданным габаритным размерам (рис 2).

Рис. 2. Чертеж детали корпуса турбины турбокомпрессора © Проблемы энергетики, 2015, № 5-6

Для проведения модального анализа объекта исследования (дефектный и бездефектный) было принято решение нанести искусственный дефект на корпусе турбины турбокомпрессора (рис. 3) в виде разреза глубиной 10 мм и шириной 2 мм.

Рис. 3. Дефектный корпус турбины турбокомпрессора

Процедура анализа в программном комплексе ANSYS сводится к следующему:

- построение геометрической модели;

- задание свойств материалов;

- назначение контактных условий;

- выбор опции расчета;

- закрепление конструкции;

- составление списка расчетных результатов в дереве проекта;

- настройки решателя;

- задание параметров сетки и создание сеточной модели;

- проведение расчета;

- просмотр расчетных результатов и подготовка аналитического отчета.

Для выявления информативной части спектра проведен расчет частот собственных колебаний корпуса турбины турбокомпрессора (дефектный и бездефектный). При выполнении пробных экспериментов с объектами исследования основные моды лежали в диапазоне частот от 1000 до 30000 Гц.

Основные различия между модами (область различия) в частотах собственных колебаний бездефектного и дефектного корпуса турбины турбокомпрессора представлены в табл.1.

Таблица 1

Частоты собственных колебаний корпуса турбины турбокомпрессора

Мода Частоты бездефектного корпуса турбины турбокомпрессора, Гц Частоты дефектного корпуса турбины турбокомпрессора, Гц Разница в частотах, Гц

1 871,92 873,03 -1,11

2 1448,4 1447,9 0,5

3 1862,9 1858 4,9

4 1964,1 1962,8 1,3

5 2702,9 2697,2 5,7

6 2983,6 2950,5 33,1

7 4436,6 4336 100,6

8 4597,7 4477,8 119,9

9 4744,1 4733,7 10,4

10 5196,9 5090 106,9

11 5285,7 5253,6 32,1

12 5391,8 5316,7 75,1

13 5531,3 5512,6 18,7

14 6058,2 6012,4 45,8

15 6190,5 6165,2 25,3

16 6254,9 6225,9 29

17 6650,6 6463 187,6

18 6732,6 6682,7 49,9

19 6911,4 6829,6 81,8

20 7008,6 6947,7 60,9

21 7285 7178 107

22 7586,2 7486,2 100

23 7945,3 7921 24,3

24 8130,9 8118 12,9

25 8499,1 8352,1 147

26 8708,3 8702,5 5,8

27 8858,1 8796,4 61,7

28 9144,9 9045,7 99,2

29 9307,8 9304 3,8

30 9460,6 9364,3 96,3

31 9684 9573,2 110,8

32 9769,7 9749,2 20,5

33 10019 9936,8 82,2

34 10115 10118 -3

35 10281 10230 51

36 10786 10662 124

37 10855 10842 13

38 11130 11070 60

39 11292 11264 28

40 11708 11594 114

41 11815 11797 18

42 11912 11894 18

43 12110 12050 60

44 12205 12113 92

45 12365 12273 92

46 12543 12499 44

47 12634 12579 55

48 12910 12828 82

49 12973 12905 68

50 13153 13005 148

51 13305 13258 47

52 13445 13426 19

53 13822 13540 282

54 13975 13776 199

55 14081 13952 129

56 14189 14045 144

57 14273 14219 54

58 14386 14325 61

59 14563 14507 56

60 14715 14691 24

61 14790 14736 54

62 15077 15066 11

Анализ результатов модального анализа показал, что наиболее информативной частью спектра является диапазон частот 6-8 кГц и 12-14,2 кГц.

Для подтверждения полученных результатов в программном комплексе АКБУБ были проведены серии экспериментальных исследований с использованием измерительно-диагностического комплекса (ИДК) [3]. ИДК разработан и создан в рамках договора № 9932/17/07-К-12 от 20.11.2012 г. «Создание семейства двигателей КАМАЗ на альтернативных видах топлива с диапазоном мощностей 300...400 л.с. и потенциалом выполнения перспективных экологических требований». В качестве объекта исследования выступали 4 бездефектных корпуса турбины турбокомпрессора и один дефектный (искусственный дефект в виде разреза глубиной 10 мм и шириной 2 мм).

Схема ИДК показана на рис. 4. В качестве чувствительных элементов используются лазерные виброметры (£К-2). Сигналы от лазерных датчиков поступают на многофункциональный модуль ввода-вывода (N1 BNC6251), откуда оцифрованные данные передаются на персональный компьютер с установленным программным обеспечением ЬаЪУ1Е№г 13.0.

Рис. 4. Схема измерительно-диагностического комплекса: 1 - лазерные виброметры LV-2; 2 - объект исследования; 3 - многофункциональный модуль ввода-вывода (BNC6251); 4 - персональный компьютер; 5 - программное обеспечение National Instruments

Перед экспериментальными исследованиями проведена подготовка, настройка и регулировка применяемой в измерительном комплексе аппаратуры согласно требованиям, изложенным в технической документации, инструкции по эксплуатации конкретных приборов и ГОСТ. Лазерный датчик устанавливался в любом месте до 5 м от объекта исследования, лазер наводился на точку корпуса турбины турбокомпрессора, как показано на рис. 5, без предварительной подготовки поверхности объекта. © Проблемы энергетики, 2015, № 5-6

Рис. 5. Точка наведения луча лазерного датчика и место возбуждения свободных колебаний на заготовке корпуса турбины турбокомпрессора

Перед началом испытаний на лицевой панели программы были заданы следующие параметры:

- длина выборки сигнала для получения спектра была выбрана исходя из характеристик применяемых датчиков и составила 8192 отсчетов;

- интервалы частот были выбраны исходя из теоретических исследований и первоначальных экспериментов и составили от 6 до 8 кГц, от 12 до 14,2 кГц

- временной интервал для записи сигнала по 5 ударам составил 15 секунд.

- дополнительно имеется возможность осуществления нормализации спектра.

Для получения информативных характеристик о состоянии объекта исследования

производилось 10 измерений. В каждом измерении проводилось по 5 механических ударов. Возбуждение свободных колебаний производилось ударником, выполненным в виде маятниковой системы, что обеспечивало совпадение силы и места удара и соответственно условий проведения эксперимента. Параметры колебания от объекта исследования снимались лазерным виброметром. Сигналы от датчика поступали на многофункциональный модуль ввода-вывода, откуда оцифрованные данные передавались на персональный компьютер с установленным программным обеспечением. Записанный в цифровой форме сигнал преобразовывался в амплитудный спектр с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье. Процедуры преобразований реализованы с помощью программного обеспечения, разработанного в среде графического программирования ЬаЪУ1Е№г 13.0 [4]. Проводился анализ спектров корпусов турбин турбокомпрессора.

На основе разработанного ИДК проведены экспериментальные исследования с корпусами турбин турбокомпрессора. Спектры бездефектного и дефектного корпуса турбины турбокомпрессора показаны на рис. 6 и 7 соответственно.

2000 4000 6000 3000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000

Частота, Гц

Рис. 6. Спектр бездефектного корпуса турбины турбокомпрессора

О ЗООО 4000 бООО ЗООО 10000 12000 14000 1ЙООО 13000 20000 22000 24000 26000 23000 ЗОООО

Чэсттотз. Гц

"""'4 J Усредненный спектр

Рис. 7. Спектр дефектного корпуса турбины турбокомпрессора © Проблемы энергетики, 2015, № 5-6

Проведено сравнение спектров на диапазонах частот от 6 до 8 кГц и от 12 до 14,2 кГц (рис. 8, 9). В качестве сравниваемого параметра, характеризующего отличительные особенности текущих сигналов, выбран коэффициент корреляции. Для вычисления выборочного коэффициента корреляции г используется зависимость:

Iaiasi -(Iai Iasi)/п

г =-

где ai - амплитуда на i-й частоте текущего спектра; asi - амплитуда на i-й частоте эталонного спектра; п - количество спектров, сравниваемых с эталоном.__

11 X? I

«ена | Оценка Иыана-Коноаера |

бООО-аОООгц | 12000-14200 ги

^ ^ Корреляц

ТаЬ СопИго! 3

Рис. 8. Сравнение спектров по критерию «коэффициент корреляция» на участке спектра __от 6 до 8 кГц

Сравнением

Пуск | Выход

<Ег1ег> <Е5С>

Площадь Корреляция | Ранговая оценка Сгшрмена | Оценка Имана-Коновера Статист Весь спектр | 6000-8000 гц 12000-14200 гц

I о,

ера Спектры | 11араметры |

Область без дефекта

Область дефекта

ТвЬ Согйга^З

Рис. 9. Сравнение спектров по критерию «коэффициент корреляция» на участке спектра

от 12 до 14,2 кГц

По оси абсцисс на рис. 8 и 9 показаны значения коэффициентов сравнения, по оси ординат указаны номера механических ударов, точками обозначены значения коэффициентов сравнения по пяти механическим ударам для соответствующего корпуса турбины турбокомпрессора, пунктирная линия - граница эталонного бездефектного доверительного интервала, сплошная линия - усреднённый коэффициент корреляции. Усредненный коэффициент корреляции дефектного корпуса на обоих участках (сплошная линия) лежит ниже границы доверительного интервала бездефектного корпуса (пунктирная линия), соответственно спектры на этих участках имеют наибольшие отличия, то есть корпус турбины турбокомпрессора признан дефектным.

Выводы:

1. Выбранные информативные диапазоны частот согласуются с проведенными теоретическими исследованиями.

2. Предложенный аналитический параметр (коэффициент корреляции) показал высокую чувствительность к определению дефекта в объекте исследования.

3. Анализ экспериментов по влиянию дефектов на параметры колебаний корпуса турбины турбокомпрессора подтвердил возможность применения ИДК для контроля дефектов деталей и узлов двигателя внутреннего сгорания в автоматическом режиме.

Summary

The results of studies of the influence of defects on the natural frequencies of the turbocharger turbine housing. The studies were conducted by means of finite element modeling software ANSYS and developed a program to generate images of vibro-acoustic research object in the graphical programming environment LabVIEW. Experimental studies on the turbocharger turbine housing using designed and developed measurement -diagnostic complex. Work performed under contract with the Ministry of Education of the Russian Federation from "12" February 2013 № 02.G25.31.0004.

Keywords: measuring - diagnostic system, the turbocharger turbine housing, software ANSYS, LabVIEW, modal analysis

Литература

1. Ившин И.В. Разработка тестовых и функциональных методов контроля изделий вооружения и военной техники по виброакустическим параметрам / И.В. Ившин // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Казань: КВВКУ, 2009. С. 364.

2. Ившин И.В. Информационно-измерительная система для контроля технического состояния работающих механизмов по параметрам вибрации./ Р.С. Саитбаталова, Ю.В. Ваньков, В.А. Гаврилов, Н.К. Мифтахова // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. № 3-4. С. 128-135.

3. Низамиев М.Ф., Ившин И.В., Владимиров О.В., Ваньков Ю.В. Измерительно-диагностический комплекс для диагностики энергетических установок / М.Ф. Низамиев, И.В. Ившин, О.В. Владимиров, Ю.В. Ваньков // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2014. №3-4. С. 108-113.

4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014613692 Программный комплекс для экспресс-контроля деталей двигателя КАМАЗ/ И.В. Ившин, Ю.В. Ваньков, Е.В. Измайлова, А.Р. Загретдинов, М.Ф. Низамиев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «КГЭУ» №2014611426; заявл. 25.02.2014г.; зарег. 02.04.2014 г.

Поступила в редакцию

03 марта 2015 г.

Низамиев Марат Фирденатович - аспирант 2 года обучения кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (927) 245-03-70 E-mail: Marat_Fizik2@mail.ru.

Ившин Игорь Владимирович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (950) 310-89-84 E-mail: ivshini@mail.ru.

Владимиров Олег Вячеславович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (917) 902-46-09 E-mail: ovlaimirov2011@yandex.ru.

Загретдинов Айрат Рифкатович - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (917) 920-77-65 E-mail: azagretdinov@yandex.ru.