Оптический мониторинг крутильных колебаний валов

1

МЕХАНИКА ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА

оптическии мониторинг крутильных колебаний валов

М.В. Кудрявцев (Мурманский государственный технический университет) Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Л.В. Ефремов

Статья посвящена совершенствованию комплексной системы контроля крутильных колебаний силовых установок с использованием современной оптической и цифровой технологий. Результаты исследования имеют большое практическое значение для развития средств и методов диагностики при техническом обслуживании машин.

Известен ряд методов и средств измерения знакопеременных тангенциальных напряжений в валах силовых установок, среди которых следует особо выделить приборы с бесконтактным принципом передачи сигнала от инерционного или тензометрического датчика, установленного на вращающемся валу, на внешний регистрирующий блок прибора. Таким путем удается устранить существенный источник помех, возникающих в цепи передачи сигнала через контакты токосъема при использовании других средств измерений. Например, в торсиографе фирмы «Диза Злектроник» для этой цели используется емкостные каналы.

Хорошо себя зарекомендовал радиоторсиограф конструкции ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, признанный морским Регистром судоходства. Он состоит из двух основных элементов - датчика и приемника, связанных между собой по радиоканалу на частоте 660 кГц с помощью передающей и приемной антенн. Оцифрованный сигнал записывается на персональный компьютер для дальнейшего спектрального анализа и оценки степени опасности крутильных колебаний.

Согласно рекламной документации, более простыми и доступными приборами для записи и анализа крутильных колебаний являются оптические торсиографы. Так, известная фирма «Брюль и Къер» выпускает прибор ТУМ-2523. Здесь для бесконтактного измерения амплитуды крутильных колебаний применяется лазерный луч, отражаемой от специальной светоотражающей ленты, наклеенной на любой участок вала. Утверждается, что прибор определяет угловую скорость колебаний и снимает все проблемы измерений этого параметра. Однако наш опыт применения подобного оптического прибора показал, что к рекламной информации об их эффективности следует относиться с большой осторожностью из-за различных помех, обнаруживаемых при измерениях, природа которых еще мало изучена.

В настоящей статье приводятся результаты первого этапа исследований относительного нового для наших флотов оптического торсиографа, входящего в состав универсальный переносной измерительного комплекса СКАН производства ЦНИИМФ.

Рис. 1. Структурная схема комплекса СКАН: 1 - первичный преобразователь; 2 - предусилитель преобразователя; 3 - блок питания преобразователя; 4 - персональный компьютер; 5 - плата аналого-цифрового преобразователя (АЦП); 4-1 - 25-штырьковый разъем RS-232; 4-2 - 9-штырьковый разъем RS-232

Как показано на рис.1, комплекс состоит из 5 основных элементов: портативного компьютера, платы АЦП, первичных измерительных преобразователей (в частности, оптического датчика) и программного обеспечения.

Измерительная информация, которую необходимо обработать, поступает в ПЭВМ через вставляемую в слот портативного компьютера плату - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Ниже приводятся основные характеристики комплекса СКАН.

• Первичный оптический преобразователь QS18VN6LV (фирма Banner Engineering Corp.,США): питание 10-30 В; потребляемый ток <100 мА; рабочая дистанция до 0,3 м; задержка включения/выключения 600 мкс.

• АЦП типа DAQCard ( фирма National Instruments): разрядность 16 бит; число аналоговых каналов 16; диапазон входных напряжений ±10 В; число цифровых входов/выходов 8; динамический диапазон изменения входного сигнала 80 дБ; входной импеданс 1 ГОм в параллели с емкостью 40 пф.

• Партитивный компьютер: Notebook Hewlett Packard Omnibook 6100, микропроцессор типа Pentium III; ОЗУ 256 Мбайт; два слота для карты PCMCIA; HDD 20 Гбайт.

• Системное программное обеспечение - Windows-2000; среда разработки прикладного программного обеспечения - графический пакет LABView фирмы National Instrument (США); прикладное программное обеспечение - СКАН, разработка ЦНИИМФ.

Для измерения крутильных колебаний используется специальная клейкая отражательная лента (см. рис. 2а) с темными и светлыми полосками и оптический датчик (рис. 2б), который способен излучать световой поток и воспринимать отраженный поток от светлой полоски ленты. Отражательная лента наносится на сечение вала или специальное выводное устройство (как на рис.2б), а датчик устанавливается так, чтобы световой поток проходил по отражательной ленте без выхода за ее пределы.

Результаты измерений фиксируются на экране компьютера в виде двух основных картинок - собственно торсиограмма (см. рис. 3а) и спектрограмма (рис. 3б). Как правило, наибольшее практическое значение имеет запись и анализ амплитуд спектральный гармоник на спектрограмме. В частности, это имеет решающее значение при диагностировании демпферов крутильных колебаний, когда в качестве диагностического параметра используется частота и амплитуда наиболее сильного резонанса моторной формы крутильных колебаний.

б

Рис. 2. Оптический торсиограф, входящий в диагностический комплекс СКАН: а) - датчик с отражательной лентой, б) - излучатель светового луча

Указанный комплекс был приобретен нами (АНО «Стандарт-морепродукт», Архангельск) с учетом того, что, согласно рекламе, комплекс СКАН не требует прокладки кабельных трасс, является легкой, портативной, полностью автономной системой. Это позволяет производить сбор, обработку и анализ информации непосредственно на судне. Однако уже на начальном этапе применения этого прибора выяснилось, что этих привлекательных свойств недостаточно для признания прибора морским Регистром судоходства. Испытания этого прибора на нескольких судах выявили ряд искажений результатов измерений, что обусловило актуальность исследования причин их возникновения с целью последующей разработки мер по их устранению.

а

б

Рис. 3. Пример записи крутильных колебаний (а) и их спектрального анализа

(б) оптической аппаратурой СКАН

Первая попытка торсиографирования эти прибором на одном из судов окончилась неудачей в основном из-за неправильного выбора места считывания информации. Отражательная лента была наклеена на вал за маховиком двигателя, где, как показали расчеты, амплитуда исследуемых колебаний моторной формы практически равна нулю. Этот случай подтвердил правило, хорошо известное специалистам по крутильным колебаниям: подобные экспериментальные исследования не могут выполняться без предварительного расчетного моделирования развития крутильных колебаний, которое должно указывать не только место наклейки ленты, но и способ пересчета напряжений с одного сечения вала на другой. Поэтому в состав рабочей группы по проведению этих работ пришлось включить опытного специалиста по расчету крутильных колебаний. При этом было разработано специальное программное обеспечение для оперативных расчетов крутильных колебаний.

Другим следствием этого случая явилась разработка специального диска для записи с торца коленчатого вала (рис. 2б), где ожидалась максимальная амплитуда моторной формы колебаний. Это позволило на следующих судах получать более правдоподобную картину (рис. 3). Вывод о правдоподобности сделан на основании расчетов и анализа результатов торсиографирования на судах того же самого проекта, но с применением альтернативных средств измерений (торсиографами Гейгера и ЦНИИ им. А.И. Крылова).

Следующим дефектом, который был обнаружен при испытаниях одного из судов, явилось искажение записи в результате неудовлетворительного технического состояния силовой установки, а точнее - из-за большой неравномерности распределения дав-

ления газов в цилиндрах дизеля. Это позволило в программе испытаний обратить особой внимание на качество работ подготовительного этапа испытаний.

В дальнейшем эти ошибки была устранены, и более достоверные результаты были получены на трех судах с главными двигателями типа №УВ48 (Германия).

На этом, втором этапе экспериментальных исследований были выявлены некоторые проблемы программного обеспечения и самого измерительного комплекса.

Во-первых, на спектрограммах всех судов была обнаружена заметная (0,003-0,005 рад) гармоника первого порядка, хотя по расчету таких колебаний не должно было быть. Стендовые испытания прибора позволили предположить, что его причиной является бой установочного диска, который может происходить в разных плоскостях из-за плохой центровки.

Кроме того, были замечены явно случайные гармоники других порядков, которые могли возникать из-за влияния вибрации оптического излучателя. Поскольку вопрос о наложении записи вертикальных колебаний на запись радиальных колебаний пока не имеет теоретического и практического обоснования, то его решение является одной из проблем наших последующих исследований.

Основной проблемой измерительного комплекса является невозможность измерения при плавном изменении частоты вращения двигателя. Приходится применять ступенчатый способ, т.е. ступенчато менять обороты на 3-5 об/мин и осуществлять запись на фиксированной частоте. Это затрудняет точную оценку частоты вращения двигателя, где ожидается резонанс от крутильных колебаний.

Диаметр = не более

"об\шаг" 5 10 15 20 25

100 500 1-103 1.5-103 2-103 2.5-103

200 250 500 750 1-103 1.3-103

300 166.7 333.3 500 666.7 833.3

400 125 250 375 500 625

500 100 200 300 400 500

600 83.3 166.7 250 333.3 416.7

700 71.4 142.9 214.3 285.7 357.1

800 62.5 125 187.5 250 312.5

900 55.6 111.1 166.7 222.2 277.8

1-103 50 100 150 200 250

1.1-103 45.5 90.9 136.4 181.8 227.3

1.2-103 41.7 83.3 125 166.7 208.3

1.3-103 38.5 76.9 115.4 153.8 192.3

1.4-103 35.7 71.4 107.1 142.9 178.6

1.5-103 33.3 66.7 100 133.3 166.7

1.6-103 31.3 62.5 93.8 125 156.3

1.7-103 29.4 58.8 88.2 117.6 147.1

1.8-103 27.8 55.6 83.3 111.1 138.9

1.9-103 26.3 52.6 78.9 105.3 131.6

2-103 25 50 75 100 125

Таблица 1. Требуемый диаметр шкива

Важным вопросом для достоверности измерений является выбор диаметра вала (шкива) и шаг ленты, которые выбираются в зависимости от номинальных оборотов двигателя с целью обеспечения требуемого времени цикла прохождения излучаемого и отраженного сигнала (не менее 1,2-2,2 мс). Для определения оптимального диаметра шкива и шага полоски составлена небольшая компьютерная программа, которая позволяет быстро получить оптимальный шаг полоски или, наоборот, при заданном шаге находить требуемый диаметр шкива. По тому же алгоритму и с той же целью составлена табл. 1, которая добавлена в инструкцию эксплуатации прибора.

Дальнейшая работа по повышению достоверности рассматриваемого оптического метода измерений связана с совершенствованием программного обеспечения прибора и разработкой алгоритмов вспомогательных программ. В частности, для повышения точности оценки частоты вращения вала необходимо график угловых перемещений дополнить отметчиком оборотов, а в таблицу спектральных амплитуд добавить значения половинчатых порядков, которые характерны для четырехтактных дизелей

К важнейшим вспомогательным компьютерным программам, которые запланировано разработать для обслуживания оптического метода, можно отнести программы для построения теоретических (эталонных) торсиограмм и спектрограмм и программы для прогнозирования остаточного ресурса объекта исследования.

Конечной целью дальнейшего усовершенствования оптического метода мониторинга крутильных колебаний является составление типовой программы испытаний с учетом специфики судна и измерительного комплекса СКАН и обоснования возможности признания этого метода морским Регистром судоходства.