Использование лазерного контроля параметров вибрации при диагностике изделий авиационной техники

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

1 9

© С.В. Гущин1, А.П. Полонский2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Рассмотрены вопросы обеспечения контроля параметров вибрации элементов авиационных двигателей с целью выявления дефектов деталей ротора. МЕТОДЫ. Предложено использование аппаратно-программного комплекса измерения вибраций с использованием лазерного визира. В процессе измерения параметров вибрации использованы контактный и оптический бесконтактный методы. РЕЗУЛЬТАТЫ. Определены оптимальные точки измерения вибрации, а также параметры настройки лазерного луча. Дано сравнение точности и достоверности бесконтактного и контактного методов контроля. ВЫВОДЫ. Доказана перспективность предлагаемого метода. Показано, что на основе сравнения виброграмм исправного и неисправного состояния объектов можно получать информацию о наличии дефектов, их размере и месте расположения. Ключевые слова: вибрация, лазер, рабочее колесо, авиационный двигатель, лопатка компрессора, дефект.

Формат цитирования: Гущин С.В., Полонский А.П. Использование лазерного контроля параметров вибрации при диагностике изделий авиационной техники // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 10. С. 21-27. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-21-27

USING VIBRATION PARAMETER LASER CONTROL AT AIRCRAFT ENGINEERING PRODUCTS DIAGNOSTICS S.V. Gushchin, A.P. Polonskiy

Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

ABSTRACT. PURPOSE. The article deals with the questions of ensuring control of vibration parameters of aircraft engine elements in order to identify the defects of rotor parts. METHODS. It is proposed to use a hardware and software complex of vibration measurement with a laser crosshair. Contact and optical noncontact methods are used for vibration parameter measurement. RESULTS. Optimal points of vibration measurement and setting parameters of a laser beam are determined. The accuracy and reliability of the noncontact and contact control methods are compared. CONCLUSIONS. The offered method is proved to be promising. The possibility is shown to obtain information on the presence of defects, their size and location on the basis of comparison of vibrational records of fault-free and fault condition of objects.

Keywords: vibration, laser, blade wheel, aviation engine, compressor blades, fault

For citation: Gushchin S.V., Polonskiy A.P. Using vibration parameter laser control at aircraft engineering products diagnostics. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 10, pp. 21-27. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-21 -27

Введение

Оригинальная статья / Original article УДК: 629.7.018.4

DOI: 10.21285/1814-3520-2016-10-21-27

В настоящее время ведется активная работа по разработке и созданию наземных систем контроля и анализа вибрации авиадвигателей [1]. Практически все

разрабатываемые системы в качестве чувствительных элементов используют контактные датчики (вибродатчики) различных типов и конструкций, установленные на

1

Гущин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: gushin@istu.edu

Gushchin Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Aviation Equipment Operation, e-mail: gushin@istu.edu

2Полонский Анатолий Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры самолетостроения и эксплуатации авиационной техники, e-mail: a-polonsky45@mail.ru

Polonskiy Anatoliy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Aircraft Construction and Aviation Equipment Operation, e-mail: a-polonsky45@mail.ru

корпусе двигателя. Размещение вибродатчиков на корпусах газотурбинных двигателей (ГТД) требует специальных мест их крепления, что в условиях эксплуатации связано с серьезными трудностями. Практически в эксплуатационных условиях невозможно замерить уровень вибрации ГТД по всему его корпусу [2].

Свободными от указанных недостатков являются бесконтактные методы регистрации параметров вибрационных процессов, когда регистрирующий прибор находится на расстоянии от исследуемого объекта, а связь между ними осуществляется немеханическим путем.

Описание системы

На основании анализа уже существующих систем для измерения вибрации объектов предложена система регистрации вибрации, показанная на рис. 1.

Бесконтактные методы виброметрии все более широко используются в различных отраслях промышленности благодаря таким преимуществам, как отсутствие влияния на исследуемый объект, возможность контроля регистрируемых объектов в условиях высоких температур [3, 4].

В связи с развитием лазерной техники огромное значение в последнее время приобретают оптические методы регистрации вибрации. Основанием для использования лазера в технике точных измерений, в частности виброметрии, является высокая стабильность длины волны генерируемого излучения, высокая чувствительность метода, монохроматичность луча и т.д.

страции вибрации

Предлагаемая система состоит из двух подсистем: подсистемы измерения вибрации и графической регистрации ее параметров и подсистемы анализа записанной информации.

1.Лазерный визир/ Laser crosshair

4. АЦП / Analog Digital Converter

(ADC) k-

V

5. Персональный

компьютер / Personal computer

2. Фотоприемник/ Photodetector

Рис. 1. Схема лазерной системы измерения вибраций Fig. 1. Scheme of the laser vibration measurement system

Подсистема измерения вибраций и ее графической регистрации включает в себя:

- лазерный визир ЛВ5М, представляющий собой оптико-квантовый генератор (ОКГ) с блоком питания;

- фотоэлемент (фотодиод ФД - 2);

- усилитель (виброметр) «Robotron 00 042»;

- печатающее устройство принтер HP 845c.

Подсистема анализа записанной информации включает в себя:

- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

- персональный компьютер.

При выполнении измерений использовался программный комплекс SpectraLAB, осуществляющий опрос и контроль состояния датчика вибрации, рассчитанный для работы в операционной системе Windows (рис. 2).

Программный комплекс осуществляет анализ сигналов как в режиме реального времени, так и в режиме записи сигнала для последующей работы с ним [5].

Юстировка фотодиода относительно лазерного визира осуществлялась визуально, с помощью механических устройств микронного наведения или по индикации

виброметра и ЭВМ. Лазерный визир устанавливался на геодезическую треногу или подставку для удобства его обслуживания во время работы.

Фотодиод закреплялся на полужесткой пластине размером 80х20 мм, которая, в свою очередь, фиксировалась на контролируемом объекте. Полужесткое пластинчатое основание необходимо для плотного прилегания к поверхности исследуемого объекта. Оно изготовлено из жести толщиной 0,5 мм. Нижняя поверхность основания была обклеена липкой лентой для надежного фиксирования фотоэлектрического приемника на поверхности объекта.

Настройка системы контроля вибрации проводилась экспериментально на колесе первой ступени компрессора ГТД в лабораторных условиях.

Моделирование вибрации лопаток рабочего колеса осуществлялось с помощью вибратора с усилителем. В состав системы входили следующие элементы: вибратор с пультом управления, рабочее колесо ГТД.

Проводилось экспериментальное исследование рабочего колеса первой ступени компрессора ГТД с 28 лопатками (рис. 3).

Рис. 2. Скриншот программного комплекса SpectraLAB при вибрации исправной лопатки Fig. 2. Screenshot of the SpectraLAB software complex under fault-free blade vibration

Рис. 3. Объект исследования с подсоединенным вибростендом Fig. 3. Object of study connected with the vibration table

Методика проведения эксперимента

Для исследования был выбран спектр рабочего колеса, угловая величина которого составляет 180° и включает 14 лопаток рабочего колеса. Спектр с угловой величиной 180° был выбран из условия симметричности половин рабочего колеса. В этой части эксперимента определялся оптимальный вариант перекрытия лучом лазера чувствительной поверхности фотоприемника.

Для следующего опыта визуально была выбрана лопатка с наименьшими дефектами.

При задействованной аппаратуре первой подсистемы были получены результаты при вибрации с частотой 3 кГц и значением анодного тока 25-30 мА. Перед этим экспериментом по показаниям виброметра была определена точка № 7 на лопатке (рис. 4), имеющая значение виброскорости со стабильной амплитудой и наименьшими «выбросами» колебаний.

Рис. 4. Исследуемая лопатка с точками замеров Fig. 4. Examined blade with the measurement points

В ходе измерений на четырех позициях рабочая поверхность фотоприемника, расположенного в точке № 7 наиболее исправной лопатки, была по-разному перекрыта лучом лазера.

Наилучшие параметры измерения вибрационного процесса в отношении стабильности и меньшего числа «выбросов» колебаний были получены при полном перекрытии лучом лазера чувствительной стороны фотоприемника. Это объясняется тем, что даже при большой амплитуде колебаний часть луча лазера постоянно будет находиться в рабочей площади фотоприемника.

Далее проводились замеры с использованием контактного метода. На виброграммах, снятых виброщупом, нередко присутствуют большие «выбросы» и нестабильные участки. Эти явления объясняются изменением усилия прижатия виброщупа к исследуемому объекту.

При большом объеме измерений постоянная нагрузка приводит к усталости руки человека, что, конечно, скажется на результатах замеров. В целом же характер

снимаемых виброграмм идентичен виброграммам, снятым системой с помощью лазера.

Целью дальнейших экспериментов было проследить за изменением характера виброграмм в зависимости от небольших дефектов, имеющих место на некоторых лопатках. В результате данного исследования предусматривалось построение кривой распределения виброданных по половине рабочего колеса 180°. Для исследования была взята точка № 3. Опыт проводился для измерения виброскорости при частоте 3 кГц.

Перед замером параметров вибрации визуальным контролем были проверены все исследуемые лопатки. В результате осмотра обнаружено: лопатка № 3 - небольшая вмятина на кромке лопатки, лопатка № 4 - также небольшая вмятина на кромке лопатки, лопатка № 6 - обнаружен небольшой дефект в виде «откуса» или «забоины», лопатка № 14 - «забоина» небольшого размера. Остальные десять лопаток визуально являются исправными.

Заключение

В результате проведенных экспериментов и полученного пакета виброграмм (см. рис. 5) можно сделать следующие выводы:

- Наиболее стабильная амплитуда колебаний наблюдается при полном перекрывании лучом лазера светочувствительной площади фотоэлемента.

- Сравнение результатов замеров с помощью данной системы и с помощью виброщупа позволяет сделать вывод о том, что усилие прижима виброщупа к исследуемому объекту оказывает существенное влияние на его вибрационные характеристики. Сила прижима виброщупа к объекту, контролируемая оператором длительное время, не может иметь постоянную величину, что является большим недостатком данного метода.

- Установлено, что с помощью предлагаемой системы можно осуществ-

лять контроль вибрации объектов и замерять параметры виброскорости и виброускорения. Значение параметров колебаний объектов регистрируется на диаграммах вибраций (виброграммах) и выводится на экран ПК или на принтер.

- Показано, что при помощи предлагаемой системы возможно замерять вибрацию любых объектов, так как луч лазера может быть направлен с разных точек, расстояний и углов на фотоприемник, который также может располагаться на контролируемом объекте в заданном месте его поверхности.

Следует отметить, что амплитуду колебаний можно замерить лишь в том случае, если ее величина будет больше или равна диаметру луча лазера, в противном случае на лазер необходимо крепить коллиматор для регулировки диаметра луча.

б

Рис. 5. Виброграммы исследуемых лопаток с дефектами: а - измерение фотоэлементом; б - измерение виброщупом Fig. 5. Vibrograms of the examined faulty blades: a - photo cell measurement; b - vibroscope measurement

а

В целом результаты исследований говорят о том, что, благодаря такому преимуществу лазерного метода, как бесконтактность, он может быть широко использован для контроля параметров вибрации

1. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 2000. 344 с.

2. Albrecht, Reifrag zur Frage Schwingung Sicherheit in Resonanz schwingender der Schaufel axialer strb-mungsmaschinen. Dresden Fak fur Maschinenwesen der TH. 1968. 114 s.

3. Ененков В.Г. Охрана труда на предприятиях гражданской авиации. М.: Транспорт, 1990. 192 с.

различных объектов и агрегатов. На основе сравнения виброграмм исправного и неисправного состояния объектов можно получать информацию о наличии дефектов, их размере и месте расположения.

кий список

4. Ewins D.J. A Study of Resonance Coincidence in Bladed Discs. Jornal Mechanical Engineering Science. 1970. Vol. 12. No. 5. S. 305-312.

5. Бобарика И.О., Яхненко М.С. Методика решения задачи поиска частотного отклика сборной конструкции трубопровода с применением метода конечных элементов // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2014. № 2 (54). С. 16-20.

References

1. Gol'din A.S. Vibratsiya rotornykh mashin [Rotor machine vibration]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2000, 344 p.

2. Albrecht, Reifrag zur Frage Schwingung sicherheit in Resonanz schwingender der Schaufel axialer strb-mungsmaschinen. Dresden Fak fur Maschinenwesen der TH. 1968, 114 p.

3. Enenkov V.G. Okhrana truda na predpriyatiyakh gra-zhdanskoi aviatsii [Labor protection at the enterprises of civil aviation] Moscow, Transport Publ., 1990, 192 p.

Критерии авторства

Гущин С.В., Полонский А.П. рассмотрели вопросы обеспечения контроля параметров вибрации элементов авиационных двигателей с целью выявления дефектов деталей ротора, провели обобщение и написали рукопись. Гущин С.В., Полонский А.П. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

4. Ewins D.J. A Study of Resonance Coincidence in Bladed Discs. Journal of Mechanical Engineering Science. 1970, vol. 12, no. 5, pp. 305-312.

5. Bobarika I.O., Yakhnenko M.S. Metodika resheniya zadachi poiska chastotnogo otklika sbornoi konstruktsii truboprovoda s primeneniem metoda konechnykh ele-mentov [The methods of solving the problem of searching the assembly pipeline frequency response using the finite element method]. Vestnik Sibirskogo gosudar-stvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akade-mika M.F. Reshetneva [Vestnik SibGAU]. 2014, no. 2

Authorship criteria

Gushchin S.V., Polonskiy A.P. have considered the issues of ensuring the control of aircraft engine element vibration in order to identify the defects of rotor parts, summarized the material and wrote the manuscript. Gushchin S.V., Polonskiy A.P. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declares no conflict of interest.

Статья поступила 14.06.2016 г. The article was received 14 June 2016