СПОСОБ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МЕЖВАЛЬНЫХ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ДВУХВАЛЬНЫХ ТУРБОМАШИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2003 года по МПК G01M13/04 

Изобретения относятся к виброакустической диагностике турбомашин, преимущественно подшипников качения двухвальных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен способ диагностики дефектов подшипников качения путем измерения импульсных вибраций ("Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов", издательство "Наука", М. , 1984 г., под редакцией М.Д.Генкина, стр.49-50, 76-77) - аналог.

Дефектный подшипник рассматривается как генератор случайных импульсов, следующих через неравные промежутки времени, на каждый из которых в отдельности прибор не реагирует. В процессе испытаний устанавливают две контролируемые величины - максимальное и пороговое значения (по числу импульсов), соответствующие максимальному числу импульсов за определенный промежуток времени. В этом случае вибродатчик устанавливают непосредственно на корпус диагностируемого подшипника. Под воздействием ударов датчик возбуждается на собственной резонансной частоте (30-500 кГц).

Этот способ не может использоваться для диагностики подшипников качения на двухвальных авиационных двигателях, так как в условиях эксплуатации устанавливать датчики непосредственно на корпусах межвального и межроторного подшипников не представляется возможным. В то же время произвольная установка датчика на корпусе двигателя не обеспечивает необходимой помехоустойчивости из-за сложной кинематической схемы многовального двигателя, что затрудняет диагностику повреждения подшипника.

Надежность системы контроля вибрации при длительной эксплуатации, как правило, обеспечивают индикаторы вибрации, оснащенные датчиком вибрации и установленные в так называемых "штатных" точках замера вибрации. Большинство датчиков вибрации, применяемых для контроля, вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный виброскорости. Известен датчик индукционного типа МВ-24, работающий в комплексе с интегродифференцирующим усилителем типа АВ-43 УУ и шлейфным осциллографом типа Н004М1 ("Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов", Ю.Н.Васильев, М.Е.Бесклетный и др., М.: Недра, 1987 г., стр.10) - аналог.

Недостатком датчиков данного типа является то, что они рассчитаны на измерение вибрации только в низкочастотном диапазоне (0-300 Гц), а это существенно ограничивает область их применения.

Известен способ виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин (Патент РФ 1807770, МПК G 01 М 13/04) - прототип.

Этот способ заключается в том, что приводят во вращение один из валов двигателя, затем, обеспечив возможность свободного вращения вала, измеряют амплитудные значения виброускорения и усредненные значения виброускорения, используя последние для установления диагностических пороговых уровней, производят сравнение измеряемых амплитудных значений виброускорения и усредненных значений виброускорения с диагностическими пороговыми уровнями, по результатам которого судят о наличии и характере дефектов межвальных подшипников.

Недостатком данного способа является ограниченность времени измерения периодической последовательности импульсов, которые выделяются при управлении постоянным опорным напряжением, то есть в конце периода свободного вращения вала, когда интенсивность вибросигнала уменьшается, невозможно измерить амплитуду, количество и частоту следования импульсов.

В том же патенте описано устройство для виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин, наиболее близкое к предлагаемому. Это известное устройство содержит вибродатчик, с выхода которого сигнал, пропорциональный величине виброускорения на корпусе в месте установки этого датчика (далее вибросигнал), поступает на вход согласующего усилителя, а потом на вход фильтра. Выход фильтра соединен с входом детектора усредненных значений вибросигнала и входом детектора амплитудных значений вибросигнала. В качестве детектора усредненных значений вибросигнала в данном устройстве используется детектор средних значений вибросигнала.

Недостатком такого устройства является узкий диапазон применения и недостаточная достоверность обнаружения дефектов особенно в конце периода свободного вращения вала, когда интенсивность вибросигнала уменьшается, импульсы не регистрируются.

Предлагаемыми изобретениями решается задача повышения надежности и достоверности диагностики подшипников в эксплуатационных условиях при одновременном расширении диапазона исследований, а также выявление дефектов, возникновение и развитие которых связано с появлением ударных колебаний корпуса двигателя (например, локальные износы и выкрашивание внутреннего и наружного колец, локальные износы и выкрашивание тел качения).

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин приводят во вращение один из валов двигателя, затем, обеспечив возможность свободного вращения вала, измеряют амплитудные значения виброускорения и усредненное значение виброускорения, используя последние для установления диагностического порогового уровня, производят сравнение измеряемых амплитудных значений виброускорения диагностическим пороговым уровнем, по результатам которого судят о наличии и характере дефектов межвальных подшипников.

Отличительные признаки предлагаемого способа заключаются в том, что в процессе диагностики изменяют диагностический пороговый уровень, в качестве которого используют сумму значений опорного напряжения от источника опорного напряжения и текущего усредненного значения виброускорения, выбираемого равным текущему среднеквадратическому значению виброускорения. Опорное напряжение (U_опор.) выбирают из соотношения где -среднеквадратическое значение виброускорений, соответствующее полной шкале прибора.

Текущее среднеквадратическое значение виброускорения - это изменяющееся во времени значение определяющее уровень виброускорения на ограниченном интервале времени Т.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство, которое, как и наиболее близкое к нему известное по патенту Российской Федерации 1807770, содержит вибродатчик, последовательно соединенный: с согласующим усилителем и фильтром, детекторы усредненных и амплитудных значений виброускорений корпуса. В качестве детектора усредненных значений вибросигнала в предлагаемом решении используют детектор среднеквадратических значений вибросигнала. В отличие от известного, предлагаемое устройство дополнительно содержит регулируемый источник опорного напряжения, индикаторы, показывающий прибор, управляющий блок и, как минимум, два компаратора, причем каждый из двух компараторов и управляющий блок имеют, по меньшей мере, два входа, один вход управляющего блока соединен с выходом детектора среднеквадратических значений вибросигнала, второй вход - с регулируемым источником опорного напряжения, а выход - с одним из входов обоих компараторов, вторые входы которых соединены с выходом детектора амплитудных значений вибросигнала, выходы обоих компараторов соединены с индикаторами, а показывающий прибор - с выходом детектора среднеквадратических значений виброускорений.

В устройстве для виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин индикаторы могут быть выполнены в виде сигнальных лампочек.

В устройстве для виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин фильтр выполнен в виде блоков коммутируемых фильтров.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - структурная схема устройства для виброакустической диагностики подшипников качения двухвальных турбомашин, на фиг.2 - типовая осциллограмма вибросигнала с дефектом в подшипнике.

Принятые обозначения:
U_опор. - опорное напряжение от источника питания,
U_o - амплитуда импульса на выходе фильтра,
вибросигнал на выходе детектора среднеквадратических значений,
Т_о - время интегрирования,
T₁ - время вращения ротора с постоянной скоростью,
Т₂ - время свободного вращения ротора ("выбега"),
U(t) и U₁(t) - напряжения до и после фильтра.

Предлагаемые способ диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин и устройство для его реализации базируются на следующих теоретических предпосылках:
Заявляемые изобретения позволяют увеличить время регистрации импульсов на всем интервале Т₁+Т₂, особенно на интервале Т₂, благодаря тому, что порог срабатывания компараторов происходит по сумме вибросигналов (см. фиг.2) и уменьшается одновременно с уменьшением текущего значения интенсивности вибросигнала к концу "выбега" (время свободного вращения ротора до его остановки). Особенно это важно в тех случаях, когда время "выбега" Т₂≈10 с, а для надежного выявления периодической последовательности импульсов необходимо определить 6-8 импульсов, с частотой вращения ротора 1-1,5 об/с, например, при обрыве в сепараторе подшипника частота последовательности импульсов в 2 раза меньше частоты вращения ротора и при Т₂=10 с могут быть обнаружены только 4-5 импульсов.

Измерение виброускорений корпуса двигателя с помощью вибродатчика производят во время вращения одного из роторов - (T₁+Т₂), где T₁ - время вращения одного из роторов двигателя с постоянной скоростью 1-1,5 об/с (обычно T₁ задает оператор, например, вручную и оно составляет 5-10 с), а Т₂ - время свободного вращения ротора -"выбег", которое определяется трением в опорных подшипниках ротора и составляет, как правило, 10-30 с. На интервале T₁ определяется интенсивность вибросигнала на выходе детектора среднеквадратических значений а показания индикаторов имеет второстепенное значение. На интервале времени Т₂ выявляются ударные импульсы, а уменьшающаяся интенсивность вибросигнала диагностической ценности не имеет.

Таким образом, процедура диагностики подшипников заключается в измерении на интервале T₁ и определении ударных импульсов на интервале Т₂, то есть двух диагностических признаках, по которым судят о состоянии подшипника. Для каждого подшипника известны значения на интервале T₁. При выявлении ударных импульсов на интервале Т₂ диагностируемый подшипник снимается с двигателя и заменяется новым независимо от .

Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности: сначала приводят во вращение один из валов двигателя, затем, обеспечив возможность свободного вращения вала, измеряют амплитудные значения виброускорения и усредненные значения виброускорения, используя последние для установления диагностического порогового уровня, производят сравнение измеряемых амплитудных значений виброускорения с диагностическим пороговым уровнем, по результатам которого судят о наличии и характере дефектов межвальных подшипников, причем в процессе диагностики изменяют пороговый уровень, в качестве которого используют сумму значений опорного напряжения от источника опорного напряжения и текущего значения виброускорения, выбираемого равным текущему среднеквадратическому значению виброускорения. Опорное напряжение (U_опор.) выбирают из соотношения где - среднеквадратическое значений виброускорений, соответствующее полной шкале прибора.

В устройстве для виброакустической диагностики подшипников качения двухвальных турбомашин амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) фильтров могут иметь различные наклоны, как со стороны низких, так и со стороны высоких частот. Наклон или подъем АЧХ на краях диапазона определяется информативностью составляющих спектра вибросигнала. Если необходимо усилить вибросигнал на каком-либо участке спектра, то АЧХ имеет подъем, а если требуется ослабить влияние помех, то фильтр должен иметь больший спад на краях диапазона. Таким образом, осуществляется коррекция вибросигнала или регулируется "вес" составляющих спектра.

Устройство для виброакустической диагностики подшипников качения двухвальных турбомашин содержит вибродатчик 1, размещенный на двигателе 2, вибродатчик последовательно соединен с согласующим усилителем 3 и фильтром 4, выход фильтра 4 соединен с входом детектора среднеквадратических значений 5 и входом детектора амплитудных значений 6. Кроме того, устройство дополнительно содержит индикаторы 7 и 8, регулируемый источник опорного напряжения 9, показывающий прибор 10, управляющий блок 11 и два компаратора 12 и 13. Каждый из компараторов 12 и 13 и управляющий блок 11 имеют, по крайней мере, два входа, один вход управляющего блока 11 соединен с выходом детектора среднеквадратических значений 5, второй вход управляющего блока 11 - с регулируемым источником опорного напряжения 9, выход управляющего блока 11 - с одним из входов компараторов 12 и 13, вторые входы которых соединены с выходом детектора амплитудных значений 6, выходы компараторов 12 и 13 соединены с индикаторами 7 и 8, а показывающий прибор 10 - с выходом детектора среднеквадратических значений 5.

Индикаторы 7 и 8 могут быть выполнены в виде светоизлучающих диодов или сигнальных лампочек.

Фильтр 4 может быть выполнен в виде блока коммутируемых фильтров.

Перед началом испытания турбомашины путем простукивания корпуса определяют диапазон резонансных частот для данного двигателя. Для различных двигателей диапазоны частот неодинаковы, например, для двигателя Д-30КУ - 100-800 Гц.

Если устройство предназначено для проведения диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин определенного двигателя, то фильтр настраивается на информативный диапазон частот коммутируемого фильтра для данного двигателя.

Для создания универсального устройства, с помощью которого можно проводить виброакустическую диагностику подшипников качения двухвальных турбомашин различных двигателей, можно использовать фильтр, который может быть выполнен в виде блока коммутируемых фильтров, причем каждый из коммутируемых фильтров настроен на диапазон информативных частот определенного двигателя. В этом случае, фильтр 4 может иметь переключатель фильтров - П, с помощью которого можно переходить на диапазоны информативных частот различных двигателей.

Устройство работает следующим образом: вибросигнал от датчика 2 поступает на вход согласующего усилителя 3, с выхода которого усиленный вибросигнал поступает на вход фильтра 4. С выхода фильтра 4 вибросигнал поступает на вход детектора среднеквадратических значений 5 и на вход детектора амплитудных значений 6. На выходе детектора среднеквадратических значений 5 установлен показывающий прибор 10, который фиксирует среднеквадратическое значение вибросигнала на выходе детектора среднеквадратических значений - . Это же среднеквадратическое значение вибросигнала подается на один из входов блока управления 11 компараторами 12 и 13. На второй вход блока 11 подается опорное напряжение U_опор. от регулируемого источника опорного напряжения 9. В блоке управления 11 происходит суммирование среднеквадратического значения вибросигнала с выхода детектора среднеквадратических значений 5 и сигнала от регулируемого источника опорного напряжения 9. Полученный суммарный сигнал (сумма напряжений ) поступает на входы компараторов 12 и 13 и управляет их работой. Уровень напряжения U_опор. регулируется потенциометром R. На вторые входы компараторов 12 и 13 подается амплитудное значение вибросигнала с детектора амплитудных значений 6. Компараторы 12 и 13 настроены таким образом, что индикаторы (сигнальные лампочки или светоизлучающие диоды) 7 и 8 включаются в случае, если вибросигнал от детектора амплитудных значений 6 превысит определенные значения от полного значения шкалы показывающего прибора, например, 50% - для компаратора 12 и 80% - для компаратора 13.

Значения 50 и 80% от полной шкалы прибора выбираются на основании известных пределов изменения коэффициента амплитуд (пик-фактора) . Для реальных вибрационных процессов К пик. находится в пределах от К_пик.= 1,41 (для синусоидальной вибрации) до К_пик.=8 (для ударных вибраций). Поэтому Uопор. выбирается в пределах 10-20% от соответствующей полной шкале прибора. Тогда коэффициент превышения К_пр., который соответствует загоранию сигнальных лампочек при полной шкалы прибора и полной шкалы прибора, будет где - текущее значение вибраций на интервале Т₂. С увеличением Т₂ интенсивность вибросигнала "на выбеге" убывает и при K'_пр. = Uo/U_опор.=50%/10-20%= 5-2,5 и К''_пр= 80%/10-20%= 8-4. Таким образом по показаниям 50 и 80% могут контролироваться максимальные значения пик-фактора К_пр.=5-8 (для U_опор. - 10); и К_пр.=2,5-4 (для U_опор. - 20%).

Интенсивность вибросигнала характеризует наличие износа деталей диагностируемого подшипника, а выявленные вибросигналы указывают на наличие локальных выкрашиваний в подшипниках или каких-либо других деталях вращающегося ротора, например, касание рабочих лопаток компрессора.

Таким образом, за весь интервал времени Т1+Т2 с помощью детектора среднеквадратических значений 5 измеряется интенсивность вибросигнала 2 , а с помощью детектора амплитудных значений 6 и индикаторов 7 и 8 регистрируются ударные импульсы, превышающие текущие значения суммарного напряжения выше 50 и 80% от полной шкалы прибора. При превышении шкалы прибора и шкалы прибора загораются сигнальные лампочки по мере увеличения суммарной вибрации и амплитуды импульсов. Если превышает 80% от полной шкалы прибора, то горят две лампочки постоянно, а если превышает то лампочки будут мигать с частотой следования импульсов, что очень важно для оценки технического состояния диагностируемого подшипника.

Число компараторов выбирается равным числу индикаторов (сигнальных лампочек или светоизлучающих диодов).

За счет включения коммутируемых фильтров с заданными параметрами АЧХ на краях диапазона, позволяющих повысить соотношение сигнал/помеха, также повышается надежность и достоверность оценки технического состояния подшипников.

Выбор полосы пропускания коммутирующих фильтров, а также формы наклона амплитудно-частотной характеристики на границе зоны их прозрачности, определяется на основании результатов исследований подшипников с различной степенью повреждений. Это позволяет определить информативный диапазон частот вибросигнала, генерируемый диагностируемым подшипником, и скорректировать вклад составляющих спектра вибросигнала U(t) в суммарную интенсивность виброускорения .

Изобретение относится к виброакустической диагностике турбомашин, преимущественно подшипников качения двухвальных авиационных газотурбинных двигателей. Способ диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин заключается в том, что приводят во вращение один из валов двигателя, затем, обеспечив возможность свободного вращения вала, измеряют амплитудные значения виброускорения и усредненное значение, используя последнее для установления диагностического порогового уровня, производят сравнение измеряемых амплитудных значений виброускорения с диагностическим пороговым уровнем, по результатам которого судят о наличии и степени развития дефектов межвальных подшипников, при этом в процессе диагностики изменяют диагностический пороговый уровень, в качестве которого используют сумму значений опорного напряжения от регулируемого источника опорного напряжения и текущего усредненного значения виброускорения, выбираемого равным текущему среднеквадратическому значению виброускорения. Устройство для виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин содержит вибродатчик, согласующий усилитель, фильтр, детектор среднеквадратических значений, детектор амплитудных значений, регулируемый источник опорного напряжения, индикаторы, показывающий прибор, управляющий блок и, как минимум, два компаратора, соответствующим образом соединенные между собой. Данное изобретение направлено на повышение надежности и достоверности диагностики подшипников в эксплуатационных условиях при одновременном расширении диапазона исследований. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин, заключающийся в том, что приводят во вращение один из валов двигателя, затем, обеспечив возможность свободного вращения вала, измеряют амплитудные значения виброускорения и усредненное значение, используя последнее для установления диагностического порогового уровня, производят сравнение измеряемых амплитудных значений виброускорения с диагностическим пороговым уровнем, по результатам которого судят о наличии и степени развития дефектов межвальных подшипников, отличающийся тем, что в процессе диагностики изменяют диагностический пороговый уровень, в качестве которого используют сумму значений опорного напряжения от регулируемого источника опорного напряжения и текущего усредненного значения виброускорения, выбираемого равным текущему среднеквадратическому значению виброускорения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что опорное напряжение от регулируемого источника опорного напряжения выбирают равным 10-20% от где - среднеквадратическое значение виброускорения, соответствующее полной шкале прибора. 3. Устройство для виброакустической диагностики межвальных подшипников качения двухвальных турбомашин, содержащее вибродатчик, последовательно соединенный с согласующим усилителем и фильтром, выход фильтра соединен со входом детектора усредненных значений и входом детектора амплитудных значений, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит регулируемый источник опорного напряжения, индикаторы, показывающий прибор, управляющий блок и, как минимум, два компаратора, в качестве детектора усредненных значений используют детектор среднеквадратических значений, а каждый из двух компараторов и управляющий блок имеют, по меньшей мере, два входа, один вход управляющего блока соединен с выходом детектора среднеквадратических значений, второй вход - с регулируемым источником опорного напряжения, а выход - с одним из входов обоих компараторов, вторые входы которых соединены с выходом детектора амплитудных значений, выходы обоих компараторов соединены с индикаторами, а показывающий прибор - с выходом детектора среднеквадратических значений. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что индикаторы выполнены в виде сигнальных лампочек или световых диодов. 5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что фильтр выполнен в виде блока коммутируемых фильтров.