СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ МЕХАНИЗМА Российский патент 2005 года по МПК G01H17/00 G01S13/58 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики технического состояния механизмов с вращающимися элементами конструкции.

Известны способы и устройства диагностики технического состояния механизмов, основанные на регистрации вибродатчиками параметров вибрации механизмов, размещенных на вибростендах и подвергаемых вибрационному воздействию (см. Приборы и системы измерения вибрации, шума и удара. - М.: Машиностроение, 1978, с.143). Однако такие способы и реализующие их устройства не обеспечивают возможности диагностирования оборудования при его эксплуатации, а предусматривают демонтаж механизмов и проведение испытаний на вибростендах.

Известны также способы виброакустической диагностики газотурбинных двигателей (ГТД), заключающиеся в том, что в процессе работы ГТД регистрируют диагностические параметры - виброакустические сигналы, генерируемые движущимися элементами механизма - ротором, подшипниками, лопаточными узлами, зубчатыми передачами и т.д., производят спектральный анализ зарегистрированных сигналов, сравнивают полученные диагностические параметры с их эталонными или пороговыми значениями, по результатам сравнения судят о техническом состоянии механизма (см. Карасев В.Л., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. - М.: Машиностроение, 1978, с.60-62). Однако такие виброакустические способы диагностики обладают рядом недостатков. Параметры вибрации в точке расположения датчиков определяются условиями распространения колебаний от различных источников их возникновения, что требует получения значительного объема статистической информации для настройки средств диагностики применительно к каждому типу объекта диагностики. Кроме того, виброакустические способы диагностики обладают недостаточной помехозащищенностью и не обеспечивают обнаружение дефектов, не приводящих к изменениям параметров колебаний в месте установки вибродатчиков, что снижает достоверность диагностики.

В измерительной технике известны также радиоволновые способы измерения вибраций, заключающиеся в том, что контролируемый механизм облучают электромагнитными колебаниями, принимают отраженные от него электромагнитные колебания, анализируют эти электромагнитные колебания, обрабатывают и определяют параметры вибрации диагностируемого механизма (см. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара. - М.: Машиностроение, 1978, с.45-49). Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью обнаружения многих эксплуатационных дефектов подвижных и вращающихся узлов, т.к. указанный способ позволяет проводить лишь измерение амплитуды и частоты вибраций объектов.

Известен способ определения колебаний роторных лопаток, основанный на использовании бесконтактных датчиков (индукционных или емкостных), которые устанавливаются в корпусе ГТД над лопатками и определяют моменты прохождения мимо них торцов рабочих лопаток вращающегося роторного колеса. Колебания торцов лопаток проявляются в изменении интервалов времени между сигналами от соседних лопаток, что позволяет определить в результате специальной обработки амплитуду и частоту этих колебаний (см. Заболоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные методы измерения колебаний лопаток турбомашин. Москва, Машиностроение, 1977, с.160). Недостатком такого способа является необходимость размещения бесконтактных датчиков над исследуемыми лопатками (невозможность использования стандартных смотровых лючков), невозможность проведения измерений на переходных режимах, нечувствительность к некоторым формам колебаний, а также невозможность обнаружения большинства дефектов проточной части ГТД.

Известно также радиоволновое устройство измерения вибраций объектов, содержащее, в частности, источник электромагнитных колебаний для облучения объекта, приемник отраженных электромагнитных колебаний и последовательно соединенный с ним блок регистрации и обработки (см. Патент РФ №2036442 «Способ диагностики состояния механизма в процессе эксплуатации и устройство для его осуществления»). В качестве недостатка известного устройства можно отметить ограниченные функциональные возможности, обусловленные обеспечением измерений лишь амплитуды и частоты вибрации фиксированных колеблющихся объектов, что обусловлено характером заложенного в основу данного устройства способа.

Следует также упомянуть техническое решение, описанное в опубликованной заявке на патент США №20020097180 «Сенсорная система на основе сдвига фаз». Система предназначена для того, чтобы считывать и измерять относительное движение объекта. Она включает приемопередатчик, функции которого заключаются в том, чтобы излучать сигнал в направлении объекта, при этом набор фазочувствительных датчиков получает переданный сигнал и отраженный сигнал, а подключенный к датчикам процессор измеряет сдвиг фаз, вызванный относительным движением объекта. Эта система способна уловить отклонения в стабильности перемещения объекта, однако она непригодна для многих целей диагностики, таких как обнаружение трещин, сколов износа и т.п.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, включающее способ и радиоволновое устройство, позволяющее производить диагностику технического состояния механизма в процессе его функционирования, содержащее источник электромагнитных колебаний, излучающую антенну, приемник отраженных электромагнитных колебаний, анализатор спектра, блок определения диагностического параметра, блок хранения эталонных значений, блок сравнения диагностического параметра с эталонным значением (см. Патент РФ №2112935 «Способ диагностики технического состояния механизма в процессе его эксплуатации и устройство для его осуществления»). В этом устройстве источник электромагнитных колебаний вырабатывает немодулированные гармонические электромагнитные колебания, которые излучаются антенной в направлении диагностируемого механизма или его подвижного узла. Отраженные объектом электромагнитные колебания принимаются приемником и подвергаются функциональным преобразованиям в преобразователе спектра. Затем определяется диагностический параметр технического состояния механизма, который сравнивается с эталонными значениями.

Основным недостатком прототипа является обязательное наличие эталона, который получают либо на заведомо исправном механизме, либо на механизме с уже имеющимися, но еще не проявившимися неисправностями, что существенно ограничивает возможность применения этого способа и устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем обеспечения диагностики технического состояния механизмов по техническому состоянию отдельных вращающихся элементов его конструкции без использования заранее полученного эталона.

Технический результат достигается за счет применения способа, включающего облучение радиоимпульсами, т.е. электромагнитными колебаниями, диагностируемого механизма, регистрацию отраженных электромагнитных колебаний и анализ зарегистрированных сигналов, при этом облучение диагностируемого механизма производится электромагнитными колебаниями с длинной волны λ, удовлетворяющей соотношению 0,001d<λ<100d, где d - максимальный линейный размер подвижных элементов диагностируемого механизма, регистрацию отраженных механизмом электромагнитных колебаний производят в полосе частот Δ, С/λ-20·F₀≤Δ≤С/λ+20·F₀,

где С - скорость света,

λ - длина волны электромагнитных колебаний;

N - число вращающихся подвижных диагностируемых элементов;

f_в - максимальная частота вращения подвижных диагностируемых элементов;

f_к - максимальная частота колебаний подвижных диагностируемых элементов,

анализ зарегистрированных сигналов производят путем разбиения их на m, удовлетворяющих условию 1≤m≤50N, одинаковых фрагментов, длительность которых t_m соответствует условию ∑t_m=m·t_m=1/f_вр определения значений диагностических признаков с использованием спектрально-временной обработки каждого фрагмента и определения технического состояния механизма путем сравнения значений диагностических параметров каждого фрагмента со значениями диагностических параметров, полученных по другим фрагментам в процессе того же измерения либо ранее.

Способ характеризуется также тем, что

облучение диагностируемого механизма производят немодулированными гармоническими электромагнитными колебаниями;

облучение диагностируемого механизма производят радиоимпульсами, т.е. электромагнитными колебаниями, с частотой следования радиоимпульсов F, максимальной из F>2·f_к и F>2N·f_в, где N - число вращающихся элементов конструкции облучаемого узла; f_k -максимальная частота колебаний вращающихся элементов конструкции; f_в - максимальная частота вращения узла;

поток облучающих электромагнитных колебаний направляют на каждый отдельный подвижный элемент или узел диагностируемого механизма;

облучение отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма осуществляют через выполняющие функции волноводов конструктивные узлы механизма, связанные с этим элементом;

облучение каждого отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма и прием отраженных им радиоимпульсов осуществляют разнесенными источником и приемником радиоимпульсов соответственно;

изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем одновременного облучения диагностируемого механизма с различных направлений несколькими источниками, регистрацию отраженных радиоимпульсов осуществляют несколькими приемниками;

изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем поочередного, с различных направлений, облучения в различные моменты времени отдельными источниками радиоимпульсов, регистрацию отраженных радиоимпульсов производят поочередно различными приемниками;

обработку зарегистрированных сигналов осуществляют с учетом дополнительных данных, которые могут быть получены от других измерительных систем.

В отношении устройства технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем источник электромагнитных колебаний, антенну с системой юстировки, приемник электромагнитных колебаний и соединенный с ним последовательно блок обработки сигнала, такой блок обработки сигнала выполнен в виде комплекса, состоящего из блока определения частоты вращения подвижного узла и числа вращающихся элементов, блока разбиения электромагнитного сигнала на фрагменты, соответствующие элементам подвижного узла, анализатора, а также блока определения диагностического параметра и блока принятия решения, соединенных последовательно.

Для более полного раскрытия существа изобретения приводятся графические материалы с пояснениями.

На чертеже приведена блок-схема диагностического устройства, реализующего предлагаемый способ на примере роторного колеса.

Устройство, реализующее способ оперативной диагностики технического состояния механизма в процессе его эксплуатации, содержит источник 1 радиоимпульсов (т.е. электромагнитных колебаний), соединенную с ним антенну 2 с системой 4 юстировки, направленную на объект 7 диагностирования, приемник 3 радиоимпульсов, соединенный с антенной 2, измерительный блок 9, формирующий сигналы синхронизации, блок 5 функциональных преобразований для определения частоты вращения диагностируемого подвижного узла механизма и определения числа элементов диагностируемого подвижного узла, а также разбиения сигнала на фрагменты, соответствующие элементам 8 подвижного узла, и обработки каждого фрагмента с помощью одного из возможных методов - спектрального преобразования, корреляционного анализа, анализа временной структуры сигнала или возможного их сочетания, блок 6 определения диагностического параметра, блок 10 определения порогового значения и сравнения его с полученным диагностическим параметром.

Заявляемый способ в этом устройстве осуществляется следующим образом.

С помощью источника 1 генерируют радиоимпульсы, которые с помощью антенны 2 направляют внутрь диагностируемого механизма 7, облучая вращающиеся диагностируемые элементы 8.

Вращающиеся диагностируемые элементы 8 механизма 7 используют для модулирования попадающих на них при облучении радиоимпульсов, что приводит к изменению в спектре отраженного сигнала различных составляющих, несущих информацию о кинематических и конструктивных характеристиках этих элементов.

В соответствии с принципами дифракции радиоволн и на основе экспериментально подтвержденных данных установлено, что для получения информации о конфигурации и структуре исследуемого элемента, а следовательно, для возможности диагностики его технического состояния длина волны λ зондирующего электромагнитного колебания должна удовлетворять соотношению 0,001d<λ<100d, где d - максимальный линейный размер вращающихся элементов конструкции, а при облучении элементов диагностики электромагнитными радиоимпульсами с частотой следования F, максимальной из F>2·f_к, и F>2N·f_в, где N - число вращающихся элементов облучаемой конструкции; f_k - максимальная частота колебаний вращающихся элементов конструкции; f_в - максимальная частота вращения конструкции. Регистрацию отраженных радиоимпульсов, которые можно также рассматривать в качестве электромагнитных колебаний или сигналов, производят в полосе частот Δ, характеризующейся как С/λ-20·F₀≤Δ≤С/λ+20·F₀,

где С - скорость света,

λ - длина волны радиоимпульса (т.е. электромагнитных колебаний);

N - число лопаток роторного колеса;

f_в - максимальная частота вращения роторного колеса;

f_к - максимальная частота колебаний лопаток.

При несоблюдении указанных соотношений число нерегулярных составляющих значительно увеличивается, что затрудняет обработку зарегистрированных сигналов и принятие диагностического решения.

С помощью антенны 2 принимают отраженные элементами 8 механизма 7 и несущие информацию о них радиоимпульсы, которые через приемник 3 подают на вход блока 5 функциональных преобразований (т.е. обработки) сигнала. При наличии измерительного блока 9, формирующего, например, сигналы синхронизации, информацию с него также подают в блок 5.

В блоке 5 осуществляют:

- определение частоты вращения,

- при необходимости (если не известно априорно):

- определение числа элементов диагностируемого вращающегося узла объекта диагностики,

- разбиение радиоимпульса (т.е. электромагнитного сигнала), полученного с выхода приемника сигнала, на фрагменты, соответствующие отдельным элементам узла,

- обработку каждого фрагмента с помощью одного из возможных функциональных преобразований - спектрального, корреляционного анализа, анализа временной структуры сигнала или возможного их сочетания, предназначенных для выделения различных особенностей сигнала, обусловленных наличием дефекта.

Полученные характеристики фрагментов сигнала с блока 5 подают в блок 6 для определения диагностического параметра, которым является результат сравнения полученных характеристик между собой. В блоке 10 производят сравнение вычисленного диагностического параметра с заданными пороговыми значениями или с пороговыми значениями, вычисленными в этом же блоке.

Результат сравнения является информацией о техническом состоянии элемента, узла или всего диагностируемого механизма.

Заявляемый способ радиоволновой диагностики технического состояния механизма предусматривает получение также более полной информации о механизме, в частности:

- о состоянии топливопроводов, системы охлаждения, системы смазки, воздухозаборников, которые в данном случае выполняют роль волноводов.

Кроме того, имеется возможность, в случае необходимости, исключить из регистрируемого электромагнитного сигнала различные переотражения сигнала от других конструктивных элементов, которые вносят посторонние шумы, за счет использования принципа облучения и приема разнесенными в пространстве источником и приемником радиоимпульсов.

Если возникает необходимость получения более полной информации о состоянии различных узлов, находящихся внутри диагностируемого механизма, то изменяют параметры облучающего электромагнитного поля, т.е. облучают узлы с различных направлений, что обеспечивают за счет либо одновременного, либо поочередного включения нескольких источников и приемников радиоимпульсов, установленных в различных точках непосредственно на диагностируемом механизме.

Еще одним резервом повышения точности оценок является использование данных, полученных от других - не радиолокационных - систем измерения параметров объекта, его узлов и окружающей среды.

Использование предлагаемого способа радиоволновой диагностики обеспечивает следующие основные преимущества:

- проведение диагностики узлов механизма без наличия эталонной (априорной) информации по данному механизму, т.е. информации, полученной на исправном механизме, что существенно расширяет возможности применения предлагаемого способа;

- возможность селективной диагностики отдельных частей элементов узла (передних, задних кромок лопаток турбин и т.п.) механизма путем изменения облучаемой зоны объекта диагностики и длины волны зондирующего сигнала.

Способ и устройство оперативной диагностики механизмов с вращающимися элементами конструкции. Способ заключается в том, что диагностируемый механизм облучают радиоимпульсами с определенной длиной волны, регистрируют отраженные радиоимпульсы после их взаимодействия с облучаемыми вращающимися элементами механизма и анализируют их. Облучение радиоимпульсами осуществляют путем формирования в объеме механизма зоны облучения, через которую последовательно проходят его вращающиеся элементы, поочередно взаимодействуя с облучающими радиоимпульсами, анализ отраженных радиоимпульсов осуществляют путем их спектрально-временной обработки. Устройство содержит источник радиоимпульсов, соединенную с ним антенну с системой юстировки для облучения диагностируемого объекта, приемник отраженных радиоимпульсов, соединенный с антенной, блок определения диагностических параметров принятого сигнала и блок сравнения полученных параметров с их пороговым значением. Введен блок функциональных преобразований, вход которого подключен к выходу приемника, а выход соединен с входом блока определения диагностических параметров. Технический результат - расширение функциональных возможностей путем обеспечения диагностики технического состояния механизмов по техническому состоянию отдельных вращающихся элементов без использования заранее полученного эталона. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оперативной диагностики механизмов с вращающимися элементами конструкции в процессе их эксплуатации, заключающийся в том, что диагностируемый механизм облучают радиоимпульсами с длиной волны λ, удовлетворяющей соотношению 0,001d<λ<100d, где d - максимальный линейный размер вращающихся элементов механизма, или радиоимпульсами с частотой следования F максимальной из F>2·f_k и F>2N·f_в, где N - число вращающихся элементов конструкции диагностируемого механизма; f_k - максимальная частота колебаний вращающихся элементов диагностируемого механизма; f_в - максимальная частота вращения элементов диагностируемого механизма, регистрируют отраженные радиоимпульсы после их взаимодействия с облучаемыми вращающимися элементами механизма и анализируют их, отличающийся тем, что облучение радиоимпульсами осуществляют путем формирования в объеме механизма зоны облучения, через которую в процессе функционирования механизма последовательно проходят его вращающиеся элементы, поочередно взаимодействуя с облучающими радиоимпульсами, регистрацию отраженных радиоимпульсов производят в полосе частот Δ,

С/λ-20·F₀≤ Δ ≤С/λ+20·F₀,

где С - скорость света,

λ - длина волны радиоимпульсов;

N - число вращающихся элементов диагностируемого механизма;

f_в - максимальная частота вращения элементов диагностируемого механизма;

f_к - максимальная частота колебаний элементов диагностируемого механизма,

анализ отраженных радиоимпульсов осуществляют путем их спектрально-временной обработки для определения значения диагностического признака,

о техническом состоянии механизма в процессе его эксплуатации судят по результатам однократного или многократного сравнения значений диагностических признаков, полученных для каждого из m, удовлетворяющих условию 1≤m≤50 N, одинаковых интервалов времени t_m, ∑t_m=m·t_m, со значениями диагностических признаков, полученных в процессе либо этого же измерения для всех других интервалов времени, либо предыдущих измерений.