Способ диагностики технического состояния энергетического оборудования Российский патент 2020 года по МПК G01M13/04 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для мониторинга и диагностики технического состояния, оценки остаточного ресурса подшипниковых узлов, зубчатых передач, энергетических агрегатов и машин, а также иного вспомогательного оборудования энергетических систем.

Из уровня техники известен способ диагностики подшипников, включающий постановку их на измерительное устройство, обеспечивающее вращение, выявление и измерение сигналов от датчиков с контролируемой поверхности, их усиление, детектирование, преобразование, в том числе быстрое преобразование Фурье, спектрирование и сравнение с нормативными данными, заложенными в памяти ЭВМ, при этом обеспечивают процесс сканирования контролируемых поверхностей, сигнал формируют с помощью возбуждения в поверхностном слое изделия вихревых токов, устанавливают частотные полосы с пороговыми значениями для каждого вида дефектов, после фильтрации, преобразований и спектрирования сигнал последовательно, многократно сравнивают с заданными пороговыми значениями и судят о состоянии контролируемых параметров изделий, выбраковывая их на каждом этапе сравнения (см. Патент RU 2138032, опубликован 20.09.1999).

Недостатком известного способа является необходимость постановки контролируемого узла на измерительное устройство, отсутствие возможности диагностики непосредственно в процессе эксплуатации изделия.

Наиболее близким решением является способ диагностики технического состояния подшипников, осуществляемый с помощью устройства для диагностики подшипников. Способ заключается в том, что на наружной стороне корпуса подшипника устанавливают акустико-эмиссионный датчик. Сигналы с датчика отправляют на блок обработки информации, где происходит расчет и обработка результатов технического состояния подшипника с выводом ряда параметров на дисплей и в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство для передачи в персональный компьютер. При осуществлении способа определяют параметр, характеризующий распределение амплитуд сигналов акустической эмиссии по уровням, но в процентной форме. По численному значению такого параметра можно судить о степени изношенности подшипника. Данный способ реализуется в условиях ремонтных предприятий на стационарных диагностических позициях (см. Патент RU 2240527, опубликован 20.11.2004).

Недостатками наиболее близкого решения являются: наличие только одного канала диагностики, т.е. возможность одномоментного контроля лишь одного узла энергетической установки; отсутствие постоянной связи устройства для диагностики с программным обеспечением и аналитической программой, что не позволяет выполнять детальную классификацию дефекта непосредственно на объекте контроля. Кроме того, в силу конструктивных особенностей энергетических агрегатов не всегда возможно выполнить диагностирование узлов в условиях реальных эксплуатационных нагрузок.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение достоверности и оперативности диагностики состояния подшипниковых узлов и зубчатых передач энергетического оборудования, адаптивное прогнозирование остаточного ресурса на основе анализа акустико-эмиссионных сигналов, снятых с контролируемых узлов в условиях реальных эксплуатационных нагрузок, возможность локализации и определения геометрических размеров дефектов, повышение уровня безопасности на объектах энергетических систем.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности диагностики и контроля подшипниковых узлов и зубчатых передач энергетического оборудования в процессе его эксплуатации без необходимости остановки и вывода из эксплуатации его агрегатов, обеспечение возможности своевременного выявления дефектов подшипниковых узлов и зубчатых передач всех вращающихся узлов энергетического оборудования и его вспомогательных устройств и механизмов.

Технический результат изобретения достигается благодаря реализации способа мониторинга технического состояния энергетического оборудования, заключающегося в том, что в процессе эксплуатации энергетического оборудования при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла энергетического оборудования, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный на раме энергетического оборудования, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи по меньшей мере на один центральный аналитический блок, с помощью по меньшей мере одного центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование о техническом состоянии каждого диагностируемого узла энергетического оборудования.

Кроме того, используют акустико-эмиссионные датчики и промежуточные аналитические блоки, которые могут быть соединены измерительными каналами связи в виде кабелей, уложенных в защитные рукава и закрепленных к корпусу энергетического оборудования.

Кроме того, используют промежуточные аналитические блоки, которые могут быть связаны друг с другом посредством информационных каналов связи, при этом промежуточные аналитические блоки могут осуществлять анализ всех измерительных каналов связи одновременно в режиме постоянной синхронизации.

Кроме того, диагностируемые узлы представляют собой, преимущественно, подшипниковый узел и/или зубчатую передачу.

Кроме того, непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии могут осуществлять в полосе частот от 20 кГц до 300 кГц.

Кроме того, при обработке по меньшей мере на одном промежуточном аналитическом блоке принятых сигналов могут осуществлять их усиление с помощью усилителя, фильтрацию с помощью широкополосного фильтра, преобразование в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя и отправку оцифрованного сигнала на центральный процессор.

Кроме того, с помощью центрального процессора могут осуществлять хранение обработанных сигналов, привязку их к частоте вращения диагностируемого узла и расчет ресурса диагностируемого узла.

Кроме того, с помощью по меньшей мере одного центрального аналитического блока могут осуществлять обобщение диагностической информации от всех промежуточных аналитических блоков, хранение диагностической информации, ее привязку к частоте вращения диагностируемого узла.

Кроме того, информирование могут осуществлять посредством дисплея, связанного с по меньшей мере одним центральным аналитическим блоком.

Кроме того, информацию о рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла могут отправлять в сервисное предприятие посредством беспроводных каналов связи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема установки комплексной многоканальной бортовой системы, с помощью которой осуществляется диагностика подвижных узлов энергетического оборудования (основного и вспомогательного); на фиг. 2 представлена фотография варианта установки акустико-эмиссионного датчика на одном из диагностируемых узлов энергетического оборудования; на фиг. 3 показан вариант крепления измерительных каналов в защитных рукавах к корпусу агрегата энергетического оборудования; на фиг. 4 представлена фотография варианта размещения и крепления промежуточного аналитического блока на раме агрегата энергетического оборудования; на фиг. 5 схематично показана функциональная схема комплексной многоканальной бортовой системы диагностики энергетического оборудования, с помощью которой осуществляется обработка акустико-эмиссионного сигала по одному измерительному каналу; на фиг. 6 показаны параметры оцениваемого акустико-эмиссионного диагностического сигнала, например, подшипникового узла турбины.

Предложенный способ диагностики технического состояния вращающихся узлов энергетического оборудования осуществляется с помощью комплексной многоканальной бортовой системы диагностики энергетического оборудования (фиг. 1), выполненной в виде блочно-модульной структуры с линиями связи, и которая включает следующую совокупность технических средств (но не ограничиваясь): акустико-эмиссионные датчики 1; промежуточные аналитические блоки 2; центральный аналитический блок 3; дисплей 4; блок 5 питания; измерительные каналы 6 связи (измерительные кабели 6), соединяющие выходы акустико-эмиссионных датчиков 1 с входами промежуточных аналитических блоков 2; информационные каналы 7 связи (информационные кабели 7), соединяющие промежуточные аналитические блоки 2 между собой, выходы промежуточных аналитических блоков 2 с входами центрального аналитического блока 3, а также выход центрального аналитического блока 3 с входом дисплея 4; каналы 8 питания (кабели 8 питания), соединяющие блок 5 питания с промежуточными аналитическими блоками 2, с центральным аналитическим блоком 3 и с дисплеем 4.

Перед осуществлением диагностики технического состояния энергетического оборудования, его агрегатов и механизмов, датчики 1 устанавливают (монтируют) на корпусы диагностируемых (контролируемых) узлов в постоянном техническом исполнении (фиг. 2). Диагностируемые узлы представляют собой подшипниковые узлы (скольжения и качения) и зубчатые передачи (цилиндрические, конические, червячные, винтовые, планетарные и т.п.) основного энергетического оборудования, его агрегатов, машин, механизмов, а также вспомогательного оборудования, входящего в энергетическую систему (турбины 21, 22 и 23 соответственно низкого, среднего и высокого давления, генераторы 24 переменного и постоянного тока, дизель-генераторы, насосы 25, вентиляторы 26, дымососы, компрессоры 27 и т.п. оборудование, в том числе не показанное на чертежах), и иных подвижных (вращающихся) узлов энергетического оборудования, от которых зависит надежная работа всей энергетической системы. Количество датчиков 1 в используемой для осуществления способа системе соответствует числу диагностируемых узлов энергетического оборудования, при этом на корпус каждого диагностируемого узла устанавливают, преимущественно, один датчик 1 (однако, в случае необходимости на корпусе одного диагностируемого узла может быть установлено и большее количество датчиков 1).

Промежуточные аналитические блоки 2 (АРП-11/N) представляют собой блоки обработки и анализа сигналов акустической эмиссии, которые осуществляют обработку и анализ акустико-эмиссионных сигналов, поступающих от датчиков 1 диагностируемых узлов. Количество блоков 2 в используемой системе может быть любым от одного и более в зависимости от количества энергетических агрегатов и механизмов, а также от количества вспомогательного оборудования энергетических систем и их диагностируемых узлов. Каждый блок 2 устанавливают и закрепляют, преимущественно, на раме соответствующего энергетического агрегата (машины, механизма) (фиг. 4) или на корпусе энергетического оборудования (агрегата, машины). При этом каждый датчик 1 соединяют с соответствующим блоком 2 измерительным кабелем 6. Кабели 6 укладывают в защитные рукава 9 (металлорукава), которые с помощью хомутов 10 закрепляют к раме 11 соответствующего энергетического агрегата (машины) и/или к корпусу соответствующего энергетического агрегата (машины), например, с использованием базовой скобы 12, привариваемой к раме 11 или к корпусу агрегата (фиг. 3).

Центральный аналитический блок 3 (блоки 3) располагают, преимущественно, на рабочем месте в операторском (аппаратном) помещении 20, в котором находится персонал, обслуживающий и контролирующий работу энергетического оборудования, а также в котором находится автоматизированная система управления технологическим процессом. Количество блоков 3 может быть также любым от одного и более в зависимости от необходимости, а также от количества энергетических машин и агрегатов, их механизмов и вспомогательного оборудования. При этом либо часть блоков 3, либо все блоки 3 могут быть соединены с одним дисплеем 4, который также располагают в операторском помещении 20, либо возможен вариант, когда каждый блок 3 соединен со своим дисплеем 4. Центральные аналитические блоки 3 соединяют с промежуточными аналитическими блоками 2 с помощью информационных кабелей 7. Центральные аналитические блоки 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение и расчет ресурса с выдачей информации эксплуатирующей бригаде (контролирующему персоналу) посредством графического дисплея 4.

Электрическое питание всей системы осуществляется от специализированного блока 5 питания.

Полный цикл обработки акустико-эмиссионного сигнала от каждого датчика 1 по одному измерительному каналу 6 схематично представлен на фиг. 5. Обработка сигнала осуществляются с помощью усилителя 13, полосового фильтра 14, аналогово-цифрового преобразователя 15, центрального блока 3, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 16, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 17, временного таймера 18, информационного дисплея 4, системы внешнего интерфейса 19. Временной таймер 18 необходим для фиксации временного периода поступления акустико-эмиссионных сигналов с целью дальнейшей обработки и анализа сигналов во временном промежутке до 0,1 мкс.

Предложенный способ диагностики технического состояния энергетического оборудования осуществляется в процессе эксплуатации энергетического оборудования, его агрегатов, машин и механизмов при их эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени. Т.е. в процессе эксплуатации энергетического оборудования, его агрегатов, машин и механизмов, в том числе вспомогательного оборудования, когда нагружены их вращающиеся узлы, когда работают турбины, генераторы, системы дымоотвода, вентиляции и т.п., с помощью каждого акустико-эмиссионного датчика 1, установленного на корпусе соответствующего диагностируемого узла энергетического оборудования энергетической системы, одновременно осуществляют непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии в полосе частот, преимущественно, от 20 кГц до 300 кГц. Измеренные значения сигналов посредством измерительных каналов 6 связи передают от датчиков 1 на соответствующие блоки 2. Таким образом, акустико-эмиссионные сигналы, излучаемые работающим подшипниковым узлом или зубчатой передачей, или иной вращающейся частью, преобразуются в датчике 1 в электрические непрерывные импульсы, которые поступают на блоки 2. С помощью блоков 2 осуществляют обработку принятых от датчиков 1 аналоговых сигналов. При этом в процессе обработки сигналов каждым блоком 2, на блоке 2 с помощью усилителя 13 осуществляют усиление принятых от датчиков 1 сигналов. Далее усиленные сигналы поступают в широкополосный фильтр 14, с помощью которого осуществляют фильтрацию усиленных сигналов. Далее выделенные после фильтрации сигналы поступают на вход в аналого-цифровой преобразователь 15, с помощью которого осуществляют преобразование аналоговых сигналов в цифровой сигнал. После АЦП значения электрических сигналов в цифровом формате поступают на вход центрального процессора, который является основной (базовой) микросхемой промежуточного аналитического блока 2 обработки информации. Центральный процессор каждого блока 2 осуществляет хранение обработанных сигналов от датчиков 1, привязку их к частоте вращения узла и расчет ресурса соответствующего диагностируемого узла. Промежуточные аналитические блоки 2 обеспечивают анализ всех измерительных каналов 6 связи одновременно в режиме постоянной синхронизации. Контроль частоты вращения диагностируемых узлов выполняется посредством специальных датчиков (не показаны).

После обработки блоками 2 принятых от датчиков 1 сигналов, все обработанные сигналы со всех блоков 2 отправляют с помощью информационных каналов 7 связи на центральный аналитический блок 3. С помощью блока 3 осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных блоков 2, хранение диагностической информации и ее привязку к частоте вращения узла. Также с помощью блока 3 осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование эксплуатирующей бригады (персонала) с помощью дисплея 4 о техническом состоянии каждого диагностируемого узла энергетического оборудования. При этом значения измеренных величин, характеризующих техническое состояние подшипниковых узлов, зубчатых передач или иных контролируемых вращающихся частей, поступают в оперативное запоминающее устройство 16 блока 3, а все расчетные данные, характеризующие техническое состояние диагностируемых узлов, сохраняются в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве 17 блока 3.

Рассчитанные значения анализируют и сопоставляют с нормативными значениями для оценки технического состояния и ресурса каждого вращающегося контролируемого узла.

Состояние каждого диагностируемого узла оценивается по следующим параметрам (фиг. 6):

А_ед - значение единичной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);

D - среднее значение величины всех амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за время анализа, ед (мкВ);

А_мах - значение максимальной амплитуды акустико-эмиссионного сигнала за время анализа, ед (мкВ);

Т_а - время анализа амплитуд акустико-эмиссионного сигнала, соответствующее времени совершения подшипником (зубчатой передачей) не менее одного полного оборота, мкс;

Для оценки степени развития единичного дефекта используется параметр А_ед - коэффициент амплитуды измеренного акустико-эмиссионного сигнала за время анализа Т_а, который выражается в процентной форме и определяется следующим выражением:

Для оценки остаточного ресурса диагностируемого узла используется зависимость:

где

Р - значение остаточного ресурса диагностируемого узла, %;

D_доп - значение максимально допустимой величины амплитуд акустико-эмиссионных сигналов за период времени Т_а (цифровое значение, ед.);

Все данные о текущем состоянии подшипниковых узлов, зубчатых передач и иных контролируемых вращающихся узлов (частей) накапливаются в энергонезависимой памяти используемой системы. Информация о техническом состоянии и ресурсе узла отображается на информационном дисплее 4, размещенном в операторском помещении 20, на котором в режиме реального времени отображается диагностическая панель состояния с информацией о допустимой или не допустимой эксплуатации соответствующего узла или ограничении его ресурса.

Информацию о техническом состоянии и рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла, о допустимой или не допустимой эксплуатации или ограничении ресурса с центрального аналитического блока 3 отправляют посредством беспроводной связи в сервисное предприятие для организации обслуживания и обеспечения работы энергетического оборудования.

Модульный принцип построения и применение универсальной платформы программного обеспечения позволяет расширить функциональные возможности системы, путем включения в объекты мониторинга вспомогательных машин, электромашинных преобразователей, компрессоров, вентиляторов, генераторов управления, насосов, компрессоров, а также другого вращающегося энергетического оборудования энергетической системы, требующего контроля. Датчики 1 могут устанавливаться на любых вращающихся частях, на турбинах (например, 21, 22 и 23 и других турбинах), генераторах (24 и др.), на подшипниковых узлах компрессоров (27 и др.), на подшипниковых узлах вентиляторов (26 и др.), на подшипниковых узлах маслонасосов (25 и др.), на подшипниковых узлах и зубчатых передачах любого основного и вспомогательного оборудования энергетических агрегатов (системы), а также на иных требующих контроля вращающихся узлах.

Благодаря осуществлению предложенного способа с использованием описанной системы, обеспечивается возможность контроля и диагностики любого узла (подшипникового узла, зубчатой передачи или иной вращающейся части) энергетического оборудования в процессе его эксплуатации без необходимости временного вывода его из эксплуатации. Исключается необходимость остановки оборудования для контроля его узлов, и соответственно его простоя, поскольку весь контроль вращающихся узлов осуществляется в режиме реального времени при эксплуатации энергетического оборудования. Благодаря этому имеется возможность своевременно выявить дефекты диагностируемых узлов и точно определить их ресурсы. Отображение информации о состоянии диагностируемых узлов на дисплее 4, а также отправка этой информации в сервисные предприятия позволяет оперативно диагностировать узлы и принимать решения о дальнейшем использовании, ремонте или замене того или иного диагностируемого узла. Благодаря установке на каждом диагностируемом узле отдельного датчика 1, соединенного с блоком 2 обработки, существенно повышается достоверность и оперативность диагностики состояния соответствующих узлов, а также возможность максимально точного определения геометрических размеров появляющихся дефектов в диагностируемых узлах, в результате чего повышается уровень безопасности при эксплуатации энергетического оборудования. Применение способа с системой диагностики позволяет формировать базу данных диагностируемых узлов с информацией об их ресурсе, а также формировать рекомендации по эксплуатационным режимам и сервисному обслуживанию.

Изобретение относится к машиностроению. Способ диагностики технического состояния энергетического оборудования содержит этапы, на которых в процессе эксплуатации энергетического оборудования при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла энергетического оборудования, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный на раме энергетического оборудования, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи по меньшей мере на один центральный аналитический блок, с помощью по меньшей мере одного центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование о техническом состоянии каждого диагностируемого узла энергетического оборудования. Технический результат - повышение достоверности и оперативности диагностики состояния подшипниковых узлов и зубчатых передач энергетического оборудования, адаптивное прогнозирование остаточного ресурса. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ диагностики технического состояния энергетического оборудования, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации энергетического оборудования при его эксплуатационных нагрузках в режиме реального времени с помощью акустико-эмиссионного датчика, установленного на корпусе каждого диагностируемого узла энергетического оборудования, осуществляют непрерывное измерение значений сигналов акустической эмиссии, измеренные значения сигналов посредством каналов связи передают по меньшей мере на один промежуточный аналитический блок, установленный на раме энергетического оборудования, с помощью по меньшей мере одного промежуточного аналитического блока осуществляют обработку принятых сигналов и отправку их посредством каналов связи по меньшей мере на один центральный аналитический блок, с помощью по меньшей мере одного центрального аналитического блока осуществляют расчет ресурса каждого диагностируемого узла и информирование о техническом состоянии каждого диагностируемого узла энергетического оборудования.

2. Способ по п. 1, в котором используют акустико-эмиссионные датчики и промежуточные аналитические блоки, соединенные измерительными каналами связи в виде кабелей, уложенных в защитные рукава и закрепленных к корпусу энергетического оборудования.

3. Способ по п. 2, в котором используют промежуточные аналитические блоки, связанные друг с другом посредством информационных каналов связи, при этом промежуточные аналитические блоки осуществляют анализ всех измерительных каналов связи одновременно в режиме постоянной синхронизации.

4. Способ по п. 1, в котором диагностируемые узлы представляют собой подшипниковый узел и/или зубчатую передачу.

5. Способ по п. 1, в котором непрерывные измерения значений сигналов акустической эмиссии осуществляют в полосе частот от 20 до 300 кГц.

6. Способ по п. 1, в котором при обработке по меньшей мере на одном промежуточном аналитическом блоке принятых сигналов осуществляют их усиление с помощью усилителя, фильтрацию с помощью широкополосного фильтра, преобразование в цифровой сигнал с помощью аналогово-цифрового преобразователя и отправку оцифрованного сигнала на центральный процессор.

7. Способ по п. 6, в котором с помощью центрального процессора осуществляют хранение обработанных сигналов, привязку их к частоте вращения диагностируемого узла и расчет ресурса диагностируемого узла.

8. Способ по п. 1, в котором с помощью по меньшей мере одного центрального аналитического блока осуществляют обобщение диагностической информации от всех промежуточных аналитических блоков, хранение диагностической информации, ее привязку к частоте вращения диагностируемого узла.

9. Способ по п. 1, в котором информирование осуществляют посредством дисплея, связанного с по меньшей мере одним центральным аналитическим блоком.

10. Способ по п. 1, в котором информацию о рассчитанном ресурсе каждого диагностируемого узла отправляют в сервисное предприятие посредством беспроводных каналов связи.