Способ определения остаточного ресурса топливного насоса Российский патент 2023 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области эксплуатации агрегатов газотурбинных двигателей, а именно к определению остаточного ресурса топливных насосов.

Для топливных насосов двигателей остаточным ресурсом целесообразно считать интервал времени от их фактической наработки до ожидаемого времени достижения предотказного состояния, а не времени возникновения отказа. Топливный насос должен продолжать подачу топлива в двигатель с ухудшением параметров по мере выработки ресурса, не приводящими к аварийной ситуации.

При таком подходе к определению остаточного ресурса реализуется эксплуатация с постепенным накоплением повреждений в насосе из-за износа его узлов. Изменение его параметров происходит, как правило, неравномерно во времени, имеется тенденция к их ускорению по мере увеличения наработки. Это показано, например, в работе «Ресурсные испытания шестеренного насоса с увеличенным удельным рабочим объемом» (Збiрник наукових праць КНТУ. Технiка в сiльскогосподарскому виробництвi, галузеве машинобудування, автоматизацiя. Кiровоград, 2012, випуск 25, ч. II, стр. 312).

Известен способ определения оптимального периода технического обслуживания сложных технических систем при ограниченных ресурсах в котором измеряют параметры, характеризующие ресурс технических систем в течении определенного времени, осуществляют построение зависимости изменения данных параметров до их предельных значений (RU 2436162, 2009). С помощью обучающей выборки данных строят математическую модель параметров изделия полиномиального вида, расчет коэффициентов которой производят с помощью метода группового учета аргументов, производят проверку адекватности модели, для каждого из сформированных ранее интервалов времени вычисляют значения вероятности безотказной работы по недостижению предельного состояния по определяющему параметру, находят значения относительного непроизводительно расходуемого ресурса изделия, сравнивают его значение со значением, полученным в предыдущем заданном интервале времени, и если первое из указанных значений меньше предыдущего, то второе стирают и повторяют процесс до получения нового значения, в противном случае фиксируют предыдущее значение заданного интервала времени и рассчитывают при этом относительный непроизводительно расходуемый ресурс изделия.

К существенному недостатку этого способа следует отнести требование выполнения стационарности временных рядов и необходимость задания сформированных ранее интервалов времени для проведения процедуры контроля расходуемого ресурса, что, как правило, неприемлемо для непрерывно работающих агрегатов.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ определения остаточного ресурса деталей машин, в котором измеряют параметры, характеризующие ресурс детали в течении определенного времени, осуществляют построение зависимости изменения данных параметров до их предельных значений, а остаточный ресурс детали определяют как разность между прогнозируемым сроком службы и текущей наработкой (RU 2733105, 2019). При этом прогнозируемый средний срок службы определяют по интервальной оценке для случайной величины путем неоднократного проведения измерений параметра, характеризующего ресурс детали, с построением зависимости изменения данного параметра до его предельного значения, затем проведения таких же замеров в отношении второго и последующих параметров, характеризующих ресурс детали, статистической обработки полученных данных с объединением их в один массив и определением среднестатистических показателей среднего ресурса, среднеквадратического отклонения, а остаточный ресурс определяется по формуле на основе указанных параметров.

Недостатком известного способа является то, что требуются затраты времени на снятие детали с машины, способ основан на продолжении временного ряда диагностического параметра на интервал времени от точки последнего контроля до достижения предельного значения, а для повышения достоверности прогноза нужна проверка временного ряда на стационарность.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в определении остаточного ресурса топливных насосов, эксплуатируемых по техническому состоянию с контролем выработки ресурса без снятия с двигателя и проведения специальных испытаний.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в сокращении времени расчета и повышении достоверности прогноза остаточного ресурса насосов, а также в возможности эксплуатации по техническому состоянию без снятия с двигателя.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа определения остаточного ресурса топливного насоса измеряют параметры, характеризующие ресурс топливного насоса в течении определенного времени, осуществляют построение зависимости изменения данных параметров до их предельных значений, а остаточный ресурс топливного насоса определяют как разность между прогнозируемым сроком службы и текущей наработкой, в качестве параметров измеряют величину подачи топлива на выходе из топливного насоса и частоту вращения ротора топливного насоса, определяют диагностический параметр X топливного насоса из соотношения:

где:

Q_н - величина подачи топлива на выходе из топливного насоса, л/с;

n_н - частота вращения ротора топливного насоса, м³/с;

c₁, с₂ - коэффициенты зависимости параметра X от отношения Q_н / n_н,;

а величину остаточного ресурса Т_ост топливного насоса определяют по формуле:

где:

Х_по - задаваемое предотказное значение диагностического параметра X топливного насоса, %;

X_t=tкн - значение X в конечной точке наработки t_кн, %;

а - коэффициент линейного уравнения скорости выработки ресурса для периода прогноза, %/ч;

b - коэффициент линейного уравнения ускорения выработки ресурса для периода прогноза, %/ч/ч.

Указанные существенные признаки данного способа обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного результата, так как только совокупность признаков, характеризующая способ определения остаточного ресурса топливного насоса, позволяет эксплуатировать топливный насос без снятия с двигателя, а так же сократить время расчета и повысить достоверность прогноза остаточного ресурса топливного насоса.

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием способа определения остаточного ресурса топливного насоса со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-2, где:

на фиг. 1 изображена теоретическая зависимость диагностического параметра X от времени наработки t;

на фиг. 2 изображена зависимость диагностического параметра X от времени наработки t, полученная экспериментальным путем в сравнении с теоретической зависимостью.

Базой для прогноза остаточного ресурса топливного насоса являются накапливаемые в эксплуатации данные диагностических параметров, которые характеризуют его техсостояние и доступны для измерений на работающем двигателе.

Одним из основных диагностических параметров X топливного насоса, отражающего его техсостояние из-за износа деталей, является объемный коэффициент полезного действия (КПДо), значение которого, как правило, уменьшается с наработкой. По определению, КПДо равен отношению фактической величины подачи Q_н топливного насоса к теоретической величине подачи Q_т.п топливного насоса, величина которой зависит от частоты вращения ротора топливного насоса.

Для определения параметра X устанавливают датчик измерения подачи топлива на выходе из топливного насоса и датчик измерения частоты вращения ротора топливного насоса. По полученным показаниям определяют величину диагностического параметра X топливного насоса из соотношения

где:

c₁, с₂ - коэффициенты зависимости КПДо от параметра Q_н / n_н.

Зависимость КПДо от Q_н / n_н для центробежных насосов имеет вид параболы и коэффициенты c₁, с₂ определяются в результате аппроксимации известных данных. Для насосов объемного типа она близка к линейной, при этом величина с₂=0, a c₁ - может быть определен с использованием формулы для КПДо:

Откуда следует что:

Накапливаемая информация о диагностическом параметре X периодически преобразуется во временной ряд наработки топливного насоса

X=f(t),

под которым понимается последовательность определенных значений X в моменты времени наработки «t» топливного насоса, описывающая протекающий во времени процесс.

где:

t1, t₂, t₃ - значения времени наработки.

Точечные значения временного ряда (1) методом наименьших квадратов аппроксимируем степенным полиномом в виде:

где:

а₀, a₁, а₂, а₃ - коэффициенты аппроксимации точек временного ряда (1),

t - время наработки топливного насоса.

Введем термин «скорость выработки ресурса по наработке топливного насоса» и характеризующий его параметр dX/dt, выражение для расчета которого получим путем дифференцирования уравнения (2).

Данные расчета скорости выработки ресурса dX/dt для реальных насосов (фиг. 1), показывают, что зависимость dX/dt от наработки почти линейная, и скорость можно использовать как диагностический признак.

Для определения линейного уравнения изменения dX/dt от наработки сформируем временной ряд скорости выработки ресурса dX/dt (t), точки которого определим путем подстановки в соотношение (3) значений t₁, t₂ и т.д.

Точечные значения временного ряда (4) аппроксимируем методом наименьших квадратов степенным полиномом первой степени, в котором свободный член отражает начальную скорость выработки ресурса, а коэффициент при времени - ускорение (нарастание скорости) по наработке:

где:

b₀, b - коэффициенты аппроксимации точек временного ряда.

Уравнение (5) отражает закон изменения скорости выработки ресурса топливного насоса в период его наработки и аналитически продолжаем его действие на период прогноза до достижения диагностическим параметром X значения предотказного состояния Х_по (Х_по = 65% на фигуре 1). Для гладкого сшивания периодов наработки и прогноза считаем, что скорость выработки ресурса в начальной точке периода прогноза (в уравнении (5) коэффициент b₀), равна скорости выработки ресурса в конечной точке периода наработки t_кн, рассчитываемой по уравнению (3) при t=t_кн. Тогда имеем:

С учетом (6) уравнение скорости выработки ресурса (5) для периода прогноза с достижением предотказного состояния принимает следующий вид:

где:

a=a₁+2a₂t_кн+…

Х_прг - значение диагностического параметра для периода прогноза.

Определение прогнозируемой наработки (t_прг) для реализации предотказного состояния топливного насоса возможно с использованием уравнение изменения диагностического параметра (Х_прг) по наработке на периоде прогноза, которое выводится путем интегрирования уравнения (7).

В уравнении (8) постоянную интегрирования «С» определим из условия, что при t=0 значение Х_прг равно значению параметра X в конечной точке наработки X_t=кн, а при наработке t=t_прг - реализуется предотказное состояние топливного насоса, при котором Х_прг=Х_по. Тогда уравнение (8) принимает вид:

Остаточный ресурс топливного насоса Т_ост определяется как разность между прогнозируемым сроком службы t_слб и текущим значением наработки t_кн:

Т_ост = t_слб - t_кн

Учитывая, что срок службы топливного насоса - это общий срок до реализации его предотказного состояния, который равен сумме текущей наработки t_кн и наработки на периоде прогноза t_прг, имеем:

С учетом соотношения (10) уравнение (9) принимает вид уравнения 2-й степени относительно величины остаточного ресурса:

Решение уравнения (11) относительно Т_ост имеет вид, как и уравнение в формуле изобретения:

Таким образом, полученная формула (12) позволяет рассчитать величину остаточного ресурса топливного насоса прямым вычислением используя определенные для периода наработки данные временного ряда диагностического параметра топливного насоса для расчета скорости выработки ресурса и аналитически продлевая эту скорость на период прогноза, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата - сокращение затрат времени на определение величины остаточного ресурса топливного насоса посредством его прямого вычисления в реальном времени, что позволяет эксплуатировать топливный насос без снятия его с двигателя.

Способ определения остаточного ресурса топливного насоса апробируем на примере экспериментальных данных величины коэффициента подачи топливного насоса Х_кп, полученных при ресурсных испытаниях восьми экземпляров шестеренного насоса в работе «Ресурсные испытания шестеренного насоса с увеличенным удельным рабочим объемом» (Збiрник наукових праць КНТУ. Технiка в сiльскогосподарскому виробництвi, галузеве машинобудування, автоматизацiя. Кiровоград, 2012, випуск 25, ч. II, стр. 312). Коэффициент подачи Х_кп, также как и объемный коэффициент полезного действия топливного насоса, равен отношению фактической его подачи Q_н к теоретической Q_т.п, но с поправкой на величину коэффициента наполнения в зоне всасывания, который обычно равен единице.

Исходный временной ряд параметра Х_кп образуют пять точек:

X(t₁) = 0.0⋅10³ ч - Х_кп1 = 92%;

X(t₂) = 0.7⋅10³ ч - Х_кп2 = 89.2%;

X(t₃) = 1.45⋅10³ ч - Х_кп3 = 85.5%;

X(t₄) = 2.1⋅10³ ч - Х_кп4 = 80.5%

X(t₅) = 2.7⋅10³ ч - Х_кп5 = 74%.

Для оценки эффективности Т_ост исходный временной ряд разделим на период наработки из точек №1, №2 и №3 и период прогноза от точки №3 до конечной №5. При этом разность наработки между точками №5 и №3, примем за истинное значение остаточного ресурса величиной 1.34⋅10³ ч., с которым сравним результаты расчета Т_ост по формуле (12) заявки и алгоритму прототипа. После разбивки данных на периоды имеем:

X_t=кн = 85.5% (точка №3);

Х_по = 74% (точка №5)

Определим коэффициенты «а» и «b» в формуле (12). Методом наименьших квадратов (МНК) аппроксимируется исходные данные полиномом 3-й степени:

Дифференцированием (1) получим полином скорости выработки ресурса:

Аппроксимируем данные точек периода наработки полиномом 2-й степени Х_кп3(t), дифференцируя который получим выражение расчета dХ_кп3/dt(t) для определения начальной скорости выработки ресурса для периода прогноза, т.е. коэффициента «а» в формуле (12):

Для определения значения коэффициента «Ь» преобразуем полином (2) в полином 1-й степени путем формирования временного ряда из значения скорости выработки ресурса dX_кп/dt в трех точках. После подстановки в (2) значений наработки получим:

Точенные данные ряда (4) аппроксимируем полиномом 1-й степени:

Значение «Ь» в полиноме (5) при члене с наработкой: b=- 2.57.

Рассчитываем остаточный ресурс по формуле (12):

Погрешность определения остаточного ресурса по заявленному способу от точного значения 1.34⋅10³ ч. равна 17.2%.

Прогнозируемый срок службы составляет 3.02⋅10³ ч (фиг. 2).

Для прототипа данные рассчитаны по полиному (3):

При Х_кп3(t)=74 величина t_прг равна 3.26⋅10³ ч. (срок службы). Вычитая из срока службы наработку в конечной точке 1.45⋅10³ ч. получим остаточный ресурс 1.81⋅10³ ч, т.е. погрешность расчета 35% от истинного значения 1.34⋅10³ ч, что на 17.4% хуже по сравнению с заявляемым способом.

Таким образом, использование для временного ряда периода прогноза линейной зависимости нарастания скорости выработки ресурса и данных по скорости параметра в последней точке периода наработки, обеспечивает на 17.4% большую достоверность оценки остаточного ресурса по сравнению с прототипом, в котором для этого используется один степенной полином по наработке от начала эксплуатации до реализации предотказного состояния.

Предложенный способ обеспечивает возможность определения остаточного ресурса топливных насосов, эксплуатируемых по техническому состоянию с контролем выработки ресурса без снятия с двигателя и проведения специальных испытаний, а также позволяет сократить время расчета и повысить достоверность прогноза остаточного ресурса топливных насосов.

Изобретение относится к области эксплуатации агрегатов газотурбинных двигателей, а именно к определению остаточного ресурса топливных насосов. Способ определения остаточного ресурса топливного насоса характеризуется тем, что измеряют параметры, характеризующие ресурс топливного насоса в течение определенного времени. Осуществляют построение зависимости изменения данных параметров до их предельных значений, а остаточный ресурс топливного насоса определяют как разность между прогнозируемым сроком службы и текущей наработкой. В качестве параметров измеряют величину подачи топлива на выходе из топливного насоса и частоту вращения ротора топливного насоса. Определяют диагностический параметр X топливного насоса по определенному соотношению, а величину остаточного ресурса Т_ост топливного насоса определяют по формуле. Технический результат, обеспечивающийся предлагаемым изобретением, заключается в сокращении времени расчета и повышении достоверности прогноза остаточного ресурса насосов, а также в возможности эксплуатации по техническому состоянию без снятия с двигателя. 2 ил.

Способ определения остаточного ресурса топливного насоса, заключающийся в том, что измеряют параметры, характеризующие ресурс топливного насоса в течение определенного времени, осуществляют построение зависимости изменения данных параметров до их предельных значений, а остаточный ресурс топливного насоса определяют как разность между прогнозируемым сроком службы и текущей наработкой, отличающийся тем, что в качестве параметров измеряют величину подачи топлива на выходе из топливного насоса и частоту вращения ротора топливного насоса, определяют диагностический параметр X топливного насоса из соотношения

,

где Q_н - величина подачи топлива на выходе из топливного насоса, л/с,

n_н - частота вращения ротора топливного насоса, м³/с;

c₁, c₂ - коэффициенты зависимости параметра X от отношения Q_H/n_н;

а величину остаточного ресурса Т_ост топливного насоса определяют по формуле

,

где Х_по - задаваемое предотказное значение диагностического параметра X топливного насоса, %;

X_t=tкн - значение X в конечной точке наработки t_кн, %;

а - коэффициент линейного уравнения скорости выработки ресурса для периода прогноза, %/ч;

b - коэффициент линейного уравнения ускорения выработки ресурса для периода прогноза, %/ч/ч.