автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система диагностики электромеханических приводов оборудования атомных станций

На правах рукописи

ПУГАЧЕВА ОЛЬГА ЮРЬЕВНА

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгодонск 2005

Работа выполнена на кафедре «Информационные и управляющие системы» Волгодонского института (филиала) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Чернов Александр Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шилин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор Проскуряков Константин Николаевич

Ведущая организация: Филиал концерна «Росэнергоатом»

Волгодонская атомная станция.

Защита состоится «<?■?>> /О.2005 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета К 212.028 01 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу. 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, зуд. 209.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан » _ 2005 г.

Ученый секретарь /

Диссертационного совета Авдеюк О.А.

-»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность. Безопасность эксплуатации атомных станций во многом обеспечивается надежностью систем управления и защиты (СУЗ) реакторной установки. В комплексе средств автоматизации СУЗ занимает важное место, обеспечивая поддержание необходимых режимов работы и безопасность в аварийных условиях. Неисправности приводов СУЗ зачастую являются исходными событиями для аварий, возникающих на атомных станциях и приводящих к несанкционированным простоям. Доля простоев, вызванных отказами СУЗ, составляет 14% от общего числа несанкционированных простоев

Существующие в настоящее время штатные методики контроля параметров СУЗ предусматривают натурные испытания приводов в режиме аварийной защиты (АЗ) с регистрацией электрических сигналов на светолучевом осциллографе. Точность измерений, трудность обработки и хранения получаемой информации не позволяют производить достоверную оценку состояния приводов СУЗ. В период проведения планово-предупредительных ремонтов АЭС роль диагностических процедур значительно возрастает и усложняется из-за присутствия радиоактивности. Возникает необходимость разработки специфических методов и соответствующих инструментальных средств, позволяющих определить состояние механизмов СУЗ в процессе их эксплуатации. Стоимость диагностических систем не превышает 10% от стоимости оборудования, а затраты на эксплуатацию ответственного оборудования без систем диагностирования в несколько раз превышают его первоначальную стоимость. Использование информационно-измерительных диагностических систем, позволяющих выявить на ранней стадии зарождение дефекта оборудования, не только повышает его надежность, но и экономически эффективно.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение безопасности эксплуатации атомных станций путем совершенствования методов и средств диагностирования механизмов систем управления и защиты реакторной установки.

Для достижения поставленной цели нужно решить следующие задачи:

1. Исследовать виброакустические характеристики электромеханических приводов СУЗ и их взаимосвязь с процессом образования дефектов.

2. Исследовать диагностические возможности использования электрического сигнала привода СУЗ в режиме аварийной защиты.

3. Проанализировать достоверность и информативность результатов комплексных измерений электрических и виброакустических сигналов

4. Разработать методику диагностирования приводов систем управления и защиты реакторных установок.

5. Разработать информационно-измерительую диагностическую

систему приводов СУЗ типа АРК (аварий пенсация)

реакторной установки ВВЭР-440.

Методы исследования. Для анализа виброакустических процессов и электрических сигналов в элементах механизмов приводов СУЗ использовались методы математического, спектрального и статистического анализа. Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах с помощью цифровой информационно-измерительной системы.

Научная новизна. Установлено, что в определенных частотных диапазонах спектра электрического сигнала, наведенного на статорных обмотках электродвигателя электропривода, работающего в генераторном режиме, содержатся гармоники, отражающие проявление дефектов, возникающих в кинематических парах механических узлов привода

Практическая ценность. Применение разработанной методики и информационно-измерительной диагностической системы при эксплуатации атомных станций позволяет проводить оперативный контроль технического состояния механизмов систем управления и защиты реакторной установки, что в конечном итоге позволит перейти от их планового обслуживания к обслуживанию по фактическому состоянию. Разработана универсальная методика диагностирования технического состояния электромеханических приводов. Положительный результат получен при использовании разрабатываемых средств и методов диагностирования электроприводов запорной арматуры энергоблоков АЭС.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Семинар «Вибрационная техника», МДНТП им. Дзержинского, г. Москва, 1987 г.

Семинар кафедры И и УС ВИ (ф) ЮРГТУ (НПИ), 1997-2003 гг. г. Волгодонск.

Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 2000 г.

Научно-практическая конференция «Проблемы развития атомной энергетики на Дону», 2000 г.

Всероссийской научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», г. Подольск 2001 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод выявления дефектов электромеханических систем по сигналам электродвигателя, работающего в генераторном режиме.

2. Структура информационно-измерительной диагностической системы, содержащая тракты измерения виброакустического и электрического сигналов, идентифицирующих зарождение и развитие дефектов.

3. Алгоритм оценки состояния приводов управления и защиты реакторной установки.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы, приложений, изложенных на 160 стр, в том числе 8 табл, 63 рис. Список используемой литературы содержит 117 наименований.

Личный вклад автора. Лично автором за период с 1987г. по настоящее время выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, позволивший выявить процессы образования дефектов в приводе СУЗ, работающем в режиме аварийной защиты, а также разработан вариант информационно-измерительной диагностической системы.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы были обсуждены с участием научного руководителя д.т.н., профессора., Чернова A.B., научного консультанта, д.т.н Кривина В.В. и специалистами отдела технической диагностики оборудования атомных станций ВЦ ВНИИАМ к.т.н. Адаменковым К.А., Никифоровым В.Н., и др.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу существующих методов диагностики оборудования, их классификации и использованию в атомной промышленности систем диагностики.

Из методов диагностирования энергетического оборудования наибольшее распространение получили виброакустические методы. Важным преимуществом виброакустической диагностики считается высокая информативность, чувствительность и быстрая реакция виброакустического сигнала на изменение состояния объекта, что является обязательным требованием в аварийных ситуациях.

Многочисленные исследования и опыт диагностирования различных механизмов, изложенных в трудах Баркова A.B., М.Д. Генкина, С.А. Добрынина, Адаменкова К.А., Gnillon G., Toyota Toshio показали, что виброакустические методы являются наиболее эффективными при обнаружении неисправностей в узлах двигателей, редукторов, гидросистем, электромеханических узлов и т.п. В настоящее время известен целый ряд диагностических систем, использующих виброакустические методы в качестве основных.

При формировании диагностических признаков используют разные характеристики и параметры виброакустического сигнала (амплитуда, фаза, длительность и частота следования импульсов, амплитудный и энергетический спектры сигнала, биспектр, кепстр, корреляционные функции, функции распределения вероятностей, моментные характеристики и др.). Сущность применяемых методик виброакустической диагностики состояния механических систем заключается в анализе составляющих измеряемого параметра и изучении структуры диагностического сигнала. По существу это основной подход, решающий задачу формирования единой системы диагностических признаков, характеризующих все рассматриваемые состояния и позволяющих их распознавать.

Однако диагностика состояния элементов СУЗ на основе виброакустических методов в реакторах с водой под давлением типа ВВЭР сопряжена с остановкой реактора, разгерметизацией первого контура и простоем АЭС. Использование виброакустических методов в значительной степени осложнено необходимостью применения специальных высокотемпературных датчиков и связанных с этим усложнением конструкции приводов СУЗ. Учитывая, что серийный реактор ВВЭР-440 содержит 37 регулирующих сборок, и все они в процессе эксплуатации находятся в зоне мощного ионизирующего излучения, использование виброакустических методов диагностики приводов СУЗ реакторов, находящихся в режиме эксплуатации, практически невозможно.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям особенностей работы привода СУЗ, физических процессов, возникающих в кинематических парах привода при его нормальном состоянии и при наличии дефектов, обоснованию применения виброакустического метода диагностирования и использования для целей технического диагностирования сигнала наведенного напряжения, регистрируемого со статарных обмоток электродвигателя при работе привода в режиме аварийной защиты.

Между параметрами, определяющими состояние

электромеханической системы, и параметрами вибрации существуют определенные связи. Для установления связи между вибрациями и процессами, возникающими при функционировании электромеханической системы, следует иметь в виду то, что при взаимодействии кинематических пар возникают колебания, средой распространения которых является само тело механизма. Например, при анализе возникновения колебаний подшипника качения источниками их могут быть соударения и повышенное трение шариков, наличие эксцентриситета валов посадки подшипников, взаимное трение сепаратора и шариков подшипников, трение, возникающее при вращении наружного и внутреннего колец. Амплитуда возмущающей силы зависит от интенсивности взаимодействий в кинематических парах подшипника и от их состояния. Частота возбуждения колебаний определяется частотой вращения вала и числом тел качения.

Схема привода СУЗ реактора ВВЭР-440 представлена на рисунке 1.

1 - датчик линейный ЛД-1; 2 - центробежный регулятор, 3 - рейка; 4- вал 1; 5 - реечная шестерня; 6 - направляющие ролики; 7 - коническое зацепление; 8 - вал 2; 9 - подшипник; 10 - цилиндрическая передача; 11- электродвигатель. Рис. 1. Схема привода СУЗ типа АРК для ВВЭР 440

Рассматривая привод СУЗ как объект диагностирования, выделяются кинематические пары, входящие в его состав и определяются частоты, изменения параметров которых могут быть диагностическими признаками, характеризующими техническое состояние кинематических пар привода.

Привод СУЗ состоит из герметичного электродвигателя синхронно-реактивного типа с автоматическим охлаждением, что обеспечивает его работу в среде первого контура реактора при температуре обмотки до 100 °С. От электродвигателя 11 вращение передается на редуктор. Особенность привода СУЗ типа АРК заключается в том, что реечная шестерня 5 закрепляется не жестко, а прижимается к рейке 3 усилием специального электромагнита. Такое решение позволяет обеспечить быстрый разгон (до 0,5 с) падающей рейки и связанной с ней кассеты АРК до скорости 200-300 мм/с, которая требуется для погашения ядерной реакции в реакторной установке (РУ) по сигналу аварийной защиты В верхней части рейка соединяется с сердечником датчика положения регулирующего органа (РО) Ограничение скорости падающей рейки в режиме АЗ обеспечивается центробежным регулятором 2.

Процессы, протекающие в приводе СУЗ, в общем случае можно представить суммой моментов:

^Щ-мк+Т^+^+Т^М^+Т^+ММ-МТп -МТвг, (1)

гДе - функция возмущения (суммарный крутящий момент);

л ={гь г2;..гт) - вектор изменений параметров технического состояния механизма или диагностический вектор; ш = 1,2. N. где N - число дефектов в механизме;

М(1+Твр) - периодическое низкочастотное возмущение, являющееся следствием воздействия дефектов.;

М(НТ-) - результат воздействия кинематических пар;

М,$+Тд) - импульсное возмущение с частотами, кратными частоте прокатывания локального дефекта;

МТв\, МТв] - моменты сопротивления вращению валов.

Мш(1) - шумовое возмущение.

Твр, Тг, Тд, ТВ\, ТВ2 - периоды возникновения возмущающих факторв в соответствующих кинематических парах.

Виброакустический сигнал в окрестности А-ой гармоники основной частоты возбуждения дефектного узла, частоты вращения вала посадки подшипников и зубчатых передач, в том числе зубчатой пары, можно представить в виде:

х(1) =

1 + ^М, сов^Пг) {лк со5ксо.[/ + YJUJ с05(у'П/)]}+ (0,„(0, (2)

где ¡1,- глубина амплитудной модуляции гармоник со2 частотой Г2;

С1 = круговая частота попадания дефекта в зону контакта;

сог - основная частота возбуждения вибраций в электромеханической передаче;

VJ - глубина частотной модуляции;

<ош(1') - шумовая составляющая.

Спектр колебаний механизма можно представить в виде суммы спектров вынужденных и собственных колебаний:

/=I т= 1 5=1 Т= I

ю от оо (3)

где первый член - гармонический ряд частот вращения валов к{ар\ второй член - спектр зубцовых частот, третий член - гармонический ряд подшипниковых частот; четвертый и пятый члены - гармонические ряды комбинационных частот (Б/, ±Т/„Р) и (р/„ ± д/вр) в окрестности частот вращения валов; шестой член - спектр шума 5седьмой член - гармонический ряд комбинационных частот в окрестностях собственной частоты узла/с.

Из выражения (3) следует, что появление или развитие во времени того или иного дефекта приводит к перераспределению энергии между составляющими спектра результирующего вибрационного процесса. Знание физических особенностей и закономерностей процессов зарождения вибраций в конструкциях электромеханической системы привода позволяет произвести качественное выделение диагностических признаков, изменение которых однозначно свидетельствует о конкретных неисправностях (зарождение и развитие дефектов) и позволяет осуществить их оценку .

Все обнаруживаемые дефекты в приводах можно разделить на три группы:

1) дефекты подшипников;

2) дефекты зубчатых колес;

3) дефекты валов посадки подшипников и зубчатых колес

Анализ дефектов, которые могут возникать при эксплуатации

приводов СУЗ для реакторной установки с ВВЭР-440 позволил сгруппировать их в таблицу 1.

Таблица 1 - Перечень дефектов, возникающих при эксплуатации

приводов СУЗ для реакторной установки с ВВЭР-440

№ пп Кинематическая передача (пара) Дефекты, возникающие в механической передаче (паре) Признаки проявления дефектов

1 2 3 4

1. Передача кинематическая пара рейка -реечная шестерня 1. Износ рейки и реечной шестерни, скол зуба, увеличенный боковой зазор между рейкой и реечной шестерней 1. Изменение скорости перемещения рейки 2. Изменение скорости (частоты) вращения вала1 и вала 2 {Твр, и ^р2) 3. Изменение зубцевой частоты Ъ?т.

2. Направляющие ролики-рейки Износ направляющих роликов 1.Изменение скорости (частоты) вращения вала 1 и вала 2 (гВр1 и {вр2) 2. Появление гармоник высоких частот 3. Биение вала 1 и вала 2

3 Подшипники на валу посадки реечной шестерни (вал 1) 1. Износ подшипников 2. Поломка сепаратора подшипников 3. Загрязнение подшипников 1. Изменение скорости (частоты) вращения вала Гвр| 2. Появление в спектре гармоник частот 4 {и, 3. Рост гармоник частот более 800 Гц

4. Передача коническая (кинематическая пара конические колеса) 1. Износ конической передачи 1. Изменение скорости вращения вала 2

2. Изменение бокового зазора в конической передаче(колесо 1 и колесо 2) 2. Изменение гармоник частоты в зубчатой передаче {Вр2! Ггкп; 3. Биение вала 1 и вала 2

5 Подшипник на валу посадки 2 1. Износ подшипников на валу посадки ¡.Изменение скорости (частоты] вращения вала 1 и вала 2, Гш 2. Появление в спектре ^н 3. Рост гармоник частот более 800 Гц

2. Поломка сепаратора подшипников

3. Загрязнение подшипников

6 Передача цилиндрическая 1. Износ цилиндрической передачи 1. Изменение скорости (частоты) вращения вала 2

2. Изменение бокового зазора цилиндрической передачи 2. Изменение гармоник частоты в зубчатой передаче ^ ир2 Ъ, кп/ £2КП

7. Центробежный регулятор реечная шестерня Неправильная регулировка пружин центробежного регулятора. 1 .Изменение скорости (частоты) вращения вала 1 и вала 2

8 Наличие постороннего предмета 1. Изменение скорости и равномерности вращения вала 1 и вала 2. 2. Изменения в спектре в соответствии с местом нахождения постороннего предмета.

С целью определения диагностических признаков, чувствительных к техническому состоянию исследуемых приводов, на заводе- изготовителе приводов СУЗ ОАО «Ижорские заводы» была проведена серия экспериментальных исследований. Измерения проводились с помощью специально спроектированной информационно-измерительной системы, схема которой представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Функциональная схема информационно-измерительной системы

Одновременно производилось измерение виброакустического сигнала с датчика 1ПА-26А и сигнала наведенного напряжения со статорных обмоток электродвигателя привода СУЗ. Фрагменты сигналов, полученные в результате измерений и обработки приведены на рисунках 3 ,4,5.

и,[мВ] шо

-50

0 10 12 14 16 18 20 22

Таз - время перемещения рабочего органа в режиме АЗ. Рис. 3. Огибающая сигнала с виброакустического датчика 1ПА-26А, установленного на фланце привода СУЗ в режиме АЗ

200 ЦГц]

Гвр1 - частота вращения вала 1. Рис. 4. Результаты спектральной обработки огибающей виброакустического

сигнала

В представленном графике (Рис.4) различаются ряд гармоник, вызванных взаимодействием элементов кинематических пар механизма привода СУЗ.

Кроме того, на испытательных стендах ОАО «Ижорские заводы», были проведены исследования приводов СУЗ с искусственно внесенными дефектами. Суть экспериментов сводилась к исследованию перемещения рейки и соединенного с ней рабочего органа (кассеты) АРК на испытательных стапелях ОАО «Ижорские заводы» для нормально работающих приводов и для приводов с внесенными дефектами.

При анализе результатов измерений было установлено, что информация, снимаемая со статорных обмоток электродвигателя в режиме сброса АЗ, содержит периодические составляющие, имеющие периоды, совпадающие с периодами взаимодействия кинематических пар привода (рис. 5).

Трш - период вращения реечной шестерни Рис. 5. Фрагмент осциллограммы и^) сигнала статора ЭД, работающего в режиме «Сброс АЗ»

Период изменений сигнала 11(1) кратен частоте вращения в кинематических парах электромеханической системы привода. С учетом полученных экспериментальных результатов были сформулированы следующие положения:

1. Статорные обмотки электропривода представляют собой чувствительный элемент измерительного электродинамического преобразователя.

2. Электропривод электромеханической системы СУЗ можно рассматривать как измерительный электродинамический преобразователь перемещения в электрический сигнал (напряжение, снимаемое со статорных обмоток электродвигателя).

Рассматривая электропривод как измерительный электродинамический преобразователь, установлено, что в статорных обмотках электропривода при реализации режима аварийной защиты генерируется напряжение. За счет остаточной магнитной индукции и магнитного потока в роторе, в зазоре между статором и ротором формируется остаточный магнитный поток, и в этом случае проявляются свойства синхронной реактивной машины - соответствие между количеством оборотов электродвигателя и изменением напряжения в обмотках статора Наличие этого свойства определяет способность элемента измерительного электродинамического преобразователя "статорные обмотки

электропривода" к внесению изменений (возмущений) в воздушный зазор между статором и ротором и может быть использовано в качестве источника диагностической информации.

Третья глава настоящей работы содержит материалы экспериментальных исследований работы привода СУЗ и сравнительного анализа амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) виброакустического сигнала и АЧХ сигнала наведенного напряжения, полученных для нормально работающих приводов и приводов с внесенными дефектами. На основе полученных экспериментальных данных была подтверждена возможность диагностирования технического состояния привода СУЗ по изменению (росту, смещению в область низких или высоких частот) гармоник АЧХ (Рис.6).

Измерениям подвергался серийный привод СУЗ типа АРК «1137», в который преднамеренно вносились следующие дефекты.

1) Расцепление рейки с органом регулирования (индекс дефекта-"01";

2) Разрегулировка центробежного регулятора (индекс дефекта -"2а,б",

3) Износ подшипников на реечной вал-шестерне (индекс дефекта -"03";

4) Разрушение сепаратора подшипника реечной вал-шестерне (индекс дефекта -"4");

5) Увеличение бокового зазора в коническом зацеплении (индекс дефекта-"5";

6) Износ конического зацепления (индекс дефекта -"6");

7) Износ рейки и реечной шестерни (индекс дефекта -"7");

8) Износ бронзовых роликов на обойме рейки (индекс дефекта -"8");

9) Увеличение бокового зазора в зацеплении цилиндрической шестерни (индекс дефекта -"9");

10) Износ шестерен цилиндрической передачи (индекс дефекта -" 10");

11) Имитация загрязнения подшипников (индекс дефекта-"13");

12) Имитация наличия постороннего предмета в приводе (индекс дефекта-"14");

Расчет частотных диапазонов взаимодействия кинематических пар привода СУЗ для граничных значений скорости перемещения рейки (200-300 мм/с) приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Границы частотных диапазонов

Код диапазона Наименование частотного диапазона Границы диапазона, Гц Дефекты, проявляющиеся в частотном диапазоне

Д1 Частота взаимодействия в кинематической паре рейка-реечная шестерня 1,3 - 1,95 Дефекты "03 ""7", ;'8", "14", "2а", "26", "01", "5,6"

Д2 Шариковая частота вращения упорно-радиальных подшипников на валу посадки вал № 1 (подшипник № 3) 3,54-5,31 Дефект подшипника. Вал 1. Дефект "03"

ДЗ Шариковая частота вращения упорно-радиальных подшипников на валу посадки вал № 2 (подшипник № 4) 21,2231,83 Дефект подшипника. Вал 2. Дефект "03", '5,6"

Результаты проведенных исследований позволили сделать вывод о возможности идентификации конкретного дефекта привода СУЗ по спектру сигнала наведенного напряжения, что легло в основу алгоритма и методики диагностирования технического состояния приводов в условиях действующей атомной станции, как в период планово-предупредительных ремонтов, так и в режиме нормальной эксплуатации конкретного энергоблока.

Для удобства идентификации состояния привода, а в дальнейшем для построения алгоритма диагностирования, дефекты, которые определены в приводе СУЗ разделены на группы:

1) дефекты подшипниковых узлов;

2) дефекты зубчатых передач;

3) дефекты, влияющие на стабильность скорости перемещения рейки;

4) дефекты, влияющие на скорость перемещения рейки.

и, [мВ] о 4 О 35 О 3 О 25 О 2 О 1 5 О 1 О 05 О

а)

и, [мВ] о 8 О 7 О 6 О 5 О 4 О 3 О 7 О 1 О

-О 1 б)

Дефект 03 Норма

Рис. 6. Амплитудно-частотные характеристики огибающей виброакустического (а) и сигнала наведенного напряжения электродвигателя при расцеплении рейки привода (б)

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

£ номера частотных октав

5 ю 11 ал зо з"> 4 п 4'. 50 55 во ^номера

частотных октав

На рис. 7 приведены фрагменты результирующих спектров сигналов наведенного напряжения для нормально работающего привода ("норма" и привода с внесенными дефектами "03", "56") .

Рассмотрим для примера дефект подшипниковых узлов - «износ подшипников», обозначив его индексом «03» (Рис. 7 а, б). При моделировании дефектов привода СУЗ исправные подшипники были заменены на изношенные и установлены на вал реечной шестерни. Характерные изменения в частотных диапазонах приведены в таблице 2. Было установлено, что наличие этого дефекта приводит к изменению параметров диагностических признаков:

1) уменьшению скорости и частоты вращения вала 1, смещению в область низких частот в результирующем спектре наведенного напряжения с увеличением её амплитуды по отношению к норме (см. рис 7 а, диапазон Д2);

2) появлению гармоники шариковой частоты вращения подшипника № 1 на валу 1 (см. рис. 7 а, диапазон ДЗ);

3) появлению в результирующем спектре гармоники частоты мелькания тел качения подшипника № 1 вала посадки 1 и смещению её в область низких частот (см. рис. 7 б, диапазон Д1);

Рис.7. Результирующие спектры сигналов наведенного напряжения

Обобщая вышеизложенное, составлен результирующий сводный график спектров, который приведен на рисунке 8, где по оси абсцисс обозначены частотные диапазоны, а на оси ординат приведены гармоники спектров наведенного напряжения, для приводов, находящихся в нормальном ( без дефектов) состоянии (приводы СУЗ №1 и СУЗ №2) и для приводов с внесенными дефектами ( например, дефекты с индексами «03», «4», «5, 6», «7», «8», «9», «10», «13», «14»).

Таким образом, полученные результаты наглядно иллюстрируют характер изменений, вносимых каждым конкретным дефектом в спектр сигнала наведенного напряжения, регистрируемого со статорных обмоток электродвигателя привода в режиме АЗ.

Автоматизация процесса сбора и обработки информации в системах диагностики требует решения ряда задач формализованного описания диагностических процедур. Основными из них являются оценка погрешностей, возникающих на различных этапах обработки сигналов,

анализ особенностей преобразований в условиях действующего производства, разработка алгоритмов измерений.

а"

0) ■& ,

5 13

2

О 9 10

4 ьЧ «4 у /м т

/ / г г д / / / /г Г \ У «00*9 В/ / V // »140 Гц / А. 0 7М VI, 50025 е 100 Гц лхЗо ЛлК 0« V \ т «75 'Ш

/ / ■ 05 $ в Р хХЖ> ч ф /// т» ш

/ / / £ 107 % : Л \ N \ у 17 /^00 щ 799 т

/ / / £ £ 1 40 | 250 2 1 »1 ч \ $ 7 /А т 703 %

МО 1 Ч. \ № N \ ,*> % ш ш ш 711 714 •90 1 У/АА

1» / / / 9 5< щ « 26» \ \ \ ш /щ щ 750 Тв7 •75 ( Ж

/ / Уу П» 1 у'ч/^ ч Ч \ \ УУТУ 'я/?/ уу

/ / \ у \ ч \ \ 461 V- 714 7$0 1)1 ж

✓ г У/ /' \ У/ у/А /// У/А

■ У. „« 4 3 "Л УМл У*/ 71* У/т

| Посторонним 'предмет

Загрязнение подшепнутое

Цилиндрическая передача

■е

Коническая передача

Диапазоны частот » ^ч)

Рис. 8. Изменение спектральных характеристик токового сигнала при наличии неисправностей

Информационно-измерительная диагностическая система может быть отнесена к информационно-измерительным системам (ИИС), которые являются современным классом измерительного оборудования. Укрупненная функциональная схема измерительного тракта является основой диагностической системы рис. 9.

Процедура измерения сигналов от объекта исследования может быть представлена в виде уравнения измерений:

у=К,К2КХ

где Я] - пробразования выполненные в аналоговой форме; - преобразования, выполненные в цифровой форме;

К - аналогово-цифровые преобразования;

х - измеренный сигнал

Цифровая обработка сигналов по своей сути вносит определенные погрешности. В процессе преобразования аналоговых сигналов возникает проблема их физического представления. Квантование сигналов по времени приводит к замене непрерывной функции решетчатой. Квантованному сигналу соответствует множество аналоговых непрерывных сигналов. Поэтому восстановить непрерывный сигнал по его значениям в определенных точкам полностью не удается. Можно восстановить его только с некоторой точностью.

Д - первичный преобразователь (измерительный преобразователь или вибродатчик); ИП - нормирующий измерительный преобразователь; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; П - процессор

Рис. 9 Функциональная схема измерительного тракта ИИС

Измеренное значение тока фазы привода СУЗ будет равно:

где иОф(О) - градуировочная характеристика датчика; а - коэффициент передачи измерительного преобразователя ИП в данной полосе частот;

Дк ) А1 к" > Дк' . величины, характеризующие точность представления характеристики в процессоре.

В результате метрологической аттестации разработанного измерительного тракта ИИС, проведенного совместно с метрологическими службами атомной станции, установлено, что погрешность измерений электрических и вибросигналов не превышает 5%.

Четвертая глава содержит описание алгоритма формирования диагностических векторов (рис 10) и описание информационно-измерительной системы технической диагностики приводов СУЗ типа АРК для реактора с ВВЭР-440, для различных режимов работы реакторной установки ("аварийная защита" и "автоматическое регулирование") в условиях эксплуатации атомной станции. Диагностический вектор формируется как двоичное число, каждый разряд которого соответствует определенному частотному диапазону (табл.1). Значение разряда 0 означает, что в данном дипазоне спектр сигнала соответствует норме, 1 - не соответствует норме. В процессе перемещения привода в режиме АЗ вычисляются спектры сигналов в указанных частотных диапазонах, и формируется матрица состояний диагностируемого привода, каждая строчка которой представляет собой диагностический вектор, сформированный при прохождении одной зоны. Результаты проведенных исследований позволили сформулировать основные подходы к проектированию информационно-измерительной системы технической диагностики приводов системы управления и защиты (СУЗ) ВВЭР-440. Разработка и внедрение системы осуществлялась в рамках научно-исследовательских работ, проводимых отделом диагностики ВНИИАМ. Сокращенное название информационно-измерительной диагностической системы - ДИПАРК (диагностика привода АРК).

Дгф'Д 0)

Аки

л*'

Началом

Определение номера ЗОНЫ Режим диагностирования Дата N9 привода направление движения приводов

( Внутри диапазона |

Меньше диапазона

¡Привод работоспособен

_* а '---р

[ больше диапазона | I

I Привод не исправен

Привод не исправен

Возможные дефекты I 2а, 03, 04,06. 10 14 I

Возможные дефекты 2В 05 07 08 09 01

14

Расчет АЧХ 1(1) в(1)

15

Расчет параметров 'диагностического вектора

16

1 В зависимости от Уд, определяется ^ и (у?

2 Производится расчет частотных диапазонов \> подготовка их для последующего анализа в зависимости от определенных <у| и )у2

Формирование диагностического вектора

Л1-

Аналиа результирующих частотных диапазонов и сравнение их с эталоно м частот

1 Анализ уровня гармоник диапазона ^ А,ш

2 Анализ смещения гармоник диапазона ^ ^

3 Анализ появления боковых составляющих гармоник диапазона

1о±Му2 где к=1 2 3

4 Анализ появления кратных гармоник диапазона

кГО где к= 1 2 3 ИГО. гле к=1/2.1/3.

I

Анализ появления боковых составляющих гармоник частот» ыздиапазона

Струггур* диагностического мятое*

Зои»1 В «л I Вм2

1 (1 1 1 0 1 0 0 п I) 1 1 0 1

С 1 1 0 0 0 1 1 0 1

ЗемЗ С 1 1 0 0 1 1 0 1

Зои* с 1 1 1 0 0 0 л ! ) 0 1

1 0 1 1 а 1 0 0 0 0 1 1 0 ]

Эо»а£ 1 1 0 0 1 1 0 1

Зои*? (1 ! и 1 0 1 1 0 1

Зек »8 1 0 1 1 1 1 0 о 0 1 1 0 1

3»и«9 \ 1] 1 1 0 0 0 0 1 1

ЗемЮ 1 ] 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1

^ Конец ^

Рис. 10. Алгоритм формирования диагностических векторов

Сформулированы основные задачи ДИПАРК:

1. Контроль технических характеристик привода СУЗ;

2. Раннее обнаружение отклонений технического состояния;

3. Оперативное извещение пользователей о возникающих тенденциях рассогласования при перемещении в режиме АР органа регулировки внутри каждой группы;

4. Оперативное извещение пользователя о задержках или несанкционированном падении органа регулирования;

5. Определение остаточного ресурса по каждому эксплуатируемому приводу;

6. Обеспечение данными при принятии решений по срокам обслуживания и объемам планового ремонта электропривода СУЗ.

При разработке информационно-измерительной системы диагностики ДИПАРК был использован опыт, полученный автором при проведении натурных исследований приводов СУЗ на испытательных стапелях ОАО "Ижорские заводы". Технический проект системы ДИПАРК передан для внедрения на Ровенской АЭС. Основные положения методики диагностирования дали положительный результат при диагностировании технического состояния электроприводной арматуры и в настоящее время успешно используются при проведении планово-предупредительных ремонтов на Балаковской и Волгодонской АЭС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Из анализа физических процессов, протекающих в приводе системы управления и защиты реакторной установки, установлена возможность построения автоматизированной диагностической системы, использующей сигналы статорной обмотки в режиме аварийной защиты для оценки состояния механических узлов привода.

2. Натурные испытания приводов СУЗ типа АРК с имитацией дефектов механических узлов подтверждены расчетом частотных диапазонов взаимодействий кинематических пар для различных значений скорости перемещений рейки привода в режиме аварийной защиты.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено наличие изменений при взаимодействии кинематических пар механических элементов привода, проявляющихся в определенных частотных диапазонах при возникновении дефектов.

4. Использование электрических сигналов тока и напряжения, регистрируемых со статорной обмотки электродвигателя привода СУЗ для оценки состояния механических узлов экспериментально обосновано исследованиями виброакустических сигналов, генерируемых при наличии дефектов.

5. Однозначное изменение и смещение гармоник АЧХ спектра электрических сигналов при наличии дефектов в приводе СУЗ позволяет

разработать методику алгоритма диагностирования, реализуемого на современных средствах измерительной и вычислительной техники.

6. Исходя из необходимых объёмов обработки данных при реализации диагностических процедур, синтезирована функциональная схема измерительного тракта, обеспечивающего необходимую точность измерений с учетом погрешности при дискретизации и квантовании сигналов.

7. На основе анализа поведения амплитудно-частотных характеристик сигналов, генерируемых обмотками электродвигателя в различных частотных диапазонах соответствующих спектрам вращения кинематических пар привода, установлена возможность алгоритмизации диагностических процедур по положению диагностического вектора в пространстве состояний.

8. Основные теоретические результаты и инженерные решения, положенные в основу разработки информационно-измерительной системы диагностирования привода СУЗ реакторной установки ВВЭР-440 получили успешную апробацию в НПО «Хартрон» (Украина) и положен в основу методики диагностирования электроприводной арматуры Балаковской и Волгодонской АЭС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Никифоров В.Н., Пугачева О.Ю. и др. Автоматизированная система диагностики теплообменного оборудования ГТГВ-1000. Использование ядерной энергии: состояние, последствия, перспективы Сб рефератов VIII науч. техн конф. Ядерного Общества России.-ЕкатеринбургУПИ,-1997.-С. 91-102.

2. Никифоров В.Н., Пугачева О.Ю. и др. Автоматизированная система диагностики приводов СУЗ ВВЭР-1000 Использование ядерной энергии: состояние, последствия, перспективы. Сб. рефератов VIII науч. техн. конф. Ядерного Общества России. Екатеринбург УПИ,-1997.-С. 105-109.

3 Адаменков К.А., Пугачева О.Ю., Никифоров В Н. и др. Безопасная эксплуатация АС, обеспечиваемая методами и средствами технической диагностики Автоматизированная система оперативной диагностики приводов СУЗ Проблемы развития атомной энергетики на Дону/ Материалы науч.-практ. конф.29 февраля-1 марта 2000, Ростов-н/Д /Том 2, с. 228-236.

4. К. А. Адаменков, A.B. Чернов, О. Ю. Пугачева. Функциональный контроль технического состояния секций рабочей штанги машины перегрузочной, г. Новочеркасск, 2000 Материалы III международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов». Секция 2 «Мехатроника, робототехника и интеллектуальные системы управления движением». Том 1.

5 В.Н. Никифоров, О. Ю. Пугачева, A.B. Чернов. Канал контроля технического состояния рабочей штанги машины перегрузочной типа МПС-В-1000-3У4.2. Тез.докл. второй всерос. науч.-техн. конф. «Обеспечение

безопасности АЭС с ВВЭР»/ г.Подольск, 19-23 ноября 2001 г.-Подольск, ОКБ «Гидропресс», 2001 г.,- с. 116-117.

6. К. А. Адаменков, О. Ю. Пугачева, A.B. Чернов и др. Опыт проведения работ по обследованию технического состояния и оценке остаточного ресурса машин перегрузочных типа МПС-В-1000-ЗУ4.2. Тез. докл. второй всерос науч.-техн. конф. «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР»/ г Подольск, 19-23 ноября2001 г.-Подольск, ОКБ «Гидропресс», 2001 г,- с.117-118.

7 ВН. Никифоров, О Ю Пугачёва. Контроль технического состояния рабочей штанги перегрузочной машины для ВВЭР - 1000 Москва, Российская академия наук, "Тепло - энергетика"№ 5 май 2003.

8. К. А Адаменков, С.Э Гоок, О. Ю. Пугачева и др. Система информационной поддержки оператора машины перегрузочной. Ростов-на-Дону: "Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион", 2004.. "Машиностроение и энергетика" Сб. науч. трудов. Волгодонского института (филиала) Южно-Российского гос. техн. Университета (НПИ) Технические науки 2004 Приложение №5.

РЫБ Русский фонд

2006-4 11209

Пугачёва Ольга Юрьевна

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ОБОРУДОВАНИЯ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано на ризографе издательства "Викинг" г Ростов-на-Дону с оригинал-макета автора Объём 1 у п л, тираж 100 экз