автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математические модели диагностики состояния динамических систем роторных механизмов горных и энергетических машин

Введение.

Глава 1. Функциональная вибродиагностика роторных машин и механизмов.

1.1. Предмет и понятие функциональной вибродиагностики.

1.2. Постановка задач работы.

1.3. Основные итоги и выводы.

Глава 2. Математические модели динамических систем роторных механизмов.

2.1. Физическое основание моделей полигармонических вибраций роторных систем.

2.2. Схемы динамических систем формирующих трехкомпонентные вибросигналы.

2.3. Модели трехкомпонентных координатных составляющих вибросигналов.

2.4. Основные итоги и выводы.

Глава 3. Использование годографов вибрационных характеристик для диагностики состояния роторных механизмов.

3.1. Оценивание и классификация выборочных годографов вибрации.

3.2. Алгоритмы идентификации типов особых точек плоских кривых.

3.3. Система идентификации экспериментальных годографов плоских кривых.

3.4. Основные итоги и выводы.

Глава 4. Исследование влияния структурных изменений динамической системы на интегральные характеристики вибрационных процессов на ее выходе.

4.1. Энтропия феноменологической системы.

4.2. Эффективная частота вибросигналов.

4.3. Основные итоги и выводы.

Актуальность работы. Тенденции развития современного машиностроения и условия формирования парка горных и энергетических машин привели к тому, что все большее количество оборудования попадает по тем или иным причинам в разряд уникального. В частности, это машины массовых серий, работающие в нетипичных условиях или находящиеся в опасных видах состояния, новые и единичные машины, оборудование иностранного производства.

Важнейшим показателем технического состояния и эффективности динамического оборудования являются интенсивность и структура протекающих в нем вибрационных процессов.

В существующих методах вибродиагностики критериями технического состояния машин являются эмпирически обоснованные ограничения уровней вибрации. Точность диагноза при этом определяется объемом статистического материала накопленного для каждого конкретного класса или даже серии механизмов.

Для уникальных машин такие статистические эталоны отсутствуют или недостаточно надежны, и, следовательно, точность и чувствительность диагностических алгоритмов, как правило, неудовлетворительна.

Недостаточное качество вибродиагностики обусловлено также отсутствием развитых математических моделей изменения состояния и формирования вибраций, что существенно ограничивает как сам набор используемых характеристик вибрационных процессов, так и возможности их интерпретации.

Таким образом, задача построения новых математических моделей динамических систем и процессов вибрации механизмов уникальных горных и энергетических машин является актуальной и требует решения.

Работа выполнялась в соответствии с планами научных исследований Института угля и углехимии СО РАН; Федеральной целевой программой "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы"; региональной научно-технической программой "Сибирь"; в соответствии с программой НИР Кемеровского РНОК по проекту "Разработка комплекса математических моделей случайных полей (пространственных распределений) динамических процессов машин и механизмов".

Цель работы - разработка более точных и информативных математических моделей динамических систем для повышения эффективности вибродиагностики роторных механизмов уникальных горных (вентиляторы главного проветривания, электродвигатели, насосные агрегаты водоотлива, подъемные машины) и энергетических машин (турбины, турбокомпрессоры, насосные агрегаты, воздуходувки).

Идея работы состоит в разработке и использовании структурного принципа математического моделирования динамических систем, формирующих на опорах ротора полигармонические вибросигналы, и выборе более информативных вибрационных характеристик - годографов виброперемещения, -скорости и -ускорения.

Задачи работы:

- разработать комплекс математических моделей периодических трехкомпонентных координатных составляющих вибросигналов и формирующих их динамических систем роторных механизмов; выявить причины существенных изменений структур спектров вибросигналов на опорах ротора;

- разработать правила и алгоритм формирования годографов вибрационных характеристик (виброперемещения, -скорости, -ускорения) из сочетаемых пар координатных составляющих вибросигналов на опорах роторов; выявить характерные особенности годографов и сформировать на их основе набор наиболее различимых и достоверных диагностических признаков состояния механизмов;

- разработать принцип и алгоритмы идентификации моделей годографов с результатами экспериментов на основе сформированного набора диагностических признаков;

- определить и оценить энергетические, информационные и спектральные характеристики моделей вибросигналов, позволяющие регламентировать процедуру диагностики и распознавать вид технического состояния роторного механизма.

Методы исследования. При изучении свойств динамических систем и процессов использованы математические методы теории функций комплексного переменного, теории дифференциальных уравнений, аппарата преобразований Лапласа и Фурье, теории автоматического управления, методов дифференциальной геометрии.

Моделирование процессов, построение модельных годографов и численное исследование энергетических, информационных и спектральных характеристик проводилось на ПЭВМ с использованием прикладного пакета программ MathCAD PLUS 7.

Экспериментальные исследования динамических процессов велись методами вибродиагностики с использованием промышленного коллектора-анализатора данных DC-7B и автоматизированной экспертной системы ExpertAlert 8.0 компании PredictDLI USA.

Научные положения, выносимые на защиту:

- динамические системы, состоящие из элементов с простыми мнимыми полюсами передаточных функций, при условии существования двух независимых процессов движения ротора и обобщенного гармонического воздействия формируют на опорах ротора периодические полигармонические вибросигналы;

- перебор всех возможных комбинаций двух пар комплексно сопряженных элементов и гармонического воздействия обеспечивает полноту группы математических моделей трехкомпонентных координатных составляющих вибросигналов;

- изменение структуры динамической системы диагностируемого объекта приводит к существенному перераспределению амплитуд гармонических компонент вибросигналов на опорах ротора;

- достоверность заключения о типе структуры формирующей динамической системы в эксперименте определяется сравнением энтропий моделей и исследуемого процесса;

- наиболее достоверными диагностическими признаками типа модели динамической системы являются особенности годографов вибрационных характеристик - петли и складки, а также их количество и последовательность; свойства особенностей годографов полностью определяются типом формирующей их особой точки, который является инвариантным по отношению к погрешностям эксперимента.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов

- вытекает из корректных постановок задач на основе фундаментальных принципов механики, теории колебаний и статистической динамики;

- обеспечивается всесторонними теоретическими исследованиями с применением строгих математических методов и полнотой группы моделей исследуемых процессов;

- подтверждается менее чем 5% отклонением параметров выборочных реализаций экспериментальных сигналов от параметров моделей;

- доказывается совпадением заключений об опасных видах состояний механизмов, сделанных с использованием разработанных и традиционных способов вибродиагностики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан структурный принцип построения комплекса новых математических моделей динамических систем, имеющих максимальную разрешающую способность и обеспечивающих полноту группы набора моделей;

- исследован комплекс из 14 возможных схем формирования трехкомпонентных координатных составляющих вибрации на опорах ротора, которые сводятся при условии нормировки по амплитуде первой гармоники к 11-ти моделям вибросигналов;

- впервые показано, что существенные изменения структуры спектра вибросигнала адекватно моделируются изменением структуры формирующей динамической системы;

- впервые предложено и обосновано использование энтропии формирующей динамической системы или количества информации вибросигнала в качестве характеристики, регламентирующей процедуру диагностики; установлено, что отклонение энтропии на выходе динамической системы от энтропии на входе определяет характер перераспределения энергии вибрационного процесса;

- показано, что адекватным и устойчивым к погрешностям измерений диагностическим признаком типа модели динамической системы является структура годографа вибрационной характеристики;

- разработаны оригинальные алгоритмы определения статуса и типов особых точек годографов для дискретно заданных сигналов, а также описания структуры и идентификации годографов с использованием дескрипторов особых точек.

Личный вклад автора состоит:

- в разработке и исследовании комплекса математических моделей динамических систем, формирующих трехкомпонентные координатные составляющие вибросигналов;

- в построении и исследовании совокупности спектров модельных вибросигналов;

- в определении и оценке энергетических и информационных характеристики динамических процессов, регламентирующих диагностику и необходимых для распознавания вида технического состояния роторного механизма;

- в разработке принципов идентификации типа модели динамической системы по особым точкам годографов вибрационных характеристик;

- в формировании каталога модельных годографов и создании алгоритма решения обратной задачи - выбора наиболее правдоподобных моделей динамической системы по экспериментальным данным.

Практическое значение работы. Результаты выполненных исследований позволяют:

- проводить функциональную диагностику состояния и/или изменения состояния уникальных роторных машин и механизмов;

- совершенствовать режимы доводки и отладки уникальных роторных машин, ускорять разработку эталонов состояния;

- выявлять недостатки конструкции сложных роторных систем;

- управлять надежностью уникальных роторных машин в ходе эксплуатации и при проведении капитальных ремонтов.

Реализация работы. На основании полученных результатов разработано учебное пособие "Вибродиагностика уникальных горных и энергетических машин роторного типа" (КузГТУ); учебное пособие "Математические модели динамических процессов роторных механизмов" (КемГУ).

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты докладывались и получили одобрение на Международной научно-практической конференции "Наукоемкие технологии угледобычи и углепереработки" (Кемерово, 69 октября 1998 г.), на научно-практической конференции "Взаимодействие научно-образовательных, промышленных, предпринимательских и административных структур. Правовые и экономические аспекты" (Новокузнецк, 8-10 апреля 1999 г.), на IV Международной научно-практической конференции "Перспективы развития горнодобывающей промышленности" (Новокузнецк, 25-28 мая 1999 г.).

Отдельные разделы работы докладывались на технических советах КОАО "Азот", АО "Кузбассэнерго", ГУП "Водоканал" г. Кемерово, АО "Кузбассразрезуголь" (Кемерово, 1998-1999гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения на 109 страницах, в том числе содержит 6 таблиц, 76 рисунков, список литературы из 53 наименований. К диссертации приложен каталог модельных годографов на 91 странице.

Основные выводы:

1. перебором вариантов последовательного, параллельного и последовательно-перекрестного соединения двух пар комплексно сопряженных элементов с простыми мнимыми полюсами получена полная группа из 14 динамических систем, моделирующих формирование периодических трехкомпонентных координатных составляющих вибросигналов с частотами Q, mQ и nQ (п> т\ п,т = 2,3.);

2. при наличии в центре тяжести ротора гармонического воздействия с роторной частотой Q = a>p или с резонансной частотой Q.-&kp полученные динамические системы с учетом нормировки решений по амплитуде основной гармоники формируют 11 различных типов трехкомпонентных координатных составляющих вибросигналов;

3. исследованные модели координатных составляющих вибросигналов делятся на пять линейно независимых групп с существенно различным соотношением амплитуд гармонических компонент (при т = const и п - const), чему соответствует различие структур спектров;

4. положение эффективной частоты спектра экспериментального сигнала относительно взаимных уровней гармонических компонент позволяет выбрать для него наиболее достоверные модели формирующих динамических систем;

-1035. диагноз №3 - присоединение практически всей массы системы к диагностируемой опоре - свидетельствует об опасной утрате несущей способности одной из опор ротора и сопровождается наибольшей вибрацией на частоте mQ. Присоединение дифференцирующего звена (диагноз №2) указывает на тяжелый дефект - заклинивание одной из опор и передачу кинематического воздействия, вибрация снижается в -2,21 раз и распределяется на частотах тО. и nQ. Близкие по механической схеме диагнозы №10 и 11, обнаруживающие дополнительную степень свободы на одной из опор, обладают радикально различными внутренними свойствами: суммирование фаз и, соответственно, высших гармоник mQ. и пй. (№10) приводит к большим вибрациям (в -2,49 раза меньше, чем по модели №3), разность фаз и взаимное подавление колебаний дает наименьшую вибрацию (в -4,43 раза меньше максимальной) с хорошим спектром.

6. изменение энтропии динамической системы или количества информации вибросигнала на ее выходе свидетельствует об изменении структуры динамической системы и задает строгий регламент эксперимента;

7. появление в ходе диагностики особенностей годографов вибрационных характеристик адекватно моделируется сочетаемыми парами моделей координатных составляющих вибросигналов и является следствием ухудшения технического состояния роторного механизма, проявлением аномальных воздействий и процессов передачи возмущения к опорам;

8. структура траектории оси ротора и годографов виброскорости и виброускорения - количество, последовательность и типы особых точек - является адекватным и устойчивым диагностическим признаком принадлежности объекта диагностики определенному типу моделей динамических систем;

-1049. применение разработанного комплекса математических моделей позволяет избегать ложной интерпретации фрагментов годографов при кратных фазах особых точек. Например, выделять двухсторонние складки в годографах моделей №4 и №11, которые "маскируются" под самопересечения кривой и, тем самым, распознавать существенно более опасный диагноз - импульсное приложение внешней нагрузки;

10. использование структурного принципа моделирования и комплексных характеристик вибрационных процессов позволяет получать достоверные заключения о виде состояния механизма при оперативных обследованиях, повышает точность и достоверность эталонов состояния, сокращает время их разработки, что, соответственно, повышает надежность и эффективность вибродиагностики.

-102-Заключение

В диссертационной работе содержится решение задачи повышения надежности и эффективности вибродиагностики уникальных горных и энергетических машин, основанное на использовании разработанного структурного принципа математического моделирования динамических систем роторных механизмов и оригинальных алгоритмов идентификации их состояния.

1. API STANDARD 610: Centrifugal Pumps for General Refinery Services. American Petroleum Institute, Washington D.C. 20037.

2. API STANDARD 611: General-Purpose Steam Turbines for Refinery Services. American Petroleum Institute, Washington D.C. 20037.

3. API STANDARD 612: Special-Purpose Steam Turbines for Refinery Services. American Petroleum Institute, Washington D.C. 20037.

4. API STANDARD 617: Centrifugal Compressors for Refinery Services. American Petroleum Institute, Washington D.C. 20037.

5. DIN/ISO 2373: Mechanical vibration in rotating electrical machines with shaft height from 80 to 400 mm. Beuth Verlag GmbH. Berlin 30.

6. DIN/ISO 3945: Mechanical vibration of large rotating machines with speeds between 10 and 200 rev/s.

7. IEC 34-14: Rotating electrical machines. Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher., Bureau Central de la Commision Electrotechnique Internationale, Geneve.

8. ISO 2372: Mechanical vibration of machines with operating speeds from 10 to 200 rev/s. Beuth Verlag GmbH, Berlin 30.

9. VDI 2059: Shaft vibrations of turbosets, Part 1-5. Beuth Verlag GmbH, Berlin 30.

10. Southwick, D., "Using Full Spectrum Plots", Orbit, Vol. 14, No. 4, December1993, Bently Nevada Corp.

11. Southwick, D., "Using Full Spectrum Plots Part 2", Orbit, Vol. 15, No. 2, June1994, Bently Nevada Corp.-10612. Swan, P., "Transient data reveals source of compressor vibration", Orbit, Vol. 18, No. 1, March 1997, Bently Nevada Corp.

12. ГОСТ 11004-84 (CT СЭВ 3830-82) Вентиляторы шахтные главного проветривания. Москва, Из-во стандартов. 1984. 31 с.

13. ГОСТ 16921-83 (СТ СЭВ 2412-80) Машины электрические вращающиеся. Допустимые вибрации. Москва, Из-во стандартов. 1983. 4 с.

14. ГОСТ 20815-88 Машины электрические вращающиеся. Вибрация машин с высотой оси вращения свыше 355 мм. Методы измерения и допустимые значения. Москва, Из-во стандартов. 1998. 8 с.

15. ГОСТ 24364-88 Агрегаты паротурбинные стационарные. Нормы вибрации и общие требования к проведению измерений. Москва, Из-во стандартов. 1988. 4 с.

16. Артоболевский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин. М.: Наука, 1979. - 216 е.: ил.

17. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 240 с.

18. Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д., Морозов КД. Новый метод акустической диагностики // Динамика и акустика машин. М.: Наука, 1971.

19. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 е.: ил.

20. Вейц B.JI. Динамика машинных агрегатов. Л.: Машиностроение, 1969. - 368 е.: ил.

21. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти томах. Т.З Под ред. В.В. Болотина. -М.: Машиностроение, 1978,- 554 е.: ил.

22. Гельфандбейн Я. И. Методы кибернетической диагностики динамических систем. Рига, "Зинатне", 1967. - 542 с.

23. Генкин К.Д., Соколова А.Г, Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. - 288 е.: ил.

24. Зайцев Г.Ф., Костюк В.И., Чинаев П.И. Основы автоматического управления и регулирования. Киев, "Техшка", 1977. 472 с.

25. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М., "Машиностроение", 1973. 606 с.

26. Карасев В. Л., Максимов В.П., Сидоренко М.К. Вибрационная диагностика газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978. - 230 е.: ил.

27. Карасев В.А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатируемых машин. Вибродиагностические методы. М.: Машиностроение, 1986. - 192 е.: ил.

28. Коллакот P.A. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989.

29. Коллакот P.A. Диагностирование механического оборудования. Пер. с англ. -JL: Судостроение, 1980. 296 с.

30. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях: Анализ, предсказание, предотвращение. М.: Мир, 1984. - 624 с.

31. Кораблев С.С. О вибродиагностике механических систем // Проблемы машиностроения и автоматизации, № 13, 1987.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., 1968. 720 е., ил. стр. 460-462.

33. Марпл.-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. -М.: Мир, 1990,- 584 е., ил.

34. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 151 е., ил. - (Б-ка конструктора)

35. Методы автоматизированного исследования вибрации машин: Справочник / С.А. Добрынин, М.С. Фельдман, Г.И. Фирсов. М.: Машиностроение, 1987. - 224 е.: ил.

36. Моек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов: Пер. с нем. Л.: Судостроение, 1986. - 232с.: ил.

37. Мозгалевский A.B., Калявин В.П. Системы диагностирования судового оборудования. Л.: Судостроение, 1987. - 224 с.

38. Мозгалевский A.B., Койда В.П. Вопросы проектирования систем диагностирования. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 112 с.

39. Надежность и эффективность в технике: Справочник. В 10-ти томах. Т.9. Техническая диагностика / Под ред. В.В. Клюева, П.П. Пархоменко. М.: Машиностроение, 1987.

40. Обнаружение дефектов гидрогенераторов / А.Е. Александров, Е.В. Гущин, В.Б. Кулаковский и др.; Под ред. Л.Г. Мамиконянца и Ю.М. Элькинда. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 232 е., ил.

41. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1971.-224 с.

42. Павлов Б.В. Кибернетические методы технического диагноза. М.: Машиностроение, 1966. - 151 с.-10946. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики. М.: Энергия, 1984. - 320 с.

43. Пешель М. Моделирование сигналов и систем. Пер. с немец. М.: Мир, 1981.- 300 с.

44. Погорелов A.B. Дифференциальная геометрия. М: Высшая школа, 1974. -176 с. стр. 16-23.

45. Попков В.И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. Л.: Судостроение, 1974. - 224с.

46. Поплавский Р.П. Термодинамика информационных процессов. М.: Наука, 1981.-255 с, ил.

47. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования. М., "Энергия", 1973. 440 с.

48. Скляров В.Ф., Гуляев В.А. Диагностическое обеспечение энергетического производства. Киев: Техника, 1985.- 184 с.

49. Стернберг С. Лекции по дифференциальной геометрии. М.: Мир, 1970.-НО

50. КАТАЛОГ МОДЕЛЬНЫХ ГОДОГРАФОВ