автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Метод и средства вибродиагностики роторных систем при производстве прецизионных приборов

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ.

1.1. Обзор современных методов и средств диагностирования роторных систем и их элементов при производстве прецизионных приборов. Вибродиагностика и контроль исходного технического состояния приборов.'.

1.2. Контроль исходного технического состояния приборов на этапе приемо-сдаточных испытаний - критерий предотвращения внезапных отказов.

1.3. Основные требования, предъявляемые к приборным шарикоподшипникам.

1.4. Выводы.

2. ОСОБЕННОСТИ ПОЯВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ В

РОТОРНЫХ СИСТЕМАХ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ.

2.1. Нарушения технологии изготовления деталей и сборки роторных систем прецизионных приборов. Связь с появлением локальных дефектов.

2.2. Влияние технологических погрешностей и остаточного дисбаланса на возникновение и развитие локальных дефектов роторных систем изделий приборостроения.

2.3. Влияние технологической наследственности на условия формирования локальных дефектов.

2.4. Характеристика локальных дефектов с учетом особенностей их возникновения.

2.5. Локальные дефекты роторных систем и функциональные погрешности приборов

2.6. Выводы

3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ РОТОРНЫХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ПРИБОРОВ.

3.1. Характер проявления локальных дефектов в исходном вибросигнале

3.2. Математическая модель условий формирования и развития локальных дефектов роторных систем прецизионных приборов.

3.3. Математическая модель исходного технического состояния объекта диагностирования.

3.4. Математическая модель информационного сигнала. Связь с определяемыми параметрами роторных систем.

3.5. Моделирование процесса контроля условий формирования локальных дефектов по исходному техническому состоянию изделий приборостроения.

3.6. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА НЕЛИНЕЙНОГО МЕТОДА ВИБРОДИАГНОСТИКИ РОТОРНЫХ СИСТЕМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ

4.1. Описание объектов исследования

4.2. Выбор диагностических параметров.

4.3. Разработка процедуры диагностирования на основе нелинейного преобразования информационного сигнала.

4.4. Описание нелинейного метода вибродиагностики.

4.5. Выводы.

5. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НОВОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.

5.1. Описание технических средств вибро диагностики роторных систем прецизионных приборов.

5.2. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования.

5.3.Оценка достоверности диагностирования.

5.4. Расчет экономической эффективности разработанного метода

5.5. Выводы

Новые экономические условия предъявляют жесткие требования к обеспечению качества, надежности, снижению себестоимости изделий приборостроения. Эти проблемы тесно связаны с разработкой и применением высокоэффективных, малозатратных методов и средств диагностирования.

Среди показателей качества важное место занимает ресурс работы изделий. Он в значительной степени зависит от постепенных и внезапных отказов. Практика испытаний и эксплуатации приборов показала, что внезапные отказы их наиболее ответственных элементов приводят к накоплению в изделии физических процессов, отрицательно сказывающихся на ресурсе работы. В отличие от постепенных отказов они изучены недостаточно. Нарушение работоспособного состояния приборов при внезапном отказе происходит скачкообразно, что не позволяет своевременно предотвратить аварийную ситуацию в процессе их эксплуатации [1, 2, 3, 4, 5].

Проведенные исследования и анализ многолетних данных об отказах изделий точного приборостроения показали, что к внезапным отказам приводят локальные дефекты и технологические погрешности с локальной структурой наиболее ответственных элементов роторных систем изделий , которые как правило выявляются после детального анализа причин отказов.

Цель настоящей работы - разработка метода и средств вибродиагностики, позволяющих контролировать условия формирования локальных дефектов роторных систем при производстве прецизионных приборов , диагностировать технологические погрешности с локальной структурой и локальные дефекты .

Объектами исследования являются рулевые агрегаты РАУ-107А автопилота системы автоматического управления САУ-23АМ, приборы навигационные плановые ПНП-72, авиагоризонты АГР-72А, АГР-74-10, преобразователи ПТ-200Ц-Ш, ПТ-125Ц-ИС, токосъемники ТСВ36М313.

Для диагностирования роторных систем прецизионных приборов используются методы вибродиагностики. Вопросы вибродиагностики достаточно полно отражены в работах А.К. Явленского , К Н. Явленского , Ф.Я. Балицкого, М.Д. Генкина , М.А. Иванова , А.Г, Соколовой , Е.И. Хомякова , В.И. Попкова , О.И. Попкова , Э.Л. Мышинского, A.A. Александрова , A.B. Баркова , H.A. Барковой , В.А. Шафранского , Д.А. Гречинского, В.Н. Ковальского , И.А. Дудченко , В.В. Клюева, В.П. Калявина , П.П. Кузьмина, A.B. Мозгалевского .

Анализ современных методов и средств вибродиагностики роторных систем прецизионных приборов показал, что перспективным направлением является диагностирование потенциальных слабых локальных дефектов и технологических погрешностей с локальной структурой. Задача состоит в поиске оптимального метода обработки информационного сигнала, который сводит к минимуму влияние помех и позволяет однозначно соотнести полученную характеристику с видом дефекта. Существующие методы и средства диагностируют только потенциальные (зарождающиеся) эксплуатационные локальные дефекты и не позволяют контролировать условия их формирования и различать слабые технологические погрешности с локальной структурой при производстве изделий. В отличие от существующих методов разработанный метод впервые дает возможность по исходному техническому состоянию контролировать условия формирования локальных дефектов, диагностировать слабые технологические погрешности с локальной структурой при производстве изделий. Метод также позволяет различать зарождающиеся эксплуатационные локальные дефекты. Диагностирование производится после сборки роторных систем и на этапе приемо-сдаточных испытаний приборов. В отличие от существующих методов контроль исходного технического состояния изделия ведется с позиций анализа физических процессов, создающих условия формирования локальных дефектов роторных систем, а не сопутствующих их развитию. Таким образом выявляются физические основы причин внезапных отказов, а не следствие - сам отказ.

В отличие от существующих работ по вибродиагностике, рассматривающих развитие уже имеющегося дефекта в совокупности с процессами износа, трения, анализом состояния поверхностного слоя изделия, в предлагаемой работе впервые оценивается влияние первичных и технологических погрешностей, остаточного дисбаланса на условия формирования локальных дефектов роторных систем. В работе дается оценка влияния локальных дефектов на функциональные погрешности приборов.

Предлагается новый метод обработки вибросигнала, включающий его нелинейное преобразование и анализ изменения спектров выделенных составляющих относительно фона. Исходное техническое состояние приборов контролируется по сигналу вибрации контролируемого изделия. Составляющая вибрации подшипников, выделенная из сигнала, рассматривается как результат передачи внутренних воздействий, вызванных локальными дефектами в ответственных элементах роторных систем.

Для реализации метода разработана система диагностирования. Она включает в себя следующие средства: датчики вибрации, встроенную в компьютер интерфейсную плату цифровой обработки информации, совместимый персональный компьютер, классом не ниже 6

386 серии, программное обеспечение обработки информации. Встроенная плата значительно увеличивает быстродействие, позволяет производить обработку сигнала в реальном масштабе времени.

На основе вышеизложенного на защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель условий формирования и развития локальных дефектов роторных систем прецизионных приборов; математическая модель исходного технического состояния объекта диагностирования,

- математическая модель информационного вибросигнала;

- метод вибродиагностики роторных систем при производстве прецизионных приборов.

5.5, Выводы

1. В качестве технических средств диагностирования выбраны: датчик вибрации АП-19, плата цифровой обработки информации Ь-1250 и совместимый персональный компьютер классом не ниже 386 серии.

2. При проведении экспериментальных исследований на РАУ-107А был выделен спектр виброперемещения. В нем присутствуют периодически повторяющиеся всплески на информационной частоте локального дефекта на наружном кольце ^ = 240 Гц. На преобразователе ПТ-200Ц-Ш получен спектр виброускорения, в котором имеются периодически повторяющиеся всплески на частоте возмущений, равной 753 Гц. Она соответствует условиям формирования локальных дефектов.

3. Расхождения результатов моделирования и эксперимента составляют 8 %.

4. Разработанный метод обеспечивает достоверную оценку результатов измерений при вероятности ложной тревоги Р„ = 0,01. Суммарная систематическая погрешность А^ составляет 12,4 % , случайная погрешность <з\ равна 2,51-Ю"14 В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С целью повышения качества и надежности изделий приборостроения разработан метод и средства вибродиагностики роторных систем при производстве прецизионных приборов.

В ходе выполнения диссертационной работы впервые получены следующие научно-практические результаты:

1. построенная математическая модель условий формирования и развития локальных дефектов роторных систем прецизионных приборов в условиях действия статических и динамических нагрузок позволяет оценить влияние технологических параметров (первичных и технологических погрешностей, остаточного дисбаланса) на их возникновение,

2. разработанная математическая модель исходного технического состояния объекта диагностирования дает возможность контролировать предупреждение появления внезапных отказов в наиболее ответственных элементах роторных систем;

3. полученная математическая модель информационного сигнала отражает зависимость вибрации прибора от локальных дефектов« и условий их формирования в наиболее ответственных элементах роторных систем;

4. сравнение полученных результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждает, что разработанные математические модели не противоречат экспериментальным данным;

5. разработанные метод и средства вибродиагностики при производстве прецизионных приборов позволяют:

- по исходному техническому состоянию контролировать условия формирования локальных дефектов в наиболее ответственных элементах роторных систем;

- по исходному техническому состоянию изделий определять вид и величину слабых технологических погрешностей с локальной структурой в наиболее ответственных элементах роторных систем;

- определять вид и величину зарождающихся эксплуатационных локальных дефектов в наиболее ответственных элементах роторных систем;

- по измеряемому информационному вибросигналу определять технологические параметры, создающие условия формирования локальных дефектов;

6. произведена адаптация базового программного обеспечения к новому методу обработки диагностической информации;

167

7. составленная в пакете Ма^аЬ программа позволяет после сборки роторных систем и на этапе приемо-сдаточных испытаний приборов диагностировать их по значениям параметров измеренной вибрации.

Таким образом разработанные метод и средства вибродиагностики, контролируя исходное техническое состояние изделий, дают возможность предотвратить внезапные отказы в наиболее ответственных элементах роторных систем. Это способствует повышению качества и надежности функционирования приборов.

Разработанные метод и средства вибродиагностики успешно применяются в приборостроении, а также могут быть использованы в электротехнической промышленности, автомобилестроении, судостроении, космической технике.

1. Надежность в машиностроении: Справочник / Под общ. ред. В.В. Шашкина, Г.Н. Карзова. СПб.: Политехника, 1992. - 719 с.

2. Надежность и эффективность в технике: Справочник / Под ред. А.И. Рембезы. М.: Машиностроение, 1986. - 224 с.

3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. -М.: Изд-во стандартов, 1990. 37 с.

4. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. М. .: Изд-во стандартов, 1996. - 13 с.

5. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. М. .: Издво стандартов, 1987. 17 с.

6. Явленский А.К., .Явленский К.Н. Теория динамики и диагностики систем трения качения. Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. - 184 с.

7. Явленский К.Н., Лвленский А.К. Вибродиагностика- и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение. Ленигр. отд., 1983. - 239 с.

8. Справочник конструктора точного приборостроения /Под общ. ред. К.Н. Явленского, Б.П Тимофеева, Е.Е. Чаадаевой. Л.: . Машиностроение. Ленигр. отд., 1989. - 792 с.

9. Приборные шарикоподшипники: Справочник /Под ред. К.Н. Явленского, В.Н. Нарышкина, Е.Е. Чаадаевой. -М.: Машиностроение, 1981. -351 с.

10. Эльперин А.И., Явленский А.К., Талашов Г.И. Диагностирование реодинамики систем трения. СПб.: Наука, 1998. - 142 с.

11. Вибрация и впбродиагностика судового электрооборудования /A.A. Александров, A.B. Барков, H.A. Баркова, В.А. Шафранский. Л.: Судостроение, 1986. - 276 с.

12. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

13. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

14. Современные методы и средства вибрационной диагностики машин и конструкций Ф.Я. Балицкий, М.Д. Генкин, М.А. Иванова и др.; Под ред. акад. К.В. Фролова /МЦНТИ, Ин-т машиноведения. М., 1990. - 115 с.

15. Технические средства диагностирования: Справочник /В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е. Абрамчук и др. /Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

16. Гречинский ДА., Ковальский В.Н., Дудченко И.А. Современное состояние и тенденциисовершенствования средств виброзащиты изделий и средств функциональной вибродиагностики //Дефектоскопия и в и броди агностика: Сб. научн. тр./НИКИМП, М., 1988. С. 102-104.

17. Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. -М.: Транспорт, 1993. 150 с.

18. Баркова H.A. Виброакустические методы диагностики /ЛКИ, Л., 1985. 91 с.

19. Strang G/ Wavelets //American Scientist, 1992, vol. 82 pp. 250-255.

20. Барков A.B., Баркова H.A., Азовцев А.Ю. Монитогринг и диагностика роторных машин по вибрации. СПб.: Copyright. 1997 Inteltech Enterprises, Inc., 1997. - 9 с.

21. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник /А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др.; Под ред. А.Г. Остапенко. -М.: Радио и связь, 1994.-264 с.

22. Опалихина О.В. Особенности диагностики локальных дефектов механических систем //Труды научной сессии аспирантов СПбГУАП/СПбГУАП, СПб., 1998. - С. 18.

23. Гаврилоз А Н. Технология авиационного приборостроения. М.: Машиностроение, 1981.- 480 с.

24. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник. В 2-х кн. /Под ред. В.В. Клюева, М.: Машиностроение, 1986. - 2 кн.

25. Спришевский А.И. Подшипники качения. — М.: Машиностроение, 1968. 632 с.

26. Технологические аспекты бездефектного шлифования деталей с покрытиями /Д.Е. Анельчик, И.П. Сазонов, A.JI. Становский, Г.А. Оборский, A.C. Кракиновский М., 1991.- 56 с.

27. Аршанский М.М., Щербаков В.П. Вибродиагностика и управление точностью обработки на металлорежущих станках. М.: Машиностроение, 1988. - 136 с.

28. Дальский A.M., Кулешова З.Г. Сборка высокоточных соединений в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1988. -304 с.

29. Волгонин В.И., Меткин Н.П., Ястребов A.C. Автоматизация проектирования процессов контроля и диагностирования РЭА /ЛЭИС, Л., 1986. 56 с.

30. Деревянченко А.Г. Контроль износа и диагностика состояния режущего инструмента /ВНИИТЭМР, М., 1989. Вып. 7. - 64 с.

31. Диагностика и автоматика станочных модулей /Б.М. Бржозовский, В.В. Бондарев, М.В. Виноградов, В.А. Добряков, A.A. Игнатьев, Ю.С. Филиппов; Под ред. Б.М. Бржозовского. Саратов.: Изд-во Сарат. ун-та. - 1987. - 152 с.

32. Неразрушающий контроль с источниками высоких энергий /В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, Е.А. Гусев и др. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с.

33. Соколов Ю.Н., Опалихина О.В., Явленский К.Н. Применение фонового принципа для диагностики локальных дефектов механических систем и их элементов. СПб., 1997. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 20.01.98, N 152 В 98.

34. Злобин А.И., Опалихина О.В., Соколов Ю.Н. и др. Особенности технологии производства и испытаний высокоресурсных агрегатов автоматики космических аппаратов

35. Диагностика, информатика, метрология, экология и безопасность 98 (ДИМЭБ-98):Тез. докл. научно-технической конф. 30 июня-2 июля 1998 г.- Санкт-Петербург, 1998. - С. 85.

36. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. - 256 с.

37. Фролов К.В., Нахапетян Е.Г. Надежность и диагностирование технологического оборудования. М.: Наука, 1987. - 230 с.

38. Скорынин Ю.В. Диагностика и управление служебными характеристиками трибоситем с учетом наследственых явлений /ИНДМАШ АН БССР, Минск, 1986. 70 с.

39. Диагностирование технологического оборудования /Ю.В. Скорынин, Ю.К. Наследышев, Г Г. Какауридзе, Л. Папич /ИНДМАШ АН БССР, Минск, 1989. 70 с.

40. Васильев A.C. Сборочные погрешности прецизионных изделий в условиях технологического наследования //Вестник московского государственного технического университета. 1994. -N 4. - С. 74-80.

41. Barkov A.V., Barkova N, A, Mitchel J,S, Condition Assessment and Life Predition of Rolling Element Bearings //Sound & Vibration, 1995, June pp. 10-17, September, pp. 27-31.

42. Barkov A.V., Rogov S.N., Ioudin I.A., Archmbault R/ Algoritms for Automated Rolling Element Bearings Diagnostics //Proceeding of the 20th Annual Meeting of the Vibration Institute, Sant Louis, Missouri, USA 1996, pp. 69-73.

43. Вибрации и шум электрических машин малой мощности /Л.К. Вольков, Р.Н. Коновалов, Г.Н. Никифорова и др. Л.: Энергия, 1979. - 205 с.

44. Федоренко В В., Соколов В.Ю., Соколов Ю.Н. Определение аппроксимирующих функций вибрационных характеристик при ресурсных испытаниях электрических машин. Л. : ЦНИТЭН приборостроения пр. Д. 83.2258.

45. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов /Ф.Я. Балицкий, М.А. Иванова, А.Г. Соколова, Е.И. Хомяков. -М.: Наука, 1984. 120 с.

46. Опалихина О.В. Методика моделирования локальных дефектов механических систем и их элементов //Решетневские чтения: Тез. докл. Всесоюзной конф. 13-15 мая 1997 г.Красноярск, 1997. С. 55.

47. Фирстов В.Г., Застогин Ю.Ф., Кулебякин А.З. Автоматизированные приборы диагностики и испытаний. -М.: Машиностроение, 1995. 288 с.

48. Датчики теплотехнических и механических величин: Справочник /А.Ю. Кузин и др. — М.: Энергоатомиздат, 1996. 126 с.

49. Датчики измерительных систем. В 2-х кн. /Ж.Аш с соавт.; Перевод с фр,- М.: Мир. 1992.- 2 кн.

50. Бриндли, Кейт. Измерительные преобразователи: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 143 с.

51. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов: Пер.с англ. М.: Мир, 1982.- 428 с.

52. Хеминг Р.В. Цифровые фильтры: Пер.с англ. -М.: Сов. Радио, 1980. 224 с.

53. Куприянов М.С., Матюшкин Б Д. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Политехника,1998.-592 с.

54. Бендат Дж., Пирсол А. Применения корреляционного и спектрального анализа: Пер.с англ. -М.: Мир, 1983. -312 с.

55. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер с англ. М.: Мир, 1990. -584 с.

56. Потемкин В.Г. Система МаШЬ.Справочное пособие. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1997.-350 с.

57. Александров В.К. Моделирование на ЭВМ характеристик измерительных преобразователей механических величин /ЛИИ, Л., 1986. 88 с.

58. Аржаненко А.Ю., Чугаев Б.Н. Математические основы технической диагностики. М.: Изд-во МАИ, 1994. - 73 с.

59. Воронин В В., Костанди Г.Г. Модель изменения технического состояния объектов непрерывного типа //Надежность и диагностирование технологического оборудования. -М., Наука, 1987, с. 209-213.

60. Голубков A.B., Москвин В.Г. Моделирование колебательных процессов в механических системах /МЭИ, М., 1989. 66 с.

61. Гуляев В.А., Чаплыга В.М., Кедровский И.В. Методы и средства обработки диагностической информации в реальном времени. Киев.: Наукова думка, 1986. - 244 с.

62. Горелик A.JL, Скрипкин В.А. Методика распознавания: Учеб. пособие. М.: Высш.шк., 1984.-208 с.

63. Калявин В.П., Малышев A.M., Мозгалевский A.B. Организация систем диагностирования судового оборудования. Л.: Судостроение. 1991. - 168 с.

64. Вибрационное старение /К.М, Рагульскис, Б.Б. Стульпинас, К.Б. Тотулис; Под ред. K.M. Рагульскиса. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд., 1987. - 71 с.

65. Инженерные расчеты в триботехнике /B.C. Колебалов и др.; Под ред. К.В. Фролова /МЦНТИ, Ин-т машиноведения, М., 1990. 152 с.

66. Киселев Н.В., Сечкин В.А. Техническая диагностика методами нелинейного преобразования. Л: Энергия. Ленингр. отд., 1980. - 109 с.

67. Денисов В.Г., Нагибнев В.И. Опыт использования датчиков диагностики узлов трения

68. Судостроение. 1988. - N 8. - С. 4—42.

69. Информационно-измерительные системы технической диагностики /В.Н. Ковальский, Д А. Гречинский, В.Г. Рыгалин, Е.Д. Храбровицкая. -М.: Информприбор, 1989. -48 с.

70. Платы серии L-1250, N-1250. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ДЛИЖ 411618.001 ТО, 1996.

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

72. Фролов А.Б. Модели и методы технической диагностики. М.: Знание. 1990. - 47 с.174

73. Программные средства моделирования процессов обработки диагностических сигналов /А.Ф. Верлань, А.Е. Коваленко, А.Б. Кшенников и др./ИПМЭ, Киев, 1988. 34 с.

74. Перель Е.А., Козлов Д.Н., Ковалев A.A. Параметрическое вибродиагностирование механических систем приборов //Приборы и системы управления. 1987. -N 3. -С. 15-16.

75. Пивоваров В. А. Диагностика летательных аппаратов и авиационных двигателей МИИГА, 'М., 1995. 156 с.