автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы и средства виброакустической диагностики элементов судовой энергетической установки

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния исследуемой проблемы.

1.1. Анализ опыта эксплуатации объектов диагностирования.

1.2. Анализ методов диагностирования элементов СЭУ.

1.3. Применение виброакустического метода диагностирования технического состояния элементов СЭУ.

1.3.1. Анализ способов измерения динамических сил.

1.3.2. Анализ существующих способов определения динамических характеристик виброизолирующих конструкций.

1.4. Выводы по главе. Постановка задач исследования.

Глава 2. Теоретическое обоснование виброакустических методов, применяемых для диагностирования элементов СЭУ.

2.1. Разработка расчетной модели исследования динамических характеристик элементов СЭУ.

2.2. Разработка расчетной модели динамических сил, передаваемых виброактивным механизмом через виброизолятор фундаментным конструкциям.

2.3. Расчетная математическая модель определения коэффициента потерь энергии на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов.

2.4. Теоретическое обоснование применения метода акустической эмиссии для диагностирования трибоузлов судовых двигателей внутреннего сгорания.

2.5. Выводы по главе.

Глава 3. Методические основы диагностирования технических средств.

3.1. Общие принципы диагностирования.

3.2. Обоснование и разработка экспериментальной установки для исследования динамических характеристик виброизолирующих конструкций.

3.3. Измерительный комплекс и оценка погрешностей измерений.

3.4. Методика проведения измерений.

3.5. Обоснование и разработка экспериментальной установки для определения коэффициента потерь энергии на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов.

3.6. Аппаратура для регистрации и анализа параметров акустической эмиссии.

3.7. Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальные исследования диагностирования отдельных элементов СЭУ.

4.1. Экспериментальная проверка способа измерения динамической силы, передаваемой фундаменту через виброизолятор.

4.2. Исследование динамических характеристик виброизолирующих конструкций.

4.3. Разработка диагностической модели оценки состояния виброизолирующих конструкций.

4.3.1. Внутреннее трение в материале и конструкции как функция меры повреждений.

4.3.2. Диагностическая модель оценки технического состояния виброизолирующих конструкций.

4.4. Определение коэффициента потерь на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов.

4.5. Экспериментальные исследования по применению АЭ аппаратуры для диагностирования технического состояния узлов трения.

4.5.1. Экспериментальные исследования на машине трения ИИ5018.

4.5.2. Экспериментальные исследования диагностирования технического состояния трибоузлов двигателя.

Повышение надежности судовых энергетических установок (СЭУ) - одна из основных многоплановых проблем, включающая в себя научно-технические, организационные и экономические аспекты.

Данная проблема должна рассматриваться в отношении всех этапов жизненного цикла СЭУ (создания, использования и ликвидации), важнейшим из которых является этап эксплуатации на основе научно- обоснованных мероприятий технического обслуживания и ремонта функционально-самостоятельных элементов (ФСЭ), являющихся составными частями судовой установки. К ФСЭ относятся механизмы, способные самостоятельно функционировать и вне состава СЭУ, например двигатель внутреннего сгорания, генератор, компрессор и т.п. В организации таких мероприятий ведущая роль принадлежит техническому диагностированию СЭУ, позволяющему определить техническое состояние энергоустановки непосредственно в процессе эксплуатации, а также прогнозировать изменение технического состояния на некоторый перспективный период времени. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов применение технических средств диагностирования может дать значительный экономический эффект только за счет уменьшения затрат на техническое обслуживание и ремонт на 20.25% вследствие перехода на обслуживание по фактическому техническому состоянию, а не по регламенту и снижение расходов топлива на 1.2% вследствие организации работы СЭУ в целом на основе более точного контроля отклонения параметров установки от расчетной рабочей точки при использовании дополнительной диагностической информации, что обеспечит минимально возможный удельный расход топлива при учете реального технического состояния ФСЭ. Следует отметить, что плановые регламентные разборки ФСЭ не дают желаемого результата, так как в период работы, например, между сопрягаемыми деталями и узлами устанавливается другое сочетание размеров и зазоров, определяемое эксплутационными факторами. Также нарушение функциональных связей при последующей сборке приводит к интенсивному износу повторно в период приработки.

Разработке методологии и теории технической диагностики элементов СЭУ посвящены работы В.Н.Бырина, И.В.Возницкого, Д.В.Гаскарова, М.И.Левина, Е.Н.Климова, А.В.Мозгалевского, Ю.Н.Мясникова, В.И.Николаева, С.А.Попова, П.П.Пархоменко, Г.Ш.Розенберга, Д.А.Скороходова, О.В.Хруцкого и других.

Вместе с тем, выполненных работ еще не достаточно для практического решения проблем технического диагностирования, особенно с обоснованным предсказанием возможного отказа элементов СЭУ. В теории надежности и физики отказов существует мнение, что любые отказы - это случайные события и являются следствием ошибок, допущенных при разработке, изготовлении или эксплуатации объекта. Не отрицая полностью это мнение, следует отметить, что отказы объекта в период его эксплуатации являются следствием неточно учтенного ухудшения со временем его прочностных и функциональных параметров и характеристик, либо следствием непредвиденных нагрузок, превышающих расчетный уровень. Наиболее часто встречающейся причиной отказов является ухудшение со временем параметров и характеристик, происходящее вследствие естественных физических и физико-химических процессов в материалах элементов объекта как в процессе эксплуатации, так и вне режима эксплуатации. Развитие отказа данного элемента или объекта в целом определяется структурой и начальными свойствами материалов, нагрузкой и другими условиями, включая воздействие окружающей среды.

Проблема отказов элементов СЭУ и пути ее решения рассмотрены в работах В.С.Гаврилова, Л.Н.Карпова, Р.В.Кузьмина, М.К.Овсянникова и других. К настоящему времени в области теории и практики эксплуатации элементов СЭУ сложилась ситуация, характеризующаяся тем, что разработки связанные с повышением надежности, не полностью оправдывают себя: не достигнут требуемый уровень безотказности, а применяемые мероприятия не дают ожидаемого эффекта. Часть элементов СЭУ отказывает до наступления плановых сроков очередного ремонта, что приводит к вынужденным простоям судов и появлению неплановых работ. В то же время другая часть элементов СЭУ, оказавшихся в благоприятных условиях эксплуатации, направляется на ремонт преждевременно, до наступления предельного допустимого технического состояния. Альтернативой сложившейся ситуации является использование технических средств диагностирования ФСЭ СЭУ. Вместе с тем, следует особо отметить, что техническое диагностирование будет более эффективно, если оно будет способно заранее обнаруживать возникновение предотказного состояния элементов СЭУ.

В общем виде СЭУ можно представить как автоматизированный комплекс управления, который является ядром информационно-измерительной системы (ИИС), предназначенной для сбора, преобразования, обработки, представления и анализа информации о состоянии установки (рис. В.1.).

При этом, основное требование, предъявляемое к ИИС состоит в том, что получаемая в процессе контроля информация должна быть достаточной для оперативного и целенаправленного управления СЭУ. Данное требование выполняется с помощью автоматического управляющего устройства (АУУ) и средств измерений (СИ), которые регистрируют и преобразуют информационные потоки Е} (t) и Ег {i), характеризующие функционирование СЭУ через множество контролируемых параметров ФСЭ. Часть информационного потока ЕЛ*) преобразуется в информационный поток £з(0 5 который необходим АУУ для целей управления СЭУ.

В этом случае управление СЭУ осуществляется на основе информационного потока.

E(t) = Ex(t)V)E,[E2{t)l (В.1) где U - знак объединения.

Введение в состав ИИС технических средств диагностирования (ТСД) дает возможность получить дополнительный информационный поток Е4 (/), образованный за счет регистрации диагностических параметров, использование которых позволит определить текущее техническое состояние СЭУ. Наличие тсд

Еб

Рис. В.1. Информационная взаимосвязь элементов автоматизированной СЭУ. дает возможность организовать информационный поток Es(t), усиливающий значимость и расширяющий возможности ТСД в составе ИИС. Кроме этого, ТСД дают дополнительную информацию АУУ о состоянии СЭУ за счет наличия информационного потока E6(t), что позволяет в целом организовать более эффективно процесс управления энергетической установкой на базе обобщенного информационного потока.

E*(t) = E,(t){jE3[E2(t)]VE6[E4(t)UE5(t)] . (В.2)

Таким образом для достижения главной цели, которая заключается в обеспечении безаварийной эксплуатации СЭУ, большое значение должно отводиться ТС, и прежде всего таким, которые способны обнаруживать возникновение предотказного состояния элементов СЭУ.

Среди многочисленных способов технического диагностирования элементов СЭУ особое место отводится виброакустической диагностике. При 9 этом, источником достоверной информации о механическом состоянии узлов машин и механизмов является виброакустический сигнал, изменения свойств которого коррелированны с изменением параметров технического состояния, вызванным изменением геометрических размеров, образованием трещин в деталях, уходом параметров регулировок и т.д. Важнейшим преимуществом виброакустической диагностики является возможность обнаружения развивающихся дефектов на очень ранней стадии и прогнозирования их развития до возникновения аварийной ситуации.

Широкое применение методов виброакустического диагностирования является одним из важнейших средств повышения качества и экономической эффективности использования корабельного механического оборудования.

Современные методы виброакустического диагностирования ориентированы в первую очередь на традиционные спектрально-временные методы обработки измерительной информации, которые сложились без учета возможностей современной компьютерной техники. В настоящее время благодаря развитию современной вычислительной техники на повестку дня встала проблема разработки новых специфических методов изучения тонкой структуры виброакустических процессов и обработки виброакустических сигналов. Отсюда следует, что проблема совершенствования и развития методов виброакустической диагностики технического состояния элементов СЭУ является актуальной и в настоящее время.

Ввод:

Fi ;F2; Ai; A2; W;V;Y;C i7, sin Y F = —- F2 sin С

A2cosW A

N = 1 - <4, cosV A

F ~B — N

Q = A2 sin W A

1

Q в

B = A, sin К A в-Л N

Рис. 4.1. Алгоритм определения коэффициента потерь колебательной энергии на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов.

99

Заключение

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

1. Разработанная математическая модель диагностирования виброизолирующих конструкций СЭУ позволяет производить анализ технического состояния данных конструкций без трудоемких работ, связанных с установкой датчика силы между виброизолирующей конструкцией и фундаментом.

2. Полученная математическая модель определения динамической силы, воздействующей на фундамент через виброизолирующую конструкцию дает возможность расчетным путем находить величину динамической силы, возникающей при работе виброактивного механизма и действующей на фундамент этого механизма. При этом нет необходимости устанавливать датчик силы между фундаментом и ваброизолирующей конструкцией.

3. Сравнение экспериментальных измерений и значений, рассчитанных по разработанным математическим моделям, не противоречит экспериментальным данным.

4. Построенная математическая модель определения коэффициента потерь энергии на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов позволяет производить количественную оценку эффективности вибропоглощения композиционных материалов по сравнению с традиционными материалами.

5. В процессе проведения экспериментов разработаны и собраны экспериментальные установки для замера динамической силы, воздействующей на фундамент через виброизолирующие конструкции, для определения коэффициента потерь энергии на внутреннее трение конструкций из композиционных материалов.

1. Данные о составе морского флота СССР по состоянию на 1 января 1991 г.// Судостроение. -1991. № 6. 48-52 с.

2. Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. М.: Транспорт. 1982. - 144 с.

3. Моек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов. Л.: Судостроение. 1986. -276 с.

4. Васильев Б.В., Кофман Д.И., Эренбург С.Г. Диагностирование состояния судовых дизелей. М.: Транспорт. 1982. - 144 с.

5. Поляновский С. Диагностика корабельных дизелей. JI.: ВМА. 1979 - 246 с.

6. Половинкин В.М., Горшков В.Ф. Оценка технического состояния топливной аппаратуры судовых дизелей на основе высокочастотного акустического излучения // Сборник НТО им. акад. А.Н.Крылова. 1990. вып. 493.-43-45 с.

7. Олейник В.Н., Походий В.И., Бондаренко В.П. Устройство и оборудование современных судовых ядерных энергетических установок. Л.: ЛКИ. 1986. -88 с.

8. Дробот Ю.Б., Грешников В.А., Бачегов В.Н. Акустическое контактное течеискание. -М.: Машиностроение. 1989. 120 с.

9. Шишкин В.А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей. М.: Транспорт. 1986. - 192 с.

10. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.В. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука. 1974. - 560 с.

11. Коллакот Р. Диагностика повреждений. М.: Мир. 1989. - 512 с.

12. Дробот Ю.Б., Лазарев A.M. Неразрушающий контроль усталостных трещин акустико-эмиссионным методом. М.: Изд. Стандартов. 1987. - 128 с.

13. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. М.: Изд. Стандартов. 1989. -244 с.

14. Кузьмин Р.В. Техническое состояние и надежность судовых механизмов. -JL: Судостроение. 1974. 334 с.

15. Монахов Н.Г. Прочность и надежность элементов дизельных энергетических установок. Л.: ВМА. 1984. - 472 с.

16. Никитин Е.А., Станиславский JI.B., Улановский Э.А. и др. Диагностирование дизелеей. -М.: Машиностроение. 1987. 224 с.

17. Александров А.А., Барков А.В., Баркова Н.А. и др. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования. JI.: Судостроение. 1986. -276 с.

18. Павлов Б.В. Акустическая диагностика машин. М.: Машиностроение. 1971.-233 с.

19. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика (непрерывные объекты). М.: Высшая школа. 1975. - 207 с.

20. Башуров Б.П., Нечитайленко П.Ф., Бурчаков В.М. и др. Эксплуатация судовых насосов. М.: Транспорт. 1989. - 672 с.

21. Костецкий Б.П., Носовский И.Г. Износостойкость и антифрикционность деталей машин. Киев: Техника. 1965. - 206 с.

22. Горбачевская Л.А., Применко В.И. Коррозия авиационной техники и методы защиты от нее. Киев: КНИГА. 1977. - 118 с.

23. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытания материалов и изделий. М.: Изд. Стандартов. 1976. - 272 с.

24. Уотерхауз Р.Б. Фреттинг-коррозия. Л.: Машиностроение. 1976. - 272 с.

25. Макаров В.Г., Ситченко Л.С. Надежность трубопроводов судовых систем. -Л.:ЛКИ. 1985. 118 с.

26. Артюхов В.И., Вакар К.Б., Макаров В.И. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике. М.: Атом издат. 1980. - 216 с.

27. Горшков В.Ф., Лянной В.Б., Голованов А.И. и др. Техническое диагностирование корабельных двигателей внутреннего сгорания. СПб.: ВМА. 1997. - 184 с.

28. Денисов В.И., Сыркин П.Э. Диагностирование технического состояния автомобильных бензиновых двигателей по анализу отработавших газов. -«Двигателестроение». 1981. № 7. 40-41 с.

29. Поляков Н.С. и др. Диагностирование технического состояния дизелей методом экспрессного анализа рабочих масел. JL: ЛДНТП. 1983. - с.52-58.

30. Половинкин В.П., Лянной В.Б., Злобин В.Г. и др. Исследование влияния геомодификаторов трения, введенных в смазочные масла, на изнашивание корабельных ДВС. // Отчет по НИР. СПб.: ВМА. 1992. - 98 с.

31. Заводчиков В.М. Диагностирование топливных показателей тракторного дизеля сельскохозяйственного назначения по результатам анализа отработавших газов.//Сб. научн. трудов. JI.: ЛСХИ. 1982. - 18-21 с.

32. Диагностика автотракторных дизелей. Под ред. Ждановского М.С. Л.: Колос. 1977.-212 с.

33. Игнатов В.М. Диагностирование элементов судового энергетического оборудования методом АЭ. Дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. -Л.: ЦНИИМФ. 1979. 160 с.

34. Коллакот Р.А. Диагностирование механического оборудования. Л.: Судостроение. 1980. - 153 с.

35. Постников O.K. Виброакустическая диагностика полиграфического оборудования. -М.: Книга. 1984. 105 с.

36. Вибрация энергетических машин.: Справ, пособ. / Под ред. Н.В. Григорьева. Л.: Машиностроение. 1974. - 464 с.

37. Динамические процессы в механизмах с зубчатыми передачами / Под ред. М.Д.Генкина, Э.Л.Айрапетова. -М.: Наука. 1976. 150 с.

38. Мозгалевский А.В., Калявин В.П., Костанди Г.Г. Диагностирование электронных систем. Л.: Судостроение. 1984. - 212 с.

39. Попков В.И. Виброакустическая диагностика и снижение виброактивности судовых механизмов. JI.: Судостроение. 1974. - 208 с.

40. Попков В.И., Агафонов В.К., Орлов А.А. Методы измерения динамических сил, действующих через упругие виброизоляторы. Научно-технический отчет по теме A-XI-221. Л.: п/я В-8662. 1985. - 152 с.

41. Седаков Л.П., Мышинский Э.Л., Попков В.И., Попов А.В. Методика выявления источников повышенной вибрации судовых энергетических установок. Л.: п/я В-8662. 1984. - 68 с.

42. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. -Л.: Судостроение. 1971. 184 с.

43. Никифоров А.С., Будрин С.В. Распространение и поглощение звуковой вибрации на судах. Л.: Судостроение. 1968. - 46 с.

44. Боголепов И.И. Промышленная звукоизоляция. Л.: Судостроение. 1986. -116 с.

45. Виброизолирующие системы в машинах и механизмах / Под ред. д.т.н. Генкина М.Д. М.: Наука. 1977. - 254 с.

46. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение. 1986. - 208 с.

47. Зевске Г.В., Ионкин П.А., Нетужил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. М.-Л.: Энергия. 1965. - 210 с.

48. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. М.: Мир. 1971. -114 с.

49. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. Л.: Госиздат технико-теоретической литературы. 1951. - 158 с.

50. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. М.: Металлургиздат. 1958 - 267 с.

51. Климов Е.Н. Основы технической диагностики судовых энергетических установок. -М.: Транспорт. 1980. 116 с.

52. Колебания, излучение и демпфирование упругих структур / Под ред. д.ф-м.н. Римского-Корсакова А.В. М.: Наука. 1973. - 210 с.145

53. Безверхий В.Ф., Макаров Л.Г., Швеев В.И. Об измерении коэффициента механических потерь. JI.: СКТБ «Компенсатор». Тематический сборник. 1986. -134 с.

54. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение. 1983. - 106 с.

55. Нелинейные модели и задачи механики деформируемого твердого тела / Под. ред. ч.-к. АН СССР Фролова К.В. М.: Наука. 1984. - 248 с.

56. Васильев Б.В., Ханин С.М. Надежность судовых дизелей. М.: Транспорт. 1989.-184 с.

57. Мозгалевский А.В., Калявин В.П. Системы диагностирования судового оборудования. JI.: Судостроение. 1987. - 220 с.

58. Гаскаров Д.В. и др. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. -М.: Сов. радио. 1974. 10-12 с.

59. Ахназарова С.Я., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа. 1985. - 327с.

60. Гавршпок И.И., Карягин Ю.П., Кайдалов A.JI. и др. Разработка руководящего технического материала по использованию радиоактивных изотопов для оценки долговечности деталей корабельных ДВС. Отчет о НИР /Гос. рег.№54761. Л.: ВМОЛУА. 1976. -276с.