автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Приборы, системы и методология спектрально-корреляционного виброконтроля предаварийного состояния газотранспортного оборудования

ХАРКШСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРСИТЕТ

1гуменцев Свген Олександрович

• - ^ ■1

- / [„../' ^ УДК 261.438:534.647.083.8

ПРИЛАДИ, СИСТЕМИ ТА МЕТОДОЛОГ1Я СПЕКТРАЛБНО-КОРЕЛЯЦ1ЙНОГО В1БРОКОНТРОЛЮ ПЕРЕДАВАРШНОГО СТАНУ ГАЗОТРАНСПОРТНОГО ОБЛАДНАННЯ

Спещальшсть 05.11.13 — Прилади 1 метода контролю та визначення складу речовин

Автореферат дисертацп на здобуття наукового ступеня доктора техшчних наук

Харюв — 1999

Дисертащя е рукопис

Робота виконана в Украшськш шженерно-педагогтчнш академп ММстерства

освгги Украши.

Науковий консультант доктор техшчних наук, професор

Кузнецов Борис 1ванович, Украшська ¡нженерно-педагопчна академ1я, завщувач кафедри систем управлшня та автоматизацп промислових установок.

ОфщШш опоненти: доктор техшчних наук, професор

Александров Свген Свгенович, Харювський державний пол!техшчний ушверситет, завщувач кафедри колкних та гусеничних машин;

доктор техшчних наук, професор Бшокур 1ван Павлович,

Нацюнальний техшчиий ушверситет Украши "КШ", професор кафедри зварювального виробництва;

доктор техшчних наук, професор Хандецький Володимир Сергшович, Дншропетровський державний ушверситет, завщувач кафедри електронно-обчислювальних машин.

Провьдт установа 1нститут електрозварювання 1М. С.О. Патона НАН

Украши, м.Кшв.

Захист вщбудеться «6 » ЗД 2000 р. о М ""годит на засщанш спещал1зовано1 вчено1 ради Д 64.050.09 у Харювському державному пол1техшчному ушверситеп за адресою: 61002, м. Хармв, вул. Фрунзе, 21.

3 дисертащею можна ознайомитись в б1блютеш Харювського державного пoлiтexнiчнoro университету.

Автореферат роз!сланий « V » № 2000 р.

Вчений секретар спещал1зовано! вчено! ради

Горкунов Б.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыисть тема. Система планово-запоб1жних ремонте (ПЗР), що за-тосовуеться в нишшнш час, не забезпечуе достатньо1 надшносп агрегата 1 физводить до необгрунтованих витрат: недовикористання ресурав деталей { узлт, зайвим ¡хшм ремонтам 1 простоям. Перехщ на нову, бшыы прогресивну истему обслуговування за фактичним станом агрегатов дозволить ¡стотно зни-ити витрати запасннх частин та затрата на Ухню експлуатащю. Цей перехщ южливий тшьки при використанш розвинено! методологи та техшчних засо-йв, що забезпечують доагностування обладнання компресорних станцш (ОКС).

Складовою частиною в1бродаагностики е система виявлення дефекта та онтролю передаварШного стану ОКС, що дозволяе повшстю попереджати вщ-юви, встановлювати придатшсть до подальшоУ експлуатаци та збшьшувати р1-ень безпеки ОКС, не звертаючись при цьому до його зупинки 1 розборки. Роз-обка системи в1броконтролю базуеться на д1агностичнш шформаци, яку не-утъ кореляцшш, спектральш та кепстральш складов! в1браци, що зм1ряш в ггатних точках вим1ру, та этсно зв'язана з вивченням 1 точною ощнкою впливу ксплуатащйних дефектов на р1вень в1брацн, вiдпoвiдний справному та несправ-ому стану газоперекачувального агрегату (ГПА). В сучасних газотурбшних 'ПА не вдаетъся уникнути ушкоджень робочих лопаток, яю зумовлеш резонан-ними коливаннями, оскшьки частота власних коливань (ЧВК) неможливо вщ-грогги вщ резонансу. Встановлено, що причинами шдвищеноУ в1браци е: збшь-1ений дисбаланс деталей ротора, що обертаються; неконсервативш сили мас-яного шару пщшипниюв ковзання; ослабления або зникнення натягу на вкла-ишах шдшипншав; коробления корпусу при нев1рному тепловому розширенш; ерекоси 1 розбовташсть в пщшипниках кочення 1 ковзання; недоцентр1вка га-этурбшних установок (ГТУ). У вщцентровому нагштач1 (ВЦН) I його обв'язщ становлеш високочастотш лопатш в!браци, що призводять до неприпустимих инам1чних напружень, до руйнування Ухшх елемен-пв 1 вузл^в. По тру-опроводу — витоки в загарнш арматур!, що призводять до великих втрат газу.

До тепер1шнього часу для знаходження дефектов та в1броконтролю ОКС икористовувалися метода спектрального анал!зу в1брацп та прилади реестра-¡1 загального р1вня в1брацц. Спектральний аналУз, заснований на емшричних аних експлуатащУ, знайшов вщбиття в ряд! стандарта \ норм з загального ¡вня в1брацп, що не дозволяе контролювати передаваршний стан окремих гталей та вузл1в ОКС. Стосовно трубноУ обв'язки не ¡снуе норм та недостатньо овно розроблеш метода анашу високочасготних в1брацш. Визначення втрат «у при витоках в труб1 та у кранах, що засноване на р1знищ спектр1в та коре-щшшй функщУ сигналу шуму витоку, мае ряд недолшв та обмежень в эр1внянш з використанням перехресного кепстру та функцп когерентности.

Таким чином, на даний перюд не була розроблена методолопя спектраль-но-кореляцшного в1броконтролю передаваршного стану ОКС, 1 виникла потреба в створенш методав, систем та припадав в1броконтролк> та оцшки реального 1 передаваршного стану газотранспортного обладнання, як\ поеднують високу точшсть систем та баз даних спектрально-кореляцшного анатзу 1 прогнозуван-ня на ЕОМ з простотою портативних приладив для експрес-ощнки дефекта. Та-ке поеднання можливостей дозволить скоротити витрату енергоноспв для потреб компресорних станцш (КС), лжвщувати авари та втрати газу по мапстра-лях Украши, знизити витрати матер1ал1в та запасних частин обладнання, забез-печити безпеку Гхньо! експлуатаци.

Зв'язокроботы з науновыми программны, планами, темами. Робота викона-на згщно з национальною програмою по охорош пращ п. 14 "Розробка, нала-годження та виробництво прилад1в для д1агностики стану обладнання гадвище-но'1 небезпеки" i зв'язана з тематикою У1ПА в рамках держбюджетно! теми 01.95У012 "Автоматизащя та управлшня технолопчними процесами в клас! ба-гатоканальних квазинерцшних систем"; в рамках госпрозрахункових тем з ВО "Союзоргенергогаз" ЦО-03-93 тема 1.24 "Розробка техшчних ршень та базовш алгоритм1в диагностики газоперекачувальних агрегапв ГПА-10 вадносно задач ремонтно-техшчного обслуговування за техшчним станом" та ЦО-03-90 тема 1.21 "Проведения конструкторсько-дослщних робп- щодо створення та впро-вадження техшчних засоб1в дiaгнocтики зашрно! арматури техшчних обв'язоь в1дцентрових нагштач1в"; в рамках госпрозрахункових тем з ДК "Укртрансгаз" КУМГ-14-94 "Виявлення та рекомевдацп по усуненню в1брацп трубно? обв'язки нагштач1в турбоагрегат ГТН-25 цеха 32П Ромненьско1 КС", ЛУМГ-15-93 "Розробка методики доагностики та ушверсального портативного автоматизо-ваного в1бродаагностичного приладу для виявлення дефекпв в газоперекачувальних агрегатах", ЛУМГ-16-93 "Адаптащя в1бращйних д1агностичних ознак дефекта ГПА-Ц-6,3 до умов експлуатаци з метою переходу на обслуговуванш агрегапв за станом".

Мета / заедания доспгдження. Метою дисертадшног робота е нормуванш та прогнозування граничних парамецмв корлусно! в1брацп \ розробка та впро-вадження в практику методологи, засоб1в \ приладов спектрального, кореляцш-ного, когерентного та кепстрального в1броконтролю р1вня безпеки, ушкоджеш та передаваршного стану ОКС.

А нал Ь сучасних засоб1в досягнення мети та складшсть об'екту дослщжеш диктуе доцшьшсть комплексного подходу шляхом рипення широкого кола задач.

По-перше, теоретичного характеру:

- розробити динам1чну та математичну модел1 мехашчних коливань ГГМ для розрахунку амшптуд роторних та субгармошк спектру в1брошвидкосп кор пуЫв пщшипниив бездефектного агрегату 1 за наявшстю характерних дефекта;

- створити математичну модель нормування низькочастотноУ в1брацп, ро-торних гармошк та комбшацшних частот в1брошвидкосп з урахуванням широ-космужного шуму та визначення низькочастотних спекгральних в1бропортрепв ГПА з дефектами механичного характеру (даагностичних. ознак (ДО) дефекта);

- запропонувати динам1чну та математичну модега нестащонарних аеро-динам!чних та мехашчних коливань лопатного апарату газотурбшних установок (ГТУ), ВЦН, акустичних коливань потоку газу та мехашчних кодивань об-в'язки ВЦН для розрахунку низькочастотних самозбуджуваних коливань та ви-сокочастотних амплитуд лопатних частот спектру в1брошвидкосп корпуав пщ-шипншпв ГПА та обв'язки ВЦН;

- розробити математичну модель нормування високочастотно! в1брацп ГПА та обв'язки ВЦН, лопатних гармошк в1брошвидкосп та виявлення сшв-вщлошення амплпуд лопатних та бокових смуг частот при змш1 ЧВК лопаток, за наявшстю характерних ушкоджень лопатного апарату та функцюнального стану ГПА;

- встановити властивосп перехресного кепстру вузькосмужного випад-кового сигналу для щентифшацп джерел дефекпв, виявлення кпсць тeчi та на-пружень в газопровод!;

- визначити втрати газу за допомогою спектрально! щшьносп та коге-рентносп в1бросигналу корпуса затрно! арматури, збуджуваного шумом вито-ку негерметичного крану.

По-друге, методичного характеру:

- отримати методики, алгоритми та програми ЕОМ для анатзу та роз-шифровки в1бращйного сигналу на основ1 швидкого перетворення Фур'е (ШПФ);

- обчислити спектр, кепстр, кореляцшну функцш, функцп когерентносп та щшьносп ¡мов!рност1 в1брацшного сигналу;

- вдосконалити методики визначення потужносп ГПА, видатку та к.к.д. ВЦН, видатку паливного газу та к.к.д. ГТУ за теплотехшчними параметрами;

- розробити методики в1бродаагностики ГПА, алгоритми пошуку, розпо-дшу та щентифшацп дефекта та д1агностичну базу даних на ЕОМ для збертан-ня поточного в1бростану та прогнозування ресурсу ГПА.

- запропонувати методики визначення витоку газу в газопровода та витоку в затршй арматур! за реестращею в1брошвидкосп корпусу крана, що збуд-жуеться шумом витоку зашрно! арматури.

По-трете, експериментального характеру:

- провести сгатистичну обробку даних В1бровипробувань великого парку ЭКС, та встановити закон розподшу щшьносп ¡мов1рносп амгаптуд спектраль-яих складових, IX 1мов1рншних моментов та норм в1брошвидкосп бездефектного эбладнання;

- внести штучш ушкодження в умовах експлуатацн обладнання на КС та отримати спектральш в1бропортрети несправностей механичного, аеродинам1ч-ного характеру та залежносп лопатних амшптуд вщ функционального стану (видатку, к.к.д., патужнот);

- провести стендов 1 в1бровипробування несправних вузл1в, елеменпв та деталей для отримання даагностичних ознак дефекта ОКС;

По-четверте, конструкторсько-тех>юло?лчпого характеру:

- створити систему вим1ру, збер1гання, перетворення, передач! та оброб-ки на ЕОМ в1бросигналу та визначення 1 прогнозування поточного та перед-аваршного техьпчного стану ГПА на основ! колектор!в-збирач1в;

- вдосконалити допом1жш прилади визначення об'емно! та масово! ви-трати технологичного газу та стенда? для проведения в)бровипробувань та тару-вання дефекта;

- розробити сер по припадав для експрес-оцшки поточного та передаварш-ного техтчного стану ГПА, лопатного апарату, виявлення витоку в зашрнш арматур^ що М1стять лопчш пристро! розшзнання, розподшу та класифйсацп дефектов.

Наукова новизна одержанихрезультатов полягае в тому, що:

- отримаш у явному виглядд 1 пщтверджеш експериментально залежносп амоштуд роторних, субгармошк та комбшацшшгх частот в^брошвидкосп кор-пус1в пщпшпншав ГПА та IX стввщношення (спектральш в1бропортрети) вщ дисбалансу та недоцентр1вки ротор1в, перекосу, розбовтаносп, зникнення натягу, зазору пщшипштав кочення та сковзання [1, 2,4, 6,11];

- встановлеш аналгшчш залежносп кпж амшнтудами лопатних частот в1брошвидкосп корпуав ОКС та к.к.д., видатком, потужностями, витоком ГТУ 1 ВЦН; доведена залежшсть киж амшптудами бокових смуг лопатних частот в1брошвидкост1 корпуав пщшипншав ГПА та забрудненням, шдр1зом, грш?инами, обривом \ резонансом ЧВК лопаток [3, 7, 14, 15];

- да стала подальший розвиток експериментальна залежшсть М1Ж низько-частотною самозбуджуваною в1бращею обв'язки ВЦН та швидюстю потоку газу, числом Струхаля, акустичними та оболонковими резонансними коливання-ми газопроводу [7, 12, 14];

- дослщжена поведшка в1брацп парку ГПА 1 показано, що амгштуди роторних гармошк спектру в1браци парку носять випадковий характер з Релее-вою щщыпстю розподшу ¡мов1рностей та розроблено метод нормування ампль туд гармошйних складових низькочастотного 1 високочастотного спектру тб-рошвидкосп корпуав ОКС [5, 9, 10, 22], який вщр1зняеться вщ нормування за-гального р1вня в1брацп тим, що дозволяе знаходити дефекта ГПА;

- отримана наближена анаштична залежшсть м!ж ЧВК, напруженням лопаток 1 газопроводу та швидоспо 1 часом розповсюдження пружних поздовжних

хвиль; да стала подальший розвиток цдльшсть розподшу 1мов1рностей Вейбула ЧВК лопаток та швидкосп поздовжних хвиль [1, 3, 17, 30, 31];

- визначено новий ефект пшв перехресного кепстру шд час розповсюд-ження вузькосмужного випадкового процесу, в!броакустичного сигналу, що збуджуеться шумом витоку в газопровод! [18, 19, 28], який вщр1зняеться вщ ко-релящйно1 функцн тим, що дозволяе отримати час затримки розповсюдження вузькосмужного сигналу;

- удосконалено та доведено експериментально анал1тичну залежшсть ?.пж р1внем спектру в1браци корпуса негерметично! затрно! арматури та функщею когерентносп в!бросигналу, що збуджуеться шумом витоку крану [8, 25, 27, 29];

- розроблено нову систему в!брод!агностики ГПА з використанням ведомого принципу чисел двшково-восьмир!чного коду та рекурентного закону чисел ряду (Кбонач! для встановлення сшввщношення ампл!туд роторно!, по-ловинно! та подв!йно! гармошк в!браци корпусу ГПА за наявн!стю таких дефектов: дисбалансу та недоцентр!вки ротор1в, перекосу, розбовтаност!, зникнен-ня натягу та зазору в пщшипниках [20, 22, 24, 26].

Практичне значения одержаних результат¡в полягае в розширенш даапа-зону шформацц про природу в!брац!йних процеав ! можливосп нормування ! розрахунку науковими закладами очкуваних параметров в!брацп до проведения натурних в!бровипробувань ОКС на стад!1 проектування зразгав ново1 техш-ки. Застосування методик ддагностування, бази даних прогнозування ! приладив експрес-ощнки техтчного стану дозволяе ращонально виробляти ресурс ГПА та попереджувати !хш авар!! в умовах експлуатацн на КС.

Результата дослщження ув!йшли у методики: Методика вибродиагностики технического состояния газоперекачивающих агрегатов ГПА-10 и ГПА-10-01 в условиях эксплуатации на компрессорных станциях газовой промышленности (Кит, 1995); Порядок проведения экспертизы газотранспортного оборудования. ДНАОП 0.00-8.15-97 (Кмв, 1997); Методика М.2-97. Диагностирование трубопроводов высокого давления систем газоснабжения (Харюв, 1997); Инструкция по определению дополнительного ресурса нагнетателей природного газа типа ИР 2 ВВ-30 (Харюв, 1998); Методика комплексной оценки технического состояния газопроводов высокого давления систем газоснабжения с определением срока эксплуатации (Ки!в, 1997); Положение об организации обучения, подготовки и аттестации специалистов газовой промышленности по специальности «Техническая диагностика газотранспортного оборудования» (Кшв, 1995).

Методики д!агностування, що захищеш патентами Украгаи,! д!агностич-на база даних, що реал!зована на колекторах-збирачах «Ескод», «Мшролог», «2034 ф!рми Брюль ! К'ер», «ДСА-2001», впроваджено в УМГ «Кшвтрансгаз», «Харк!втрансгаз», «Льв!втрансгаз», «Донбастрансгаз», ГПУ «Харшвгазвидсбу-вання», ГПУ «Шебелинкагазвидобування».

Розроблеш ВД прилади: В1Д, ВКТС, АТ-1, ям захигцеш патентами Украь ни, включалися в галузев1 програми ДК «Укртрансгаз» 1 «Держнаглядохорон-пращ» та пройшли експериментальне впровадження в УМГ «Льв1втрансгаз», «Кшвтрансгаз», «Донбастрансгаз». Сумарний економ1чний ефект складае 2375 тис. грн. в цшах 1998 р.

Особистий внесок здобувача полягае в наступному:

- сформульовано науково-прикладну проблему в1броконтролю передава-, ршного стану ОКС, поставлено мету наукових дослщжень, видшено аспекти

проблеми та доведена можл!шсть вщмшити и в сучасних умовах, суча сними науково-техшчними засобами; обгрунтовано засоби теоретичних та експери-ментальних дослщжень, пщ його кер1вництвом виршено весь комплекс задач [1,2, 3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,15, 16, 22];

- самостшно проведено в а теоретичш роботи, розроблено математичш модели метода 1'хнього виршування, сформовано та оформлено результата, виршено задачу визначення низькочастотного 1 високочастотного спектру в1бращ5 ГПА 1 обв'язки ВЦН у нормальному I дефектному станах (спектральш

. в1бропортрети), розроблено методи щентифшацп дефект!в [1, 2, 3, 14, 15];

- розроблено норми загального р1вня та амплитуд роторних гармошк складових спектру в1брацп ОКС [5, 10];

- розроблено нов1 методи вщпрацювання ВА сигналу (взаемний кепстр) ] вир1шено задачу щентифшацп джерел перюдичних сигнал1в, визначення напру-жень та виявлення витоку в трубопровод! за допомогою перехресного кепстру Розроблено методику виявлення втрат газу при витоку в зашршй арлгатург зг реестращею функцп когерентносп [8,13,18,19,25,27,28,29];

- сшльно з сшвробтиками кафедри та оргашзащями-замовникам^ здобувач пров1в експериментальш дослщження, самостийно пров1в анамз 1 ш терпретацш результатов, пщ його кер1вництвом проведен! в1бровипробуванш великого парку обладнання та виконана статистична обробка в1броспектрн ОКС вщомими методами теори 1мов1рностей [1,4, 12, 18,22];

- розроблено алгоритми пошуку дефекта за допомогою двшково-вось мир1чного коду, зааб розподщу дефектов за допомогою автокепстру, як1 увш шли в методики та даагностичш прилади [20, 21, 22, 23];

- розроблено техшчш завдання на розробку програм ЕОМ та виготов лення експериментальних стенд1в, допом1жного вим1рювального обладнання т; даагностичних приладав [24, 26, 27];

- створено методику знаходження дефекта, д1агностична база дани ЕОМ та д1агностичш прилади [10, 11, 17, 21, 22, 23, 24];

- здобувач брав безпосередньо участь в метролопчшй атестаци та у впрс вадженш систем 1 засоб!в в1бродаагностики (ВД) на КС, одержав самостшш акт впровадження дисертаци та патенти Украши [20,21,22,23,25,26,27,28,29,30,31]

- публисаци [2, 3, 8, 12 — 19, 21, 23 — 31] виконаш особисто; в роботах, до опублшоват у ствавторсгта, дисертанту належить:

- у роботах [1, 10, 11, 22] — математична модель oi6pani) та дефектов ЭКС, програма експериментальних дослщжень та техшчне завдання на виго-говлення приладив; , , : -

- у робот! [4] — експериментальш в1бровипробовування турбодетандера га ВЦН i штерпреташя результате;

- у робот1 [6] — розрахунки згинального моменту;

- у роботах [5, 9] — ¡мов!ршсна модель нормування загального р1вня та шшитуд спектру в^брацп ГПА;

- у робой [7] — математична модель лопатних коливань ВЦН;

- у робот! [20] — залежносп М1ж складовими спектру та дефектами i гехшчне завдання на виготовлення приладу.

Апробацы результатов дисертацИ Матер1али дисертацп доповщалися i збговорювалися на:

- республжанськш науково-техшчнш конференцй «Диагностика трубо-лроводов» (Кременчук, 1991);

- м1жнародному симпоз1ум1 «Шум и вибрация на транспорте» (Санкт-Петербург, 1992);

- м1жнародному тематичному ceMÎHapi «Диагностика оборудования и трубопроводов» (Одеса, 1991, 1992, ¡993, 1994, 1996, 1997);

- м^жнароднш конференцй' «Энергодиагностика и CONDITION MONITORING» (Москва, 1995, 1998);

- м1жнароднш конференцй' по боротьб1 з шумом i Biôpauieio «NOISE-93» [Санкт-Петербург, 1993);

- III Всесоюзнш науково-техшчнш конференцй «Вибрация. Вибродиаг-иостика. Проблемы стандартизации» (Нижнш Новгород, 1991);

- мщнароднш дшовш 3ycrpi4i «Трубодиагностика» (Ялта, 1992, 1993, 1994, 1995, 1996);

- Всесоюзнш науково-техшчнш конференцй' «Борьба с шумами и вибрацией» (Леншград, 1991);

- галузевш науково-техшчнш конференцй' «Обеспечение экологической и безопасной эксплуатации газотранспортной системы Украины» (Черкаси, 1992);

- на науково-практичнш конференцй' «Нафта i газ Украши» (Кшв, 1994, XapKiB, 1996);

- 14-й науково-техшчнш конференцй' «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996);

- Fourth International Congress on Sound and Vibration (St. Petersburg, 1996);

- науково-практичнш конференцй «Сучасш прилади,' матер1али, технологи для техтчно! диагностики та неруйшвного контролю нафтогазового,

х1м1чного, енергетичного обладнання» (1вано-Франювськ, 1996);

- науково-практпчнш конференцп з м1Жнародною учасгю «Новое в безо пасности жизнедеятельности и экологии» (Санкт-Петербург, 1996);

- м1жнароднш науково-техшчнш конференцп «Современные проблемъ машиностроения и технический прогресс» (Донецьк, 1996, 1997, 1998);

- науково-техшчнш конференцп «Системы управления— конверсия — проблемы» (Ковров, 1996);

- науково-техшчнш конференцп з м^жнародною участю «Проблемы ав томатизированного электропривода» (Крим, 1996, 1997, 1998, 1999);

- конференцп «Неразрушающий контроль—9б»(Кшв, 1996);

- II украшськш науково-техшчнш конференцп «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» (Дшпропетровськ, 1997);

- м1жнароднш конференцп «Качество и сертификация — гарантия успеха» (Ялта, 1997);

- науково-техшчнш конференцп «Современные приборы, материалы V технологии для технической диагностики» (Хармв, 1998);

- трегш, п'ятш та шоспй Украшських конференщях з автоматичногс управлшня «Автоматика-96», «Автоматика-98», «Автоматика-99» (Севастополь, 1996; Кшв, 1998; Хармв, 1999);

- м!жнароднш конференщ! «Современные методы и средства неразру-шающего контроля и технической диагностики» (Крим, 1998);

- II Всеукрашськш науково-практичшй конференцп з охорони прац «Охорона пращ в Украпп: стан, проблеми, перспектива» (Кшв, 1997);

- 7-й Свропейськш конференцп' по неруйшвному контролю (Копенгаген,

1998).

Публмаци.

За темою дисертацп опублжовано 62 друковаш роботи, серед яких одна монография, 26провщних фахових видань, 18 друкованих праць, 5 авторськш свщоцтв, 9 патента Украши, 2 препринта, 2 депоноваш рукописи. В автореферат! наведено 31 основну наукову працю.

Обсяг I структура роботи.

Дисертащйна робота складаеться з1 вступу, в якому подано и загальну характеристику, п'яти роздшв, списку джерел, як1 використаш, що складае 211 назв пубткацш, та додатку. Обсяг друкованого тексту складае 337 сторшок, в тому чист 35 шюстрацш та 6 таблиць.

ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступит частит сформульована проблема дослщжень, суть яко! поля-гае в створенш методологп та техшчних засоб1в контролю, оцшки та прогнозу-вання техшчного стану ОКС без розбору та зупинки в умовах експлуатацп яг

КС за сшввщношенням кореляцшних, спектральних та кепстральних складових в1бросигналу, що супроводжуе роботу обладнання. Дал1 подана загальна ха-рактерисппса робота, приведена структура дисертацн.

В першому роздШ описано об'ект в1броконтролю: газотранспортне обладнання, що складаеться з ГТУ, ВЦН, обв'язки ВЦН та затрно'У арматури (Рис.1). Проанал1зовано об'ект 1 предмет дослвдження: методолопя спектрального, ко-реляцшного, когерентного 1 кепстрального в1броконтролю та в!брод1агностика поточного, дефектного та передаваршного стану газотранспортного обладнання. Визначено аспекти техшчного стану ОКС: структурний, функщональний, ф1зичний, динам1чний та в1брацшний.

Рис.1 Схема вим!ру та обробки ВА сигналу ОКС Вщзначаеться, що проблем! В1броконтролю передаваршного стану ОКС в газовш промисловосп присвячено велику кшьюсть робгг, в яких наведеш результата теоретичних ! експериментальних дослщжень, алгоритми, програми ЕОМ, системи 1 прилади реестрацй' загального р1вня та спектрального анал1зу ВА сигналу. Однак треба зазначити, що деяк! питания дослщжень залишилися невир1шеними: не проведено кшьмсну оцшку нормування амплпуд! не розроб-лено методику розрахунку р1вшв роторних гармошк складових спектру в1брацп ОКС, не повшстю дотримуються вимоги визначення дефекта до детал1, тобто

не встановлеш анагптичш залежносп г,пж дефектом 1 р1внем спектральних скла-дових в1брацц ГПА.

Детальний анал1з вщзначених питань дозволив обгрунтувати необхщ-шсгь обробки великих обсялв в^бращйно!шформацп складно! динам1чно! сис-теми, якою е ОКС, за допомогою комп'ютерних засоб1в. Широке розповсю-дження ЕОМ дозволяс розв'язати цю проблему на високому техшчному р1вш, забезпечивши пошук ушкоджень ОКС з необхщною глибиною засобами в1бро-контролю. 3 урахуванням стану всього комплексу питань доведена можлив!сгь виршити проблему дослщження в сучасних умовах сучасними засобами.

Складшсть об'екту в1броконтролю при розробщ методологи систем i приладив для прийняття ршень про передаваршний стан виявлясгься в багатоаспек-тносп проблемно! задача дослщжень. Визначено таи аспекта проблеми: мас-штабний, моделювання, нормування, вим1ру, розшифровки, нагромадження та збери-ання сигналу, метролопчний, меггодолопчний, алгоритм1чний, прогнозу-вання, конструкторсько-технолопчний та техшко-економ1чний. Анал1з вах аспектов техшчного стану ОКС та проблемно! задач! в^броконтролю передаварш-ного стану дозволив звести и до р!шення задач теоретичного, експерименталь-ного, методолопчного 1 конструкторсько-технолопчного характеру та кожний аспект закрити ршенням вщповадно! конкретно! приватно! задач!, що визначилс свое м1сце у розв'язанш проблеми в)броконтролю передаваршного стану ОКС.

Другий роздш присвячено обгрунтуванню вибору напрямку дослщжень : в!броконтроля передаваршного стану газотранспортного обладнання, роз-робщ теоретичних основ математичного моделювання ВА процеав I створенш метод1в, програм ЕОМ, засоб1в для вим)рювання 1 обробки ВА сигналу.

Основним методом теоретичних дослщжень е метод математичного моде лювання з використанням щей щентифшацп 1 застосуванням ЕОМ. У цьому ви падку будуеться динам1чна 1 математична модель коливальних контуров ГПА ВЦН, ГТУ, обв'язки ВЦН, зашрно! арматой, складаються 1 виршуються дифе ренц^альш р1вняння з використанням метод1в лшшно! та нелшишо! теор! коливань. Метою моделювання коливань ОКС е отримання карта (таблищ) не справностей, в якш наведена вщловщшсть ВА сигналу ДО ушкоджень.

Заключною стадаею ВД е розробка мекдав визначення техшчного стан; деталей ! вузл1в ГПА, розшзнавання дефектов 1 прогнозування ресурсу. Метода дослщжень засноваш на теорп розшзнавання образ;в. В^броконтроль передава ршного стану деталей 1 вузл1в штерпретують як розшзнання клаав техшчни: сташв деCj.it(к=1,...,п) — компонента(ознаки)векторукласу ^ п<

сукупност! ВА характеристик. Алгоритми розшзнавання засноваш на пор1внян ш тт або шшо! м!ри близькосп стану, що розшзнаеться сДС/,; •••С/л)» ДО С;

(к=1,...,п) — компонента (ознаки) вектору техшчного стану 3 кожним кла

сом ¿¡j. Тут використовувались просте пор1вняння в певних частотних д1апазо-

нах, двшково-восьмиричш коди i кода чисел Ф1бонасп в розподш амплггуд на р1зномаштних частотних гармошках. Шдстань по Хеммшгу i Евклщова вщ-стань використовуеться для спещально вщбраних дискретних складових спектру. Найбшьш вживаною Miporo схожосп е скалярний здобуток двох вектор1в або нормований коефпцент кореляцп:

Ay

f n v n n

1С?

jk

-1/2

(0

k=I Ak=l )_

Застосовуються iMOBipHicHi оцшки р1знищ спектр1в, що пор1внюються у всьому частотному доапазош, де будуються пстограми i iMOBipHicHi момента розподщу pi3HHui cneKTpie.

Прогнозування ресурсу деталей i вузл^в засноване на екстраполяцй трен-д1в ВА параметров у 4aci. Математичш модел! вибиралися на основ} ф1зичних процеав розвитку параметров Bi6pauii в перюд життя i старшня ГПА, ГТУ i ВЦН у вигляда = А, ехр(Сд), (k=l,...,n), де t— час; коефкиенти Ас, Вс,

С; —визначаються за розрахунком Cix(t) при t=tj, (j=l,2.....n).

Одним з найбшьш ефективних метода експериментального анал1зу ВА сигнал1в е спектральний анал1з. Стандартна апаратура спектрального анализу Bi6pauii i шуму включае в1бродатчики, колектор-збирач (вим1рювальний магш-тофон), плату аналого-цифрового перетворювача (АЦП), спещатзовану ЕОМ (див. Рис.1). У випадках, не передбачених у системах BiiMipy i обробки В А сигналу стандартною апаратурою, використовувались додатков! схеми BUMipiB. Основу схеми BHMipie складае така апаратура: в1бродатчик; вим1рювальний магнитофон або колектор-збирач; ЕОМ з АЦП. Як плати АЦП використовувались росшськ! ушверсальш адаптери аналого-цифрового введення/виведення NVL03 i NVL08, вбудоваш в ЕОМ. Для двоканального режиму обробки ВА сигналу використовувалася звукова карта ESS 1688, що поставляеться спшьно з ЕОМ типу Pentium.

Програмне забезпечення на ЕОМ побудоване на ШПФ функцй x(t), а саме:

X(/,T)=Jx(t)-exp(-i27r/t)dt, (2)

о

це Т— юнцевий час фшггно'1 реал1зацп; /— частота. Дискретна

зпрокамащя вираження (2) е:

Х(/,Т)=Д1§хкехр(-/2яДД1), (3)

к=0

ie Xk=x(kAt), k=l,2,...,N; At — штервал часу м1ж виб1рками; N — число спосте-режень хк. Для обчислення кореляцшно1 функцп проведено усереднення фипт-яих реал1зацш (3) в частотнш облает! динам!чних спектр!в процесу, що анал1зу-

еться, тобто отримаш його енергетичш спектри СххОО, а теля цього виконан зворотне перетворення Фур'е. Аналогично взаемнш кореляцшнш функн введено поняття взаемного (перехресного) енергетичного кепстру:

де т — час затримки сигналу; Ф — перетворення Фур'е. При безпосередньом зворотному перетворенш Фур'е в кепстр1 операци множення в обласл орипна л1в вщповщае операщя згортання в обласп зображення. Як нелшшне перетвс рення, кепстр волод!е цшим рядом властивостей, що вигщно вщ^зняють йог в щ звичайно! функцп кореляцн.

Розроблено програми ЕОМ для обчислення функцп когерентносп, пстс грам щшьносп розлодапу ВА сигналу о ДО, ¡мов1ршсних моментов до четвертс го порядку; д1агностичн1 програми, що використовують щщьшсть ¡мов1рноа р1знищ спектр1в, як1 дослщжуються; даагностичш програми, що визначают скалярний здобуток 1 Евклщову вщстань двох вектор!в-спектр1в (див. Рис.1).

Запропоновано метод визначення витрат газу в ВЦН для проведенн спшьних теплотехшчних 1 В1бращйних випробувань. Метод засновано на в1д носнш стабшьносп характеристик ВЦН у координатах «приведена вщносн лотужшсть — приведена об'емна продуктившсть». За вилпряними параметрам] оберт1в ВЦН, температури 1 тиску на входа 1 виход1 ВЦН приведет витрат] технолопчного газу С>пр визначають з куб1чного р1вняння:

де пн, пг — номшальш та поточш оберти; кг — показник пол1тропи; Ь, Тн, Тк -температура та абсолютна температура на вход! 1 вихода ВЦН; Иг— газов; посггшна; Во, В|, В2, Вз —коефщенти апроск1мацп "приведено! вщносно! потуж носп". Подальше використання отриманого р!вняння дозволяе визначит! к.к.д., потужшсть I коеф1щент техшчного стану ВЦН.

Для реестраци об'емно! витрати паливного газу розроблено 1 виготовлен( вихровий витратом1р. У витратол«р] пота газу, зриваючись (турбул1зуючись) турбул1затора, створюе дор1жку Кармана-Рубаха у вигляда пульсацн тиску частотою/=8Ь с!й, де вЬ — число Струхаля; с — швидаасть потоку газу; с! — д1 аметр турбул!затору. Розроблено програму ЕОМ розрахунку коефиценпв тех шчного стану ГТУ 1 ГПА, яку сумйцено з програмою розрахунку показнию: ВЦН 1 паливного газу.

У третьему роздШ розроблено динам1чш1 матемагачш модел1 ВА про цеав ОКС. Математична модель роторних гармошк спектру ГПА розроблена; вигляда нелшшних диференщальних р1внянь коливань ротора.

В303пр + В,02ПР + (В, -В4^пр + В0 = 0;

в4=кг(кг-1)-Чнкг(тк-тнХп„/пг)2.

/ N

2

х + Хрх + V

= е©2Со5оП, (6)

^ к=1

де х,т1 — вщносш в1броперем1щення у вертикальному та горизонтальному на-прямках; а-2тс/ — кругова частота обертання ротору; Хр — ЧВК ротору; е — вщносний ексцентриситет ротору; V — малий параметр; %о, фо — вщносне пере-мщення ст1йко1 р1вноваги.та фаза коливань цапфи тдшипника; С£+2— кшь-К1сть сполучень.

Застосовуючи метод малого параметру для ршення диференщальних р1внянь 1 вводя чи сшввщношення М1Ж коефщ1ентами жорсткосп ротора I корпуса за допомогою передавально1 функцп з р1вносп динам1чних сил, що дпоть на корпус 1 цапфу, отримано вираження для вщносноГ амплпуди к-то1 гармошки в1брошвидкосп корпуса подлинника висловлене через ампл1туду в1брошвидкосл першо! гармоники VI, у виглядп

^к = «1 (к +1)-• У,к_|; а1=Х2р4(1-Хо)-Кр-Дп-Со8ф0/(ш3-Кк);

а2 =1/[2(1-Хо)-Ап -ю-СоБфо]; (к = 2,3,...), де Як — ЧВК корпусу; КР, Кк — коефвденти жорсткосп ротору та корпусу; Ап — зазор у тдшипнику. Розподих роторних гармошк р1вшв в1брошвидкост1 корпуав пщшипниюв бездефектного ГПА (шгатна точках зам!'ру) залежить тшьки вщ амплпуди першо'1 роторно! гармошки спектру. Теоретично встановлено, що щшьшсть розподшу амшптуди першо1 роторно! гармонии 1 дисбалансу ротора шдкорясться закону Релея. Виходячи з вигляду щщьносп розподшу, отримано ощнки допустимого V/ 1 граничного V? значень загального р1вня в^брацп ГПА.

V/ =КШ ■с(У1)-ф+4(а/КшУа1(Ч); ХР -а^-ф +7(а/Ки,М^);

,--(о)

а = 0,35 • Кр • А?р • ^ • /к2 + 6Хо ■ Д„ ' • Хо 0 - Хо К

де Кш — коефпцент шуму; о (VI) — с.к.з. амгоптуди першо? роторно'1 гармошки. Отримаш вираження застосовано для нормування в!брацп агрегат1в ГТК-10, ГТ-750-6, ВЦН-235 та ВТ ДА з використанням даних експериментальних дослщ-жень. Величина припустимого значения загального р1вня в1брошвидкосп У| = 6,5 мм/с за перерахунком до кнуючих норм вщповщае градацп «добре».

Аналопчно (8) отримано сшввщношення для нормування граничного 1 допустимого VI значень амшптуд роторних гармошк

V,8 = К111кл.2кКр(к + 1Ук>(^ /Кш /(4Ккх'Акп~' ш"^); (к = 2,3,...), (9)

не К„,,к — коефшент, аналопчний Кш; У^— граничне значения VI. Отримане сгаввщношення дозволяе пронормувати гранично допустим! р1вш амшптуд роторних гармошк в!брошвидкосп корпуав пщшипниюв ГПА з дефектами, що

зароджуються, а як граничш р1вш дефектних агрегата взяти подвоене значенш останшх. Коефвденти а, о.\,аг\ аз можна отримати для вах титв шдшипниюе бездефектного ГПА за допомогою експериментальних даних шлях о V апроксимацп амшнтуд роторних гармошк сшввщношенням (7).

Результата розрахуншв коефвдента апроксимацп реальних спектрй агрегату ГТ-750-6 при У1=3,1 мм/с; Уг=0,8 мм/с; Уз=0,3 мм/с; У4=0,2 мм/с дор1внюють а1=2,4; а2=0,11. Для агрегату ГТК-10 при ¥1=5,5 мм/с; Уг=2,0 мм/с Уз=1,5 мм/с; У4=1 мм/с р1вш оа=2,2; а2=0,1. Отримаш значения а1 I аг добре погоджуються з розрахунковими даними.

При перевищенш граничного р1вня будь-якою з роторних гармонж дл> виявлення основних причин пщвищеного р1вня в!брацн розроблено ряд моделей низькочастотних коливань ГПА. Для субгармошчних коливань половинно: кратносп при збшьшеному зазор! в шдшипников! ковзання отримано стввщ-ношения для вщносно'! амплиуди субгармошчних коливань:

4,/2=^/2/У1=7(0Д5еГ1-1)/2, (Ю

де е! - вщносна амшптуда коливань першо! роторно! гармошки в^броперемг щення цапфи у шдшипнику. Збшылення вертикального зазору в шдшипников агрегату ГТ-750-6 в процеа зносу антифрикцшно! поверхю вкладишу призво-дать до меж! сликост!! гостро!' настройки на субгармон!чний резонанс. У цьо-му випадку при середньому значенш амплпуди в!брошвидкост! першо! роторно! гармошки VI=6,5 мм/с амшптуда субгармошки максимальна ! дор!внк>( у1у2=4,6 мм/с.

Подальше зростання зазору в шдшипников! ковзання призводить дс втрати стшкосп 1 до автоколивань ротора на маслянш пл!вц!. Вщносна амшп туда автоколивань корпус!в пщшипгошв 1 подана у вигляд! вщносно:

амплпуди коливань цапф п!дшипник!в, яка обчислюеться з алгебра!чногс р!вняння четвертого ступеню вщносно квадрату ампл!туди. Для агрегату ГТ-750-6 розрахунки показують, що Уа=22 мм/с, а вщносна амшптуда автокода вань дор1внюе

При втрат! натягу! появ! зазору в одн!й призматичн!й прокладщ, напри клад в вертикальнш площиш, значения коефвдештв жорсткосп в вертикально му ! горизонтальному напрямках неоднаковь Для цъого випадку складено сис тему диференщальних р!внянь з коефвдентами, як! пер!одично зм!нюються (ко ефвдентами жорсткост!), що описуе кваз!гармон!чш коливання.

2х + + Я2С)+ (Х2В + >4)' СоБшф г|(4 - >.2с)3тю1=0; ]

2ц + + Я2С)+ (%2В - Совш^-н х(я2в - А^тюг = О, де Гв=Хв/со; — вщносна та абсолютна ЧВК вкладишу пщшипника; гс=Хс/ю 1л — вщносна та абсолютна ЧВК системи "ротор—пщшипник".

Систему (11) можна звести до р!вняння Мат'е (з вщомими ршеннями фун-кцй' Мат'е). За теоремою Флоке перюдичш ршення р1вняння (11) будуть з частотами со i га/2. Сшввщношення м!ж амплитудами коливань отримаш з ршення р1вняння Мат'е i визначаються нелшшшстю, зумовленою зазорами м1ж прокладкою вкладишу i корпусом подшипника. Подальше ослабления кртлення тдшипншмв кочення i зникнення натягу на вкладишах пщшипнишв ковзання призводить до прослизання обойми i появи мехашчних коливань з частотами, кратними роторним гармошкам, що описуються нелшшними диференщальни-ми р1вняннями. Встановлено, що в цьому випадку спостер1гаеться зростання третьо! роторно! гармошки з вщносною амплитудою Уз/Vi

= 1,5-104 D2 -гв6 -ш" -д;1 -K¡2(r2 -iffr2 -9)-', (12)

де D — дисбаланс ротора; Ав — зазор у вкладиыи пщшипника; Кв — коефщент жорсткосто вкладишу. Для ротора електродвигуна СТД-4000 при гв=3 амплпуда третьо! роторно! гармоники значно перевищуе першу роторну гармошку. Зазор Дв=100 мкм з амплитудою першо! роторно! гармошки Vi=6 мм/с для гв=1/2 дасть £з=0,6. Резонансний випадок, коли гв=1, також достатньо повно вивчений. Для великих значень зазору Дв диференщальне р1вняння коливань вирпиено асимптотичним методом з нелшшною вщновлюючою силою F(X), що складена з

BÍnpi3KÍB прямих, у вигляда = vKarc2r~2k(l - к2) ', де Ка — коефвдент, що зале-

жить вщ зазору Дв. Проведена оцшка íik для гв =1/2 i отримано £2=0,48; §з=0,24.

Перекоси обойми шдшипшшв кочення, несшввкшсть двох пцщгапншпв або недоцентр1вки роторов призводять до двояко! жорсткосп цапф пщшипни-kíb, у яких значения жорсткосп ротора по двом взаемно перпендикулярним на-прямкам pi3HOMaHÍTHÍ. За теоремою Флоке маемо стойки коливання з частотою o i 2со. Амплпуда друго! гармошки сум1рна з амплпудою першо! i може Г! перевищувати. Комбшацшш частота коливань представляють коливання, що збуджуються на сумарних або р1зшсних частотах двох poTopiß, коли два ротори з р1зномаштними частотами обертання coi i со2 зв'язаш м1ж собою пром1жним тдшипником. Для пояснения походження частот (юг-си) i (coz+coi) застосовано акустичну аналопю з комбшацшними тонами, що дозволяе це явище пов'язати з нелшшно! асиметричною пружшстю системи.

Вираження для амплитуд лопатних гармон1к Ул j спектру в!брацп ВЦН для загального випадку мае вигляд:

Vjij =2Я -Кщ, -KQ(l-riH)R~l -К.^1; (j = l,2,...), (13)

де гл — кшьюсть лопаток; К1Л1, Kq, Кн — коефвденти; г|н — полпротчний к.к.д. ВЦН; Rh — радаус робочого колеса ВЦН.

Дефекта, що виникають в проточнш частиш ВЦН, достатньо повно вивчеш, до них вщносяться: збшьшення витоку газу через ущшьнення по по-

кривному диску; ерсшя газового тракту; пщр1з лопаток колеса нагштача сольов! вщкладення в м1жлопатному канал!. При в!дхиленнях вщ номшальни; розм!р!в кроюв, кут!в настанов лопаток, товщин вихщних кромок, полз швидкостей, тиску та купв потоку на фшсованому раддус! колеса ВЦН пер!одом с не крок настанови лопаток, як в однородному колес!, а в загальном\ випадку вся довжина кола. При цьому в неоднорщнш решггц! виникае увеа низькочастотний дискретний спектр, а вираження в1брац!'1 корпус!в гпдшипни юв математично описують явище амшнтудно! модуляцп:

оо к 1X1 К. 1

vnj(0~ V,, • ]sinOza<Bt)+ ^-JS-sinKjz,© + sa>>]+ -sco>][;

S=l 1 S=1

2 - L~ " " / J % 2 -y (14

0 = 1 A...) (s = 1,2,4

де Km - парщальний коефвдент модуляцп у випадку подмзу лопатки i неодно рщного колеса вщповщно дор!внюе: Кт-2/гл; Km = ■ 5(КтЛ), де 6(Кшзк) — коеф!ц!ент Bapiauii. Вщсоткове вщношення ампл!туд верхшх i нижн!х боковш частот jz.?co±sco до ампштуди несучо! лопатно!' частота j&co при закупорщ кана лу колеса з гл-14 скпадае Km/2=z~'=7%. Для неоднородного бездефектного колеса з рЬницею ЧВК лопаток 8(KHBk) =0,3% це вщношення складае Кт/2=1,5%.

Аналопчно сп!вв!дношенню (14) отримано вираження для сил, як! ство рюються ступеней лопаток турбши або компресора i дпоть на ротор ГГУ. Ди ференц!альн! р1вняння коливань «вал-диск-лопатки» для цього випадкз отримано з узагальненого принципу Остроградського-Гам!льтона, а ршенш piBHHHb дае значения комплексного обертаючого моменту М,:

М, =kif2wt{r,)-Gq

Ы [_q=! V л

де Рл — сили тиску, що дшть на лопатку; Wk, фк — фазовий кут та коефвдент динам!чносп; rq — вщносна ЧВК лопатки; Gq —- штеграли [1]. Переходячи вц обертаючого моменту до сил, отримано вираження для р!зноманггних BapiaHTii збурюючих сил, що дають на ротор ГТУ. Особливий випадок представляют! резонансн! коливання лопаток неоднорщного колеса, коли (rj)k«l (k=l,..,&), д< (rj)k —послщовносп випадкових розладнань вщносних власних частот лопато* вздовж кола колеса. Вираження для сили (P(t)) в цьому випадку дор!внюе:

■Sin(scút) (s =1,2,..), (15

P(t) = Pj

1 + О^д/я/z,, • 5(wk ) • £sin(scot)

sinOz.ot); 0 = (s = U,

де Pj — амплитуда сили j-roi лопатно!' частота. Для обчислення коефвдента ва pianii 6(wk) необхщно визначити математичне очшування та дисперс!ю коефщг енту динам!чносп Wk. Для близько! оц!нки коеф!ц!ент динам!чност! апроксимо вано експоненщальною функц!ею, а в модел! використано ¡мов1ршсний пщхц

10 оцшки ЧВК лопаток турбокомпресора. При обрив! одше! лопатки Ст/2= г"1, а якщо в результат! трвдини ЧВК лопатки на нерезонансному ступе-

н зменшилася \ увшшла в резонанс (ч=1), то Кш/2=я/6е2л, де бе — логарифм1ч-гай декремент затухания. Наприклад, при кшькосп лопаток на п'ятому ступеш урбокомпресора ГТК-10 гл=23, при обрив! лопатки отримаемо вщношення ам-шпуди боково! частота к несучо!, що дор1внюе Кщ/2=4,4%, а для резонансно! гопатки першого ступеня при гл=29 Кт/2=2, тобто ампл!туда боково! частота в ;ва рази перевищуе несучу (глсо). При резонансних коливаннях лопаток з [оефвдентом вар!ац!! власних частот, обчислених за допомогою експерименту, |(^)=0,02, для п'ятого ступеня вкьового компресору ГТК-10 вщношення мплпуд боково! частота к несучо! складае Кш/2=13%.

Для розрахунку амплпуд коливань корпуав пщшипниюв на лопатних [астотах розроблено програму ЕОМ. Результата розрахунюв в!брац!! турбо-:омпресора ГТК-10 на ЕОМ свщчать, що для нерезонансного ступеня амшиту-;и коливань корпус!в пщшипшшв на лопатних частотах (¡гла) знаходяться в дапазош0,39 -ь 1,57 мм/с, а для резонансного ступеня гр1 можуть досягати зна-:ень 8,5 мм/с. Оцшка змши ЧВК лопаток в процеа накопичення втомних на-[ружень для р!зноманггно! сили затиснення хвостовик!в показали, що зменшен-[я ЧВК пружно! лопатки складае 11%, що значно бшыпе середньо! р!знищ ЧВК опаток вздовж ступень

3 трубно! обв'язки ВЦН у даному роздал! подано математичну модель ульсацп потоку газу, що генеруеться нагштачем. Залежшсть р1вня пульсаци иску (рд) потоку газу вщ витрат та к.к.д. мае вигляд:

рд =УндКий(1-Л„Кс3Кн(8!прДсАЛ/2(ЗЬнгл)-1, (17)

;е 7н — щшьшсть газу; С> — витрати газу; и — крок робочих лопаток; Ьн — ши-ина колеса ВЦН; Дн — зазор М1Ж корпусом та колесом ВЦН; р — кут виходу щносно! швидкосп колеса ВЦН. Визначено акустичш ЧВК та ЧВК цшпндрич-о! оболонки ! наведено розрахунок динам!чних напружень та амплитуд в!бро-шидкосп труби в р!зноман!тних режимах експлуатацп. Вираження с.к.з. для мпл!туди в!брошвидкост! трубно! обв'язки на лопатних частотах сол подано у игляд!:

у8к = г^ДгЛ©,^-^)2 +(5е/я)2гк^; к = 1,2,3,..., (18)

е ус — щшьшсть матер!алу труби; Ьт — товщина труби; Пс — вщносна ЧВК болонки; А$к — ампл!туда (с.к.з.) пульсац!! таску. Розрахунки в!брошвидкосгп рубно! обв'язки на першш лопатнш частот! нагштача 650-22-2 показують, що ри значенш лопатно! частота /л= 1480 Гц спостерщаеться гострий резонанс 1=1 з оболонковою частотою порядку 10, а кшьцева частота/к =1642

Гц мае незначну вщбудову вщ резонансу з лопатною частотою. Максимальна амплпуда в1брошвидкосп при 5е=0,1 1 значениях втрат в колеЫ нагштача 0,01 4- 0,1 знаходиться в межах 3,9 -г 39 мм/с, що добре погоджуеться з експери-ментальними даними. При визначенш екв1валентних динам1чних напруг обо-лонки за теор1ею найбшыиих лшшних деформащй, отримано коеф1щент змен-шення р1вшв високочастотних норм в1брошвидкосп у пор^внянш з низькочас-тотними нормами у в иг ляда:

кт = [(п2-0/п2+ (19;

де v,, — коефвдент Пуасона; п — порядок форми коливань. Значения коефицен-та (19) для трубнох обв'язки агрегату ГНТ-25 при Ьт/1^т=0,032 i при п-><» (взяте з запасом) дор1вшое Кт= 1,9.

Для реестрацп сигналу теч1 на труб! встановлюють два або три датчики 1 за взаемною кореляцшною функщею визначають час затримки м1ж сигналами. При великш швидкосп витания газу \ малих д1аметрах щшини вузькосмуж-ний випадковий процес близький до гармошчного I при обчисленш взаемно! кореляцшно! функцп виникають труднопц, т.щ. кореляцшна функщя кожного тракту е косинусоща, 1 видшення окремих траюпв неможливе. Логарифмування такого сигналу немовби збшьшуе складову широкоголосного шуму. Наприк-лад, якщо сшввщношення шуму до спектрально! щшьносп гармошчного сигналу дор!внюе 0,1; 0,01 ! 0,001, то гпсля логарифмування це сшввщношення зростае 1 дор1внюе 0,5; 0,33 ! 0,25, а коефщ!енти пщсилення для розглянутих ви-падмв складають 5, 33, 250. Кепстр (4) вузькосмужного випадкового процесу та такого, що переходить в гармошчний, мае вигляд:

зш2яВш1 ВшОг со&п/^ ----------1--

л/л 4

2яВш1 а]

де Вш,/г— частотний ддапазон шуму 1 частота гармошчних коливань; вг, Аг — спектральна щщьшеть шуму 1 амплпуда гармошчних коливань; стг — коефвд-ент апроксимацц вузькосмужного випадкового процесу Гаусовим розподшом. При стг->0 (вузькосмужний випадковий процес переходить в гармошчний) О г -» 4^(ехр)(Вш + /г2), 1 сшввщношення (20) описуе кореляцшну функцш вже широкосмужного випадкового процесу в частотному даапазош Вш з амгой-тудою От/с1, а при ог -> 0 значения кореляцшно! функцй в нул1 прямуе до не-скшченность Якщо час затримки розповсюдження пружних поздовжних хвиль тк) знаходити за допомогою кепстру (20), то за змшою часу затримки Ат ВА сигналу напруженого газопроводу знаходимо напругу ад у виглядк Од = 2ЕОтДт(т^-тк)~' + ат(1-(Зт), де Е, От— модуль пружносп I лшшного змщнення; сгт — межа плинность

Звукова потужшсть (Wxp), що генеруеться зашрною арматурою в обласп передкритичних перепадав тиску, пропорщйна кубу наддишкового тиску i пло-

Щ1 ццлини крану: W^, =ккр(Рн-Pfc)3Fffly^c3B, де ккр— коефплент шуму; Р„,

Pt — тиск на входа i виход! крану; Fm — площа щшини витоку крану; у»? — щшьшсть газу; с5В — швидюсть звуку. В обласп понадкритичних перепад1в тис-юв наростання звуково! потужносп за збшыпенням перепаду тиску на краш вщбуваеться менш ¡нтенсивно. Приблизно 3MiHa звуково! потужносп в цш обласп може бути подана в виглядг.

Wkp=W;(Ph-Pk).(AP*)-1, (21)

тут W* — звукова потужшсть шуму затрно! арматури при перепада тиску на кра-

iii ДР*, що вщповщае критичному значению. Р1вняння (21) по зм1ряному значению р!вня в1брошвидкосп в дБ дозволяс визначити площу щшини витоку крану Fm i, отже, трати витоку в краш при критичному перепада тиску (кр № 1 i № 2).

Для спрощення процедури д1агностування i експрес-ощнювання наявносп витоку у кранах пропонуеться ощнку проводити за функщсю когерентносп двох в1бращйних сигнал1в корпуса крану у*у(/). При цьому для герметичного

крану УхУ(/)=0, а задача визначення наявносп витоку заснована на обчисленш функцп взаемно! когерентносп в частотному д1апазош 12 -ь 42 кГц i визначенш

коефщ1'ентатехшчного стану крану: К^ = гГ1^ 1 - 0,5Jy\у(/k){jyly(fk) +1).

k=l ^

У четвертому роздШ подано експериментальш дослщження ВА сигналу засобом спектрального аналву. Як визначальний параметр використовуеться в1брошвидк1сть. Встановлено, що шдшипники — найкраще м1сце для вим1ру Bi6pauiii ГПА, бо саме в цих точках прикладаються ochobhI динамi4Hi наванта-ження i зусилля.

Для з'ясування в1брацшного стану ГПА i побудови характерного спектру в^брошвидкосп KopnyciB пщшипгашв у частотному д1апазон) до 400 -з- 500 Гц проведено натурni в1бровипробування великого парку ГПА в умовах КС. 1спи-ти проводилися на КС PAT «Газпром» i КС ДК «Укртрансгаз» у перюд 1985 -1998 роюв на стацюнарних газотурбшних ГПА ГТ-750-6 i ГТК-10, на агрегатах з судновим приводом ГПА-10 i ГПА-10-01 «Волна» на агрегатах з ав1ащйним приводом ГПА-Ц-6,3, на агрегатах з електроприводом СТД-4000 i СТД-12,500, на ¡мпортних агрегатах ф1рм «Солар», «Демаг», «Купер Бессемер». Проводилися випробування турбодетандерних агрегапв, ВЦН, р13номаштних ташв газо-дувок, пов1тродувок, самостшш випробування окремих електродвигушв.

Дошдження спектру В1браци стацюнарних газотурбшних ГПА показали, що в усьому д1апазош частот, що доопджуеться (вщ 20 до 500 Гц), cnocrrepira-

еться суцшьний безперервний спектр з дискретними викидами на частотах, що в1дпов!дають розрахунковим (субгармоншам \ роторним гармоникам).

Спектральний анал1з дозволив встановити в подальшому, що найбшьш характерними частотними складовими, р1вга яких змнпоготься при виникнеши дефект ГПА, е перил чотири роторш гармошки. 1шш гармошки низькочас-тотного д!апазону практично не несуть шформацп, бо змша Ухнього р!вня сум1рна з похибкою вим1ру.

Спектри в1брошвидкосп низькочастотного диапазону однороторного ГПА подтвердили розрахунков1 дан! про законогшршсть розподшу р1вшв роторних гармошк. Розподш цих ршшв шдкоряеться спадному закону (Рис.2а). Тут гз/7/р— номер роторно! гармоники; /р— роторна частота. Аналопчш результата отримано для двухроторного ГПА-10 з судновим двигуном.

Отримаш в роздш 3 сшввщношення дозволяють нормувата роторш гармошки спектру в1брошвидкосп корпуав пщшипниюв агрегат ГТ-750-6, ГЛА-Ц-6,3, ГТК-Ю \ ГПА-Ю. Для побудови норм в^брошвидкосп бездефектного ГПА окр1м анал!тичних залежностей (3) ! (4) використовувались статистичш даш в^бровипробувань 1 обчислення р1вшв по ¡мов1ршсним формулам. Низько-частотний даапазон спектру розбито на к шддаапазошв ! в кожному шдд1апазо-ш проведена статистична обробка с.к.з. р1вшв в1брошвидкосп. Зокрема, для агрегату ГПА-10 к=8, а означеш р!вш в!брацп в певних доапазонах частот, яю вщ-повщають р1зномаштним яюсним станам агрегату, е опорними масками В1бра-щйного спектру (Рис.3).

Встановлено, що дефект дисбалансу ротора не порушуе закон убування амплпуд гармошк (2), бо дисбаланс пропорщйний амплпуд1 першо! гармошки (див. Рис.2а). При недоцентр!вках збуджуеться друга роторна (г=2) гармошка (Рис.2б) та висока власна частота коливань ротора з модульованою амшнту-дою, яка залежить вщ пер ¡оду прямування ¡мпульав муфти. Несшввкшсть \

Незадовшьно V Задовшьно ¡ус У// ЛобпеТ/

переюс шдшипник1 в зумов-люють збшьшення р!вня дру-гоТ роторноТ (г=2) гармошки, як при недоцентр!вках (див. Рис.2б). Стосовно пром1жно-го пщшипника агрегата ГПА-10-01 при перекосах спостерь гаються подвшш сумарш 1 р]'зницев! частота! складов!,

300 /, Гц

Рис.3. Опорна маска В1брошвидкоспГПА-10-01. взагаш вщповщае теоретичному розподшу.

Ослабления натягу на вкладишах супроводжуеться значним зростанням половинних роторних гармошк у рад1альних напрямках к-то! кратно сл. Повне зникнення натягу на вкладишах пщшипника значно збшьшус р1вень третьо! гармошки ротора 1 супроводжуеться зростанням першо! роторно! гармоники.

Як показав досвщ експлуатащ'Г агрегату Г1ТА-10, основною причиною вщмов двигуна ДР59Л (до 80%) е вихщ з ладу задньо! опори КВТ (кульковий пщшипник) або пром^жного роликового шдшипника. В спектр! коливань корпуса пщшипника з'являються тдшипников! частота, зумовлеш дефектами обойми та куль тдшипшшв.

Високочастотш лопатн! частота 1 боков! смуги частот найбшьш яскраво виявляються на корпус! напп'тача (Рис.4б)). Для експериментально!" перев!рки д!агностичних ознак дефект!в ВЦН за високочастотними складовими спектру в'гбрацп сумкт в\брацшм ! теплотехш'чш випробування ВЦН проводилися од-ночасно на трьох агрегатах ГТУ-25 одного цеху на Ромненськш КС. Для до-слщжень були вибраш два справних агрегата ! один з дефектом колеса 1 лопа-

V»,

8

мм/с

• у' • /• /1 ст № 2(т1=0,7 5)

• •

• • 1 с • т №3(п =0,83)

мм/с 1л

Ъ+1

гл-2 ъ+2

Л/ЦА/ и/

400 500 600 700 (^.м'/мин

а) ампл!туди лопатних частот 650-22-2

12 13 14 15 16 17 г

а) спектр в!брошвидкосп НЦ-16-75

Рис.4. Високочастотна в!бращ'я корпуЫв ВЦН.

4

6

4

2

ток колеса ВЦН. Залсжшсть амгштуди лопатноУ гармошки (Рис.4а) вщ витрат (Q) показуе, що Í3 збшьшенням витрат i паданиям к.к.д. спостершаеться зро-стання Bi6pauií, що вдаовщае попередшм експериментально-статистичним да-ним i математичнш модел! лопатних частот. Колесо нагштача ВЦН ст. № 2 míc-тить фрезерован} лопатки, що створюе ефект пщр1зок лопаток, а д1аметр колеса дещо перебшьшуе д1аметр звичайних кол!с ВЦН ст. № 1 i ст. № 3, що тягне за собою зменшення к.к.д. Встановлено, що для дефектного ВЦН ст. № 2 лопатш Bi6pauií значно вищ1 (див. Рис.4а), а спектр м¡стать велику кшьюсть бокових смуг (див. Рис.4б) в вщповщносп з теоретичними результатами.

Статистика високочастотноУ BÍ6pauiY парку бездефектних ГТУ показала, що в cneKTpi в1брошвидкосп стащонарних, суднових, ав!ацшних приводш ГПА присутш лопата! частота турб1н i компресора. Амшптуди лопатних гармонйс мш i значно мепш! за амшитуду першо'У роторноУ rapMOHiiai. Встановлено, що на корпусах пщшипштав лопатш частота з великими ршнями виникають ттльки на резонансних або близьких до резонансу режимах робота ступеня.

Низькочастотна в1брашя дослщжувалася на КС «Курская» для обв'язок, що обладнаш штатними датчиками тиску, агрегаттв ГПА-Ц-16 i ГТУ-25И. Основними частотними викидами спектру по двох типах агрегата е 8 Гц, 65 Гц i 186 Гц. Частотний викид 8 Гц утворений пульсашями таску у всмоктуючому колектор1 в трйнику з глухим вщводом до кр. № 1 обв'язки ВЦН ГПА-Ц-16 при перехода труби ДУ 1020 в трубу ДУ 720. Частота 65 Гц i 186 Гц е власною оболонковою частотою коливань труби.

Для визначення мюцеположення теч! в ipy6i експериментальш досл1джен-ня проводилися на наземному трубопровод! подач! повпря пщ таском у Хар-ювський метрополией. Викиди кепстральноУ функцй' для шковоУ частота шуму значно перевищують викиди кореляцшноУ функцй', а для сушжних частотних даапазошв cyMipHi мт собою (Табл).

Таблиця

Поширення ВА сигналу у трубопровода

№ п/п Серед-ня частота, кГц Час розпов-сюдження ¡зпбних хвиль, мс Швидаасть ¡злбних хвиль, м/с Розрахунко-ва швидюсть í3tí6hhx хвиль, м/с Вщстань м1ж датчиками, м Амгаптуда кор. функцй, мв Амплпуда кепстру, мв

1 19,2 0,53 1887 1890 1,0 825 3422

2 7,93 1892 1890 15,0 647 2703

3 13,16 1889 1890 25,0 451 1903

4 26,46 1890 1890 50,0 250 1003

1 37 0,38 2631 2620 1.0 123 140

2 5,72 2622 2620 15,0 103 ПО

3 9,51 2629 2620 25,0 79 86

4 19,16 2610 2620 50,0 22 28

При поширенш вузькочастотного сигналу застосовувався взаемний кепстр (Рис.5а), бо кореляцшна функшя (Ах*(т)) е косинусоща (Рис.5б), i за-тримку часу поширення сигналу витоку визначити неможливо (див.Рис.5).

кху(х), мв

НА

-10а-

-200--—

-зоо.-

т =-28 мс (час затримки сигналу)

Аху(т), MB

\ Л ■fl 50- Л А Л

Ч 0 20 zj мс

-50

/ / V V/ / 1

а) взаемний кепстр

б) взаемна корелящйна функц1я

Рис.5. Поширення вузькосмужного сигналу (/=62 Гц).

Експериментальш дослщження регулюючо!' заоинки здшснювалися на стенда кафедри турбш ХДГГУ. Отримано дв1 доагностичш ознаки наявносп витоку в заслшцк змн:а форми спектру i зростання р1вня потужносп вг'броакустично-го сигналу; змша форми i зростання р1вня функци когерентность В1броакусгачш випробування зашрноГ арматури проводилися на КС ДК «Укртрансгаз» i PAT «Газпром» для кр. № 1, № 2 i № 3 обв'язки ВЦН i режимних крашв ДУ1000. Для KuibKicHOi ощнки величини витоку, при випробувашп дефектного шарового крану ДУ1000, отримана лнпйна залежшсть потужносп шуму крану в сумарних тре-тинооктавних смутах частот (П) в дБ въд логарифма витрати витоку газу (Рис.6).

Проводився статистичний анал13 функци когерентносп ВА сигналу за-nipHoi арматури за наявносп витоку. Встановлено, якщо середньостатистична величина нормовано'1 функшУ когерентност1" в частотному д1апазош 12 -ь 45 кГц перевищуе величину 0,13, кран тече (див. Рис.6).

ДЙ

0,6 0,4 0,2

(О

/АуЛ^у

Алл

герметичний кран

Ал^

0,6

0,4

0,2

i 1 q=94 mvmhh

» • / • • к

1

35 40 45 50 П, дБ б) витрати вщ в1брошвидкосп

0 10 20 30 40 /кГц а) когерентш'сть сигналу

Рис.6. Параметри шуму i витрат витоку газу та pieroi корпусно'У BiGpauii у кранах № 1 i № 2 (ДУ1000) обв'язки ВЦН агрегату ГТК-10-2.

У

ДБ|

140

Рис.7. До прогнозування.

П'ятийрозЫл — прилади, системи та методики даагностування. Розробленс систему даагностування агрегатов ГПА-10-01, ГТК-10-2, ГТ-750-6 та ГПА-Ц-6,3.

При розвитку дефекту с.к.з. в1брошвидкос-то зростае по експоненто за часом в частотному даапазош, що обумовлений характерним ушкод-женням. Експоненщальне зростання р1вшв в1б-рацп в логарифм1чному масштаб! (У в децибелах) представляють лшшною функщею часу, а коефщент куту нахилу прямо! тренду е м1рою

Т, тис.год. швидкосто розвитку дефекту (Рис.7),

Для проведения безрозб1рно! дефектацн агрегатов ГТ-750-6 1 ГТК-10 за експлуатацшних умов призначено прилад в^брацшного контролю техшчного стану ВКТС-1. Модифжащя приладу ВКТС-1 вщбувалася на шляху використання м!к-ропроцесора, в якому фшьтрування частотних складових здшснювалося на основ! ШПФ в !ндикаторов1 дефектов (А1Д-2). Алгоритм розтзнання дефектов за-сновано на тому, що нижня ! верхня границ! областо р1вшв в1брошвидкосто бездефектного агрегату шдкоряються рекурентному закону розподшу чисел, ана-лопчно ряду Ф1бонач!. Розроблено ряд приладав В1Д, що використовують просто аналогов! фшьтри для видшення характерних частотних складових спектру 1 подальше! експрес-ощнки техн!чного стану ГПА. Найбшьш досконалий ушверсальний прилад В1Д-201 е спещашзованим приладом 1 призначений для вим1ру в виробничих умовах в1брацй турбоагрегатов типу ГТК-10, ГТ-750-6, ГПА-Ц-6,3 1 електричних агрегатов типу СТД-4000, СТД-12,500-2 ! ор!ентовно! ощнки !'хнього в1бростану шляхом шдикацй результатов вим1р1в в цифровому виглядо. Прилад дозволяе: здшенювати настройку на першу гармошку; за до-помогою перемикача здшенювати настройку на другу 1 половинну гармон1ку; за результатами зам!р1в зд!йснювати дефектащю агрегатов; здшенювати зам!р загальнот р1вня в!брошвидкосто; здшенювати нормування значень в1брацн на першш, друпй [ половиннш гармошках вдаосно заздалепдь вибраних значень; у процеа вим!р1в зд!йснювати контроль частоти настройки фшьтру, що перебу-довуеться.

У прилада сигнал вщ в1бродатчика подають на комутатор 1 лопчний при-стрш. Формують два двшково-восьмиричш кода, в!дпов!дних десятковш цифр! ! складених з молодших! старших розряд1в дв!йкових чисел у залежносто вщ пе-ревищення сигналу припустимого та граничного р1вшв одше! друго'!, першо!! друго'! гармонш. Визначають на р!динокристал1чному шдикатор! за цифрою, складеною з молодших розрядав, бездефектний стан агрегату або найменування дефекту, а за цифрою з! старших розряд^в — р1вень (ступшь небезпеки) дефекту:

«задов!льно», «незадовшьно» або «додатковий дефект» (Рис.8).

Недоцентр^вка (незадовшьно)

0,5 i 2 г

Рис.8. Алгоритм формування коду.

Для вим1ру коефвдента техшчного стану за потужшстю розроблено систему реестраци ампл!туди куту закручування ротора на частот! для ротора з робо-чими лопатками колеса нагштача, яка об-ладнана антив1братором. Розроблено конструкцио приладу контролю цшснос--п лопаток на працюючому ГПА (ПКТЛ-1). Принцип дп приладу побудо-вано на пор1внянн1 величини ¡мпульав частота мерехтшня лопаток I видач1 ш-формаци про змшу положения периферш-но'1 кромки лопатки за наявносп трщини. Принцип до портативного приладу «Акустичний шукач витоку» засновано на тому, що в д!апазош частот 12 -г- 40 кГц р!вень середньоквадратичного значения в1брошвидкосп корпуса крану зв'яза-ний лшшною залежшспо з витратою витоку газу.

ОСНОВН1 РЕЗУЛЬТАТИ I ВИСНОВКИ

1. Гснукга метода в1брод1 агностики ОКС, шо Спрямоваш на розробку ал-горитм1в та при лад! в, побудоваш лише на статистичних даних в!брообстежень та досвщ! експлуатац!! \ не застосовують експеримент та теоретичш методи ¡дентифжаци джерел та видав в!брацп, наштовхнулися на ряд обмежень принци-пового характеру: по-перше. трудшстю пояснения появи дискретних частотних викид!в спектру; по-друге. вщсутшспо аналггичних залежностей М1ж р!внем спектральних складових та юльюсною характеристикою ушкодження; по-трете. неможлив!стю перенесения отриманих результате на д!агностику обладнання ¡ншого типу.

2. Засоби виявлення дефект) обробки в^бросигналу ОКС за допомогою стандартних прилад!в спектрального анал!зу без використання когерентних, кепстральних 1 кореляцшних залежностей в1бросигналу не вир!шують проблему контролю передавар!йного стану: по-перше. призводять до помилок при ¡ден-тафжаш! дефекта ГПА; по-друге. не визначають мшцезнаходження джерела витоку в газопровода; по-третс. не визначають наявшсть ! кшьшсть витоку газу в затрнш арматур!.

3. Виршено пауково-прикладну проблему в!броконтролю передаварш-ного стану ОКС, значения яко!' для науки 1 практики полягае в наступному: по-перше. в створенш методологи оц!нки реального стану за складовими спектру в1брацп, принцишв в!броконтролю передавар!йного стану! стратеги прогнозу-

вання остаточного ресурсу ОКС за допомогою кепстру; по-друге. в створенш методик 1 приладав вшмру в1броакустичних параметр1в з автомагачним визна-ченням дефектов ГПА; по-третс. в створенш методик 1 прилад1в для визначення м!сця витоку газу в газопровода I величини витоку газу в зашрнш арматур! при втрат1 нею герметичноеп за функщею когерентносп, кореляцп та кепстру.

4. За допомогою статистично}' обробки даних в1бровипробувань встано-влено, що техшчний стан ОКС характеризуется в1брац1ею корпуав обладнан-ня, а кожен дефект вносить свш особливий внесок в сумарну в1брацпо. Видшен-ня в1бращйного вкладу дефекта здшснюеться за допомогою спектрально-коре-ляцшного аналпу. Характерними особливостями спектру в1брацп ОКС с таю: по-перше. спектральний склад в1брацп корпуЫв ОКС зображуе суцщышй без-перервний спектр з дискретними складовими, що мостить роторш та субгармо-шчш частота обертання, самозбуджуючо коливашм резонансного характеру, лопатш в1брацй з боковими смутами частот; по-друге. р1вень в1брошвидкосп дискретних частотних складових спектру на 10 -г 30 дБ перевищуе безперервний спектр; по-третс. справний та дефектний стан обладнання повшстю визна-чаеться сшввщношенням р1вня дискретних складових, а суцшьний спектр е ши-рокосмужним шумом неминучих завад.

5. Створеш математичш модел1 розрахунку та нормування спектральних складових низькочастотного та високочастотного сигналу бездефектного та за наявносп дефекту ГПА, дозволили: по-перше. спланувати експериментальш дослщження та статастичну обробку результате в1бровипробувань \ виршити, що \ де спостер1гати у спектр1 В1брацн ОКС; по-друге, отримата анал1тичш за-лежносп м1ж параметрами техшчного стану та р1внем в1брацГУ спектральних складових в1брошвидкосп корпуав ОКС; по-третс. отримата досвщ розр1знен-ня одного техшчного стану ОКС вщ шшого та виявити сшвв1дношення кшькос-т1 р!вня спектральних складових, що Ум вщповщають. Отримаш результата об-грунтоваш пор1внянням з експериментальними доапдженнями та шдтверджу-ються повторениям Ух пщ час перев1рок на р1зних типах ГПА: ГТК-10, ГТ-750-6, ГПА-10, ГПА-Ц-6,3, ГПА-Ц-16, турбодегандерах, електродвигунах, турбокомпресорах, пов1тродувках та газодувках.

6. Розроблена математична модель розрахунку перехресного кепстру вобросигналу та застосування алгоритму 1 програми ЕОМ для анал1зу вузько-смужного випадкового процесу або детермшованоУ В1бращУ разом з1 широко-смужним шумом малого р1вня, якою е в1бращя корпуав ОКС, показали, що кепстр в цьому випадку «схожий» на кореляцшну функщю широкосмужного шуму. Отримаш результата дозволили застосувати що еласттгасть кепстру для щентафшацГУ тракта розповсюдження сигналу, де застосування кореляцшноУ функцй' мае ряд нестатюв та обмежень, що дозволило: по-перше. щентифпсува-ти джерело детермшованоУ в1браца; по-друге. розробити споаб визначення мк>

ця м!кровитоку газу в газопровода; по-трете. розробити cnoci6 визначення ста-тичних напружень та вдосконалити cnoci6 визначення товщини газопроводу. Достов1ршсгь способу доведено практикою вюрокоитролю нафто- та газопровода.

7. Методика для визначення витоку газу в затрнщ арматур! за функщею когерентносп ВА сигналу застосовуеться для будь-якого типу шдземних та на-земних краш'в та не вимагае попередньо! тар1ровки. Для кшькюно! оцшки втрат газу отримано лшшну залежшсть логарифму кктькосто втрат вщ сумарного piB-ня Bi6panii* крану у дБ для кожного третиннооктавного частотного д1апазону. Проведена тарировка кшькосто втрат газу затрно! арматури, що втратила гер-метичн!сть, на КС та в стендових умовах.

8. Створення стенд!в для експериментальних доошджень зажадало роз-робки допом1жних методик та прилад1в для вим!рювання витрати паливного газу ГТУ i технолопчного газу ВЦН, к.к.д. та потужносп ВЦН i ГТУ за тепло-техшчними параметрам, що дозволило: по-перше. провести цшеспрямований експеримент з внесениям штучних ушкоджень, тдтвердити та обгрунтувати в!брод1агностичш теоретичш ознаки; по-друге. використати одержат експе-риментальн] дат для визначення характерних ушкоджень ОКС; по-трете. використати параметричш методики та прилади визначення функцюнального стану ГПА в якосп додаткових для збшьшення в1ропдносп даагностування. Похибка розроблено! методики складае: по витратах — 2,8%; по потужносп — 2,6%; по к.к.д. — 0,5 %; вихрового витратом!ра— 1%, що значно менше похибки кную-чих метода в, застосованих в газовш промисловосто Укра'ши.

9. Заключною стад ею дослщжень з'явилося створення даагностично! бази даних ГПА для нагромадження, збершання та обробки в1бросигналу, визначення поточного i передаваршного техшчного стану та прогнозування ресурсу за трендом ВА параметр!в. Д1агностична база даних складаеться з таких складщдав: по-перше. техшчних 3aco6ie вим1рювання та обробки сигналу i ЕОМ для реашзацп алгориншв диагностики та прогнозування, яю включають колектори-збирач! «Ескод», «М^кролог», «ДСА-2001», плати АЦП та звуков! плати ЕОМ, ЕОМ типу Pentium та «2034 ф1рми Брюль i К'ер»; сумарна похибка Bcix 3aco6iB шш1рювально! схеми складае 10,3%; по-друге. алгоритмов та програм ЕОМ ШПФ в)бросигналу, розшзнавання дефектов шляхом пор1вняння з спектральними в^бропортретами дефектов (опорними масками) та обчислю-ванням трендав амшптуди видшених спектральних складових, розподшу дефектов, зумовлених перюдичними процесами однаково! частоти, за допомогою кепстру; по-трете. алгоритм1в та програм ЕОМ нагромадження, збершання та серв1ровки Bi6pauii, класифжащя н за точками вим!рювання, агрегатами, цехами та КС для побудови трендав д1агноетачиих ознак ycix агрегатов, що експлуа-туються в УМГ, з видаванням техшчного вискновку поточного стану кожного

ГПА, прогнозом його майбутнього стану з визначенням ресурсу, що залишив-ся, Достов1рн1Сть д1агностування складае 0,93.

10. Для експрес-ощнки розроблено cepiio ВД припадав, що використову-ють двшково-восьмнр1чш коди та рекурентний закон розподшу чисел в рядах Ф1бонач1 при визначенш дефекпв ГПА. У приладах ВКТС застосоваш аналогов! фшьтри для видалення частотних складових, виявлених на основ! досвщу експлуатаци, шсля цього в прилад! АИД застосоваш цифров! фшьтри на ochobi мисропроцесору та теоретичш розподши амгаптуд частотних складових, що вимагало великого обсягу пам'ят1 та призвело до використання ЕОМ Notebook в систем! «ДСА-2001». TaKi прилади частково виршували задач! д!агностично! бази даних, тому для вдосконалення експрес-оцшки: по-перше. зроблено новий крок у приладах ВИД-ЮЗ, ВИД-106, ВИД-111, ВИД-112 та ВИД-201 шляхом повернення до аналогових фшьтр!в на новому яисному pißHi з застосуванням теоретичних розподшв р1вня частотних складових, алгоритм!в розшзнання та класифшацп несправностей; по-друге. дая в!брод!агностування лопаток ГТУ та визначення коефиценту техшчного стану ВЦН розроблено стацюнарш даагнос-тичн! прилади; по-трете. виготовлено акустичний шукач витоку AT-1 для визначення витоку газу в зашрнш арматур! за р!внем BiGpauii або шуму, що створюеться краном при втратт im герметичносп. Достов!рн!сть даагностування складае 0,85.

И.Означеш методики, системи, база даних, прилади експрес-ощнки тех-н!чного стану та рекомендаци в основному повшспо nepeBipeHi на практищ, вони пройшли метролопчну атестацпо i досвщчену апробац!ю в ДК "Укртранс-газ" i PAT «Газпром» та захищеш патентами Украши. Вони можуть та повинш бути використаш для створення методав та 3aco6iB д!агностики ГТУ та будь-яких ' роторних машин в енергетищ, машинобудуванн!, ав!ацшнш промисловост!. Прилади i методики оц!нки техшчного стану та виявлення витоив у трубопровод!, визначення кшькосп втрат газу у зашрнш арматур! можуть i повинн! бути використаш в нафтовш, х!м1чнш та атомнш промисловост! для контролю нафто-, газо- та продуктопроводав. У сум!жних галузях промисловост! засоби д!агностування викорисговуються фах!вцями експертно-техшчних центр!в Держнаглядохоронпращ у в!дпов!даост! до ДНАОП, де проведена експертиза великого числа одиниць обладнання.

Основный змкт роботы выкладено в таких друкованих роботах:

1. ¡Васильев Ю.Н.1, Бескелетный М.Е., Игуменцев Е.А., Христензен B.JI. Вибрационный контроль технического состояния газотурбинных газоперекачивающих агрегатов. — М: Недра, 1987. — 197с.

2. Игуменцев Е.А. Субгармонические колебания роторов газотурбинных установок в условиях эксплуатации // Энергомашиностроение. — 1984. — № 3. — с.46-47.

3. Игуменцев Е.А. Вероятностные характеристики спектра частот собственных колебаний лопаток // Проблемы прочности. — 1985. — № 4. — с.3-9.

4. Богданов В.А., Погребняк В.В., Игуменцев Е.А. Автоколебания турбо-компрессорных машин // Нефтяная и газовая промышленность. — 1986. — №3. — с.41-43.

5. Игуменцев Е.А., Погребняк В.В., Костин В.И. Нормирование роторных гармоник спектра виброскорости отечественных аналогов роторов к импортным ГПА //Энергомашиностроение. — 1987. — № 3. — с.23-26.

6. Бесклетный М.Е., Игуменцев Е.А., Христензен B.JL, Храпач Г.К. Вибрационный критерий оценки надежности крепления рамы газомотокомпрессора 10 ГКН к фундаменту // Газовая промышленность. — 1987. — № 7. — с.38-40.

7. Костин В.И., Игуменцев Е.А. Диагностирование проточной части нагнетателей ГПА // Газовая промышленность. — 1988. — № 1. — с.59.

8. Игуменцев Е.А. Виброакустическая диагностика состояния запорной арматуры // Газовая промышленность. Серия «Транспорт и хранение газа». — 1988.—№5. —с. 12-16.

9. Игуменцев Е.А., Костин В.И. Нормирование вибрации газотурбинных ГПА // Проблемы прочности. — 1989. — № 2. — с. 121-122.

10. Игуменцев Е.А., Таргонский Ф.Г. Виброакустическая диагностика агрегата ГПА-Ц-6,3 // Газовая промышленность. Серия «Транспорт и хранение газа». — 1993. — № 9-12. — с. 100-102.

11. Игуменцев Е.А., Работягов В.И., Шмидт В.В. Методика вибродиагностики технического состояния газоперекачивающих агрегатов ГПА-10 и ГПА-10-01 в условиях эксплуатации на компрессорных станциях газовой промышленности// Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 1996. — N° 1. — с. 11-20.

12. Игуменцев Е.А. Исследование причин высокочастотной вибрации грубопроводов нагнетателей природного газа // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 1997. — № 1. — с.34-40.

13.Игуменцев Е.А. Расходомеры природного газа// Украинский метро-тогический журнал. — 1997, — Вып.4. — с.46-49.

14. Игуменцев Е.А. Виброакустическая диагностика компрессоров II Международный сборник научных трудов. Прогрессивные технологии и системы машиностроения. — Донецк: ДГТУ. — Выпуск 6. — 1998. — с.298-305,

15.Игуменцев Е.А. Лопаточная вибрация газотурбинных ГПА// Динамика и прочность машин. — 1998. —№56. —с.119-131.

16. Игуменцев Е.А. Колебания ротора электродвигателя при исчезновении татяга на вкладышах и перекосах подшипника// Вестник Харьковского государственного политехнического Университета. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. — Харьков: ХГПУ. — 1998. — с.359-361.

17. Игуменцев Е.А. Виброакустическая диагностика газотранспортной: оборудования с электроприводом ГПА // Вестник Харьковского государственно го политехнического университета. Выпуск 61. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. — Харьков: ХГПУ. — 1999. — с.358-360.

18. Игуменцев Е.А. Идентификация источников шума // Сборник докла дов международной конференции по борьбе с шумом и вибрацией «NOISE-93>: под редакцией Иванова Н.И. и Кронкера М.Д. — JI: — 1993. — с. 118-119.

19. Iguraencev J. Vibro-acoustic diagnostics of gas transmission equipment/ Fourth international congress on sound and Vibration. — St. Petersburg: — 1996. — pp. 1587-1590.!

20. Игуменцев E.A., Кузнецов Б.И. Автоматизированный вибродиагностический прибор для электродвигателей// Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. — Харьков: ХГПУ. — 1996. — с.204-206.

21. Игуменцев Е.А. Вибрационная диагностика газоперекачивающих агрегатов К Прогрессивные технологии. Машиностроение и современность. — Донецк: ДГТУ. — 1997. — с. 110-112.

22. Герасименко Ю.Н., Игуменцев Е.А. Диагностика оборудования в газовом комплексе Украины // Охрана труда. — 1997. — №11. — с.38-41.

23: Игуменцев Е.А. Виброакустическая система электроприводного газоперекачивающего агрегата // Проблемы автоматизированного электропривода Теория и практика. — Харьков: ХГПУ. — 1997. — с.337-339.

24. Игуменцев Е.А. Автоматизированный вибродиагностический комплекс // Автоматика-98. — Киев: НТТУ «КПИ». — 1998. — с. 123-128.

25. Пат. 1702IA Украша, MKI G01N 9/00. Вихровий щшьшмр природного газу. / С.А. 1гуменцев (Украша) — 96030969; Заявлено 13.03.96; Опубл. 31.10.97 Бюл. № 5 — 4с. 26. Пат. 1469 Украша, МКПО 10-04 G 0056. В1брошдакатор. / С.А 1гуменцев (Украша) — 96100210; Заявлено 01.10.96; Опубл. 30.06.97. Бюл.№3-4с. 27. Пат. 1468 Украша, МКПО 10-04 G 0056. Течешукач. / С.А. 1гуменцев (Украша)— 96100209; Заявлено 01.10.96; Опубл. 30.06.97. Бюл. № 3 — 4с 28. Пат. 20569А Украша, MKI G 01 М 3/24. Способ визначення м1сцезнаходженш Te4i в трубопроводах. / G.A. 1гуменцев (Украша)— 96124779; Заявлено 23.12.96 Опубл. 27.02.98. Бюл.№1— 5с. 29.Пат. 23202А Украша, MKI G01M3/24 Cnoci6 визначення витоку газу в зашршй арматур! газопроводу. / С.А. 1гуменцеЕ (Украша)— 96083165; Заявлено 07.08.96; Опубл. 31.08.98. Бюл.№4— 5с 30. Пат. 24469А Украша, MKI G 01 М 3/32. Cnociö виявлення неприпустамих на-пружень лопаток турбомашини. / С.А. 1гуменцев (Украша) — 97041953; Заявлено 23.04.97; Опубл. 30.10.98. Бюл.№5— 5с. 31.Пат.24841А Украша, MKI G 01N 29/00. Cnociö визначення напрут в трубопроводах. / G.A. 1гуменцев (Ук раша) — 97074028; Заявлено 03.10.97; Опубл. 06.10.98. Бюл. № 5 — 4с.

АНОТАЦЙ

Игумецев G.O. Припади, системы та методолог'т спектрально-кореляцт-ного в1броконтролю передаваршного стану газотранспортного обладнання — Ру-копис.

Дисертащ'я на здобуття вченого ступеня доктора техшчних наук по слець альносп 05.11.13 — Прилади i метода контролю та визначення складу речо-вин — Харк1вський державний полтехшчний ушверситет, XapKiB 1999.

Захищаються 62 науков! робота, в яких викладеш метода та прилади в!броконтролю передаварйшого стану газотранспортного обладнання (на приклад! стацюнарних, суднових i ав1ащйних газоперекачувальних агрегатов, за-nipHoi арматури i обв'язки в1дцентрових нагштач1в),

У робо-ri розглядасться новий напрямок нормування в1брацшного сигналу, що базуеться на динамичному i математичному моделюванш коливань кон-rypiB. Опис математичних моделей отримано методами нелшшноУ Teopii коливань з використанням теорп ¡мов1рностей i математачно! статистики. Отримано анал1тичн1" залежносп даагаостичних ознак дефектов i в1'броакустичних сиг-яал1в, як! пщтверджеш експериментом i статистичними даними спектрального iHajiisy в1бросигналу великого парку обладнання компресорних станшй. На [ндстав1 отриманих д1агностичних ознак дефектов розроблена д1агностична ба-?а даних на ЕОМ i сер ¡я д1агностичних прилад!В, що основан! на спектральному шал1з1 Bi6paniT. Розроблеш д1агностичш метода, системи та прилади пройшли юсв1дно-промислове упровадження, вщображеш у державних нормативних 1ктах i використовуються в промисловш експлуатаци у газовш галузк

Ключов1 слова: д!агностика; в1бращя; газоперекачувальний агрегат; труб-за обв'язка; зат'рна арматура.

Е. Igumentsev. Instruments, systems and methodology of spectrum and correlation nbrochecking before-emergency condition of gas transport equipment— Manuscript.

A thesis for a doctor's degree according to specialty 05.11.13— Instruments md methods of checking and determination of composition of materials.— Kharkov State Polytechnical University, Kharkov 1999.

The 62 scientific operations are advocated in which the methods and instruments of before-emergency condition vibro-checking of gas transport equipment (by he example of stationary, ship and aviation gas pumping units, stop valves and cen-rifugai units binding) are developed. The investigation deals with a new tendency of /ibrosignal normalization based on dynamic and mathematical modeling of circuit >scillations. The description of the mathematical models is determined by the nonlin-lar vibration theory methods using the theory of probability and mathematical sta-istics. Some analytical dependencies of diagnostic signs of the defects and vi-jroacoustic signals confirmed by the experiment and statistical data of spectrum

analysis of vibrosignal for a large stock of compressor plants equipment have come to hand. On the obtained diagnostic signs of defect ground a diagnostic data base has been worked out by using an electronic computer. The series of diagnostic devices based on spectrum analysis of vibration have been developed. The devised diagnostic methods, system and devices have carried out some trial studies and commercial promotion and are represented in the State normative statements and used in commercial operation in gas industry.

Key words: diagnostic; vibration; gas pumping unit; pipe binding; stop valves.

Игумецев E.A. Приборы, системы и методология спектрально-корреляционного виброконтроля предаварийного состояния газотранспортного оборудования — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности. 05.11.13 — Приборы и методы контроля и определения состава веществ.— Харьковский государственный политехнический университет, Харьков 1999.

Защищаются 62 научные работы, в которых изложены методы и приборы виброконтроля предаварийного состояния газотранспортного оборудования (на примере стационарных, судовых и авиационных газоперекачивающих агрегатов (ГПА), запорной арматуры и обвязки центробежных нагнетателей (ЦБН)). В работе рассматривается новое направление нормирования вибрационного сигнала, основанное на динамическом и математическом моделировании колебаний контуров ГПА и обвязок ЦБН. Описание математических моделей получено методами нелинейной теории колебаний с применением теории вероятностей и математической статистики. Конечной целью моделирования колебаний оборудования компрессорных станций (ОКС) является получение карты (таблицы) неисправностей, в которой приведено соответствие вибрационного сигнала диагностическим признакам (ДП) неисправностей. Получение аналитических зависимостей между ДП и параметрами вибросигнала позволяет автоматизировать процесс поиска неисправностей на ЭВМ.

Заключительной стадией вибродиагностики является разработка методов определения технического состояния деталей и узлов ГПА, распознавание дефектов и прогнозирование ресурса. Методы исследований основаны на теории распознавания образов, где по данным математической модели строятся алгоритмы определения по вибросигналу ДП неисправностей. Диагностика деталей и узлов интерпретируется как распознавание классов технических состояний по совокупности виброхарактеристик, а алгоритмы распознавания основаны на сравнении той или иной меры близости распознаваемого состояния с каждым классом. Здесь использовалось простое сравнение в определенных частотных диапазонах, двоично-восьмеричные коды и коды чисел Фибоначчи в распреде-

1ении амплитуд на различных частотных гармониках. Расстояние по Хэммингу 1 Эвклидово расстояние применялось для специально отобранных дискретных ¡оставляющих спектра. В этом случае наиболее употребительной мерой сходства является скалярное произведение двух векторов или нормированный ко-(ффициент корреляции. Применялись вероятностные оценки разности сравни-(аемых спектров во всем частотном диапазоне. Строились гистограммы и ве-юятностные моменты распределений разности спектров.

Прогнозирование ресурса деталей и узлов основано на экстраполяции рендов вибропараметров во времени. Математические модели выбирались на )снове физических процессов развития вибрации в период жизни и старения

т.гтуицвн.

Одним из наиболее эффективных методов экспериментального анализа !ибросигнаяов является спектральный анализ (СА). В диссертационной работе ¡тому методу уделено основное внимание. Здесь решены задачи разработки :обственных методов для расчета основных спектрально-корреляционных ха-)актеристик любого временного сигнала на ЭВМ и использован известный тандартный набор.

Стандартная аппаратура спектрального анализа вибрации и шума вклю-[ает вибродатчики, коллектор-сборщик (измерительный магнитофон), плату малого-цифрового преобразователя (АЦП), специализированную ЭВМ. Ис-юльзуется аппаратура фирмы «Брюль и Къер» и компании БКР.

В случаях, не предусмотренных в системах измерения и обработки ВА игнала стандартной аппаратурой, использовались дополнительные схемы из-1ерений. Основу схемы измерений составляет следующая аппаратура: вибро-итчик; измерительный магнитофон или коллектор-сборщик; ЭВМ с платой ЩП. В качестве платы АЦП использовались российские универсальные адап-еры аналого-цифрового ввода/вывода 1МУЬ03 и М\Ъ08, встроенные в ЭВМ.

Программное обеспечение на ЭВМ построено на быстром преобразова-[ии Фурье. Показано, что для вычисления корреляционной функции можно [ровести усреднение финитных реализаций в частотной области динамических пектров анализируемого процесса, т.е. получить его энергетические спектры, а атем выполнить обратное преобразование Фурье. Аналогично взаимной кор-юляционной функции введено понятие взаимного (перекрестного) энергетиче-кого кепстра. При непосредственном обратном преобразовании Фурье в кеп-тре операции умножения в области оригиналов соответствует операция свер-ывания в области изображений. Являясь нелинейным преобразованием, :епстр обладает целым рядом замечательных свойств, выгодно отличающих го от обычной функции корреляции.

Из математических моделей путем решения нелинейных дифференциаль-[ых уравнений колебательных контуров ОКС получены аналитические зави-

симости ДП дефектов и ВА сигналов, подтвержденные экспериментом и стати стическими данными СА вибросигнала большого парка ГПА и обвязок ЦБК На основе полученных ДП дефектов разработана диагностическая база данны на ЭВМ и серия диагностических приборов, основанных на СА вибрации. Раз работанные диагностические методы, системы и приборы прошли опытнс промышленное внедрение, защищены патентами Украины, отражены в гос> дарственных нормативных актах и используются в промышленной эксплуата ции в газовой отрасли.

Ключевые слова: диагностика; вибрация; газоперекачивающий агрегат трубная обвязка; запорная арматура.