Способ диагностики трансмиссионных подшипников турбомашин и устройство для его осуществления

 

Изобретение предназначено для диагностики турбомашин, преимущественно подшипников качения авиационных газотурбинных двигателей. По предлагаемому способу в режиме "Обучение" вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель и при вращении вала двигателя в диапазоне частот f от f_min до f_max с дискретностью изменения частоты Δf вращения вала двигателя, меньшей или равной минимальной частоты вращения вала двигателя, определяют диапазон частот вращения вала двигателя от f₁ до f₂, жесткость и координаты опорных точек механического колебательного элемента, при котором разность любых двух амплитуд A_i, A_k колебаний вибродатчика ΔA для "эталонного" подшипника значительно меньше минимальной амплитуды колебаний вибродатчика для данного "эталонного" подшипника, причем амплитуда колебаний вибродатчика для данного "эталонного" подшипника принимается за предельно допустимую А_п.д., а в режиме диагностики вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент с определенными в режиме "Обучение" жесткостью и координатами опорных точек, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель с диагностируемым подшипником, вращают вал двигателя с частотой f, принадлежащей диапазону частот от f₁ до f₂, измеряют амплитуду колебаний вибродатчика, причем если последняя меньше предельно допустимой амплитуды колебаний вибродатчика А_п.д., то эксплуатацию подшипника продолжают, а если больше или равна предельно допустимой амплитуде колебаний вибродатчика А_п.д., то диагностируемый подшипник бракуют. Устройство для осуществления способа диагностики подшипников, содержащее последовательно соединенные вибродатчик, усилитель и индикатор, снабжено механическими колебательными элементами в количестве n (n ≥ 1), на каждый из которых установлен вибродатчик, первый резистор обратной связи, вторые резисторы обратной связи в количестве n, дешифратор с количеством выходов n и с количеством входов m (m ≥ 1), вибродатчики снабжены постоянными запоминающими устройствами с количеством выходов m, которые соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с первыми выводами вторых резисторов обратной связи, вторые выводы которых объединены и соединены с первым выводом первого резистора обратной связи и вторым входом усилителя, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора обратной связи. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к виброакустической диагностике турбомашин, преимущественно подшипников качения авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен способ диагностики дефектов подшипников качения путем измерения среднего значения вибраций [1]. Дефектный подшипник рассматривается как генератор вибрационного шума (случайных колебаний), частотный состав которого сосредоточен в определенной области частот. Вибродатчик устанавливается непосредственно на подшипниковую опору и измеряется среднее значение частоты независимо от амплитуды вибраций. Изменение среднего значения частоты указывает на возникновение и развитие дефектов в подшипниках.

Данный способ не может использоваться для диагностики трансмиссионных подшипников турбомашин, так как требуется непосредственный контакт с поверхностью корпуса подшипниковой опоры. Кроме этого, изменение среднего значения частоты начинается при сильно развитом дефекте в подшипниках, т.е. способ не обладает необходимой чувствительностью, что исключает применение данного способа для диагностики авиационных двигателей.

Известно устройство для вибрационной диагностики подшипников, содержащее датчик вибрации, усилитель, блок умножения, циклическое устройство, схемы сравнения, генераторы, схемы совпадения, переключатели, блоки определения вероятности дефекта подшипника, блоки ввода вероятности дефекта подшипника, запоминающие блоки, усилители с изменяемыми коэффициентами усиления, пороговые блоки и цифровые индикаторы [2].

Данное устройство предназначено для реализации способа диагностики подшипников, который заключается в следующем.

В режиме "Обучение" по "эталонному" подшипнику с технологическими дефектами или с дефектами сборки определяют частоты, характеризующие определенные виды дефектов и соответствующие им уровни, которые выравнивают с помощью усилителей с переменными коэффициентами усиления, а в режиме диагностики с помощью пороговых блоков сравнивают текущие значения напряжений, соответствующие определенным информационным частотам, с опорным напряжением пороговых блоков. Разница напряжений служит основой для прогнозирования бездефектной работы подшипника.

Недостатком этого способа является низкая достоверность результатов диагностики, поскольку существует вероятность пропуска ряда частот, характеризующих дефект подшипника как в режиме "Обучения", так и в режиме "Диагностика", а также сложность устройства для осуществления метода.

Целью изобретения является повышение достоверности результатов диагностики, а также упрощение устройства для осуществления метода.

Поставленная цель достигается тем, что 1. в режиме "Обучение" вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель и при вращении вала двигателя в диапазоне частот f от f_min до f_max с дискретностью изменения частоты Δf вращения вала двигателя, меньшей или равной минимальной частоты (Δf ≅ f_min) вращения вала двигателя, определяют диапазон частот вращения вала двигателя от f₁ до f₂, жесткость и координаты опорных точек механического колебательного элемента, при которых разность ΔA любых двух амплитуд A_i и A_к колебаний вибродатчика для "эталонного" подшипника значительно меньше амплитуды колебаний (ΔA = A_i-A_k≪ A_min) вибродатчика для данного "эталонного" подшипника, причем амплитуда колебаний вибродатчика для данного "эталонного" подшипника принимается за предельно допустимую A_п.д., а в режиме диагностики вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент с определенными в режиме "Обучение" жесткостью и координатами опорных точек, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель с диагностируемым подшипником, вращают вал двигателя с частотой f, принадлежащей диапазону частот от f₁ до f₂, измеряют амплитуду колебаний вибродатчика, причем если последняя меньше предельно допустимой амплитуды колебаний вибродатчика A_п.д., то эксплуатацию подшипника продолжают, а если больше или равна предельно допустимой амплитуде колебаний вибродатчика A_п.д., то диагностируемый подшипник бракуют; 2. в режиме "Обучение" в двигатель последовательно устанавливают n "эталонных" подшипников (n ≥ 2) с различными технологическими дефектами, для каждого i-го "эталонного" подшипника определяют предельно допустимую амплитуду колебаний вибродатчика A_п.д.i, в соответствие ей ставят межпоперечный интервал T_i, причем для "эталонного" подшипника, имеющего минимальные по геометрическим размерам технологические дефекты, предельно допустимую амплитуду колебаний вибродатчика обозначают как минимальную A_п.д.min, а межповерочный интервал T как максимальный по времени T_max, а в режиме диагностики для каждого j диагностируемого подшипника по измеренному значению амплитуды колебаний вибродатчика устанавливают межповерочный интервал T_j; 3. в режиме "Диагностика" при амплитуде колебаний вибродатчика больше минимальной предельно допустимой амплитуды колебаний вибродатчика дополнительно используют косвенные методы диагностики; 4. в режиме "Диагностика" при появлении признаков дефектов диагностируемого подшипника по косвенным методам диагностики измерение амплитуды колебаний вибродатчика проводят n раз (n ≥ 2) последовательно n-вибродатчиками, каждый из которых устанавливают на собственный механический колебательный элемент, а диагностируемый подшипник бракуют, если хотя бы одна измеренная амплитуда колебаний вибродатчика превысит или будет равна предельно допустимой; 5. устройство, содержащее последовательно соединенные вибродатчик, усилитель и индикатор, отличается тем, что оно снабжено механическими колебательными элементами в количестве n (n ≥ 1), на каждый из которых установлен вибродатчик, первый резистор обратной связи, вторые резисторы обратной связи в количестве n, дешифратор с количеством выходов n и с количеством входов m (m ≥ 1), вибродатчики снабжены постоянными запоминающими устройствами с количеством выходов m, которые соединены с первыми выводами вторых резисторов обратной связи, вторые выводы которых объединены и соединены с первым выводом первого резистора обратной связи и вторым входом усилителя, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора обратной связи.

Преимуществом предлагаемых способа и устройства для его реализации по сравнению с прототипом является более высокая достоверность результатов контроля, поскольку способ и устройство предполагают работу в широком спектре частот, воздействующих на механический колебательный элемент, кроме этого, способ предполагает введение зависимости межповерочного интервала диагностируемого подшипника от его состояния, а также предполагает использование косвенных методов диагностики и многократное диагностирование подшипника при показаниях косвенных методов диагностики различными механическими колебательными элементами, что исключает пропуск дефектного подшипника из-за неисправности устройства диагностики. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет боле простую конструкцию.

Заявителю неизвестны технические решения, содержащие признаки, сходные с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать заявленное решение обладающим существенными отличиями.

На предприятии изготовлен опытный образец для реализации способа, проведена его опытная эксплуатация и получены положительные результаты по диагностике трансмиссионных подшипников двигателей ДЗО-КУ, КП как в условиях предприятия-изготовителя двигателей, так и в условиях эксплуатации. Экономический эффект от внедрения может быть определен после принятия решения по объему изготовления устройств для реализации способа.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - один из вариантов исполнения механического колебательного элемента.

Устройство содержит механические колебательные элементы 1 в количестве n (n ≥ 1), вибродатчики 2 в количестве n, постоянные запоминающие устройства 3 в количестве n, дешифратор 4, первый резистор 5 обратной связи, вторые резисторы 6 обратной связи в количестве n, усилитель 7 и индикатор 8.

Устройство работает следующим образом.

Ударные импульсы, возникающие при взаимодействии тел качения и обойм вала подшипника с дефектами подшипника при вращении вала двигателя, воздействуют на механический колебательный элемент 1 с закрепленным на нем вибродатчиком 2. Механический колебательный элемент 1 ударные импульсы преобразует в механические гармонические колебания с затухающей амплитудой и частотой f. При вращении вала двигателя в диапазоне частот f₁ до f₂ возбуждаемые гармонические колебания практически незатухающие.

Вибродатчик 2 преобразует механические гармонические колебания в электрический сигнал, который через усилитель 7 поступает на индикатор 8. Амплитуда механических колебаний механического колебательного элемента 1, а значит и амплитуда электрического сигнала вибродатчика 2, усилителя 7 и показания индикатора 8 прямо пропорционально связаны с геометрическими размерами дефектов диагностируемого подшипника, т.е. величина индицируемая индикатором 8, однозначно характеризует геометрические размеры дефектов диагностируемого подшипника, т.е. его состояние.

Способ диагностики трансмиссионных подшипников состоит из трех режимов.

Первый режим - режим калибровки.

В этом режиме механические колебательные элементы 1 последовательно от 1 до n с установленными на них вибродатчиками 2 от 1 до n устанавливают на вибростенд, генерирующий механические колебания в диапазоне частот от f₁ до f₂ с амплитудой колебаний A. Постоянные запоминающие устройства 3 от 1 до n, несущие информацию о порядковом номере механического колебательного элемента 1 и о порядковом номере вибродатчика 2, работающих в данный момент времени, выбирают через дешифратор 4 соответствующий второй резистор 6 обратной связи. Работающий в данный момент вибродатчик 2 преобразует механические колебания вибростенда с амплитудой A в электрический сигнал, который через усилитель 7 поступает на индикатор 8. Коэффициент передачи K_i усилителя 7, определяемый как , где R₁ - первый резистор 5 обратной связи; R_2i - одно из n (1 ≅ i ≅ n) вторых резисторов 6 обратной связи,
устанавливается подбором каждого i-го второго резистора 6 обратной связи таким образом, чтобы независимо от работающего в данный момент времени в устройстве для осуществления метода механического колебательного элемента 1 и вибродатчика 2 при амплитуде колебаний A вибростенда, величины, индицируемые индикатором 8, были равны между собой.

Второй режим - режим обучения.

В этом режиме в двигатель последовательно устанавливают n "эталонных" подшипников. Под "эталонным" подшипником понимают подшипники с дефектами на элементах подшипников как эксплуатационного характера, так и искусственно нанесенными. Первый "эталонный" подшипник, по которому определяется предельно допустимая амплитуда колебаний вибродатчика A_п.д., имеет геометрические размеры дефектов, при равенстве или превышении которых технические условия на соответствующий подшипник предписывают его браковать. Все последующие "эталонные" подшипники имеют в n раз меньшие геометрические размеры, где n ≥ 2.

После установки в двигатель i-го "эталонного" подшипника в двигатель устанавливают механический колебательный элемент 1 с вибродатчиком 2. На фиг. 2 приняты следующие обозначения, где 1 - вибродатчик, 2 - масса, 3 - 5 - жесткости, 6 - элементы двигателя.

После этого начинают вращать вал двигателя в диапазоне частот от f_min до f_max с дискретностью изменения частоты вращения Δf . Механический колебательный элемент 1 преобразует ударные импульсы, вызываемые дефектами "эталонного" подшипника в гармонические колебания, которые вибродатчиком 2 преобразуются в электрический сигнал. Через усилитель 7 сигнал поступает на индикатор 8. Показание индикатора 8 фиксируется на каждой из дискретных частот f_i в диапазоне изменения частоты вращения вала двигателя от f_min до f_max, при выбранных параметрах жесткостей 3, 4, 5 и длинах L1, L2, L3 (фиг. 2), после чего определяют диапазон частот вращения вала двигателя от f₁ до f₂, при котором разница двух показаний индикатора 8 значительно меньше, чем минимальные показания индикатора 8 в этом диапазоне. Варьируя параметрами жесткостей 3, 4, 5 (фиг. 2) и длинами L1, L2, L3 (фиг. 2), добиваются максимального диапазона частот от f₁ до f₂. При этом само показание индикатора 8 принимают за предельно допустимую амплитуду колебаний вибродатчика для i-го "эталонного" подшипника.

Последовательно выполняя приведенную выше операцию с каждым из n "эталонных" подшипников при определенных ранее жесткости и координатах точек опоры механического колебательного элемента 1, определяют для каждого i-го "эталонного" подшипника (1 ≅ i ≅ n) предельно допустимую амплитуду A_i колебаний вибродатчика 2, выраженную через i показания индикатора 8.

Третий режим - режим диагностики.

В этом режиме в двигатель с подшипником, техническое состояние которого неизвестно, устанавливают механический колебательный элемент 1 с определенными в режиме "Обучение" жесткостью и координатами опорных точек с установленным на нем вибродатчиком 2, после чего вращают вал двигателя в диапазоне частот от f₁ до f₂. Механический колебательный элемент 1 преобразует ударные импульсы, вызываемые дефектами подшипника, в механические гармонические колебания, которые преобразуются вибродатчиком 2 в электрический сигнал, который через усилитель 7 поступает на индикатор 8. Показания индикатора 8 однозначно характеризуют геометрические размеры дефектов диагностируемого подшипника, т.е. его техническое состояние, в соответствии с чем:
если показания индикатора 8 больше или равны предельно допустимой амплитуде колебаний для первого "эталонного" подшипника, то подшипник бракуется;
если показания индикатора 8 соответствуют показаниям для "эталонного" подшипника, имеющего дефекты с минимальными геометрическими размерами, то устанавливают максимальный по времени межповерочный интервал;
если показания индикатора 8 больше показаний для "эталонного" подшипника, имеющего дефекты с минимальными геометрическими размерами, то дополнительно используют косвенные методы диагностики, такие как контроль стружки в масле, наличие металла в масле и т.п.;
если появляются признаки наличия дефекта у диагностируемого подшипника по косвенным методам диагностики, то измерение амплитуды колебаний вибродатчика 2 производят n раз (n ≥ 2) последовательно n-вибродатчиками, каждый из которых устанавливают на собственный колебательный элемент, диагностируемый подшипник бракуется, если хотя бы при использовании одного из n-вибродатчиков показания индикатора 8 больше или равны предельно допустимой амплитуде колебаний вибродатчика для первого "эталонного" подшипника.

Примеры конкретного исполнения.

1. Механический колебательный элемент 1. Возможное конструктивное исполнение механического колебательного элемента приведено на фиг. 2.

2. Вибродатчик 2. Вибродатчик может быть выполнен на базе акселерометра типа АНС 014 (БЫ 2.781.004 ТУ).

3. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3. ПЗУ может быть выполнено на базе электрического разъема любого типа, номер механического колебательного элемента и соответствующего ему вибродатчика, в котором может быть задан путем соответствующей распайки контактов разъема, например, в двоичном коде.

4. Дешифратор 4. Дешифратор может быть выполнен на базе интегральной микросхемы серии К133, например, К133 и Д10 (см. журнал "Радио", N 3, 1985, с. 24).

5. Первый резистор 5 обратной связи и n вторых резисторов 6 обратной связи. Резисторы обратной связи могут быть выполнены на базе серийных резисторов любых типов, например МТ, МПТ, ОМЛТ и т.п.

6. Усилитель 7. Усилитель может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 2.22 с. 89 (Дж. Уитсон. "500 практических схем на ИС"), издательство "Мир", 1992.

7. Индикатор 8. Индикатор может быть выполнен на базе микроамперметра М2003-М1 ГОСТ 8711-78.

Формула изобретения

1. Способ диагностики трансмиссионных подшипников путем сравнения амплитуды колебаний вибродатчика с определенной в режиме "Обучение" через установку в двигатель "эталонного" подшипника предельно допустимой амплитудой колебаний вибродатчика, отличающийся тем, что в режиме "Обучение" вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель и при вращении вала двигателя в диапазоне частот f от f_min до f_max с дискретностью изменения частоты вращения вала двигателя Δf, меньшей или равной минимальной частоты вращения вала двигателя (Δf ≅ f_min), определяют диапазон частот вращения вала двигателя от f₁ до f₂, жесткость и координаты опорных точек механического колебательного элемента, при которых разность ΔA любых двух амплитуд A_i, A_k колебаний вибродатчика для "эталонного" подшипника значительно меньше минимальной амплитуды колебаний вибродатчика для данного "эталонного" подшипника (ΔA = A_i-A_k≪ A_min ), причем амплитуда колебаний вибродатчика для данного "эталонного" подшипника принимается за предельно допустимую A_п.д, а в режиме диагностики вибродатчик устанавливают на механический колебательный элемент с определенными в режиме "Обучение" жесткостью и координатами опорных точек, механический колебательный элемент устанавливают в двигатель с диагностируемым подшипником, вращают вал двигателя с частотой f, принадлежащей диапазону частот от f₁ до f₂, измеряют амплитуду колебаний вибродатчика, причем если последняя меньше предельно допустимой амплитуды колебаний вибродатчика A_п.д, то эксплуатацию подшипника продолжают, а если больше или равна предельно допустимой амплитуде колебаний вибродатчика A_п.д, то диагностируемый подшипник бракуют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме "Обучение" в двигатель последовательно устанавливают n "эталонных" подшипников (n ≥ 2) с различными технологическими дефектами, для каждого i-го "эталонного" подшипника определяют предельно допустимую амплитуду колебаний вибродатчика A_п.д, в соответствии с ней ставят межповерочный интервал T_i, причем для "эталонного" подшипника, имеющего минимальные по геометрическим размерам технологические дефекты, предельно допустимую амплитуду колебаний вибродатчика обозначают как минимальную A_{п.д min}, а межповерочный интервал T - как максимальный по времени T_max, а в режиме диагностики для каждого j-го диагностируемого подшипника по измеренному значению амплитуды колебаний вибродатчика устанавливают межповерочный интервал T_j.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в режиме диагностики при амплитуде колебаний вибродатчика больше минимальной предельно допустимой амплитуды колебаний вибродатчика дополнительно используют косвенные методы диагностики.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в режиме диагностики при появлении признаков дефектов диагностируемого подшипника по косвенным методам диагностики измерение амплитуды колебаний вибродатчика проводят n раз (n ≥ 2) последовательно n вибродатчиками, каждый из которых устанавливают на собственный механический колебательный элемент, а диагностируемый подшипник бракуют, если хотя бы одна измеренная амплитуда колебаний вибродатчика превысит или будет равна предельно допустимой.

5. Устройство для осуществления способа диагностики трансмиссионных подшипников, содержащее последовательно соединенные вибродатчик, усилитель и индикатор, отличающееся тем, что оно снабжено n механическими колебательными элементами (n ≥ 1), на каждый из которых установлены вибродатчик, первый резистор обратной связи, n вторых резисторов обратной связи, дешифратор с n выходами и m входами (m ≥ 1), вибродатчики снабжены постоянными запоминающими устройствами с m выходами, которые соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с первыми выводами вторых резисторов обратной связи, вторые выводы которых объединены и соединены с первым выводом первого резистора обратной связи и вторым входом усилителя, выход которого соединен с вторым выводом первого резистора обратной связи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2