Способ диагностики технического состояния механизма в процессе его эксплуатации и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики в процессе эксплуатации технического состояния механизмов, в том числе удаленных от аппаратуры диагностики. Сущность: источник 1 электромагнитных колебаний вырабатывает немодулированные гармонические электромагнитные колебания с длиной волны, удовлетворяющей соотношению 0,001d < λ < 100d, где d - максимальный линейный размер подвижных элементов, или импульсный электромагнитный сигнал, частота F следования импульсов которого удовлетворяет соотношению F > 2Nf_к, где N - число подвижных элементов диагностируемого механизма; f_к - максимальная частота колебаний подвижного узла. Облучающие колебания излучаются антенной 2 в направлении диагностируемого механизма или его подвижного узла. Отраженный объектом сигнал принимается приемником 5 электромагнитных колебаний в полосе частот , где с - скорость света; f_к -максимальная частота колебания подвижного узла. Зарегистрированные колебания подвергаются функциональным преобразованиям анализатором 8 спектра. В блоке 9 определяется диагностический параметр технического состояния механизма, который в блоке 10 сравнивается с его эталонным значением, поступившем из блока 11. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики технического состояния механизмов, в том числе удаленных от места проведения контроля, а также функционирующих в гермозонах и агрессивных средах.

Известны способы и устройства диагностики технического состояния механизмов, основанные на регистрации вибродатчиками параметров вибрации механизмов, размещенных на вибростендах и подвергаемых вибрационному воздействию [1].

Однако способы и осуществляющие их устройства не представляют возможности диагностирования оборудования в режиме его эксплуатации, а предусматривают демонтаж механизмов и проведение испытаний на вибростендах.

Известны также способы виброакустической диагностики газотурбинных двигателей, заключающиеся в том, что в процессе работы механизма регистрируют диагностические параметры - виброакустические сигналы, генерируемые движущимися элементами механизма - ротором, лопаточными узлами и т.д., производят спектральный анализ зарегистрированных сигналов, сравнивают полученные диагностические параметры с их эталонными значениями, по результатам контроля судят о техническом состоянии механизма [2].

Однако известные виброакустические способы диагностики обладают рядом недостатков. Так, они требуют установки вибродатчиков непосредственно на движущихся элементах объекта диагностики и регистрации виброакустических сигналов в непосредственной близости от объекта, что в некоторых случаях затруднительно, а в ряде случаев невозможно. Параметры вибрации в точке расположения датчиков определяются условиями распространения колебаний от различных источников их возникновения, что требует получения значительного объема статической информации для настройки средств диагностики применительно к каждому типу объекта диагностики. Соединение датчиков с аппаратурой обработки при помощи проводных и кабельных линий не позволяет осуществлять диагностику удаленных или движущихся относительно средств диагностики объектов, а также объектов, функционирующих в агрессивных средах или в вакууме. Кроме того, виброакустические способы диагностики обладают недостаточной помехозащищенностью, что снижает достоверность диагностики.

В технике известны также радиоволновые способы измерения вибраций объектов контроля, заключающиеся в том, что контролируемый механизм облучают электромагнитными колебаниями, принимают отраженные электромагнитные колебания после взаимодействия с этим механизмом, анализируют зарегистрированные электромагнитные колебания, определяют параметры вибрации диагностируемого механизма [3].

Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью проведения диагностики технического состояния механизмов, выявления дефектов его подвижных и вращающихся узлов, т.к. указанный способ позволяет проводить лишь измерение амплитуды и частоты вибраций стационарных объектов.

Известно также радиоволновое устройство измерения вибраций объектов, содержащее, в частности, источник электромагнитных колебаний для облучения объекта, приемник электромагнитных колебаний и последовательно соединенный с ним блок регистрации и обработки сигнала [3].

Недостатки известного устройства аналогичны недостаткам описанного выше способа - ограниченные функциональные возможности, обусловленные обеспечением измерений лишь амплитуды и частоты вибрации стационарных объектов.

Задачей технического решения является расширение функциональных возможностей способа и устройства путем обеспечения диагностики технического состояния механизмов, а также их подвижных и вращающихся узлов.

Указанная задача обеспечивается тем, что по способу, заключающемуся в облучении электромагнитными колебаниями диагностируемого механизма, регистрации отраженных электромагнитных колебаний и анализе зарегистрированных сигналов, облучение диагностируемого механизма производят электромагнитными колебаниями с длиной волны λ, удовлетворяющей соотношению 0,001d < λ < 100d, где d - максимальный линейный размер подвижных элементов диагностируемого механизма, регистрацию отраженных механизмом электромагнитных колебаний производят в полосе частот где c - скорость света; f_к - максимальная частота колебаний подвижных элементов механизма, анализ зарегистрированных сигналов производят путем их функциональных преобразований и формирования диагностического параметра технического состояния механизма, сравнивают значение полученного диагностического параметра с его эталонным значением, по результатам сравнения определяют техническое состояние механизма.

Способ отличается также тем, что облучение диагностируемого механизма производят немодулированными гармоническими электромагнитными колебаниями; облучение диагностируемого механизма производят импульсными электромагнитными колебаниями, частота следования которых удовлетворяет соотношению F > 2 Nf_к, где N - число подвижных элементов диагностируемого механизма; f_к -максимальная частота колебаний подвижных элементов; поток облучающих электромагнитных колебаний направляют на каждый отдельный подвижный элемент или узел диагностируемого механизма; облучение отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма осуществляют через выполняющие функцию волноводов конструктивные узлы механизма, связанные с этим элементом; облучение каждого отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма и прием отраженных им электромагнитных колебаний осуществляют разнесенными соответственно источником и приемником электромагнитных колебаний; изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем одновременного облучения диагностируемого механизма с различных направлений несколькими источниками, регистрацию отраженных электромагнитных колебаний осуществляют несколькими приемниками; изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем поочередного с различных направлений облучения в различные моменты времени отдельными источниками электромагнитных колебаний, регистрацию отраженных электромагнитных колебаний производят поочередно различными приемниками.

Указанная задача относительно устройства достигается тем, что в устройстве, содержащем источник электромагнитных колебаний, антенну с системой юстировки, приемник электромагнитных колебаний и соединенный с ним последовательно блок регистрации и обработки сигнала, последний выполнен в виде блока определения частоты колебаний подвижного узла, блока определения числа элементов подвижного узла, анализатора спектра, последовательно соединенных блока определения диагностического параметра и блока сравнения, блока хранения эталонного значения диагностического параметра, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, а вход - с первым входом блока сравнения. Первый, второй и третий входы блока определения диагностического параметра соединены соответственно с выходами блока определения частоты колебаний подвижного узла, блока определения числа элементов подвижного узла и анализатора спектра, входы которых объединены и соединены с выходом приемника электромагнитных колебаний.

Проведенные патентные исследования показали, что заявленные способ и устройство не известны из источников информации, общедоступных на территории России, следовательно, они являются новыми.

Заявленные способ и устройство явным образом не следуют из уровня техники, следовательно, они имеют изобретательский уровень.

На чертеже изображена блок-схема устройства диагностики, осуществляющего способ.

Устройство, реализующее способ радиоволновой диагностики технического состояния механизма в процессе его эксплуатации, содержит источник 1 электромагнитных колебаний, связанную с ним антенну 2 излучения с системой 3 юстировки и направленную на объект 4 диагностирования, приемник 5 электромагнитных колебаний, связанный с антенной 2 излучения, блок 6 определения частоты колебаний диагностируемого подвижного узла диагностируемого механизма, блок 7 определения числа элементов диагностируемого подвижного узла, анализатор 8 спектра, последовательно соединенные блок 9 определения диагностического параметра и блок 10 сравнения, блок 11 хранения эталонного значения диагностического параметра, выход которого соединен с вторым входом блока 10, а вход - с первым выходом блока 9, первый, второй и третий входы блока 9 соединены соответственно с выходами блоков 6, 7 и 8, входы которых объединены и соединены с выходом приемника 5 электромагнитных колебаний.

Способ осуществляется следующим образом.

Источник 1 вырабатывает электромагнитные колебания, которые излучаются антенной 2 в направлении диагностируемого механизма 4.

При необходимости диагностики наличия дефектов в отдельных подвижных узлах диагностируемого механизма 4 (лопаточках, подшипниках и т.д.) при помощи системы 3 юстировки определяется выбор направления и поток электромагнитных колебаний направляют на диагностируемый в данный момент подвижный узел. Вращающиеся или движущиеся элементы механизма 4 при облучении их электромагнитными колебаниями вызывают их модуляцию, что приводит к появлению в спектре отраженного сигнала нерегулярных составляющих, несущих информацию о кинематических и конструктивных характеристиках этих элементов.

В соответствии с принципами дифракции радиоволн и экспериментально установлено, что для получения информации о конфигурации и структуре исследуемого элемента, а следовательно, для возможности диагностики его технического состояния длина волны зондирующего электромагнитного колебания и полоса частот регистрируемого отраженного электромагнитного колебания должны удовлетворять следующим соотношениям: , где
d - максимальный линейный размер элементов подвижных узлов механизма: f_к - максимальная частота колебания подвижных элементов механизма.

При несоблюдении указанных соотношений число нерегулярных составляющих значительно увеличивается, что затрудняет обработку зарегистрированных сигналов и принятие диагностического решения.

При необходимости установления не только факта наличия дефекта в каком-либо элементе подвижного узла, но и определения его конкретного местонахождения (например, определения наличия дефекта определенной лопатки лопаточного узла) используется облучение подвижного узла импульсным электромагнитным сигналом, частота F следования импульсов которого удовлетворяет соотношению F > 2 Nf_к, где N - число элементов подвижного узла. Использование импульсного сигнала обеспечивает возможность использования временного анализа сигнала для локализации дефекта. Приведенное соотношение (F > 2 Nf_к) обусловлено получением достаточного объема информации для локализации дефекта.

Антенной 2 принимаются отраженные механизмом 4 и несущие информацию о нем электромагнитные колебания, которые через приемник 5 поступают на входы соответственно блока 6 определения частоты колебаний подвижного узла объекта диагностики, блока 7 определения числа элементов основного подвижного узла и анализатора 8 спектра.

Анализатором 8 спектра осуществляется одно из возможных функциональных преобразований зарегистрированного электромагнитного сигнала - спектральный, корреляционный анализ, анализ временной структуры сигнала или возможные их сочетания, предназначенные для выделения регулярных составляющих и нерегулярных составляющих, обусловленных наличием дефекта.

Полученные характеристики сигналов с выходов блоков 6, 7, 8 поступают на вход блока 9 определения диагностического параметра, которым является соотношение между значениями регулярной и нерегулярной составляющей. В блоке 10 сравнения производится сравнение вычисленного диагностического параметра с его эталонным значением, поступающим с выхода блока 11.

Результат сравнения является информацией о техническом состоянии элемента, узла или всего диагностируемого механизма.

Настоящий способ радиоволновой диагностики технического состояния механизма предусматривает получение также более полной информации о механизме:
предлагаемым способом возможно получение информации о техническом состоянии конкретных труднодоступных элементов, при этом зондирующий электромагнитный сигнал направляют на интересующий элемент через связанные с ним конструктивные элементы - топливопроводы, системы охлаждения, системы смазки, воздухозаборники, которые в данном случае выполняют функции волноводов;
при необходимости исключить из регистрируемого электромагнитного сигнала различные переотражения от других конструктивных элементов, которые являются помехой при облучении какого-либо конкретного элемента, используется принцип облучения и приема разнесенными в пространстве источником и приемником электромагнитных колебаний;
при необходимости получения более полной информации о состоянии различных узлов, находящихся внутри механизма, изменяют параметры облучающего электромагнитного поля, т.е. облучают узлы с различных направлений, что обеспечивается либо одновременным, либо поочередным включением нескольких источников и приемников электромагнитного излучения, установленных в различных точках непосредственно на диагностируемом механизме.

Использование предлагаемого способа радиоволновой диагностики обеспечивает следующие преимущества:
возможность диагностики машин и механизмов без непосредственного механического контакта средств технической диагностики с объектом диагностики, что обеспечивает проведение диагностики удаленных, движущихся относительно средств диагностики объектов и объектов, функционирующих в особых условиях: в агрессивных средах, гермозонах, вакууме и пр.;
возможность селективной диагностики отдельных элементов и узлов механизмов путем изменения облучаемой зоны объекта диагностики и длины волны зондирующего сигнала.

Формула изобретения

1. Способ радиоволновой диагностики технического состояния механизма в процессе его эксплуатации, заключающийся в том, что диагностируемый механизм облучают электромагнитными сигналами, регистрируют отраженные электромагнитные сигналы после их взаимодействия с диагностируемым механизмом и анализируют их, отличающийся тем, что облучение диагностируемого механизма производят электромагнитными колебаниями с длиной волны λ, удовлетворяющей соотношению
0,001d < λ < 100d,
где d - максимальный линейный размер подвижных элементов диагностируемого механизма,
или электромагнитными радиоимпульсами с частотой F следования
F > 2Nf_к,
где N - число подвижных элементов диагностируемого механизма;
f_к - максимальная частота колебания подвижного узла,
регистрацию отраженных электромагнитных сигналов производят в полосе частот

где с - скорость света,
анализ отраженных сигналов осуществляют путем его спектрально-временной обработки, а о техническом состоянии механизма в процессе его эксплуатации судят по результатам сравнения полученных данных с их остальными значениями.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучающие электромагнитные сигналы направляют на каждый отдельный подвижный элемент или узел диагностируемого механизма.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что облучение отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма осуществляют через выполняющие роль волноводов конструктивные узлы механизма, связанные с этим элементом.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что облучение отдельного подвижного элемента или узла диагностируемого механизма и прием отраженных им электромагнитных сигналов осуществляют разнесенными в пространстве источником и приемником электромагнитных сигналов.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем поочередного облучения с разных направлений элементов диагностируемого механизма в различные моменты времени отдельными источниками электромагнитных сигналов, а регистрацию отраженных электромагнитных сигналов производят поочередно различными приемниками.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что изменяют параметры облучающего электромагнитного поля путем одновременного облучения с различных направлений элементов диагностируемого механизма несколькими источниками, а регистрацию отраженных электромагнитных сигналов осуществляют несколькими приемниками.

7. Устройство для радиоволновой диагностики технического состояния механизмов в процессе эксплуатации, содержащее источник электромагнитных сигналов, связанную с ним антенну с системой юстировки, приемник электромагнитных сигналов и соединенный с ним последовательно узел регистрации и обработки сигналов, отличающееся тем, что узел регистрации и обработки сигналов выполнен в виде блока определения частоты колебаний, блока определения числа элементов механизма, анализатора спектра, последовательно соединенных блока определения диагностического параметра и блока сравнения и блока хранения эталонного значения диагностического параметра, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, а вход - с выходом блока определения диагностического параметра, соединенного с первым, вторым и третьим входами блока определения частоты колебания, блока определения числа элементов механизма и анализатора спектра, входы которых соединены с выходом приемника электромагнитных сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1