Уровни анализа технического состояния СЭУ

Рассмотрим судовую энергетическую установку (СЭУ) как сложную систему, представляющую собой объект диагностирования. СЭУ можно подразделить на три уровня взаимосвязанных систем, различающихся между собой элементным свойством и межэлементными связями [17].

Первый уровень - это СЭУ в целом, которая состоит из агрегатов, аппаратов, устройств и механизмов, в которых последовательно происходит законченный цикл преобразования или передачи энергии. Такие элементы системы представляют собой функционально самостоятельные элементы (ФСЭ). Например, в паротурбинной установке: паровой котел, турбозубчатый агрегат, валопровод и гребной вал, конденсатор, конденсатный и питательный насосы, подогреватели конденсата. Физической основой связей между этими ФСЭ СЭУ являются процессы переноса рабочего тела. Эти связи могут быть названы энергетическими. Их количественной оценкой являются традиционно контролируемые параметры состояния рабочего тела или среды (давление, температура, расход, состав). Нарушение этих связей может привести к снижению мощности СЭУ, снижению тепловой эффективности и эксплуатационной надежности.

 

Таблица 2

Уровни анализа технического состояния СЭУ	Характер межэлементных связей	Параметры количественной оценки связей
I. СЭУ в целом, состо- ящая из ФСЭ	Энергетические	Параметры состояния рабочего тела
II. ФСЭ, состоящие из деталей, узлов	Механические	Структурные параметры
III. Детали узлы	Молекулярные	Структурные параметры

 

На втором уровне анализа СЭУ в качестве объектов диагностирования рассматриваются ФСЭ, т.е. машины, механизмы, аппараты и устройства, из которых состоит СЭУ. Элементами подсистемы этого уровня являются детали или узлы, а физической основой связей следует считать процессы взаимодействия деталей, определяемые наличием степеней свободы. По своей природе связи между деталями являются механическими. Они типичны для агрегатов, кинематические пары которых имеют число степеней свободы 1 и более. Это полностью характеризует положение и движение деталей агрегатов и количественно определяется обобщенной координатой механической системы. Под ней понимают каждый из независимых друг от друга параметров, однозначно определяющих соответствующее им положение деталей относительно неподвижной системы координат. Эти параметры называют структурными (зазор, межцентровое расстояние, прогиб и т. п.) и они являются количественной характеристикой механических связей.

На третьем уровне анализа будут элементы ФСЭ - детали, узлы. Их структура характеризуется молекулярными связями. Нарушение этих связей приводит к появлению в конструкционном материале деталей оборудования трещин, эрозионных и коррозионных повреждений и т.п., размеры которых можно также считать структурными параметрами.

Таким образом, по параметрам рабочего тела и структурным параметрам можно определить работоспособность и техническое состояние объектов диагностирования.

22. Причины изменения технического состояния ОД. При диагностировании используют вектор структурных параметров объекта

R={r₁, r₂, r₃,..., r_m}, где r_i, i=1, 2, 3,... m - отклонение i-го параметра технического состояния от его номинального значения.

Состояние сложного объекта диагностирования обычно оценивается множеством структурных параметров r_i, изменение которых со временем наработки приводит к отказу. На основе изучения статистических отказов механизма составляется перечень слабых узлов, лимитирующих ресурс механизма, составляется также перечень подлежащих диагностированию дефектов, обусловленных выходом того или иного структурного параметра за допустимые пределы (например, зазоры в подшипнике, степени износа поршневых колец, значения дисбаланса ротора и др.).

Нарушение работоспособности объекта диагностирования со временем наработки, называемое в теории надежности отказом, хотя и является случайным событием, обусловлено, тем не менее, вполне определенными физическими и химическими процессами, протекающими в материалах деталей механизма при его эксплуатации и вызывающими старение материалов и износ элементов. Эти деградационные процессы в свою очередь зависят от ряда внешних и внутренних факторов: принципа действия механизма, его конструкции, используемых материалов, технологии изготовления, режимов и условий работы.

Комплекс внешних и внутренних факторов, воздействующих на механизм, приводит к изменениям структурных параметров. Процесс приближения технического состояния объекта диагностирования к отказам характеризуется движением случайно изменяющегося с течением времени эксплуатации вектора структурных параметров R к границе рабочей области, при достижении которой объект теряет работоспособность.

23. Параметры, из которых формируются информативные диагностические параметры. В процессе эксплуатации объектов диагностирования, как правило, не представляется возможным прямое измерение структурных параметров. Поэтому приходится использовать диагностические параметры, с помощью которых косвенно определяются структурные параметры, а по ним и категория технического состояния объекта.

Диагностические параметры принимаются из числа параметров, описывающих объект диагностирования. Это входные, выходные и внутренние параметры.

Входные параметры - это внешние условия и управляющие воздействия (положение органов управления, характер подачи топлива, рабочих и вспомогательных сред).

Выходные параметры (реакции): а) параметры, показывающие поведение объекта (характеризующие основные заданные функции - мощность, частота вращения, подача и др.; б) параметры различных сред (выпускные газы, охлаждающая вода, масло, конденсат и т. д.) на выходе из объекта; в) параметры физических полей, возникающих вокруг (на поверхности) объекта диагностирования - виброакустические, тепловые, магнитные, акустическая эмиссия, люминесценция и др.

Внутренние параметры: а) параметры, характеризующие рабочие процессы, происходящие внутри объекта диагностирования; б) структурные параметры, т. е. параметры, определяющие структуру объекта (размеры деталей объекта, зазоры, сплошность и др.).

Влияние входных параметров при определении технического состояния объектов должно быть исключено посредством приведения выходных и внутренних параметров к стандартным условиям.

При выборе диагностических параметров следует учитывать тот факт, что не все выходные параметры (реакции) могут быть использованы для определения структурных параметров.

24. Две группы структурных параметров, характеризующих техническое состояние ОД.

1-ая группа - структурные параметры, характеризующие техническое состояние элементов проточной части оборудования (зазоры в уплотнениях, состояние поверхности рабочих и направляющих аппаратов и др.). Эти структурные параметры могут быть косвенно определенны путем измерения теплотехнических параметров рабочего тела, контактирующего с элементами проточной части оборудования.

2-ая группа структурных параметров - это параметры, характеризующие техническое состояние опорных и передаточных звеньев оборудования (подшипники, редукторы, мультипликаторы и др.). Косвенное измерение структурных параметров этой группы сводится к измерению и анализу параметров физических полей, сопутствующих работе оборудования и являющихся следствием взаимодействия деталей и узлов (параметры виброакустических полей, температура, напряженность магнитного поля и др.), которые и выступают в данном случае диагностическими параметрами.

25. Выбор представительных (информативных) диагностических параметров и характер их изменения.

Каждый вид неисправности механизма можно описать набором диагностических параметров, характеризующих отклонение структуры механизма от его структуры в режиме нормального функционирования. Среди множества параметров, характеризующих техническое состояние объекта диагностирования можно выделить наиболее представительные (информативные), по которым можно следить за изменением технического состояния с наработкой механизма. В качестве диагностических признаков используют не только статические параметры типа температура или давление, но и динамические, например виброакустические сигналы, являющиеся результатом взаимодействия деталей механизма в процессе его функционирования, распространяющихся по конструкциям механизма и в окружающую среду и регистрируемых в виде параметров смещения, скорости, ускорения или пульсации давления. Широкие частотный и динамический диапазоны колебательных процессов, малая инерционность, большая скорость распространения акустических волн по машинным конструкциям обусловливают большую информативность виброакустических методов диагностирования машин и механизмов. Быстрая реакция виброакустического сигнала на изменение технического состояния являются определяющим фактором для использования в аварийных ситуациях, когда скорость постановки диагноза и принятия решения являются гарантией предотвращения категорических последствий.

На рисунке 2 представлена типичная зависимость представительного параметра технического состояния (например, уровня вибросигнала) от времени наработки. На графике четко различаются три периода: приработки (период Т₁), нормальной работы (период Т₂) и деградации механизма (период Т₃), когда скорость ухудшения состояния нарастает со временем.

Кривая, представленная на рисунке 2 называется трендовой характеристикой (трендом), т. е. изменение диагностического параметра, характеризующего изменение технического состояния с наработкой механизма.

В процессе эксплуатации механизма диагностические параметры могут изменяться в связи с изменением внешних условий (температура охлаждающей воды, воздуха, загрязнений проточной части, начальное давление пара, напряжение в электрической сети и др.). Кроме этого, возможны метрологические погрешности измерения диагностических параметров. Трендовые характеристики учитывают только изменение технического состояния механизмов.

На рисунке 3 в качестве примера приведены изменения уровня вибрации и фазы колебания ротора турбомашины в процессе длительной эксплуатации. В начальный период эксплуатации точка Р₀ характеризует исходное техническое состояние турбокомпрессора (вибросмещение ротора S и фаза колебаний j). В дальнейшем под воздействием различных факторов происходит плавное изменение значения диагностических параметров, а затем неожиданно, скачкообразно переход от точки Р₁ к точке Р₂. Такой резкий переход может иметь место при поломке лопатки. При достижении вибрации определенного уровня (на рисунке - Предел G2) диагностическая система предупреждает о повышенной вибрации, а при достижении уровня - Предел G1 срабатывает защита агрегата по вибрации.

По измерениям уровня вибрации и фазы колебаний может быть выявлено появление трещины в роторе, увеличение неуравновешенности из-за отложений на рабочих лопатках, обрыва лопаток, ослабление посадки дисков на валу и другие неисправности.

 

Рис.2. Поведение представительного параметра технического состояния узла механизма со временем наработки: Т1 – период приработки; Т2 – период нормального функционирования; Т3 – зарождение и развитие дефекта; ТР – время назначенного ресурса; ТФ – время фактического срока ремонта; Та – время наступления аварии; uн – уровень нормального функционирования; uд – допустимый уровень; uа – аварийный уровень.

26.Два метода организации контроля представительных (информативных) диагностических параметров. Принципиально возможны два подхода, реализующих контроль технического состояния машин и механизмов по диагностическим параметрам.

Первый из них заключается в организации постоянного контроля изменений представительных параметров (трендов). Трендовая характеристика позволяет прогнозировать момент наступления катастрофических изменений технического состояния, а стало быть, прогнозировать остаточный ресурс и планировать срок физически обоснованного ремонта.

Этот способ рекомендуется для контроля технического состояния дорогостоящих или ответственных объектов, нарушение работоспособности которых может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому на этапе эксплуатации механизмов столь большое значение приобретают различные методы диагностики зарождающихся дефектов машин и механизмов.

Рис.3. Диагностика состояния машин системой ВИБРОКАМ 5000 фирмы SCHENCK. Изменение вектора состояния Р (уровень виброскороти и виброперемещения , фаза колебаний φ) ротора турбомашины: Р0 – исходное техническое состояние; Р0– Р1 – плавное изменение технического состояния в процессе эксплуатации; Р1– Р2– скачкообразный переход, характеризующий, например, поломку лопатки ротора; РП – предупреждение по состоянию ротора; предел G2 – первое предупреждение; предел G1 – основное предупреждение, после которого может сработать защита агрегата по вибрации.

 

Второй подход базируется на эпизодическом контроле (контрольная проверка) представительных характеристик технического состояния (диагностических параметров) и сравнивания их с пороговыми значениями, выработанными на основе достаточно большого числа предварительных диагностических экспериментов. Метод контрольной проверки целесообразно использовать для определения технического состояния множества однотипных механизмов и выявления тех из них, которые находятся в критическом состоянии.

Использование методов диагностики на этапе эксплуатации механизмов позволяет за счет ликвидации необоснованных переборок, сокращающих ресурс, продлить срок службы оборудования, уменьшить стоимость эксплуатации за счет экономии рабочего времени, запасных частей и горюче-смазочных материалов, а в условиях производства повысить его эффективность за счет устранения необоснованных простоев оборудования.