Дослідження дефектів підшипникових вузлів гідротурбіни

Національний авіаційний університет

інститут інформаційно-діагностичних  систем

кафедра інформаційно-вимірювальних  систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 Курсова робота

 

 

З дисципліни: «Комп’ютеризовані інформаційно-діагностичні системи»

 

 

Тема: «Дослідження дефектів  підшипникових вузлів гідротурбіни»

 

 

 

 

Виконала: 

Студентка ІІДС-502

Карлова О.В.

 

Керівник:

Професор  Щербак Л.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Київ 2010

 

РЕФЕРАТ

     Пояснювальна записка  до курсової роботи «Моніторинг  дефектів підшипникових вузлів  гідротурбін»:  47 сторінок, 22  рисунки,  11використаних джерел.

     Об’єкт дослідження – підшипниковий вузол гідротурбіни.

     Метою дослідження даної курсової роботи є розробка системи для спостереження за вібраційними процесами і розвитком дефектів підшипників у вузлах гідротурбін на ранніх стадіях.

     Метод дослідження – моделювання основних вузлів вимірювального каналу.

Дослідження ефективності використання вагових  функцій з метою зменшення  методичної похибки.

В ході роботи виконані дослідження  на актуальну тематику – постійного контролю і раннього знаходження  дефектів підшипників гідротурбін.

     Наукова новизна – використання вагових функцій для підвищення ефективності оцінки істинного середнього значення квадрату нестаціонарного випадкового процесу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………… 5

1.1.Гідротурбіни………………………………………………………………7

1.2.Стадії розвитку дефектів підшипників кочення……………………….9

1.3.Методи  діагностики дефектів підшипників…………………………...12

1.3.1. Діагностика за загальним рівнем вібрації…………………………13

1.3.2. Діагностика за спектрами вібросигналів…………………………..17

2. Вибір методу  аналізу та розробка структурної  схеми вимірювального каналу………………………………………………………………………..18

2.1. Вплив шумів на спектральний аналіз………………………………..18

2.2. Застосування методу послідовного усереднення для виділення корисного сигналу на тлі шумів……………………………………………………….21

2.3. Основні вимоги до апаратури………………………………………..23

2.4. Роздільна здатність вимірювань і час усереднення………………..24

2.5. Середнє значення квадрата ………………………………………….26

2.6. Оцінки середніх значень квадратів нестаціонарних випадкових процесів ……………………………………………………………………………….26

2.7.Точність вимірювань…………………………………………………..27

3.Характеристики  смугового і режекторного фільтрів…………………28

3.1. Смуговий фільтр………………………………………………………30

3.2. Характеристики смугових фільтрів………………………………….31

3.3. Слідкуючий режекторний фільтр……………………………………34

3.4. Структурна схема вимірювального каналу………………………...36

4. Моделювання вимірювального каналу і результати модельного експерименту……………………………………………………………….39

4.1. Розробка  функціональної схеми…………………………………….40

4.2. Дослідження  ефективності вагових функцій………………………..43

4.3. Результати  експерименту……………………………………………44

Висновки……………………………………………………………………45

Список використаних джерел…………………………………………….46

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

 

 

ККД – коефіцієнт корисної дії;

СКЗ – середньо- квадратичне значення;

СЩ – спектральна щільність;

Д – датчик;

ПУ – пристрій узгодження;

U/I –  перетворювача  напруга–струм;

ЛЗ – лінія  зв’язку;

I/U –  перетворювача  струм–напруга;

СФ – смуговий фільтр;

РФ – режекторний  фільтр;

ВФ – вагова функція;

АЦП – аналогово–цифровий перетворювач;

ПК  – персональний комп’ютер;

ПВВ –  пристрій вводу–виводу;

ШВВ – шина вводу–виводу;

ОТГ – оптичний тахогенератор;

ФСС – формувач синхронізуючих сигналів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

 

     Під механічним коливанням (вібрацією) розуміється зміна в часі механічної величини в заданих межах. 

     Що стосується протікання коливального процесу, то розрізняють: 
     - детерміновані процеси: періодичні і неперіодичні процеси, які підпорядковуються певному математичному закону, які в часі повторюються або можуть повторюватися;

     - стохастичні процеси: випадкові процеси, які не мають певну математичну модель і визначаються випадковою послідовністю.

Вимірювання механічних коливань зводиться до отримання найбільш  
повної інформації про коливальний процес. Для детермінованих процесів це завдання вирішується шляхом визначення амплітуди, частоти або положення за фазою. При стохастичних процесах можна лише шляхом «сортування» миттєвих значень за різними критеріями обмежитися статистичними оцінками. У простому випадку це зводиться до вимірювання рівня коливання.

     У більшості випадків механічні коливання (вібрації) представляють собою 
небажані явища, які часто накладаються на закономірні процеси руху. Однак коливання можуть створюватися і примусово в якості активних функцій, наприклад у вібраційних джерелах і конвеєрах, які використовуються для транспортування матеріалів.

      Близько половини аварійних зупинок  гідротурбін відбувається через  вихід з ладу підшипників кочення. Для діагностики дефектів у підшипниковому механізмі необхідно встановити датчик на даний механізм, проте, особливості конструкції гідротурбіни не дозволяють встановити датчик вібрації безпосередньо на підшипнику. Тому задача постійного контролю і раннього знаходження дефектів підшипників гідротурбін є однією з актуальних проблем.

     Найбільш простою і дешевою технологією вібродіагностики є періодичний контроль інтенсивності вібрації статорних елементів (підшипників) найпростішими переносними віброметрами. При цьому діагностичними ознаками дефектів служить рівень інтенсивності вібрації, співвідношення між його значеннями в різних точках і зміна в часі (тренд).

Метою вібродіагностики є:

     – попередження розвитку дефектів агрегату і скорочення витрат на його відновлення, 
     – визначення оптимальної технології відновлення працездатності агрегату, якщо виник дефект виключає можливість його нормальної експлуатації.

     Основним завданням вібродіагностики є поділ безлічі можливих технічних станів агрегату на дві підмножини: справних і несправних.

     Одним із завдань вібродіагностики є можливе виявлення дефекту на ранній стадії та прогнозування її розвитку в часі.

     Стан агрегату визначається як нормальний при одночасному виконанні наступних умов:

     – інтенсивність вібрації в контрольованих точках відповідає стандартним нормам; 
     – діагностичні параметри знаходяться в межах, що відповідають заданим режимом роботи агрегату;

     – на стаціонарному режимі спостерігається стаціонарна вібрація: параметри її 
мінливості не виходять за межі, характерні для заданого режиму;

     – відсутні істотні раптові зміни вібрації;

     – відсутнє істотне монотонне зростання вібрації в часі (тренд);

     – відсутня істотна низькочастотна вібрація;

     – відсутні істотні зміни спектрального складу вібрації.

     Кількісні оцінки (еталони якості) для визначення виконання цих умов визначаються нормативними документами, результатами статистичної обробки даних вібровимірювань і експертними оцінками.

   

    1.1. Гідротурбіни 

 

 Гідротурбіна  перетворює механічну енергію води (її енергію положення, тиску і  
швидкісну) в енергію обертового вала. За принципом дії гідротурбіни  
поділяються на активні і реактивні. Основним робочим органом гідротурбін, в якому відбувається перетворення енергії, є робоче колесо.  Вода  
підводиться до робочого колеса в активних гідротурбінах через сопла, в  
реактивних – через направляючий апарат. В активній гідротурбіні вода перед робочим колесом і за ним має тиск, що дорівнює атмосферному. У реактивній гідротурбіні тиск води перед робочим колесом більший за атмосферний, а за ним може бути як більше, так і менше атмосферного тиску.  
     Для розрахунку профілю лопаті робочого колеса гідротурбін, що обертається з постійною кутовою швидкістю, використовується рівняння: 

 
                                            ,                                        (1.1)

 
де Н –запас енергії 1 кг води (різниця відміток горизонтів води перед входом до споруди гідравлічної силової установки і після виходу з них без врахування втрат на опір у всіх спорудах, але з вирахуванням втрат в самій гідротурбіні);

 і  – швидкості лопастей на вході води в робоче колесо і на виході з нього, м/сек;  
і – абсолютні швидкості води на вході і виході, м/сек; ( і – кути  
між напрямками окружних і абсолютних швидкостей в точках, що відповідають  
осередненій по енергії поверхні струму, град; g – прискорення вільного  
падіння, .

     У ліву частину рівняння вводиться множник , що є гідравлічним  
ККД  гідротурбіни. Частина потужності, отримана колесом, витрачається на  
подолання механічних опорів, ці втрати враховують механічний ККД 
гідротурбін .  Витік води в обхід робочого колеса враховується об'ємним ККД гідротурбіни. 

     Повний ККД  гідротурбіни  – відношення корисної потужності, що віддається турбінним валом, до потужності води, що пропускається через гідротурбіну. У сучасній гідротурбіні повний ККД рівний 0,85–0,92; за сприятливих умов роботи кращих зразків гідротурбін він досягає 0,94–0,95. Геометричні розміри гідротурбін характеризуються номінальним діаметром робочого колеса. Гідротурбіни різних розмірів утворюють турбінну серію, якщо володіють однотипними робочими колесами і геометричними подібними елементами проточної частини.      

Основними тенденціями у розвитку гідротурбін  є:

     – збільшення одиничної  потужності;

     – просування кожного типу гідротурбін в область підвищених напорів;       

     – вдосконалення і створення нових типів гідротурбін;

     – поліпшення якості, підвищення надійності та довговічності обладнання.         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Стадії розвитку дефектів підшипників кочення 

 
     Вібросигнал зареєстрований на  підшипнику кочення з досить великим дефектом стану, для прикладу, наведено на рис. 1.1. На цьому рисунку добре видно дві найбільш характерні складові вібрації – "фонова", що має практично постійний рівень, і "імпульсна", яка представляє з себе імпульси, що виділяються по амплітуді, повторюються приблизно через рівні інтервали. 

 

Рисунок 1.1 –  Часовий сигнал вібрації підшипника з дефектом  
     

У моменти проходження через "несучу", навантажену зону підшипника  
кочення, дефектного елемента або елементів, на часовому вібросигналі з'являється чітко виражений пік, енергетичний імпульс. Параметри цього імпульсу визначаються видом, локалізацією і ступенем розвитку даного дефекту підшипника. Діагностичними параметрами такого імпульсу є його амплітуда і частота повторення.  
     Найбільш важливим параметром, що характеризує ступінь розвитку дефекту,  є амплітуда імпульсу. Для вимірювання цього параметру імпульсу в приладах віброконтролю повинні бути передбачені спеціальні пікові детектори. Локалізація дефекту, місце його розташування, звичайно уточнюється за частотою проходження імпульсів, для чого використовуються спектральні методи.  
     У загальному випадку стан підшипника кочення, розвиток його дефектів, за весь період його служби можна розділити на п'ять етапів. Ці етапи схематично показані на рис. 1.2. На цьому рисунку по вертикалі відкладено рівень вібрації в мм/сек, а по горизонтальній осі відкладені етапи розвитку дефектів. Стан підшипника визначається двома ламаним лініями. Нижня відповідає рівню фону вібрації на кожному етапі розвитку дефектів, верхня –  рівню піків вібрації. 

 

Рисунок 1.2 – Етапи розвитку дефектів підшипника

 

 

     До початку першого  етапу, на рисунку це до відмітки "1", загальний технічний стан підшипника будемо вважати ідеальним. На цьому, "нульовому" етапі розвитку дефектів піки вібрації перевищують рівень фону незначно, а сам "фон" вібрації (в даному випадку СКЗ віброшвидкості) значно менший від нормованого значення.  
     Етап 1. Починаючи з відмітки "1" в підшипнику з'являється і починає  розвиватися будь–який дефект, виникають ударні віброімпульси, що зростають за величиною.  Енергія імпульсів витрачається на "поглиблення" дефекту, в внаслідок чого відбувається ще більше збільшення енергії імпульсів. Рівень фону вібрації за своєю величиною при цьому залишається незмінним, оскільки дефект носить локальний характер і на загальний стан підшипника поки не позначається. Це етап виникнення дефекту в процесі експлуатації.