Применение метода фазовых портретов для анализа динамики и оценки технического состояния трибосопряжений ротор-подшипники скольжения с плавающими вращающимися втулками

Актуальность темы

В автомобилеи тракторостроении для повышения мощности дизельных двигателей применяются системы наддува с малоразмерными турбокомпрессорами (ТК). Решающим фактором их безаварийной работы является техническое состояние подшипников ротора, отличительная особенность которых — наличие промежуточных элементов в виде плавающих невращающихся (ПН) или вращающихся (ПВ) втулок. Такие конструкции подшипников являются двухслойными (с двумя смазочными слоями), и за счет этого удается обеспечить устойчивость ротора при повышенных частотах вращения.

Однако характеристики устойчивости ротора могут изменяться в зависимости от параметров технического состояния трибосопряжения ротор-подшипник скольжения. При определенных значениях параметров трибосопряжения ротор теряет устойчивость, ухудшаются гидромеханические характеристики, и происходит аварийный выход из строя всей турбомашины. Как правило, при производстве и ремонте ТК состояние подшипников ротора косвенно контролируют по перепаду давления масла на входе и выходе. Это является единственным методом их безразборной диагностики. Его низкая достоверность приводит к тому, что до 15% исправных агрегатов направляются в повторный ремонт, а в процессе производства — бракуются. Работоспособность подшипников подтверждается только после разборки ТК. В то же время есть основания считать, что для оценки технического состояния подшипников можно применять методы и средства анализа вибрационного сигнала, снятого с корпуса ТК.

Методы, основанные на анализе вибрации корпуса объекта, являются наиболее простыми и перспективными при переходе от эксплуатации по заранее назначенному ресурсу к эксплуатации и техническому обслуживанию объектов машиностроения по данным систематического безразборного контроля параметров технического состояния. Ущерб, причиняемый аварийными остановами, периодическими профилактическими осмотрами механического оборудования, в несколько раз превышает затраты на создание и внедрение систем и методов безразборной оценки технического состояния. Например, их внедрение увеличило срок службы роторных машин обогатительного оборудования железорудного карьера в 2.5 раз, снизило затраты энергии на 15%. По данным Scientific Atlanta и ежегодно публикуемым сведениям министерства энергетики США при внедрении обслуживания оборудования по техническому состоянию происходило снижение удельных затрат примерно на 10% в энергетике, в нефтехимической промышленности на 25 — 30%, на военно-морском флоте на 35 — 40% [147].

Процесс определения технического состояния по анализу вибрации предполагает решение задачи динамики, которая связана с определением причин (сил), вызывающих движение по известным характеристикам, законам движения.

Хотя возможности методов анализа вибрационных сигналов корпуса турбо-машины для оценки технического состояния трибосопряжений с ПВ втулками не исследованы, для обычных гидродинамических подшипников (подшипников с одним смазочным слоем) они изучены достаточно хорошо. При этом достаточно хорошо исследована динамика шипа и втулки в корпусе подшипника, но жесткость опоры и отклонения профиля поверхностей трения при этом не учитываются.

Исследование колебаний однослойных подшипников традиционно базируется на спектральном анализе вибросигналов с корпуса подшипника, при котором отслеживается рост компонент спектра в определенных частотных диапазонах. Пространство диагностических признаков дефектов подшипников скольжения ограничивается небольшим числом характеристик, реагирующих на грубые неисправности, когда распознать дефект можно лишь при его значительном развитии. Следовательно, традиционные системы вибродиагностики подшипников скольжения работают, по существу, в режиме аварийного выключателя.

Для оценки технического состояния может быть применен метод, основанный на анализе фазовых портретов вибросигналов. Метод известен в теории колебаний для исследования нелинейных динамических систем.

Существуют несколько предпосылок для применения метода фазовых портретов к анализу вибросигналов корпуса подшипника с ПВ втулкой с целью оценки динамики и технического состояния трибосопряжений ротор-подшипники. Первое: известно, что названная динамическая система является нелинейной, реакции в смазочных слоях зависят от взаимного положения и скорости поверхностей, ограничивающих эти слои. Второе: на фазовом портрете отображается сразу две характеристики движения, что дает возможность получить больше информации о поведении системы, чем при спектральном анализе, где используется только одна составляющая движения. Третье: по известным характеристикам движения необходимо получить параметры системы ротор-подшипник, что является обратной задачей метода фазовых пространств и первой задачей динамики.

В этой связи применение метода фазовых портретов вибросигналов для анализа динамики и оценки технического состояния трибосопряжений ротор-подшипники скольжения с ПВ втулками представляется актуальным.

Работа выполнялась в рамках Комплексной программы фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления УрО РАН на 1995 — 2005 год по разделу 2 — «Машиностроение и технологии». Направление 2.3.3 — «Механика деформируемых, перспективных материалов, конструкций и сооружений, трибология».

Цель исследования заключается в обосновании применения метода фазовых портретов вибросигналов корпуса турбомашины для анализа динамики и оценки технического состояния трибосопряжений ротор-подшипники скольжения с плавающими вращающимися втулками, что обеспечит выявление типовых повреждений опор и количественную оценку степени развития дефектов.

Научная новизна.

1. В разработанной модели динамики трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой предусмотрена возможность учета влияния на уровень колебаний подвижных элементов системы жесткости корпуса и отклонений профилей поверхностей, ограничивающих смазочные слои, от идеальной (круглоцилиндрической) формы.

2. На примере турбокомпрессора теоретически и экспериментально обоснована возможность применения метода фазовых портретов вибросигналов корпуса роторных машин для оценки технического состояния трибосопряжений ротор-подшипники скольжения с ПВ втулками.

3. Получены наиболее информативные характеристики фазовых портретов вибросигналов, соответствующие типичным дефектам ротора и подшипника с ПВ втулкой (увеличенные дисбаланс ротора и диаметральные зазоры, неидеальная геометрия поверхностей подшипников).

4. На основании динамики подвижных элементов трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой выявлены закономерности изменений характеристик фазовых портретов вибросигналов, полученных с корпуса роторной машины, в зависимости от изменений параметров технического состояния подшипника.

Достоверность полученных результатов обосновывается: строгостью используемого в работе математического аппаратасопоставлением результатов расчетов и экспериментовприменением апробированных экспериментальных методов изучения виброактивности подшипников скольжения с использованием современных средств измерений и обработки сигналов вибрации.

Практическая значимость работы. Разработанный метод оценки технического состояния системы ротор-гидродинамические опоры с ПВ втулками позволяет на основе анализа фазовых портретов вибросигналов корпуса роторной машины контролировать качество изготовления и ремонта подшипниковых узлов, проводить их предремонтную диагностику.

Широко применяемый при проектировании и доводке конструкций опор скольжения с ПВ втулками программный комплекс «Ротор» (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 980 414, 1998 г.) дополнен блоком, обеспечивающим возможность расчета гидромеханических характеристик трибосопряжений при неидеальных профилях опорных поверхностей втулки и корпуса.

Реализация. Разработанный метод оценки технического состояния на основе анализа фазовых портретов внедрен для диагностирования подшипников механизмов на АО «ЧТПЗ». Программный комплекс «Ротор» используется в ГСКБ «Трансдизель» при проектировании и доводке конструкций малоразмерных тур-бомашин с трибосопряжениями ротор-подшипники с ПВ втулками. Метод и оборудование для оценки технического состояния на основе анализа фазовых портретов вибросигналов используются при проведении лабораторных работ по курсу: «Вибродиагностика механизмов» для специальности 150 200 «Автомобили и автомобильное хозяйство».

Внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: II, III, IV, V международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курский ГТУ, 1995 — 2001), Asia-Pacific Vibration Conference (Seul, 1997; Singapore, 1999), International Conference on Vibration Engineering (Dalian, China, 1998), XVII Международной межвузовской школе семинаре «Методы и средства технис/ ческой диагностики» (Йошкар-Ола, 2000), XXII Российской школе по проблемам науки и технологий (Миасс: МНУЦ, 2002) и научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 1995 — 2002).

На защиту выносятся следующие основные научные результаты.

1. Разработанная модель динамики трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой, учитывающая жесткость корпуса роторной машины и отклонение формы поверхностей, ограничивающих смазочные слои, от идеальной круглоцилиндрической.

2. Установленные закономерности изменения динамических характеристик подвижных элементов трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой при отклонениях формы поверхностей подшипников от идеальной (круглоцилиндрической).

3. Полученные результаты исследований по обоснованию применения метода фазовых портретов вибросигналов корпуса роторной машины для оценки технического состояния трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой.

4. Выявленные диагностические признаки дефектов трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой на примере малоразмерной турбо-машины.

5. Разработанное пространство диагностических признаков дефектов трибо-сопряжений ротор-подшипник с ПВ втулкой, позволяющее определять их техническое состояние и оценивать степень развития дефектов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 статьях. Получен патент РФ № 2 187 086: «Способ определения состояния объектов при вибродиагностике».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 154 источника, приложенияизложена на 176 страницах машинописного текстасодержит 52 рисунка, 5 таблиц. В приложение включены вспомогательные материалы и акты внедрения результатов работы.

4.7. Основные выводы и рекомендации по оценке технического состояния трибосопряжения ротор — гидродинамический подшипник скольжения с ПВ втулкой с применением метода фазовых портретов.

В результате исследований динамики трибосопряжения ротор — гидродинамический подшипник скольжения с ПВ втулкой, применяемого в турбокомпрессоре ТКР7С автомобильного двигателя КамАЗ-740, разработан метод оценки некоторых дефектов: дисбаланса ротора, увеличения установочных зазоров, отклонений формы профиля опорной поверхности подшипника и ПВ втулки от круглой.

По результатам оценки динамики трибосопряжения ротор-подшипник скольжения с ПВ втулкой можно рекомендовать расширить допуск завода при изготовлении на трехвершинную огранку внутренней поверхности втулки на 15−20%. Также можно увеличить допуск на горизонтальную овальность отверстия под ПВ втулку в корпусе среднем турбокомпрессора.

В качестве диагностических признаков дисбаланса предлагаются фазовые портреты сигналов, отфильтрованных около частоты вращения ротора турбокомпрессора fr в координатах скорости — ускорения. В этом случае оценка дисбаланса должна проводится по изменению площади фигур (эллипсов).

Для оценки увеличивающихся зазоров в подшипнике применяются фазовые портреты сигналов, отфильтрованных около 0.3 — 0.48 от частоты вращения ротора, в координатах перемещения — скорости, для внешнего зазора частота фильтрации 0.3/п, а для внутреннего зазора она составляет 0.48fr. На фазовом портрете также оценивается изменение площади фигуры (эллипса).

Овальности поверхности корпуса оцениваются поворотом осей эллипсов на фазовых портретах отфильтрованных вибросигналов скорости и ускорения на частоте 2fr, трехвершинная огранка соответственно на частоте 3fr. При этом вертикальная овальность корпуса характеризуется поворотом эллипсов до 100 градусов, а горизонтальная более 100. Таким образом, отклонения формы опорной поверхности подшипника от круглоцилиндричной оцениваются на фазовых портретах в координатах скорость — ускорение и перемещение — скорость после фильтрации на частотах, равных произведению кратности гармоник некругло-сти на частоту вращения ротора (п/г). Об увеличении отклонения можно судить по изменению угла наклона осей фигур.

При применении диагностической модели, основанной на нелинейных уравнениях динамики, уравнениях Рейнольдса, уравнениях расхода смазки и методе фазовых пространств существенно повышается достоверность диагноза, а также сокращается срок настройки системы оценки технического состояния на рабочий режим.

Разработанная модель позволяет анализировать динамику и оценивать техническое состояние гидродинамических трибосопряжений, таких как опоры с ПВ втулками, а также, при дополнительных исследованиях, других подшипников скольжения на гидродинамической смазке с учетом жесткости корпуса опоры и реального профиля поверхностей трения.

На основании полученных результатов для организации процесса диагностирования подобных объектов в качестве рекомендаций предлагается:

-: применение метода анализа динамики и оценки технического состояния подшипников турбокомпрессоров на различных предприятиях, связанных с диагностикой, ремонтом, дефектовкой турбокомпрессоров, содержащих подшипники скольжения на гидродинамической смазке;

— применение метода анализа динамики и оценки технического состояния на основе анализа фазовых портретов вибросигналов к различным техническим объектам, содержащим трибосопряжения ротор-подшипники скольжения на гидродинамической смазке;

— применение математической модели на стадии проектирования для учета реального профиля опорных поверхностей трибосопряжений подшипников скольжения высокооборотных роторов и оценки их виброактивности с учетом жесткости корпуса.

Кроме того, можно рекомендовать применение метода оценки технического состояния на основе анализа фазовых портретов для анализа вибросигналов различных технических объектов, с целью поиска более информативных характеристик их дефектов.

Надо отметить, что исследования возможностей метода анализа динамики и оценки технического состояния на основе применения метода фазовых пространств не ограничатся трибосопряжениями ротор-подшипники скольжения, а будут продолжены для применения к различным техническим объектам, функционирование которых связано с вибрацией. Такими объектами могут быть как шаровые опоры и амортизаторы автомобиля, так и редукторы, и шестеренные клети прокатных станов, грейферные перегружатели, мостовые краны и т. п.

— 158-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

С целью обоснования применения фазовых портретов вибросигналов корпуса трибосопряжения ротор-гидродинамический подшипник с ПВ втулкой для оценки его технического состояния проведено расчетно — экспериментальное исследование динамики подшипникового узла малоразмерной турбомаши-ны.

В ходе изучения состояния вопроса выявлены основные неисправности трибосопряжений с ПВ втулками: дисбаланс ротора, увеличение внешнего и внутреннего зазоров в подшипнике, отклонение формы профиля опорных поверхностей корпуса и втулки от идеальной (круглоцилиндрической).

Основные итоги работы сводятся к следующему:

1. На основе расчета динамики трибосопряжения ротор — подшипник с ПВ втулкой с учетом жесткости корпуса и отклонения формы поверхностей трения от идеальной определены изменения гидромеханических характеристик трибосопряжения и частотные диапазоны проявления дефектов подшипника в теоретических сигналах перемещения, скорости и ускоренияпроведен теоретический частотный анализ.

2. Проведено экспериментальное исследование динамики подшипника с ПВ втулкой при различных его технических состояниях, получены значения базовых характеристик вибросигналов с помощью спектрального анализа. Обнаружена низкая информативность традиционных методов анализа вибросигналов для оценки технического состояния трибосопряжений с ПВ втулкой.

3. Обосновано применение характеристик фазовых портретов узкополосных вибросигналов в качестве источника информации о дефектах гидродинамического подшипника с ПВ втулкой. Выявлены наиболее информативные характеристики для обнаружения увеличенного смещения центра масс шипа, увеличенных наружного и внутреннего зазоров, а также для оценки отклонений формы поверхностей подшипника от идеальной — круглоцилиндрической.

— 1594. На основе выявленных информативных характеристик построено пространство технических состояний для подшипника турбокомпрессора ТКР7С. Определены значения информативных характеристик фазовых портретов для предельных состояний подшипника.

5. Адекватность полученных зависимостей информативных характеристик от степени развития дефектов проверена на основе сравнения их с экспериментальными зависимостями.

6. Разработан метод оценки технического состояния с применением фазовых пространств для анализа характеристик нелинейных колебаний реального объекта. Метод реализован впервые, что подтверждено патентом РФ.

7. Эффективность нового метода оценки технического состояния подтверждена сравнением его с традиционными методами анализа вибросигналов, в частности, со спектральным анализом.

8. Представленный метод оценки технического состояния на основе анализа фазовых портретов вибросигналов применяется при диагностировании состояния подшипников на АО «ЧТПЗ». Программный комплекс «Ротор» расчета динамики опор с плавающими вращающимися втулками, учитывающий отклонения формы подшипника и втулки от идеальной, используется для проектирования турбомашин в ГСКБ «Трансдизель».