авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Фазогенераторный датчик контроля высокоскоростных электропроводящих объектов (на примере турбомашин)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МИЛЮШИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

ФАЗОГЕНЕРАТОРНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ

ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ОБЪЕКТОВ

(НА ПРИМЕРЕ ТУРБОМАШИН)

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Орел 2011 г.

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессио­нального образования «Государственный университет – учебно-научно-производ­ственный комплекс»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Подмастерьев Константин Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Борис Рудольфович

кандидат технических наук

Дорофеев Николай Викторович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики»

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссер­тационного совета Д 212.182.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессио­нального образования «Государственный университет – учебно-научно-производ­ственный комплекс» по адресу: 302020, Россия, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, (ауд. 212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Госуниверситета – УНПК.

Автореферат разослан 18 ноября 2011 г. и размещен в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук _______________ В. Н. Волков

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Существует класс высокоскоростных электропроводящих объектов (ВЭПО), элементы которых в процессе функционирования перемещаются по трассе с большими линей­ными скоростями (от 300 до 2000 м/с и более). Объекты могут быть как сплош­ными, так и составными, монолитными или оболоченными; состоять из ферро- и диамагнитных металлов и сплавов либо их сочетания; перемещаться поодиночке, группами либо потоками. Расстояние между движущимися элементами ВЭПО в направлении трассирования может быть одного порядка с линейными размерами самих элементов и иметь значение в несколько десятков миллиметров и менее. В процессе трассового движении элементы либо часть элементов в кластере могут со­вершать рыскание по трассе, участвуя при этом ещё и в колебательном движении вокруг одной или нескольких мгновенных осей вращения. Материал объекта во время рыскания может испытывать значительные динамические напряжения и ме­ханические деформации, сравнимые с пределами прочности или превышающими их. В последнем случае практически неизбежно возникают аварийные отказы объ­ектов из-за неуправляемого выделения значительной кинетической энергии, приво­дящие к катастрофическим последствиям с риском для жизни и здоровья обслужи­вающего персонала и значительным экономическим ущербом.



Примерами подобных объектов являются орудия боевых комплексов, газотур­бинные двигатели подвижного и стационарного назначения, агрегаты газотранс­портных станций, паросиловые энергетические турбоустановки и т.п., техническое состояние которых во многом определяется, например, начальной скоростью сна­ряда или характером перемещения лопаток лопаточных венцов.

Обязательным условием обеспечения эффективности и безопасности эксплуа­тации подобных объектов является объективный контроль параметров движения или взаимного расположения их подвижных элементов. Указанные объекты объединяют близкие значения динами­ческих параметров движения их элементов. Поэтому, несмотря на определенную специфику контроля различных объектов, создаются условия рассмотрения решения общих задач по их контролю на примере одного из объектов, в качестве которого в работе вы­браны турбомашины.

Одним из наиболее эффективных методов контроля параметров перемещения или взаимного расположения элементов объектов, в частности, колебаний рабочих лопаток лопаточных венцов в настоящее время является бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ), в соответствии с которым контролируемые параметры опре­деляются математической обработкой измеренных временных интервалов прохож­дения торцом лопатки нескольких неподвижных контрольных точек за некоторое число оборотов ротора турбомашины.

Высокая чувствительность ДФМ к погрешности определения границ временных интервалов с учетом динамики контролируемых высокоскоростных объектов предполагает, однако, жесткие требования к метрологическим характеристикам используемых датчиков, важней­шими из которых являются: частота переключения (не менее 200 кГц); время за­держки срабатывания (не более с); номинальное расстояние срабатывания (не менее 3 мм); гистерезис (не более 5 %). При этом для обеспечения универсальности датчика с учетом необходимости контроля различных объектов, работающих при различных условиях, характеристики датчика должны быть макси­мально инвариантными к материалам контролируемых объектов (турбинные стали, нержавеющие стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, медь и медные сплавы).

Анализ состояния вопроса показал, что применяемые в настоящее время им­пульсные индукционные и емкостные датчики обладают суще­ственными погрешностями, зависящими от параметров движения и мате­риала объекта, и по значению, порой, соизмеримыми с контролируемыми парамет­рами. Кроме того, тенденция к увеличению мощности силовых турбо­машин ведет к применению лопаток увеличенной длины из диамагнитных титановых сплавов, для контроля которых применение описанных датчиков затруднительно либо принципиально невозможно.

Таким образом, возникает необходимость в разработке импульсного датчика, удовлетворяющего высоким точностным и динамическим требованиям.

В рамках поиска наиболее приемлемого принципа построения преобразователя для датчика с уче­том выдвинутых требований установлено, что таковым является фазогенераторный преобразователь (ФГП), основанный на явлении вза­имной синхронизации двух генераторов через элементы связи (с комплексным, резистивным, взаимоиндуктивным, комбинированным, резонансным и т.п. характером проводимости). ФГП обеспечивает фазовое преобразование выходных параметров первичного парамет­рического вихретокового преобразователя (ВТП), в качестве которого применяется катушка индуктивности. Бла­годаря высокой чувствительности, высокому уровню выходного сигнала и его фазовой модуляции ФГП об­ладают высокой помехозащищенностью и возможностью реализации принципа самосравнения.

Исследованиям ФГП посвящены работы следующих ученых: ФГП с резистивной связью – работы К.С. Полуляха, Е.Н. Гончарова, Ю.Г. Клетцнера; анализу стационарного режима ФГП со слабой связью и чувстви­тельности ФГП с сильной связью – работы В.В. Володарского; развитию теории комбинационного поличастотного ФГП – работы В.В. Иванова, В.К. Шакурского и С.В. Шлыкова; исследованию ФГП с положительной обратной связью – работы В.В. Рапина.

Несмотря на указанные выше достоинства ФГП из­вестные технические решения на их основе не могут быть при­менены для контроля высокоскоростных электропроводящих объектов, по­скольку обладают низкими динамическими характеристиками. Потому исследова­ние и разработка фазогенераторного датчика контроля высокоскоростных электро­проводящих объектов является актуальной задачей.

Объектом исследования является контроль высокоскоростных электропро­водящих объектов, техническое состояние которых характеризуется параметрами перемещения или взаимного расположения отдельных элементов (на примере контроля колебаний лопаток турбомашин бесконтактным дискретно-фазовом методом).

Предмет исследования – принцип построения, математические модели и метрологические характеристики индуктивного фазогенераторного датчика кон­троля высокоскоростных электропроводящих объектов.

Целью диссертационной работы является повышение достоверности кон­троля высокоскоростных электропроводящих объектов за счет разработки индуктивного фазогенераторного датчика с улучшенными метрологиче­скими характеристиками.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- разработка принципа построения быстродействующего фазогенераторного датчика;

- разработка математической модели ФГП с учетом свойств электропроводящего объекта;

- синтез структурной и принципиальной схем датчика;

- теоретические исследования основных метрологических характеристик;

- разработка научно обоснованных рекомендаций по назначению конструк­тивно-технологических параметров;

- разработка электронного метода метрологического определения динамиче­ских характеристик ФГП;

- экспериментальные исследования с целью подтверждения достоверности основных теоретических положений, заложенных в основу принципа построения датчика, работоспособности датчика и достижения улучшенных метрологических характеристик;

- разработка предложений по использованию предложенного датчика в уст­ройствах и системах контроля высокоскоростных электропроводящих объектов (на примере турбомашин).

Методы исследования. В работе использованы методы анализа эквивалент­ных электрических схем, анализа взаимодействия электромагнитного поля катушки индуктивности генератора и проводящей среды, анализа переходных характеристик, теория воздушного трансформатора, методы математической логики, статистической обработки результатов эксперимента.

Научная новизна

1. Разработан принцип построения фазогенераторного быстродействующего датчика контроля высокоскоростных электропроводящих объектов на основе непрерывной системы пар последовательно возбуждаемых прямоугольными импульсами переходных характеристик параллельного колеба­тельного контура.

2. Разработана математическая модель фазогенераторного преоб­разователя, учитывающая электрофизические свойства объекта контроля, параметры параллельного колебательного контура и параметры сигнала возбуждения.

3. Теоретически установлены зависимости основных метрологических харак­теристик фазогенераторного быстродействующего датчика от конструктивных параметров датчика и характеристик контролируемого объекта.

4. Разработан электронный метод исследования динамических характеристик быстродействующих ФГП – метод коммутируемого плоского контура, и теоретиче­ски обоснована его метрологическая сопоставимость с методом механических пере­мещений тестовых пластин.

Практическая ценность

1. Разработана структурная и принципиальная схемы фазогенераторного дат­чика контроля высокоскоростных электропроводящих объектов.

2. Разработаны научно обоснованные рекомендации по назначению конструк­тивно-технологических параметров фазогенераторного датчика.

3. Разработана специализированная микросхема активной части ФГП.

Положения, выносимые на защиту:

– принцип построения и математическая модель фазогенераторного преобразователя на основе непрерывной системы пар последовательно возбуждаемых прямоугольными импульсами переходных характеристик параллельного колебательного контура;

– структурная, принципиальная схемы и научно обоснованные рекомендации по назначению конструктивно-технологических параметров фазогенераторного датчика кон­троля высокоскоростных электропроводящих объектов;

– электронный метод коммутируемого плоского контура исследования динамических характеристик быстродействующих фазогенераторных датчиков.





Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на V международной научно-практической конференции «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (г. Новосибирск, 2011г.); международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии» (г. Орел, 2011 г.); международной научно-технической конференции «Динамика современной науки» (г. София, Болгария, 2011 г.); ХX Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (г. Алушта, Украина, 2011 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях в ОрелГТУ и в Госуниверситете-УНПК (г. Орел, 2009-2011 г.).

Результаты диссертационной работы апробированы и приняты к внедрению на ОАО «Калужский двигатель», внедрены в Госуниверситете – УНПК в учебный процесс при подготовке специалистов, бакалавров и магистров по направлению «Приборостроение».

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 18 работ, включая 6 научных статей (5 в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК); 4 доклада на конференциях, 4 патента на изобретение и 3 патента на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения, списка используемых источников (112 наименований). Изложена на 134 страницах, включая 52 рисунка, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определена цель, поставлены задачи исследования, приведены научная новизна, практическая значимость, поло­жения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обоснование необходимости разработки датчика контроля ВЭПО и на примере контроля лопаточных венцов турбомашин дано обоснование требований к датчику, производится обзор и анализ существующих решений, обосновывается выбор наиболее рационального принципа построения датчика.

Наиболее эффективным методом контроля параметров колебаний рабочих лопаток лопаточных венцов в настоящее время признан бесконтактный дискретно-фазовый метод (ДФМ), по которому параметры колебаний определяются мате­матической обработкой измеренных временных интервалов прохождения торцом лопатки нескольких неподвижных контрольных точек (периферийных датчиков) относительно корневого датчика за некоторое число оборотов ротора турбомашины.

Высокая чувстви­тельность ДФМ к погрешности определения границ временных интервалов предполагает жесткие требования к метрологическим характеристикам используе­мых датчиков. Анализ состояния вопроса показал, что применяемые в настоящее время импульсные индукционные и емкостные датчики обладают существенными погрешностями, зависящими во многом от параметров движения лопаток. К числу причин погрешностей относятся: искажение симметрии формы выходного сигнала из-за не идеальности изготовления и несимметричности условий взаимодействия датчика и торца лопатки; запаздывание сигнала из-за инерционности процессов в датчике, вихревых потерь и влияния паразитных емкостей; существенное влияние высокочастотной аддитивной помехи, наводимой внешними источниками в сиг­нальной линии датчика, и т.п. В итоге погрешность в отдельных случаях может быть соизмеримой со значениями контролируемых параметров колебаний. Кроме того, тенденция к увеличению мощности силовых турбомашин ведет к приме­нению рабочих лопаток увеличенной длины, изготовленных из диамагнитных тита­новых сплавов, для контроля которых применение описанных выше импульсных датчиков становится весьма затруднительным либо принципиально невозможным.

Это обуславливает необходимость исследования путей создания импульсного датчика, удовлетворяющего жестким требованиям дискретно-фазового метода, к числу которых относятся: частота переключения – не менее 200 кГц; время за­держки срабатывания – не более 0,25 мкс; номинальное расстояние срабатывания – не менее 3 мм; материалы объекта контроля – турбинные и нержавеющие стали, титано­вые, алюминиевые и медные сплавы.

Наиболее приемлемым типом датчиков для контроля ВЭПО пред­ставляются датчики на базе ФГП, класси­ческий принцип построения которых (рисунок 1) основан на явлении взаимной син­хронизации двух генераторов через элемент связи с разным характером проводимости - комплексным, рези­стивным, взаимоиндуктивным, ком­бинированным, резонансным и т.п. ФГП обеспечивает фазовое преобра­зование выходных параметров пер­вичного параметрического ВТП (катушки индуктивности). ФГП характеризуются высокой чувствительностью. Из­вестны другие варианты ФГП, анализ которых позволил осущест­вить классификацию ФГП по принципу формирования разности фаз. Наряду с преобразователем прямого действия (фазовый сдвиг формируется сигналами двух связанных генераторов), существуют мультипликативные преобразователи (фазовый сдвиг формируется многократным умножением первичного сдвига) и комбинационные (фазовый сдвиг формируется многократным суммированием основной и вспомогательной частот).

Анализ работ предшественников показывает, что для реализации потенциально высокой чувствительности классического варианта ФГП требуется применение стабилизирующей обратной связи, например по амплитуде на колебательном контуре, которая содержит инерционное звено в виде -фильтра. Мультипликативный вариант ФГП представляет собой -автогенератор, охвачен­ный положительной обратной связью по фазе – длительность переход­ного процесса в нем существенно превышает длительность периода колебаний авто­генератора. В комбинационном варианте ФГП разность фаз формируется в процессе преобразования информационного сигнала автогенератора посредством как мини­мум одного полосного усилителя с инверсной фазовой характеристикой и после­дующими неоднократными операциями суммирования/вычитания исходного и по­лученного преобразованиями сигналов. Его переходная динамическая характери­стика подобна переходной характеристике инерционного звена пер­вого порядка.

Таким образом, непосредственное применение известных решений ФГП для целей контроля функционирования ВЭПО не представляется возможным – они не обладают необходимыми динамиче­скими характеристиками.

Вторая глава посвящена разработке принципа построения фазогенераторного быстродействующего датчика контроля ВЭПО, разработкам его математической модели, структурной и принципи­альной схем.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.