Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла

На правах рукописи

УДК 006.91;621.002.56.

ПРОНЯКИН ВЛАДИМИР ИЛЬИЧ

Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа

фазы рабочего цикла

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

05.11.15 – Метрология и метрологическое обеспечение

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Сергеев Алексей Георгиевич

доктор технических наук, профессор

Телешевский Владимир Ильич

доктор технических наук, профессор

Обухов Игорь Васильевич

Ведущая организация – ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт метроло­ги­чес­кой службы»

Защита диссертации состоится « » 2010 года на заседании диссертационного совета Д212.141.18 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 1005005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, прось­ба выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Бау­ма­на.

Телефон для справок (499) 267-09-63

Автореферат разослан «..…..» ……….…… 2010 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.212.141.18

д.т.н., профессор Цветков Ю.Б.

Актуальность. Надёжная оценка, прогноз технического состояния и ава­рийная защи­та технических объектов превращаются в проблему нацио­наль­но­го масштаба, так как страна вступила в полосу технических аварий и тех­ногенных катастроф. Особенно острое положение сложилось в энергетике и на всех видах транспорта, где без необходимого пополнения парка действующего оборудования его ресурс приближается к исчерпанию. Достаточно отметить техногенные ката­строфы на Каширской ГРЭС в октябре 2002 года, Рефтинской ГРЭС в декабре 2007, Саяно-Шушенской ГЭС в августе 2009 г. года и постоян­ные аварии авиационной техники (в частности вертолётов), сопровождающиеся человеческими жертвами.

Решение проблемы обеспечения надежности и долговечности машин и механизмов не найдено. Средства и методы, применяющиеся при метрологичес­ком обеспечении производства и эксплуатации, обладают чрезмерной пог­реш­ностью (0,01% - 5%) и не гарантируют раннего предупреждения об ава­риях. По той же причине оказалось недостаточной их разрешающая спо­соб­ность, не поз­воляющая различать индивидуальные особенности отдельных однотипных тех­ни­ческих объектов, регистрировать эволюцию износа их конструктивных эле­ментов и деградацию конструкционных материалов. В связи с этим, на тра­ди­ционных принципах не удалось создать эффективные компактные встроен­ные контрольно-диагностические системы.

Между тем, точность измерений в фундаментальных научных (и при этом не только в лабораторных условиях) исследованиях опережает на много поряд­ков уровень точности, достигнутый в машиностроении.

Техническая реализация фундаментальных достижений естественных на­ук уже во второй половине ХХ-го века обеспечила снижение относительных погрешностей измерений расстояний в космическом пространстве до уровня 10-10 %, а в «стерильных лабораторных условиях» – до 10-15 %. В то же время уро­вень относительных погрешностей линейных измерений при метрологическом обеспечении производства и эксплуатации объектов машиностроения не опус­кается ниже (10-110-2)%. Столь резкий контраст уровня метрологического обес­пе­чения научных исследований с одной стороны и индустриально-про­мыш­лен­но­го производства – с другой отражает реально сложившиеся положение в сов­ре­менной техники, для которой характерны:

- неопределенность информации как об исходных значениях параметров конструкционных материалов порядка (110)% от их номинальных значений, так и об их изменениях в процессе эксплуатации техники;

- отсутствие компактных встроенных информационно-измерительных сис­тем, способных обеспечить безразборную диагностику функционирующих слож­ных систем, оценку их технического состояния и остаточного ресурса.

Прямыми следствиями этого является необходимость:

- соблюдения кратных запасов прочности, что влечет кратное изменение удельных габаритно-массовых характеристик конструкций, повышение их ма­териало- и металлоемкости;

- тщательной и длительной экспериментальной опытно-конструкторской, кон­­структорско-технологической и опытно-промышленной отработки каж­дого изделия.

При этом обеспечение и надёжности работы машин и ме­ханизмов дос­тигается

благодаря применению системы регламентных про­фи­лак­тических осмот­ров и планово-предупредительных ремонтов с возмож­ностью замены исчерпы­ваю­щих свой ресурс и выводимых из эксплуатации объектов новыми.

В настоящее время ресурс основных фондов отечественной техники в энер­­гетике и на транспорте, в обрабатывающей и добывающей промышленности исчерпан или близок к исчерпанию. Система планово-предупреди­тельных ре­­­­­­­­­­мон­­тов при наблюдающемся снижении поставок новой техники взамен близ­кой к ава­рий­ным отказам теряет свою эффективность.

Отечественные контрольно-диагностические средства и методы, основан­ные преимущественно на амплитудных, главным образом, виброакустических под­ходах, не обеспечивают в полной мере информационно-метрологическое обес­печение жизненного цикла машиностроительной продукции при разра­ботке, изготовлении, эксплуатации и ремонте. В настоящее время в промышленности и на транспорте преобладает аналоговая контрольно-измерительная аппаратура низкой и средней точности, оцифровка показаний которой не приводит к ради­кальному повышению точности. Отсутствуют инструментальные средства, обес­печивающие единство представления информации на всех этапах жизненного цикла изделия, то есть отсутствует единое представление экспериментальной ин­фор­мации, необходимой для её передачи с этапа эксплуатации в КБ и на производство. Недостаточно и оперативное математическое обеспечение сов­­ременного промышленного производства, так как математические модели функциони­рования изделий не учитывают многих возникающих динамических эффектов, не обеспечены инструментальными средствами идентификации, опи­раются на экспериментальные данные низкой и средней точности, не могут слу­жить надёжной основой САПР. Положение усугубляется возрастанием ве­роят­ности аварий на транспорте и в энергетике в связи с увеличением физи­ческого старения и износа оборудования и недостаточностью его возоб­нов­ле­ния.

В наиболее широко распространённой вибродиагностике основой полу­чения информации являются виброволновые процессы, возникающие при взаи­модействии частей устройства. Из-за погрешностей изго­товления возникают вибрации, значи­тельно превышающие виброволновые процессы от зарождаю­щихся дефектов. В связи с приработкой, износом, изменением режимов работы, условий эксплуатации и деградацией технической системы происходит неиз­бежное изменение парамет­ров колебательных процессов, исключающее наличие устойчивых во времени диагностических признаков. Проблема использования спектров колебательных процессов, дающих основную диагностическую инфор­мацию, заключается в том, что их структура со временем ра­дикально изме­ня­ет­ся (особенно на длительных интервалах эксплуатации), и поэтому их использо­вание для получе­ния трендов и прогноза не даёт надёжных результатов.

В современных условиях необходимы методы и информационно-измери­тельные системы, обеспечивающие оперативную регистрацию процессов дегра­дации и обнаружения зарождающихся дефектов функционирующих объектов, обеспечивающих диагностику и аварийную защиту. Остаётся нерешённой проб­лема информационного обмена между этапами жизненного цикла, особен­но от этапа эксплуатации, где информация минимизирована в целях снижения затрат. Не обеспечена эффективная диагностика ма­лооборотных и тихоходных меха­низмов, изделий точной механики, имеющих низкий уровень вибрации, высо­кооборотных систем с распределенной массой и др. (например, ГТД различного назначения). Задача перехода к ремонту по оценке те­ку­щего технического состояния объекта в авиации, наземном транспорте, тепло­энергетике, гидро­энергетике поставлена уже не первое деся­ти­ле­тие, но до сих пор не решена.

Цель работы

Создание методов и средств информационно-метрологического сопровож­де­ния жизненного цикла машин и механизмов в едином формате контроли­руе­мых метрологических характеристик на основе рекордной стабильности ис­поль­зуемых технических средств современной отечественной хро­номет­рии и преимуществ фазового метода

Научная новизна

1. Впервые разработаны научные основы информационно-метрологи­чес­ко­го со­про­вождения жизненного цикла машин и механизмов на базе преци­зион­­ного хронометрического анализа фазы рабочего цикла в едином формате кон­тро­ли­руемых метрологических характеристик.

2. Впервые разработаны общие принципы и методологические основы иссле­дования, диаг­нос­тики и аварийной защиты циклических машин и меха­низмов фазо­хро­но­мет­ри­ческим методом.

3. Разработаны общие принципы математического моде­лирования машин и механизмов для применения на всех этапах жизненного цикла в фазохро­но­мет­ри­ческом представ­ле­нии.

4. На основе фазохронометрического подхода разработаны единые прин­ципы проек­тирования фазохронометрических измерительных систем для иссле­до­вания, диагностики и аварийной защиты машин и механизмов.

5. На базе фазохронометрического подхода разработаны научные, тео­ре­тические и методологические основы

- создания новых средств и методов оценки технического состояния функ­цио­нирующих турбоагрегатов (ТА) большой мощности,

- изме­ри­тель­но-вычислительного мониторинга теку­ще­го технического сос­тояния и ава­рий­ной защиты функционирующих син­хрон­ных генераторов боль­шой мощности,

- исследования и диагностики двигателей внутреннего сгорания,

- исследования и диагностики часовых механизмов.

Значимость

1. Достигнутая чувствительность фазохронометрических систем реализует выявление зарождающихся дефектов, что недоступно тради­цион­ным методам диагностики (в частности, вибродиагностике).

2. Разработан проект информационно-метрологического сопровож­дения, диагнос­ти­ки и аварийной защиты ТА и вспомогательного оборудо­ва­ния ТЭЦ, обеспечивающий переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки текущего технического состояния, эффек­тив­ность которого подтверждёна технико-экономическим обоснованием составит в прогнозных ценах (дисконтированный по ставке 11%) в виде чистого приведенного дохода – 970 млн. руб. при сроке окупаемости – 4 года.

3. Разработан проект информационно-метрологического сопровож­де­ния, диагностики и аварийной защиты гидроагрегатов ГЭС на базе тестовой и функ­ци­ональной диагностики, обеспечивающий переход от сис­темы планово-преду­пре­дительных ремонтов к системе ремонтов на основе оценки те­ку­щего тех­ни­чес­кого состояния. Эффек­тив­ность проекта подтверждёна технико-экономи­чес­ким обос­но­ва­нием, разра­ботанным в соответствии с требованиями ОАО «Рус­Гидро». Эконо­ми­ческий эффект только для гидро­агре­га­тов Волжской ГЭС при номинальных ин­вес­тициях в 300 млн. руб. (в прогноз­ных ценах - 335 млн. руб.) приве­денный доход первого проекта (в прог­нозных ценах) составит 708 млн. руб.

4. Достигнутая относительная погрешность определения периода вра­ще­ния валопровода ТА ТЭЦ 5Ч10-4 % позволила реализовать регистрацию его кру­тиль­ных колебаний, возбуждаемых изменениями нагрузки и управляю­щих воз­дей­ствий, которые считаются одной из основных причин накопления усталости в ме­­талле валопровода и аварийного трещинообразо­ва­ния в нём. Технология из­ме­рения пара­мет­ров крутильных колебаний валопровода ТА в энер­ге­тике отсутствует.

5. Фазохронометрические системы выполняют регистрацию быстро­про­те­кающих процессов и в сотни раз более оперативны, чем штатные средства ТЭЦ, что обеспечивает новый уровень аварийной защиты ТА.

6. Разработан систематический безразборный изме­ри­тельный контроль час­­тотных характеристик и диаг­нос­тика функционирующих синхронных генера­торов Единой энергетической системы в рабочих режимах, не имеющий ана­ло­гов в мире (подтверждено патентом).

7. Разработаны методы и средства диагностики циклических меха­низ­мов (например, часовые механизмы, турбоагрегаты, гидроагрегаты, газо­тур­бинные двигатели, ДВС, электродвигатели, редукторы, подшипники и др.), значительно сокращающие цикл испытаний для подтверждения их рабо­то­способности.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Фазохронометрический метод исследования и диагностики на базе пре­цизионного хронометрического анализа фазы рабо­че­го цикла обеспечивает ин­фор­мационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и ме­ханизмов в едином формате контролируемых метрологических харак­те­рис­тик.

2. Математическое моделирование циклических механизмов в фазо­хро­нометрическом представ­ле­нии обеспечивает внедрение математических методов непосредственно в процесс разработки, изготовления и эксплуатации машин и механизмов.

3. Фазохронометрическая информация обеспечивает измерительно-вы­чис­ли­тель­ный прогнози­рующий мо­ни­торинг, диагностику текущего технического сос­тояния и аварийную за­щи­ту турбоагрегатов и вспомогательного обо­ру­до­ва­ния ТЭЦ.

4. Быстродействие ФХС и математическая обработка экспериментальных данных обеспечивают аварийную защиту и прогноз технического состояния машин и механизмов.

Достоверность и обоснованность результатов обусловлены коррект­ностью применения математического аппарата и вычислительных методов, опо­­рой на метрологически корректное получение и использование экспери­мен­­таль­ных данных, привязкой средств измерений к Государственной сис­теме по­вер­ки времени и частоты, контролем уровня погрешностей измерений и вы­чис­лений на всех стадиях создания и применения фазохронометрических систем.

Апробация результатов диссертации

Положения и результаты работы были доложены и обсуждены на следующих

научно-технических конференциях и совещаниях-семинарах:

- Всесоюзная научно-техническая конференция «Волновые и вибра­цион­ные процессы в машиностроении», г. Горький, 1984, 1985, 1989 г.г.;

- VI Всесоюзная школа «Теоретические основы и конструи­рование чис­ленных алгоритмов решения задач ма­тематической физики», г. Горький, 1986 г.;

- 5-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Фотометрия и её мет­рологическое обеспечение», 1984 г.;

- 12-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов», 1985 г.;

- Всесоюзное совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы но-вой тех­­ни­ки», 1990, 1992, 1996, 1998, 2001, 2003, 2004, 2006. г.г.;

- научно-техническая конференция «Состояние и проблемы техни­ческих из­мерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997, 1998, 2000, 2002, 2004, 2008 г.г.;

- Международная научно-техническая конференция «Инженерно-физи­чес­кие про­бле­мы авиа­­­­цион­ной и космической техники» (Чкаловские чтения): Егорьевск Москов­ская область, 1995, 1997, 1999, 2002, 2004, 2007 г.г.;

- конференция «Проблемы машиноведения», НФ ИМАШ РАН, Н. Новго­род, 1997, 2001, 2006 г.г.;

- Научная школа: Фундаментальные проблемы и прикладные проблемы теории точности процессов, машин, приборов и систем («Фридлендеровские чте­ния»), Санкт-Петербург, ИПМ, 2002, 2005, 2007, 2009 г.г.;

- труды академических чтений по космонавтике. Чкаловские чтения. 2004г.

- Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы вибрации, виб­ро­наладки, вибромониторинга и диагностики оборудования электричес­ких стан­ций» 2005, 2007 г.г.;

- вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Методы и сред­ства измерений электрических величин», г. Суздаль, 2009.

Публикации по результатам работы. По результатам выполненных ис­сле­дований опубликованы 86 работ, в том числе, 25 статей в научно-тех­ни­ческих журналах, в журналах по списку ВАК – 13 статей, 50 тезисов докладов на научно-техни­ческих конференциях. По­лучены патент и два авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений и сокращений, общей характеристики работы, 5 глав, выводов, списка использованных источников и 2 приложений. Работа содержит 287 страницы, из них рисунки на 53 страницах, таблицы на 4 страницах, 20 страниц списка литературных источников. Приложения на 48 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены её цели и задачи, указана научная новизна и практическая полезность, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Информационно-метрологические проблемы жизненного цик­ла машин и механизмов

Глава посвящена анализу информационно-метро­ло­ги­ческих проб­лем жиз­нен­ного цикла машин и механизмов, из которого сле­дует, что за­кономерно сло­жившийся в 30-е годы прошлого века общий уро­вень тех­но­ло­ги­ческого обес­пе­чения массового производства машин опре­делил под­ход к его ин­формационно-метрологическому обеспечению. В результате воз­ник­ла система планово-преду­предительных ремонтов и регламентных профилак­ти­ческих работ. Эта система в ос­новном удовлетворяла промышленность стра­ны, пока парк на­ходившихся в эксплуатации машин заменялся новым оборудо­ва­нием. Поло­же­ние резко изме­ни­лось в последние годы, когда объё­мы и темпы во­зобновляющих пос­тавок про­мышленностью образцов новой техники резко сократились. Осо­бен­но серь­ёз­ное по­ложение сложилось в энер­гетике и на тран­спорте, где всё боль­ше число тех­ни­ческих объектов продолжает эксплуа­ти­ро­вать­ся, несмотря на исчер­пание их ре­сур­са. Поэтому всё больше нарастают приз­наки вступления страны в по­ло­су крупно­мас­штабных технических аварий и техногенных катастроф. В этих усло­виях ин­тегральные пока­за­тели надёжности и долго­веч­ности объек­тов теряют какую-либо значи­мость. На первый план выступает необходимость прогноза судьбы каж­дого кон­крет­ного технического объекта. В связи с этим проблемы «пер­со­нального» ин­фор­ма­цион­но-метрологического сопровож­де­ния функ­цио­ни­рую­ще­го объекта прио­бретает чрезвычайную важность.