Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертационная работа:

Пронякин Владимир Ильич. Информационно-метрологическое сопровождение жизненного цикла машин и механизмов на базе прецизионного хронометрического анализа фазы рабочего цикла : диссертация ... доктора технических наук : 05.11.15 / Пронякин Владимир Ильич; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана].- Москва, 2010.- 290 с.: ил. РГБ ОД, 71 10-5/399

смотреть введение
Введение к работе:

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.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net