ЗНАНИЕ ВЕКТОРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРАЦИИ - КЛЮЧ К БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Игорь Кобяков, Академия стандартизации, метрологии и сертификации, к.ф.-м.н.
Анатолий Сперанский, Научно-производственное предприятие "РЭМ-вибро"
Анатолий Хориков, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", д.т.н.
Анатолий Шатохин, НИЦ ЦИАМ
Сергей Калинин, ООО "ТМК Инновация"

Для контроля вибрационной безопасности технических устройств необходимо изучение векторных характеристик вибрации. Общепринятый способ измерения вибрации с помощью однокомпонентных виброакселерометров приводит к получению заниженных значений вибрации. Существующие трехкомпонентные датчики измеряют виброускорение по трем осям, но не дают правильного значения вектора. Проблема может быть решена с помощью отечественной разработки - векторного виброакселерометра с единой измерительной точкой.

Значительный износ оборудования в различных отраслях промышленности существенно повышает роль контроля динамических параметров с целью предсказания допустимых сроков эксплуатации оборудования, предупреждения и профилактики катастроф. Для таких отраслей промышленности, как авиация, энергетика, строительство, транспортировка нефти и газа, наиболее эффективными методами обеспечения вибрационной безопасности являются вибромониторинг и вибродиагностика. Однако в области виброизмерительной техники в нашей стране, впрочем, как и во всем мире, имеются существенные проблемы.

Выражением пространственного процесса вибрации является вектор виброускорения, для определения которого необходимо одновременно измерять его проекции на три ортогональные оси. Однако абсолютное большинство используемых в мировой практике вибродатчиков представляет собой однокомпонентные пьезоэлектрические виброакселерометры, измеряющие лишь одну проекцию - на ось датчика. Оценка вибрации по одной из скалярных проекций вектора приводит к ошибочным представлениям о параметрах вибрации и динамическом состоянии объекта. Несмотря на это, многие нормативные документы предписывают проведение контроля вибрации именно с помощью однокомпонентных датчиков. Результатом такого контроля оказывается неверная оценка уровня вибрационной безопасности агрегатов, которая может приводить и к искажению оценки уровня других видов безопасности, определенных Федеральным законом "О техническом регулировании": пожарной, химической, биологической, электрической, термической, ядерной и радиационной.

Существуют датчики, измеряющие виброускорение вдоль трех осей (например, Bruel & Kjer, Дания и др.). Однако такие датчики представляют собой объединение трех однокомпонентных датчиков в общем корпусе, их чувствительные элементы пространственно разнесены (три измерительные точки), имеют фазовые рассогласования при измерении проекций, и каждый пьезокристалл обладает собственными параметрами поперечной чувствительности. Поэтому показания совокупности трех однокомпонентных датчиков в общем случае нельзя отождествлять с проекциями вектора виброускорения. Для согласования и усиления (кондиционирования) сигналов изготовители пьезоэлектрических датчиков встраивают в них интегральные схемы ICP/ISOTRON. К существенным недостаткам таких датчиков следует также отнести некоторое ограничение рабочих температурных, амплитудных и частотных диапазонов, вызванное наличием микросхем в корпусе прибора.

Ведущая в мире фирма-производитель виброизмерительной техники Bruel & Kjer впервые в зарубежной практике осуществила попытку создания прибора для измерения всех трех проекций вектора на одном кристалле, в единой измерительной точке. Разработчики столкнулись с рядом проблем, центральной из которых оказалась известная проблема поперечной чувствительности. Многолетние исследования и эксперименты привели к созданию модели 4506 на основе одного пьезокристалла цилиндрической формы. К сожалению, высокая чувствительность к поперечному движению не позволяет полностью отождествлять показания датчика с проекциями вектора виброускорения.

В последние годы в России создан, испытан и утвержден новый тип средств измерений - векторный вибропреобразователь с единой измерительной точкой. Принципиальное отличие векторного датчика от всех известных типов средств измерений виброускорения заключается в том, что в нем используется один чувствительный элемент в виде прямоугольного параллелепипеда, изготовленного из пьезокристалла определенной симметрии и ориентации. Совет по проблеме "Акустика" Российской академии наук признал правильными физические основы, заложенные в конструкцию этого векторного виброакселерометра.

Отечественный датчик нового поколения имеет низкую поперечную чувствительность (менее 5 %), в результате чего позволяет получать достоверную информацию о вибрационном состоянии и безопасности силовых агрегатов и конструкций. Он внесен в Государственный реестр средств измерений и защищен российскими и международными патентами. Датчик работает в комплекте с трехканальным усилителем заряда, имеющим симметричный дифференциальный высокоомный вход и низкоомный несимметричный выход. Качество векторных датчиков зависит от качества пьезоэлемента, кабеля, клея, разъемов и конструкции. Даже при использовании отечественных комплектующих получены характеристики, превосходящие аналогичные характеристики у датчиков ведущих мировых производителей.

На испытательном стенде ВВИА им. Н.Е. Жуковского с участием ФГУП "Мотор" проведены сравнительные измерения на авиадвигателе с помощью векторного вибропреобразователя нового поколения (тип ВТК 3, разработчик НПП "РЭМ-вибро", Ногинск, Московской обл.) и штатного однокомпонентного датчика (тип АВС-117, изготовитель - завод "Биофизприбор", Львов). Измеренное с помощью векторного датчика подлинное виброускорение составило 7,6g при показании штатного датчика 1,5g, что занижает уровень вибрации в 5 раз.

Измерения с помощью векторных виброакселерометров ВТК 7 на одном из типов вертолетных двигателей установили широкополосный характер вибраций по редуктору, наличие вибрационных составляющих с частотами вращения валов редуктора, его гармониками и частотами зацепления зубчатых колес. Из сравнения уровня виброускорений видно, что измеряемая однокомпонентным датчиком проекция вектора виброускорения аz также существенно отличается от полного вектора вибрации а.

Исследования возможностей векторного датчика проведены ЦИАМ им. П.И. Баранова на авиационном газотурбинном двигателе АЛ-31Ф. Измерены параметры вибрации для построения спектральных характеристик в диапазоне частот от 5…1000 Гц и до 8000 Гц. Были выявлены гармоники на частоте, соответствующей частоте вращения роторов. В спектрах явно присутствовали гармоники с кратными частотами и частота "мелькания роликов" 2406 Гц. Наличие хорошо развитых гармоник в частотном диапазоне 3…4 кГц свидетельствовало о наличии некоторых дефектов подшипников - внешних и внутренних обойм, шариков и сепараторов.

Использование всех трех проекций вектора виброускорения позволило создать представление о подлинном характере дефектов в исследуемом двигателе и принять решение о продолжении эксплуатации. Рекомендовано применение векторных датчиков на наземных установках НГПК. Испытания, аналогичные проведенным ЦИАМ им. П.И. Баранова, проведены также в ФГУП "ММПП "Салют", ФГУП "ОКБ "ГИДРОПРЕСС", ООО "ВНИИГАЗ" РАО "Газпром" и других ведущих отраслевых предприятиях. Виброиспытания на авиационных двигателях, турбоагрегатах, компрессорах и других силовых машинах подтвердили тот факт, что использование однокомпонентных датчиков всегда приводит к заниженным показаниям значений вектора виброускорения. Стендовые эксперименты на авиационных агрегатах для газоперекачивающих станций показали существенное отличие (в разы) значения вектора вибрации от измеренного штатными датчиками.

При проведении вибромониторинга опор турбоагрегата Т-250/300-240 на ТЭЦ-23 ОАО "Мосэнерго" с использованием векторных датчиков определялись контурные характеристики конструкций и формы колебаний в штатных точках контроля абсолютной вибрации опор. Анализ результатов измерений параметров вибрации опор турбоагрегата позволил наиболее полно и точно оценить их текущее вибрационное состояние, проследить изменение вибрационных характеристик (формы колебаний и траектории движения в плоскостях и пространстве) элементов конструкций, их реальное взаимодействие между собой, выявить ослабление в опорной конструкции турбоагрегата. Впервые на практике получено пространственное распределение вектора смещения в зависимости от фазовых соотношений пространственной вибрации, измеренное в трехмерной системе координат.

Использование векторных вибродатчиков предоставляет принципиально новые технологические возможности не только для вибромониторинга и вибродиагностики, но и, что особенно важно, для балансировки. Специалистами ОАО ВТИ РАО "ЕЭС России" выполнена балансировка газотурбинной энергетической установки ГТ-100-3. В результате балансировки исходная вибрация опор по всем направлениям измерения была снижена в 2...2,5 раза - до уровня существенно ниже допускаемого ПТЭ и ГОСТ 25364-98 для длительной эксплуатации, что исключило необходимость корректировочных пусков. Тот факт, что единый чувствительный элемент векторных датчиков исключает фазовые искажения по трем осям, позволяет по-новому подойти к методике балансировочных работ, особенно в тех случаях, где требуется высокая степень сбалансированности. Векторные датчики позволяют увеличить в три раза число используемых плоскостей коррекции и существенно улучшить точность балансировки, обеспечить более равномерное распределение корректирующих масс вдоль оси ротора, помогают выявить причины повышенных вибраций (отрывы опор, резонансы и повышенные податливости опорных элементов, ослабление креплений и т.п.).

Исследовались аэроупругие характеристики вентилятора с применением различных типов датчиков: тензометрических, измерителя пульсаций давления пьезоэлектрического типа и трехкомпонентного (векторного) вибропреобразователя. Анализ полученных результатов экспериментов с участием специалистов ЦИАМ им. П.И. Баранова свидетельствует о возможности диагностирования пространственного процесса зарождения и развития флаттера рабочих лопаток.

В результате экспериментальных исследований были выявлены три характерные области. Для диагностирования процесса возникновения и развития флаттера были получены спектральные характеристики процессов, измеренных разными типами датчиков. В первой области агрегат работает без флаттера. При изменении режима работы вентилятора происходит зарождение флаттера, что очень четко видно по каналу тензоизмерений. Во второй области агрегат находится под воздействием флаттера. Дальнейшее изменение режима работы агрегата приводит к исчезновению флаттера.

Известно, что при возникновении флаттера в спектрах пульсаций и вибраций должны возникать колебания с диагностическими частотами. Это отчетливо видно из спектральных характеристик, полученных в данном эксперименте с помощью датчика пульсаций давления и трехкомпонентного вибропреобразователя. Хорошо видно, что в момент возникновения и развития флаттера в спектрах по каналам пульсаций давления и трехкомпонентной (пространственной) вибрации появляются определенные спектральные составляющие, которые при выходе из режима флаттера исчезают.

Как показали исследования, диагностические возможности трехкомпонентных вибропреобразователей пространственной вибрации эквивалентны датчикам пульсаций. По информационным возможностям трехкомпонентные (векторные) вибропреобразователи превосходят возможности однокомпонентных датчиков пульсаций, так как позволяют измерять фазовые соотношения по трем координатам. Пространственное представление процессов вибрации и пульсаций впервые в мировой практике позволило, помимо радиальных, наблюдать осевую составляющую флаттера.

Применение векторных вибропреобразователей для диагностики флаттера имеет следующие преимущества: не требуются конструктивные монтажные доработки; предоставляется возможность достоверно регистрировать пространственные динамические характеристики процесса зарождения и развития флаттера; упрощается технологическая проблема размещения диагностических векторных вибропреобразователей; измерительный канал на основе векторного вибропреобразователя существенно дешевле аналогичного комплекта на основе датчика пульсаций и тензометров.

Следовательно, для ранней диагностики зарождения флаттера и других аналогичных процессов применение трехкомпонентных (векторных) вибропреобразователей не только возможно, но даже эффективно и целесообразно.

По мнению ведущей федеральной организации в области виброметии - ФГУП "ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева" "внедрение измерений трехкомпонентной вибрации в диагностическую практику является актуальной, но довольно сложной научной, организационной, технической и методической проблемой. Именно внедрение измерений трехкомпонентной вибрации в практику позволит повысить достоверность диагностической информации, а, следовательно, увеличить вероятность безотказной работы диагностируемого оборудования за счет более точной его балансировки, снизить вероятность возникновения техногенных катастроф и т.д."

По отзыву Лаборатории государственных эталонов в области вибрации, ударного движения и переменных давлений ФГУП "ВНИИ измерений им. Д.И. Менделеева" и секции Ученого совета "Одно из направлений совершенствования средств измерений пространственной вибрации - разработка трехкомпонентных преобразователей вибрации на основе монокристалла в форме прямоугольного параллелепипеда. В таком преобразователе не требуется изготовление инерционных масс, так как инерционной массой является масса самого кристалла. Сразу следует отметить, что и в прямоугольном монокристаллическом трехкомпонентном преобразователе требования к форме и расположению поверхностей и осей отдельных плоскостей должны быть высокими, как и требования к однородности состава самого кристалла. Любые отклонения увеличивают поперечную чувствительность каждой компоненты, и, соответственно, снижают точность. Создание прямоугольного монокристаллического преобразователя пространственной вибрации является новым подходом в измерительной вибрационной технике, актуальной научной и технической задачей".

В мире существует тенденция создания "вибропортретов" турбоагрегатов, авиационных двигателей, планеров, компрессорных установок, фундаментов, трубопроводов и других объектов, подверженных разрушающему воздействию вибрации. Пространственный вибромониторинг на основе векторных датчиков открывает возможность наиболее полной записи образа волнового поля механических колебаний каждой вибрирующей точки объекта изучения. Полнота информации обеспечивается способностью векторного виброакселерометра регистрировать в каждой измерительной точке частоты, амплитуды и фазы распространяющихся колебаний, при этом совокупность измерительных точек воссоздает "вибропортрет" объекта и позволяет исследовать анизотропию прочности конструкции.

Прецизионная виброналадка на основе точного знания пространственного вектора абсолютной вибрации на этапах проектирования, опытного производства, наладки, испытаний, эксплуатации, ремонта и продления ресурса позволяет повысить надежность оборудования, предоставляет принципиально новые технологические возможности, каждая из которых приводит к экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов, позволяет значительно снизить эксплуатационные потери, а также существенно сократить объемы, сроки и стоимость работ. Очевидны практическая целесообразность и стратегический экономический эффект от применения векторных виброакселерометров для обеспечения промышленной безопасности.

Развитие технологий пространственного вибромониторинга и диагностики на основе векторных датчиков видится в следующих направлениях: разработка регламента применения, методик аттестации и испытаний с целью утверждения типа векторных виброакселерометров; создание прототипа установки высшей точности для проведения метрологических испытаний с целью утверждения типа средств измерений и поверки первичных измерительных вибропреобразователей; создание новых типов средств измерений для высокотемпературных объектов, гиперчувствительных вибропреобразователей для резонансного вибромониторинга и пьезопреобразователей с высокой анизотропией пьезоэффекта; разработка базовых (прикладных) методик виброиспытаний образцов новой техники с применением векторных виброакселерометров; создание программ обучения компетентных специалистов-метрологов, поверителей средств измерений, экспертов, менеджеров и инспекторов вибрационной безопасности.

Наиболее развитые в области виброметрии страны, такие, как США, Германия, Англия, Швейцария и Дания, придающие самое серьезное значение проблеме вибрационной безопасности, не располагают аналогами векторных датчиков, даже близко приближающимися по характеристикам к российским. Результаты многочисленных исследований доказали технологический приоритет России и конкурентоспособность российских векторных датчиков в сравнении с лучшими зарубежными аналогами.

Авторы признательны за научно-технические консультации и метрологические испытания макета векторного виброакселерометра, проведенные компаниями Bruel & Kjer (Dr. Knud Hansen) и Vibro-Meter (Dr. F. Schmid), которые подтвердили правильность принципа измерения пространственной вибрации и соответствие результатов испытаний заявленным техническим характеристикам. Все замечания и пожелания, любезно высказанные при контактах, учтены при разработке серийной конструкции датчика.

Особая благодарность ректору Академии стандартизации, метрологии и сертификации - главному редактору журнала "Компетентность" д.т.н. Панкиной Галине Владимировне за предоставленные материалы "Знание векторных характеристик вибрации - ключ к безопасности".