Способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей

Изобретение относится к технической диагностике двигателей и машин и может быть использовано при создании систем диагностики двигателей внутреннего сгорания и турбомашин, применяемых в авиа-, автомобиле- и энергомашиностроении. В предлагаемом способе диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей измеряют и преобразуют сигналы, определяемые вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, причем измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов. Способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей базируется на том, что в качестве датчика сигналов, содержащих информацию о вибрациях двигателя, используют штатный агрегат-генератор, напряжение, снимаемое с которого, и подвергают спектральному анализу с выделением гармонических составляющих, соответствующих появившемуся или развивающемуся дефекту. Предлагаемый способ применим для диагностики двигателей разного типа, имеющих вращающийся вал и штатный агрегат, кинематически связанный с этим валом и при вращении генерирующий напряжение, а класс выявляемых дефектов определяется появляющимися вибрациями, влияющими на спектральный состав генерируемого агрегатом напряжения.

 

Изобретение относится к технической диагностике двигателей и машин и может быть использовано при создании систем диагностики двигателей внутреннего сгорания и турбомашин, применяемых в авиа-, автомобиле- и энергомашиностроении.

Известен способ диагностики и прогнозирования технического состояния машин [Авторское свидетельство №1519350 СССР. 6 МПК G 01 M 15/00. Заявлено 30.06.87. Опубл. 10.06.97, Бюл. №16], заключающийся в измерении значения диагностических признаков вибрации корпуса у машин, которые испытывают до возникновения отказа, оценивают функции распределения вероятностей признаков вибрации для множества машин и их относительную долю поля рассеивания погрешности как значение функции распределения соответствующего признака, а по близости функции к 0 или 1 судят о состоянии машины и определяют ее категорию качества по прогнозируемому ресурсу. Недостаток этого способа - сложность и большое количество проводимых испытаний, требующих измерения вибрации корпуса у значительного количества машин, испытываемых до отказа.

Известен способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины [Патент №2111469 РФ. 6 МПК G 01 M 15/00. Заявлено 11.04.97, дата публикации формулы изобретения: 20.05.98], заключающийся в регистрации сигнала датчика пульсаций потока, преобразовании сигнала в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, при этом сравнивают между собой в процессе развития колебаний величины указанных составляющих спектра и по результатам сравнения судят о направлении движения бегущих по колесу волн деформации. Недостаток способа - низкая точность проводимых измерений, обусловленная необходимостью применения датчиков пульсаций давления, которые вносят дополнительные погрешности из-за своих неидеальных частотных и преобразовательных свойств и за счет крепления к корпусу турбомашины.

Известен способ диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы [Патент №2151384 РФ. 7 МПК G 01 M 15/00, F 02 M 65/00. Заявлено 17.08.98, опубл. 27.04.2003, Бюл. №12], являющийся наиболее близким к заявляемому способу и принятый в качестве прототипа. Указанный способ-прототип, заключающийся в том, что производят измерение и преобразование сигналов, возникающих в результате взрыва топливной смеси в камере сгорания, причем сигнал с оптического датчика преобразуют в комплексный оптический спектр, а сигнал с акустического датчика - в комплексный акустический спектр, определяют относительный комплексный показатель (ОКП) путем деления акустического спектра на оптический, по величине ОКП судят о техническом состоянии двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы и прогнозируют процессы разрушения материала деталей двигателя.

Основные недостатки способа-прототипа:

- сложность конструкции, обусловленная дополнительным введением оптического датчика в камеру сгорания, что влияет на процессы сгорания в камере, и акустического датчика, встраиваемого в корпус двигателя;

- низкая точность проводимых измерений сигналов, вызванная погрешностями функции преобразования, динамическими и частотными ограничениями введенных оптического и акустического датчиков;

- узкий класс дефектов, определяемых из изменения сигналов, связанных только с взрывами топливной смеси в камере сгорания двигателя, и, в частности, отсутствует возможность диагностики турбомашин.

Технический результат предлагаемого изобретения - упрощение конструкции, расширение класса диагностируемых двигателей и дефектов, повышение точности проводимых измерений при диагностике за счет исключения оптического и акустического датчиков и проведения измерения и преобразования сигналов, снимаемых с агрегата, штатным образом входящего в состав диагностируемого двигателя.

Указанный технический результат достигается следующим образом. По отношению к известному способу, заключающемуся в измерении и преобразовании сигналов, определяемых вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, в предлагаемом способе, измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов.

Совокупность существенных признаков - измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемый способ соответствующим критерию охраноспособности "новизна".

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в упрощении конструкции, расширении совокупности выявляемых дефектов, класса диагностируемых двигателей и повышении точности проводимых измерений за счет исключения оптического и акустического датчиков и использования штатного агрегата для получения сигналов, используемых для диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателя и его агрегатов, что позволяет считать этот способ соответствующим критерию охраноспособности - "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ может быть применен для диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, турбомашин и других двигателей, имеющих вращающийся вал и содержащих агрегат, закрепленный, например, на его корпусе и связанный кинематически с валом двигателя либо непосредственно, либо через редуктор, гибкую ременную передачу и др. Агрегат представляет собой электромеханическое устройство - генератор постоянного (переменного) тока, тахогенератор и т.п.

При работе двигателя вместе с его валом вращается вал агрегата-генератора, вырабатывающего напряжение - анализируемые сигналы. Эти сигналы в процессе анализа измеряют и преобразуют в амплитудно-частотный спектр гармонических составляющих, который отражает вклад каждой гармоники в измеряемое напряжение. Характер изменения напряжения определяется типом генератора и механическими воздействиями на этот агрегат. При функционировании двигателя его корпус вибрирует, что связано с вращением вала, воздействием кривошипно-шатунного механизма и поршневой группы, работой агрегатов, расположенных на корпусе двигателя. Эти вибрационные воздействия приводят к вибрации ротора и статора генератора и по этой причине влияют на характер генерируемого напряжения, содержащего постоянную составляющую, если используется генератор постоянного напряжения, или основную гармонику, если применяется генератор переменного напряжения, и дополнительные составляющие двух видов. Первые определяются вибрациями при отсутствии дефектов, и после обработки проявляются в эталонном спектре. Вторые вызваны появлением и развитием дефектов, и возникшие вибрации отражаются в реальном спектре. Дефекты возникают в виде отказов в системе зажигания, когда отсутствует воспламенение смеси в одном или нескольких цилиндрах, изменения состава смеси, приводящего к возникновению детонации, смещения резонансных частот вибрации двигателя, связанного с нарушением и отказами в крепежных элементах, появления микротрещин, разрушений в корпусе, лопатках турбины, подшипниках и т.п. С этими дефектами связано появление в анализируемом напряжении генератора дополнительных гармоник с частотами как ниже, так и выше частоты основной гармоники. Все эти дополнительные гармоники вносят изменения в спектр, получаемый после измерения и преобразования анализируемого напряжения. Он отличается от эталонного спектра, имеющего место при отсутствии дефектов. При наличии предварительно полученной информации о возможных изменениях спектра в случае появления того или иного дефекта двигателя или его агрегатов получают спектр конкретного дефекта. В дальнейшем выявление такого дефекта упрощается. После оценки скорости изменения соответствующей гармонической составляющей решается задача выявления и прогнозирования развития отдельного дефекта с определением времени до возможного отказа двигателя или его агрегатов.

Следовательно, алгоритм предлагаемого способа диагностики и прогнозирования реализуется путем выполнения следующих действий: измерение напряжения на выходе агрегата (генератора) двигателя, получение эталонного спектра при отсутствии дефектов и/или спектров отдельных дефектов работающего двигателя, получение реального спектра, выявление появления или исчезновения отдельных гармонических составляющих, оценка скорости изменения отдельных гармоник, определение по результатам анализа наличия дефектов и прогнозирование развития имеющихся дефектов.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей достигается упрощение конструкции устройств диагностики и повышение точности измерения сигнала за счет исключения датчиков, монтируемых в корпус двигателя и вносящих дополнительные погрешности, а используется штатный агрегат двигателя, используемый для получения напряжения, представляющего собой анализируемые сигналы, преобразуемые в эталонный и реальный спектры, при сравнении которых выявляются дефекты и прогнозируется их развитие. Предлагаемый способ применим для диагностики двигателей разного типа, имеющих вращающийся вал и штатный агрегат, кинематически связанный с этим валом и при вращении генерирующий напряжение, а класс выявляемых дефектов определяется появляющимися вибрациями, влияющими на спектральный состав генерируемого агрегатом напряжения.

Способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей, заключающийся в измерении и преобразовании сигналов, определяемых вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, отличающийся тем, что измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов.