Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций и силовых установок

Российская академия наук Самарский научный центр Институт проблем управления сложными системами

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК Под редакцией Секисова Ю.Н., Скобелева О.П.

Самара 2001

УДК 681.2, 681.3

А в т о р ы : СЕКИСОВ Ю.Н., СКОБЕЛЕВ О.П., БЕЛЕНЬКИЙ Л.Б., БОРОВИК С.Ю., РАЙКОВ Б.К., СЛЕПНЕВ А.В., ТУЛУПОВА В.В.

Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок / Под ред. Секисова Ю.Н., Скобелева О.П. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2001. – 185 с., ил. В книге систематизированы и обобщены предложенные авторами методы измерения многомерных перемещений элементов конструкций лопаточных и поршневых силовых установок. Рассматриваются принципы построения систем измерения, реализующих эти методы, и их основные элементы, а также принципы интеллектуализации систем, способствующие интерпретации и верификации полученных результатов. Приводится описание систем измерения, предназначенных для стендовых испытаний силовых установок, результаты их метрологических исследований и апробации в стендовых условиях.

Рецензенты: Доктор технических наук, профессор Григоровский Б.К. Доктор технических наук, профессор Данильченко В.П.

Печатается по решению издательского совета Самарского научного центра Российской академии наук

ISBN 5-93424-046-3

© Институт проблем управления

сложными системами РАН, 2001

© Авторы, 2001

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ АЦП БСУ БТ ВД ВМТ ГТД ГХ Д ДВС ДТр ДУ ДЧВ ИИП ИПС ИС ИСх КД КС КТ КШМ МА МП МФ ОВТД ОП ОС ОУ ПВС ПКО ПО ПОб ПОП ПП ПР ПСО ПЦ РД РЗ РОИ РСИ РСО СД СИ СПВ ИС СТ СУ ТЗ ТП ТрП УВХ УСО УС ФКС ЧЭ ШП ЭК ЭФС

- аналого-цифровой преобразователь - блок согласующих устройств - бесконтактный токосъемник - вспомогательный датчик - верхняя «мертвая» точка - газотурбинный двигатель - градуировочная характеристика - датчик (датчики) - двигатель внутреннего сгорания - дифференцирующий трансформатор - дифференцирующее устройство, устройство дифференцирования тока - датчик частоты вращения - импульсный источник питания - измерительная процессорная станция - изгибное смещение - измерительная схема - компенсационный датчик - координатная составляющая (координатные составляющие) - контактный токосъемник - кривошипно –шатунный механизм - метрологическая аттестация - многомерное перемещение (многомерные перемещения) - мешающий фактор (мешающие факторы) - одновитковый вихретоковый датчик - опорный подшипник - осевое смещение - операционный усилитель - параметры внешней среды - подшипник коренных опор - программное обеспечение - параметры объекта - параметры объекта, представленные одномерными перемещениями - первая производная - параметры режима - параметры среды объекта - поршень-цилиндр - рабочий датчик - радиальный зазор - разработчики объекта исследования - разработчики системы измерения - разработчики стендового оборудования - сигналы датчиков - система измерения - сбор, преобразование и выделение информативного сигнала - согласующий трансформатор - согласующее устройство - техническое задание - термопара - трансформатор питания - устройство выборки-хранения - устройство связи с объектом - угловое смещение - факторная координатная составляющая (факторные координатные составляющие) - чувствительный элемент - шатунный подшипник - элемент (элементы) конструкции - электрофизические свойства

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

7

1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

15

1.1. Объект измерения. Классификация и терминология

15

1.2. Обобщенная концептуальная модель процесса измерения

18

1.3. Методы измерения координатных и оценки факторных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций лопаточных силовых установок

23

1.3.1. Одноступенчатая

лопаточная

силовая

установка:

элементы

конструкции, координатные и факторные составляющие их многомерных перемещений 1.3.2. Измерение

21

координатных

составляющих

многомерных

перемещений торцов лопаток 1.3.3. Измерение

28

координатных

составляющих

многомерных

перемещений колес ротора 1.3.4. Измерение

33

координатных

составляющих

многомерных

перемещений вала

35

1.3.5. Оценка факторных координатных составляющих

38

1.4. Методы измерения координатных и оценки факторных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций поршневых силовых 41

установок 1.4.1. Одноцилиндровая

поршневая

силовая

установка:

элементы

конструкции, координатные и факторные составляющие их многомерных перемещений 1.4.2. Измерение

координатных

42 составляющих

смещений

центра

вкладыша шатунного подшипника и оценка деформации профиля его внутренней поверхности

45

1.4.3. Измерение координатных составляющих смещений центра шейки подшипника коренных опор

52

1.4.4. Измерение координатных составляющих cмещений оси поршня

53

Заключение по разделу 1

56

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

58

2.1. Обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения

58

2.2. Первичное преобразование сигналов в системе измерения

61

2.2.1. Особенности

преобразования

сигналов

одновитковых

вихретоковых датчиков по методу первой производной

61

2.2.2. Дифференциальные измерительные цепи

65

2.2.3. Бесконтактная передача сигналов одновитковых вихретоковых датчиков, расположенных на подвижных элементах конструкций

68

2.3. Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала

72

2.3.1. Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала о многомерных перемещениях элементов конструкций в лопаточных силовых установках

73

2.3.2. Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала о многомерных перемещениях элементов конструкций в поршневых силовых установках

83

2.4. Алгоритмы вычислений координатных составляющих многомерных перемещений

84

2.4.1. Систематизация

алгоритмов

вычислений

координатных

составляющих

85

2.4.2. Аппроксимация градуировочных характеристик полиномиальными функциями нескольких переменных. Оценка точности 2.4.3. Алгоритмы

вычислений

координатных

совокупных измерениях. Оценка точности Заключение по разделу 2

составляющих

87 в 89 92

3. ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТНЫХ И ОЦЕНКИ

ФАКТОРНЫХ

СОСТАВЛЯЮЩИХ

МНОГОМЕРНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

95

3.1. Концепция интеллектуализации

95

3.2. Моделирование в интеллектуализированных системах

100

3.2.1. Логические модели. Методика и алгоритм построения

102

3.2.2. Примеры реализации логических моделей

105

3.3. Программное обеспечение интеллектуализированных систем измерения 3.3.1. Два подхода к построению программного обеспечения

107 107

3.3.2. Программное обеспечение системы измерения смещений центра вкладыша шатунного подшипника (с верификацией полученных результатов)

110

3.3.3. Программное обеспечение системы измерения координатных и оценки факторных составляющих (смещений вала, деформаций ротора и статора)

116

3.3.4. Программное обеспечение системы измерения смещений колеса ротора с поддержкой процесса верификации

122 124

Заключение по разделу 3 4. СИСТЕМЫ

ИЗМЕРЕНИЯ

МНОГОМЕРНЫХ

КООРДИНАТНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ЭЛЕМЕНТОВ

СОСТАВЛЯЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

126

4.1. Системы измерения для испытаний газотурбинных двигателей, их узлов и элементов конструкций

126

4.1.1. Система измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре

127

4.1.2. Система измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре в приборном исполнении

134

4.1.3. Многопроцессорная система измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток в компрессоре и турбине

136

4.1.4. Cистема измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре при нестационарных режимах

139

4.1.5. Система измерения смещений колес ротора для стендовых испытаний уплотнителей 4.1.6. Система

измерения

смещений

141 оси

опорной

поверхности

подшипника 4.1.7. Градуировка и оценка погрешностей измерительных каналов

151 154

4.2. Системы измерения для стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания, их узлов и элементов конструкций

161

4.2.1. Система измерения смещений вкладыша в шатунном подшипнике и шейки коленвала в подшипниках коренных опор. Перспективы развития системы

161

4.2.2. Особенности градуировки измерительных каналов и оценка погрешностей

168

Заключение по разделу 4

173

ЛИТЕРАТУРА

176

ВВЕДЕНИЕ Проблема измерения многомерных перемещений. В современных силовых установках класса лопаточных и поршневых машин решающее влияние на экономичность и надежность оказывают зазоры между основными подвижными и неподвижными элементами конструкции. В лопаточных машинах – между торцами лопаток рабочего колеса ротора и статором, в поршневых машинах – между поршнем и цилиндром. Известно, что от величины радиальных зазоров в компрессорах газотурбинных

двигателей

газодинамической

зависят:

устойчивости,

коэффициент

сохраняемость

полезного

действия,

характеристик

в

запас

процессе

эксплуатации. Например, уменьшение радиальных зазоров в высоконагруженных ступенях компрессора на 1% приводит к увеличению коэффициента полезного действия на 1…3% и запаса устойчивости на 3…8%. Кроме того, значительное влияние на основные показатели силовых установок оказывают зазоры в опорных подшипниках скольжения лопаточных и поршневых силовых установок, в шатунных подшипниках поршневых машин и других элементах конструкций. Очевидно, что перемещения элементов конструкций, формирующие зазор, являются многомерными, причем сам зазор может оказаться лишь одной координатной составляющей многомерных перемещений элементов конструкций силовой установки в выбранной системе отсчета. Диапазон и характер перемещений зависит от режима работы силовой установки и соответствующих изменений тепловых, упругих и пластических деформаций элементов конструкций установки (например, в лопаточных машинах при вращении ротора происходят радиальные, осевые, угловые смещения и колебания торцов лопаток, радиальные деформации и осевые смещения колеса ротора, радиальные деформации статора и т.п.) Можно утверждать, что изучение поведения координатных составляющих многомерных перемещений (в том числе и зазоров) представляет исключительную значимость в процессе разработки новых машин, обладающих более высокой экономичностью и надежностью. Решение задачи с помощью существующих расчетных методов не обеспечивает требуемой точности (погрешности составляют десятки процентов). Измерение координатных составляющих в процессе экспериментальных исследований силовых установок также сопряжены с объективными трудностями – они должны выполняться без механического контакта, в ограниченном пространстве, в тяжелых, а иногда и экстремальных условиях (в ГТД скорость движения лопаток 400 м/с, температура в

газовых турбинах 1200°С, изменяющиеся диэлектрические характеристики среды, вибрации и т.п.). В таких условиях известные бесконтактные методы, а также реализующие их средства и системы измерения имеют ограниченные возможности, – они одномерны (измеряют одну координатную составляющую – зазоры), недостаточно точны, не обеспечивают работоспособность во всем диапазоне внешних мешающих факторов. Существующие системы жестко ориентированы на конкретные разновидности силовых установок, отсутствуют единая идеология и общие принципы построения, что затрудняет процесс проектирования и создания новых систем. Кроме того, уровень автоматизации измерений в существующих системах, как правило, недостаточен, что приводит к увеличению длительности исследований и испытаний, и в конечном итоге вызывает увеличение затрат на проведение экспериментов. В настоящее время улучшение технико-экономических показателей подобных систем требует поиска нетрадиционных подходов к их построению, включая наиболее значимые компоненты и, в первую очередь, средства первичного преобразования и обработки измерительной информации. Поэтому разработка новых методов и средств, обеспечивающих измерение многомерных перемещений в тяжелых и экстремальных условиях

с

достаточно

высокими

метрологическими

и

эксплуатационными

показателями, а также обеспечивающих создание систем, ориентированных на различные классы силовых установок, но построенных на основе единых принципов и общей идеологии, является актуальной проблемой, решение которой имеет важное значение для промышленности. Предлагаемый

подход

к

решению

проблемы.

Предлагаемый

подход

предусматривает использование в создаваемых системах одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительным элементом (ЧЭ) простейшей формы в виде отрезка проводника, объединенных в группы – кластеры, а также применение методов измерения координатных составляющих, реализуемых с помощью кластеров ОВТД в сочетании с импульсным преобразованием естественных выходных сигналов ОВТД в напряжение и цифровой код при поддержке специальных алгоритмов сбора, преобразования, выделения информативного сигнала и алгоритмов вычисления координатных составляющих. В существующих системах, как правило, применяются такие конструкции оптических, емкостных и вихретоковых датчиков в виде многовитковых катушек, которые затруднительно (или невозможно) использовать для измерения многомерных

перемещений. Кроме того, внешние мешающие факторы – загрязнения в зоне расположения датчиков, изменения давления, химического состава окружающей среды, влажности и ионизация газов оказывают негативное влияние на оптические и емкостные датчики, а высокая температура − на традиционные конструкции вихретоковых датчиков, ограничивая область их применения. Предлагаемые

конструкции

ОВТД

с

ЧЭ

в

виде

отрезка

проводника

предназначены для измерения многомерных перемещений в широком температурном диапазоне (до 1200°С). Объединение датчиков в кластере предполагает такое размещение в пространстве (зоне измерения) с заданной ориентацией ЧЭ относительно элемента конструкции, при котором его многомерные перемещения вызывают изменения естественных выходных сигналов (индуктивностей) всех датчиков в кластере, содержащих информацию о координатных составляющих многомерных перемещений, причем число датчиков в кластере определяется числом измеряемых координатных составляющих. Преобразования многомерных перемещений с помощью кластеров ОВТД, последующие преобразования и обработка сигналов в рассматриваемых системах имеют свою специфику (практически на всех уровнях – схемном, структурном и алгоритмическом). В частности, в лопаточных установках изменение индуктивности ОВТД при взаимодействии ЧЭ и торцов проходящих лопаток очень мало при воздействии интенсивных электромагнитных помех, характерных для стендового оборудования. Увеличить уровень полезного сигнала на выходе измерительной схемы и соотношение сигнала и помехи позволяет импульсное питание. Минимальное время получения выходного сигнала (амплитуды импульса) обеспечивают измерительные схемы с импульсным питанием, в которых реализуется один из известных методов тестовых переходных процессов – метод первой производной. Метод обеспечивает также подавление температурных изменений сопротивления ОВТД. Вместе с тем, его динамические

возможности

ограничены

длительностью

рассеяния

энергии,

накопленной в измерительной схеме за время импульса питания, которая возрастает с увеличением длины линии между ОВТД и измерительным преобразователем, включающим схему. Время восстановления измерительной схемы, зависящее в основном от длительности рассеяния энергии, определяет минимальный период последовательности импульсов питания и шаг дискретизации периода вращения ротора (приводного вала) силовой установки.

С другой стороны, период импульсов питания определяется требуемым шагом квантования

изменений

индуктивности

ОВТД,

причем

наиболее

органично

квантование производится в процессе преобразования углового положения ротора (приводного вала) в цифровой код. Однако, использование в лопаточных машинах датчиков и преобразователей «угол-код», механически связанных с вращающимися ЭК, как правило, не допускается, и существует лишь одна возможность определения периода импульсов питания с помощью штатного бесконтактного индукционного датчика частоты вращения и вычислительной процедуры, которой предшествует цифровое преобразование периода вращения ротора. При этом в процедуре вычислений должно соблюдаться условие постоянства шага квантования по углу поворота ротора на различных скоростях его вращения. Если время восстановления измерительной схемы меньше вычисленного периода импульсов питания на максимальных оборотах ротора, то применяется алгоритм сбора, преобразования, выделения информативного сигнала, в котором формирование импульсов питания и получение соответствующих цифровых кодов завершается за один период вращения ротора. Если время восстановления превышает вычисленный период, то следует использовать мультистрбоскопический алгоритм, в котором формирование импульсов питания и преобразование в код происходит за несколько оборотов ротора. При этом на каждом обороте формируется пакет импульсов, число которых в пакете равно числу лопаток, а на каждом последующем обороте производится сдвиг пакета на шаг дискретизации. Полученные цифровые коды в обоих алгоритмах подвергаются далее интерполяционной обработке, в результате которой определяются максимальные значения,

соответствующие

минимальной

индуктивности

датчика

в

момент

прохождения торца лопатки ЧЭ ОВТД. В системах измерения, ориентированных на поршневые силовые установки, имеется возможность простого преобразования угла поворота коленчатого вала в цифровой код и, следовательно, квантования угловых положений вала (оно осуществляется

с

помощью

тех

же

датчиков

частоты

вращения,

которые

взаимодействуют с зубцами шестерни на маховике коленвала). Формирование импульсов питания и преобразование сигналов ОВТД в код происходит синхронно с прохождением зубцов под датчиком частоты вращения в течение рабочего цикла установки.

Для функционирования алгоритмов вычисления координатных составляющих необходимо располагать семействами градуировочных характеристик измерительных каналов, полученных экспериментально при фиксированных значениях мешающих факторов, в первую очередь, температуры, а также - конкретными значениями кодов в каждом канале ОВТД и в каналах датчиков температуры, встроенных в ОВТД или расположенных рядом с ними для коррекции результатов измерений. В число основных вычисляемых координатных составляющих в системах измерения, предназначенных для лопаточных силовых установок, входят радиальные и осевые смещения1 или радиальные, осевые и угловые смещения торцов лопаток, радиальные и осевые смещения колес ротора и др. В системах измерения, предназначенных для поршневых установок, в алгоритмах вычислений предусмотрены

два

этапа: на первом

определяются зазоры в местах установки ОВТД, на втором – координатные составляющие (смещений поршня относительно цилиндра, смещений вкладыша относительно шейки коленвала и шейки относительно опоры в шатунном подшипнике и подшипнике коренной опоры соответственно). Краткий обзор существующих публикаций. В настоящее время известны публикации Белкина В.М., Валитова К.М., Громыко В.Я., Городецкого Ю.Г., Гусева В.Г., Данилина А.И., Заболоцкого И.Е., Кеба И.В., Коростелева Ю.А., Милевского Э.Б., Нестерова В.Н., Селюгина В.С, Середина В.И., Смородина С.А., Chien Yi-Ho., Furuhamas S., Goto T., Hathawy R., Maier C., Turley J.E., Vacari J.A., Yoshihara Y. [1–19], посвященные разнообразным методам и средствам измерения зазоров в силовых установках. В монографиях и статьях Абоимова М.А., Виноградова А.Н., Герасимова В.Г, Денисова В.А., Дмитриева Ю.С., Иванова Г.И., Католикова В.И., Клюева В.В., Легкобыта А.К., Лукина А.И., Меркулова А.И., Полулеха А.В., Скворцова А.В., Стеблева Ю.И., Шатерникова В.Е., Шипова А.К., Bahniuk D. E., Hohener R., Kim K.S., Kim S.S. [20–29] аналогичные задачи решаются вихретоковыми методами. Теоретические и реализационные основы предлагаемого подхода к решению проблемы измерения многомерных перемещений нашли отражение в публикациях Белкина В.М., Квитко В.Г., Ковалевой М.А., Костина А.В., Пинес В.Н., Хритина А.А. и авторов [30-48]. В этих работах приведены описания конструкций ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, метода первой производной и его реализаций в измерительных схемах с ОВТД и импульсным питанием, описания методов измерения координатных

1

Радиальные смещения определяют радиальные зазоры, если начало системы отсчета расположено на внутренней поверхности статора.

составляющих многомерных перемещений и систем на основе этих методов, предназначенных для испытаний ГТД и ДВС. Кроме того, в последние годы опубликованы работы [49-56], в которых рассматриваются пути интеллектуализации измерения многомерных перемещений для интерпретации полученных результатов, установления их истинности (верификации) и для оценки факторных координатных составляющих, т.е. составляющих, вызванных определенными видами физических воздействий. Вместе с тем, в перечисленных публикациях [30-56] вопросы, связанные с систематизацией и обобщением методов измерения многомерных перемещений, принципов построения систем, реализующих эти методы, в том числе принципов их интеллектуализации, рассмотрены недостаточно, а имеющаяся в них информация разбросана по журналам и сборникам, часть из которых труднодоступна для использования. Следует также отметить, что к настоящему моменту разработаны новые методы измерения координатных и факторных составляющих и системы, описания которых до сих пор не опубликованы. Содержание книги и вклад авторов. Предлагаемая вниманию читателей книга призвана восполнить существующие пробелы в изложении методов и средств измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок. При этом основное внимание в книге сосредоточено на идеологии измерений и конечных результатах – системах измерения и их характеристиках. В этой связи промежуточные, хотя и важные для создания систем результаты исследований, например, детальный анализ поведения ОВТД в импульсном режиме, исследования точности преобразования сигналов и некоторых алгоритмов функционирования систем не были включены в книгу,

но

подробное

изложение

перечисленных

и

других

материалов

по

рассматриваемой теме можно найти в работах [57-59] и диссертациях Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Хритина А.А., защищенных в 1987-1999 гг. Книга состоит из 4 разделов. Раздел

1

посвящен

методам

измерения

многомерных

перемещений

применительно к силовым установкам двух классов (лопаточным и поршневым). Их подробному изложению предшествует описание силовых установок как объекта измерения, дается классификация, уточняется терминология и приводится обобщенная концептуальная модель процесса измерения, содержание которой детализируется и конкретизируется в описаниях методов измерения координатных и оценки факторных

составляющих многомерных перемещений элементов конструкций в лопаточных и поршневых силовых установках. В разделе 2 излагаются принципы построения систем на уровне структур и алгоритмов. Приводится описание обобщенной структурно-функциональной схемы системы измерения с такой степенью детализации, которая не противоречит ориентации на оба класса силовых установок. Рассматриваются принципы действия ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника и измерительных схем с импульсным питанием и датчиками, расположенными как на неподвижных, так и на подвижных ЭК силовых установок. Рассматриваются также две группы алгоритмов функционирования систем – алгоритмы сбора, преобразования, выделения информативного сигнала и алгоритмы вычисления координатных составляющих, причем в состав первой группы входят алгоритмы длительностью в один или несколько периодов вращения ротора (вала), а вторая группа предусматривает использование для аппроксимации градуировочных характеристик степенных полиномиальных функций нескольких переменных. В разделе 3 предлагается концепция интеллектуализации систем измерения, предусматривающая дополнительные функции – интерпретацию и установление истинности (верификацию) полученных результатов (координатных составляющих), а также оценку факторных координатных составляющих. Системы базируются на знаниях, представленных моделями поведения объекта и средств измерения. Приведены

описания

структурных

вариантов

проблемно-ориентированного

программного обеспечения интеллектуализированных систем, а также описания алгоритмов их функционирования. В разделе 4 рассматриваются несколько разновидностей систем измерения, апробированных в стендовых условиях и предназначенных для испытания лопаточных и поршневых силовых установок (авиационных ГТД и автомобильных ДВС). В системах реализованы разработанные методы и принципы построения. Приведены их технические и метрологические характеристики, а также результаты измерений, полученные в процессе испытаний силовых установок. Следует также отметить, что книга подводит итоги многолетней работы лаборатории измерений многомерных процессов Института проблем управления сложными системами РАН в области методов и средств измерения многомерных перемещений и в этой связи бόльшая часть ее материалов заимствована из заключительного отчета по этой тематике [60].

Концепция книги и ведущая роль в ее написании принадлежит Секисову Ю.Н. и Скобелеву О.П. В соавторстве с Беленьким Л.Б. написаны разделы 1.4.2 ÷1.4.4, 4.2.1, Боровиком С.Ю. — разделы 2.3.1, 3, 4.1, Слепневым А.В. — разделы 3.3.2, 4.1.6, Райковым Б.К. — разделы 4.1.7, 4.2.2, Тулуповой В.В. — разделы 2.3.1, 2.4, 4.2.1. Редактирование книги выполнено Секисовым Ю.Н. и Скобелевым О.П. Авторы

благодарны

Хритину

А.А.

за

многолетнее

и

плодотворное

сотрудничество в разработке теории и практики измерения многомерных перемещений, Васину Н.Н. – за совместные работы в области бесконтактной передачи сигналов ОВТД с подвижных элементов конструкций, Логвинову А.В. и Белослудцеву В.А. – за участие в создании систем измерения и их апробации в промышленности. Особую признательность авторы выражают Афанасьевой Л.Н. за подготовку рукописи к публикации.

1.

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Методы измерения рассматриваются применительно к силовым установкам двух классов (лопаточным и поршневым). Их изложению предшествует краткое описание силовых установок как объекта измерения, дается классификация, уточняется наиболее значимая терминология и приводится обобщенная концептуальная модель процесса измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовой установки, содержание

которой

далее

детализируется

и

конкретизируется

в

описаниях

разработанных методов измерения многомерных перемещений.

1.1.

Объект измерения. Классификация и терминология

Существует

большое

разнообразие

машин,

в

которых

используется

преобразование тепловой энергии потоков газа и пара, вызывающих движение их элементов конструкций (ЭК). Такое преобразование происходит в газовых и паровых турбинах, двигателях внутреннего и внешнего сгорания, в других машинах этого класса. Механическая энергия потоков воды и воздуха без дополнительных преобразований приводит во вращение роторы водяных турбин и ветряных установок. Обратное преобразование механической энергии в энергию потоков газа или жидкости производится в машинах класса компрессоров, вентиляторов и насосов. Прямое и обратное преобразование электрической и механической энергии является основой построения электрических машин – двигателей и генераторов. Перечисленные классы машин в настоящей работе объединяет термин силовые установки, причем в качестве объекта измерения рассматриваются только лопаточные и поршневые силовые установки, названные по основным элементам конструкции, с помощью которых осуществляется преобразование видов энергии (рис. 1.1). Анализируя процесс преобразования энергии в лопаточных и поршневых силовых установках, следует отметить, что в этом процессе всегда участвует пара интегрированных элементов, один из которых имеет возможность движения относительно другого. Движение может быть без механического контакта и с механическим контактом. Например, лопаточный венец ротора компрессора ГТД не имеет механического контакта с внутренней поверхностью статора, а перемещение поршня в цилиндре ДВС происходит с механическим контактом.

Силовые установки

Лопаточные

Поршневые

Турбины

Компрессоры

Установки для перекачки газа и жидкостей

Двигатели

Газотурбинные двигатели

Внутреннего сгорания

Установки наддува двигателей

Внешнего сгорания Роторные

Установки для перекачки газа и жидкостей

Газовые Паровые Водяные Ветряные

Рис. 1.1. Виды силовых установок Однако и в том и в другом случае минимальный зазор между «рабочими» поверхностями

строго

регламентируется,

поскольку

его

величина

оказывает

существенное влияние на экономичность и надежность силовой установки. С уменьшением зазора экономичность возрастает и одновременно увеличивается вероятность непредусмотренных контактов «рабочих» поверхностей. В рабочем состоянии силовой установки зазор зависит от множества факторов, в том числе тепловых, упругих и пластических деформаций, определить которые расчетным путем с

требуемой

точностью

практически

невозможно.

Анализ

показывает,

что

относительные погрешности расчета минимального зазора в лопаточной машине мегаваттного уровня мощности составляют десятки и более процентов. Поэтому окончательное представление о реальных значениях зазора может быть сформировано только в процессе натурных испытаний силовых установок. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что с точки зрения кинематики изменения зазоров жестко связаны с многомерными перемещениями (МП) ЭК силовых установок. Действительно, в процессе вращения ротора, например, в компрессоре ГТД, перемещение материальной точки, выбранной на торце лопатки, имеет принципиально векторный характер, а траектория ее движения формируется несколькими координатными составляющими (КС), определяемыми принятой системой отсчета. Такими КС могут быть радиальные, осевые и угловые смещения торца лопатки, осевые и радиальные деформации колеса

ротора, на котором крепятся лопатки, деформации внутренней поверхности статора в радиальном направлении и т.п. На рис. 1.2 схематически представлена ступень лопаточной машины в фиксированный момент времени. В этот момент материальная точка М (она находится на торцевой поверхности и оси вращения лопатки) расположена на оси Y координатной системы XYZ, начало отсчета которой (0) находится на поверхности неподвижного статора, а сама система жестко связана со

Z Колесо

статором.

Вал

Лопатка

Статор

изгибы

0 O'

M

X

Предполагается, лопатки

вращения,

что

в

плоскости

угловые

смещения

лопатки относительно оси Y и

Y Поток газа и воздуха

деформация статора отсутствует. В то

же

время

материальной координатных

смещения

точки осей

могут

вдоль быть

связаны с различными факторами

O' Подшипник

Ступица

(тепловым расширением, упругой деформацией и т.п.), которые могут

Рис. 1.2. Ступень лопаточной силовой установки

действовать на ЭК по отдельности и совместно.

При этом факторными координатными составляющими (ФКС) названы составляющие, вызванные определенными физическими воздействиями. Очевидно, что с учетом принятых ограничений в случае, представленном на рис. 1.2, точка М имеет возможность совершать двухмерные перемещения: КС YМ несет информацию о радиальных зазорах, а КС XМ характеризует осевое смещение колеса ротора и вала в опорных

подшипниках.

(двухмерных,

Можно

трехмерных,

...)

привести

и

перемещений

другие не

примеры

только

многомерных

основных,

но

и

вспомогательных ЭК силовых установок (как лопаточных, так и поршневых). На рис. 1.3 в упрощенном виде представлена поршневая силовая установка и в увеличенном виде шатунный подшипник (ШП) скольжения. Между шейкой коленвала и вкладышем ШП находится слой масла, не позволяющий шейке в процессе работы поршневой машины касаться вкладыша. Касания и удары шейки о вкладыш приводят к деформации и разрушению его поверхности и оказывают отрицательное влияние на надежность установки. Очевидно, что и в этом случае центр вкладыша (0′) совершает двухмерные перемещения

в системе отсчета X, Y, жестко связанной с коленвалом,

начало

координат

находится

в

коленвала.

Цилиндр

которой

центре

Задача

(0)

шейки измерения

состоит в определении координат Поршень

этого

смещения

и

траектории

движения точки 0′ на протяжении

Шатун

рабочего

Подшипник коренной опоры

цикла

поршневой

машины. В заключение необходимо особо

Y Шатунный подшипник

X

отметить

тяжелые,

а

в

некоторых случаях экстремальные условия измерения МП. В первую очередь это касается ограничений в

Шейка коленвала

Вкладыш

количестве

точек

и

объема

пространства в зоне измерения. Рис. 1.3. Одноцилиндровая поршневая установка

Скорость МП может быть очень велика - в лопаточных машинах она

достигает 400 м/с. Рабочая среда – газ, пар, продукты горения, масло. Температура достигает 1200°с (в газовых турбинах).

1.2.

Обобщенная концептуальная модель процесса измерения

Взаимодействие

силовой Силовая установка

установки и системы измерения иллюстрирует рис. 1.4. Состояние

объекта

в

Рабочий процесс ......... Элементы конструкции

Внешняя среда

процессе испытаний определяется режимом

работы

и

внешней среды. Параметры режима (ПР)

зависят

исследований

ПР

условиями

от

методики

и

задаются

испытателем. Информация о ПР и

ДПВС

ПСО

ДПР

СДПВС

ДПСО

СДПР

ПОП

МП

... МП

ДПОП Кластеры ДМП

СДПСО

Преобразование

МП

СДПОП

... СДК1 ... СДК2 ...

Цифровая обработка

Система измерения

КС МП ФКС МП ПОб

параметрах внешней среды (ПВС) воспринимается

датчиками

(Д)

температуры, давления, оборотов и

Рис. 1.4. Взаимодействие объекта и системы измерения

т.д. заданные ПР и ПВС определяют характеристики рабочего процесса, в том числе энергетическую напряженность, нагрузку, состояние внутренней среды силовой установки. в соответствии с заданным режимом и внешними условиями формируются МП ЭК. Каждый ЭК должен быть доступен для взаимодействия с кластерами бесконтактных датчиков перемещения ДМП (ОВТД). ЧЭ ОВТД воспринимают МП ЭК, а затем с помощью прямых или совокупных измерений, включающих ряд преобразований и цифровую обработку, позволяют определить КС МП. Параметры среды объекта (ПСО), в которой находятся ЭК и чувствительные элементы датчиков, влияют на электрофизические свойства (ЭФС) материалов, из которых изготовлены ЭК и ЧЭ. ПСО преобразуются соответствующими датчиками для последующей коррекции влияния среды на результаты измерений МП. Часть параметров объекта, представленная одномерными перемещениями (ПОП), может быть преобразована с помощью традиционных датчиков, серийно изготовляемых промышленностью. Таким образом, в систему измерения поступают естественные выходные сигналы кластеров ОВТД, преобразующих МП ЭК (СДК), датчиков ПР (СДПР), датчиков ПВС (СДПВС), датчиков ПСО (СДПСО), датчиков ПОП (СДПОП). Средства преобразования и цифровой обработки СД обеспечивают приведение результатов к физическим величинам и корректируют влияние внешних условий. На основе полученных КС МП и поведенческих моделей ЭК силовой установки определяются ФКС МП. На базе ФКС МП и найденных параметров режима, среды объекта, внешней среды вычисляются параметры объекта (ПОб). Процесс измерения, реализуемый в системе, может быть представлен обобщенной концептуальной моделью в графическом или функциональном виде. Для построения модели используются рассмотренные структуры (рис. 1.4), производится декомпозиция силовой установки с выделением узлов, сборочных единиц и элементов, содержащих МП (рис. 1.5), а также определяются координатные и факторные составляющие МП (рис. 1.6). Графическая интерпретация разработанной модели изображена на рис. 1.7. В рассматриваемой силовой установке заданный режим работы, параметры внешней и внутренней среды определяют векторы перемещения элементов в пространстве

Составляющие МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Координатные и факторные Силовая установка

Узел 1

Узел 2

Узел 3

Сборочная единица 1.1

Сборочная единица 1.2

Сборочная единица 1.3

Линейные ...

Вдоль оси X Фактор 1

...

...

Фактор 2

Фактор 1

Фактор 1

Фактор 2

Относит. оси Y Фактор 2

Вдоль оси Z

МНОГОМЕРНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

Рис. 1.5. Декомпозиция объекта

Относит.оси X

Вдоль оси Y Фактор 1

Элемент Элемент Элемент конструкции 1.1.1 конструкции 1.1.2 конструкции 1.1.3

Линейные

Фактор 1

Фактор 2

Относит. оси Z Фактор 2

Фактор 1

Фактор 2

Рис. 1.6. Координатные и факторные составляющие многомерных перемещений элементов конструкции

ОБЪЕКТ

МП ЭК1

ЭФС ЭК1 ПР

СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СД К1.1

СД К1.2

СД К1.3 ПСО

МП ЭК2

СД К2.1

ЭФС ЭК2

СД К2.2

СД К2.3

ПВС

КС МП ЭК1

ФКС МП ЭК1

КС МП ЭК2

ФКС МП ЭК2 ПОб

СД ПР ПОП

СД ПСО

СД ПВС

СД ПОП

Рис. 1.7. Графическая модель процесса измерения многомерных перемещений элементов конструкции силовой установки

r r r r DЭК1 = f МП ЭК1 ( PР , PВС , PСО ), ⎫ r r r r ⎪ DЭК2 = f МП ЭК2 ( PР , PВС , PСО ),⎬ .................., ⎪ ⎭

(1.1)

⎡ PВС1 ⎤ ⎡P ⎤ r ⎢ Р1 ⎥ r где PР = PР2 - вектор состояния параметров режима, PВС = ⎢ PВС2 ⎥ - вектор ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ... ⎥⎦ ⎢⎣ ... ⎥⎦ ⎡ PСО1 ⎤ r ⎥ ⎢ состояния параметров внешней среды, PСО = PСО2 - вектор состояния параметров ⎥ ⎢ ⎢⎣ ... ⎥⎦ среды объекта. Изменяющиеся ПСО приводят к изменению ЭФС материалов элементов конструкции силовой установки, взаимодействующих с чувствительными элементами ОВТД в составе кластера, и к соответствующим изменениям векторов состояния электрофизических параметров.

r r PЭФС ЭК1 = f ЭФС ЭК1 ( PСО ), r r PЭФС ЭК2 = f ЭФС ЭК2 ( PСО ),

⎫ ⎪ ⎬ . . . . . . . . . . . . . . . . . . ,⎪ ⎭

(1.2)

⎡ PЭФС ЭК2.1 ⎤ ⎡ PЭФС ЭК1.1. ⎤ r r ⎢ ⎥ где PЭФС ЭК1 = ⎢ PЭФС ЭК1.2 ⎥ , PЭФС ЭК2 = ⎢ PЭФС ЭК2.2 ⎥ . ⎢ ⎥ ⎢ ....... ⎥ ⎢⎣ ....... ⎥⎦ ⎦ ⎣ Многомерные

перемещения

ЭК

преобразуются

кластерами

ОВТД.

Естественным выходным сигналом ОВТД являются изменения индуктивности (L), которая зависит также и от ЭФС ЭК и ПСО. Для кластера с номером 1:

r r r LK 1.1 = f K1.1 ( DЭК1 , PCO , PЭФС ЭК1 ), ⎫ r r r ⎪⎪ LК1.2 = f K1.2 ( DЭК1 , PCO , PЭФС ЭК1 ), ⎬ ⎪ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .⎪ ⎭

(1.3)

Измерение многомерного движения ЭК может быть выполнено с помощью датчиков, установленных на другой ЭК испытуемого объекта. Элемент конструкции, на

который будут установлены датчики, также совершает многомерное движение. В этом случае индуктивность датчика будет зависеть от многомерных перемещений обоих ЭК:

r r r r L *K 1.1 = f *K1.1 ( DЭК1 , D *ЭК , PCO , PЭФС ЭК1 ), ⎫ r r r r ⎪ L *К1.2 = f *K1.2 ( DЭК1 , D *ЭК , PCO , PЭФС ЭК1 ),⎬ ⎪ ........................... , ⎭

(1.4)

где D*ЭК - вектор перемещения ЭК, на котором установлены датчики. Преобразование параметров внешней среды, параметров режимов, параметров внутренней среды, перемещений элементов объекта, доступных для прямого измерения, выполняется датчиками, выходные сигналы которых можно записать в виде:

S ВС1 = f ВС1 ( PВС1 ) , S ВС2 = f ВС2 ( PВС2 ) , . . . , S P1 = f Р1 ( PP1 ) , S P2 = f P2 ( PP2 ) , . . . , S CO1 = f CO1 ( PCO1 ) , S CO2 = f CO2 ( PCO2 ) , . . . , S ОП1 = f ОП1 ( PОП1 ) , S ОП2 = f ОП2 ( PОП2 ) , . . . , На основе выходных сигналов датчиков с помощью методов, учитывающих специфику объектов и реализуемых в алгоритмах обработки системы измерения, определяются КС МП ЭК.

r r r r r DX ЭК1 = f X ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , S СО , S ОП ) ,

r r r r r DY ЭК1 = f Y ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , S СО , S ОП ) , r r r r r DZ ЭК1 = f Z ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , S СО , S ОП ) , r r r r r ϕ X ЭК1 = fϕ X ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , S СО , SОП ) , r r r r r ϕ Y ЭК1 = fϕY ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , SСО , SОП ) , r r r r r ϕ Z ЭК1 = fϕ Z ЭК1 ( LК1 , S ВС , S Р , SСО , SОП ) ,

(1.5)

где DX ЭК1, DY ЭК1, DZ ЭК1, ϕX ЭК1, ϕY ЭК1, ϕZ ЭК1 - координатные составляющие для ЭК под

⎡ LК1.1 ⎤ r номером 1, LК1 = ⎢ LК1.2 ⎥ - вектор состояния естественных выходных сигналов ОВТД ⎢ ⎥ ⎢⎣....... ⎥⎦

⎡ S ВС1 ⎤ ⎡ S СО1 ⎤ ⎡ S Р1 ⎤ r r r ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ в составе кластера под номером 1, S ВС = S ВС2 , S Р = S Р2 , S СО = ⎢ S СО2 ⎥ , ⎢ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣..... ⎥⎦ ⎢⎣..... ⎥⎦ ⎢⎣..... ⎥⎦ ⎡ S ОП1 ⎤ r S ОП = ⎢ S ОП2 ⎥ - векторы состояний выходных сигналов датчиков, преобразующих ⎢ ⎥ ⎣⎢..... ⎦⎥ параметры внешней среды, режима и среды объекта, доступных для прямого измерения. Аналогично могут быть представлены КС МП для остальных ЭК силовой установки. Полученные КС МП и модели поведения ЭК объектов позволяют оценить ФКС МП и найти ПОб. Методы измерения КС МП и оценка ФКС МП в лопаточных и поршневых силовых установках раскрываются в последующих разделах 1.3 и 1.4.

1.3.

Методы измерения координатных и оценки факторных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций лопаточных силовых установок

Рассматривается одноступенчатая лопаточная силовая установка, конструкция которой предельно упрощена и в достаточной степени обобщает возможные конструктивные разновидности машин этого класса. Анализируются координатные и факторные составляющие МП ЭК. Приводится краткое описание существующих и новых методов измерения КС МП торцов лопаток, ротора и вала, осуществляемых с помощью ОВТД с ЧЭ в виде отрезков проводников. Излагается также подход к оценке ФКС МП на основе результатов измерения КС МП и моделирования поведения ЭК в процессе работы лопаточной силовой установки на различных режимах. 1.3.1. Одноступенчатая лопаточная силовая установка: элементы конструкции, координатные и факторные составляющие их многомерных перемещений Как было показано на рис. 1.2, основными элементами лопаточных машин являются ротор и статор, причем ротор представляет собой колесо с лопатками, включающее диск, ступицу и вал, вращающийся в подшипниковых опорах. Процесс преобразования энергии с помощью лопаточного колеса является обратимым. В

турбинах лопаточный элемент колеса располагается в потоке движущейся жидкой или газовой среды и преобразует энергию движения среды (потока воды, воздуха, водяного пара, продуктов горения углеводородного топлива) в крутящий момент, снимаемый с вала колеса. При этом аэродинамическая (гидродинамическая) сила приложена к лопатке в направлении вращения колеса и изгибает перо лопатки в плоскости вращения [61, 62]. При обратном преобразовании крутящий момент прикладывается к валу лопаточного

колеса,

обеспечивая

перемещение

жидкой

или

газовой

среды

(газоперекачивающий агрегат, компрессор ГТД, винтовентиляторная установка). Изгиб пера лопатки под действием аэродинамической силы в этом случае направлен против вращения колеса. Как правило, лопаточные силовые установки выполняются в виде ступеней, каждая из которых может рассматриваться как сравнительно независимая единица конструкции. При этом для последующего анализа методов измерения координатных и факторных составляющих достаточна одноступенчатая конструкция, наделенная свойствами большинства разновидностей лопаточных силовых установок. В частности, в такой обобщенной установке предполагается возможность разворота пера лопатки на значительный угол, что характерно для лопастей винтовентилятора или водяной турбины, где предусмотрено управление этим процессом. В то же время разворот лопаток будет несравнимо меньше, если обобщенная установка отражает упругие деформации лопаток компрессора ГТД. На рис. 1.8 показана декомпозиция одноступенчатой лопаточной силовой установки и выделены координатные и факторные составляющие многомерных перемещений ее элементов - КС и ФКС МП ЭК. По своему назначению рис. 1.8. аналогичен рис. 1.5, 1.6, но отличается тем, что раскрывает содержание узлов, сборочных единиц, ЭК, КС МП и ФКС МП. Как следует из рис. 1.8, ЭК ротора (лопатки, диск, ступица и вал) совершают перемещения, содержащие идентичные составляющие, в том числе угловые перемещения (вращение) относительно оси О′О′ вала (рис. 1.2), линейные перемещения и деформации в направлении осей X и Y. Кроме того, торцы лопаток под действием рабочего тела (газа, жидкости) перемещаются в плоскости вращения вдоль оси Z и совершают угловые перемещения относительно оси лопатки. Бесконтактные

измерения

МП

торцов

лопаток,

как

уже

отмечалось,

представляются возможными с помощью кластера (рис. 1.4) ОВТД с ЧЭ в виде отрезка

ОДНОСТУПЕНЧАТАЯ ЛОПАТОЧНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Ротор Лопатки

Диск

Статор Ступица

Вал

Координатные составляющие многомерных перемещений Вращение относительно оси вала

Вращение относительно оси вала

Вращение относительно оси вала

Линейное перемещение в радиальном направлении

Линейное перемещение в радиальном направлении

Линейное перемещение в радиальном направлении

Линейное перемещение в направлении оси вала

Линейное перемещение в направлении оси вала

Линейное перемещение в направлении оси вала

Линейное перемещение в плоскости вращения

Вращение относительно собственной оси

Деформации в радиальном направлении

Линейное перемещение в радиальном направлении в подшипниках Деформации в направлении собственной оси

Угловое перемещение относительно оси лопатки

Факторы, вызывающие изменение координатных составляющих

Температурное расширение

Вытяжка под действием центробежных сил

Изгиб пера под действием рабочего тела

Разворот пера под действием рабочего тела и управляемых воздействий

Биения под действием несбалансированных масс из-за неточности изготовления

Вибрации из-за суммарного действия различных механич. факторов

Рис. 1.8. Декомпозиция лопаточной силовой установки, координатные составляющие и факторы, вызывающие их изменения проводника, которые размещаются на внутренней поверхности статора в зоне, расположенной в окрестности начала (O) системы координатных осей XYZ (рис. 1.2). Кластеры ОВТД могут быть организованы из нескольких (например, четырех) ОВТД, расположенных на внутренней поверхности статора и сдвинутых относительно друг друга на заданный угол (например, 90°), что позволяет произвести измерения овальности статора. Для измерения одномерных перемещений лопаток (в радиальном или осевом или других направлениях) можно использовать и один ОВТД, расположенный в точке O системы координат XYZ, но в сочетании с дополнительным бесконтактным датчиком, контролирующим прохождение специальной метки на валу лопаточной машины. В

качестве такого датчика, как правило, применяется серийно изготавливаемый промышленностью

индукционный

датчик

частоты

вращения

(ДЧВ).

ДЧВ

характеризует скорость вращения - один из важных параметров режима (рис. 1.4, ПР, ДПР) и одновременно фиксирует начало и конец периода одномерного вращательного углового перемещения вала (рис. 1.4, ПОП, ДОП), что позволяет определить положение лопатки относительно метки при прохождении ЧЭ ОВТД. Следует подчеркнуть, что аналогичное применение ДЧВ является непременным условием в процессе измерения МП и с помощью кластеров ОВТД. Необходимо также подчеркнуть, что измеряемое МП торца лопатки является результатом векторного сложения МП всех ЭК ротора, а также статора, где закреплены ОВТД. Согласно обобщенной концептуальной модели МП торца лопатки определяются ПР (и в первую очередь, скоростью вращения ротора), ПСО (температурой, давлением), ПВС (рис. 1.7, выражение (1.1)). Индуктивности

(естественные

выходные

сигналы)

ОВТД

определяются

векторными значениями МП торцов лопаток, ПСО и ЭФС материала лопаток (в основном электропроводностью) (рис. 1.7, выражения (1.2), (1.3)), а также перемещениями внутренней поверхности статора в местах крепления ОВТД

(выражение (1.4)). КС МП торцов лопаток (линейные и угловые) находятся решением системы уравнений (1.5) в соответствии с методами, которые рассматриваются ниже в разделе 1.3.2. Как уже отмечалось, существует множество факторов, которые вносят весомый вклад в изменения КС МП лопаток. Наиболее значимые из них температурные расширения ЭК, деформации под действием центробежных сил, а также сил, действующих со стороны рабочего тела, и другие факторы, показанные на рис. 1.8. Температурные расширения происходят во всех ЭК ротора, а также статора. Причиной изменения температуры статора могут быть как изменение режима работы установки, так и специально организованное охлаждение для регулировки зазоров. При этом поле температур статора в области исследуемой ступени может быть неоднородным, что приведет к несимметричной деформации статора и изменениям зазоров по окружности статора. Под действием центробежных сил ЭК ротора подвергаются упругой и пластической деформации. Пластическая деформация в основном связана с вытяжкой лопаток в узлах крепления, обеспечивающих соединение лопаток с диском колеса.

Вытяжка, в свою очередь, связана с качеством изготовления соединения и определяется, в частности, разбросом размеров, зависящих от выбранных допусков на соединение, величиной шероховатости сопрягаемых поверхностей, физическими свойствами материалов диска и лопаток. Проявление вытяжки выражается в смещении лопатки в узле крепления (замке) в радиальном направлении под действием центробежной силы, при этом под действием центробежной силы преодолевается сухое трение и выбираются зазоры в соединении, а также происходит смятие шероховатостей на поверхностях соединения в элементах замка. Изгиб пера лопаток изменяет угловое положение торцов лопаток относительно вала и является реакцией лопатки на силовое воздействие потока газа или жидкости и определяется режимом работы установки. Кроме того, неблагоприятный характер рабочего процесса лопаточной установки может вызвать срыв потока, обтекающего лопатки, возбудить турбулентное течение, в результате которого сила, действующая на лопатку, будет переменной и вызовет колебания пера лопатки. Срыв потока на работающей установке вызывает значительное увеличение силовых воздействий на элементы конструкции и может привести к аварийной ситуации. Разворот пера (раскрутка) лопатки происходит под действием аэродинамических (гидродинамических) сил, а также может быть специально организован для управления характеристиками установки. Конструктивно-технологические особенности лопаточных машин могут быть причиной биений ротора, смещений торцов вала в подшипниках в радиальном направлении. Последнее характерно для подшипников скольжения и проявляется, вопервых, в виде «всплытия» вала при наборе оборотов за счет «масляного клина» и, вовторых, в результате изменения радиального усилия на торец вала, например, при изменении направления движения транспортного средства с исследуемой силовой установкой. Осевое смещение вала вызвано как температурным расширением, так и перемещением

вала

в

подшипнике

под

действием

осевой

составляющей

аэродинамической силы. Вибрации всегда существуют в объектах, где содержатся вращающиеся элементы, несбалансированные относительно оси вращения, а также потоки газа или жидкости, возбуждающие различные ЭК, контактирующие с рабочим телом. Поэтому все ЭК лопаточной машины подвержены вибрациям, но на рис. 1.8 вибрации связаны только со статором (чтобы не загружать рисунок дополнительными линиями).

Прямое измерение ФКС МП не представляется возможным. Альтернатива тому – методы, обеспечивающие лишь приближенные оценки ФКС по измеренным значениям КС МП лопаток на определенных режимах машины в процессе испытаний в сочетании с моделированием поведения ЭК на тех же режимах. Разумеется, такие модели поведения ЭК объекта существенно упрощены, отражают влияние одного из рассматриваемых факторов и не претендуют на ту полноту, которая характерна для моделей,

используемых

для

проектирования

и

в

исследовательских

целях

специалистами в области лопаточных силовых установок. 1.3.2. Измерение координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток Применение вихретоковых методов для измерения радиальных зазоров (РЗ) в лопаточных машинах известно по литературным источникам [20-24]. РЗ определяется по изменению индуктивности при совмещении торца лопатки с осью датчика, который, как правило, представляет собой катушку, причем соотношения геометрических параметров катушки и лопатки обычно таковы, что датчик имеет низкую (а иногда и нулевую) чувствительность к осевым, угловым и изгибным смещениям торца лопатки. В то же время ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника при соизмеримых габаритах торцевой части лопатки и ЧЭ (в первую очередь, по толщине лопатки и диаметру ЧЭ) чувствителен не только к радиальным, но и к осевым, угловым и изгибным перемещениям торца лопатки (описания принципа действия ОВТД с ЧЭ в виде отрезка и примеры конструкции для измерения МП торцов лопаток приведены в разделах 2.2 и 4.1 соответственно). Использование группы одинаковых датчиков (кластера) и определенное размещение в пространстве (в зоне измерения) с заданной ориентацией ЧЭ составляют основу методов измерения КС МП торцов лопаток, которые следует классифицировать как кластерные. Вместе с тем, в процессе испытаний лопаточных силовых установок не являются исключением ситуации, когда одна из КС МП доминирует над остальными, влиянием которых можно пренебречь. В подобных случаях нет необходимости в использовании кластера ОВТД - достаточен один ОВТД для измерения выбранной КС. Используемые методы измерения при этом уместно называть некластерными. Пусть линейные составляющие осевых смещений (ОС) центра торца лопатки (X), смещение, связанное с изгибом (ИС) ее пера (Z), а также угловое смещение (УС) относительно оси лопатки (ϕ) настолько незначительны, что ими можно пренебречь по

сравнению с перемещением в радиальном направлении (Y). Перемещение Y (радиальный зазор, РЗ) подлежит измерению. На рис. 1.9 представлены ЧЭ ОВТД в виде отрезка проводника, показано расположение ЧЭ по отношению к торцам лопаток, изображение координатных осей (начало координат O совпадает с осью лопатки и центром ЧЭ). ЧЭ

0

X

РЗ Y

Z

Z

ИС 0

ЧЭ1

ЧЭ

Лопатка

ЧЭ2

X

X

0

б) Z ЧЭ

X

г) Z

ОС

0

ϕ УС

а)

X

XГ

Z ЧЭ1

X φГ

0 ЧЭ

ЧЭ3

в)

ЧЭ2 0

X XГ

д)

Рис. 1.9. Смещения торцов лопаток: осевое (а); изгибное (б); угловое (в); радиальное и осевое (г); радиальное, осевое и угловое (д) При отсутствии лопатки в зоне чувствительности ОВТД индуктивность датчика имеет наибольшее значение. Лопатка с номером i при вращении колеса входит в зону чувствительности датчика и его индуктивность за счет возникновения вихревых токов в лопатке уменьшается. Когда центры торца лопатки и ЧЭ совместятся, индуктивность ОВТД будет минимальна (рис. 1.10). С учетом принятых ограничений (X =

L

0, Z = 0, ϕ = 0) индуктивность (Limin) будет зависеть

только

увеличением

РЗ

от

РЗ

(Y),

причем

индуктивность

с

будет

возрастать.

Limin

ψ ψi

Индуктивность ОВТД преобразуется в измерительных цепях системы в аналоговый сигнал и далее в цифровой код, а затем путем

Рис. 1.10. Зависимость индуктивности ОВТД от угла поворота ротора

обработки определяются соответствующие значения РЗ. Предполагается также, что указанные преобразования идеальны по быстродействию и происходят мгновенно в момент времени, соответствующий угловому положению ψi. Угловая координата ψi

дополняет информацию о РЗ и легко вычисляется после предварительного цифрового преобразования времени ti и периода вращения ротора T. Если теперь предположить, что измеряемой координатой является ОС (X) лопатки (рис. 1.9, а), а величина РЗ остается постоянной (Y = const), ИС и УС отсутствует (Z = 0, ϕ = 0), то индуктивность ОВТД будет зависеть только от ОС. Аналогично выполняются измерения ИС (Z) и УС (ϕ) (рис. 1.9, б, в). Если же не учитывать перемещений ротора относительно его оси, то перечисленные измерения РЗ, ОС, ИС, УС можно считать одномерными. Далее рассматриваются МП торцов лопаток. Предполагается, что смещение торцов лопаток происходит всего в двух направлениях – радиальном и осевом, т.е. измеряются РЗ (Y) и ОС (Х), ИС и УС – отсутствуют (Z=0, ϕ =0). В этом случае индуктивность ОВТД зависит от двух координат (X, Y), и измерение одним датчиком невозможно. Чтобы вести измерение двух КС, необходимы два одинаковых ОВТД. ЧЭ датчиков должны быть расположены параллельно и на расстоянии, не превышающем рабочий диапазон (рис.1.9, г), причем лопатка всегда находится между ЧЭ обоих датчиков. Значения РЗ (Y) и ОС (X) можно найти путем решения системы из двух уравнений, связывающих индуктивности ОВТД (L1, L2) с КС (X, Y):

L1 = f1 ( X , Y ), ⎫ ⎬ L2 = f 2 ( X , Y ).⎭ Если же торцы лопаток в процессе вращения ротора смещаются не только в радиальном и осевом направлениях, но и наблюдаются одновременные угловые смещения, то индуктивность ОВТД зависит от трех КС (X, Y, φ) и для их измерения необходим кластер, включающий как минимум три ОВТД. Один из возможных вариантов

размещения

ЧЭ

датчиков,

не

учитывающий

их

конструктивных

особенностей и габаритных ограничений, представлен на рис. 1.9, д. Предполагается, что границы рабочих диапазонов не превышают YГ, XГ и ϕГ. Система уравнений преобразования датчиков имеет вид

L1 = f1 ( X , Y , ϕ ), ⎫ ⎪ L2 = f 2 ( X , Y , ϕ ),⎬ L3 = f 3 ( X , Y , ϕ ). ⎪⎭

Подобным образом выполняются измерения большего числа КС, но при этом возрастает число ОВТД в кластере и уравнений в системе. Более подробное описание методов измерения РЗ и ОС, а также РЗ, ОС и УС можно найти в [41, 59]. Помимо перечисленных кластерных методов измерения РЗ, ОС и УС далее рассматриваются методы измерения УС и РЗ лопастей винтовентилятора и овальности статора, в которых ЧЭ ОВТД взаимодействует с торцами лопастей или лопаток. В винтовентиляторах торцовая часть лопасти по длине и толщине обычно значительно превышает аналогичные размеры ЧЭ ОВТД. При этом для измерения УС торца лопасти можно использовать два датчика, ЧЭ которых (ЧЭ1, ЧЭ2) размещены так, как показано на рис. 1.11, а (предполагается, что РЗ постоянны, а ОС и ИС отсутствуют). Тогда при вращении ротора и УС ϕ = 0, минимальные значения индуктивностей (L1min, L2min) будут наблюдаться в один и тот же момент времени tmin (рис. 1.11, б). Если ϕ ≠ 0, то моменты минимумов индуктивностей будут различаться (рис. 1.11, в), а разность ∆t=t2min–t1min позволит определить УС:

T l ⎞ ⋅ ⎟, ⎝ ∆t πd ⎠

ϕ = arctg ⎛⎜

где T - период вращения ротора, d - диаметр колеса по торцам лопатки, l - расстояние между центрами ЧЭ1 и ЧЭ2.

ЧЭ1

l

Колесо ротора

L1

ЧЭ2

t Профиль идеализированной лопасти

L2

б)

L1 ЧЭ1

l

ЧЭ2

t1min

L2 а)

t

tmin

t в)

t2min

t

Рис. 1.11. Размещение ЧЭ1 и ЧЭ2 для определения УС лопасти винтовентилятора (а); минимумы индуктивностей при φ=0 (б) и при φ≠0 (в) Форма внутренней поверхности статора в плоскости вращения колеса при его изготовлении является окружностью в пределах заданного допуска. при работе установки возможно искажение формы статора в связи с неравномерным прогревом. Измерение зазоров в четырех точках по окружности статора позволяет достаточно

просто определить отклонения формы статора от окружности. возможны два варианта. В первом – измерение выполняется за один оборот ротора с использованием одной выбранной лопатки, во втором – за часть оборота ротора, равную шагу следования лопаток, с использованием четырех лопаток колеса. Реальная внутренняя поверхность статора

ЧЭ ОВТД2

Статор

Реальная внутренняя поверхность статора

Окружность торца лопатки

ЧЭ ОВТД 2

Лj Статор

Лk

Выбранная лопатка ЧЭ ОВТД1

ЧЭ ОВТД3

Лi ЧЭ ОВТД

ЧЭ ОВТД 3

ЧЭ ОВТД4

Лm

1

ЧЭ ОВТД 4

Рис. 1.12. Определение овальности

Рис. 1.13. Определение овальности

внутренней поверхности статора с

внутренней поверхности статора с

помощью одной лопатки

помощью четырех лопаток

Рис. 1.12 поясняет первый вариант. при вращении ротора выбранная лопатка (например, номер i ) последовательно занимает положение под ЧЭ ОВТД1...4. торец лопатки описывает в пространстве окружность. зазор, измеренный ОВТД1...4, откладывается от окружности торца выбранной лопатки по соответствующим осям, на которых находятся датчики. через полученные точки можно провести овал, характеризующий

форму

сечения

статора

в

области

колеса.

максимальное

«положительное» отклонение поверхности статора от окружности характеризует направление области наибольшего прогрева статора. Рис. 1.13 поясняет второй вариант. В общем случае угловой шаг лопаток на колесе не кратен шагу размещения датчиков на статоре ступени. В момент времени, когда под овтд1 находится лопатка Лi, к датчикам ОВТД2...4 будут приближаться (или находиться под ними) соответственно ЛJ, ЛK, ЛM. При перемещении ЛI на один шаг лопатки ЛJ, ЛK, ЛM пройдут под оВТД2...4. Далее необходимо отобразить окружность, описываемую торцом лопатки ЛI, и отложить от нее по оси ОВТД1 измеренное значение РЗ – c1i, по оси ОВТД2 откладывается значение c2j-(c1i-c1j), по оси ОВТД3 значение c3k-(c1i-c1k) и по оси ОВТД4 - значение c4m-(c1i-c1m). Соединив полученные точки овалом, получим внутренний контур статора при заданном режиме испытания.

1.3.3. Измерение координатных составляющих многомерных перемещений колес ротора Для

Воздух ОВТД1

ОВТД2

испытаний

лопаточных

Статор

Вал

уплотнений

силовых

в

установках

используется

специальный

схематическое

изображение

стенд, которого

представлено на рис. 1.14.

ГТП

Уплотнения

Держатель 2

держателях,

Держатель 1

расположены

которые

закреплены

на на

внутренней поверхности статора. на общем Уплотнение 1

Колеса

Уплотнение 2

Рис. 1.14. Стенд для испытания уплотнений

валу расположены два колеса, образующие ротор. его вращение осуществляется от газотурбинного

привода

(ГТП).

в

пространство между статором и ротором

поступает воздух, давление и температура которого изменяются в соответствии с программой испытаний. Заданные давления и температура поддерживаются в области, ограниченной уплотнением, статором, колесами ротора и валом. По перепаду давлений внутри и за пределами этой области можно судить о расходе воздуха и эффективности уплотнений. В ходе испытаний измерение скорости вращения ротора, температуры и давления воздуха производится оборудованием, которое входит в состав стенда и применяется в традиционных испытаниях лопаточных силовых установок и их ЭК (на рис. 1.14 это оборудование не показано). Но наиболее важным параметром, оказывающим влияние на эффективность и надежность уплотнений, является РЗ между внутренней поверхностью уплотнения и ротором. Для преобразования РЗ используются ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, аналогичные тем, что применяются для измерения радиальных смещений торцов лопаток.

ЧЭ

датчика

располагают

параллельно

образующей

цилиндрической

поверхности колеса ротора (рис. 1.15). Причиной изменений РЗ являются упругие и температурные деформации колес ротора в процессе его вращения. Если ЧЭ ОВТД1 и ОВТД2 достаточно удалены от торцов 1-го и 2-го колес, то смещения ротора вдоль оси Х не оказывают влияния на индуктивности датчиков L1 и L2. При этом индуктивность каждого датчика зависит

только от одной КС - радиального смещения поверхности колеса ротора (L=f(Y)), причем с увеличением РЗ (Y) индуктивность монотонно увеличивается. ЧЭ ОВТД1

0

X

РЗ 1-ое колесо ротора

ЧЭ ОВТД2

0

X

РЗ

Y

Y

ЧЭ ОВТД1

Ось вала Z

Z

2-ое колесо ротора

Ось вала

X

X

0

0 ЧЭ ОВТД2

2-ое колесо ротора

1-ое колесо ротора

Рис. 1.15. Расположение ЧЭ ОВТД и колес ротора Однако, в реальных конструкциях стендов, предназначенных для испытаний уплотнений, как правило, существуют ограничения на удаленность ЧЭ ОВТД1 и ОВТД2 от торцовых поверхностей колеса ротора. Поэтому индуктивности датчиков становятся зависимыми не только от радиальных, но и от осевых смещений ротора, т.е. от обеих КС (Х, Y). Предлагаемый метод свободен от указанных ограничений и предусматривает использование двух кластеров датчиков. В свою очередь каждый кластер состоит из двух

идентичных

датчиков,

расположенных

симметрично

относительно

контролируемого колеса с таким расчетом, чтобы центры ЧЭ находились над торцами колеса и на одном расстоянии в радиальном направлении от его поверхности (рис. 1.16). ЧЭ ОВТД1'

ЧЭ ОВТД2'

ЧЭ ОВТД1''

ЧЭ ОВТД2''

РЗ 1-ое колесо ротора

X

X

2-ое колесо ротора

Центры ЧЭ

Рис. 1.16. Расположение ЧЭ датчиков по отношению к колесам ротора Тогда смещение колес ротора вправо вдоль оси Х приводит к увеличению индуктивностей ОВТД1', ОВТД2' и уменьшению индуктивностей ОВТД1'', ОВТД2''. При этом индуктивность каждого датчика является функцией двух переменных – КС X и Y.

Семейства таких зависимостей для датчиков одного кластера приведены на рис. 1.17 и представляют собой уравнения преобразования в графическом виде (градуировочные характеристики). Y1

L′

L′′

Y2

Y1 Y2

Y3

Y3

Y4

Y4 X

X

Y1>Y2>Y3>Y4; (Y1→∞, Y4→0) Рис. 1.17. Семейства характеристик L′ =f ′ (X,Y) и L′′ =f ′′ (X,Y) каждого кластера Неизвестные КС (Х и Y) можно найти, решая систему уравнений

L' = f ' ( X , Y ) ⎫ ⎬ L' ' = f ' ' ( X , Y )⎭ 1.3.4. Измерение координатных составляющих многомерных перемещений вала В оценках надежности опорных подшипников (ОП) лопаточных силовых установок существенное значение имеют результаты экспериментальных исследований поведения масляного клина, которое зависит от МП оси вала в процессе его вращения. В соответствии с существующим методом измерения КС смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор поршневых силовых установок (его описание приведено в [46]) центры ЧЭ ОВТД размещаются в плоскости, перпендикулярной оси опорной поверхности на этой поверхности и на ортогональных осях X и Y. При этом предполагается, что смещения оси коленвала в процессе его вращения происходят параллельно оси опорной поверхности подшипника и ее образующих, а система координат XYZ жестко связана с неподвижной опорной поверхностью. В отличие от известного, предлагаемый метод обеспечивает измерение смещений оси вала в трехмерном пространстве. На рис. 1.18, а представлено схематическое изображение ОП и размещение двух кластеров датчиков, каждый из которых содержит по паре ОВТД. Центры ЧЭ ОВТД первой пары расположены в плоскости, перпендикулярной оси Z c координатой Z=0, на опорной поверхности и в точках ее пересечения с координатными осями Х и Y. Центры ЧЭ ОВТД второй пары

расположены аналогично, но в плоскости с координатами Z=Z′. Как следует из рис. 1.18, а, оси опорной поверхности подшипника и вала совпадают, а значения зазоров между валом и рабочей поверхностью в зонах расположения ЧЭ обеих пар датчиков одинаковы и равны с0=rОП-rВ, где rОП, rВ – радиусы опорной поверхности и вала соответственно. Y

Y

ЧЭ ОВТД1

ЧЭ ОВТД1'

ЧЭ ОВТД2 0

rВ

c0

Вал

rОП Z'

Z ЧЭ ОВТД2'

ЧЭ ОВТД1, 1'

rВ

rОП

ЧЭ ОВТД2, 2'

0

X

c0 c0

Опорная поверхность

а) ЧЭ ОВТД1 rВ 0 rОП

Y Y0' 0' X0'

ЧЭ ОВТД1'

с1И

с1И'

ЧЭ ОВТД2 X

X0'' 0 0'' Y rВ 0''

с2И Вал

Y rОП

ЧЭ ОВТД2' X с2И'

Опорная поверхность

б) Рис. 1.18. Система координат (XYZ) и размещение ЧЭ ОВТД (а), смещения оси вала 0', 0'' (б) Пусть в процессе вращения вала произошло смещение его оси, причем в плоскости Z=0 центр вала занял положение 0', а в плоскости Z=Z' – положение 0'' (рис. 1.18 б). Тогда по аналогии с [46] для обеих плоскостей можно записать уравнения:

rОП − c1И = Y0' + rB , ⎫ ⎪ rОП − с2 И = X 0' + rB ,⎬ ⎪ Z = 0, ⎭

rОП − c1И ' = −Y0" + rB , ⎫ ⎪ rОП − с2 И ' = − X 0" + rB ,⎬ ⎪ Z = Z ', ⎭

где с1И, с2И, с1И', с2И' – измеренные значения зазоров датчиками обоих кластеров; Х0' Y0' и Х0'' Y0'' − КС смещений оси вала в точках с координатами Z=0 и Z= Z' соответственно. Из обеих систем уравнений могут быть найдены КС точки 0' (Y0'=c0−с1И,

X0'=c0−с2И, Z=0) и точки 0'' ((−Y0'')=c0−с1И', (−X0'')=c0−с2И', Z=Z'), которые полностью определяют положение вала в трехмерном пространстве.

В процессе узловых и агрегатных испытаний лопаточных силовых установок, когда объектом исследований является ОП, используются стендовые установки, в которых обеспечивается вращение опорной поверхности, а вал, напротив, неподвижен. При этом датчики обоих кластеров размещают в теле неподвижного вала, а их ЧЭ − на его поверхности (рис. 1.19, а). Как и на рис. 1.18, а, предполагается, что оси неподвижной и подвижной частей ОП совпадают, но система координат XYZ жестко связана с неподвижным валом. Y

Y c0

ЧЭ ОВТД1

c0

c0 ЧЭ ОВТД1’

0 ЧЭ ОВТД2

rОП

X rВ

rВ ЧЭ ОВТД2’

X

0 c0

а) ЧЭ ОВТД1 Y X0' 0 rВ

0'

ЧЭ ОВТД1'

с1И

rОП X

Y0'

rВ 0''

ЧЭ ОВТД2

rОП

Y

X0'' с2И

с1И' Y0'' ЧЭ ОВТД2' X с2И'

б) Рис. 1.19. Система координат (XYZ) и размещение ЧЭ ОВТД (а), смещения оси опорной поверхности 0', 0'' (б) Пусть при вращении опорной поверхности произошло смещение ее оси, причем в плоскости Z=0 центр поверхности занял положение 0', а в плоскости Z=Z' положение 0'' (рис.1.19, б). Для новых положений справедливы уравнения

rОП − c1И = rB − (−Y0' ), ⎫ ⎪ rОП − с2 И = rB − (− X 0' ),⎬ ⎪ Z = 0, ⎭

rОП − c1И ' = rB − Y0" , ⎫ ⎪ rОП − с2 И ' = rB − X 0" ,⎬ ⎪ Z = Z ', ⎭

где с1И, с2И, с1И', с2И' – измеренные значения зазоров, Х0', Y0' и Х0'', Y0'' – КС смещений оси опорной поверхности в точках с координатами Z=0 и Z=Z' соответственно. Из систем уравнений могут быть найдены КС точки 0' (− Y0' = с1И−с0, − Х0' = с2И−с0, Z=0) и точки 0'' (Y0'' = с1И'− с0, Х0'' = с2И' −с0, Z= Z'), которые полностью определяют положение опорной поверхности в трехмерном пространстве.

1.3.5. Оценка факторных координатных составляющих Как уже отмечалось, наиболее значимой из измеренных КС являются РЗ между торцами лопаток и статором, которые определяются рядом факторов, приведенных на рис. 1.8. Количественная оценка ФКС, т.е. оценка доли измеренной КС, вызванной центробежной силой или температурными изменениями ЭК или каким-либо другим фактором, является не простой задачей. Для ее решения предлагается использование экспериментальных методов в сочетании с моделированием поведения ЭК лопаточных машин1. При этом обязательными условиями являются выбор определенных режимов работы машины в процессе испытаний и выбор соответствующих режиму параметров моделирования. Разумеется, объектами моделирования должны быть только те ЭК, для которых существует достаточно высокая степень прогнозирования их поведения при воздействии изучаемых факторов. Тогда найденные на основе моделирования ФКС и ФКС, полученные экспериментально, вычитаются из измеренных значений КС, а их разность позволяет оценить труднопредсказуемые ФКС. Измеренные с помощью ОВТД КС в радиальном направлении

(Yизм) можно представить в виде суммы ФКС:

YИЗМ = YO + ∆YП + ∆YПЛ + ∆YБ + ∆YВ + ∆YУПР + ∆YТ + ∆YСТ , где Y0 - РЗ в состоянии покоя машины при нормальных условиях; ∆YП - смещение вала в опорных подшипниках при вращении ротора; ∆YПЛ - пластическая деформация ЭК колеса; ∆YБ - биения колеса ротора; ∆YВ - вибрация стенки статора в зоне размещения ОВТД; ∆YУПР - упругая деформация ЭК колеса; ∆YТ - температурная деформация ЭК колеса; ∆YСТ - деформация статора. Группу ФКС, определяемую экспериментально, можно представить в виде: ∆YЭКСП = ∆YП + ∆YПЛ + ∆YБ + ∆YВ

(1.6)

Группа ФКС, определяемая путем моделирования, имеет вид: ∆YМОД = ∆YУПР + ∆YТ

(1.7)

По результатам измерений (YИЗМ, ∆YЭКСП) и моделирования (∆YМОД) можно найти деформацию статора: ∆YСТ = YИЗМ − ∆YЭКСП − ∆YМОД

1

(1.8)

Подобные подходы к решению сложных измерительных задач известны и отражены в обзорах современных средств измерения, в том числе средств с использованием искусственного интеллекта [63].

В группе ФКС, определяемой экспериментально (1.6), смещение ∆YП происходит уже на минимальных оборотах ротора (холодная прокрутка от стартера) и связано с образованием масляного клина в подшипниках. Центробежные силы при этом незначительны и ∆YПЛ ≅ 0. Если исключить биения и вибрации путем фильтрации результатов измерения, что равносильно ∆YБ ≈ ∆YВ ≅ 0, то YИЗМ ≈ Y0 +∆YП. Измерив РЗ на участке 1-2 (Рис. 1.20), можно найти ∆YП ≈ YИЗМ − Y0 . Пластическая основном

деформация

определяется

процессами

в Y Первичный запуск ИЗМ, n «Холодная» в n

замках соединения лопаток с диском колеса под действием центробежных сил.

прокрутка

YИЗМ 1

2

4

Измерение ∆YПЛ выполняется при первом 3

пуске машины. На минимальных оборотах («холодная»

прокрутка)

t

необходимо

зафиксировать значения зазора в точке 2. Увеличить обороты до максимальных и

Рис. 1.20. График изменения РЗ

через некоторое время установить минимальные обороты. В установившемся тепловом режиме зафиксировать значение зазора в точке 4. Пластическая деформация находится (рис. 1.20) как разность РЗ, измеренных в точках 2 и 4, т.е. ∆YПЛ = YИЗМ. 2−YИЗМ.4. Измерение ∆YБ целесообразно выполнять непосредственно после сборки машины в режиме ручной прокрутки (до «холодной» прокрутки от стартера), когда ∆YП = ∆YПЛ ≅ 0. Причина биений связана с погрешностями проточки колеса ротора по торцам лопаток после их установки на диск (в компрессоре ГТД погрешности достигают 0,1 мм). Построение зависимости РЗ YИЗМ от угла поворота колеса позволяет оценить величину биений (YИЗМmax, YИЗМmin) и смещение центра окружности торцов лопаток YСМ.0 = (YИЗМ.max – YИЗМ.min) / 2, которое соответствует максимальному значению биений ∆YБ max = YСМ.0. Вибрационные составляющие ∆YВ (мгновенные и амплитудные значения) находятся с помощью известных методов частотного анализа путем обработки сигналов в каналах ОВТД системы измерения. Группа ФКС, определяемая путем моделирования (1.7), включает упругую (∆YУПР) и температурную (∆YТ) деформации ЭК колеса ротора. Модель колеса, учитывающая действие центробежных сил, вызывающих упругую деформацию ступицы, диска и лопатки, может быть представлена как

функция

скорости

вращения

(угловой

скорости

ω), физических параметров

используемых материалов (плотности ρ и модуля упругости E), а также геометрических параметров, определяющих габариты ЭК (радиусы r' и r"):

∆YУПР. ЭК = f ЭК ( ω , ρ , Ε, r ′, r ′′ ) .

(1.9)

Уровень сложности модели зависит от требований к точности решаемой задачи. С помощью (1.9) можно найти упругую деформацию ступицы, диска и лопаток, подставляя соответствующие значения параметров. Если определяется упругая деформация ступицы колеса (∆YУПР.С), то в (1.9) помимо соответствующих параметров материала ступицы (ρ, E) подставляются радиусы ступицы (r' = rC) и вала (r" = rB). При определении деформации диска (∆YУПР.Д) – радиусы диска (r' = rД) и ступицы (r" = rC), деформации лопаток – радиусы торцов лопаток (r' = rЛ) и диска (r" = rД). Полная упругая деформация колеса равна сумме деформаций ступицы (∆YУПР.С), диска (∆YУПР.Д) и лопаток (∆YУПР.Л), причем при заданных физических и геометрических параметрах модели и слагаемые и сумма зависят от скорости вращения и температуры

∆YУПР = ∆YУПР.С (ω, θС ) + ∆YУПР.Д ( ω, θ Д ) + ∆YУПР.Л (ω, θ Л ),

(1.10)

где θС, θД, θЛ - температура ступицы, диска, лопаток соответственно. Полная температурная деформация ротора в радиальном направлении

∆YT = ∆YT.C (θC ) + ∆YT. Д (θ Д ) + ∆YT. Л (θ Л ) ,

(1.11)

где: ∆YТ.C (θ C ) - температурная деформация ступицы; ∆YТ.Д (θ Д ) - температурная деформация

диска;

∆YТ.Л (θ Л ) - температурная деформация лопатки, причем

перечисленные слагаемые в выражении (1.11) определяются температурными коэффициентами и размерами ЭК. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что при изменении режима работы из-за различий в теплоемкостях и тепловых сопротивлениях ЭК ротора характер тепловых переходных процессов и соответствующие им изменения температуры θС, θД, θЛ во времени также различны. В этой связи все слагаемые выражения (1.11) и их сумма (полная деформация ротора) будут функциями времени

∆YT (t ) = ∆YT. C [θ C (t )] + ∆YT. Д [θ Д (t )] + ∆YТ. Л [θ Л (t )] . Определение

(1.12)

θС(t), θД(t), θЛ(t) производится с помощью какой-либо

существующей или специально разработанной модели. В частности, одна из таких моделей может быть построена на основе электротепловых аналогий в предположении равномерного распределения температуры в каждом из ЭК ротора (ступице, диске и

лопатках). Предполагается также, что на входе модели – температура рабочего тела, которая определяется заданным режимом и измеряется датчиками температуры, входящими в состав системы, а тепловой поток при прогреве распространяется от лопаток к ступице. При заданных изменениях температуры рабочего тела, соответствующих выбранному режиму работы лопаточной установки, при заданных удельных теплоемкостях и теплопроводностях материалов и геометрических параметрах ЭК модель обеспечивает получение θС(t), θД(t), θЛ(t), расчет деформаций ∆YТ.С[θС(t)], ∆YТ.Д[θД(t)], ∆YТ.Л[θЛ(t)] и в соответствии с (1.12) - вычисление ∆YТ(t). После определения ∆YУПР и ∆YТ с помощью выражения (1.7) находится их сумма ∆YМОД. Предполагается также, что после экспериментального определения ∆YП, ∆YПЛ, ∆YБ и ∆YВ с помощью выражения (1.6) находится сумма ∆YЭКСП, а затем и деформация статора ∆YСТ (1.8). В заключение следует отметить, что наравне с рассмотренными моделями поведения объекта, вычисляемыми с помощью алгебраических или дифференциальных уравнений, могут использоваться модели, построенные на основе экспертных знаний и теории нечетких множеств. Примеры таких моделей ЭК лопаточных машин приведены ниже (в разделе 3). Разумеется, приведенное описание способа оценки деформации статора

(∆YСТ)

не

является

единственно

возможным

вариантом.

Результаты

моделирования упругой и температурной деформаций (∆YУПР, ∆YТ) также представляют интерес

для

пользователя.

Более

того,

перечень

ФКС,

найденных

путем

моделирования, может расширяться по мере наполнения библиотеки моделей новыми разработками, обеспечивающими оценку и тех ФКС, которые в настоящем разделе определялись экспериментально изменениями режима работы силовой установки. 1.4.

Методы измерения координатных и оценки факторных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций поршневых силовых установок

Рассматривается

упрощенная

одноцилиндровая

поршневая

установка,

обобщающая многочисленные конструктивные разновидности машин этого класса. Производится ее декомпозиция, выделяются координатные и факторные составляющие МП ЭК. Приводится описание кластерных методов измерения смещений центров вкладыша в ШП, шейки коленвала в подшипнике коренных опор, оси поршня

относительно цилиндра, причем метод измерения смещений центра вкладыша в ШП предусматривает оценку деформации профиля его поверхности. 1.4.1. Одноцилиндровая конструкции,

поршневая

координатные

силовая и

установка:

факторные

элементы

составляющие

их

многомерных перемещений Большинство поршневых силовых установок выполняются многоцилиндровыми [64], но влияние этапов рабочего цикла на пространственно-временные изменения МП ЭК кривошипно-шатунного механизма (КШМ) силовой установки можно рассмотреть на примере одноцилиндровой машины. Как и в лопаточных силовых установках от МП ЭК зависят зазоры в подвижных соединениях КШМ поршневой установки, которые определяют надежность, срок службы, шумность и другие важные технические характеристики установки. Величина зазоров должна быть минимальной, но и должна обеспечивать подвижность в соединениях во всем диапазоне режимов работы и внешних условий. Основными факторами, определяющими величины зазоров, являются температурные деформации и силовые воздействия на элементы конструкции установки. В общем случае в поршневой силовой установке можно выделить четыре вида взаимосвязанных соединений, это – «поршень - цилиндр», «поршень - шатун», «шатун - коленвал» и «коленвал - коренная опора» (Рис. 1.3, 1.21). Последующий материал будет ориентирован, прежде всего, на двигательные поршневые установки, так как энергетическая и тепловая напряженность их выше по сравнению с установками, выполняющими только нагнетательную функцию. За рабочий цикл в зависимости от типа установки в соединении «поршень цилиндр» (ПЦ) поршень совершает одно или два возвратно-поступательных движения. Направление движения поршня задается стенками цилиндра. Для обеспечения свободного перемещения поршня в цилиндре при любых режимах работы установки, цилиндр изготавливается с бóльшим диаметром по отношению к поршню. В результате поршень приобретает возможность перемещаться не только в осевом (поступательном), но и в радиальном направлении. Радиальная составляющая силы прижимает поршень в плоскости движения шатуна к стенке цилиндра. Величина радиальной составляющей силы зависит от углового положения шатуна, а при переходе через «мертвую» точку изменяется направление действия силы и, следовательно, поршень переходит на противоположную стенку цилиндра.

ОДНОЦИЛИНДРОВАЯ ПОРШНЕВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Соединение «коленвал-шатун» /шатунный подшипник/

Соединение «поршень-цилиндр»

Цилиндр

Поршень

Шейка

Соединение «коленвал-коренная опора» /подшипник коренных опор/

Вкладыш

Шейка

Вкладыш

Координатные составляющие многомерных перемещений Деформации в радиальном направлении

Перемещение в осевом направлении

Вращение относительно оси коленвала

Вращение относительно оси коленвала

Перемещение в радиальном направлении

Перемещение в радиальном направлении

Перемещение в радиальном направлении

Угловое перемещение относительно шейки

Деформация в радиальном направлении

Деформация в радиальном направлении

Деформации в радиальном направлении

Перемещение в радиальном направлении Деформация в радиальном направлении

Факторы, вызывающие изменение координатных составляющих

Температурное расширение

Смещение и деформация под действием рабочего тела

Смещение и деформация под действием масляного клина

Вибрации из-за суммарного действия различных механич. факторов

Рис. 1.21. Декомпозиция поршневой силовой установки, координатные составляющие и факторы, вызывающие их изменения При

перемещении

поршня

в

радиальном

направлении

меняется

пространственная ориентация его оси в связи со сложной геометрической формой его наружной поверхности. Для восприятия информации о пространственно-временном перемещении поршня (прежде всего в окрестности верхней «мертвой» точки (ВМТ)) необходимо разместить в стенке цилиндра кластер ОВТД. Количество ОВТД в кластере и точки установки датчиков должны обеспечить измерение КС МП поршня (ЧЭ ОВТД обращены к поверхности поршня). Наибольшее распространение получил вариант соединения «коленвал - шатун» на основе подшипника скольжения с вкладышем (шатунный подшипник – ШП). Для исключения «сухого» трения в ШП пространство между поверхностью шейки коленвала и поверхностью вкладыша шатуна заполняется моторным маслом. Величина зазора между шейкой коленвала и вкладышем изменяется по длине окружности вкладыша и зависит от начальных размеров шейки коленвала и вкладыша, рабочей

температуры,

вязкости

масла, линейной

скорости

перемещения

поверхностей

коленвала и вкладыша, силового воздействия шатуна на вкладыш. Кроме того, изменение силовой нагрузки за рабочий цикл, упругая деформация и неравномерный износ поверхности вкладыша ведут к тому, что при каждом новом угловом положении коленчатого вала картина распределения зазора по длине окружности вкладыша меняется. Для исследования соединения «коленвал - шатун» на работающей установке необходимо кластер ОВТД разместить в шейке коленвала так, чтобы ЧЭ ОВТД были обращены к поверхности вкладыша и обеспечивали измерение КС его смещений относительно шейки. Соединение «коленвал - коренная опора» по принципу действия также относится к подшипнику скольжения (подшипник коренных опор – ПКО). Опора размещена в корпусе двигателя и неподвижна, что и определяет размещение кластера ОВТД в опоре. Кластер ОВТД позволяет измерить КС МП шейки коленвала относительно опоры, а при наличии нескольких цилиндров выявить изгибные колебания коленвала за рабочий цикл. Очевидно, что рис. 1.21 аналогичен рис. 1.5 и 1.6, где была приведена декомпозиция обобщенной силовой установки и обозначены КС и ФКС МП. Отличие же рис. 1.21 состоит в том, что на нем раскрывается содержание узлов, сборочных единиц, ЭК, КС МП и ФКС МП (идентичную функцию применительно к лопаточным машинам выполнял рис. 1.8). На схеме взаимодействия обобщенной силовой установки и системы измерения (Рис. 1.4) преобразование МП ЭК осуществляется кластерами ОВТД, контролирующими перемещения поршня в соединении «поршень - цилиндр», вкладыша в ШП и шейки коленвала в ПКО. При этом в указанных преобразованиях используются три системы отсчета – жестко связанные с цилиндром, с шейкой в ШП и с коренной опорой в ПКО. Для преобразования ПВС, ПСО и частично ПР используются датчики температуры, давления, изготавливаемые промышленностью (ДВС, ДПСО, ДПР, рис.1.4). Дополнительно для преобразования ПР применяются датчики момента (нагрузки на валу) и датчики частоты вращения ДЧВ. Последние используются также для цифрового преобразования угловых перемещений коленвала. Для точного преобразования угловых перемещений коленвала можно использовать и другие датчики, включая «многозонные» [65] (Рис. 1.4, ПОП, ДОП).

Согласно обобщенной концептуальной модели процесса измерения (Раздел 1.2) МП ЭК определяются ПР (частота вращения коленвала и нагрузка), ПСО и ПВС (температура, давление) (Рис. 1.7, выражение (1.1)). Индуктивности ОВТД определяются векторными значениями МП, ПСО и ЭФС материала ЭК (электропроводностью и магнитной проницаемостью) (Рис. 1.7, выражения (1.2, 1.3)), а также перемещениями ЭК с закрепленными на них ОВТД

(выражение (1.4)). КС МП находятся из уравнений (1.5) в соответствии с методами, которые рассматриваются в следующих разделах. На рис.1.21, кроме различных КС МП в соединениях «поршень - цилиндр», «коленвал - шатун», «коленвал - коренная-опора», показаны и ФКС МП, которые вносят свой вклад в изменения КС МП соединений. Наиболее значимую роль играют смещения и деформации под действием сил со стороны поршня, создаваемых рабочим телом, и сил, возникающих в масляном слое в процессе работы установки, а также тепловые расширения и вибрации ЭК. 1.4.2. Измерение

координатных

составляющих

смещений

центра

вкладыша шатунного подшипника и оценка деформации профиля его внутренней поверхности Известно, что вкладыш шатунного подшипника (ШП) состоит из двух половин, на внутренней поверхности которых выполняются скосы и фаски в торцевых частях, которые являются одной из причин отклонений формы профиля внутренней поверхности вкладыша от окружности. Кроме того, в результате сборки возможны появления эллипсности и относительные сдвиги торцевых частей обеих половин вкладыша. Совокупность перечисленных факторов определяет форму профиля внутренней поверхности вкладыша, которая сохраняется на «холодной» прокрутке коленвала от электропривода на малых оборотах, когда инерционными силами, воздействующими на шейку коленвала, можно пренебречь. На «горячей» прокрутке (режимы холостого хода на высоких оборотах или нагрузки) под действием сил, вызванных давлением газов на поршень в цилиндре, сил инерции, а также противодействующих упругих сил масляного клина происходят смещения центра вкладыша и упругая деформация шатунной головки, передаваемая на внутреннюю поверхность вкладыша и изменяющая его форму. При этом общая картина

деформации профиля внутренней поверхности вкладыша изменяется с углом поворота коленвала в течение рабочего цикла поршневой установки. Снижение нагрузки и оборотов приводят к уменьшению упругих деформаций и восстановлению формы поверхности, соответствующей режиму «холодной» прокрутки. Предлагаемые в настоящем разделе методы измерения позволяют оценить как КС смещения центра вкладыша, так и упругие деформации профиля его внутренней поверхности в режиме «горячей» прокрутки. Разновидности методов связаны с ограничениями числа ОВТД в составе кластера из-за габаритов шейки коленвала. Первая

группа

методов

ориентирована

на

сравнительно

малогабаритные

и

маломощные установки, в шейках коленвала которых размещается не более двух пар ОВТД. Вторая – на крупногабаритные установки большой мощности, в которых подобные ограничения отсутствуют. Y

Пусть в шатунной шейке установлены

rВ0

две пары ОВТД с ЧЭ, ориентированными

с1И

rШ

ЧЭ ОВТД1

параллельно

0

КС

X ЧЭ ОВТД2

ЧЭ ОВТД3

Вкладыш

с3И

Шейка

c 4И

XШ0'

вкладыша

(рис.1.22) [46].

0' ЧЭ ОВТД4

YШ0'

образующей

c2И

Рис. 1.22. Размещение двух пар ОВТД в шейке коленвала ШП

смещений

центра

вкладыша

фиксируются в системе координат X0Y, жестко

связанной

с

шатунной

шейкой

коленвала. Результаты измерения зазоров и геометрические

параметры

вкладыша

и

шейки при условии, что профиль внутренней

поверхности вкладыша представляет собой окружность, а скосы и стыки отсутствуют, связаны между собой системой уравнений:

rB 0 +YШ 0' (ψ ) = rШ + с1И (ψ ), ⎫ rB 0 + X Ш 0' (ψ ) = rШ + с2 И (ψ ),⎪⎪ ⎬ rB 0 −YШ 0' (ψ ) = rШ + с3 И (ψ ), ⎪ rB 0 − X Ш 0' (ψ ) = rШ + с4 И (ψ ),⎪⎭

(1.13)

где rB 0 - радиус вкладыша, rШ − радиус шейки, X Ш 0 ',YШ 0 ' − координаты центра вкладыша, c1И (ψ ), c 2 И (ψ ), c3 И (ψ ), c 4 И (ψ ) − результаты измерения зазоров ОВТД1, ... ОВТД4 в процессе поворота вкладыша относительно шатунной шейки, ψ - угол поворота коленчатого вала.

КС смещений центра вкладыша могут быть найдены из (1.13):

X Ш 0' (ψ ) = c2 И (ψ ) − c0 , ⎫ ⎬ YШ 0' (ψ ) = c1И (ψ ) − c0 , ⎭

(1.14)

X Ш 0' (ψ ) = −c4 И + с0 ,⎫ ⎬ YШ 0' (ψ ) = −c3 И + c0 . ⎭

(1.15)

где c0 = rB 0 − rШ , или

Кроме того, КС могут быть найдены из (1.13) как полуразность измеренных зазоров:

X Ш 0' (ψ ) = 0,5⋅[c 2 И (ψ ) − c4 И (ψ )],⎫ ⎬ YШ 0' (ψ ) = 0,5⋅[c1И (ψ ) − c3 И (ψ )]. ⎭

(1.16)

Их полусуммы равны и определяются величиной c0 :

0,5⋅[c1И (ψ ) + c3 И (ψ )]= 0,5⋅[c 2 И (ψ ) + c 4 И (ψ )]= c0

(1.17)

Очевидно, что при отсутствии смещений c1И(ψ)=c2И(ψ)=c3И(ψ)=c4И(ψ)=c0, то есть измеренные зазоры в функции угла поворота коленвала остаются неизменными (с0) на всем протяжении рабочего цикла поршневой силовой установки (720 град). В результате сборки ШП в пределах допусков появляются отклонения формы внутренней поверхности вкладыша от окружности. Поршневая установка работает в режиме «холодной» прокрутки на малых оборотах, когда силовыми воздействиями со стороны поршня и инерционной силой можно пренебречь. При этом изменения зазоров определяются только формой внутренней поверхности и смещением центра вкладыша относительно центра шейки коленвала. Результаты измерения зазоров можно представить в виде

c1 ХП (ψ ) = ∆f1 (ψ ) +YШ 0' ХП (ψ ) + c0 , ⎫ с2 ХП (ψ ) = ∆f 2 (ψ ) + X Ш 0' ХП (ψ ) + с0 ,⎪⎪ ⎬ c3 ХП (ψ ) = ∆f 3 (ψ ) −YШ 0' ХП (ψ ) + с0 , ⎪ c4 ХП (ψ ) = ∆f 4 (ψ ) − X Ш 0' ХП (ψ ) + с0 , ⎪⎭

(1.18)

где ∆f1 (ψ ),...,∆f 4 (ψ ) - отклонения формы профиля внутренней поверхности вкладыша от виртуальной окружности радиуса rШ + с0 , X Ш 0 ' ХП ,YШ 0 ' ХП - КС смещения центра виртуального профиля вкладыша в виде окружности от центра шейки. Измеренные значения зазоров имеют идентичный характер в функции угла поворота коленвала (со сдвигом 90 град.), а их минимальные значения могут быть

использованы для определения с0. Величина с0 может быть найдена с помощью выражений min min min 0,5⋅[c1min ХП (ψ ) + c3 ХП (ψ )] = c 0 или 0,5⋅[ c 2 ХП (ψ ) + c 4 ХП (ψ )] = c 0 ,

- минимумы пульсаций измеренных значений зазоров на «холодной» где c min ХП прокрутке. Если КС смещений X Ш 0 ' ХП ,YШ 0 ' ХП незначительны, и ими можно пренебречь, то изменения формы находятся по результатам измерений каждого ОВТД

∆f = c ХП − c min ХП . Для повышения достоверности найденные значения ∆f могут усредняться по показаниям четырех ОВТД с учетом сдвига (90 град.) и на нескольких оборотах. Очевидно, что в процессе испытаний при «горячей» прокрутке на высоких оборотах и под нагрузкой происходит дополнительное смещение центра вкладыша (XШ0'И, YШ0'И), а также дополнительные отклонения формы профиля, связанные с упругими деформациями в контролируемых ЧЭ ОВТД точках поверхности вкладыша (∆d1, ∆d2, ∆d3, ∆d4). Тогда

[∆f1 (ψ ) +YШ 0' ХП (ψ ) + c0 ]+ ∆d1 (ψ ) +YШ 0'И (ψ ) = с1И (ψ ),

⎫ [∆f 2 (ψ ) + X Ш 0' ХП (ψ ) + c0 ]+ ∆d 2 (ψ ) + X Ш 0'И (ψ ) = с2 И (ψ ),⎪⎪ ⎬ [∆f 3 (ψ ) −YШ 0' ХП (ψ ) + c0 ]+ ∆d 3 (ψ ) −YШ 0' И (ψ ) = с3 И (ψ ), ⎪ [∆f 4 (ψ ) − X Ш 0' ХП (ψ ) + c0 ]+ ∆d 4 (ψ ) − X Ш 0'И (ψ ) = c4 И (ψ ), ⎪⎭

(1.19)

где выражения в квадратных скобках представляют собой результаты измерения при «холодной» прокрутке (1.18). С учетом этого можно записать:

∆d1 (ψ ) +YШ 0'И (ψ ) = с1И (ψ ) − с1 ХП (ψ ), ⎫ ∆d 2 (ψ ) + X Ш 0'И (ψ ) = с2 И (ψ ) − с2 ХП (ψ ),⎪⎪ ⎬ ∆d 3 (ψ ) −YШ 0'И (ψ ) = c3 И (ψ ) − c3 ХП (ψ ), ⎪ ∆d 4 (ψ ) − X Ш 0'И (ψ ) = с4 И (ψ ) − с4 ХП (ψ ).⎪⎭

(1.20)

Если предположить наличие участков поверхности вкладыша, где деформации отсутствуют, то полученные выражения позволяют определить КС. Подобное допущение базируется на одной из известных моделей [64], согласно которой наибольшая упругая деформация наблюдается в направлении равнодействующей силы, которая передается на шатунную головку через масляный клин. В противоположном направлении деформация практически отсутствует. На рис. 1.23 угол

приложения (φП) силы (F) составляет 180 град. и это означает, что независимо от поворота шейки в точках контроля двух из четырех размещенных в шейке ОВТД деформации профиля вкладыша можно считать равными нулю. Пусть для данного угла поворота

Y

коленвала это будут ОВТД1 и ОВТД4 (рис. 1.23). Тогда ∆d1 = ∆d 4 = 0 и

с4И 0′

ЧЭ ОВТД4

X Ш 0'И (ψ ) = c 4 И (ψ ) − с 4 ХП (ψ ),

XШ0‘И

YШ 0'И (ψ ) = c1И (ψ ) − c1 ХП (ψ ) .

YШ0‘И 0

с3И

С учетом найденных КС можно

с2И ЧЭ ОВТД2

ϕП

ЧЭ ОВТД3

определить деформации

ЧЭ ОВТД1

с1И

X

∆d 2 И (ψ ) = c2 И (ψ ) − с2 ХП (ψ ) − Х Ш 0 'И ,

Рис. 1.23. Измерение КС и оценка

∆d 3 И (ψ ) = с3 И (ψ ) − с3 ХП (ψ ) − YШ 0 'И .

деформации с помощью двух пар ОВТД

Необходимо отметить, что использование режима «холодной» прокрутки усложняет и удлиняет процесс измерения. Более эффективные методы раздельного измерения деформации и КС связаны с увеличением числа датчиков, устанавливаемых в шатунной шейке, и они рассматриваются ниже. Вторую

разновидность

метода ∆d1

ШП, отличающийся более крупными габаритами,

причем

в

его

шейке

∆dM Xk

ОВТД.

Они

размещаются с равномерным угловым деформации

профиля,

представленного в виде окружности, основывается на предположении, что деформация

расположения одинакова:

двух

в

соседних

зоне ОВТД

∆d1 = ∆d M , ∆d m = ∆d m +1 ,

ЧЭ ОВТД m 0′

0 ck

Оценка

ЧЭ ОВТД 1

ЧЭ ОВТД M α0

шагом α0.

искомая

cMИ

Y1Ш0’

число)

c1И

(4m-k+1)α0

установлено множество (максимально возможное

Y1

YM

иллюстрирует рис. 1.24, где представлен

Yk

cmИ c(m+1)И

ЧЭ ОВТД m+1

XM ∆dm X1 ∆dm+1

ЧЭ ОВТД k

∆dk X1Ш0’

Рис. 1.24. Измерение КС и оценка деформаций вкладыша с помощью множества датчиков

где m =π / 2⋅α 0 - число ОВТД в квадранте X10Y1 (общее число датчиков в кластере

M = 4⋅m).

Предполагается также, что деформация профиля вкладыша является некоторой непрерывной функцией, которая не содержит разрывов, причем сама функция неизвестна. В режиме «горячей» прокрутки для двух пар соседних ОВТД:

∆d1 (ψ ) +Y1Ш 0'И (ψ ) = c1И (ψ ) − c0 ,

⎫ ∆d ( m+1) (ψ ) + X 1Ш 0'И (ψ ) = c( m+1) И (ψ ) − c0 ,⎪⎪ ⎬ ∆d M (ψ ) +YM Ш 0'И (ψ ) = с MИ (ψ ) − c0 , ⎪ ⎪ ∆d m (ψ ) + X M Ш 0'И (ψ ) = cmИ (ψ ) − c0 , ⎭

(1.21)

где X MШ 0'И ,YMШ 0'И - КС в дополнительной системе координат X M 0YM , которые связаны с X 1Ш 0 'И ,Y1Ш 0 'И уравнениями координатных преобразований [66].

X MШ 0'И (ψ ) = X 1Ш 0'И (ψ )⋅cosα 0 +Y1Ш 0'И (ψ )⋅sinα 0 , YMШ 0'И (ψ ) = − X 1Ш 0'И (ψ )⋅sinα 0 +Y1Ш 0'И (ψ )⋅cosα 0 . После их подстановки система (1.21) примет вид:

∆ d 1 (ψ ) + Y1 Ш 0 ' И (ψ ) = c1 И (ψ ) − c 0 ,

⎫ ⎪ ∆ d ( m +1) (ψ ) + X 1 Ш 0 ' И (ψ ) = c ( m +1) И (ψ ) − c 0 , ⎪ ⎬ ∆ d M (ψ ) − X 1 Ш 0 'И (ψ ) ⋅sin α 0 + Y1 Ш 0 'И (ψ ) ⋅cos α 0 = с MИ (ψ ) − c 0 , ⎪ ∆ d m (ψ ) + X 1 Ш 0 ' И (ψ ) ⋅cos α 0 + Y1 Ш 0 ' И (ψ ) ⋅sin α 0 = c mИ (ψ ) − c 0 . ⎪⎭

(1.22)

С учетом ранее принятых допущений о равенстве деформации в соседних точках

контроля

и

обозначив

c1И (ψ ) − с0 = ∆с1 (ψ ),

c MИ (ψ ) − с0 = ∆с M (ψ ),

c( m +1) И (ψ ) − c0 = ∆c( m +1) (ψ ), cmИ (ψ ) − с0 = ∆с mИ (ψ ) , систему уравнений (1.22) можно представить в виде: X 1 Ш 0 ' И (ψ ) ⋅sin α 0 + Y1 Ш 0 ' И (ψ ) ⋅ (1 − cos α 0 ) = ∆ c1 (ψ ) − ∆ c M (ψ ), X 1 Ш 0 ' И (ψ ) ⋅ (1 − cos α 0 ) − Y1 Ш 0 ' И

⎫ ⎬ (ψ ) ⋅sin α 0 = ∆ c ( m +1) (ψ ) − ∆ c m (ψ ). ⎭

(1.23)

Решением системы (1.23) будут КС смещений центра вкладыша в системе координат X10Y1: −[ ∆ c ( m +1) (ψ ) − ∆ c m (ψ )]⋅(1− cosα 0 ) −[ ∆ c1 (ψ ) − ∆ c M (ψ )]⋅sin α 0 ⎫ ,⎪ 2 ⋅(1− cosα 0 ) ⎪ ⎬ [ ∆ c ( m +1) (ψ ) − ∆ c m (ψ )]⋅sin α 0 −[ ∆ c1 (ψ ) − ∆ c M (ψ )]⋅(1− cosα 0 ) ⎪ = . ⎪ 2 ⋅(1− cosα 0 ) ⎭

X 1 Ш 0 'И = Y1 Ш 0 'И

(1.24)

Для датчиков, связанных с системой X10Y1, деформации определятся из (1.22) с учетом (1.24):

∆d1 (ψ ) = c1И (ψ ) − c0 −Y1Ш 0'И (ψ ),

⎫ ⎬ ∆d ( m +1) (ψ ) = c( m +1) (ψ ) − c0 − X 1Ш 0'И (ψ ).⎭

Эти же значения деформаций справедливы для датчиков, связанных с системой координат Xi0Yi. Для k-ого датчика (рис. 1.24) деформации профиля могут быть определены после пересчета КС из системы X10Y1 в систему Xk0Yk.

X kШ 0'И (ψ ) = X 1Ш 0'И (ψ )⋅cos[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ]+Y1Ш 0 'И (ψ )⋅sin[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ], ⎫ ⎬ YkШ 0'И (ψ ) = − X 1Ш 0'И (ψ )⋅sin[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ]+Y1Ш 0 'И (ψ )⋅cos[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ].⎭

(1.25)

С учетом (1.25)

∆d k (ψ ) = c kИ (ψ ) − с0 + X 1Ш 0'И (ψ )⋅sin[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ]−Y1Ш 0'И (ψ )⋅cos[( 4⋅m − k +1)⋅α 0 ] Поскольку

рассмотренный

метод

базируется

на

допущении

равенства

деформаций в зоне расположения соседних ОВТД, то независимо от вида функции изменения деформации профиля вкладыша точность метода возрастает с увеличением числа датчиков в составе кластера. Если же из-за снижения габаритов шейки коленвала с учетом конечных размеров датчиков их число в кластере ограничено и, более того, уменьшается, то возникает противоречие с исходным допущением, которое ведет к потере точности метода. Y

сmax с(1+3m)И ЧЭ ОВТД1+3m

с1И

Y

1

с 1И

сmax

ЧЭ ОВТД1 0′ ϕП 0 F

Yk

сkИ 0′

X ЧЭ ОВТД k

ЧЭ ОВТД

k

YkШ0‘И

ЧЭ ОВТД 1

Y 1Ш0‘И 0

X1

X1Ш0‘И

сkИ

а)

б)

Рис. 1.25. Измерение кс и оценка деформации с помощью ограниченного множества ОВТД При этом, как и в рассмотренном ранее предельном случае (с двумя парами ОВТД), рекомендуется использовать допущение о наличии участков поверхности вкладыша, где деформации отсутствуют. Если угол приложения силы φП=180 град., то независимо от поворота шейки в точках контроля половины от общего числа размещенных на шейке ОВТД деформации профиля вкладыша можно считать равными нулю. Следовательно, среди этих датчиков всегда можно найти такую пару, которая расположена на осях прямоугольной системы координат, показанной на рис. 1.25, а.

Особенность системы состоит в том, что биссектриса координатного угла X0Y совпадает с направлением силы F, которое можно зафиксировать по максимальному значению измеренных зазоров (сmax) среди датчиков, контролирующих зону нулевых деформаций. КС могут быть вычислены с помощью показаний датчиков, оси которых образуют прямоугольную систему координат X0Y.

X Ш 0 'И (ψ ) = c(1+3m ) И (ψ ) − с0 ,YШ 0 'И (ψ ) = с1И (ψ ) − с0 . КС пересчитываются в системы координат, проходящие через датчики, находящиеся в пределах угла приложения, с помощью уравнений, аналогичных рассмотренным ранее, а затем вычисляются деформации. Для k-ого датчика деформация: ∆d k (ψ ) = c kИ (ψ ) − с0 −YkШ 0'И (ψ ) . Следует отметить, что поиск датчиков, расположенных на прямоугольных координатных осях, не является обязательным. На рис. 1.25, б показана биссектриса (сmax) угла Y10Yk, величина которого произвольна, но не превышает 180 град. Оси проходят

через

ОВТД1

и

ОВТДk.

При

этом

Y1Ш 0 'И (ψ ) = с1И (ψ ) − с0 ,

YkШ 0'И (ψ ) = c kИ (ψ ) − c0 . В системе координат X 1 0Y1 вторая КС имеет вид:

X 1Ш 0'И (ψ ) =

Y1Ш 0'И (ψ )⋅cos[(4⋅m − k +1)⋅α 0 ]−YkШ 0'И (ψ ) . sin[(4⋅m − k +1)⋅α 0 ]

Найденные КС могут быть пересчитаны в систему координат, связанную с любым датчиком, расположенным в пределах угла приложения. Деформация вычисляется так же, как и в предыдущем случае. 1.4.3. Измерение координатных составляющих смещений центра шейки подшипника коренных опор ПКО выполняются разъемными, состоящими из опоры и крышки. Крышка ПКО крепится к неподвижной опоре болтами или шпильками. Опорную поверхность ПКО образуют две половины тонкостенных вкладышей, закрепленных на крышке и опоре. В идеале профили опорной поверхности и поверхности шейки коленвала представляют собой окружности, центры которых при отсутствии силовых воздействий совмещены. В режиме «горячей» прокрутки с появлением силовых воздействий происходят смещения центра шейки относительно центра вкладыша (предполагается, что в отличие

от

опорного

подшипника

лопаточной

силовой

установки

(раздел

1.3.4)

в

рассматриваемом ширина опорной поверхности значительно меньше и при смещениях центра шейки ее ось остается практически параллельной оси опорной поверхности). Кластер ОВТД размещается в крышке ПКО таким образом, чтобы ЧЭ были ориентированы параллельно образующей поверхности шейки [46]. Представляется очевидным, что и на холостом ходу и в режиме нагрузки деформаций профиля поверхности шейки коленвала, контролируемой ЧЭ ОВТД, практически не происходит. Поэтому для измерения КС смещений центра шейки в ПКО достаточно двух ОВТД. ЧЭ расположены на координатных осях X, Y, жестко связанных с коренной опорой (рис. 1.26). КС находятся после подстановки измеренных значений зазоров c1И и с 2 И в выражения:

X К 0'И (ψ ) = rBK − rШК − с1И (ψ ),⎫ ⎬ YK 0'И (ψ ) = rBK − rШК − с 2 И (ψ ), ⎭

(1.26)

где rBK ,rШК - радиусы внутренней поверхности вкладыша и шейки соответственно. В

Вкладыш

Y

X

ОВТД rШК

0

0´

c2И

с1И

Шейка

rВК YK0´

XK0´

Рис. 1.26. Размещение ОВТД в ПКО и смещение шейки коленвала

необходимо

отметить, что размещение кластеров

ЧЭ ОВТД 2

ЧЭ ОВТД 1

заключение в

коренных

опорах

многоцилиндровой поршневой машины дает возможность определить изгибные колебания коленвала за рабочий цикл. Для

этого

необходимо

пространственную

построить траекторию

положений центров шеек коленвала во всех опорах при фиксированных угловых положениях коленвала.

1.4.4. Измерение координатных составляющих cмещений оси поршня Из [64] известно, что под действием сил, вызванных давлением газов на поршень в цилиндре, сил инерции, а также противодействующих упругих сил масляного клина, происходит смещение оси поршня относительно оси цилиндра, которое зависит от угла поворота коленвала в течение рабочего цикла силовой установки. Очевидны составляющие смещения, лежащие в плоскости движения шатуна и кривошипа и связанные с ходом, перекладыванием и угловым перемещением поршня.

В то же время соединение «поршень-шатун» выполнено с помощью поршневого пальца, который не препятствует смещениям вдоль его оси. Поэтому реальное перемещение оси поршня относительно оси цилиндра происходит не в плоскости, а в трехмерном пространстве. В настоящем разделе приводится описание метода измерения перемещений оси поршня по трем КС, который позволяет выявить момент «перекладки» поршня под действием радиальной составляющей силы, действующей в плоскости движения шатуна и кривошипа, а также смещения поршня, связанные с подвижностью соединения поршня с поршневым пальцем. Для реализации метода предусматривается увеличение числа датчиков в составе кластера, размещенных вне плоскости движения

причем

в

стенке

установлен

кластер

цилиндра

Зона расположения колец Цилиндр

ОВТД.

Датчики размещаются вдоль оси цилиндра на нескольких (не менее трех) уровнях таким образом,

А

ВМТ 0

0'

с11И

Y1П0 ’И Y2П0 ’И

кольцами,

ЧЭ ОВТД 31

Ось поршня X

всегда

по крайней мере двух уровней.

с22И

Y2П0 ‘И с21И

кольца, располагающиеся чаще

ЧЭ ОВТД 21

0

Y

0'

всего в верхней части поршня, через

ЧЭ ОВТД 22

Z2П0’И

Z

контактируют

Ось цилиндра

А-А

взаимодействовали ЧЭ датчиков Компрессионные и маслосъемные

А ЧЭ ОВТД 21

Поршень

чтобы с поверхностью поршня, не занятой

ЧЭ ОВТД11

с21И

X3Ц

соединение поршень – цилиндр,

X1Ц X2Ц

На рис. 1.27 представлено

X0Ц

шатуна и кривошипа.

масляный

клин с внутренней поверхностью

Рис. 1.27. Размещение ОВТД и смещение оси поршня.

цилиндра.

Неровности поверхности цилиндра и изнашивание поршневых канавок приводят к вибрациям колец в осевом и радиальном направлении и изменению зазоров между кольцами и цилиндром. Эти зазоры не измеряются в рамках рассматриваемого метода, а наличие колец требует дополнительных мер по интерпретации результатов измерения КС.

Предполагается

также,

что

деформации

профиля

поверхности

поршня,

контролируемой ЧЭ ОВТД (как и профиля поверхности шейки коленвала в ПКО), не происходит1. На каждом уровне размещения датчиков вдоль оси цилиндра расположено два датчика и их оси образуют угол 90 град. Это позволяет фиксировать трехмерные смещения оси поршня в системе координат XYZ, жестко связанной с цилиндром (ось X совпадает с осью цилиндра, ось Y и ось Z взаимно перпендикулярны и направлены по радиусам

цилиндра,

причем

каждая

из

них

параллельна

осям

датчиков

соответствующей группы). Начало координат расположено в ВМТ. Для выбранных точек размещения датчиков можно записать уравнения, связывающие геометрические размеры пары поршень – цилиндр, КС и результаты измерения. Для смещения вдоль оси Y:

rЦ +Y1П 0'И (ψ ) = r1П (ψ ) + с11И (ψ ), ⎫ ⎪ rЦ +Y2 П 0'И (ψ ) = r2 П (ψ ) + с21И (ψ ),⎬ ⎪ rЦ +Y3 П 0'И (ψ ) = r3 П (ψ ) + c31И (ψ ), ⎭ а для смещения вдоль оси Z:

rЦ + Z1П 0'И (ψ ) = r1П (ψ ) + с12 И (ψ ), ⎫ ⎪ rЦ + Z 2 П 0'И (ψ ) = r2 П (ψ ) + с22 И (ψ ),⎬ ⎪ rЦ + Z 3 П 0'И (ψ ) = r3 П (ψ ) + с32 И (ψ ), ⎭ где rЦ - радиус внутренней поверхности цилиндра, r1П (ψ ), r2 П (ψ ), r3 П (ψ ) - радиусы поршня, в точках размещения датчиков, Y1П 0'И (ψ ), Y2 П 0'И (ψ ), Y3 П 0'И (ψ ) - КС смещения

оси

поршня

относительно

оси

цилиндра

в

точках

размещения

ОВТД11...ОВТД31, Z1П 0'И (ψ ), Z 2 П 0'И (ψ ), Z 3 П 0'И (ψ ) - КС смещения оси поршня относительно

оси

цилиндра

в

точках

размещения

ОВТД12...ОВТД32,

c11И (ψ ),...,c32 И (ψ ) - результаты измерения зазоров, ψ - угол поворота коленвала. В реальных конструкциях поршень имеет сложную форму, и его радиусы в точках контроля являются функцией смещения поршня и координат размещения датчиков вдоль оси X. Смещение поршня относительно ВМТ X 0 Ц = l K ⋅sinψ , где l K длина кривошипа. Зависимости радиуса поршня от вертикального смещения поршня и положения датчиков, взаимодействующих с его поверхностью, имеют вид: 1

В работе [60] изложен метод измерения КС смещений оси поршня и оценки деформаций профиля его поверхности на основе подхода, используемого в разделе 1.4.2 (где принимаются допущения об

r1П (ψ ) = f [ X 1Ц − X 0 Ц (ψ )], ⎫ ⎪ r2 П (ψ ) = f [ X 2 Ц − X 0 Ц (ψ )],⎬ ⎪ r3 П (ψ ) = f [ X 3Ц − X 0 Ц (ψ )], ⎭ и задаются аналитически или таблично. КС в продольных сечениях цилиндра, проходящих

через

датчики,

взаимодействующие

с

поверхностью

поршня,

определяются выражениями:

Y1П 0'И (ψ ) =c11И (ψ ) + r1П (ψ ) −rЦ , ⎫ ⎪ Y2 П 0'И (ψ ) =с21И (ψ ) + r2 П (ψ ) −rЦ ,⎬ ⎪ Y3П 0'И (ψ ) =c31И (ψ ) + r3П (ψ ) −rЦ , ⎭ Таким

образом,

используя

Z1П 0'И (ψ ) = c12 И (ψ ) + r1П (ψ ) − rЦ , ⎫ ⎪ Z 2 П 0'И (ψ ) = c22 И (ψ ) + r2 П (ψ ) − rЦ ,⎬ ⎪ Z 3 П 0'И (ψ ) = c32 И (ψ ) + r3 П (ψ ) − rЦ . ⎭

показания

датчиков,

взаимодействующих

с

поверхностью поршня, для любого положения коленвала могут быть найдены координаты X, Y, Z оси поршня в двух его поперечных сечениях, причем координаты X определяются уровнями размещения взаимодействующих с поршнем датчиков.

Заключение по разделу 1 Классифицированы

существующие

разновидности

силовых

установок

и

разработана концептуальная модель процесса измерения многомерных перемещений элементов конструкции силовой установки, обобщающая два класса машин лопаточных и поршневых. Систематизированы

и

обобщены

существующие

методы

измерения

координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток, включая их радиальные, осевые и угловые перемещения, которые предусматривают использование кластеров одновитковых вихретоковых датчиков с чувствительным элементом в виде отрезка проводника, определенное размещение датчиков на статоре и ориентацию чувствительных элементов по отношению к торцам лопаток, а также последующие вычисления координатных составляющих. Предложены кластерные методы измерения овальности статора, радиальных и осевых смещений колес ротора, смещений оси вала или оси опорной поверхности в подшипниках лопаточных силовых установок. Предложен новый подход к определению факторных составляющих наиболее значимой координатной составляющей - радиального смещения торца лопатки (радиального зазора), который предполагает применение экспериментальных методов в идентичности деформаций в зонах контроля соседних ЧЭ ОВТД).

сочетании с моделированием поведения элементов конструкции лопаточной силовой установки, и разработан метод оценки деформации статора на основе данных, полученных экспериментально, и результатов моделирования упругой и температурной деформации

элементов

конструкции

ротора

(в

режимах

работы

моделей,

соответствующих эксперименту). Предложены кластерные методы измерения координатных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма поршневой силовой установки, в том числе смещений центра вкладыша в шатунном подшипнике, центра шейки в подшипниках коренных опор и смещений оси поршня относительно цилиндра. При этом в процессе измерения смещений центра вкладыша в шатунном подшипнике предусмотрена оценка деформаций его профиля, а в малогабаритных шатунных подшипниках, когда размещение в шейке коленвала более четырех датчиков не представляется возможным, для оценки деформации профиля вкладыша используются её упрощенные модели.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ

2.

КООРДИНАТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК В настоящем разделе излагаются основные принципы построения систем измерения (СИ) КС МП на уровне структур и алгоритмов, в которых реализуются предложенные

методы.

Приводится

описание

обобщенной

структурно-

функциональной схемы СИ с такой степенью детализации, которая не противоречит ориентации схемы на оба класса силовых установок (лопаточных и поршневых). Рассматриваются особенности первичного преобразования в ОВТД, измерительные цепи с импульсным преобразованием сигналов и принцип бесконтактной передачи сигналов с датчиков, расположенных на подвижных ЭК. Рассматривается также и две группы

алгоритмов

функционирования

СИ.

Первая

–

связана

со

сбором,

преобразованием и выделением информативного сигнала, вторая – с вычислением КС МП,

причем

алгоритмы

вычисления

КС

базируются

на

градуировочных

характеристиках, аппроксимированных полиномиальными функциями нескольких переменных. Оценивается точность аппроксимации и вычисления.

2.1.

Обобщенная структурно-функциональная схема систем измерения

На рис 2.1 представлена обобщенная структурно-функциональная схема средств измерения и обработки данных. Предполагается, что преобразование изменений индуктивностей (L1, L2, …) ОВТД кластера, связанных с перемещением ЭК силовой установки, в напряжения (U1, U2, …) производится одновременно при подаче импульсного питания. Если ОВТД расположены на подвижном ЭК, то для передачи сигналов датчиков на неподвижные ЭК силовой установки в блоках преобразования используется бесконтактный токосъемник (БТ) с трансформаторной связью между подвижными и неподвижными элементами (более подробное описание первичного преобразования и бесконтактной передачи сигналов приводится ниже в разделе 2.2). Квазипостоянные напряжения U1,U2,…

коммутируются и после аналого-

цифрового преобразования подвергаются цифровой обработке.

Неподвижные ЭК

Силовая установка

Подвижные ЭК

Кластеры

Преобразование

ОВТД1

L−U1

ОВТД2

L−U2

Коммутация, а-ц преобразование

Обработка

U−C Формирование импульсов управления

Импульсное питание Кластеры

Преобразование

Преобразование

Преобразование

ОВТД1

L−U1

T−CT

Θ−UΘ

ОВТД2

L−U2

Ψ−CΨ

ДЧВ

БТ

ТП

Рис. 2.1. Структурно-функциональная схема системы Способы формирования сигналов управления и, в частности, сигналов управления импульсным питанием связаны с существующими ограничениями в установке датчиков, обеспечивающих первичную информацию о параметрах движения ротора лопаточной или приводного вала поршневой машин. Использование датчиков угловых перемещений с высокой разрешающей способностью позволило бы получить с минимальными дополнительными преобразованиями требуемый шаг квантования по углу поворота ротора или коленвала (т.е. дискретизации по времени в пределах рабочего цикла силовой установки). Однако, конструкторы наиболее сложных и энергоемких лопаточных машин (например, ГТД) практически не допускают механического контакта таких датчиков с валом ротора. При этом в СИ предлагается использовать бесконтактный (индукционный) датчик частоты вращения (ДЧВ) промышленного изготовления, применяемый в процессе эксплуатации и позволяющий (за редким исключением) получить с помощью специальной «метки» информацию о периоде (скорости) вращения, вычислить шаг дискретизации питания ОВТД и синхронизировать импульсы питания с появлением лопаток вблизи ЧЭ ОВТД. Жесткая привязка импульсов питания в лопаточных силовых установках может оказаться полезной и при измерении биений и прецессии колес ротора и вала. Аналогичные датчики применяются в поршневых силовых установках, но в этом случае существует возможность использовать зубцы шестерни на маховике, которые при прохождении в зоне чувствительности ДЧВ обеспечивают возможность квантования угла поворота

коленвала в пределах рабочего цикла установки без дополнительных преобразований и вычислений. В обобщенной структурно-функциональной схеме (рис. 2.1) сигналы ДЧВ, характеризующие период вращения (Т0) или угол (ψ) поворота коленвала (при использовании зубцов шестерни), преобразуются в цифровые коды (СT или Сψ), которые позволяют сформировать последовательность импульсов питания ОВТД и сигналы управления остальными элементами цепочки преобразования и обработки сигналов. В блоке обработки осуществляется фильтрация и отбраковка цифровых отсчетов, выделение максимальных и определение физических значений КС МП с температурной коррекцией результатов. Коррекция осуществляется с помощью встроенных в ОВТД или размещенных в зоне измерения термопар после преобразования их естественных выходных сигналов в цифровой код (Сθ). В заключение следует отметить, что при детализации обобщенной структурнофункциональной схемы (рис. 2.1) возможны различные варианты. Например, один их них предусматривает переменную частоту дискретизации сигналов ОВТД импульсами питания их измерительных цепей с синхронным аналого-цифровым преобразователем. Этот вариант используется, в частности, в СИ МП торцов лопаток на переходных режимах, где требуется повышенная частота дискретизации (до 1 МГц) на высоких скоростях вращения ротора. Его реализация связана с необходимостью применения в составе СИ специального

микропроцессора,

осуществляющего

управление

процессом

преобразования (включая изменения частоты импульсов питания), а также первичную обработку, в том числе фильтрацию и отбраковку, выделение максимальных значений кода. ПЭВМ в составе СИ при этом производит вторичную обработку, например, вычисление КС МП. Во втором варианте, ориентированном на измерение МП колес ротора или вала, напротив, исследуемые процессы стационарны и нет необходимости в использовании высоких частот дискретизации и аналого-цифрового преобразования. Его реализация возможна на базе ПЭВМ и стандартного устройства связи с объектом (УСО), например, в виде простейшей платы PC-Lab. В таком варианте системы первичная и вторичная обработка производится в ПЭВМ, а внешнее по отношению к УСО согласующее устройство включает измерительные преобразователи сигналов датчиков, причем частота импульсного питания ОВТД может оставаться постоянной.

2.2.

Первичное преобразование сигналов в системе измерения

Рассматриваются принцип действия ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, поведение его эквивалентной индуктивности в процессе импульсного преобразования по методу первой производной ПП и влияние собственной емкости датчика на выходной сигнал. Приводится описание дифференциальных измерительных цепей и бесконтактного токосъемника, построенного на базе моста Блумлейна, в плечи которого включен трансформатор с подвижными и неподвижными катушками. 2.2.1. Особенности преобразования сигналов одновитковых вихретоковых датчиков по методу первой производной Принцип действия ОВТД иллюстрирует рис. Согласующий трансформатор

2.2. ОВТД состоит из трех элементов: согласующего трансформатора, безиндуктивных тоководов и ЧЭ [43].

Тоководы

С

помощью

безиндуктивных

тоководов

(близкорасположенных и изолированных друг от друга проводящих полос или соосных цилиндров) ЧЭ

Чувствительный элемент

вносится в зону измерения с неблагоприятными внешними условиями, в частности, в среду с повышенной

Рис. 2.2. Схематическое изображение ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника

температурой1.

Тоководы

и

ЧЭ

образуют виток вторичной обмотки согласующего трансформатора,

расположенного

в

нормальных

условиях, а его первичная обмотка включается в ИСх с импульсным питанием.

Как отмечалось во Введении, ОВТД (первичная обмотка согласующего трансформатора) включается в ИСх с импульсным питанием, реализующую метод ПП [30]. На

рис. 2.3, а

представлена

простейшая

двухконтурная

модель

электромагнитного взаимодействия ЧЭ ОВТД с ЭК объекта (например, торцом лопатки, находящимся на расстоянии Y от ЧЭ). Предполагается, что согласующий трансформатор не искажает фронт напряжения питания Е прямоугольной формы, которое в контуре ЧЭ возбуждает нарастающий ток i1, создающий в окружающем пространстве первичное электромагнитное поле. В контуре, имитирующем ЭК, под 1

Примеры конструкций ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника приведены в разделе 4.

действием ЭДС индукции e2 возникает ток i2, характеризующий вихревые токи и создающий вторичное электромагнитное поле. Через поверхность, ограниченную первичным контуром проходит магнитный поток Ф11, возбуждаемый током i1, и поток Ф12, возбуждаемый током i2. Для этого контура потокосцепление Ψ1 определяется полным магнитным потоком Ф1=Ф11-Ф12. R1

i1

R2

ЧЭ

i2

Y

R1 е2

Ф12

E

E

LЭ(t)

е1 Ф11

Ф22

ЭК объекта

а)

б)

Рис. 2.3. Двухконтурная модель взаимодействия ЧЭ ОВТД с ЭК объекта (а) и ее эквивалентная схема (б). Потокосцепление Ψ1 может быть выражено через собственную индуктивность L1 и взаимную индуктивность М [67] в виде Ψ1=L1i1-Mi2. Тогда эквивалентную индуктивность ЧЭ (рис. 2.3, б) можно записать как функцию отношения токов i1 и i2

LЭ = Ψ 1 i1 = L1 − M ⋅ (i2 i1 ) . Согласно [68] выражения для токов i1, i2 в функции времени имеют вид, представленный на рис. 2.4, а, причем при большой удаленности ЭК объекта от ЧЭ (Y=Y∞), когда электромагнитное взаимодействие ЧЭ и ЭК отсутствует (М=0 и i2=0) ток i1 имеет экспоненциальную форму (пунктирная линия), а LЭ=L1.

i

i1

LЭ

L1

i2

LЭ0

Y0
Y∞ Y0

Y1

t а)

Y2 t

б)

Рис. 2.4. Зависимости изменений токов (а) и эквивалентной индуктивности ЧЭ (б) С приближением ЭК (М≠0 и i2≠0) форма тока i1 отклоняется от экспоненты (сплошная линия) и эти отклонения можно интерпретировать как влияние переменной во времени индуктивности LЭ(t), непостоянство которой в переходном режиме

физически объясняется влиянием вихревых токов в объекте. Нетрудно показать, что в начале переходного процесса при t→0 индуктивность

LЭ = LЭ 0 =lim (L1 − M (i2 i1 ) ) t →0

минимальна и определяется только величинами собственных индуктивностей обоих контуров (L1, L2) а также взаимной индуктивностью контуров (М), которая зависит от преобразуемого параметра - расстояния Y между ЧЭ и ЭК объекта. В установившемся режиме при t→∞ вихревые токи затухают (i2=0), индуктивность LЭ возрастает и стремится к LЭ = L1. На рис. 2.4, б индуктивности L1 соответствует график функции LЭ(t) при бесконечно большой удаленности Y∞ ЭК объекта от ЧЭ ОВТД. На том же рисунке представлено семейство характеристик LЭ(t) при минимальном (Y0) и других (Y1, Y2) расстояниях от ЧЭ до ЭК объекта. Очевидно, что начало переходного процесса характеризуется наибольшей чувствительностью индуктивности LЭ0 к изменениям расстояния Y от ЧЭ до ЭК, и в этой связи момент

t=0

времени

наиболее

привлекателен

для

последующих

преобразований,

осуществляемых с помощью метода ПП. E

ИИП

ОВТД

t

i Rд

i Сд

ДУ

di dt

t

r E

di dt t =0

di dt

Lд

Накопление энергии

t

Рассеяние энергии

а)

б)

Рис. 2.5. Схема (а) и временные диаграммы (б), поясняющие

метод первой производной. Метод ПП поясняет рис. 2.5. Схема (рис. 2.5, а) содержит импульсный источник питания (ИИП) с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r, ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника,

представленный

эквивалентными

параметрами,

устройство

дифференцирования тока (ДУ) с нулевым входным сопротивлением. Предполагается, что

эквивалентная

индуктивность

датчика

(Lд),

включаещего

согласующий

трансформатор (рис. 2.2), связана с эквивалентной индуктивностью ЧЭ (LЭ) соотношениями Lд=nТ2LЭ, где nТ – коэффициент трансформации согласующего

трансформатора, определяемый отношениями индуктивностей его первичной и вторичной обмоток [58]. Если не учитывать собственную емкость датчика (Cд), то переходный процесс в схеме при импульсном возбуждении Е с учетом изменяющейся во времени LЭ(t), а следовательно и Lд(t), описывается уравнением

Lд (t )

di ⎤ ⎡ dL (t ) + i ⋅ ⎢ д + Rд + r ⎥ = E . dt ⎦ ⎣ dt

Поскольку функция Lд(t) непрерывная, то для нулевых начальных условий значение производной тока в момент появления напряжения E может быть найдено без решения уравнения, так как i=0 при t=0 и, следовательно,

⎡ dL (t ) ⎤ i ⋅ ⎢ д + Rд + r ⎥ = 0 , ⎣ dt ⎦

di E = , dt t =0 Lд (0)

где Lд(0) – индуктивность при t=0 (Lд(0)=nТ2Lэ0). Это означает, что производная тока не зависит от сопротивления датчика Rд и определяется мгновенным значением индуктивности. После фиксации производной и по окончании рассеяния энергии в цепи процесс преобразования может быть повторен (рис. 2.5, б). Таким образом, метод ПП обеспечивает минимальное время преобразования, максимальную чувствительность к расстоянию до ЭК объекта в момент времени t=0 и повышение точности за счет исключения влияния изменений Rд. С учетом собственной емкости (Cд) ОВТД, шунтирующей Lд и Rд, ток

i,

di dt

i

i(t) в начале переходного процесса di dt t = t m

изменяется скачком и определяется емкостной составляющей

i t =0 =

E r

(рис. 2.6), а после заряда емкости– индуктивной.

В

идеализированной

отличие схемы

tm

di dt

Регулярная область

t

Иррегулярная область

от (когда

Cд=0), где производная максимальна и

Рис. 2.6. Зависимость от времени тока,

проходящего через датчик, и его производной.

положительна при t=0, в рассматриваемом случае производная достигает максимума при t=tm. Область переходного процесса, где ток i определяется емкостной составляющей, имеет иррегулярный характер и не пригодна для преобразования индуктивности. Поэтому за выходной сигнал принимается максимум производной в

начале регулярной области переходного процесса (tm), в которой влияние основного параметра схемы становится определяющим. Очевидно,

что

собственные

емкости

в

реальных

схемах

снижают

быстродействие и ухудшают подавление сопротивления (Rд). Однако время tm не превышает десятков наносекунд, и даже при неблагоприятных соотношениях параметров применение метода ПП обеспечивает значительное подавление влияния активного сопротивления датчика [58]. В заключение следует отметить помимо достоинств метода ПП и его недостатки. Первый связан с нелинейным характером зависимости сигнала на выходе ДУ от индуктивности ОВТД, а второй – с влиянием волновых процессов в линиях связи. Волновые процессы создают значительные помехи полезному сигналу, причем уровень помех максимален в начале переходного процесса, когда фиксируется максимум производной тока. Указанные недостатки в значительной степени устраняются в дифференциальных измерительных цепях, которые рассматриваются в следующем разделе. 2.2.2.

Дифференциальные измерительные цепи

Один из возможных вариантов измерительной цепи представлен на рис. 2.7. Она содержит мостовую измерительную схему (ИСх), в два смежных плеча которой включены ОВТД′ и ОВТД″ с ЧЭ′ и ЧЭ″ в виде отрезков проводников и согласующими трансформаторами (СТ′ и СТ″). ЧЭ′ и ЧЭ″ контролируют положение ЭК объекта (например, осевые смещения X колеса ротора (раздел 1.3.3, рис. 1.16)). При этом преобразуемые смещения ЭК из начального положения приводят к изменениям ' " эквивалентных индуктивностей датчиков ( Lд = L0 + ∆L , Lд = L0 − ∆L ). Питание ИСх

осуществляется от ИИП (E). a ОВТД´

СТ´

ЧЭ´ ЭК объекта

Х ОВТД´´ ЧЭ´´

LД´

ИСх

LK´

ИИП (Е)

СТ´´

LД´´

ДУ

УВХ

LK´´ b

Рис. 2.7. Дифференциальная измерительная цепь с мостом Блумлейна.

В

качестве

устройства

дифференцирования

токов

(ДУ)

используются

магнитосвязанные катушки (коэффициент связи равен единице). При этом входное сопротивление ДУ относительно зажимов a, b определяется только активным сопротивлением катушек. Подобная ИСх известна в литературе под названием «мост Блумлейна» [69]. Поскольку напряжения на плечах моста в момент t=0 определяются только индуктивностями и не зависят от активных сопротивлений цепи, то без учета собственных емкостей катушек датчика и ДУ при L'к = L"к = Lк напряжение на выходе ИСх

U вых t =0 = U к' t =0

− U к"

t =0

⎛ di ' = Lк ⋅ ⎜ ⎜ dt ⎝

di " − dt t =0

⎞ ⎟ = 2 E ∆L ⋅ ⎟ L0 t =0 ⎠

1 , 2⎤ ⎡ ⎛ ∆L ⎞ 1 L ⎟ ⎥ 1 + ⋅ 0 ⎢1 − ⎜⎜ 2 Lк ⎢ ⎝ L0 ⎟⎠ ⎥ ⎣ ⎦

где U к' и U к" - напряжения на индуктивностях L'к и L"к соответственно. Если

∆L L0 << 1 и Lк >> L0 , то

U вых Из

полученных

выражений

t =0

≈ 2E

видно,

∆L L0

что

мост

Блумлейна

обеспечивает

практически линейное преобразование, причем нестабильность индуктивности Lк не оказывает заметного влияния на результат преобразования [69]. В тех случаях, когда отсутствует возможность получения противоположных по знаку изменений эквивалентных индуктивностей в ОВТД′ и ОВТД″ (например, при измерении РЗ (Y) между статором и торцами лопаток ротора), один из датчиков (например, ОВТД′) используется как рабочий (его эквивалентная индуктивность

L'д = L0 + ∆L ), а второй (ОВТД″) – в качестве компенсационного (его эквивалентная " индуктивность Lд = L0 не зависит от изменений РЗ, но подвержена аналогичным

влияниям мешающих факторов и, в первую очередь, температуры). При этом, как показано в [58] характер зависимости U вых

t =0

от изменений

индуктивности остается аналогичным, но чувствительность ИСх уменьшается вдвое

U вых

t =0

≈E

∆L . L0

В реальных схемах увеличение Lк приводит к усилению влияния межвитковых паразитных емкостей ДУ, которые оказываются значительно больше собственных

емкостей

датчиков.

Переходный

процесс

в

измерительной

цепи

становится

колебательным, а за результат преобразования принимается первый максимум полуволны выходного напряжения (рис. 2.8). Когда датчик удален от ДУ, эквивалентная емкость включает в себя емкость линии связи, и ее влияние возрастает. Е,Uвых Uвых Е

U вых

Е t =tm

t tm

tm

tB

tE

tE

Рис. 2.8. Вид выходного сигнала на этапах преобразования и восстановления ИСх В зависимости от параметров ОВТД, ДУ и длины линии время tm изменяется почти на порядок. Например, в ИСх с датчиками, предназначенными для измерения РЗ между торцами лопаток и статором лопаточной силовой установки, изменение длины линии от 1 м до 30 м приводит к изменениям tm от 0.1 мкс до 1 мкс и более. С увеличением длины линии возрастает и длительность рассеяния энергии, накопленной в ИСх в процессе преобразования (за время импульса питания tE). Для восстановления ИСх необходимо ее возвращение к нулевым или близким к нулевым начальным условиям. Время восстановления составляет около 1 мкс при длине линии порядка 1 м и возрастает до 30 мкс при длине линии около 30 м. Это означает, что частота повторения импульсов питания в зависимости от места расположения преобразователя сигналов ОВТД может изменяться от десятков до тысячи кГц. Причем верхний частотный предел существенно перекрывает все известные задачи измерения МП ЭК силовых установок обоих классов. Дифференциальная измерительная цепь, представленная на рис. 2.7, получила наибольшее распространение в системах измерения, описание которых приведено в разделе 4. Вместе с тем, создание новых разновидностей систем измерения происходит на фоне существенного прогресса электронной элементной базы и, в частности, операционных

усилителей

(ОУ).

Современные

ОУ

отличаются

высоким

быстродействием, малым дрейфом нуля и низким уровнем помех, что особенно значимо при создании ДУ на их основе.

ОВТД´

ДУ

СТ´

ЧЭ´

ИСх

ОВТД´´

ИИП (Е)

СТ´´

ЧЭ´´

R УВХ R

Рис. 2.9. Дифференциальная измерительная цепь с операционным усилителем

в качестве ДУ. Измерительная цепь на рис. 2.9 отличается использованием операционного усилителя в качестве ДУ вместо катушек индуктивности с тесной магнитной связью, выполняющих те же функции в схеме на рис. 2.7. Использование операционных усилителей создает перспективу миниатюризации измерительной цепи, которая в интегральном виде может быть размещена в датчике или встроена в линию связи на коротком расстоянии от датчиков. Остальные элементы измерительной цепи (ОВТД, ИИП и УВХ) остаются без изменений. Исключение составляет ИСх с токовыми шунтами (R), на которых формируются напряжения, пропорциональные токам в датчиках (на входах ДУ). 2.2.3.

Бесконтактная передача сигналов одновитковых вихретоковых датчиков, расположенных на подвижных элементах конструкций

Примерами подвижных ЭК поршневых силовых установок, на которых размещаются кластеры ОВТД и которые совершают циклическое вращательное движение, являются шейки коленвала. Как было показано в разделе 1.4.2, с помощью кластера ОВТД измеряются КС МП центра вкладыша ШП и оцениваются деформации его внутренней поверхности. Известны и задачи измерения МП ЭК, связанные с необходимостью размещения кластеров ОВТД на роторе - подвижном объекте лопаточных силовых установок. Но независимо от решаемых задач каналы СИ должны включать средства передачи сигналов ОВТД с подвижных на неподвижные ЭК силовых установок обоих рассматриваемых классов. Наиболее очевидными средствами передачи сигналов являются контактные токосъемники (КТ) [70-72]. Одна из известных конструктивных разновидностей КТ применяется для измерений МП в ШП (раздел 4.2.1). Основным недостатком КТ является шум, возникающий из-за переменного сопротивления контакта. Падение

напряжения на переходных сопротивлениях контактов в ряде случаев составляет величину, соизмеримую с передаваемым сигналом. При высоких частотах вращения резко повышается нестабильность переходных сопротивлений. Значительное влияние на

точность

контактного

токосъемника

оказывает

контактная

термоЭДС.

Существенного улучшения контакта можно добиться, используя ртутные токосъемники [72], у которых паразитная ЭДС и переходное сопротивление контакта пренебрежимо малы. Однако высокая токсичность паров ртути резко ограничила применение таких устройств. Вторым фактором, ограничивающим применение КТ, является короткий срок их службы. По данным, приведенным в [73], срок службы как ртутных, так и твердотельных КТ не превышает 100 часов, причем износ контактных дорожек зависит от окружной скорости вращения ротора. Реально, срок службы КТ, применяемых при испытаниях силовых установок, еще меньше. Быстрый механический износ контактов (особенно при высокой линейной скорости вращения объекта) не позволяет передавать сигналы датчиков с требуемой точностью. Подгорание контактов и их загрязнение под воздействием масляноаэрозольной среды усугубляет этот процесс. Современные лопаточные силовые установки характеризуются скоростью вращения до 20000 об/мин и выше, что приводит к выходу токосъемника из строя, прежде чем установка выйдет на режим. По данным фирмы Solar Turbines International реальная длительность эксплуатации контактных колец не превышает 20 часов, после чего резко возрастает уровень их шумов и они становятся практически непригодными для передачи информационных сигналов

[73].

Однако

отсутствие

на

вращающейся

части

токосъемника

радиоэлементов, ограничивающих температурный диапазон функционирования и требующих

стабилизированных

источников

электроэнергии,

делает

КТ

конкурентоспособными. Поэтому разработка КТ с целью повышения ресурса и снижения

уровня

шумов

продолжается

до

настоящего

времени.

Для

совершенствования контактов и повышения ресурса работы КТ изготавливают в виде спирали, гибких лент, создают специальные каналы отвода тепла. Но, несмотря на это, до сих пор КТ с удовлетворительными характеристиками не существует. Недостатки

КТ

предопределили

развитие

бесконтактных

методов,

предусматривающих передачу сигналов по оптическому или радиоканалу, через индуктивный или емкостной токосъемник. При этом всегда выдвигается требование минимизации оборудования, размещаемого на подвижном объекте, поскольку оно

работает в жестких условиях воздействия повышенных температур, давлений, ускорений и других факторов, снижающих точность и надежность измерительных устройств. Значительная часть измерительных систем использует для передачи устройства ближней телеметрии. Обзор существующих систем измерения параметров на вращающихся объектах [74 - 83] показывает, что энергия питания аппаратуры, размещенной на подвижном объекте, обычно передается с блока питания на статоре через вращающийся воздушный трансформатор на блок питания вращающейся части. Для передачи же измерительной информации с подвижного объекта и управляющей - в обратном направлении используются каналы различной природы. На подвижном объекте размещается аппаратура, преобразующая сигналы датчиков в модулированный сигнал с использованием различных видов модуляции. Затем передатчик передает сигнал в приемник и далее в измерительный преобразователь через емкостный или индуктивный токосъемник, либо по оптоэлектронному или радиоканалу. Аналогичный канал используется и для передачи синхросигналов с устройства управления в блок управления на подвижном объекте. В последнее время все более широкое применение находят импульсные методы модуляции, характеризующиеся наиболее высокой помехозащищенностью [76 - 82]. Основным недостатком радиотелеметрических систем является сложность создания антенн из-за влияния металлических частей исследуемых изделий на радиоканал. Активно разрабатываются устройства, в которых передача информации производится по световому каналу [73, 78, 82]. В качестве передающего элемента обычно используется светодиод, а в качестве приемного − фотодиод, характеризующийся

более

высоким

быстродействием

по

сравнению

с

фототранзисторами и фоторезисторами. Структура вращающейся части не отличается от

стационарных

систем.

Информация

с

вращающейся

части

подается

на

формирователь и через оптоэлектронную пару светодиод - фотодиод передается на статорную часть, где принимается, усиливается и дешифруется. В некоторых системах для

повышения

производительности

передача

информации

происходит

многоразрядными словами через соответствующее число оптоэлектронных пар светодиод - фотодиод. Аппаратные средства, размещаемые на подвижном ЭК, находятся в жестких условиях воздействия ускорений, вибраций, масляно-аэрозольной среды, повышенной температуры. Масляно-аэрозольная среда и продукты сгорания выводят из строя оптоэлектронные устройства. Наличие радиоэлектронных компонентов ограничивает

температурный диапазон, в котором они работают, пределами -60 ... +1200С, что не всегда удается обеспечить. В ряде силовых установок место, где можно разместить токосъемник, характеризуется температурой окружающей среды до 200...2500С. Существенным ограничением являются габариты и вес аппаратуры. Отмечается [82], что реальный температурный диапазон радиоэлектронных элементов может быть значительно расширен по сравнению с пределами -60 ... +1200С. Но с повышением температуры выше установленной техническими условиями ресурс устройств быстро падает. В ряде случаев экономически целесообразно использовать электронный блок хотя бы на одно испытание изделия, после чего блок заменяется. В разработанных системах [82] электронные компоненты функционировали до 180 ... 2000С, что в 1.5 ... 2 раза превышает требования технических условий, при этом срок службы сокращался на порядок и более. В

заключение

краткого

обзора,

оценивая

возможности

применения

существующих бесконтактных методов и средств к передаче сигналов ОВТД, следует сделать выбор в пользу индуктивных токосъемников в виде катушек, расположенных на подвижных и неподвижных ЭК силовых установок, с трансформаторной связью между ними. Выбор индуктивного токосъемника в основном обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, известно, что в качестве ИСх в системах, как правило, служит мост Блумлейна с импульсным питанием, реализующий метод ПП (раздел 2.2.2). Плечи моста (рис. 2.7) образованы парой ОВТД и двумя катушками индуктивности с тесной магнитной связью, расположенными на общем ферритовом магнитопроводе и обеспечивающими дифференцирование. Известны варианты схемы с дифференцирующим трансформатором (ДТр) [58], который отличается от ДУ дополнительной парой катушек для получения выходного напряжения, расположенных на том же магнитопроводе и гальванически не связанных с плечами моста. Если предположить, что питание схемы с ДТр также осуществляется через трансформатор, то для такой цепи наиболее привлекательной представляется идея совмещения функций ИСх с передачей сигналов ОВТД или, иначе говоря, идея построения устройств-гибридов индуктивного токосъемника с ДТр и трансформатором питания (ТрП) (рис. 2.10). Реализации идеи в значительной степени способствует импульсный характер преобразования - длительность питания не превышает микросекунды, а амплитуда импульса на выходе ДТр, несущая информацию о сигнале ОВТД, фиксируется за ее доли. Во-вторых, известно, что даже традиционный индуктивный токосъемник, выполненный из теплостойкого провода, сохраняет работоспособность до

200-2500С. При использовании теплостойких проводов со стеклянной изоляцией температурный диапазон работы индуктивного токосъемника можно значительно расширить. Продукты сгорания и масляно - аэрозольная среда, в отличие от емкостных и оптоэлектронных токосъемников, практически не влияют на точность индуктивных. ОВТД´

БТ ДТр

СТ´

ЧЭ´

Неподвижная часть объекта

ИСх Неподвиж. катушка

Подвиж. катушка

ЧЭ´´

Ферритовые магнитопроводы

ОВТД´´ СТ´´ Подвижные ЭК

УВХ

Неподвиж. катушка

Подвиж. катушка

Управление ИИП

ТрП

Рис. 2.10. Дифференциальная измерительная цепь с бесконтактным токосъемником Предполагается, что оба трансформатора имеют подвижные и неподвижные катушки, а их магнитопроводы – подвижные и неподвижные части, разделенные воздушными зазорами. Преобразование осуществляется аналогично схеме на рис. 2.7 с использованием источника импульсного питания (ИИП) и усилителя выборкихранения (УВХ). Пример конструкции БТ более детально рассматривается в разделе 4.2.1, рис. 4.32. Очевидно, что эффективность передачи питания и сигналов в обоих трансформаторах будет зависеть от магнитных потоков рассеяния. Поэтому в конструкции БТ следует стремиться к уменьшению зазоров в магнитопроводах, между катушками, между катушками и магнитопроводами и использовать специальные способы коррекции погрешностей, связанных с изменениями зазоров и других мешающих факторов.

2.3.

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала (СПВ ИС) с кластеров ОВТД разделены на две группы: первая связана с системами, предназначенными для использования в лопаточных, вторая – в поршневых силовых установках.

При

этом

в

описаниях

алгоритмов

первой

группы

выделены

разновидности, определяемые методами измерения КС МП (алгоритмы СПВ ИС о перемещениях торцов лопаток, колес ротора и вала). 2.3.1.

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала о многомерных перемещениях элементов конструкций в лопаточных силовых установках.

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала о многомерных перемещениях торцов лопаток. В соответствии с методами измерения, изложенными в разделе 1.3.2, информативными сигналами на входе СИ являются минимумы индуктивностей рабочих ОВТД. Очевидно, что шаг дискретизации t0 (период импульсов питания ОВТД) будет зависеть от скорости вращения ротора, которая оказывает основное влияние на изменения индуктивности во времени. Если шаг дискретизации t0 выбран в соответствии с наибольшей скоростью изменения индуктивности на максимальных оборотах ротора и согласован со временем восстановления tВ (время t0 должно быть больше, а в пределе равно сумме tE и tВ, где tE – длительность импульса питания (рис. 2.8)), то простейший алгоритм СПВ ИС сводится к генерации последовательности импульсов опроса постоянной частоты (f0=1/t0) в течение периода вращения ротора Т0 независимо от скорости его вращения и выделению максимальных значений цифрового кода, соответствующих минимальным значениям индуктивности ОВТД. На LД

рис.

2.11

представлены

изменения индуктивности (Lд) ОВТД и LДmin

изменений

цифрового кода (С). Очевидно, что

t

0

соответствующих

T0

при

минимальной

скорости

и

соответствующем увеличении периода

C

вращения ротора постоянство частоты t 0

t0

T0

Рис. 2.11. Изменения индуктивности (Lд)

ОВТД и цифрового кода (С) при прохождении лопаток в зоне ЧЭ

опроса f0 приводит к росту числа отсчетов

и

избыточности

измерительной информации. В

алгоритме

СПВ

ИС,

в

котором снижается избыточность [47], производится

адаптация

частоты

опроса к скорости вращения ротора. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 2.12, а поясняющая временная диаграмма – на рис. 2.13. Период между соседними импульсами

ДЧВ

(Т0)

характеризует

скорость

вращения

ротора.

Процедуре

преобразования индуктивности в цифровой код предшествует два подготовительных этапа (рис. 2.12, 2.13, а). На первом производится преобразование периода в код (Т0→СТ) (блок 2), на втором – вычисляется период импульсов опроса t0 (блок 3), которые формируются на третьем этапе и осуществляют дискретизацию естественного выходного параметра ОВТД – индуктивности (Lд), зависящей от углового перемещения ротора (ψ) и перемещения торца лопатки ( D ). Период импульсов опроса t0 , т.е. шаг дискретизации по времени, зависит от периода

2

вращения и определяется по формуле:

Преобразование периода (Т0) в код (СТ)

t0 = T0 ⁄ M0,

3

где М0 – число импульсов опроса за период. Число М0 характеризует шаг квантования функции ψ(t) – углового перемещения ротора относительно ОВТД. Шаг квантования ψ0 = 2π⁄М0

остается

постоянным

на

скоростях

вращения ротора, изменяющихся в широких пределах (от сотен до единиц миллисекунд по периоду вращения Т0). кратковременную подачу напряжения питания в датчика

и

запускает

процесс

преобразования его выходного параметра L(ψ, ⎯D ) в напряжение и далее – в цифровой код С. На рис. 2.13,б представлена последовательность импульсов опроса с порядковыми номерами 1, 2, …, i-1, i, i+1, …, M0. Каждому импульсу опроса соответствует один

цифровой

отсчет.

Вычисление шага дискретизации (t0) 4 m0: = m0+1 5 Формирование импульсов питания 6 Преобразование индуктивности ОВТД в напряжение 7 Преобразование напряжения в код (С) 8

Каждый импульс опроса обеспечивает ИСх

1 Начало

С

приближением

Занесение в память результатов преобразования m0 = М0

9 10

Вычисление максимальных значений кодов (Сm) 11 Конец

Рис. 2.12. Блок-схема алгоритма

СПВ ИС длительностью в один период вращения ротора

лопатки к зоне чувствительности ОВТД происходит увеличение значений С до максимума с последующим уменьшением до минимума, причем число таких периодических изменений равно числу лопаток nЛ. На рис. 2.13, в изображены три

отсчета при прохождении в зоне чувствительности ОВТД

j-ой лопатки (номера

лопаток 1, 2, …, j, …, nЛ), где Сi-1, jCi+1, j. Т0

а)

t Измерение периода Т0

Вычисление t0

Формирование импульсов опроса i

2

1

M0

б) t

Сi, j

Сm, j Сi+1, j

в) Сi-1, j

t

tm, j

Рис. 2.13. Временные диаграммы, поясняющие алгоритм СПВ ИС

длительностью в один период вращения ротора После завершения третьего этапа (по истечении времени 3Т0) все М0 значений цифровых отсчетов запоминаются и определяются наибольшие значения, которые приблизительно характеризуют минимум индуктивности ОВТД по каждой из nЛ лопаток. Для более точного определения осуществляется интерполяционная обработка заданного числа отсчетов для каждой лопатки в зоне чувствительности ОВТД и вычисляются максимальные значения кодов Cm1, Cm2, …, Cmj, …, Cmn (рис. 2.12 – блок 10,

рис.

2.13,

в).

Расчетная

процедура

определяется

выбранной

моделью

восстановления огибающей цифровых отсчетов и зависит от их числа. При использовании экспоненциальной модели и трех отсчетов максимум огибающей вычисляется по формуле [58]:

C mj

(

) )

⎡ 3lnCi-1, j − 4lnCi, j + lnCi +1, j 2 ⎤ ⎥. = exp ⎢lnCi-1, j + 8 lnCi-1, j − 2lnCi, j + lnCi +1, j ⎥ ⎢⎣ ⎦

(

Для найденных максимумов определяются соответствующие моменты времени

tm1, tm2, …, tmj, …, tmn, которые могут быть использованы для вычисления скоростей и ускорений в пределах одного оборота ротора. Чтобы не загромождать блок-схему алгоритма СПВ, последняя процедура на рис. 2.12 не раскрыта. Не обозначена на блок-схеме и коммутация сигналов, характерная для кластерных методов измерения, а также ряд других, менее значимых, процедур (по тем же соображениям).

Возвращаясь к числу М0, характеризующему дискретизацию по времени (t0) и квантование по углу (ψ0), следует отметить, что ограничения числа М0 сверху связаны, во-первых, с объемом оперативной памяти в устройствах, реализующих рассмотренный алгоритм (это, как правило, структура СИ с микропроцессором на нижнем уровне (раздел 2.1)). Во-вторых, ограничения М0 связаны с длительностью восстановления измерительной схемы tВ, которую в настоящее время трудно сделать меньше 1 мкс. Например, при выборе М0=3600 шаг квантования ψ0=0,1 градуса, что обеспечивает около 10 отсчетов при прохождении лопатки в зоне чувствительности ОВТД. При максимальной скорости вращения ротора порядка 18000 об/мин период импульсов опроса t0 (шаг дискретизации) также составит около 1 мкс, и, пренебрегая длительностью импульса питания tE, составляющей приблизительно 0,1…0,2 мкс, t0 и

tE+tВ можно считать примерно равными, если длина линии между ОВТД и ИСх мала (менее 1 м). Дальнейшее уменьшение tВ и t0 можно ожидать при встраивании ИСх в датчик. Разумеется, изменения скорости вращения ротора за период приведут к реальным изменениям шага квантования. Поэтому, выбор числа М0 должен гарантировать сохранение точности определения Сm. При большой длине линии связи время tВ возрастает и не позволяет получить достаточного количества отсчетов за один оборот вращения ротора для восстановления огибающей и вычисления максимальных значений кодов. В то же время циклический характер движения лопаток относительно датчика и достаточно высокая стабильность скорости вращения ротора в стационарном режиме работы, определяемая его большой инерционностью,

позволяют

для

получения

отсчетов

сигнала

применить

стробоскопический алгоритм. Сканирование каждой лопатки при этом производится за несколько оборотов ротора путем фазового сдвига строб-импульса питания ОВТД на каждом обороте на величину шага дискретизации t0 огибающей сигнала. Для сокращения времени получения информации предлагается такой алгоритм, в котором на каждом обороте ротора осуществляется многократное стробирование ИСх пакетами импульсов по числу лопаток [39, 44]. Пакеты смещаются на каждом обороте относительно опорного импульса на заданную величину t0, осуществляя сканирование всей поверхности колеса ротора. После завершения цикла стробирования вычисляются значения максимума огибающей путем интерполяционной обработки цифровых отсчетов, аналогичной рассмотренной. Чтобы подчеркнуть основную отличительную особенность предложенного алгоритма от классического стробоскопического, он назван мультистробоскопическим [44].

Началом отсчета всех процедур,

Лопатка

связанных с мультистробоскопическим

Статор Ротор

ψД

алгоритмом,

ψ1 ОВТД

Вал

является

момент

совмещения «метки» с центром ДЧВ Измерительная схема

(рис. 2.14). Для такого положения ротора

ДЧВ

считаются

«Метка» Преобразователь «период – код»

смещение

Рис. 2.14. Положение «метки» на валу

ротора и первой лопатки относительно ОВТД

заданными:

ψ1

угловое

лопатки,

условно

принятой за первую, относительно ЧЭ ОВТД; зона чувствительности ОВТД

ψД,

определяемая

установочного

соотношением

отверстия

датчика и

внутреннего диаметра статора; число лопаток на колесе ротора nЛ и число оборотов ротора МЛ для выполнения цикла мультистробоскопического преобразования. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 2.15, а поясняющая его временная диаграмма – на рис. 2.16. Формированию пакета импульсов питания предшествуют два этапа. На первом производится измерение периода Т0 (блок 2 на рис. 2.15), а на втором в предположении постоянства Т0 определяются параметры пакета (блок 3), в том числе начальное смещение пакетов относительно импульсов ДЧВ (t1=(ψ1−ψД ⁄ 2)T0 ⁄ 2π), интервал между импульсами в пакете (tЛ=T0 / nЛ), шаг дискретизации (t0=T0ψД / 2π(MЛ-1)). На третьем обороте сформированный пакет импульсов задерживается на t1, а на каждом последующем обороте эта задержка увеличивается на t0 (рис. 2.16, б). В ответ на импульсы питания происходят преобразования индуктивности ОВТД в амплитуду напряжения, а затем в код (блоки 6, 7, 8). Все

полученные

отсчеты

запоминаются

в

оперативной

памяти

в

хронологическом порядке (блок 9). После группировки отсчетов по лопаткам (рис. 2.16, в) в пределах каждой группы производится интерполяция отсчетов и определение цифровых эквивалентов максимумов огибающей выходного сигнала (Cm1, Cm2, Cm3, …) (блок 13). Для их вычисления может быть использована приведенная выше формула. Далее работа алгоритма рассматривается на конкретном примере формирования пакетов импульсов опроса и группировки отсчетов. Пусть скорость вращения ротора составляет 18000 об/мин (Т0≈3,3 мс), число лопаток на колесе nЛ=100, ψ1=1,2 град,

ψД=2,4 град. Цикл измерения не должен

1 Начало

превышать 10 мс (МЛ=3). При этом параметры

2 Преобразование периода (Т0) в код (СТ)

пакета импульсов опроса: t1=0,011 мс, tЛ=0,033

3

мс, t0=0,011 мс. Каждый из трех пакетов состоит

Вычисление параметров строб-импульсов (t 1, t Л, t 0)

из 100 импульсов. Первый импульс в первом

4

пакете будет смещен относительно импульса

m: = m+1

ДЧВ на t1=0,011 мс, во втором и третьем

5

пакетах импульсов начальные смещения будут

n: = n+1

увеличены на t0=0,011 мс и 2t0=0,022 мс

Формирование пакета импульсов питания

6

соответственно. После завершения цикла в оперативной

памяти

хранятся

7 Преобразование индуктивности ОВТД в напряжение

отсчеты,

8

записанные в хронологическом порядке – С1,1,

Преобразование напряжения в код (С)

С1,2, С1,3, …, С1,100, С2,1, С2,2, C2,3, …, С2,100, С3,1, С3,2,

С3,3,

…,

С3,100.

интерполяционной группируются

Для

обработки по

9

проведения

Занесение в память результатов преобразования

отсчеты

принадлежности

к

10

нет

n = nЛ

определенным лопаткам – С1,1, С2,1, С3,1; C1,2,

C2,2,

C3,2;

…,

C1,100,

C2,100,

C3,100.

В

да нет

да

рассматриваемом примере выбранное значение скорости

вращения

ротора

близко

13

предельному значению. При nЛ=100 время tЛ

Вычисление максимальных значений кодов (Сm)

(между импульсами опроса) вполне достаточно

14 Конец

для восстановления измерительной схемы даже десятков

метров

и

длительности

восстановления в десятки микросекунд.

12

Формирование групп отсчетов по каждой лопатке

к

при наличии линии связи длиной несколько

11

m = МЛ

Рис. 2.15. Блок-схема алгоритма

СПВ ИС длительностью в несколько периодов вращения ротора

Вместе с тем, как уже отмечалось, рассматриваемый алгоритм предполагает постоянство скорости вращения ротора на протяжении всего цикла преобразования, и это условие выполняется при стационарном режиме работы лопаточной машины. Если же скорость вращения ротора в процессе работы алгоритма не остается постоянной (при нестационарном режиме работы), то возможно появление ошибок интерполяции из-за неравномерного шага дискретизации. Более того, при больших изменениях скорости

вращения

могут

возникнуть

необратимые

потери

отсчетов,

восстановление сигналов по некоторым лопаткам становится невозможным.

когда

T0

а)

ДЧВ Измерение периода T0

t

Вычисление параметров пакета стробимпульсов t1

Формирование пакетов строб-импульсов

tЛ 1

2

t1+2t0

t1+t0 3

nЛ

1

2

3

1

nЛ

2

3

nЛ

б)

t

Cm,2

Cm,1 C2,1

в)

0

C2,2 C3,1

Cm,3 C3,2

C1,1

C1,2

1-я группа отсчетов

2-я группа отсчетов

C2,3

C3,3

C1,3 Ψ

3-я группа отсчетов

Рис. 2.16. Временная диаграмма, поясняющая алгоритм СПВ ИС длительностью в

несколько периодов вращения ротора В

подобной

ситуации

возможно

использование

варианта

мультистробоскопического алгоритма, в котором предусмотрена адаптация не только к скорости, но и к ее изменениям. В процессе работы такого алгоритма измеряются соседние периоды вращения ротора и определяется их разность, которая учитывается в смещениях пакетов импульсов, что в конечном счете обеспечивает адаптацию шага дискретизации к изменениям скорости вращения (при ускоренном движении ротора шаг дискретизации уменьшается) [34, 58].

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения сигнала о многомерных перемещениях колеса ротора и вала. Если предположить, что процесс вращения ротора и вала лопаточной силовой установки имеет стационарный характер, поверхность колес ротора и вала строго цилиндрична, биения колеса и вала отсутствуют, то при отсутствии шумов в измерительных каналах достаточно одного отсчета на каждый ОВТД кластера за период вращения. Наличие биений приводит к изменениям радиальных смещений контролируемой поверхности относительно ЧЭ ОВТД и для их оценки требуется не один, а несколько отсчетов. Очевидно, что для сохранения числа отсчетов, а, следовательно, и угла квантования на различных скоростях вращения необходимы соответствующие изменения частоты дискретизации, т.е. применения алгоритма СПВ ИС, аналогичного первому из рассмотренных в измерениях МП торцов лопаток. Однако, его реализация, как

уже

отмечалось,

требует

использования

в

СИ

специализированного

микропроцессора. В то же время угол квантования при оценке биений колеса ротора и вала почти на два порядка больше угла квантования, необходимого при измерении смещений торцов лопаток. Это означает, для оценки величины биений можно ограничиться более простым и экономичным вариантом СИ в виде ПЭВМ и УСО (раздел 2.1) без применения микропроцессора. При этом быстродействия подсистемы аналогового входа простейшего УСО достаточно для получения не менее 10 отсчетов на минимальном периоде вращения ротора или вала. По мере снижения скорости и увеличения периода вращения при неизменной частоте дискретизации число отсчетов возрастает, а шаг квантования уменьшается. Для сохранения угла квантования неизменным, как и в рассмотренном алгоритме, необходима адаптация частоты дискретизации к скорости вращения. Но в структуре СИ с ПЭВМ и простейшим УСО плавная перестройка частоты дискретизации невозможна, и, как следствие, шаг квантования по углу в такой системе является величиной ограниченно переменной в пределах

минимально

допустимой

ступени

в

изменении

частоты

(периода)

дискретизации. Такая особенность алгоритма несущественна, если требования пользователя ограничены регистрацией отсчетов для последующего восстановления картины изменений смещений колеса ротора или вала за период и в течении всего эксперимента (как правило, регистрация отсчетов повторяется через секунду или несколько секунд). Вместе с тем для пользователя исключительно значима (для предупреждения аварийных ситуаций) оперативная информация о минимальном зазоре между ЧЭ ОВТД (поверхность статора) и поверхностью колеса ротора или вала, а также средние значения зазора, представляемые в темпе эксперимента. Среднее значение зазора ( Y ) определяется выражением MР

Y=

∑ Ym

m =1

MР

,

где Ym - отсчеты зазора в течении периода вращения, МР – число отсчетов за период вращения ротора или вала. Поскольку величина МР не является строго постоянной при изменениях частоты вращения, то она должна быть рассчитана для каждого измеренного периода вращения и выбранного шага дискретизации. Таким образом, рассмотренный алгоритм СПВ ИС, который можно назвать квазиадаптивным, предусматривает измерение периода вращения колеса ротора или

вала (Т0), выбор соответствующей частоты дискретизации (периода t0) из числа разрешенных в применяемом УСО и определение числа отсчетов (MР=Т0/t0), выполнение отсчетов и фиксацию кодов. Далее определяются физические значения смещений, оцениваются среднее и минимальное значения зазоров. Блок-схема квазиадаптивного варианта

1

алгоритма СПВ ИС представлена на рис. 2.171.

Начало 2

Если измерение смещений колеса ротора или вала производится в сравнительно узком диапазоне

скоростей

вращения

и

верхняя

граница (nmax) превышает нижнюю (nmin) не

Преобразование периода (T0) в код (СТ) 3 Выбор шага дискретизации (t0) 4 Определение числа отсчетов (МР)

более, чем на порядок, а также отсутствуют ограничения в объемах памяти, в которой фиксируются

результаты

измерений,

5

m: = m+1

то

6

возможно использование упрощенного варианта

Опрос АЦП

алгоритма СПВ ИС с постоянными частотой и

7 Занесение в память результатов преобразования

шагом дискретизации. Их величины в этом случае соответствуют максимальной скорости и минимальному периоду вращения ротора или вала. Как и в квазиадаптивном алгоритме, измеряется период вращения, определяется число

отсчетов

за

период

вращения,

нет

8

m = МР 9 Конец

Рис. 2.17. Блок-схема

выполняются отсчеты зазоров, находятся их

квазиадаптивного алгоритма

минимум и среднее значение. Отличительной

СПВ ИС о МП ротора и вала

особенностью алгоритма является отсутствие блока 3 (рис. 2.17), так как шаг дискретизации является заданным. На очень малых скоростях вращения (n<
Так как вычисление среднего и минимального значений зазора возможно только после вычисления КС (эти процедуры описаны далее в разделе 2.4), то на блок-схемах алгоритмов (рис. 2.17, 2.18) изображен только процесс сбора и регистрации измерительных кодов.

В то же время при стационарном характере вращения колес ротора или вала представляется возможным повысить достоверность оценки результатов измерений за счет усреднения отсчетов, полученных на нескольких периодах вращения. При этом должна соблюдаться синхронность отсчетов на различных периодах вращения. Иначе говоря, отсчеты на различных оборотах колеса ротора или вала должны выполняться при одних и тех же угловых положениях колеса ротора или вала. Если предположить, что мероприятия

1 Начало

по повышению достоверности проводятся в

2 Преобразование периода (T0) в код (СТ)

отношении алгоритма СПВ ИС с постоянной

3 Начало периода вращения

частотой 4 да

k: = k+1 mk: = 1

дискретизации,

то

начальные этапы алгоритма сохраняются без изменений,

а

повторяются

в

синхронные

отсчеты

КР

периодов

течение

5

вращения. Блок-схема модифицированного

6

алгоритма

Опрос АЦП

mk: = mk+1

и

временные

диаграммы

приведены на рис. 2.18, 2.19. Особенностью

7 Занесение в память результатов преобразования

нет

(периодом)

алгоритма

является

привязка

импульсов

опроса к началу периода вращения (блок 3 на

8

рис. 2.18), при этом осуществляется счет

k = Kp

числа периодов и инициализация счетчика

9 Определение числа отсчетов ( Mp = min(mk))

отсчетов mk на k–ом периоде (блок 4).

10

Результаты измерений зазора для i-того угла

Конец

Рис. 2.18. Блок-схема алгоритма СПВ

ИС о МП ротора и вала с постоянным шагом дискретизации длительностью в несколько периодов вращения ротора.

на

k-ом

периоде

Cik

(рис.

2.19, в)

регистрируются в памяти. Число отсчетов mk на различных периодах может оказаться разным, поэтому по окончании KР периодов определяется самое минимальное из всех

число отсчетов на обороте (блок 9) и вычисляются физические значения РЗ (по алгоритмам, изложенным далее в разделе 2.4). Далее производится усреднение зазоров для каждого i-того углового положения колеса ротора или вала: KР

Yi =

∑ Yik k =1

KР

(2.1)

где Yik - значение зазора для i-го угла на k-ом периоде, и из полученных результатов находится его минимальное значение. Кроме того, определяется среднее значение зазора для всех найденных значений отсчетов (КР · МР) (рис. 2.19, г): MР

Y =

∑ Yi i =1

MР

,

где Yi - среднее значение зазора для i-го угла. Т0

а)

t Измерение периода Т0

Вычисление t0

Формирование импульсов опроса 1

2

i

m1 1 2

i

1 2

m2

mк

i

б) t С1, 1

С1, 2

С1, i

С1, m1

СK

СK

P ,2

P ,1

СK

P ,i

СK

P, mк

в) t

Y1

г)

Y2

Yi

YM

P

t

Рис. 2.19. Временные диаграммы алгоритма СПВ ИС о МП ротора и вала. 2.3.2.

Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала о многомерных перемещениях элементов конструкций в поршневых силовых установках

В

рассматриваемых

алгоритмах

формирование

импульсов

питания

осуществляется одновременно с процессом квантования углового перемещения приводного (или другого, связанного с ним) вала на протяжении рабочего цикла поршневой силовой установки, а не путем предварительного измерения его периода с последующей дискретизацией, что существенно сокращает общую длительность преобразования [46]. Шаг квантования углового перемещения вала (ψ0) определяется числом зубцов шестерни и обычно не превышает ~ 3 град., что, как правило, достаточно для измерения КС МП ЭК кривошипно-шатунного механизма. Очевидно, что величина ψ0

не изменяется при вариациях скорости вращения вала. При этом период импульсов питания зависит от скорости вращения – уменьшается с ее увеличением и наоборот. Если скорость вращения коленвала составляет 6000 об/мин, то период тактовых импульсов не превышает 80 мкс. Этого времени вполне достаточно для восстановления измерительной схемы даже при наличии линии связи между ОВТД и входным преобразователем СИ длиной в несколько десятков метров. В процессе формирования импульсов питания (тактовых импульсов) происходит преобразование угла поворота

вала в цифровой код (Сψ), обеспечивающее

последующее вычисление скорости вращения и ускорений (ψ& , ψ&& ) , а также получение кадровых сигналов на каждый оборот вала. Обычно в поршневых силовых установках длительность алгоритма СПВ ИС соответствует рабочему циклу машины. В ДВС – это один оборот распредвала и два оборота коленвала. Для формирования «кадра», соответствующего рабочему циклу ДВС, удобно также использование второго ДЧВ, устанавливаемого вблизи распредвала (при наличии «метки» на распредвале). В пределах «кадра» в ответ на импульсы питания происходят преобразования индуктивностей ОВТД в напряжения и далее в цифровой код (они аналогичны рассмотренным в разделе 2.3.1).

2.4.

Алгоритмы вычислений координатных составляющих многомерных перемещений

Все методы измерения, рассмотренные в разделе 1, для вычисления КС МП предусматривают использование семейств градуировочных характеристик (ГХ) измерительных каналов СИ, полученных экспериментально при заданных значениях КС и мешающих факторов (МФ). Каждое семейство ГХ представляет собой зависимость кода от нескольких КС и МФ и может быть выражено полиномиальной функцией нескольких переменных. Вместе с тем, располагая семейством ГХ, каждую КС можно представить другими полиномиальными функциями, аргументами которых являются коды измерительных каналов кластера ОВТД и МФ. В настоящем разделе систематизируются возможные алгоритмы вычисления КС. В качестве универсального средства аппроксимации семейства ГХ с учетом МФ используется степенной полином в виде функции нескольких переменных [66]. Рассматриваются примеры аппроксимации семейства ГХ и приводятся оценки их точности. Рассматриваются также алгоритмы вычисления КС при совокупных измерениях МП торцов лопаток и колес ротора лопаточных силовых установок.

2.4.1.

Систематизация алгоритмов вычислений координатных составляющих

Различают три вида алгоритмов вычисления КС. В первом предусматривается измерение каждой КС своим датчиком. Выходной сигнал ОВТД зависит только от значения КС и МФ, причем число каналов в СИ равно числу КС. Для определения КС вначале вычисляются значения МФ с использованием функций влияния:

F1 = f F1 (C F1 ), ⎫ ⎪ F2 = f F2 (C F2 ), ⎪ ⎬ ... ⎪ FP = f FP (C FP ),⎪⎭

(2.2)

где F p , p = 1, P - множество МФ, C Fp - коды АЦП для каналов преобразования МФ,

f Fp - функции влияния. По найденным значениям (2.2) с использованием функций, обратных ГХ, вычисляются КС

X = f X (C X , F1 , F2 ,...FP ), Y = f Y (CY , F1 , F2 ,...FP ), ...

ϕ Z = f ϕ Z (Cϕ Z , F1 , F2 ,...FP ), где

X , Y ,....ϕ Z - координатные составляющие (максимальное их число – 6

( X , Y , Z , ϕ X , ϕ Y , ϕ Z )), C X , CY ,..., Cϕ Z - коды АЦП в каналах преобразования КС,

f X , f Y ,..., f ϕ Z - ГХ для каждого такого канала. Подобный алгоритм применяется, в частности, при измерениях смещений вкладыша ШП и шейки коленвала в ПКО поршневой силовой установки (разделы 1.4.2, 1.4.3). Из МФ учитывается температура, а в ПКО дополнительно – электромагнитные свойства шейки коленвала (раздел 4.2.2). Второй вид алгоритмов – это разновидность первого, в котором ряд КС не являются объектом измерений, но оказывают влияние на измеряемые КС и в этой связи включаются в множество МФ. При этом после определения МФ по формулам (2.2) вычисляются

КС, являющиеся мешающими факторами (КС-МФ). Если, например,

принять, что к КС-МФ относятся угловые координаты

ϕ X = f ϕ X (Cϕ X , F1 , F2 ,...FP ), ϕ Y = f ϕY (CϕY , F1 , F2 ,...FP ), ϕ Z = f ϕ Z (Cϕ Z , F1 , F2 ,...FP ), где Cϕ X , CϕY , Cϕ Z - коды АЦП для каналов преобразования КС-МФ, f ϕ X , f ϕY , f ϕ Z функции, обратные ГХ для каждого такого канала, то на следующем шаге вычисляются остальные КС, которые зависят от всех МФ:

X = f X (C X , F1 , F2 ,...FP , ϕ X , ϕ Y , ϕ Z ), Y = f Y (CY , F1 , F2 ,...FP , ϕ X , ϕ Y , ϕ Z ), Z = f Z (C Z , F1 , F2 ,...FP , ϕ X , ϕ Y , ϕ Z ), где C X , CY , C Z - коды АЦП для каналов преобразования КС, f X , f Y , f Z - функции, обратные ГХ для каждого канала. Третий вид представляют алгоритмы на основе совокупных измерений кластером ОВТД. Объединение датчиков в кластере предполагает такое размещение их в пространстве с заданной ориентацией ЧЭ относительно ЭК, при котором МП ЭК вызывают изменения естественных выходных сигналов (индуктивностей) всех датчиков в кластере, содержащих информацию о КС МП ЭК, причем число датчиков в кластере определяется числом измеряемых КС. ГХ каждого измерительного канала с ОВТД является функцией всех КС и МФ. Для нахождения КС необходимо решить систему уравнений:

C1 = Φ 1 ( X , Y ,...ϕ Z , F1 , F2 ,...FP ), ⎫ C 2 = Φ 2 ( X , Y ,...ϕ Z , F1 , F2 ,...FP ), ⎪⎪ ⎬ ... ⎪ C6 = Φ 6 ( X , Y ,...ϕ Z , F1 , F2 ,...FP ),⎪⎭

(2.3)

где X , Y ,....ϕ Z - КС, F p , p = 1, P - множество МФ, вычисленных по формулам (2.2),

C1 , C 2 ,..., C 6 - коды АЦП для каналов преобразования сигналов датчиков кластера, Φ1 , Φ 2 ,..., Φ 6 - ГХ измерительного канала с ОВТД с учетом МФ. Примеры - измерение радиальных, осевых и угловых смещений (КС) торцов лопаток, радиальных и осевых смещений колеса ротора в условиях повышенных температур (МФ) (раздел 1.3.2, 1.3.3). Следует отметить, что отдельные КС в системе уравнений (2.3) рассматриваются как МФ. Пример - измерение РЗ (КС) торцов лопаток ротора силовой установки при влиянии ОС (КС-МФ) и температуры (МФ) (раздел 4.1.3).

2.4.2.

Аппроксимация градуировочных характеристик полиномиальными функциями нескольких переменных. Оценка точности

Во всех алгоритмах вычисления КС МП, рассмотренных в разделе 2.4.1, используются ГХ в виде полиномиальных функций нескольких переменных. Для случая измерения всех КС, но при влиянии одного наиболее типичного МФ в виде температуры ( Θ ) ГХ представляет собой полиномиальную функцию семи переменных: J1

C = Φ ( X ,Y ,Z ,ϕ X ,ϕ Y ,ϕ Z ,Θ )= ∑

J2

J3

J4

J5

J6

J7

∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑a j j

j1 =0 j2 =0 j3 =0 j4 =0 j5 =0 j6 =0 j7 =0

где

1 2 j3 j4 j5 j6 j7

X j1 Y j2 Z j3 ϕ Xj4 ϕ Yj5 ϕ Zj6 Θ j7 ,

X ,Y ,Z ,ϕ X ,ϕ Y ,ϕ Z ,Θ - переменные, a j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 - коэффициенты полинома,

J 1 , J 2 , J 3 , J 4 , J 5 , J 6 , J 7 - степени переменных. Число

коэффициентов

в

таком

полиноме

равно

( J 1 +1)⋅( J 2 +1)⋅( J 3 +1)⋅( J 4 +1)⋅( J 5 +1)⋅( J 6 +1)⋅( J 7 +1) и даже при ограничении степени по каждой переменной до 4 число коэффициентов достигает 78125. Поэтому при решении

практических

задач

число

переменных

и

коэффициентов

обычно

ограничивается. Из рассмотренных в разделе 1 методов максимальную размерность имеет метод измерения радиальных, осевых и угловых смещений торцов лопаток. В этом случае ГХ является

функцией

четырех

переменных

(трех

КС

и

одной

температуры).

Аппроксимирующий полином имеет вид: J1

C = Φ( X ,Y ,ϕ ,Θ )= ∑

J2

J3

J4

∑ ∑ ∑a j j j j

j1 =0 j2 =0 j3 =0 j4 =0

1 2 3 4

X j1Y j2 ϕ Yj3 Θ j4 ,

(2.4)

где X ,Y ,ϕ ,Θ - переменные1, a j1 j2 j3 j4 - коэффициенты, J 1 , J 2 , J 3 , J 4 - степени полинома. Для нахождения коэффициентов полинома необходимы экспериментально найденные семейства ГХ (значения кода для эталонных значений КС и температуры). Нахождение коэффициентов аппроксимирующей функции (2.4) осуществляется с помощью алгоритма, построенного на основе метода наименьших квадратов [60, 66]. Его программная реализация выполнена в среде Delphi 5 и операционной системе Windows 95. Программа обеспечивает аппроксимацию как семейства ГХ, так и семейства функций, обратных ГХ. В качестве переменных можно использовать любые КС и МФ, а число переменных изменяется от одной до четырех.

1

Для упрощения записи далее в разделах 2.4.2 и 2.4.3 вместо

ϕY

используется

ϕ

Проверка работоспособности алгоритмов и оценка точности аппроксимации проводились на примере измерений радиальных и осевых смещений колес ротора (раздел 1.3.3). Аппроксимирующий полином имеет вид J1

C = Φ( X ,Y ,Θ )= ∑

J3

J2

∑ ∑a j j j

j1 =0 j2 =0 j3 =0

1 2 3

X j1Y j2 Θ j3 .

(2.5)

Исходное семейство ГХ получено экспериментально с помощью установки, описание которой приведено в разделе 4.1.7. Изменение координаты Y (радиального смещения) производились в диапазоне 0.2 – 2 мм при фиксированных значениях

X (осевого смещения), изменяющихся в диапазоне от -2 до +3 мм, а также при фиксированных значениях Θ (температуры), изменяющихся в диапазоне 20 – 400 ºС [60] . Относительная погрешность аппроксимации определяется выражением

δ=

∆C m ⋅100%, C max −C min

где C min и C max - граничные значения изменений кодов, ∆C m - максимальная абсолютная погрешность, выбранная из множества абсолютных погрешностей ∆C , вычисленных как разность между значениями кодов, полученных экспериментально, и значениями кодов, найденных с помощью полинома (2.4). Исследовалась

зависимость

погрешности δ от степеней полинома 5.0

δ, %

(2.4),

которые

3

4

J1

5

6

7

8

9

10

9

8

7

6

5

J2

4

3

2

( X ,Y )

варьировались в пределах от 2 до 11,

3.0

по температуре – от 2 до 4. На рис. приведена

зависимость

2.0

погрешности δ от степеней J 1 и J 2

1.0

при постоянном значении степени

0.0

Рис. 2.21. Зависимость погрешности

аппроксимации δ от степеней полинома J 1 ,

J 2 (при J 3 =4)

КС

4.0

2.21

2

по

J3 =4 .

При

J1 ≥5

и

J 2 ≥5

погрешность δ не превышает 1.5%. Следует также отметить, что уменьшение значений

числа в

эталонных исходных

экспериментальных данных приводит к увеличению погрешности δ [60].

2.4.3.

Алгоритмы вычислений координатных составляющих в совокупных измерениях. Оценка точности

Рассматриваются алгоритмы вычисления КС на основе решения системы уравнений (2.3) применительно к измерению радиальных, осевых и угловых смещений торцов лопаток, которые имеют максимальную размерность из всех рассмотренных (раздел 1.3.2). При этом система уравнений имеет вид:

C1 = Φ1 ( X ,Y ,ϕ ,Θ ), ⎫ ⎪ C 2 = Φ 2 ( X ,Y ,ϕ ,Θ ),⎬ C3 = Φ 3 ( X ,Y ,ϕ ,Θ ), ⎪⎭

(2.6)

где Φ k ( X ,Y ,ϕ ,Θ ) , k=1, 2, 3 - ГХ измерительных каналов кластера датчиков, представленные полиномами вида (2.4). Алгоритм состоит из процедур температурной коррекции и вычисления КС. Согласно процедуре термокоррекции по имеющимся ГХ, заранее загруженным в память процессора или ПЭВМ, вычисляются ГХ для текущих значений рабочей температуры ОВТД ( Θ p ), измеренной термопарами. ГХ каждого из k каналов кластера ОВТД представляется в памяти как четырехмерный массив коэффициентов полинома

{a

k j1 j2 j3 j4 ,

j1 = 0, J 1 , j 2 = 0, J 2 ,.

j3 = 0, J 3 , j 4 = 0, J 4 }. В процедуре термокоррекции он преобразуется к трехмерному массиву

коэффициентов

{b

k j1 j 2 j 3

,

j1 = 0, J 1 ,

j 2 = 0, J 2 ,.

j 3 = 0, J 3 }

полинома

~ ( X ,Y ,ϕ ) , вычисляемых по известной рабочей температуре Θ : Ck =Φ p k

b kj1 j2 j3

J4

= ∑a kj1 j2 j3 j4 Θ pj4 . j4 =0

В результате для каждого из трех измерительных каналов кластера будут получены новые ГХ (для рабочей температуры Θ p ), на основе которых вычисляются КС (РЗ, ОС и УС), а система уравнений (2.6) преобразуется к виду:

~ C1 = Φ1 ( X , Y , ϕ ), ⎫ ⎪⎪ ~ C 2 = Φ 2 ( X , Y , ϕ ),⎬ ~ ⎪ C3 = Φ 3 ( X , Y , ϕ ). ⎪⎭

(2.7)

Для решения системы (2.7) используется метод итераций [84], в соответствии с которым она преобразуется к нормальному виду

f1 ( X , Y , ϕ ) = 0, ⎫ ⎪ f 2 ( X , Y , ϕ ) = 0,⎬ f 3 ( X , Y , ϕ ) = 0, ⎪⎭

(2.8)

где каждое уравнение системы получено из соответствующего уравнения системы (2.7) с учетом измеренных кодов (Ck, k=1, 2, 3) по каждой лопатке, полученных после завершения алгоритма СПВ ИС (раздел 2.3.1)

~ ( X ,Y ,ϕ ) − C , f k ( X ,Y ,ϕ ) = Φ k k причем указанная операция фактически сводится к корректировке нулевых членов

~ ( X ,Y ,ϕ ) . массива ГХ Φ k Решение системы (2.8) для кодов C1 , C 2 , C 3 позволяет определить искомые КС – X, Y, ϕ (ОС, РЗ, УС) для каждой лопатки. Решение системы (2.8) может быть интерпретировано геометрически, но наиболее наглядным представляется геометрическая интерпретация решения системы двух уравнений

~ ( X ,Y ), C1 = Φ ⎫ 1 ~ ( X ,Y ),⎬ C2 =Φ 2 ⎭ ~ ( X ,Y ) , Φ ~ ( X ,Y ) - ГХ измерительных каналов кластера ОВТД для рабочей где Φ 1 2 температуры, обеспечивающих измерения, например, радиальных и осевых смещений торцов лопаток или радиальных или осевых смещений колес ротора (разделы 1.3.2, 1.3.3)1. Согласно рис. 2.22 зависимости кода С от РЗ и ОС ( X , Y ) для каждого из датчиков в составе кластера являются поверхностями Q1, Q2. Значению кода С1 на поверхности Q1 соответствует некоторое множество точек X, Y, расположенных на линии пересечения Q1 с плоскостью С1. Аналогично коду С2 – линия пересечения соответствующей плоскости с поверхностью Q2. Проекции этих линий на плоскости

X-Y пересекаются. Координаты точки пересечения являются решением системы уравнений и представляют собой результат измерения РЗ и ОС (Y, X). В качестве начального приближения, предусмотренного методом итераций, выбираются координаты точки пересечения секущих 1-1 и 2-2 [60, 84]. Программная реализация процедуры вычисления трех и менее КС выполнена в среде Delphi 5 и операционной системе Windows 95, причем параметрами программы 1

В разделе 1.3.3 индуктивности датчиков в составе кластера обозначены L′ и L″. Их изменениям соответствуют коды C1 и C2.

являются значения начального приближения и критерий останова итерационного процесса. Процесс может быть остановлен либо по достижению заданного количества итераций, либо по критерию точности. Для точностных оценок алгоритма вычислений использовалось моделирование [60].

При

этом

преобразование

Θ=ΘР

C

имитировалось

радиальных

и

Q1

осевых

X

смещений ( X , Y ) в цифровые коды ( C 1 , C 2 ) с

помощью

заданного

семейства

ГХ

C1

измерительных каналов в виде степенного

Y

Q2

полинома. Для этих кодов осуществлялось решение системы уравнений. Найденные расчетные

значения

КС

–

XР,

YР

сравнивались с измеряемыми ( X, Y ) и

X C2

оценивались погрешности:

δX =

∆X , X max − X min

где ∆X = X Р − X ,

δY =

Y

∆Y , Ymax − Ymin

∆Y =Y Р −Y , X max и

X min , Ymax и Ymin - границы диапазонов. Для

удобства

графического

представления погрешностей δ X

и δY в

X

X

1 2

Y 2 1 Y

Рис. 2.22. Геометрическая

интерпретация вычисления РЗ и ОС

зависимости от значений КС и количества итераций использовался алгоритм последовательного перебора. Он заключается в том, что для фиксированного значения выбранной КС (например, X) перебираются все возможные значения другой КС (Y), оцениваются значения погрешности (например, δ X ) и выбирается максимальное значение, которое и соответствует фиксированному значению выбранной КС. Такой алгоритм позволяет правильно оценить значения погрешностей во всем рабочем диапазоне изменений КС. В качестве семейства ГХ использовались полиномы

C1 = f1 ( X ,Y ) =1000−100 X −100Y + 7 XY +10 X 2 +10Y 2 , C2 = f 2 (3− X ,Y ) = 790+ 40 X − 79Y − 7 XY +10 X 2 +10Y 2 . Рабочие диапазоны изменений X , Y от 0 до 3 мм, причем ГХ симметричны относительно оси X = 1,5 мм.

Как следует из рис. 2.23 погрешности вычислений КС ( δ X , δ Y ) зависят от значений КС и числа итераций (N). Причем, начиная с 4-ой итерации, погрешности практически не превышают 0,05%. При меньшем числе итераций погрешности возрастают на границах диапазонов (более 1%). 1,0

δX,%

δY,% 1,0

0,9

0,9

0,8

0,8

0,7

0,7

0,6

0,6

0,5

0,5

0,4 0,3

1

0,1

7

0,0

10 0

0,6

1,2

1,8

2,4

0,3

1

0,2

4

N

0,4 0,2

4

N

3

0,1

7

0,0

10 0

X

0,6

1,2

1,8

2,4

3

Y

Рис. 2.23. Погрешности вычисления РЗ и ОС.

Аналогичные исследования проводились и для задачи измерения радиальных, осевых и угловых смещений торцов лопаток (система уравнений (2.7)). Установлено, что с увеличением числа КС погрешности вычислений возрастают, несмотря на увеличение числа итераций. Уменьшение погрешностей до уровня, представленного на рис. 2.23 возможно, но при существенном сужении диапазонов изменений всех КС.

Заключение по разделу 2 Предложена обобщенная структурно-функциональная схема системы измерения, обеспечивающая формирование импульсов питания одновитковых вихретоковых датчиков в составе

кластеров, одновременное

(параллельное) преобразование

естественных выходных сигналов датчиков в напряжение, коммутацию и аналогоцифровое преобразование, а также цифровую обработку, включающую определение физических значений координатных составляющих многомерных перемещений с температурной коррекцией результатов. Схема ориентирована на оба класса силовых установок (лопаточных и поршневых). Рассмотрен принцип действия одновиткового вихретокового датчика с чувствительным элементом в виде отрезка проводника и особенности преобразования его выходного сигнала по методу первой производной. Показано, что начало переходного

процесса

при

импульсном

возбуждении

измерительной

цепи

характеризуется наибольшей чувствительностью к изменениям расстояния от поверхности элемента конструкции объекта до чувствительного элемента датчика. Для уменьшения влияний нелинейности датчика и волновых процессов в линиях связи предложены

варианты

дифференциальных

измерительных

цепей

с

дифференцирующим трансформатором (мост Блумлейна) и операционным усилителем в режиме дифференцирования. Для бесконтактной передачи сигналов одновитковых вихретоковых датчиков, расположенных на подвижных элементах конструкций, предложено устройство, совмещающее функции моста Блумлейна с индуктивным токосъемником, в котором дифференцирующий трансформатор и трансформатор питания

моста

выполнены

в

виде

подвижных

и

неподвижных

катушек

и

магнитопроводов, разделенных воздушными зазорами. Разработаны две группы алгоритмов сбора, преобразования и выделения информативного сигнала, которые определяются классом силовой установки. Первая группа алгоритмов используется в системах измерения смещений торцов лопаток, колес ротора, оси вала или опорной поверхности подшипника лопаточных силовых установок. Предусмотрены варианты алгоритмов с адаптацией частоты дискретизации к

скорости

вращения

квазиадаптивный,

а

ротора

также

(в

том

неадаптивный

числе вариант

мультистробоскопический), (с

постоянной

частотой

дискретизации, рассчитанной на максимальную скорость вращения), причем в алгоритме с адаптацией частоты дискретизации получение информации о смещениях торцов всех лопаток, расположенных на диске, осуществляется за один или несколько периодов вращения ротора. Во второй группе алгоритмов, ориентированных на поршневые силовые установки, формирование импульсов питания и преобразование сигналов датчиков в цифровой код производятся одновременно с процессом квантования углового перемещения приводного вала, причем величина шага квантования сохраняется неизменной при различных скоростях вращения вала, а длительность сбора и преобразований не превышает длительность рабочего цикла установки. Систематизированы

алгоритмы

вычисления

координатных

составляющих

многомерных перемещений, зависящие от используемых методов измерения (прямых или совокупных), которые сводятся к непосредственному вычислению искомых составляющих

с

помощью

функций,

обратных

уравнению

преобразования

измерительных каналов, или к решению системы уравнений, каждое из которых представляет функцию преобразования измерительного канала в виде зависимости

кода от всех искомых составляющих. В обоих случаях для их вычисления необходимы найденные значения кода и мешающих факторов. Для

аппроксимации

уравнений

преобразования

(градуировочных

характеристик), учитывающих мешающие факторы и полученных экспериментально, предлагается

использовать

полиномиальные

функции

нескольких

переменных.

Разработаны алгоритм определения коэффициентов аппроксимирующего полинома и реализующая его программа. Исследованы погрешности аппроксимации в зависимости от степеней полинома и числа эталонных значений переменных в исходных данных на примере семейства градуировочных характеристик системы измерения радиальных и осевых смещений ротора. Разработаны алгоритмы вычислений координатных составляющих, которым предшествует процедура температурной коррекции, предусматривающая определение градуировочных характеристик измерительных каналов каждого датчика кластера при рабочей температуре датчика по результатам измерений температуры и исходным градуировочным характеристикам, заранее загруженным в память процессора или ПЭВМ. Процедура вычислений координатных составляющих сводится к решению системы нелинейных уравнений в виде градуировочных характеристик измерительных каналов при рабочих температурах, представленных полиномиальными функциями, по найденным значениям кодов в каждом канале. Для получения решения используется метод итераций, а с помощью моделирования на примере измерения радиальных и осевых смещений колес ротора получены оценки его точности.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ

3.

КООРДИНАТНЫХ И ОЦЕНКИ ФАКТОРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Рассматривается

концепция

интеллектуализации,

предусматривающая

дополнительные функции СИ МП – установление истинности (верификацию) полученных результатов (КС), а также оценку ФКС. Системы базируются на знаниях, представленных моделями поведения объекта и средств измерения, причем основное внимание

в настоящем разделе уделено логическим моделям, построенным в

соответствии с основными положениями теории нечетких множеств. Приведены описания

структурных

вариантов

проблемно-ориентированного

программного

обеспечения (ПО) систем с верификацией в автоматическом режиме и оценкой ФКС, описания алгоритмов их функционирования. Как первый этап интеллектуализации рассматривается также вариант ПО, включающий только средства моделирования и представления результатов, обеспечивающий лишь поддержку процесса верификации (предполагается, что сравнение результатов измерения и моделирования, а также логические выводы производятся самими пользователями).

3.1.

Концепция интеллектуализации

Экспериментальные исследования в стендовых условиях вполне традиционны при создании новых технических объектов. Для их проведения разрабатываются и изготавливаются опытные образцы изделий, комплектуется, дорабатывается и изготавливается специальное стендовое оборудование и измерительная аппаратура, в том числе средства измерения, решающие новые задачи, связанные с программой исследований. Экспериментальные исследования опытных образцов – это, как правило, достаточно сложное мероприятие, интегрирующее деятельность большого коллектива специалистов различного профиля и требующее значительных ресурсов на его реализацию. В общем случае можно выделить три группы специалистов, участвующих в проведении эксперимента: представители разработчиков объекта исследований (РОИ), стендового оборудования (РСО) и систем измерения (РСИ). При этом сам эксперимент состоит из двух основных этапов.

Первый этап характеризуется как пуско-наладочный и завершается тогда, когда исследуемое

изделие

и

стендовое

оборудование

демонстрируют

надежное

функционирование на всех предусмотренных режимах, а представители РОИ, РСО и РСИ уверены в истинности результатов измерения. Второй этап посвящен реализации программы исследований. Его задачи вполне очевидны и направлены на получение и исследование основных параметров работы объекта. Очевидно, что первый этап отличается повышенной сложностью, усугубляемой отказами оборудования и аварийными ситуациями. Решения о прекращении эксперимента

или о его продолжении принимаются на основе полученной

измерительной информации. Между тем, специального времени для отладки средств измерения на работающем объекте обычно не предусматривается из-за высокой стоимости экспериментов и в связи с ограниченным ресурсом опытного образца изделия.

Очевидно,

что

управление

экспериментом

существенно

затрудняют

возможные сбои в измерительных каналах и, как следствие, неполнота и недостоверность информации о поведении объекта исследований. Поэтому уже первые пуски сопровождаются коллективными действиями представителей РОИ, РСО и РСИ по интерпретации полученной измерительной информации, позволяющими выявить, а затем и устранить отклонения в работе изделия, стендового оборудования и средств измерения. Естественно, что по мере их устранения наблюдается спад в активности представителей РСО, задачи которых ограничены созданием условий для проведения эксперимента на стенде. Напротив, интерес представителей РОИ к получению новых знаний об изделии, подтверждающих, опровергающих или корректирующих их первоначальные представления, сохраняется на высоком уровне на обоих этапах. Поэтому в процессе интерпретации измерительной информации в конце первого этапа и на всем протяжении второго основными действующими лицами становятся представители РОИ и РСИ. В основном между ними в процессе интерпретации устанавливается

истинность

полученных

результатов,

т.е.

производится

их

верификация. Верификация может считаться завершенной при достижении согласия между представителями РОИ и РСИ. По вполне понятным причинам, при отсутствии согласия причины расхождений представители

РСИ

склонны

искать

в

поведении

исследуемого

изделия,

а

представители РОИ – напротив, в поведении средств измерения. Казалось бы, сомнения представителей

РОИ

в

правильности

функционирования

систем

измерения

несостоятельны, поскольку перед установкой на стенде в процессе обязательных предварительных метрологических исследований должны подтверждаться основные характеристики системы и, в частности, ее точностные параметры, установленные техническим заданием (ТЗ). Однако, практика экспериментальных исследований объектов новой техники показывает, что факт соответствия технических и метрологических характеристик, указанным в ТЗ, является условием необходимым, но недостаточным. Важную роль при этом играет то обстоятельство, что средства измерения, предназначенные для решения новых задач, появившихся вместе с объектом исследований, разрабатываются и изготавливаются впервые, а начало их апробации фактически совпадает с началом испытаний. Кроме того, возможные состояния объекта исследования и стендового оборудования не могут быть определены полностью до начала испытаний, а потому получение измерительной информации будет

происходить

в

условиях,

не

предусмотренных

ТЗ

(метрологические

эксперименты проводятся в лабораторных условиях, и предусмотреть действия всех мешающих факторов невозможно как по причине их незнания во всей совокупности, так и из-за ограничений лабораторного оборудования по имитации мешающих факторов). Разумеется, достижение согласия невозможно без взаимного проникновения РОИ

РСИ

в те области знаний, которые являются достоянием обеих сторон: представители РОИ и РСИ должны «погрузиться» в методы и средства, на базе которых построена

РСО

система

РСО и РСИ в процессе верификации полученных результатов

а

представители РСИ – в теоретические и реализационные

Рис. 3.1. Обмен знаниями между РОИ,

измерения,

объекта

основы

исследования

оборудования,

и

построения стендового

поддерживающего

эксперимент (рис. 3.1). Овладение этими знаниями

является

трудоемким

процессом. Чаще всего оно происходит в условиях временного дефицита, в процессе общения и зависит от ряда субъективных факторов, в том числе от эрудиции и коммуникабельности основных участников переговоров.

Приобретенные конкретизируются РОИ

РСИ

в

знания

обычно

моделях

поведения

объекта и системы измерения с учетом реальных

режимов

функционирования,

конструктивных особенностей и влияющих факторов. Можно с уверенностью утверждать, что процессу интерпретации и достижению согласия

в

значительной

степени

способствовало бы представление знаний в

РСО

Рис. 3.2. Компьютеризация знаний

РОИ, РСО и РСИ в процессе верификации

виде компьютерных моделей объекта и средств измерения

(рис.

3.2),

наглядное

представление

обеспечивающих протекающих

процессов и удобное сравнение с полученными

результатами [55]. Их применение, в конечном счете, содействовало бы сокращению длительности экспериментальных исследований и связанной с ними экономией ресурсов. Таким образом, включение в состав программного обеспечения СИ средств моделирования поведения объекта и средств измерения позволило бы решить проблему интерпретации получаемой измерительной информации. Более того, если в составе ПО предусмотреть процедуры сравнения результатов моделирования с результатами измерения, а также формирование логических выводов по результатам такого сравнения, то становится возможным осуществлять верификацию в полном объеме и в автоматическом режиме, тем самым полностью решая проблему интерпретации получаемых результатов, что, в свою очередь, является одной из важнейших характеристик интеллектуальных СИ [49]. Верификация

результатов

измерений

является

первым

направлением

интеллектуализации систем измерения многомерных перемещений. Второе направление связано с определением ФКС, т.е. составляющих, вызванных действием одного из множества физических воздействий, которые являются причиной изменений КС. Определение ФКС является предметом основного интереса пользователей. Часть из них можно найти с помощью моделей, другую часть экспериментально. Однако существуют такие ФКС, оценка которых на моделях или чисто экспериментально связана с практически непреодолимыми трудностями. Единственно приемлемым способом оценки таких ФКС является использование

результатов

измерения

КС

с

последующим

вычитанием

ФКС,

найденных

экспериментально, и ФКС, полученных в результате моделирования (раздел 1.3.5). Между тем, модели поведения объекта являются непременными компонентами систем измерения с верификацией результатов, а потому очевидна возможность их использования и в системах, в которых определяются ФКС [52]. На рис. 3.3, а представлена структурная схема СИ МП ЭК силовых установок с верификацией полученных результатов в автоматическом режиме. Она включает средства преобразования и обработки сигналов ОВТД и дополнительных датчиков, а также средства моделирования процесса измерения, сравнения, логических выводов (обеспечивающих верификацию) и средства оценки ФКС. Кластер ОВТД

Силовая установка

Дополн. датчики

Преобразование и обработка сигналов

Сравнение

Логические выводы

Моделиров.

Оценка ФКС

а)

Силовая установка

Кластер ОВТД Дополн. датчики

Представление результатов

Преобразование и обработка сигналов

Моделиров.

Оценка ФКС

б) Рис. 3.3. Структурно-функциональные схемы интеллектуальных СИ КС и оценки ФКС с

верификацией в автоматическом режиме (а) и с поддержкой процесса верификации (б) Моделирование процесса измерения предполагает создание и использование интегрированных моделей объекта, а также средств измерения и обработки с регулируемыми параметрами. Модель объекта, несмотря на значительные упрощения, должна

обладать

возможностью

генерирования

правдоподобной

совокупности

изменяющихся во времени КС МП с учетом параметров состояния объекта, режима работы и окружающей среды. Модель средств измерения и обработки должна обеспечить ввод и вывод измеряемых сигналов, имитировать их искажения, формировать погрешности и функции влияния мешающих факторов. Модели образуют базу знаний, которая должна быть открытой для заполнения новыми моделями,

связанными с неучтенными ситуациями в поведении объекта и системы измерения, а также с появлением новых разновидностей объекта исследований и модернизацией средств измерения. Признавая автоматическую верификацию концептуально, следует подчеркнуть серьезные трудности в ее реализации, которые многократно усиливаются при отсутствии экспериментальных наработок в процессе стендовых испытаний. Вместе с тем, трудности разрешимы при постепенном и распределенном во времени наращивании процедур верификации в составе ПО системы, т.е. в перманентной интеллектуализации системы измерения. Такая интеллектуализация начинается с завершения первого этапа испытаний объекта, когда окончены пуско-наладочные работы в системе измерения, совместными усилиями представителей РОИ, РСО и РСИ накоплен опыт интерпретации результатов измерения и достигнуто согласие об их истинности. С учетом этого опыта определяется состав моделей объекта и средств измерения и осуществляется их разработка. Вводом в ПО моделей, дополненных средствами графического представления результатов измерения и моделирования, ограничивается интеллектуализация системы первой очереди (рис. 3.3, б). Такая система обеспечивает поддержку переговорного процесса в отношении интерпретации и верификации результатов измерения, а также обладает возможностью оценки ФКС МП ЭК силовой установки. В этом случае сравнение результатов измерения с результатами моделирования и логические выводы выполняются самими участниками переговоров и не являются функциями ПО системы.

3.2.

Моделирование в интеллектуализированных системах

Как

отмечалось

в

разделе

3.1,

моделирование

процесса

измерений

предусматривает разработку и использование в составе интеллектуализированных систем как моделей поведения объекта, так и моделей средств измерения. Основная трудность при разработке моделей поведения сложных технических объектов (лопаточных и поршневых силовых установок и происходящих в них процессов) заключается в преодолении противоречия между требованиями возможно большей простоты

описания

и

необходимостью

учета

многочисленных

параметров,

закономерностей, ограничений и взаимосвязей, определяющих работу объекта. Выходом из подобной ситуации может служить модульный принцип построения моделей [85], который предполагает использование семейства взаимосвязанных и взаимодействующих между собой автономных модулей (базисных моделей) с

последующим интегрированием результатов моделирования. Такой подход позволяет использовать и комбинировать как традиционные методы моделирования, так и методы логического моделирования, базирующиеся на представлении информации на качественном уровне, свойственном человеческому мышлению. Наибольший интерес представляют именно методы логического моделирования, так как они позволяют наряду с хорошо формализованными, например, в виде формул, «глубинными» знаниями применять при моделировании «размытые» эмпирические знания и уникальные знания экспертов. Кроме того, как показывает практика, такие модели более прозрачны для понимания и, что особенно важно, требуют меньших вычислительных и временных ресурсов на их решение. Следует

подчеркнуть,

что

не

менее

серьезные

трудности

связаны

с

моделированием применяемых в системах средств измерения. Они усугубляются, прежде всего, тяжелыми, а иногда и экстремальными условиями, в которых находится ОВТД. Учет этих условий (в виде множества функций влияния) теоретически возможен в уравнениях преобразования или в градуировочных характеристиках, полученных экспериментально. Однако, в первом варианте существенно возрастает сложность модели и, как следствие, требуются большие вычислительные и временные ресурсы, а во

втором

–

возрастают

экономические

затраты

на

создание

специального

оборудования для имитации условий применения ОВТД. Поэтому методы логического моделирования

представляются

наиболее

предпочтительными

не

только

для

рассматриваемых силовых установок и их ЭК, но и для средств измерения, входящих в состав системы. В настоящем разделе логическому моделированию уделено основное внимание – приведено описание методики и алгоритма построения логических моделей, а также пример модели упругой деформации колеса ротора. Разработанная модель включена в базу знаний интеллектуализированной СИ смещений ротора (раздел 3.3.4), а также ее реализации, используемой для испытаний уплотнителей (раздел 4.1.5). На основе той же методики и того же алгоритма построена логическая модель поведения ЭК ШП поршневой силовой установки и логическая модель средств измерения,

позволяющая

оценить

температурные

погрешности

датчиков,

установленных в шейке ШП. Модели ориентированы на применение в составе проблемно-ориентированного ПО, представленного в разделе 3.3.2, а их описания можно найти в [50, 53, 60].

Кроме логических моделей были разработаны и вполне традиционные аналитические и численные модели поведения объекта. В их числе аналитическая модель упругой деформации и численная модель термической деформации ротора, предназначенные для использования в составе ПО СИ координатных и оценки факторных составляющих МП ЭК лопаточных силовых установок (раздел 3.3.3), а также численная модель поведения ЭК ШП, обеспечивающая анализ изменений смещений центра вкладыша относительно шейки коленвала, и геометрическая модель вкладыша, которые ориентированы на применение в составе ПО, представленного в разделе 3.3.2. Вместе с тем, необходимо подчеркнуть, что разработанные модели не претендуют на самостоятельную значимость в предметной области, связанной с объектами

исследований,

поскольку

их

применение

ограничено

системными

функциями – верификацией и оценкой ФКС. На нынешнем этапе разработки – это, как правило, существенно упрощенные демонстрационные модели, стимулирующие к сотрудничеству представителей РОИ и РСО в направлении совершенствования разработанных и создания новых моделей объектов исследования, более адекватных уровню знаний РОИ и РСО и их профессиональным интересам. На основании изложенного описания

перечисленных

моделей

ЭК (за

исключением логической модели упругой деформации колеса ротора) в книгу не включены, но с ними можно ознакомиться в [60]. 3.2.1. Логические модели. Методика и алгоритм построения

В работе [51] была рассмотрена возможность построения логических моделей сложных технических систем, базирующихся на описании их поведения на представительном языке, позволяющем дать качественное толкование происходящих в них процессов, свойственное человеческому мышлению. При этом построение средств логического моделирования предполагалось вести на основе экспертного подхода с использованием

традиционной

логики.

Однако,

такой

подход

не

является

единственным. В качестве альтернативы можно предложить использование теории нечетких множеств. В пользу последнего говорит тот факт, что, несмотря на требования к точным определениям, эксперты очень часто используют «нечеткие» интуитивные оценки (например, «сильно», «слабо» и т.д.). А это значит, что при поиске некоторых решений нечеткие методы, в отличие от традиционных, могут использовать более широкое и богатое множество данных, а также оперировать с ними.

Модели поведения объекта и его ЭК, построенные на основе теории нечетких множеств, представляют собой описание изменений КС, учитывающие влияние определенного

параметра

(оборотов,

температуры,

давления

и

т.д.).

При

моделировании текущие значения исходных параметров могут задаваться как априорно (особенности конструкции), так и поступать с различных средств измерения в ходе эксперимента (температура, давление). При построении таких моделей можно выделить ряд этапов, в том числе получение исходных данных посредством опроса экспертов (приобретение знаний), формализацию полученных качественных знаний и реализацию алгоритма построения функции принадлежности. В процессе приобретения знаний важную роль играет «поле знаний» [86], в котором содержатся основные понятия, используемые для установления связей между ними. «Поле знаний» связано с концептуальной моделью проблемной области, где еще не учтены ограничения, которые неизбежно возникают при формальном представлении знаний в базе знаний. Необходимо отметить, что переход непосредственно к формальным представлениям без этапа концептуального описания в «поле знаний» приводит к многочисленным ошибкам, что замедляет процесс формирования базы знаний. Процесс концептуального описания предметной области представляет собой отдельную задачу и существует несколько способов извлечения знаний из экспертов (протокольный анализ, интервью, игровая имитация профессиональной деятельности), каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки. Далее, полученные качественные знания об объекте или средствах измерения необходимо

формализовать.

В

качестве

одного

из

способов

формализации

качественных знаний могут выступать некоторые положения теории нечетких множеств. В этом случае задача решается путем построения функций принадлежности, которые представляют собой отображения переменных логической модели в нечеткие множества. При этом можно выделить две группы методов построения функций принадлежности: прямые и косвенные. В прямых методах эксперт непосредственно задает правила определения функции принадлежности, а в косвенных – значение функции принадлежности выбирается таким образом, чтобы удовлетворять заранее сформулированным условиям (например, в качестве дополнительного условия может служить отражение функцией принадлежности близости к заранее выделенному эталону). Учитывая тот факт, что понятия, используемые при построении логических моделей, в основном характеризуются измеримыми признаками (массой, объемом,

температурой, зазором и т.д.), то целесообразно использовать прямые методы построения функции принадлежности, т.е. ее непосредственное задание. Необходимо отметить, что функции принадлежности могут отражать мнение как некоторой группы экспертов, так и мнение одного уникального эксперта. Завершающим этапом разработки логической модели является реализация алгоритма построения функции принадлежности. На

1 Начало

рис.

обобщенная 2

Новая модель? 4 Нет Загрузка модели с магнитного носителя

3.4

представлена

блок-схема

алгоритма

построения и расчета логических моделей,

Да 3 Описание логической модели, формирование базы правил

5 Ввод исходных данных 6 i:=1..I

базирующихся на основных положениях теории

нечетких

предполагает моделей,

множеств.

использование

Алгоритм логических

реализованных

многовходового

в

виде

контроллера,

и

предусматривает как создание и описание 7

Поиск нечетких множеств, которым принадлежат исходные данные 8 Поиск правил и объединение их в одно решение 9 Преобразование результата в числовой вид и запоминание в вых. массиве 10 Конец

новых

логических

моделей,

так

и

возможность загрузки разработанных ранее. Эти операции осуществляются в блоках 3, 4 алгоритма и детально не рассматриваются. Процесс расчета модели предваряет ввод

количества

точек,

в

которых

необходимо произвести расчет и задание массивов значений по входам модели в каждой точке (блок 5). Блоки 6-9 образуют

Рис. 3.4. Алгоритм формирования и

цикл расчета по заданному числу точек. На

расчета логических моделей

первом шаге (блок 7) для каждого значения на входах модели осуществляется поиск

термов (нечетких множеств), которым это значение принадлежит, и определяются степени принадлежности каждому терму. Следующим этапом работы алгоритма (блок 8) является поиск правил, соответствующих найденным на предыдущем этапе нечетким оценкам. Ввиду их малого количества, поиск производится методом простого перебора содержимого базы правил. Обычно, в результате подобного перебора находится несколько правил,

приводящих к конечному результату. Общее решение получается путем объединения правил. На завершающем этапе работы алгоритма (блок 9) проводится преобразование результата расчета из символьного в числовой вид (дефаззификация) и запоминание его в

результирующем

массиве.

При

этом,

программно

был

реализован

метод

дефаззификации, основанный на поиске центра тяжести результирующего нечеткого множества [87]. 3.2.2. Примеры реализации логических моделей

Предложенный выше подход к построению логических моделей поведения объекта и средств измерения рассматривается на примере моделирования изменений РЗ между колесом ротора и статором лопаточной силовой установки, обусловленных упругими деформациями деталей ротора силовой установки. Логическая модель реализована в

n

Упругие деформации деталей ротора

dn

виде

c

двухвходового

нечеткого

контроллера, где значение оборотов (n) и направление их изменения (dn) являются

Рис. 3.5. Логическая модель в виде

двухвходового нечеткого контроллера

входными

лингвистическими

переменными, а значение изменения зазора (c) – выходной переменной.

При задании термов лингвистических переменных использовались стандартные функции принадлежности Z-типа, S-типа и λ-типа [51]. Поиск решения модели осуществлялся

в

соответствии

с

правилами

MAX-MIN

композиции,

а

для

дефаззификации результата расчета модели использовался метод компромиссного поиска решения (метод центра тяжести). Очень µn низкие

Низкие

Средние

Высокие

Очень высокие

Имя терма «Очень низкие» «Низкие» «Средние»

n, об/мин 0

n1

n2

n3

n4

«Высокие» «Очень высокие»

Узловые точки (0, 1); (n1, 0); (∞, 0) (0,0); (n1, 1); (n2, 0); (∞, 0) (0, 0); (n1, 0); (n2, 1); (n3, 0); (∞, 0) (0, 0); (n2, 0); (n3, 1); (∞, 0) (0, 0); (n3, 0); (n4, 1); (∞, 1)

Рис. 3.6. Термы лингвистической переменной «ОБОРОТЫ» (n)

Лингвистическая переменная «ОБОРОТЫ» (n) может принимать значения: «очень низкие», «низкие», «средние», «высокие» и «очень высокие». На рис. 3.6 приведена расстановка термов лингвистической переменной n и значения узловых

точек их функций принадлежностей µn. При этом значения n1…n4 зависят от конкретного вида силовой установки. Лингвистическая

переменная

«ИЗМЕНЕНИЕ

ОБОРОТОВ»

(dn)

может

принимать значения: «отрицательное», «нулевое», «положительное». На рис. 3.7 приведена расстановка термов лингвистической переменной dn и значения узловых точек их функций принадлежностей µdn. Значения dn1, dn2 определяются конкретным видом силовой установки. Отрицательное

µdn

Нулевое

Имя терма «отрицательное»

Положительное

«нулевое» dn 0

dn1

«положительное»

dn2

Узловые точки (-∞, 1); (dn1, 1); (0, 0); (∞, 0) (-∞,0); (dn1, 0); (0, 1); (dn2, 0); (∞, 0) (-∞, 0); (0, 0); (dn2, 1);(∞, 1);

Рис. 3.7. Термы переменной «ИЗМЕНЕНИЕ ОБОРОТОВ» (dn)

Лингвистическая переменная «ИЗМЕНЕНИЕ ЗАЗОРА» (c) может принимать значения:

«очень

отрицательное»,

«отрицательное»,

«нулевое»,

«очень

положительное», «положительное». На рис. 3.8 приведена расстановка термов лингвистической

переменной

c

и

значения

узловых

точек

их

функций

принадлежностей µс. Базовая переменная для лингвистической переменной «ЗАЗОР» (c1...c4) выбирается исходя из конкретного вида силовой установки. µс

Очень Очень отрицательное Отрицательное Положительное положительное

Имя терма «очень отрицательное» «отрицательное» «нулевое»

c, мм c1

c2

0

c3

c4

«положительное» «очень положительное»

Узловые точки (-∞, 1); (c1, 1);(c2, 0); (∞, 0) (-∞,0); (c1, 0); (c2, 1); (0, 0); (∞, 0) (-∞, 0); (c2, 0); (0, 1); (c3, 0); (∞, 0) (-∞, 0); (0, 0); (c3, 1); (c4, 0); (∞, 0) (-∞, 0); (c3, 0); (c4, 1); (∞, 1)

Рис. 3.8. Термы лингвистической переменной «ИЗМЕНЕНИЕ ЗАЗОРА» (c)

База правил нечеткой логической модели представлена в табл. 3.1. Аналогичным образом построены и другие логические модели лопаточных силовых установок, в частности, модель изменений РЗ, обусловленных термическими деформациями деталей ротора, логическая модель поведения ШП [53] и логическая модель средств измерения в ШП [50, 60].

База правил нечеткой логической модели «ЕСЛИ» dn n «нулевое» «очень низкие» «нулевое» «низкие» «нулевое» «средние» «нулевое» «высокие» «нулевое» «очень высокие» «отрицательное» «низкие» «отрицательное» «средние» «отрицательное» «высокие» «положительное» «низкие» «положительное» «средние» «положительное» «высокие» «отрицательное» «очень низкие» «отрицательное» «очень высокие» «положительное» «очень низкие» «положительное» «очень высокие»

3.3.

Программное

обеспечение

Таблица 3.1 «ТО» c «нулевое» «нулевое» «нулевое» «нулевое» «нулевое» «отрицательное» «отрицательное» «отрицательное» «положительное» «положительное» «положительное» «отрицательное» «отрицательное» «положительное» «положительное»

интеллектуализированных

систем измерения Рассматриваются два подхода к построению ПО и на основе анализа предпочтение отдается проблемно-ориентированному ПО. Приводятся примеры структурных вариантов проблемно-ориентированного ПО интеллектуализированных СИ и описание алгоритмов его функционирования. 3.3.1. Два подхода к построению программного обеспечения

ПО предназначено для управления процессами измерения и обработки измерительной информации, проведения верификации, включающей моделирование поведения ЭК объекта и средств измерения, а также оценки ФКС. Предлагаются два варианта подхода к построению ПО. Согласно первому (рис. 3.9) создается единая программная оболочка, в которой предусматривается управление процессами измерения КС, верификации полученных результатов и осуществляется оценка ФКС. Настройка на конкретный вид силовой установки, ЭК и режим испытаний производится с помощью программы «Конфигурирование». В ее задачи входит настройка как измерительной части, так и части, связанной с верификацией и оценкой ФКС.

Силовая установка Конфигурирование

Верификация Оценка ФКС Измерение КС

База драйверов средств измерения

База алгоритмов

База моделей

Пользователь

Управление

База данных: результаты измерения КС, оценки ФКС и верификации

База знаний

Рис. 3.9. Структурная схема, поясняющая универсальное ПО

Выбор программы управления измерениями (программа «Измерение КС») осуществляется из базы знаний («База драйверов»). Для каждого модуля системы разрабатывается свой драйвер в соответствии с правилами, определяемыми средствами управления программной оболочки. В частности, драйвер может представлять собой набор стандартных программ опроса, фильтрации, преобразования кода к физическому параметру и других, реализованных для данного набора модулей в системе и выполняемых в определенной последовательности. Настройка процедур «Верификация» и «Оценка ФКС» осуществляется путем выбора соответствующих алгоритмов из базы знаний («База алгоритмов»). Настройка процедур моделирования осуществляется путем построения схемы моделей, представляющей собой совокупность автономных модулей («База моделей»), связанных между собой и с данными, получаемыми от средств измерения. В предельном случае для решения задачи оценки ФКС и верификации измерительной информации в составе схемы может оказаться достаточно одной единственной модели, выбранной из базы знаний. По завершении процедуры конфигурирования формируется файл, который является входным для блока «Управление» программной оболочки. В соответствии с информацией,

заложенной

в

файле

конфигурации,

производится

управление

процессами измерения, верификации и оценки ФКС. Полученные результаты накапливаются в базе данных. Предполагается, что перечисленные базы драйверов, моделей и алгоритмов в состоянии обслуживать технические средства, процедуры «Измерение КС», «Верификация» и «Оценка ФКС» в системах, ориентированных как на лопаточные, так и на поршневые силовые установки, на соответствующие им совокупности ЭК, виды и режимы испытаний. В этой связи структуру, представленную на рис. 3.9, можно классифицировать как универсальный вариант ПО. Однако, его реализация отличается повышенной сложностью и трудоемкостью при детальной разработке и последующей отладке.

Второй вариант ПО поясняет структурная схема, представленная на рис. 3.10. В отличие от рассмотренной схемы блоки «Измерение КС», «Верификация» и «Оценка ФКС» представляют собой независимые программные комплексы, предусматривающие возможность взаимного обмена данными, который может осуществляться либо через файловую систему, либо через механизмы динамического обмена данными. Внутри каждого из перечисленных блоков предусмотрены автономное конфигурирование и управление при наличии соответствующих баз драйверов, моделей и алгоритмов (блоки локального управления и конфигурирования на рис. 3.10 не показаны). Функции блока «Общесистемное управление» в основном ограничены обменом данными. Силовая установка

Измерение КС

Оценка ФКС

Общесистемное управление

База драйверов средств измерения

База алгоритмов Верификация

База моделей

База данных: результаты измерения КС, оценки ФКС и верификации

Пользователь

Рис. 3.10. Структурная схема, поясняющая проблемно-ориентированное ПО

Независимость блоков обеспечивает также независимую и разновременную их реализацию. При этом отчетливо просматривается их ориентация на конкретный вид силовой установки. Действительно, в настоящее время практически завершена разработка технических и основных компонентов программных средств СИ в вариантах, предназначенных для испытаний лопаточных силовых установок и их ЭК, а также в варианте, предназначенном для испытаний поршневых силовых установок [44, 46-48, 54-56]. Существующие разработки программ «Верификация» и «Оценка ФКС» также связаны с конкретными ЭК лопаточных и поршневых силовых установок, с определенными видами их испытаний и режимов работы. Поэтому структуру, представленную

на

рис.

3.10,

можно

классифицировать

как

проблемно-

ориентированный вариант ПО. Его реализация представляется менее трудоемкой (по сравнению с универсальным (рис. 3.9)) и в этой связи более перспективной. Ниже приводятся описания проблемно-ориентированного ПО систем измерения КС с верификацией и оценкой ФКС, предназначенных для использования в испытаниях как лопаточных, так и поршневых силовых установок. Рассматриваются структуры и

функционирование ПО, причем основное внимание уделено процедурам, связанным с верификацией и оценкой ФКС. 3.3.2. Программное обеспечение системы измерения смещений центра вкладыша шатунного подшипника (с верификацией полученных результатов)

Упрощенная структурная схема проблемно-ориентированного ПО системы измерения представлена на рис. 3.11 [54]. В схеме не показаны блоки системного и локального управления, базы драйверов средств измерения, базы моделей и алгоритмов верификации, блоки конфигурирования и настройки на конкретный вид испытаний, формирования исходных данных. В составе программного комплекса

«Измерение

КС»

Получение измерительной информации

Коды измеренных параметров

Расчет физических значений

блок «Получение измеритель-

Физические значения зазоров

ной информации» объединяет программы

Данные о параметрах объекта и средств измерения

аналоговых

Вычисление КС

преобразований, коммутации и аналого-цифрового преобразования,

результатом

которых

Градуировочные характеристики

Физические значения КС

ИЗМЕРЕНИЕ КС ВЕРИФИКАЦИЯ

являются коды, соответствую-

Выбор ЭК для верификации

Вывод результатов измерения

Результаты измерения в выбранном ЭК

Выбор способа верификации

щие зазорам в контролируемых подшипниках. Далее обеспечивается обработка

предварительная данных,

расчет

физических значений зазоров,

Выбор модели

Преобразование результатов измерения в символьный вид

Выбор модификации способа

Расчет модели

Данные о параметрах объекта и средств измерения

Расчетные операции

Результаты моделирования символьном виде

Коррекция данных

Результаты моделирования в числовом виде

Посимвольное сравнение

Результаты эксперимента, подготовленные к сравнению

Выбор способа сравнения

Сравнение результатов

вычисление КС и деформаций вкладыша. значения

Полученные зазоров

представляются

и в

КС виде

массивов данных и выбранных

Вывод результатов верификации

угловых положений коленвала

Рис. 3.11 Структура ПО системы измерения с

на протяжении рабочего цикла.

верификацией полученных результатов

Основу программного комплекса «Верификация» составляют программы моделирования и сравнения, запуску которых предшествует выбор подшипника,

результаты измерения в котором подлежат верификации. В процессе выполнения этой процедуры из всего массива данных формируются новые массивы, которые содержат результаты, относящиеся к выбранному пользователем подшипнику. Последующие действия пользователя связаны с выбором способа верификации. Существуют два способа. Первый предусматривает сравнение результатов измерений с результатами моделирования.

В

соответствии

со

вторым

способом

сравниваются

только

экспериментальные данные. Если пользователем выбран первый способ верификации, то ему предстоит очередной выбор, осуществляемый программой «Выбор модели». Результатом выбора являются три разновидности моделей – численно вычисляемые, логические и комбинированные [53]. Их программные реализации хранятся в базе моделей и могут быть затребованы в соответствии с поставленной перед пользователем задачей. В зависимости от выбранной модели результаты расчетов могут быть представлены как в числовом, так и в символьном виде. Если результаты моделирования представлены в числовом виде, то они вместе с результатами измерений поступают на блок «Сравнение результатов», где в соответствии с выбранным способом производится сравнение данных. Если результаты моделирования представлены в символьном виде, то необходима фаззификация результатов измерений (приведение к символьному виду). Процедура сравнения производится в блоке «Посимвольное сравнение». Второй

способ

верификации,

предусматривающий

сравнение

экспериментальных данных, определяется режимом испытаний, особенностями конструкции объекта и средств измерения. После выбора модификаций этого способа производятся соответствующие расчетные операции и коррекция данных, которые завершаются подготовкой двух идентичных по структуре массивов данных. Эти данные поступают в блок «Сравнение результатов». Следует отметить, что структура ПО, представленная на рис. 3.11, сохраняется в системах, предназначенных для измерения МП других ЭК не только поршневых, но и лопаточных силовых установок. Однако, содержание рассмотренных процедур изменяется. Определение формы вкладыша, его деформации и КС. Предполагается, что в шейке коленвала установлены две пары ОВТД и измерения ведутся в соответствии с методом и алгоритмами, изложенными в разделах 1.4.2, 2.3.2, 2.4.2. Отклонения формы профиля внутренней поверхности вкладыша от окружности происходят в процессе сборки и могут быть определены в режиме «холодной» прокрутки. Найденные

значения запоминаются и учитываются далее при обработке данных на «горячей» прокрутке. На «горячей» прокрутке происходит как дополнительное смещение центра вкладыша, так и его деформация. Два ОВТД из четырех будут всегда находиться в зоне, где нет деформации. По их показаниям находят КС после исключения влияния отклонения исходной формы профиля от окружности с помощью ранее полученных в режиме «холодной» прокрутки результатов. С учетом найденных КС может быть определена деформация в зоне контроля ОВТД, располагающихся в пределах угла приложения сил, то есть в зоне деформации. Наличие скосов на внутренней поверхности вкладыша ШП, примыкающей к торцу, зона стыков и недостаточная локализация электромагнитного поля ОВТД приводят к тому, что результаты измерения зазора, относящиеся к области, лежащей в пределах приблизительно ± 30 град. от стыка, не могут быть использованы для последующей обработки и должны быть отбракованы (для каждого из четырех ОВТД известно при каком угле поворота коленвала замеры придутся на область, где погрешность результатов измерения недопустимо высока). Преобразование результатов логического моделирования к числовому виду (дефаззификация) заключается в присвоении элементам символьных массивов их числовых эквивалентов, а также в вычислении величин, соответствующих результатам моделирования [50, 53, 87]. Преобразование результатов измерения к символьному виду применяется в случае, если результаты моделирования представлены в символьном, а не в численном виде. Оно состоит из трех этапов: загрузки и подготовки числовых данных, вычисления границ действия квантификаторов [88] и формирования символьного массива. На первом этапе формируются рабочий и вспомогательный числовые массивы, элементами которых являются значения, вычисленные в зависимости от способа представления результатов моделирования (текущие значения, скорость изменения входных данных и т.п.), и округленные значения тех же величин (градации), соответственно.

Элементы

рабочего

массива

используются

далее

на

этапе

преобразования их в символьный массив, а элементы вспомогательного массива – на этапе вычисления границ действия квантификаторов. Второй этап заключается в вычислении частоты появления каждой из градаций вычисленных величин, вероятности ее появления и формировании функции плотности распределения, после чего вычисляется площадь, заключенная под полученной кривой плотности распределения. Далее определяются площади фигур, соответствующие

каждому из квантификаторов, определяются границы действия квантификаторов, а также их числовые эквиваленты, что необходимо для представления символьных характеристик в графическом виде. На третьем этапе происходит формирование выходного символьного массива, что производится путем анализа каждого из элементов рабочего массива на попадание в зону действия того или иного квантификатора, в результате чего элементы числового массива заменяются соответствующими символами. Далее рассматриваются примеры процедур, которые на рис. 3.11 названы «Расчетные операции» и «Коррекция данных». Подготовка массивов данных,

1

полученных

Начало 2

Загрузка входных параметров

М - количество элементов в массивах данных

ОВТД

(рис.

3.12),

позволяет подготовить к сравнению результаты

3

m=1..M

измерения

зазоров,

полученных парами противоположных

4

Вычисление угловых положений ψ[m] и β[m]

с

ψ - угол поворота вала β - угол отклонения оси шатуна

ОВТД. «Расчетные операции» сводятся к вычислению сумм соответствующих

5

величин зазоров. «Коррекция данных»

6

(блоки 8, 9) включает в себя учет

m=1..M Создание массивов сумм показаний датчиков

7

m=1..M

8

влияния угла отклонения шатуна на угловое положение вкладыша (раздел 1.4.1),

для

чего

значения

углов

поворота вала суммируются (блок 6) с

Коррекция элементов 1-го массива с учетом β 9

Коррекция элементов 2-го массива с учетом β

10

Сдвиг элементов 2-го массива на π/2 11

Конец

Рис. 3.12. Блок-схема процедуры

подготовки массивов данных

соответствующими им предварительно вычисленными в блоке 4 значениями угла

отклонения

массивы отсчеты

шатуна.

результатов которых

неравномерный

шаг

Затем

измерения,

стали

иметь

дискретизации,

преобразуются к дискретным массивам

с равномерным шагом. Кроме того, в блоке 10, производится перестановка элементов одного из массива таким образом, чтобы сравнивались измерения, проведенные над одним и тем же местом вкладыша.

Расчет

1

траектории

центра вкладыша (рис. 3.13). Исходными

Начало 2

данными,

загружаемыми

3

являются

массивы

4

течение

рабочего

Загрузка входных данных

смещения

М - количество элементов в массивах данных

m=1..M/2 Вычисление величины смещения на 1 обороте

КС,

в

блоке

найденных

цикла

2, в

силовой

установки, которым соответствуют два 5

оборота коленвала. «Расчетные операции»

Вычисление величины смещения на 2 обороте

включают вычисление смещений сначала

6

на первом, а затем на втором обороте

Конец

Рис. 3.13. Блок-схема процедуры расчета

траектории смещения центра вкладыша

коленвала (блоки 4, 5). Коррекция данных в

рассматриваемой

процедуре

не

производится.

В блоки числового и символьного сравнения (рис. 3.11) поступают массивы данных, приведенные к единому виду, и состоящие из одинакового количества элементов, имеющих одинаковую размерность. Входными параметрами процедур сравнения являются количество элементов в сравниваемых массивах и величина допуска, превышение которого свидетельствует о несовпадении сравниваемых величин. Выходные параметры – массив результатов сравнения и массив атрибутов истинности сравниваемых значений. Числовое

сравнение.

Для

сравнения

числовых

данных

используются

программные реализации процедур сравнения результатов: по текущим значениям, по скорости изменения входных данных с использованием операции сглаживания по трем точкам, а также по интегральным значениям, вычисляемым между соседними отсчетами [53]. Обобщенная блок-схема процедуры сравнения представлена на рис. 3.14, а. Она содержит блок ввода входных параметров, цикл вычислений сравниваемых величин, которые производятся в зависимости от способа сравнения (блоки 4, 5), блок вычисления разности соответствующих величин и ее сравнения с величиной допуска Dop (блок 7), блоки присваивания атрибута истинности и формирования выходных массивов (блоки 8, 9 соответственно). На рис. 3.14, б приведена блок-схема одной из процедур сравнения амплитуд гармонических составляющих результатов на протяжении рабочего цикла поршневой силовой установки, полученных на основе преобразования Фурье. Программная реализация предусматривает возможность сравнения амплитуд до 256 гармонических составляющих при возможности задания аналогичного числа допусков (по усмотрению

1

Начало

1

2

Начало Загрузка входных данных

2

Загрузка входных данных

М - количество элементов в массивах данных

К - количество гармоник 3

k=1..K

3

m=1..M

4

Вычисление амплитуды k-ой гармоники 1-ой зависимости

4

Вычисление сравниваемых величин 1-ой зависимости

5

Вычисление амплитуды k-ой гармоники 2-ой зависимости

5

Вычисление сравниваемых величин 2-ой зависимости

6

6

Вычисление разности полученных значений

7

Формирование выходных массивов

Вычисление разности полученных значений Да

7

Нет

Результат>Dop

8

8 Да

Присвоение данным атрибута истинности

Нет

Результат>Dop[k]

9

Присвоение данным атрибута истинности

9

Формирование массивов результатов сравнения

10

Формирование массива атрибутов

10

Конец

11

Конец

а)

б) 1

М

- количество элементов в массивах данных ; ссмод- символьный массив результатов моделирования ссизм- символьный массив результатов измерений

Начало 2

Загрузка входных данных 3

m=1..M 7 Нет

Да

с смод [m]= ссизм [m]

8

Присвоение данным атрибута истинности 9 Формирование массивов результатов сравнения

6

Конец

в) Рис. 3.14. Блок-схемы процедур числового сравнения (а), сравнения амплитуд гармонических составляющих (б) и символьного сравнения (в) пользователя). Выходными параметрами данной процедуры являются спектры входных характеристик и массив разности величин их гармоник. Символьное сравнение (рис. 3.14, в) заключается в проведении анализа на совпадение соответствующих символов исходных массивов. В случае их идентичности

в выходной массив заносится символ атрибута истинности. Массив результатов сравнения в данной процедуре не формируется. 3.3.3. Программное обеспечение системы измерения координатных и оценки факторных составляющих (смещений вала, деформаций ротора и статора)

На рис. 3.15 представлена Получение измерительной информации

ИЗМЕРЕНИЕ КС

Расчет физических значений КС

Градуировочные характеристики

Физические значения КС

Вывод результатов измерения

структурная

схема

ориентированного ПО, в которой детализируются комплексы

ОЦЕНКА ФКС

Выбор модели

Расчет модели

Результаты моделирования

Оценка ФКС комбинированным методом

«Измерение

КС»

и

что комплекс «Верификация» (рис. в

рассматриваемой

схеме

отсутствует (хотя и возможен), а

Выбор режима работы силовой установки

Результаты эксперимент. оценки ФКС

программные

«Оценка ФКС». Предполагается, 3.10)

Выбор способа оценки

Выбор ФКС

проблемно-

Результаты оценки ФКС на основе модели

программные

блоки

«Системное

управление»,

«Базы

драйверов»,

«Базы

моделей»

на

схеме

не

обозначены. Не показаны и блоки

Результаты оценки ФКС комб. методом

локального управления и конфигуВывод результатов

рирования, осуществляющие как настройку алгоритмов на заданный

Рис. 3.15. Структурная схема ПО системы

измерения КС и оценки ФКС МП ЭК лопаточных

режим

работы,

и

обеспечивающие управление процессами

силовых установок

так

измерения,

моделиро-

вания, верификации и оценки ФКС. В состав программного комплекса «Измерение КС» входит блок «Получение измерительной

информации»,

преобразованием

и

осуществляющий

коммутацией

измерительных

управление каналов,

аналоговым

аналого-цифровое

преобразование сигналов и их обработку в соответствии с алгоритмами, описания которых приведено в разделах 2.3.1, 2.4.2, 2.4.3. Полученные значения КС запоминаются

в

соответствующих

массивах

данных,

сохраняются

в

базе

экспериментальных данных и выводятся на монитор и периферийные устройства.

Процессом графического представления результатов измерения управляет блок «Вывод результатов». Программный комплекс «Оценка ФКС» содержит блоки, обеспечивающие выбор модели (схемы моделей) в соответствии с решаемыми задачами («Выбор модели»), собственно расчет моделей («Расчет моделей») и блок сохранения и представления результатов моделирования в табличной или графической форме. В процессе моделирования в качестве исходных данных могут использоваться КС и другие выходные параметры комплекса «Измерение КС» в виде соответствующих массивов данных. Другая часть исходных данных для моделирования задается на этапе конфигурирования (конструктивные особенности установки). Последующие операции связаны с выбором ФКС, определение которых входит в круг решаемых задач, и выбором конкретного способа их оценки (блоки «Выбор ФКС» и «Выбор способа оценки ФКС»). Согласно [52] предусмотрена экспериментальная оценка ФКС, оценка на основе моделирования и комбинированный способ оценки, когда искомая составляющая определяется по разности результатов измерения и моделирования. Наряду с интерактивным выбором способа оценки ФКС возможны варианты, когда реализующие их алгоритмы выбираются автоматически. Однако, автоматический выбор применяется только тогда, когда оценка ФКС производится единственным способом. В случае выбора способа экспериментальной оценки ФКС блок «Выбор режима работы силовой установки» в интерактивном режиме предлагает пользователю осуществить пуск силовой установки в требуемом режиме работы, обеспечивает замер и необходимые расчеты. Результат запоминается в буферных массивах, фиксируется в базе знаний и выводится на экран монитора и/или другие периферийные устройства. В режиме определения ФКС на основе модели блок «Выбор способа оценки» посылает управляющее воздействие в блоки «Выбор модели» и «Расчет модели». Результаты моделирования и оценки ФКС запоминаются в буферных массивах, фиксируются в базе знаний и выводятся на экран монитора и/или другие периферийные устройства. Оценка ФКС с использованием комбинированного способа предполагает последовательное выполнение операций сначала в соответствии с экспериментальным способом оценки ФКС, затем в соответствии со способом оценки на основе модели. Управление этим процессом осуществляется в блоке «Оценка ФКС на основе комбинированного метода». Далее формируется результат интегральной оценки ФКС,

который также фиксируется в базе знаний и выводится на экран монитора и/или другие периферийные устройства. Необходимо подчеркнуть, что использование структуры ПО (рис. 3.15) не ограничивается решением задач, связанных с измерением смещений вала и оценками деформаций ротора и статора. Она применима для решения других задач при исследованиях как лопаточных, так и поршневых силовых установок. Дальнейшая 1

рассмотренных

2

блок-схем алгоритмов приводится ниже.

Выбор оцениваемой ФКС

Конкретному изложению этих процедур

Начало

предшествует

3 Выбор режима оценки

7

На основе модели?

Да

4

Комбиниров.? Да Эксперимент. определение ФКС

Да Эксперимент. определение ФКС

6

Определение ФКС на основе модели

Нет

описание

на

уровне

обобщенного

5

представлена

на

рис.

соответствует

идеологии

3.16

и

«мастера»,

интерактивно управляющего действиями пользователя.

8

Работа алгоритма начинается с

9

выбора оцениваемых ФКС (блок 2). Пользователю

10

предлагается

выбрать

режим оценки (блок 3) и, в зависимости

Определение ФКС на основе модели

от выбора, алгоритм разветвляется на

11 Формирование интегральной оценки ФКС

Да

процедур

алгоритма оценки ФКС. Его блок-схема

На основе эксперим.?

Нет

детализация

три направления (блоки 5, 6 и 8-11 соответственно). Продолжить? Нет

При

выборе

12

экспериментального режима или режима

13

оценки

Конец

Рис. 3.16. Обобщенная блок-схема

алгоритма определения ФКС

ФКС

на

запускаются подпрограммы. комбинированного

основе

модели

соответствующие В

случае

выбора

способа

оценки

происходит последовательный

запуск

сначала подпрограмм экспериментальной оценки ФКС (блок 9), затем подпрограмм оценки ФКС на основе модели (блок 10), после чего производится формирование интегральной оценки (блок 11). Процедура экспериментальной оценки смещения вала в опорных подшипниках (Эта и последующие процедуры соответствуют методу оценки ФКС, приведенному в разделе 1.3.5). Смещение вала в подшипниках связано с образованием масляного клина,

индивидуально для каждой установки, и его оценка возможна с помощью специального эксперимента, блок-схема процедуры проведения которого и дальнейших расчетов приведена на рис. 3.17. В качестве исходных данных (блок 2) 1

используются: радиус лопаточного венца ротора,

Начало 2

внутренний радиус статора, границы возможного

Ввод исходных данных

изменения РЗ, а также количество опросов в замере

3 Инициализация начальных условий 4 Запуск установки в режиме «холодной прокрутки»

(I). На следующем этапе, в блоке 3, проводится инициализация счетчиков и расчет РЗ в нормальных условиях. Для исключения влияния пластических

i:=1..I

деформаций на результат оценки, пользователю предлагается «холодной»

запустить прокрутки

установку от

в

стартера.

6 Замер и расчет РЗ, формирование массива измеренных значений

режиме Контроль

7 Отбраковка

режима осуществляется по значениям оборотов (блок 4). Для исключения биений и вибраций

8 Усреднение результатов измерения

производится многократный опрос с отбраковкой и фильтрацией

результатов

измерений.

9 Определение смещен. вала в подшипнике 10 Конец

Данные

процедуры осуществляются в блоках 5-8. Конечный результат

оценки

смещения

вала

в

опорных

подшипниках определяется в блоке 9, как разность РЗ,

измеренного

в

ходе

эксперимента

5

Рис. 3.17. Блок-схема

процедуры оценки смещения вала

и

в опорных подшипниках

определенного в нормальных условиях. Процедуры

оценки

упругих

деформаций

деталей

ротора

на

основе

моделирования. К ФКС, оцениваемым на основе моделирования, относятся те из них, поведение которых достаточно хорошо прогнозируется при воздействии изучаемых факторов. Одним из примеров таких ФКС могут служить составляющие, описывающие поведение элементов колеса ротора лопаточной силовой установки под действием упругих деформаций, процедура оценки которых представлена на рис. 3.18. Процедура оценки ориентирована на использование логических моделей, построенных в соответствии с основными положениями теории нечетких множеств (раздел 3.2). Исходными данными являются мгновенные значения оборотов в предыдущей и измеряемой точках, а также значение промежутка времени между двумя соседними опросами. Ввод исходных данных производится в блоке 2 и возможен как с клавиатуры, так и непосредственно со средств измерения.

Второй шаг (блок 3) также является 1

подготовительным. На нем производится расчет

Начало

скорости

2

Ввод исходных данных

изменения

оборотов.

Далее,

в

соответствии с исходными данными в блоке 3

3

Расчет скорости изменения оборотов

производится расчет модели и формируется

4

результирующее значение изменения РЗ из-за

Расчет упругих деформаций

упругих 5

Да

лопаточной

Продолжить? Нет

деформаций силовой

деталей

установки.

ротора Процедура

выполняется циклически до тех пор, пока не

6

Конец

будет остановлена пользователем.

Рис. 3.18. Процедура оценки

упругих деформаций деталей ротора

Подобным

образом

осуществляется

построение процедур для оценки и других ФКС на основе моделирования.

Процедура оценки деформаций статора лопаточной силовой установки комбинированным методом. Существует ряд ФКС, расчет которых на основе моделей является весьма затруднительным и не обеспечивает требуемой точности получения результатов. С другой стороны, экспериментальная оценка таких составляющих является практически неосуществимой задачей. В качестве примера можно привести задачу оценки деформаций статора лопаточных силовых установок, в частности газотурбинных двигателей [90]. Процедура определения ФКС, связанных с упругими деформациями статора из-за давления рабочего тела и его температурными расширениями, представлена на блоксхеме рис. 3.19. До начала испытаний производится конфигурирование программных средств системы измерения на заданный режим испытаний (блок 2). Кроме того, в блоке 3 осуществляется ввод некоторых параметров, используемых при моделировании и являющихся

уникальными

характеристиками

данной

силовой

установки

и

применяемых средств измерения (например, в качестве таковых могут выступать радиусы лопаточного венца колеса ротора, внутренний радиус статора, допустимые диапазоны погрешностей измерительных каналов и т.д.) Далее (блок 4) пользователем определяется режим ввода данных блока моделирования. Таких режима может быть два. В первом случае (режим «ручного ввода») данные в блок моделирования поступают либо из файла, либо задаются пользователем в диалоговом режиме (блок 5). Во втором случае (автоматический

режим) – необходимые для моделирования данные поступают на блок моделирования с измерительных каналов систем, обслуживающих данное испытание (блок 15). В зависимости от выбранного режима ввода данных корректируется и режим опроса измерительных каналов. 1

1

Начало

12 Запуск силовой установки в режиме «горячий запуск»

2 Конфигурирование системы на заданный режим испытаний 3 Выбор режима ввода параметров моделей ModReg 4 ModReg=Ручной?

13 Замер и расчет РЗ 15 ModReg= «Ручной»?

Нет

Да

5

Да

Ручной ввод исходных данных для моделирования

16 Частотн. анализ и определение вибрационных ФКС

6 Ручной ввод значений пластических деформ. и биений 7 Запуск силовой установки в режиме «холодная прокрутка» 8 Выбор режима оценки смещений вала в опорном подшипнике 9 Ручной? 10 Да Ручной ввод смещений вала в опорном подшипнике

14 Нет

Замер и расчет параметров, используемых в моделях

17 Расчет группы “эксперимент.” ФКС 18 Определение ФКС на основе модели 19 Расчет группы “моделируемых” ФКС 20 Расчет деформаций статора

Нет 11 Эксперимент. определение смещ. вала

Да

21 Продолжить? Нет

1

22

Останов двигателя 23 Конец

Рис. 3.19. Процедура оценки деформаций статора комбинированным способом

По завершению этапа конфигурирования пользователю предлагается запустить силовую установку в режиме холодной прокрутки от стартера (блок 7). В это время возможно экспериментальное определение некоторых факторных составляющих, либо они могут быть заданы вручную (блоки 8-11). С запуском силовой установки в «горячем» режиме (блок 12) осуществляются измерения и расчеты основного измеряемого параметра, измерения и расчет параметров, необходимых при моделировании, собственно моделирование процессов в объекте (блоки 13-16). По результатам моделирования производится оценка ФКС МП элементов конструкций ротора и проводится собственно расчет деформаций статора

определяемых на основе вычитания из интегрального результата измерения, ФКС оцененных экспериментально и путем моделирования (блок 20). Алгоритм работает циклически и останавливается по соответствующему указанию пользователя (блок 21). 3.3.4. Программное обеспечение системы измерения смещений колеса ротора с поддержкой процесса верификации

Обобщенная структурная схема проблемно-ориентированного ПО системы, обеспечивающей поддержку процесса верификации, представлена на рис. 3.20. На схеме не обозначены программные блоки «Системное управление», «Базы драйверов», «Базы

моделей»,

конфигурирования,

а

также

не

показаны

обеспечивающие

блоки

управление

локального

управления

и

процессами

измерения

и

моделирования. В

состав

программного

комплекса «Измерение КС» входит

Получение измерительной информации

блок «Получение измерительной информации»,

осуществляющий

управление

аналоговым

преобразованием и коммутацией

ИЗМЕРЕНИЕ КС

Расчет физических значений КС

Градуировочные характеристики

Физические значения КС

Вывод результатов измерения

ПОДДЕРЖКА ВЕРИФИКАЦИИ

Выбор модели

Расчет модели

измерительных каналов, аналогоРезультаты моделирования

цифровое преобразование сигналов и

их

первичную

обработку

Вывод результатов моделирования

в

соответсвии с методами измерения

Рис. 3.20. Структура ПО системы,

смещений колес ротора (раздел

обеспечивающей поддержку процесса

1.3.3) и алгоритмами, описания

верификации

которых приведено в разделах 2.3.1, 2.4.2, 2.4.3. Полученные значения КС запоминаются

в

соответствующих

массивах

данных,

сохраняются

в

базе

экспериментальных данных и выводятся на монитор и периферийные устройства. Процессом графического представления результатов измерения управляет блок «Вывод результатов». С целью интеграции программы в ПО поддержки верификации, она наделена функциями динамического обмена данными через протокол DDE. При этом в ходе разработки для более гибкого управления запуском и обмена информацией между остальными программами оказалось необходимым совместить в модуле функции DDEсервера и DDE-клиента.

Основу программного комплекса «Поддержка верификации» составляют программы расчета моделей поведения объекта и средств измерения, запуску которых предшествует их выбор из базы моделей (блок «Выбор модели»). Если для описания процессов в объекте и средствах измерения используется более одной модели, может быть сконфигурирована вычислительная сеть моделей под заданные условия эксперимента.

Конфигурирование

сети

моделей

происходит

непосредственно

человеком-оператором, хотя, в дальнейшем, возможна частичная автоматизация этого процесса с учетом возможности вмешательства человека. Следует учесть и тот факт, что в большинстве случаев модели могут быть разнородны по своей структуре. В частности, это могут быть аналитические, численные или логические модели. Для одного и того же эксперимента может быть сформировано несколько схем моделей, выбор которых может определяться условиями проведения верификации. Например, для верификации в реальном масштабе времени более целесообразно использовать схемы логических моделей, а для проведения верификации в режиме «мягкого» времени можно воспользоваться комбинированными схемами, содержащими как аналитические и численные, так и логические модели или, наконец, только аналитически вычислимые модели. Последнее обстоятельство объясняется тем, что применяемые средства моделирования (пакет Mathcad) не позволяет рассчитывать модели в реальном времени, несмотря на то, что аналитические и численные модели могут оказаться предпочтительнее. В то же время «дублирование» моделей (разработка как аналитически и численно разрешимых, так и логических моделей одного и того же процесса) может оказаться полезным на этапе построения моделей и проверки их адекватности. В

задачи

программного

блока

«Расчет

модели»

входит

проверка

сконфигурированной сети на полноту исходных данных и расчет моделей сети с последующим интегрированием (суммированием) результатов. При этом последние две операции выполняются преимущественно в автоматическом режиме с минимальным участием оператора. Представлением результатов моделирования на экране монитора и других периферийных устройствах занимается блок «Вывод результатов моделирования». Результаты расчета модели (вычислительной сети моделей) могут выводиться на экран пользователя с использованием графических возможностей программы расчета моделей, либо сохранятся в отдельном файле, а затем просматриваться с помощью программы общесистемного управления. Второй способ является наиболее удобным

при использовании пакета Mathcad. Кроме того, результаты расчета моделей могут быть сохранены в базе данных результатов моделирования, которая имеет структуру, аналогичную базе данных эксперимента. Говоря об общесистемном управлении программами комплекса измерений с поддержкой процесса верификации, следует отметить, что основной его задачей является администрирование потоков данных от программ управления измерениями и моделирования, а также обеспечение одномоментного запуска программ комплекса. Кроме того, в ряде случаев (например, при использовании для обмена данными файловой системы), на блок общесистемного управления могут быть возложены дополнительные задачи, связанные с наглядным представлением результатов. С точки зрения программной реализации, когда обмен данными осуществляется через файловую систему, наиболее приемлемым является создание отдельной программы общесистемного управления, так как приходится обрабатывать уникальные по своей структуре файлы данных. Однако при обмене данными через механизмы DDE, если принять на уровне договоренности необходимый перечень команд управления, становится возможным некоторая унификация программы, конфигурирование которой будет заключаться только в настройке интерфейса пользователя и выборе запускаемых программ, необходимых для проведения эксперимента. При этом становится также возможным и объединение всех баз данных, базы моделей и алгоритмов сравнения и т.д. в единую базу знаний программного комплекса, что, в свою очередь, способствует более удобному доступу к ее содержимому. В заключение следует отметить, что применение структуры ПО (рис. 3.20) не ограничено решением задачи измерения смещений колес ротора. Она применима и для решения других задач с поддержкой процесса верификации при исследованиях силовых установок обоих классов.

Заключение по разделу 3 Предложена концепция интеллектуализации систем измерения многомерных перемещений, предусматривающая дополнительные функции систем – установление истинности (верификацию) полученных результатов измерений и оценку факторных координатных составляющих, причем верификация возможна как в автоматическом режиме

с

формированием

логических

выводов

по

результатам

сравнения

экспериментальных данных и данных моделирования поведения объекта и средств

измерения, так и в режиме ее поддержки средствами моделирования, когда логические выводы и сравнение выполняется пользователями и разработчиками систем. Разработанный подход к моделированию поведения объекта и средств измерения

предполагает

взаимодействующих между комбинировать

как

использование

семейства

собой модулей (базисных

традиционные

методы

взаимосвязанных

и

моделей) и позволяет

аналитического

и

численного

моделирования, так и методы логического моделирования, базирующиеся на представлении информации на качественном уровне. Разработана методика построения логических моделей объекта и средств измерения, базирующаяся на основных положениях

теории

нечетких

множеств,

которая

иллюстрируется

примером

моделирования упругих деформаций деталей ротора и связанных с ними изменениями зазоров между статором и ротором лопаточной силовой установки. Проведен анализ двух подходов к построению программного обеспечения интеллектуализированных систем измерения – универсального (предусматривающего разработку общих программных модулей для решения широкого класса задач измерения как в лопаточных, так и в поршневых силовых установках) и проблемноориентированного (предусматривающего интеграцию существующих и разработку новых программ, решающих конкретные задачи измерения под единым системным управлением). Показано, что наиболее предпочтительным является проблеммноориентированное программное обеспечение. Разработаны структурные схемы и алгоритмы

функционирования

проблемно-ориентированного

программного

обеспечения интеллектуализированной системы измерения смещений центра вкладыша шатунного подшипника с верификацией полученных результатов в автоматическом режиме, предназначенной для стендовых испытаний поршневой силовой установки, системы измерения координатных и оценки факторных составляющих, в том числе смещений вала, деформаций ротора и статора, и системы измерения смещений колеса ротора с поддержкой процесса верификации, предназначенных для стендовых испытаний лопаточных силовых установок и их элементов.

4.

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МНОГОМЕРНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

В разделах 1-3 рассматривались методы измерения КС МП и принципы построения СИ на их основе. Настоящий раздел посвящен реализации разработанных принципов – в нем приведены описания созданных и апробированных в стендовых условиях нескольких разновидностей систем, предназначенных для испытаний лопаточных и поршневых силовых установок (авиационных ГТД и автомобильных ДВС), а также их узлов и ЭК. Приведены результаты метрологической аттестации измерительных каналов систем и оценки погрешностей измерения, результаты испытаний силовых установок, их узлов и ЭК.

4.1.

Системы

измерения

для

испытаний

газотурбинных

двигателей, их узлов и элементов конструкций Рассматриваются две группы СИ. Первая группа построена по магистральномодульному принципу с использованием ПЭВМ и микропроцессоров. Эта группа СИ ориентирована на испытания полноразмерных двигателей, работающих как в стационарном, так и в нестационарном режимах, причем задачи испытаний связаны с измерением МП торцов лопаток. Вторая группа построена на базе ПЭВМ и платы PCL (раздел 2.1). В отличие от первой вторая группа СИ ориентирована на испытания узлов и ЭК ГТД (уплотнителей и опорных подшипников). При этом испытания проводятся только в стационарном режиме, а их задачи связаны с измерением многомерных смещений колес ротора и оси опорной поверхности. Приведены описания технических и программных средств СИ, в том числе описания программных средств интеллектуализированной системы, обеспечивающих поддержку процесса верификации при испытаниях уплотнителей. Приведено также описание методики метрологической аттестации и соответствующего оборудования для градуировки и оценки погрешностей измерительных каналов ОВТД в обеих группах рассматриваемых систем.

4.1.1.

Система измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре

Технические средства системы, предназначенной для измерения радиальных смещений торцов лопаток, т.е. РЗ между статором и торцами лопаток ротора компрессора, включают датчиковую аппаратуру, крейт в стандарте КАМАК с модулями для сбора и преобразования информации и ПЭВМ (структурная схема системы СИ-01 и ее внешний вид представлены на рис. 4.1). ПЭВМ Крейт КК Магистраль КАМАК

4/1 ИРЗ-01

ОВТД

ДЧВ

8ТП-01

ТП

Рг

Контактные датчики РЗ

Рис. 4.1. Структурная схема и внешний вид СИ-01

В состав датчиковой аппаратуры входят ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, а также датчики, выполняющие вспомогательные функции, в том числе, датчик частоты вращения (ДЧВ), термопары (ТП) и контактные датчики РЗ. Конструкция одного из возможных вариантов

20

ОВТД представлена на рис. 4.2. ЧЭ 1 (отрезок 2

линейного проводника) подключен к согласующему

5

трансформатору 2 через безиндуктивный токовод из двух коаксиальных цилиндров 3 и 4. Согласующий выполнен

на

тороидальном

4 40

трансформатор

ферритовом сердечнике с многовитковой первичной обмоткой

и

вторичным

объемным

3

витком, 6

образованным корпусом датчика. В корпусе датчика

1

5 предусмотрен штуцер для воздушного охлаждения согласующего

трансформатора.

установочное

отверстие

ЧЭ

вводится

через

10

внутрь

Рис. 4.2. Вариант конструкции

неподвижной части объекта в зону контроля МП, а

ОВТД смещений торца лопаток

часть датчика с согласующим трансформатором остается вне зоны повышенных температур. Для учета влияния температуры на характеристики датчика в конструкцию встроена термопара 6. Датчик, представленный на рис. 4.2, выполнен из латуни и используется в ступенях компрессора, где температура достигает 500-550оС (ОВТД-К3(Л), табл. 4.1).

Рис. 4.3. Внешний вид датчиков, применяемых в компрессоре

Существуют

разновидности

датчиков

из

жаропрочных

сплавов,

предназначенные для компрессоров, варианты конструкций без штуцеров (если позволяют условия охлаждения) или, напротив, конструкции с двумя штуцерами для усиленного принудительного охлаждения газом или жидкостью (рис. 4.3). В зависимости от условий установки различаются и габариты датчиков. Измерение РЗ, как правило, производится в четырех

точках

по

окружности

одной

ступени

Статор

компрессора (рис. 1.12, 1.13), что обеспечивает

ЧЭ рабочего ОВТД

возможность получения дополнительной информации

Лопатка ротора ЧЭ компенсационного ОВТД

об овальности статора. В каждой точке измерения используется пара ОВТД. Один из ОВТД является рабочим и фиксирует РЗ, второй предназначен для компенсации

влияния

температуры

окружающей

среды. Установочные отверстия для датчиков на статоре выполнены таким образом, чтобы в моменты Рис. 4.4. Установка рабочего

измерения ЧЭ рабочего ОВТД находился над торцом

и компенсационного ОВТД

лопатки, а компенсационного – в промежутке между двумя соседними лопатками (рис. 4.4).

Характеристики одновитковых вихретоковых датчиков с чувствительным элементом в виде отрезка проводника Таблица 4.1 Наименование

ОВТД-Т-3(НС)

ОВТД-У-3(НС)

ОВТД-ОП-0.2(НС)

ОВТД-ПЦ-0.1(Л)

ОВТД-ШП-0.1(НС)

ОВТД-ПКО-0.1(Л)

Диапазон измеряемых зазоров, мм

0…3.0

0…3.0

0.15…2.0

0…0.2

0…0.15

0…0.1

0…0.1

Диапазон рабочих температур, °С

до 550

до 1200

от –20 до 600

до 240

до 230

до 110

до 100

Номинальное значение индуктивности, мкГн

60

30

35

7

60

30

60

Девиация индуктивности, мкГн

2.0

1,0

1.0

0.4

8.0

2.5

3.0

Диаметр установочного отверстия, мм

10.0

14.0

24.0

14.0

10.0

6.5

7.0

Габариты, мм Материал Применение

1

Тип датчиков ОВТД-К-3(Л)

2

10х20х40

14х34х115

15х35х300

14х18

10х20х40

6.5х10

7х9х14

Латунь1

Нерж. сталь

Нерж. сталь

Нерж. сталь

Латунь

Нерж. сталь3

Латунь

Компрессор ГТД

Турбина, компр. ГТД

Уплотнитель ГТД

ОП ГТД

ПЦ ДВС

ШП ДВС

ПКО ДВС

Существует модификация ОВТД-К-3(НС), выполненная из нержавеющей стали. Существует модификация ОВТД-У-3(НС), отличающаяся габаритами (15x35x241). 3 Существует модификация ОВТД-ШП-0.1(Л), выполненная из латуни. 2

Возвращаясь к вспомогательной датчиковой аппаратуре, следует отметить, что ДЧВ (рис. 4.1, а) не только обеспечивает измерение скорости вращения, но и синхронизацию опроса датчиков РЗ. ТП предназначены для контроля температуры в зоне расположения ОВТД и в самих

датчиках.

Информация

о

температуре

используется

для

коррекции

температурных погрешностей ОВТД. Контактные датчики обеспечивают выдачу сигнала при заранее установленной величине РЗ в момент касания электрода датчика и лопатки. Эта информация может быть использована для контроля функционирования системы. Основным в составе системы измерения РЗ является микропроцессорный преобразователь сигналов ОВТД и ДЧВ – модуль 4/1 ИРЗ-01 (рис 4.5). Блок измерения модуля содержит 4 идентичных преобразователя (ПР) индуктивностей ОВТД, мультиплексор (М) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Каждый ПР включает ИСх (мост Блумлейна) с импульсным питанием и УВХ (рис. 2.7). В ИСх включаются два одинаковых ОВТД (рабочий и компенсационный). Длина линии «ОВТД - ПР модуля» составляет около 30 м, а время восстановления примерно 30 мкс. Его достаточно для получения нужного числа отсчетов на каждую лопатку за один оборот ротора при сравнительно низких скоростях вращения. На более высоких скоростях информацию о зазорах можно получить за несколько оборотов в предположении постоянства скорости вращения ротора, т.е. в рассматриваемом варианте системы реализуется мультистробоскопический алгоритм (раздел 2.3.1). Блок измерения ОВТД

.. .

ОВТД

ПР

Магистраль КАМАК

.. .

М

АЦП Процессор

ПР

Интерфейс КАМАК

Локальная магистраль

ДЧВ

Таймер

Генератор

ОЗУ

ПЗУ

Рис. 4.5. Структура модуля 4/1 ИРЗ-01

Преобразование скорости вращения в цифровой код производится с помощью кварцевого генератора в счетчиках таймера, входящих в микропроцессорный набор (Intel 8080). На основании информации, полученной от ДЧВ, процессор формирует последовательность

импульсов

питания ИСх (ОВТД), синхронизированную

с

оборотами ротора, и осуществляет интерполяционную обработку выходных сигналов, представленных в цифровом виде. В

постоянном

запоминающем

устройстве

(ПЗУ)

хранятся

программы

управления и обработки данных, а в оперативном (ОЗУ) - исходные данные и результаты измерений по каждой лопатке. В состав СИ-01 входят также дополнительные модули. КАМАК-модуль группового преобразования сигналов термопар (8ТП-01) градуировок ХК, ХА, ПП содержит бесконтактный мультиплексор на 8 каналов, преобразователь сигналов низкого

уровня

и

АЦП

[91].

Регистр

прерываний

(Рг)

является

серийно

изготавливаемым промышленностью модулем, выполненным в стандарте КАМАК. В системе он используется для ввода сигнала восьми контактных датчиков РЗ и выдачи прерываний на магистраль крейта в моменты касаний лопатками щупов контактного датчика. Связь ПЭВМ с магистралью осуществляется через крейт-контроллер (КК). Программное обеспечение системы имеет верхний и нижний уровень. Программное обеспечение нижнего уровня реализовано на языке ASSEMBLER INTEL 8080 и размещено в ПЗУ микропроцессорного модуля. Оно управляет процессом преобразования сигналов ОВТД, осуществляет интерполяционную обработку и взаимодействие с ПЭВМ верхнего уровня через магистраль КАМАК. Управляющая программа (монитор), библиотека стандартных процедур обработки массивов измеренных значений параметров, типовые процедуры обмена процессора с внутримодульными устройствами занимают системную область ПЗУ модуля, а рабочие программы, реализующие алгоритмы измерения зазоров в зависимости от видов испытаний

компрессора,

располагаются

в

пользовательской

области

ПЗУ.

Программное обеспечение нижнего уровня работает автономно от момента запуска рабочей программы до момента выдачи полученных результатов на ПЭВМ. Программное обеспечение верхнего уровня реализовано на языке Turbo C 1.0, предназначено для работы под управлением MS DOS 4.x и выше, и обеспечивает конфигурирование системы на заданный вид испытаний в режиме диалога с оператором, управление работой КАМАК-модулей, расчет физических значений РЗ и других параметров, термокоррекцию результатов, вывод на монитор оперативной информации о ходе эксперимента в виде таблицы и графиков (рис. 4.6), а также печать протокола испытаний. Протокол содержит данные о РЗ по каждой лопатке в миллиметрах, значения минимального, максимального и среднего зазора, информацию об оборотах ротора и о температуре в местах установки датчиков РЗ.

Периодичность

вывода

протокола 15-20 с. Программное обеспечение системы

предусматривает

метрологическую каналов

аттестацию

измерения

РЗ

и

температуры. Основные

технические

характеристики СИ-01 приведены Рис. 4.6. Вид экрана СИ-01 с информацией о РЗ

в сводной табл.4.2.

Система была использована в ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова при отработке трех типов ГТД в стендовых условиях. В процессе испытаний подтверждена работоспособность

системы.

Получена

удовлетворительная

воспроизводимость

результатов в процессе одного испытания и от испытания к испытанию (общая длительность испытаний составила около 150 часов). Погрешность измерения, полученная путем сравнения с показаниями контактных датчиков составила не более 4%, что согласуется с результатами метрологических исследований, приведенных ниже (раздел 4.1.7). n, об/мин

c, мм

n 1.4

8000 6000

2

1.2

1

5

4

4000

3

c

2000 0 0

0.8

7

0.4

6 8

16

24

32

40

48

t, мин

0

Рис. 4.7. Изменения рз в компрессоре в зависимости от времени и режима работы

(скорости вращения) На рис. 4.7 в качестве примера приведены результаты измерения РЗ (c) и оборотов ротора (n) при испытаниях последней ступени компрессора на приемистость (участок 1-2), на режимах прогрева (участок 2-3) и стационарном (участок 3-4), сброса оборотов (участок 4-5), на малом газе (участок 5-6) и повторной приемистости (участок 6-7). Зависимость c(t) характеризует среднее значение РЗ, максимальные (max) и минимальные (min) значения - разброс установочных значений РЗ на колесе ротора.

Характеристики разработанных систем измерения Таблица 4.2 Наименование

СИ-01

СИ-02-П

СИ-03-М

СИ-05

СИ-PCL-01

СИ- PCL-02

Компр. ГТД

Компр. ГТД

Компр., турб. ГТД

Компр. ГТД

ШП, ПКО ДВС

Уплотнит. ГТД

Подшипн. ГТД

стац. Y (РЗ)

стац. Y (РЗ)

стац. Y,X (РЗ, ОС)

стац., нестац. Y (РЗ)

стац., нестац. X, Y

стац.. Y (РЗ)

стац. X, Y, Z

ОВТД-К-3(Л)

ОВТД-К-3(Л)

ОВТД-К(Т)-3(НС)

ОВТД-К-3(НС)

ОВТД-ШП(ПКО)-0.1

ОВТД-У-3(НС)

ОВТД-ОП-0.2(НС)

30

30

30

1

80

375

50

до 30

до 30

до 30

до 1

до 2

до 1,5

до 1,5

КК, 4/1 ИРЗ-1 8ТП-01, Рг

МИ-4, МС, МП, МИК

КК, МИ-4, МС, МП

КК, МС, АЦП-L, АЦП-Θ, МП

МС, АЦП-16θ, МП

-

-

КАМАК -

Евромеханика -

Евромеханика -

Евромеханика СУ

Евромеханика АЦП-16L

PCL-712 ISA БСУ-01

PCL-712 ISA БСУ-02

Число каналов ОВТД Разрядность АЦП

4 10

4 10

16 10

4 10

16 12

2 11

4 11

Кол-во ПЭВМ Операц. система Интеллектуализация

1 MS DOS -

-

1 MS DOS -

1 MS DOS1 Оценка ФКС2

1 MS DOS1 Поддержка верификации2

2 Windows 95 Поддержка верификации

1 Windows 95 -

Объект Режим работы Коорд. составляющие Вид датчиков Вр. между имп. опроса, мкс Длина линии до преобразователя, м Средства сбора: магистральномодульные встраиваемые в ПЭВМ конструктив выносные

1 2

Тип системы СИ-04-Б

Планируется переход на Windows 95/98. Планируется в дальнейшем.

Важная информация о поведении РЗ, полученная с достаточно высокой достоверностью, а также установленные на ее основе связи с основными показателями эффективности двигателей были использованы в процессе доработки конструкций ГТД, в том числе и тех из них, которые в настоящее время серийно выпускаются промышленностью. 4.1.2.

Система измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре в приборном исполнении

Рассматриваемая

система

измерения

(СИ-02-П)

выполнена

в

виде

измерительного прибора на базе модулей, работающих под управлением встроенного микропроцессора [45]. В отличие от СИ-01, она рассчитана на массовое применение, сочетает низкую стоимость и простоту обслуживания с вполне приемлемым уровнем автоматизации

процесса

сбора,

преобразования,

обработки

и

представления

измерительной информации. Возможности применения системы не ограничиваются исследованиями и испытаниями, а могут быть смещены в сферу производства, в частности, для контроля процессов сборки или для мониторинга компрессора на этапе эксплуатации. Еврокрейт

Магистраль

МИ-4

МС

МП

МИК 00000000 Индикатор

RS-232 ОВТД

ТП

ДЧВ

Принтер Клавиатура

Рис. 4.8. Структурная схема и внешний вид СИ-02-П

Технические средства системы включают датчиковую аппаратуру и Еврокрейт 3U на 12 мест с модулями (рис. 4.8). Датчиковая аппаратура в основном аналогична той, что рассматривалась в разделе 4.1.1 за исключением контактных датчиков РЗ. Аналогичен и реализуемый в системе мультистробоскопический алгоритм СПВ ИС. В Еврокрейте

с

объединительной

задней

панелью

(магистралью)

установлены

нестандартные модули: процессорный (МП), измерительный (МИ-4), синхронизации (МС), а также модуль индикации и ввода управляющих воздействий с клавиатуры (МИК), который конструктивно объединен с блоком питания. Магистраль обеспечивает

передачу цифровых сигналов между модулями в крейте и подвод к модулям напряжений питания. В состав МП входит микропроцессор Intel 8085, ПЗУ, ОЗУ (в том числе энергонезависимое ОЗУ), последовательный (RS232) и параллельный (CENTRONIX) интерфейсы, энергонезависимый таймер-счетчик текущего времени и календаря, контроллер и буферные схемы магистрали. На передней панели модуля расположены разъемы последовательного и параллельного интерфейсов. ПЗУ модуля содержит программу управления режимами работы системы, программы индикации и печати результатов измерений, некоторые стандартные процедуры обработки данных. ОЗУ общего назначения используется для хранения массивов промежуточных данных, а энергонезависимое ОЗУ - для хранения параметров настройки системы и ГХ измерительных каналов. МИ-4 предназначен для преобразования в цифровой код и выдачи на магистраль прибора параметров четырех ОВТД и четырех ТП (для контроля температуры с целью коррекции ГХ). В состав модуля входят преобразователи сигналов ОВТД и ТП (аналогичные рассмотренным в разделе 4.1.1), мультиплексор и АЦП. Блок МС предназначен для измерения периода частоты вращения и формирования

синхронизированной

с

оборотами

программно-управляемой

последовательности импульсов питания ИСх ОВТД в модуле МИ-4. Блок МИК обеспечивает в процессе работы СИ-02-П отображение цифровой и псевдосимвольной информации на 13-разрядном газоразрядном индикаторе, а также ввод информации с клавиатуры передней панели. Система работает в трех режимах: «ввод данных», «градуировка датчиков» и «измерение». В первом режиме производится ввод с клавиатуры в память прибора даты и времени проведения измерения, а также параметров, необходимых для работы измерительных алгоритмов (числа участков наблюдения, углов установки ОВТД и других). В режиме «градуировка» осуществляется ввод ГХ измерительных каналов. В режиме «измерение» производится опрос ОВТД, ДЧВ и ТП. Преобразование РЗ в код каждым из четырех датчиков осуществляется за несколько оборотов. Полученные коды подвергаются обработке, которая при определении РЗ включает интерполяцию отсчетов и поиск максимумов огибающей для каждой лопатки. Затем в соответствии с введенными ГХ производится расчет физических значений измеряемых параметров и коррекция температурной погрешности измерения. Режимы индикации параметров могут изменяться оператором с помощью клавиатуры. На индикатор могут выдаваться

усредненное по всем датчикам значение РЗ, минимальный, максимальный или средний РЗ для выбранного датчика, РЗ произвольно заданного участка, измеренный любым датчиком. Одновременно производится вывод результатов измерения на печатающее устройство. Распечатка содержит дату проведения измерения, время замера, текущие значения оборотов и температуры, а также таблицу значений РЗ по участкам наблюдений для выбранного датчика. Число одновременно контролируемых лопаток - до 256 при частоте вращения ротора 600-18000 об/мин. Длительность измерения зазоров по одному каналу и вывода на табло - 0.5 с, длительность печати протокола, содержащего зазоры по каждой лопатке, при использовании принтера - не более 10 с. Остальные характеристики СИ02-П приведены в сводной табл. 4.2. 4.1.3.

Многопроцессорная система измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток в компрессоре и турбине

Рассмотренные в предыдущих разделах системы измерения (СИ-01, СИ-02-П) предназначены для измерения радиальных смещений торцов лопаток (РЗ) на одной ступени компрессора. В то же время в процессе стендовых испытаний ГТД большой интерес представляет одновременное измерение РЗ на нескольких ступенях как компрессора, так и турбины. При этом внимание разработчиков ГТД распространяется и на другие КС, в частности на ОС лопаток. Если предположить, что на каждой ступени компрессора и турбины измерения проводятся в 4 точках при опросе каждого датчика порядка

нескольких

десятков

тысяч

отсчетов

в

секунду,

то

повышение

производительности системы может быть достигнуто только путем наращивания измерительной и вычислительной мощности за счет увеличения параллельно работающих модулей под управлением ПЭВМ [44, 48]. В настоящем разделе приводится описание 16-канальной многопроцессорной системы (СИ-03-М), предназначенной для одновременных измерений на 4 ступенях ГТД, причем на 2 ступенях компрессора производится измерение только РЗ, а на двух ступенях турбины - как РЗ, так и ОС (рис. 4.9). Предполагается, что в СИ-03-М реализован алгоритм мультистробоскопического опроса лопаток за несколько оборотов ротора (в стационарном режиме работы ГТД) и алгоритм вычислений РЗ и ОС, рассмотренные в разделах 2.3.1, 2.4.2, 2.4.3.

ПЭВМ Еврокрейт КК Системная магистраль ИПС1 Локальная магистраль МП

МС

ИПС 2

МИ-4

ИПС 3

ИПС 4

Датчики (ОВТД, ДЧВ, ТП)

Рис. 4.9. Структурная схема и внешний вид СИ-03-М

Система имеет двухуровневую структуру (рис. 4.9). На верхнем уровне находится ПЭВМ, на нижнем – средства сбора и обработки информации в виде Еврокрейта 3U с измерительными и микропроцессорными модулями. Модули в крейте объединены в 4 измерительные процессорные станции (ИПС), каждая из которых обслуживает 4 рабочих ОВТД, установленных на одной из ступеней компрессора или турбины. В состав ИПС входят 3 модуля, объединенные локальной магистралью: процессорный (МП), измерительный (МИ-4) и синхронизации (МС) (эти же модули используются в составе СИ-02-П и их описание приведено в предыдущем разделе 4.1.2). На входы ИПС (МИ-4 и МС) поступают сигналы датчиков, аналогичные тем, что используются в СИ-02-П (ОВТД, ТП и ДЧВ). Однако, помимо датчиков РЗ, предназначенных для использования в компрессорах (ОВТД-К-3 (Л)), в СИ-03-М для измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток в турбинах применяются датчики типа ОВТД-Т-3 (НС), выполненные из жаропрочных сплавов, выдерживающих до 1200оС (табл. 4.1). Их конструкции аналогичны рассмотренным в разделе 4.1.1, но отличаются габаритами. Взаимодействие между ИПС и ПЭВМ верхнего уровня осуществляется по системной магистрали крейта через крейт-контроллер (КК). Данные, поступающие от ИПС, содержат информацию о КС по каждой лопатке в выбранной ступени, о температуре в местах измерения КС и скорости вращения ротора. Управление процессом сбора измерительной информации и передачи данных в ПЭВМ осуществляется внутренним программным обеспечением, которое реализовано на языке ASSEMBLER INTEL 8085 и располагается в ПЗУ модулей МП. ПЭВМ производит регистрацию всей поступающей от модулей информации на магнитном диске и осуществляет расчет физических значений измеряемых параметров

в соответствии с введенными ГХ. В виду большого объема поступающих от модулей данных вывод результатов на экран пользователя (рис. 4.10, а) производится в сжатой форме - в виде таблицы, отражающей в наиболее общем виде состояние измеряемых параметров в контролируемых ступенях: средний, минимальный, максимальный РЗ, ОС, обороты ротора, температуру. Дополнительной функцией таблицы является аварийная индикация выхода контролируемых параметров за границы зоны допуска. Перемещением курсора по клеткам таблицы пользователь может выбрать нужный параметр для отображения информации в развернутой форме, например, в виде таблицы изменения зазора для каждой лопатки в заданной точке ступени компрессора или турбины. В случае необходимости возможен также вывод оперативной информации на печатающее устройство в виде протокола (рис. 4.10, б).

а)

б)

в)

г)

Рис. 4.10. Виды экранов (а, в, г) и протокола измерений РЗ в компрессоре (б)

Более сложная обработка и анализ результатов измерения, а также вывод на печать расширенных протоколов испытаний и графиков могут быть произведены после завершения

испытаний

на

основе

информации,

хранящейся

в

базе

данных

эксперимента. Настройка программного обеспечения на заданный вид испытаний (рис. 4.10, в), а также управление процессом отображения, регистрации измерительной информации и просмотра содержимого базы данных эксперимента осуществляется внешним программным обеспечением. Внешнее программное обеспечение реализовано на языке Borland C++ и, помимо основного программного обеспечения, содержит набор сервисных программ, позволяющих осуществлять диагностику модулей системы, градуировку и поверку измерительных каналов. Выбор, начальная установка параметров и запуск конкретных программ внешнего программного обеспечения осуществляется с помощью специальной программы управления (рис. 4.10, г). Программное обеспечение верхнего уровня работает под управлением MS DOS 4.x и выше. Основные технические характеристики системы (СИ-03-М) приведены в сводной табл. 4.2. СИ-03-М была апробирована в АО «Авиадвигатель» в процессе стендовых испытаний одной из разновидностей ГТД. Полученные результаты не противоречат тем, что приведены на рис. 4.7 (раздел 4.1.1). 4.1.4.

Cистема измерения радиальных смещений торцов лопаток в компрессоре при нестационарных режимах

В рассмотренных ранее системах (СИ-01, СИ-02-П, СИ-03-М) реализован мультистробоскопический

алгоритм

СПВ

ИС,

предусматривающий

процедуру

измерения длительностью в несколько периодов вращения ротора, что гарантирует надежность алгоритма лишь при стационарном или квазистационарном режимах работы ГТД, когда изменения скорости и периода вращения ротора незначительны и не вызывают

потери

информации

ни

на

одной

из

контролируемых

лопаток.

Отрицательное влияние на алгоритм оказывают колебания лопаток и вибрации статора в зоне закрепления ОВТД. При нестационарных режимах ГТД с резкими изменениями скорости вращения ротора

и

при

повышенных

вибрациях

необходимо

применение

более

быстродействующего алгоритма, обеспечивающего фиксацию цифровых отсчетов, соответствующих смещениям торцов всех лопаток не более чем за один период вращения ротора. Такой алгоритм СПВ ИС (он был рассмотрен в разделе 2.3.1) реализован в быстродействующей системе измерения (СИ-04-Б), описание которой приводится в настоящем разделе [47].

В состав системы входит ПЭВМ и технические средства в виде Еврокрейта 3U с микропроцессорным модулем МП и модулем синхронизации МС (рис 4.11, а), которые используются также в СИ-02-П, СИ-03-М (разделы 4.1.2, 4.1.3). Кроме того, технические средства СИ-04-Б содержат встроенное в линию согласующее устройство (СУ), включающее ИСх (мост Блумлейна) и УВХ, преобразующие индуктивности ОВТД и аналогичные тем, что используются в модуле 4/1 ИРЗ-01 и МИ-4 (СИ-01, СИ02-П, СИ-03-М). СУ соединено коротким кабелем (менее 1 м) с ОВТД и длинным согласованным коаксиальным кабелем (до 50 м) с АЦП (модуль АЦП-L). Короткий кабель обеспечивает малое время восстановления ИСх (до 1 мкс) и высокие возможности измерения РЗ по быстродействию в СИ-04-Б. Внешний вид СУ с рабочим и компенсационным датчиками и кабелями представлен на рис. 4.11, б. ПЭВМ Еврокрейт

КК Системная магистраль

МС

АЦП-L

МП

АЦП-Θ

СУ ОВТД

ДЧВ

ТП

а)

б)

Рис. 4.11. Структурная схема СИ-04-М (а) и внешний вид СУ

с короткими линиями и ОВТД (б) Модуль АЦП-L содержит схему сопряжения с магистралью и устройство прямого доступа в ОЗУ модуля МП. Кроме того, в системе используется дополнительный

АЦП-θ

для

преобразования

сигналов

ТП,

обеспечивающих

температурную коррекцию. В модулях МС и МП реализуются процедуры измерения периода вращения ротора и определение периодов импульса опроса в зависимости от скорости вращения ротора, предусмотренные алгоритмом СПВ ИС (раздел 2.3.1). При этом импульсное питание

ИСх,

преобразование

индуктивности

датчика

и

аналого-цифровое

преобразование осуществляются в блоке СУ и модуле АЦП-L, а последующая

обработка и вычисления – в ПЭВМ, причем массивы исходных данных, полученных в АЦП-L, фиксируются в ОЗУ модуля МП. Основные технические характеристики СИ-04-Б приведены в сводной табл.4.2. На рис 4.12 представлен график изменений РЗ (c) от времени для одной из лопаток, режиме

полученный компрессора

стендовых

в в

с, мм 1.1

переходном процессе

испытаний

его

(после

1

предварительной фильтрации результатов аналого-цифрового

преобразования).

Характер

РЗ

изменений

зависит

0.9

от

величины изменений скорости вращения ротора и связанных с ними упругими и термическими деформациями элементов конструкции. Эксперимент был проведен в АО «Авиадвигатель». 4.1.5.

0.8 0

3

6

9

t, c

Рис. 4.12. Изменения РЗ в компрессоре

при переходном режиме

Система измерения смещений колес ротора для стендовых испытаний уплотнителей

Система предназначена для использования в процессе испытаний уплотнителей на специальном стенде, схематическое изображение которого приведено на рис. 1.14. Предполагается, что габариты исследуемого объекта гарантируют установку ЧЭ ОВТД, при которой влияния осевых смещений колес ротора несущественно и ими можно пренебречь (раздел 1.3.3). Это обстоятельство упрощает задачи системы, которые сводятся к измерению только одной КС – радиального смещения колес ротора. Приводится описание аппаратно-программных средств, причем в состав программного обеспечения введены средства моделирования, обеспечивающие поддержку процесса верификации результатов эксперимента (раздел 3.3.4). Система состоит из двух подсистем: оперативного контроля и непрерывной регистрации [55]. В состав технических средств входят датчики (ОВТД, ТП, ДЧВ), блок согласующих устройств (БСУ) и две персональных ПЭВМ, укомплектованные стандартными средствами сбора аналоговой и дискретной информации – платами PCL712 (структурная схема СИ-PCL-01и ее внешний вид представлены на рис. 4.13). При этом ПЭВМ 1 выполняет функции оперативного контроля, а ПЭВМ 2 –непрерывной

регистрации измерительной информации. Датчики и БСУ являются общими для двух подсистем. ОВТД

ПЭВМ 1

БСУ

ТП

…

PCL-712 Сигналы управления

ДЧВ

ПЭВМ 2

“СТАРТ”, “СТОП”

PCL-712

Рис. 4.13. Структурная схема и внешний вид СИ-PCL-01

Для одновременного запуска и останова подсистем предусмотрены сигналы дистанционного управления «СТАРТ» и «СТОП», которые представляют собой импульсы постоянного напряжения +5В, подаваемые на дискретные входы плат PCL712 от пульта управления экспериментом. В случае необходимости возможен также и ручной запуск обеих подсистем независимо друг от друга. Измерение радиальных смещений (РЗ) осуществляется с помощью ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника. Конструкция выполнена из нержавеющей стали (НС), аналогична рассмотренной в разделе 4.1.1 (рис. 4.2), но отличается большими габаритами. Характеристики используемых датчиков приведены в табл. 4.1 (тип ОВТДУ-3 (НС)). Рабочая температура корпуса датчика в области размещения согласующего трансформатора не должна превышать +150°С и для предотвращения его перегрева предусматривается принудительный обдув сжатым воздухом. В этой связи для контроля температуры вблизи согласующего трансформатора в верхней части корпуса ОВТД-У-3 (НС) расположена дополнительная ТП. БСУ (тип БСУ-01) содержит индивидуальные преобразователи сигналов ОВТД и ТП, причем каналы ОВТД предусматривают включение двух пар датчиков – рабочего и компенсационного, а каналы ТП – соответственно двух пар по четыре ТП (для температурной коррекции ОВТД и для контроля температуры вблизи согласующего трансформатора (рис. 4.13)). Каждый преобразователь сигналов ОВТД (ПР) включает ИСх (мост Блумлейна) с импульсным питанием и УВХ, аналогичные тем, что используются в рассмотренных системах . Генератор тактовых импульсов (ГТИ) формирует управляющие сигналы импульсов питания ПР и сигналы внешнего запуска АЦП платы PCL-712, обеспечивая тем самым синхронный запуск АЦП.

БСУ

ГТИ PCL-712

ОВТД

ПР

ОВТД

ПР

ТП …

ПР-Θ

ТП

ПР-Θ

ДЧВ

Ф ГЭЧ

М

АЦП

Т

Рг

а)

б)

Рис. 4.14. Структурная схема БСУ-01 (а) и его внешний вид с подключенными

датчиками ОВТД-У-3(НС) (б) Преобразователи сигналов ТП (ПР-Θ) имеют традиционную структуру и включают

усилители

милливольтовых

сигналов.

Выходные

напряжения

преобразователей сигналов ОВТД и ТП подаются на входы мультиплексора (М) и преобразуются в код АЦП платы PCL-712. Преобразователь сигналов ДЧВ содержит формирователь (Ф) импульсов. Частота вращения ротора определяется по периоду с помощью таймера (Т) платы PCL712 и генератора эталонной частоты (ГЭЧ) (сигналы ГЭЧ поступают на счетный вход, а на вход разрешения счета – сигналы с Ф). Конструктивно БСУ-01 выполнен в виде отдельного выносного блока, размещаемого на расстоянии 1-2 м от датчиков. В случае тяжелых температурных условий в области размещения БСУ-01 предусмотрено его охлаждение за счет принудительной вентиляции корпуса сжатым воздухом. Внешний вид БСУ-01 с двумя парами подключенных ОВТД представлен на рис. 4.14, б (платы PCL-712 размещены внутри корпусов ПЭВМ 1 и ПЭВМ 2). Подсистема оперативного контроля обеспечивает преобразование сигналов БСУ-01 в цифровую форму, коррекцию температурной погрешности, вычисление среднего и минимального РЗ за период вращения ротора, вычисление значений частоты вращения. Результаты измерения выдаются на экран монитора ПЭВМ 1 с периодичностью 1 сек. Помимо оперативного контроля РЗ на экране монитора, подсистема обеспечивает сохранение измерительной информации в файле данных. При этом опрос датчиков на каждом обороте, вычисление РЗ и термокоррекция

выполняется в соответствии с квазиадаптивным алгоритмом СПВ ИС (раздел 2.3.1) и алгоритмами вычисления, рассмотренными в разделе 2.4.2. При малой скорости вращения ротора (до 1800 об/мин) производится 200 замеров зазоров и температур в секунду. Затем результаты измерения температур усредняются, а результаты измерения РЗ преобразуются к физическому параметру, отбраковываются,

фильтруются

методом

«скользящего

среднего»,

после

чего

определяются минимальный, средний зазор и разность между ними. При скоростях вращения ротора свыше 1800 об/мин на каждом обороте производится не менее 9 замеров РЗ, которые синхронизированы с началом периода вращения (с выходными импульсами датчика ДЧВ). С целью уменьшения случайной погрешности измерение РЗ производятся в течении нескольких оборотов, после чего значения, соответствующие определенному угловому положению ротора, усредняются по всем оборотам и производится определение минимального, среднего зазора и разности между ними. Опрос температурных каналов производится по завершении опроса каналов измерения РЗ. Программное обеспечение подсистемы оперативного контроля состоит из программы сбора и обработки информации, программного комплекса моделирования и программы управления, которые предназначены для работы под управлением MS Windows 95/98 и допускают динамический обмен данными через протокол DDE. Программа сбора и обработки измерительной информации реализована на языке Delphi 4.0, обеспечивает регистрацию и вывод на экран результатов измерения в единицах измеряемых величин в форме таблиц, мнемосхем и графиков (рис. 4.15). Время непрерывной регистрации результатов измерения составляет не менее 8 часов. Кроме того, предусмотрен просмотр содержимого базы данных эксперимента с эмуляцией опроса измерительных каналов как в ускоренном, так и в реальном режимах работы, а также вывод измерительной информации на печатающее устройство. Результаты измерения частоты вращения ротора установки, РЗ, температур фиксируются в базе данных эксперимента в виде бинарных файлов. База данных эксперимента представляет собой структурированный набор каталогов, имена которых соответствуют дате проведения эксперимента. Подсистема

непрерывной

регистрации

выполняет

аналого-цифровое

преобразование сигналов БСУ-01, вычисление физических РЗ с термокоррекцией, а также регистрацию результатов измерения на магнитный носитель. На вход

подсистемы подаются только нормализованные сигналы ОВТД и ТП, установленных в зоне ЧЭ.

а)

б)

в) Рис. 4.15. Отображение результатов измерения в табличной форме (а),

на мнемосхеме (б) и в виде графиков (в) Частота выполняемых замеров выбирается из условия, что при максимальной скорости вращения число замеров будет не менее 5 за один оборот ротора. Продолжительность испытаний объекта может составлять недели и месяцы, при этом непрерывная регистрация должна выполняться как минимум в течении одной рабочей смены (не менее 8 часов). В этом случае, объем накапливаемой информации по одному измерительному каналу составляет порядка 150 Мбайт. Учитывая большие объемы накапливаемой информации, для ее хранения был выбран компактный двоичный формат файлов. Кроме того, по завершении каждой смены производится

перезапись

накопленных

данных

на

другой

носитель,

для

чего

ПЭВМ

2

укомплектовывается устройством для записи компакт-дисков. В составе программного обеспечения подсистемы непрерывной регистрации можно выделить программу опроса и непрерывной регистрации измерительной информации и программу просмотра накопленной в базе данных эксперимента информации. Программа опроса и непрерывной регистрации реализована на языке Borland C++ 3.0 и предназначена для работы под управлением MS DOS 4.x и выше. В ходе испытаний результаты опроса сохраняются в двоичном виде в файлах эксперимента. Закрытие очередного файла происходит по завершении определенного временного промежутка, задаваемого в файле инициализации. Программа

просмотра

результатов

непрерывной

регистрации

зазоров

реализована на языке Delphi 4.0 и работает под управление MS Windows 95/98. Представление информации осуществляется в табличной форме. Для удобства навигации в программе предусмотрен переход на заданную временную метку в пределах

просматриваемого

файла.

В

случае

необходимости

пользователю

предоставляется возможность сохранить весь файл или выбранный фрагмент в формате, удобном для дальнейшего анализа (Text MS-DOS, лист MS Excel и др). Основные характеристики СИ-PCL-01 приведены в табл. 4.2. Программные средства моделирования для поддержки процесса верификации и полученные

результаты.

Программные

средства

моделирования

в

составе

программного обеспечения СИ-PCL-01 включают набор программ, позволяющих описывать и решать нечеткие логические модели поведения объекта и средств измерения (раздел 3.2.1, 3.2.2), а также составлять на их основе сети моделей. При составлении сети моделей программные средства предусматривают возможность включения аналитических и численных моделей, разработанных в среде Mathcad. Модели рассматриваются как одно/двухвходовые нечеткие контроллеры с одним выходом, но в дальнейшем это ограничение будет снято. Интерфейс программы реализован в стандарте MDI, что позволяет осуществлять редактирование нескольких моделей одновременно (рис. 4.16). Задание термов лингвистических переменных, описывающих входы/выходы модели, осуществляется либо графически (подход Drag-and-Drop), либо традиционно в цифровом виде с помощью специального диалогового окна. По завершении описания модели пользователю

предоставляется

возможность

протестировать

ее

с

реальными

значениями входных переменных. Все модели можно сохранить в формате, приемлемом для дальнейшего использования программами комплекса моделирования, и вывести на печатающее устройство. Собственно нечетких

расчет

логических

моделей осуществляется с помощью

специального

программного

модуля,

входящего

в

состав

программы

логического

моделирования. Исходные данные для моделирования считываются Рис. 4.16. Интерфейс программы логического

моделирования

из

текстового

формата,

сформированных внутренним

файлов либо

редактором

программы расчета логических моделей, либо любым другим текстовым редактором. Для интеграции программы расчета в ПО СИ-PCL-01 она наделена функциями обмена данными

через

протокол

DDE,

что

обеспечивает

ввод

исходных

данных

непосредственно из программы опроса измерительных каналов и передачу результатов расчета модели другим программам комплекса. Представление результатов расчета осуществляется в табличной и графической формах. При этом пользователь имеет возможность изменять настройки представления информации для более удобного анализа полученных результатов моделирования. В программный комплекс моделирования

входит

также

редактор схем моделей (рис. 4.17). Сеть конфигурируется из разработанных ранее моделей, хранящихся на жестком диске и представляющих моделей. предусматривает результатов

собой

базу

Программа интеграцию расчета

как

Рис. 4.17. Интерфейс редактора схем моделей

аналитических и численных моделей, выполненных в Mathcad, так и результатов расчета логических моделей. В процессе стендовых испытаний уплотнителей, проведенных в ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, изучалось поведение зазоров при изменении скорости вращения ротора и отсутствии подогрева воздуха (1), при изменениях температуры воздуха и неподвижном роторе (2), а также при совместных воздействиях изменений скорости вращения ротора и температуры воздуха (3). С учетом пуско-наладочного этапа испытания продолжались около года. Наработка СИ-PCL-01 за этот год составила более 170 часов. В обобщенном виде результаты измерений представлены на рис. 4.18. На рис. 4.18, а показаны изменения РЗ (с) во времени (t) в зависимости от скорости вращения ротора (n) и при постоянной температуре (Θ). Характер изменений является типовым для исследований вида 1. При этом величина изменения зазоров составляет десятые доли мм, интервал времени достигает нескольких часов, а верхняя граница диапазона изменения скорости вращения составляет более 15000 об/мин. Причиной изменений зазоров являются упругие деформации колес ротора, связанные с действием центробежных сил, возрастающих с увеличением скорости и уменьшающихся с ее понижением. В конечном счете увеличение диаметра ротора приводит к уменьшению зазоров (участки 2-3, 5-6, ...), а его уменьшение – к их росту (участки 3-4, 7-8, ...). Очевиден и тот факт, что при отсутствии изменений скорости вращения деформации не происходит и изменения зазоров также отсутствуют (участки 4-5, 11-12). Следует отметить, что изменения зазоров на рис. 4.18, а в основном показаны двумя линиями, которые характеризуют их средние (c(t)) и минимальные (cmin(t)) значения (участки 2-8, 9-15). Это дает возможность оценить биения первого и второго колес ротора. Они сохраняются в процессе испытаний и могут в известной степени использоваться как «свидетели – эталоны» для проверки правильности функционирования системы. При отсутствии вращения ротора биения не наблюдаются, и на графиках вместо двух фиксируется лишь одна зависимость изменений зазора (участки 1-2, 8-9). На рис. 4.18, б приведены зависимости c(t) и Θ(t) при отсутствии вращения ротора для экспериментов вида 2. Амплитуда пульсаций Θ(t) составляет десятки градусов. На графике c(t) им соответствуют незначительные локальные увеличения зазоров.

Причины зазоров

c, n

изменений

здесь

совокупными

связаны

с

температурными

деформациями как ротора, так и 8 9

2

1

c

4

3

cmin

15 11

5

датчиков. На величину изменений

12

оказывают влияние и способы

10

14

закрепления, а также качество

13

7

6

статора в местах закреплений

0

выполнения

t

таких

работ.

Увеличения зазоров (рис. 4.18, б)

а)

c, Θ

свидетельствуют

о

рующей

статора

роли

доминив

выбранном канале. В то же время наблюдаются

Θ c

3

1

2

4

9

различия в зависимостях c(t) в

6 5

8

7

существенные

обоих

10

каналах,

например,

отсутствие пульсаций зазоров в одном канале, когда зависимость

t

0

c(t)

наклонную прямую, причем в

c, n, Θ

последнем случае доминирующее

3 2

собой

практически горизонтальную или

б)

1

представляет

влияние

Θ

оказывает

медленное

тепловое расширение ротора.

4

10

6 5

Сбой n

7

зависимости c(t), cmin(t), n(t) и Θ(t),

c

т.е. cmin

0

На рис. 4.18, в приведены

9

8

t в)

Рис. 4.18. Зависимости изменений зазоров,

исследуются

зазоров

при

изменения совместных

воздействиях скорости вращения и

температуры

вида

3).

(эксперименты Отличительная

скорости вращения ротора и температуры во

особенность графиков n(t) и Θ(t) -

времени (эксперименты вида 1 (а), 2 (б), 3 (в))

наличие

продолжительного

участка 5-6, на котором скорость

вращения и температура сохраняют постоянство. На участках 3-5, 6-7 скорость возрастает, а на участке 8-9 – падает до нуля. Значительный рост температуры наблюдается только на участке 1-4 и является причиной максимума зазоров (точка 4), несмотря на противодействие нарастающей скорости на участке 3-4. Зазоры уменьшаются с ростом скорости (участки 4-5, 6-7) и возрастают при ее уменьшении (участок 8-9). Однако, в экспериментах рассматриваемого вида, как и в экспериментах вида 2, возможны различия в изменениях c(t), cmin(t) в обоих каналах системы, для интерпретации которых необходим тщательный анализ не только температурных деформаций статора, ротора, способов крепежа датчиков, но и упругих деформаций ротора. Необходимо также отметить, что особенно в процессе пуско-наладочных работ средства измерения могут функционировать в условиях, не предусмотренных ТЗ. Пример тому - осевое смещение ротора и попадание в зону чувствительности одного из ОВТД торцовой части колеса (раздел 1.3.3), оказывающее существенное влияние на выходной сигнал ОВТД и неучтенное в исходных ГХ. Кроме того, возможны изменения температуры в зоне расположения ОВТД с повышенной динамикой, при которой

термокоррекция,

рассчитанная

на

стационарный

режим,

становится

неэффективной, что приводит к появлению больших температурных погрешностей. В процессе пуско-наладочных работ и испытаний выявлены сбои в выходных данных системы измерения. Они показаны на рис. 4.18, в (участок 5-6) в виде скачкообразных изменений c(t), cmin(t) и связаны со сбоем синхронизации начала отсчетов. Благодаря включению в состав программного обеспечения СИ-PCL-01 логических

моделей

термической

и

упругой

деформации

пользователю

предоставляется возможность интерпретации результатов измерения и установлении их истинности. На рис. 4.19, а приведены результаты эксперимента вида 2 (верхнее окно) и моделирования термической деформации (нижнее окно). «Горб» в начале прогрева в измеренных значениях зазоров связан с быстрым нагревом статора и его расширением. Дальнейшее изменение измеренного зазора связано с расширением ротора и хорошо совпадает с результатом моделирования. На рис. 4.19, б приведены результаты эксперимента вида 1 и моделирования упругой деформации. При термостабильном изменении скорости вращения результаты эксперимента и моделирования практически совпадают.

а)

б)

Рис. 4.19. Экран СИ-PCL-01 в режиме поддержки процесса верификации:

изменения РЗ, обусловленные термическими (а) и упругими (б) деформациями колеса ротора В перспективе предполагается расширение возможностей моделирования. Помимо используемых моделей планируется включение в состав программного обеспечения аналитических и численных моделей, а также моделей температурного расширения статора с учетом способа крепления ОВТД. Предполагается также, что поведение средств измерения будут имитировать модели ОВТД (или измерительных каналов системы), характеризующие влияние осевых смещений ротора (ЧЭ ОВТД расположены вблизи торцовой части колес ротора), модели ОВТД (или измерительного канала системы), характеризующие влияние динамических изменений температуры в зоне расположения ОВТД, модели алгоритмов функционирования системы и т.п. Модели средств измерения должны интегрироваться с моделями объекта и между

собой.

Должны

быть

предусмотрены

возможности

одновременного

представления на экране различных алгоритмов функционирования одной системы, работающих в условиях мешающих факторов. 4.1.6.

Система измерения смещений оси опорной поверхности подшипника

В отличие от реального опорного подшипника скольжения, в котором происходит вращение вала в неподвижной опоре, в стендовой установке, предназначенной для его испытаний, предусмотрена неподвижность вала и вращение опорной поверхности. Одной из важных задач испытаний является измерение смещений оси опорной поверхности в трехмерном пространстве. Оно осуществляется с

помощью системы, реализующей метод измерения, описание которого приведено в разделе 1.3.4 (схематическое изображение подшипника с размещенными на валу ЧЭ кластера ОВТД показано на рис. 1.19). В настоящем разделе приводится описание аппаратно-программных средств такой системы. В состав технических средств системы (СИ-PCL-02) входят датчики

ОВТД

ПЭВМ

БСУ

ТП

…

PCL-712

(ОВТД, ТП, ДЧВ), блок согласующих устройств (БСУ) и плата PCL-712 для ввода

ДЧВ

аналоговых

и

дискретных

сигналов. Структурная схема системы

Рис. 4.20. Структурная схема СИ-PCL-02

представлена

на

рис.

4.20

и

в

принципе аналогична СИ-PCL-01. Конструкция ОВТД представлена на рис. 4.21, а. Она состоит из двух идентичных датчиков – рабочего и компенсационного, которые содержат ЧЭ в виде отрезков проводника, укороченные тоководы и согласующие трансформаторы. Датчики выполнены из нержавеющей стали. Температура корпуса датчика не должна превышать +250оС. Их характеристики приведены в табл. 4.1 (ОВТД-ОП-0.2(НС)), а внешний вид на рис. 4.21, б. Рабочий ЧЭ Согласующие трансформаторы Укороченные тоководы

Компенсационный ЧЭ

а) б) Рис. 4.21. Конструкция (а) и внешний вид ОВТД-ОП-0.2(НС) (б) ТП расположены в зоне размещения пар ОВТД (одна на контролируемое сечение) и используются для температурной коррекции. БСУ (тип БСУ-02) содержит индивидуальные преобразователи сигналов ОВТД (ПР) и ТП (ПР-Θ) (рис. 4.22, а). Однако, в отличие от БСУ-01 в БСУ-02 вместо ИСх в виде мостов Блумлейна используются обычные мостовые схемы с дифференцирующим усилителем на выходе (рис. 2.9). Кроме того, в составе БСУ-02 для цифрового

измерения частоты вращения, передачи кода в PCL-712 и формирования импульсов синхронизации используется микроконтроллер (МК) AT89C4051. Применение МК упрощает схемотехнику устройства и управление процессами измерения. Цифровое измерение частоты вращения осуществляется по периоду сигналов, поступающих с ДЧВ (после их формирования (Ф)) с использованием компонентов в составе МК. Передача полученного кода производится по SPI-интерфейсу, реализованному программно с применением дискретных входов платы PCL-712. МК также управляет и импульсным питанием ИСх в ПР. Внешний вид БСУ-02 с двумя парами подключенных ОВТД-ОП-0.2 (НС) представлен на рис. 4.22, б. PCL-712

БСУ

ОВТД …

ПР

ОВТД

ПР

ТП …

ПР-Θ

ТП

ПР-Θ МК

ДЧВ

Ф

М

Запуск АЦП SPI Синхр.

АЦП

Рг

а)

б)

Рис. 4.22. Структурная схема БСУ-02 (а) и его внешний вид с подключенными

датчиками ОВТД-ОП-0.2(НС) (б) В рассматриваемой СИ-PCL-02 используется квазиадаптивный алгоритм СПВ ИС (раздел 2.3.1). Количество периодов вращения варьируется от 20 (на максимальной скорости) до 1 (на минимальной), количество отсчетов в каждом канале ОВТД за период при максимальной скорости – 25. Полученные коды зазоров приводятся к физическим значениям, определяются минимальные и средние значения зазоров, а также КС смещений центров опорной поверхности в обоих сечениях. Реализация алгоритма СПВ ИС предусматривает обязательную синхронизацию отсчетов с началом периода вращения. Однако, использование с этой целью выходных сигналов ДЧВ (как это делается в СИ-PCL-01) не представляется возможным, поскольку в рассматриваемой установке источником сигналов является редуктор, не обеспечивающий требуемой разрешающей способности. Поэтому для синхронизации на вращающейся опорной поверхности в одном из контролируемых сечений нанесена метка. После получения информации о скорости вращения с ДЧВ начинается поиск

метки (осуществляется привязка к началу оборота). Сигнал, соответствующий прохождению метки в зоне ЧЭ любого ОВТД, инициализирует начало отсчетов во всех каналах с сохранением полученных данных. В зависимости от номера канала, где обнаружена метка, производится перегруппировка элементов массивов данных для фиксации положения вала. Результаты измерения по каждому каналу отображаются на экране монитора в табличном виде и в виде графиков. Траектория перемещения центра опорной поверхности одного из контролируемых сечений за полный период вращения выводится на график в полярных координатах. Периодичность измерений составляет 5 сек. Учитывая большой объем накапливаемой информации (время непрерывной регистрации результатов измерений составляет около 8 часов), для ее хранения выбран двоичный формат файла, который, с помощью входящих в программное обеспечение средств, может быть преобразован в любой удобный для дальнейшего анализа формат (Text MS-DOS, лист MS Excel и др). ПО предназначено для работы под управлением Windows 95/98. Основные характеристики СИ-PCL-02 приведены в табл. 4.2. 4.1.7. Градуировка и оценка погрешностей измерительных каналов

ОВТД

являются

элементами,

определяющими

точность

преобразования

измерительных каналов рассматриваемых систем. В значительной степени это связано с тяжелыми и экстремальными условиями функционирования датчиков, которые подвержены влиянию различных мешающих факторов и, в частности, температуры. Как было показано, использование ГХ и измерительной информации с кластера ОВТД и термопар, встроенных в ОВТД, позволяет в значительной степени избавиться от влияния изменений температуры. Очевидно, что индивидуальная градуировка при различных РЗ и температурах в измерительных каналах СИ-01, СИ-02-П, СИ-04-Б и частично

СИ-03-М,

предназначенных

для

испытаний

компрессора,

а

также

индивидуальная градуировка при различных РЗ, ОС и температурах в измерительных каналах СИ-03-М, предназначенных для испытаний турбины, является весьма трудоемкой операцией, особенно при большом числе каналов, требующей хотя бы частичной автоматизации. Подобная индивидуальная градуировка производится и в измерительных каналах СИ-PCL-01, СИ-PCL-02 с использованием того же или аналогичного экспериментов.

оборудования

и

общей

методики

проведения

метрологических

Здесь

приводятся

метрологических

краткие

исследований

описания

градуировочных

измерительных

каналов,

устройств

методики

для

проведения

метрологических экспериментов и полученных результатов [58, 59]. Градуировочные должны

устройства

обеспечивать

достаточно

3

4

6

5

2

15

высокую точность задания смещений ЭК (или

фрагмента

ЭК).

Они

должны

обеспечивать и изменения температуры в диапазонах, соответствующих условиям

1

применения ОВТД. При этом требуемая

12

13 7

точность установки по перемещениям и 8

температуре составляет единицы мкм и 11

градусов соответственно. На

рис.

4.23

схематическое

изображение

градуировочного

устройства

метрологических измерительных компрессоров

и

градуировочного

для

исследований каналов

предназначенных

10

представлено

для турбин.

систем, испытаний В

устройства

состав входят

9

14

1 - керамическая опора лопатки; 2 - лопатка; 3 – крепление рабочего ОВТД; 4 – крепление компенсационного ОВТД; 5 – платформа крепления ОВТД; 6 – крепеж платформы; 7 – выключатель схемы регулирования температуры; 8 – переключатель диапазона температуры; 9 – маховичок вертикальной подачи (установка РЗ); 10 – светодиодный индикатор; 11 - маховичок горизонтальной подачи (установка ОС); 12 – суппорт; 13 – направляющая; 14 – индикатор часового типа (РЗ); 15 – индикатор часового типа (ОС)

Рис. 4.23. Градуировочное устройство

средства подачи и смещения лопатки относительно ЧЭ ОВТД для задания РЗ и ОС, которые контролируются индикаторами перемещения часового типа. Исследования проводятся на реальной компрессорной или турбинной лопатке, закрепленной на подвижной платформе. Лопатка и датчики размещены в термокамере, оборудованной устройством ступенчатой регулировки температуры. Внешний вид комплекса технических средств для проведения метрологических исследований в измерительных каналах СИ-02-П, включающего градуировочное устройство, представлен на рис. 4.24. Работа

оператора

поддерживается

программой,

обеспечивающей

проведение

градуировки, метрологических исследований каналов и представляющей результаты в виде таблиц и графиков. Контрольные значения мер по РЗ и ОС вводятся оператором вручную с клавиатуры ПЭВМ. Установка нужной температуры в термокамере осуществляется

путем

переключения

устройства

регулировки температуры в одно из 10 положений переключателя. После выхода на заданный температурный режим оператор при помощи

часовых

индикаторов

выставляет запрашиваемые РЗ и ОС и Рис. 4.24. Внешний вид комплекса

запускает

процесс

опроса

ОВТД.

технических средств для метрологических

Полученные коды фиксируются на

исследований измерительных каналов

жестком диске ПЭВМ и являются доступными

для

дальнейшей

обработки и документирования результатов, причем в любой момент времени можно просмотреть снимаемые характеристики в графическом режиме. Основу

методического

обеспечения

проводимых

экспериментальных

исследований составляет традиционная методика метрологической аттестации (МА), рекомендованная отраслевым стандартом, который, в свою очередь, базируется на государственных стандартах [92-95]. В ней используется экспериментально-расчетный метод оценки метрологических характеристик, заключающийся в проведении многократных градуировок в нормальных условиях, их аппроксимации степенным полиномом и вычислении систематической и случайной составляющих основной погрешности измерительных каналов аттестуемой системы. В то же время методика МА рассматриваемых систем принципиально отличается от традиционной, прежде всего, в части определения ГХ и отсутствия понятия основной погрешности. Пусть ведется градуировка канала измерения РЗ в компрессоре. ОВТД вместе с контрольной компрессорной лопаткой помещается в тепловую камеру, в которой поддерживается заданный температурный режим. Перемещение лопатки относительно датчика внутри камеры осуществляется в диапазоне 0 – 2.5 мм. Начальная точка ГХ (нулевой зазор) определяется по моменту касания лопатки ЧЭ ОВТД, что исключает искажения результата из-за влияния теплового расширения элементов крепления датчика и лопатки. В каждой контрольной точке температурного диапазона производится многократное получение ГХ измерительного канала в соответствии с традиционной методикой не менее 10 раз в прямом и обратном направлении. В результате формируется семейство ГХ канала, представленное в виде

массива цифровых отсчетов, соответствующих заданным значениям РЗ и температур. Далее производится аппроксимация семейства ГХ степенным полиномом в виде функции двух переменных – кода и температуры (разделы 2.4.1, 2.4.2). С помощью полученного полинома в каждой точке температурного диапазона вычисляются приведенные ко входу значения результатов наблюдения входного параметра (РЗ) и аналогично традиционной методике МА находятся оценки систематической и случайной составляющих погрешностей. Особенность МА измерительных каналов в системе, предназначенной для испытаний турбины, заключается в том, что оценка погрешностей производится только в отношении одной КС – РЗ. Вторая КС (ОС) при этом рассматривается как один из мешающих факторов, наряду с окружающей температурой. Можно ожидать, что величины погрешностей измерения РЗ и ОС примерно совпадают, а потому нет серьезных оснований к самостоятельной оценке погрешности измерения ОС. При этом алгоритм вычисления РЗ и ОС, описание которого приведено в разделе 2.4.3, остается без изменений. Вместе с тем в измерительных каналах, обслуживающих ступени турбины, предусмотрен только один компенсационный ОВТД на два рабочих датчика, что связано с недостатком места в зоне измерения (соответствующие изменения внесены в ИСх, где используются дополнительная коммутация). Таким образом, кластер ОВТД, предназначенный для измерения РЗ и ОС, содержит три датчика, которые названы рабочим, вспомогательным и компенсационным и соответственно обозначены РД, ВД и КД [59]. Кластер, включающий РД, ВД и КД, вместе с турбинной лопаткой размещается в термокамере, в которой поддерживается

заданный

температурный режим.

Перемещение лопатки относительно РД осуществляется в диапазоне РЗ от 0 до 2.5 мм и повторяется не менее 10 раз в прямом и обратном направлении. При этом ОС равно 0. Затем процедура изменения РЗ повторяется при фиксированных значениях ОС в диапазоне от -2 до +2 мм. При значении ОС, равном +2 мм, завершается формирование семейства ГХ на выбранной температуре. При этом в ГХ вносятся средние значения кодов АЦП, полученных при многократных изменениях РЗ на фиксированных ОС. В то же время исходные массивы кодов АЦП сохраняются для последующих оценок погрешностей. В аналогичных процедурах формируются массивы данных при других температурах, которые для турбинных ОВТД обычно находятся в диапазоне от 500 до 1000-1200ºС.

Желательно, чтобы в диапазонах изменений РЗ, ОС и температуры было 8-10 фиксированных значений указанных параметров. На этом заканчивается формирование первого семейства ГХ (в табличном виде) для РД (точнее, пары - РД и КД). Затем перечисленные

процедуры

вновь

повторяются

для

ВД.

Они

завершаются

формированием второго семейства градуировочных таблиц для пары ВД-КД. Оба семейства загружаются в память ПЭВМ и этап сквозной градуировки измерительного канала считается законченным. На следующем этапе производится оценка погрешностей измерительных каналов с ОВТД. С этой целью используются два семейства ГХ, алгоритмы вычислений РЗ и ОС (раздел 2.4.3), реализованные в программном обеспечении СИ-03-М, и сохранившиеся массивы кодов АЦП, полученных при многократных изменениях РЗ в прямом и обратном направлении. Обычно оценка погрешностей приводится для границ диапазонов ОС и температур, а также для 1-2 значений внутри диапазонов. Для выбранного значения ОС и температур сохранившиеся массивы кодов АЦП пересчитываются в РЗ. Полученные и исходные значения РЗ позволяют найти оценки систематической и случайной составляющих погрешностей, их доверительных интервалов и границ суммарной погрешности. Метрологические исследования проводились в измерительных каналах с датчиками, предназначенными для работы в компрессоре (ОВТД-К-З(Л) и ОВТД-КЗ(НС)) и в турбине (ОВТД-Т-З(НС)). Как и ожидалось, погрешности измерительных каналов определяются главным образом датчиками и практически не зависят от остальных элементов (ИСх, УВХ и АЦП). Поэтому для оценки погрешностей достаточно проведение метрологических экспериментов в одном из каналов, но с различными парами компрессорных и тройками турбинных датчиков. В частности, в одном из каналов СИ-02-П (рис. 4.24) была проведена градуировка и получены оценки погрешностей с двумя партиями компрессорных датчиков, выполненных из латуни (ОВТД-К-З (Л)) и нержавеющей стали (ОВТД-К-З (НС)). Результаты исследований показывают, что температурные изменения выходного сигнала (кода) измерительного канала существенны, их величина зависит от выбранных ОВТД в дифференциальных парах и достигает на границах температурного диапазона 30%. Использование температурной коррекции при определении РЗ позволило получить максимальную границу погрешности в диапазонах изменений РЗ от 0 до 2.25 мм и температуры от ≈20 до ≈600ºC, не превышающую ≈4% (при 4 степени

полинома по зазору и 3 степени - по температуре), которая в основном определяется систематическими составляющими (случайные составляющие погрешностей почти на порядок меньше). Аналогичные метрологические эксперименты были проведены со второй партией компрессорных датчиков ОВТД-К-З(НС), выполненных из нержавеющей стали. Они показали, что максимальные значения систематических составляющих погрешностей варьируются в пределах 1÷4%. В то же время абсолютная величина случайной составляющей погрешности, выраженной в “дребезге” кода АЦП, в заданных диапазонах изменений РЗ и температуры в партиях ОВТД из нержавеющей стали и латуни, не превышает единицы. Однако, девиация кода АЦП (в диапазоне изменений РЗ) в измерительных каналах с ОВТД из нержавеющей стали примерно вдвое меньше девиации кода АЦП в каналах с ОВТД из латуни, а поэтому относительная случайная погрешность возрастает примерно в два раза (но не превышает 1%). Метрологические

исследования

измерительного

канала

с

турбинными

датчиками проводились в СИ-03-М. В первой серии экспериментов в измерительный канал включался кластер ОВТД-Т-З (НС) (РД, ВД и КД). РЗ задавались в диапазоне 0.3÷2.4 мм с шагом 0.3 мм (в 8 точках) 10 раз в прямом и обратном направлении, а диапазон

изменений

температуры

составлял

примерно

20÷900оС.

Оценка

систематической и случайной составляющих погрешности, их доверительных интервалов и границ суммарной погрешности производилась при ОС 0 мм, -2 мм, +2 мм и фиксированных температурах 25ºC, 700ºC, 780ºC и 880ºC. Как показали исследования, максимальные границы погрешностей с учетом ОС (±2 мм) и изменений температуры (до 880ºC) не превышают 7%. Во

второй

серии

экспериментов

температурные

условия

сохранялись

неизменными (25ºC), но варьировались ОС в тех же пределах (-2 мм, 0 мм, +2 мм). РЗ задавались в диапазоне 0.25÷2.25 мм с шагом 0.5 (в 5 точках) 20 раз в прямом и обратном направлении. Как и ожидалось, при неизменной температуре, но варьируемых ОС, максимальные границы суммарных погрешностей не превышают 2% (что почти втрое меньше максимальной границы суммарной погрешности в первой серии экспериментов). В

заключение

измерительный

канал

приводятся

результаты

включаются

не

экспериментов,

тройки

турбинных

в

которых

в

датчиков,

а

дифференциальные пары, сформированные из этих троек, причем обработка цифровых

кодов АЦП, полученных в экспериментах, ведется в соответствии с методикой, используемой при аттестации измерительных каналов с компрессорными ОВТД. При этом в градуировочном устройстве устанавливается турбинная лопатка с бандажной полкой, относительно которой задаются РЗ при отсутствии ОС. РЗ задавались в пределах 0÷2,5 мм, а температура от ≈500 до ≈950oC. Как и в предыдущих экспериментах с компрессорными ОВТД, использовались полиномы 4 степени по РЗ и 3 степени по температуре. В результате экспериментов систематические составляющие погрешности для дифференциальных пар ОВТД не превышают 4% и почти вдвое ниже суммарной погрешности тройки ОВТД, полученной в условиях влияния как температуры, так и ОС. Градуировочное устройство для метрологических исследований измерительных каналов СИ-PCL-01 конструктивно аналогично представленному на рис. 4.23, но имеет большие габариты термокамеры для размещения ОВТД-У-3 (НС). Кроме того, задание смещений фрагмента колеса ротора в нем осуществляется автоматически с помощью шагового двигателя с разрешающей способностью 0.0005 мм. Для управления шаговым двигателем используется специальный микропроцессорный блок, обеспечивающий перемещение штока с фрагментом колеса с заданным шагом. Начало отсчета совпадает с точкой касания ЧЭ ОВТД фрагмента колеса ротора. Для МА измерительных каналов СИ-PCL-01 используется та же методика, что применялась для исследований измерительных каналов систем, предназначенных для испытаний компрессора и турбины. Изменения РЗ задавались с шагом 0.20 мм (в 10 точках), температура - 4 ступенями в диапазоне 25÷360оС. Для аппроксимации ГХ использовался полином 4 степени по РЗ и 3 степени по температуре. Как показали исследования, систематические составляющие погрешности не превышали 1% в диапазонах изменения зазоров от 0.2 до 2 мм и температур от 30 до 345оС, а случайная составляющая погрешности - 0.5% в обоих каналах [60]. Градуировочное устройство для метрологических исследований СИ-PCL-02 конструктивно отличается от рассмотренных, что связано с размещением в термокамере вала со встроенными ОВТД, который имеет большие габариты, чем лопатки или фрагменты колеса ротора. Кроме того, изменения касаются и механизма задания перемещений опорной поверхности подшипника, которые на порядок меньше. Термокамера представляет собой толстостенную трубу, установленную на массивной платформе. В одной из двух торцевых заглушек трубы установлен нагревательный

элемент и вентилятор. Задаваемое перемещение контролируется индикаторной головкой часового типа. Методика МА остается без изменений [60]. Изменения зазоров задавались с шагом 0.02 мм, температура - в диапазоне от ≈20 до ≈200оС. Для аппроксимации ГХ использовался полином 2 степени по зазорам и

3 степени по температуре. Как показали исследования, максимальные значения систематической составляющей погрешности в указанных диапазонах изменений зазоров и температуры не превышали 1%. Случайная составляющая погрешности также не превышала 1%.

4.2.

Системы измерения для стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания, их узлов и элементов конструкций

Рассматриваются системы, построенные на основе методов и принципов, изложенных в разделах 1.4.2-1.4.4 и 2.3.3, 2.4.1, 2.4.2. Системы имеют магистральномодульную структуру и сохраняют преемственность в конструктивах и по составу модулей с магистрально-модульными системами, предназначенными для стендовых испытаний ГТД и рассмотренными в предыдущем разделе. Приводятся описания системы измерения смещений вкладыша в ШП и шейки коленвала в ПКО, апробированной в производственных условиях, и перспектив ее развития, связанных с измерениями не только в подшипниках, но и в парах «поршеньцилиндр», расширением канальности и использованием бесконтактной передачи сигналов с кластеров ОВТД, расположенных в шейках ШП. Кроме того, в настоящем разделе рассматриваются особенности градуировки и оценки погрешностей измерительных каналов, а также результаты их метрологических исследований. 4.2.1.

Система измерения смещений вкладыша в шатунном подшипнике и шейки коленвала в подшипниках коренных опор. Перспективы развития системы

Система

измерения

(СИ-05)

предназначена

для

стендовых

испытаний

четырехцилиндрового ДВС. Ее структурная схема и внешний вид представлены на рис. 4.25. В состав технических средств СИ-05 входят датчики (ОВТД, ТП и ДЧВ), выносной блок согласующих устройств с мультиплексором и АЦП (АЦП-16L),

Еврокрейт

3U

с

модулями

(МС,

МП,

АЦП-16Θ),

аналогичными

тем,

что

использовались в СИ-04Б (раздел 4.1.4), а также с интерфейсным модулем (МИнт). ПЭВМ Системная магистраль

МП

МИнт

МС

Еврокрейт

АЦП-16Θ

RS-232

АЦП-16L

ДЧВ

КТ ОВТД

ОВТД

ТП

Рис. 4.25. Структурная схема и внешний вид СИ- 05

Запуск системы осуществляется с клавиатуры ПЭВМ. Окончание цикла измерения

происходит

автоматически

по

завершению

рабочего

цикла

ДВС,

занимающего два оборота коленвала. Измерение выполняется в одном ШП (1 кластер из 4-х ОВТД) и четырех ПКО (4 кластера по 2 ОВТД). Конструкция датчика для ШП содержит рабочий и компенсационный ЧЭ в виде отрезка проводника, укороченные тоководы и согласующие трансформаторы. Существуют две разновидности: первая выполнена из латуни (ОВТД–ШП–0.1(Л)), вторая – из нержавеющей стали (ОВТД–ШП–0.1(НС)) (рис. 4.26). Их характеристики приведены в табл. 4.1.

Согласующий трансформатор Укороченный токовод

Компенсационный ЧЭ

Рабочий ЧЭ

а)

б)

Рис. 4.26. Конструкция (а) и внешний вид ОВТД-ШП-0.1(НС) (б)

Рабочий и компенсационный датчики для ПКО имеют одинаковую конструкцию (рис. 4.27), но, в отличие от датчиков для ШП, они разнесены в пространстве. Датчики

изготовлены из латуни (тип ОВТД–ПКО–0.1(Л)) и их характеристики также приведены в табл. 4.1.

Согласующий трансформатор

Укороченный токовод

ЧЭ

а)

б)

Рис. 4.27. Конструкция (а) и внешний вид ОВТД-ПКО-0.1(Л) (б)

Преобразование угловых положений и формирование кадровых и тактовых импульсов (импульсов опроса) в системе осуществляется с помощью двух ДЧВ. Первый (ДЧВ-К) установлен вблизи распредвала и обеспечивает кадровый сигнал – один импульс на каждый оборот распредвала и на два оборота коленвала. Второй датчик (ДЧВ-Т) обеспечивает тактовый сигнал, он установлен вблизи шестерни, размещенной на маховике, и выдает 128 импульсов на один оборот коленвала. Шаг квантования по углу поворота коленвала составляет 2.8 градусов, что при диаметре вкладыша порядка 50 мм гарантирует один отсчет на примерно 1.2 мм контролируемой поверхности по окружности. Если частота вращения коленвала составляет 6000 об/мин, то период тактовых импульсов – около 80 мкс. За это время должны быть поданы импульсы питания на все ОВТД в составе системы, зафиксированы в аналоговом виде результаты первичного преобразования индуктивностей в напряжение, получены их цифровые эквиваленты для последующей обработки и вычислений. Указанные операции

выполняются

в

выносном

блоке

АЦП-16L,

который

содержит

индивидуальные преобразователи сигналов ОВТД (ИСх – мосты Блумлейна, УВХ). Он размещается на расстоянии 1÷1.5 м от ОВТД. Управляющие сигналы для формирования импульсов питания и синхронного запуска мультиплексора и АЦП формируются модулем МС. По сравнению с модулями МИ-4 и АЦП-L в АЦП-16L число каналов расширено до 16, причем предусмотрена возможность работы части каналов с контактным токосъемником (КТ), обеспечивающим передачу импульсного питания дифференциальных плеч ОВТД (по одному проводу) и прием сигналов (по двум проводам) с каждого ОВТД в составе кластера датчиков ШП. Короткая линия позволяет минимизировать время восстановления каждой ИСх и уменьшить влияние температурных изменений омического сопротивления ОВТД.

Связь АЦП-16L с блоком МП в системе осуществляется через МИнт, что обеспечивает прямой доступ результатов преобразования в ОЗУ МП (рис. 4.25). Сигналы ТП (до 16) преобразуются в цифровой эквивалент в модуле АЦП-16θ. Программное обеспечение системы работает под управлением MS DOS и включает программы верхнего и нижнего уровней. Программа нижнего уровня – это программа управления всеми этапами первичного преобразования от датчиков до АЦП с передачей данных в ОЗУ. Программа верхнего уровня обеспечивает обработку и регистрацию результатов в первичных файлах экспериментов. Она организует взаимодействие

с

программой

нижнего

уровня

для

приема

данных

по

последовательному интерфейсу RS-232. Обработка заключается в преобразовании кодов измерительных каналов к физическим значениям измеряемых зазоров и в расчете смещений центров шейки в каждом ПКО по величинам зазоров, полученных с помощью датчиков в составе соответствующего кластера. На рис. 4.28 приведены примеры экранов работы программы верхнего уровня, где результаты измерения по нескольким каналам представлены в форме графиков (рис. 4.28, а) и таблиц (рис. 4.28, б).

а) б) Рис. 4.28. Экраны представления результатов измерения в графической (а) и табличной формах (б) Основные характеристики СИ-05 приведены в табл. 4.2. Необходимо также отметить, что в дальнейшем планируется создать новую версию ПО СИ-05 под Windows 95/98 и дополнить ее средствами поддержки процесса верификации (по аналогии с СИ-PCL-01). При этом в составе базы знаний предполагается использование моделей объекта и средств измерения, описание которых приведено в [53, 54].

Работоспособность СИ-05 была проверена в стендовых условиях при испытаниях автомобильного двигателя ВАЗ 21083. В качестве примера на рис. 4.29 представлены графики изменения зазоров (c(ψ)) на протяжении рабочего цикла ДВС (2 оборота коленвала). Они получены в произвольно выбранных каналах, обслуживающих один из ПКО (а) и один из ШП (б). Нагрузка на валу ДВС составляла 100 Н⋅м при скорости вращения 3500 об/мин. Характер изменения c(ψ) определяется силовыми воздействиями и геометрией контролируемых датчиками поверхностей. Периодические импульсные изменения зазоров в ШП вызваны стыками вкладышей (геометрическая модель ШП приведена в[60]), а в ПКО – отверстиями в шейке для подачи масла. На рис. 4.29 обозначены зоны соответствующие указанным стыкам и отверстиям, где информация о зазорах не достоверна (поскольку ГХ измерительных каналов определяются при условии расположения ЧЭ ОВТД над непрерывной поверхностью). c,мкм

c, мкм

52.5

52.5

35

35

17.5

17.5

0 0

90

180

270

360

450

540

630 720 ψ , град

0

0

90

180

360

270

450

540

630 720 ψ , град

а) б) Рис. 4.29. Графики изменения зазоров на протяжении рабочего цикла в ПКО (а) и ШП (б) На рис. 4.30 приведены траектории

c2И,мкм

Направление оси цилиндра

2

смещения

в

50

координатах X и Y (зазоров c1И и c2И).

40

Траектории

30

коленвала

центра

шейки

получены от

отсутствуют

при

в

ПКО

вращении

электростартера, силовые

когда

воздействия

цилиндрах.

Траектории

20

со

стороны поршней, при вывернутых свечах в

1

образованы

10 0 0

10

20

30

40

50 c1И,мкм

точками – отсчетами, число которых

Рис. 4.30. Траектории смещений центра

составляет

шейки коленвала при отсутствии силовых

128

на

каждый

оборот

коленвала, после фильтрации выбросов,

воздействий со стороны поршня

вызванных прохождением около датчиков маслоподводящих отверстий. Как и следовало ожидать, при отсутствии свечей траектории смещений на первом и втором оборотах различаются незначительно и свидетельствует о хорошей повторяемости отсчетов. Для решения более сложных исследовательских задач, которые включают рассмотренные измерения в подшипниках и дополнительные измерения смещений осей поршней относительно цилиндров, планируется создание системы, являющейся дальнейшим развитием СИ-05. В состав технических средств перспективной системы помимо датчиков, предназначенных для использования в подшипниках (ОВТД-ШП-0.1(НС), ОВТД-ПКО0.1(Л)), входят датчики, предназначенные для использования в парах «поршеньцилиндр». Конструкция таких датчиков (тип ОВТД-ПЦ-0.1(Л)) в целом аналогична тем, что применяются для измерения смещений торцов лопаток в компрессорах и турбинах, а также в подшипниках ГТД и ДВС (рис. 4.31). В то же время они отличаются длиной тоководов: в ОВТД-ПЦ-0.1(Л) она больше, чем в датчиках, предназначенных для подшипников, но, как правило, меньше, чем в датчиках, предназначенных для измерения смещений торцов лопаток и колес ротора (табл. 4.1). 20

40

Согласующий трансформатор Тоководы ТП ЧЭ

10

а)

б)

Рис. 4.31. Конструкция (а) и внешний вид ОВТД-ПЦ-0.15(Л) (б)

Кроме того, в составе технических средств предусматривается использование бесконтактной передачи сигналов кластеров овтд, расположенных в шейках шп. Принципы бесконтактной передачи были изложены в разделе 2.2.3, а на рис. 2.28 представлена схема, поясняющая эти принципы. Конструктивно бесконтактный токосъемник (бт) представляет собой ротор, расположенный на валу, который механически связан с коленвалом, и неподвижный статор. В роторе закреплены подвижные части ферритовых магнитопроводов с

Сигнальный трансформатор

Ферритовые сердечники

Трансформатор питания ОВТД-С Подвиж. катушка Неподвиж. катушка

Вых. сигнал Питание

ДУП

Сигнал ОВТД Подшипник Неподвиж. катушка

Вал Подшипник

Подвиж. катушки

сТС

Ротор

сТП

Статор

Рис. 4.32. Конструкция бесконтактного

токосъемника

подвижными

катушками

трансформаторов

обоих

(сигнального

и

питания), а в статоре – неподвижные части ферритовых магнитопроводов с неподвижными

катушками.

Подвижные и неподвижные катушки расположены

соосно

и

внутри

подвижных и неподвижных частей магнитопровода.

Через

осевое

отверстие вала проходят кабели, по которым передается импульсное питание на датчики, а также сигналы датчиков. Как уже отмечалось в разделе 2.2.3, эффективность передачи питания и сигналов обоих трансформаторов будет зависеть от магнитных потоков рассеяния. Поэтому в конструкции БТ стремятся уменьшить зазоры в магнитопроводах (сТС, сТП), между катушками, между катушками и магнитопроводами. В то же время снижение зазоров приводит к увеличению влияния технологического несовершенства конструкции и мешающих факторов (МФ). При этом увеличивается влияние температуры среды, окружающей токосъемник, что в конечном счете

вызывает изменения выходного

сигнала и потерю точности. Точность передачи сигналов ОВТД может быть повышена за счет коррекции перечисленных МФ. При этом предполагается установка дополнительных датчиков, контролирующих зазоры в магнитопроводах сТС и сТП, и датчиков, контролирующих температуру статора (на рис. 4.32 изображен один из датчиков, контролирующих зазоры в трансформаторе питания – ОВТД-С). Предусматривается также предварительная градуировка измерительного канала, включающего БТ с учетом всего комплекса МФ, в том числе температуры среды в зоне контролируемого объекта, температуры токосъемника, зазора в токосъемнике и угла поворота вала. Полученная ГХ вводится в память системы и по результатам преобразований основного сигнала и МФ вычисляется значение входного сигнала ОВТД (разделы 2.4.1, 2.4.2). Экспериментальные исследования БТ, результаты которых приведены в [60], показали высокий уровень напряжений при передаче импульсов питания и сигнала и малые потери (несмотря на заведомо большие зазоры в трансформаторах), высокую

стабильность напряжений и малые погрешности аппроксимации ГХ полиномиальными функциями, учитывающими влияния МФ, что позволяет строить оптимистические прогнозы на применение БТ не только в ЭК ДВС, но и в ГТД. Возвращаясь к техническим средствам перспективной системы, необходимо отметить в ее составе наличие выносных и внутрикрейтовых функциональных блоков, аналогичных тем, что используются в СИ-05 и объединенных в измерительные станции (ИПС), каждая из которых обслуживает по одному ШП и ПКО и одну пару «поршеньцилиндр» (ПЦ). Таким образом, число ИПС определяется числом исследуемых цилиндров ДВС. Взаимодействие между ИПС и ПЭВМ осуществляется по системной магистрали крейта через крейт-контроллер. Структура системы при этом аналогична структуре многопроцессорной системы СИ-03-М, представленной на рис. 4.9. Опрос и первичная обработка сигналов датчиков во всех ИПС происходит параллельно в микропроцессорах модулей МП, а передача результатов на верхний уровень и вторичная обработка в ПЭВМ – последовательно. В целях сокращения времени передачи больших объемов информации от ИПС в системе используется скоростной параллельный канал передачи данных на шину ввода-вывода ПЭВМ. 4.2.2.

Особенности градуировки измерительных каналов и оценка погрешностей

Вычислению смещений в ШП и ПКО предшествует измерение зазоров. Диапазон изменения зазоров почти в 10÷20 раз меньше диапазонов изменений РЗ и ОС в лопаточных машинах, и это обстоятельство существенно влияет на методику градуировки и оценки погрешностей, особенностям которых в настоящем разделе уделено основное внимание. В ШП зазор вычисляется с помощью соответствующего полинома по значениям кода выбранного измерительного канала и измеренной температуре среды объекта, а в ПКО - по значениям кода, температуры и угловому положению коленвала13. Для получения параметров полинома необходима градуировка каждого измерительного канала, т.е. определение зависимости кода канала от указанных параметров (раздел 2.4.1, 2.4.2). Из-за малых значений преобразуемых перемещений (менее 0.1 мм), 13

В отличие от ШП, где ЧЭ ОВТД взаимодействуют с внутренней поверхностью вкладыша, выполненного из немагнитного материала, в ПКО ЧЭ ОВТД взаимодействуют с поверхностью шейки коленвала, выполненного из магнитного материала. Можно предположить, что после механической и термообработки коленвала остается некоторая неоднородность электромагнитных свойств поверхностного слоя, изменяющаяся в зависимости от углового положения коленвала и квалифицируемая как дополнительный МФ.

найденная по экспериментальным данным зависимость зазора от кода может быть аппроксимирована полиномом первой степени (уравнением прямой). Кроме того, с целью упрощения получения экспериментальных данных о влияющих факторах предполагается, что в полиномах отсутствуют слагаемые, характеризующие совместное влияние кода и температуры (ШП) или совместное влияние кода, температуры и угла (ПКО). Тогда вычисляемый зазор в ШП определится выражением

c = a00 + a10 C + a01 Θ + a02 Θ 2 + ... , а в ПКО – выражением

c = a000 + a100 C + a010 Θ + a020 Θ 2 + ... + a001ψ + a002ψ 2 + ... . Полученное в результате преобразования значение кода C выбранного измерительного канала в ШП содержит составляющие от изменения зазора Cc и от температуры CΘ, а в ПКО и от углового положения шейки коленвала Сψ. Постоянныe члены a00, a000 содержат составляющие аналогичного происхождения:

a00 = ac00 + aΘ00 , a000 = ac000 + aΘ000 + aψ 000 . С учетом этого

c = ac00 + a10 Cc + (aΘ00 + a10 CΘ + a01Θ + a02 Θ 2 + ...), c = ac000 + a100 Cc + (aΘ000 + a100 CΘ + a010 Θ + a020 Θ 2 + ...) + + (aψ 000 + a100 Cψ + a001ψ + a002ψ 2 + ...). Полученное представление полиномов для вычисления измеренного значения зазора дает возможность существенно упростить градуировку измерительных каналов и оценку погрешностей. Действительно, независимость искомого определяемого зазора от изменений температуры и углового положения коленвала может быть достигнута в случае тождественного равенства нулю выражений в скобках. В то же время произведения a10CΘ, a100CΘ, a100Cψ являются приращениями измеряемого зазора от изменений температуры и углового положения коленвала, т.е. функциями влияния указанных мешающих факторов, которые могут быть найдены экспериментально. С помощью соответствующих полиномов функции влияния аппроксимируются, а присвоение противоположного знака приращениям зазора от изменений температуры или

углового

положения

коленвала

обеспечит

независимость

(коррекцию)

вычисленного зазора от указанных факторов. Отклонение аппроксимирующей зависимости функции влияния от экспериментальной характеризует погрешность от

соответствующего мешающего фактора. С учетом изложенного приращения зазоров (функции влияния) могут быть представлены в виде:

− a10 CΘ = aΘ00 + a01Θ + a02 Θ 2 + ..., − a100 CΘ = aΘ000 + a010 Θ + a020 Θ 2 + ..., − a100 Cψ = aϕ 000 + a001ψ + a002ψ 2 + ... . Таким

образом,

принятые

упрощающие

допущения

позволяют

вести

градуировку измерительных каналов раздельно по основному преобразуемому параметру (зазору) и мешающим факторам (температуре и углу поворота коленвала). Градуировка каналов ШП выполняется в два этапа. На первом этапе снимается зависимость кода от изменения зазора при постоянной температуре (по возможности, близкой к нормальной). По результатам эксперимента определяется коэффициенты полинома ac00, a10. На втором этапе снимается зависимость приращения кода от изменения температуры при постоянном заданном зазоре (c=0), вычисляется величина a10CΘ, определяются коэффициенты полинома a01, a02, … и aΘ00. Градуировка каналов ПКО выполняется в три этапа. На первом этапе снимается зависимость кода от изменения зазора при постоянной температуре и неизменном угловом положении коленвала (ψ=0). По результатам эксперимента определяются коэффициенты полинома ac000, a100. На втором этапе снимается зависимость приращения кода от изменения температуры при постоянном заданном зазоре (c=0), вычисляется величина a100CΘ, определяются коэффициенты полинома a010, a020, … и aΘ000. На третьем этапе находится зависимость приращения кода от изменения углового положения коленвала при постоянных зазоре и температуре, вычисляется величина a100Cψ, определяются коэффициенты полинома aψ000, a001, a002, … . Полученные данные позволяют раздельно определить основную погрешность и оценить погрешности, вызванные мешающими факторами. Градуировка измерительных каналов производится на коленвале, извлеченном из двигателя. Коленвал устанавливается на опорах, закрепленных на основании (рис. 4.33, а). Для градуировки используются калиброванные прокладки, позволяющие имитировать заданные зазоры между вкладышем и шейкой коленвала. Толщины прокладок должны быть в пределах допусков для не работавших двигателей и в пределах допустимого износа для двигателей, бывших в эксплуатации. Для ШП это 0.086 мм и 0.1 мм, а для ПКО – 0.095 мм и 0.15 мм соответственно. Прокладки имеют в центре отверстие, диаметром равное диаметру датчика (рис. 4.33, б). Ширина

прокладки равна ширине вкладыша подшипника, а длина больше диаметра отверстия на 4-5 мм. Поверхность прокладки спрофилирована по радиусу шейки коленвала. Вкладыш ШП

Шейка с кластером ОВТД

Коленвал

Крышка ПКО с кластером ОВТД

Радиус шейки

Основание

Опоры

а)

б)

Рис. 4.33. Установка для градуировки измерительных каналов (а) и

калиброванная прокладка (б) Размещение прокладок в ШП показано на рис. 4.34, а. Штатная крышка 1 с вкладышем 3 прижимается к шейке 2 с помощью дополнительной крышки нижней головки шатуна 9 и шпилек 11. Должно быть обеспечено симметричное среднее положение ОВТД между шпильками или болтами крепления штатной крышки. Для гарантированного прижатия калиброванной прокладки с одной стороны к шейке, а с другой стороны к вкладышу, между шейкой 2 и вкладышем 10 в крышке 7 устанавливается

дополнительная

прокладка.

Сумма

толщин

калиброванной

дополнительной прокладок должна быть не меньше допустимого зазора. 3

4

5

4

6

6

5

8

3

2

2

1

7

9

1

10

7 11 12

11

10

9

8

13

1 – крышка нижней головки шатуна; 2 – шатунная шейка коленвала; 3, 10 – вкладыш подшипника; 4, 9 – калиброванная прокладка; 5 – датчик первый; 6 – масляный канал; 7 – шатун или крышка нижней головки шатуна; 8 – датчик третий; 11 – шпилька (болт)

1 – коренная шейка; 2, 11 – калиброванные прокладки; 3 – крышка коренного подшипника; 4, 8 – рабочие датчики; 5, 6 – компенсационные датчики; 7 – канал для выводов; 9 – вкладыш коренного подшипника; 10 – масляный канал; 12 – вспомогательная крышка; 13 – шпилька (болт)

а)

б)

Рис. 4.34. Размещения калиброванных прокладок в ШП (а) и ПКО (б)

и

Градуировка каналов преобразования зазоров в ПКО (рис. 4.34, б) производится при положении коленвала, соответствующем ВМТ (ψ=0). Калиброванная прокладка укладывается на вкладыш в крышке подшипника таким образом, чтобы центр прокладки совпадал с центром ОВТД. Крышка устанавливается на соответствующую коренную шейку, закрепляется и притягивается к шейке с помощью аналогичной дополнительной крышки и шпилек. Со стороны диаметрально противоположной размещению калиброванной прокладки в дополнительной крышке размещается вспомогательная прокладка, по форме аналогичная калиброванной, но имеющая толщину, равную предельной величине зазора. При оценке влияния температуры коленвал с датчиками помещается в термокамере. Производится термотренировка, для чего коленвал нагревают до 100°С и охлаждают до нормальной температуры. Регистрируются результаты преобразования и сравниваются с результатами, полученными до термотренировки. Если расхождение больше нормы, то цикл термотренировки повторяется. Если результаты совпадают, то приступают к эксперименту по оценке влияния температуры. Для каждого измерительного канала регистрируются значения кодов АЦП в 3-5 температурных точках. При оценке влияния неоднородности электромагнитных свойств материала шейки ПКО код выбранного измерительного канала снимается для нескольких угловых положений коленвала при фиксированном значении температуры и зазора. Процедура градуировки заключается в многократном повторении установки калиброванных зазоров между шейками коленвала и вкладышами подшипников в определенном угловом положении и фиксированной температуре с регистрацией результатов преобразования. В результате эксперимента заполняются градуировочные таблицы для каналов ШП и ПКО, на основе которых вычисляются коэффициенты соответствующих полиномов. Аппроксимирующие полиномы позволяют вычислить зазор по измеренному значению кода и сопоставить вычисленные значения зазоров с заданными. Сравнение обеспечивает

получение

оценок

составляющих

основной

погрешности

(систематической и случайной) в соответствии с рекомендациями [92-95]. Число заданных значений зазоров должно быть не менее трех. Установка производится 8÷10 раз и фиксируются отсчеты. Определение функций влияния МФ производится при нулевых значениях зазоров. Дополнительные погрешности из-за МФ определяются как погрешности аппроксимации функций влияния.

На основе экспериментальных ГХ измерительных каналов СИ-05 с кластером датчиков, установленных в ШП (ОВТД-ШП-0.1) и ГХ измерительных каналов с кластером датчиков, установленных в ПКО (ОВТД-ПКО-0.1) получены оценки составляющих погрешности

основных получены

и как

дополнительных погрешности

погрешностей.

аппроксимации

Дополнительные функций

влияния

температуры в зоне измерения и функций влияния угла поворота коленвала (из-за неоднородности электромагнитных свойств поверхности шейки коленвала в ПКО). Показано, что максимальные границы основных погрешностей измерительных каналов СИ-05 в диапазоне измерения зазоров от 0 до 90 мкм (в ШП и ПКО) не превышают

4.5%.

Дополнительные

температурные

погрешности

в

диапазоне

о

изменений 20-100 С не превышают 3.5%, а максимальные значения погрешностей, вызванных

изменением

углового

положения

коленвала

(неоднородностью

электромагнитных свойств шейки коленвала), в диапазоне 0÷360 град, составляют около 2% (в ПКО) [60].

Заключение по разделу 4 Разработаны

несколько

разновидностей

конструкций

одновитковых

вихретоковых датчиков с чувствительными элементами в виде отрезков проводника для измерения многомерных перемещений элементов конструкций газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания. Конструкции датчиков работоспособны в тяжелых и экстремальных условиях (температура в турбинах достигает 1200оС). Разработаны также импульсные преобразователи сигналов датчиков. Измерительные схемы преобразователей при коротких линиях связи с датчиками имеют малое время восстановления и обеспечивают частоту импульсного питания (частоту дискретизации сигналов датчиков) до 1 МГц. На основе предложенных методов измерения, структур и алгоритмов, реализующих эти методы, разработаны системы измерения, в которых используются магистрально-модульные

средства

сбора,

преобразования

и

предварительной

обработки полученных результатов, а также системы со стандартными средствами – платами PC-Lab, предназначенными для стендовых испытаний газотурбинных двигателей, их узлов и элементов конструкций. Созданы несколько вариантов магистрально-модульных систем измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток на одной и нескольких ступенях компрессора и турбины в стационарном и нестационарном режимах работы двигателей.

Системы выполнены в стандарте КАМАК и конструктиве Евромеханики на базе ПЭВМ и в приборном исполнении. В них используются разработанные одновитковые вихретоковые датчики, импульсные преобразователи их сигналов и микропроцессоры для управления измерением и предварительной обработки данных. На базе ПЭВМ и платы PC-Lab созданы системы измерения смещений колес ротора и оси опорной поверхности для стендовых испытаний уплотнителей и подшипников газотурбинного двигателя. Осуществлена интеллектуализация системы измерения смещений колес ротора – разработано дополнительное программное обеспечение, предназначенное для поддержки процесса верификации. Оно включает средства моделирования, которые имитируют упругую и термическую деформации ротора, и остается открытым для новых моделей объекта и средств измерения. Созданы специальные технические средства, обеспечивающие градуировку измерительных каналов разработанных систем по двум координатам при изменении температуры среды. Разработана методика градуировки и оценки погрешностей, а также реализующие их программные средства. В результате проведения серии метрологических экспериментов показано, что в каналах с компрессорными датчиками максимальные границы погрешности измерения радиальных смещений торцов лопаток ≈4% при изменениях температуры до ≈600оС, а в каналах с турбинными датчиками ≈7% при температурах до ≈900оС и изменениях осевых смещений в пределах ±2 мм.

Показано также, что в каналах систем измерения смещений колес ротора и оси опорной поверхности систематические и случайные составляющие погрешностей не превышают 1% при изменениях температуры до ≈350оС (в уплотнителях) и до ≈200оС (в подшипниках). Системы измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток, а также смещений колес ротора прошли успешную апробацию в стендовых условиях. Результаты измерений были использованы в процессе доводки газотурбинных двигателей для серийного производства. На основе предложенных методов измерения, структур и алгоритмов, реализующих эти методы, разработаны магистрально-модульные системы измерения многомерных

перемещений

элементов

конструкций

кривошипно-шатунного

механизма, предназначенные для стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания.

Создана система измерения смещений вкладыша в шатунном подшипнике и шейки в подшипниках коренных опор, которая апробирована в лабораторных и стендовых условиях в процессе испытаний двигателя. Созданы специальные средства, обеспечивающие градуировку измерительных каналов по зазорам в подшипниках. Разработана методика градуировки, оценки основных и дополнительных погрешностей. Показано, что максимальные границы основных

погрешностей

измерительных

каналов

не

превышают

4.5%.

При

использовании коррекции температурные погрешности не превышают 3.5% в диапазоне от 20 до 100оС, а погрешности, вызванные изменением углового положения коленвала (из-за неоднородности электромагнитных свойств шейки коленвала в подшипнике коренных опор) составляет около 2% в диапазоне от 0 до 360 градусов.

ЛИТЕРАТУРА 1. Середин В.И.

Контроль

перемещений

при

высоких

температурах.-M.:

Энергия, 1967. –150 с. 2. Середин В.И. Аппаратура для автоматической регистрации зазоров между корпусом и ротором газовых турбин // Энергетическое машиностроение.–1964.-№9. c.25-28. 3. Середин В.И.

Измерительные

устройства

с

высокотемпературными

трансформаторными датчиками. - М.: Энергия,1968.–150 с. 4. Селюгин В.С.

Индуктивный

метод

измерения

радиальных

зазоров

в

турбомашинах // Энергетическое машиностроение. – 1961, №9. – c.25. 5. Заболоцкий И.Е., Коростелев Ю.А., Шипов Р.А. Бесконтактные измерения колебаний лопаток турбомашины. – М.: Машиностроение, 1977. – 160 с. 6. Кеба И.В. Диагностика авиационных газотурбинных двигателей. – М.: Транспорт, 1980. – 246 с. 7. Громыко В.Я. О расчете радиальных зазоров при использовании индуктивных, емкостных и электроплазменных преобразователей // Новые приборы: Сб. / ЦИАМ. – 1983 -№25.-c.33-37. 8. Смородин С.А. Определение параметров емкостного датчика перемещений при контроле лопаток ГТД // Надежность и долговечность авиационных ГТД: Сб. Вып.2 / - Киев, 1975.-c.108-111. 9. Пат. 4122708 США, МКИ G01 L 3/10 Capacitive Proximity Sensors / Lawrence C. Maier. -№672481; Fil 31.03.76. Pat.31.10.76. 10. Нестеров В.Н. Методы и средства инвариантных измерений составляющих многокомпонентных физических величин: Автореферат дисс. доктора техн. наук. – Самара, 1996. – 44с. 11. Белкин В.М., Нестеров В.Н. Фазы изменения радиальных зазоров в ГТД и их значение для задач обеспечения надежности и экономичности изделий. Вибрационная прочность и надежность двигателей и систем летательных аппаратов. Сб. научных трудов. – Куйбышев,1989. – c.38. 12. Данилин А.И. Оптоэлектронный измеритель деформаций лопаток для систем автоматического управления ГТД: Дисс. канд.техн. наук. -Куйбышев, 1990. –219с.

13. Милевский Э.Б. Радиационный контроль и измерение изделий - М.: Машгиз, 1963. - 78c. 14. Городецкий Ю.Г. Автоматизация пневматических измерений размеров - М.: Машгиз, 1956. – 68с. 15. Гусев В.Г., Валитов К.М. Оптоэлектронные преобразователи для систем бесконтактной диагностики вращающихся частей турбомашины. – Отраслевое совещание «Автоматизация стендовых испытаний ГТД». Тезисы доклада - Рыбинск: 1990. 16. Fujimoto H., Yoshihara Y., Goto T., Furuhama. S. Measurement of cylinder bore deformation during actual operating engines SAE Technical Papers Series, 1991, № 910042, p.p. l-9. Измерение деформации отверстия цилиндра во время работы двигателя // Экспресс-информация. ИПС. 1992. №17, c.2 – 7. 17. Vacari J.A. Measuring turbine – wheel shroud gaps // American Machinist, 1989, November, p.p. 59-60. 18. Instrumentation for Airbreathing Propulsion, MIT Press, Cambridge Mass (USA) London, p.317. 19. Hathaawy R., Turley J.E., Chien Yi-Ho Evalution of cylinder bore and cylinder head deformations using holographie interferometry SAE Technical Papers Series, 1991, №9104443, p.p.85-92. Определение деформаций расточки и головки цилиндра методом голографической интерферометрии // Экспресс-информация. ИПС. 1992. №37. с.17 – 23. 20. Герасимов В.Г,

Клюев В.В.,

Шатерников В.Е.

Методы

и

приборы

электромагнитного контроля промышленных изделий - М.: Энергоатомиздат, 1983. 271 с. 21. А.с. 1201572 СССР, МКИ G 01 7/08. Устройство для контроля радиального зазора

в

турбомашинах

/

Абоимов М.А.,

Дмитриев Ю.С.,

Католиков В.И.,

Шатерников В.Е.-№3708007/24-28; Заявл.05.03.84; Опубл.30.12.65, Бюл.№48. 22. А.с. 1753251 СССР, МКИ G 01 В 7/00. Способ вихретокового контроля осевых перемещений валов и устройство для его осуществления. / Стеблев Ю.И., Полулех А.В., Легкобыт А.К., Шипов А.К. - № 4851161/28 ;Заяв. 18.07.90; Опубл. 07.08.92, Бюл.№29.

23. Шатерников В.Е., Денисов В.А. Устройство для бесконтактного измерения углов раскрутки рабочих лопаток турбомашины // В кн.: Алгоритмизация и автоматизация процессов и установок. -Куйбышев, КуАИ, 1970, вып. 3. - c.35—43. 24. Шатерников В.Е. Контроль эксцентриситета и радиальных зазоров рабочих лопаток роторов лопаточных машин. // Изв. вузов. Машиностроение. - 1975, №11. c.153-157. 25. Меркулов А.И. Прибор для измерения распределения виброперемещений по перу лопаток компрессора. Куйбышев, ЦНТИ, информ. Листок, 1979, №353, с.3 26. Виноградов А.Н., Скворцов А.В., Иванов Г.И., Лукина А.И. Измерение зазоров между лопатками и корпусом турбокомпрессора вихревым методом // Вестник машиностроения. 1977. №1. -С.48-50. 27. Kim K.S., Kim S.S. Measurement of dynamic TDC in SI engines using microwave sensor, proximity probe and pressure transducers SAE Technical Papers Series, 1989 №89 1823, p.p.1-10. Измерение динамической ВМТ в двигателях внутреннего сгорания с использованием микроволнового измерительного преобразователя и измерительных преобразователей давления и перемещения // Экспресс-информация. ИПС. 1991. №9. c.11-19. 28. Dixon D., Hohener R. Inductive prox: and old sensor with new wrinkles // Instruments and Control Systems, 1989, 62, № 10, p.p.55-58. 29. Bahniuk D.E. Factories move touchless sensors // Machine Design 1989, 22 June, p.p.75-79.

30. Скобелев О.П.

Методы преобразования информации на основе тестовых

переходных процессов // Измерения, контроль, автоматизация. 1978. №4(16). С.11-17. 31. Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Микропроцессорная система автоматизации испытаний объектов машиностроения с циклическими изменениями механических параметров // Автоматизация научных исследований: тез. Докл. XXIV всес. Школы по автоматизации научн. исследований. – Аппатиты, 1990. - с.43. 32. Секисов

Ю.Н.,

Скобелев О.П.,

Хритин

А.А.

микропроцессорный

Мзмерительный преобразователь для системы автоматического контроля радиальных зазоров // Микропроцессорные системы автоматики: тез. докл. II Всес. конф. – Новосибирск, 1990 –с.32.

33. Хритин А.А.,

Ковалева М.А.

Аппроксимация

градуировочных

и

температурных характеристик бесконтактных преобразователей перемещений в микропроцессорной

измерительной

системе

/

Метрология

в

прецизионном

машиностроении: Тез. докл. всес. семинара-Саратов,1990.-с.27. 34. Хритин А.А., Костин А.В. Динамическая погрешность микропроцессорного стробоскопического

преобразователя

радиальных

зазоров

в

турбомашинах

//

Микропроцессоры в системах управления: тез. докл. всес. семинара – Пенза, 1991. с.44-45. 35. Хритин А.А., Квитко В.Г. Оценка погрешности стохастического алгоритма в микропроцессорной системе измерения радиальных зазоров лопаточных машин // Микропроцессоры в системах управления: тез. докл. всес. семинара – Пенза, 1991. с.12-13. 36. Белкин В.М.,

Пинес В.Н.,

Секисов Ю.Н.,

Скобелев О.П.,

Хритин А.А.

Распределенная микропроцессорная иис для испытаний машин // ИИС- 91: Тез. докл. всес. конф. – Санкт-Петербург, 1991. - с.173. 37. Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Микропроцессорные средства измерения зазоров в машинах циклического действия // Метрологическое обеспечение машиностроительных отраслей промышленности: Тез. докл. междунар. конф.– Минск, 1992. - с.47. 38. Хритин А.А., Ковалева М.А. Микропроцессорная система для испытаний высокотемпературных датчиков перемещений

// Метрологическое

обеспечение

машиностроительных отраслей промышленности: Тез. докл. междунар. конф.– Минск, 1992. - с.49. 39. А.с. 1779908 РФ, МКИ G 01 B 7/08. Способ измерения радиальных зазоров в турбомашинах / Белкин В.М., Пинес В.Н., Секисов.Ю.Н., Хритин А А. - № 4787455 /28; Заяв. 30.01.90; Опубл.07.12.92, Бюл. №45. 40. Патент вихретоковый

1394912

РФ,

преобразователь

МКИ /

G

01

N

Секисов Ю.Н.,

27/90.

Высокотемпературный

Скобелев О.П.,

Хритин А.А.

-

№4136766/25-28; Заяв. 21.10.86; Опубл. 03.05.95, бюл. №24. 41. Патент 2138012 РФ, МКИ G 01 B 7/14. Способ измерения параметров движения лопаток ротора турбомашины / Боровик С.Ю., Игонин С.Н., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В., Хритин А.А., Слепнев А.В. - №96121455/28; Заявл. 01.11.96; Опубл. 20.09.99, бюл. №26

42. Патент 2146038 РФ, МКИ G 01 B 7/14. Способ измерения параметров движения лопастей винтовентилятора / Игонин С.Н., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Слепнев А.В., Тулупова В.В., Хритин А.А., Боровик С.Ю. №96121548/28; Заявл. 01.11.96; Опубл. 27.02.2000, бюл. №6 43. Секисов Ю.Н.,

Райков Б.К.,

Скобелев О.П.,

Хритин А.А.

Вихретоковые

датчики зазоров с чувствительными элементами в виде отрезка проводника // Приборы и системы управления. -1996. - №8. – с.27-30. 44. Секисов Ю.Н.,

Скобелев О.П.,

Хритин А.А.

Компьютерная

мультистробоскопия в измерениях радиальных зазоров газотурбинных двигателей // Автометрия. - 1996. - №5. – с.108-113. 45. Секисов Ю.Н., Хритин А.А., Скобелев О.П. Микропроцессорная система измерения зазоров между элементами конструкций машин и механизмов // Приборы и системы управления. -1996. - №9. –с. 37-39. 46. Беленький Л.Б., Райков Б.К., Слепнев А.В., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Хритин А.А. Система измерения параметров многомерного движения в кривошипношатунном механизме двигателя внутреннего сгорания // Приборы и системы управления. -1998. - №12. - с. 53-56. 47. Боровик С.Ю., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П., Тулупова В.В., Хритин А.А. Метод и средства измерения радиальных зазоров в газотурбинных двигателях при нестационарных режимах // Автометрия. - 1998. - №3. с.108-113. 48. Секисов Ю.Н.,

Скобелев О.П.

Системы

измерения

многомерных

перемещений элементов конструкций лопаточных и поршневых силовых установок // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук, 1999, №1. с.77-86. 49. Боровик С.Ю.,

Секисов Ю.Н.,

Скобелев О.П.,

Хритин А.А.

Система

измерения многомерных перемещений, базирующаяся на знаниях // Распределенная обработка информации: Труды VI международного семинара. – Новосибирск, 1998. – с.295-299. 50. Беленький Л.Б., Тулупова В.В. Модель системы измерения зазора, основанная на нечеткой логике // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды международной конференции. – Самара, 1999. – с.257-261. 51. Боровик С.Ю. Логические модели в интеллектуальной системе измерения радиальных зазоров в элементах конструкций газотурбинных двигателей // Проблемы

управления

и

моделирования

в

сложных

системах:

Труды

международной

конференции. – Самара, 1999. – с.248-252. 52. Васин Н.Н., измерения

Секисов Ю.Н.,

координатных

и

Скобелев О.П.

оценки

факторных

Интеллектуализация составляющих

систем

многомерных

перемещений элементов конструкций силовых установок // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды международной конференции. – Самара, 1999. – с.242-247. 53. Слепнев А.В. Модель объекта в интеллектуальной системе измерения смещений вкладыша относительно шейки коленвала в шатунном подшипнике двигателя внутреннего сгорания // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды конференции. – Самара, 1999. – с.253-256. 54. Беленький Л.Б., Слепнев А.В. Алгоритмическое и программное обеспечение системы измерения координатных составляющих смещений и деформаций вкладыша шатунного подшипника с верификацией результатов // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды II международной конференции. – Самара, 2000. – с.405-409. 55. Боровик С.Ю.,

Секисов Ю.Н.,

Скобелев О.П.

Процесс

верификации

результатов эксперимента и его поддержка средствами моделирования // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды II международной конференции. – Самара, 2000. – с.393-399. 56. Боровик С.Ю. Алгоритмы и программные средства оценки факторных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций лопаточных силовых установок // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды II международной конференции. – Самара, 2000. – с.400-404. 57. Киреев В.А., Скобелев О.П. Моделирование на ЭВМ подсистем сбора и преобразования аналоговой информации. – Куйбышев: КуАИ, 1984. –56 с. 58. Микропроцессорные системы измерения радиальных зазоров в компрессорах газотурбинных двигателей. Отчет о НИР по теме «Разработка программно-аппаратных средств автоматизации комплексных испытаний газотурбинных двигателей и других видов лопаточных машин» (заключительный) / СФ Института машиноведения РАН; Руководитель темы Скобелев О.П.; № ГР 01.89.0036 - Самара, 1993. - 177 с.

59. Погрешности методов и средств измерения параметров многомерного движения лопаток турбомашин. Отчет о НИР по теме «Разработка методов и средств обеспечения информационной надежности систем автоматизации испытаний новых машин» (заключительный) / СФ Института машиноведения РАН; Руководитель темы Скобелев О.П.; № ГР 01.88.0036738 - Самара, 1995. - 101 с. 60. Основы построения систем измерения многомерных перемещений элементов конструкций в лопаточных и поршневых силовых установках. Отчет о НИР по теме «Интеллектуализация электромагнитных средств измерений параметров многомерного движения элементов конструкций и разработка на основе этих средств систем автоматизации испытаний сложных технических объектов» (заключительный) / Институт проблем управления сложными системами РАН; Руководитель темы Секисов Ю.Н.; № ГР 01.9.60002397 - Самара, 1995. - 229 с. 61. Локай В.И., Максутова В.О., Струпкин В.А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. Теория, конструкция и расчет. - М.: Машиностроение,1979.467 с. 62. Нечаев Ю.В., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей. -М.: Машиностроение,1977. – 312 с. 63. Finkelstain L. Intelligent and knowledge based instrumentation – an examination of basic concepts. Measurement and instrumentation science an analytic review // Measurement, 1994, Vol. 14, №1, P.P.3-14, 23-29. 64. Двигатели внутреннего сгорания: конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под Ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова М.: Машиностроение, 1984. - 384 С. 65. Беленький Л.Б., Райков Б.К., Секисов Ю.Н., Скобелев О.П. вихретоковые экранные

датчики

механических

параметров

для

систем

автоматизации

экспериментальных исследований и испытаний // Автометрия. - 1994. - №5. С.111-116. 66. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1977. - 832 С. 67. Тафт В.А. Электрические цепи с переменными параметрами. – М.: Энергия, 1968. -327 с. 68. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. – М.: Советское радио, 1975. – 320 с. 69. Нуберт Г.П. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. - Л.: Энергия,1970. – 360 С.

70. Зедгинидзе Г.П. Измерение температуры вращающихся частей машин. М.: Машгиз, 1962, - 271 С. 71. Одинец С.С., Лышко Г.П., Кувалакова Л.Л. Методы и средства измерения механической мощности. М.: Машиностроение, 1991, - 256 С. 72. Дьяченко В.А., Тимофееев А.И. Многоканальные Ртутные Измерительные Токосъемы // Измерительная техника. 1984. № 9. - С.34 - 35. 73. Heil D., Wolf H. Elektrooptisher drehubertrager. «Fein-werktechn und messtechn», 1979, 87, № 5, 233 - 237. Оптоэлектронные преобразователи для съема и передачи измерительной информации с вращающихся объектов // Экспресс-Информация. Кит. 1981.№12. - С.1-6. 74. Kemp R.E. Closet-Couplet telemetry for measurements on gas turbines. «Instrumentation technology». 1978, 25, № 9, 105 -112. Радиотелеметрическая Система передачи данных с вращающихся роторов газотурбинных двигателей // Экспрессинформация.КИТ. 1979. № 15. - С.5-12. 75. Самбурский А.И.,

Новик В.К.

Бесконтактные

измерения

параметров

вращающихся объектов. М.: Машиностроение, 1976, 141 С. 76. Баширов В.Р.,

Карасев В.В.,

Михеев А.А.,

Нечаев Г.И.

Бесконтактная

Тензометрическая аппаратура для вращающихся объектов. принципы построения. // Приборы и системы управления. - № 3, 1989, С.25-27. 77. Карасев В.В.,

Михеев А.А.,

Нечаев Г.И.

Измерительные

Системы

для

вращающихся узлов и механизмов / Под ред. Г.И.Нечаева - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176с. 78. Hibrid techhnology telemetry transmitter. Wireless measurement of physical parameters (transmitting - receiving - processing). Проспект фирмы DATATEL, ФРГ. 1997. 79. А.Н. Ермолаев, В.И. Зиновьев, В.Б. Малешин, В.Г. Гусев, А.П. Торгашев. Система ближней телеметрии для измерения динамических деформаций вращающихся частей многовальных ГТД // Авиационная промышленность. 1990. № 12, С.18-22. 80. Прокунцев А.Ф., Максимова Е.С. Бесконтактная передача и обработка информации с вращающихся изделий. М.: Машиностроение, 1985, 80 С. 81. Е.Г. Будай,

М.Е. Дубов,

В.А. Лисовский,

Н.Н. Шилович.

Бесконтактная

система для тензометрирования турбомашин в кассетном исполнении // Приборы и системы управления. - № 2, 1988, С. 21

82. Гусев В.Г. Состояние и перспективы создания устройств для измерения параметров вращающихся объектов // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвуз. Сб. Науч. Тр. - Вып. 16. - Пенза: ПГТУ, 1996. - С.18-27. 83. Васин Н.Н. Устройства измерения температуры вращающихся объектов на основе бесконтактных индукционных токосъемников. Самара: СГАУ, 1997. - 132 С. 84. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. – М.: Наука, 1989. – 432 С. 85. Чуян Р.К. Методы Математического моделирования двигателей летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1988. – 288 С. 86. Искусственный интеллект. – В 3-Х кн. Кн.2. Модели и методы: Справочник / Под Ред. Д.А. Поспелова – М.: Радио И Связь, 1990. – 304 С. 87. Пивкин В.Я., Бакулин Е.П., Кореньков Д.И. Нечеткие Множества в системах управления: методическое пособие / Под Ред. Ю.Н. Золотухина, Новосибирский Гос. Университет, Новосибирск, 1997. – 52 С. 88. Представление знаний о времени и пространстве в интеллектуальных системах // Под Ред. Д.А. Поспелова – М.: Наука, 1986. – 328 С. 89. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. – 192 С. 90. Кузнецов Н.Д., Данильченко В.П., Резник В.Е. Управление Радиальными зазорами в турбокомпрессорах авиационных ГТД - Самар. авиац. и-т., Самара, 1991, 109с. 91. Компанец В.К., Скобелев О.П. Технические средства АСНИ ГТД на базе камак и микроэвм. – Куйбышев: КУАИ, 1983. – 90 С. 92. ГОСТ 8.009-84 ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. НТД 93. МИ 2438-97 ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения 94. МИ 2439-97 ГСИ. Метрологические характеристики измерительных систем. Номенклатура. Принципы регламентации определения и контроля 95. МИ 2440-97 ГСИ. Методы экспериментального определения и контроля характеристик, погрешности измерительных каналов измерительных систем и измерительных комплексов

Научное издание Секисов Юрий Николаевич Скобелев Олег Петрович Беленький Лев Борисович Боровик Сергей Юрьевич Райков Борис Константинович Слепнев Александр Владимирович Тулупова Виктория Владимировна

Методы и средства измерения многомерных перемещений элементов конструкций силовых установок Компьютерный набор и верстка выполнены авторами при участии Афанасьевой Л.Н. Корректор Афанасьева Л.Н. Обложка Боровика С.Ю.

Подписано в печать 5.11.2001. Формат 70х1001/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 11,6. Тираж 300 экз. Заказ № АНО «Издательство Самарского научного центра Российской академии наук» Лицензия ПД №7-0191 от 2.08.2001г. 443001, г. Самара, Студенческий пер., 3а