научная статья по теме ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ДЕГРАДАЦИИ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВАЛОПРОВОДОВ Метрология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ДЕГРАДАЦИИ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВАЛОПРОВОДОВ»

Измерения времени и частоты

2. Хрусталев Ю. П. Статическая и динамическая обработка данных, получаемых в процессе ведения эталонов времени и частоты // Измерительная техника. 2004. № 6. C. 20—23; Khrustalev Yu. P. Statistical and dynamic processing of data obtained when handling time and frequency standards // Measurement Techniques. 2004. V. 47. N. 6. P. 555—561.

3. Боровиков В. П. Популярное введение в современный анализ данных в системе STATISTICA. M.: Горячая линия. Телеком, 2013.

4. Гантмахер Ф. Р. Теория матриц. М.: Наука, 1968.

5. Устойчивые статистические методы оценки данных / Под ред. Р. Л. Лонер, Г. Н. Уилксона. М.: Машиностроение, 1984.

6. Охорзин В. А. Компьютерное моделирование в системе MATHCAD. M.: Финансы и статистика, 2006.

7. Паскал К. К. и др. Исследование процессов построения моделей групповых эталонов // Вестник Иркут. гос. техн. ун-та. 2013. № 4. С. 29—34.

8. Хампель Ф. Робастность в статистике. М.: Мир, 1989.

9. Филимонов Б. П., Хрусталев Ю. П. Определение значений частот кванто-механических стандартов частоты адаптивными методами // Измерительная техника. 1987. № 7. С. 27—30; Filimonov B. P., Khrustalev Yu. P. Determination of the frequencies of quantum-mechanical frequency standards by adaptive methods // Measurement Techniques. 1987. V. 30. N. 1. P. 43—49.

10. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование / Пер. с англ. И. Н. Быховской и Б. Т. Вавилова; под ред. М. Л. Быховского. М.: Мир, 1975.

11. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов, прогноз и управление / Пер. с англ.; под ред. В. Ф. Писаренко. М.: Мир, 1974.

12. Ермольев Ю. М. Методы стохастического программирования. М.: Наука, 1976.

Дата принятия 11.02.2014 г.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

621.165:621.313.126

Измерительный контроль деградации с войств конструкционных материалов валопроводов

A. C. КОМШИН, О. В. МЕДВЕДЕВА

Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,

Москва, Россия, e-mail: kozyr.ru@mail.ru

Представлены результаты вычислительного эксперимента определения собственных частот крутильных колебаний валопроводов для турбоагрегатов тепловых электрических станций. Показано, что изменение крутильной жесткости влияет на собственные частоты крутильных колебаний. Рассчитана погрешность измерения жесткости в процессе функционирования турбоагрегата.

Ключевые слова: измерительный контроль, математическое моделирование, паровая турбина, фазохро-нометрия.

The results of computing experiment for determination of own frequencies of shifting torsional vibrations for thermoelectric power stations turbo units are presented. It is shown that a change of tortional hardness has the impact on the own frequencies of torsional vibrations. A hardness measurement error throughout the process of turbo unit functioning has been calculated.

Key words: measurement control, mathematical modeling, steam turbine, phase chronomet^.

Конструкционные материалы технических систем — валопроводов турбоагрегатов (ТА), вала судового двигателя — испытывают циклическую и статическую нагрузки. До настоящего времени проблема старения материалов валопроводов ТА была не столь критична. Многократный запас прочности, а также гарантированная возможность обновления энергетического оборудования до известной степени маскировали потенциальную опасность и сглаживали напряженность, хотя необходимость обеспечения диагностики этого

оборудования признавалась большинством специалистов уже в последние десятилетия XX в.

Благодаря достижениям в астрометрии, связанным с современной хронометрией, новейшая небесная механика поднялась до уровня учета релятивистских эффектов, в том числе и эффектов общей теории относительности, но при этом аппарат теории деформируемого твердого тела остался на уровне метрологического обеспечения экспериментальных основ [1]. Фундаментальные основы физической

механики деградации конструкционных материалов с учетом элементарных процессов, ответственных за структурные изменения, не получили развития в виде эффективных рабочих инженерных методик. Тем не менее, следует отметить результаты работы научной школы профессора А. М. Дальского по проблеме технологической наследственности в машиностроении [2, 3].

Основные физические параметры конструкционных материалов часто известны до двух—трех, реже до четырех и более значащих цифр [4]. Так как этой априорной информации недостаточно для создания эффективно работающего надежного изделия, в технике применяется тщательная и, как правило, длительная конструкторско-технологическая отработка с последующими испытаниями.

С целью аварийной защиты существующего электрогене-рирующего оборудования нашей страны, вырабатывающего остаточный ресурс, необходима реализация прогнозирующего измерительно-вычислительного мониторинга технического состояния валопроводов ТА. При этом требуется обеспечить раннее предупреждение об авариях и регистрацию дефектов (появления трещин) сразу после их зарождения. Реш ением последней проблемы может стать измерение девиации собственной частоты крутильных колебаний ва-лопровода. При образовании кольцевых трещин неизбежно изменяются параметры упругости, жесткости, вязкости роторов ТА.

При выявлении трещины валопровода в процессе эксплуатации следует выделить максимальные потери жесткости в статическом положении и закономерности ее изменения во время вращения валопровода. Исследования поведения роторов с трещинами отражены в [5, 6].

Применение фазохронометрического метода информационно-метрологического сопровождения машин и механизмов открывает новые возможности определения и контроля деградации свойств конструкционных материалов упругого элемента в процессе функционирования. Математическое моделирование процесса измерительного контроля на примере линейного осциллятора под воздействием циклического нагружения приведено в [7, 8], где показана возможность наблюдения за изменением его свойств. Еще один пример — математическое моделирование дрейфа нуль-

пункта морского гравиметра [9]. В настоящей статье данная технология рассмотрена на примере роторов валопроводов ТА тепловых электрических станций.

Определение собственных частот крутильных колебаний валопроводов ТА. При изменении напряжений, приложенных к обмоткам электрических машин, и параметров контуров обмоток или при изменении моментов на валу ротора возникают быстропротекающие электромагнитные или электромеханические процессы, приводящие к дополнительным циклическим нагрузкам в конструкционном материале. Эти процессы неизбежно отражаются и на спектрах собственных частот.

Спектры крутильных колебаний валопровода ТА построены в результате математической обработки временных интервалов, полученных фазохронометрическим способом. Спектры имеют качественно похожую структуру, но при этом количественно (собственные частоты, амплитуды) могут различаться из-за конструктивных отличий ТА. Собственные частоты крутильных колебаний системы генератор—турбина определены для ТА ТВВ-220-2-К-200-130 (№ 9 ГРЭС-1, Сургут) и ТВВ-320-2УЗ-Т-250/300-240-2 (№ 5 ТЭЦ-23, Москва).

Валопровод ТА состоит из нескольких секций роторов высокого, среднего и низкого давлений (РВД, РСД-1, РСД-2, РНД) и ротора генератора. Турбина упругой муфтой соединена с валом генератора. Математическая модель механической части ТА представлена системой уравнений [10]:

3|ф1 + к (ф 1 - ф 2) + 91 (Ф1 - Ф 2) = М^); 32ф2 + к1 (ф2 -'ф 1) + 91 (ф2 - Ф1) + к2 (ф2 - ф3 ) + + 9 2 (ф 2-ф 3 )= М 2 у);

33ф3 + к2(ф3 -ф2) + 92(ф3 -ф2) + к3(ф3 -ф4) + + 93 (ф3 - ф 4 )= м3 ); I (1)

34ф4 + к3(ф4 -ф3) + 93(ф4 -ф3) + к4(ф4 -ф5) + + 94 (ф 4-ф 5 )= М4(*); J5ф5 + к4(ф5 -ф4) + 94(ф5 -ф4) = М5V)>

где ..., 35, ф1, ..., ф5 — моменты инерции и углы поворота роторов генератора и валопровода ТА; к1, ..., к4, 91, ..., 94 — вязкости и крутильные жесткости секций валопровода; М1, ..., М5 — внешние скручивающие моменты; индекс 1 относится к генератору, 2—5 — к ступеням турбины.

При расчете собственных ч астот крутильных колебаний принимается выполнение

условий Му = 0, фу = ф0у. е-' где у - 1,5; ю — частота крутильных колебаний; t — время.

Введем следующие обозначения:

511" 91; 512 " 32; 522 " 32

.91. ■

92.

523 - 3 ; 533 - 3 ; 534 - 34; 545 - 3

-93 .;

.93 .

94

Рис. 1. Спектры, полученные для турбоагрегата ТВВ-320-2УЗ-Т-250/300-240-2 экспериментально (а) и в результате математического моделирования (б)

А-

А-

*2.

V11 - 3; V12 - 32 ; у22 - 32,

_ кз _кз.

_к4

V23 - j3 ; V33 - j3 ; V34 - ; v45 - j5 .

(2)

Это позволяет получить матрицу с определителем в виде дисперсионного уравнения десятой степени, корни которого и являются собственными частотами колебаний данной многосекционной системы.

Определитель матрицы без учета вязкого (внутреннего) трения представлен суммой трех слагаемых:

(-ш2 + 811) (-ш2 + 812 + 822) [(-ш2 + §23 + 833) х

X [(-ш2 + 834 + 844) (-Ш2 + 845) - [-844] [-845]]] + + [(-ш2 + 811) (-822)] [(-823) [(-ш2 + 834 + 844) (-ш2 + 845) - [-844] [-845]]] + + [(-811) (-812)] [(-ш2 + 823 - 833) [(-ш2 + 834 + 844) (-ш2 + 845) -

- [-844] [-845]] - [-833] [-834] (-ш2 + 845)]. (3)

Измерительный контроль девиации собственных частот крутильных колебаний валопроводов ТА при изменении жесткости одной из ступеней. Пусть в результате появления трещины в РНД жесткость участка валопровода изменяется на Ад1, тогда соответственно изменятся коэффициенты:

А811 = Aq1/J1; Л812 = Aq1/J2.

(4)

Представив собственную крутильную частоту валопровода ТА в виде

ю = ю0 + Arn,

(5)

при условии Лю << ю0 с достаточной степенью точности можно записать

юп - (ю0 + Лю)п = ю0 + 10юп0 1 Лю.

(6)

С учетом (2)—(6) получим зависимость изменения собственной частоты крутильных колебаний от жесткости:

Лю = F [ Юо, Л8ц(0, A812(t), 822, 823, 833, 834, 844, 845]. (7)

В результате имитационного математического моделирования крутильных колебаний валопровода ТА получены расчетные частоты, близкие к экспериментальным. Применение математической модели позволяет определить девиацию свойств конструкционных материалов валопровода во времени. Для контроля девиации собственной частоты к

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»