ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ

Кирпичев, Александр Александрович

Повышение эффективности вибродиагностики с

использованием пьезоэлектрических и

вихретоковых преобразователей

Москва

Российская государственная библиотека

diss.rsl.ru

2007

Кирпичев, Александр Александрович.

   Повышение эффективности вибродиагностики с использованием пьезоэлектрических и вихретоковых преобразователей  [Электронный ресурс] : дис. ... канд.

техн. наук

 : 05.11.13. ­ М.: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской Государственной Библиотеки).

Техника и технические науки (в целом) ­­ Эксплуатация машин и промышленного оборудования ­­ Техническое обслуживание ­­ Техническая диагностика ­­ Механические методы диагностики ­­ Вибрационные методы Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Полный текст:

http://diss.rsl.ru/diss/07/0126/070126011.pdf Текст воспроизводится по экземпляру, находящемуся в фонде РГБ:

Кирпичев, Александр Александрович Повышение эффективности вибродиагностики с использованием пьезоэлектрических и вихретоковых преобразователей Москва  Российская государственная библиотека, 2007 (электронный текст) 61:07-5/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТНКИ

На правах рукописи

Кнрннчев Александр Александровнч

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВИБРОДИАГПОСТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАПИЕМ

ПБЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ВИХРЕТ0К0ВБ1Х

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

ДИССЕРТАЦИЯ

на сонскание ученой стененн кандндата техннческнх наук

Научный руководитель Д.Т.Н., профессор Шкатов П.Н.

ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ВИБРОДИАГНОСТИКА И ВИБРОДИАГИОСТИЧЕСКАЯ

АННАРАТУРА. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ

1.1 Измеряемые параметры и первичные преобразователи 1.2 Пьезоэлектрические преобразователи систем вибродиагностики 1.3 Современное состояние приборов для вибродиагностики с помощью

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИХРЕТ0К0ВБ1Х

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ..

2.1 Особенности измерения смещений вращающихся валов машин 2.2 Математическое моделирование системы «ВТП - электропроводящий 2.3 Теоретическое исследование погрешности измерения зазора 2.4 Разработка вихретоковых систем повышенной эффективности для

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И РАЗРАБОТКА

ПБЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВИБРОНРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С

УЛУЧШЕННБ1МИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

3.1 Выбор и обоснование схем построения пьезоэлектрических 3.2 Особенности разработки малогабаритных высокочастотных ПВП 3.2.3 Исследование влияния соизмеримости масс преобразователя и объекта 3.2.5 Исследование влияния конструктивных параметров преобразователя на чувствительность к деформации 3.3 Принципы построения малогабаритных вибропреобразователей 3.3.1 Принципы построения и практическая реализация однокомпонентных миниатюрных вибропреобразователей 3.3.2 Принципы построения и практическая реализация трёхкомпонентных миниатюрных вибропреобразователей 3.4 Особенности разработки высокотемпературных промышленных ПВП 3.4.2 Пути уменьшения влияния дестабилизирующих факторов

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВИБРОНРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

4.4 Расчёт показателя технического уровня и оценка корректности его

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность Вибродиагностика в настоящее время занимает важное место среди методов оценки технического состояния промышленных объектов и оборудования. Перечень объектов вибродиагностики весьма широк - от строительных конструкций, мостов, нлотин, трубопроводов, объектов космической техники и т.п. до живых организмов, в т.ч. человека.

Создание новой техники, новых эффективных технологических процессов, решение задач повышения надёжности и долговечности машин и оборудования, обеспечение здщшы людей от влияния вредных вибрационных и ударных воздействий требует постоянного внимания к качеству методического и аппаратурного обеспечения вибродиагностики.

В настояш;ее время измерения параметров вибрации и удара значительно (в десятки-сотни раз) уступают по точности измерениям таких величин, как длина, масса, время, электрическое напряжение и др.

Для измерения вибрационных и ударных ускорений, особенно в высокочастотной области наибольшее распространение получили пьезоэлектрические виброизмерительные преобразователи (ПВП). В то же время для измерения колебательных смеп];ений в низкочастотной области достаточно широкое распространение получили вихретоковые измерительные преобразователи (ВТП), отличаюш;иеся бесконтактным с объектом режимом работы.

От качества измерительной информации, получаемой от вышеуказанных преобразователей, в значительной степени зависит эффективность решения важных диагностических задач. Это определяет актуальность исследований, направленных на совершенствование и создание новых пьезоэлектрических и вихретоковых измерительных преобразователей с улучшенными характеристиками и более широкими эксплуатационными возможностями.

Состояние проблемы Как показывает мировой опыт, не смотря на значительный в последние десятилетия научно-технический и технологический прогресс, создание многофункциональных, широкодиапазонных унифицированных моделей средств измерения для различных условий их применения - дело не ближайшего будуш;его. Мировая тенденция в данной области техники - создание измерительных преобразователей для специальных условий их нрименения. В настояш;ее время ведуп];ие фирмы производят измерительные преобразователи номенклатурой в десятки наименований, т.к. требования к характеристикам средств измерения, определяемые условиями использования последних, весьма противоречивы.

Пьезоэлектрические вибропреобразователи за рубежом производят десятки фирм, наиболее известные из них: "Briiel&Kjser" (Дания), "Endevco", "РСВ Piezotronics" (США), "Kistler" (Швейцария), "У1Ьготе1ег"(Франция), " 0 N 0 Sokki" (Япония) и др.

Основные пути совершенствования ПВП, определяемые востребованностью и их назначением, - миниатюризация, реализация совмещённых с чувствительным элементом электронных схем, высокотемпературные конструкции для жёстких условий эксплуатации.

Основными поставщиками вихретоковых преобразователей на мировом рынке являются фирмы: "Bently Nevada", "Metrix Instrument Co." (США), "SKF" (Швеция), "Shenk" (Германия), "Philips" (Голландия) и др. Основное назначение ВТГТ - системы контроля и диагностики роторных устройств, в т.ч. энергетического оборудования. Тенденции совершенствования - расширение температурного, амплитудного диапазонов, улучшение метрологических характеристик.

Одной из серьёзных проблем при разработке миниатюрных ПВП является недостаточная изученность факторов, оказывающих дестабилизирующее влияние на результат измерения, при том, что любая миниатюризация адекватно уменьшает основную чувствительность преобразователя.

Создание ПВП для жёстких условий эксплуатации, как правило, не требует миниатюризации, но при этом необходимо предусматривать специальные меры для снижения влияния неизмеряемых физических величин: сопутствующих компонентов параметров движения, деформации объекта, повышенной температуры, электромагнитных полей, радиации и др. Всё это при условии повышения температуры объекта исследований до Т >250°С требует нахождения соответствующих технических решений, в том числе специальных материалов для чувствительных элементов, имеющих, как правило, при высоких температурах более чем на порядок меньшие значения пьезоэлектрических коэффициентов.

Создание совмещённых конструкций ПВП (чувствительный элемент и электронная схема в одном корпусе), с целью уменьшения влияния на результат измерения кабельных линий, неизбежно приводит к снижению амплитудного диапазона и механической прочности преобразователя, а также рабочего температурного диапазона.

Одной из проблем при создании ВТП является недостаточная изученность влияния кривизны поверхности контролируемых объектов, имеющих в основном цилиндрическую форму, а также влияния вариации при этом их электромагнитных свойств, что является определяющим при выборе конструктивных параметров первичных преобразователей, схем включения, способов термокомненсации и, в конечном итоге, для повышения точности измерений.

Цель работы и задачи исследований Целью работы является совершенствование н оптимизацня основных метрологических и эксплуатационных характеристик ньезоэлектрических и вихретоковых нервичных измерительных преобразователей, а также разработка и внедрение новых конструкций, их производство и использование для повышения эффективности вибродиагностики промышленных объектов.

В связи с этим в задачи диссертационной работы входит:

• исследование влияния восприимчивости ПВП к неизмеряемым физическим величинам и онределение оптимальных значений основных параметров миниатюрных однокомпонентных и трёхкомпонентных преобразователей;

• разработка конструкций миниатюрных ПВП с необходимым производственно-технологическим и метрологическим обеспечением;

• нахождение путей снижения погрешности ПВП для жёстких условий эксплуатации; разработка конструкций и их промышленное • анализ схем ностроения и разработка ПВП, совмеш;ённых с электронным блоком преобразования;

• исследование влияния кривизны поверхности и вариации электромагнитных свойств исследуемого объекта на выходные сигналы ВТП; разработка модели взаимодействия ВТП с цилиндрическим • определение основньк параметров и режимов работы ВТП, минимизируюш;их погрешность измерения смеш;ения для цилиндрических • разработка методики оценки технического уровня ПВП на базе анализа совокупности конструктивно-энергетических и эксплуатационно-метрологических характеристик миниатюрных вибропреобразователей.

Методы исследования Исследование характеристик ПВП и разработка методики оценки технического уровня нроводилось на основе аналитических методов расчёта и экспериментальных исследований.

Теоретические исследования взаимодействия ВТП с объектом цилиндрической формы выполнялись с использованием математического моделирования на основе метода конечных элементов.

Научная новизна работы 1. Определены факторы с доминируюш;им влиянием на результат измерения ускорений малогабаритных объектов миниатюрными ПВП: соизмеримость масс преобразователя и объекта, неоднородность ноля ускорений, деформация объекта, кабельный эффект. Проведено исследование этих факторов, определены пути уменьшения их влияния.

2. Предложен новый способ настройки на минимальную поперечную чувствительность пьезоэлектрических преобразователей с режимом работы сжатие-растяжение, а также электрическая схема преобразователей с улучшенной защитой от электромагнитных полей.

3. Предложен новый, более объективный метод оценки технической эффективности пьезоэлектрических преобразователей на базе анализа конструктивно-энергетических и эксплуатационно-метрологических характеристик, а также использования функции желательности Харрингтона для построения обобш;ённых ноказателей.

4. Разработана модель взаимодействия ВТП с ферромагнитными цилиндрическими объектами, позволяюш;ая установить новые закономерности при вариации кривизны поверхности и электромагнитных свойств объекта.

5. Показано, что при соотношении радиусов объекта и радиуса ВТП