авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Михаил сергеевич автоматизация диагностики долговечности ответственных объектов машиностроения

На правах рукописи

УДК 621.005.5 БАСМАНОВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ АВТОМАТИЗАЦИЯ ДИАГНОСТИКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Деулин Евгений Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Утенков Владимир Михайлович кандидат технических наук Пересадько Андрей Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского»

Защита состоится «_»_2008 г. на заседании диссертационного совета Д 212.141.06 при МГТУ им. Н.Э. Баумана по адресу:

105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Телефон для справок: (499) 267-

Автореферат разослан «_»_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т. н., доцент Михайлов Валерий Павлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Непрерывное совершенствование машин характеризуется увеличением мощностей и скоростей, снижением веса, по вышением точности и долговечности. Так, одной из тенденций современного машиностроения является расширение числа функций, выполняемых систе мами автоматизированного управления. В настоящее время типовыми функ циями, выполняемыми САУ, являются: управление циклом и режимами об работки изделий, контроль параметров и качества изделий, блокировка меха низмов при возникновении отказов оборудования, регистрация аварийных событий, интеграция со смежными подсистемами оборудования и другие.

Однако для некоторых ответственных образцов высококлассного обору дования, в которых само явление отказа является недопустимым, поскольку может приводить к катастрофическим последствиям и большим экономиче ским убыткам, этого уже не достаточно. Таким образом, отказы в таких уста новках необходимо не блокировать, а предвидеть и предупреждать.

Примерами такого оборудования являются установки ОЖЕ, ВИМС, рент геноструктурного анализа, применяемые для широкого класса ответственных машин и приборов. Пример установки ОЖЕ-электронной спектроскопии представлен на рис. 1. Установки позволяют исследовать физические и хи мические параметры, структуру изделий, при этом их стоимость может дос тигать 3 млн. долларов.

Практика эксплуатации и выполнен ные автором исследования показыва ют, что наиболее опасными объектами таких установок являются высокоско ростные подшипниковые узлы. Посте пенный износ сепараторов таких под шипников может привести к взрывно му отказу этих узлов. Так, выход из строя высокоскоростного насоса мо ОЖЕ- жет привести к отказу системы управ Рис.1 – Установка ления и разгерметизации вакуумной электронного анализа.

системы установки, что может потре бовать ремонта, стоимость которого превышает сотни тысяч долларов, а дли тельность которого превышает несколько недель.

Целью работы является создание научных основ построения системы автоматической диагностики высокооборотных подшипников ответствен ных объектов машиностроения. Для достижения поставленной цели необхо димо решить следующие задачи:

1) определить комплекс параметров, потенциально пригодных в качестве критерия аварийных отказов ответственных подшипниковых узлов;

2) исследовать закономерность изменения критерия «накопленная работа трения» (далее – критерия НРТ) от величины суммарного износа сепаратора в период эксплуатации ответственного подшипникового узла;

3) разработать методику и аппаратные средства для автоматизированного расчета критерия НРТ.

Методы исследований. В работе использованы основные положения теории производительности машин Г.А. Шаумяна, теория надежности машин А.С. Проникова;

теоретические исследования основаны на описанном Н.А.

Спицыным и В.Н. Ивановым и далее развитом Е.А. Деулиным и Ю.В. Юрко вым механизме взаимодействия сепаратора с шариками в шарикоподшипни ке, нагруженном осевой нагрузкой, теории вероятности, теории точности, теории систем автоматического регулирования.

Экспериментальные исследования проводились на специально собран ных стендах на базах лаборатории «Вакуумный привод» кафедры МТ- «Электронное машиностроение им. Н.Э. Баумана» и отдела термоядерных исследований РНЦ «Курчатовский институт» и включали методы быстрого преобразования Фурье, методы анализа объемной концентрации частиц из носа в смазывающем масле механизмов. Обработка результатов эксперимен тов, оценка их точности и достоверности выполнялись на ЭВМ с применени ем теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна.

1. Обоснован новый критерий НРТ аварийных отказов ответственных подшипниковых узлов, основанный на определении накопленной работы трения, затраченной на износ сепаратора шарикоподшипника во время его эксплуатации.

2. Разработана методика автоматизированного расчета критерия НРТ, ис пользуемого для предсказания аварийных отказов ответственных подшипни ковых узлов, основанная на численном интегрировании работы сил трения, возникающих в шарикоподшипнике при его эксплуатации.



3. Впервые предложена схема построения системы предсказания аварий ных отказов ответственных подшипниковых узлов на примере высокоскоро стного подшипникового узла турбомолекулярного вакуумного насоса ТМН 01АБ1500-004, сочетающая измерение традиционных для диагностики пара метров, таких как: частота вращения, амплитуды и частоты вибрации – с не традиционными для диагностирования параметрами, такими как: впускное давление ТМН и накопленная работа трения, затраченная на износ сепарато ра шарикоподшипника.

Практическая ценность. Разработанные критерий НРТ, методика и аппаратные средства для его автоматизированного расчета могут быть ис пользованы при разработке систем автоматического управления (САУ) тех нологического оборудования, что позволит оценивать ресурс ответственных подшипниковых узлов, используя информацию о текущей суммарной работе по износу сепаратора. Создаваемая система предсказания отказов ответст венных подшипниковых узлов по своей структуре может быть встроена в уже существующие автоматизированные системы мониторинга (например, на установках Токамак-10 в РНЦ «Курчатовский институт» и др.).

На защиту выносится 1. Критерий НРТ аварийных отказов ответственных подшипниковых уз лов, основанный на определении накопленной работы трения, затраченной на износ сепаратора шарикоподшипника во время его эксплуатации.

2. Методика автоматизированного расчета критерия НРТ, используемого для предсказания аварийных отказов ответственных подшипниковых узлов, основанная на численном интегрировании работы сил трения, возникающих в шарикоподшипнике при его эксплуатации.

3. Схема построения системы предсказания аварийных отказов ответст венных подшипниковых узлов на примере высокоскоростного подшипнико вого узла турбомолекулярного вакуумного насоса ТМН 01АБ1500-004, соче тающая измерение традиционных для диагностики параметров, таких как:

частота вращения, амплитуды и частоты вибрации – с нетрадиционными для диагностирования параметрами, такими как: впускное давление ТМН и нако пленная работа трения, затраченная на износ сепаратора шарикоподшипника.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры МТ-11 «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана, на 10-й Всероссийской научно-технической конфе ренции «Вакуумная наука и техника» (Крым, 2003), Международной конфе ренции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетиче ских и транспортных машин» (Самара, 2003), 10-й Международной научно технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004), 16-м Ме ждународном вакуумном конгрессе «IVC-16» (г.Венеция, Италия, 2004), 17-м Международном вакуумном конгрессе «IVC-17» (г. Стокгольм, Швеция, 2007 г.) и др.





Публикации. Основное содержание работы

отражено в 8 печатных ра ботах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выво дов по работе, библиографического списка использованной литературы из наименования и изложена на 162 страницах машинописного текста, включает в себя 28 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, определена цель и поставлены задачи работы, сформулирована научная новизна и основные научные поло жения, выносимые на защиту. Показано, что создаваемая система предсказа ния отказов ответственных подшипниковых узлов по структуре и используе мым методикам обработки информации наиболее близка к существующим системам диагностики роторных механизмов. Принципиальное отличие соз даваемой системы от систем вибрационной диагностики, на наш взгляд, должно заключаться в том, что создаваемая система предсказания отказов ответственных подшипниковых узлов должна предоставлять пользователю не информацию о текущем состоянии механизма («диагнозе механизма»), а информацию о периоде, в течение которого ответственный механизм спосо бен отработать до аварийного отказа.

В первой главе приведен детальный обзор существующих систем ди агностики подшипниковых узлов, включающий описание системы по опре делению работоспособности турбомолекулярных насосов (ТМН), подшипни ковый узел которого выбран автором в качестве типового ответственного подшипникового узла. Проведенный обзор показывает, что на данный мо мент не существует систем диагностики, гарантировано предупреждающих аварию в подшипниковом узле ТМН. Подшипниковый узел подвески быст ровращающегося ротора насоса является самым ненадежным элементом, оп ределяющим его надежность в целом. Согласно данным РНЦ «Курчатовский институт», износ сепараторов подшипников используемых турбомолекуляр ных насосов ТМН 01АБ1500-004 является причиной отказа около 90% насо сов. Таким образом, для исключения аварий ответственных подшипников ТМН требуется доработка существующих систем диагностики с учетом осо бенностей рассматриваемых насосов и оборудования, их использующего.

В основу работы создаваемой системы диагностики долговечности турбомолекулярных насосов положена модель формирования постепенных отказов А.С. Проникова, которую необходимо учитывать при проектирова нии САУ установок, использующих турбомолекулярные насосы.

В результате проведенного анализа была определена совокупность па раметров автоматизированного вакуумного оборудования, которые могут быть использованы в создаваемой системе диагностики долговечности ТМН, такие как: впускное и выпускное давления ТМН, электрическая мощность, потребляемая двигателем ТМН, частота вращения ротора ТМН, нагрузочно частотная характеристика двигателя ТМН, вибрация корпуса ТМН, парамет ры смазывающего подшипники масла ТМН.

Проведен анализ влияния надежности турбомолекулярных насосов на производительность автоматизированного вакуумного оборудования. Пока зано, что производительность вакуумного оборудования, включающего ТМН, может быть увеличена более чем на 3-5% путем использования систе мы предсказания аварийных отказов ТМН.

Во второй главе представлены теоретические основы разрабатывае мой системы предсказания отказов шарикоподшипниковых узлов быстров ращающейся подвески ротора ТМН. Проведенные исследования базируются на работах Н.А. Спицына, В.Н. Иванова, Е.А. Деулина, Ю.В. Юркова. Из вестно, что при осевой нагрузке шарикоподшипника (что имеет место в ш/п ТМН) все шарики подшипника являются нагруженными одновременно. На копление разности путей пробегаемых разными шариками, приводящее к росту сил взаимодействия этих шариков с сепаратором, приводит к проскаль зыванию шариков по одному из колец. Картина такого взаимодействия дета лей подшипника приведена на рис. 2, где показаны силы, действующие меж ду шариками, сепаратором и кольцами.

В принятой теоретической модели используются следующие обозначе ния: FAi и FBi – силы трения между шариком и внутренним и наружным коль цами соответственно;

FCi – сила трения между шариком и сепаратором;

QAi и QBi – нормальные реакции на шарик внутреннего и наружного колец (соот ветственно) при взаимодействии шарика с сепаратором;

QCi – нормальная ре акция на шарик сепаратора;

r – радиус шарика;

MKAi и MKBi – моменты трения качения между шариком и внутренним и наружным кольцами соответствен но, QРAi и QРВi – нормальные реакции на шарик внутреннего и наружного ко лец от нагрузки на подшипник, МmaxТР и МminТР максимальный и минималь ный моменты трения подшипника.

Максимальное значение МmaxТР рассчитывается из предположения, что лишь два шарика (ведущий и ведомый) с максимальной силой давят на сепа ратор. Тогда МТР определится следующим выражением:

МmaxТР = RBCQCKC + (RB/r + cos )kFA/sin + zMBusin, (1) где RB – радиус дорожки качения на внутреннем кольце, C – коэффициент трения скольжения между шариком и сепаратором, QCKC – нормальная сила взаимодействия ведущего шарика и сепаратора, при котором происходит проскальзывание ведомого шарика по наружному кольцу, – фактический угол контакта шарика с внутренним кольцом, k – коэффициент трения каче ния между шариком и желобом кольца, z – количество шариков шарикопод шипника;

MBu – момент трения верчения в контакте шарика с одним из колец (меньший).

Нормальная сила взаимодействия ведущего шарика и сепаратора, при котором происходит про скальзывание ведомого шарика по наружному кольцу:

+k R A = 2Q PA CK Q, ( 2) B C A 1 - 2 A + (2 1) k R B + где А – коэффициент трения скольжения между шариком и на ружным кольцом, – коэффици ент распределения дополнитель Рис. 2 – Схема сил, действующих на эле ной нагрузки. Минимальный мо менты шарикоподшипника в момент мент трения имеет место, если зажатия сепаратора ведущим и ведо лишь один шарик ведет или тор мым шариками, индекс “i” – ведущий мозит сепаратор.

шарик, “j” – ведомый, “q” – ней МminТР = (RB/r + cos )kFA/sin + тральный;

со штрихом обозначены + zMBu sin, силы, с которыми шарик действует на (3) сепаратор и кольца.

Так, расчетные значения максимального и минимального моментов трения на примере ТМН 01 АБ 1500-004, используемого в РНЦ «Курчатов ский институт», составляют: МmaxТР = 19.41 Нмм и МminТР = 2.34 Нмм.

Модель формирования отказов шарикоподшипника ТМН базируется на теории формирования посте пенных отказов А.С. Проникова, как это показано на рис 3, где приняты следующие обозначе ния: параметр износа изделия X (объемный износ сепаратора шарикоподшипника ТМН), плотность распределения отка зов функционирования шарико подшипника насоса f(PОТ), пре дельно допустимое значение па раметра износа изделия ХMAX (значение объема материала се Рис. 3 – Модель формирования постепен- паратора, изношенного до отка ных отказов шарикоподшипника ТМН. за шарикоподшипника), среднее значение (математическое ожи дание) скорости износа ср, плотность распределения моментов трения в ша рикоподшипнике Р(Мi Mном).

На рис. 4 представлена характерная для шарико подшипника, нагруженно го осевой нагрузкой, диа грамма изменения момен та сопротивления под шипника ТМН, где Мтр – Рис. 4 – Диаграмма изменения момента сопро- момент трения;

t – время;

А1 - А6 – значения меха тивления на валу ротора ТМН.

нических работ, затрачен ных на износ сепаратора, t1 - t6 – периоды действия соответствующих момен тов сопротивления. Механическая работа, затрачиваемая шариками подшип ника ТМН на износ сепаратора, определяется интегральной площадью за штрихованных участков диаграммы.

В соответствии с результатами исследования подшипника марки 1036095Ю6Т было принято, что до наступления момента проскальзывания величины сил взаимодействия шариков с сепаратором носят случайный ха рактер, в моменты, когда проскальзывание имеет место, вероятность появле ния момента трения подшипника Mi, пре вышающего номи нальный момент тре ния P(Mi MТР), зави сит от величины Mi, как это показано на рис. 5 для значений осевой нагрузки на подшипник Fa = 7.5 Н, 12 Н и 20 Н. Так, на пример, из диаграммы, соответствующей осе вой нагрузке Fa = 12, H, видно, что момент трения, превышающий Мтр = 12 Н·см, возни кает с вероятностью P(Mi MТР) = 0,05.

Рис. 5 – Экспериментальная зависимость момента трения подшипника от нагрузки. Представленная на рис.2 модель силового взаимодействия шарикоподшипника используется для определения работы, затраченной шариками на износ сепаратора в периоды возрастания момента сопротивления, когда сепаратор оказывается «зажат» шариками, а диаграмма плотности распределения моментов трения в шари коподшипнике – для гарантированного предсказания момента отказа шари коподшипника ТМН.

Выражение для определения суммарной работы выглядит следующим образом:

t АИЗН = (Мтек – Мном)dt, (4) где АИЗН – суммарная работа по износу сепаратора за время эксплуатации t, Мтек, Мном – текущий и номинальный моменты сопротивления подшипника.

Представленная в работе методика расчета максимальных сил взаимо действия шарика с сепаратором позволяет оценивать гарантированную дол говечность по износу сепаратора подшипника, т.е. время, в течение которого произойдет критический (максимально допустимый) износ перемычки сепа ратора, при условии, что на нее периодически воздействуют с двух сторон шарики с рассчитанной максимальной силой давления QCKC, определяемой по формуле:

LИ = с/Ш-С, (5) где LИ – время, необходимое для критического износа перемычки гнезда се паратора (долговечность подшипника), ч;

с – максимально допустимый из нос перемычки сепаратора, мм3;

Ш-С – скорость изнашивания сопряжения шарик-сепаратор, мм3/ч.

Для предсказания отказа подшипника в работающем ТМН в качестве ос новного критерия оценки предлагается использовать накопленную работу трения, совершенную шариками по износу сепаратора АИЗН, которая опреде ляет объемный износ сепаратора шарикоподшипника (VИЗН).

VИЗН = f(АИЗН), (6) Учитывая особенности конструкции ТМН, для определения работы АИЗН предложено использовать параметр, косвенно связанный с интенсивностью объемного износа сепаратора – мощность двигателя привода ротора турбо молекулярного насоса WЭД, который, по мнению автора, является наиболее эффективным параметром для определения работы АИЗН.

Сложность использования параметра WЭД заключается в том, что потери мощности электродвигателя ТМН помимо потерь на преодоление момента трения в подшипниковых опорах включают потери на нагревание проводов обмотки статора и ротора, потери из-за гистерезиса и вихревых токов в сер дечнике статора, потери на преодоление силы вязкости масла и др.Так, в данной работе принято допущение, что мощность всех потерь в двигателе ТМН в режиме штатной эксплуатации принимается за постоянную величину.

Мощность, затрачиваемую на преодоление момента трения в подшипниках WМтр, рекомендуется определять вычитанием из общей мощности, потреб ляемой насосом WЭД, мощности, расходующейся на откачку газа насосом WPвп, и мощности всех потерь WПОТ, как показано в формуле 7.

WМтр= WЭД – WПОТ – WPвп, (7) Предварительный расчет максимального приращения электрической мощности WМтр, затраченной на преодоление максимального момента трения в подшипниковом узле МmaxТР, показал, что WmaxМтр=36,4 Вт, что может быть зафиксировано штатными измерителями мощности. Таким образом, доказа но, что показатель WМтр может быть использован в качестве косвенного кри терия интенсивности износа сепаратора, а параметр АИЗН оценен, как показа но в формуле 8.

t t АИЗН ~ (WЭД – WПОТ – WРвп)dt = WМтрdt, (8) 0 Для выделения затрат мощности, связанных с подшипниками WМтр, пред лагается проводить калибровку насоса по параметрам «мощность, потреб ляемая двигателем – впускное давление ТМН», алгоритм которой представ лен на рис. 6.

Рис. 6 – Блок-схема алгоритма калибровки ТМН по параметрам «мощность, потребляемая двигателем – впускное давление ТМН»: Pmin, Pmax – ми нимальное и максимальное значения диапазона впускного давления PВП при калибровке ТМН, P – шаг изменения PВП во время калибровки, Pi – устанавливаемый уровень впускного давления при калибровке ТМН, WИЗМ – измеряемая электрическая мощность, потребляемая двигателем ТМН, Wi(Pi) – калибровочная характеристика «мощность, потребляемая двигателем – впускное давление ТМН».

Алгоритм определения работы, затрачиваемой на износ сепаратора под шипника ТМН, лежащий в основе оценки отказа ТМН, представлен на рис.7.

Рис. 7 – Блок-схема алгоритма определения работы, затрачиваемой шариками на износ сепаратора: А – суммарная работа, затрачиваемая на износ се паратора, W=fКАЛИБ(Р) – калибровочная характеристика «мощность, по требляемая двигателем – впускное давление ТМН», PИЗМ(t), WИЗМ(t) – те кущие значения впускного давления и мощности, потребляемой двигате лем, WИЗНОС(t) – значение доли мощности, затраченной двигателем ТМН на преодоление момента трения в подшипниках ТМН за время t, WКАЛИБ(PИЗМ) – значение мощности, полученное при помощи калибровоч ной характеристики для текущего впускного давления PИЗМ, АИЗНОС(t) – приведенное значение механической работы, затраченной шариками на износ сепаратора в подшипнике за время t, АКРИТ – максимально допус тимое значение работы по износу сепаратора.

Значение АКРИТ рекомендуется определять основе экспериментальных исследований зависимости (6) и анализа объемного износа сепараторов, отка завших во время эксплуатации ТМН. Выполненный анализ возможности ис пользования методов вибрационной диагностики при оценке состояния ТМН показывает, что способ вибрационной диагностики по «спектру вибросигна ла» является оптимальным для диагностики текущего состояния ТМН, т.к.

позволяет следить во время эксплуатации насоса за амплитудой вибрацион ного спектра на частотах вращения сепаратора, взаимодействия внутреннего и наружного колец с шариками. Метод прост при автоматизации, экономичен и не требует вмешательств в конструкцию насоса. Расчетные значения харак терных частот контактирования элементов шарикоподшипника ТМН 01 АБ 1500-004 для базовой частоты вращения ротора ТМН n0 = 340 Гц следующие:

частота вращения сепаратора и тел качения: fСЕП = 74 Гц, fТК = 200 Гц;

частота мелькания тел качения по внутреннему и наружному кольцу: fТК-ВН = 3724 Гц, fТК-НАР = 1036 Гц.

В третьей главе приведено экспериментальное обоснование возможности разработки системы предсказания отказов ТМН. Создан экспериментальный стенд – прототип системы предсказания отказов ТМН автоматизированного вакуумного оборудования, схема которого представлена на рис. 8.

Рис. 8 – Схема экспериментального стенда: 1 – Система газонапуска;

2 – Ва куумная камера;

3 – Датчик впускного давления (ПМИ-31);

4 – Вакуум метр ВМЦБ-12;

5 – Блок нормализации вакуумметра ВМЦБ-12;

6 – Про граммное обеспечение;

7 – ТМН 01АБ1500-004;

8 – Пьезоэлектрический акселерометр АР-31 (датчик вибрации);

9 – Усилитель сигнала вибрации РШ2731Э, 10 – Блок питания ТМН БП-267;

11 – Персональный компью тер;

12 – Плата АЦП Ла 1.5 PCI-14;

13 – Форвакуумный насос 2НВР-5ДМ;

14 – Датчик вакуума ПМТ-4М;

15 – Оптический датчик оборотов;

16 – Вакуумметр ВИТ-2;

17 – Датчик мощности;

18 – Блок сопряжения с АЦП.

Стенд создан на базе ТМН 01АБ-1500-004 и позволяет измерять парамет ры мощности, потребляемой двигателем ТМН, впускное и выпускное давле ния ТМН, частоту вращения ротора ТМН, виброакустические характеристи ки насоса;

проводить калибровку насоса по параметрам «мощность, потреб ляемая двигателем – впускное давление ТМН» в диапазоне давлений PВП = 10-4 – 10-1 Па с возможностью записи данных с любых датчиков стенда в па мять персонального компьютера (поз.11).

Для исследования объемного износа сепаратора подшипникового узла ТМН был использован стенд для анализа частиц износа сепаратора в смазы вающем масле насоса, схема которого приведена на рис. 9.

В результате калибров ки ТМН по параметрам «мощность, потреб ляемая двигателем – впускное давление ТМН» по алгоритму, представленному на рис. 6, была получена калибровочная харак теристика ТМН, см.

рис. 10 (выделена «»). Знаком «» пока Рис. 9 – Стенд для анализа частиц износа сепара заны результаты изме тора в смазывающем масле ТМН: 1 – Изобра рений мощности, по жение с микроскопа, 2 – Образец масла ТМН, требляемой двигателем 3 – Фото-видео камера микроскопа, 4 – Микро ТМН, полученные в метр окулярный винтовой МОВ-1-16х;

5 – Мик процессе калибровки.

роскоп.

Программное обеспечение для определения работы, затрачиваемой на износ сепаратора шарикоподшипника во время эксплуатации ТМН (см. рис.

11), было разра ботано на осно ве алгоритма, приведенного на рис. 7.

Программа ис пользует полу ченную калиб ровочную ха рактеристику для выделения Рис. 10 – Калибровочная характеристика «мощность, по- затрат мощности требляемая двигателем – впускное давление ТМН» на преодоление (выделена ). момента трения в подшипнико вых опорах ТМН от затрат мощности на преодоление газовой нагрузки на ротор ТМН и определяет суммарное значение работы, затраченной на износ сепаратора шарикоподшипников насоса.

Рис. 11 – Окно программы по определению накопленного значения работы, затраченной на износ сепаратора АИЗН в подшипниковом узле ТМН:

1 – Информация о времени начала сбора данных, 2 – Информация о теку щем времени, 3 – Запуск/останов сбора данных, 4 – Выход из программы, 5 – Значение мощности ТМН, тратящейся на откачку газа, 6 – Значение давления в вакуумной камере, 7 – Текущее значение общей мощности, за трачиваемой двигателем ТМН, 8 – Суммарное значение работы, затра ченной на износ сепаратора в подшипнике ТМН.

В результате серии экспериментов при помощи стендов, изображенных на рис. 8 и рис. 9 была экспериментально определена зависимость объемного износа сепаратора подшипникового узла турбомолекулярного насоса VИЗН (см. формулу 6) от работы, совершен ной шариками по износу сепаратора АИЗН в подшипни ке ТМН. Результа ты экспериментов приведены на рис.

12. Анализ 30 раз рушенных под шипников подвес ки ротора ТМН АБ 1500-004 пока зывает, что объем Рис. 12 – Экспериментальная зависимость объемного ный износ сепара износа сепаратора подшипников ТМН 01 АБ 1500- тора варьируется 004 V от работы, затраченной на износ сепаратора от 3,53мм до 4, А, коэффициент линейной корреляции R=0,96±0,01. мм.

Из результатов экспериментов, представленных на рис. 12, сделан вы вод, что максимально допустимое критическое значение работы, затраченной на износ сепаратора подшипников ТМН, соответствующее объемному износу сепаратора VMAX = 3,53 мм3, составляет около 2 ГДж.

В четвертой главе описана методика создания системы предсказания отказов ТМН. Даны рекомендации по выбору диагностических критериев при оценке текущей работоспособности ТМН, подробно рассмотрены пара метры «вибрация корпуса ТМН» и «частота вращения ротора ТМН». Приве дены рекомендации по включению разрабатываемой системы в состав типо вой автоматизированной вакуумной установки (рис. 13). Разработан алго ритм работы микроконтроллера системы предсказания отказов ТМН поз. 4, встраиваемого в блок питания ТМН поз.3, который по последовательному каналу передает в САУ вакуумной установки поз.5 информацию о текущем суммарном значении работы по износу сепаратора подшипника ТМН. САУ вакуумной установки на основе анализа рисков для вакуумной установки рассчитывает допустимые пределы созданного критерия отказа ТМН. Приве дены рекомендации по выбору системы измерения, передачи и обработки информации. Приведены рекомендации по дальнейшей разработке про граммного обеспечения системы предсказания отказов ТМН.

Рассмотрены основные современные рабочие среды для создания ав томатизированных систем различного назначения. Сделан расчет экономиче ского эффекта от внедрения системы предсказания отказов ТМН Обоснована экономи ческая эффективность инвестиционного проекта внедрения разрабатываемой сис темы по критериям:

срок окупаемости, учетная доходность, чистая дисконтиро ванная стоимость, внутренняя доход ность, индекс рента бельности. Дано за Рис. 13 – Рекомендуемая схема использования сис ключение по исполь темы предсказания аварийных отказов ТМН:

зованию критериев 1 – Вакуумная установка, 2 – Датчик впускного принятия долгосроч давления, 3 – ТМН, 4 – Вакууметр, 5 – Блок пи ного инвестиционно тания ТМН, 6 – Программируемый микрокон го решения.

троллер, 7 – САУ вакуумной установки.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Показано, что за счет сокращения разницы между временем устранения аварийного отказа (до 1 месяца) и временем ППР, составляющего 1-20 часов, путем использования системы диагностики состояния ТМН можно обеспе чить повышение производительности вакуумного оборудования более чем на 3-5%.

2. Анализ комплекса параметров ТМН показал, что наиболее эффектив ным критерием аварийных отказов ТМН является критерий НРТ, т.к. одно значно определяет объемный износ сепаратора подшипника ТМН. Опыт бо лее чем 10-летнего периода эксплуатации ТМН в РНЦ «Курчатовский инсти тут» показывает, что основной причиной их аварийных отказов в 90% случа ев является катастрофический износ сепаратора шарикоподшипника подвес ки ротора насоса.

3. Основным физическим процессом, приводящим к износному отказу шарикоподшипников ТМН, является процесс трения шарика о сепаратор, при этом объемный износ сепаратора до разрушения является статистической ве личиной, стандартное отклонение которой = 0,12, а минимальное и макси мальное значения объемного износа сепаратора соответственно Vmin = 3,53 мм3, Vmax = 4,02 мм3.

4. Показано, что накопленная работа трения, затрачиваемая на износ се паратора подшипникового узла во время работы ТМН, линейно кореллируе ма с объемным износом сепаратора, при этом коэффициент корреляции со ставляет R = 0,96 ± 0,01.

5. Поскольку в системе диагностики ТМН невозможна установка уст ройств для прямого измерения момента трения шарикоподшипников, для оценки момента трения следует использовать разность текущей электриче ской мощности, потребляемой двигателем ТМН, с мощностью всех потерь в двигателе ТМН и мощностью, затрачиваемой на откачку газа, которая со ставляет около 10% от общей мощности, потребляемой двигателем ТМН в штатном режиме при возникновении максимального момента трения Мтрmax = 19,2 Нмм, и 1% от общей мощности, потребляемой ТМН, при мини мальном моменте трения Мтрmin = 2,4 Нмм.

6. Показано, что система автоматической диагностики ТМН помимо тра диционно используемого вибродатчика и штатного датчика впускного давле ния ТМН должна включать датчики, позволяющие определять момент трения в подшипниках насоса (датчик мощности, потребляемой двигателем ТМН;

частоты вращения ротора ТМН), результаты работы которых анализируются в едином масштабе времени.

7. Показано, что для исключения аварийных остановов вакуумных уста новок по причине отказов ТМН следует при разработке САУ вакуумного оборудования использовать критерий «накопленная работа трения», опреде ляемый при эксплуатации ТМН по разработанной методике.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ.

1. Басманов М.С. Система диагностики турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН) с использованием энергетического параметра износа //Студенческий вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана.- М.,2004.- С. 37-42.

2. Деулин Е.А., Басманов М.С. Система вибрационной диагностики турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН) // Контроль.

Диагностика.- 2004.- №7.- С. 45-48.

3. Деулин Е.А., Басманов М.С., Ивченко Е.А. Система диагностики турбомолекулярных вакуумных насосов (ТМН) // Вакуумная наука и техни ка.: 10 Всерос. конф.- Судак (Крым), 2003.- Т.1.- С.313-316.

4. Деулин Е.А., Демихов К.Е., Басманов М.С. Компьютерная диагностика турбомолекулярных вакуумных насосов // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин.: Междунар.

конф.- Самара, 2003.- Т.1.- С.223-227.

5. Е.А. Деулин, М.С. Басманов, Е.А. Ивченко. Компьютерная диагностика турбомолекулярных вакуумных насосов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика.: Тез. докл.10 Междунар. научн.- техн. конф. студ. и аспир.- Москва, 2004.- Т.3. – С. 345-346.

6. Патент № 69940. Стенд вибрационной диагностики шарикоподшипникового узла турбомолекулярного вакуумного насоса./ Е.А. Деулин, К.Е. Демихов, М.С. Басманов и др.- // Б.И.- 2008.

7. Basmanov M.S., Deulin E.A., Ivchenko E.A.. System of Turbomolecular Pump (TMP) Failure Predicting as a Resut of Friction Wear // Automotive and Industrial Lubrication.: Book of Syn. Techniche Academie Esslingen Hrsg. Esslingen, 2006.- P.229-230.

8. Deulin E.A., Demikhov K.E., Basmanov M.S System of Turbomolecular pump (TMP) monitoring and failure predicting // Vacuum Congress of IUVSTA Symposium.: Book of Syn. IVC-16, ICSS-12, NANO-8, AIV-17.- Venice, 2004. P. 637-638.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.