Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Мониторинг подшипников качения в условиях их многостадийных отказов на основе анализа трендов виброускорения Тарасов Евгений Владимирович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Тарасов Евгений Владимирович. Мониторинг подшипников качения в условиях их многостадийных отказов на основе анализа трендов виброускорения: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.11.13 / Тарасов Евгений Владимирович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Омский государственный технический университет»], 2018

Введение к работе

Актуальность темы. Центробежные насосные агрегаты (ЦНА), оснащенные подшипниками качения, составляют более 70% от общего числа единиц динамического оборудования, находящегося под контролем систем мониторинга и диагностики на нефтеперерабатывающих предприятиях. Несмотря на то, что заложенный при изготовлении эксплуатационный ресурс подшипников качения позволяет им длительное время работать, практически не подвергаясь значительным износам, в деталях подшипника качения накапливаются усталостные повреждения, которые в конечном итоге приводят к усталостным разрушениям.

В настоящее время, в подавляющем большинстве случаев, контроль состояния осуществляется без учета возможного нестационарного характера развития неисправностей, что создает проблему обеспечения контроля состояния ЦНА в процессе эксплуатации с целью предотвращения внезапных отказов агрегатов. Поэтому разработка новых и развитие существующих методик контроля состояния, диагностирования и мониторинга ЦНА с учетом выявления, контроля и прогнозирования процессов накопления повреждений в деталях и многостадийного отказа подшипников качения является актуальной задачей.

Отказ центробежного насосного агрегата при усталостном разрушении подшипника качения происходит не внезапно и не мгновенно. Сначала появляются некоторые признаки приближения этого процесса, изменяется характер виброактивности агрегата. На фоне устойчивого уровня вибрации появляются некоторые выбросы трендов вибрации. Характеристики последовательности и интенсивности этих выбросов является важной информацией не только о приближении момента разрушения деталей подшипника качения, но и о времени работы, которое еще имеется у обслуживающего персонала для принятия мер по исключению аварийной ситуации и полного катастрофического разрушения.

Данная работа посвящена исследованию процессов многостадийного отказа деталей подшипника качения ЦНА, т.е. многократно возникающих самоустраняющийся отказов одного и того же характера – перемежающихся отказов, установлению зависимостей изменения вибрации в процессе деградации, развитию методов контроля и разработке способов выявления и прогнозирования процессов стадийного отказа.

Основная идея работы заключается в исследовании процесса изменения вибрации центробежных насосных агрегатов в эксплуатации, выявлении закономерностей процессов многостадийного отказа деталей подшипника качения по выбросам трендов вибрации, использовании закономерностей выбросов трендов вибрации, начиная с первой стадии появления деградации, и после-

дующем отслеживании процесса развития дефектов для своевременной оценки технического состояния агрегата.

Цель работы – обеспечить выявление, контроль и прогнозирование многостадийного отказа подшипника качения путем мониторинга трендов вибрации центробежного насосного агрегата в процессе эксплуатации.

Задачи диссертационной работы:

  1. Исследовать и уточнить распределение радиальных нагрузок на тела качения в подшипниках качения при работе агрегата.

  2. Разработать модель стадийной деградации подшипников качения центробежного насосного агрегата.

  3. Разработать способы и алгоритмы для выявления выбросов трендов вибрации при многостадийном отказе подшипников качения в процессе эксплуатации в реальном времени.

  4. Разработать методику прогнозирования времени появления выбросов трендов вибрации и наработки центробежного насосного агрегата до перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» и «Недопустимо».

  5. Произвести выбор диагностических признаков для определения процесса стадийного разрушения деталей подшипников качения.

  6. Провести экспериментальные исследования с целью верификации разработанных способов и алгоритмов диагностики многостадийного отказа, исследования диагностических признаков процесса стадийного разрушения деталей подшипников качения центробежного насосного агрегата, определить пороговые значения диагностических признаков.

  7. Осуществить внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.

Объект исследования – центробежный насосный агрегат с подшипниками качения, применяемый на нефтеперерабатывающих производствах.

Предмет исследования. Техническое состояние и вибрация центробежного насосного агрегата в процессе эксплуатации в реальных условиях с учетом процесса многостадийного отказа деталей подшипника качения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлено, что процесс отказа деталей подшипника качения идет многостадийно, что отражается в появлении выбросов трендов вибрации при работе центробежного насосного агрегата. Стадии приработка, износ, частичный отказ подшипника могут проходить неоднократно при эксплуатации до тех пор, пока усталостные напряжения в деталях подшипника не превысят предел прочности материала.

  1. Разработана математическая модель процесса появления выбросов трендов вибрации при работе центробежного насосного агрегата на основе распределения Пуассона, которая подтверждает наличие вероятностного характера многостадийного отказа деталей подшипника качения.

  2. Предложена новая математическая модель расчета распределения радиальных сил в подшипнике качения, которая учитывает перераспределение нагрузки между телами качения, на основе которой:

– обосновано постоянное перераспределение радиальных нагрузок по рабочим телам качения, расположенным в нижней половине подшипника, с учетом присутствия, либо отсутствия тела качения в нижней точке траектории движения тел качения подшипника;

– впервые доказано, что при работе подшипника качения с периодичностью равной половине углового шага тел качения (0,5), происходит постоянное чередование двух расчетных состояний – четного и нечетного, что приводит к изменению жесткости подшипника качения и наличию явления проседания вала агрегата;

– впервые установлено, что геометрическая характеристика подшипника (k) меняется с периодичностью равной половине углового шага тел качения (0,5).

  1. Введено новое понятие коэффициента нарастания параметра вибрации, применение которого позволило прогнозировать время появления выбросов вибрации, а также время наработки центробежного насосного агрегата до перехода в техническое состояние «Требует принятия мер» или «Недопустимо» при многостадийном отказе деталей подшипника качения.

  2. Выявленные закономерности процесса стадийного накопления повреждений подшипника качения позволили реализовать мониторинг и оперативную диагностику на всем периоде эксплуатации центробежного насосного агрегата, путем выделения выбросов трендов вибрации из потока измеряемых параметров вибрации и контроля процесса стадийного накопления повреждений деталей подшипника качения по амплитудам выбросов трендов вибрации и по длительности интервалов между выбросами вибрации.

  3. Предложен новый подход к определению технического состояния агрегата при многостадийном отказе деталей подшипника качения при работе.

Практическая ценность диссертации заключается в том, что: 1. Впервые получены справочные таблицы для расчета геометрических характеристик и радиальных сил в телах качения для шарикоподшипников при четном и нечетном рабочем состоянии для типового ряда подшипников, которые следует применять для обоснования выбора подшипника, особенно при ма-5

лом количестве (менее 10) тел качения, и позволяют производить расчеты на долговечность по уточненным данным нагрузки.

  1. Разработаны способы диагностики многостадийного отказа деталей подшипника качения центробежных насосных агрегатов по росту амплитуд выбросов (патент РФ № 2540195) и уменьшению интервалов между выбросами трендов вибрации (патент РФ № 2606164), что позволило уточнить реальное техническое состояние агрегата в эксплуатации, сделать наблюдаемым процесс деградации деталей и увеличить время принятия корректирующих мер, по обеспечению безаварийной эксплуатации работающего агрегата

  2. Разработана система мониторинга технического состояния центробежных насосных агрегатов в эксплуатации на базе предложенных способов и методик контроля многостадийного отказа деталей подшипника качения.

  3. На практике проведена верификация предложенных способов и методик контроля многостадийного отказа деталей подшипника качения центробежного насосного агрегата, подтверждена их работоспособность и возможность применения в условиях нефтеперерабатывающего производства.

  4. Уточнены правила оценки технического состояния центробежных насосных агрегатов в эксплуатации: при обнаружении трендов выбросов вибрации необходимо исключить оценку «Хорошо» и применять только три градации «Допустимо», «Требует принятия мер», «Недопустимо».

  5. Предложенные способы и методики могут быть адаптированы для применения на других типах динамического оборудования.

Реализация работы.

Системы автоматической диагностики и мониторинга технического состояния КОМПАКС, базируются на использовании разработанных способов и внедрены на ряде нефтеперерабатывающих предприятий ПАО «Газпром нефть» и ПАО «НК «Роснефть». Промышленное использование систем мониторинга технического состояния и автоматической диагностики дало экономический эффект в среднем 1,2 млн. рублей в год на один ЦНА.

Методы исследования основываются на теоретических исследованиях вопросов усталостной деградации деталей подшипников качения, анализе изменения технического состояния ЦНА при наличии выбросов вибрации в процессе эксплуатации на нефтеперерабатывающем производстве, режимов работы подшипника качения, прогнозировании времени работы агрегата. Обработка результатов проводилась на ЭВМ с помощью общего и специального программного обеспечения. Эксперименты проводились с помощь разработанных, сертифицированных и внедренных на предприятиях нефтепереработки ПАО «Газпром нефть» и ПАО «НК «Роснефть» систем мониторинга технического

состояния и автоматической диагностики КОМПАКС контролирующих работу более 5 000 центробежных насосных агрегатов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация удовлетворяет паспорту специальности «05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»:

п.1. Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

п.3. Разработка, внедрение и испытания приборов, средств и систем контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, имеющих лучшие характеристики по сравнению с прототипами.

п.6. Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Зависимости, представленные математической моделью расчета распределения радиальных сил в подшипнике качения, когда в нижней точке траектории движения тел качения подшипника отсутствует тело качения и нагрузка на подшипник воспринимается четным числом рабочих тел качения.

  2. Вероятностные закономерности многостадийного отказа, описываемые математической моделью процесса появления выбросов трендов вибрации при работе центробежных насосных агрегатов на основе распределения Пуассона.

  3. Взаимосвязь между величинами амплитуд трендов вибрации и длительностями интервалов между выбросами трендов вибрации, состоянием (степенью поврежденности) деталей и их остаточным ресурсом.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на региональных, всероссийских, международных конференциях и симпозиумах: «Три-ботех 2003» (Москва, 2003 г.), «Двигатель» (Москва, 2005 г., 2017 г.), «Образование через науку» (Москва, 2005 г.), "Техническое регулирование и стандартизация, Управление рисками, промышленная безопасность, контроль и мониторинг» (Москва, 2007 г.), «International conference on condition monitoring and machinery failure prevention technologies (CM/MFPT)» (Ireland, Dublin, 2009 г., UK, Oxford, 2015), «The International Congress on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM)» (Stavanger, Norway, 2011; UK, Huddersfield, 2012; Finland, Helsinki, 2013), «NDT days 2012/Дни на безраз-рушителния контрол» (Bolgaria, Sozopol, 2012), «Ориентированные фундамен-

тальные и прикладные исследования - основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России» (Омск, 2012 г.), «Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций» (Москва, 2013), «Оценка и управление индустриальными рисками в промышленной безопасности. Мониторинг рисков сложных и уникальных объектов» (Москва, 2013 г.), «Динамика систем, механизмов, машин» (Омск, 2014 г., 2016 г.), «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства» (Омск, 2015 г., 2016 г.), «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2016 г.).

Личный вклад автора заключается в исследовании изменения технического состояния ЦНА в эксплуатации по уровню вибрации и личном выявлении явления стадийного накопления повреждений деталей подшипника качения. Автором проведен аналитический обзор состояния вопроса, теоретические и экспериментальные исследования, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, апробация результатов, подготовка научных публикаций по работе. Автору принадлежит формулировка закономерностей и выводов, описанных в диссертации.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 56 печатных работ, в том числе 12 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 руководящий документ и работа, удостоенная премии Правительства РФ в области науки и техники, 2 отчета НИР и 2 патента на изобретения.

Структура и объем работы.