Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы 8
1.1 Классификация методов неразрушающего контроля 8
1.2 Вибрационные методы неразрушающего контроля 19
1.3 Модальные параметры упругих тел и способы их определения 23
1.4 Метод вибродиагностики упругих тел, использующий модальный параметр «обобщенная эквивалентная масса» 32
1.5 Выводы по главе 1 39
2 Способ вибродиагностики технического состояния упругих тел, основанный на исследовании собственных форм колебаний 41
2.1 Основные положения теории колебаний упругих тел 41
2.2 Нерезонансный способ определения собственных форм колебаний упругих тел при неизвестной силе возбуждения 44
2.3 Нерезонансный способ определения эквивалентных масс
упругих тел при неизвестной силе возбуждения 55
2.4 Обоснование способа вибродиагностики, основанного на исследовании собственных форм колебаний в качестве диагностического признака 60
2.5 Выводы по главе 2 64
3 Экспериментальная диагностика дефектов упругих тел на основе исследования собственных форм колебаний 67
3.1 Описание объекта исследования и экспериментальной установки по определению собственных форм колебаний упругих тел и проведение эксперимента 67
3.2 Результаты вибродиагностики плоского образца и исследование скорости изменения частот и форм собственных колебаний при возникновении в нем усталостной трещины 74
3.3 Выводы по главе 3 86
4 Вибродиагностика возникновения усталостных трещин и зон перегрева материала в деталях ГТД 88
4.1 Диагностика возникновения усталостной трещины
в рабочей лопатке 2 ступени турбины изделия М75РУ 89
4.2 Диагностика возникновения усталостной трещины со стороны внутренней полости охлаждаемой рабочей лопатки турбины ГТД-110 94
4.3 Диагностика возникновения забоины в лопатке вентилятора изделия SaM-146 100
4.4 Диагностика повреждаемости диска ротора ГТД вследствие перегрева 103
4.5 Диагностика повреждаемости вала ротора ГТД вследствие перегрева ПО
4.6 Выводы по главе 4 116
5 Численное моделирование вибродиагностики возникновения дефектов упругой конструкции с учетом технических возможностей виброизмерительной аппаратуры 118
5.1 Технология учета технических характеристик виброизмерительной аппаратуры при моделировании вибродиагностики упругих тел методом эквивалентных масс 118
5.2 Численная вибродиагностика плоского образца при заданных технических характеристиках виброизмерительной аппаратуры 121
5.3 Выводы по главе 5 128
Основные выводы по работе 130
Заключение 133
Список использованных источников
- Вибрационные методы неразрушающего контроля
- Нерезонансный способ определения собственных форм колебаний упругих тел при неизвестной силе возбуждения
- Результаты вибродиагностики плоского образца и исследование скорости изменения частот и форм собственных колебаний при возникновении в нем усталостной трещины
- Диагностика возникновения усталостной трещины со стороны внутренней полости охлаждаемой рабочей лопатки турбины ГТД-110
Введение к работе
Неразрушающий контроль и диагностика — начинающие и определяющие составные части проблемы безопасности. Контроль обозначает проверку соответствия параметров объекта установленным техническим требованиям, а неразрушающие методы контроля не должны нарушать пригодность объекта к применению. Несоответствие продукции установленным требованиям является дефектом. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином «диагностирование».
Среди актуальных проблем в авиационной технике, требующих первоочередного научно-технического обеспечения, следует отметить необходимость дальнейшего усовершенствования методов и средств диагностирования технического состояния систем и элементов авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) как во время эксплуатации, так и при проведении технического обслуживания и восстановления. Достигнутый на сегодняшний день уровень и перспективы развития методов и средств диагностирования обеспечивают возможность перехода к эксплуатации ГТД по техническому состоянию с контролем параметров. При этом основным принципом, за счет которого обеспечивается требуемый уровень безопасности полетов, является принцип предупреждения неисправностей, повреждений и отказов двигателей в полете.
В настоящее время эксплуатация ГТД ведется, как правило, до момента выработки им межремонтного ресурса с обязательным съемом двигателей с эксплуатации и направлением их на ремонтные предприятия для дефектации и ремонта. Известно, что большинство отказов элементов машин вызвано их недостаточной динамической прочностью. Поэтому резко возрастает необходимость в способах диагностики технического состояния деталей ГТД, позволяющих с высокой достоверностью диагностировать как усталостное
повреждение деталей роторов ГТД, так и степень деградации механических характеристик материала деталей от температурно-силового воздействия в процессе эксплуатации. Таким образом помимо традиционных задач дефектоскопического контроля появилась необходимость в создании новых универсальных методов вибродиагностики.
Многолетний опыт эксплуатации ГТД показывает, что значительная часть отказов, приводящих к досрочному съему двигателя с эксплуатации, вызывается неисправностями элементов компрессора и турбины. Причем, практически для всех типов двигателей указанные отказы в основном вызываются такими характерными повреждениями, как забоины и вмятины лопаток компрессора, трещины и обрывы лопаток компрессора, забоины, трещины и прогары лопаток турбины. Большинство таких трещино-подобных повреждений в деталях ГТД должны быть обнаружены на этапе начального развития при наличии постоянного мониторинга за состоянием элементов рабочих колес в эксплуатации.
Следует отметить, что техническое состояние деталей определяется по фиксированному отработанному ресурсу в часах или циклах. При таком подходе значительная часть ресурса остается неиспользованной. При переходе на эксплуатацию по техническому состоянию возникают новые требования к методам неразрушающего контроля (НК). Прежде всего, это определение остаточного ресурса для высоконагруженных, ответственных и дорогостоящих деталей ГТД.
На основании вышеизложенного актуальность темы обуславливается следующими обстоятельствами:
важностью разработки мероприятий, направленных на повышение надежности деталей ГТД на протяжении всего жизненного цикла;
необходимостью развития методов неразрушающего контроля технического состояния деталей ГТД при их эксплуатации и, в частности, методов вибродиагностики.
Работа выполнена на кафедре «Теоретической механики и сопротивления материалов» Рыбинской государственной авиационной технологической академии имени П. А. Соловьёва под руководством доктора технических наук А. Л. Михайлова.
Вибрационные методы неразрушающего контроля
Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации - один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования. Вибрация -явление, обычное для оборудования, содержащего движущиеся части. Она возникает из-за некоторых свойств, которые являются естественным следствием изготовления элементов оборудования и характеристик материалов. При увеличении вибрации эти свойства могут развиться в серьезные дефекты. В свою очередь развитие дефекта в оборудовании приведет к изменению характеристик вибрации. Увеличение вибрации выше определенного уровня может привести к разрушению элементов оборудования или характеризовать разрушение. Таким образом, вибрация служит как причиной развития дефекта, так и их индикатором.
Главной задачей методов вибродиагностики является выбор наиболее информативного признака, по которому оценивается техническое состояние объекта. На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании. Основными параметрами различных вибрационных процессов, измеряемых для определения состояния машин методами вибродиагностики, являются: виброперемещение, виброскорость, виброускорение, вибронапряжение, резкость, размах колебания, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, спектральная плотность мощности, уровень акустической мощности, ударный спектр, длительность удара и др. [40-42]. Выбор измеряемых параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазонов измеряемых колебаний.
В низкочастотном диапазоне (в т. ч. для роторных машин с частотой вращения ротора менее 600 об/мин) чаще измеряют параметры виброперемещения, в среднечастотном — виброскорости, а в высокочастотном -виброускорения. Однако такое деление является условным и часто возникает необходимость измерять виброперемещение в высокочастотном диапазоне, а виброускорение - в низкочастотном. В зависимости от спектрального состава, распределения уровней вибрации во всем диапазоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют пиковые размах или среднеквадратические значения [43].
Виброперемещение и размах колебаний представляют интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта (например ротора относительно статора при критичности зазоров) или деформацию (при критичности механических напряжений) [44].
Если исследуют работоспособность роторных машин с частотой вращения более 600 об/мин, эффективность вибрационных машин, а также воздействие вибрации на организм человека, то изучают скорость вибрации, поскольку именно она определяет импульс силы и кинетическую энергию (то есть разрушающую способность колебаний). В этом случае, обычно, измеряют среднеквадратическое значение.
При оценке вибронадежности объектов и исследовании дефектов, связанных с механическими ударами, основным измеряемым параметром является виброускорение. При этом измеряют пиковое значение, отражающее наибольшее значение измеряемых колебаний [45].
Выбор метода вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояния объекта. Например, диагностику технического состояния элементов конструкций, типа стержни, балки, лопатки и диски роторных машин и др. проводят по измерению таких интегральных характеристик, как собственных частот юг, добротности О, декремента колебаний 8. Диагностическим признаком наличия повреждений является изменение указанных характеристик.
При диагностике объектов сложной конструкции, в том числе летательных аппаратов, измеряют амплитуды колебаний отдельных точек этой конструкции в условиях резонанса Ап, ее собственные частоты со,-, добротность резонанса Ор. Дефекты многослойных конструкций, обшивок и т. д. выявляют по изменению собственных частот Aco;. и импеданса AZ.
Нерезонансный способ определения собственных форм колебаний упругих тел при неизвестной силе возбуждения
Рассмотрим колебания некоторого упругого тела под действием заданной системы сил. Под смещением точки тела будем понимать ее отклонение от некоторого заданного (нулевого) положения. Обычно в качестве нулевых положений точек тела выбирают положения, которые занимают точки при равновесии тела. С каждой точкой тела свяжем ее координаты х, у, z, определенные в тот момент, когда все точки тела находятся в своих нулевых положениях. Компоненты вектора смещения d;(x,y,z,t) произвольной точки тела будем обозначать л, .. В общем случае этот вектор может быть представлен в виде суммы двух слагаемых. Первое из них соответствует смещению данной точки, как точки абсолютно твердого тела. Под абсолютно твердым телом понимается тело, расстояние между любыми точками которого остаются неизменными при действии на него системы заданных сил. Второе связано с деформацией упругого тела.
Здесь пока будем рассматривать только смещение , , вызванное деформацией тела. В дальнейшем будем считать, что материал тела является однородным, изотропным и следует закону Гука.
Пусть рассматривается перемещение %А точки A{xA,yA,zA) в направлении единичного вектора iA при некоторых начальных условиях l(x,y,z,0) = l0(x,y,z), l(x,y,z,0)=V0(x,y,z). Искомое смещение можно представить в виде ряда по собственным формам \k(x,y,z) колебаний данного упругого тела [47, 71-73, 75, 115, 116, 121-123] oo 1(х,у,г,і)= дк(і%к(х,у,г), (2.2) где дд. (/) - обобщенные координаты.
Проекции x{x,y,z), ,vy(x,y,z), vz(x,y,z) вектора lv(x,y,z) определяют смещение точки с координатой (x,y,z) при к -той собственной форме колебаний упругого тела. Колебания тела по собственной форме отличаются тем, что все его точки совершают гармонические колебания с одной и той же частотой юЛ и одновременно проходят через свои положения равновесия. Частота тк называется собственной частотой колебаний тела, соответствующей к -той собственной форме. Функции \k{x,y,z) удовлетворяют условию ортогональности
Смещение (2.5) представляет собой сумму бесконечного числа слагаемых, соответствующих различным собственным формам колебаний упругого тела. При этом, как уже отмечалось в главе 1, отдельное слагаемое ,j\t) можно рассматривать как смещение груза массой Мк элементарного осциллятора под действием заданной силы P(t) (рис. 1). Частота колебаний этого осциллятора равна а к, а жесткость Ск =Мк( 1 [47]. С учетом диссипативных свойств материала смещение Ъ,А (t) имеет вид [75] W., ... , О 7- , „ ,Л г (\ "Vі / к П, ГТ. 2/z. + г ,со ,g. к Гл ГТ\ + fc, (2.6) f— lPby 2 (/).sin V4 R( x) fflW4-1! 2 где r\k -2zkf&2k - коэффициенты демпфирования; Ек - парциальные коэффициенты диссипации. Из выражения (2.6) следует, что при нулевых начальных условиях (то есть при gk =/. =0) перемещение b,A{t) некоторой точки А упругого тела, как функция времени, полностью определяется следующими характеристиками упругого тела (модальными параметрами): собственными частотами соА. колебаний, эквивалентными массами и коэффициентами демпфирования т\к. При отсутствии диссипативных сил это перемещение определяется величинами (йк и Мк.
Эквивалентные массы Мк упругого тела можно определить, зная собственные формы колебаний тела, и наоборот, по эквивалентным массам, соответствующим различным точкам наблюдения, можно построить собственные формы колебаний.
Методика экспериментального определения собственных частот колебаний тела и коэффициентов демпфирования в настоящий момент достаточно хорошо разработана и описана, например, в [72]. Эти параметры являются интегральными характеристиками упругой системы, т.е. характеристиками системы в целом. К локальным характеристикам упругого тела относятся эквивалентные массы и собственные формы колебаний. Первые работы по экспериментальному определению локальных характеристик упругого тела появились сравнительно недавно и требуют дальнейшего развития. Особенно ощущается потребность в нерезонансных способах определения модальных характеристик. Это связано с тем, что широко распространенные в настоящее время резонансные методы определения, к примеру, эквивалентных масс основаны на достаточно длительных испытаниях конструкции в условиях резонанса с использованием специальной аппаратуры многоточечного возбуждения [124]. Однако подвергать резонансным испытаниям изделие, находящееся в эксплуатации, крайне нежелательно, поскольку это может вызвать его разрушение.
Отсутствие приемлемых экспериментальных методов определения локальных характеристик конструкции сдерживает развитие методов неразрушающего контроля материалов, основанных на использовании этих величин в качестве диагностического признака.
Результаты вибродиагностики плоского образца и исследование скорости изменения частот и форм собственных колебаний при возникновении в нем усталостной трещины
Параллельно, для сопоставления с натурным экспериментом, проводился и численный эксперимент с выполнением всех необходимых расчетов методом конечных элементов [131, 133].
При численном эксперименте геометрическая модель образца была построена в системе объемного моделирования UNIGRAPHICS, далее в программном комплексе инженерного исследования напряженно-деформированного состояния твердых тел ANSYS она была разбита на конечные элементы типа SOLID 45 (рис. 5, а, б). Дефект был смоделирован разрывом связей между элементами в месте запила глубиной 2 мм. В качестве параметра наблюдения также использовались вибронапряжения первых двух изгибных форм колебаний образца (рис. 10). Вибронапряжения рассматривались для узлов, расположенных вдоль рабочей части образца и показаны на рис. 5, а. Узлы расположены по длине образца равномерно, на расстоянии 5,3 мм друг от друга, количество выбранных узлов (точек наблюдения) - 62 (тр = 62).
По результатам модального анализа были рассчитаны частоты и формы собственных колебаний образца и определены относительные вибронапряжения в выбранных узлах по первой и второй формам колебаний.
Значения расчетных собственных частот колебаний исходного образца оказались равными сй]=53,5 Гц и Ф2=332,7 Гц.
Зависимости вибронапряжений по длине исходного образца по результатам численного и натурного экспериментов показаны на рис. 11, 12. Для сопоставления данных численного и натурного экспериментов выбрана точка приведения № 1 (рис. 5) с координатой 0,098 м как в численном, так и в натурном экспериментах, и принято в ней условное напряжение равное единице, то есть напряжения во всех остальных точках наблюдения определены по отношению к напряжению в этой точке
На рис. 13 и 14 показаны графики зависимости изменения собственных форм колебаний по длине образца. Из этих рисунков наглядно видно, что при наличии дефекта в определенных областях по длине образца происходит значительное изменение исследуемого параметра AX[Bj ) (табл. 3): по первой форме - в месте дефекта; по второй форме - в месте дефекта и в районе узловой линии. За критерий обнаружения дефекта условно можно принять относительное изменение вибронапряжений на 15 %. На приведенных графиках точками обозначены экспериментальные данные, сплошной линией расчетные. Построенные зависимости показывают достаточно хорошую сходимость численного и натурного экспериментов. Расхождение экспериментальных и расчетных данных по изменению вибронапряжений в районе узловой линии по второй форме колебаний (рис. 14), очевидно, объясняется тем, что точки наблюдения в этой области при численном эксперименте (узлы) лежат несколько дальше от узловой линии, чем точки наблюдения (тензодатчики) при натурном эксперименте.
При наличии дефекта в образце собственная частота колебаний изменяется не существенно (не более 2 %), в то время как изменение амплитудной функции AX%\Bj ) достигает в некоторых областях более 45 %.
Изменение собственной частоты колебаний рассчитывалось, также по отношению к собственной частоте исходного образца
2. Величина изменения амплитудных функций AX\Bj ) зависит от выбора точки приведения, по отношению к которой определяются все остальные точки.
Нетрудно показать, что эффективность метода зависит от места выбранных точек наблюдения на объекте исследования. Это следует из того, что изменения собственных форм колебаний с развитием дефекта в различных точках наблюдения достигают различных величин по отношению к своему первоначальному состоянию, а значит и отношения значений собственных форм колебаний (виброперемещений, вибронапряжений, виброскоростей, виброускорений) в различных точках наблюдения будут разными. Покажем это графически. Для этого построим следующие диаграммы (рис. 15-18), которые дают графическую интерпретацию изменения всех возможных соотношений В.. - - (i, j = 1, 2, ..., т) измеренных вибронапряжений в выбранных точках ВІ наблюдения по исследуемым формам колебаний. Нетрудно подсчитать, что их количество будет равно т . Для построения диаграмм использованы данные, как натурного, так и численного экспериментов. На этих диаграммах представлены области равных значений параметра АХ уВ-), характеризующего изменение указанных отношений с возникновением дефекта в образце д Ы= 100%, (3.4) XZoM где Х0[ВЛ), Х%\В-;) - амплитудные функции у -й и /-й точек наблюдения образца с дефектом и без дефекта соответственно при параметре наблюдения вибронапряжение, к= 1, 2.
Нечеткие данные результатов натурного эксперимента по второй форме колебаний (рис. 18), очевидно, объясняются недостаточной точностью измерений виброизмерительной аппаратуры. К техническим характеристикам аппаратуры, влияющим на точность измерений можно отнести следующие: погрешность измерения приборов, порог чувствительности тензорезисторов и максимальную силу возбуждения (мощность вибростенда). Таким образом, результаты вибродиагностики существенно зависят от имеющейся в распоряжении измерительной аппаратуры, то есть изменения указанных отношений выше 15 % могут быть связаны с погрешностью измерений, а не с наличием дефекта в объекте исследования. Для исключения влияния погрешностей измерений можно увеличить критерий обнаружения дефекта до 20 %, так как выбор критерия является условным. Другими словами, выбор критерия зависит от погрешностей измерения. Моделированию процесса вибродиагностики с учетом технических возможностей виброизмерительной аппаратуры посвящена глава 5 настоящей работы.
Дальнейшие эксперименты были направлены на сравнение скоростей изменения собственных частот колебаний и собственных форм колебаний образца при развитии в нем дефекта. Для построения этих зависимостей были использованы наиболее информативные пары точек (табл. 4).
Трещина в образце имитировалась надпилом различной глубины в области максимальных напряжений по первой форме колебаний: 1, 2, 3, 4 и 5 мм. На различных стадиях развития трещины экспериментально определялись собственные частоты колебаний образца соЛ. (к = 1, 2) и собственные формы колебаний в наиболее информативных точках наблюдения (табл. 4).
Диагностика возникновения усталостной трещины со стороны внутренней полости охлаждаемой рабочей лопатки турбины ГТД-110
Во втором численном эксперименте рассмотрена рабочая лопатка 2 ступени турбины ГТД-110 - газотурбинного двигателя, работающего в составе газотурбинной электростанции. Лопатка — полая, имеющая петлевую систему охлаждения воздухом. Усталостная трещина моделировалась на спинке в корневом сечении с внутренней стороны стенки там, где, как правило, происходит разрушение при периодических усталостных испытаниях (рис. 29). Периодические усталостные испытания выполняются регулярно для контроля стабильности технологического процесса изготовления лопаток. Так как усталостная трещина развивается изнутри, то становится затруднительным ее выявление традиционными методами. Для диагностики технического состояния лопатки, как и в первом примере, были использованы точки наблюдения, расположенные вдоль спинки пера лопатки (рис. 29). Всего было выбрано 69 точек наблюдения. Первые две собственные формы колебания и распределение относительных напряжений показаны на рис. 30. Первые две изгибные формы колебаний лопатки оказались равными fx =378,3 Гц и /2 =1459,0 Гц. Из рисунка 30 видно, максимальные вибронапряжения в пере лопатки находятся изменение первой собственной формы колебаний при параметре наблюдения вибронапряжение достигает 35,7 %, а изменение первой собственной формы колебаний при параметре наблюдения виброперемещение составляет всего 5,4 %. Параметр наблюдения виброперемещение в данном случае оказался малоэффективным.
Результаты расчета скорости относительного изменения собственных форм колебаний (параметры наблюдения - виброперемещение и вибронапряжение) и относительного изменения собственной частоты колебаний лопатки приведены на рис. 35-38.
В третьем примере рассмотрим случай возникновения дефекта в виде забоины на входной кромке лопатки вентилятора изделия SaM146 от попадания постороннего предмета на вход двигателя. Забоина моделировалась поочередно в трех местах на входной кромке по длине пера; 1. в верхней части пера; 2. в средней части пера; 3. в нижней части пера (рис. 39). Размер забоины целесообразно характеризовать относительной величиной у = Ь/Ь, где 5 -глубина забоины; Ъ - хорда лопатки в поврежденном сечении. Диагностика возникновения забоины выполнена для трех значений ее глубины у, =0,03; у2=0,07; Уз =0,12. Результаты расчетов в виде распределений виброперемещений и вибронапряжений по первым двум изгибным формам колебаний представлены на рис. 40, а, б, г, д. Для анализа полученных виброперемещений и вибронапряжений использовались узлы вдоль входной кромки и вдоль средней линии пера лопатки. Они показаны на рис. 39. На рис. 40, в, е показаны узловые линии виброперемещений и вибронапряжений (линии нулевых значений) по второй форме колебаний.
На рис. 41-44 представлены скорости относительного изменения первой и второй собственных форм и собственных частот колебаний в наиболее информативных точках наблюдения при увеличении размера забоины. Наиболее информативными точками наблюдения оказались точки расположенные в зоне дефекта и в зонах узловых линий.
Анализ результатов (см. рис. 41-44) показывает, что наибольшие изменения собственных форм достигают по первой форме колебаний при параметре наблюдения ви бро напряжение и расположении точек наблюдения на входной кромке пера лопатки. Так на стадии возникновения забоины у3 =0,12 собственные формы колебаний изменились на 1100 % (см. рис. 43), в то время как изменения собственных частот колебаний не превышают 0,9 %.
Таким образом, результаты выполненных численных экспериментов на примере рабочих лопаток ГТД показывают, что использование собственных форм колебаний в качестве диагностического признака значительно эффективнее, чем использование собственной частоты колебаний в качестве такого признака, так как собственные формы колебаний существенно зависят от точки наблюдения, в которой они определяются, и изменяются значительно быстрее, чем собственные частоты колебаний.
