RU2287142C2 - Method for diagnostics and prediction of technical status of engines - Google Patents

Abstract

FIELD: technical diagnostics of engines and machines, possible use for engineering systems for diagnostics of internal combustion engines and turbo-machines, used in aviation industry, automobile industry and power engineering.

SUBSTANCE: in accordance to method for diagnostics and prediction of technical state of engines, signals, resulting from engine vibration, are measured and transformed to spectrum of harmonic components, while signals are measured, lifted from electromechanical apparatus of engine, primarily generator, kinematically connected to the engine shaft, while produced spectrum of harmonic components is compared to standard spectrum for detecting presence and changes of defects of engine and machines. Method for diagnostics and prediction of technical state of engines is based on following: instead of indicator of signals, containing information about vibrations of engine, regular generator-machine is used, voltage, measured on which, is subjected to spectral analysis with detection of harmonic components, appropriate for appearing or developing defect. Proposed method is useable for diagnostics of engines of various types, having rotary shaft and regular apparatus, kinematically connected to the shaft and during rotation, generating voltage, while class of detectable defects is determined by occurring vibrations, influencing spectral composition of voltage generated by apparatus.

EFFECT: increased efficiency.

Description

Изобретение относится к технической диагностике двигателей и машин и может быть использовано при создании систем диагностики двигателей внутреннего сгорания и турбомашин, применяемых в авиа-, автомобиле- и энергомашиностроении.The invention relates to the technical diagnosis of engines and machines and can be used to create diagnostic systems for internal combustion engines and turbomachines used in aircraft, automobile and power engineering.

Известен способ диагностики и прогнозирования технического состояния машин [Авторское свидетельство №1519350 СССР. 6 МПК G 01 M 15/00. Заявлено 30.06.87. Опубл. 10.06.97, Бюл. №16], заключающийся в измерении значения диагностических признаков вибрации корпуса у машин, которые испытывают до возникновения отказа, оценивают функции распределения вероятностей признаков вибрации для множества машин и их относительную долю поля рассеивания погрешности как значение функции распределения соответствующего признака, а по близости функции к 0 или 1 судят о состоянии машины и определяют ее категорию качества по прогнозируемому ресурсу. Недостаток этого способа - сложность и большое количество проводимых испытаний, требующих измерения вибрации корпуса у значительного количества машин, испытываемых до отказа.A known method for diagnosing and predicting the technical condition of machines [Copyright certificate No. 1519350 of the USSR. 6 IPC G 01 M 15/00. Stated 06/30/87. Publ. 06/10/97, Bull. No. 16], which consists in measuring the value of diagnostic signs of vibration of the case of machines that are tested before failure, evaluate the probability distribution functions of vibration signs for many machines and their relative fraction of the error dispersion field as the value of the distribution function of the corresponding attribute, and by the proximity of the function to 0 or 1 judge the condition of the machine and determine its quality category by the predicted resource. The disadvantage of this method is the complexity and the large number of tests that require measuring the vibration of the casing of a significant number of machines tested to failure.

Известен способ диагностики колебаний рабочего колеса турбомашины [Патент №2111469 РФ. 6 МПК G 01 M 15/00. Заявлено 11.04.97, дата публикации формулы изобретения: 20.05.98], заключающийся в регистрации сигнала датчика пульсаций потока, преобразовании сигнала в частотный спектр, регистрации частоты следования лопаток и наблюдении двух симметрично равноотстоящих от частоты следования лопаток составляющих спектра, характеризующих колебания лопаток с бегущими по колесу волнами деформации, при этом сравнивают между собой в процессе развития колебаний величины указанных составляющих спектра и по результатам сравнения судят о направлении движения бегущих по колесу волн деформации. Недостаток способа - низкая точность проводимых измерений, обусловленная необходимостью применения датчиков пульсаций давления, которые вносят дополнительные погрешности из-за своих неидеальных частотных и преобразовательных свойств и за счет крепления к корпусу турбомашины.A known method for diagnosing oscillations of the impeller of a turbomachine [Patent No. 2111469 of the Russian Federation. 6 IPC G 01 M 15/00. Stated 04/11/97, publication date of the claims: 05/20/98], which consists in registering the signal of the flow pulsation sensor, converting the signal to the frequency spectrum, recording the repetition frequency of the blades and observing two components of the spectrum symmetrically equally spaced from the repetition frequency of the blades, characterizing the vibrations of the blades with traveling along the wheel with deformation waves, while the values of the indicated components of the spectrum are compared to each other during the development of fluctuations, and the direction of movement deformation on the wheel of deformation waves. The disadvantage of this method is the low accuracy of the measurements, due to the need to use pressure pulsation sensors, which introduce additional errors due to their imperfect frequency and conversion properties and due to the attachment to the turbomachine body.

Известен способ диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы [Патент №2151384 РФ. 7 МПК G 01 M 15/00, F 02 M 65/00. Заявлено 17.08.98, опубл. 27.04.2003, Бюл. №12], являющийся наиболее близким к заявляемому способу и принятый в качестве прототипа. Указанный способ-прототип, заключающийся в том, что производят измерение и преобразование сигналов, возникающих в результате взрыва топливной смеси в камере сгорания, причем сигнал с оптического датчика преобразуют в комплексный оптический спектр, а сигнал с акустического датчика - в комплексный акустический спектр, определяют относительный комплексный показатель (ОКП) путем деления акустического спектра на оптический, по величине ОКП судят о техническом состоянии двигателей внутреннего сгорания в процессе их работы и прогнозируют процессы разрушения материала деталей двигателя.A known method for diagnosing and predicting the technical condition of internal combustion engines in the process of their operation [Patent No. 2151384 of the Russian Federation. 7 IPC G 01 M 15/00, F 02 M 65/00. Declared 08/17/98, publ. 04/27/2003, Bull. No. 12], which is the closest to the claimed method and adopted as a prototype. The specified prototype method, which consists in measuring and converting the signals resulting from the explosion of the fuel mixture in the combustion chamber, the signal from the optical sensor is converted into a complex optical spectrum, and the signal from the acoustic sensor into a complex acoustic spectrum, the relative complex indicator (OKP) by dividing the acoustic spectrum into an optical one, by the size of the OKP they judge the technical condition of internal combustion engines during their operation and predict Processes of destruction of the material of engine parts.

Основные недостатки способа-прототипа:The main disadvantages of the prototype method:

- сложность конструкции, обусловленная дополнительным введением оптического датчика в камеру сгорания, что влияет на процессы сгорания в камере, и акустического датчика, встраиваемого в корпус двигателя;- the complexity of the design, due to the additional introduction of an optical sensor into the combustion chamber, which affects the combustion processes in the chamber, and an acoustic sensor built into the engine housing;

- низкая точность проводимых измерений сигналов, вызванная погрешностями функции преобразования, динамическими и частотными ограничениями введенных оптического и акустического датчиков;- low accuracy of measurements of signals caused by errors in the conversion function, dynamic and frequency limitations of the introduced optical and acoustic sensors;

- узкий класс дефектов, определяемых из изменения сигналов, связанных только с взрывами топливной смеси в камере сгорания двигателя, и, в частности, отсутствует возможность диагностики турбомашин.- a narrow class of defects determined from changes in signals associated only with explosions of the fuel mixture in the combustion chamber of the engine, and, in particular, there is no possibility of diagnosing turbomachines.

Технический результат предлагаемого изобретения - упрощение конструкции, расширение класса диагностируемых двигателей и дефектов, повышение точности проводимых измерений при диагностике за счет исключения оптического и акустического датчиков и проведения измерения и преобразования сигналов, снимаемых с агрегата, штатным образом входящего в состав диагностируемого двигателя.The technical result of the invention is to simplify the design, expand the class of diagnosed engines and defects, increase the accuracy of measurements during diagnostics by eliminating optical and acoustic sensors and measuring and converting signals taken from the unit, which is part of the diagnosed engine.

Указанный технический результат достигается следующим образом. По отношению к известному способу, заключающемуся в измерении и преобразовании сигналов, определяемых вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, в предлагаемом способе, измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов.The specified technical result is achieved as follows. In relation to the known method, which consists in measuring and converting signals determined by the vibration of the engine into a spectrum of harmonic components, the proposed method measures the signals taken from the electromechanical unit of the engine, mainly a generator kinematically coupled to the motor shaft, and the resulting spectrum of harmonic components is compared with a reference spectrum to detect the presence and alteration of defects in the engine and units.

Совокупность существенных признаков - измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов - является новой и в полном объеме неиспользовавшейся, что позволяет считать предлагаемый способ соответствующим критерию охраноспособности "новизна".The set of essential features — measuring signals taken from an electromechanical engine assembly, mainly a generator kinematically coupled to the engine shaft, and the resulting spectrum of harmonic components compared with a reference spectrum to detect the presence and change of engine and aggregate defects — is new and unused, which allows us to consider the proposed method as relevant to the eligibility criterion of "novelty."

Кроме того, совокупность указанных признаков позволяет получить новый результат, заключающийся в упрощении конструкции, расширении совокупности выявляемых дефектов, класса диагностируемых двигателей и повышении точности проводимых измерений за счет исключения оптического и акустического датчиков и использования штатного агрегата для получения сигналов, используемых для диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателя и его агрегатов, что позволяет считать этот способ соответствующим критерию охраноспособности - "изобретательский уровень".In addition, the combination of these features allows you to get a new result, which consists in simplifying the design, expanding the set of detected defects, the class of diagnosed engines and improving the accuracy of measurements by eliminating optical and acoustic sensors and using a standard unit to receive signals used to diagnose and predict technical condition of the engine and its units, which allows us to consider this method as meeting the eligibility criteria and - "inventive step".

Предлагаемый способ может быть применен для диагностирования и прогнозирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных двигателей, турбомашин и других двигателей, имеющих вращающийся вал и содержащих агрегат, закрепленный, например, на его корпусе и связанный кинематически с валом двигателя либо непосредственно, либо через редуктор, гибкую ременную передачу и др. Агрегат представляет собой электромеханическое устройство - генератор постоянного (переменного) тока, тахогенератор и т.п.The proposed method can be applied to diagnose and predict the technical condition of internal combustion engines, gas turbine engines, turbomachines and other engines having a rotating shaft and containing an assembly mounted, for example, on its body and kinematically connected to the engine shaft either directly or through a gearbox, flexible belt drive, etc. The unit is an electromechanical device - a constant current (alternating) current generator, tachogenerator, etc.

При работе двигателя вместе с его валом вращается вал агрегата-генератора, вырабатывающего напряжение - анализируемые сигналы. Эти сигналы в процессе анализа измеряют и преобразуют в амплитудно-частотный спектр гармонических составляющих, который отражает вклад каждой гармоники в измеряемое напряжение. Характер изменения напряжения определяется типом генератора и механическими воздействиями на этот агрегат. При функционировании двигателя его корпус вибрирует, что связано с вращением вала, воздействием кривошипно-шатунного механизма и поршневой группы, работой агрегатов, расположенных на корпусе двигателя. Эти вибрационные воздействия приводят к вибрации ротора и статора генератора и по этой причине влияют на характер генерируемого напряжения, содержащего постоянную составляющую, если используется генератор постоянного напряжения, или основную гармонику, если применяется генератор переменного напряжения, и дополнительные составляющие двух видов. Первые определяются вибрациями при отсутствии дефектов, и после обработки проявляются в эталонном спектре. Вторые вызваны появлением и развитием дефектов, и возникшие вибрации отражаются в реальном спектре. Дефекты возникают в виде отказов в системе зажигания, когда отсутствует воспламенение смеси в одном или нескольких цилиндрах, изменения состава смеси, приводящего к возникновению детонации, смещения резонансных частот вибрации двигателя, связанного с нарушением и отказами в крепежных элементах, появления микротрещин, разрушений в корпусе, лопатках турбины, подшипниках и т.п. С этими дефектами связано появление в анализируемом напряжении генератора дополнительных гармоник с частотами как ниже, так и выше частоты основной гармоники. Все эти дополнительные гармоники вносят изменения в спектр, получаемый после измерения и преобразования анализируемого напряжения. Он отличается от эталонного спектра, имеющего место при отсутствии дефектов. При наличии предварительно полученной информации о возможных изменениях спектра в случае появления того или иного дефекта двигателя или его агрегатов получают спектр конкретного дефекта. В дальнейшем выявление такого дефекта упрощается. После оценки скорости изменения соответствующей гармонической составляющей решается задача выявления и прогнозирования развития отдельного дефекта с определением времени до возможного отказа двигателя или его агрегатов.When the engine is running, together with its shaft, the shaft of the unit-generator that generates voltage rotates - the analyzed signals. During analysis, these signals are measured and converted into the amplitude-frequency spectrum of harmonic components, which reflects the contribution of each harmonic to the measured voltage. The nature of the voltage change is determined by the type of generator and mechanical stresses on this unit. When the engine is functioning, its body vibrates, which is associated with the rotation of the shaft, the action of the crank mechanism and piston group, the operation of units located on the engine body. These vibrational effects lead to vibration of the rotor and stator of the generator and for this reason affect the nature of the generated voltage containing a constant component if a constant voltage generator is used, or the main harmonic if an alternating voltage generator is used, and additional components of two kinds. The former are determined by vibrations in the absence of defects, and after processing appear in the reference spectrum. The second is caused by the appearance and development of defects, and the vibrations that arise are reflected in the real spectrum. Defects occur in the form of failures in the ignition system when there is no ignition of the mixture in one or several cylinders, changes in the composition of the mixture leading to detonation, displacement of the resonant frequencies of engine vibration associated with violation and failures in the fasteners, microcracks, or damage to the body, turbine blades, bearings, etc. These defects are related to the appearance of additional harmonics in the analyzed voltage of the generator with frequencies both lower and higher than the fundamental frequency. All these additional harmonics introduce changes in the spectrum obtained after measuring and converting the analyzed voltage. It differs from the reference spectrum, which takes place in the absence of defects. If there is preliminary information about possible changes in the spectrum in the event of a defect in the engine or its components, a spectrum of a specific defect is obtained. In the future, the identification of such a defect is simplified. After assessing the rate of change of the corresponding harmonic component, the problem of identifying and predicting the development of an individual defect with determining the time to the possible failure of the engine or its components is solved.

Следовательно, алгоритм предлагаемого способа диагностики и прогнозирования реализуется путем выполнения следующих действий: измерение напряжения на выходе агрегата (генератора) двигателя, получение эталонного спектра при отсутствии дефектов и/или спектров отдельных дефектов работающего двигателя, получение реального спектра, выявление появления или исчезновения отдельных гармонических составляющих, оценка скорости изменения отдельных гармоник, определение по результатам анализа наличия дефектов и прогнозирование развития имеющихся дефектов.Therefore, the algorithm of the proposed diagnostic and forecasting method is implemented by performing the following steps: measuring the voltage at the output of the engine aggregate (generator), obtaining a reference spectrum in the absence of defects and / or spectra of individual defects of a working engine, obtaining a real spectrum, detecting the appearance or disappearance of individual harmonic components , an estimation of the rate of change of individual harmonics, determination by the results of an analysis of the presence of defects and prediction of development I have REGARD defects.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей достигается упрощение конструкции устройств диагностики и повышение точности измерения сигнала за счет исключения датчиков, монтируемых в корпус двигателя и вносящих дополнительные погрешности, а используется штатный агрегат двигателя, используемый для получения напряжения, представляющего собой анализируемые сигналы, преобразуемые в эталонный и реальный спектры, при сравнении которых выявляются дефекты и прогнозируется их развитие. Предлагаемый способ применим для диагностики двигателей разного типа, имеющих вращающийся вал и штатный агрегат, кинематически связанный с этим валом и при вращении генерирующий напряжение, а класс выявляемых дефектов определяется появляющимися вибрациями, влияющими на спектральный состав генерируемого агрегатом напряжения.Thus, when implementing the proposed method for diagnosing and predicting the technical condition of engines, a simplification of the design of diagnostic devices and an increase in the accuracy of signal measurement are achieved due to the exclusion of sensors mounted in the engine casing and introducing additional errors, and a standard engine assembly is used to obtain a voltage representing analyzed signals converted to the reference and real spectra, when compared, defects and forecasts are revealed Their development is underway. The proposed method is applicable for the diagnosis of various types of engines having a rotating shaft and a standard unit kinematically connected with this shaft and generating rotation during rotation, and the class of detected defects is determined by the emerging vibrations that affect the spectral composition of the voltage generated by the unit.

Claims (1)

Способ диагностики и прогнозирования технического состояния двигателей, заключающийся в измерении и преобразовании сигналов, определяемых вибрацией двигателя, в спектр гармонических составляющих, отличающийся тем, что измеряют сигналы, снимаемые с электромеханического агрегата двигателя, преимущественно генератора, кинематически связанного с валом двигателя, а полученный спектр гармонических составляющих сравнивают с эталонным спектром для выявления наличия и изменения дефектов двигателя и агрегатов.A method for diagnosing and predicting the technical condition of engines, which consists in measuring and converting signals determined by engine vibration into a spectrum of harmonic components, characterized in that the signals are measured from an electromechanical engine assembly, mainly a generator kinematically connected to the motor shaft, and the resulting spectrum of harmonic components are compared with the reference spectrum to detect the presence and change of defects in the engine and units.