CC BY
35
КлючниковА. В,, СамарцевА. АСимоноваН. Ф.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И.Забабахина», Снежинск
АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ СТЕНДА ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АСИММЕТРИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС ТЕЛА
С развитием техники возрастают требования к точности определения характеристик асимметрии масс тел вращения, в частности, роторов, обладающих значительными размерами по длине и диаметру, относящихся к категории так называемых «длинных» роторов» [1]. Знание характеристик асимметрии масс, к которым относятся величина поперечного смещения центра масс р и угол отклонения продольной главной центральной оси инерции (ГЦОИ) агл от геометрической оси ротора, во многом определяющие поведение ротора в процессе эксплуатации, и обеспечение заданных нормативов указанных характеристик после изготовления ротора позволяет повысить эффективность его эксплуатации [2] . Наиболее достоверным методом определения характеристик асимметрии масс является их измерение.
В работах [3, 4] описан вертикальный балансировочный стенд с жёсткими газовыми опорами, предназначенный для проведения на низких рабочих частотах вращения (до 2 Гц) исследований о наличии у длинномерного ротора параметров, характеризующих асимметрию в распределении масс по его объёму, и определения значений этих параметров. Исследуемый «длинный» ротор конической формы, обладающий единственной штатной плоскостью коррекции, конструктивно расположенной вблизи торца, устанавливается вертикально, торцом вверх внутри специального защитного технологического переходника, загружаемого на жёсткие опоры, и фиксируется в одном из двух угловых положений относительно переходника. Ротор балансируется на стенде как отдельная деталь сборного ротора, образованного переходником и собственно исследуемым телом. Опоры выполнены в виде конических газостатических подшипников с внешним наддувом сжатого воздуха через кольцевые (щелевые) ограничители расхода. Переходник выполнен в виде усечённого полого ротора, нижний торец которого выполняет функцию второй плоскости коррекции (в качестве первой плоскости коррекции используется штатная плоскость коррекции балансируемого ротора [5]). В качестве рабочего тела используется сжатый воздух. Подвод воздуха к стенду осуществляется от заводской пневмосети низкого давления (до 0,6 МПа) через устройства очистки и осушки воздуха типа П-ППВМ16.21, входящих в состав пневмораспределительной системы (ПРС) стенда.
В процессе балансировочного эксперимента выполняют несколько (до шести [4]) пусков. При этом следует отметить, что весьма важным аспектом в достижении высокой точности балансировки является обеспечение постоянной рабочей частоты вращения контролируемого объекта и постоянного рабочего давления сжатого воздуха в ПРС стенда при выполнении измерений вибраций опор в каждом пуске.
Пуск сборного ротора включает в себя следующие этапы: разгон до некоторой «завышенной» частоты вращения, перевод ротора в стадию свободного вращения, регистрация в течение короткого (до 2 секунд) цифровых реализаций вибросигналов, поступающих от двух датчиков дисбалансов, установленных в упругих элементах опор, в момент достижения ротором на выбеге заданной рабочей частоты вращения, и, наконец, останов ротора.
По окончании измерений выполняют обработку с применением процедуры Фурье-фильтрации зарегистрированных реализаций вибросигналов для каждой из реализаций выделяют дискретные составляющие с частотой, равной рабочей частоте вращения сборного ротора, и определяют их векторные параметры -амплитуды и фазы. Полученные результаты используют при проведении балансировочного расчёта и определения характеристик асимметрии масс исследуемого тела вращения.
Частота вращения ротора контролируется оптоэлектрическим датчиком оборотов, срабатывающем по контрастной метке, закрепляемой на цилиндрической части боковой поверхности технологического переходника и однозначно связанной с системой координат ротора. Датчик также используется в качестве отметчика фазы вибросигналов, вырабатывая сигнал, запускающий процесс регистрации вибросигналов в момент достижения ротором (на выбеге, после предварительной раскрутки до некоторой «завышенной» частоты вращения) заданной рабочей частоты вращения.
Контроль давления сжатого воздуха на входе в ПРС, подаваемого в газостатические подшипники и в пневматические механизмы разгона и торможения ротора выполняется с помощью датчика давления типа МИДА-ДИ-13П. Во избежание жёсткой «посадки» контролируемого ротора на рабочие поверхности газостатических подшипников алгоритм управления процессом разгона (торможения) должен исключать возможность подачи воздуха в механизмы разгона или торможения в случае снижения давления ниже аварийного уровня Равар (что может случиться в результате выхода из строя одного из компрессоров, нагнетающих воздух в пневмосеть, внезапного подключения дополнительного потребителя сжатого воздуха, характеризуемого значительным расходом, обрыва трубопроводаПРС и др.).
Для автоматизации эксперимента по исследованию характеристик асимметрии масс длинномерного тела вращения с одной плоскостью коррекции создана измерительно-вычислительная система. Система построена на базе персонального компьютера (ПК), оснащённого дополнительными платами цифрового и аналогового ввода-вывода и устройством печати. Под управлением рабочей программы система обеспечивает разгон и торможение сборного ротора по заданным алгоритмам, контроль аварийного уровня давления сжатого воздуха, регистрацию и математическую обработку вибросигналов, проведение балансировочных расчётов, визуализацию хода балансировочного эксперимента, а также выдачу на печать протокола балансировки и других отчётных документов. Алгоритм такой программы для ПК разработан на основе исследования, проведённого в [6, 7], и показан на рисунке 1.
Рисунок 1 Блок-схема алгоритма функционирования программы
Работа программы начинается с ввода начальных данных, включающих в себя дату и время эксперимента, заводской номер объекта контроля, фамилию оператора и т.п., а также информацию о массе, положении центра масс относительно плоскостей коррекции и моментах инерции контролируемого тела, о массах и радиусах установки пробных грузов и др. Затем выполняются пуски сборного ротора сначала в исходном состоянии, а затем - с прикреплёнными поочерёдно к каждой из плоскостей коррекции пробными грузами. При этом измерения в исходном состоянии ротора выполняют для двух фиксированных угловых положений контролируемого тела относительно технологического переходника, отличающихся друг от друга на 180°, с последующим усреднением результатов измерений и выделением дисбалансов контролируемого тела в каждой плоскости коррекции [4, 5].
В каждом пуске ротор разгоняют до частоты вращения, на 15%-20% превышающей рабочую частоту вращения, после чего выключают пневматический механизм разгона, после чего сборный ротор свободно вращается в опорах медленно затормаживаясь под действием сил тяжести. Во время выполнения пуска на экране монитора в реальном времени отображаются графики вибросигналов, поступающие (после их предварительной аналоговой обработки [4, б]) от двух датчиков дисбалансов, информация о текущей частоте вращения и давлении сжатого воздуха на входе в ПРС и др. При достижении ротором рабочей частоты вращения fpa6 выполняется регистрация и цифровая обработка реализаций вибросигналов. Затем включают пневматический механизм торможения и принудительно затормаживают ротор вплоть до полного его останова.
Цифровую обработку вибросигналов с целью выделения дискретных составляющих с частотой, равной частоте вращения ротора, выполняют с использованием программно-реализованной процедуры Фурье-фильтрации. Затем определяют амплитуду и фазу выделенной в ходе обработки дискретной составляющей каждого вибросигнала.
По окончании последнего из запланированных пусков сборного ротора рассчитываются коэффициенты балансировочной чувствительности, определяются значения и углы дисбалансов, действующих в плоскостях коррекции, и вычисляются искомые характеристики асимметрии масс исследуемого тела вращения, а также (при необходимости, в случае превышения предельно-допустимых значений смещения центра масс или угла перекоса продольной ГЦОИ) рассчитываются параметры (массу и угол установки на плоскости коррекции) балансировочного груза [7].
Основным элементом программы, непосредственно в каждом пуске осуществляющим управление включением (выключением) механизмов разгона и торможения, а также обеспечивающем регистрацию вибросигналов на рабочей частоте вращения сборного ротора и накопление информации в базе данных, является управляющая подпрограмма, алгоритм которой приведён на рисунке 2.
Предложенный алгоритм программного модуля обеспечивает проведение исследований по определению характеристик массо-инерциальной асимметрии «длинных» роторов с одной плоскостью коррекции на вертикальном балансировочном стенде с газовыми опорами. Заложенный в алгоритм программного модуля, обеспечивающего регистрацию вибросигналов при достижении контролируемым ротором рабочей частоты вращения, принцип подтверждения предыдущего результата измерения частоты вращения [8], исключает запуск процесса регистрации, вызванный ложным срабатыванием датчика оборотов (например, от появления случайного светового блика), и обеспечивает требуемое постоянство рабочей частоты вращения ротора в процессе всего балансировочного эксперимента.
Алгоритм исключает возможность включения пневматических механизмов для принудительного разгона или торможения ротора в случае снижения давления сжатого воздуха в ПРС ниже установленного аварийного уровня. Снижение давления сжатого воздуха ниже допустимого предела при включенном пневматическом механизме автоматически приводит к его выключению с одновременным информированием опера -тора с помощью звукового и визуального сигналов.
Экспериментальная проверка подтвердила эффективность и надёжность предложенного метода низкочастотной балансировки роторов в динамическом режиме на вертикальном балансировочном стенде с коническими газостатическими подшипниками и алгоритма программного модуля, реализующего метод.
Рабочая программа обеспечивает управление включением (выключением) клапанов разгона и торможения ротора, выполняет регистрацию и обработку вибросигналов, проведение балансировочных расчётов, визуализацию процесса балансировки, а также вывод протокола эксперимента на печать непосредственно в месте проведения балансировочного эксперимента, что важно при использовании стенда в серийном производстве.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 22061-76. Машины и технологическое оборудование. Система классов точности балансировки. - М.: Издательство стандартов, 1977. - 139 с. 2. Правдин В.М., Шанин А.П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов - Снежинск: Издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. - 496 с.
3. Ключников А.В. Стенд для низкочастотной прецизионной динамической балансировки роторов // Сборник трудов международной науч.-практ. конференции «Снежинск и наука - 2009: Современные проблемы атомной науки и техники» (Снежинск, 1-5 июня 2009г.) / Под ред. проф. А.Ф. Емельянова. -Снежинск: Издательство СГФТА, 2009. - С. 139-141.
4. Ключников А. В., Сидоров А. В. Применение метода динамической балансировки для прецизионного контроля параметров массо-инерционной асимметрии роторных объектов // Приборы и системы. Управление, Контроль, Диагностика - 2011. - №3. - С. 48-53.
5. Патент РФ на изобретение №2292534. Способ балансировки ротора / Л.М. Глазырина, М.С. Карпо-вицкий, А.В. Ключников, А.И. Мальгин, Г.Г. Смирнов, Ю.П. Фомин // БИ, 2007. - №3.
6. Егоров Д. Г., Ключников А. В. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного съёма и обработки сигналов дисбаланса в процессе балансировки роторов // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвузовский сборник научных трудов - Выпуск 22. - Пенза: Изд-во ПГУ,
2001. - С. 104-107.
7. Глазырина Л. М., Ключников А. В., Мальгин А. И. Математическая модель и способ динамической одноплоскостной модульной балансировки ротора // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвузовский сборник научных трудов - Выпуск 23. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2003. - С. 143-149.
8. Белов В.Н., Егоров Д.Г., Ключников А.В. Пелевин А.М. Оптоэлектрический метод измерения частоты вращения ротора // Датчики систем измерения, контроля и управления: Межвузовский сборник научных трудов - Выпуск 22. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2001. - С. 27-30.
