Частота последовательности виброакустических импульсов вида (12.3.4-26) определяется при возникновении дефектов беговых дорожек подшипников выражением (12.3.4-22). Амплитуда импульса определяется долей кинетической энергии соударяемых деталей, расходуемой на удар и практически линейно зависит от частоты вращения ротора.

Вибрации подшипников могут быть обусловлены также их собственными упруго-массовыми характеристиками. Импульсное возбуждение и широкополосный шум вызывают резонансные колебания частей опоры, параметры которых могут быть использованы для обнаружения различных неисправностей.

Вибрация подшипника носит в основном локальный характер из-за малой интенсивности

èбольшого числа высокочастотных составляющих, фильтрующихся конструкцией двигателя

èпрактически неразличимых в месте расположения штатных вибропреобразователей. Локализации подшипниковой вибрации способствует также применение упругих и упругодемпферных опор [12.3.9.18, 12.3.9.19, 12.3.9.20, 12.3.9.21, 12.3.9.22].

Вибрация агрегатов

Она определяется их принципом действия и особенностями конструкции. Большинство агрегатов двигателя представляет собой насосы топливной и масляной систем, причем применяются ка- чающие узлы трех основных типов:

–плунжерные;

–центробежные;

–шестеренные.

Поскольку рассматриваемые агрегаты представляют собой узлы гидравлических систем двигателя и ЛА, то для них характерно возникновение вибрации гидродинамического происхождения. Поэтому, кроме составляющих спектра с частотой f = in, вызванной неуравновешенностью ротора, возникает вибрация с частотами, кратными числу основных рабочих элементов ротора z, т. е. плунжеров, рабочих лопаток крыльчатки или зубьев зуб- чатых колес f = izn.

Как правило, насосы содержат регулирующие устройства, выполненные в виде клапанов постоянного давления, распределительных, редукционных и т.д. Наличие интенсивных возбуждающих сил может привести к возникновению автоколебаний столба жидкости с частотами, соответствующими собственным частотам колебаний клапанов. Это не только вызывает повышенную вибрацию агрегата и трубопроводов, но и может стать причиной увеличения вибрации всего двигателя из-за роста пульсаций давления в топливном коллекторе.

Рисунок 12.3.4.4_1 - Устройство индукционного вибродатчика 1 – кольцевой магнит; 2 – мас-

са; 3 – катушка индуктивности

Рисунок 12.3.4.4_2 - Устройство пьезоэлектрического акселерометра 1 – пьезокристалл; 2 – масса;

3 – корпус вибродатчика;

4 – электрический разъем

Причиной возникновения широкополосной вибрации могут быть кавитационные явления, возникающие на входе в насосы и в трубопроводах. Эти процессы обычно интенсифицируются при появлении дефектов в подкачивающих насосах [12.3.9.21, 12.3.9.22, 12.3.9.25].

12.3.4.4 - Датчики измерения вибрации

В зависимости от того в какой размерности измеряет вибрацию двигателя каждый конкретный датчик вибрации их подразделяют на два основных типа, различающиеся по конструкции и особенностям применения:

–датчики виброскорости;

–датчики виброускорения, наиболее распро-

страненные в настоящее время.

Основные характеристики датчиков вибрации:

–частотный диапазон;

–чувствительность;

–чувствительность в поперечном направлении;

–собственная резонансная частота [12.3.9.26].

Датчики виброскорости

Классический датчик виброскорости пред-

ставляет из себя сильный кольцевой магнит, в зазоре которого перемещается катушка, связанная с инерционной массой. Такие датчики вибрации еще называют индукционными датчиками. По закону электромагнитной индукции при перемещении конструкции оборудования, на который установлен датчик, в катушке будет наводиться ЭДС, по величине всегда прямо пропорционально скорости перемещения катушки в магнитном поле (см. Рис. 12.3.4.4_1).

Достоинство - простота и стабильность основных параметров.

Недостатки:

–ограниченный диапазон частот – от 10 до 1000 Гц;

–большая масса постоянного магнита и, соответственно, датчика.

Внастоящеевремяпрактически не применяются.

Датчики виброускорения

Это наиболее распространенный в настоящее время вид вибродатчика. По принципу действия

èконструкции они делятся на пьезоэлектрические акселерометры и емкостные датчики вибрации.

1) Пьезоэлектрический акселерометр. Конструктивно пьезоакселерометр представ-

ляет из себя пьезокристалл с укрепленной сверху небольшой фиксированной массой.

Вибрации двигателя передаются на корпус вибродатчика, он перемещается вместе с кристаллом. Масса, укрепленная на кристалле, в соответствии с классическим законом Ньютона, воздействует на кристалл с силой, пропорциональной произведению ускорения на величину этой массы. Под действием инерционной силы происходит деформация пьезокристалла и на его обкладках генерируется электрический заряд, пропорциональный виброускорению корпуса двигателя (см. Рис. 12.3.4.4_2).

Достоинства пьезоакселерометров:

–широкий диапазон частот;

–малый вес;

–большая чувствительность.

Недостатки:

–ограниченный диапазон частот;

–нельзя применять без проверки резонансных свойств;

– относительно высокая стоимость.

Âнастоящее время появились трехкоординатные датчики, в которых в одном корпусе устанавливаются три пьезокристалла, ориентированных

âразных осях. Обычно трехкоординатные датчи- ки используются для систем стационарного вибрационного мониторинга.

Âнекоторых типах пьезоакселерометров имеется встроенный усилитель заряда. Если усилитель заряда встроенный – то не возникает проблем с длиной кабеля, которым датчик подключается к прибору. Если усилитель заряда отсутствует, то к соединительному кабелю от датчика предъявляются очень жесткие требования, стоимость его значительна.

2) Емкостные датчики вибрации. Распространение таких датчиков только начи-

нается.

Устройство датчиков такого типа, принцип действия, достаточно просты. На кристалле микросхемы методом микроэлектроники формируется упруго перемещаемый элемент. При перемещении такого элемента под действием внешних ускорений меняется расстояние до неподвижных электродов, выполняющих функции электродов конденсатора. Все электроды включены в колебательный контур генератора, который сформирован на том же кристалле микросхемы. Далее сигнал с переменной частотой преобразуется в переменное выходное напряжение. Внешние размеры такого датчика малы.

Достоинства:

– возможность регистрации сверхнизкочастотных вибраций, практически с 0 Гц;

– высокая чувствительность (может регистрировать даже ускорение свободного падения);

– при «перевороте» датчика напряжение на его выходе меняет свой знак.

Недостатки:

– невысокая рабочая граница в области высоких частот, обычно 200…1000 Гц;

– сложность тарировки.

12.3.4.5 - Вибрационная диагностика ГТД

Вибрации ГТД измеряют при испытаниях двигателей и при эксплуатации. При этом вибрация двигателя рассматривается с двух точек зрения. С одной стороны, высокий уровень вибрации может стать причиной усталостных поломок элементов конструкции двигателя и размещенных на нем агрегатов и обвязки. По этой причине должен быть определен допустимый уровень вибрации, с превышением которого работа двигателя не допускается.

С другой стороны, повышение или изменение вибрации может рассматриваться как признак появившейся или развивающейся неисправности какоголибо узла двигателя. В этой связи разрабатываются методы вибрационной диагностики – методы, позволяющие по характеру изменения вибрации определить тип неисправности двигателя [12.3.9.15, 12.3.9.16].

Допустимые уровни вибрации и общие требования к контролю вибрации двигателей определяются нормативными документами. При определении вибрационных характеристик двигателя в опытном производстве проводят подробное вибрографирование, при котором датчики вибрации (вибропреобразователи) устанавливают на корпусах двигателя в плоскостях расположения опор роторов, имеющих непосредственную связь с корпусом, на узлах крепления самолетных подвесок.

По результатам вибрографирований двигателя, выполненных в процессе доводки и на этапе освоения серийного производства, определяются виброхарактеристики двигателя – зависимости амплитуды вибросмещения, виброскорости или виброускорения от частоты вращения ротора. Уточ- няются штатные места расположения вибропреобразователей, по которым в дальнейшем будет контролироваться вибрация, назначаются диапазоны частот вращения роторов для проведения эффективного контроля вибрационного состояния двигателя на приемо-сдаточных испытаниях, при длительных стендовых испытаниях и в эксплуатации.

При определении размещения штатных вибропреобразователей необходимо стремиться к тому, чтобы вибрация в этих точках была наиболее четко связана с возбуждающими силами и имела наиболее характерный для двигателя спектральный состав (причем величина вибрации при этом не обязательно должна быть самой максимальной). Крепление вибропреобразователей к корпусу должно быть таким, чтобы собственная частота вибропреобразователя, размещенного на корпусе, лежала вне исследуемого диапазона частот вибрации [12.3.9.25].

Для эксплуатационных условий допустимый уровень вибрации назначается, исходя из требования обеспечения динамической прочности элементов конструкции двигателя. Однако, это требование, являясь основным, может быть не единственным. Вибрация, передаваясь по самолетным конструкциям, может приводить к снижению комфортности в салоне самолета, например, по уровню шума. Это также может учитываться при назначении допустимого уровня вибрации в эксплуатационных условиях. В целом, в качестве нормы принимаются такие значения вибрации, при которых доста-

точно мала вероятность вибрационных дефектов, а меры обеспечения заданной нормы остаются приемлемыми для конструкции, технологии и эксплуатации [12.3.9.22, 12.3.9.25].

При назначении допустимого уровня вибрации

âпроизводстве (на приемо-сдаточных испытаниях) учитываются данные о статистическом разбросе значений вибрации, полученные при доводке и освоении двигателя, а также ожидаемое влияние эксплуатационных факторов на величину вибрации. Производственное ограничение вибрации должно выбираться более жестким, чем эксплуатационное, так чтобы обеспечить в эксплуатации достаточно малую вероятность превышения допустимого уровня. Если при этом окажется, что производственное ограничение может быть с большой вероятностью превышено, разрабатываются мероприятия по снижению вибрации двигателя. Снижения вибрации можно достичь технологическими (качество изготовления, сборки, технология и качество балансировки) и конструктивными (отстройка резонансов и демпфирование колебаний) мерами. Анализ статистического распределения величин вибрации двигателей на приемо-сдаточных испытаниях дает оценку стабильности производства и позволяет выявить резкие выпады, обусловленные снижением качества изготовления двигателей [44].

Âэксплуатационных условиях контроль вибрации используется не только для оценки допустимости ее уровня, но и для вибродиагностики технического состояния двигателя. Диагностирование изменения технического состояния двигателя связано с анализом тенденций изменения параметров вибрации. Для этого выполняется регистрация вибрации и построение графиков зависимости параметров вибрации от времени эксплуатации. С целью уменьшения влияния эксплуатационных факторов регламентируются участки полета и режимы работы двигателя, на которых выполняется регистрация вибрации. Анализ тенденций изменения вибрации выполняется по результатам ее регистрации

â10…40 полетах в сходных высотно-скоростных и режимных условиях работы двигателя. Опыт показывает, что можно выделить несколько основных типов поведения вибрации, которые могут быть связаны с появлением и развитием неисправностей в роторной части двигателя: тренд, скачок, выброс и разброс (см. Рис. 12.3.4.5_1) [12.3.9.15].

Появление тренда вибрации может указывать на относительно медленное развитие неисправности, связанной с износом элементов проточной ча- сти или опор ротора. В практике отмечались слу- чаи появления тренда в связи с поломками подшипников.

3. Диагностирование и прогнозирование состояния двигателя по изменению (тренду) параметров вибрации.

Допусковый контроль по предельным уровням вибрации. Основная задача такого вида контроля, как было показано ранее – обеспечение вибропрочности и вибронадежности двигателя и его оборудования, но этот контроль применяют и для обнаружения неисправностей. Исправность двигателя оценивается сравнением текущих значений вибрационного параметра с допуском. Предельные значения вибрационных параметров силовых установок различных ЛА составляют 50…90 мм/с для двигателей и 100…200 мм/с для силовых передач вертолетов. Обнаружение неисправностей по ГТД по предельным допускам вибрации – достаточно грубый диагностический метод.

Контроль наработки с повышенным уровнем вибрации. Основная задача контроля этого вида – обеспечение вибропрочности и вибронадежности двигателя (и его оборудования) в условиях выше предупредительного допуска. Наработка контролируется в единицах времени или в циклах вибрации.

Диагностирование по изменению параметров вибрации. Эффективность обнаружения неисправностей двигателя при контроле параметров существенно повышается в сравнении с предыдущими алгоритмами, т.к. анализируется изменение параметров вибрации по наработке. Проявления различных дефектов осуждались ранее и более подробно данный вид диагностики рассмотрен в разделе 12.3.5.

Определение состояния двигателя в процессе доводки эксплуатируемых двигателей. Диагностируемые при доработках состояния обычно характеризуются комплексом параметров и соответственно комплексами диагностических признаков, знания о которых неполные, Значения параметров и диагностических признаков, определяющих динамическую нагруженность надежных и ненадежных деталей, различаются не очень сильно (вследствие небольших запасов прочности). Кроме того, значе- ния параметров состояния имеют значительный разброс. Это затрудняет распознавание состояний и определение пороговых значений диагностических признаков. Связи между диагностическими признаками и состояниями выявляются экспериментально по результатам исследования объектов с известным состоянием диагностируемых элементов. Учитывая указанные особенности, диагноз состояния при доработках необходимо ставить на ста- тистико-вероятностной основе.

Возможны два подхода к решению этой зада- чи. Первый – выявление одного или небольшого числа диагностических признаков, позволяющих

применить правило распознавания или оценки. Второй – принятие решений на основе комплекса исходных физических признаков со сжатием этой информации в одном или нескольких обобщенных (алгоритмических) признаках.

Обработка и анализ вибросигналов. Разнообразие дефектов, обнаруживаемых методами вибродиагностики, сложность сигналов, порождаемых неисправностями и колебаниями деталей ГТД, заставляет при выявлении и измерении диагности- ческих параметров проводить следующие виды обработки сигнала:

-разделение вибрационного сигнала вибрационного сигнала на «элементарные» сигналы;

-пространственное разделение вибрационных сигналов;

-восстановление формы выделенных «элементарных» сигналов;

-линейные и нелинейные преобразования сигналов;

-измерение отдельных параметров и статических характеристик сигналов;

-измерение характеристик взаимосвязи сигналов.

Для реализации указанных видов обработки

âвибродиагностике ГТД применяются общеизвестные методы: спектральный и автокорреляционный анализ сигналов, выделение огибающей сигнала (детектирование), синхронное детектирование сигнала, спектральный анализ огибающей, фильтрация сигнала с помощью полосовых и гребенчатых фильтров, получение функций частной и множественной когерентности, многомерный вероятностный анализ и т.д.

Выбор способа обработки сигнала определяется постановкой диагностической задачи, особенностями исследуемого и выделяемого сигналов, особенностями конструкции обследуемого двигателя и другими факторами.

В целом, при решении задач вибродиагностики наиболее важным является умение различать изменения вибрации исправного двигателя, находящегося под воздействием внешних и внутренних эксплуатационных факторов, от изменений вибрации, вызванных появлением и развитием неисправности

âдвигателе. Повышение достоверности алгоритмов вибродиагностики может быть достигнуто на основе обобщения обширных данных о возможных типах вибрационного поведения исправных двигателей в сочетании с тщательным анализом неисправностей, обнаруженных при эксплуатации, и их влияния на вибрацию.

Наибольшей эффективности вибродиагностики можно достичь сочетанием ее с другими видами