Віброакустична діагностика тріщиноподібних пошкоджень турболопатних машин на стаціонарних та нестаціонарних режимах

- знаходження і-тої гармоніки змінної частоти поза межами резонансної області моделі лопатки:

, (9)

де - нелінійні комбінації добутків параметрів та імпульсної характеристики та інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметру пошкодження та параметрів вібраційного збурення.

Аналіз (9) показав, що збільшення параметру пошкодження в межах 0,01,...0,1 зумовлює зростання відносної амплітуди нестаціонарних коливань моделі лопатки приблизно в 2 рази на режимі прийомистості () та приблизно в 2,3 рази на режимі запуску (), причому зростання є нерівномірним в діапазоні =0,01...0,1, зокрема для <0,04 воно не перевищує 5-7%.

Нові аналітичні вирази для визначення реакції лопатки на нестаціонарне вібраційне збурення отримано також і для нестаціонарної моделі лопатки з пошкодженням.

Коливання нестаціонарної моделі лопатки на нестаціонарних режимах експлуатації ГТД є модульованими за амплітудою, а функція, що модулює, є обмеженим рядом за гармоніками частоти періодичного змінювання параметру жорсткості, починаючи з її нульового значення:

, (10)

де - безрозмірні величини, значення яких залежить від параметрів нестаціонарної моделі лопатки, а відтак і від параметру , та параметрів нестаціонарного збурення.

Як показав аналіз виразу (10), серед складових функції, що модулює, найбільш представницькою є постійна складова. Збільшення параметру пошкодження в межах =0,01...0,05 призводить до зростання вказаної складової від 1,5 до 3,75 разів.

В роботі проведено дослідження характеристик коливань моделей лопаток при вузькосмуговому нестаціонарному вібраційному збуренні (1). З урахуванням отриманої в Розділі 2 залежності для кореляційної функції нестаціонарного збурення (1), в роботі вперше отримано аналітичні вирази для визначення авто- та взаємних кореляційних функцій (для і=1) нестаціонарних коливань моделей лопаток без пошкодження:

;

,

та з пошкодженням (без врахування сил опору):

;

,

де , , , , , , , , , , - нелінійні функції інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметрів моделі лопатки та параметрів збурення.

За отриманими виразами проведено дослідження впливу тріщиноподібного пошкодження на кореляційні функції нестаціонарних коливань лопатки. Розвиток пошкодження в межах = 0,01...0,1 призводить до змінювання часу, що відповідає моменту збудження власних коливань моделі лопатки нестаціонарною дією, розширення площин перерізу автокореляційної функції, збільшення на порядок компоненти взаємної кореляційної функції, яка зумовлена наявністю постійної складової в імпульсній характеристиці моделі лопатки з пошкодженням.

Для даного виду збурення виконано спектральний аналіз нестаціонарних коливань моделей лопатки без пошкодження та з пошкодженням, що дозволило визначити вплив пошкодження на СЩ коливань лопатки. З урахуванням визначеного в Розділі 2 виразу для СЩ вузькосмугового нестаціонарного вібраційного збурення, було отримано аналітичні залежності для визначення узагальнених та взаємних СЩ нестаціонарних коливань моделей лопаток без пошкодження:

;

,

та з пошкодженням:

;

,

де , , - функції параметрів нестаціонарного вібраційного збурення; , , та - нелінійні функції інтегралів Френеля, аргументи яких залежать від параметрів збурення та часу спостереження.

СЩ нестаціонарних коливань моделей лопатки складається з неперервного спектру, що характеризує вхідну нестаціонарну дію, та дискретних складових, які зумовлені реакцією відповідних моделей лопатки. Поява тріщиноподібного пошкодження призводить до збагачення СЩ нестаціонарних коливань лопатки складовими на вищих гармоніках власної частоти моделі лопатки з пошкодженням та до змінювання (в бік зменшення) часового розташування дискретних складових спектральної щільності. Відношення СЩП найбільш представницької другої гармоніки до СЩП основної гармоніки збільшується зі збільшенням параметру пошкодження , але не перевищує значення (-110,...,-70) дБ в діапазоні значень параметру пошкодження = 0,01...0,1.

У п'ятому розділі досліджується ефективність запропонованих методів обробки діагностичної інформації на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації двигуна, визначаються та досліджуються діагностичні ознаки тріщиноподібного пошкодження в лопатці робочого колеса.

Процес віброакустичного моніторингу ТС лопаток ГТД полягає в неперервному отриманні інформації про їх вібраційний та віброакустичний стан, обробці діагностичної інформації з метою виділення ознак ТС, та в прийнятті рішення про ТС. При застосуванні методів вібраційної та віброакустичної діагностики безпосереднє вимірювання прямих ознак стану об'єкту є неможливим, тому вимірюються пов'язані з ними параметри вібрації та шуму. У якості діагностичної інформації використовується вібраційний та акустичний шум в діапазоні 0 - 10 кГц, що випромінюється ГТД в процесі експлуатації. Відповідно до структури динамічної моделі ГТД та виразу (2) вимірюваний сигнал з урахуванням моделей аеродинамічної вібрації , акустичного шуму , імпульсних характеристик моделей лопаток без пошкодження та з тріщиноподібним пошкодженням на будь-якому з розглянутих режимів експлуатації запишемо у вигляді:

- всі лопатки без пошкодження:

; (11)

- одна лопатка з тріщиноподібним пошкодженням:

, (12)

де індекс q визначає номер лопатки; індекс j - номер робочого колеса; індекс i - номер гармоніки роторної вібрації.

Порівняльний аналіз виразів (11) та (12), а також результати проведених в розділах 3 і 4 досліджень показали, що поява пошкодження призводить до появи у вимірюваному сигналі додаткових складових низької інтенсивності, для визначення яких застосування традиційних методів спектрально-кореляційного аналізу є мало ефективним. Для ідентифікації даних пошкоджень, оцінювання та прогнозування їх розвитку необхідно використовувати методи обробки, прийнятні для аналізу локально чи суттєво нестаціонарних сигналів та чутливі до малих змін корисної інформації в умовах високого рівня адитивних та мультиплікативних завад.

В роботі досліджено та обґрунтовано застосування наступних методів обробки діагностичної інформації на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД.

1. Багатомірний спектральний аналіз із використанням біспектру (БС):

,

де

;

- кумулянти третього порядку в дискретному у часі поданні процесу .

2. Частотно-часові перетворення (ЧЧП):

- Вігнера-Вайла:

;

- Чої-Вільямса:

,

де ; ;

- параметр, що визначає величину ослаблення взаємно-спектральних складових перетворення.

3. Масштабно-часовий аналіз на основі Вейвлет-перетворення (ВП):

де a - показник масштабу; b - показник зсуву базової вейвлет-функції за часовою віссю; - знак комплексного спряження.

4. Аналіз безрозмірних чисельних характеристик (безрозмірних амплітудних дискримінант) віброакустичного сигналу з одномірною щільністю ймовірності його миттєвих значень :

,

де - коефіцієнт форми (; ); - коефіцієнт ймовірності (; );

- коефіцієнт імпульсності (; ); - коефіцієнт фону (; ).

На основі чисельного та фізичного моделювання робочого колеса ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення були визначені закономірності впливу тріщиноподібного пошкодження на зазначені вище характеристики діагностичної інформації. Для чисельного моделювання, візуалізації та аналізу окремих етапів чи повного процесу віброакустичного моніторингу ТС лопаток робочих коліс ГТД під керівництвом здобувача розроблено віртуальну вимірювальну систему (ВВС), яку побудовано на основі персонального комп'ютера в середовищі віртуального моделювання. З використанням ВВС було проведено цикли комп'ютерних чисельних експериментів при стаціонарних та нестаціонарних вібраційних збуреннях для різних моделей досліджуваного об'єкту: лопатка без пошкодження та з пошкодженням; пакет з двох лопаток без пошкодження та з пошкодженням однієї лопатки; робоче колесо (21 лопатка) без пошкодження та з пошкодженням однієї лопатки. Моделювались стаціонарний режим і нестаціонарні режими прийомистості, запуску та дроселювання. Враховано вплив адитивної завади (, ), інтенсивність якої задавалась в таких межах, щоб забезпечити п'ять різних дискретних значень відношення сигнал/шум в інтервалі 10-1,...,104 .

Результати оцінювання модуля БС, як функції двох частот та , мають подання у вигляді тривимірних діагонально симетричних зображень; контурних повнокольорових зображень, утворених з ліній різної конфігурації, якими позначаються однакові рівні інтенсивностей оцінок в площині частот та ; діагональних перерізів тривимірних зображень у вертикальній площині.

Поява та розвиток пошкодження призводить до змінювання інтенсивностей рівнів однакового подання оцінок модуля біспектру, інтенсивностей екстремумів, змінювання геометричних характеристик контурних зображень та до появи нових складових низької інтенсивності. Відношення інтенсивностей глобального та локального максимумів на стаціонарному режимі змінюється неоднозначно в межах до 20% при збільшенні параметру .

На нестаціонарних режимах результати оцінювання модуля БС є подібними до наведених, але мають більшу чутливість до пошкодження. Зокрема, на режимі прийомистості має місце зростання показника до 30% в розглянутому діапазоні значень , на режимі дроселювання - зменшення до 11% .

Результати ЧЧП Вігнера-Вайла та Чої-Вільямса являють собою контурні зображення спектральних оцінок в площині нормованої частоти та часу (у відліках), що складаються із замкнутих ізоліній, які формують ланцюги екстремумів. Інтенсивність внутрішніх ізоліній вища, ніж зовнішніх. Поява та розвиток пошкодження призводить до відмінностей у значеннях інтенсивностей ізоліній, які відображають екстремуми оцінок, серед яких є один глобальний максимум, а решта - локальні. Найбільш чутливою до пошкодження є величина інтенсивності глобального максимуму, яка на стаціонарному режимі збурення зменшується в межах до 15% в розглянутому інтервалі значень .

Результати ЧЧП для режимів прийомистості та дроселювання характеризуються змінюванням за часом частоти, навколо якої групуються спектральні оцінки, а при появі та розвитку пошкодження змінюються не тільки інтенсивності екстремумів, а й координати їх розташування.

Для сформованих вибірок сигналів було визначено безрозмірні амплітудні дискримінанти. При появі та розвитку пошкодження на кожному режимі вібраційного збурення дискримінанти змінювались неоднозначно в обмежених інтервалах значень. Для підвищення чутливості дискримінант до появи та розвитку пошкодження застосовано попередню обробку сигналів з використанням ВП (розкладання на 5 рівнів, базова вейвлет-функція db10), в результаті чого було отримано розкладання сигналів у набір апроксимації а 5 та деталей d1-d5, для яких потім визначались амплітудні дискримінанти , . Поява та розвиток пошкодження призводить до найбільш суттєвих змінювань окремих елементів ВП: на стаціонарному режимі - (19%) та (34%) для апроксимації а 5; на режимі прийомистості - (35%-50%), (40%-60%) та (48%-65%) для апроксимації а 5; на режимі запуску -(8%)та (12%) для деталі d3; на режимі дроселювання - (до 16%) та (до 22%) для апроксимації а 5.

В результаті обробки інформації за усією множиною проведених чисельних експериментів для кожного з режимів експлуатації було визначено діагностичні ознаки (табл. 1): - відношення інтенсивності глобального та локального максимумів оцінки модуля БС; - відношення інтенсивностей і-го локального та глобального екстремумів ЧЧП; безрозмірні амплітудні дискримінанти окремих елементів ВП.

Діагностичні ознаки є випадковими величинами з близькими до нормального та логарифмічно-нормального законами розподілу для бездефектного та дефектного станів робочого колеса. Аналіз діагностичної цінності ознак за критерієм Фішера, за змінюванням математичного сподівання та за коефіцієнтом варіації показав, що на стаціонарному режимі найбільшу діагностичну цінність мають ознаки , та (для пошкоджень ); в режимі прийомистості для - ознаки , та для апроксимації а 5 ВП, а при збільшенні параметру пошкодження - усі визначені вище діагностичні ознаки; в режимі запуску - для деталі d3 ВП; в режимі дроселювання доцільно використовувати ознаки , , та .

Фізичне моделювання віброакустичних процесів та їх аналіз проводились шляхом експериментальних досліджень вимушених коливань фізичної моделі робочого колеса при стаціонарних та нестаціонарних вібраційних збуреннях. У якості фізичної моделі (імітатора) робочого колеса використано контрольований зразок з алюмінієвого сплаву Д 16, який має 8 лопаток. Досліджувались бездефектний стан моделі та з пошкодженням однієї лопатки (). Імітатор робочого колеса було закріплено на валу механізму, що обертався. Для вимірювання акустичних сигналів, випромінюваних лопатками імітатора при обертанні, використано вимірювальну систему (мікрофон, звукова карта, ПЕОМ). В результаті фізичного моделювання отримано множини вибірок виміряних акустичних сигналів, які характеризують бездефектний та дефектний стани моделі робочого колеса на стаціонарному та нестаціонарних (розгін, перехідний режим, вибіг) режимах обертання валу привідного механізму та вібраційного збурення моделі. Аналіз сигналів підтвердив результати чисельного моделювання і показав, що всі використані в роботі методи обробки діагностичної інформації дозволяють визначити відмінності в характеристиках вибірок виміряних сигналів, які зумовлені наявністю пошкодження в лопатці фізичної моделі робочого колеса. Найбільш значні відмінності спостерігаються на нестаціонарних режимах вібраційного збурення.

У шостому розділі за результатами обробки діагностичної інформації на стаціонарних та нестаціонарних режимах ГТД вирішуються задачі розпізнавання ТС лопаток шляхом оцінювання параметру пошкодження за визначеними ознаками та при безпосередньому розпізнаванні для двокласової діагностики (відсутність чи наявність тріщиноподібного пошкодження) з використанням штучних нейронних мереж (НМ). Для оцінювання та розпізнавання використано визначені вище кількісні діагностичні ознаки. Окрім цього для розпізнавання використано результати багатомірного спектрального аналізу у вигляді контурних зображень, що дозволило врахувати всі зумовлені появою та розвитком тріщиноподібного пошкодження відмінності в отриманих зображеннях.

Оцінювання параметру на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення за безрозмірними амплітудними дискримінантами проведено з використанням методу максимальної правдоподібності. В результаті отримано аналітичні вирази для визначення оцінки параметру пошкодження :

- для стаціонарного режиму, режимів запуску та дроселювання

, (13)

де ,- коефіцієнти поліному першого порядку, яким апроксимуються залежності математичного сподівання ознак від параметру пошкодження ; - значення ознаки при і-тому вимірюванні;

- для режиму прийомистості визначається розв'язком рівняння

, (14)

де ; ; ;

;,, - коефіцієнти поліному другого порядку, яким апроксимуються залежності математичного сподівання ознак від параметру пошкодження .

Отримані за виразами (13) та (14) оцінки параметру пошкодження були проаналізовані за статистичним показником якості, який є інвертованим відношенням сигнал/шум. В результаті встановлено, що отримані оцінки є прийнятними на режимі прийомистості в усьому діапазоні розглянутих значень параметру пошкодження, а на стаціонарному режимі та режимі дроселювання - тільки при оцінюванні тріщиноподібних пошкоджень в інтервалі значень . Оцінювання параметру за безрозмірними амплітудними дискримінантами не є ефективним в режимі запуску.

На основі значення отриманої оцінки за діагностичною ознакою чи математичного сподівання за будь-яким вектором (для стаціонарного режиму

,

для прийомистості

та для дроселювання

)

приймається рішення про наявність пошкодження в лопатці ГТД, якщо задовольняються наступні нерівності:

- для стаціонарного режиму та режиму дроселювання:

, або ;

- для режиму прийомистості:

, або ,

де - середнє квадратичне відхилення (СКВ) оцінки за ознакою ; , - відповідно математичне сподівання та СКВ оцінки за векторами , та .

Задача розпізнавання ТС лопаток для двокласової діагностики в роботі вирішена з використанням штучних НМ, які набувають все більше розповсюдження при діагностуванні авіаційних двигунів завдяки можливостям виконувати операції обробки, порівняння та класифікації образів, які є недоступними для традиційної математики. НМ дозволяють здійснювати моделювання та відображення досить складних, в тому числі й нелінійних залежностей, процесів та явищ, характеризуються можливостями самонавчання та самоорганізації.

В результаті попередніх досліджень різних типів НМ для розпізнавання стану лопаток робочого колеса за кількісними діагностичними ознаками та ознаками у вигляді контурних зображень було обрано двошарову імовірнісну мережу (ІНМ). В основу класифікації в ІНМ покладено використання методів Байєса, за якими для кожного з множини вхідних векторів (образів) приймається рішення про віднесення його до найбільш ймовірного класу з тих, до яких він може належати. Для цього в мережі визначається сумарна щільність імовірності (ЩІ) для ознак кожного класу. Параметр впливу мережі (у) задає ширину функцій активації нейронів і визначає їхній вплив на оцінку сумарної ЩІ.

Для класифікації за кількісними ознаками (дискримінантами ) на кожному з режимів вібраційного збурення визначено інтервал значень параметру впливу ІНМ , в якому забезпечується нульова помилка навчання і в якому потім проводиться класифікація об'єктів тестової множини ознак. Результати класифікації показали, що для параметру пошкодження = 0,05 мережа здійснює в основному правильне розділення на класи відповідно до навчальної множини об'єктів. В роботі проведено аналіз вірогідності розпізнавання в залежності від значення параметру впливу мережі. Для кожного з режимів вібраційного збурення визначено параметр впливу , за якого забезпечується максимальне значення вірогідності розпізнавання при врахуванні імовірних похибок першого та другого роду: =0,94 при =0,1 для стаціонарного режиму; =0,942 при =0,1,...,0,2 для прийомистості; = 0,83 при =0,0018 для запуску; =0,926 при = 0,05 для дроселювання. Показано, що імовірність неправильної класифікації є меншою за середній ризик.

Розпізнавання за контурними зображеннями проведено на прикладі оцінок модуля біспектру для стаціонарного режиму. Для розпізнавання використано повнокольорові зображення оцінок модуля біспектру які були отримані для двох класів ТС лопаток робочого колеса - без пошкодження та з початковим тріщиноподібним пошкодженням однієї з лопаток (0,05). Для їх використання в якості вхідних образів для НМ всі інформативні частини повнокольорових зображень були перетворені в палітрові (градації кольору від чорного до білого) та подані у вигляді одного сектору шляхом перерізу за осями симетрії (діагональні перерізи). Виділені сектори зображень були замінені числовими матрицями, а потім по стовпцях перетворені у вектори, що подаються на вхід НМ. В результаті проведення розпізнавання ТС лопаток встановлено, що ІНМ забезпечує безпомилкове розпізнавання при значенні параметру впливу мережі 1,5...,11 та при кількості об'єктів навчальної множини образів не менше, ніж 8.

З урахуванням того, що стан робочого колеса ГТД з тріщиноподібним пошкодженням однієї з лопаток задавався значеннями 0,05, отримані результати розпізнавання з використанням ІНМ характеризують високу потенційну ефективність застосування нейронних мереж для розпізнавання ТС лопаток ГТД при зародженні та початковому розвитку пошкодження за діагностичними ознаками у вигляді зображень.

Сьомий розділ присвячено розробці методики віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД.

Проведені теоретичні дослідження, чисельне та фізичне моделювання підтвердили ефективність застосування віброакустичних методів для моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. На основі отриманих результатів в роботі проведено наукове обґрунтування структурного синтезу системи віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток, як складової інтегрованої автоматичної системи моніторингу ГТД. Функціональна блок - схема багатоканальної системи вібраційної та віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень в лопатках робочих коліс ГТД складається з вимірювальної системи (блоки 2 та 3), системи обробки діагностичної інформації (блок 5) та системи розпізнавання ТС (блоки 6 та 7). Вимірювальна система вміщує в собі вібраційні перетворювачі, вимірювачі акустичного шуму та датчик частоти обертання ротору з відповідними пристроями підсилення, нормування та перетворення вимірюваних сигналів, а також накопичувач інформації для її зберігання та подальшого аналізу. Сигнал частоти обертання ротору використовується для часової селекції окремих вибірок вібраційних та акустичних сигналів.

На етапах доведення та відновлення ГТД відбувається вимірювання вібрації та акустичного шуму для отримання надлишкової інформації від 6-12 зовнішніх та внутрішніх перетворювачів. Зовнішні вібраційні перетворювачі встановлюються на корпусі двигуна, внутрішні - найближче до вузлів, які діагностуються (в задачах віброметрії ГТД найчастіше на опорах ротору). Акустичні перетворювачі встановлюються в ближньому звуковому полі для вимірювання шуму, що генерується джерелами механічного походження, та в дальньому звуковому полі для вимірювання аеродинамічного шуму. Після аналізу отриманої інформації на різних режимах функціонування двигуна вибирається система найбільш інформативних датчиків первинної інформації, за якими проводяться вимірювання та встановлення залежностей між станом робочих коліс і характеристиками виміряних сигналів. Визначені таким чином вібраційні та віброакустичні вимірювальні канали можуть використовуватись для діагностування в умовах експлуатації чи наземного обслуговування ГТД безпосередньо перед його експлуатацією.

В роботі обґрунтовано рекомендації по вибору елементів вимірювальної системи для забезпечення фізичного формування вимірювальних каналів та розроблено методику віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень. Методика визначає основні етапи діагностування та характерні для них групи задач, які вирішуються для забезпечення проведення вібраційних та віброакустичних досліджень, а також безпосередньо під час їх проведення. Окрім цього в роботі розглянуто шляхи вирішення задач, які є загальними для всіх визначених етапів діагностування і які пов'язані з питаннями методики проведення вимірювань та обробки діагностичної інформації. Зокрема, це визначення частотних діапазонів вимірюваних сигналів, аналого - цифрове перетворення сигналів, формування вибірок сигналів, організація паралельної обробки діагностичної інформації, накопичення діагностичної інформації.

Методику впроваджено в практику контролю авіаційної техніки на ДП завод 410 ЦА (м. Київ). За розробленою методикою вимірювань та обробки діагностичної інформації було зроблено наукове обґрунтування експлуатації лопатей несучих гвинтів вертольота Ка-26 зі збільшеним призначеним строком служби, на основі якого прийнято відповідне Рішення Державного департаменту авіаційного транспорту України.

У додатках наведено допоміжні ілюстрації результатів обробки інформації при фізичному моделюванні, результати оцінювання законів розподілу діагностичних ознак, допоміжні математичні викладення для вирішення задачі оцінювання параметру пошкодження, акти про впровадження та використання результатів досліджень.

Висновки

Головний науковий результат роботи - вирішення важливої науково - технічної проблеми визначення ТС лопаток ГТД в умовах експлуатації та діагностування в них тріщиноподібних пошкоджень на ранній стадії розвитку, який полягає у створенні наукових основ розробки системи віброакустичного моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації шляхом розвитку теоретичних засад віброакустичних методів діагностування, застосування ефективних методів обробки діагностичної інформації та сучасних інформаційних технологій для розпізнавання ТС лопаток ГТД.

1. На основі аналізу фізичної природи основних джерел вібраційного та акустичного збурення лопаток, характеру їх змінювання відповідно до режимів експлуатації ГТД, а також на основі розроблених та теоретично обґрунтованих моделей лопаток та робочих коліс розроблено і досліджено динамічну модель турболопатної машини як об'єкту віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. Динамічна модель характеризує стани ГТД за відсутності та наявності тріщиноподібного пошкодження в лопатці та забезпечує формування віброакустичних каналів, що пов'язують джерело вібраційного та акустичного збурення на стаціонарних і нестаціонарних режимах з реакцією відповідного робочого колеса та ГТД в цілому і відображають необхідне перетворення множини збурень у вимірювані вібраційні та акустичні сигнали.

2. В результаті дослідження впливу тріщиноподібного пошкодження на параметри та характеристики вільних та вимушених коливань моделей лопатки при стаціонарному збуренні встановлено, що:

- поява пошкодження призводить до появи в спектральній щільності вільних коливань залежних від параметру пошкодження складових низької інтенсивності на гармоніках основної частоти коливань лопатки, найбільш представницькими серед яких є складові на парних гармоніках (зокрема, на другій гармоніці), поява складових на непарних вищих гармоніках зумовлена початковою нелінійністю моделі лопатки;

- амплітуди вимушених нерезонансних коливань моделі лопатки при стаціонарному вібраційному збуренні зростають зі збільшенням параметру пошкодження відповідно до зростання додаткових складових в імпульсній характеристиці моделі лопатки, спектральна щільність коливань збагачується додатковими складовими низької інтенсивності;

- для малих значень параметру пошкодження =0,01,...,0,05 його вплив на імпульсні характеристики нестаціонарної моделі лопатки з урахуванням розсіювання енергії та моделі лопатки без урахування розсіювання енергії є ідентичним за умови обмеження імпульсних характеристик найбільш представницькими постійною складовою та першими двома гармоніками.

3. Вперше проведено дослідження коливань моделей лопаток без пошкодження та з тріщиноподібним пошкодженням при нестаціонарному вібраційному збуренні. Встановлено, що при повільній зміні частоти вібраційного збурення коливання лопатки є нестаціонарним процесом зі змінною частотою, амплітуда якого змінюється за формою амплітудно-частотної характеристики моделі лопатки. При швидкій зміні частоті вібраційна дія збуджує вільні згасаючі коливання лопаток, амплітуда яких залежить від швидкості змінювання частоти. Збуджені нестаціонарною дією коливання моделі лопатки з пошкодженням являють собою полігармонічний процес, середнє значення та амплітуди складових якого є функціями параметру тріщиноподібного пошкодження.

4. Отримано нові аналітичні вирази та визначено вплив тріщиноподібного пошкодження на кореляційні та спектральні характеристики коливань моделі лопатки при нестаціонарному вузькосмуговому вібраційному збуренні. Показано, що поява та розвиток пошкодження в інтервалі значень = 0,01...0,1 призводить до змінювання за формою та значенням авто- та взаємних кореляційних функцій в різних перерізах, а також до появи в спектральній щільності нестаціонарних коливань лопатки складових низької інтенсивності на вищих гармоніках власної частоти моделі лопатки з пошкодженням, найбільш представницькою з яких є складова на другій гармоніці.

5. Запропоновано та обґрунтовано доцільність використання методів багатомірного спектрального аналізу, частотно-часових перетворень, масштабно-часового перетворення та чисельних характеристик віброакустичних сигналів для обробки діагностичної інформації на стаціонарному та нестаціонарних режимах експлуатації ГТД. Вперше в результаті чисельного та фізичного моделювання для кожного з режимів встановлено закономірності впливу тріщиноподібного пошкодження на оцінки модуля біспектру, частотно-часові оцінки та безрозмірні амплітудні дискримінанти віброакустичних сигналів і складових їх вейвлет - перетворення. Визначено та досліджено діагностичні ознаки пошкодження, встановлено, що для діагностики початкового розвитку пошкодження найбільш інформативними є ознаки, які визначаються на нестаціонарних режимах вібраційного збурення, зокрема, на режимі прийомистості.

6. Вперше за отриманими аналітичними залежностями проведено оцінювання параметру тріщиноподібного пошкодження за визначеними безрозмірними амплітудними дискримінантами на стаціонарному та нестаціонарних режимах роботи ГТД. Отримані оцінки є прийнятними на режимі прийомистості в усьому діапазоні розглянутих значень = 0,01...0,1, а на стаціонарному режимі та режимі дроселювання - при оцінюванні тріщиноподібних пошкоджень в інтервалі значень .

7. Розроблено методичні засади використання нейронних мереж для розпізнавання ТС лопаток ГТД за результатами обробки діагностичної інформації в процесі експлуатації. Вперше для моделі робочого колеса ГТД на стаціонарному та нестаціонарних режимах вібраційного збурення проведено розпізнавання ТС лопаток з використанням імовірнісної нейронної мережі за кількісними діагностичними ознаками та ознаками у вигляді контурних зображень. Визначено значення параметру впливу мережі, за якого забезпечується максимальне значення вірогідності розпізнавання за кількісними діагностичними ознаками для кожного з режимів вібраційного збурення. Встановлено діапазон значень параметру впливу мережі, в якому забезпечується безпомилкове розпізнавання ТС лопаток за результатами оцінювання модуля біспектру у вигляді контурних зображень для початкових пошкоджень 0,05.

8. Розроблено вимірювальну систему для моделювання окремих етапів та всього процесу діагностування тріщиноподібних пошкоджень лопаток в об'єктах діагностики різної складності (одна лопатка, робочі колеса, турболопатна машина) на стаціонарних та нестаціонарних режимах вібраційного збурення.

9. Проведені дослідження підтвердили ефективність застосування віброакустичних методів для моніторингу, діагностики та оцінювання тріщиноподібних пошкоджень в лопатках ГТД на стаціонарних та нестаціонарних режимах експлуатації. На основі отриманих результатів проведено наукове обґрунтування структурного синтезу системи віброакустичної діагностики тріщиноподібних пошкоджень лопаток, як складової інтегрованої автоматичної системи моніторингу ГТД. Обґрунтовано рекомендації по вибору елементів вимірювальної системи для забезпечення фізичного формування вимірювальних каналів та розроблено методику віброакустичного діагностування тріщиноподібних пошкоджень під час доведення чи відновлення ГТД, в процесі експлуатації, в процесі обслуговування перед експлуатацією.

10. Результати роботи впроваджено в практику контролю авіаційної техніки на ДП завод 410 ЦА (м. Київ). За розробленою методикою вимірювань та обробки діагностичної інформації було зроблено наукове обґрунтування експлуатації лопатей несучих гвинтів вертольота Ка-26 зі збільшеним призначеним строком служби, на основі якого прийнято відповідне Рішення Державного департаменту авіаційного транспорту України №ДКР-0050/Ка-26-2003 від 11.04.2003р. Результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри приладів та систем орієнтації та навігації Національного технічного університету України "КПІ" (м. Київ), Інституту новітніх технологій Національного авіаційного університеті (м. Київ).

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

Бурау Н.І., Гельман Л.М. Теоретичні основи діагностичного низькочастотного акустичного методу вільних коливань // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 1998. - №3. - С.107-110.

Здобувачем отримано та проаналізовано вирази для спектральної щільності вільних коливань лопатки з тріщиною, визначено і проаналізовано діагностичні ознаки.

Бурау Н.І., Боярчук А.О., Гельман Л.М. Неруйнівне оцінювання тріщин на основі частоти вільних коливань виробів // Вісник ЖІТІ, 1998. - №7/Технічні науки. - С.129-133.

Здобувачем отримано нові аналітичні вирази для визначення оцінки параметру тріщини на основі зміни власної частоти коливань лопатки.

Бурау Н.І., Бертман О.А., Гельман Л.М. Аналіз параметрів нелінійних коливань об`єкту для діагностики та оцінювання втомних тріщин методом вільних коливань // Вісник ЖІТІ, 1998. - №8 /Технічні науки. - С.7-11.

Здобувачем отримано та проаналізовано нові вирази для вільних коливань моделі лопатки з тріщиною з урахуванням початкової нелінійності, вирази для визначення частот нелінійних коливань та спектральної щільності.

Бурау Н.І., Гельман Л.М., Марчук П.І. Пасивно-активний вібро-акустичний метод діагностики обертових деталей авіаційних двигунів // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т "ХАИ", 1998. - Вып. 5. - С.374-378.

Здобувачем отримано та проаналізовано нові аналітичні вирази для коливань моделі лопатки з пошкодженням при нестаціонарному вібраційному збуренні.

Бурау Н.І. Аналіз моделей об'єкта діагностики з кусково-лінійною характеристикою відновлювальної сили і методів їх аналітичного дослідження // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 1999. - №3. - С.48-56.

Бурау Н.И., Гельман Л.М., Тяпченко А.Н. Оценивание трещин в лопатках ГТД по изменению спектральных амплитуд акустического сигнала // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т "ХАИ", 1999. - Вып. 9. - С.284-288.

Здобувачем визначено та проаналізовано вільні коливання лопатки з тріщиною, визначено діагностичні ознаки, проведено аналіз отриманих оцінок.

Бурау Н.І., Марчук П.І. Дослідження коливань об`єкту діагностики за нестаціонарного вузькосмугового вібраційного збурення. Частина 1. Кореляційний аналіз // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №3. - С.31-39.

Здобувачем запропоновано моделі нестаціонарного збурення та лопатки з тріщиною, при безпосередній участі здобувача отримано усі залежності для кореляційних функцій нестаціонарних коливань моделей лопатки, особисто здобувачем - узагальнене подання взаємної кореляційної функції, аналіз впливу тріщини на кореляційні функції нестаціонарних коливань лопатки.

Бурау Н.І., Марчук П.І. Дослідження коливань об`єкту діагностики за нестаціонарного вузькосмугового вібраційного збурення. Частина 2. Спектральний аналіз // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №5. - С.39-45.

Здобувачу належать безпосередня участь в отриманні усіх аналітичних залежностей для спектральних щільностей нестаціонарних коливань моделей лопатки, аналіз впливу тріщини на спектральну щільність нестаціонарних коливань лопатки.

Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. О статистических характеристиках оценок относительного размера трещины по методу высших гармоник // Дефектоскопия. - 2000. - №5. - С.89-95.

Здобувачем визначено та проаналізовано вільні коливання лопатки з тріщиною, діагностичні ознаки тріщини, проведено статистичний аналіз отриманих оцінок.

Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. Виброакустическая диагностика и оценивание усталостных трещин по изменению фазы спектральной плотности свободных колебаний изделий // Високі технології в машинобудуванні: Зб. наук. праць ХДПУ. - Харків, 2000. - Вип. 1(3). - С.32-37.

Здобувачу належать визначення дійсної та уявної частин спектральної щільності вільних коливань моделі лопатки з тріщиною, аналіз отриманих оцінок.

Бурау Н.И., Марчук П.И. О применении Wavelet-преобразования для обработки нестационарных сигналов в задачах виброакустической диагностики трещин в лопатках газотурбинных двигателей // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. Аэрокосмический ун-т "ХАИ", 2000. - Вып. 19. - С.443-448.

Здобувачем обґрунтовано доцільність застосування Вейвлет-перетворення, запропоновано методику та схеми моделювання, проаналізовано результати.

Бурау Н.І., Тяпченко О.М. Оцінювання втомних тріщин за зміною спектральної щільності потужності вільних коливань об'єкта // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №6. - С.67-75.

Здобувачу належать визначення дійсної та уявної частин спектральної щільності, визначення діагностичних ознак, аналіз отриманих оцінок.

Бурау Н.И. Динамическая модель газотурбинного двигателя как объекта виброакустической диагностики усталостных трещин в лопатках рабочих колес // Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - №1(17). - С.28-32.

Бурау Н.И., Марчук П.И. Виділення діагностичних ознак тріщини в лопатках авіаційних двигунів шляхом Вейвлет-перетворення нестаціонарного акустичного сигналу // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів: Зб.наук. праць: Київ-Львів, 2001. - Вип. 6. - С.219-226.

Здобувачем запропоновано методику та схеми моделювання та обробки сигналів, проведено аналіз та узагальнення результатів.

Бурау Н.І., Тяпченко О.М., Посуховський Д.В. Імітаційне моделювання процесу діагностики та оцінювання втомних тріщин за методом вільних коливань // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Харків, 2001. - Вип. 26. - С.151-153.

Здобувачем визначено методику та схему імітаційного моделювання, визначено модель лопатки з тріщиною, проведено аналіз та узагальнення результатів.

Бурау Н.И., Марчук П.И., Тяпченко А.Н. Анализ современных методов обработки акустических сигналов для их использования в задачах виброакусти-ческой диагностики // Акустичний вісник. - 2001. - 4, №4. - С.3-10.

Здобувачем запропоновано та обґрунтовано методи обробки інформації, проведено аналіз та узагальнення результатів.

Бурау Н.И. О новых направлениях в развитии виброакустических методов диагностики прочностных дефектов в лопатках газотурбинных двигателей // Вибрации в технике и технологии. - 2001. - №4(20). - С.45-48.

Бурау Н.И., Зажицкий А.В., Тяпченко А.Н. Классификация состояния объекта виброакустической диагностики с использованием нейротехнических структур // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Харків, 2002. - Вип. 31. - С.181-185.

Здобувачем проведено обґрунтування вибору типу нейронних мереж для розпізнавання стану лопаток.

Бурау Н.И. Теоретические исследования временных и частотных характеристик нестационарной модели виброакустической диагностики // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2002. - №1. - С.13-17.

Бурау Н.І., Сопілка Ю.В. Виділення діагностичних ознак початкових міцнісних дефектів в елементах машин і механізмів// Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2002. - №5. - С.54-58.

Здобувачем запропоновано використання безрозмірних амплітудних дискримінант, методики та схеми моделювання, проведено аналіз результатів.

Бурау Н.И., Марчук П.И., Яценко А.Б. Моделирование и анализ вибрационных процессов для диагностики роторных деталей турбомашин// Вибрации в технике и технологии. - 2002. - № 3(24). - С.15-18.

Здобувачем розроблено структуру, визначені вимоги до функціональних можливостей системи та всі аналітичні залежності для програмної реалізації.

Бурау Н.И., Сопилка Ю.В. Повышение чувствительности дискриминантных признаков трещины в задачах виброакустической диагностики элементов роторных систем // Акустичний вісник. - 2003. - Т.6, №. 3- С.10-17.

Здобувачем запропоновано використання попередньої обробки виміряних сигналів за Вейвлет-перетворенням, проаналізовано отримані результати.

Игнатович С.Р., Бурау Н.И., Тяпченко А.Н. Результаты экспериментальных исследований виброакустического метода свободных колебаний для диагностики роторных элементов авиационных двигателей // Авіаційно-космічна техніка і технологія. - Харків, 2003. - Вип. 40/5. - С.79-81.

Здобувачем розроблено методику експериментальних досліджень, проаналізовано результати.

Бурау Н.І., Зажицький О.В. Аналіз ефективності розпізнавання технічного стану об'єкту віброакустичної діагностики нейронними мережами // Методи та прилади контролю якості. - 2003. - №11. - С.21-26.

Здобувачем запропоновано методику дослідження ефективності розпізнавання та нелінійне перетворення ознак для підвищення ефективності.

Бурау Н.И., Зажицкий А.В., Сопилка Ю.В. Распознавание состояния объекта виброакустической диагностики по результатам многомерного

спектрального анализа// Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2004. - №2 .- С. 3-8.

Здобувачем запропоновано використання біспектрального аналізу, методики та схеми моделювання, проведено аналіз ефективності розпізнавання.

Бурау Н.И. Оценка информативности диагностических признаков трещинно-подобных повреждений в лопатках ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: "ХАИ", 2004. - Вып. 7(15). - С.179-183.

Бурау Н.И., Игнатович С.Р., Сопилка Ю.В. Частотно-временной и биспектральный анализ виброакустических сигналов для диагностики трещин в лопатках авиационных ГТД //Вестник двигателестроения. - Запорожье: ОАО "Мотор Сич", 2004. - №4. - С.101-107.

Здобувачем розроблено методику фізичного моделювання робочого колеса, обґрунтовано використання методів обробки інформації, проаналізовано та узагальнено результати.

Bouraou N., Gelman L. Theoretical Bases of Free Oscillation Method for Acoustical Non-Destructive Testing // Proc. of the 1997 National Conf. on Noise Control Engineering, Pennsylvania State University, June 1997, USA. - 1997. - Book 1. - P.519-524.

Bouraou N., Bertman A., Gelman L. Low-Frequency Vibroacoustical Free Oscillation Method for Non-Destructive Testing and Evaluation of Fatigue Cracks // Proc. of the 2nd International Conf. on Computer Methods and Inverse Problems in NDT&D (Minsk, Belarus). - DGZfP, Berlin. - 1998. - P.51-56.

Бурау Н.І., Гельман Л.М. Теоретичні основи акустичного методу вимушених коливань для неруйнівного контролю обертових систем // Сб. тр. ІІ Международной конф. "Динамика роторных систем". - Хмельницкий: ТУП, 1998. - С.68-71.

Bouraou N., Marchuk P., Tyapchenko A. Vibroacoustical Diagnosis and Fault Evaluation of the Turbomachine Rotating Details // Proc. Of the XIX Congress on Vibration in Physical System, Poznan-Blazejevko (Poland). - 2000. - P. 66-67.

Bouraou N., Marchuk P., Tyapchenko A. Condition Monitoring Diagnosis Method of Aircraft Engine Rotating Details // Proc.of the 15th World Conf. On Non-Destructive Testing. - Italy: AIPnD, created by NDT.net. - 2000. - 11 p.

Бурау Н.И. Теория и применение методов свободных и вынужденных колебаний для диагностики повреждений вращающихся деталей авиационных двигателей // Тез. докл. Международной конф. по проблемам управления в трех томах, Т.2. - М.: Фонд "Проблемы управления", 1999. - С.137.

Bouraou N. Numerical Simulation and Signal Processing of the Non-Stationary Acoustical Signal for Fatigue Crack Extraction// Abstracts Book of the European Conference on NDT, Barcelona, Spain. - 2002. - p.55.

Бурау Н.И. Имитационное моделирование и обработка акустических сигналов для виброакустической диагностики усталостных трещин в лопатках газотурбинных двигателей// Тез. допов. ІІ Міжнародної наук.-техн. конф. "Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні". - Київ: Ін-т проблем міц-ності НАН України, 2004. - С.25-26.

Игнатович С.Р., Карускевич М.В., Бурау Н.И., Карускевич О.М. Комплексная диагностика усталостной поврежденности авиационных конструкций // Тез. допов. ІІ

Міжнародної наук.-техн. конф. "Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні". - Київ: Ін-т проблем міц-ності НАН України, 2004. - С.79-80.

Bouraou N.I., Protasov A.G., Zazhistskiy O.V., Sopilka Y.V. Decision Making of Aircraft Engine Blades Condition Based on Bispectral Analysis of the Vibroacoustical Signal // Abstracts on Review of Progress in QNDE, Golden, Colorado. - 2004. - p.68.

Размещено на Allbest.ru