Dozorowanie stanu technicznego węzłów łożyskowych i wybranych elementów transmisji zespołu napędowego

W monografii przedstawiono nowatorskie metody monitorowania zjawisk destrukcyjnych zachodzących w mechanicznych zespołach napędowych. Zawiera ona opis tych dyskretno-częstotliwościowych metod oraz wielu obserwowanych dzięki nim zagadnień dynamiki ruchu różnych elementów i podzespołów mechanicznych, m.in. łożysk tocznych. Dzięki praktycznemu zastosowaniu tych metod można dokładniej poznać procesy tribologiczne oraz inne zjawiska związane z dynamiką maszyn. Rolę obserwatora stanu technicznego mechanicznego zespołu napędowego (silnik z podporami łożyskowymi + elementy transmisji mocy mechanicznej + odbiorniki energii mechanicznej) odgrywa prądnica pokładowa: prądu przemiennego lub prądu stałego. Z uwagi na odmienne właściwości tych prądnic utworzono dwie metody badawcze: FAM-C dla prądnicy prądu przemiennego oraz FDM-A dla prądnicy prądu stałego. Metody te nie wymagają żadnego dodatkowego czujnika, lecz wykorzystują istniejące w strukturze obiektu (przeznaczone do zupełnie innych celów) prądnice elektroenergetyczne lub prądnice tachometryczne. Metody bazują na idei TTM (ang. tip timing method), zaproponowanej przez Campbella w 1924 r. [37, 302] w celu monitorowania ugięć łopatek turbin parowych, a stosowanej później także w praktyce w radiolokacji i w technice diagnostycznej. Żadna ze znanych metod diagnostycznych oparta na TTM nie wykorzystuje jednak prądnicy pokładowej jako przetwornika diagnostycznego. Co więcej, w TTM stosuje się czujniki [39, 145, 151, 298, 307] (reluktancyjny, optyczne, wiroprądowe, pojemnościowe, mikrofalowe) przyporządkowane do poszczególnych podzespołów mechanicznych. W metodach FAM-C i FDM-A jedna prądnica-przetwornik może dostarczyć w tym samym czasie danych o stanie technicznym wielu (praktycznie wszystkich) węzłów mechanicznych równocześnie. Możliwe jest obrazowanie ich w postaci oddzielnych zbiorów charakterystycznych. Cechę tę można nazwać uniwersalizmem metody. Każdy typ prądnicy ma właściwości filtra środkowoprzepustowego dla obserwowanych procesów dynamiki ruchu poszczególnych podzespołów mechanicznych. Każdy typ prądnicy, w zależności od konstrukcji, ma swoje pasmo obserwowalności, zwane w dalszej części opracowania oknem obserwowalności. Jednocześnie węzły mechaniczne, zwłaszcza lotniczych zespołów napędowych, mają bardzo zróżnicowane: pasma związane ze swoją dynamiką ruchu oraz częstotliwości znamionowe (zwane częstotliwościami podnośnymi) związane ze znamionową prędkością obrotową określoną na schemacie kinematycznym. Dlatego też pojedyncza prądnica jest w stanie objąć swoim oknem obserwowalności tylko część z tych węzłów mechanicznych. Zazwyczaj prądnice prądu przemiennego mają okno obserwowalności dla niższych pasm częstotliwości, zaś prądnice prądu stałego dla wyższych. Aby zwiększyć możliwości monitorowania większej liczby węzłów mechanicznych danego zespołu napędowego, autor zaproponował wykonywanie pomiarów diagnostycznych przy pomocy kilku typów pokładowych prądnic równocześnie. Proponuje także różne konfiguracje pomiarowe poszczególnych prądnic, zmieniające ich pasmo obserwowalności. Umożliwia to sterowanie możliwościami monitorowania różnych podzespołów zespołu napędowego, rozdzielczością obserwacji oraz oknem pasma obserwowalności dynamiki ich ruchu. Pierwotne sygnały diagnostyczne poszczególnych par kinematycznych są zsynchronizowane ze swoimi częstotliwościami znamionowymi, zwanymi dalej podnośnymi. Zależności te są zachowane po ich przeniesieniu do pasma wyższej częstotliwości przez prądnicę-przetwornik pełniącą funkcję modulatora (mieszacza częstotliwościowego) i wzmacniacza (elektromaszynowego). Przemiana pierwotnych sygnałów diagnostycznych (zmodulowań prędkości kątowych) jest przetwarzana w sygnał napięciowy, odbywa się synchronicznie. W dodatku nabiegunniki stojana i żłobki wirnika tworzą swoisty noniusz prądnicy. Synchronizm procesu przemiany sygnału i wspomniany noniusz umożliwiają uzyskanie znacznie wyższych czułości i rozdzielczości niż w innych metodach diagnostycznych opartych na TTM. Metodami FAM-C i FDM-A łatwo można określić stan techniczny i związaną z nim tzw. dobroć mechaniczną poszczególnych węzłów mechanicznych zespołu napędowego. W związku z tym można wykryć lokalne i strukturalne rezonanse. Dlatego też prądnica pokładowa jest dobrym narzędziem obserwacji i identyfikacji stanu technicznego zarówno poszczególnych par kinematycznych, jak i całych zespołów napędowych. Potwierdzają to eksperymenty czynne i bierne wykonywane na obiektach rzeczywistych. Autor przedstawił liczne praktyczne zastosowania tych metod w procesie diagnozowania węzłów łożyskowych i elementów transmisji zespołu napędowego. Zostały tu także uporządkowane obserwacje autora dotyczące dynamiki pod-zespołów, a także różne typy uszkodzeń – w grupy, w zależności od względnej szerokości pasma zajmowanego przez poszczególne zbiory punktów charaktery-stycznych generowane przez dany podzespół. W monografii przedstawiono również systematykę rozpoznania modelu zużycia tribologicznego łożyska tocznego i kryteria oceny jego stanu technicznego na podstawie parametrów otrzymanych z prądnic-przetworników. Wszystkie charakterystyki łożysk wyznaczane są dla kilku kolejnych znamionowych prędkości obrotowych. Tak więc obserwacje diagnostyczne poszczególnych par kinematycznych metodami FAM-C i FDM-A prowadzone są w przestrzeni trójwymiarowej: a) dewiacji częstotliwości ΔF [Hz], b) częstotliwości procesu modulacji częstotliwości fp [Hz], c) znamionowej prędkości obrotowej n [obr/min] wału głównego silnika napędowego danego zespołu napędowego. Wprowadzenie trzeciej osi 0-n umożliwiło obserwację zmian wielu proce-sów tribologicznych, takich jak: oddziaływanie sił hydromechanicznych na elementy toczne lub powstawanie i rozwój procesów rezonansowych elementów ruchomych łożysk tocznych. Dla zagadnień związanych z długookresowymi procesami tribologicznymi łożysk tocznych wprowadzono także czwartą oś – czasu eksploatacji θ [h]. Dzięki wprowadzeniu tej osi zaobserwowano na obiektach rzeczywistych zmiany rodzaju modelu tribologicznego, a co za tym idzie – zmiany stanu technicznego dla tego samego łożyska w procesie jego eksploatacji. Metody FAM-C i FDM-A nie eliminują z procesu diagnostycznego innych (np. wibroakustycznych) metod diagnostycznych, a są raczej ich uzupełnieniem. Jednakże dla wielu obiektów i dla wielu istotnych zjawisk związanych z dynamiką ruchu mechanicznych zespołów napędowych i ich monitorowania mogą stać się w przyszłości wiodące w badaniach diagnostycznych. Są łatwe do automatyzacji i przetwarzania komputerowego. Łatwo więc można konstruować pokładowe i naziemne systemy diagnostyczne oraz systemy ostrzegania i alarmowania o zagrożeniu struktury mechanicznej zespołu napędowego. Jak się okazuje, meto-dy te mogą być stosowane do wszystkich rodzajów zespołów napędowych, sprzężonych strukturalnie z prądnicą (prądu stałego albo przemiennego), prądniczką tachometryczną lub czujnikiem ruchu z wyjściem napięciowym. Zmodulowane informacje diagnostyczne przesyłane są przez pokładową sieć elektryczną pomiędzy prądnicą-przetwornikiem a układem pomiarowym. Urządzenie pomiarowe bazujące na metodach FAM-C i FDM-A może być przyłączone do dowolnego punktu sieci elektroenergetycznej. Jest to istotny aspekt ergonomiczny i ekonomiczny, zwiększający możliwość zastosowania tych metod do diagnozowania miejsc niebezpiecznych lub trudno dostępnych, które cechują wysokie temperatury, duże wysokości (względem podłoża), wysokie ciśnienie, utrudniony dostęp do podzespołu (skupienie wokół niego wielu elementów mechanicznych lub elektrycznych). Metody FAM-C i FDM-A nie wymagają żadnych dodatkowych czujników – są dzięki temu szybkie w przygotowaniu badania i nieingerencyjne w działaniu.