ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Волновое 3D-фазочувствительное преобразование напряженно-деформирован-ных состояний - фундаментальная информационная технология многомерной реконструкции вибропортретов для систем интеллектуального мониторинга, достоверной интегральной оценки эксплуатационного ресурса прочности, объективного прогнозирования техногенной опасности и управления рисками ЧС критически важных для национальной безопасности объектов»

Рекомендуемая область пременения

Авиация и космос, тепловая и атомная энергетика, добыча и транспортировка топлива, водный, железнодорожный и автотранспорт, общее и тяжелое машиностроение, промышленное, гражданское, военное строительство, культурно-спортивно-развлекательные общественные комплексы, транспортные природно-технические системы и сейсмоопасные объекты:
- динамические силовые агрегаты и механизмы, преобразующие энергию в движение и наоборот: авиадвигатели, вентиляторы, турбины, компрессоры, генераторы, турбоагрегаты, насосы и иные силовые агрегаты;
- статические силовые конструкции, испытывающие статические и динамические природно-технические воздействия: здания и сооружения, фундаменты, опоры, причалы, мосты, вантовые конструкции, трубопроводы, метро, аэродромы, монорельсовые и скоростные магистрали, плотины, тоннели и другие транспортные природно-технические системы.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта –разработка прорывных универсальных приложений фундаментальной информационной технологии многомерной реконструкции вибропортретов на основе достоверного волнового 3D-фазочувствительного преобразования напряженно-деформированных состояний техногенно-опасных объектов.

Векторная виброметрия, являясь эффективным инструментом наблюдения, предвидения и предотвращения критических состояний механических систем, в совокупности с современными универсальными возможностями компьютерной реконструкции напряженно-деформированных состояний являются фундаментальной основой для интегральной оценки эксплуатационного ресурса и техногенной безопасности объектов среды обитания. При этом, достигается существенный многоплановый общественный эффект:

* Практическая экономия материальных, финансовых и трудовых ресурсов общества определяет высокую социальную значимость отечественной инновационной информационной технологии в области мониторинга техногенной безопасности и предотвращения ЧС.

* Отраслевые приложения векторной виброметрии подтверждают её фундаментальный научный и высокий экономический эффект в метрологических, исследовательских, мониторинговых, балансировочных и контрольно-диагностических применениях при создании и эксплуатации критически важных объектов (КВО) и образцов новой техники.

* Интеллектуальный мониторинг напряженно-деформированных состояний силовых агрегатов и нагруженных конструкций, реализованный на современных метрологических технологиях и программно-аппаратных средствах, может стать важнейшим объектным и системным компонентом мирового технологического уровня в составе Федеральной службы мониторинга (ФСМ) КВО.

* Существенная минимизация ущерба от ЧС, возникающих вследствие критического износа и низкой эксплуатационной дисциплины в промышленности и строительстве, определяет эффективность государственных вложений в комплексы прецизионного вибродинамического контроля объектов ФСМ важнейших отраслей экономики: тепловой и атомной энергетики, космоса и авиации, добычи и транспортировки топлива, транспортных природно-технических систем и сейсмоопасных объектов, промышленного, гражданского и военного строительства, морского и наземного транспорта, ЖКХ, всех видов общего и тяжелого машиностроения, а также страхования рисков.

* Применение уникальных отечественных информационных технологий в составе базовых элементов ФСМ позволяет обогатить спектр и превзойти по отдельным показателям мировой уровень национальных систем техногенной безопасности.

Есть основания полагать, что универсальные методы векторной виброметрии составляют технологический приоритет России, являются разработкой мирового уровня,обладающей полной совместимостью с целями международной системы стандартизации и соответствующей общепринятым техническим регламентам.

Если организационно-техническая задача создания целостной государственной системы контроля техногенного состояния среды обитания для обеспечения безопасной жизнедеятельности населения решается практически, то научно-технологическое обеспечение повышения эффективности реализации единой государственной политики в области  защиты населения и территорий от ЧС природного и техногенного характера явно отстает. Участившиеся ЧС на объектах жизнеобеспечения и массового присутствия людей свидетельствуют о том, что государство не располагает эффективными инструментами достоверного мониторинга и предотвращения критических состояний промышленных, природно-технических и общественных объектов повышенной техногенной опасности. По прогнозам МЧС, если не принять экстренных мер в отношении КВО, с учетом объемов и степени критического износа промышленного оборудования и объектов строительства, количество техногенных катастроф будет возрастать.

В рамках социально ориентированной инновационной стратегии РФ представляется необходимым отнести техногенную безопасность к важнейшим общественно-значимым национальным приоритетам и направить имеющиеся в распоряжении общества интеллектуальные ресурсы в виде прорывного фундаментального научно-технологического потенциала на создание целостной системы государственного обеспечения конституционно и законодательно закрепленных прав безопасной жизнедеятельности собственных граждан. Пришло время востребовать отечественные конкурентоспособные стратегические инновации для создания системы достоверного мониторинга и эффективного прогноза техногенной опасности. Безопасность среды обитания должна стать не только социально ориентированным инновационным проектом, но и стратегическим региональным бизнесом.

Представляется обоснованным ускорить практические шаги в следующих направлениях:

* Информационно-аналитическое и научно-техническое обеспечение достоверного мониторинга, оценки динамики, объективного прогнозирования и управления техногенными рисками КВО (с последующим охватом всех объектов повышенной техногенной опасности).

* Создание эффективных механизмов ФСМ, научных методов, инновационных технологий, систем, комплексов и средств автоматизированной подготовки, передачи и визуализации информации для принятия решений в сфере проектирования, строительства и эксплуатации критически важных и потенциально опасных объектов.

* Внедрение российских технологий прочностного аудита напряженно-деформированных состояний в функции ключевого дифференциатора качества и непрерывного эксплуатационного мониторинга в функции прогнозного интегратора техногенной опасности.

В основе техногенной безопасности КВО (как статических нагруженных конструкций, так и силовых динамических агрегатов) лежит конструкционный запас прочности, адекватный разрушающему влиянию упруго-пластических деформаций от механических воздействий и возмущений. Механическая безопасность через технические регламенты обеспечивает все виды промышленной безопасности и может быть причиной или следствием нарушения практически всех видов безопасности, определенных Федеральным законом «Об основах технического регулирования»: пожарной, химической, биологической, электрической, термической, ядерной и радиационной. Это обстоятельство позволяет считать мониторинг физических явлений и процессов механического диапазона частот всеобщей основой техногенной безопасности. К сожалению, мировая метрологическая практика не обеспечивает достоверных методов и способов оценки эксплуатационных ресурсов механических систем. Однако, прорывные инновационные информационные технологии российские ученых свидетельствуют о том, что Россия располагает фундаментальными научными разработками мирового уровня в области техногенной безопасности среды обитания. К ним относятся:

* Креативные методы Волновой векторной виброметрии, являющиеся эффективным инструментом достоверного эксплуатационного мониторинга и предотвращения ЧС на промышленных, природно-технических и общественных объектах, позволяют создать уникальную универсальную систему контроля техногенного состояния КВО.

* Объектная волновая томография статических природно-технических систем и динамических силовых установок реализует идею интеллектуального 3D-мониторинга и непрерывной оценки интегрального эксплуатационного ресурса.

* Многомерная волноваяреконструкция вибропортретов - фундаментальная инновационная технология визуализации напряженно-деформированных состояний для оценки динамики, диагностики и прогнозирования техногенной безопасности.

Триединая задача, в основе которой современные наукоемкие технологии:

- метрология, реализовавшая информационно-технологический прорыв векторной виброметрии, и обеспечивающая единство и универсальность достоверных прецизионных 3D-измерений спектральных параметров механических деформаций;

-компьютерная обработка,реализовавшая инновационную технологию 3D-визуализации напряженно-деформированных состояний и фундаментальную идеологию многомерной волновой реконструкции вибропортретов;

- прикладные технологии,реализующие отраслевые методики контроля, наладки, диагностики и принятия решений на основе нормативов и технических регламентов.

Глобальная стратегическая цель: минимизация угрозы и ущерба населению, среде обитания и инфраструктуре РФ от катастроф техногенного и природного характера.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Способность материалов конструкций проявлять упруго-пластические реакции на статические и динамические механические воздействия, приводят к вибрационно-деформационным процессам, которые, как известно, является предвестником опасности для жизни, здоровья, имущества, окружающей среды и причиной многих техногенных катастроф. При этом, значительная часть аварий связана с отсутствием достоверной информации о НДС техногенно-опасных объектов. Достоверная оценка вибрационного состояния оборудования и конструкций в различных отраслях промышленности позволяет поддерживать допустимый уровень деформаций и безопасную эксплуатацию.

Одним из наиболее информативных параметров, характеризующих НДС конструкции или механизма, является количество механической энергии, излучаемой в окружающее пространство. Как правило, эта энергия определяется с помощью пьезоэлектрических вибрационных преобразователей, имеющих ряд преимуществ перед другими типами преобразователей. Поскольку вибрация является пространственным процессом и её направление может изменяться во времени, то естественно предположить, что наиболее достоверные измерения НДС должны производиться средством измерения пространственной вибрации. Основной технической характеристикой процесса вибрации является вектор ускорения (скорости, перемещения), определяющий динамическое (вибрационное) состояние объекта. Измерение производится в наиболее информативных с точки зрения вероятной угрозы разрушения местах. Однако, используемые во всем мире датчики вибрации не позволяют успешно решать задачи вибромониторинга, и, в результате, общество достаточно часто испытывает проблемы и потрясения. Причина состоит в том, что абсолютное большинство используемых в мировой практике вибродатчиков представляют собой пьезоэлектрические однокомпонентные виброакселерометры, способные измерить лишь проекцию вектора вибро­ускорения на ось датчика, которая, в общем случае, меньше величины вектора. При этом, предельно допустимые аварийные значения нагрузки и уровни вибрации (отраслевые нормативы вибрации) предполагают использование достоверных измерений, соответ­ствующих фактическому вибрационному состоянию объекта. Оценка вибрации по одной из проекций вектора приводит к ошибочным представлениям о динамическом состоянии объекта, не позволяющим предвидеть усталостные, резонансные и другие критические ситуации. На устранение последствий катастроф и эксплуатационно-восстановительный ремонт тратятся значительные средства, которые можно существенно сэкономить путем создания объективной системы вибрационного контроля. Понимание проблемы привело к тому, что для особо ответственных случаев наиболее продвинутые на мировом рынке фирмы разработали и производят «трехкомпонентные» вибропреобразователи, представляющие собой конструкцию из трех ортогонально ориентированных однокомпонентных датчиков в общем корпусе. При таком инженерном решении проблемы чувствительные элементы датчиков, строго говоря, пространственно, физически и электрически разнесены и их измерения, как следствие, имеют фазовые рассогласования. Обстоятельство существенно настолько, что с целью его устранения подобные конструкции принято оснащать разнообразными, в том числе встраиваемыми, электронными корректорами-кондиционерами электрических сигналов,  что, естественно,  снижает достоверность информации. Актуальность проблемы объективного вибромониторинга  подтверждается мировой тенденцией реконструкции «вибропортретов», целью создания которых и является максимальное обеспечение разработчиков, производственников, эксплуатационников и ремонтников достоверной информацией о напряженно-деформированном состоянии объекта.

Один из ведущих мировых производителей виброизмерительной техники датская фирма «Bruel & Kj?r», кооперированная с американским лидером «Endevco», впервые осуществила попытку создания прибора для измерения всех трех компонент вектора на одном кристалле, в единой измерительной точке. Разработчики столкнулись с рядом проблем, центральной из которых оказалась известная проблема поперечной чувствительности. Суть ее состоит в следующем. При полном совпадении направления вектора с измерительной осью кристалла происходит достаточно точное измерение величины виброускорения, при этом, на гранях пьезокристалла в направлении двух других координат также образуются электрические заряды, определяемые свойством поперечной чувствительности.  При ортогональном относительно измерительной оси датчика  расположении вектора виброускорения, в её направлении также образуется заряд, определяемый свойством поперечной чувствительности. Это свойство, подчас, существенно влияет на достоверность измерения параметров вибрации. Многолетние исследования и эксперименты мирового лидера привели к созданию трехкомпонентной модели 4506 B&K на основе пьезокристалла цилиндрической формы, но с поперечной чувствительностью, соизмеримой с полезным сигналом. К сожалению, измерения такого датчика нельзя отождествлять с проекциями вектора виброускорения. Известная швейцарская фирма KISTLER, со слов её российского представителя, много лет безуспешно пытается создать однокристаллический композитный трехкомпонентный вибропреобразователь. Приведенные и другие факты подтверждают стремление международного метрологического сообщества к созданию датчиков пространственной вибрации с одним чувствительным элементом. 

В России исследования по созданию векторных (трехкомпонентных с одним чувствительным элементом) вибропреобразователей велись инициативно учеными-кристаллографами Академии наук более 40 лет.

На основе фундаментальных научных исследований Института кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН Научно-производственным предприятием «РЭМ-вибро» впервые в мировой практике решены проблемы поперечной чувствительности и синфазности компонент вектора виброускорения, измеряемых в декартовой системе координат. Создан, испытан и сертифицирован принципиально новый тип средств измерений – волновой фазочувствительный векторный 3D-вибропреобразователь (ВВ) абсолютной пространственной виброции. Совет по проблеме «Акустика» Академии наук РФ признал правомерными физические основы, заложенные в создание конструкции пьезоэлектрического трехкомпонентного виброакселерометра с одним чувствительным элементом. Суть изобретения состоит в том, что при изготовлении пьезопакетника производится прецизионная пространственная операция нормализации зарядообразующей функции пьезоэлемента. При совпадении любой из его измерительных осей с направлением вектора вибрации на паре ортогональных плоскостей пьезоэлемента образуется заряд, пропорциональный величине виброускорения, на остальных четырех гранях заряды отсутствуют вовсе, что следует из теории симметрии и тензорного анализа. В общем случае, пространственный вектор виброускорения проектируется одновременно на три ортогональные измерительные оси в соотвествии с передаточными функциями (пьезомодулями, коэффициентами преобразования) пьезопакетника ВВ. Теоретически, относительный коэффициент поперечного преобразования равен нулю - поперечная чувствительность преобразователя должна отсутствовать, что можно представить в виде матрицы коэффициентов преобразования (чувствительности) каналов по всем трем координатам, как это показано в таблице №1. На практике, поперечная чувствительность ВВ составляет 1?2% и укладывается в общие требования (<5%) мировых производителей однокомпонентных датчиков. Даже при использовании отечественных комплектующих достигнуты характеристики, превосходящие аналогичные характеристики датчиков мировых лидеров - типов 4506 Bruel & Kj?r и 2228С Endevco (таблица №2).

Таблица №1 проекции измеряемой вибрации

По мнению ФГУП «ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» - ведущей в области виброметрии федеральной организации, являющейся хранителем государственных эталонов в области вибрации, ударного движения и переменных давлений… «создание такого преобразователя нового поколения является чрезвычайно актуальной научной и технической задачей».В связи с отсутствием в России адекватных методик, векторный датчик сертифицирован Госстандартом с учетом метрологических испытаний у ведущих мировых производителей виброиспытательного оборудования - фирмы «Vibro-Meter» (Швейцария) и фирмы «Bruel & Kj?r» (Дания), которые подтвердили полное соответствие отечественных векторных датчиков заявленным авторами характеристикам, превосходящим лучшие мировые однокомпонентные «аналоги».

Таблица №2

Исследования и сравнительные испытания показали, что информационно-диагностические характеристики ВВ с одним чувствительным элементом концептуально универсальны и превосходят возможности любых комбинаций однокомпонентных датчиков. Уникальные возможности отечественных ВВ позволяют воспроизводить наиболее полный образ волнового поля механических колебаний каждой вибрирующей точки объекта изучения. Полнота информации состоит в способности векторного средства измерения регистрировать во всем спектре измеряемых частот проекции амплитуды и фазы, определять текущее направление вектора распространяющихся колебаний. По весо-габаритным характеристикам ВВ превосходят лучшие образцы однокомпонентных датчиков, что позволяет экономить место и вес в случаях специальных применений.  Информацию векторных датчиков можно считать достоверной в связи с отсутствием поперечной чувствительности (в общепринятом метрологическом понимании) при полной синфазности всех компонент вектора, измеряемых «однокристаллическим» трехкомпонентным вибропреобразователем. 

Сравнительная информативность разных типов пьезоэлектрических датчиков абсолютной вибрации – однокомпонентных и трехкомпонентных на их основе, с векторными вибропреобразователями показана в таблице №3.

Таблица №3

Принципиальным отличием прорывной отечественной инновации от любых комбинаций однокомпонентных вибропреобразователей являетсяполная адекватность тензорных представлений свойств пьезоэлементаВВдеформационным критериям прочности на основе обобщенных инвариантов тензора напряжений, определяющих реальные свойства материала (конструкции). Реализован принцип физического подобиявибрационно-диагностических деформационных характеристиксредства измерения интегральным прочностным характеристикам напряженно-деформированных состояний объектов исследований в измерительных точках.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Принципиальное отличие инновации состоит в том, что пространственное преобразование деформаций измерительной точки производит один чувствительный элемент (пьезопакетник) в виде прямоугольного параллелепипеда определенной симметрии и ориентации.

Принцип преобразования показан на рис.1.

Рис. 1. Принцип работы пьезоэлектрического преобразователя.

Если вектор виброускорения а направлен вдоль оси Z, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси Z; если вектор анаправлен вдоль оси Y, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси Y. И, наконец, если вектор а направлен вдоль оси X, то заряды возникают лишь на гранях, перпендикулярных оси X. В каждом из этих трех случаев на остальных четырех гранях зарядов вообще не будет, что следует из теории симметрии и тензорного анализа. Главное отличие векторного вибропреобразователя от известных аналогов заключается не в том, что одни параметры лучше, а другие хуже, а в том, что только он имеет единую измерительную точку и позволяет по трем проекциям получить достоверный спектр вектора виброускорений  в этой точке. Датчик работает в комплекте с трехканальным усилителем заряда, имеющим симметричный (дифференциальный) высокоомный вход и несимметричный низкоомный выход. К усилителю прилагается блок питания постоянного тока + 5 В. В зависимости от схемы применения, усилитель может быть интегрирующим или с другими специальными требованиями.

Объемные экспериментальные исследования с применением ВВ со всей очевидностью показали высокий уровень обоснованности и достоверности прямого способа измерения волновых параметров абсолютной пространственной вибрации. При этом, реализован принцип высокого физического подобиявибрационно-диагностических деформационных характеристиксредства измерения интегральным прочностным характеристикам НДС объектов исследований в измерительных точках. Это обстоятельство, по мнению РФФИ, является прорывным, универсальным и фундаментальным для применения во всех областях машиностроения и строительства, в которых главным фактором является прецизионный мониторинг текущего состояния для достоверной интегральной оценки эксплуатационного ресурса прочности, объективного прогнозирования и управления техногенными рисками.

Проведены многочисленные сравнительные испытания информативности штатных однокомпонентных вибродатчиков с ВВ нового поколения. Например, результаты испытаний в реальных условиях на конкретном характерном режиме эксплуатируемого авиационного двигателя показали, что при высокой степени совпадения измерений штатного датчика, установленного на двигателе параллельно оси Z, с измерениями вдоль соответствующей оси ВВ составили 1,5g. При этом, вдоль оси XВВ ускорение составило 5g, а вдоль оси Y – 5,5g. Таким образом, измеренное с помощью векторного датчика подлинное вибро-ускорение составило 7,6g при одновременном показании штатного датчика 1,5g, т.е. показания штатного датчика занижены в 5 раз, как показано ниже на рис. 2.

Рис. 2. Штатная компонента вибрация Z в сравнении с другими компонентами X и Y (СКЗ в диапазоне частот 0 – 600 Гц).

Аналогичные испытания на авиадвигателях, проведенные ЦИАМ им. П.И.Баранова, НТЦ им. А.Люльки, НПО «Сатурн», подтвердили тот факт, что использование однокомпонентных датчиков практически всегда приводит к заниженным показаниям значений величины истинного вектора виброускорения. При этом, что чрезвычайно важно для обеспечения техногенной безопасности, предельно допустимые аварийные значения нагрузки и уровни вибрации - отраслевые нормативы, предполагают использование измерений, соответ­ствующих фактическому вибрационному состоянию объекта.

Использование ВВ в авиации, на промышленных объектах тепловой и ядерной энергетики, строительства, газовой и нефтяной промышленности открывает универсальные инновационные возможности вибромониторинга, вибродиагностики и, что особенно важно, виброналадки - балансировки. Прецизионная виброналадка на основе точного знания пространственного вектора абсолютной вибрации на этапах проектирования, опытного производства,  наладки, испытаний, эксплуатации, ремонта и продления ресурса позволяет повысить эксплуатационную надежность оборудования, предоставляет принципиально новые технологические возможности, каждая из которых приводит к экономии трудовых, материальных и финансовых ресурсов. Очевидны практическая целесообразность и стратегический экономический эффект от применения ВВ для обеспечения промышленной безопасности.

Универсальные возможности ВВ для достоверного пространственного мониторинга в интересах информационных, диагностических и балансировочных систем существенно расширяют традиционную сферу применения однокомпонентных средств измерений. Наиболее перспективными и глобальными направлениями инновационных приложений представляются:

1) – достоверная оценка эксплуатационного ресурса и прогнозирование техногенной опасности и

2) – вибрационная диагностика «по текущему состоянию» и волновые анизотропные исследования материалов и конструкций.

Фазочувствительность векторных вибропреобразователей дает основания для формирования подхода к построению достоверного вибропортрета. Несмотря на кажущуюся привлекательность и высокую информативность, непосредственное использование множества деформационных годографов в виде пространственных эллипсоидов для графического представления прочностных свойств объекта не представляется возможным. Вибропортрет как визуальный способ представления, оценки и прогноза соотношения проектно-расчетных, эксплуатационных и критических прочностных состояний объекта мониторинга, должен включать в себя достаточные возможности качественной оценки параметров упругих деформаций во всем диапазоне эксплуатационных режимов и внешних механических воздействий. Поэтому возникает естественное стремление к повышению мерности структуры вибропортретов. Правильная технология вибропортретирования при существующих возможностях прецизионной векторной виброметрии и многомерной компьютерной обработки позволяет автоматизировать вибромониторинг для диагностики и прогнозирования эксплуатационных прочностных свойств объектов.

Помимо трехмерного представления текущих координат измерительных точек, соотнесенных с пространственной ориентацией осей векторных вибропреобразователей,  представляется целесообразным введение в качестве четвертого измерения color-индикатора параметров деформаций (амплитуд абсолютных колебаний), качественно отражающих уровень вибрации относительно максимально допустимых значений. Для этого индикатора возможно выделить теплую «зелено-желто-оранжево-красную» область спектра с отнесением критических параметров упругих деформаций в инфракрасную его часть. Четырехмерное представление амплитудных деформаций можно обогатить введением в качестве пятого измерения color-индикатора степени податливости, качественно отражающей уровень относительной анизотропии прочности материала, конструкции или их дефектов. Для этого индикатора возможно выделить холодную «зелено-голубую-синюю-фиолетовую» область спектра с отнесением критических параметров упругих деформаций в ультрафиолетовую его часть. Важным обстоятельством является то, что для однозначности 5-мерного информационного пространства, перед введением color-индикации податливости необходимо провести нормирование относительно максимума max {А_max} в массиве color-индикации абсолютных параметров упругих деформаций по совокупности реакций (смещений) измерительных точек | А_i | на параметры характерных внешних возмущений и собственных динамических режимов, после чего следует произвести нормирование относительно максимума max {А_MAX / А_MIN = ?_i } вмассиве color-индикации анизотропии ? – по всему полю измерительных точек и внешних воздействий. Мерные шкалы color-индикаторов в полном диапазоне цветов и оттенков спектра образуют своеобразное двумерное пространство в координатах важнейших характеристик динамической прочности «анизотропия-деформации» с информационно-цветовой интерполяцией измеритель-ных точек. Графическое объединение уровневых зон идентичных параметров для критических состояний и предельных воздействий grafic-методами может повысить мерность представления об упруго-пластических деформационных свойствах объектов вибромониторинга. Особый интерес представляют инновационные возможности color-индикации и grafic-методов для исследований и эксплуатационной оценки и анализа вибрационно-прочностных характеристик областей концентрации нагрузок строительных конструкций, а также осевых, радиальных и опорных сечений силовых турбоагрегатов. Для этого достаточно выделение наиболее опасных мест и областей объекта мониторинга в поле цветовых индикаторов с помощью сплошных и прерывистых линий, формирование которых должно быть методически и эргономически обосновано.

Описанная выше процедура позволяет сформировать образ «статического» вибропортрета по множеству измерительных точек поверхности объекта мониторинга при конкретном стационарном гармоническом воздействии. Для реконструкции полноразмерного достоверного пространственного «динамического» вибропортрета описанную выше процедуру надо применить во всем диапазоне эксплуатационных режимов и характерных внешних механических воздействий. Дальнейшее повышение мерности изображения при достаточных вычислительных ресурсах позволяет формировать информационно-графические срезы – сечения конструкции, позволяющие качественно анализировать прочностные свойства, в том числе дефектообразование. С учетом общепринятых представлений о конструкционной прочности твердого деформируемого тела и наиболее известных обобщенных критериев прочности, к важнейшим параметрам оценки НДС следует отнести измеряемые и расчетные метрологические параметры:

а) компоненты тензора напряжений в функции воздействий;

б) вид напряженного состояния в функции нормальных и касательных напряжений;

в) характеристики концентраторов;

г) абсолютные величины и соотношение сопротивлений сдвигу и отрыву;

д) амплитудно-частотные  и спектральные характеристики деформирован-ного состояния;

е) фазо-частотные деформационные характеристики;

ж) предельные характеристики материала в функции условий нагружения;

з) показатели анизотропии;

и) связь пространственных напряжений и деформаций во времени;

к) амплитудно-анизотропный спектральный вибропортрет;

л) уровневые зоны спектральной оценки запаса прочности.

Достоверность метрологической оценки волновых механических деформационных реакций на внешние воздействия определяет степень физической адекватности характеристик НДС параметрам эксплуатационной конструкционной прочности. Наблюдаемое в последние годы стремление метрологического сообщества к объективной программно-аппаратной реконструкции НДС «по текущему состоянию» представляется в высшей степени актуальным.

Программные средства должны соответствовать универсальности аппаратной части и легко адаптироваться для конкретных вибрационных приложений. Методы, приемы и средства достоверной оценки напряженно-деформированных состояний и остаточного ресурса, позволяющие прогнозировать и предупреждать аварии и техногенные катастрофы во всех отраслях промышленности и строительстве, составляют фундаментальность информационной технологии векторной виброметрии.

Программная часть комплекса, помимо массивов параметрических измерений и расчетных параметров реконструкции, color- и Grafic-индикации, состоит из опорных продуктов:

3D – модель объекта мониторинга (проекции – изометрия - сечения),

3D – модель внешних воздействий (координаты и характеристики воздействий),

и прикладных продуктов 3D–вибрационных приложений:

– параметрическое вибропортретирование (проекции – изометрия – сечения, деформации),

– неразрушающий контроль (эксплуатационный мониторинг, оценка запаса прочности),

– техническая диагностика (вибрационные исследования, эксплуатационный прогноз),

– дефектоскопия (критические упруго-пластические деформации и усталостные дефекты),

– виброналадка / балансировка многоопорных силовых агрегатов (расчет корректирующих масс).

Совокупность прикладных технологий, воспроизводящих идеологию векторной виброметрии представлена измерительно-аналитической схемой достоверной реконструкции вибропортрета на рис.3.

Рис. 3. Структурная схема комплекса реконструкции вибропортрета.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Ожидаемая экономическая эффективность применения трехкомпонентных векторных преобразователей в системах диагностики компрессорного оборудования СДКО, выполненная по «Внутрикорпоративным правилам ОАО «Газпром» №70 от 16 августа 2004 г.,  «При ресурсном показателе 10 лет эксплуатации и нормативном сокращении затрат в среднем: на 4% при выполнении текущих и капитальных ремонтов ГПА и на 25% при расширенном их диагностировании, оценивается в размере 9,72 млрд. руб. по всем цехам Департамента транспорта газа.». РАО «ГАЗПРОМ» / РГУ нефти и газа.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Прорывные инновационные применения методов векторной виброметрии позволили практически реализовать высокоэффективные исследовательские проекты в следующих инженерных областях:

* МАШИНОСТРОЕНИЕ: «Впервые в мировой практике получено пространственное распределение вектора смещения измерительных точек в зависимости от фазовых соотношений пространственной вибрации, измеренное в трехмерной системе координат. Оказалось, что технические характеристики векторных преобразователей абсолютной пространственной вибрации с учетом фазовых соотношений проекций вектора, измеренных в единой точке, позволяют получать согласованные по фазе прецизионные контурные характеристики анизотропии прочности агрегатов и конструктивов любой сложности…Анализ контурных характеристик с применением векторных датчиков позволяет правильно и оперативно (online) оценивать реальные вибросостояния и выявлять автоколебания, области динамической податливости, ослабления креплений, дефекты подшипников, отрывы опор, механические повреждения (трещины), акустические и механические резонансы, усталостные проявления и другие отклонения… Впервые при проведении вибромониторинга опор турбоагрегата получила практическое подтверждение технологическая идея использования параметров пространственной вибрации для диагностики анизотропного сопротивления материала нагруженных конструкций разрушающим воздействиям вибрации.».

(ГТУ «Московский энергетический институт» / МОСЭНЕРГО РАО «ЕЭС России»).

* МЕТРОЛОГИЯ: «…внедрение измерений трехкомпонентной вибрации в диагностическую практику является актуальной, но довольно сложной научной, организационной, технической и методической проблемой. Именно внедрение измерений трехкомпонентной вибрации в практику позволит повысить достоверность диагностической информации, а, следовательно, увеличение вероятности безотказной работы диагностируемого оборудования, снижение вероятности возникновения техногенных катастроф и т.д.».

(ФГУП «ВНИИ метрологии  им. Д.И. Менделеева» Ростехрегулирования ).

* ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА: «Возможность точного определения пространственного вектора абсолютной вибрации и его использование в балансировочных расчетах позволяет резко повысить достоверность расчета корректирующих масс и их соответствие компенсируемой части распределенного дисбаланса валопровода. В результате балансировки шестиопорного валопровода энергетической ГТУ мощностью 100 МВт за одну итерацию исходную вибрацию опор по всем направлениям измерения удавалось снижать в 2 - 2,5 раза ниже нормативного уровня, допускаемого ПТЭ и ГОСТ 25364 - 98 для длительной эксплуатации, что исключало необходимость в корректировочных пусках, обычных для этих машин. Положительный результат, полученный в ходе исследования, совершенно очевиден, что позволяет с уверенностью рекомендовать векторные датчики к широкому применению при балансировке валопроводов турбоагрегатов. Вместе с тем, общепринятые в настоящее время регламенты виброналадки на основе недостоверной информации однокомпонентных датчиков приводят к трудоемкому многоитерационному процессу балансировки с экспоненциальным вхождением в заданные нормативы и, как следствие, требуют существенных материально-финансовых ресурсов, не обеспечивая при этом надежного качества».  (Всероссийский теплотехнический институт РАО «ЕЭС России»).

* АВИАЦИОННОЕ МОТОРОСТРОЕНИЕ: «Подтверждено, что информационно-диагностические возможности векторной виброметрии превосходят возможности датчиков пульсаций, тензометров и любых комбинаций однокомпонентных датчиков. Впервые в мировой практике убедительно показано, что фронт аэроупругих деформаций представляет собой не замкнутую гистерезисную форму в плоскости вентилятора, а имеет пространственный спиралеобразный характер распространения вдоль оси. Есть основания полагать, что методы, основанные на достоверном пространственном мониторинге, соответствуют мировому метрологическому уровню, полностью совместимы с целями международной системы стандартизации и соответствует общепринятым техническим регламентам. Очевидный положительный результат позволяет с уверенностью рекомендовать уникальные волновые фазочувствительные векторные вибропреобразователи отечественной разработки к широкому применению при эксплуатационном мониторинге аэроупругих автоколебательных процессов, напряженно-деформированных состояний и всех видах динамических прочностных исследований.». (ФГУП «ГНЦ ЦИАМ им.П.И.Баранова»).

* СТРОИТЕЛЬСТВО: « Достоверность метрологической оценки деформационных реакций на внешние механические воздействия определяет степень физической адекватности волновых характеристик напряженно-деформированных состояний (НДС) параметрам эксплуатационной конструкционной прочности. Наблюдаемое в последние годы стремление к объективной программно-аппаратной реконструкции НДС «по текущему состоянию» представляется в высшей степени актуальным. Использование достоверной пространственной информации о вибрации и ударе позволяет методами объектной волновой томографии получать достоверные «вибропортреты» конструкций, фундаментов и опор, более тонко оценивать влияния циклических, ударных, динамических, климатических и сейсмических нагрузок на объекты транспортных природно-технических систем. При наличии совершенного инструмента измерения параметров вибрации, каким являются векторные вибропреобразователи (ВВ), центральной задачей становится разработка методик непрерывного мониторинга, диагностики и прогнозирования безопасной эксплуатации объектов повышенной опасности.Научное обоснование целесообразности использования компонент вектора абсолютной вибрации и их фазовых характеристик состоит в том, что, в отличие от общепринятой практики однокомпонентных измерений вибрации (косвенные методы), достоверность и полнота информации о вибрации по совокупности пространственных измерений (прямые методы) позволяет воссоздать объективный вибропортрет объекта.».

(ОАО «ЦНИИ транспортного строительства»).

* ТРАНСПОРТИРОВКА ТОПЛИВА: В соответствии с Перечнем приоритетных научно-технических проблем ОАО «Газпром», в рамках Программы перехода к эксплуатации «по техническому состоянию», создаются автоматизированные системы высокой достоверности диагностирования. «На эти цели направлено использование вибропреобразователей векторного типа с монокристаллическим чувствительным элементом в рамках НИР ?Совершенствование системы диагностики компрессорного оборудования СДКО с применением трехкомпонентных векторных вибропреобразователей?.».(РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина / Управление инновационного развития ОАО «Газпром»).

* ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: Креативные инновационные возможности методов векторной виброметрии признаны прорывной информационной технологией. Грант № 05-08-33442 для финансирования научно-исследовательской темы «Разработка и исследование фундаментального метода вибрационной дефектоскопии для диагностики анизотропного сопротивления материалов и конструкций разрушающим воздействиям вибрации» выделен в конкурсе по направлению «Фундаментальные основы инженерных наук» на 2005?2007г.г. По отзывам экспертов «…средства измерений векторной виброметрии, характеризуемые прецизионностью, фазочувствительностью и синфазностью параметров колебательных реакций измерительных точек на возмущающие пространственные волны, превращает их в уникальный инновационный инструмент исследования динамических прочностных характеристик материалов, конструктивов и их эксплуатационных дефектов.». (РФФИ).

* ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ: Конституционные гарантии государства в области безопасности среды обитания сформулированы в Федеральном законе «Об основах технического регулирования в Российской Федерации» в качестве основной цели и задачи: «…обеспечение защиты жизни и здоровья граждан, имущества физических и юридических лиц, государственного и муниципального имущества, …обеспечение охраны окружающей среды».

Новые потребительские свойства продукции

1). Векторные вибропреобразователи по техническим характеристикам измерительных каналов не уступают лучшим мировым образцам однокомпонентных датчиков.
2). Векторные вибропреобразователи позволяют получить с одного чувствительного элемента полный спектр амплитудно-частотной и фазовой информации (АФЧХ) о векторе деформационного состояния объекта в измерительной точке, включая параметры анизотропии прочности.
3). Показатели поперечной чувствительности подтверждают неоспоримое преимущество векторных вибропреобразователей на мировом рынке измерительной техники.
4). Векторные вибропреобразователи позволяют получать достоверную (синфазную) информацию во всем спектре параметров, объективно характеризующих динамическое состояние подверженных деформационному разрушению силовых агрегатов и конструкций.
5). Синфазность компонент векторных вибропреобразователей реализует уникальное универсальное свойство фазовой чувствительности к волновым процессам распространения деформационных колебаний через измерительные точки.
6). Свойство фазовой чувствительности открывает фундаментальную возможность исследования анизотропии прочности во всех отраслях машиностроения и в строительстве.
7). Метрологические свойства векторных вибропреобразователей позволяют создавать уникальные приборы и системы динамического неразрушающего контроля и диагностики.
8). Методы векторной виброметрии позволяют на основе непрерывного мониторинга прогнозировать деформационное состояние нагруженных строительных конструкций, транспортных средств и природно-технических систем.
9). Возможность реконструкции «вибропортретов» силовых установок и несущих конструкций существенно повышает испытательно-исследовательскую информативность аэроупругих процессов и эксплуатационную безопасность аэрокосмической техники.
10). Векторные вибропреобразователи впервые открывают принципиально новые технологические возможности прецизионной балансировки сложных многоопорных систем.
11). Весо-габаритные характеристики векторных вибропреобразователей превосходят параметры лучших мировых образцов однокомпонентных датчиков, что позволяет экономить место и вес в специальных применениях.
12). Существует мнение, что волновые фазочувствительные векторные вибропреобразователи по возможностям достоверного мониторинга вибрационно-диагностических деформационных характеристик силовых турбоагрегатов и напряженно-деформированных состояний строительных конструкций информационно подобны методу пространственной голографии в оптическом диапазоне.
Концептуальный метод векторной виброметрии, основанный на применении 3D-фазочувствительных вибропреобразователей впервые в мировой практике позволяет достоверно оценивать реальные эксплуатационные ресурсы силовых агрегатов и нагруженных конструкций и открывает фундаментальные инновационные возможности:
- вести непрерывный (в режиме online) достоверный мониторинг «по текущему состоянию» во всех отраслях машиностроения (авиационная промышленность и судостроение, энергетика тепловая и атомная, добыча и транспортировка топлива, металлообработка, транспорт, приборостроение) и строительстве (промышленное, гражданское, транспортное, военное, общественное и природные сейсмоопасные объекты);
- управлять эксплуатационной безопасностью технических систем на всех этапах жизненного цикла: проектирования, опытного производства, наладки, испытаний, эксплуатации, ремонта и продления ресурса;
- создавать универсальные вибродинамические системы достоверного неразрушающего контроля и технической диагностики на основе анизотропных характеристик сопротивления материалов силовых агрегатов и нагруженных конструкций внешним воздействиям и эксплуатационным дефектам.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Новый тип средств измерений вибрации ВТК 3 утвержден Госстандартом РФ (сертификат RU.C.28.004.A № 12676, зарегистрирован в Госреестре средств измерений под №23241-02 11 июля 2002г.), прошел апробацию в ФГУП «ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» и «ВНИИ метрологии и стандартизации» Ростехрегулирования, РАО «Газпром», во Всероссийском теплотехническом институте РАО «ЕЭС России», ГНЦ РФ «Центральный институт авиационного моторостроения им.П.И.Баранова» и других предприятиях Роспрома.

Стадия и уровень разработки

Разработаны, запатентованы и серийно производятся 3 типа волновых 3D-фазочувствительных векторных вибропреобразователей для различных применений в энергетике, авиации и транспортировке топлива. Базовая модель ВТК 3 сертифицирована Госстандартом и внесена в Госреестр средств измерений. По заказу ЦНИИ Трансстроя разработан и проходит метрологические испытания сейсмочувствительный векторный вибропреобразователь, тип ВТК 9; по заказу РАО «Газпром» разрабатывается высокотемпературный (380оС) векторный вибропреобразователь, тип ВТК 5. Зарубежных аналогов волновым 3D-фазочувствительным векторным вибропреобразователям нет.
* Проведены совместные результативные в научном и практическом плане работы с ВТИ на ГРЭС-3 ОАО «Мосэнерго», с Московским энергетическим институтом (МЭИ) на ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго», с ВНИИГАЗ РАО «Газпром» на Шеморданском ЛПУ «Таттрансгаз», с ВНИИМС, с ФГУП «МОТОР» (г.Уфа) на стенде ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, с ГНЦ ЦИАМ им.П.И.Баранова, с НИЦ им. А. Люльки. * Получены положительные заключения Научного Совета по проблеме «Акустика» РАН, ФГУП «ВНИИ метрологии им. Д.И.Менделеева», Института кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН, Экспертного Совета по вибрации РАО «ЕЭС России», Института машиноведения РАН, ЦНИИТМАШ, МГТУ им. Н.Э.Баумана, ОКБ им. А.С.Яковлева, ОКБ им. Камова, НТУ ФС воздушного транспорта РФ, 1ГНИИ МО РФ. * Ведутся совместные НИОКР по применению метода векторного вибромониторинга на предприятиях и в организациях Федерального значения: РАО «Газпром», ВНИИФТРИ, 32 ГНИИИ МО РФ, Комитет по науке и технике Правительства Москвы, ОАО «ЦНИИ транспортного строительства», ГосМКБ «РАДУГА» им.А.Я.Березняка, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», ОАО «НПО Сатурн», ФГУП «ММПП «САЛЮТ», НПП «МЕРА» (ОАО «Тюменьэнерго»), ГОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации» Ростехрегулирования, ГОУ ДПО «Академия строительства и ЖКХ» Росстроя, ГТУ МАИ, РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, МХТИ им.Д.И.Менделеева.
Российский Фонд фундаментальных исследований признал разработку прорывной информационной технологией и финансирует её продвижение по направлению «Фундаментальные исследования в области инженерных наук» (Грант №05-08-33442 на 2005?2007г.г.).
В настоящее время имеется полный комплект технической документации. Проводится модернизация устройства с целью улучшения и расширения потребительских свойств. Данному оборудованию не требуются усилия для сопровождения, кроме соблюдения правил эксплуатации. В отличие от чрезвычайно сложного и высокотехнологичного диагностического программного обеспечения, аппаратная часть комплекса достаточно мобильна и проста в эксплуатации, не требует специальных средств юстировки, обеспечения совместимости и биологической защиты.
Выпущено 22 публикации в академических трудах, научных и отраслевых журналах.

Предлагаемые инвестиции

64 млн. руб.

Рынки сбыта

По оценкам официального издания Ростехрегулирования (журнал «Мир измерений» №2, 2002г.), в Российской Федерации в активном применении находится более 800 тысяч отечественных и импортных датчиков вибрации на основе однокомпонентных пьезокерамических виброакселерометров. Если предположить, что всего 10?15% контролируемых силовых агрегатов и конструкций представляют собой объекты высокой техногенной опасности, то для обеспечения достоверного мониторинга требуется примерно 100 тысяч векторных вибропреобразователей.
По информации дилеров иностранных производителей сложившаяся потребность отечественного рынка в импорте современных высококачественных виброакселерометров составляет 600 ? 2000 комплектов трехкомпонентных датчиков с усилителями заряда ежегодно. По мнению экспертов, указанная потребность занижена в 3-5 раз из-за ограниченности финансовых средств потенциальных российских потребителей. Секция прикладных проблем при Президиуме РАН, головные институты МО и Научно-технические комитеты ВС документально подтвердили заинтересованность в разработках и серийном применении векторных вибропреобразователей.
При кажущейся очевидности и целесообразности, векторные вибропреобразователи не находят широкого применения в отраслях, обеспечивающих техногенную безопасность. Основные причины видятся в следующем: а) - традиционный консерватизм разработчиков, эксплуатаци-онников и метрологов, ориентированных отечественной нормативной метрологической базой (ТУ, регламенты, ГОСТы) на применение однокомпонентных датчиков; б) - низкая квалификация, отсутствие профессионализма и метрологической культуры у большинства потенциальных пользователей; в) – высокая в области виброметрии конкурентоспособность импортной продукции; г) - «экономическая целесообразность» (предположительно «откат») дорогих импортных закупок качественной техники, особенно при централизованных отраслевых поставках, как это происходило в Газпроме и на некоторых предприятиях Авиапрома; д) – низкая платежеспособность наукоемких отраслей промышленности; е) - отсутствие государственных механизмов содействия продвижению отечественных высоких технологий в области техногенной безопасности, особенно в сфере военной техники. Придающие самое серьезное значение проблеме вибрационной безопасности страны, такие как США, Германия, Англия, Франция, Япония, Ю.Корея, Швейцария и Дания, проявляют активный интерес к отечественным векторным вибропреобразователям, но не спешат вступать в коммерческие отношения. В позиции Запада преобладают как стремление к защите собственного рынка, верность сложившимся традиционным связям с поставщиками, так и низкий научно-технический авторитет России в области виброметрии.
Непродолжительное присутствие НПП «РЭМ-вибро» на отечественном рынке вибропреобразователей показало, что основными потребителями высокотехнологичной продукции являются ведущие отраслевые предприятия-разработчики новой техники авиационно-космического и топливно-энергетического комплексов, прецизионного машиностроения и объектов высокой техногенной (вибрационной) опасности. Достоверно известно, что потребители серийной продукции (авиационные моторостроительные заводы, компрессорные станции НГК, Вооруженные Силы и др.) ориентированы на применение сертифицированных измерительных виброканалов и систем, включающих в себя, помимо виброакселерометров с усилителем заряда, вторичные обрабатывающие преобразователи, регистрирующие устройства и программируемые анализаторы. При проведении маркетинговой политики необходимо также иметь в виду, что производства с низким уровнем технологий и качества работ (как правило, серийные производства, ремонтные и эксплуатационные службы) не заинтересованы в применении прецизионной измерительной техники достоверного контроля качества, т.к она существенно усложняет прохождение технического контроля качества. По мнению военных, внедрение векторных вибропреобразователей следует проводить в естественной технологической последовательности: на этапах проектирования, опытного и серийного производства, наладки, испытаний, эксплуатации, ремонта и продления ресурса. Существенно повлиять на рынок могут специальные маркетинговые исследования и серьезная рекламная кампания. Большой накоп-ленный опыт исследований и применений свидетельствует о готовности к этому.
Имеются аргументированные письменные заключения и отзывы ведущих отраслевых предприятий и организаций о технических характеристиках, целесообразности применения и перспективности векторных виброакселерометров: ФГУП «ВНИИ метрологии им. Д.И.Менделеева», Института кристаллографии РАН им. А.В.Шубникова, Экспертного Совета по вибрации РАО «ЕЭС России», Всероссийского теплотехнического института, Московского энергетического института, ВНИИГАЗ РАО «Газпром», ГНЦ «Центральный институт авиационного моторостроения им.П.И.Баранова», Московского авиационного института, ФГУП «Мотор», Научно-исследовательского Центра им.А.Люльки, ОАО «НПО Сатурн», ФГУП «ММПП Салют», ОКБ вертолетостроения им. Камова, Военно-воздушной инженерной академии им. проф. Н.Е.Жуковского, Метрологической службы ВС РФ, Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, 32 ГНИИ измерений МО РФ, ФГУП «22 ЦНИИ измерений МО РФ», 1ГНИИ МО РФ, Морского научного комитета, Военного научного комитета ВВС, ФГУП «ВНИИ метрологической службы», «Академии стандартизации, метрологии и сертификации» Ростехрегулирования.
Несмотря на отсутствие заказов на серийные поставки, существует мнение, что при правильной технологической стратегии техногенной безопасности, определенном протекционизме и агрессивной тактике внедрения инновации, использование векторных вибропреобразователей может практически исключить потребление однокомпонентных датчиков на КВО.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции. Результаты многочисленных испытаний не только подтвердили практическую возможность получения достоверной информации о динамических параметрах вибрации, но и доказали технологический приоритет России и конкурентоспособность векторных датчиков в сравнении с лучшими зарубежными «аналогами». Есть основания полагать, что векторная виброметрия, основанная на достоверном пространственном вибромониторинге, соответствует мировому метрологическому уровню, полностью совместима с целями международной системы стандартизации и соответствует общепринятым техническим регламентам. Наиболее развитые в области вибрационной безопасности страны, такие, как США, Германия, Англия, Швейцария и Дания, придающие проблеме самое серьезное значение, не располагают даже приближающимися по характеристикам аналогами векторных датчиков.

Возможность выхода на мировой рынок

Аналогичных технологий в мировой практике нет.

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

29.09.2006