Исследование вибрационных процессов электромеханических систем с одновременной амплитудной и частотной модуляцией

Современные тенденции проектирования сложных многороторных электромеханических систем связаны с решением двух основных задач, а именно обеспечение надежности функционирования их в заданных условиях эксплуатации и повышения ресурса их работы. В настоящее время решение указанных задач осуществляется за счет использование оригинальных конструкторско-технологических методов построения структуры системы, соответствующих технологических процессов изготовления ее элементов и их сборки с использованием перспективных технологий и материалов. В I процессе производства системы и ее эксплуатации определяющую роль приобретают технические средства контроля технического состояния контролируемой системы. Современные тенденции технической диагностики текущего технического состояния системы связаны с своевременным обнаружением и установлением характера развития дефекта в элементах системы, прогнозированием момента возникновения постепенного функционального отказа всей контролируемой системы в целом и условий возникновения внезапного отказа элемента системы [1,3, 28, 89, 114]. Оценка текущего технического состояния элементов и системы в целом осуществляется в настоящее время с помощью технических средств диагностики, содержащих в своей основе устройства микропроцессорной техники и ПЭВМ, что позволяет обрабатывать огромное количество контролируемых информационных сигналов за небольшой промежуток времени и таким образом существенно повышать надежность функционирования технических средств диагностики и получаемых с их помощью результатов. В настоящее время существует достаточно большое количество методов, способов и методик технической диагностики, которые позволяют решать задачи контроля текущего технического состояния различных видов промышленных изделий и устанавливать моменты зарождения и развития дефектов в их элементах.

В используемой на предприятиях практике технического контроля существенное значение приобретает диагностика качества функционирования электромеханических систем, которая базируется на основе разработанных диагностических моделей и на основании диагностических критериев, выбираемых для оценки технического состояния системы. Важными факторами в процессе организации и использования технических средств диагностики является информативность и измеряемость параметров диагностической модели контролируемой электромеханической системы, достоверность и работоспособность выбранных критериев диагностики для предупреждения постепенных отказов ее элементов в процессе эксплуатации. Диагностирование технического состояния электромеханических систем имеет два характерных вида, а именно тестовое и функциональное. Тестовое диагностирование основано на изучении ответной реакции системы на определенное тестовое воздействие специального вида, а функциональное диагностирование осуществляется в процессе непосредственной эксплуатации изделия, когда на его элементы действуют только рабочие воздействия, предусмотренные алгоритмом функционирования системы. Преимущество функциональной диагностики в том, что она дает более правдоподобные результаты контроля технического состояния системы чем тестовая, а недостаток в том, что требуется создание наиболее четко работающих диагностических критериев для оценки технического состояния системы. Функциональная диагностика наиболее характерна для применения контроля технического состояния электромеханических многороторных систем.

Выбор метода диагностирования осуществляется на этапе проектирования многороторной электромеханической системы, при испытании и доводке опытного ее образца, что позволяет более качественно создать модель технического состояния контролируемой системы. Следующим этапом диагностирования является разработка предельного технического состояния системы, определяющего ее функциональный отказ и защиту элементов системы от внезапных отказов в процессе ее эксплуатации.

В настоящее время существует небольшое количество работ [19, 60, 91], которые посвящены изучению причин развития неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения электромеханических систем. В работе [9] приведены результаты экспериментальных исследований неравномерности износа зубьев зубчатого колеса. Показано, что разница замеров профиля рабочей поверхности зубьев зубчатого колеса в процессе работы изделия изменяется в 5 раз. В связи с этим весьма актуальной в настоящее время является проблема исследования раскрытия физической природы причин возникновения неравномерности износа поверхностей контакта элементов опор вращения электромеханических систем и установления взаимосвязей возмущающих факторов, которая позволяет влиять на характеристики неравномерности износа.

Существенный недостаток всех существующих методов и способов диагностирования технического. состояния контролируемой системы и дефектоскопического анализа ее элементов состоит в том, что осуществляется диагностирование уже появившихся дефектов, а не диагностирование условий их возникновения. Большое количество методов и способов диагностирования технического состояния многороторных электромеханических систем основывается на изучении в них колебательных процессов. Поэтому разработка нового метода диагностирования технического состояния электромеханических систем, позволяющего оценивать влияние технологических погрешностей изготовления и сборки элементов системы, влияние неуравновешенности вращающихся масс системы на неравномерность износа, является в настоящее время также актуальной.

Для повышения достоверности диагностирования технического состояния многороторной электромеханической системы необходимо целенаправленно осуществлять вней контроль условий и характера формирования дефектов в элементах контролируемого изделия в течении всего времени его функционирования. Для решения поставленной задачи необходимо выявить физическую природу возмущающих факторов в элементах электромеханической системы, существенным образом влияющих на виброактивность всей системы в целом перед запуском ее в эксплуатацию. Целесообразно рассмотреть возможности изменения параметров виброактивности изделия за счет активного изменения характеристик динамических процессов в нем. При поступательном движении элементов системы целесообразно рассмотреть широкий диапазон соотношений амплитуд возмущающих факторов отдельных источников вибрации и решить задачу оптимизации по получению минимальных значений суммарного возмущающего воздействия за счет изменения амплитуд и фазовых сдвигов его составляющих. Также целесообразно установить влияние характеристик вибрационных процессов при изменении условий эксплуатации элементов системы. В этом плане необходимо сделать предположение о том, что вибрационные процессы в элементах системы порождают колебания основания, на котором они установлены, а колебания основания являются условиями существенного ускорения процессов износа элементов изделия при определенных условиях эксплуатации. Параметры вибрационных процессов основания изделия по осям его симметрии позволяют установить характер изменения величины вектора суммарного воздействия и положение его в плоскости или пространстве, а также выявить основные места концентрации возмущающих воздействий в виде динамических реакций на элементы системы, которые и создают условия формирования неравномерности износа на отдельных участках контактирующих поверхностей элементов вращения изделия. Такой впервые предложенный подход к анализу характера вибрационных процессов контролируемого изделия в условиях производства, перед запуском в эксплуатацию позволяет более целенаправленно осуществлять выбор модели контролируемого технического состояния системы. Также появляется возможность теоретического обоснования допустимых уровней виброактивностй отдельных источников вибрации, рационального выбора передаточных чисел зубчатых и ременных передач, комбинаций направления вращения роторов и соотношений амплитуд и фазовых сдвигов возмущающих факторов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ходе выполнения исследования впервые показано, что основной причиной неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения, электромеханических систем является наличие одновременной амплитудной и частотной модуляции суммарного воздействия, которое обусловлено в основном такими возмущающими факторами, как неуравновешенность вращающихся масс роторов системы и технологическими погрешностями изготовления и сборки деталей системы. Предложен новый метод диагностирования технического состояния электромеханической системы, позволяющий управлять развитием динамического процесса системы за счет конструкторско-технологических решений при доводке изделия в процессе производства — фиксирования определенным образом положения неуравновешенных масс элементов вращения системы.

Основной частью теоретического исследования является постановка крупномасштабного машинного эксперимента, который позволяет рассмотреть большие диапазоны изменения исследуемых параметров изделия и выбрать оптимальные сочетания возмущающих факторов для уменьшения неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения системы. Имитационное моделирование позволяет воспроизвести весь. комплекс технических состояний изделия, которые не всегда проявляются при изготовлении его в металле. Ограниченное число экспериментальных образцов, а также условия единичного и мелкосерийного производства не позволяют создать представления о всех возможных закономерностях неравномерности износа поверхностей контакта элементов вращения электромеханической системы в процессе приемо-сдаточных и ресурсных испытаний. Особое значение это обстоятельство приобретает при изготовлении изделий авиационной и космической техники. Следует отметить также, что существующие методы спектрального и кепстрального анализов не дают возможности составить представление о характере суммарного измеряемого сигнала и его структуре. Поэтому в работе решается задача разработки метода диагностирования контролируемого технического состояния многороторной электромеханической системы на основе выделения наиболее информативных диапазонов исходного измеряемого сигнала с целью повышения достоверности диагностирования. Разрабатываемый метод диагностирования базируется на сочетании результатов крупномасштабного машинного эксперимента с данными экспериментальных исследований спектров вибрации по осям симметрии контролируемого изделия и характера расположения неуравновешенности вращающихся масс элементов изделия.

Поскольку в процессе эксплуатации системы формируются неравномерности износа поверхностей контакта ее элементов вращения, то в работе рассматриваются методики представления их в виде сочетаний.

11 тригонометрических функций, которые позволяют разработать новый метод диагностирования условий формирования неравномерности износа.

Практическая ценность работы заключается в том, что: построение и реализация крупномасштабного машинного эксперимента позволяет оценить влияние конструктивных и технологических параметров элементов электромеханических систем на виброактивность системы и ожидаемый характер форм износа контактирующих поверхностей ее элементовпроведение математического моделирования технического состояния системы дает возможность выявить оптимальное техническое состояние системы, с точки зрения неравномерности износа элементов вращения, и, следовательно, добиться существенного увеличения ресурса работы изделияраскрываются условия формирования внезапных отказов при наличии концентрации воздействий во времени на отдельных участках контактирующих поверхностей элементов вращения, системы.

Результаты исследования могут быть использованы в различных областях приборостроения и машиностроения.

Основные результаты крупномасштабного машинного эксперимента и теоретических исследований, проведенных в работе, состоят в том, что:

1. Впервые разработан рациональный метод раскрытия физической сущности возникновения и развития тенденций неравномерности износа, основанный на выявлении условий формирования амплитудно-частотной модуляции суммарного возмущающего воздействия в сложных электромеханических системах в процессе эксплуатации.

2. Доказано, что основной причиной формирования неравномерности износа в элементах электромеханических систем является сложное пространственное движение общего элемента системы — основания, в.

• результате которого осуществляется взаимное влияние отдельных источников вибрации на специфические особенности развития тенденции износа контактирующих поверхностей подвижных элементов опор системы.

3. Показано, что при одинаковом уровне технологического обеспечения качества изготовления и сборки узлов, агрегатов и электромеханических систем в целом имеем достаточно большое множество контролируемых технических состояний развития динамического процесса системы, что требует проведения крупномасштабного машинного эксперимента для систематизации информации о возможных тенденциях развития неравномерности износа в условиях эксплуатации. Математическое моделирование позволяет выявить неблагоприятные технические состояния системы, которые могут возникать при производстве изделия в металле.

4. Показано, что результаты теоретических исследований обладают сложностью получения теоретических зависимостей и трудоемких расчетов и не обладают достаточной наглядностью. Только в отдельных случаях при равенстве амплитуд возмущающих гармонических воздействий и кратных соотношений частот колебаний, обеспечивающих достаточно хорошую сворачиваемость сумм тригонометрических функций возмущающих воздействий отдельных источников вибрации, теоретические зависимости можно представить в виде достаточно простых выражений и формул.

5. На основе теоретических исследований и математического моделирования развития динамического процесса электромеханической системы разработаны принципиально новые диагностические критерии: фазовый портрет суммарного возмущающего воздействия в плоскости с последующим уточнением характера его изменения в пространстве, характер изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия во времени, фазовый портрет интегрального износа элементов системы. Особое внимание следует обращать на характер изменения скорости вращения вектора суммарного воздействия. В работе были получены следующие его виды: скорость вращения равна постоянной величинескорость вращения имеет только положительные значенияскорость вращения имеет только отрицательные значенияскорость вращения имеет переменный знак.

Впервые показано, что наличие изменения знака скорости вращения вектора суммарного воздействия является преобладающей причиной концентрации возмущений в отдельных областях фазового пространства контактирующих поверхностей опор.

6. Проведенный анализ объемно-пространственных структур электромеханических систем с использованием моделирования динамических процессов в контролируемой электромеханической системе показал возможность использования плоскостной задачи для часто повторяющихся наибольших значений параметров вибрации только по двум осям симметрии изделия. Для получения пространственной картины динамического процесса в контролируемой системе рекомендовано решение двух плоскостных задач.

7. Показано, что существуют такие технические состояния, в которых половина фазового пространства полностью не испытывает суммарного воздействия, что приводит к развитию дефектов в определенных областях, а в дальнейшем к внезапному отказу всей системы.

8. Рассмотрено влияние передаточного числа привода на тенденцию развития неравномерности интегрального износа элементов вращения. Приведены рекомендуемые передаточные числа, которые способствуют более равномерному износу. Также показано влияние соотношений амплитуд и фазовых сдвигов возмущающих факторов на тенденцию развития неравномерности износа элементов опор вращения системы. Установлено, что в обычном механическом приводе имеет место наличие только амплитудной модуляции возмущающего воздействия.

9. На основе крупномасштабного машинного эксперимента создан банк данных наиболее благоприятных контролируемых технических состояний для реализации их на практике. Установлено, что наиболее оптимальной формой интегрального износа элементов системы является овальность с отклонениями от равномерности в пределах 5 — 7% от среднего значения.

10. С использованием результатов крупномасштабного машинного эксперимента создана принципиально новая методика проектирования динамических процессов электромеханических систем при разной интенсивности отдельных источников вибрации. Анализ полученных при его выполнении результатов показывает, что концентрации воздействий и созданию условий формирования дефектов в, значительной мере способствуют низкочастотные источники вибрации, а именно неуравновешенность вращающихся масс роторов системы и технологические погрешности изготовления и сборки деталей изделия.

11. На основе проведенного анализа технических состояний системы, состоящей из четырех элементов вращения, получены гистограмма и выведен закон распределения амплитудных значений суммарного воздействия для однонаправленного, разнонаправленного и смешанного вращения роторов, которые позволяют выявить наиболее вероятные значения амплитуд суммарного возмущающего воздействия, встречающиеся в таких системах.

Полученные в работе результаты рекомендуется использовать при диагностировании технических состояний и техническом контроле для.

• 143 изделий авиационной и космической техники, судостроительной, автомобильной и электротехнической промышленности.

Использование предложенного метода диагностирования технического состояния электромеханических систем в процессе их производства позволяет добиться увеличения ресурса работы в заданных условиях эксплуатации в 1.5 — 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современные тенденции достоверности диагностирования технического состояния контролируемых электромеханических систем направлены на использование микропроцессорных диагностических устройств и вычислительной техники (ПЭВМ) для обработки информационных сигналов, снимаемых с большого числа датчиков, устанавливаемых на агрегатах изделий.