Введение к работе
Актуальность работы. Вибромеханизмы, как класс специальных машин, чрезвычайно разнобразен. как по применению. так и по конструктивным признакам. Среди этих механизмов можно выделить класс прецизионных вибромеханизмов, предназначенных передавать нагрузке не только вибрационное силовое воздействие, но также определенное информационное воздействие. Так. вибромеханизмы, применяемые в испытательной технике должны обеспечивать заданный амплитудный и частотный спектры, форму колебаний, и др. при испытании изделия по определенной программе. Еше более жесткие требования, к информационной составляющей выходных колебаний вибромеханизма, предявляется к ней в случае применения их в вибросейсморазведке. Этот класс вибромеханизмов является сравнительно новым и. в основном, представлен двумя различными типами: вибровозбудителем с электрогидравлическим дроссельным управлением, выполненным по схеме следящего привода, и вибромеханизмом с дебалансным блоком, привод которого выполнен с использованием синхронных электродвигателей.
Необходимость создания виброисточников сейсмических колебаний, работающих в диапозоне низких частот и создающих значительные амплитуды усилий потребовали применения других принципов возбуждения колебаний в гидравлических вибромеханизмах. Так. в конце 70-х годов были начаты -целенаправленные работы по созданию прецизионных вибромеханизмов на упругих оболочках с управляемым кинематическим генратором колебаний. Данный тип вибромеханизма по сравнению с дроссельным имеет существенно больший КПД. меньшие удельные энергозатраты и лучшие массо-габаритные показатели. Это потребовало детального экспериментального исследования упругих свойств и кинематических параметров осесимметрично-едеформированных оболочек (рукавов высокого давления), создания различных схем кинематических гидрообъемных генераторов колебаний. выявления особенностей нагружения управляемого привода генереатора колебаний и др.
Проведенные экспериментальные исследования отдельных элементов вибромеханизма на упругих оболочках. показали перспективность использования данной схемы не только для создания низкочастотных сейсмических источников, но и для создания нового поколения вибромеханизмов для вибросейсморазведки, позволяющих получить лучшее разрешение при большей глубинности прослеживания отражающих горизонтов.
Цель данной работы заключается в том. чтобы на основе подробного детального рассмотрения элементов, входящих в состав вибромеханизма, и. опираясь на накопленный экспериментальный опыт, создать неупрощенные модели отдельных частей и контуров вибромеханизма в целом, а также его силового управляемого привода. Провести полное компьютерное исследование полученных моделей и выявить пригодность использования вибромеханизма на упругих оболочках для создания геофизических источников. а также, используя особые свойства исполнительных механизмов, синтезировать ряд алгоритмов коррекции параметров, с целью уменьшения искажений выходного сигнала по отношению к опорному. На основе изучения неупрощенной модели взаимодействия силового привода, управляемого по скорости вращения и углу поворота, с контуром вибромеханизма через кинематический генератор колебаний. выявить механизм взаимодействия и предложить простые алгоритмы для подавления либо усиления автоколебательного процесса энергообмена.
На основании этого в работе решены следующие задачи, изложенные последовательно в пяти главах диссертационной работы.
-
Уточнена и описана кинематика радиально-осесимметрично деформируемой оболочки (рукава высокого давления). в исполнительном механизме, с учетом переходных участков, допустимых границ рабочих перемещений; выявлены условия. при которых справедлива квазилинейная модель с постоянной площадью, и когда необходимо переходить на нелинейную модель.
-
Рассмотрены особенности характеристики жесткости оболочек исполнительного механизма и ограничения. накладываемые на кинематику для расчета по квазилинейной модели с условно постоянной жесткостью, и условия, при которых необходим переход к нелинейной модели. Уточнена методика оценки объемной характеристики исполнительного механизма и методика ее "быстрого" экспериментального определения для выбранного типа рукава высокого давления.
-
Теоретически обобщены и изучены вопросы формирования потерь в полостях исполнительного механизма, особенно явления, приводящие к возникновению дополнительного возбуждения и к формированию "скоростного" гистерезиса, или к возникновению, при определенных сочетаниях параметров, дополнительного колебательного контура.
4.Посредством компьютерного изучения математических моделей контура вибромеханизма, при разных значениях предварительного поджатия. амплитуды входного сигнала и различных значениях приведенной жесткости, установлена точность воспроизведения на выходе вибромеханизма заданного опорного сигнала. Оценка точности
воспроизведения опорного сигнала генератора с идеальным приводом, работаущего в режиме непрерывного, линейного по времени, изменения частоты, произведена новым, не применяемым в практике исследований вибромеханизмов, но широко известным в сейсморазведке, методом оценки по "хвостам" функции взаимной корреляции между опорным входным сигналом и выходным. Изучены различные алгоритмы коррекции параметров генератора и вибромеханизма, с целью улучшения соответствия выходного сигнала входному.
5. Выявлен механизм и физика автоколебательного взаимодействия контура гидрообъемного привода с колебательным контуром вибромеханизма на упругих оболочках через генератор колебаний. Изучены особенности, вносимые в исходную модель взаимодействия, при применении метода усреднения и причины, по которым данная методика приближенного расчета неприемлема. Рассмотрены вопросы подавления или усиления процесса взаимодействия, путем синтеза физически реализуемого алгоритма коррекции; оценена устойчивость автоколебательных режимов. а также исследовано влияние автоколебательных режимов на точность выходного сигнала вибромеханизма при воспроизведении заданного частотно-модулированного опорного сигнала.
6.Рассмотрены пути практического применения режимов взаимодействия привода и вибромеханизма в управляемых резонансных вибровозбудителях для снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях. Установлена, на основе изучения числовых моделей взаимодействия контуров вибровозбудителя и изделия, возможность реализации процесса дозированного вибростарения. когда по восстанавливающемуся, по мере старения и изменения упругих свойств изделия. автоколебательному процессу. можно одновременно осуществлять контроль самого процесса.
Научная новизна.
1. Теоретическое обобщение по кинематическим и упругим свойствам, с учетом всех особенностей исполнительного механизма на упругих оболочках, полный анализ нелинейностей при формировании "скоростного" гистерезиса, и учет их в обобщенной модели вибромеханизма проводится для данного класса вибровозбудителей впервые.
2.Результаты исследований моделей вибромеханизма на упругих оболочках в переходном вынужденном режиме, когда опорный сигнал задан линейно-частотно-модулированными колебаниями (свип-сигналом) и вычисление, одновременно, взаимнокорреляционной функции (ВКФ) с целью оценки соответствия выходного сигнала входному является новым подходом при синтезе параметров прецизионных вибромеханизмов
данного класса, позволяющим, производить целенаправленный поиск алгоритмов управления параметрами генератора или (и) исполнительного механизма. Показано, что такой путь коррекции параметров либо с использованием информации о входном сигнале, либо по результатам измерения выходного сигнала. является эффективным способом улучшения "хвостов" ВКФ.
-
Новыми являются результаты исследования компьютерной модели взаимодействия гидрообъемного привода и вибромеханизма на упругих оболочках, наблюдаемые в физическом эксперименте. при исследованиях реальных устройств. Установлено, что когда контур привода генератора колебаний и контур вибромеханизма описываются линейными дифференциальными уравнениями второго порядка. а уравнения связи этих контуров включают sin-, cos- составляющие от угла поворота вала привода, то энергообмен между этими контурами носит в зарезонансной зоне устойчивый автоколебательный характер.
-
Описана физика возникновения этих своеобразных автоколебаний и впервые изучены на моделях варианты упрощений при применении методов усреднения и выявлены причины, по которым метод усреднения не позволяет выявить режимы автоколебательного взаимодействия и энергообмена между контуром привода и колебательной системой вибромеханизма на упругих оболочках.
-
Опробован физически реализуемый алгоритм управления автоколебательным процессом взаимодействия: по существу, синтезирован для данной схемы новый вид обратной связи, реализуемый посредством устанавливаемого на валу привода вспомогательного генератора, частота которого удвоена, амплитуда его управляется пропорционально амплитуде выходных колебаний. а противоположные полости этого генератора соединены с полостями приводного гидродвигателя: показано, что управляя фазой этого генератора можно эффективно изменять процесс взаимодействия.
-
Изучен экспериментально и на компьютерной модели, и внедрен на производстве новый способ диагностики процесса вибростарения, в котором используется взаимодействие как между изделием и вибровозбудителем в целом, так и взаимодействие контуров привода и вибромеханизма.
Практическая значимость. На основе экспериментальных и теоретических исследований создан ряд внедренных вибростендов для испытания изделий и оборудования, несколько типов накладных управляемых вибровозбудителей с перестраиваемой резонансной частотой для вибростарения изделий, закончен цикл НИР с элементами опытно-конструкторских работ по созданию низкочастотных виброисточников с исполнительным механизмом на упругих оболочках и
с гидрообъемным генератором колебаний для сейсмических исследований, а также цикл поисковых НИР по созданию скважинных. либо поверхностных вибромеханизмов с гидрообъемным приводом с улучшенными энергетическими и информационными параметрами.
Апробация работы. Основные результаты представлены на Всесоюзных конференциях - совещаниях по гидравлической автоматике: Каунас (1970). Калуга (1974. 1982). Владимир (1978). Киев (1986): на конференциях по проблемам механических колебаний, виброзащиты и диагностики: Киев (1978). Челябинск (1982. 1990). Иркутск (1984. 1989). Луцк (1992): на Всесоюзных совещаниях по выбросейсмическим методам исследований: Новосибирск (1981). Гомель (1985). а также на многочисленных межвузовских конференциях. совещаниях и семинарах в СО РАН в процессе выполнения НИР по созданию вибрационной сейсмической техники.
Публикации. По результатам исследований. включенных в диссертацию опубликовано: 25 статей и сообщений. 3 итоговых отчета по НИР. более 25 а.с. и патентов на изобретения.
Личный научный вклад автора. Диссертация базируется на теоретиических обобщениях и исследованиях моделей, выполненных непосредственно автором. В совместных публикациях материалы, относящиеся к разработке моделей и их обоснованию, выполнены лично автором. Автор признателен коллегам по совместной научной работе, сотрудникам и руководителям подразделений СО РАН за поддержку при выполнении работ по созданию вибрационной сейсмической техники.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, содержащих 16 разделов, заключения, списка литературных источников и приложений. Материал изложен на 266 страницах: содержит 96 рисунков и графических протоколов, и список литературы из 135 наименований. В приложениях приведены листинги программ и документы по результатам внедрений.
