Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост производительности и эффективности машин, увеличение скоростей движения рабочих органов, снижение материалоемкости, повышение нагрузок вследствие вибраций и ударов, необходимость обеспечения надежной работы оборудования и безопасных условий труда - факторы, определяющие внимание к задачам виброзащиты. Последнее составляет достаточно развитое и актуальное направление современной динамики машин. Технические объекты, работа которых происходит в условиях интенсивного динамического окружения, характерны практически для всех отраслей промышленности и транспорта.
Теоретические разработки в области виброзащиты и виброизоляции во многом имеют междисциплинарный характер и опираются на методы теории механизмов и машин, теоретической механики, теории колебаний, теории управления, используются методы математического моделирования и информационные технологии для оценки, поиска и выбора рациональных проектно-конструкторских решений.
Современные машины оснащаются сложными системами автоматического управления, что позволяет в контроле за динамическим состоянием технических объектов использовать внешние источники энергии, а интересующие задачи обеспечения необходимого уровня вибрационных движений рассматривать как задачи обеспечения технологического качества.
Системы управления динамическим состоянием сложных технических объектов в последние десятилетия стали обычным проявлением понимания необходимости нормировать, ограничивать и контролировать степень внешних воздействий на узлы и агрегаты машин, содержащих, так или иначе, средства защиты, настраиваемые на возможность эффективной работы.
Фундаментальные результаты по решению этих вопросов представлены в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И.И., Бабакова И.М., Бабицкого В.И., Бидермана В.Л., Блехмана И.И., Болотина В.В., Бутенина Н.В., Вейца В.Л., Ганиева Р. Ф., Генкина М.Д., Турецкого В.В., Ден-Гартога Дж.П., Диментберга М.Ф., Елисеева СВ., Клюева В.В., Колесникова К.С, Коловского М.З., Кононенко В.О., Кренделла С, Ларина В.Б., Митропольского Ю.А., Неймарка Ю.И., Пальмова В.А., Пановко Я.Г., Первозванского А.А., Светлицкого В.А., Синева А.В., Тимошенко СП., Троицкого В.А., Фролова К.В., Фурунжиева Р.И., Хвингия М.В., Цзе Ф.С, Челомея В.Н., Черноусько Ф.Л. и др.
Важнейшей проблемой для обеспечения надежности работы машин становится определение возможностей управления их динамическим состоянием и доведение показателей до уровня, определенного нормативами. Задачи виброзащиты и виброизоляции, снижения уровня динамических воздействий на элементы машин при вибрациях и ударах, обеспечения эффективности машин при комплексных динамических нагрузках - это далеко не полный перечень современных актуальных направлений теоретических и экспериментальных исследований в данном направлении.
Существенное развитие в динамике машин получили методы и подходы теории систем, системного анализа и теории автоматического управления, включая и методы прямого управления динамикой процессов с использованием средств вычислительной техники. От рассмотрения отдельных динамических явлений и процессов наметилась вполне определенная тенденция перехода к изучению вибрационных состояний объектов, формированию и исследованию вибрационных полей, способам управления динамическим состоянием машин, точнее, взаимодействием между элементами машин. Вместе с тем, в последние годы аппарат теории колебаний получил своё развитие не только в плане освоения новых методов и формализованных технологий, но и выхода на новые постановки традиционных задач динамики машин. Последнее достигается введением в колебательные системы, так называемых, дополнительных неуправляемых и управляемых связей, учетом ряда специфических особенностей работы оборудования, включая определение условий его опирання и взаимодействия агрегатов. Как показано в ряде работ, спектр динамических свойств колебательных систем может быть расширен по сравнению с известными классическими представлениями, если использовать введение различных дополнительных обратных связей, которые реализуют различные, в т.ч. нетрадиционные эффекты управления состоянием объекта защиты. В этом плане достаточно перспективными представляются структурные методы исследования, в основе которых лежат идеи использования особого класса математических моделей.
Развитие структурных методов позволяет построить систему обобщенных представлений о динамических свойствах колебательных систем с возможностями их изменения или управления их динамическим состоянием путем введения дополнительных связей.
Вместе с тем, упомянутые задачи еще не получили систематического рассмотрения, в том числе, с позиций физической интерпретации дополнительных связей, именно, как обобщенных динамических связей, реализуемых через механизмы преобразования движения и структуры других видов. Поэтому представляется целесообразным обобщить накопленный опыт, развить научные и методические принципы в задачах обоснования построений систем виброзащиты и виброизоляции, использовать накапливаемые решения для поиска и разработки средств управления динамическим (точнее вибрационным) состоянием в технических системах, а также получить более детальные представления об их реальных свойствах.
Цель диссертационной работы состоит в развитии и разработке новых подходов в задачах изменения и управления динамическим состоянием машин, агрегатов и оборудования, основанных на методах структурного анализа и синтеза систем и введения в механические колебательные системы дополнительных обратных связей.
Для достижения поставленной цели предполагается решить ряд задач.
-
Разработать новые подходы к изменению динамических свойств систем путем введения в их структуры обобщенных динамических связей в виде механических цепей различной природы.
-
Разработать методы математического моделирования машин и оборудования, работающих в условиях динамического нагружения, использующие структурные представления и интерпретации в построении систем защиты от вибраций и ударов.
-
Разработать методы динамического синтеза для решения задач управления вибрационным состоянием на основе введения дополнительных связей, создающих активные воздействия на объект защиты.
-
Развить методологические основы построения виброзащитных систем, дополнительные связи которых выступают в виде колебательных структур.
-
Провести сравнительный анализ возможностей систем защиты, имеющих различные реализации дополнительных связей, законы управления движением, с экспериментальной проверкой основных теоретических положений.
6. Разработать принципы построения и программные средства
технологий автоматизированного поиска и расчета технических средств в
поддержку решения задач обеспечения виброзащиты и виброизоляции
машин и оборудования.
Вместе с тем существует и ряд трудностей, которые связаны с возможностями построения адекватных математических моделей, оценки роли и значения нелинейных свойств элементов систем, с выбором способов описания движения и определением возможностей изменения динамического состояния объектов при поиске и выборе тех или иных конструктивно-технических решений. Несмотря на известные успехи в решении проблем динамики машин, работающих в условиях вибрационного и ударного нагружения, до настоящего времени не получил должного развития системный подход, который можно было бы воспринимать как цельную методологию поиска и разработки специализированных технических федсгв управления динамическим состоянием. Это предполагает дальнейшие исследования в направлении развития методов динамического синтеза механических колебательных систем машин и оборудования на основе структурных подходов и аппарата теории автоматического управления в решении задач виброзащиты и виброизоляции посредством введения обобщенных динамических связей и механизмов.
Научная новизна результатов в целом заключается в создании методологии разработки способов и федсгв изменения динамического состояния и построения систем защиты машин, агрегатов, оборудования от вибраций и ударов на основе формирования структуры систем и использования в их составе обобщенных динамических связей и механизмов.
К наиболее существенным научным результатам относятся:
1. Разработана концептуальная база и принципы построения виброзащитных
систем, включающих в свой состав обобщенные динамические связи на основе
использования различных устройств и механизмов.
2. Развиты методологические подходы к определению и формированию
структурных интерпретаций механических колебательных систем, рассматриваемых
в качестве базовых расчетных схем машин, агрегатов и оборудования для решения
задач виброзащиты и виброизоляции.
3. Предложен набор типовых элементов, которые могут рассматриваться в
структурах виброзащитных систем для расширения возможностей изменения
динамических свойств. Разработана технология прогнозирования и поиска новых
конструктивно-технических форм реализации дополнительных связей.
4. Разработана методика динамического синтеза виброзащитных систем с
управляемыми дополнительными связями, предполагающими преобразование
информации о динамическом состоянии объекта по различным законам управления.
5. Предложена и разработана концепция и методика построения и расчета
активных виброзащитных систем на основе использования
электрогидравлических управляемых исполнительных механизмов.
6. Разработана система прикладного программного обеспечения для
автоматизации проектирования, выбора и расчета виброзащитных систем машин и
оборудования.
Практическая значимость и использование результатов работ. Разработанная теория построения виброзащитных систем с использованием дополнительных обратных связей, реализуемых в качестве обобщенных динамических связей, в том числе, и в виде механизмов, позволяет:
создать систему математических моделей и алгоритмы расчета вибрационных систем, которые в совокупности составляют основу для построения пакета прикладных программ для автоматизации их исследования и проектирования;
обоснованно проводить инженерно-техническую реализацию изменения динамических свойств колебательных систем;
выполнять экспертные оценки рациональности построения и направлений совершенствования существующих систем зашиты объектов от вибраций и ударов;
создать научную базу в поддержку внедрения технологий комплексного
неразрушающего контроля и вибродиагностики технических объектов;
рекомендовать методику и реализовать принципы построения активной
виброизоляции транспортных объектов, гашения упругих колебаний роботов и др.
Разработанный научно-методический комплекс, математическое обеспечение позволяет создать программные комплексы, ориентированные на учет специфики задач виброзащиты и виброизоляции, что, в частности, было реализовано в пакетах прикладных программ «ВИЗА» и «ПАМИР».
Результаты разработок были переданы и использовались в работе ряда предприятий различных отраслей промышленности (ЦНИИ им. А.И.Крылова, ЦНИИ ТС, НИИАС, ЦКБ Фотон и др.) с подтвержденным экономическим эффектом более 1 млн. руб. (в ценах до 1991 г.)
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Концепция формирования и методология поиска, выбора способов и средств
защиты машин и оборудования с введением в механические колебательные системы
обобщенных динамических связей;
2. Принципы построения виброзащитных систем нового типа, включающих в
свой состав дополнительные цепи, которые реализуются в виде механизмов
преобразования движения, колебательных структур, а также сервоприводов на
основе активных устройств (электрогидравлических и др.);
3. Методы динамического синтеза, используемые для изменения динамического
состояния объектов посредством реализации структурных подходов и структурных
интерпретаций механических колебательных систем;
4. Результаты исследований, связанные с изучением особенностей
динамических свойств колебательных систем с дополнительными связями;
5. Технология определения новых форм элементов и устройств, реализующих
дополнительные связи, прогноза обнаружения их новых свойств;
Достоверность и обоснованность полученных результатов основывается на применении апробированных методов теории колебаний, системного подхода и теории автоматического управления, а также на экспериментальных исследованиях, выполненных по договорам с организациями и предприятиями.
Результаты автора получены в рамках НИР, выполненных по Постановлению Президиума СО АН СССР («Прикладные методы исследования виброзащитных систем»; гос. per. 79045477); Координационному плану НИР АН СССР на 1981-1985 г.г. по проблеме «Теория машин и систем машин», Приказу - Распоряжению МРП и СО АН СССР («Методы виброзащиты технических объектов»; гос. per.81078263); Плану НИР АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения, Координационному плану НИР АН СССР на 1986-1990 г.г. по проблеме «Теория машин и систем машин», Общесоюзной научно-технической программе «Надежность» на 1988-1990 г.г. и период до 1995 г. («Методы и системы автоматизированного исследования и проектирования виброзащитных систем»; гос. per. 01860055961); Проблемно-тематическому плану многостороннего научного сотрудничества Академий наук социалистических стран 1986-1990 г.г. по проблеме «Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов»; материалы, подготовленные с участием результатов исследований и разработок автора включены в 35 научных отчетов, прошедших государственную регистрацию и сданных заказчикам.
Апробация результатов. Основные положения работы докладывались и обсуждались на (более 30) научных мероприятиях с участием отечественных и зарубежных специалистов (1971 - 2008 г.г.).
Наиболее значимыми из них являются: І, Ш Всесоюзные симпозиумы «Влияние вибраций различных спектров на организм человека и проблемы виброзащиты» (Москва, 1972, 1977 г.г.); I - IV Всесоюзные научно-технические конференции «Активные виброзащитные системы», «Теория и применение активных виброзащитных систем», «Механические управляемые
системы», «Проблемы виброизоляции машин и приборов», (Иркутск, 1972 -1989 г.г.); Всесоюзное научное совещание по проблемам виброизоляции машин и приборов» (Звенигород, 1986 г.); Пятый (Алма-Ата, 1981 г.), Шестой (Ташкент, 1986 г.) Всесоюзные Съезды по теоретической и прикладной механике; Первый (Алма-Ата, 1977 г.), Второй (Одесса, 1982 г.) Всесоюзные Съезды по теории машин и механизмов; Третья Всесоюзная Четаевская конференция по аналитической механике, устойчивости и управлению движением (Иркутск, 1977г.); Всесоюзная конференция «Проблемы нелинейных колебаний механических систем» (Киев, 1978 г.); Четвертая Всесоюзная конференция по оптимальному управлению в механических системах (Москва, 1982 г.); Шестая Всесоюзная конференция по управлению в механических системах (Львов, 1988 г.); Первое (Владимир, 1978 г.), Второе (Минск, 1981 г.) Всесоюзные совещания по робототехническим системам; Первая (Йошкар-Ола, 1978 г.), Четвертая (Волгоград, 1987 г.) Всесоюзные Конференции «Автоматизация поискового конструирования»; Всесоюзное совещание «Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем» (Тамбов, 1981 г.); Всесоюзная конференция «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Повышение надежности и совершенствование конструкции подвижного состава» (Днепропетровск, 1988 г.); VIII Международная конференция «Применение ЭВМ в технике и управлении производством» (Москва, 1987); Научный семинар «Проблемы управления упругими мехатронными системами» (Иркутск, 1991 г.); XI Международная научная конференция, посвященная памяти академика М.Ф. Решетнева («Решетневские чтения», Красноярск,
2007 г.); «Обобщенные решения в задачах управления» - IV Международный
симпозиум, посвященный 80-летию академика РАН В.А.Ильина (Улан -Удэ,
2008 г. ); XIV Байкальская международная школа-семинар «Методы
оптимизации и их приложения (Северо-Байкальск, 2008); VIII Всероссийская
научная конференция «Нелинейные колебания механических систем»
(Нижний Новгород, 2008).
Работа обсуждалась в Иркутском ВЦ СО РАН (1976 - 1988 г.г.), в Отделе робототехники, автоматизации и материаловедения, Автономном Отделе автоматизации и технической физики при Президиуме ИНЦ СО РАН (1988 -95 г.г.), НИИ современных технологий, системного анализа и моделирования Иркутского государственного университета путей сообщения (2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе монография и 20 статей в ведущих рецензируемых журналах и научных изданиях, рекомендуемых ВАКом Минобрнауки РФ для публикации докторских диссертаций, Наряду с этим имеются 8 иностранных публикаций, а программные разработки «ВИЗА» и «ПАМИР» были зарегистрированы государственном фонде алгоритмов и программ (ГОСФАП). Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, основных выводов по работе, библиографию и приложения. Библиографический список литературы включает 172 наименования. В приложении к диссертации приведены акты о внедрении результатов.
