Введение к работе
Актуальность работы. Поиск неисправностей механических систем, оценка возможности её выхода из строя, а так же контроль за качественными показателями осуществления операций технологического процесса, использующих сложное механическое оборудование, снижение шумности агрегатов, увеличение долговечности, надежности, износостойкости являются общими требованиями связанными с развитием машиностроения и приборостроения. Немаловажную роль в этом вопросе играет задача динамического мониторинга подшипниковых узлов. Возможность безразборного диагностирования узлов сопряжения при этом приобретает особое значение.
Одним из способов, позволяющих решить данную задачу, является применение вибродиагностических методов. Суть вибродиагностического подхода заключается в использование вибрационных характеристик и акустических шумов генерируемых диагностируемыми узлами. Возможность оценки работоспособности подшипниковых узлов по параметрам вибрации основывается на том факте, что вибросигнал работающего подшипника несет в себе достаточно большое количество информации, косвенным образом отражающей его текущее состояние. Очевидно, что для эффективного использования измеряемого вибрационного сигнала, независимо от его природы, в программах осуществляющих контроль состояния оборудования, либо же косвенную оценку качества, необходимы методы позволяющие осуществить выделение полезной информации из вибросигнала.
Исследования в области вибротехнической диагностики в настоящее время имеют большую предысторию. В диссертационном исследовании развиваются имеющиеся подходы к решению данной задачи.
Выше изложенное определяет актуальность темы диссертационного исследования для науки и практики.
Степень разработанности проблемы. Существуют исследования в области вибротехнической диагностики. Это работы К.Н. Явленского, А.К. Явленского, Э.Л. Айрапетова, В.В. Шаповалова, А. Ширмана, К. М. Ра-гульскиса, А.Ю. Юркаускаса и других. В этих работах рассматриваются различные подходы к решению данной задачи. Однако известные работы не раскрывают внутренних механизмов формирования и развития дефектов, а анализируют диагностируемую систему скорее с позиции, так называемого, черного ящика. Принципиальным отличием диссертационного исследования является раскрытие механизмов формирования вибрационных характеристик по мере развития дефектов и разработка практического алгоритма диагностирования подшипниковых узлов для случая низкоскоростных подшипников скольжения.
Целью исследования диссертации является повышение надежности роторных систем посредством использования алгоритмов диагностики их состояния по наблюдаемым вибрационным характеристикам на основе математического моделирования динамики роторной системы с учетом связей формируемых трибосредой. Указанная цель позволяет сформулировать следующие задачи диссертационного исследования:
1. Исследование динамических свойств трибоконтакта и разработка методики идентификации системы динамических характеристик описывающих трибосреду.
Построение математической модели, позволяющей моделировать динамику роторной системы, представляющей собой вал удерживаемый на концах низкоскоростными подшипниками скольжения. Динамику роторной системы рассматривать в пространстве. При этом, подшипниковые узлы рассматривать как трибосреду с заданными динамическими характеристиками.
Изучение отображения изменения динамических характеристик три-босреды в сигналах виброакустической эмиссии и в вариациях угловой частоты вращения ротора посредством изучения динамики роторной системы.
Разработка методики выделения информационной составляющей из наблюдаемого сигнала. Для этого ввести формальное определение данного метода выделения информации, как оператора воздействующего на измеряемый сигнал с целью подавления помехи. Кроме того, определить понятие класса функций, являющихся полезными составляющими и не пересекающегося с ним класса помех.
Исследование свойств введенного оператора по отношению к обоим введенным классам. Получение расчетных формул или алгоритмов позволяющих определить результат воздействия оператора на те или иные сигналы. Исследование селективных свойств введенного оператора.
Разработка структурной схемы программно-аппаратного комплекса динамической диагностики роторной системы.
Объектом исследования является динамическая система роторного типа, представляющая собой ротор, взаимодействующий со статорами низкоскоростных подшипников скольжения посредством трибосреды.
Предметом исследования являются механизмы формирования вибрационных характеристик роторной системы по мере развития дефектов подшипниковых узлов.
Методологической базой исследований является совокупность методов экспериментальной динамики для параметрической идентификации динамических связей, возникающих в зоне взаимодействия ротора и статора подшипникового узла, с методами цифрового моделирования на основе математического моделирования.
Теоретической базой исследований является теория дифференциальных уравнений, теоретическая механика и, в частности, кватернионная кинематика, теория вероятности и случайных процессов, теория трибосистем.
Экспериментальной базой является измерительное оборудование, а также специализированный экспериментальный стенд типа - "машина трения". Экспериментальные исследования проводились на кафедре "Автоматизация производственных процессов" Донского государственного технического университета, а также ФГУП ВНИИ «Градиент». Обработка данных
и цифровое моделирование осуществлялись с помощью программ разработанных автором.
Научные результаты выносимые на защиту:
1. теоретические положения, касающиеся:
предложенных методов изучения свойств трибоконтакта;
разработанной математической модели роторной системы и результатов её исследования;
предложенного метода восстановления сигнала и результатов теоретического исследования его свойств;
2. практические решения, связанные с алгоритмами идентификации ро
торных систем, и предложенным программно-аппаратным комплек
сом диагностирования подшипниковых узлов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
На основе экспериментальной динамики предложены методы изучения свойств трибоконтакта как динамической связи объединяющей взаимодействующие объекты в единую систему. Предложенные на этой основе уравнения связей, а также их параметрическая идентификация позволили раскрыть наиболее важные особенности этой связи, заключающиеся в нелинейной зависимости нормальной и тангенциальной сил от сближения контактирующих поверхностей, запаздывании тангенциальной составляющей реакции связи от изменения её нормальной составляющей и прочее.
Исследование свойств трибоконтакта как динамической связи выполнено на элементарном контакте. В работе предлагается методика переноса свойств элементарного контакта на контактирующие поверхности сложной геометрической формы, что справедливо для подшипниковых узлов, обладающих малой скоростью относительного скольжения.
На основе формализма кватернионной кинематики предложена математическая модель роторной системы, учитывающая пространственное движение ротора и свойства трибосреды, формируемой в подшипниках скольжения. Полученная модель позволила изучать отображение изменения геометрических параметров зоны контактирующих поверхностей в координатах динамической системы.
Выполнено системное цифровое моделирование отображений геометрической анизотропии во временных реализациях координат состояния. Эти исследования позволили установить, что при всех рассмотренных дефектах вибрационные характеристики являются периодическими функциями пространственных координат, а именно угла поворота ротора а, в связи с чем, возможно рассмотрение не временных, а пространственных реализаций вибрационных характеристик, позволяющих осуществлять выделение диагностических признаков. Также было показано, что в широком диапазоне частот вращения ротора
пространственная неоднородность в одном из подшипников скольжения практически не оказывает влияния на динамику центра ротора в другом подшипнике, была обнаружена возможность возникновения в подшипниковых узлах автогенерации с частотой зависящей от величины зазора между ротором и статором и прочее.
5. Для оценивания развиваемой геометрической неоднородности свойств контактирующих поверхностей предложено строить диагностическую модель на основе анализа последовательностей стробоскопического отображения Пуанкаре. Для этого было введено понятие оператора усредненного стробоскопического отображения Пуанкаре и исследованы его селективные свойства: получены формулы АЧХ, ФЧХ, полосы пропускания. Установлена принципиальная возможность использования этого оператора в задачах восстановления "зашумленного" сигнала.
Теоретическая значимость работы заключается в том что в работе предложена математическая модель роторной системы, учитывающая свойства трибосреды формируемой в подшипниках скольжения, что, в отличии от имеющихся работ, позволило раскрыть механизмы формирования вибрационных характеристик по мере развития дефектов. Кроме того, предложенная модель рассматривает пространственное движение ротора, что также является отличительным признаком, позволяющим говорить о более высоких точностных характеристиках математической модели.
Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем:
Разработаны алгоритмы и методы идентификации роторных систем, позволяющие на стадии проектирования рассматривать влияние на динамику различных конструктивных особенностей подшипниковых узлов.
Создан математический аппарат и предложен программно-аппаратный комплекс для диагностирования развиваемой геометрической неоднородности подшипниковых узлов непосредственно в ходе эксплуатации.
Предложенные алгоритмы без существенных изменений могут использоваться для решения смежных задач, например, для решения задач динамической балансировки роторов.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа представляет собой решение актуальной научно - технической задачи повышения надежности роторных систем посредством использования алгоритмов диагностики их состояния по наблюдаемым вибрационным характеристикам на основе математического моделирования динамики роторной системы с учетом связей формируемых трибосредой. Содержание исследований соответствует специальности 01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры». Области исследования: №1 (динамика машин, приборов, аппаратуры, систем и комплексов машин и приборов.), №4 (теория линейных и нелинейных колебаний) и №9 (математическое моделирование поведения технических объектов и их несущих
элементов при статических, динамических, тепловых, коррозионных и других воздействиях).
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно - технических конференциях:
"Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" в Санкт-Петербурге в 2006 г;
"Высокие информационные технологии в науке и производстве" в Ростове - на - Дону в 2006 г;
"Современные проблемы информатизации в моделировании и анализе сложных систем" в Воронеже в 2007 г;
"Динамика технологических систем" в Ростове-на-Дону в 2007 г;
"Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем" в Воронеже в 2009 г;
"Современные проблемы информатизации в проектировании и информационных системах" в Воронеже в 2009 г;
"Инновация, экология и ресурсосберегающие технологии на предприятиях машиностроения, авиастроения, транспорта и сельского хозяйства" в Ростове-на-Дону в 2010 г.
Соответствие научному плану и целевым комплексным программам.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом научно - исследовательских работ ФГБОУ ВПО ДГТУ по проблеме "Разработка теории управления механических систем, взаимодействующих с эволюционно изменяющейся средой" и "Разработка теории эволюционных преобразований динамической системы, взаимодействующей с средой".
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержание которых изложено на 191 страницах, включая 5 таблиц, 68 рисунков приложение на 45 страницах и списка источников, состоящего из 75 наименований.
